KR101314901B1 - 수력발전소용 터빈 - Google Patents

Abstract

수력발전설비용 터빈이 제공되어 있다. 터빈은 복수의 터빈 블레이드를 가진 로터를 갖고 로터는 안내 장치 앞에(유동 방향으로) 배치된다. 로터의 터빈 블레이드의 피치각은 가변적이도록 형성된다.
로터가 안내 장치 앞에(유동 방향에) 배치됨에 따라 유동은 로터를 먼저 만나고, 그 후에야 안내 장치를 만남으로써 로터에 대한 최적의 유동 조건을 제공한다.

Description

수력발전소용 터빈{TURBINE FOR A HYDROELECTRIC POWER STATION}

본 발명은 전기 에너지를 발생시키는 수력발전소용 터빈 및 대응하는 터빈을 가진 수력발전소에 관한 것이다.

실질적으로 3개의 레벨로 구분되는, 터빈을 가진 수력발전소 또는 수력발전설비가 알려져 있다. 제1 레벨은 일반적으로, 터빈이 유동 통로 내의 제 위치에 유지되게 하는 지지 장치를 나타낸다. 통상 로터(rotor)의 앞에 배치되는 안내 장치가 더 제공된다. 마지막으로 로터 자체가 블레이드(blade)와 함께 그 뒤에 배치된다. 이는 이러한 종류의 터빈에 대한 유동이 이 3개의 레벨 또는 위치에서 영향을 받음을 의미한다.

Jurgen Giesecke와 Emil Mosonyi의 'Wasserkraftanlagen'['수력발전설비'], 3판, Springer Verlag 2003은 많은 수력발전설비를 보여준다. 예를 들어, 여기에는 카플란 튜브(Kaplan tube) 터빈이 제시되어 있다. 이 터빈은 입구 샤프트, 터빈, 및 흡입 호스를 갖는데, 이들은 매우 실질적으로 일렬로 배치되고, 수평 방향에 대하여 수평하거나 약간 기울어진다. 이것은 고에너지 출력에 유리하게 유동 방향의 복수의 변화를 피하는 장점을 갖는다. 터빈은 지지 블레이드, 안내 블레이드, 및 그 뒤에 배치되고 대응하는 블레이드를 가진 로터를 갖는다.

직류(straight flow) 터빈 유닛도 알려져 있는데, 발전기는, 하우징 용기의 내부에 배치되지 않도록 유동 튜브 외부에 동심을 갖도록(cocentrically) 배치된다. 로터는 허브(hub), 로터 블레이드, 및 로터 고리를 포함하는데, 이것들은 일반적으로 용접 구조의 형태로 제작되어 유닛을 형성한다. 지지 교차 장치(support cross arrangement)는 안내 블레이드와 로터 블레이드를 가진 로터의 유동 방향 상류(upstream)에 배치된다.

로터의 앞에 배치된 안내 장치는 안내 블레이드 또는 지지 블레이드의 회전에 의해 사용되어, 서로를 밀어 유동 통로를 차단하도록 블레이드가 설정됨으로써 터빈의 가동을 중단시킨다.

이 시점에서 최근 기술로서 일반적으로 하기의 공보에 관심이 쏠려 있다: DE 34 29 288 A1, DE 884 930 C, EP 0 622 543 A1, CH 332 959, 및 US No 2005/0001432 A1.

따라서 본 발명의 목적은 터빈과, 단순화된 구조로 되어 있고 더 큰 출력을 제공하며 대응하는 터빈을 가진 수력발전설비를 제공하는 것이다.

이러한 목적은 청구항 1에 개시된 터빈과 청구항 6에 개시된 수력발전소에 의해 달성된다. 즉, 전기 에너지를 발생시키는 수력발전설비용 터빈으로서, 복수의 터빈 블레이드(1)가 설치되는 로터(4)와; 교란되지 않은 유동이 터빈 블레이드(1)에 관통 유동(through-flow) 방향으로 유입되도록 관통 유동 방향으로 로터(4)의 뒤에 배치되는 복수의 지지 블레이드(5)를 갖는 안내 장치(6)로서, 지지 블레이드(5)에 의해 로터(4)를 지지하여 로터(4)의 위치를 유지하고, 로터(4) 후방의 유동을 안내하여 유동이 축적되지 않도록 구성되는, 안내 장치(6);를 포함하고, 로터(4)의 터빈 블레이드(1)의 피치각(pitch angle)은 가변적으로 형성되며, 로터(4)는 터빈 블레이드(1)를 로터(4)에 연결하는 구형 허브(3)를 구비하고, 터빈 블레이드(1)가 허브(3)에 지지되어 터빈 블레이드(1)와 허브(3) 사이에 간극(gap)을 형성하지 않고 로터(4)의 터빈 블레이드(1)를 변위시킬 수 있는 것인 터빈 및 이러한 터빈을 갖는 수력발전설비가 제공된다.

따라서 수력발전설비용 터빈이 제공된다. 터빈은 복수의 터빈 블레이드를 가진 로터를 갖는데, 로터는 안내 장치 앞(유동 방향으로)에 배치된다. 로터의 터빈 블레이드의 피치각은 가변적이도록 형성된다.

로터가 안내 장치 앞(유동 방향으로)에 배치되는 사실에 의해, 유동은 먼저 로터와 만나고, 그 후에야 안내 장치와 만나며, 따라서 로터에 최적의 유동 조건을 제공한다.

개별적인 지지 장치가 제공되지 않는 사실은, 지지 장치 주변의 유동의 손실이 완전히 제거되고, 이에 따라 종래 기술과 비교하여 효율성 수준의 증가를 제공한다.

본 발명의 측면에 따라, 로터는 터빈 블레이드를 로터에 연결하는 구형(spherical) 허브를 갖는다. 허브의 구 형상은, 큰 범위에서의 터빈 블레이드의 피치각 조절 가능하게 한다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 터빈 블레이드는, 터빈 블레이드가 허브에 연결될 때 불리한 유동 조건을 피하는 것이 가능하도록, 구형 허브에 대하여 완전히 맞물리는 관계(positively locking relationship)로 터빈 블레이드와 허브 사이에 간극을 형성하지 않고 구형 허브에 지지된다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 터빈 블레이드의 피치각은, 적절하게 선택된 경우 로터가 감속하거나 가속될 수 있도록 -20° 내지 140°의 각으로 조정될 수 있다.

본 발명의 다른 측면들은 첨부된 청구항들의 주제이다.

로터가 안내 장치 앞(유동 방향으로)에 배치되는 사실에 의해, 유동은 먼저 로터와 만나고, 그 후에야 안내 장치와 만나며, 따라서 로터에 최적의 유동 조건을 제공한다.

개별적인 지지 장치가 제공되지 않는 사실은, 지지 장치 주변의 유동의 손실이 완전히 제거되고, 이에 따라 종래 기술과 비교하여 효율성 수준의 증가를 제공한다.

도 1a는 제1 실시예에 따른 터빈의 개략도를 도시한다.
도 1b는 제1 실시예에 따른 터빈의 다른 개략도를 도시한다.
도 1c는 제1 실시예에 따른 터빈의 정면도를 도시한다.
도 2a는 제2 실시예에 따른 터빈의 개략도를 도시한다.
도 2b는 제2 실시예에 따른 터빈의 다른 개략도를 도시한다.
도 2c는 제2 실시예에 따른 터빈의 정면도를 도시한다.
도 3a는 제3 실시예에 따른 터빈의 개략도를 도시한다.
도 3b는 제3 실시예에 따른 터빈의 다른 개략도를 도시한다.
도 3c는 제3 실시예에 따른 터빈의 정면도를 도시한다.

본 발명은 도면을 참조하여 이하에서 더 상세히 설명한다.

도 1a는 제1 실시예에 따른 터빈의 개략도를 도시한다. 도 1b는 도 1a에 도시된 터빈의 다른 도면을 도시한다. 도 1c는 도 1a 및 도 1b의 터빈의 정면도를 도시한다. 터빈은, 실질적으로 구 형상인 허브(3)에 연결되는 터빈 블레이드(1)를 가진 로터(4)를 갖는다. 터빈 블레이드(1)를 가진 로터(4)는 유동 방향으로 안내 장치(6) 앞에 배치된다. 따라서 본 터빈은 상류 로터 터빈이다. 다시 말해서, 안내 장치(6)는 로터(4)의 뒤에 있고, 동시에 추가적인 지지 장치가 생략될 수 있도록 유동 통로(2)에 있는 로터를 지지한다. 따라서 안내 장치(6)도 장착 장치(mounting arrangement)를 갖는다.

따라서 유동은 교란되지 않은 상태에서 먼저 로터(4)를 만나, 유동이 안내 장치(6)를 만나기 전에 유동으로부터 최대량의 에너지가 취해질 수 있도록 한다. 이와 관련하여 안내 장치(6)는, 스월 손실(swirl loss)을 감소시킴으로써 물의 최적 배출 유동이 보장되도록 설계되고, 따라서 증강 축적(build-up accumulation)과 이것이 수반하는 효율성 수준의 와해를 막는다.

안내 장치는 지지 블레이드(5)를 갖는다. 제1 실시예에서는 7개의 지지 블레이드(5)가 있다. 지지 블레이드(5)는 바람직하게는 조정가능하도록 설계되지 않는다.

로터(4)의 터빈 블레이드(1)는, 터빈 블레이드(1)의 피치 조정이 가능하도록 -20° 내지 140°, 바람직하게는 -10° 내지 120°의 범위에서 가변적이다. 이러한 방식으로 로터의 터빈 블레이드는, 허브의 구 형상으로 인해 터빈 블레이드(1)가 완전히 맞물리는 관계로 허브에 지지됨에 따라, 터빈 블레이드(1)와 로터 사이에 형성되는 간극 없이 임의의 위치로 변위될 수 있다.

90°로 터빈 블레이드(1)를 조정하면, 터빈 블레이드는 소위 '날개형 위치(feathered position)'로 변하는데, 다시 말해서 물은 로터(4)를 움직이게 하지 않으면서 터빈 블레이드를 지나 안내 장치(6)를 통해 흐른다. 그 결과, 터빈이 작동하지 않을 때에도 물은 터빈 유동 통로(2)를 통해 흘러나갈 수 있고, 로터를 감속 및 만일의 경우 정지시키기 위해 유동 통로(2)가 차단될 필요가 없다.

지지 블레이드의 조정성은, 로터(4)의 터빈 블레이드의 조정으로 인해, 그리고 터빈 블레이드가 날개형 위치로 회전될 수 있는 사실에 의해 로터(4)가 정지될 수 있다는 사실로 인해 필요하지 않다.

도 2a 내지 도 2c는 제2 실시예에 따른 터빈을 도시한다. 이 경우 제2 실시예의 터빈의 구조는 제1 실시예의 터빈의 구조와 실질적으로 일치한다. 제1 실시예에서와 같이, 안내 장치에는 7개의 지지 블레이드(5)가 있다. 그러나 제1 실시예와 달리 로터 상에 4 개의 터빈 블레이드가 있다.

도 3a 내지 도 3c는 각각 제3 실시예에 따른 터빈을 도시한다. 제3 실시예의 터빈의 구조는 제1 및 제2 실시예의 터빈의 구조와 실질적으로 일치한다. 제1 및 제2 실시예의 터빈의 구조와 대조적으로 안내 장치에 5개의 지지 블레이드가 있다.

상기에 제시한 세 실시예에서 로터(4)의 터빈 블레이드(1)는 조정가능하도록 형성되어, 터빈 블레이드의 조정에 의해 터빈의 가동이 중단될 수 있도록 한다. 이는 유동 통로(2) 내의 유동을 간섭하기 위해 안내 장치의 지지 블레이드의 조정성이 필요하지 않음을 의미한다.

상기에 제시한 세 실시예에서 로터는, 샤프트(10)의 회전 운동을 전기 에너지로 전환하기 위해 발전기에 결합될 수 있는 샤프트(10)에 연결된다.

따라서 본 발명에 따른 터빈은 상류 로터 터빈인데, 즉 안내 장치가 로터의 뒤에 배치된다. 안내 장치는 터빈을 위한 지지 및 장착 장치이다. 로터(4)의 터빈 블레이드(1)는 -20° 내지 140°의 각도에서 조정가능하도록 형성된다. 로터(4)의 허브(3)는, 로터(4)의 터빈 블레이드(1)가 간극 없이 바람직한 임의의 각도로 설정될 수 있도록 실질적으로 구 형상으로 되어 있다. 따라서 유동은, 안내 장치(6)로 보내어지기 전에 먼저 로터(4)를 만나고, 따라서 로터(4)에 최적의 유동 조건을 제공한다. 따라서 본 발명에 따른 터빈은 두 개의 레벨, 즉 로터와 안내 장치만 갖는다.

전술한 수력발전설비용 터빈은 바람직하게는 트랜스미션이 없는 장착(transmission-less arrangement)으로(샤프트(10)에 의함) 전력을 발생시키는 발전기에 결합되는데, 즉 이 장착은 터빈과 발전기로 구성되는 트랜스미션이 없는 시스템을 포함한다.

터빈에 결합된 발전기는 바람직하게는 그 회전 속도가 가변적이도록 형성된다. 이러한 목적으로 발전기 이외의 시스템 또는 수력발전설비는 바람직하게는 네트워크에 연결될 수 있는 인버터와 정류기(rectifier)를 갖는다. 정류기와 인버터의 제공으로 인해, 발전기에 의해 발생된 전압 또는 출력이 정류기와 인버터에 의해 필요한 네트워크 주파수로 전환될 수 있음에 따라 발전기도 상이한 회전 속도로 작동될 수 있다.

발전기의 변속 설계 구조는, 발전기의 회전 속도가 네트워크에 필요한 주파수를 전달하기에 충분하지 않을 때에도 발전기에 의해 발생된 전력이 네트워크에 전달될 수 있어서, 더 큰 출력을 달성할 수 있다.

본 발명에 따른 터빈이 발전기에 결합되어 수력발전소에서 사용되면, 헤드워터(headwater)(물의 뒷받침받는(backed-up) 부분)와 테일워터(tailwater)(증강 단계 아래에서 흐름 운동에 의해 노출되는 부분) 사이에 상당한 차이가 발생할 수 있다. 그러나 수력발전소에 의해 발생된 전력은 헤드워터와 테일워터 사이의 높이 차에 직접적으로 종속된다. 속도가 고정된 발전기를 가진 터빈이 사용되는 경우에는, 헤드워터(헤드워터와 테일워터 사이의 높이 차)가 발전기에 대해 필요한 회전 속도를 허용할 때에만 발전기를 이용할 수 있다.

수반되는 인버터를 가진 본 발명에 따른 가변 속도 발전기는 필요한 회전 속도보다 낮은 회전 속도에서도, 즉 상이한 출력 레벨에서도 작동할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 터빈은, 달리 필요한 회전 속도 아래로 터빈의 회전 속도가 떨어질 때에도 작동할 수 있다.

Claims (9)

1. 로터(4)와 안내 장치(6)에 의해 규정되는 두 개의 레벨을 포함하는 전기 에너지를 발생시키는 수력발전설비용 상류 로터 터빈으로서,
   상기 로터(4)에는 복수의 터빈 블레이드(1)가 제공되고,
   상기 안내 장치(6)는 복수의 지지 블레이드(5)를 가지며,
   - 상기 지지 블레이드(5)는, 상기 터빈 블레이드(1)가 관통-유동 방향으로 교란되지 않은 유입 유동을 갖도록, 상기 관통-유동 방향으로 상기 로터(4)의 뒤에 배치되고, 상기 지지 블레이드(5)에 의한 상기 안내 장치(6)는 상기 로터(4)의 후방의 유동을 안내하여 상기 유동의 축적을 방지하도록 구성되고, 상기 지지 블레이드(5)에 의한 상기 안내 장치(6)는 상기 로터(4)를 지지하여 제 위치에 유지되도록 구성되며,
   - 상기 로터(4)와 상기 안내 장치(6)는 상기 관통-유동 방향을 따라 오직 두 개의 레벨에만 제공되며,
   - 상기 관통-유동 방향을 따른 상기 오직 두 개의 레벨 중 제1 레벨에서는 상기 로터(4)가 제공되고,
   - 상기 오직 두 개의 레벨 중 제2 레벨에서는 상기 로터(4)의 뒤에 상기 안내 장치(6)가 제공되며,
   - 상기 안내 장치(6)는 통로에서 상기 로터(4)를 지지하는 장착 장치를 가지고, 상기 통로는 추가적인 별도의 지지 장치를 갖지 않으며,
   - 상기 로터(4)는 구 형상을 갖는 구형 허브(3)를 포함하고, 상기 터빈 블레이드(1)는 상기 구형 허브(3)에 연결되며, 상기 터빈 블레이드(1)의 피치각(pitch angle)은 -20° 내지 140°의 범위에서 가변이고, 상기 터빈 블레이드(1)는, 상기 터빈 블레이드(1)와 상기 구형 허브(3) 사이에 간극을 형성하지 않고 상기 범위 내의 피치각으로 상기 터빈 블레이드(1)를 임의의 위치로 변위시킴으로써 상기 터빈 블레이드(1)의 상기 피치각이 조정될 수 있도록, 상기 구 형상으로 인해 상기 구형 허브(3)에 대하여 완전히 맞물리는 관계(positively locking relationship)로 지지되는, 상류 로터 터빈.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 터빈 블레이드(1)는, 물이 상기 로터(4)를 움직이게 하지 않으면서 상기 터빈 블레이드(1)를 지나 상기 안내 장치(6)를 통해 흐르도록, 상기 피치각이 90°인 날개형 위치(feathered position)로 설정될 수 있는, 터빈.
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 터빈은 유동 통로(2)에 배치되고 상기 안내 장치(6)는 상기 로터(4)를 상기 유동 통로(2)에서 지지하도록 된, 터빈.
6. 청구항 1에 따른 적어도 하나의 터빈을 가진 수력발전설비.
7. 청구항 6에 있어서,
   전기 에너지를 발생시키는 발전기를 더 포함하고, 상기 발전기는 트랜스미션이 없도록(transmission-lessly) 상기 터빈에 결합되는, 수력발전설비.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 발전기는 회전 속도가 가변적이도록 형성되는, 수력발전설비.
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 발전기의 출력 전압을 정류하는 정류기와, 한 편에서 상기 정류기에 결합되고 다른 편에서 네트워크 연결에 결합되는 인버터를 더 포함하고, 상기 인버터는 상기 네트워크가 필요로 하는 주파수로 상기 네트워크에 전력을 전달하는 역할을 하는, 수력발전설비.

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