KR101389054B1 - 일체형 케이싱 시스템을 구비한 수력기계 - Google Patents

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Abstract

일체형 케이싱을 구비한 수력기계가 개시된다. 개시된 수력기계는 제1 유로가 하부면에 형성된 상부 케이싱; 상부 케이싱과 결합하여 일체의 수차 케이싱을 형성하며, 제1 유로와 결합하여 케이싱 유로를 형성하는 제2 유로가 상부면에 형성된 하부 케이싱; 상부 케이싱과 하부 케이싱 중 어느 일측의 중앙부에 회전가능하게 설치되는 러너; 및 상부 케이싱과 하부 케이싱 중 어느 일측의 러너의 둘레에 설치되는 유체 가이드;를 포함한다.

Description

일체형 케이싱 시스템을 구비한 수력기계{Hhydrodynamic machine including monolithic structure casing system}
본 개시는 수력기계에 관한 것으로 더욱 상세하게는 일체형 케이싱 시스템을 구비한 수력기계에 관한 것이다.
일반적으로 수력발전은 육상에 존재하는 물의 유량과 낙차를 이용한 위치에너지를 기계에너지로 변환시켜 발전하는 것이다. 이러한 수력발전을 위한 수력기계는 물이 많은 장소에 댐이나 저수조를 설치하여 상기 물을 유입함은 물론 유입된 물의 유량과 낙차를 이용하여 터빈을 회전시켜 동력 및 전기가 발생되도록 장치를 구성한 것이다.
수력기계에 사용되는 수차는 그 형식에 따라서 물의 운동에너지를 주로 사용하는 충동형 수차와 물의 압력에너지를 주로 사용하는 반동형 수차가 있다. 또한, 물을 저장하기 위한 댐을 상부와 하부에 설치하여 전기가 부족할 경우에는 상부댐에서 하부댐으로 물을 방수하여 수차 기능으로 발전하는 것과 전기가 남을 경우에 하부댐의 물을 상부댐으로 양수하는 펌프 기능을 동시에 할 수 있는 펌프수차가 있다.
이러한 수차 및 펌프수차의 케이싱은 수압을 견딜 수 있는 강한 구조강도가 요구되며, 유입되는 유량을 러너로 균일하게 흘려보낼 수 있는 구조로 설계 및 제작되어야 한다. 일반적으로 반동수차의 와권형(spiral) 케이싱은 유입관의 끝단부로부터 360도 회전하면서 유로 단면적이 서서히 작아지는 형상으로 설계되며, 수차 유입관을 통해 유입되는 물이 와권형 케이싱을 흘러가면서 케이싱 중앙부에 위치한 러너의 유입부로 흘러 들어간다. 케이싱의 제작 시에는 케이싱의 전체 유로를 상부와 하부로 나누고, 원주방향 360도의 위치를 일정한 간격으로 나누어 수압을 견딜 수 있는 임의 두께의 철판을 각 원주방향 위치에서 상하 및 좌우로 용접하여 와권형의 케이싱 형상을 구성한다. 그러나, 이러한 용접작업은 숙련된 용접공이 장시간의 작업시간에 걸쳐서 용접작업을 수행해야 하고, 용접 시 발생하는 열변형은 제작 및 가공 정밀도에 큰 영향을 미치게 된다.
특히, 소수력용 및 마이크로급 수차의 케이싱의 경우 크기가 상대적으로 작기 때문에 수차 설계 시 제시한 치수를 만족시키기 위해서는 상대적으로 높은 가공정밀도와 제작법이 요구되기 때문에 수차발전기의 제작비용이 크게 상승하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 종래의 수차 및 펌프수차와 같은 수력기계의 케이싱 제작 및 가공 방법에서 발생하는 용접 열변형에 따른 구조강도의 저하, 높은 부품가공정밀도, 상대적으로 많이 소요되는 작업인력 및 작업시간, 유지보수를 위한 부품교체의 어려움 등에 대하여 케이싱을 일체형으로 가공 및 제작함으로써 제기되어 왔던 문제점들을 해결하고자 한다.
본 발명의 한 측면에 따르는 일체형 케이싱 시스템을 구비한 수력기계는, 제1 유로가 하부면에 형성된 상부 케이싱; 상기 상부 케이싱과 결합하여 일체의 수차 케이싱을 형성하며, 상기 제1 유로와 결합하여 케이싱 유로를 형성하는 제2 유로가 상부면에 형성된 하부 케이싱; 상기 상부 케이싱과 하부 케이싱 중 어느 일측의 중앙부에 회전가능하게 설치되는 러너; 및 상기 상부 케이싱과 하부 케이싱 중 어느 일측의 상기 러너의 둘레에 설치되는 유체 가이드;를 포함한다.
상기 케이싱 유로는 상기 수차 케이싱의 일 측면에 위치한 유입부로부터 360도 회전하면서 유로 단면적이 서서히 작아지는 와권형 유로를 이룰 수 있다. 상기 유체 가이드는 상기 케이싱 유로의 내주에 마련된 스테인베인, 상기 스테인베인과 상기 러너 사이에 마련되며 가변 날개를 가지는 가이드베인을 포함할 수 있다.
상기 상부 케이싱과 하부 케이싱은 상기 수차 케이싱을 상기 케이싱 유로를 기준으로 상하로 이등분된 형상을 지닐 수 있다.
상기 유체 가이드는 상기 상부 케이싱의 하부면에 설치되는 일체형 케이싱 시스템을 구비할 수 있다. 또한, 상기 러너는 상기 상부 케이싱의 하부면에 설치될 수 있다. 이와 같이, 상기 유체 가이드와 상기 러너는 상기 상부 케이싱과 하부 케이싱 중 어느 한 쪽에 설치될 수 있다.
상기 상부 케이싱과 상기 하부 케이싱은 볼트로 체결될 수 있다. 이와 같은 볼트의 체결방식을 통해, 유지 보수를 위한 정기 점검 시에 수차 케이싱을 상부와 하부로 분리 가능하도록 하여, 수차 내부의 점검이 매우 편리해지고, 러너 및 베어링 등의 교환 시 작업이 매우 간편해질 수 있게 한다.
상기 상부 케이싱과 상기 하부 케이싱 각각은 철판이 가공되어 형성되거나 콘트리트로 형성될 수 있다. 가령, 케이싱 유로를 상부와 하부로 분할하여 기계절삭가공을 통한 일체형으로 제작하여, 설계시의 형상 및 치수에 대하여 높은 가공정밀도를 확보하고, 케이싱 유로 이외의 부분이 일체형으로 구성되어 수차의 구조강도를 높일 수 있게 한다.
이러한 수력기계는 수차 또는 펌프수차일 수 있다.
개시된 실시예들에 의한 일체형 케이싱 시스템을 구비한 수력기계은 수차 케이싱을 상하가 이등분된 일체형으로 제작하기 때문에, 제작 시 높은 가공정밀도를 확보할 수 있고, 수차의 구조안정성이 증가하며, 수차발전기의 유지보수를 위한 정기점검 비용을 낮출 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수차의 측단면도이다.
도 2는 도 1의 수차를 I-I선을 따라 본 평면도이다.
도 3은 도 1의 수차의 분해 사시도이다.
도 4 및 도 5는 도 1의 수차의 일체형 케이싱 시스템의 상부 및 하부 케이싱을 각각 도시한다.
도 6은 도 1의 수차의 상부 및 하부 케이싱이 결합되는 설치도를 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수차의 측단면도이며, 도 2는 본 실시예의 수차를 I-I선을 따라 평면도이며, 도 3은 본 실시예의 수차의 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예의 수차(100)는, 상부 케이싱(111), 하부 케이싱(112), 스테이베인(stay vane)(130), 가이드베인(guide vane)(140), 및 러너(runner)(150)를 포함하는 프란시스 수차이다. 도 4 및 도 5는 본 실시예의 수차(100)의 상부 및 하부 케이싱(111,112)을 각각 도시한다. 도 6은 본 실시예의 수차(100)의 상부 및 하부 케이싱(111,112)이 결합되는 설치도를 도시한다. 참조번호 161,162는 러너(150)를 회전가능하게 지지하는 지지부재를 나타낸다.
상부 케이싱(111)의 하부면(111a)과 하부 케이싱(112)의 상부면(112a)은 밀착 결합하여, 일체의 수차 케이싱(110)을 이룬다. 상부 케이싱(111)과 하부 케이싱(112)은 철판으로 형성될 수 있다. 상부 케이싱(111)과 하부 케이싱(112)은 볼트로 체결될 수 있다. 도 2에 표시된 참조번호 191는 볼트가 체결되는 구멍을 예시적으로 표시한다. 이와 같은 볼트의 체결방식을 통해, 유지 보수를 위한 정기 점검 시에 수차 케이싱(110)을 상부와 하부로 분리 가능하도록 하여, 수차(100)의 내부 점검이 매우 편리하도록 할 수 있다.
도 4에 도시되듯이, 상부 케이싱(111)의 하부면(111a)에는 제1 유로(121)가 형성된다. 마찬가지로 도 5에 도시되듯이, 하부 케이싱(112)의 상부면(112a)에는 제2 유로(122)가 형성된다. 상부 케이싱(111)과 하부 케이싱(112)이 밀착 결합될 때, 제1 유로(121)와 제2 유로(122)는 하나의 케이싱 유로(120)를 이룬다. 제1 유로(121)와 제2 유로(122)는 하나의 케이싱 유로(120)이 상하로 이등분된 형상을 지닐 수 있다. 즉, 상부 케이싱(111)과 하부 케이싱(112)은 수차 케이싱(110)을 케이싱 유로(120)를 기준으로 상하로 이등분된 형상을 지닐 수 있다. 케이싱 유로(120)는 수차 케이싱(110)의 일 측면에 위치한 유입구(115)로부터 360도 회전하면서 유로의 단면적이 서서히 작아지는 와권형 유로(spiral fluid path)를 이룰 수 있다. 이러한 제1 유로(121) 및 제2 유로(122)는 상부 케이싱(111)과 하부 케이싱(112)를 이루는 철판을 각각 기계절삭가공하여 형성할 수 있다. 이와 같이 수차(100)의 케이싱 유로(120)를 상부와 하부로 분할하여 기계절삭가공을 통한 일체형으로 제작하여, 설계시의 형상 및 치수에 대하여 높은 가공정밀도를 확보하고, 케이싱 유로(120) 이외의 부분이 일체형으로 구성되어 수차의 구조강도를 높일 수 있게 한다. 수차 케이싱(110)의 유입구(115)에는 유체가 유입되는 수차 유입관(180)이 연결된다.
상부 케이싱(111)의 중앙부(116)에는 구멍이 뚫려 있어, 수차 주축(미도시)이 수직한 방향에서 러너(150)의 중심과 연결될 수 있도록 되어 있다. 하부 케이싱(112)의 중앙부(117)에는 러너(150)를 경유한 유체가 외부로 배출될 수 있도록 구멍이 마련되어 흡출관(미도시)과 연결된다.
와권형의 케이싱 유로(120) 내측에는 러너(150)가 설치된다. 지지부재(161,162)는 베어링부재를 포함하여 러너(150)를 회전가능하도록 지지된 상태로 상부 케이싱(111)에 고정될 수 있다. 지지부재(161,162)는 볼트의 체결방식을 통해 체결되어, 유지 보수를 위한 정기 점검 시에 러너(150) 및 베어링(미도시) 등의 교환 시 작업이 매우 간편해질 수 있게 할 수 있다.
와권형의 케이싱 유로(120)의 러너(150)와 마주보는 내측면에는 유체가 케이싱 유로(120)을 한 바퀴 도는 동안에 러너(150)쪽으로 흘러들어갈 수 있도록 틈이 형성되고, 이러한 틈에는 유체를 가이드하는 스테이베인(130)이 설치될 수 있다. 즉, 케이싱 유로(120)의 내측 둘레를 따라 형성된 틈에 스테이베인(130)들이 설치된다. 스테이베인(130)의 내측에는 가이드 베인(140)이 마련될 수 있다. 가령, 가이드베인(140)은 지지부재(161,162)에 지지된 상태로 상부 케이싱(111)에 설치될 수 있다. 가이드베인(140)은 유량을 조절할 수 있는 가변 날개(141)를 가진다. 도 6에 도시되듯이, 상부쪽 결합부재(161)는 둘레를 따라 복수의 관통홀이 마련되어 있고, 가변 날개(141)에 결합된 핀(142)은 상부쪽 결합부재(161)의 관통홀을 거쳐 외부로 노출되어, 가변 날개(141)의 방향이 제어될 수 있게 할 수 있다. 이러한 스테이베인(130)과 가이드베인(140)은 유체를 러너(150)에 가이드하는 유체 가이드의 일 예이다.
상기와 같이 본 실시예의 수차(100)는, 스테이베인(130)과 가이드베인(140)은 러너(150)와 함께 상부 케이싱(111)에 일괄적으로 설치되고, 상부 케이싱(111)이 하부 케이싱(112)에 체결되는 일체형 케이싱 시스템을 가질 수 있다. 경우에 따라서는, 하부 케이싱(112)에 스테이베인(130), 가이드베인(140) 및 러너(150)가 설치되고, 상부 케이싱(111)이 덮는 방식이 채택될 수도 있을 것이다.
수원으로부터 도입된 유체(예를 들어 물)는, 수차 유입관(180)을 통해 케이싱 유로(120)에 유입되면, 케이싱 유로(120)을 한 바퀴 도는 동안에 스테이베인(130)을 거쳐 가이드베인(140) 사이를 지난다. 가이드베인(140)을 거친 유체는 러너(150)의 둘레에 흘러들어 러너(150)의 날개 사이를 안쪽으로 흐른다. 유체는 러너(150)의 날개 사이를 흐르면서 날개에 반동을 주어 러너(150)에 회전력을 주고, 흡출관(미도시)을 통해 방수로로 배출되도록 되어 있다. 러너(150)의 회전토크는 수차 주축을 거쳐 발전기에 전달되어 발전되도록 되어 있다.
상기와 같은 수차(100)는 케이싱(110)을 일체형으로 제작하여 러너(150) 및 축을 지지할 수 있도록 하여 구조가 간단하기 때문에, 가공성이 매우 우수하고 가공 및 제작 시간을 크게 줄일 수 있다. 또한, 러너(150)와 축이 케이싱에 의해 전체적으로 쌓여 있기 때문에 수차의 구조강도 및 내구성이 매우 클 수 있다. 또한, 수차 케이싱(110)을 상하가 이등분된 일체형으로 제작함으로써, 제작 시 높은 가공정밀도를 확보할 수 있고, 수차(100)의 구조안정성이 증가하며, 수차발전기의 유지보수를 위한 정기점검 비용을 낮출 수 있다.
전술한 실시예에서 수차(100)는 상부 케이싱(111)과 하부 케이싱(112)이 철판의 절삭가공을 통해 형성된 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 대형 수차의 경우, 예를 들어 상부 케이싱(111)과 하부 케이싱(112)이 콘크리트로 형성될 수도 있을 것이다.
전술한 실시예에서 수차(100)는 프라시스 수차를 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상하로 결합하여 와권형 케이싱을 이루는 수차에 적용될 수 있음은 당업자라면 이해할 수 있을 것이다. 나아가, 본 발명의 수력기계는 수차에 한정되지 아니하며, 실질적으로 구조가 동일한 펌프수차의 케이싱에도 그대로 적용할 수 있음은 당업자에게 자명하게 이해될 수 있을 것이다. 펌프수차는 하부댐으로 물을 방수하여 수차 기능으로 발전하는 것과 전기가 남을 경우에 하부댐의 물을 상부댐으로 양수하는 펌프 기능을 동시에 할 수 있는 수력기기로서, 가령, 프란시스 수차의 구조와 실질적으로 동일한 와권형 케이싱을 가질 수 있으므로, 전술한 실시예와 실질적으로 동일한 방식으로 수차 케이싱을 상하가 이등분된 일체형으로 제작할 수 있다.
전술한 본 발명인 일체형 케이싱 시스템을 구비한 수력기계는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 수차 110 : 수차 케이싱
111 : 상부 케이싱 112 : 하부 케이싱
115 : 유입구 120 : 케이싱 유로
121 : 제1 유로 122: 제2 유로
130 : 스테이베인 140 : 가이드베인
141 : 가변 날개 142 : 핀
150 : 러너 161, 162 : 지지부재
180 : 유체 유입관

Claims (10)

  1. 제1 유로가 하부면에 형성된 상부 케이싱;
    상기 상부 케이싱과 결합하여 일체의 수차 케이싱을 형성하며, 상기 제1 유로와 결합하여 케이싱 유로를 형성하는 제2 유로가 상부면에 형성된 하부 케이싱;
    상기 케이싱 유로의 내측에 위치하며, 상기 상부 케이싱과 하부 케이싱 중 어느 일측의 중앙부에 회전가능하게 설치되는 러너; 및
    상기 케이싱 유로와 상기 러너 사이의 틈을 따라 상기 상부 케이싱과 하부 케이싱 중 어느 일측의 상기 러너의 둘레에 설치되는 유체 가이드;를 포함하며,
    상기 수차 케이싱의 일 측면에는 상기 케이싱 유로로 유체가 유입되는 유입부가 마련되며, 상기 하부 케이싱의 중앙부에는 상기 케이싱 유로 및 상기 러너를 경유한 유체가 외부로 배출되는 구멍이 마련되는 일체형 케이싱 시스템을 구비한 수력기계.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 케이싱 유로는 상기 수차 케이싱의 일 측면에 위치한 유입부로부터 360도 회전하면서 유로 단면적이 서서히 작아지는 와권형 유로를 이루는 일체형 케이싱 시스템을 구비한 수력기계.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 유체 가이드는 상기 케이싱 유로의 내주에 마련된 스테인베인, 상기 스테인베인과 상기 러너 사이에 마련되며 가변 날개를 가지는 가이드베인을 포함하는 일체형 케이싱 시스템을 구비한 수력기계.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 상부 케이싱과 하부 케이싱은 상기 수차 케이싱을 상기 케이싱 유로를 기준으로 상하로 이등분된 형상을 지니는 일체형 케이싱 시스템을 구비한 수력기계.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 유체 가이드는 상기 상부 케이싱의 하부면에 설치되는 일체형 케이싱 시스템을 구비한 수력기계.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 러너는 상기 상부 케이싱의 하부면에 설치되는 일체형 케이싱 시스템을 구비한 수력기계.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 유체 가이드와 상기 러너는 상기 상부 케이싱과 하부 케이싱 중 어느 한 쪽에 설치되는 일체형 케이싱 시스템을 구비한 수력기계.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 상부 케이싱과 상기 하부 케이싱은 볼트로 체결되는 일체형 케이싱 시스템을 구비한 수력기계.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 상부 케이싱과 상기 하부 케이싱 각각은 철판이 절삭가공되어 형성되거나 콘트리트로 형성되는 일체형 케이싱 시스템을 구비한 수력기계.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수력기계는 수차 또는 펌프수차인 일체형 케이싱 시스템을 구비한 수력기계.
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