KR101446578B1 - 물 흐름으로부터 전력을 획득하기 위한 발전소 - Google Patents

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보이트 파텐트 게엠베하
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Abstract

물 흐름으로부터 전력을 획득하기 위한 발전소는, 수력 터빈(1)을 갖는 회전 유닛(20); 발전기 로터(6.1) 및 발전기 고정자(6.2)의 동축 구성을 갖는 직접 구동식 전기 발전기(9); 실린더형 내부 개구부를 형성하는 하우징 부분(10)을 가지며, 상기 발전기 고정자(6.2)가 위치하는 곤돌라 하우징; 상기 내부 개구부(16) 내부에서 동축 및 반경 방향으로 위치하며, 상기 발전기 로터(6.1)를 베어링하는 상기 회전 유닛(20)의 일부로서의 지지 요소(3); 및 상기 내부 개구부(16)의 반경 방향의 내부 상에 또는 상기 지지 요소(3)의 반경 방향의 외측 상에 부착되고/되거나 상기 내부 개구부(16) 또는 상기 지지 요소(3)의 벽 영역 상에 설치되는 베어링 구성요소들(5.1, 5.2)을 갖는, 상기 내부 개구부(16)에서 상기 지지 요소(3)의 출구에 구비되는 베어링 배열을 포함하고, 상기 지지 요소(3) 및 상기 내부 개구부(16) 사이의 중간 영역은 유체로 채워지며, 상기 지지 요소(3)는 잠수된 상태에서 부력을 발생하며 상기 회전 유닛(20)의 중력을 적어도 부분적으로 보상하는 부력 체적(22)을 포함한다.

Description

물 흐름에 의해 구동되는, 잠수형 에너지 발생 시스템{SUBMERSIBLE ENERGY GENERATING SYSTEM, DRIVEN BY A WATER FLOW}
본 발명은 물 흐름에 의해 구동되는 잠수형 발전소에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 흐르는 물 또는 해류, 바람직하게는 조류로부터 전력을 얻기 위한 것이다.
물 흐름, 특히 해류의 운동 에너지에 의해 구동되는, 댐 구조물들로부터 독립하여 수행되는 잠수형 발전소들은, 재생 파워 소스들의 이용을 위한 상당한 잠재력을 나타낸다. 흐름 매체의 고밀도로 인해, 약 2 내지 2.5 m/sec의 낮은 유속도 이미 가격 경쟁력이 있는 파워 획득을 위해 이용될 수 있다. 이러한 흐름 조건들은 조류(tidal flow)로서 제공되거나 다른 해류들이 이용되어 특히 해협들에서 가격 경쟁력있는 이용 가능한 속도들을 달성할 수 있다.
이러한 형태의 흐름들은, 예를 들면, 수력 터빈들로서 사용되는 로터 블레이드들을 갖는 로터들과 같이, 풍력 발전소들과 유사한 디자인들을 갖는 유체 발전소들을 구동시킬 수 있다. 그러나, 수직형 터빈들 및 튜브형 터빈들과 같은 다른 수력 터빈 개념들도 고려할 수 있다. 더욱이, 상술한 바와 같은 독립하여 서 있는 잠수형 발전소들(freestanding submersible power generation plants)은 흐르는 물에서 사용될 수 있으며, 여기에 포함되는 수력 터빈들을 갖는 댐들은 환경 보호 또는 배 통행에 의한 세부조건들 때문에 직립하지 않을 수 있다.
독립하여 서 있는 잠수형 발전소들의 작동에서의 기본적인 어려움은 그들의 유지보수가 복잡하다는 것이다. 서비스 작업을 수행하기 위하여, 상기 수력 터빈 및 전기 발전기는 물 위로 올라와야 한다. 날씨 조건들 및 파도들에 대한 의존성 때문에, 부유 크레인 시스템들은 이러한 작업에 있어서 불리하므로, 상기 잠수형 발전소들은 종종 해저 상에 닻을 갖는 부유 가능한 유닛들로서 수행된다. 이러한 형태의 부유 가능한 유닛들은 서비스의 경우에서 물 표면으로의 부양성이 가능하도록 설계될 수 있다. 대안적인 설계에 따르면, 상기 잠수형 발전소는, 특히 해저 상에 서 있고 전기 발전기와 수력 터빈으로 이루어진 모듈이 전형적으로 체결되어 있는 원주형 형상의 베어링 및 지지 구조물을 포함한다. 이러한 베어링과 지지 구조물은 물 표면까지 연장된다면, 유지보수의 경우에서 상기 발전소를 이러한 구조 상에서 수직하게 이동시킬 수 있다. 이러한 목적을 위해, 리프팅 메커니즘인 상기 지지 및 베어링 구조와 함께 사용될 수 있다. 복잡한 설계를 갖는 상기 시설에 추가하여, 이러한 설계는 상기 물 표면 위 그리고 바로 아래에 위치해 있는 상기 구조물들이 배 통행에 위험한 장애물이 될 수 있는 단점을 가지고 있다.
상술한 유지보수 문제점들은 유지보수가 필요 없는 잠수형 발전소들을 설계할 요구를 초래한다. 따라서, 전기 발전기를 구동시키기 위한 구동 트레인에 사용되는 구성요소들의 개수를 감소시키는 것이 바람직하다. 그러나, 해양에서의 전형적인 느린 유속들은 수력 터빈들의 느린 주변 속도들을 야기하고, 높은 토크는 구동 매체의 고밀도로 인해 흡수된다. 전기 발전기의 효율적인 작동을 위해서, 더욱 높은 주변 속도들이 요구되므로, 전형적으로 속도를 증가시키기 위한 트랜스미션이 상기 수력 터빈과 상기 구동 전기 발생 사이에 개재된다. 이러한 목적을 위해 사용된 선행기술은 US 2006 055 174A로부터 알려져 있다.
그러나, 중간 트랜스미션의 사용은, 상술한 바와 같이, 신뢰성에서 불리하다. 또한, 트랜스미션은 높은 수준의 디자인 노력과 윤활제들의 사용을 필요로 하여, 환경적 관점으로부터 본 출원에 불리하다. 따라서, 샤프트 밀봉재(seal)는 일반적으로 샤프트 마운트의 전면에 구동 샤프트를 위해 곤돌라(gondola) 하우징 상에 구비된다. 이러한 형태의 샤프트 밀봉재는 전체적으로 유지보수가 필요하고 종종 상기 발전소의 내부로의 주위의 물이 진입하는 것을 완전하게 방지할 수 없으므로, 빌지(bilge) 펌프들이 오일 분리기들과 관련하여 상기 곤돌라 하우징에 구비되어야 한다.
직접 구동 전기 발전기를 갖는 트랜스미션이 없는, 잠수형 발전소는 WO 07017629 A1로부터 알려져 있다. 주위 흐름으로부터의 운동 에너지를 흡수하기 위하여 반대 방향들로 회전하는 로터 쌍을 사용하는 것이 여기서 개시되어 있으며, 제1 로터는 내비틀림성있는 방식(torsionally rigid manner)으로 상기 발전기 고정자에 연결되고, 제2 로터는 내비틀림성있는 방식으로 상기 발전기 로터에 연결된다. 그러나, 상술한 문제점들 역시 샤프트 밀봉부재를 사용하여 발전소를 밀봉시키는 WO 07017629 A1에서 제안된 방식에도 존재한다.
대안적인 통로가 EP 1 741 926 A2에 의해 제안된다. 허브 링의 형태로 다수개의 영구 자석들이 수용된 발전기 로터를 포함하는 발생기의 사용이 개시되어 있다. 상기 발전기 로터는 외부 로터로서 수행되고 유체 정역하적 베어링들을 사용하여 곤돌라 하우징에 대항하여 공기 갭의 양측부 상에서 지지된다. 상기 설치에는 결합된 반경 및 축 베어링들이 V-형태로 적용된다.
상기 발전기 로터의 구성요소들에 추가하여, 상기 허브 링은, 반경 방향으로 외부를 향하는 상기 발전소의 프로펠러 형상의 터빈 블레이드들을 운반한다. EP 1 741 926 A2에서 제안된 방법은 상기 발전기의 큰 반경 방향의 구성 때문에 상기 발전기의 주변 속도들을 충분히 높게 한다. 그러나, 상기 외부 로터의 허브 링의 비틀림-저항 구조를 수행하기 위해 필요한 노력은 이러한 개념에서 불리하다. 이러한 목적을 위하여, 상기 허브 링 상에서 상기 터빈 블레이드들의 연결 지점에서 도입된 힘들은 높은 비틀림들을 유발하여 상기 공기 갭에서의 갭 간격들이 과도하게 강하게 변하지 않도록 보장되어야 한다. 또한, 상기 허브 링에 인접한 충분한 비틀림-저항으로서 유체 정역학적 베어링의 베어링 쉘(shell)을 마련하는 것이 필요하다. 그러므로, 실제 사용에 있어서, 허브 링은 특히 반경 방향으로의 연장에 관하여 큰 구성을 가지고 이에 따라 상기 흐름을 차단하도록 하는 것이 필요하다. 따라서, 상기 발전소의 고정 설정된 전체 직경으로부터 시작하는 상기 터빈 블레이드들의 가능한 길이 방향의 연장이 감소된다. 그러나, 이와 달리, 상기 발전기의 직경이 감소되는 것은, 상기 전기 발전기의 주변 속도들에 관하여 불리하다.
본 발명의 목적은, 장시간의 서비스 간격들, 낮은 구성요소 카운트 및 단순한 설계를 갖는 구성에 의해 차별되는, 발전소를 제공하는 데 있다.
본 발명의 목적은 독립항의 구성에 의해 달성된다. 유리한 실시예들은 종속항들로부터 도출된다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 발명자는 직접 구동되는 전기 발전기로부터 진행한다. 다중극 발전기, 특히 링 발전기의 형태인 다중극 동기 발전기가 선호된다. 직접 구동 때문에, 프로펠러와 같은 구조를 갖는 수력 터빈 및 발전기 로터 사이에 비틀림 강성 연결이 존재한다. 상기 발전기 로터는 상기 발전소의 비회전 부분의 내부, 곤돌라 하우징의 내부에 위치한다.
발전기 로터는 내부 로터로서 설치되고 상기 수력 터빈과 적어도 간접적으로 회전하고 이에 따라 상기 회전 유닛의 일부를 나타낸다. 지지 요소는 상기 곤돌라 하우징의 내부 개구부 내에 위치하고 베어링 구조를 사용하여 상기 내부 개구부 내에서 작동한다. 부력 체적이 본 발명에 따른 상기 지지 요소와 관련되어 있으므로, 상기 베어링 구성의 베어링들은 급수-윤활식이고 정지된, 비대칭적 표면 압력들로부터 크게 경감된다. 다라서, 상기 지지 요소 및 상기 곤돌라 하우징의 상기 내부 개구부의 내벽 사이에 중간 영역은 물로 채워진다. 가장 단순한 경우에 있어서, 주위의 물은 이러한 중간 영역 내부로 접근할 수 있다. 일 설계에 있어서, 침전물 밀봉부재들이 상기 수력 터빈 측부 상에 구비되거나 필터링된 주위의 물이 상기 중간 영역으로 공급된다. 바깥 방향으로 침전물을 운반하는, 주위 영역을 향한 유출은 상기 중간 영역으로부터 일어난다. 그러나, 베어링 구성들은 추가적인 보호 수단 없이 주위의 물에 의해 채워지는 것도 고려될 수 있다.
상기 지지 요소의 제1 실시예에 있어서, 중공형 실린더로서 적어도 하위 영역들이 구비되어, 부력 체적이 상기 지지 요소의 적어도 하나의 액체-밀착(liquid-tight)으로 마무리된, 중공형의 내부 영역을 통해 일어나게 된다. 이와 다르게, 상기 중공형 영역은 더 낮은 밀도를 갖는 물질로 발포되거나 채워질 수 있다. 더욱이, 상기 지지 요소의 적어도 일부를 주위 매체보다 작은 밀도를 갖는 물질들로 구성할 수 있다. 이러한 형태의 지지 요소들은 실질적으로 베어링 기능을 하지 않을 수 있다. 이 경우에 있어서, 상기 지지 요소는 체적 영역을 한정하지 않고 적어도 영역들에서 스트럿(strut) 프레임으로 기능할 수 있다.
부력이 상기 베어링 구성을 경감하는 상기 발전소의 일부는 상기 지지 요소 및 이에 연결된 상기 회전 구성요소들의 설치에 의해 구비된다. 이러한 수단 때문에, 강건하고, 급수-윤활식 베어링들이 사용될 수 있다. 이들은 특별한 캡슐화를 요구하지 않는 급수-윤활식 마찰 베어링들이다. 또한, 이러한 베어링의 마찰 표면은 상기 지지 요소의 반경 방향의 외부벽 또는 상기 곤돌라 하우징의 상기 내부 개구부의 반경 방향의 내부벽의 실린더형 섹션에 구비될 수 있다.
상기 베어링 표면들의 넓은-영역 구성과 관련된 상기 지지 요소의 부력 효과를 통해, 마찰 베어링들을 위한 혼합된-마찰 영역이 빠르게 움직일 수 있다. 시동 거동이 동시에 향상될 수 있다. 이와 다르게, 상기 베어링 구성은 희생 윤활을 갖는 베어링들을 포함함으로써, 상기 베어링 구성은 롤러 베어링들을 포함할 수 있다. 이 경우에 있어서, 상기 베어링들은 둘레를 세정하는 물을 가지며, 상기 물은 상기 희생 윤활에 의해 상기 베어링들 내부로 들어가지 않는다.
더욱이, 상기 지지 요소의 부력 및/또는 중력 설정에 의한 합력의 절대값에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 상기 전체 회전 유닛에 대한 중력 중심과 관련된 상기 부력의 맞물림 지점이 추가적으로 설정된다. 정적 바이어스-텐션 힘들은 상기 발전소의 베어링들, 특히 상기 지지 요소 상의 상기 베어링 구성요소들에서 의도적으로 설정되어, 상기 베어링 역할 및 회전에 따른 진동에 대한 경향을 감소시킬 수 있다. 이러한 상기 회전 유닛의 균형을 잡기 위하여, 상기 수력 터빈 및 상기 회전 허브와 같은 추가적인 회전 구성요소들의 부력 및 중력들은 상기 지지 요소와 관련하여 고려되고/되거나 설정된다.
상기 지지 요소 상에 맞물리는 상기 부력과 중력 구성요소들에 의한 상기 힘 균형 및/또는 토크들의 원하는 영향은 본 발명에 따른 발전소로부터 선택된 구조를 통해 나타나며, 외부 로터인 허브 링과 비교하여 상기 지지 요소를 갖는 상기 회전 유닛에 상당히 더 큰 부력 체적을 결합시킨다.
상기 곤돌라 하우징의 내부 개구부는, 예를 들면, 부시(bush) 또는 중공형 실린더의 형태인 하우징 부분에 의해 구비될 수 있다. 상기 발전기 고정자는 상기 내부 개구부를 형성하는 상기 하우징 부분 내부에 부착되고 상기 내부 개구부의 반경 방향의 내벽 중 실린더형 하위 영역과 연결된다. 상기 발전기 로터 및 상기 발전기 고정자 사이의 공기 갭에서의 물 흐름 때문에, 상기 전기 발전기의 전기적 구성요소들의 밀봉이 요구된다. 이러한 목적을 위하여, 상기 발전기 고정자에서의 상기 고정자 권선들 및 플레이트 패킷들의 전기적 절연이 수행될 수 있다. 이는 임베딩(embedding) 및/또는 래커링(lacquering) 및/또는 캔 구성에 의해 수행될 수 있다.
적어도 구분된 실린더형, 반경 방향의 외벽을 갖는 상기 지지 요소의 실시예가 바람직하다. 가장 단순한 경우에 있어서, 하나의 중공형 실린더가 사용되고, 다수의 중공형 실린더들 또한 축 방향으로 서로 인접하게 위치할 수 있다. 특히 단순한 설계는 상기 지지 요소가 자신의 축 연장 방향을 따라 균일한 반경을 갖는 것이다. 상기 베어링 구성은, 바람직하게는 상기 전기 발전기의 공기 갭 직경에 대응하는 큰 반경 상에 위치한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 상기 발전기 로터를 베어링하는 상기 지지 요소의 영역들 및 상기 베어링 구성을 베어링하는 영역들이 서로 다른 반경들을 갖는다. 상기 지지 요소는 중공형 실린더를 포함하고, 상기 중공형 실린더 상에서, 환형 또는 플랜지된 부분들이 큰 반경 구조를 갖는 구성요소들을 지지하도록 위치한다. 높은 설계 자유도는 분리된 부력 바디들의 사용을 가능하게 한다. 이러한 부력 바디들은 실질적인 베어링 기능을 수행하는 상기 지지 바디 상에서 실린더형 구조 둘레에 위치할 수 있다.
상기 곤돌라 하우징의 상기 내부 개구부에서의 상기 지지 요소의 동작을 위한 베어링 구성은 바람직하게는 반경 방향의 베어링 구성이며, 따라서 추가적인 축 베어링들이 추진력들을 흡수하기 위해 구비되며, 제1 실시예에 따르면 상기 축 베어링들은 앞쪽으로 설치되어 상기 내부 개구부 내부에서 상기 지지 요소를 지지한다. 상기 내부 개구부는 부시의 형태를 갖는다. 또 다른 실시예에 따르면, 분리된 축 베어링은 외측부를 향하여 전방 측부 상에 위치하여 상기 내부 개구부의 외측 가장자리 상에 위치한다. 이와 다르게, 상기 회전 지지 요소 상에 상기 베어링 구성은 결합된 반경 및 축 베어링으로 설치되고, 예를 들면, 원뿔형 또는 V자형 형상을 갖는다.
본 발명을 위해, 디스크 형상의 요소가 외부 둘레들을 향하는 제1 축 단부에서 상기 지지 요소에 연결되며, 상기 지지 요소보다 더 크게 반경 방향으로 연장된다. 상기 디크스 형상의 요소는 상기 곤돌라 하우징의 내부 개구부 밖에 위치한다. 상기 수력 터빈의 터빈 블레이드들은 상기 디크스 형상의 요소의 외측 둘레를 따라 위치한다. 또한, 축 베어링 구성을 위한 구성요소들은 상기 곤돌라 하우징을 향하여 상기 디스크 형상의 요소의 전면 상에 부착되어, 상기 지지 요소를 넘어 반경 방향으로 돌출한다. 대응하는 구성요소들은 상기 곤돌라 하우징의 마주보는 부분 상의 이 영역에 구비된다. 상기 실질적인 축 방향 추진력들은 이러한 수단에 의해 축 방향으로 근접한 상기 수력 터빈의 힘 도입 지점들에서 흡수될 수 있다. 상술한 축 베어링 구성은 급수-윤활 마찰 베어링들을 다시 포함한다. 또한, 침전물들을 배축하기 위한 장치들은 외측부를 향하는 영역들 상에 다시 구비된다.
상기 지지 요소에 축 방향으로 연결된 디스크 형태의 요소를 갖는 실시예에 있어서, 높은 구조적 강도는 상기 터빈 블레이들에 의해 제공되는 힘들의 도입 결과이다. 이것은, 상기 디스크 형상의 요소의 전체 반경 방향의 연장이, 상기 흐름을 실질적으로 차단하지 않고, 큰 구성을 갖도록 구비될 수 있기 때문이다. 변형의 더 큰 위험을 갖는 영역들은, 특히 상기 디스크 형상의 요소 상에서 상기 터빈 블레이들의 힘 도입 지점들은 동시에 상기 베어링들로부터 충분히 멀리 이격되므로 상기 발전소의 동작 중에 약간의 변형에도 영향을 받는다.
본 발명의 또 다른 실시에에 있어서, 상기 회전 지지 요소는 이중벽의 중공형 실린더로 구비되어, 상기 지지 요소의 타워-측 전면(tower-side front face)으로부터 상기 터빈-측 전면(turbin-side front face)을 통한 접근들을 허용하여, 예를 들면, 상기 터빈 블레이드들의 피치 조정을 수행한다. 더욱이, 대응하는 폐쇄 구성 도는 분리된 부력 바디들의 결합을 통해, 분리된 부력 체적이 상기 디스크 형상의 요소와 함께 결합될 수 있다.
본 발명의 상기의 측면들 및 다른 측면들과 이점들은 수반하는 도면들과 함께 하기의 본 발명의 상세한 설명으로부터 더욱 완전히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전소의 회전 유닛을 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 길이 방향 단면에서의 발전소를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 길이 방향 단면에서의 양방향성 흐름을 위한 발전소를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리된 구동 바디들을 갖는 발전소를 나타낸다.
도 1은 모든 측면들 상에서 물과 접촉되고 있는, 본 발명에 따른 발전소의 회전 유닛(20)을 나타내는 사시도이다. 수력 터빈(1)은, 도시된 바와 같이, 프로펠러 형태로 부착된 터빈 블레이드들(2.1, 2.2, 2.3)을 포함한다. 터빈 블레이드들(2.1, 2.2, 2.3)은 디스크 형태의 요소(4) 상에 연결되어 있으며, 이러한 연결은 비틀림 강성(torsionally-rigid) 또는 블레이드 각도 조정 메커니즘으로 수행될 수 있다.
지지 요소(3)는 디스크 형태의 요소(4)에 축 방향으로 인접하다. 베어링 구성은 정지 곤돌라 하우징(도 1에 도시되지 않음)의 내부 개구부 내의 운동을 위해지지 요소(3) 상에 구비된다. 이 경우에 있어서, 제1 축 베어링(5.1) 및 제2 축 베어링(5.2)의 주변 구성요소들이 마찰 베어링 구성요소들의 형태로 각각 도시되어 있고, 상기 마찰면들은 상기 지지 요소의 벽들의 영역들에 결합된다. 또한, 발전기 로터(6.1)는 지지 요소(3)에 의해 지지된다.
일 실시예에 있어서, 지지 요소(3)는 반경 방향의 외벽이 전기 발전기의 발전기 로터(6.1) 및 베어링의 베어링 구성요소들을 지지할 수 있는 직경을 갖는다. 상기 베어링 구성요소의 지지는 상기 내부 개구부의 벽 섹션들에서 대응하는 요소들 상에서 직접적으로 일어나고, 상기 내부 개구부의 내부 반경은 발전기 로터(6.1)와 발전기 고정자(6.2) 사이에서 전기 발전기(9)의 내부 갭까지 이른다.
상기 지지 요소는 개별적인 실린더 부분들로부터 조립될 수 있고, 상기 실린더 부분들은 서로 축 방향으로 연결된다. 상기 지지 요소는 하위 영역들을 포함하고, 상기 하위 영역들은 실린더형, 반경 방향의 외벽 표면을 갖는다. 상기 하위 영역들은 그들의 반경의 연장 방향으로 서로 빗나갈 수 있다. 이러한 실린더형의 하위 영역들은 상기지지 요소와 관련된 베어링 구성의 구성요소들을 베어링하고 발전기 로터(6.1)를 지지하기 위해 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 상기 회전 유닛의 구성요소들은 서로 비틀림 강성 방식으로 서로 연결되고, 상기 발전소의 작동 중에 수중에 위치한다. 따라서, 발전기 로터(6.1)는 물에 젖은 로터(wet rotor)로 작용한다. 베어링 구성(5.1, 5.2)은 지지 요소(3)에 의해 지지되어, 각각 급수-윤활 방식(water-lubricated mount)으로 설치된다.
또한, 실시예들에 있어서, 밀봉 립들(sealing lips)이 구비되어 침전물의 과도한 유입으로부터 상기 베어링들을 보호할 수 있다. 그러나, 상기 립들은 상기 베어링 구성으로 윤활제와 같은 주위 매체를 공급하기 위하여, 주위 물을 전체적으로 차단하지 않는다. 이와 다르게, 주위 물은, 필터 시스템을 통과한 후에, 상기 발전소의 고정 부분으로부터 상기 베어링 구성으로 공급될 수 있다.
부피가 큰 구성을 갖는 지지 요소(3)의 장점은 상당한 부력이 발생하여, 적어도 부분적으로 그리고 바람직하게는 전체적으로 회전 유닛(20)의 중력을 보상할 수 있다는 것이다. 이로 인해 반경 방향의 베어링들에서의 표면 압력들을 최소화함으로써, 상술한 급수-윤활 베어링들을 사용할 수 있다. 추가적으로, 균일한 표면 하중(load)으로 인해, 시동 동안 상기 베어링들에서의 혼합된 마찰 상태가 이러한 베어링 타입에서 빠르게 일어난다. 이로 인해 본 발명에 따른 발전소의 자가-시동(self-starting) 특성들 및 구동 물 흐름의 낮은 흐름 속도들에서 회전하는 거동이 향상된다.
회전 후드(7)가 도 1의 상기 회전 유닛의 추가적인 부분으로 도시되어 있다. 상기 회전 후드는 또한 부력 바디로 사용될 수 있다. 그러나, 상기 회전 유닛의 중력 중심과 관련하여 상기 부력의 힘 맞물림(force engagement) 압력을 바람직하게 설정하는 것은 단지 지지 요소(3)가 수력 터빈(1)과 관련하여 회전 후드(7)에 축 방향으로 직경에 반대하도록 위치함으로써 달성될 수 있다. 이는 부력과 중력 중심의 힘 맞물림 지점의 공간을 통해 발생하는 틸팅(tilting) 토크 상에 영향이 미친다는 것을 의미하는 것으로 이해된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 회전 동안 베어링 진동들을 회피하기 위하여, 고정된 틸팅 토크가 설정되어, 상기 베어링 구성 및 특히 반경 방향의 베어링 구성요소들의 바이어스 텐션(bias tension)을 정의하기 위한 목적으로 사용된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전소의 길이 방향 축(8)을 따라 절단한 도면이다. 상술한 회전 유닛(20)은, 지지 요소(3)가 실린더형 내부 개구부(16)를 형성하는 하우징 부분(10) 내부에 삽입되고 베어링 구성을 사용하여 실린더형 내부 개구부(16)의 반경 방향의 내벽에 대항하여 지지되어 있는, 즉, 설치 상태에서 도시되어 있는, 수력 터빈(1), 디스크 형상의 요소(4), 및 지지 요소(3) 뿐만 아니라, 회전 후드(7)를 포함한다. 상기 베어링 구성은 본 실시예에 있어서 제1 반경 베어링(5.1) 및 제2 반경 베어링(5.2)을 갖는다.
곤돌라 하우징(15)의 실린더형 내부 개구부(16)의 상기 내벽과 지지 요소(3) 사이의 중간 영역은 물로 채워진다. 따라서, 상기 주위 물은 상기 발전기의 발전기 로터(6.1)와 발전기 고정자(6.2) 사이의 공기 갭(13)에서 안내된다. 또한, 제1 반경 베어링(5.1) 및 제2 반경 베어링(5.2)은 급수-윤활 방식의 베어링들로 작용한다.
본 실시예에 있어서, 축 방향 힘들을 지지하기 위하여 사용되는 추가적인 베어링 구성요소들은 곤돌라 하우징(15) 및 디스크 형상의 요소(4) 사이에서 실린더형 내부 개구부(16)의 전방에 부착된다. 제1 축 베어링(5.3)이 이러한 목적을 위해 구비된다. 제2 축 베어링(5.4)은 베어링 구조(13)를 향하는 지지 요소(3)의 축 방향 단부 상에 구비된다. 이러한 목적을 위하여, 제2 축 베어링(5.4)은 바깥 방향으로 향하는 상기 축 방향 힘들을 흡수한다. 도시된 바람이 불어오는 쪽에서의(windward) 로터 구성에 있어서, 회전 유닛(20) 상에 작용하는 실질적인 축 방향 힘들은 곤돌라 하우징(15)의 방향으로의 압력 힘들이며, 제2 축 베어링(5.4)만이 부정확한 유입 방향의 경우에 바깥으로 미끄러지는 것을 방지하는 안전 베어링으로서 사용된다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 발전소는 리 로터(lee rotor)로서 고려될 수 있거나, 수력 터빈(1)은 양방향성 흐름에 대항할 수 있고 타워 회전(tower rotation)을 위한 유닛이 불필요하다. 상기 축 베어링 요소들은 동작 동안 발생하는 상기 축 방향 힘들에 따라 채택된다. 두 방향들로부터의 흐름에 대항할 수 있는 수력 터빈을 위한 가능한 실시예는 도 3에 도시되어 있으며, 동일한 참조부호들은 동일한 구성요소들을 위해 사용된다. 도시된 바와 같이, 제2 축 베어링(5.5)은 환형의 리세스(19)의 곤돌라 하우징 측부 상에 위치하고 제1 축 베어링(5.3)에 대응한 크기들을 갖는다. 지지 요소(3)는 리세스(19)의 외측 반경 방향으로 결합하는 칼라(collar, 21)를 통해 제2 축 베어링(5.5) 상에 지지된다. 또한, 제1 축 베어링(5.3) 및 제2 축 베어링(5.5)은 상기 수력 터빈에 축 방향으로 근접하게 위치하여, 지지 요소(3)의 변형들을 가능한 작게 유지한다.
도 2 및 도 3에 도시된 실시예들에 있어서, 수력 터빈(1)의 터빈 블레이드들(2.1, 2.2)은, 지지 요소(3)에 비틀림 강성 연결을 갖고 지지 요소(3)의 전방 측부들 중 하나에 비틀림 강성 방식으로 연결된 디스크 형상의 요소(4) 상에 연결된다. 디스크 형상의 요소(4)는 자신의 반경 연장방향에 관하여 지지 요소(3)를 초과하여 돌출하는 것이 바람직하며, 곤돌라 하우징(15)에 반대하는 칼라는 곤돌라 하우징(15)의 실린더형 내부 개구부의 흡입 측부 상에 구비된다. 제1 축 베어링(5.3)은 윈드워드(windward) 로터에서의 수력 터빈(10)의 추진력을 흡수할 수 있다.
디스크 형상의 요소(4)는 큰 반경 방향의 전체 크기로 인해 높은 구조적 강성을 갖는다. 또한, 디스크 형상의 요소(4)는 터빈 블레이드들(2.1, 2.2)을 통해 유발되는 변형들이 상기 베어링 구성의 구성요소들을 베어링하는 영역들 상에 실질적인 영향을 주지 않도록 설치되는 것이 바람직하다. 더욱이, 디스크 형상의 요소(4) 및 지지 요소(3)는 강화되거나 폼(foam)을 갖게 되어, 상기 구조적 강성에 기여할 수 있다. 이는 도 2에 상세히 도시되어 있지 않다.
상기 주위 물에 의해 채워진 공기 갭(13)을 갖는 전기 발전기(9)는 기본적인 구성요소들로서 지지 요소(3)에 의해 지지되는 발전기 로터(6.1) 및 하우징 부분(10)에 하우징되는 발전기 고정자(6.2)를 포함한다. 발전기 로터(6.1) 및 발전기 고정자(6.2)는, 상기 젖은 로터 구성에 따라, 전기적으로 절연되어 있다. 이러한 목적을 위해 래커(lacquers)나 임베딩 컴파운드(embedding compound)들의 형태로의 전기적 절연이 고려된다. 이와 다르게, 오스테나이트 강과 같은 비자성강으로 이루어진, 예를 들면, 캔(can)이 사용될 수 있다. 또 다른 실시예들에 있어서, 상기 캔은 탄성 물질을 사용하여 형성되고 상기 둘러싸는 물 영역으로부터 상기 고정자 권선 및 발전기 고정자(6.2)의 플레이트 패킷들을 기밀하게 밀봉한다. 외부적으로 여기되고 여자기 권선들(exciter windings)을 지지하는 것으로 설치된다면, 발전기 로터(6.1)를 위해 대응하는 밀봉 수단들이 구비될 수 있다. 이와 다르게 또는 추가적으로, 영구 자석들이 적합한 일 실시예를 위해 사용될 수 있다.
본 발명에 따라 선택된 발전기(9)의 구성을 통해, 젖은 로터로서 기능하고, 반경 외측 방향을 향하는 발전기 고정자(6.2) 및 발전기 로터(6.1)의 효율적인 냉각이 구비된다. 상기 발전기 냉각은 발전기(9)의 영역에 곤돌라 하우징(15)의 외측부 상에 냉각 리브들과 같은 추가적인 수단들을 사용하여 개선될 수 있다. 더욱이, 상기 주위의 물이 안내되는 열전도 파이프들 또는 냉각 채널들을 발전기 고정자(6.2) 및 발전기 로터(6.1)를 위해 고려될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 발전기(9)는 지지 요소(3)와 관련하여 비대칭적으로 배치시키고 상기 베어링 구조의 상기 영역을 향하여 이동 배치시키는 것이 바람직하다. 이 경우에 있어서 비대칭적 구성은 발전기(9)가 상기 지지 요소 상의 축 방향 위치에 대하여 중심에서 벗어나 위치되는 것으로 이해된다. 지지 요소(3)에 대하여 대칭 중심 평면은 도 2에서 S-S 라인에 의해 나타낸다. 발전기(9)의 비대칭적 구성은 상기 무거운 발전기를 지지 구조물(12)을 향해 이동 배치시키는 데 사용된다.
더욱이, 지지 구조물(12)과 곤돌라 하우징(15)에 의해 형성된 윈드워드 로터의 상기 타워 감속(tower slowdown)이 수력 터빈(1)의 상기 영역에서 감소되도록 긴 길이의 축 방향 구성을 갖는 지지 요소(3)를 설치하는 것도 가능하다. 이는 리 로터(lee rotor)에서의 타워 그림자 효과(tower shadow effect)를 위해서도 대응된다. 이 때, 상술한 바와 같이, 상기 회전하는 구성요소들의 무게 분배뿐만 아니라 지지 요소(3)의 설치에 의한 중력 질량 중심의 위치와 부력의 구동 포인트가 상기 베어링 바이어스 텐션을 영향을 미치는 데 유리하게 사용될 수 있다.
도 4에 도시된 또 다른 실시예에서는, 상술한 실시예들과 달리, 분리된 부력 바디들(22.1, 22.2)이 사용된다. 이러한 바디들은 상기 지지 바디의 실린더형 섹션(3.1)을 둘러싸고 상기 베어링 구성 및 상기 발전기 로터의 어떠한 힘들을 흡수하지 않는다. 상기 링 구조로 인해, 분리된 부력 바디들(22.1, 22.2)을 상기 회전 유닛과 함께 이동시키는 것이 절대적으로 필요하지는 않는다. 이에 따라 원하는 부력은 실린더형 섹션(3.1) 및 분리된 부력 바디들(22.1, 22.2) 사이에 주변 방향으로의 상대 운동을 위해 전달될 수 있다. 분리된 부력 바디들(22.1, 22.2)은 중공형의 바디들로 형성될 수 있으며 부유 가능한 물질을 포함할 수 있다.
더욱이, 도 4에 도시된 다수의 개별적 부분들로 이루어진 지지 바디(3)의 변형예는, 분리된 부력 바디들(22.1, 22.2) 때문에 밀봉된 캐비티들을 제공할 필요가 없으며 이에 따라 더욱 단순하게 서로 연결될 수 있다. 지지 요소(3)는, 실린더형 섹션(3.1)에 추가적으로, 이들로부터 반경 방향으로 연장하여 발전기 로터(6.1)를 베어링하기 위한 환형 섹션(3.4)을 포함한다. 추가적으로, 원뿔형 섹션(3.2) 및 제2 원뿔형 섹션(3.3)은 양측에서 축 방향으로 실린더형 섹션(3.1)에 연결된다. 축 및 반경 베어링들(5.6, 5.7)은 V자형으로 적용되어, 곤돌라 하우징(15)의 내부 개구부(16)의 내벽들 상에서 대응하는 구성요소들 상에 지지된다.
본 발명에 따른 발전소는 추가적인 선택적 구성요소들을 가질 수 있다. 지지 요소(3) 상에서 앞쪽으로 부착된 브레이크(14)는 도 2의 실시예로서 도시되어 있다. 더욱이, 지지 요소(3)를 이중벽의 중공형 실린더로 형성하여, 곤돌라 하우징(15)의 고정 부분으로부터 동작되는, 상기 축 근처의 영역에서 설치되는 터빈 블레이드들(2.1, 2.2)의 피치 조정을 위한 기계적인 통로를 허용할 수 있다. 이와 다르게, 피치 조정은, 예를 들면, 유도에 의해 동작하는, 비접촉 파워 트랜스미션 유닛을 사용하여 구비될 수 있다. 더욱이, 상기 로터 위치를 결정하기 위한 속도계 및/또는 검출 시스템이 지지 요소(3)의 전방 측부 상의 설치 위치에 하우징될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1 : 수력 터빈
2.1, 2.2, 2.3 : 터빈 블레이드들
3 : 지지 요소
3.1 : 실린더형 섹션
3.2, 3.3 : 원뿔형 섹션
3.4 : 환형 섹션
4 : 디스크 형상의 요소
5.1 : 제1 반경 베어링
5.2 : 제2 반경 베어링
5.3 : 제1 축 베어링
5.4, 5.5 : 제2 축 베어링
6.1 : 발전기 로터
6.2 : 발전기 고정자
7 : 회전 후드
8 : 길이 방향 축
9 : 전기 발전기
10 : 내부 개구부 형성 하우징 부분
11 : 고정 후드
12 : 베어링 구조
13 : 공기 갭
14 : 브레이크
15 : 곤돌라 하우징
16 : 내부 개구부
17 : 반경 방향의 내벽
18 : 반경 방향의 외벽
19 : 환형의 리세스
20 : 회전 유닛
21 : 칼라
22 : 부력 체적
22.1, 22.2 : 분리된 부력 바디들

Claims (14)

  1. 수력 터빈(1)을 갖는 회전 유닛(20);
    발전기 로터(6.1) 및 발전기 고정자(6.2)의 동축 구성을 갖는 직접 구동식 전기 발전기(9);
    실린더형 내부 개구부를 형성하는 하우징 부분(10)을 가지며, 상기 발전기 고정자(6.2)가 위치하는 곤돌라 하우징;
    상기 내부 개구부(16) 내부에서 동축 및 반경 방향으로 위치하며, 상기 발전기 로터(6.1)를 베어링하는 상기 회전 유닛(20)의 일부로서의 지지 요소(3); 및
    상기 내부 개구부(16) 내에서 상기 지지 요소(3)의 운동을 위하여 구비되고, 상기 내부 개구부(16)의 반경 방향의 내부 상에 또는 상기 지지 요소(3)의 반경 방향의 외측 상에 부착되고/되거나 상기 내부 개구부(16) 또는 상기 지지 요소(3)의 벽 영역 상에 설치되는 베어링 구성요소들(5.1, 5.2)을 갖는 베어링 구성을 포함하고,
    상기 지지 요소(3) 및 상기 내부 개구부(16) 사이의 중간 영역은 유체로 채워지며, 상기 지지 요소(3)는 잠수된 상태에서 적어도 부분적으로 상기 회전 유닛(20)의 중력을 보상하는 부력을 발생시키는 부력 체적(22)을 포함하고,
    상기 직접 구동식 전기 발전기(9)는 상기 곤돌라 하우징(150)의 상기 실린더형 내부 개구부(16)의 길이 방향 연장에 대하여 비대칭적으로 위치하고 상기 곤돌라 하우징(15)을 지지하는 지지 구조물(12)을 향하여 이동 배치되는 것을 특징으로 하는, 물 흐름으로부터 전력을 획득하기 위한 발전소.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 지지 요소(3)는 상기 잠수된 상태의 상기 회전 유닛(20)의 부력에 기여하여 상기 회전 유닛(20)이 회전할 때 상기 회전 유닛(20)의 상기 부력 및 중력으로부터 기인한 틸팅 토크가 베어링의 진동들을 감소하도록 하는 것을 특징으로 하는 발전소.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 지지 요소(3)는 액체-밀착(liquid-tight)으로 마무리된 적어도 하나의 중공-실린더형 섹션을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전소.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 지지 요소(3)는 적어도 하나의 하위 영역이 주위의 상기 물 보다 밀도가 낮은 물질로 채워지거나 상기 지지 요소(3)의 적어도 일부가 주위의 상기 물 보다 밀도가 낮은 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전소.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 부력 체적(22)은 분리된 부력 바디를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전소.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 지지 요소(3)는 적어도 하나의 하위 영역이 주위의 상기 물 보다 밀도가 낮은 물질로 채워지거나 상기 지지 요소(3)의 적어도 일부가 주위의 상기 물 보다 밀도가 낮은 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전소.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 실린더형 내부 개구부(16)를 형성하는 상기 하우징 부분(10)은 환형의 실린더 또는 부시(bush) 형태로 설치되는 것을 특징으로 하는 발전소.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 실린더형 내부 개구부(16)를 형성하는 상기 하우징 부분(10)은 서로 연결된 다수의 링 요소들의 형태로 설치되고, 상기 발전기 고정자는 상기 링 요소들 중 하나에 수용되는 것을 특징으로 하는 발전소.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 수력 터빈(1)은 디스크 형태의 요소(4)를 포함하고, 다수의 터빈 블레이드들(2.1, 2.2, 2.3)은 상기 디스크 형태의 요소(4) 상에 체결되고, 상기 디스크 형태의 요소(4)는 상기 지지 요소(3)와 비틀림 강성(torsionally rigid) 방식으로 연결되고 상기 지지 요소(3)보다 반경 방향으로 돌출하는 것을 특징으로 하는 발전소.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 디스크 형태의 요소(4)는 상기 실린더형 내부 개구부(16)를 형성하는 상기 하우징 부분(10)의 전면과 대항하여 급수-윤활 방식의 제1 축 베어링(5.3)을 사용하여 지지되는 것을 특징으로 하는 발전소.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 발전기 고정자(6.2) 및/또는 상기 발전기 로터(6.1)는 수밀(water-tight)로 캡슐화되는(encapsulated) 것을 특징으로 하는 발전소.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 발전기 고정자(6.2) 및/또는 상기 발전기 로터(6.1)의 캡슐화(encapsulation)를 위해 내식성의, 비강자성 물질로 이루어진 캔 구성(can configuration) 및/또는 전기 절연체가 사용되는 것을 특징으로 하는 발전소.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 발전기 로터(6.1)는, 영구 자석들 및/또는 비접촉 여자기 파워가 상기 발전소의 고정 부분으로부터 제공되며, 외부적 여기를 위한 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전소.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 지지 요소(3)는 길이 방향 축(8)을 따라 상기 축 방향으로의 통로를 가지며, 상기 통로에서 기계적 조정 메커니즘이 상기 수력 터빈(1)의 상기 터빈 블레이드들(2.1, 2.2, 2.3)의 각도 설정(피치)을 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 발전소.
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