KR101456433B1

KR101456433B1 - 주유동으로부터 인출된 유체를 분사하는 분사수단을 포함하는 수압 기계

Info

Publication number: KR101456433B1
Application number: KR1020107003065A
Authority: KR
Inventors: 파리드 마쭈지; 모니크 트레버사즈
Original assignee: 알스톰 르네와블 테크놀로지즈
Priority date: 2007-07-23
Filing date: 2008-07-23
Publication date: 2014-10-31
Also published as: EP2171261A2; EP2174000B1; CN101755120B; KR101456430B1; AU2008281690A1; FR2919353A1; EP2174000A2; WO2009016314A2; US8591175B2; AU2008281600A1; WO2009016316A3; US8491255B2; BRPI0814564A2; MY151301A; BRPI0814584A2; ECSP109891A; CA2694071C; US20100129200A1; MX2010000914A; JP2010534297A

Abstract

본 발명은 터빈 휠(4)을 포함하며, 적어도 난류 영역, 감압 영역, 또는 캐비테이션 영역(8, 10, 33)이 상기 휠 인근에 형성되며, 물의 주유동(E)이 통과하는 기계에 관한 것이다. 상기 휠은 천장(28)과 벨트(30) 사이에 배치되는 블레이드(6)를 포함한다. 상기 기계는 또한 상기 주유동에서 인출된 유동(E₂)을 전술한 영역(8, 10, 33)으로 분사하는 분사수단을 포함함으로써 국부적으로 주유동(E)을 변화시키거나 상기 영역(8, 10, 33)의 압력을 증가시킨다. 상기 분사수단은 상기 천장(28)이나 상기 벨트(30)에 제공된 구멍(31, 32)을 통하여 상기 인출된 유동(E₂)을 상기 천장(29)이나 상기 벨트(30)로부터 분사한다.

Description

주유동으로부터 인출된 유체를 분사하는 분사수단을 포함하는 수압 기계{Hydraulic machine including means for injecting a flow drawn from a main flow}

본 발명은 물의 주유동(main flow)이 횡단하는 유형의 프랜시스(Francis)식 수압 기계에 관한 것이다. 이런 수압 기계는 터빈의 휠(wheel)을 포함하는데, 상기 휠 인근에는 적어도 하나의 에디(eddy) 영역 또는 감압(reduced-pressure) 영역 또는 캐비테이션(cavitation) 영역이 형성된다. 이런 휠은 천장(ceiling)과 벨트(belt) 사이에 배치되는 블레이드(blade)를 포함한다. 이런 수압 기계는 상기 주유동에서 인출된 유동을 상기 주유동에 대하여 변형되지 않은 채로 상기 에디 또는 감압 또는 캐비테이션 영역으로 분사하는 분사수단을 포함함으로써 국부적으로 상기 주유동을 변화시키거나 상기 영역의 압력을 증가시킨다.

이런 수압 기계는 예컨대 수력 전기(hydroelectricity)를 생산하는 발전소에 이용된다. 수압 기계는 유동 경로 상에 설치되거나 또는 일 이상의 수로가 배출되는 급수장(reservoir)로부터 물이 수압 기계에 공급된다.

이러한 수압 기계에 있어서는, 수압 기계의 구조 때문에 수압 기계를 횡단하는 주유동이 방해를 받고 에디를 형성하거나 감압 또는 캐비테이션을 보이는 영역이 존재하게 된다. 이런 영역은 수압 기계의 전반적인 성능에 지장을 주는데, 이는 이런 영역이 수압 기계 내에서 주유동의 활동 효율을 감소시키거나 수압 기계의 작동 상의 문제점을 초래하기 때문이다.

특허문헌 US-1 942 995는 앞서 언급한 유형의 수압 기계를 설명하고 있으며, 여기서는 주유동에서 인출된 유동을 터빈 휠의 블레이드를 따라 형성되는 캐비테이션 영역으로 분사하는 것이 가능해진다.

그러나, 이런 수압 기계에서는 감압 영역이 형성되는 블레이드 사이에서 연장되는 공간의 압력을 효과적으로 증가시키거나 역시 블레이드 사이에서 형성되는 에디 영역을 제거하는 것이 불가능하다.

본 발명의 한 목적은 에디, 감압, 케비테이션 영역을 간단한 방법으로 동시에 제거하는 것이 가능한 수압 기계를 제안함으로써 전술한 문제점을 완화하는 것이다.

따라서, 본 발명은 앞서 언급한 유형의 수압 기계에 관한 것으로, 여기서 상기 분사수단은 상기 천장이나 상기 벨트에 형성된 개구에 의해 상기 인출된 유동을 상기 천장이나 상기 벨트로부터 분사한다.

상기 천장이나 상기 벨트로부터 인출된 유동을 분사하는 것에 의해 이런 영역에서의 주유동의 활동상의 성능이 떨어지는 것을 효과적으로 향상시키는 것이 가능해지며, 이는 수압 기계의 성능이나 거동을 향상시키게 하며, 캐비테이션 영역이나 감압 영역이나 에디 영역을 제거하도록 인출된 유동이 분사되어야만 하는 위치를 정확히 선택하는 것이 가능해진다.

수압 기계의 다른 특징에 따르면:

- 상기 분사수단은 적어도 하나의 덕트를 포함하고, 상기 덕트는 상기 로터 상류에 있는 상기 주유동에서 유동을 인출하는 입구 및 상기 에디 영역이나 상기 감압 영역이나 상기 캐비테이션 영역으로 개방되는 출구를 포함하고,

- 상기 분사수단은 인출된 유동의 경로 상에 배치되는 밸브를 포함하고, 상기 밸브는 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 이동할 수 있으며, 상기 개방위치에서 상기 밸브는 인출된 유동이 상기 주유동으로부터 통과하게 하며, 상기 폐쇄 위치에서 상기 밸브는 인출된 유동의 통과를 막고,

- 상기 밸브의 상기 이동은 제어수단에 의해 제어되고,

- 상기 천장이나 상기 벨트에 형성된 상기 개구는 상기 블레이드 사이의 공간으로 향하고,

- 인출된 유동은 상기 로터의 블레이드 맞은편에 있는 상기 천장이나 상기 벨트에 형성된 개구를 통과하고, 상기 블레이드의 상류측 단부 및/또는 하류측 단부 인근에 있는 상기 블레이드의 측벽에 마련된 개구에 의해 상기 블레이드의 프로파일(profile) 위로 분사되고,

- 인출된 유동은 상기 로터의 블레이드 맞은편에 있는 상기 천장이나 상기 벨트에 형성된 개구를 통과하고, 상기 블레이드의 하류측 단부 쪽으로 분사된다.

본 발명의 다른 측면과 장점들은 첨부된 도면을 참조하여 하나의 예로서 주어진 후술되는 설명에서 나타날 것이다. 여기서,
- 도 1은 본 발명에 따르는 프랜시스 터빈의 단면의 부분적인 개략도이고,
- 도 2는 도 1의 프랜시스 터빈 로터를 위에서 바라본 개략도이다.

아래에서 기술되는 발명은 프랜시스 터빈(Francis turbine) 타입의 수압 기계에 적용된다. 이런 수압 기계는 알려져 있기 때문에, 본 설명에서 매우 구체적인 내용은 기술되지 않을 것이다. 본 발명은 또한 에디, 감압, 또는 캐비테이션 영역 형성의 문제가 발생하는 다른 유형의 수압 기계에도 적용될 수 있다.

본 설명에 있어서, "상류"와 "하류"라는 용어는 수압 기계를 횡단하는 주유동(E)의 유동 방향을 기준으로 정의된다.

도 1은 휠(4; wheel)을 포함하는 프랜시스 터빈(2)을 보여주며, 휠(4)은 천장(28; ceiling)과 벨트(30) 사이에 배치되는 블레이드(6; blade)를 포함한다.

블레이드(6)에 관하여 언급하자면, 블레이드의 입구(inlet) 가장자리 내지 상류측 단부(8) 및/또는 블레이드의 출구(outlet) 가장자리 내지 하류측 단부(10) 인근에 있는 영역으로서 로터(4)의 블레이드(6)의 프로파일(profile) 상에서 캐비테이션이 발생하는 문제가 있다. 이런 단점을 완화하기 위하여, 도 1에 도시된 바와 같은 블레이드(6)는 미도시된 덕트(duct)를 포함하는데, 상기 덕트는 블레이드 내부에서 입구측 개구(22; inlet opening)와 출구측 개구(24, 26; outlet opening) 사이로 연장되어 있다. 덕트의 입구측 개구(22)는 블레이드(6)의 상류측 단부(8) 인근에 배치되어 블레이드 상류에 있는 주유동(E)으로부터 유동을 인출한다. 덕트의 출구측 개구(24, 26)는 블레이드(6)의 상류측 단부(8) 및/또는 하류측 단부(10) 인근에 있는 블레이드(6)의 측벽 상에서 인출된 유동을 분사하도록 마련된다. 이렇게 인출 및 분사되는 유동의 효과는 국부적으로 주유동(E)을 변화시키고 그에 의해 블레이드의 프로파일 상에서 캐비테이션이 형성되는 현상을 방지하는 것이다. 따라서 어떤 덕트는 상류측 단부(8) 인근에 있는 블레이드(6)의 측벽으로 향하는 출구측 개구(24)를 포함하는데, 이는 상류측 단부(8) 인근에 있는 블레이드 상에서 캐비테이션이 형성되는 현상을 방지하기 위한 것이다. 다른 덕트는 하류측 단부(10) 인근에 있는 블레이드(6)의 측벽으로 향하는 출구측 개구(26)를 포함하는데, 이는 하류측 단부(10) 인근에 있는 블레이드 상에서 캐비테이션이 형성되는 현상을 방지하기 위한 것이다.

이와 다른 다양한 실시 예에 따르면, 입구측 및 출구측 개구가 블레이드(6)의 상류측 단부(8) 및 하류측 단부(10)를 따라 연속하여 배치될 수 있으며, 이 경우 도 1의 출구측 개구(24)에 의해 보여진 것처럼 주유동(E) 방향에 수직하게 배치될 수 있다.

바람직한 특정 실시 예에 따르면, 출구측 개구는 주유동(E) 방향으로 블레이드(6)의 하류측 단부(10)로 개방되도록 마련된다. 인출된 유동을 하류측 단부 쪽으로 분사함으로써 블레이드(6)의 트레일(trail)에 형성되는 에디 영역을 제거하는 것이 가능해진다. 인출된 유동은 예컨대 블레이드(6) 하류측 단부(10)의 베이스(base) 쪽으로 분사된다.

로터(4)의 블레이드(6)는 천장(28)과 벨트(30) 사이에 배치된다.

본 발명에 따르면, 블레이드에서 캐비테이션이 발생하는 현상은 도 2에 도시된 바와 같이 블레이드(6) 맞은편의 천장(28)에 만들어진 개구(31)에 의해 방지된다. 이런 개구(31)는 미도시된 채널(channel)에 의해 출구측 개구(24, 26) 및 하류측 단부(10) 쪽으로 개방된 출구측 개구와 소통된다. 여기서 유동(E₂)은 블레이드(6) 상류에서 프랜시스 터빈(2)에 공급되는 주유동(E)에서 인출된 것이다. 터빈(2)의 고정된 부품과 이동하는 블레이드 사이를 통과한 후에 천장(28) 위에 위치하는 환상(annular) 공간(34)에 진입하는 인출된 유동(E₂)은 예컨대 미도시된 덕트에 의해 이송될 수 있다. 이런 유동(E₂)이 개구(31)로 들어가고 나서 출구측 개구(24, 26)로 가이드된다.

블레이드에서 캐비테이션이 발생하는 현상 이외에, 블레이드(6) 사이에 있는 공간(33)에서 와류(vortex)가 형성되는 현상이 있을 수 있다. 이런 현상은 덕트에 의해 완화될 수 있는데, 여기서 덕트의 입구 및 출구 개구(orifice)는 블레이드의 상류측 및 하류측 단부 사이에 배치되고 블레이드 사이에 있는 공간(33)으로 개방된다. 일 실시 예에 따르면, 블레이드(6) 사이에서 와류가 형성되는 문제는 도 1에 도시된 바와 같이 천장(28)에 만들어진 추가의 개구(32)에 의해 해결된다.

이런 실시 예에 있어서 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 환상 공간(34) 안에서 인출된 유동(E₂)은 개구(32) 안쪽으로 진행하고 블레이드(6) 사이에 있는 공간(33)으로 공급된다. 블레이드(6)를 분리하는 공간(33)을 마주보는 천장(28)에 상기 개구(32)가 분포된다. 그러므로, 블레이드(6) 사이에서 와류가 형성되는 현상을 방지하기 위하여, 인출된 유동(E₂)은 블레이드(6) 사이에서 분사되고 주유동(E)의 속성을 변화시킨다.

이와 다른 실시 예로서, 천장(28)을 통하여 진행하는 대신에 또는 천장(28)을 통하여 진행하는 것에 추가하여, 인출된 유동(E₂)은 벨트(30) 안에 만들어진 개구(미 도시)에 의해 벨트(30)를 통하여 진행할 수도 있다.

따라서 천장(28) 및/또는 벨트(30)에 형성된 개구(31, 32)는 블레이드 상에서 캐비테이션 영역이 형성되는 문제, 블레이드 사이에서 와류 영역이 형성되는 문제, 및 블레이드 하류에서 에디가 형성되는 문제 모두를 간단한 방법으로 극복할 수 있게 한다.

앞서 설명한 모든 분사수단에 적용될 수 있는 일 실시 예에 따르면, 분사수단은 도 1에 도시된 바와 같이 인출된 유동의 경로 상에 배치되는 밸브(72)를 포함한다. 이런 밸브(72)는 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 이동할 수 있다. 개방위치에서 밸브(72)는 인출된 유동을 통과하게 하며, 폐쇄 위치에서 밸브(72)는 인출된 유동의 통과를 막는다. 이런 밸브(72)는 예컨대 분사수단의 각 유입 개구 인근에 배치되며, 인출된 유동의 분사를 수동 또는 자동으로 제어하는 것을 가능하게 한다. 프랜시스 터빈의 경우, 밸브(72)는 천장(28)에 마련된 각각의 개구(32) 인근에 제공된다.

밸브(72)의 이동은 기계적 또는 전기적 제어수단(미 도시)에 의해 그 자체로 알려진 방법으로 제어된다. 따라서, 에디 영역 또는 감압 영역 또는 캐비테이션 영역의 형성을 야기하는 수압 기계의 작동 조건 동안에, 자동화 시스템 또는 수압 기계의 오퍼레이터(operator)가 밸브를 개방 위치로 전환함으로써 앞서 설명한 바와 같이 인출된 유동을 상기 영역으로 분사하여 이런 영역의 형성을 방지하는 것을 가능하게 한다.

인출된 유동은 주유동(E)에 대하여 변형되지 않는다는 점을 주목해야 할 것이다. 다시 말하자면 물은 인출된 유동이 흐르는 동안 물의 조성을 변형하는 어떠한 작동도 가지지 않는다는 것이다.

Claims

물의 주유동(E)이 횡단하는 프랜시스(Francis)식 수압 기계로서,
적어도 하나의 에디(eddy) 영역이나 감압 영역이나 캐비테이션 영역(8, 10, 33)이 인근에 형성되는 터빈의 휠(4)을 포함하고,
상기 휠(4)은 천장(28)과 벨트(30) 사이에 마련된 블레이드(6)를 포함하고,
상기 수압 기계는 상기 주유동(E)에서 인출된 유동(E₂)을 상기 주유동(E)에 대하여 변형되지 않은 채로 상기 에디 영역이나 상기 감압 영역이나 상기 캐비테이션 영역(8, 10, 33)으로 분사하는 분사수단을 포함함으로써 국부적으로 주유동(E)을 변화시키며 또는 상기 에디 영역이나 상기 감압 영역 또는 상기 캐비테이션 영역(8, 10, 33)의 압력을 증가시키는 수압 기계에 있어서,
상기 분사수단은 인출된 상기 유동(E₂)을 상기 천장(28)이나 상기 벨트(30)에 형성된 개구(31, 32)에 의해 상기 천장(28)이나 상기 벨트(30)로부터 분사하고,
인출된 상기 유동(E₂)은 상기 휠(4)의 블레이드(6) 맞은편에 있는 상기 천장(28)이나 상기 벨트(30)에 형성된 개구(31)를 통과하고, 상기 블레이드(6)의 상류측 단부(8) 및/또는 하류측 단부(10) 인근에 있는 상기 블레이드(6)의 측벽에 마련된 개구(24, 26)에 의해 상기 블레이드(6)의 프로파일(profile) 위로 분사되는 것을 특징으로 하는 수압 기계.
제1항에 있어서,
상기 분사수단은 적어도 하나의 덕트를 포함하고,
상기 덕트는 상기 주유동(E)에서 상기 유동(E₂)을 인출하는 입구 및 상기 에디 영역이나 상기 감압 영역이나 상기 캐비테이션 영역(8, 10, 33)으로 개방되는 출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 수압 기계.
제2항에 있어서,
상기 분사수단은 인출된 상기 유동(E₂)의 경로 상에 배치되는 밸브(72)를 포함하고,
상기 밸브(72)는 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 이동할 수 있으며,
상기 개방위치에서 상기 밸브(72)는 상기 주유동(E)에서 인출된 상기 유동(E₂)이 통과하게 하며, 상기 폐쇄 위치에서 상기 밸브(72)는 인출된 상기 유동(E₂)의 통과를 막는 것을 특징으로 하는 수압 기계.
제3항에 있어서,
상기 밸브(72)의 상기 이동은 제어수단에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 수압 기계.
제1항에 있어서,
상기 천장(28)이나 상기 벨트(30)에 형성된 상기 개구(32)는 상기 블레이드(6) 사이의 공간(33)으로 향하는 것을 특징으로 하는 수압 기계.
삭제
제1항에 있어서,
인출된 상기 유동(E₂)은 상기 휠(4)의 블레이드(6)와 마주보는 상기 천장(28)이나 상기 벨트(30)에 형성된 상기 개구(31)를 통과하고, 상기 블레이드(6)의 하류측 단부 쪽으로 분사되는 것을 특징으로 하는 수압 기계.