KR101507320B1 - 수압 기계의 휠의 크라운이나 허브에 부착될 수 있는 부재 및 이를 구비한 휠과 수압 기계 - Google Patents

수압 기계의 휠의 크라운이나 허브에 부착될 수 있는 부재 및 이를 구비한 휠과 수압 기계 Download PDF

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Abstract

부재(4)는 수압 기계의 휠(1)의 크라운(12)에 부착될 수 있다. 상기 부재에는 스커트(42)가 제공되고, 상기 스커트(42)의 일 표면(421)은 상기 크라운의 습표면(121)과 연속되도록 배치될 수 있다. 상기 부재에는, 상기 스커트(42) 내부에서 반경 방향으로 배치되며 상기 스커트(42)로부터 아래쪽 축 방향(h)으로 돌출하는 적어도 하나의 핀(43)이 장착된다.

Description

수압 기계의 휠을 위한 팁 형성 부재 및 이를 구비한 휠과 수압 기계 {TIP-FORMING MEMBER FOR A WHEEL OF A HYDRAULIC MACHINE, AND WHEEL AND HYDRAULIC MACHINE WHICH ARE EQUIPPED WITH SUCH A MEMBER}
본 발명은 수압 기계의 크라운(crown)에 부착될 수 있는 부재에 관한 것이다. 또한 본 발명은 이런 부재가 구비된 휠과 이런 휠을 포함하는 수압 기계에 관한 것이다.
수압 터빈, 특히 프란시스식 터빈(Francis-type turbine)의 분야에 있어서, 휠의 크라운의 상류 부분에 일반적으로 "팁(tip)"이라 칭해지는 축대칭 부재를 장착하는 것이 알려져 있다. 팁의 바깥 표면은 하류 방향으로 감소되는 직경을 갖는 휠의 크라운의 습표면(wet surface)을 실질적으로 연장시키고 있다. 이런 부재 또는 "팁"의 목적은 휠의 회전축의 방향으로 유동의 안내를 연장시키기 위함이다. 이와 유사하게, 터빈 펌프 및 블레이드를 갖는 다른 터빈에서 가이드 부재 또는 팁을 사용하는 것이 알려져 있다. 공지된 수압 터빈에 있어서, 휠을 횡단하는 유동은 일반적으로 "토치(torche)"라 칭해지며 특정 부하(load)에서 코르크마개(corkscrew) 형상을 갖는 와류(vortex) 또는 난류를 일으킬 수 있다. 이런 토치 난류는, 수압 기계의 기계적 성능뿐만 아니라 수압 기계로의 동력 공급의 안정성에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 압력 및/또는 동력 변동을 야기한다는 점에서 문제가 된다.
WO-A-2005/038243은 휠의 회전축의 방향으로 각각 수렴하고(convergent) 확산하는(divergent) 두 개의 표면을 포함하는 팁의 이용을 개시하고, 이는 난류를 크게 제한시키게 만든다. 그러나, 특정 속도에서 난류는 여전히 존재하게 된다.
US-A-4 071 211은 휠 팁(wheel tip)의 바깥 표면에 만곡된 블레이드의 제공을 또한 개시하는데, 이는 휠이 설계되는 최적 작동 조건보다 터빈 상의 부하가 클 경우에 유동의 안내를 도와주기 위한 것이다. 이런 해결책은 낮은 부하에서 모든 불안전성을 감소시키거나 제거할 수 없으며, 블레이드의 복잡한 형상을 한정하기 위하여 상대적으로 정교한 해석이 요구되기 때문에 실시하기에 어렵다는 것이 입증되었으며, 이런 블레이드는 제조하는 것이 곤란하다. 더욱이, 팁의 바깥 표면에 이런 블레이드를 위치시키는 것은, 블레이드가 휠의 회전축 바로 인근에서 발생하는 로프(rope)에 대하여 단지 제한적인 영향을 미친다는 것을 의미한다.
또한, GB-A-739 013은 콘(cone)이 장착된 프란시스 휠을 개시한다. 이 콘은 콘 표면의 바깥쪽에서 반경 방향으로 배치된 핀(fin)을 구비한다. 어떤 속도에서, 이들 핀은 콘의 바깥쪽 표면 위로 이동하는 유동의 흐름을 방해할 수 있다.
이러한 단점들은, 휠의 크라운에 부착될 수 있으며 특히 낮은 부하에서 난류 로프(turbulent rope)에 의해 야기되는 불안정성을 감소 및/또는 제거하도록 만드는 새로운 부재를 제시함으로써 본 발명이 특히 극복하고자 의도하는 것이다.
이를 위하여 본 발명은 수압 기계의 휠의 크라운이나 허브에 부착될 수 있는 부재에 관한 것으로, 상기 부재에는 스커트가 제공되고, 상기 스커트의 일 표면이 상기 크라운이나 허브의 습표면의 연속부로서 배치될 수 있다. 상기 부재는, 상기 스커트 내부에 반경 방향으로 배치되는 적어도 하나의 핀이 장착되고, 상기 부재가 상기 휠에 부착되는 경우에, 상기 핀은 상기 스커트의 개방된 하부 에지에 대해 축 방향 아래쪽으로 돌출하며, 상기 스커트의 개방된 하부 에지는 상기 스커트의 내부 공간으로 물이 들어오거나 내부 공간으로부터 물이 나가도록 개구를 형성하고, 상기 스커트의 상기 개방된 하부 에지에 대해 아래쪽 방향으로 돌출하는 상기 핀의 일부분은 상기 휠의 회전 축의 인근에서 유동에 영향을 미칠 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 스커트 아래로 돌출하는 상기 핀의 부분은 상기 휠의 상기 회전 축의 인근에서 유동에 영향을 미치는 것을 가능하게 한다는 사실은 이런 영역에서 와류나 난류를 상당히 감소시키게 한다. 상기 핀이 복잡한 버킷(bucket) 형상을 가질 필요가 없기 때문에, 본 발명에 따른 부재를 설계하고 제조하는 것을 용이하게 할 수 있다. 상기 핀이 상기 스커트 내부에서 반경 방향으로 배치됨으로써, 상기 휠 또는 상기 허브의 상기 크라운의 상기 습표면을 연장시키는 상기 스커트의 반경 방향 바깥쪽 표면 위에 있는 물의 유동을 교란시키지 않는다. 따라서, 상기 휠의 상기 회전 축의 인근에서 와류 또는 난류에 국부적으로만 영향을 미침으로써 설비의 전체적인 효율을 실질적으로 저하시키지 않는다.
양호하지만 반드시 필수적이지 않는 측면에 의하면, 본 발명에 따른 부재는 청구항 제2항 내지 제13항의 특징을 하나 이상 포함할 수 있으며, 이런 특징은 기술적으로 허용될 수 있는 모든 조합을 취할 수 있다.
본 발명은 또한 전술한 바와 같은 부재가 장착된 수압 기계의 휠과 관련된다. 이런 휠은 수리적 특성(hydraulic characteristic)을 향상시키며, 휠의 회전 축의 부근에서 발생하기 쉬운 난류 토치의 수력학적 구조(hydrodynamic structure)를 변경하는 것을 가능하게 한다.
마지막으로, 본 발명은 전술한 바와 같은 휠이 장착된 수압 기계와 관련된다. 이런 수압 기계는 터빈, 펌프, 또는 터빈 펌프가 될 수 있다.
상기 부재가 벽에 대한 핀의 축 방향 위치를 조정하기 위한 조정 수단을 포함하는 경우에, 상기 수압 기계에는 상기 휠을 횡단하는 유동의 파라메터의 함수로서 상기 조정 수단을 활성화시키기 위한 수단이 장착되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 부재와 프란시스 휠의 네 가지 실시예에 관한 아래의 설명으로부터, 본 발명은 더욱 명확히 이해될 것이며 본 발명의 장점도 더욱 명백해 질 것이다. 이런 실시예는 첨부된 도면을 참조로 하여 단지 예시적인 방법으로 제시된 것이다. 여기서,
- 도 1은 본 발명에 따른 터빈 휠의 축 방향 단면도이며;
- 도 2는 도 1의 휠의 팁을 확대한 사시도이며;
- 도 3은 도 2의 팁을 아래에서 바라본 도면이며;
- 도 4는 도 3의 IV-IV 선을 따른 단면도로서 도 1의 팁을 묘사한 것과 대응되는 단면도이며;
- 도 5는 도 3의 V-V 선을 따른 단면도이며;
- 도 6은 도 1의 단면도와 유사한 것으로 본 발명의 제2실시예에 따른 팁을 포함하는 본 발명의 제2실시예에 따른 터빈 휠에 대한 단면도이며;
- 도 7은 도 3과 유사한 것으로 본 발명의 제3실시예에 따른 팁을 아래에서 바라본 도면이며;
- 도 8은 도 7의 VIII-VIII 선을 따른 단면도이며;
- 도 9는 도 1의 단면도와 유사한 것으로 본 발명의 제4실시예에 따른 휠에 대한 단면도이며;
- 도 10은 도 9의 휠의 팁에 대한 사시도이며; 그리고
- 도 11은 도 10의 XI-XI 선을 따른 단면도를 확대하여 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 프란시스 터빈 휠(1)은 수직 축(Z) 주위로 회전 운동할 수 있는 샤프트(2)에 연결됨으로써 프란시스식 터빈(Francis-type turbine)(T)의 일부를 형성하도록 의도된다. 이런 휠은 터빈(T)을 포함하는 설비에 속하는 케이싱(3; casing)으로부터 공급되며, 그 목적은 샤프트(2)의 상부에 연결되는 장치에 따라 수력 에너지를 전기 또는 기계 에너지로 변환하는 것이다.
도면을 명확히 하기 위하여, 참조부호 2, 3에 해당하는 구성요소는 도 1에서 파선으로 나타내어진다.
휠(1)은 휠의 중심 축(Z1) 주위로 일정하게 분포되는 블레이드(11)를 포함한다. 휠의 중심 축(Z1)은 터빈(T)의 설치 구조에서 축(Z)과 일치한다. 크라운(12)은 휠(1)의 안쪽 상부 및 반경 방향 부분에 제공된다. 반면에 밴드(13; band)는 블레이드(11)의 바깥쪽 하부 및 반경 방향 부분과 경계를 이룬다. 유동 경로는 두 개의 인접한 블레이드(11)의 각 쌍들 사이에서 생성되며, 이런 유동 경로는 블레이드(11)에 의해, 크라운(12)의 습표면(wet surface)(121)에 의해, 그리고 밴드(13)의 습표면(131)에 의해 범위가 정해진다.
따라서 유동(E)은 일치하는 축(Z1, Z) 주위로 휠을 회전시키고 그에 따라 샤프트(2)를 구동시키기 위하여 블레이드(11) 상에서 작용하여 휠(1)을 횡단할 수 있다.
팁 형성 부재(4; tip-forming member)는 크라운(12)의 하류 부분(122)에 장착된다. 이 부재(4)는 크라운(12) 내부의 공간(V12)으로의 하류측 접근(downstream access)을 부분적으로 차단한다. 팁 형성 부재(4)가 설치되기 이전에 이런 공간(V12)은 일반적으로 휠(1)을 장착하기 위하여, 특히 미도시된 볼트에 의해 휠(1)을 샤프트(2)에 고정하기 위하여 접근 가능하게 유지되어야만 한다.
이하, 팁 형성 부재(4)를 관례에 따라 "팁(tip)"으로 칭하기로 한다. 팁(4)은 예컨대 미도시된 볼트에 의해 크라운(12)에 고정되도록 의도된 디스크 형상의 브래킷(41; bracket)을 포함한다. 팁(4)은 또한 축(Z4)에 중심이 맞춰진 스커트(42; skirt)를 포함한다. 스커트(42)는 원뿔대(truncated cone)의 형상을 가지며 브래킷(41)에서 멀어지는 방향으로 축(Z4)을 향해 수렴한다. 스커트(42)의 바깥쪽 및 안쪽의 반경 방향 표면은 각각 참조부호 421과 422로 표시된다. 스커트(42)는 바깥쪽 반경 방향 에지(411) 인근에서 브래킷(41)에 용접된다.
본 설명에 있어서, "위쪽 방향", "아래쪽 방향", "상부", 및 "하부"란 용어는 휠이 수직축 터빈(vertical-axis turbine)에서 그 사용 상태에 있을 때 휠(1) 부분의 방향에 대응된다. 따라서 "상부" 부분은 "하부" 부분 위에 위치하게 된다.
휠(1)에 팁(4)이 장착된 구조에 있어서 표면(421)은 표면(121)을 연장시키고, 이는 유동(E)이 휠을 횡단할 때 유동(E)의 안내에 도움을 준다.
스커트(42)의 상부 에지는 참조부호 423으로 표시되었고, 하부 에지는 참조부호 424로 표시되었다. 이런 에지(423, 424)의 직경은 각각 D423과 D424로 표시되었다. D424의 값은 D423의 값보다 작다.
평평한 핀 형태의 4개의 구성요소(43)는 팁(4)에 배치되며, 스커트(42) 내에서 반경 방향으로 연장한다. 각각의 핀(43)은 스커트(42)의 내부 형상 및 브래킷(41)의 하부 표면(412)과 연결된다. 다시 말해서, 각각의 핀(43)의 바깥쪽 에지(431)는 스커트(42)의 안쪽 표면(422)과 접해 있고, 스커트의 상부 에지(432)는 표면(412)과 접해 있다. 따라서 각각의 핀(43)은 이런 스커트의 반경 방향 안쪽에서 브래킷(41)과 스커트(42)에 용접될 수 있다.
각각의 핀(43)은 축(Z4)에 대하여 반경 방향으로 연장하는 평면(P4) 상에서 중심이 맞추어진다. 따라서 각각의 핀(43)은 축(Z4)에 대해 반경 방향으로 연장한다.
각각의 핀(43)의 반경 방향 안쪽 에지(433)는 축(Z4)과 평행하며 축(Z4)으로부터 0이 아닌 거리(d1) 만큼 연장함으로써, 팁(4)이 휠(1)에 장착되는 경우 밑으로부터 브래킷(41)에 있는 중앙 개구(413)로 접근하는 것을 가능하게 한다. 이는 팁(4)을 휠(1)에 고정하기 위한 수단으로의 접근을 가능하게 한다.
각각의 핀(43)은 스커트(42)의 하부 에지(424) 아래에서 축 방향으로 돌출하는 부분(434)을 포함한다. 다시 말하면, 이런 부분(434)은 브래킷(41)을 기준으로 할 때 스커트(42)를 넘어서 연장한다. 이런 부분(434)의 하부 에지는 참조부호 435로 표시되고, 이 에지(435)는 도 1 내지 도 5의 예에서 축(Z4)에 수직해 있다. 표면(412)과 이 에지(435) 사이에서 축(Z4)과 평행하게 측정된 거리는 부호 d2로 표시된다. 이와 동일하게 표면(412)과 에지(424) 사이에서 축(Z4)과 평행하게 측정된 거리는 부호 d3로 표시된다. 거리(d2)는 거리(d3)보다 크고, 각각의 핀(43)의 돌출 부분(434)은 d2와 d3 사이의 차이와 동일한 높이(h) 만큼 스커트(42)를 넘어서 돌출한다.
따라서, 도 1에 도시된 바와 같이 팁(4)이 휠(1)에 장착되는 경우, 스커트(42)에서 아래쪽 방향으로 돌출하는 핀(43)의 부분(434)은 팁(4)의 회전으로 발생하는 움직임을 표면(121, 421)의 근처를 통과하는 유동(E)의 일부(E1)에 부여하도록 한다. 이는 습표면(121, 421)의 하류 측에 있으며 도 1에서 음영 처리된 영역에 있는 축(Z)의 인근에서, 특히 낮은 부하 상태에서 발생하기 쉬운 와류 토치(vortex torche)를 상당히 감소시키거나 제거하는 것을 가능하게 한다.
돌출 부분(434)의 반경 방향 바깥쪽 에지는 참조부호 436으로 표시된다. 도 1 내지 도 5의 예에서, 이런 에지(436)는 직선형이며 축(Z4)과 평행하다.
이런 에지(433, 435)는 둥글게 처리되며, 핀(43)의 두께에 종속적인 반경을 갖는 반원형의 단면을 갖는다.
스커트(42)의 높이에서 축 방향으로, 다시 말해서, 에지들(423, 424) 사이에서, 그리고 스커트(42)의 안쪽에서 반경 방향으로 위치하는 각각의 핀의 부분은 참조 부호 437으로 표시된다. 이 부분(437)의 에지(431, 432)는 표면(422, 412)과 접해 있다.
핀(43)은 이 부분(434, 437)의 조합에 의해 형성된다.
도 6에 도시된 본 발명의 제2실시예에 있어서, 제1실시예의 구성요소와 유사한 구성요소는 동일한 참조부호를 갖는다. 본 제2실시예와 제1실시예 사이의 본질적인 차이점이 아래에서 설명될 것이다. 본 실시예에서 팁(4)에는 4개의 핀(43)이 장착되고, 이 핀(43)은 원뿔대의 형상을 갖는 절두 원뿔형(frusto conical)의 스커트(42)를 넘어서 축방향으로 높이(h) 만큼 돌출한다. 핀(43)이 팁(4)의 브래킷(41)과 스커트(42)에 대해 이동 가능하게 장착되기 때문에, 높이(h)는 도 6에서 양 방향 화살표(F1)로 도시된 바와 같이 조정될 수 있다.
각각의 핀(43)의 축 방향 위치는 서보모터(63; servomotor)에 의해 제어되고, 이 서보모터(63)는 크라운(12)의 중앙 공간(V12)에 배치되며, 터빈(T)을 제어하기 위한 유닛(7)에 의해 활성화된다. 이 유닛(7)은 활성화 신호(S7)를 각각의 서보모터(63)로 송신하고, 이 활성화 신호(S7)는 휠(1) 안의 유동(E)의 파라메터를 고려하여 결정된다. 이런 파라메터는 유동(E)에서의 물의 유량이나 속도를 포함할 수 있으며, 이와 다른 파라메터도 포함할 수 있다.
유닛(7)은 신호(S8)에 의해 터빈(T)이 속하는 설비의 가이드 베인(8; guide vane)을 활성화시킨다. 유닛(7)은 신호(S8)의 함수로서 서보모터(63)를 활성화시키기 위하여 가이드 베인의 위치를 나타내는 신호(S'8)를 분석할 수 있다. 다시 말해서, 가이드 베인의 위치에 관한 정보를 주는 신호(S'8)는 유닛(7)에 의해 해석되어 활성화 신호(S7)를 이용하여 서보모터(63)를 제어할 수 있다. 이는 신호(S8)가 유동(E)을 대표할 수 있기 때문이다.
필요하다면 활성화 신호(S7)는 개별화(individualized)될 수 있으며, 그에 따라 에지(424)에 대한 핀의 하부 에지(435)의 상대적 위치, 다시 말해서, 높이(h)는 핀 마다 달라질 수 있다.
따라서 본 실시예에서는 팁(4)이 휠(2)에 장착되는 경우, 핀(43)의 부분(434)이 스커트(42)를 넘어서 돌출하는 축 방향 높이(h)가 조정될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 이런 부분(434)의 반경 방향 바깥쪽 에지는 참조부호 436으로 표시된다. 이 에지(436)는 팁(4)의 중앙 축(Z4)과 평행하지 않으며, 핀(43)의 하부 에지(435)를 향하는 방향으로 이 축(Z4)을 향해 수렴한다. 이런 에지(436)의 꼭지점(vertex)에서의 반각(α)(halg-angle)은 표면(421)의 꼭지점에서의 반각(β)의 함수로서 결정될 수 있다.
도 7 및 도 8에 도시된 본 발명의 제3실시예에 있어서, 제1실시예의 구성요소와 유사한 구성요소는 동일한 참조부호를 갖는다. 본 제3실시예와 제1실시예 사이의 본질적인 차이점은 아래에서 설명될 것이다. 본 실시예에서 팁(4)은 역시 4개의 핀(43)을 포함하고, 이 핀(43)의 부분(434)은 원뿔대의 형상을 가진 채로 0이 아닌 높이(h) 만큼 절두 원뿔형의 스커트(42)를 넘어서 돌출한다. 이 부분(434)의 반경 방향 바깥쪽 에지(436)는 만곡되어 있으며 스커트(42)의 바깥쪽 표면(421)과 연속되어 있다.
또한, 평평한 핀(43)은 각각 팁(4)의 중앙 축(Z4)에 대하여 반경 방향인 평면(P4)과 평행한 평면(P43) 상에서 중심에 맞추어진다. 다시 말해서, 핀(43)은 도 7의 평면도에서 평면(P4)에 대응하는 반경 방향과 평행하지만, 이 반경 방향에 대해 0이 아닌 거리(d5) 만큼 옆으로 떨어져 있다.
도 9 내지 도 11에 도시된 본 발명의 제4실시예에 있어서, 제1실시예의 구성요소와 유사한 구성요소는 동일한 참조부호를 갖는다. 본 실시예의 휠(1)은 수직 축(Z) 주위로 회전 운동할 수 있는 샤프트(2)에 연결됨으로써 프란시스식 터빈(T)의 일부를 형성하도록 의도된다. 이런 휠(1)은 크라운(12)과 밴드(13) 사이에서 연장하는 블레이드(11)를 포함한다. 크라운(12)은 습표면(121)을 형성하는데, 휠(1)을 횡단하는 유동(E)이 이 습표면(121) 위로 지나가도록 의도된다.
아래에서 "팁(tip)"으로 지칭될 부재(4)는 크라운(12)의 하류 부분(122)에 장착되며, 디스크 형상의 브래킷(41)을 포함한다. 브래킷(41)은 브래킷(41)에 형성된 오리피스(orifices)(417)를 가로지르는 나사(47)에 의해 크라운(12)에 고정되도록 의도된다. 본 발명의 범위 내에서 이런 부재(4)를 휠(1)에 고정하기 위한 다른 수단도 예상될 수 있을 것이다.
팁(4)은 또한 팁(4)과 휠(1)의 장착된 구조에서 축(Z4)이 축(Z)과 일치할 수 있도록 의도된 축(Z4)에 중심이 맞춰진 고리 모양의 스커트(42)를 포함한다. 이런 스커트(42)는 원뿔대의 형상을 가지며 브래킷(41)에서 멀어지는 방향으로 축(Z4)을 향하여 수렴한다. 스커트(42)의 바깥쪽 및 안쪽의 반경 방향 표면은 각각 참조부호 421과 422로 표시된다.
스커트(42)는 평평한 핀 형상을 갖는 4개의 구성요소(43)에 의해 브래킷(41)에 매달려 있다. 4개의 구성요소(43)는 각각 축(Z4)에 대해 반경 방향으로 평행하게 연장한다. 부재(4)가 휠(1)에 장착되는 경우에, 스커트(42)는 크라운(12)에 대해 반경 방향 바깥쪽 표면(421)이 전체적으로 볼 때 습표면(121)의 연속부에 있도록 배치된다.
제1실시예와의 차이점으로, 브래킷(41)과 스커트(42) 사이에 개구(44)가 생성된다. 스커트(42)의 상부 에지(423)는 브래킷(41)의 반경 방향 바깥쪽 에지(411)로부터 0이 아닌 거리(d) 만큼 떨어져서 연장한다. 이 거리(d)는 축(Z4)과 평행하게 측정된 개구(44)의 축 방향 높이가 된다. 개구(44)는 습표면(121) 위로 지나가는 유동(E)의 일부(E1)가 팁(4)의 내부 공간(V4), 다시 말해서, 스커트(42)의 내부 공간으로 들어오도록 만든다. 이런 유동(E1)은 스커트(42) 주위로 반경 방향 바깥쪽 표면(421)과 안쪽 표면(422)을 따라 지나간다. 전체적으로 볼 때, 반경 방향 바깥쪽 표면(421)과 안쪽 표면(422)은 습표면(121)을 연장시키며, 습표면(121)에 대하여 아래쪽 방향으로 약간 떨어져 있다. 축 방향으로 스커트(42)와 같은 높이에서 연장하는 핀(43)의 에지(431)는 스커트(42)의 반경 방향 안쪽 표면(422)과 접해 있다.
도 9에 있어서, 팁(4)이 크라운(12)의 하류 부분(122)에 부분적으로 삽입된다는 점을 고려한다면, 크라운(12)의 하류 부분(122)이 부분적으로 개구(44)를 차단한다는 점이 주목되어야 할 것이다.
제1실시예의 경우와 같이, 핀(43)은 스커트(42)의 하부 에지(424)를 넘어서 높이(h) 만큼 돌출한다. 팁(4)이 휠(1)에 부착된 경우 스커트(42)에서 아래쪽 방향으로 돌출하는 핀(43)의 부분은 참조부호 434로 표시된다.
전술한 모든 실시예에 있어서, 스커트(42) 아래로 돌출하는 핀(43)의 부분(434)의 반경 방향 바깥쪽 에지(436)는 스커트(42)의 하부 에지(424)를 기준으로 축(Z4)에서 멀어지는 방향을 따라 반경 방향으로는 크게 돌출하지 않는다. 따라서 핀(43)의 영향은 도 1 및 도 6에 도시된 유동(E1)의 중심 부분, 즉 이들 도면에서 음영 처리된 영역으로 향하는 부분에 집중된다.
실제로, 앞서 설명된 서로 다른 실시예에서의 핀(43)의 형상은 휠(1)의 형상과 휠(1)을 횡단하는 유동의 특성에 맞게 조정된다. 본 발명은 평평한 핀(43)을 갖는 것으로 제시되었다. 변형 실시예로서, 이런 핀은 비교적 단순한 형상을 가진 채로 만곡되게 형성될 수 있다.
팁(4)의 핀(43)의 개수는 반드시 4개가 될 필요는 없다. 2개, 3개, 또는 4개 이상의 핀을 갖는 팁이 가능한 것처럼, 하나의 핀을 갖는 팁도 가능하다. 다수의 핀이 사용되는 경우, 이런 핀은 스커트의 중심 축 주위로 일정하게 분포되는 것이 바람직하다.
도시되지 않은 본 발명의 변형 실시예에 따르면, 핀(43)의 하부 에지(435)는 축(Z4)에 수직하지 않을 수 있다. 특히, 이런 에지는 경사지거나 만곡될 수 있으며, 반경 방향 바깥쪽 에지(436)의 하부 부분을 형성할 수도 있다.
앞서 설명한 실시예에 있어서, 스커트(42)의 바깥쪽 표면(421)은 에지(423)에서 멀어지는 방향으로, 다시 말해서, 휠(1)에 부재(4)가 장착된 구조에서 습표면(121)에서 멀어지는 방향으로 축(Z4)을 향해 수렴한다. 이런 표면(421)은 직선 모선(straight-line generatrix)을 갖는 원뿔대의 형상을 갖는다. 그뿐만 아니라 만곡 모선(curved generatrix)을 갖는 것도 가능하며, 에지(423)에서 멀어지는 방향으로 축(Z4)을 향해 수렴하지 않는 것도 가능하다.
도시되지는 않았지만 제2실시예로부터 쉽게 유추될 수 있는 본 발명의 일 측면에 따르면, 팁 형성 부재(4)는 서로 일치하는 축(Z, Z1, Z4)을 따라 축 방향으로 이동할 수 있도록 휠(1)에 장착될 수 있다. 이는 표면(421)의 위치를, 가능하게는 핀(43)의 위치를 휠(1)의 작동 조건에 맞게 조정하는 것을 가능하게 한다. 이런 표면(421)의 이동, 다시 말해서, 4개의 실시예에서 스커트(42)의 이동은 제2실시예에서의 서보모터(63)와 유사하게 휠의 크라운의 내부 공간(V12)에 설치되는 서보모터에 의해 얻어질 수 있다.
따라서 팁(4)을 위쪽 방향으로 후퇴시키는 것이 가능하며, 그 결과 팁(4)은 더 이상 휠(1)의 크라운(12)으로부터 오는 유동(E)이 통과하는 영역으로 부분적으로 또는 완전히 돌출하지 않을 수 있다.
보완적인 측면에 따르면, 핀(43) 역시 조정 가능하도록 제공될 수 있다. 다시 말해서, 핀(43)이 부재(4)의 표면(421)에 대해 위쪽 방향으로 이동 가능할 수 있다. 이를 위하여, 제4실시예에서 일부 핀은 핀을 지지하는 스커트(42)에 견고하게, 스커트(42)를 넘어서 돌출하지 않게 조립될 수 있는 반면에, 다른 핀은 이런 스커트에 대해 이동할 수 있으며 스커트를 넘어서 돌출할 수 있다.
제2실시예의 서보모터(63)와 같이, 휠(1)의 나머지 부분에 대하여 스커트(42)의 축 방향 위치를 조정하기 위한 수단은 휠을 횡단하는 유동(E)의 파라메터에 따라 활성화되는 것이 바람직하다.
전술한 모든 실시예에 있어서, 스커트(42)의 하부 에지가 개방되어 있고 스커트(42)의 내부 공간으로 물이 들어오거나 내부 공간으로부터 물이 나갈 수 있게 하는 개구(45)를 형성한다는 점에서 스커트(42)는 아래쪽 방향으로 개방되어 있다고 할 수 있다. 도 1 내지 도 8의 실시예에서, 물은 개구(45)를 통해 이런 내부 공간으로 재순환될 수 있다. 도 9 내지 도 11의 실시예에서, 개구(44)를 통해 이런 내부 공간으로 들어온 물은 개구(45)를 통해 빠져나간다. 이는 핀(43)의 부분(437)과 이에 대응할 수 있는 부분이 축(Z1)의 인근에서 유동에 대해 동일하게 영향을 미치는 것을 가능하게 한다.
본 발명은 휠(1)에 장착하기 위한 디스크 형상의 브래킷(41)이 제공되는 부재(4)를 갖는 것으로 제시되었다. 이런 브래킷은 반드시 디스크 형상이 될 필요는 없으며, 휠의 크라운 또는 허브(hub)와 연결되기 위한 다른 부품으로 대체될 수 있다.
본 발명은 휠의 크라운(12)에 볼트 체결되는 팁(4)을 갖는 것으로 제시되었다. 이런 팁은 예컨대 용접을 이용한 것과 같이 다양한 방식으로 휠에 부착될 수 있다. 또한 본 발명은 팁 형성 부재가 휠(1)의 일체적 부분을 형성하여 팁 형성 부재가 연장하는 크라운과 단일체가 되는 경우에도 적용될 수 있다.
도시되지는 않았지만 전술한 모든 실시예에 적용될 수 있는 본 발명의 또 다른 변형 실시예에 따르면, 핀(43)은 스커트(42)의 내부 공간의 중앙 부분에서 연결될 수 있다. 다시 말해서, 핀은 서로 만날 수 있으며, 그렇게 되면 핀의 에지(433)는 서로 일치하게 된다. 이러면 핀은 나란한 채널(channel)을 형성하게 된다. 도 9 내지 도 11의 실시예에서, 이런 채널은 스커트(42) 내부로 반경 방향으로 지나가는 유동(E1)의 일부를 안내하는데 이용될 수 있다.
앞서 언급된 다양한 실시예의 기술적 특징은 서로 교환 가능하게 결합될 수 있다. 특히, 제1, 3, 4실시예에서의 핀은 제2실시예에서의 핀의 경우와 같이 높이 조절이 가능하도록 팁에 장착될 수 있다.
이 경우와 제2실시예의 경우에 있어서, 단지 몇 개의 구성요소만이 높이 조절될 수 있는 것도 가능하다. 예를 들어, 제4실시예에 있어서, 두 개의 핀은 고정되고 에지(424)를 넘어서 돌출하지 않은 채로 스커트(42)를 지지할 수 있는 반면에, 다른 두 개의 핀은 브래킷(41)과 스커트(42)에 대하여 축(Z4)과 평행하게 이동할 수 있다.
본 발명은 프란시스식 터빈에 적용되는 것으로 제시되었다. 그러나, 본 발명은 다른 유형의 수압 기계에도 적용될 수 있으며, 특히 프로펠러(propeller), 데리아(Deriaz) 터빈 또는 카플란(Kaplan) 터빈에 적용될 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 부재는 터빈 또는 펌프의 허브와 연결된다.

Claims (17)

  1. 수압 기계(T)의 휠(1)의 크라운(12)이나 허브에 부착될 수 있는 부재(4)로서,
    상기 부재(4)에는 스커트(42)가 제공되고,
    상기 스커트(42)의 일 표면(421)이 상기 크라운(12)이나 허브의 습표면(121; wet surface)의 연속부로서 배치될 수 있는 부재(4)에 있어서,
    상기 스커트(42) 내부에는 반경 방향으로 배치되는 적어도 하나의 핀(43)이 장착되고,
    상기 부재(4)가 상기 휠(1)에 부착되는 경우에, 상기 핀(43)은 상기 스커트(42)의 개방된 하부 에지(424)에 대해 축 방향 아래쪽으로 돌출하며(h), 상기 스커트(42)의 개방된 하부 에지(424)는 상기 스커트(42)의 내부 공간으로 물이 들어오거나 내부 공간으로부터 물이 나가도록 개구(45)를 형성하고,
    상기 스커트(42)의 상기 개방된 하부 에지(424)에 대해 아래쪽 방향으로 돌출하는 상기 핀(43)의 일 부분(434)은 상기 휠(1)의 회전 축(Z)의 인근에서 유동에 영향을 미칠 수 있는 것을 특징으로 하는 부재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 핀(43)은 상기 스커트(42)에 대해 축 방향 아래쪽으로 돌출하는 부분(434)에서 반경 방향 바깥쪽 에지(436)를 구비하고,
    상기 반경 방향 바깥쪽 에지(436)는 상기 스커트(42)의 중심 축(Z4)에서 멀어지는 방향으로는 상기 스커트(42)의 개방된 하부 에지(424)로부터 반경 방향으로 돌출하는 않는 것을 특징으로 하는 부재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 핀(43)은 상기 스커트(42)의 대칭 축(Z4)에 대해 반경 방향인 방향(P4)과 평행하게 연장하는 것을 특징으로 하는 부재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 핀(43)의 다른 부분(437)은 상기 스커트(42) 내부에서 축 방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는 부재.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 스커트(42) 내부에서 연장하는 상기 핀(43)의 상기 다른 부분(437)의 에지(431)는 상기 스커트(42)의 안쪽 표면(422)과 접해 있는 것을 특징으로 하는 부재.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 핀(43)의 에지(432)는 상기 부재(4)를 상기 휠(1)의 상기 크라운(12)이나 허브에 고정하기 위한 브래킷(41)의 표면(412)과 접해 있고, 상기 표면(412)은 상기 부재(4)가 상기 휠(1)에 부착되는 경우에 아래쪽으로 향하는 것을 특징으로 하는 부재.
  7. 제6항에 있어서,
    각각의 상기 핀(43)은 상기 스커트(42)의 안쪽에서 반경 방향으로 상기 브래킷(41)에 그리고 상기 스커트(42)에 용접되는 것을 특징으로 하는 부재.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 핀(43)이 상기 스커트(42)로부터 축 방향으로 돌출하는 높이(h)는 조정(F1)될 수 있는 것을 특징으로 하는 부재.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 부재(4)가 상기 휠(1)에 부착되는 경우에, 상기 스커트(42)에 대한 상기 핀(43)의 축 방향 위치의 높이(h)를 조정(F1)하기 위한 수단(63)을 포함하는 것을 특징으로 하는 부재.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 부재(4)가 상기 휠(1)에 장착되는 경우에, 상기 스커트(42)는 상기 휠(1)에 대해 중심 축(Z4)과 평행하게 이동할 수 있는 것을 특징으로 하는 부재.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각각의 상기 핀(43)에는 상기 스커트(42)의 상기 중심 축(Z4)과 수직하며 상기 스커트(42)의 상기 개방된 하부 에지(424)로부터 높이(h)만큼 상기 하부 에지로부터 연장하는 에지(435)가 제공되는 것을 특징으로 하는 부재.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각각의 상기 핀(43)에는 상기 스커트(42)의 상기 중심 축(Z4)과 평행하며 상기 중심 축으로부터 거리(d1)만큼 떨어져서 연장하는 개방된 에지(433)가 제공되는 것을 특징으로 하는 부재.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 핀(43)은 상기 스커트(42)의 내부 공간의 중앙 부분에서 연결되는 것을 특징으로 하는 부재.
  14. 제1항 또는 제2항에 기재된 부재(4)가 장착되는 것을 특징으로 하는 수압 기계(T)용 휠(1).
  15. 제14항에 기재된 휠(1)이 장착되는 것을 특징으로 하는 수압 기계(T).
  16. 제15항에 있어서,
    상기 부재(4)가 상기 휠(1)에 부착되는 경우에, 상기 부재(4)는 상기 스커트(42)에 대해 상기 핀(43)의 축 방향 위치의 높이(h)를 조정(F1)하기 위한 수단(63)을 포함하고,
    상기 수압 기계(T)에는 상기 휠(1)을 횡단하는 유동(E)의 파라메터(S'8)의 함수로서 상기 핀(43)의 위치를 조정하는 상기 수단(63)을 활성화(S7)시키기 위한 수단(7)이 제공되는 것을 특징으로 하는 수압 기계.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 부재(4)가 상기 휠에 장착되는 경우에, 상기 부재(4)의 상기 스커트(42)는 상기 휠(1)에 대해 중심 축(Z4)과 평행하게 이동할 수 있고,
    상기 수압 기계(T)에는 상기 휠(1)을 횡단하는 유동(E)의 파라메터(S'8)의 함수로서 상기 스커트(42)의 위치를 조정하는 수단(63)을 활성화(S7)시키기 위한 수단(7)이 제공되는 것을 특징으로 하는 수압 기계.
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