KR101507322B1 - 프란시스형 휠 및 유동 내의 변동 감소 방법 - Google Patents

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Abstract

휠은 크라운(3)에 배치된 다수 개의 베인(2)을 포함하고, 베인들의 방사상 내측에서 휠(1)의 크라운 또는 허브의 중심 부분(32)에 부착된 팁형성 부재(10)를 구비하며, 크라운은 베인들 사이를 통과하는 유동(E)을 가이드하기 위한 습면(31)을 규정한다. 팁형성 부재(10)는 유동의 일부(E1)를 부재의 내부 체적(V10) 쪽으로 전환하기 위한 적어도 한 개의 개구(121)을 구비한다. 팁형성 부재는 절두원추형 환형 스커트(11), 및 내부 체적(V10) 내부에 배치되고, 개구(121)를 통해 내부 체적으로 들어오는 유동의 일부(E1)의 경로를 변경할 수 있는 적어도 한 개의 핀(15)을 포함한다. 핀(15)은 유동의 일부(E1)를 위해 출구 개구(14)를 규정하는 스커트(11)의 가장자리(112) 까지 연장된다.

Description

프란시스형 휠 및 유동 내의 변동 감소 방법 {Francis-type wheel and method of reducing fluctuations in a flow}
본 발명은 주로 휠의 크라운(crown)을 연장하는 팁형성 부재(tip-forming member)를 구비한 수력기계의 프란시스형 휠(Francis-type wheel)에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 그러한 휠과 상호작용하여 유동 내의 변동을 감소시키는 방법에 관한 것이다.
외면이, 하류방향으로 감소될 수 있는 직경을 가지는 휠의 크라운의 습면(wetted surface)을 실질적으로 연장하는 종종 "팁(tip)"이라 불리는 선대칭 부재를 구비하는 휠의 크라운의 하류 부분(downstream region)의 설비는 이미 수력 터빈, 특히, 프란시스형 터빈의 분야에 개시되어 있다. 이러한 부재 또는 "팁"은 유동의 가이딩(guiding)을 휠의 회전축과 근접하게 연장한다. 마찬가지로, 터빈 펌프와 다른 패들 터빈(paddle turbine)에서 가이딩 부재 또는 팁을 사용하는 것은 이미 개시되어 있다.
이전에 개시된 수력기계들에서 휠을 횡단하는 유동은 일정 익면하중(certain loadings)에서 "나선(corksscrew)" 형태로 되는 통상 "토치(torches)"로 불리는 와류 또는 난류 현상들을 일으킬 수 있다. 이러한 토치 형태의 난류 현상들은 상기 기계의 기계적인 출력 뿐 아니라 기계에 의해 동작되는 네트워크의 안정성에 악영향을 미칠 수 있는 압력 및/또는 파워의 변동을 야기하는 정도로 골치 아픈 문제이다.
각각 회전축의 방향으로 수렴(convergent) 및 발산하는(divergent) 두 개의 면을 포함하는 팁을 사용하여 난류 현상을 크게 제한하도록 하는 것은 WO-A-2005/038243에 이미 개시되어 있다. 하지만, 난류 현상은 일정 속도들에서 여전히 존재하므로, 본 발명은 이들 난류 현상을 크게 감소시킬 수 있는 대안적인 해결책을 제안한다.
또한, 수직축을 갖는 프란시스형 휠을 위해 프란시스형 휠의 팁의 안쪽에서 바닥으로부터 상단을 향해 재순환을 가능하게 하도록 팁 형태로 소직경 구멍들을 배열하는 것은 WO-A-2758815에 이미 개시되어 있다. 다량의 물은 터빈을 통과하는 주 유동(principal flow)에 의해 하류 방향으로 편향되는 제트(jets)를 구성하도록 하여 팁의 자오선 부분(meridian region)을 에워싸는 흐름 링(current ring)을 구성하는 혼합 유동 존(mixed flow zone)을 팁 주위에 형성하는 방식으로 상기 개구들을 경유하여 상기 팁에서 빠져나간다. 이러한 형태의 기능은 팁으로 인한 "펌핑(pumping)" 효과가 보장될 수 없다는 점에서 반드시 효과적인 것은 아니다.
또한, 물이 어떻게 원통 튜브(cylindrical tube)의 내부와 주위를 순환하는 지를 정확히 알 수 없지만 원추형 휠의 팁 아래에 원통 튜브를 배치하는 것은 FR-A-1 162 872에 이미 개시되어 있다. 이러한 튜브는 물이 설비의 흡입 도관 내부에서 상당한 높이로 연장되도록 하는 방식으로 물이 휠 내부를 통과한 후 물을 가이드하는데 사용된다. 튜브는 주 유동이 휠을 지나갈 때 주 유동의 스루풋 용량(throughput volume)을 제한하여 주 유동의 속도를 증가시키고, 그 결과, 출력 손실을 증가시킨다. 립들(ribs)은 튜브를 원추형 팁에 기계적으로 연결한다. 그러나, 이들의 주 유동의 경로에 대한 영향은 정량되지 않았었다. 또한, 팁에 현가된 튜브는 실질적으로 휠의 전체 크기를 증가시키고, 이 때문에, 휠을 그 사용 장소에 설치하는데 어려움을 야기한다.
본 발명은 특히, 터빈 또는 터빈 펌프에 설치되고, 사용 결과 터빈에서 출구들에서의 난류 현상이 최소화되고 출력 손실이 증가되지 않는 새로운 프란시스형 휠을 제안하는 것에 의해 위와 같은 단점들을 개선하도록 하는 데 있다.
따라서, 본 발명은, 터빈 또는 수력 터빈펌프용 프란시스형 휠에 관한 것으로, 상기 휠은 크라운(crown)에 배치된 다수 개의 베인(vanes)을 포함하고, 베인들의 방사상 내측에서 휠의 크라운 또는 허브의 중심 부분에 부착된 팁형성 부재를 구비하며, 크라운은 베인들 사이를 통과하는 유동을 가이드하기 위한 습면을 규정하고, 팁형성 부재는 베인들 사이를 통과하는 유동의 일부(fraction)를 상기 팁형성 부재의 내부 체적 쪽으로 전환하기 위한 적어도 한 개의 개구를 구비한다. 상기 휠은, 팁형성 부재가 상기 팁형성 부재의 내부 체적을 둘러싸고 유동의 일부가 전환되는 절두원추형 환형 스커트를 포함하고, 적어도 한 개의 핀은, 팁형성 부재의 내부 체적 내부에 배치되고, 팁형성 부재의 내부 체적쪽으로 전환되는 유동의 일부를 위해 팁형성 부재 내에서 출구 개구를 규정하는 스커트의 가장자리까지 연장되어, 유동을 전환시키기 위한 하나 이상의 개구를 통해 내부 체적으로 들어오는 유동의 일부의 경로를 변경할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명 때문에, 유체의 일부를, 일부가 휠과 상호작용하는 유동을 전환시키기 위한 개구를 경유하여 팁형성 부재 또는 팁의 내부 쪽으로 향하게 하는 것이 가능하며, 이에 의해, 유동의 일부가 내부에서 토치(torches) 또는 난류 현상이 형성되는 경향을 나타내는 터빈의 중심 존(zone) 쪽으로 다시 방향을 전환하도록 할 수 있다. 다시 말하면, 프란시스형 터빈 휠에 탑재될 때, 팁형성 부재는 주 유동과 동일한 속도로 이동하지 않는 다량의 물이 기계의 중심 존 내부로 주입되도록 하며, 이러한 주입은 난류 현상이 발달되는 경향을 나타내는 존을 물로 "메울(fill)" 수 있게 만든다. 한 개 이상의 핀은 출구 개구를 규정하는 스커트의 하부 가장자리 까지 연장되기 때문에, 출구 개구의 인접 부근까지 유동의 일부에 계속적으로 작용하는 것에 의해 팁형성 부재의 내부 체적을 뚫고 들어가는 유동의 일부의 경로를 효율적으로 변경한다. 유동의 일부에 관한 핀들과 스커트의 결합 작용은 스커트의 높이가 휠의 회전축에 평행하게 될 때 팁형성 부재가 휠의 벨트의 하부 가장자리를 너머서 흡입 튜브 내부로 연장될 수 없는 지점까지 비교적 낮게 되도록 허용한다. 하지만, 물의 주 유동은 중대한 범위까지 붕괴되지 않고 또 터빈의 출력도 필요량을 충족시키지 못하는 범위까지 감소되지 않는다. 또한, 팁형성 부재의 기하학적 구조는 팁형성 부재를 빠져나가는 2차 유동이 실질적으로 축방향을 가질 수 있게 보장하고, 휠의 회전축 부근에서 회전축 하류에 형성되는 경향을 보이는 와류 또는 난류 현상에 효율적으로 작용한다.
유리하지만 필수적인 아닌 양상들에 따르면, 본 발명에 따른 휠은 기술적으로 허용가능한 조합으로 취해진 청구항 제2항 내지 제17항의 특징점의 하나 이상을 포함시킬 수 있다.
마지막으로, 본 발명은 수력기계의 휠과 상호작용하는 유동 내의 변동을 감소시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법에 따르면, 유동의 일부는 유동을 전환시키기 위한 하나 이상의 개구를 경유하여 상술한 바와 같이 휠에 속하는 팁형성 부재의 내부 체적 내부로 뚫고 들어가도록 되며, 유동의 일부의 경로는 팁형성 부재의 핀들에 의해 변경되고, 유동의 일부는 팁형성 부재를 빠져나갈 때 휠의 회전축에 평행한 축을 갖는 대체로 원통형인 체적의 내부로 향하도록 하는 방식으로 축방향 개구를 경유하여 팁형성 부재를 빠져나가게 된다.
본 발명은 단지 예로서 제공되고 첨부된 도면에 관하여 구현된 본 발명에 따른 부재의 세 개의 실시예들과 본 발명에 따른 프란시스형 휠의 두 개의 실시예들에 대한 다음 설명에 의해 더욱 잘 이해될 수 있고, 그 장점들이 더욱 명백하게 나타날 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 터빈 휠의 축단면도이고,
도 2는 도 1에 도시된 휠의 팁의 확대 사시도이고,
도 3은 도 2에 도시된 팁을 다른 각도로 본 사시도이고,
도 4는 선 I-I이 도 1의 팁의 단면을 나타내는 도 2 및 도 3에 도시된 팁의 축소 평면도이고,
도 5는 도 4의 단면 V-V에 따른 반 단면도이고,
도 6은 도 4의 화살표 VI의 방향에서 본 도면이고,
도 7은 도 6의 VII-VII에 따른 단면도이고,
도 8은 제2실시예에 따른 팁에 대한 도 7과 유사한 단면도이고,
도 9는 제3실시예에 따른 팁을 구비한 본 발명에 따른 제2 터빈휠의 축단면도이고,
도 10은 도 9에 도시된 휠의 팁의 사시도이고,
도 11은 도 10에 도시된 팁의 평면도이고,
도 12는 도 11의 XII-XII에 따른 단면도이다.
도 1에 도시된 프란시스형 터빈 휠(1)은 휠(1)의 중앙 회전축(X1) 주위에서 일정하게 소정 간격을 두고 있는 베인들(2)을 포함한다. 크라운(3)은 휠(1)의 내측 상부 및 방사상 부분에 구비된 반면, 벨트(4)는 베인들(2)의 외측 하부 및 방사상 부분에 인접해 있다. 각각의 쌍의 두 개의 인접한 베인들(2) 사이에는 크라운(3)의 습면(31)과 벨트(4)의 습면(41)에 의해 규정된 유동 도관이 형성된다. 따라서, 유동(E)은 교류발전기와 같은 여기에 도시하지 않은 에너지변환 장치에 휠(1)을 연결하는 역시 도시하지 않은 샤프트를 구동하기 위한 목적으로 휠의 베인들(2)에 작용하는 것에 의해 휠(1)이 축(X1)에 관해 회전하게 하도록 휠(1)을 통과할 수 있다.
"팁"을 형성하는 부재(이하 "팁형성 부재" 또는 "팁"이라고 함)(10)는 크라운(3)의 하류 부분(32)에 탑재된다. 이 팁형성 부재는 휠(1)을 탑재하기 위해, 특히, 상술한 샤프트에 휠을 부착하기 위해 팁형성 부재(10)를 정위치시키기 전까지는 계속 접근가능하도록 요구되는 크라운(3)의 내부 체적(internal volume)(V3)에 대한 하류에서의 접근을 차단한다.
팁형성 부재 또는 팁(10)은 스스로 팁형성 부재(10)의 중심축을 구성하는 축(X11)에 중심이 있는(centered) 스커트(skirt)(11)를 포함한다. 축들(X1,X11)은 팁(10)이 휠(1)에 탑재될 때 일치한다. 실제로, 스커트(11)는 절두원추형이고, 축(X11)에 관해 회전대칭이다.
본 명세서에서 표현들, 즉, "고(high)"와 "저(low)" 및 "상부(upper)"와 "하부(lower)"는 수직축을 구비한 터빈 또는 터빈펌프에 사용하기 위한 구성일 때의 휠(1)의 부품들의 방위(orientation)에 해당한다. 따라서, 상부 부분은 하부 부분 위에 위치된다.
스커트(11)는 팁(10)의 내부 체적(V10)을 위쪽 방향에서 밀폐하는 천장(13)에 인접한 원형 단면의 원통벽(12)를 통해 위로 연장된다. 구성요소들(11, 12, 13)은 단일체로 주조되므로, 금속, 예를 들면, 강 또는 복합재로 제조된다.
선택적으로, 벽(12)은 원추형으로, 베이스쪽으로 수렴하거나 발산하는 형태일 수 있다.
천장(13)에는 휠(1)의 크라운(3)에서 도시되지 않은 고정수단의 통과를 가능하게 하는 개구(131)가 천공되어 있다. 고정수단은 볼트 또는 그 균등물 형태가 유리하다. 여기에 예시되지 않은 본 발명의 한 양상에 따르면, 천장(13)에는 공기의 통과 또는 휠(1)을 그 샤프트에 부착하기 위한 볼트들의 접근을 위한 하나 이상의 오리피스가 천공될 수도 있다.
벽(12)에는 유동의 일부(E1)가 팁(1)의 내부 체적(V10)쪽으로 전환될 수 있게 하는 네 개의 개구(121)가 천공되어 있다. 121A로 표시된 것은 개구(121)의 가장자리이고, 121B로 표시된 것은 이 가장자리와 벽(12)의 외측 방사상 면(external radial surface)(122) 사이의 접합지점이다. 가장자리(121A)는 벽(12)과 가상 원통의 교차점(intersection)에 의해 규정된다. 선택적으로, 가장자리(121A)는 벽(12)의 가상 원추와의 교차점(intersection)에 의해 규정될 수 있다.
X121로 표시된 것은 개구(121)의 중심축, 다시 말하면, 가장자리(121B)의 기하학적인 무게중심을 통과하고 원통의 축 또는 상술한 원추의 몸통의 축과 평행하게 정의된 축이다.
S121로 표시된 것은 가장자리(121B)에 의해 규정된 개구(121)의 입구 부분(entrance region)이다. 이 입구 부분은 벽(12)의 외측 방사상 면(122)에 배치된다. 도 1의 우측에 있는 개구(121)의 입구 부분(S121)의 경로(path)는 도면에서 직선 점선(straight dotted line)으로 표시된다.
또한, D31로 표시된 것은 습면(31)을 축(X1) 방향, 다시 말하면, 휠이 터빈의 부품으로 작용하고 있을 때 하류방향으로 연장하는 도 1의 평면에 있는 직선이다. 직선(D31)은 크라운(3)의 하부 부분(32) 근처에서 면(31)과 접한다.
θ로 표시된 것은 도 1의 평면에 있는 중심축(X121)의 자오선 연장(meridian projections)과 직선(D31) 사이의 각도이다. 각도(θ)는 축(X1)에 관해, 도 1의 중심축(X121)의 경로와 직선(D31) 사이의 교차지점(P)의 방사상 외측에서 직선과 중심축의 경로에 의해 규정된 각 섹터(angular sector)로 측정된다.
이 각도(θ)는 정확히 90°보다 작은 값을 가진다는 점에서 예각이다. 실제로, 각도(θ)는 80°보다 작은 값을 가지고, 바람직하게는, 60°보다 작은 값을 가진다. 만족스러운 결과들은 약 25°인 각도(θ)와 함께 얻어졌다.
직선(D31)에 관한 개구(121)의 중심축(X121)의 위치와 방위 때문에 습면(31)을 따라 이동하는 유동(E)의 일부(fraction)는 자연스럽게 부재(10)의 내부 체적(V10) 쪽으로 유동한다.
벽의 외측 방사상 면(122)은 도 1에 도시된 직선(D31)과 평행하지 않으므로, 도 1의 평면에 있는 개구(121)의 입구 부분(S121)의 경로는 직선(D31)과 0이 아닌 각도(φ)를 형성한다.
각도들(θ,φ)의 값을 고려하면, 각각의 개구(121)의 입구 부분(S121)은 체적(V10)을 향한 2차 유동(E1) 형태로의 유동(E)의 일부의 전환이 용이해지고 또 그것에 의해 유동(E1)의 속도가 커질 수 있게 하는 식으로, 습면(31)을 지나는 유동(E)의 일부의 경로에 제공된다.
따라서, 개구들(121)은 유동(E)의 일부를 체적(V10)을 향한 2차 유동(E1) 형태로 전환시키기 위한 개구들을 구성한다.
2차 유동(E1)은 이 유동(E1)이 베인들(2)과의 상호작용에 의해 이미 휠(1)의 회전의 원인이 된 것으로 간주될 수 있는 방식으로 베인들(2)의 후미(trailing) 가장자리(21)의 하류의 유동(E)으로부터 얻어진다. 다시 말하면, 유동(E1)이 체적(V10) 내부를 통과한다는 사실은 휠(1)의 전체 출력을 감소시키지 않는다.
천장(13) 반대쪽에 있는 스커트(11)의 자유 가장자리(112)는 팁형성 부재(10)에서 축(X11)에 센터된다는 의미에서 "축방향(axial)"으로 설명될 수 있는 출구 개구(14)를 규정하므로, 출구 개구를 수직으로 횡단하는 유동은 대체로 상기 축에 평행하다. 개구(14)는 축(X11)에 수직인 디스크 형태로 구성된다.
개구(14)는 그곳을 횡단하도록 되어있는 유동이 방사상 성분을 가질 수 있다는 점에서 부분적으로 "방사상(radial)"으로 될 수 있다.
팁형성 부재(10)의 내부 체적(V10)은, 천장(13)에 의해 상단 쪽으로 밀폐되고 개구(14)에 의해 측면 가장자리(112)에 범위가 정해지는 스커트(11)의 내측 방사상 체적(internal radial volume)이다.
체적(V10) 내부에 배치된 것은 축(X11) 둘레에 일정하게 간격을 두고 있는 네 개의 핀(15)이다. 각각의 핀(15)은 평면형이고, 체적(V10) 내부에서 축(X1)에 관한 방사상 평면에 배치된다. 다시 말하면, 도 4 및 도 7의 실시예에서, 각각의 핀(15)은 대체로 축(X11)에 관해 방사상 방향(D15)으로 연장된다.
각각의 핀(15)은 벽(12)의 내부를 방사상으로 통과하여 스커트(11)를 천장(13)에 연결한다.
각각의 핀(15)은 천장(13)에서부터 가장자리(112)까지 연장되고, 가장자리(112)에서는 축(X11)에 수직이고 직선인 직선 후미 가장자리(152)에 의해 종료된다. 이 후미 가장자리는 가장자리(112)에서부터 축(X11) 방향, 다시 말하면, 팁형성 부재(10)가 휠에 탑재될 때의 축(X1) 방향으로 연장된다.
각각의 핀(15)은 스커트(11) 및 벽(12)에서부터 축(X11)에 평행하고 직선인 가장자리(153)까지 축(X11) 방향으로 연장된다. 다른 핀들(15)의 가장자리들(153)은 2차 유동(E1)을 전환하기 위한 팁형성 부재를 가지지 않는 존이 체적(V10)의 중심에 배치되도록 하는 식으로 서로 떨어져 있다.
핀들(15)은 체적(V10) 내부에서 유동(E)에 영향을 미치는 유일한 팁형성 부재들이다. 특히, 유동(E1)이 체적(V10)의 중앙 존내에서 순환하도록 허용하는 중앙 존을 차지하는 어떤 원추 또는 원형 부분도 존재하지 않는다.
스커트(11)의 외측 방사상 면은 113으로 표시된다. 면(113)은 면(122)을 하류로 연장하고, 유동(E)을 휠(1)이 속하는 설비의 하류 부분 쪽으로, 특히, 여기에 예시되지 않은 흡입 도관 쪽으로 안내하는 데 일조한다.
벽(12)에 개구들(121)이 존재하기 때문에, 베인들(2)과 면들(31, 41) 사이를 통과하는 유동(E)의 일부는 상술한 바와 같이 체적(V10) 내부로 들어온 다음, 대체로 축(X11)에 평행한 방향으로 유동하여 개구(14)를 통해 팁형성 부재(10)를 빠져나갈 수 있다. 이와 같이, 개구들(121)은 면들(122, 133) 근처에 있는 유동(E)을 통과시키기 위한 존(Z1)이 체적(V10)과 연통하여 배치될 수 있도록 한다.
팁형성 부재(10)를 통과할 때, 유동(E1)은 벨트(4)의 하부 가장자리(42)에 가깝게 휠(1)의 베인들(2)의 하류에 위치된 축(X1)에 가까운 존(Z2)의 메움(filling) 또는 "충전(stuffing)"을 가능하게 한다. 이 존(Z2)은 도 1에서 회색음영 영역으로 표시된다. 팁형성 부재(10)를 통과할 때, 유동(E1)은 대체로 축(X1)에 평행한 방향으로 방위각 성분(azimuthal component)과 함께 가이드된다. 존(Z2)은 유동(E1)이 팁형성 부재(10)를 통과할 때 지나가는 수직축을 갖는 대체로 원통인 체적을 구성한다. 유동(E1)은 존(Z2) 내에서 발생하는 경향을 보이고 난류 현상을 발생할 수 있는 유동 결손을 보충한다. 도 1의 축단면에서 축들(X121)과 직선들(D31)의 상대적인 방위 때문에 유동 E1의 속도가 유동 E의 속도에 비하여 비교적 크므로, 존(Z2) 내에서 난류 현상을 보상하는 효과는 중요하다.
팁형성 부재(10)의 내부 체적(V10)의 내부로의 유동 E1의 통과, 특히, 핀들(15)의 작용을 고려하면, 유동 E1은 주 유동 E와 다른 속도를 보이고, 난류 현상을 억제하는 효과를 개선한다.
각각의 개구(121)의 가장자리(121A)는 그 축(X121)에 센터되어, 설치된 배치위치에 있는 팁에서 수직, 다시 말하면, 축들(X1,X11)에 관해 20도인 각도(α)로 경사진 직선(D121)을 따라 정렬되는 최대 치수(greatest dimension)로 길게 연장된다. 각도(α)는 휠(1)의 공칭 정격 회전속도(nominal specific speed of rotation)의 함수로서 선택되고, 그 값은 -90°와 90°사이의 범위, 바람직하게는, -75°와 -5°사이 및 5°와 75°사이의 범위를 가질 수 있다.
본 발명의 목적을 위해, 휠의 공칭 정격 회전속도는 1 m의 낙하(fall) 아래에서 작동하여 1 kW의 출력을 제공했을 경우의 휠의 회전속도이다.
추가로, 여러 개구들(121)의 축들(X121)은 천장(13)에 접근함에 따라 축(X11)에 관해 발산하여 축(X11)으로부터 거리를 두고 있다. 도 1의 평면에 있는 축(X121)의 연장과 축(X1) 사이의 각도(β)는 45°이다. 각도 값은 팁형성 부재(10)의 사용 조건들의 함수, 특히, 휠(1)의 정격 회전속도와 크라운(3)의 기하학적 구조의 함수로서 선택된다. 이 값은 15°와 60°사이의 범위를 가질 수 있다.
도 7로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 개구(121)의 축(X121)은 축(X11)에 관해 순전히 방사상으로 있지 않고, 개구(121)의 중심을 통과하는 반경(R121)과 20°의 각도(γ)를 형성한다. 각도(γ)의 값은 팁형성 부재(10)의 사용 조건들의 함수로서 0°와 60°사이로 선택될 수 있다.
핀들(15)은 휠(1)이 회전하고 있는 동안, 유동(E1)이 체적(V10)의 내부로 들어올 때 유동(E1) 경로의 변경을 위해 제공되어 경로의 변경을 가능하게 한다. 이들 핀들의 기하학적 구조는 팁형성 부재(10)의 사용 조건들에 적합하게 구성될 수 있다. 특히, 핀들은 반드시 평면 형태이거나, 또는 축(X11)에 관해 방사상 면상에 정렬되거나 고정될 필요는 없다.
일단 유동(E1)이 개구들(12)을 통해 체적(V10)의 내부로 들어오면, 유동은 천장(13)과 가장자리(112) 사이에서 개구(14)를 향해 팁(10)의 전체 길이로 연장된 핀들(15)에 의해 다시 방향이 전환된다. 이와 같이, 체적(V10) 내의 유동(E1)의 경로는 유동을 더 구심인 방위에서 더 축방향인 방위로 이동시키기 위해 출구 개구(14)까지 가이드하는 핀들(15)에 의해 변경된다.
핀들이 개구(14)의 높이까지 연장되기 때문에, 팁형성 부재(10)의 축방향 높이(H10)는 축(X11)과 평행하게 될 때 팁형성 부재(10)가 휠(1)을 구비한 프란시스형 터빈의 흡입 도관 내부로 돌출하지 않도록 하는 지점까지 비교적 낮아질 수 있다. 실제로, 가장자리(112)는 휠(1)의 사용을 위한 배치시, 다시 말하면, 축(X1)이 수직이고 휠이 도 1에 도시된 바와 같이 설치될 때 가장자리(42) 위에 위치된다. 높이(H10)는 가장자리(112)가 벨트(4) 상에 있는 각각의 베인(2)의 부착부(22)의 하부 지점 위에 위치되도록 설정하는 것이 바람직하다.
여기에 도시되지 않은 본 발명의 변형예에 따르면, 스커트(11)의 높이는 축(X11)과 평행하게 될 때 감소될 수 있다.
입구 부분들(S121)의 면적들의 합은 개구들(121)의 완성 전의 면들(113, 122)의 결합 면적의 상당한 비율을 차지하며, 이 때문에, 유동(E1)의 속도가 존(Z2)내에서 난류 현상을 충분히 보충한다는 것을 보장하게 된다. 실제로, 부분들(S121)의 면적들의 합은 면들(113, 122)의 결합 면적의 25%, 바람직하게는 50% 보다 크거나 동일하다.
도 8에 도시된 본 발명의 제2 실시예에서, 제1 실시예와 유사한 구성요소들은 동일 부호들을 가진다. 이 실시예의 팁형성 부재 또는 팁(10)은 역시, 휠을 통과하는 유동을 팁형성 부재(10)의 내부 체적(V10) 쪽으로 전환시키기 위한 네 개의 개구(121)를 구비한 벽(12)을 포함한다. 제1 실시예와 동일한 기하학적 구조와 기능을 가지는 네 개의 핀이 마련된다. 팁형성 부재(10)는 개구들(121)을 완전히 또는 부분적으로 밀폐하기 위한 목적으로, 화살표(F16)로 표시된 바와 같이, 스커트(11)의 중심축(X11)에 관해 회전할 수 있고 그렇게 하는 것에 의해 2차 유동(E1)을 규제할 수 있는 네 개의 밀폐 수단(16)을 구비한다. 밀폐 수단들(16)은 팁형성 부재(10)의 천장 부근에서 서로 일체로 형성될 수 있고, 예를 들면, 카플란 터빈(Kaplan turbine)의 블레이드들을 작동하기 위한 공지의 기술을 적용하는 것에 의해 휠의 크라운의 체적(V3) 내에 배치된 서보 모터에 의해 축(X11)에 관해 회전하도록 제어될 수 있다.
선택적으로, 밀폐 수단들(16)은 개별적으로 제어될 수 있다.
특히 휠(1)이 정격 속도로 작동하고 있을 때 밀폐 수단들(16)이 개구들(121)을 밀폐하도록 설비가 마련될 수 있다. 실제로, 난류 현상의 형성은 베인들(2)의 기하학적 구조에 의해 보통 정격 속도에서 최소화된다.
그 밖의 것에 대하여 본 실시예의 팁형성 부재(10)는 이전의 실시예에서와 같은 작용을 하고, 특히, 핀들(15)의 작용으로 인한 효율 및 축방향 압축성 면에서 동일한 장점을 보인다.
도 9 내지 도 12에 도시된 본 발명의 실시예에서 제1 실시예와 유사한 구성요소들은 동일 부호들을 가진다. 프란시스형 터빈 휠(1)은 크라운(3)과 벨트(4)의 각각의 습면들(31, 41) 사이에 배치된 베인들(2)을 포함한다. 이 실시예의 팁형성 부재(10)는 역시, 휠(1)에 고정 수단을 통과시키기 위한 개구(131)가 천공된 천장(13)을 포함한다. 팁형성 부재(10)는 천장(13)과 반대로 수렴되는 절두원추형 스커트(11)를 구비하고 있다. 스커트(11)의 대칭축(X11) 둘레에 90°로 배치된 네 개의 핀(15)은 스커트(11)의 상부 가장자리(111)와 디스크 형태로 된 천장(13)의 외부 방사상 가장자리(132) 사이에 갭을 유지하면서 스커트를 천장(13)에 연결한다. 이런 식으로 형성된 것은 단지 90°마다 선두(leading) 가장자리를 형성하는 핀(15)의 외부 방사상 가장자리(151)에 의해 가로막혀 있을 뿐 실질적으로 팁형성 부재(10)의 전체 원주에 대해 연장된 개구(121)이다.
제1 실시예에서와 같이, 핀들(15)은 팁형성 부재(10)에 관하여 유동(E1)의 배출을 위한 개구(14)의 레벨까지 연장된다. 각각의 핀(15)은 수직인 축(X11) 방향에서 방사상으로 개구(14)의 범위를 정하는 스커트(11)의 하부 자유 가장자리(112)로부터 연장된 후미 가장자리(152)를 구비한다. 각각의 핀은 천장(13)과 상기 가장자리(152) 사이에 뻗어있는 축(X11)에 평행한 가장자리(153)를 가진다.
앞에서와 같이, 개구(121)의 입구 부분은 S121로 표시된다. 이 입구 부분은 가장자리(151)의 레벨이 있는 곳을 제외하고 환형이며, 도 9 내지 도 12의 평면에서 그 경로는 핀들(15)의 가장자리들(151)과 일치한다. 선택적으로, 부분(S121)은 절두원추형일 수 있다.
X121로 표시된 것은 두 개의 핀(15) 사이에 규정된 개구(121)의 네 개의 부분들 중의 하나의 중심축이다. 또한, D31로 표시된 것은 이전 실시예에서와 같이 습면(31)을 하류 방향, 다시 말하면, 도 9의 축방향 단면에 있는 축(X1) 방향으로 연장하는 직선이다. 도 9의 자오선 평면에 있는 축(X121)의 연장과 직선(D31) 사이의 각도(θ)는 70°내외의 값을 가지는 예각이다. 실제로, 각도(θ)는 30°와 80°사이로 선택될 수 있다.
개구(121)의 입구 부분(S121)은 직선(D31)과 0이 아닌 각도(φ)를 형성한다.
이전 실시예에서와 같이, 스커트(11)의 외부 면은 113으로 표시된다. 이 면은 습면(31)에 관해 하류로 벗어나 있으면서 대체로 크라운(3)의 습면(31)을 연장하여 배치되는 것으로 설계된다. 개구(121)는 각도들(θ,φ)의 값으로부터 얻어지는 그 방위에 의해 팁형성 부재(10)의 내부 체적(V10)을 향해 휠(1)을 통과하는 유동(E)의 일부(E1)의 기능을 제어하도록 할 수 있다. 이와 같이, 개구(121)는 유동(E)의 일부가 효율적으로 전환되어 체적(V10)을 통과하는 2차 유동(E1)을 형성할 수 있게 한다. 그 다음, 2차 유동(E1)은 내부에서 난류 현상이 발생하기 쉬운 상기 존(Z2)과 동일한 존을 충전시키도록 스커트(11)의 하부 가장자리(112)에 의해 규정된 축방향 개구(14)를 통해 체적(V10)을 빠져나갈 수 있다. 2차 유동(E1)은 팁형성 부재(10)를 빠져나갈 때 대체로 축(X1)과 평행하게 내보내진다. 각도(φ)의 값 역시 이러한 결과의 원인이 된다.
일단 2차 유동(E1)이 체적(V10) 내부로 보내졌다면, 핀들(15)은 제1 실시예에서와 매우 유사한 방식으로 유동에 작용하여, 유동에 방위각 성분을 부여하면서 유동이 출구 개구(14)의 방향으로 전환되도록 한다.
이 실시예에서, 핀들(15)은 평면형이고, 도 11의 평면에 있는 축(X11)에 관하여 방사상 방향(D15)으로 배치된다. 하지만, 핀들은 다른 기하학적 구조 및 다른 방위를 가질 수 있다.
이 실시예에서, 핀들(15)은 제1 실시예의 벽(12)와 같은 벽의 사용에 의지하지 않고 스커트(11)와 천장(13)을 연결한다. 2차 유동(E1)을 전환하는 기능에 추가하여, 핀들(15)은 팁형성 부재(10)의 부품들(11, 13) 사이의 연결 아암(linking arm)의 역할을 한다.
여기에 예시되지 않은 본 발명의 일 변형예에 따르면, 개구(121)의 높이(H121)는 그 개구가 설치된 형태에서의 팁형성 부재(10) 및 축(X1)과 일치하는 스커트(11)의 대칭축(X11)에 평행하게 될 때 터빈의 작동점의 함수로서 가변될 수 있다. 그러므로, 스커트(11)의 상부 가장자리(111)과 천장(13)의 가장자리(132) 사이의 거리는 카플란 터빈의 블레이드들을 규제하는 데 사용되는 것과 동일한 형태의 서보 모터에 의해 조절될 수 있다.
부분(S121)의 면적은 대략적으로 다음 식과 동일하다.
2 x Π x R111 x H121
여기서, R111은 가장자리(111)의 반경임. 이 면적은 대략적으로 스커트(11)의 외부면(113)의 면적의 50%에 해당하고, 이 비율은 높이(H121)가 조절될 경우 필요한 바와 같이 가변될 수 있다. 이 비율은 팁형성 부재(10)를 위한 설계 선택의 함수로서 20%와 80% 사이에 있다.
역시 여기에 예시되지 않고 모든 실시예들과 관련되는 본 발명의 다른 양상에 따르면, 핀들(15) 중의 하나 또는 다수의 핀들이 스커트(11)에 관하여 이동할 수 있도록 설비가 마련될 수 있다. 이것은 핀들의 작용이 휠(1)의 작동점에 있는 유동(E1)에 적합하게 되는 것을 가능하게 한다.
어떤 실시예가 고려되더라도, 핀들(15)의 개수는 팁(10)의 사용 조건들의 함수로서 선택될 수 있다. 개수는 한 개, 및 네 개 이하 또는 네 개 이상일 수 있다.
모든 실시예들에 적용될 수 있는 여기에 예시되지 않은 본 발명의 다른 변형예에 따르면, 핀들(15)은 팁형성 부재(10)의 내부 체적(V10)의 중심부에 접할 수 있다. 다르게 설명하면, 핀들은 서로 접촉할 수 있고, 또 그 가장자리들(153)은 일치한다. 이 경우, 핀들은 개구(14)를 향한 2차 유동(E1)의 순환을 위한 평행 채널들(parallel channels)을 형성한다.
위에서 언급된 여러 실시예들의 기술적인 특징들은 서로 조합될 수 있다.
본 발명에 따른 팁형성 부재는 터빈 펌프에 설치되는 휠에 탑재될 수 있다. 펌프 모드에서 사용될 때, 유동은 도면들에서 화살표들(E, E1)로 표시된 것과 반대 방향으로 발생하고, 제2 실시예에 관하여 설명한 바와 같이 휠이 최적 작동조건에 있을 때 개구들(121)을 밀폐할 수 있는 것은 중요하다.
본 발명은 휠(1)에 탑재하기 위한 천장(13)을 구비한 팁형성 부재들(10)에 의해 설명되었다. 이런 종류의 천장은 필수적인 것이 아니고, 오픈되든지 또는 그렇지 않든지 관계 없이 휠의 크라운 또는 허브(hub) 상에 있는 다른 연결부품, 예를 들면, 플랜지로 대체될 수 있다.
본 발명은 휠(1)의 크라운(3)에 볼트고정된 팁형성 부재(10)에 의해 설명되었다. 그러한 부재는 다른 수단, 예를 들면, 용접에 의해 휠에 부착될 수도 있다.
본 발명은 휠(1)의 크라운(3)에 부착되도록 의도된 팁형성 부재(10)에 의해 설명되었다. 팁형성 부재가 그것이 연장되는 크라운(3)과 일체로 되면서 휠(1)의 일체형 부품인 경우에도 역시 적용가능하다.
마지막으로, 본 발명은 WO-A-2005/038243에 있는 기술적인 설명(technical account)과 조합될 수 있다.
또한, 본 발명은 벨트가 없는 특별 프란시스형 휠들로서 평가될 수 있고 베이들이 고정 케이싱에 관하여 회전하는 프로펠러형 휠들에도 적용될 수 있다.
1: 휠 2: 베인
3: 크라운 4: 벨트
10: 팁형성 부재 또는 팁 11: 스커트
12: 벽 13: 천장
14, 121: 개구 15: 핀
16: 밀폐 수단
21, 111, 112, 121A, 121B, 132, 151, 152, 153: 가장자리
31, 41: 습면 113, 122, 133: 면

Claims (18)

  1. 크라운(3)에 배치된 다수 개의 베인(2)을 포함하고, 상기 베인들의 방사상 내측에서 휠의 상기 크라운 또는 허브의 중심 부분(32)에 부착된 팁형성 부재(10)를 구비하며, 상기 크라운은 상기 베인들 사이를 통과하는 유동(E)을 가이드하기 위한 습면(31)을 규정하고, 상기 팁형성 부재는 상기 유동의 일부(E1)를 상기 팁형성 부재의 내부 체적(V10)쪽으로 전환하기 위한 적어도 한 개의 개구(121)을 구비하는 터빈 또는 수력 터빈펌프용 프란시스형 휠(1)에 있어서,
    상기 팁형성 부재는 상기 팁형성 부재의 상기 내부 체적을 둘러싸고 상기 유동의 일부(E1)가 전환되는 절두원추형 환형 스커트(11)를 포함하고, 적어도 한 개의 핀(15)은, 상기 팁형성 부재의 상기 내부 체적 내부에 배치되고, 상기 팁형성 부재의 내부 체적(V10)쪽으로 전환되는 상기 유동의 일부(E1)를 위해 상기 팁형성 부재(10) 내에서 출구 개구(14)를 규정하는 상기 스커트(11)의 가장자리(112)까지 연장되어, 상기 유동(E)을 전환시키기 위한 상기 하나 이상의 개구(121)를 통해 상기 내부 체적으로 들어오는 상기 유동의 일부(E1)의 경로를 변경할 수 있는 것을 특징으로 하는 프란시스형 휠.
  2. 제1항에 있어서, 상기 한 개의 핀(15) 또는 상기 핀들의 각각은 상기 출구 개구(14)를 규정하는 상기 스커트(11)의 상기 가장자리(112)에서부터 상기 휠(1)의 회전축(X1)의 방향으로 연장되고 상기 회전축에 수직인 후미 가장자리(152)를 구비하는 것을 특징으로 하는 프란시스형 휠.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스커트(11)의 상기 가장자리(112)는 상기 휠의 벨트(4)의 하부 가장자리(42) 위에 위치된 것을 특징으로 하는 프란시스형 휠.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 핀(15)은 상기 팁형성 부재(10)의 내부 체적(V10)의 내부에서 상기 유동의 일부(E1)에 작용하는 것을 특징으로 하는 프란시스형 휠.
  5. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 각각의 핀(15)은 상기 휠(1)의 회전축(X1)에 평행한 자유 가장자리(153)를 구비하는 것을 특징으로 하는 프란시스형 휠.
  6. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 핀들(15)은 상기 팁형성 부재(10)의 내부 체적(V10)의 중심부에서 접촉하는 것을 특징으로 하는 프란시스형 휠.
  7. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 휠의 회전축(X1)에 관해 자오선 평면에 있는, 상기 개구(121)의 중심축(X121)의 연장은 상기 크라운(3)의 상기 습면(31)을 상기 회전축(X1)의 방향 및 상기 회전축(X1)의 방향과 동일한 평면에 있는 하류 방향으로 연장하는 직선(D31)과 예각을 형성하는 것을 특징으로 하는 프란시스형 휠.
  8. 제7항에 있어서, 상기 중심축(X121)과 상기 직선(D31) 사이의 각도(θ)는 80°이하인 것을 특징으로 하는 프란시스형 휠.
  9. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 한 개의 핀(15) 또는 상기 핀들의 각각은 상기 팁형성 부재(10)를 상기 휠(1)의 상기 크라운 또는 상기 허브에 연결하는 부품(13)에 스커트(11)를 연결하는 것을 특징으로 하는 프란시스형 휠.
  10. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 한 개의 핀(15) 또는 상기 핀들의 각각은 상기 스커트(11)의 중심축(X11)에 관해 방사상 방향으로 연장된 것을 특징으로 하는 프란시스형 휠.
  11. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 핀 또는 상기 핀들(15)의 적어도 한개는 상기 스커트(11)에 관해 이동할 수 있는 것을 특징으로 하는 프란시스형 휠.
  12. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 유동을 전환하기 위해 적어도 한 개의 개구(121)로 형성된 선택적인(F16) 밀폐수단(16)을 포함하는 것을 특징으로 하는 프란시스형 휠.
  13. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 한 개의 전환 개구(121) 또는 상기 전환 개구들(121)의 각각은 상기 팁형성 부재(10)의 원통형 또는 절두원추형 벽(12)에 형성된 것을 특징으로 하는 프란시스형 휠.
  14. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 유동을 전환하기 위한 상기 한 개의 개구(121) 또는 상기 유동을 전환하기 위한 상기 개구들의 각각은 상기 팁형성 부재(10)의 중심축(X11)에 관해 -90°와 90°사이의 범위를 갖는 각도(α)로 경사진 최대 치수(D121)로 길게 연장된 것을 특징으로 하는 프란시스형 휠.
  15. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 유동을 전환하기 위한 상기 한 개의 개구(121)는 상기 팁형성 부재를 상기 휠의 상기 크라운(3) 또는 허브와 연결하는 부품(13)과 스커트(11) 사이에서 상기 팁형성 부재(10)의 전체 원주에 대해 연장된 것을 특징으로 하는 프란시스형 휠.
  16. 제15항에 있어서, 상기 휠(1)의 상기 크라운(3) 또는 상기 허브에 관한 상기 스커트(11)의 위치(H121)는 상기 팁형성 부재(10)가 상기 휠 상에 위치될 때 수직으로 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 프란시스형 휠.
  17. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 유동을 전환하기 위한 상기 하나 이상의 개구(121)의 하나 이상의 입구 부분(S121)의 면적들의 합은 상기 팁형성 부재(10)의 외부 면들(113, 122)의 면적의 25%인 것을 특징으로 하는 프란시스형 휠.
  18. 수력기계의 휠과 상호작용하는 유동(E) 내의 변동을 감소시키기 위한 방법에 있어서,
    상기 유동의 일부(E1)가 상기 유동을 전환시키기 위한 하나 이상의 개구(121)를 경유하여 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 따른 휠(1)에 속하는 팁형성 부재(10)의 내부 체적(V10) 내부로 뚫고 들어가도록 하는 것을 포함하며, 상기 유동의 경로는 상기 팁형성 부재의 핀들(15)에 의해 변경되고, 상기 유동의 일부(E1)는 상기 팁형성 부재를 빠져나갈 때 상기 휠의 회전축(X1)에 평행한 축을 갖는 원통형인 체적(Z2)의 내부로 향하도록 하는 방식으로 축방향 개구(14)를 경유하여 상기 팁형성 부재를 빠져나가게 되는 것을 특징으로 하는 유동(E) 내의 변동을 감소시키기 위한 방법.
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