KR101544986B1 - 부유식 로터를 구비한 수력발전 터빈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수력발전 터빈에 관한 것이다. 이 수력발전 터빈은 스테이터와 스테이터 내에 회전을 위해 수용된 무축 로터를 포함한다. 스테이터는 로터가 지지되는 개구부 또는 채널을 한정한다. 채널은 로터가 축 회전을 하고 개구부 원주를 따라 변위하는 것을 허용하는 크기를 갖는다. 이에 의해 로터는 운전중 스테이터에 대해 실질적 하이포사이클로이드 운동을 한다.

Description

부유식 로터를 구비한 수력발전 터빈{A HYDROELECTRIC TURBINE WITH FLOATING ROTOR}
본 발명은 스테이터와 무축(shaftless) 로터를 구비한 수력발전 터빈에 관한 것으로서, 특히 로터가 스테이터 내에 회전하도록 수용되고 스테이터 내에서 실질적으로 하이포사이클로이드 운동(hypocycloidal motion)을 하도록 된 수력발전 터빈에 관한 것이다.
본 발명은 일반적으로 물의 흐름을 동력화하여 전기를 생산하는 터빈분야에 관한 것으로서, 더 상세하게는 물의 조류(또는 시간적 변화 유동)(tidal flow)에 의해 대형의 환형 하우징 내에 배치된 환형의 외부 림(rim)을 갖는 대형의 임펠러 타입 로터가 회전하는 터빈 장치에 관한 것이다.
대부분의 터빈은 블레이드(blades)나 러너(runners)가 장착된 중심 회전축을 갖도록 구성되지만, 림 장착형(rim-mounted) 터빈으로도 알려진 중심 개방형(open-centered) 터빈을 제조하는 방법도 알려져 있다. 블레이드가 내부 및 외부 환형 링 또는 림 사이에 장착되고 에너지가 외부 림을 통하여 로터를 지지하는 환형 하우징으로 전달되는, 중심 개방형 로터를 구비한 터빈은 특히 낮은 수두 조건(low head condition), 즉 저속 유동에서 좋은 결과를 보인다.
중심 개방의 림 장착형 터빈의 예는 1997년 1월 14일 등록되고 2003년 12월 2일 RE38,336으로 재등록된 미국 특허 5,592,816, 2003년 11월 18일 등록된 미국 특허 6,648,589, 2004년 5월 4일 등록된 미국 특허 6,729,840, 그리고 2005년 2월 10일 공개된 미국 특허출원공개 US2005/0031442(Ser. No. 10/633,865)에서 볼 수 있다. 낮은 수두(조류) 조건에서 사용되는 수력발전 터빈의 예는 Heuss 등의 미국 특허 4,421,990, Vauthier의 미국 특허 6,168,373 및 6,406,251, Susman 등의 영국 특허출원 GB 2,408,294, 그리고 Davis 등의 WIPO 국제출원 WO 03/025385에서 볼 수 있다.
액체 동력 터빈은 화석연료나 원자력 에너지를 활용하는 발전설비에 대해 환경 측면에서 안전한 대체물로 여겨지고 있다. 물을 동력화하여 산업단지, 마을, 도시 등에 동력을 공급할 수 있는 대량의 전기를 생산하기 위해서는 다수의 터빈을 제공할 필요가 있다. 또한, 터빈은 각 터빈에 의해 생산되는 전기 양을 최대화하기에 실용적일 만큼 대형일 필요가 있다. 이러한 터빈의 로터 블레이드는 길이가 몇 미터에 달하며, 일부 실험적 설계에서는 블레이드 길이가 50m를 초과하는 것도 있다.
로터 블레이드의 길이가 늘어남에 따라 소형 터빈이나 제너레이터에서는 겪지 않았던 구조상 및 제조상 문제점들이 나타나게 되었다. 축 장착형 터빈의 경우에는 강하고 가벼운 긴 블레이드를 제공하기가 어렵다. 한 가지 해결책에서는, 축 장착형 터빈의 블레이드가 환형 하우징 내에 수용된 외부 환형 림을 구비함으로써 축과 림을 통해 블레이드에 지지력을 제공하도록 되어 있다. 다른 방법으로는, 중심 축이 없는 림 장착형 터빈에서, 외부 지지 림이 환형 슬롯 또는 채널을 갖는 하우징 내에 지지된 상태에서 블레이드의 내측 및 외측 단부에 환형의 지지대를 마련함으로써 이 문제에 대한 해결책을 제공하는 것이 있다. 전력 발생을 위한 통상적인 방법에서는, 다수의 마그네트가 환형 지지 림을 따라 이격되어 있고, 다수의 코일이 스테이터 하우징 내의 수용 채널을 따라 이격되어 있다. 로터 장 시스템(rotor field system)에 의해 설정되는 자기장은 로터와 스테이터를 분리하는 갭을 가로질러 통과한다. 로터의 회전에 의해 코일과의 자속 연결이 변화하여 코일에 전자기력을 유도한다.
로터의 환형 외부 림이 스테이터 하우징의 채널 내에 수용되기 때문에 액체로 인한(liquid-borne) 이물이 채널 내에 포획될 수 있다. 이 이물이 상당량 축적되면 로터의 회전을 방해하여 손상을 야기할 수 있다. 이물의 축적은 조류 제너레이터(tidal flow generator)에서와 같이 낮은 수두 조건에서 가장 문제가 되는데, 이는 이물이 상대적으로 저속으로 이동하는 물로부터 하우징 채널 내로 가라앉기 쉽기 때문이다.
본 발명의 목적은 로터 블레이드 상에 배치된 환형 외부 림을 갖고 이 외부 림이 스테이터에 위치한 채널 내에 지지되어 있는 터빈에 대해 개량된 구조를 제공함으로써 터빈 베어링 상의 기동 마찰을 줄이고 베어링을 사용중에 세척 및 냉각하여 성능을 향상시키는 것이다.
따라서, 본 발명은 스테이터와 무축 로터를 포함하고, 상기 스테이터는 상기 로터가 회전을 위해 수용되는 개구부를 한정하는 수력발전 터빈으로서, 상기 개구부는 상기 로터가 상기 로터의 중심축을 중심으로 회전하는 것과 상기 로터의 회전 방향과 반대 방향으로 상기 개구부의 원주를 따라 변위하는 것을 허용하도록 형상 및 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 수력발전 터빈을 제공한다.
상기 개구부는 상기 로터가 실질적 하이포사이클로이드 운동을 하는 것을 허용하도록 형상 및 크기를 갖는 것이 바람직하다.
상기 터빈은 상기 스테이터 상에 배치된 코일 열과 상기 로터 상에 배치된 대응하는 마그네트 열을 구비한 림 기반의 제너레이터를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 터빈은 상기 스테이터 내에서 상기 로터를 지지하는 베어링 세트를 더 포함하고, 상기 베어링은 상기 스테이터와 상기 로터 중 어느 하나에 배치된 베어링 유닛 열과 상기 스테이터와 상기 로터 중 다른 하나에 배치된 대응하는 저널을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 베어링 유닛은 사용중 마모를 받도록 구성되는 것이 바람직하다.
인접하는 상기 베어링 유닛 사이에 갭이 제공되는 것이 바람직하다.
상기 터빈은 대응하는 적어도 하나의 상기 베어링 유닛에 매설되고 상기 베어링 유닛의 소정 마모 레벨을 알리는 신호를 발하도록 구성된 적어도 하나의 센서를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 베어링 세트는 상기 터빈의 운전중 개방된 물에 노출되도록 배치되는 것이 바람직하다.
상기 로터는 적어도 부분적으로 부유성 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 스테이터는 상기 개구부를 한정하고 상기 로터가 회전을 위해 지지되는 환형 채널을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 로터는 개방된 중심을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 로터와 상기 스테이터는 상기 로터가 쌍방향 회전하는 것을 허용하도록 구성되는 것이 바람직하다.
여기서, "축 회전(axial rotation)"이라는 용어는 수력발전 터빈의 몸체, 예컨대 로터가 상기 몸체의 종축을 중심으로 회전하는 것을 뜻하도록 의도된다.
"변위(displacement)"라는 용어는 수력발전 터빈의 몸체, 예컨대 로터가 경로, 예컨대 곡선 또는 원형 경로를 따라 이동하거나 변위하는 것을 뜻하도록 의도된다.
"하이포사이클로이드"라는 용어는 하나의 회전하는 몸체가 그 회전하는 몸체의 외경보다 큰 직경을 갖는 실질적으로 원형의 개구부 내에서 이동하여, 회전하는 몸체가 그 중심축을 중심으로 회전하는 동시에 개구부의 원주를 따라 주행하는 것을 뜻하도록 의도된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수력발전 터빈을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 터빈의 스테이터 형성부를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 1의 터빈의 로터 형성부를 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 1의 터빈의 측단면도이다.
도 5는 도 4와 같은 측단면도로서, 도 4의 경우에 비해 터빈의 로터가 전진 위치에 있는 상태를 나타낸 도면이다.
첨부 도면을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 전체적으로 참조번호 10으로 지시된 수력발전 터빈이 도시되어 있다. 이 수력발전 터빈(10)은 사용중 그 구성요소들의 신규한 운동에 의해 개량된 운전을 제공하도록 구성되어 있다. 터빈(10)은 사용중에 예컨대 해저에 고정된 스테이터(12)와, 스테이터(12) 내에서 회전하도록 한정된 로터(14)를 포함한다. 이에 대해서는 더 상세하게 후술한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 로터(14)는 개방된 중앙을 한정하는 실질적으로 원형의 내부 림(16)과, 실질적으로 원형의 외부 림(18)과, 내부 림(16)과 외부 림(18) 사이에 고정된 블레이드(20) 열을 포함한다. 그러나 후술하는 터빈(10)의 운전으로부터 알 수 있듯이, 블레이드(20)의 구성 및/또는 개수와 내부 림(16)의 제공은 발명의 동작에 필수적인 것이 아니며, 따라서 발명의 기능을 그대로 유지하면서 수정될 수 있다.
도 2를 참조하면, 도시된 바람직한 실시예에 있어서, 스테이터(12)는 실질적으로 환형의 채널(22)의 형태로 개구부를 한정한다. 채널(22) 내에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 사용중인 로터(14)의 외부 림(18)이 배치된다. 채널(22)의 폭은 조류에 따른 로터(14)의 원치 않는 전후(fore/aft) 이동을 방지하면서 외부 림(18)을 수용할 정도의 크기를 갖는다. 또한 채널(22)은 로터(14)를 축 방향으로 지지하기 위해 기계적 및/또는 자기적 베어링(미도시)을 구비하는 것이 바람직하다. 도시되지 않았지만, 터빈(10)은 외부 림(18)과 채널(22)의 어느 하나에 마련된 코일 열(미도시)과 외부 림(18)과 채널(22)의 다른 하나에 마련된 대응하는 마그네트 열을 필수구성요소로 포함하는 림 기반의 제너레이터(미도시)를 구비한다. 사용시에 로터(14)가 로터(14)를 통과하는 조류에 대응하여 회전함에 따라 상술한 마그네트와 코일이 서로 상대 이동하고, 이에 의해 공지된 방식으로 각 코일에 전류를 발생시킨다.
도 4를 참조하면, 로터(14)와 스테이터(12) 사이의 반경 방향 마찰을 줄이기 위하여 한 세트의 베어링이 채널(22) 내의 베어링 유닛 열(미도시)과 외부 림(18)외부를 둘러싼 예컨대 스테인리스 강 등으로 이루어진 저널(미도시)의 형태로 구비되어 있다. 베어링 유닛은 종래의 베어링 블록, 롤러 또는 기능적으로 균등한 다른 적절한 형태일 수 있다. 또한 각 베어링 유닛 또는 블록을 효과적으로 한정하기 위해, 각 베어링 유닛이 연속적인 원주 베어링 둘레에 간격을 두고 그루브를 가공함에 의해 형성될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 채널(22)에 의해 한정된, 외부 림(18)이 배치되는 개구부는 베어링 유닛이 그 안에 배치된 상태에서 로터(14)가 채널(22) 내에서 비동심(non-concentric) 회전을 하기 위한 형상과 치수를 갖는다. 이에 대해서는 더 상세하게 후술한다.
로터(14)에 대한 채널(22)의 과대한 직경으로 인해 외부 림(18), 또는 특히 저널은 한 번에 베어링 유닛의 적은 원호에 대해서만 접촉하게 되고, 이에 따라 나머지 베어링 유닛은 터빈(10)을 통해 흐르는 개방된 물에 노출된다. 기동 시에는, 로터(14)의 정적인 무게로 인해 저널이 스테이터(12) 상의 최하부 베어링 유닛과 접촉할 것이다. 그러나 로터(14)가 부유성(buyoant)이면 그렇지 않을 것이다. 예를 들어 로터(14)가 중립 위치 이상으로 부유하면, 저널은 정적일 때 스테이터(12) 상의 최상부 베어링 유닛과 접촉할 것이고 스테이터(12)에 상향의 스러스트(thurst)를 발생시킬 것이다. 그러나 로터(14)의 부유과 무관하게 조류(tide)가 로터(14)를 통해 흐르기 시작함에 따라 로터(14)는 그 중심축을 중심으로 회전하기 시작할 것이다. 그러나 로터(14)가 그 축을 중심으로 회전함에 따라 결국 로터(14)는 채널(22) 둘레를 따라 로터(14)의 회전방향과 반대 방향으로 점차 그 경로를 이동할 것이다. 따라서, 예컨대, 조류가 로터(14)가 도 4의 화살표(A)에 의해 지시된 바와 같이 그 축을 중심으로 시계방향으로 회전하도록 흐른다면, 저널과 베어링 유닛 사이의 접촉으로 인해 로터(14)는 채널(22)의 원주 둘레를 따라 반시계방향으로 자신을 이동시키거나 이끌게 될 것이다. 도 5를 참조하면, 로터(14)는 도 4에 도시된 출발 위치에 대해 채널(22)의 원주 둘레 경로의 약 1/4 위치로 이동했음을 알 수 있다. 저널과 베어링 유닛 사이에 상당한 미끄럼이 있겠지만, 로터(14)의 합성 운동은 하이포사이클로이드 운동에 가장 가깝게 근접한다. 이하에서, 이를 '실질적 하이포사이클로이드 운동'이라 부른다. 이러한 실질적 하이포사이클로이드 운동을 허용하려면, 내부 림(16)에 의해 한정되는 개방된 중심은 필수적이지 않지만 로터(14)는 중심축에 장착되지 않을 필요가 있음을 알 수 있다. 로터(14)가 중심축에 장착되면 로터(14)는 축 중심의 회전에 한정되고, 이에 따라 로터(14)가 채널(22)의 원주 둘레를 이동할 수 없기 때문이다.
조류가 반대가 되면 로터(14)는 그 축을 중심으로 반대 방향으로 회전하게 될 것이고, 이에 따라 채널(22)의 원주 둘레를 따라 반대 방향으로 이동할 것이다. 조류가 방향을 바꾸고 이에 따라 로터가 그 축 중심으로 회전하지 않거나 거의 회전하지 않는 동안에는, 로터(14)는 도 4에 도시된 바와 같이 다시 채널(22)의 바닥 쪽으로 가라앉을 수 있다.
로터(14)의 실질적 하이포사이클로이드 운동은 터빈(10)의 운전 중 다수의 장점을 가져다준다. 로터(14)가 한 번에 소수의 베어링 유닛하고만 접촉하므로 나머지 베어링 유닛은 터빈(10)을 통과하는 조수 흐름에 노출되고, 이에 따라 나머지 베어링 유닛이 흐르는 물에 의해 냉각될 수 있고, 또한 베어링 유닛상에 또는 그 사이에 축적될 수 있는 이물 등이 씻겨나갈 수 있다. 로터(14)가 채널(22) 둘레를 이동하므로 각 베어링 유닛은 개방된 물에 순차적으로 노출될 수 있고, 이에 따라 모든 베어링 유닛에 대한 냉각 및 세척이 순차적으로 행해질 수 있다. 더욱이, 직경이 큰 채널(22) 내에 로터(14)가 배치된 구성으로 인해 로터(14)와 채널(22) 사이에는 로터(14)와 베어링 유닛 사이의 접촉 영역을 향해 하향 경사진 갭이 발생한다. 그 결과, 저널과 베어링 유닛 사이에서 부호 B로 지시된 공간에서는, 로터(14)의 회전 방향에 대해 저널과 베어링 유닛의 접촉점 바로 상류에서 채널(22) 내의 물이 저널과 베어링 유닛의 접촉 영역을 향해 밀려 들어가면서 압축될 것이다. 공간(B) 내에서의 물의 압축은 베어링 유닛과 저널 사이에 그 접촉 위치에서 유체역학적인 효과를 야기하고, 이에 따라 로터(14)와 스테이터(12) 사이의 마찰을 감소시킬 수 있다. 이 유체역학적인 효과를 촉진하기 위하여, 각 베어링 패드의 접촉면은 유체역학적인 효과를 최대화하도록 구성되거나 수정될 수 있다.
채널(22)에 의해 한정되는, 로터(14)에 대해 과대한 크기의 개구부를 제공함으로써, 상술한 실질적 하이포사이클로이드 운동을 가능하게 하기 위하여 터빈(10)은 그에 작용하는 조력(tidal forces)으로 인한 열 팽창/수축 및 휨이나 변형을 수용하도록 되어 있다. 어떠한 운전 장소에서든 터빈(10)은 온도차를 겪을 가능성이 높고, 이는 스테이터(12)와 로터(14)의 열 팽창/수축을 야기할 수 있다. 또한, 조류에 의해 터빈(10)에 가해지는 상당한 힘에 의해 터빈(10), 특히 로터(14)에 약간의 휨이나 변형이 야기될 수 있다. 로터(14)에 대한 채널(22)의 과대한 크기는, 스테이터(12) 내에서의 로터(14)의 구속(binding)이나 제동/정체(braking/slowing)를 야기하지 않고, 터빈(10)의 열 팽창/수축과 변형 모두를 허용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 터빈(10)은 외부 림(18)과 채널(22)의 일측 또는 타측에 배치된, 복수의 코일과 이에 대응하는 복수의 마그네트를 가진 림 기반의 제너레이터(미도시)를 구비한다. 로터(14)의 회전에 따라 코일과 마그네트 사이의 상대 운동은 전기의 발생을 야기한다. 마그네트(미도시)의 자기장은 로터(14)와 스테이터(12) 사이의 물 갭(water gap)을 가로질러 연장되어 코일을 통과함으로써 전류를 유도한다. 상기 갭이 로터(14)와 채널(22)의 원주 둘레에서 크기가 변함에 따라 각 코일을 통과하는 자기장의 세기도 변화하게 된다. 물 갭의 크기가 커짐에 따라 코일을 통과하는 자기장의 세기는 낮아지고, 이에 따라 코일에 유도되는 전류도 낮아진다. 따라서 로터(14)가 채널(22)의 원주 둘레를 이동함에 따라 터빈(10) 주위에 배치된 각 코일에 의해 발생하는 전류에도 변화가 생기게 된다. 따라서, 각 코일에서 발생하는 전류는 합성되기 전에 정류되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 이렇게 해서 DC 전류를 합성하는 것이 변화하는 AC 전류를 합성하는 것보다 훨씬 문제가 적기 때문이다. 이에 따라, 터빈(10)의 가장 바람직한 실시예에서는, 각 코일(미도시)이 유도 전류를 정류하는 수단을, 바람직하게는 각 코일에 인접하게 구비된 전용 정류기의 형태로 구비한다.
각 베어링 유닛이 사용중 연속적으로 냉각 및 세척됨에 따라 베어링 유닛은 마모를 덜 받게 된다. 그러나 그럼에도 불구하고 베어링 유닛은 약간의 마모를 받을 수 있다. 그러나 터빈(10)의 운전은 마모를 수용할 수 있다. 왜냐하면 마모는 결국 로터(14)가 채널(22) 둘레를 주행할 때 따르는 원주 경로를 약간 증가시킬 뿐이고, 따라서 전통적인 베어링 세트 내에서 동심원 상으로 회전하는 종래의 로터의 경우와 달리 로터(14)의 헐거운 또는 부적합한 끼움을 야기하지 않기 때문이다. 그럼에도 터빈(10)은 하나 이상의 베어링 유닛에 소정 깊이로 매설된 하나 이상의 마모 센서(미도시)를 구비할 수 있다. 이렇게 하여 베어링 유닛이 센서(미도시)에 이르기까지 마모되면, 베어링 유닛이 수리나 교체가 필요한 지점까지 마모되었음을 알리는 신호가 발생할 수 있다.
따라서 로터(14)가 실질적 하이포사이클로이드 운동을 하는 것을 가능케 하는 터빈(10)의 설계는 종래의 구성에 비해, 특히 베어링의 냉각 및 세척에 있어서, 다수의 중요한 장점을 제공함을 알 수 있다.

Claims (12)

  1. 스테이터, 무축 로터 및 베어링 세트를 포함하고,
    상기 스테이터는 상기 로터가 회전을 위해 수용되는 개구부를 정의하고,
    상기 베어링 세트는 상기 스테이터와 상기 로터 중 어느 하나에 배치된 베어링 유닛 열과 상기 스테이터와 상기 로터 중 다른 하나에 배치된 대응하는 저널을 포함하되 상기 스테이터 내에서 상기 로터를 지지하는, 수력발전 터빈으로서,
    상기 개구부는 상기 로터가 상기 로터의 중심축을 중심으로 회전하는 것과 상기 로터의 회전 방향과 반대 방향으로 상기 개구부의 원주를 따라 변위하는 것을 허용하고, 상기 저널이 한번에 상기 베어링 유닛의 작은 원호에 대해서만 접촉하도록 형상 및 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 수력발전 터빈.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 스테이터 상에 배치된 코일 열과 상기 로터 상에 배치된 대응하는 마그네트 열을 구비한 림 기반의 제너레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수력발전 터빈.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 베어링 유닛은 사용중 마모를 받도록 구성된 것을 특징으로 하는 수력발전 터빈.
  6. 청구항 1에 있어서,
    인접하는 상기 베어링 유닛 사이에 갭이 제공된 것을 특징으로 하는 수력발전 터빈.
  7. 청구항 1항에 있어서,
    대응하는 적어도 하나의 상기 베어링 유닛에 매설되고, 상기 베어링 유닛의 소정 마모 레벨을 알리는 신호를 발하도록 구성된 적어도 하나의 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수력발전 터빈.
  8. 청구항 1, 청구항 3 및 청구항 5 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베어링 세트는 상기 터빈의 운전 중 상기 터빈을 통과하는 물에 노출되도록 배치된 것을 특징으로 하는 수력발전 터빈.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 로터는 적어도 부분적으로 부유성 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 수력발전 터빈.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 스테이터는 상기 개구부를 정의하고 상기 로터가 회전을 위해 지지되는 환형 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 수력발전 터빈.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 로터는 원형의 내부 림에 의해서 정의되는 개방된 중심을 포함하는 것을 특징으로 하는 수력발전 터빈.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 로터와 상기 스테이터는 상기 로터가 쌍방향 회전하는 것을 허용하도록 구성된 것을 특징으로 하는 수력발전 터빈.
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