KR101548145B1

KR101548145B1 - 수압 기계를 위한 러너, 그러한 러너가 제공되는 수압 기계 및 그러한 수압 기계를 포함하는 동력 전환 시설

Info

Publication number: KR101548145B1
Application number: KR1020137029737A
Authority: KR
Inventors: 실뱅 라빈느; 장-베르나르 우드린느; 클로드 베랄
Original assignee: 알스톰 르네와블 테크놀로지즈
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2015-08-28
Also published as: CA2832987A1; KR20140027248A; PE20141180A1; CN103649524A; WO2012143518A1; CN103649524B; US9523343B2; US20140050587A1; FR2974394A1; ES2546853T3; CO6801671A2; CL2013003029A1; EP2699792B1; EP2699792A1; CA2832987C; RU2557837C2; RU2013151262A; PT2699792E

Abstract

본 발명은, 러너(R)의 회전축(Z) 주위로 회전 대칭인 휠(1); 크라운(12); 각각이 주변 에지(212)를 가지는 복수의 안쪽으로 구부러진 날개(21)들을 포함하는, 수압 기계를 위한 프랜시스 러너(R)에 관련된다. 상기 날개들의 적어도 하나의 주변 에지(212)는 구부러지고, 그것의 오목한 부분은 상기 러너(R)의 바깥쪽을 향한다. 상기 주변 에지(212)와 상기 휠(1) 사이의 제1 연결점을 통과하고 상기 주변 에지(212)와 상기 크라운(12) 사이의 제2 연결점(C)을 통과하는 직선과 상기 주변 에지(202) 상의 임의의 점 사이에서 측정된 거리의 최대값은 상기 주변 에지(212) 상의 중간점에 있다. 상기 중간점(N)으로부터의 반경(Rn)은 제1 연결점(A)으로부터의 반경(Ra) 보다 엄밀히 작다. 상기 중간점(N)으로부터의 반경(Rn)은 제2 연결점(C)으로부터의 반경(Rc)보다 엄밀히 작다.

Description

수압 기계를 위한 러너, 그러한 러너가 제공되는 수압 기계 및 그러한 수압 기계를 포함하는 동력 전환 시설{Runner for a hydraulic machine, hydraulic machine provided with such a runner and power-conversion equipment including such a hydraulic machine}

본 발명은 강제된 물의 흐름에 의해서 통과되도록 의도되는 수압 기계를 위한 프랜시스 러너(Francis runner)와 관련된다. 본 기계가 터빈일 때에는, 그러한 흐름은 러너를 회전하도록 하는 효과가 있으며 기계가 펌프일 때에는 그러한 흐름은 이 회전으로부터 발생한다. 더 나아가 본 발명은 그러한 러너가 제공되는 수압 기계에 관련된다. 다른 한 편으로, 본 발명은 그러한 수압 기계를 포함하는 동력 전환 시설에 관련된다.

일반적으로, 수압 동력을 전력으로 전환하기 위한 시설은, 터빈 모드에서 작동하며 그 유량이 분배기에 의해서 제어되는 강제된 물의 흐름에 의해서 통과되는 수압 기계를 포함한다. 터빈의 러너는 교류발전기(alternator)에 연결된 회전하는 샤프트를 구동시킨다. 교류발전기를 전기 네트워크에 연결시키기 위해서는, 교류발전기의 출력부에서의 전기 신호의 주파수가 전기 네트워크의 주파수와 같게 하기 위해서, 터빈의 회전 속도는 안정적이어야 한다. 전기 네트워크의 주파수는 유럽에서는 50Hz이지만, 다른 국가 예를 들어 미국에서는 60Hz 이다. 기계가 네트워크에 연결되지 않는 한, 러너의 토크는 영이다. 일시적 작동 단계(transient operating phase) 중에는, 흐름에서의 압력 변동은 불안정을 초래하여, 터빈의 러너의 회전 속도가 안정화되지 않고 교류 발전기는 전기 네트워크에 연결될 수 없다. 특히, 터빈의 시동 중에는, 분배기가 점진적으로 개방되어 터빈의 러너의 회전 속도의 진동(oscillation)을 초래한다. 그 이후에, 분배기가 요구되는 개방상태에 도달하였을 때, 러너의 회전 속도가 안정되고 동기 속도(synchronous speed)에 도달하자 마자 교류 발전기는 전기 네트워크에 연결된다.

도 1은 종래의 기술에 의한 프랜시스 러너(100)을 도시하며, 이는 휠(101) 및 휠(101)을 바라보는 크라운(112)을 포함한다. 러너(100)는 더 나아가, 휠(101) 및 크라운(112)과 일체를 형성하며 휠(101) 및 크라운(112) 사이에서 연장되는 아홉 개의 날개(vane)(121)들을 포함한다. 러너가 터빈 모드에서 작동하고 있는 수압 기계에 속할 때, 각각의 날개(121)는 강제된 물의 흐름에 의해서 먼저 통과되는 직선의 리딩 에지(leading edge)(221)를 가진다.

도 4의 그래프는, rpm으로 표시되며, 수두(head)의 제곱근에 대한 터빈의 러너의 회전속도의 비율에 비례하는, “환원 회전 속력(reduced rotation speed)”으로 칭해지는 크기를 x축에 나타내며, Nm로 표시되며 수두에 대한 러너에 의해 가해지는 토크의 비율에 비례하는, “환원 토크(reduced torque)”라 칭해지는 크기를 y축에 나타낸다. 그래프의 C1에서 C6까지의 각각의 커브는 이 러너의 상류에 배치된 항상 열려있는 분배기에 대해서 환원 회전 속도에 따른 러너의 환원 토크를 보여준다. 실선 C1, C3, C5의 곡선들은 종래 기술의 러너(100)에 제공되는 터빈의 작동에 해당하며, 점선 C2, C4, C6의 곡선들은 본 발명에 따른 러너가 제공되는 터빈의 작동에 해당한다.

그래프의 왼쪽 부분에서, 터빈의 작은 환원 회전 속도는 큰 수두에 상응하고, 그래프의 오른쪽 부분의 터빈의 큰 환원 회전 속도는 작은 수두에 해당한다. P1에서 P6까지의 점들은 C1에서 C6의 곡선들 및 0으로 줄어든 토크에 해당하는 수평 직선 사이의 교차점에서 각각 위치한다. P1에서 P6까지의 점들은 교류 발전기를 전기 네트워크에 연결하는 것을 가능하게 하는 러너의 환원 회전 속도를 나타낸다. 그러한 그래프에서는, 커브의 기울기가 음인 작동 점들은 터빈의 안정적인 작동, 다른 말로는 러너의 안정적인 회전 속도에 해당한다는 것이 알려져 있다. 역으로, 곡선의 기울기가 양인 작동점들은 러너의 불안정한 회전 속도에 해당하며 이는 교류 발전기가 네트워크에 연결되는 것을 가능하게 하지 않는다. 일반적으로는 음의 기울기를 유지하면서 터빈을 가장 작은 수두에 대해서 작동할 수 있게끔 시도된다.

종래 기술의 러너(100)에 대해서, 상대적으로 큰 수두에 대해서 분배기의 제1 열림에 해당하는 점 P1에 대해서, 곡선 C1의 기울기는 음이며 회전 속도는 안정적임이 관찰된다. 분배기의 제2 열림에 대해서 더 작은 수두에 해당하는 점 P3에 관하여, 곡선 C3은 대략 수직이고 이는 종래 기술의 러너(100)의 회전 속도가 그다지 안정적이지는 않음을 의미한다. 마지막으로, 곡선 C5는 S 형상으로 되어 있고 점 P5에서의 그것의 기울기는 양이며, 이는 러너(100)의 불안정한 회전 속도에 해당한다.

결론적으로, 종래의 러너(100)만으로는 상대적으로 작은 수두를 위해 회전 속도를 안정화시키는 것을 가능하게 하지는 못한다.

종래 러너의 회전 속도를 안정화하기 위한 목적으로, 위킷 게이트(wicket gate)를 비동기화 함으로서 이루어지는 추가적인 연결 장치를 가지는 터빈을 사용하는 것이 알려져 있다. 이러한 위킷 게이트들은 러너의 주변에 분포되고 비동기화 됨, 즉, 도 4에 도시된 것처럼 음의 기울기를 가지는 곡선을 얻을 목적으로 러너 주위에서 유량을 변화시키기 위해서 그것들을 서로에 대해 다르게 지향시키는 것이 가능하다. 그러나, 위킷 게이트를 비동기화하는 것은 한편으로는 비동기화 될 위킷 게이트를 조종하기 위한 서보모터의 설치를 요구하고 다른 한편으로는 적합한 제어 프로그램의 설치를 요구한다.

US-2005/013691은 프랜시스 러너를 개시하며 이는 크라운 및 벨트를 포함하는데, 그들 사이에는 볼록함이 원주둘레에 이루어진 안쪽으로 휘어진 리딩 에지(leading edge)를 가지는 날개들이 연장된다. 그럼으로써 리딩 에지들 각각은 리딩 에지의 휘어진 형태의 바닥에 놓이는 중간점을 포함한다. 이 러너는 리딩 에지와 크라운 사이의 제1 연결점의 반경이 중간점의 반경보다 작은 기하 구조를 가진다. 이 기하 구조는, 전기 네트워크상에서의 연결 단계(coupling phase) 중에 러너의 회전 속도의 안정성을 향상시키는 것을 가능하게 하지 않는다.

특별하게는, 상대적으로 작은 수두에 대하여 일시적인 시동 단계 도중에 특정 기하 구조가 러너의 회전 속도를 안정화시키는 것을 가능하게 하는, 터빈 러너를 제안함으로써 본 발명이 극복하려고 의도하는 것은 이러한 단점들이다.

상대적으로 작은 수두에 대하여 일시적인 시동 단계 도중에 러너의 회전 속도를 안정화시키는 것을 가능하게 하는 터빈 러너를 제안하려는 것이다.

이 효과를 위해서 본 발명은 강제된 물의 흐름에 의해서 통과되도록 의도되는 수압 기계를 위한 프랜시스 러너를 위한 목적을 가지며, 이는 다음을 포함한다.

- 러너의 회전 축 중심으로 회전 대칭인 휠,

- 회전 축 중심으로 회전 대칭이며 휠을 바라보는 크라운,

- 휠 및 크라운과 일체를 이루며, 각각이 회전 축 근처의 중심 에지 및 중심 에지에 반대편에 있는 주변 에지를 가지며, 휠과 크라운 사이에 연장되며, 수압 기계가 터빈 모드에서 작동되고 있을 때 흐름에 의해서 1차로 통과되도록 의도되는, 복수의 안쪽으로 구부러진 날개들. 다른 말로는, 수압 기계가 터빈 모드에서 작동하고 있을 때, 흐름은 주변 에지로부터 중심 에지로 흐른다.

적어도 하나의 날개의 주변 에지가 구부러지며, 그것의 오목한 부분은 러너의 바깥쪽을 향해 바라본다. 주변 에지 상의 임의의 점과, 한편으로 주변 에지와 휠 사이의 제1 연결점을 통과하고 다른 한편으로는, 주변 에지와 크라운 사이의 제2 연결점을 통과하는 직선 사이에서 측정된 제1 거리는, 주변 에지 위의 중간점 위에서 최대가 된다. 중간점의 반경은 제1 연결점의 반경보다 엄밀하게는 더 작다. 중간점의 반경은 제2 연결 점의 반경보다 엄밀하게는 더 작다.

수압 기계가 터빈 모드에서 작동중일 때 리딩 에지에 대응하는, 날개들의 주변 에지의 속이 빈 형상 때문에, 교류 발전기를 전기 네트워크에 연결시키는 것을 가능하게 하는 작동점 들에서 음의 기울기를 여전히 유지하면서, 터빈은 더 작은 수두들을 위해 작동하도록 된다. 이것은 특히 작은 수두들을 위해서 추가적인 연결 장치를 추가할 필요 없이, 안정적인 회전 속도를 얻는 것과 터빈을 전기 네트워크에 신속하게 연결하는 것을 가능하게 한다.

유용하지만 의무적이지 않은 본 발명의 측면에 따르면, 그러한 러너는 기술적으로 허용되는 임의의 조합에서 취해지는, 하나 또는 수 개의 다음의 특징들을 통합할 수 있다.

- 중간점은 상기 직선으로부터 가장 멀다.

- 직선상의 중간점의 직교하는 투영(orthogonal projection)은 상기 직선을 따라 연장하며 상기 직선의 중간에 중심이 놓이는 일 구역에 위치한다. 상기 구역의 높이는 제1 연결점과 제2 연결점 사이에서 측정된, 각각의 날개의 높이의 80%보다 작고 더욱 바람직하게는 10%보다 작다.

- 날개들의 주변 에지는 원, 타원, 포물선, 또는 임의의 곡선의 부분의 형상이다.

- 제1 비율은,

- 분모로서, 제1 연결점과 제2 연결점 사이에서 측정된 날개의 높이,

- 분자로서, 상기 직선과 주변 에지 사이의 최대 거리를 가지며,

이는 0%와 200% 사이, 더욱 바람직하게는 30%와 80% 사이이다.

- 주변 에지의 중간점은 연결점들 사이의 중간에 위치한다.

- 회전축에 평행하고, 날개의 외부 면과 내부 면 사이에 위치한 날개의 평균 표면과 크라운 사이의 교차점을 통과하며 이 평균 표면을 연장하는 제2 평면에 직각인, 제1 평면에서는, 외부 면은 볼록하고 내부 면은 오목하다.

- 제1 평면에서는, 외부면 및 내부 면은 원, 타원, 포물선, 그리고 임의의 곡선의 부분의 형상이다.

- 제2 비율은,

- 분자로서, 상기 직선과 주변 에지 사이에서, 제1 평면에 평행하게 측정된 최대 거리를 가지고,

0%와 200% 사이이며, 더욱 바람직하게는 10%와 40% 사이이다.

- 제1 평면에서는, 주변 에지상의 중간점은 연결점들 사이의 중간에 위치한다.

- 제1 평면에서는, 주변 에지는 구부러진 모양이고, 그것의 오목한 부분은 러너의 터빈모드에서의 회전 방향과 같은 방향을 바라본다.

- 주변 에지 상의 임의의 점과 상기 직선 사이에서 제1 평면과 평행하게 측정되는 제2 거리는 상기 중간점에서 최대이다.

본 발명은 또한 그러한 러너가 제공되는 수압 기계를 위한 목적을 가진다.

유리하게는, 기계가 터빈 모드에서 작동하고 있을 때, 흐름은 먼저 날개들의 외부 면을 친다.

마지막으로, 본 발명은 그러한 수압 기계를 포함하는 동력 전환 시설에 관련된다.

동력 전환 시설에 속하는 수압 기계에 제공되는 러너의, 단지 예시로 주어지며 덧붙인 도면들을 참조로 하는, 아래의 설명을 읽으면, 본 발명이 잘 이해되고, 다른 장점들이 드러날 것이다.

- 도 1은 종래 기술의 수압 기계의 러너의 사시도이다.
- 도 2는 본 발명에 따른 수압 기계의 러너의 도 1과 유사한 도면이다.
- 도 3은 도 2의 러너를 포함하는 수압 기계가 제공되는 동력 전환 시설의 블록 단면도이다.
- 도 4는 6개의 곡선을 나타내는 그래프이며, 그들 중 실선으로 된 3개는 토크에 따른 도 1의 러너의 회전 속도를 나타내며, 점선으로 된 3개는 토크에 따른 도 2의 러너의 회전속도를 나타낸다.
- 도 5는 도 2에서의 V 부분의 다른 각도에서의 더 큰 배율의 부분 사시도이다.
- 도 6은 도 5에서의 화살표 F6을 따라서 본, 도 2의 러너에 속하는 날개의 도면이다.
- 도 7은 도 5에서의 화살표 F7을 따라서 본, 도 6의 날개의 더 큰 배율의 도면이다.
- 도 8은 도 2의 러너의 사시도이다.
- 도 9는 도 7에서의 평면 P8을 따른, 도 2의 러너의 상면도로서의 단면도이며, 러너의 크라운은 도시되지 않는다.
- 도 10은 도 7에서의 평면 P8을 따른, 도 2의 러너의 저면도로서의 단면도이며, 러너의 벨트는 도시되지 않는다.

도 3에 도시된 시설 I는, 프랜시스 펌프 터빈인, 가역적인 수압 기계 M을 포함하며, 이것의 러너 R 에는 탱크(3)로부터 물이 공급되는데, 기계 M이 터빈 모드에서 작동하고 있을 때 강제 도관(4)은 탱크 쪽으로 열린다. 작동 중에는, 러너(R)는 회전 수직 축 Z 주위로 회전한다. 기계 M 이 터빈 모드에서 작동하고 있을 때, 러너(R)는 축 Z 주위에서 R1 회전 방향으로 회전하며, 이는 러너 R을 위에서 보았을 때 시계방향에 해당한다. 터빈 모드에서 전기를 생산하기 위해서는, 기계 M은 축 Z 주위로 회전하는 샤프트(50)에 의해서 교류 발전기(5)에 연결된다. 탱크(3)와 러너 R 사이에 정적 전-위킷 게이트(static pre-wicket gate)(6)들 및 방향성 위킷 게이트(directional wicket gate)(7)들이 배치되는데, 이것들의 기능은 도관(4)으로부터 나와 러너 R을 통과하도록 되어있는 물의 흐름 E를 배수 도관(8)의 방향으로 인도하는 것이다. 위킷 게이트(7)들은 또한 유량 E를 조절하는 것을 가능하게 하므로 분배기의 기능을 제공한다.

도 2는 본 발명에 따른 러너 R을 도시하는데, 이는 휠(1) 및 휠 (1)을 바라보는 크라운(12)을 포함한다. 휠(1) 및 크라운(12)은 축 Z주위로 회전 대칭이다. 휠(1) 및 크라운(12)은 각각 축 Z에 중심을 가지는 외부 주변 에지 10 및 20을 가진다. 휠(1) 및 크라운(12)의 표면들은 회전에 의해서 생성된, 축 Z 주위 및 그로부터 거리가 떨어져 있는 곳에서의, 곡선 세그먼트의 복잡한 형상을 가진다.

러너 R은 더 나아가, 휠(1) 및 크라운(12)과 일체를 이루며 축 Z 주위에서 휠(1)과 크라운(12) 사이로 연장되는 아홉 개의 날개들을 포함한다. 도 2에서는, 한편으로는 날개(21)들 그리고 다른 한 편으로는 크라운(12) 사이의 연결 구역들이 점선들로 도시된다.

여기에서 물체는 그것이 축 Z의 근처에 위치할 때 “중심”에 있는 것으로 여겨지며, 이는 축 Z로부터 떨어져 있는 물체를 지칭하는 “주변의” 라는 형용사와 반대의 의미이다.

각각의 날개(21)는 날개(21)의 주변 단부(22)와 날개(21)의 중심 단부(23) 사이에서 안쪽으로 구부러진 형상을 가진다. 이러한 안쪽으로 구부러진 형상은 본질적으로 나선형의 일부의 형상으로 날개(21)의 주 만곡부(main curvature)을 이룬다. 각각의 날개(21)는 휠(1)의 주변부에 위치한 주변 에지(212) 및 축 Z를 향하는 중심 에지(211)를 가진다. 각각의 날개(21)는 외부 면(213)에 의해서 날개(21)의 주 만곡부의 바깥쪽이 한정되고, 내부 면(214)에 의해서 날개(21)의 주 만곡부의 안쪽이 한정된다. 면 213 및 214는 중심 에지(211) 및 주변 에지(212)에서 함께 결합한다.

기계 M이 터빈 모드에서 작동하고 있을 때, 흐름 E는 1차로 날개(21)들의 외부 면(213)을 친다. 도 9 및 10에서 볼 수 있는 것과 같이, 회전축 Z에 직각인 절단면에서는, 각각의 날개(21)의 외부 면(213)은 볼록하고 내부면(214)은 오목하다.

수압 기계 M이 터빈 모드에서 작동하고 있을 때, 각각의 날개(21)의 주변 에지(212)는 리딩 에지(leading edge)를 형성하고 중심 에지(211)는 트레일링 에지(trailing edge)를 형성한다. 리딩 에지는 수압 기계 M이 터빈 모드에서 작동하고 있을 때 1차로 흐름 E에 의해서 통과되도록 의도된다. 다른 말로는, 터빈 모드에서, 유체는 주변 에지로부터 중심 에지로 향하여 흐른다. 터빈 모드에 대한 이후의 설명은 “리딩 에지” 및 “트레일링 에지”의 표현을 사용할 것이다. 이는 러너가 펌프 모드에서 작동하고 있을 때에는 이 표현들을 반대로 함으로써 바뀌어 질 수 있다.

A는 각각의 날개(21)의 리딩 에지(212)와 휠(1)의 연결점을 나타낸다. B는 각각의 날개(21)의 트레일링 에지(211)와 휠(1)의 연결점을 나타낸다. 유사하게, C는 각각의 날개(21)의 리딩 에지(212)와 크라운(12)의 연결점을 나타내고, D는 각각의 날개(21)의 트레일링 에지(211)와 크라운(12)의 연결점을 나타낸다.

Ra, Rb, Rc, 또는 Rd는 각각 점 A, B, C, 또는 D의 반경을 나타낸다. 각각의 반경 Ra, Rb, Rc, 및 Rd 는 축 Z 와 점 A, B, C, 또는 D 사이에서 반경방향으로 측정된 거리이다.

반경 Rd는 반경 Rb보다 작다. 반경 Ra 와 Rc는 같고, 반경 Rb 및 Rd 보다 엄밀하게 크다. 특히 반경 Rc는 반경 Rb 보다 엄밀하게 크고 이는 기계 M이 만족스러운 성능으로 펌프 모드에서 작동할 수 있도록 한다. 기계 M이 터빈 모드에서 작동하고 있을 때 점 C에서의 흐름 E의 압력은 점 B에서 보다 크다.

도 5 내지 7은 날개(21)들 중의 하나의 주변 단부(22)를 더 자세하게 나타내는데, 다른 날개(21)들도 유사하다.

S는 날개(21)의 외부 면(213) 및 내부 면(214) 사이를 이러한 면들로부터 같은 거리만큼 간격을 두고 지나가는 각각의 날개(21)의 평균 표면을 나타낸다. 날개(21)의 주변 단부(22)에서, 평균 표면(S)은 리딩 에지(212)와 일치한다. 평균 표면 S는 도 5에 크라운(12) 위의 자취에 의해서 나타내져 있다.

L은 리딩 에지(212)의 점 A 및 C를 통해 지나가는 직선을 나타낸다. 직선 L은 러너 R의 회전 축 Z에 평행하다. Pa는 직선 L을 통과해 지나가고 크라운(12)과의 교차점 위에서 평균 평면 S의 연장부에 위치하는 평면을 나타낸다. 평면 Pa는 크라운(12) 상의 평균 표면 S의 자취의 주변 단부 S1의 왼쪽방향으로의 준 접선(semi-tangent) T를 통해 지나간다.

도 6은 평면 Pa에 직각인 화살표 F6을 따라서 보이는 모습이며, 이는 날개(21)의 외부 면(213)을 향한다.

리딩 에지(212)는 구부러진 모양이고 어떤 불연속도 가지지 않는다. 다른 관점에서는, 리딩 에지(212)는 트레일링 에지(211)의 방향으로 움푹 들어가고 그것의 형상은 어떤 단절도 가지지 않는다. 그럼으로써, 리딩 에지(212)의 오목한 부분은 특히 평면 Pa에서 또는 면 213 또는 214에 평행한 평면에서, 리딩 에지(212)의 근처에서, 날개(21)의 그리고 러너 R의 외부를 향한다.

평면 Pa에서는, 리딩 에지(212)의 구부러지고 움푹 들어간 형상은 도 6에서 보여지는 것과 같이, 원의 일부분에 의해서 이루어진다. C21은 평면 Pa 에서의 리딩 에지(212)의 중심을 나타내고 R21은 그 반경을 나타낸다.

리딩 에지(212)는 리딩 에지(212) 위의 중간점 N을 통과하여 지나가는 직선 L에 직각인 평면 P8 에 대해서 대칭이다. 점 N은 직선 L로부터 가장 멀리 있는 리딩 에지(212) 상의 점이다.

D21은 점 N과 직선 L 사이의 거리이며, H는 점 A와 C 사이에서 직선 L을 따라 측정된 리딩 에지(212)의 높이를 나타낸다. 거리 D21은 리딩 에지(212)와 직선 L사이의 최대 거리이다.

도시된 예에서, 거리 D21은 직선 L에 직각으로 측정된다. d1이 직선 L과 리딩 에지(212)상의 임의의 점 P사이의, 직선 L에 직각으로 측정된 거리라고 하자. G는 직선 L상의 점 P의 직교 투영(orthogonal projection)이라 하자. 거리 d1은 점 P와 G 사이에서 측정된다. 거리 d1은 벡터

의 평면 Pb에서의 투영이다. 거리 d1 은 점 A에서 영(zero)이고 점 A와 N 사이에서 증가한다. 점 N에서, 거리 d1은 최대이고 거리 D21과 같다. 점 N과 C 사이에서 거리 d1은 감소한다. 점 C에서 거리 d1은 영이다.

그럼으로써, 리딩 에지(212)를 따라서, 그리고 점 A와 C 사이에서, 점 A와 점 G 사이의 거리 L1의 함수로서 표현된 거리, d1은 단일 최대값을 포함하고, 어떤 변곡점을 포함하지 않는다.

거리 L1에 대한 거리 d1의 도함수는 점 A와 N 사이에서 양(positive)이며, 점 N에서 상쇄되고, 점 N과 C 사이에서 음(negative)이다. 거리 L1에 대한 거리 d1의 2차 도함수는 점 A와 C 사이에서 음이다.

분자로서 거리 D21, 그리고 분모로서 높이 H를 가지는 비율은 0%와 200% 사이이며 더욱 바람직하게는 30%와 80% 사이이다.

F는 직선 L 과 평면 P8 사이의 교차점을 나타낸다. 점 A와 점 F 사이의 거리는 점 F 와 점 C 사이의 거리와 같다. 다른 말로는, 평면 P8은 직선 L을 따라서 점 A 와 C사이의 중간에 위치한다.

Rn은 점 N의 반경 즉 축 Z와 점 N 사이에서 반경방향으로 측정된 거리를 나타낸다. 거리 Rn은 엄밀하게는 거리 Ra보다 작고 거리 Rc 보다 작다.

도 7은 평면 Pa 안에 담겨진, 그리고 직선 L에 직각인, 화살표 F7에 따르는, 도 5의 날개 (21)의 외부 단부(22)의 모습이다. 도 7은 그러므로 평면 Pa에 직각인 평면 Pb에서의 모습이다.

도 7에서 보이는 바와 같이, 날개(21)의 휘어짐은 러너 R의 외부를 향해 구부러진다. 다른 관점에서는, 평면 Pb에서, 외부 면(213)은 볼록하고, 내부 면(214)는 오목하다. 날개(21)들의 이러한 2차 만곡은 연속적이고 어떠한 단절을 가지지 않는다.

더욱 정확하게는, 평면 Pb에서, 외부 표면(213), 내부 표면(214) 및, 리딩 에지(212)와 일치하는, 평균 표면 S는 각각 원의 일 부분의 모양으로 이루어진다. C212는 리딩 에지(212)의 형상을 이루는 원의 중심을 나타내고 R212는 그것의 반경을 나타낸다. 유사하게, C213 및 C214는 외부 표면(213)의 그리고 내부 표면(214)의 형상을 이루는 원들의 중심을 나타내고, R213 및 R214는 그것들의 각각의 반경을 나타낸다.

이러한 2차적 만곡을 고려하여 보면, 점 F 와 N을 통과하여 지나가는 직선으로서, 거리 D21이 이를 따라 측정되는 직선은, 도 6의 평면 Pa에 대하여 경사져 있다.

D22는 점 F와 점 N 사이에서 평면 Pb에 평행하게 측정되는 거리를 나타낸다. 거리 D22는 직선 L과 리딩 에지(212) 사이에서, 평면 Pb에 평행한 평면에서의 최대 거리이다. 거리 D22는 벡터

의 평면 Pb에의 투영이다. 같은 방식으로 거리 D21은 벡터

의 평면 Pa에의 투영이다.

분자로서 거리 D22를, 그리고 분모로서 날개(21)의 높이 H를 가지는 제2 비율은 0%와 200% 사이이며, 더욱 바람직하게는 10%와 40% 사이이다.

더 나아가, 평면 Pb에서, 외부 면(213) 및 내부 면(214)은 평면 P8에 대해서 대칭이다. 다른 말로는, 평면 Pb에서 리딩 에지(212) 상의 점 N은 연결점 A와 C 사이의 중간 높이에 위치한다.

도시된 예에서는, 거리 D22는 직선 L에 직각으로 측정된다. d2를 평면 Pb에 평행하게 그리고 직선 L에 직각으로 측정된, 직선 L과 리딩 에지(212) 상의 임의의 점 P 사이의 거리라고 하자. 거리 d2는 벡터

의 평면 Pb에서의 투영이다. 거리 d2는 점 P와 G사이에서 평면 Pb에 평행하게 측정된다.

거리 d2는 점 A에서 영이고 점 A와 N 사이에서 증가한다. 점 N에서, 거리 d2는 최대이고 거리 D22와 같다. 점 N과 C사이에서, 거리 d2는 감소한다. 점 C에서, 거리 d2는 영이다. 그럼으로써, 리딩 에지(212)를 따라서 그리고 점 A와 C 사이에서, 거리 L1의 함수로 표시되는, 거리 d2는 단일 최대값을 포함하고 어떤 변곡점도 포함하지 않는다. 거리 L1에 대한 거리 d2의 도함수는 점 A와 N 사이에서 양이고, 점 N에서 상쇄되며, 점 N과 C 사이에서 음이다. 거리 L1 에 대한 거리 d2의 2차 도함수는 점 A와 C사이에서 음이다.

날개(21)들의 제2 만곡의 오목한 부분은, 기계 M이 터빈 모드에서 작동하고 있을 때, 러너 R의 회전 방향 R1을 향한다. 다른 관점에서, 크라운(12) 위의 평균 평면 S의 자취에 직각인 절단면에서, 그리고 도 7의 모습에서, 날개(21)의 외부 면(213)은 볼록하고 회전 방향 R1에 반대쪽을 바라보고 있으며, 내부 면(214)은 오목하고 회전 방향 R1과 같은 방향을 바라보고 있다.

Rp, θp 및 Zp는 각각의 리딩 에지(212) 상의 임의의 점 P의 원통형 좌표(cylindrical coordinate)들을 나타낸다.

Rp는 점 P의 반경이다. Pz를 축 Z상으로의 점 P의 직교 투영이라 하자. 반경 Rp는 점 Pz와 P사이에서 반경방향을 따라 측정된다. 점 A에서, 반경 Rp는 반경 Ra와 같다. 반경 Rp는 점 A와 N 사이에서 감소한다. 점 N에서, 반경 Rp는 최소이고 반경 Rn과 같다. 반경 Rp는 점 N과 C사이에서 증가한다. 점 C에서 반경 Rp는 반경 Rc와 같다.

Zp는 점 P의 높이이다. Az는 점 A의 축 Z 상으로의 직교 투영이다. 점 P의 높이 Zp는 점 Az 와 점 Zp 사이의 거리이다.

Cz는 점 C의 축 Z상으로의 직교 투영을 나타낸다. 리딩 에지(212)를 따라서, 그리고 점 A와 C 사이에서, 높이 Zp의 함수로 표현되는, 반경 Rp는 단일 최소값을 가지며 어떠한 변곡점을 포함하지 않는다. 높이 Zp에 대한 반경 Rp의 도함수는 점 A와 N 사이에서 양이며, 점 N에서 상쇄되며, 점 N과 C사이에서 음이다. 거리 Zp 에 대한 반경 Rp의 2차 도함수는 점 A와 C사이에서 양이다.

θp는 원통형 좌표에서의 점 P의 각도이다. 각도 θp는, 기계 M이 터빈 모드에서 작동하고 있을 때, 러너 R의 회전 방향 R1과 같은 양의 부호를 가진다. Da를 점 A와 축 Z를 통과하는 반경방향 직선이라 하자. 각각의 날개(21)에 대하여, 직선 D0로부터 출발하여 직선 Da로 가면서 측정된, 양의 각도 θ0가 45°와 같게 되는, 축 Z를 통과하는, 반경 방향 직선 D0가 고려된다.

원통형 좌표계에서는, 점 P의 각도 θp는 직선 D0로부터 출발하여, 점 Pz 및 P를 통과하는 직선 Dp로 향하는 것으로 정의된다.

도 9에서 볼 수 있는 것과 같이, 각도 θp는 점 A에서 최대이고 각도 θa와 같다. 각도 θp는 점 A와 N 사이에서 감소한다. 점 N에서, 각도 θp는 최소이고 각도 θn과 같다. 도 10에서 볼 수 있는 것과 같이, 점 N와 C 사이에서 각도 θp는 증가한다. 점 C에서, 각도 θp는 최대이고 각도 θc와 같다.

그럼으로써, 리딩 에지(212)를 따라서 그리고 점 A와 C 사이에서, 높이 Zp의 함수로 표현된, 각도 θp는 단일 최소값을 가지고 어떠한 변곡점도 포함하지 않는다.

높이 Zp에 대한 각도 θp의 도함수는 점 A와 N 사이에서 음이고, 점 N에서 상쇄되고 점 N과 C 사이에서 양이다. 높이 Zp에 대한 각도 θp의 2차 도함수는 점 A와 C사이에서 양이다.

시설 I의 일시의 작동 단계 중에는, 예를 들어 시설 I의 시동 중에는, 러너 R의 회전 속도는 안정적이지 않고 이는 교류 발전기(5)로 하여금 전기 네트워크의 주파수와 같은 주파수인 전기 신호를 전달하는 것을 허용하지 않으므로, 교류 발전기(5)는 전기 네트워크에 연결되지 않는다. 예를 들어 유럽에서는, 전기 네트워크의 주파수가 50Hz와 같다. 날개(21)들의 리딩 에지(212)의 움푹 파인 형상 덕분에, 흐름 E는 난기류(turbulence) 및 불안정성을 거의 초래하지 않거나 아예 초래하지 않는데, 이는 러너 R의 회전 속도가 네트워크 상에 교류 발전기(5)의 연결의 목적을 위해서 안정되는 것을 허용한다.

본 발명의 러너 R의 회전 속도의 안정성은 도 4의 그래프에서 발견될 수 있다. 상대적으로 높은 수두에 대해서, 점 P1에서의 곡선 C1의 기울기는, 점 P2에서의 곡선 C2의 기울기와 같이 음이며, 이는 같은 수두에 대해서, 본 발명의 러너 R에 대해서뿐만 아니라 종래 기술의 러너(100)에 대해서도 작동이 안정적임을 의미한다. 점 P4에서는, 곡선 C4의 기울기가 음이고, 반면에 점 P3에서의 곡선 C3은 수직인데, 이는 본 발명의 러너의 회전 속도는 종래 기술의 것보다 더 안정적임을 의미한다. 마지막으로, 곡선 C6은 점 P6에서 약간 음의 기울기를 가지는 한편, 점 P5에서, 곡선 C5의 기울기는 양인데, 이는 본 발명의 러너 R의 회전 속도는, 상대적으로 작은 수두에 대해서, 종래 발명의 러너(100)의 것보다 더 안정적임을 의미한다.

날개(21)들의 휘어짐의 외부를 향하여 구부러진 형상은, 평균 표면 S를 따라서, 트레일링 에지(211)의 방향으로, 과도하게 명백한 방식으로 리딩 에지(212)를 움푹하게 파낼 필요 없이, 리딩 에지(212)의 오목함을 강조하는 것과 상대적으로 현저한 거리 D21을 얻는 것을 가능하게 한다. 이것은 펌프 모드에서 작동하고 있을 때, 수압 기계 M이 효율성을 지나치게 잃지 않는 것을 허용한다.

날개(21)들의 형상은 그 자체로 네트워크 상의 교류 발전기(5)의 연결을 허용하므로, 만족스러운 회전 속도를 제공하기 위하여 추가적인 장치가 요구되지 않는다.

대안적으로는, 직선 L은 러너 R의 회전 축 Z에 평행하지 않다. 예를 들어, 점 C는 점 A에 대하여 트레일링 에지(211)를 향해 오프셋 될 수 있다.

대안적으로는, 리딩 에지(212)의 오목한 형상은 타원의 또는 포물선 모양의 일 부분에 의해서, 또는 임의의 곡선에 의해서도, 이루어진다.

또 다른 대안에서는, 날개(21)의 외부 면(213) 및 내부 면(214)의 리딩 에지(212)의 외부를 향하여 구부러진 형상은, 타원의 또는 포물선 모양의 일 부분에 의해서, 또는 임의의 곡선에 의해서도, 이루어진다.

대안적으로는, 오직 특정한 날개(21)들만이 그들의 리딩 에지의 오목한 부분을 가진다.

대안적으로는, 점 N은 점 A와 C 사이의 정확하게 중간 높이는 아니다. 중간 점 N의 직선 L 위로의 직교 투영은, 직선 L을 따라, 직선 L의 중간점 F로부터 시작하고 상기 중간점에 중심이 놓임으로써 중간점 F의 양쪽 편 위로 연장되는 일 구역 안에 위치한다. 상기 구역의 높이 H2는 날개(21)의 높이 H의 80%보다 작고, 더욱 바람직하게는 10%보다 작다.

더 나아가, 앞서 설명된 다양한 대안들 및 실시예들은 본 발명을 달리 시행하기 위해서 전체적으로 또는 부분적으로 함께 결합 될 수 있다.

Claims

강제된 물의 흐름(E)에 의해서 통과되도록 의도되는, 수압 기계(M)를 위한 프랜시스 러너(R)로서, 상기 러너(R)는,
상기 러너(R)의 회전축(Z) 주위로 회전 대칭인, 휠(1),
상기 회전축(Z) 주위로 회전 대칭이고 상기 휠(1)을 바라보는 크라운(12),
복수의 안쪽으로 구부러진 날개(21)들로서, 상기 휠(1) 및 상기 크라운(12)과 일체를 이루고, 각각은 상기 회전축(Z) 근처에 있는 중심 에지(211) 및, 상기 중심 에지(211)와 반대편에 있고 상기 휠(1) 및 상기 크라운(12) 사이에서 연장되며 상기 수압 기계(M)가 터빈 모드에서 작동하고 있을 때 상기 흐름(E)에 의해서 먼저 통과 되도록 의도된 주변 에지(212)를 가지는, 상기 복수의 안쪽으로 구부러진 날개(21)들을 포함하며,
적어도 하나의 날개(21)의 주변 에지(212)는 구부러져서, 상기 주변 에지의 오목한 부분이 상기 러너(R)의 바깥쪽을 향하고, 한편으로 상기 주변 에지(212)와 상기 휠(1) 사이의 제1 연결점(A)을 통과하고 다른 한편으로 상기 주변 에지(212)와 상기 크라운(12) 사이의 제2 연결점(C)을 통과하는 직선(L)과 상기 주변 에지(212) 상의 임의의 점(P) 사이에서 측정된 제1 거리(d1)가 상기 주변 에지(212) 상의 중간점(N)에서 최대이고, 상기 중간점(N)의 반경(Rn)이 상기 제1 연결점(A)의 반경(Ra) 보다 작으며,
상기 러너(R)는 상기 중간점(N)의 반경(Rn)이 상기 제2 연결점(C)의 반경(Rc)보다 작은 것을 특징으로 하는, 러너(R).
제1항에 있어서,
상기 중간점(N)이 상기 직선(L)으로부터 가장 멀리 떨어져 있는 것을 특징으로 하는, 러너(R).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 직선(L)상으로의 상기 중간점(N)의 직교 투영은, 상기 직선(L)을 따라 연장되며 상기 직선(L)의 중앙(F)에 중심을 두는 일 구역에 위치하며, 상기 구역의 높이(H2)는 상기 제1 연결점(A)과 상기 제2 연결점(C) 사이에서 측정된 각각의 날개(21)의 높이(H)의 80%보다 작은 것을 특징으로 하는, 러너(R).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 날개(21)들의 주변 에지(212)는 원, 타원, 포물선, 또는 임의의 곡선의 일부분의 형상인, 러너(R).
제1항 또는 제2항에 있어서,
분모로서 상기 제1 연결점(A)과 제2 연결점(C) 사이에서 측정된 날개(21)의 높이(H),
분자로서 상기 직선(L)과 상기 주변 에지(212) 사이의 최대 거리(D21)를 가지는, 제1 비율이 0%와 200% 사이인 것을 특징으로 하는, 러너(R).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 주변 에지(212)의 중간점(N)은 상기 제1 및 제2 연결점들(A, C) 사이의 가운데에 위치하는 것을 특징으로 하는, 러너(R).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 회전축에 평행하고, 상기 날개(21)의 외부 면(213)과 내부 면(214) 사이에 위치한 상기 날개(21)의 평균 표면(S)과 상기 크라운(12) 사이의 교차점을 통과하며 상기 평균 표면을 연장하는 제2 평면(Pa)에 직각인, 제1 평면(Pb)에서, 상기 외부 면(213)은 볼록하고 상기 내부 면(214)은 오목한 것을 특징으로 하는, 러너(R).
제7항에 있어서,
상기 제1 평면(Pb)에서, 상기 외부 면(213) 및 상기 내부 면(214)의 형상은 원, 타원, 포물선, 또는 임의의 곡선의 일 부분에 의해서 이루어지는 것을 특징으로 하는, 러너(R).
제7항에 있어서,
분모로서, 상기 제1 연결점(A)과 상기 제2 연결점(C) 사이에서 측정된 상기 날개(21)의 높이(H),
분자로서, 상기 직선(L)과 상기 주변 에지(212) 사이에서, 상기 제1 평면(Pb)에 평행하게 측정된 최대 거리(D22)를 가지는, 제2 비율이 0%와 200% 사이인 것을 특징으로 하는, 러너(R).
제7항에 있어서,
상기 제1 평면(Pb)에서, 상기 주변 에지(212) 상의 중간점(N)은 상기 제1 및 제2 연결점들(A, C) 사이의 가운데에 위치하는 것을 특징으로 하는, 러너(R).
제7항에 있어서,
상기 제1 평면(Pb)에서, 상기 주변 에지(212)는 상기 주변에지의 오목한 부분이 상기 러너(R)의 터빈 모드에서의 회전 방향(R1)과 같은 방향을 향하도록 구부러진 것을 특징으로 하는, 러너(R).
제7항에 있어서,
상기 제1 평면(Pb)에 평행하게 측정되는, 상기 주변 에지(212) 상의 임의의 점과 상기 직선(L) 사이의 제2 거리(d2)는 상기 중간점(N)에서 최대인 것을 특징으로 하는, 러너(R).
제1항 또는 제2항에 따른 러너(R)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 수압 기계(M).
제13항에 있어서,
상기 러너(R)가 제공되고, 터빈 모드에서 작동하고 있을 때 상기 흐름(E)이 먼저 상기 날개(21)들의 외부 면(213)을 치는 것을 특징으로 하는, 수압 기계(M).
제13항에 따른 적어도 하나의 수압 기계(M)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 동력 전환 시설(I).