KR101556358B1 - 크로스형 블레이드 러너를 사용하는 프란시스 수차 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 낙차에 의해 발생하는 물의 위치에너지를 운동에너지로 변환할 때 전기를 생산하도록 된 수차에서 에너지의 효율전인 변환을 구현할 수 있도록; 외 측면이 내 측면보다 작게 형성되되; 상기 외 측면과 내 측면을 연결하는 상면과 저면은, 외 측 방향에서 내 측 방향으로 하향 경사진 곡면으로 이루어지되 상기 상면보다 저 면의 곡률 반지름이 작게 되어 있으며, 측면 상에서, 상기 밴드 링 체의 중심 선상을 기준으로, 상기 블레이드의 내 측면은, 저 면과 접하는 부위와 거리에 대하여, 상기 상면에 접하는 부위와의 거리가 0.4 ~ 0.6 배의 거리로 이루어지며; 평면상에서, 상기 밴드 링 체의 중심 선상을 기준으로, 상기 블레이드의 내 측면과 상면이 접하는 부위와 상기 내 측면과 저 면이 접하는 부위의 사이 각도보다, 외 측면과 상면이 접하는 부위와 외 측면과 저 면이 접하는 부위의 사이 각도가 더 크게 형성되는 것으로 이루어지는 블레이드를 가지는 크로스형 블레이드 러너를 사용하는 프란시스 수차를 제공한다.

Description

크로스형 블레이드 러너를 사용하는 프란시스 수차{A Francis Hydraulic Turbine with Cross Blade type Runner}

본 발명은, 프란시스 수차에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 낙차에 의해 발생하는 물의 위치에너지를 운동에너지로 변환할 때 전기를 생산하도록 된 수차로써, 에너지의 효율적인 변환을 구현할 수 있도록 된 크로스형 블레이드 러너를 사용하는 프란시스 수차에 관한 것이다.

일반적으로, 수력발전은, 육상에 존재하는 물의 유량과 낙차를 이용한 위치에너지를 기계적 운동에너지로 변환시켜 발전을 하는 것이다.

이러한 수력발전을 위한 수력기계는, 물이 많은 장소에 댐이나 저수조를 설치하여 상기 물을 유입함은 물론 유입된 물의 유량과 낙차를 이용하여 터빈을 회전시켜 동력 및 전기가 발생하도록 장치이다.

상기에서, 상기 수력기계에 사용되는 수력 터빈은, 유체(물)를 부채 모양의 고정날개와 가동날개에 통과시키며, 그중 가동날개를 회전시켜 유체에 저장된 에너지를 기계 에너지로 변환시키도록 된 것이다.

상기와 같은, 수력 터빈은, 충동식(衝動式)과 반동식(反動式)으로 나누어지는바, 댐이나 폭포의 수력학적 조건을 고려해 효율적인 것을 사용하는 것이 바람직하다.

즉, 물의 낙차가 크고 유속이 낮은 곳에는 충동식 수력 터빈을 사용하고, 약 450m 이하의 낙차나 중속 또는 고속의 유속에는 반동식 수력 터빈을 사용하는 것이 가장 바람직하다.

상기에서, 반동식 수력 터빈은, 회전자에서 물이 가속될 때 발생하는 반동력을 이용해 회전력을 얻도록 된 것으로, 상기 반작용 원리는 스프링클러가 물을 분사하면서 그 반대방향으로 회전하는 데서 찾아볼 수 있다.

상기에서, 물의 가속방법은. 프랜시스식·카플란식·데리아식 등의 터빈 종류에 따라 조금씩 차이가 있으며, 상기 반동식 터빈의 3가지 주요 종류 중 프랜시스 터빈은 넓은 범위(3~600m)의 수두에 사용할 수 있어 가장 널리 사용되고 있다.

즉, 혼합류 회전자를 가지어 입구에서는 물은 방사상(放射狀)으로 흐르고 출구에서는 축 방향으로 흐르도록 되어 있다.

이러한, 프란시스 수차(100)는, 도 8에서 도시된 바와 같이, 유체(물)가 나선형의 케이싱(C)에 들어가 러너(10)를 통해 흐르면서 회전력을 발생하도록 된 것으로, 유량이 일정한 경우에 효율이 높은 특성이 있다.

상기에서, 상기 러너(10)를 구성하는 블레이드(12)는, 유체 타격 및 충격 접선 방향 힘은 회전하는 터빈 샤프트를 초래하기 때문에 전기가 생산되는 센터로써 터빈의 구조에서 핵심을 차지한다.

이에, 하나의 블레이드 입구에서의 각도와 이러한 전력 생산에 영향을 미치는 주요 변수로 작용한다.

한국특허등록번호 제10-138054호(명칭: 일체형 케이싱 시스템을 구비한 수력기계)에서는, 공보에 기재된 바와 같이, 제1 유로가 하부면에 형성된 상부 케이싱; 상기 상부 케이싱과 결합하여 일체의 수차 케이싱을 형성하며, 상기 제1 유로와 결합하여 케이싱 유로를 형성하는 제2 유로가 상부면에 형성된 하부 케이싱; 상기 케이싱 유로의 내측에 위치하며, 상기 상부 케이싱과 하부 케이싱 중 어느 일측의 중앙부에 회전가능하게 설치되는 러너; 및 상기 케이싱 유로와 상기 러너 사이의 틈을 따라 상기 상부 케이싱과 하부 케이싱 중 어느 일측의 상기 러너의 둘레에 설치되는 유체 가이드;를 포함하며, 상기 수차 케이싱의 일 측면에는 상기 케이싱 유로로 유체가 유입되는 유입부가 마련되며, 상기 하부 케이싱의 중앙부에는 상기 케이싱 유로 및 상기 러너를 경유한 유체가 외부로 배출되는 구멍이 마련되는 것으로 이루어진 수력기계가 기재되어 있다.

또한, 한국특허등록번호 제10-1406180호(명칭: 개선된 흡출 관을 구비한 수력기계)에서는, 공보에 기재된 바와 같이, 유체가 유입되는 유입관; 상기 유입관으로부터 유입되는 유체에 의해 회전되는 러너; 상기 러너를 경유한 유체가 배출되는 흡출관; 및 상기 흡출 관의 내벽에 유체가 흐르는 방향으로 길게 연장되어 형성되는 복수의 홈들;을 포함하며, 상기 홈은 길이 및 폭에 비해 깊이가 상대적으로 작은 얕은 홈인 것으로 이루어진 수력기계가 기재되어 있다.

본 발명의 목적은, 낙차에 의해 발생하는 물의 위치에너지를 운동에너지로 변환할 때 전기를 생산하도록 된 수차로써, 에너지의 효율적인 변환을 구현할 수 있도록 된 크로스형 블레이드 러너를 사용하는 프란시스 수차를 제공하는 것에 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 크로스형 블레이드 러너를 사용하는 프란시스 수차는, 유체가 나선형의 케이싱에 들어가 러너를 통해 흐르면서 회전력을 발생하도록 된 프란시스 수차에 있어서; 상기한 러너는, 유체가 이동하는 유로 상에 회전 가능하게 마련되어 회전력을 수차의 주축에 전달하여 전기를 발생시키도록 된 것으로, 중심 선상에 상기 주축이 결합하는 결합부를 가지는 상부 덮개와, 상기 상부 덮개에 대하여 하측 방향으로 소정의 거리로 이격 되되 중앙에 유체가 이동되는 관통 홀을 가지며 상기 덮개와의 사이에 배치되는 블레이드들의 저 면들을 고정하는 밴드 링 체를 포함하고, 상기 블레이드들은, 중앙을 중심으로 다수 개가 방사상으로 배치되는 것으로 이루어지되; 상기 블레이드는, 외 측면이 내 측면보다 작게 형성되되 상기 외 측면과 내 측면을 연결하는 상면과 저면은 외 측 방향에서 내 측 방향으로 하향 경사진 곡면으로 이루어지되 상기 상면보다 저 면의 곡률 반지름이 작게 되어 있으며, 상기 블레이드의 내 측면은,
상기 밴드 링 체의 중심 선상에서 저 면과 접하는 부위와 거리에 대하여, 상기 밴드 링 체의 중심 선상에서 상기 상면에 접하는 부위와의 거리가 0.4 ~ 0.6 배의 거리로 이루어지며; 평면상에서, 상기 밴드 링 체의 중심 선상을 기준으로, 상기 블레이드의 내 측면과 상면이 접하는 부위와 상기 내 측면과 저 면이 접하는 부위의 사이 각도보다, 외 측면과 상면이 접하는 부위와 외 측면과 저 면이 접하는 부위의 사이 각도가 더 크게 형성되는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 크로스형 블레이드 러너를 사용하는 프란시스 수차는, 적용되는 러너가, 낙차에 의해 발생하는 물의 위치에너지를 운동에너지로 변환할 때 전기를 생산할 때, 에너지의 효율전인 변환을 구현할 수 있는 효과를 가진다.

도 1은, 본 발명에 따른 일 실시 예에 의한 크로스형 블레이드 러너를 사용하는 프란시스 수차에 적용되는 러너를 보인 개략 사시 예시도.
도 2는, 본 실시 예에 의한 크로스형 블레이드 러너를 사용하는 프란시스 수차에 적용되는 러너를 보인 개략 평면 예시도.
도 3은, 본 실시 예에 의한 크로스형 블레이드 러너를 사용하는 프란시스 수차에 적용되는 러너를 보인 개략 정면 예시도.
도 4는, 본 실시 예에 의한 크로스형 블레이드 러너를 사용하는 프란시스 수차에 적용되는 러너를 보인 개략 단면 예시도.
도 5 및 도 6은, 본 실시 예에 의한 크로스형 블레이드 러너를 사용하는 프란시스 수차에 적용되는 러너를 구성하는 블레이드의 형상을 보인 개략 예시도.
도 7은, 본 실시 예에 의한 크로스형 블레이드 러너를 사용하는 프란시스 수차에 적용되는 러너의 사용 상태를 보인 개략 단면 예시도.
도 8은, 본 실시 예에 의한 크로스형 블레이드 러너를 사용하는 프란시스 수차를 일부 발췌하여 보인 개략 단면 예시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예에 의한 크로스형 블레이드 러너를 사용하는 프란시스 수차를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시 예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

도 1 내지, 도 8, 본 발명에 따른 일 실시 예에 의한 크로스형 블레이드 러너를 사용하는 프란시스 수차를 보인 도면으로, 본 실시 예에 의한 크로스형 블레이드 러너를 사용하는 프란시스 수차(100)는, 유체가 나선형의 케이싱(C)에 들어가 러너(10)를 통해 흐르면서 회전력을 발생하도록 하고, 상기 러너(10)에 발생 된 회전력을 전기에너지로 전환하여 발전하도록 되어 있다.

이러한, 본 실시 예에 의한 프란시스 수차(100)에 적용되는 상기 러너(10)는, 프란시스 수차(100)에서 유체가 이동하는 유로 상에 회전 가능하게 마련되는 것으로, 회전력을 수차의 주축에 전달하여 전기를 발생시키도록 되어 있다.

즉, 상기 프란시스 수차(100)의 유로 상에서 배치됨과 아울러 수차의 주축(101)에 축 결합되는 것으로, 유로 상에서 이동하는 유체의 낙차에 의한 위치에너지는 인가받아 운동에너지로 전환하여 회전력을 발생하고, 발생 된 회전력을 수차의 주축(101)에 전달하여 전기에너지로 전환함으로써, 전기에너지를 얻도록 된다.

이와 같은, 본 실시 예에 의한 프란시스 수차에 적용되는 상기 러너(10)는, 도 4에서 도시된 바와 같이, 중심 선상에 상기 주축(101)이 결합하는 결합부를 가지는 상부 덮개(11)와, 상기 상부 덮개(11)에 대하여 하측 방향으로 소정의 거리로 이격 되되, 중앙에 유체가 이동되는 관통 홀을 가지며 상기 상부 덮개(11)와의 사이에 배치되는 블레이드(12)들의 저 면(1)을 고정하는 밴드 링 체(13)를 가진다.

즉, 상기 상부 덮개(11)와 상기 밴드 링 체(13)의 사이에, 유체가 인입되는 입구와 배출되는 출구 측 방향으로 유체가 이동하는 중에 상기 블레이드(12)에 위치에너지가 변화된 운동에너지를 인가하여 회전시키도록 되어 있다.

이에 따라, 상기 상부 덮개(11)에 결합하는 주축(101)에 회전력을 부여하여 전기에너지를 얻게 된다.

상기와 같이 이루어지는 상기 러너(1)에서, 상기 블레이드(12)들은, 중앙을 중심으로 다수 개가 방사상으로 배치된다.

이에 따라, 측 방향에서 인가되는 유체가 상기 블레이드(12)들의 사이 간격을 통해 유통하면서 다수의 블레이드(12)들의 측면에 압력을 가하여 회전시키게 된다.

이와 같이, 유체의 흐름에 의해 발생하는 압력에 의해 회전하는 상기 블레이드(12)는, 유체로부터 인가되는 압력을 효율적으로 인가받도록 되어 있어, 발전 효율을 높이는 것에 중요한 관점이 된다.

따라서, 유체의 원활한 흐름 패턴보다는 상기 블레이드(12)에 압력이 인가되는 운동 패턴의 특성이 더 중점적으로 고려하여 구성하는 것이 러너(10)를 구성하는 주 관점이 된다.

이와 같은, 러너(10)의 특성을 고려하여 이루어지는 본 실시 예에 의한 프란시스 수차(100)에 적용되는 상기 러너(10)에서, 상기 블레이드(12)는, 도 5에서 도시된 바와 같이 외 측면(3)이 내 측면(4)보다 작게 형성된다.

즉, 유체가 인입되는 입구에서 배출되는 출구 측으로 갈수록 크기가 점차 증대하게 된다.

이와 더불어, 상기 러너(10)에서는, 상기 블레이드(12)에서, 상기 외 측면(3)과 내 측면(4)을 연결하는 상면(2)과 저 면(1)은 외 측 방향에서 내 측 방향으로 하향 경사진 곡면으로 이루어진다.

그리고, 상기에서, 상기 블레이드(12)에서는, 상기 상면(2)보다 저 면(1)의 곡률 반지름이 작게 되어 있다.

즉, 입구의 최하 점(A)에 대하여 출구의 최하 점(B)가 하 측에 위치되게 구성된다.

상기와 같이 이루어지는 상기 러너(10)에서, 상기 블레이드(12)는, 도 5에서 도시된 바와 같이, 상기 블레이드(12)의 내 측면(4)은, 상기 밴드 링 체(13)의 중심 선상을 기준으로, 저 면(1)과 접하는 부위와(B) 거리에 대하여, 상기 상면(2)에 접하는 부위(D)와의 거리가 0.4 ~ 0.6 배의 거리로 이루어지는 것으로 이루어진다.

그리고, 평면상에서, 상기 블레이드(12)는, 도 6에서 도시된 바와 같이, 상기 밴드 링 체(13)의 중심 선상을 기준으로, 내 측면(4)과 상면(2)이 접하는 부위(D)와 상기 내 측면(4)과 저 면(1)이 접하는 부위(B)의 사이 각도(a)보다, 외 측면(1)과 상면(2)이 접하는 부위(C)와 외 측면(3)과 저 면(1)이 접하는 부위(A)의 사이 각도(i)가 더 크게 형성되는 것으로 이루어진다.

상기에서, 상기 내 측면(4)과 상면(2)이 접하는 부위(D)와 상기 내 측면(4)과 저 면(1)이 접하는 부위(B)의 사이 각도(a)는 15˚이하로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기와 같이 이루어지는 상기 러너(10)는, 상기 블레이드(12) 상에서 입구 측이 출구 측보다 작아 저 압력의 특성을 형성하고, 유체의 유동 패턴이 러너(10)의 회전 방향에서 형성되어 입구 측 유체의 압력이 원활하게 감소함으로써 캐비테이션 등과 같은 유체의 흐름에 방해되는 불안요소가 현저히 상쇄된다.

따라서, 상기 블레이드(12)의 흡입 측면(입구)을 따라 러너(10)의 측 부에서 압력이 균형화되어 방사상으로 배치된 상기 블레이드(12)들의 사이 간격들로 인입되는 유체들의 교차 되는 흐름이 상기 블레이드(12)의 측면을 가압하는 압력이 효율적으로 이루어진다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 프란시스 수차는, 적용되는 상기 러너가, 유체가 낙하하는 위치에너지를 효율적으로 운동에너지로 전환할 수 있는 설계 사상이 반영된 것을 기술적 구성의 특징으로 한다.

이상에서 설명된 본 발명의 일 실시 예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

1 : 블레이드의 저면 2 : 블레이드의 상 면
3 : 블레이드의 외 측면 4 : 블레이드의 내 측면
10 : 러너 11 : 상부 덮개
12 : 블레이드 13 : 밴드 링 체
100: 프란시스 수차 101 : 주축
C : 케이싱

Claims (1)

1. 유체가 나선형의 케이싱에 들어가 러너를 통해 흐르면서 회전력을 발생하도록 된 프란시스 수차에 있어서;
   상기한 러너는,
   유체가 이동하는 유로 상에 회전 가능하게 마련되어 회전력을 수차의 주축에 전달하여 전기를 발생시키도록 된 것으로, 중심 선상에 상기 주축이 결합하는 결합부를 가지는 상부 덮개와, 상기 상부 덮개에 대하여 하측 방향으로 소정의 거리로 이격 되되 중앙에 유체가 이동되는 관통 홀을 가지며 상기 덮개와의 사이에 배치되는 블레이드들의 저 면들을 고정하는 밴드 링 체를 포함하고;
   상기 블레이드들은,
   중앙을 중심으로 다수 개가 방사상으로 배치되는 것으로 이루어지되;
   상기 블레이드는,
   외 측면이 내 측면보다 작게 형성되되 상기 외 측면과 내 측면을 연결하는 상면과 저면은 외 측 방향에서 내 측 방향으로 하향 경사진 곡면으로 이루어지되 상기 상면보다 저 면의 곡률 반지름이 작게 되되,
   상기 블레이드의 내 측면은,
   상기 밴드 링 체의 중심 선상에서 저 면과 접하는 부위와 거리에 대하여, 상기 밴드 링 체의 중심 선상에서 상기 상면에 접하는 부위와의 거리가 0.4 ~ 0.6 배의 거리로 이루어지며,
   평면상에서,
   상기 밴드 링 체의 중심 선상을 기준으로, 상기 블레이드의 내 측면과 상면이 접하는 부위와 상기 내 측면과 저 면이 접하는 부위의 사이 각도보다, 외 측면과 상면이 접하는 부위와 외 측면과 저 면이 접하는 부위의 사이 각도가 더 크게 형성되는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 크로스형 블레이드 러너를 사용하는 프란시스 수차

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