KR101765188B1 - 수력발전일체형수문 - Google Patents

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KR101765188B1
KR101765188B1 KR1020170020617A KR20170020617A KR101765188B1 KR 101765188 B1 KR101765188 B1 KR 101765188B1 KR 1020170020617 A KR1020170020617 A KR 1020170020617A KR 20170020617 A KR20170020617 A KR 20170020617A KR 101765188 B1 KR101765188 B1 KR 101765188B1
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김상국
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하서산업 주식회사
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Abstract

본 발명은 수력발전일체형수문에 관한 것으로서, 수로내의 유체가 가진 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 수력발전장치에 있어서 수로를 개폐시키는 수문부에 방사형(放射形)으로 익형(翼型) 런너(Runner) 사이로 유체의 흐름으로 회전하도록 구성된 수차(水車), 증속기, 발전기로 이뤄진 발전유니트를 수문의 하류측 유입구에 돌출되게 구성된 케이싱유니트를 일체로 결합시키고, 유입구의 유로 단면적을 원호상의 랙기어를 따라 조절 또는 개폐시키는 조절밸브와 상기 수차내에 결합시킨 런너조정판으로 런너의 각도를 조정할 수 있도록 구성함으로서, 홍수시 수문의 개방과 조절밸브로 발전유니트를 보호할 수 있으며, 유량과 낙차가 설계조건과 상이하게 변경되어도 최적의 효율을 내는 런너각도로 현장에서 조정할 수 있고, 수리시에는 수차를 쉽게 분리 설치할 수 있으며, 다른 현장으로 이설의 경우 즉시 적용할 수 있도록 현장 적용성이 큰 수력발전일체형이다.

Description

수력발전일체형수문{Floodgate equipped with Hydro Power Generation}
본 발명은 수로에 수문과 소수력발전장치를 일체화시켜 물의 흐름을 이용하여 유체가 가진 에너지를 전기적 에너지로 변환 발전시키는 수력발전일체형수문에 관한 것이다.
우리나라 에너지 자원의 90% 이상을 해외에서 수입하고 있어 에너지의 공급구조가 매우 취약하지만 수력발전은 하천이나 저수지의 유수의 흐름을 이용하여 유체가 가진 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 것으로서 재생 가능하고 이산화탄소를 배출하지 않는 청정에너지로 지구온난화 방지에 공헌하고 있어 개발의 필요성이 점점 높아지는 중요한 청정에너지이다.
수력발전은 유체의 유량과 낙차에 따라 발전의 규모는 2MW 이상의 대수력과, Mini: 100kW 2MW, Micro: 5kW 100kW, Pico: 5kW 미만의 소수력발전으로 구분되며, 대규모 댐이나 저수지를 건설하는 토목공사를 수반하는 대수력에 비하여 소수력은 출력규모가 작은 수력인 것은 당연하지만 하천수, 농업용수, 상하수도, 냉각수 등의 물을 그대로 이용하는 유입식과 보를 막아서 유량과 낙차를 형성하는 수로식으로 대규모 토목공사가 필요 없으므로 친환경적이고 설치할 수 있는 장소 또한 많은 장점이 있다.
상기와 같은 여러 가지 장점에도 불구하고 소수력발전은 상대적으로 적은 유량과 낙차로 인한 낮은 발전효율로 경제성이 낮으므로 경제성을 극대화시킬 수 있으면서, 설치와 운용 및 유지보수가 용이한 새로운 소수력발전장치에 대한 요구가 높아지고 있다.
종래의 소수력발전에 사용되는 수차의 종류는 유체가 가지고 있는 압력수두, 속도수두 및 위치수두 중에서 속도수두를 이용하는 충동수차와 압력수두를 이용하는 반동수차로 구분되는데, 충동수차인 펠톤(Pelton)수차, 터고(Turgo)수차, 횡류(Cross Flow)수차는 유체의 속도수두를 기계적 에너지로 변환하므로 발전효율이 떨어지는 문제점이 있고, 반동수차인 프란시스(Francis)수차, 튜블러(Tubular)수차, 벌브(Bulb)수차는 원주방향에서 유체의 공급이 이뤄지고 L자형 드래프트 튜브를 통해 방류되므로 이의 설치 장소에 제약이 있으며, 홍수시 유입되는 부유 협잡물로 인한 수차의 파손이 발생하는 문제와, 유체의 압력수두를 기계적 에너지로 변환시키므로 발전효율이 떨어지는 문제와, 충동수차와 반동수차 공히 수문에 일체화시킬 수 없는 구조상의 문제점이 있다.
상기와 같이 종래의 소수력발전장치의 수차의 문제점들을 개선하기 위하여 다양한 기술이 개발되었다.
일례로 특허문헌 1은 대한민국 등록특허 제10-1642444호 "소수력 발전장치"는 유체의 흐름이 있는 수로(60) 상에 설치하여 유체가 통과하는 하우징(10)과; 하우징(10) 내부에 탈부착 가능케 삽입 설치하는 프레임(20)과; 프레임(20)에 회전 가능케 설치되어 상기 하우징(10)을 통과하는 유체의 흐름에 의해 회전하는 수차(30)와; 수차(30)의 상부에 입력축(401)을 삽입 설치하여 유체의 흐름에 의해 회전하는 수차(30)의 회전속도를 증속시켜 상부의 출력축(402)으로 출력하는 증속기(40)와; 증속기(40)의 출력축(402)과 연결되게 설치되어 출력축(402)의 회전에 의해 발전하여 전력을 생산하는 발전기(50)를 포함하고, 수차(30)는, 관체로 된 회전축(301)과; 일면 가장자리를 따라서 지지판(302a)을 방사형으로 돌출 형성하여 회전축(301)의 상하단부에 대칭이 되게 일체로 형성한 한 쌍의 보강판(302)과; 한 쌍의 보강판(302)에서 각각 돌출 형성되어 상하 일렬로 위치하는 지지판(302a)간에 각각 일체로 형성하여 보강판(302)의 둘레에 방사형으로 배치하는 블레이드(303)와; 회전축(301)과 블레이드(303)사이에 환상의 공간부(304)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하고 있다.
이렇게 구성된 상기 특허(특허문헌 1)는 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 소수력발전장치가 위치하는 곳이 비교적 유량과 낙차가 있는 장소에 설치하여 평소에는 수력발전을 하다가 홍수로 상류측 수위가 갑자기 상승하여 정상적인 수력발전을 할 수 없는 상황이 되면 수차로 유입되는 유입구를 폐쇄시킬 수 없으며 상류로부터 떠내려 오는 나뭇가지를 포함한 여러가지 협잡물로부터 발전시스템을 보호할 수 없는 문제가 있다.
둘째, 발전시스템인 수차, 증속기, 발전기를 프레임에 일체화시켰으나, 별도의 고정장치가 없이 토목구조물에 마음대로 움직일 수 있는 자유체(Free Body)로 삽입시킴으로서 운전중에 수차를 통과한 유체의 빠른 유속으로 인한 볼텍스(Vortex)의 발생으로 발전시스템이 심하게 진동을 발생시켜서 수차의 회전속도와 프레임의 고유진동수가 같아지게 되면 공진(共振)으로 진동이 심하게 되어 발전을 할 수 없는 문제와 심한 진동으로 상하부 베어링의 파손이 자주 발생하여 교체해야 하는 문제가 있다.
셋째, 수차의 성능이 설계 유량과 낙차와 설치후 실제 현장에서 사용하는 유체의 유량과 낙차가 상이할 경우 제작된 수차의 목표성능을 시현(示現)할 수 없으며 목표성능에 도달하지 않으면 수력발전장치를 발주자에게 적기에 인도할 수 없는 문제가 있다.
넷째, 평소에는 수력발전을 하다가 발전시스템에 이상이 발생하여 점검을 해야 하는 경우 발전시스템을 전부 설치의 역순으로 분리 견인하여 제작공장으로 운송 점검후 고장난 부분을 교체한 후 설치하는 과정을 거쳐야 하는 문제가 있다.
다섯째, 발전시스템에 이상이 발생한 경우 제작공장으로 운송 점검후 고장난 부분을 교체한 경우에도 제작공장에서 성능을 확인해 볼 수 있는 유량과 낙차를 가진 설비가 없으므로 현장에서 재설치후 확인검사를 해야 하는 과정을 거쳐야 하는 문제점이 있다.
또한, 다른 일례인 특허문헌 2(대한민국 등록특허 제10-1200458호)는 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 위와 같은 발명은 수력발전장치를 설치함에 있어서 발전시스템을 구성하는 각 구성품 즉 수차, 가동식 게이트, 증속패널, 발전기 등을 현장에서 하나씩 정밀도를 유지하여 설치하여야 하므로 고도의 기술을 가진 인력이 반드시 현장에서 오랜 기간동안 설치해야 하는 문제가 있다.
둘째, 수차의 성능이 설계 유량과 낙차와, 설치후 실제 현장에서 사용하는 시험 유량과 낙차가 상이할 경우 제작된 수차의 목표성능을 시현(示現)할 수 없으며 목표성능에 도달하지 않으면 수력발전장치를 발주자에게 적기에 인도할 수 없는 문제가 있다.
셋째, 소수력발전장치가 위치하는 곳이 비교적 유량과 낙차가 있는 장소에 설치하여 평소에는 수력발전을 하다가 홍수로 상류측 수위가 갑자기 상승하여 정상적인 수력발전을 할 수 없는 상황이 되면 수차로 유입되는 유입밸브를 폐쇄시키도록 구성되어 있으나 낙차를 최대한 이용하기 위하여 수차와 발전기의 수력발전설비가 낮은 위치에 설치될 수밖에 없으므로 급류에 상류로부터 떠내려 오는 나뭇가지를 포함한 여러 가지 협잡물로부터 발전시스템을 완벽하게 보호할 수 없는 문제가 있다.
넷째, 평소에는 수력발전을 하다가 발전시스템에 이상이 발생하여 점검을 해야 하는 경우 발전시스템 구성품들을 전부 설치의 역순으로 분리 견인하여 제작공장으로 운송 점검후 고장난 부분을 교체한 후 설치하는 과정을 거쳐야 하는 문제가 있다.
다섯째, 발전시스템의 이상이 발생한 경우 제작공장으로 운송 점검후 고장난 부분을 교체한 경우에도 제작공장에서 성능을 확인해 볼 수 있는 유량과 낙차를 가진 설비가 없으므로 현장에서 재설치후 확인검사를 해야 하는 과정을 거쳐야 하는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 10-1642444호 대한민국 등록특허 10-1200458호
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 유체의 유량과 낙차가 설계조건과 상이하게 변경되어도 최적의 효율을 내는 런너각도로 현장에서 조정할 수 있고, 수리시에는 수차를 쉽게 분리 설치할 수 있으며, 다른 현장으로 이설의 경우 즉시 적용할 수 있도록 현장 적응성이 큰 수력발전일체형수문을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 안출된 본 발명은, 수로에 배설된 문틀에 설치되어서 수로를 개폐시키는 수문부; 상기 수문부의 상하류측에 개구부(開口部)와 개구부를 연결시키는 유로를 형성하고 하류측으로 설치된 케이싱유니트; 상기 케이싱유니트에 설치된 회전축에 결합되고 유체가 유로를 통과할 때 회전축을 회전시켜서 유체의 에너지를 기계적 에너지로 변환하도록 구성된 수차(水車); 상기 케이싱유니트에 설치되고 유로 단면적을 조절 또는 개폐시켜서 수차의 회전 속도를 변화시키거나 정지시키는 조절밸브; 케이싱유니트에 설치되고 회전축에 연결되어서 회전축의 속도를 증속시키는 증속기(增速機); 상기 증속기에 연결되어서 증속기의 회전력을 전기적 에너지로 변환시키는 발전기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 케이싱유니트는, 상기 수차의 상류측 유로의 폭을 감소시켜서 유속의 증속과 수차의 상류측을 수납(受納)할 수 있도록 구성된 입력결합구와, 수차의 하류측 수로의 폭의 감소에 의해 유속을 증속시키면서 수차의 하류측을 수납(受納)할 수 있도록 토출결합구가 구성되고; 수차의 상하부측으로 상하외판(上下外板)과, 좌우방향으로 좌우외판(左右外板)이 구성되며; 수문부에 탈착가능하게 결합된다.
바람직하게, 상기 수차는, 상기 케이싱유니트에 배설된 한 쌍의 수직 회전축에 각각 설치되는 수차상판 및 수차하판과, 양단이 수차상판 및 수차하판의 중심 피치원(Pitch Circle)에 익열간격(翼列間隔)으로 배열된 런너축결합홀(Runner 軸結合 Hole)에 회전가능하도록 결합되고 수차상판 및 수차하판에 방사형(放射形)으로 배열되는 익형(翼型) 런너(Runner)로 이루어지며; 유체가 조절밸브에 의해 한 쌍의 수차 사이의 유로를 통과하면서 런너를 밀어 회전축을 회전시키므로 유체의 에너지를 기계적 에너지로 변환하도록 구비된다.
바람직하게, 상기 수차는, 상기 수차상판(水車上板) 하측과 수차하판(水車下板) 상측에 각각 결합되고 런너조정판의 원외단(圓外端)에 런너 수와 동일한 런너단결합홀(Runner端 結合Hole)이 형성되며 런너단결합홀에는 런너의 일부가 삽입되는 런너조정판과, 런너조정판에 연결되어서 런너조정판을 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하여 런너의 각도를 조정하는 런너조정구를 포함하여 구성된다.
바람직하게, 상기 조절밸브는, 상기 회전축에 공회전되도록 결합되고 수차의 둘레 일부를 감싸도록 원기둥 곡면 형태로 형성되며 입력결합구와 수차 사이의 유로의 단면적을 조절 또는 개폐하는 밸브챔버와, 밸브챔버의 상단 둘레에 원호형(圓弧形)으로 구비되고 피니언 기어와 치합되어서 피니언 기어의 회전시 밸브챔버가 회전축을 중심으로 회전되도록 하는 랙기어로 구성된다.
이상에서와 같이 구성된 본 발명의 수력발전일체형수문을 현장에서 설치함에 있어서 발전시스템을 구성하는 각 구성품 즉 런너, 수차, 조절밸브, 증속기, 발전기 등을 공장내에서 케이싱유니트에 조립시키므로 현장에서 일반 기술자들이 짧은 시간 내에 설치할 수 있는 장점이 있다.
그리고, 본 발명의 수력발전일체형수문은 수차의 성능이 설계 유량과 낙차와, 설치후 실제 현장에서 사용하는 시험 유량과 낙차가 상이할 경우 제작된 수차의 목표성능을 런너조정구로 현장에서 쉽게 조정하여 시현(示現)할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 수력발전일체형수문은, 조절밸브를 폐쇄시킴으로서 홍수시 급류에 상류로부터 떠내려 오는 나뭇가지를 포함한 여러 가지 협잡물로부터 발전시스템을 완벽하게 보호할 수 있다.
나아가, 본 발명의 수력발전일체형수문은, 평소에는 수력발전을 하다가 발전시스템에 이상이 발생하여 점검 또는 수리가 필요한 경우 케이싱유니트를 분리하여 필요한 기계만 제작공장으로 운송 점검후 고장난 부분을 교체함으로써 유지보수를 매우 효율적으로 수행할 수 있는 효과가 있다.
더불어, 본 발명의 수력발전일체형수문은, 홍수로 상류측 수위가 갑자기 상승하여 정상적인 수력발전을 할 수 없는 상황이 되면 수문을 개방시킴으로서 상류로부터 떠내려 오는 나뭇가지를 포함한 여러 가지 협잡물로부터 발전시스템을 보호할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명의 수력발전일체형수문은, 발전시스템인 런너, 수차, 증속기, 발전기를 케이싱유니트에 일체화시키고 수문부에 결합시킴으로서 진동을 억제할 수 있으며 다른 장소로 이설하여도 바로 발전을 할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 수력발전일체형수문의 실시에 따른 개방상태를 나타내는 정면도.
도 2는 본 발명의 수력발전일체형수문의 실시 예에 따른 수차하부를 나타내는 설치 평면도.
도 3은 본 발명의 수력발전일체형수문의 수문외형을 나타내는 정면도.
도 4는 도 3의 수차의 조립상태를 나타내는 정면도.
도 5는 도 2의 평면도.
도 6은 도 4의 측면도.
도 7은 본 발명의 수력발전일체형수문의 케이싱유니트의 내부를 나타내는 사시도.
도 8은 본 발명의 수력발전일체형수문의 케이싱유니트의 외부를 나타내는 사시도.
도 9는 본 발명의 수력발전일체형수문의 조절밸브를 나타내는 사시도.
도 10은 본 발명의 수차상판, 수차하판, 수차의 런너 각도 조정판을 나타내는 평면도 및 측면도.
도 11은 본 발명의 수력발전일체형수문의 수차를 나타내는 사시도.
도 12는 본 발명의 수력발전일체형수문의 수차의 입력결합구를 나타내는 사시도.
도 13은 본 발명의 수력발전일체형수문의 수차의 토출결합구를 나타내는 사시도.
도 14는 본 발명의 수력발전일체형수문의 다른 실시 예를 나타내는 평면도.
도 15는 본 발명의 수력발전일체형수문의 런너조정구를 나타내는 사시도.
이하, 본 발명의 수력발전일체형수문의 바람직한 실시 예에 따른 구성과 작용, 장점과 특징은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 수력발전일체형수문의 실시에 따른 개방상태를 나타내는 정면도이고, 도 2는 본 발명의 수력발전일체형수문의 실시 예에 따른 수차하부를 나타내는 설치 평면도이다. 도 3은 본 발명의 수력발전일체형수문의 수문외형을 나타내는 정면도이고, 도 4는 도 3의 수차의 조립상태를 나타내는 정면도이며, 도 5는 도 2의 평면도이고, 도 6은 도 4의 측면도이다. 도 7은 본 발명의 수력발전일체형수문의 케이싱유니트의 내부를 나타내는 사시도이고, 도 8은 본 발명의 수력발전일체형수문의 케이싱유니트의 외부를 나타내는 사시도이며, 도 9는 본 발명의 수력발전일체형수문의 조절밸브를 나타내는 사시도이다.
도 10은 본 발명의 수차상판, 수차하판, 수차의 런너 각도 조정판을 나타내는 평면도 및 측면도이다. 도 11은 본 발명의 수력발전일체형수문의 수차를 나타내는 사시도이고, 도 12는 본 발명의 수력발전일체형수문의 수차의 입력결합구를 나타내는 사시도이며, 도 13은 본 발명의 수력발전일체형수문의 수차의 토출결합구를 나타내는 사시도이다. 또한, 도 14는 본 발명의 수력발전일체형수문의 다른 실시 예를 나타내는 평면도이고, 도 15는 본 발명의 수력발전일체형수문의 런너조정구를 나타내는 사시도이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 것에 의해 한정되는 것의 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 다만 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의하여 정의된다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우, 그에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 수력발전일체형수문은 유체가 상하류로 유로(50)를 형성하는 수로(10) 내의 유체가 가진 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 수력발전장치에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 수로(10)의 내측에 횡측으로 배설한 문틀(20)과 이를 따라 상하로 주행하여 수로를 개폐시키는 수문부(100); 상기 수문부(100)의 상하류측에 개구부(開口部)와 개구부를 연결시키는 유로(50)를 형성하고 하류측 유입구(164)에 하류측으로 돌출되게 구성된 케이싱유니트(150); 상기 케이싱유니트(150)의 내측에 대향(對向) 배설된 한 쌍의 수직 회전축(210)의 원둘레측 수차상하판(水車上下板, 202, 203)의 중심 피치원(Pitch Circle)에 익열간격(翼列間隔)으로 배열된 런너축결합홀(Runner 軸結合 Hole, 207)에 방사형(放射形)으로 익형(翼型) 런너(Runner, 201)를 결합시켜서 유체의 에너지가 런너(201)에 연속적으로 작용하여 회전시키므로 기계적 에너지로 변환하도록 구성된 수차(水車, 200); 상기 케이싱유니트(150)의 내부 상류측에 설치되고 원호상의 랙기어(171)를 따라 회동되면서 유로 단면적을 조절 또는 개폐시키는 조절밸브(170); 상기 회전축(210)은 케이싱유니트(150)의 상하외판(185, 186)에 회전되게 베어링(211, 212)을 외설(外設)결합시키고 케이싱유니트(150)의 상부측으로 회전축(210)의 속도를 증속시키도록 외설된 증속기(增速機, 300); 상기 증속기(300)의 상부측 출력축(302)의 원둘레측에 증속기(300)의 회전력을 전기적 에너지로 변환시키는 발전기를 포함한다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 수력발전일체형수문은 수로(10)를 개폐시키는 수문부(100), 개폐장치(30) 및 자동제어부(40)와, 수로(10)의 유체가 가진 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 케이싱유니트(150), 증속기(300) 및 발전기(400)를 포함한다.
먼저, 수문(110)은 수로(10)를 막아서 횡방향으로 일정한 간격을 두고 일측과 타측에 구성한 수문구조물(21) 사이에 문틀(20)이 배설되고, 수문구조물(21) 상부에 평상시에는 수문(110)으로 수로(10)를 폐쇄하여 케이싱유니트(150)에 일체화된 수차(200), 증속기(300), 발전기(400)(이하 발전유니트(140)라 함)의 유기적인 작동으로 유체가 가진 에너지를 기계적 에너지로 다시 전기적 에너지로 변환시켜서 발전을 하다가, 홍수로 인하여 발전에 부적합하거나, 발전유니트(140)의 고장으로 발전을 할 수 없는 경우 수문(110)을 개폐장치(30)와 자동제어부(40)로 개방시키거나 다시 폐쇄위치로 복원시켜서 발전을 한다.
상기 수문부(100)는 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 수문(110), 개폐장치(30), 자동제어부(40), 유입구(164)로 구성되어 있다.
수문(110)은 내외수위에 따른 수압하중, 케이싱유니트(150)에 작용하는 정적(靜的) 및 동적(動的)하중 등 수문(110)에 작용하는 각종 하중에 적합한 스킨플레이트 및 보강부재(113)의 강성(强性)과 강성(剛性)을 갖도록 구성한다. 개폐장치(30)는 수문(110)에 결합된 주행롤러(111)가 문틀(20)을 따라 개폐되며 수문(110)과 개폐장치(30)는 스핀들(31)과 브라켓(112)에서 결합되어 개폐력을 수문(110)에 전달하고 자동제어부(40)에서 개폐를 제어한다.
상기 스킨플레이트에는 둘레측으로 지수고무(미도시)를 부착하여 문틀(20)과 수문(110) 사이의 수밀을 유지하여 유수의 누설을 방지하도록 구성하는 것이 바람직하다. 또한 수문(110)과 발전유니트(140)에 작용하는 정적(靜的) 및 동적(動的)하중이 주행롤러(111)를 통하여 문틀(20)에 전달되므로 이러한 하중에 견딜 수 있도록 강성(强性)과 강성(剛性)을 갖도록 구성한다.
상기 발전유니트(140)는 수차(200), 증속기(300), 발전기(400) 및 케이싱유니트(150)로 구성된다.
여기서, 수차(200)는 도 5 내지 도 7 및 도 10 내지 도 11에 도시한 바와 같이, 케이싱유니트(150)에 배설된 한 쌍의 수직 회전축(210)에 각각 설치되는 수차상판(202) 및 수차하판(203)과, 양단이 수차상판(202) 및 수차하판(203)의 중심 피치원(Pitch Circle)에 익열간격(翼列間隔)으로 배열된 런너축결합홀(Runner 軸結合 Hole, 207)에 회전가능하도록 결합되고 수차상판(202) 및 수차하판(203)에 방사형(放射形)으로 배열되는 익형(翼型) 런너(Runner, 201)로 이루어진다. 따라서, 유체가 조절밸브(170)에 의해 한 쌍의 수차(200) 사이의 유로(50)를 통과하면서 런너(201)를 밀어 회전축(210)을 회전시키므로 유체의 에너지를 기계적 에너지로 변환하도록 구비된다.
이 수차(200)에는, 상기 수차상판(水車上板, 202) 하측과 수차하판(水車下板, 203) 상측에 각각 결합되고 런너조정판(204)의 원외단(圓外端)에 런너(201) 수와 동일한 런너단결합홀(Runner端 結合Hole, 205)이 형성되며 런너단결합홀(205)에는 런너의 일부가 삽입되는 런너조정판(204)과, 런너조정판(204)에 연결되어서 런너조정판(204)을 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하여 런너(201)의 각도를 조정하는 런너조정구(208)를 포함하여 구성된다.
즉, 수차상판(202)과 수차하판(203)의 중심에는 수직으로 회전축(210)이 위치하며 유니트프레임(154)에 배설된 상부베어링(211)과 하부베어링(212)에서 지지회동되며 상부측으로 축이음하여 증속기(300)와 발전기(400)를 차례로 결합시킨다.
수차상하판(202, 203)은 중심에 회전축(210)이 상하로 관통할 수 있도록 원둘레측 피치원(Pitch Circle) 상에 런너축결합홀(Runner 軸結合 Hole, 207)을 등간격(等間隔)으로 각각 배열시키고, 런너(Runner, 201)의 상하 양단에 회동지지 가능한 런너축(206)을 연장시킨 런너(Runner, 201)를 방사형(放射形) 익열간격(翼列間隔)으로 상하 런너축결합홀(Runner 軸結合 Hole, 207)과 결합시킨다.
런너조정판(204)은 수차상판(202)의 하측과 수차하판(203)의 상측에 배치시키며, 그 원둘레단에 런너(201)의 날개와 결합시키는 런너결합홀(205)을 방사형(放射形)으로 수차상하판(202, 203)의 런너축결합홀(207)과 동일한 익열간격(翼列間隔)으로 배열하여 익형 런너(201)의 회동을 지지 고정시키고, 런너조정판(204)의 내측 대칭되는 곳에 후술하는 런너조정구(208)가 수차상판(202)의 상부로 관통시켜서 상부에서 조절할 수 있도록 구비한다.
런너조정구(208)는 도 5, 도 7, 도 10 내지 도 11 및 도 15에 도시된 바와 같이, 런너조정판(204)의 상부에 대칭되는 곳에 배치되고 수차상판(203)의 상측으로 돌출되어 있으며, 런너조정구(208)에는 볼트축(216)이 고정되어 있다. 볼트축(216)에는 조정축(209)의 상단이 볼트축(216)을 따라 이송가능하게 조정축(209)이 결합되어 있고, 조정축(209) 양측의 볼트축(216)에는 너트(217)들이 체결되어 있다.
따라서, 조정축(209) 좌우측에 배설된 너트(217)들을 같은 방향으로 회전시키면 조정축(209)이 볼트축(216)의 길이방향을 따라 이송되며, 이때 런너조정판(204)은 회전축(210)을 중심으로 회전하게 된다. 상하의 런너조정판(204)의 런더단결합홀(205)에는 런너(201)가 결합되어 있으므로, 조정축(209)에 의해 런너조정판(204)이 회전되면 런너(201)가 약 10° 범위 내에서 회전된다. 너트(217)들을 상술한 반대방향으로 회전시키면 볼트축(216)이 볼트축(216)을 따라 상술한 반대방향으로 이송되며, 이에 따라 런너(201)도 상술한 반대방향으로 회전된다.
이와 같이 런너(201)의 각도 조정이 종료되면 수차상판(202)에 형성된 관통구멍(214)과 런너조정판(204)에 구성된 런너조정판고정홀(213)에 볼트(215)를 결합하여서 고정시킨다.
이 때 런너(201)의 익형과 익형의 설치각도 및 익렬간격은 수력발전을 하고자 하는 장소의 가장 많은 빈도의 유량(Q, m³/sec)과 유효낙차(H, m)에 대하여 유체역학적으로 비속도(比速度)에 가장 적합한 형식을 선정하는 것이 바람직하다.
그리고 런너(201)의 익형을 특정하는 비속도(比速度)는
Figure 112017015757748-pat00001
의 관계식에서 적정한 비속도(ns)의 범주 안에서 적합한 형식을 선택하는 것이 바람직하다. 여기서 ns는 비속도, N은 수차의 분당회전수 (rpm), L는 출력(kW)이다.
상기 케이싱유니트(150)는 도 1 내지 도 14에 도시한 바와 같이 유니트프레임(154), 유입구(164), 토출구(165), 입력챔버(153), 토출챔버(163), 상하좌우외판(185, 186, 183, 184), 조절밸브(170)로 구성되어 있다.
이러한 케이싱유니트(150)에는, 상기 수차(200)의 상류측 유로(50)의 폭을 감소시켜서 유속의 증속과 수차(200)의 상류측을 수납(受納)할 수 있도록 구성된 입력결합구(151)와, 수차(200)의 하류측 수로의 폭의 감소에 의해 유속을 증속시키면서 수차(200)의 하류측을 수납(受納)할 수 있도록 토출결합구(161)가 구성되고; 수차(200)의 상하부측으로 상하외판(上下外板, 185, 186)과, 좌우방향으로 좌우외판(左右外板, 183, 184)이 구성되며; 수문부에 탈착가능하게 결합된다.
즉, 케이싱유니트(150)는 수차(200)의 상류측 유로(50)의 폭을 감소시켜서 유속의 증속시킴과 동시에 수차(200)의 상류측을 수납(受納)할 수 있도록 구성된 입력챔버(153)와 전외판(前外板, 181)을 케이싱유니트(150)에 결합시키고, 입력결합구(151)의 입력결합플렌지(152b)와 수문의 입력결합플렌지(152a)를 결합시키고, 수차(200)의 하류측 수로의 폭의 감소에 의해 유속을 증속시킴과 동시에 수차(200)의 하류측을 수납(受納)할 수 있도록 구성된 토출챔버(163)를 토출결합플렌지(162a)와 결합시키고, 케이싱유니트(150)의 토출결합플렌지(162b)와 플렌지 결합시킨다. 수차(200)의 상하부측으로 상하외판(上下外板, 185, 186)과 좌우방향으로 좌우외판(左右外板, 183, 184)을 구성하여 유니트프레임(154)에 결합한 후 수문부(100)에 탈착가능하게 결합하는 것이 바람직하다.
상기 조절밸브(170)는, 상기 회전축(210)에 공회전되도록 결합되고 수차(200)의 둘레 일부를 감싸도록 원기둥 곡면 형태로 형성되며 입력결합구(151)와 수차(200) 사이의 유로(50)의 단면적을 조절 또는 개폐하는 밸브챔버(174)와, 밸브챔버(174)의 상단 둘레에 원호형(圓弧形)으로 구비되고 피니언 기어(172)와 치합되어서 피니언 기어(172)의 회전시 밸브챔버(174)가 회전축(210)을 중심으로 회전되도록 하는 랙기어(171)로 구성된다.
즉, 조절밸브(170)는 회전축(210)을 회전 중심으로 부채꼴을 이루는 밸브챔버(174)를 수차(200)의 내측면과 입력결합구(151) 사이를 원호형(圓弧形) 랙기어(171)와 피니언 기어(172)의 치합(齒合)으로 개폐시키도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 증속기(300)는 수차(200)의 회전속도를 증속시켜 발전기(400)로 전달하기 위하여 회전축(210)을 축이음하여 상기 케이싱유니트(150) 상부에 고정 설치된다. 또한, 수차(200)의 회전축(210)과 연결된 입력축(301)의 회전속도를 증속하여, 증속기(300)의 상단부로 돌출 형성된 출력축(302)으로 출력하기 위하여 내부에는 회전속도를 증속시키는 증속기어(303)를 구비하는데, 상기 증속기(300)의 증속기어(304)는 본 발명의 기술 분야에서 통상의 기술자에 의해 쉽게 이해되고, 용이하게 실시 가능한 공지기술에 해당하는바, 그에 대한 도면의 도시나 구체적인 기술적 설명은 생략한다.
상기 발전기(400)는 상기 케이싱유니트(150)의 상단부에 배설한 증속기(300)의 출력축(302)과 상부로 축이음하여 발전기(400)의 구동부에 연결함으로써 출력축(402)의 회전에 의해 구동부가 회전하면서 발전하여 전력을 생산하도록 배치한다.
그리고, 상기 수차(200)는 상기 케이싱유니트(150)에 배설된 상하부베어링(211, 212)에 의해 회동 지지되어 상기 수문부(100)를 통과하는 유체의 흐름에 의해 회전하도록, 상기 케이싱유니트(150)내에 한 쌍을 세로 방향으로 세워서 대칭으로 배설하고, 상기 케이싱유니트(150)의 입력결합구(151)가 상기 한 쌍의 수차(200) 사이에 위치하게 하여, 상기 케이싱유니트(150)의 유로(50)를 통과하는 유체가 런너(201)에 연속적인 작용으로 회전하여 기계적 에너지로 변환하도록 한 쌍의 수차(200)가 서로 반대 방향으로 회전하도록 배설한다.
한편, 수로(10) 폭이 좁을 경우의 실시 예로서, 도 5에서 한 쌍의 수차(200) 대신 하나의 수차(200), 증속기(300) 및 발전기(400)만 배치시키는 구성이다. 상기 수차(200)는 케이싱유니트(150)에 배설된 상하부베어링(211, 212)에 의해 회동 지지되어 상기 수문부(100)를 통과하는 유체의 흐름에 의해 회전하도록, 상기 케이싱유니트(150)내에 하나의 수차(200)를 세로 방향으로 세워서 배설하고, 상기 케이싱유니트(150)의 입력결합구(151)가 상기 하나의 수차(200) 사이에 배설하여, 상기 케이싱유니트(150)의 유로(50)를 통과하는 유체가 런너(201)에 연속적인 작용으로 회전하여 기계적 에너지로 변환하도록 하나의 수차(200)가 유로방향 회전하게 배설할 수도 있다. 수차(200)를 제외한 나머지는 대수가 2대에서 1대로 감소한 것을 제외하고 동일하다.
나아가, 수문(110)의 개폐를 상하 개폐 대신 횡측으로 개폐하는 경우의 실시 예로서, 도 14를 참조하면, 본 발명에 따른 수력발전일체형수문은 수로(10)를 개폐시키는 수문부(100), 개폐장치(30) 및 자동제어부(40)와, 수로(10)의 유체가 가진 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 케이싱유니트(150), 증속기(300) 및 발전기(400)를 포함한다. 이 경우, 횡측으로 개폐시키는 개폐장치를 제외한 나머지 구성은 동일하다.
이러한 구성의 본 발명에 따른 수력발전일체형수문은 다음과 같이 작동한다.
본 발명에 따른 수력발전일체형수문의 수문부(100)는, 도 1 내지 도 2와 같이, 수로(10)의 유수를 이용하기 위하여 수문구조물(21)과 일체로 문틀(20)을 설치하고 침수선(浸水線)보다 높으면서 접근이 용이한 장소에 개폐장치(30)와 자동제어부(40)를 설치한다. 이러한 개폐장치(30)는 수문(110)의 상부 브라켓트(112)와 힌지결합된 스핀들(31)과 치합(齒合)하여 수문(110)을 상하로 개폐시킨다.
개폐장치(30)는 수로 내부에 설치한 수위계(미도시)의 수위정보를 감지하여 홍수로 인하여 수로의 수위가 상승하여 수력발전을 할 수 없는 경우 자동제어부(40)에서 수문을 자동으로 개방시키고, 홍수가 끝나고 정상수위에 도달하면 개방된 수문(110)을 다시 자동으로 폐쇄위치로 하강시키고 조절밸브(170)를 개방하면 발전이 재개된다.
수로(10)의 유수는 수문(110)을 폐쇄시키면 수위가 상승하게 되며, 수위가 올라간 유수는 수문(110)의 하류측에 배설된 입력결합구(151)의 입력결합플렌지(152a, 152b)와 입력챔버(153)를 통하여 유로(50)를 형성하며 케이싱유니트(150)로 유입된다.
이 때 유수는 조절밸브(170)의 밸브회전구(173)로 피니언기어(172)를 좌우로 회전시키는 조절에 의하여 유량을 조절하거나 폐쇄시켜서 흐름을 차단시킬 수 있다. 조절밸브(170)를 통과한 유수가 통과할 수 있는 한 쌍을 세로 방향으로 세워서 대칭으로 배설한 수차(200)의 좁은 사이로 유로(50)를 형성하여 흐르면서 한 쌍의 수차(200)에 방사형(放射形) 익열간격(翼列間隔)으로 배열한 익형(翼型) 런너(201)가 서로 반대 방향으로 회전시키면서 유로(50)는 토출구(165)측으로 흐른다.
발전유니트(140)를 통과하는 유로(50)의 흐름은 입력결합구(151)의 입구측은 넓은 구형(矩形)이고 수차(200)측은 양쪽이 원주형의 수차(200)와 같은 형상이 되도록 좁게 구성한다. 따라서, 유체의 연속방정식(Q = A x V, 여기서 Q는 유량, A는 단면적, V는 유속)에 의하여 수차(200)에 가까이 올수록 유로 단면적이 좁아지는 것에 반비례하여 빨라진 유체의 운동에너지가 오목한 익형(翼型) 런너(201)에 작용하여 수차(200)를 빠르게 회전시키게 된다.
상기 발전기(400)는 통상의 소수력발전용 발전기(400)로서 용량은 100㎾ 이하를 사용하는 것이 바람직하나, 이에 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 소수력 발전장치가 설치되는 수로(10)를 통과하는 유체의 유량(Q)이나 유효양정(H)에 따라서 발전기(400)의 용량을 조절한다.
한편, 발전량을 결정하는 유량(Q)이나 유효양정(H)이 변화하거나, 발전유니트(140)의 효율이 저하할 경우, 런너조정판(204) 상부의 대칭되는 곳에 배치된 수차상판(202)을 관통하여 돌출된 조정축(209)을 좌우 양쪽의 볼트로 구성된 런너조정구(208)를 이용하여 조정하고자 하는 방향으로 런너(201)를 조정하여 런너(201) 익형의 설치각도를 약 10° 범위내에서 조정하므로 수차(200)나 런너(201)를 분해하지 않고도 현장에서 쉽게 조정할 수 있다.
그리고, 수력발전일체형수문은 다른 지역으로 이동할 경우 수문구조물(21)만 설치하면 이설하여 바로 발전을 할 수 있으며 이때 런너(201)의 각도를 필요에 따라 약 10° 이내에서 조절함으로서 쉽게 이설된 현장에서 발전할 수 있다
이상에서와 같이 구성된 본 발명의 수력발전일체형수문을 현장에서 설치함에 있어서 발전시스템을 구성하는 각 구성품 즉 런너(201), 수차(200), 조절밸브(170), 증속기(300), 발전기(400)등을 공장내에서 케이싱유니트(150)에 조립시키므로 현장에서 일반 기술자들이 짧은 시간 내에 설치할 수 있는 장점이 있다.
그리고, 본 발명의 수력발전일체형수문은 수차(200)의 성능이 설계 유량과 낙차와 설치후 실제 현장에서 사용하는 시험 유량과 낙차가 상이할 경우 제작된 수차(200)의 목표성능을 런너조정구(208)로 현장에서 쉽게 조정하여 시현(示現)할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 수력발전일체형수문은, 조절밸브(170)를 폐쇄시킴으로서 홍수시 급류에 상류로부터 떠내려 오는 나뭇가지를 포함한 여러 가지 협잡물로부터 발전유니트(140)를 완벽하게 보호할 수 있는 장점이 있다.나아가, 본 발명의 수력발전일체형수문은, 평소에는 수력발전을 하다가 발전유니트(140)에 이상이 발생하여 점검 또는 수리가 필요한 경우 케이싱유니트(150)를 분리하여 필요한 기계만 제작공장으로 운송 점검후 고장난 부분을 교체함으로써 유지보수를 매우 효율적으로 수행할 수 있는 장점이 있다.
더불어, 본 발명의 수력발전일체형수문은, 홍수로 상류측 수위가 갑자기 상승하여 정상적인 수력발전을 할 수 없는 상황이 되면 수문(110)을 개방시킴으로서 상류로부터 떠내려 오는 나뭇가지를 포함한 여러 가지 협잡물로부터 발전유니트(140)를 보호할 수 있는 장점이 있다.
그리고, 본 발명의 수력발전일체형수문은, 발전유니트(140)인 런너(201), 수차(200), 증속기(300), 발전기(400)를 케이싱유니트(150)에 일체화시키고 수문부(100)에 결합시킴으로서 진동을 억제할 수 있으며 다른 장소로 이설하여도 바로 발전을 할 수 있는 장점이 있다.
지금까지 본 발명에 따른 수력발전일체형수문에 관한 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로, 본 발명의 범위에는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의하여 정해져야 한다.
전술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 수로 20 : 문틀
21 : 수문구조물 30 : 개폐장치
31 : 스핀들(Spindle) 40 : 자동제어부
50 : 유로(流路)
100 : 수문부 110 : 수문
111 : 주행롤러 112 : 브라켓트
113 : 보강부재 140 : 발전유니트
150 : 케이싱유니트(Casing Unit)
151 : 입력결합구 152a : 입력결합플렌지
152b : 입력결합플렌지
153 : 입력챔버 154 : 유니트프레임
161 : 토출결합구 162a : 토출결합플렌지
162b : 토출결합플렌지 163 : 토출챔버
164 : 유입구 165 : 토출구
170 : 조절밸브 171 : 랙기어(Rack Gear)
172 : 피니언기어(Pinion Gear) 173 : 밸브회전구
174 : 밸브챔버(Valve Chamber) 181 : 전외판(前外板)
183 : 좌외판(左外板) 184 : 우외판(右外板)
185 : 상외판(上外板) 186 : 하외판(下外板)
200 : 수차(水車) 201 : 런너(Runner)
202 : 수차상판(水車上板) 203 : 수차하판(水車下板)
204 : 런너조정판(Runner 調整板) 205 : 런너단(段)결합홀
206 : 런너축(Runner軸) 207 : 런너축결합홀
208 : 런너조정구(調整具) 209 : 조정축(調整軸)
210 : 회전축 211 : 상부베어링
212 : 하부베어링 213 : 런너조정판고정홀
214 : 관통구멍 215 : 볼트
215 : 볼트축 217 : 너트
300 : 증속기(增速機) 301 : 입력축
302 : 출력축 303 : 증속기어
400 : 발전기(發電機)

Claims (5)

  1. 수로(10)에 배설된 문틀(20)에 설치되어서 수로를 개폐시키는 수문부(100);
    상기 수문부(100)의 상하류측에 개구부(開口部)와 개구부를 연결시키는 유로(50)를 형성하고 하류측으로 설치된 케이싱유니트(150);
    상기 케이싱유니트(150)에 설치된 회전축(210)에 결합되고 유체가 유로(50)를 통과할 때 회전축(210)을 회전시켜서 유체의 에너지를 기계적 에너지로 변환하도록 구성된 수차(水車, 200);
    상기 케이싱유니트(150)에 설치되고 유로 단면적을 조절 또는 개폐시켜서 수차(200)의 회전 속도를 변화시키거나 정지시키는 조절밸브(170);
    상기 케이싱유니트(150)에 설치되고 회전축(210)에 연결되어서 회전축(210)의 속도를 증속시키는 증속기(增速機, 300);
    상기 증속기(300)에 연결되어서 증속기(300)의 회전력을 전기적 에너지로 변환시키는 발전기(400)를 포함하여 구성되고;
    수차(200)는,
    상기 케이싱유니트(150)에 배설된 한 쌍의 수직 회전축(210)에 각각 설치되는 수차상판(202) 및 수차하판(203)과, 양단이 수차상판(202) 및 수차하판(203)의 중심 피치원(Pitch Circle)에 익열간격(翼列間隔)으로 배열된 런너축결합홀(Runner 軸結合 Hole, 207)에 회전가능하도록 결합되고 수차상판(202) 및 수차하판(203)에 방사형(放射形)으로 배열되는 익형(翼型) 런너(Runner, 201)로 이루어지며;
    유체가 조절밸브(170)에 의해 한 쌍의 수차(200) 사이의 유로(50)를 통과하면서 익형 런너(201)를 밀어 회전축(210)을 회전시키므로 유체의 에너지를 기계적 에너지로 변환하도록 구비되고;
    수차(200)는,
    상기 수차상판(水車上板, 202) 하측과 수차하판(水車下板, 203) 상측에 각각 결합되고 원외단(圓外端)에 익형 런너(201)의 날개가 결합되어서 익형 런너(201)를 고정시키거나 회동시키도록 런너(201) 수와 동일한 런너단결합홀(Runner端 結合Hole, 205)이 방사형(放射形)으로 배열되는 런너조정판(204)과, 수차상판(202)의 상부면에 고정되어 있는 런너조정구(208)와, 양단이 런너조정구(208)에 고정되어 있는 볼트축(216)과, 하단이 런너조정판(204)에 고정되고 상단부가 볼트축(216)에 끼워져서 볼트축(216)을 따라 이송되도록 결합되는 조정축(209)과, 조정축(209) 양측의 볼트축(216)에 각각 체결되고 같은 방향으로 회전시켜서 조정축(209)이 볼트축(216)을 따라 이송되도록 하여서 런너조정판(204)을 시계방향 또는 반시계방향으로 회전시키므로 익형 런너(201)의 각도를 조정하는 너트(217)들을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 수력발전일체형수문.
  2. 청구항 1에 있어서, 케이싱유니트(150)는,
    상기 수차(200)의 상류측 유로(50)의 폭을 감소시켜서 유속의 증속과 수차(200)의 상류측을 수납(受納)할 수 있도록 구성된 입력결합구(151)와, 수차(200)의 하류측 수로의 폭의 감소에 의해 유속을 증속시키면서 수차(200)의 하류측을 수납(受納)할 수 있도록 토출결합구(161)가 구성되고;
    수차(200)의 상하부측으로 상하외판(上下外板, 185, 186)과, 좌우방향으로 좌우외판(左右外板, 183, 184)이 구성되며;
    수문부에 탈착가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 수력발전일체형수문.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1 내지 청구항 2 중 어느 한 항에 있어서, 조절밸브(170)는,
    상기 회전축(210)에 공회전되도록 결합되고 수차(200)의 둘레 일부를 감싸도록 원기둥 곡면 형태로 형성되며 입력결합구(151)와 수차(200) 사이의 유로(50)의 단면적을 조절 또는 개폐하는 밸브챔버(174)와,
    밸브챔버(174)의 상단 둘레에 원호형(圓弧形)으로 구비되고 피니언 기어(172)와 치합되어서 피니언 기어(172)의 회전시 밸브챔버(174)가 회전축(210)을 중심으로 회전되도록 하는 랙기어(171)로 구성되는 것을 특징으로 하는 수력발전일체형수문.
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