KR101777759B1 - 코일 냉각을 구비한 수력발전 터빈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스테이터와 로터를 구비한 수력발전 터빈을 제공하며, 자석 집합체는 로터에 고정되며, 이에 상응하는 코일 집합체는 스테이터에 고정되며, 이러한 터빈은 터빈이 작동하는 동안 코일을 냉각하는 수단을 더 포함하며, 바람직하게는 이러한 코일 냉각 수단은 코일을 냉각하기 위해 유체가 채널을 통해 흐르도록 코일에 인접되게 스테이터를 통과하는 하나 이상의 채널 형태를 가진다.

Description

코일 냉각을 구비한 수력발전 터빈{A HYDROELECTRIC TURBINE WITH COIL COOLING}
본 발명은 수력발전 터빈에 관한 것으로, 구체적으로 전기를 생산하기 위해 조석이 있는 곳에 배치되어 조석 에너지를 활용하며 향상된 성능 및/또는 신뢰성을 제공하기 위해 변형되는 수력발전 터빈에 관한 것이다.
지구온난화와 기타 관련 이슈들로 인해, 신재생 에너지 영역은 상당한 발전을 경험하고 있으며, 새롭거나 보다 향상된 형태의 신재생 에너지를 개발하기 위해 많은 투자와 재원이 투입되고 있다. 상당한 가능성을 지닌 영역으로 특히 해저면에 안착된 수력발전 터빈을 이용하여 조석 에너지를 활용하는 것이다. 이러한 터빈은 기본적으로 하루 24시간 운전이 가능하여 어떠한 환경적 영향이나 다른 문제를 야기하지 않고 끊임없이 에너지를 생산할 수 있다.
그러나, 조석 에너지를 활용하는 것도 자체적으로 어려운 난간이 있으며, 특히 조력발전기를 설치하고 보수유지하는 것과 관련하여 예를 들어 수력발전 터빈은 조석을 이용하여 작동하는 특성상 상대적으로 빠른 조류가 있는 곳에 설치돼야 하며 더 가능성 있게는 해저면에 위치된다. 또한, 경제적으로 성공할 수 있도록, 이러한 터빈은 큰 스케일로 건설돼야 한다. 결과적으로 이러한 터빈 및 관련 베이스/지지체들은 대형화되어 크고 무거운 장비가 되며, 보수유지를 위해 설치나 회수를 할 수 있도록 상당히 큰 인양 및 수송 장비를 필요로 한다. 이러한 대형 인양 장비를 사용하는 것은 일반적으로 위험한 작업이며, 이러한 장비를 어렵고 불안정한 조건하에서 바다에서 운용하는 것은 더욱 위험하다. 따라서, 회수 작업은 완료될 때까지 상당한 시간을 소모한다. 또한, 터빈이 해저면에 위치한 관계로, 터빈의 고장을 체크하기 위해 지속적인 영상 모니터링을 적용하는 것이 거의 불가능하며, 최소한 경제적으로 실현 불가능하다. 따라서, 이러한 수력발전 터빈이 비교적으로 간단한 기계이고 신뢰할 수 있을 것과, 이러한 수력발전 터빈의 작동 부품이 상당한 수명을 가질 것을 요구한다.
이러한 부품들 중 고장이 잘 발생할 수 있는 부품은 전자기 회로에 사용되는 코일이며, 이러한 코일은 수많은 이유들로 인해 과열되고 고장날 수 있으며, 전자기 회로 및 가능하게는 터빈의 다른 부분들의 고장을 모두 야기할 수 있다. 이는 적어도 최소한 터빈의 생산출력을 감소시킬 수 있으며, 터빈의 완전 셧다운(shutdown)이나 동작불능을 초래할 수 있으며, 결과적으로 터빈의 회수와 수리를 요구한다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기 언급된 문제를 극복하는 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 스테이터(stator)와 로터(rotor); 상기 스테이터 또는 상기 로터의 하나에 고정된 자석 집합체; 상기 스테이터 또는 상기 로터의 다른 하나에 고정된 상응하는 코일 집합체; 및 터빈이 작동하는 동안 상기 코일의 냉각을 위한 수단을 포함하는 수력발전 터빈이 제공된다.
바람직하게는, 상기 냉각 수단은 상기 코일의 냉각을 위해 주위의 물을 이용하도록 형성된다.
바람직하게는, 상기 냉각 수단은 상기 코일로부터의 열 전달을 위해 물이 상기 코일을 지나거나 상기 코일에 인접되게 흐르도록 형성된다.
바람직하게는, 상기 스테이터와 상기 로터는 상기 스테이터와 상기 로터 사이에 갭(gap)을 형성하도록 배치되며, 상기 갭의 서로 대향하는 측면에는 상기 코일과 상기 자석이 배치되며, 상기 냉각 수단은 물이 상기 갭을 통과하여 흐르도록 형성된 하나 이상의 가이드(guide)를 포함한다.
바람직하게는, 상기 하나 이상의 가이드는 상기 로터에 고정된다.
바람직하게는, 상기 하나 이상의 가이드는 상기 터빈의 하나 이상의 베어링과 통합적으로 형성된다.
바람직하게는, 상기 베어링은 축하중(axial load)을 지지하기 위한 원형의 베어링 블록 집합체를 포함하며, 상기 베어링 블록의 하나 이상의 첨단(leading edge) 또는 첨면(leading surface)은 상기 로터와 상기 스테이터 간의 상대적 회전 동안 물이 상기 갭을 통해 흐르도록 형상화된다.
바람직하게는, 상기 코일은 상기 스테이터에 배치되며, 상기 냉각 수단은 상기 스테이터에 형성되며 상기 코일을 인접하여 지나가는 하나 이상의 채널(channel)을 포함하며, 상기 하나 이상의 채널은 물이 상기 하나 이상의 채널을 흐르도록 각각의 단부가 주변의 물에 개방된다.
바람직하게는, 상기 하나 이상의 채널은, 조수 흐름에 배치된 상기 수력발전 터빈과 함께, 실질적으로 조수의 흐름 방향과 일치하게 연장되어 지향된다.
바람직하게는, 상기 하나 이상의 채널의 양단부는 상기 스테이터의 동일한 측면 또는 표면에 배치된다.
바람직하게는, 상기 자석 집합체의 인접하는 자석 사이에 갭(gap)이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수력발전 터빈의 단면을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 도시된 터빈의 사시도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 터빈을 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수력발전 터빈을 나타낸 도면.
첨부된 도면의 도 1과 도 2를 참고하면, 일반적으로 10으로 표시된 수력발전 터빈의 일 실시예가 도시되며, 수력발전 터빈(10)은 터빈(10)의 전자기 회로의 일부를 형성하는 전자기 코일(미도시)에 냉각을 제공하기 위해 변형된다.
터빈(10)의 주요 구성요소는 스테이터(stator, 12)와 스테이터(12)에 탑재되어 회전하는 로터(rotor, 14)이다. 터빈(10)은 일반적으로 종래기술에 공지된 바와 같이, 코일의 집합체(미도시)가 스테이터(12)와 로터(14)의 하나 또는 다른 하나에 제공되도록 구성될 수 있으며, 스테이터(12)와 로터(14)의 다른 하나에는 코일 집합체에 상응하는 자석 집합체(미도시)가 제공되도록 구성될 수 있다. 코일과 자석은 스테이터(12)와 로터(14) 사이에 제공된 갭(gap, 16)의 서로 대향하는 측면에 배치된다. 로터(14)는 외부림(outer rim, 18)과 내부림(inner rim, 20)을 포함하며, 외부림(18)과 내부림(20) 사이에는 블레이드 집합체(22)가 개재된다. 외부림(18)은 스테이터(12) 내에 효과적으로 수용되며, 결과적으로 갭(16)에 의해 이격된다. 터빈(10)이 작동하는 동안, 스테이터(12)와 로터(14) 간의 상대적 움직임은 (코일 내 전류를 포함하여) 자석과 코일이 서로에 대해 지나가게 구동하며, 이때 전류는 터빈(10)으로부터 적절한 형태로 추출된다. 터빈(10)의 코일을 통과하는 전류의 흐름은 코일에 열을 발생시키며, 이러한 열이 높을수록 코일의 효율성을 떨어뜨리며, 코일의 손상 또는 그 주변 구성요소의 손상 위험을 더욱 높인다.
따라서, 본 발명의 터빈(10)은 위에 상술된 코일의 냉각에 영향을 주고 결과적으로 터빈(10)의 지속적이고 효율적인 작동을 보장하기 위해, 물이 코일을 지나가거나 코일에 인접하게 흐르도록 변형된다. 베어링 블록의 집합체(24)는 외부림(18)에 제공되며, 이러한 베어링 블록 집합체(24)와 외부림(18)이 터빈 작동중 스테이터(12)와 로터(14) 간의 접촉을 방지하기 위해 스테이터(12)와 로터(14) 사이에 주요 방사상 베어링을 형성한다. 이러한 베어링 블록(24)의 적어도 일부, 바람직하게는 모두가 터빈(10)의 냉각수단을 형성하며, 결과적으로 스테이터(12)에 대해 로터(14)가 회전하는 동안 코일의 냉각에 영향을 주기 위해 갭(16)을 통해 물이 통과되도록 변형된다. 베어링 블록(24)에는 경사진 또는 측면 첨단(sloped or profiled leading edge, 26)이 제공되며, 이러한 첨단(26)은 주위의 물이 베어링 블록(24)을 타고 넘어가서 갭(16)을 지나가도록 작용한다. 이러한 베어링 블록(24)의 기능을 개선하거나 향상시키기 위해, 추가로 날개(미도시)나 표면 형상이 터빈(10)의 외부림(18)이나 다른 부분에 제공될 수 있다. 또한, 자석 집합체의 인접한 자석들끼리 조금씩 서로 이격되게 배치되며, 인접한 자석 간의 이러한 공간은 갭(16)을 통과하는 물의 흐름을 촉진하는데 도움이 된다.
도 3을 참고하면, 일반적으로 110으로 표시되며, 본 발명에 따른 수력발전 터빈의 다른 실시예가 도시된다. 본 실시예에서는 유사한 구성요소는 유사한 참조번호로 표시되며, 달리 언급되지 않는 이상 유사한 기능을 수행한다. 역시, 터빈(110)은 스테이터(112)와 스테이터(112)에 탑재되어 회전하는 로터(114)를 포함한다. 스테이터(112)와 로터(114)는 갭(116)에 의해 이격되며, 갭(116)은 주위의 물에 개방된다. 로터(114)는 외부림(118)과 내부림(120)를 포함하며, 외부림(118)과 내부림(120) 사이에는 원형의 블레이드 집합체(122)가 개재된다. 코일 집합체(30)는 스테이터(112)에 배치되며, 갭(116)을 가로질러 외부림(118)과 마주한다. 결과적으로 코일 집합체(30)에 상응하는 자석 집합체(미도시)는 외부림(118)에 배치된다.
터빈(110)은 스테이터(112)에 형성된 채널(channel, 32) 형태의 냉각수단을 더 포함하며, 채널(32)은 물흐름이 그 내부를 통과하도록 스테이터(112)의 일측에서 타측으로 연장된다. 채널(32)은, 물이 채널(32)을 통과하며 코일(30)로부터 열을 뺏어가도록 코일의 후면에 인접하게 배치된다. 결과적으로 이러한 실시예는 물이 채널(32)을 지나가게 구동되는 것이 아니라 조석의 영향 아래 물이 채널(32)를 단순히 흐름으로 인해 수동적인 코일 냉각을 제공한다. 그러나, 물이 채널(32)을 통과하게 능동적으로 물을 구동하거나 펌핑하는 수단이 제공될 수 있음이 이해된다. 또한, 이러한 펌핑 수단에는 터빈(110)에서 생산된 전력을 통해 기계적 또는 전기적으로 동력이 제공될 수 있다.
도 4를 참고하면, 일반적으로 210으로 표시되는 수력발전 터빈의 또 다른 실시예가 도시된다. 역시, 본 실시예에서는 유사한 구성요소는 유사한 참조번호로 표시되며, 달리 언급되지 않는 이상 유사한 기능을 수행한다. 터빈(210)은 스테이터(212)와 로터(214)를 포함하며, 스테이터(212)와 로터(214)는 갭(216)에 의해 이격된다. 로터(214)는 외부림(218)과 내부림(220)를 포함하며, 외부림(218)과 내부림(220) 사이에는 원형의 블레이드 집합체(222)가 개재된다.
스테이터(212)에는 한 쌍의 채널(232)이 형성되며, 한 쌍의 채널(232)은 실질적으로 U형상을 이루며, 각각의 채널(232)의 양단부는 스테이터(212)의 동일한 측면으로 개방된다. 채널(232)은, 터빈(210)이 동작하는 동안 코일로부터의 열 전달을 극대화하기 위해 코일(미도시)의 후면에 인접하게 연장된다. 이러한 채널(232)은, 채널(232)의 유효 길이를 증가시키고 결과적으로 채널(232)의 열 전달 용량을 향상시키기 위해, 부분적으로 또는 전체적으로 나선형 모양일 수 있다.
따라서, 본 발명의 터빈(10, 110, 210)은 작동하는 동안 코일로부터의 열을 간단하지만 효과적으로 방출할 수 있는 수단을 제공할 수 있음이 이해된다. 일반적으로 이러한 냉각수단은 어떠한 추가적인 이동 구성을 요구하지 않으며, 결과적으로 터빈(10, 110, 210)의 단순함과 이에 따른 신뢰성이 유지된다.

Claims (11)

  1. 스테이터(stator)와 로터(rotor);
    상기 스테이터 또는 상기 로터의 하나에 고정된 자석 집합체;
    상기 스테이터 또는 상기 로터의 다른 하나에 고정된 상응하는 코일 집합체; 및
    터빈이 작동하는 동안 상기 코일의 냉각을 위한 수단을 포함하되,
    상기 스테이터와 상기 로터는 상기 스테이터와 상기 로터 사이에 갭(gap)을 형성하도록 배치되며,
    상기 갭의 서로 대향하는 측면에는 상기 코일과 상기 자석이 배치되며,
    상기 냉각 수단은 상기 터빈의 하나 이상의 베어링에 통합적으로 형성되는 하나 이상의 가이드(guide)를 포함하며, 상기 하나 이상의 가이드는 물이 상기 갭을 통과하여 흐르도록 기능하며,
    상기 하나 이상의 베어링은 축하중(axial load)을 지지하기 위해 원 형상을 이루는 베어링 블록 집합체를 포함하며,
    상기 베어링 블록 집합체에서 하나 이상의 베어링 블록의 첨단(leading edge) 또는 첨면(leading surface)은 상기 로터와 상기 스테이터 간의 상대적 회전운동시 물이 상기 갭을 통과하여 흐르도록 형태가 구성되는 수력발전 터빈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 수단은 상기 코일의 냉각을 위해 물을 이용하도록 형성되는 수력발전 터빈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 냉각 수단은 상기 코일로부터의 열 전달을 위해 물이 상기 코일을 지나거나 상기 코일에 인접되게 흐르도록 형성되는 수력발전 터빈.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 코일은 상기 스테이터에 배치되며,
    상기 냉각 수단은 상기 스테이터에 형성되며 상기 코일을 인접하여 지나가는 하나 이상의 채널(channel)을 포함하며,
    상기 하나 이상의 채널은 물이 상기 하나 이상의 채널을 흐르도록 각각의 단부가 물에 개방되는 수력발전 터빈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 하나 이상의 채널은, 조수 흐름에 배치된 상기 수력발전 터빈과 함께, 실질적으로 조수의 흐름 방향과 일치하게 연장되어 지향되는 수력발전 터빈.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 하나 이상의 채널의 양단부는 상기 스테이터의 동일한 측면 또는 표면에 배치되는 수력발전 터빈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 자석 집합체의 인접하는 자석 사이에 갭(gap)이 제공되는 수력발전 터빈.
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