KR101874213B1 - 수류 또는 해류 터빈 - Google Patents

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Abstract

수류/해류 터빈은 해치(1612)와, 수차(1608)로 물을 안내하는 보호대(1630)가 달린 블록(1605)를 포함한다. 해치는 다수의 트랜스기어 조립체들(2210,2220,2230,2240)의 제어하에 가뭄에서 홍수 상태에 맞춰 수차로 들어가는 수량을 조절하여, 수차가 일정 범위내에서 정격속도로 회전하도록 한다. 트랜스기어 조립체들은 거친제어와 정밀제어를 한 수차 속도를 모으는 축적기(3010)를 포함한다. 트랜스기어 조립체들은 양방향이나 일방향의 수차 축 회전을 위한 PTO 스위치를 포함한다. 터빈은 상부, 측면, 또는 하부로부터 물을 공급받고, 꼬리날개를 포함하거나, 2개의 터빈들이 서로 반대로 배치되어 만조와 간조 흐름을 모두 이용하도록 한다.

Description

수류 또는 해류 터빈{RUN-OF-THE-RIVER OR OCEAN CURRENT TURBINE}
본 발명은 가변 회전속도를 정속으로 변환하는 기계식 속도변환기를 갖추고 교류전기를 발전하는 수류 또는 해류 터빈에 관한 것으로, 구체적으로는 입력부와 출력부와 제어부를 갖춘 평기어형 트랜스기어 조립체와 같은 PTO(power take-off) 스위치와 제어부로서의 트랜스기어 조립체들로 해치를 제어하여 유체에너지(수력에너지)를 효율적으로 수집하는 터빈에 관한 것이다.
수력전기 에너지는 재생이 가능한 것이다. 도 1에 의하면 미국에서 전기에너지의 48%는 석탄, 18%는 천연개스, 22%는 원자력, 1%는 오일로 생산된다. 석탄과 천연개스와 오일은 탄소계 자원으로서 연소생성물을 줄이는데 비용이 많이 들고, 이를 줄이지 않으면 환경오염을 일으키고, 그 공급도 제한적이다. 원자력 발전은 위험하고 사용된 연료도 위험하다.
미래의 에너지원으로는 풍력, 태양열, 수력 등에 의존하는 재생 에너지원이 희망적이다. 후버댐은 미국에서 20세기 초에 시작된 프로젝트로서, 대형 수력발전 터빈을 좀더 효율적이고 더 큰 용량의 터빈들로 교체하고 있다. 그러나, 수력발전댐은 갯수와 시설이 제한적이고 수상교통을 방해한다. 댐은 식량과 동물을 키우기 위한 육상자원을 없애는 호수를 만들기도 하지만, 호수는 낚시와 뱃놀이 등을 위한 수자원을 제공하기도 한다. 그래도 댐을 건설해 수력발전을 하기위한 비용을 절감하고 강물이나 해류나 조류와 파도를 이용할 수 있는 장치에 대한 필요성은 여전히 있다.
도 2에서 보듯이 동식물 폐기물에서 생기는 바이오매스 에너지는 총 재생에너지의 5.83%에 이르고 탄소계 에너지와 마찬가지 문제를 일으킨다. 수력전기 에너지가 그 다음으로 3.96%이다.
다른 재생자원은 지열, 풍력, 태양열 에너지가 있고, 이들은 "클린" 자원이지만 그 성장이 더디다. 풍력에너지만이 에너지부의 지원에 의해 미국에서 20년간 0.55%에서 20%까지 성장하리라 본다.
도 3은 현재의 풍력터빈(300)을 보여준다. WO1992/14298에 소개된 기존의 터빈은 변속 로터(305)가 기어박스(312)를 회전시켜 로터와 날개 조립체(305,307,309)의 회전속도를 높인다. 예컨대, 로터(305)의 회전속도는 분당 6회전이고 로터 날개는 높은 풍속에서는 피치제어 시스템(307)을 통해 로터(305)의 피치를 조절하여 분당 30회 정도 회전하고 노이즈를 줄인다. 일반적으로 풍속이 3m/s를 넘어야 대형 로터 날개가 회전을 시작한다. 장소와 날씨 등에 따른 발전개시 속도와 발전중지 속도 사이의 바람 주파수의 변화를 측정했더니, 계곡보다는 언덕이나 산 위에 풍력터빈을 설치하는 것이 좋다고 밝혀졌다. 결국 충분한 풍속이 없으면 날씨조건이나 위치에 따라 풍력터빈(300)이 전혀 작동하지 않을 때가 있음이 밝혀졌다.
풍속이 높으면, 피치제어 시스템(307)이 풍속을 측정해 로터 날개(305)의 피치를 조절하여 더 많은 바람을 통과시키도록 하고 로터 날개도 더 빨리 회전하도록 한다. 기울기를 조절해 로터가 바람 방향을 향하도록 하는데 도움을 줄 수 있다. 풍속제어 시스템을 이용해 날개를 바람에 평행하게 하여 회전속도를 발전중지 속도에 가깝게 하면 고속 회전에서 생기는 노이즈를 줄일 수 있다. 터빈(300) 꼬리의 풍속계(380)로 풍속을 측정해 제어한다. 터빈 꼬리에 피치/기울기 조절을 위해 방향타나 풍향계를 설치할 수 있다. 수평/수직 안정기(도시 안됨)를 설치할 수도 있다. 방향타나 풍향계는 변속 로터(305)가 바람을 향하도록 하는데 도움을 준다. 그러나, 풍력터빈 단지에서 사용할 수 있는 풍력에너지의 일부만 에너지로 생산된다는 문제는 여전히 있다.
기어박스(312)는 예컨대 6rpm의 시작속도를 50배인 300rpm으로 높여 변속 발전기(314)를 회전시킨다. 변속 발전기(314)는 주축(309)의 회전속도를 가변주파수 교류전류(322)로 변환하여 가변주파수 컨버터인 VFC(320)로 보내는데 사용된다. 이때 가변주파수 교류전류(322)는 DC(324)와 60Hz의 불규칙 AC(326)로 변환된다. 가변주파수에서 직류와 고정주파수로의 변환은 유체에너지를 유용한 전기에너지로 변환하는데 비효율적이어서, 전력망(330)에 출력되는 전기량을 낮춘다.
VFC(320)는 변속 발전기(314)에서 생산된 가변주파수 교류전류(322)를 DC(324)와 불규칙 AC(326)로 변환한다. 불규칙 AC(326)는 정속 AC(328)로 전력망(330)에 출력할 수는 있어도 비효율적이다. VFC(320)는 고장이 잦다. 기존의 VFC(320)를 교체하는 비용은 $50,000 내지 $10,000 정도로 높아, 다른 디자인이 필요하다.
연구에 의하면 고장율이 기어박스(312)는 5%, 풍력터빈(300)에 사용되는 전자장치는 최대 26%, 제어장치는 11%, 센서는 10%, VFC(320)는 26% 정도이다. 고장이 나는 평균 기간도 겨우 2년이며, 교체비용도 컨버터만 $50,000에 이른다. 발전기(314)의 고장율은 4.5% 정도이다. 결국 기존의 풍력터빈은 이런 고장율에 관한 문제점을 안고있다.
이런 문제를 해결하려면 발전기를 정속 회전시켜 일정 주파수의 전력을 직접 전력망(330)에 전송해야 한다. USP7,081,689는 발전기를 3단계로 제어하는 디자인을 제시하고, 로터와 기어조립체 사이에 컨버터나 변압기를 연결하고 동기발전기로 전력망에 50Hz의 전력을 전송한다.
풍력터빈의 많은 문제점들이 수류터빈과 조류터빈에도 적용된다. 가변주파수 입력을 일정 주파수 출력으로 변환해야 하는 문제점이 동일하다. 한편, 물의 밀도(질량)은 공기보다 훨씬 크고 그 속도는 풍속처럼 가변적이지는 않다. 강물과 해류는 한방향으로 흐르는 것이 보통이다. 그러나, 파도 등은 바람과 날씨에 따라 변한다. 파도는 예측이 가능하고 강한 해저류는 발전에 유용하다.
도 4는 로터(405)와 축(409)이 발전기(414)를 회전시키는 기계식 드라이브(400)를 이용해 풍력터빈을 개선한 예를 보여준다. 이 드라이브는 기어박스 없이 발전기를 직접 구동하므로, 기어박스의 고장과 효율 문제를 없앴다. 극수가 50배까지 증가되고 파워 컨버터(320)를 사용한 결과, 드라이브(400)의 비용은 증가되고 수리 시간은 줄어들었다. 변속을 정속으로 변환하는 변속기가 USP8,388,481에 소개되었는데, 이 장치는 완전히 기계식이어서, 전자장치로 인한 고장율과 신뢰성과 효율이 개선되었다. 현재 사용중인 변속기들이 도 5에 도시되었다.
도 5에서 벨트-풀리 구동 CVT(continuously variable transmission)는 마찰구동 방식이고 확장성이 없다. 트랙션구동 IVT로는 Torotrak와 Fallbrook에서 생산된 것이 있다. Fallbrook 장치가 USP8,133,149에 소개되었다. 2004년 NREL/TP-500-36371 리포트에 의하면, Fallbrook 장치는 확장성이 없다. USP8,641,570의 도 10~11에 DD모션 변속기가 소개되었는데, 이 장치는 풀리나 벨트가 없는 기어구동이라는 점에서 Torotrak와 Fallbrook의 장치와 구별되고 확장성을 갖는다.
도 6은 Hydrovolts에서 생산한 터빈(600)의 사시도로서, 수차(610)와 기어와 벨트를 이용하고, 벨트 때문에 미끄럼이 생길 수 있다. 15kW나 12kW 터빈을 배수로 등에 사용해 흐르는 물에서 에너지를 수확한다. US2010/0237626에 소개된 장치는 수차를 이용한다. Hydrovolts의 회전날개는 유속을 제어하기는 해도 파손의 위험이 크다.
도 7은 미시시피 강바닥에 설치된 Free Flow Power의 터빈(700)의 사시도로서, 비행기의 엔진과 비슷하지만 수면 밑에서 프로펠러(710)가 작동된다. 천연개스 가격이 낮기 때문에, 이 프로젝트는 경제성이 없다.
수력에너지를 이용하는 장치는 풍력터빈과 아주 비슷한 것으로 알려졌다. 도 8은 US 2009/0041584의 도 1로서 강물과 조류를 이용한다. 회전날개(850)가 물의 흐름(A)에 의해 회전한다. 이 장치는 Verdant Power에서 구입할 수 있고, US2009/0041584에 소개된 바에 의하면, 회전날개를 보강하고 피치 제어장치를 추가하였다.
도 9는 회전링(910)을 갖춘 장치의 정면도로서, Oceana Energy에서 구입할 수 있다. US2012/0211990의 도 1에 도시된 이 터빈은 회전링 안밖으로 수중익이 달려있다.
도 10의 프로펠러(1010)가 달린 조력발전기(1000)를 12개 이상 배치하여 10MW의 전력을 생산할 수 있다고 한다.
도 11은 US2013/0239566에 소개된 파력발전장치로서, 해수면에 떠있는 기다란 장치(10)의 여러 힌지구간들(12A~E)을 이용한다. 도 11B~C에서 파도의 방향은 좌측에서 우측을 향한다. 파도가 핸지구간들을 통과하면서, 힌지구간들이 파도의 높이만큼 위아래로 움직인다. 파도로 인한 이런 움직임을 이용해 발전을 한다. 파도가 높을수록 움직임도 커진다.
도 12는 미국의 강들을 표시한 지도로서, 이런 강에서 수력발전을 할 수 있는 높은 잠재력을 보여준다. 댐 건설은 비용이 많이 든다. 미시시피 강에 발전장치를 Free Flow Power가 개발했지만, 이 프로젝트는 2012년 취소되었다.
도 13은 세계의 주요 강을 표시한 세계지도이고, 도 14는 주요 해류를 표시한 해양 지도이다. 미국 동부해안을 따라 북쪽으로 걸프류(1401)가 흐르고, 서부해안을 따라 남쪽으로 해류(1402)가 흐르고, 기타 페루 해류(1403), 브라질 해류(1404), 서풍표류(1405), 서호주해류(1406), 쿠로시오 해류(1407), 북대서양 해류(1408) 등이 상당한 발전 가능성이 있는 것으로 알려졌지만, 현재 실제로 발전에 사용되고 있는 것은 없다. 또, 만조와 간조도 발전에 이용될 가능성이 있다.
도 15는 수력발전소의 개략도이다. 수력에너지를 모으는 1단계는 댐(1510)을 건설해 댐에 모인 물의 깊이에 비례하는 압력수두를 만드는 것이다. 모인 물이 저수조(1503)이다. 댐(1510) 바닥의 입구(1501)로 들어온 고압수가 수로(1516)를 거쳐 동력실(1505)로 들어가고, 이런 동력실은 댐의 길이를 따라 여러개 배치된다. 동력실(1505)마다 있는 발전기(1514)와 터빈(1518)에서 생긴 전력이 정거리 전선(1522)로 보내진다. 터빈을 통과한 물은 강(1520)으로 돌아간다. 도 15B는 발전기와 터빈의 사시도이다. 발전기(1514)는 고정자(1525)와, 터빈 축(1530)에 의해 회전하는 로터(1528)를 갖고, 그리드 주파수의 전기를 생산해 전력망에 공급한다. 터빈(1518)의 쪽문(1532)은 터빈에 들어가는 수량(1529)을 제어한다. 쪽문(1532)을 통과한 물은 로터 날개(1534)를 통과한 다음 강(1520) 하류로 흐른다.
도 16은 USP8,485,933의 도 11~12에 도시된 수류 터빈에 해당하는 구조를 보여준다. 보호대(1630)와 같은 보호대(1111)를 수차(1608)를 일부 덮도록 블록(1605)에 설치한다. 기존의 보호대(1111)와 도 16D에 도시된 보호대(1630-4~6)는 수차에 들어가는 물에서 대형 이물질을 걸러내고 물을 안내하는 역할을 한다. 물은 좌측에서부터 흘러 블록(1605)의 경사면을 타고 올라 윗면을 거쳐 해치(1612)로 들어가고, 해치는 스프링이나 센서에 의해 수량과 방향과 스프링상수에 따라 도 16A의 완전 개방위치와 도 16B의 부분개방 위치와 도 16C의 완전폐쇄 위치 사이를 움직인다. 예컨대 홍수일 때는 도 16C와 같이 해치(1612)를 완전히 닫는다. 스프링상수는 수차(1608)의 회전날개로 물이 들어갈 때 물을 잡아두기 위한 해치 테두리(도시 안됨)의 특성에 맞게 선택한다.
이상 설명한 장치들은 확장성, 효율성, 신뢰성, 발전증가 측면에서 개선할 필요가 있다.
발명의 요약
도 16은 해류에도 사용할 수 있는 DD모션 수류 터빈의 기본 개념을 보여준다. 강바닥이나 해저의 진흙이나 다른 이물체가 닿지 않게 플랫폼(1640) 위에 터빈을 설치한다. 구체적으로는 좌측에서 들어오는 물이 블록(1605)을 타고오르면서 가속가압되어 해치(1612)로 들어가도록 한다. 블록(1605)을 타고오른 물은 수차(1608)의 회전날개에 접촉한다. 회전날개는 직선형이고 8개로 도시되었지만, 주어진 상황에 맞게 갯수와 형상을 바꿀 수 있다. 해치(1612)는 보통은 완전히 열려있지만, 해치 좌측에 달린 테두리(도시 안됨)와 스프링이나 센서나 서보모터에 의해 수량에 맞게 도 16B와 같이 일부 닫힌다. 테두리와 스프링상수는 예상되는 수량과 유속에 맞게 선택된다. 도 16의 터빈(1600)을 수상교통을 방해하지 않게 강을 따라 여러개 설치할 수 있다.
도 17은 USP8,388,481의 도 4B, USP8,485,933의 도 1 및 USP8,641,570의 도 3에 도시된 평기어형 트랜스기어 조립체를 보여준다. 본 발명의 평기어형 트랜스기어 조립체는 도 16A의 수차를 위한 PTO(power take-off) 스위치 기능을 한다. 또, 워엄과 워엄기어 조립체가 동력인출을 제어하기도 하는데, 이 조립체는 USP8,485,933의 도 2A에 도시된 평기어형 트랜스기어 조립체와 함께 평상시 잠겨있다. 2개의 트랜스기어 조립체를 하나의 축에 나란히 설치할 경우, 제1 조립체는 시계방향 출력을 위한 홀딩부, 제2 조립체는 반시계방향 출력을 위한 홀딩부로 사용된다. 즉, 2개의 조립체들이 양방향 PTO 스위치 역할을 한다.
평상시 출력을 관리하는 시계방향 트랜스기어 조립체에 워엄과 워엄기어 조립체를 연결하여 양방향 PTO 스위치를 보강할 수도 있다.
양방향 스위치 여러개를 사용해 물의 입력방향을 제어할 수도 있다. 예컨대, 시계방향 회전을 제어하는 워엄과 워엄기어 조립체를 갖춘 양방향 평기어형 트랜스기어 조립체를 2세트 이상 사용해 수차에 대한 물의 여러 입력 방향들을 제어한다.
해치 테두리와 스프링 외에도, 센서를 사용해 유량이나 로터/발전기 rpm을 측정하고, 서보모터를 통해 발전 전력을 측정하여, 수차의 개폐 정도를 조절해 수차에 들어가는 수량을 조절할 수도 있다. 해치 자체는 수차에 의해 작동하는 트랜스기어 조립체들에 의해 제어되는데, 이는 트랙터의 PTO와 마찬가지 방식이다.
일반적으로 워엄과 워엄기어 조립체와 함께 평기어형 트랜스기어 조립체는 피드백이나 오버플로를 조절하여 수차의 rpm을 가능한한 일정하게 함으로써, 주파수가 일정한 전기를 생산한다.
또, 트랜스기어 조립체를 다수의 수차 입력부들의 축적기로 사용할 수도 있다. 여기서는 축적기로 사용되는 예를 3가지 든다. 해치의 거친제어와 수차 rpm의 정밀제어를 위한 장치를 추가할 수도 있고, 트랜스기어 조립체를 이용해 거친제어와 정밀제어 입력들을 하나의 출력으로 모을 수도 있다. 또, 기존의 정속 발전기를 거친제어와 정밀제어에 사용할 수도 있고, 기존의 기어박스와 발전기로의 입력을 위한 축적기를 사용해 발전기의 속도를 일정하게 할 수도 있다. 거친제어는 수량에 맞게 해치를 개폐하여 수차의 회전속도를 제어하는 것이다. 정밀제어는 2차제어로서, 해치의 거친제어에 의해 이미 조율된 수차축의 회전속도를 제어하는 것이다.
이제 터빈용의 여러 플랫폼에 대해 설명한다. 블록 윗면에서 물을 공급하는 강바닥이나 해저면의 플랫폼 외에, 부유 플랫폼을 이용할 수도 있다. 본 발명에서는 모든 구성요소를 부유 플랫폼의 위에 설치하고 전력망에 연결할 수 있다. 또는, 물의 방향에 나란하게 수직 벽을 세우거나 다리의 플랫폼을 이용해 플랫폼 양쪽이나 한쪽에 터빈을 설치할 수도 잇다. 만조였다가 간조로 바뀌거나 해류의 흐름이 급변할 때와 같이 물의 방향이 급변할 때는, 양쪽 터빈이 각각 다른 방향의 물흐름에 이용된다.
도 1은 미국의 에너지자원 이용률을 보여주는 표;
도 2는 미국의 재생에너지 이용률을 보여주는 표;
도 3은 기존의 풍력터빈을 보여주는 도면;
도 4는 로터와 축이 발전기를 회전시키는 기계식 드라이브를 이용해 풍력터빈을 개선한 예를 보여주는 도면;
도 5는 기존의 여러 변속기들의 사양을 보여주는 표;
도 6~10은 기존의 여러가지 터빈들을 보여주는 도면;
도 11은 기존의 파력발전장치의 일례를 보여주는 도면;
도 12는 주요 강을 보여주는 미국지도;
도 13은 주요 강을 보여주는 세계지도;
도 14는 주요 해류를 보여주는 세계지도;
도 15는 기존의 수력발전소와 발전기의 단면도 및 사시도;
도 16은 본 발명의 터빈을 보여주는 도면들;
도 17은 평기어형 트랜스기어 조립체를 보여주는 도면들;
도 18은 본 발명의 터빈을 보여주는 도면들;
도 19는 본 발명의 터빈의 다른 예를 보여주는 도면들;
도 20은 양방향 PTO 스위치를 이용한 예를 보여주는 도면들;
도 21은 워엄기어를 이용해 양방향 회전을 더 강화한 예를 보여주는 도면들;
도 22는 양방향 스위치(PTO)가 한쌍인 실시예의 단면도;
도 23은 해치에 테두리가 달린 변형례의 단면도;
도 24는 센서로 해치를 제어하는 예의 단면도;
도 25는 해치가 해치기어를 통해 트랜스기어 조립체에 맞물리는 실시예의 단면도;
도 26은 임계치를 넘지 않거나 너무 낮아지지 않도록 하는 수차의 속도 그래프;
도 27A~B는 정격속도 그래프이고, 도 27C~D는 트랜스기어 조립체를 이용해 해치를 정격속도 범위로 제어하는 예의 단면도;
도 28A은 정격속도 그래프이고, 도 28B는 수차 rpm을 정격 속도 한계내에서 일정하게 유지하는 다른 실시예의 단면도;
도 29는 평기어형 트랜스기어 조립체를 이용해 2개의 입력들을 하나의 출력으로 축적하는 실시예들의 단면도;
도 30은 트랜스기어 조립체 쌍들이 해치에 대한 거친제어와 정밀제어를 어떻게 하는지 보여주는 다른 실시예의 단면도;
도 31은 블록과 해치와 수차를 갖추고 해치를 거친제어하고 기어박스와 정속 발전기로 해치를 정밀제어하는 수류 터빈의 단면도
도 32는 해치가 열려있는 터빈의 단면도;
도 33은 부유 플랫폼 바닥에 거꾸로 설치된 터빈의 단면도;
도 34는 수직벽 양쪽에 터빈을 설치한 예들의 평면도;
도 35는 기어 조립체들과 발전기가 설치된 토대를 통해 강바닥이나 해저에 또는 부유 플랫폼에 고정된 기둥에 터빈을 회전 가능하게 설치한 예를 보여주는 도면;
도 36은 2개의 터빈을 서로 반대로 배치한 터빈을 보여주는 도면;
도 37해 어느 한쪽 터빈이 만조나 간조시 조류로 작동하도록 한 예를
도 37은 트랜스기어 조립체들과 발전기가 고정되고 수차의 축과 같이 회전하지 않는 예를 보여주는 도면.
본 발명은 수로, 터빈, 해치, 트랜스기어 조립체 및 정속 발전기를 갖춘 수류 터빈 등에 관한 것이고, 트랜스기어 조립체는 해치의 거친제어와 수차 rpm의 정밀제어를 하고 축적기로 사용된다. 본 발명에 대해 도 16~37을 참조하여 설명한다.
도 16에 도시된 본 발명의 기본적인 수류/해류 터빈(1600)은 트랜스기어 조립체가 달린 풍력터빈 분야에서 파워컨버터로도 알려진 기존의 VFC(variable frequency converter)를 대체하고, 수차(1608) 속도를 제어하는 수로 역할을 하는 블록(1605) 근처에 해치(1612)가 위치한다. 도시된 장치는 진흙이나 모래 등으로 덮이지 않도록 강바닥이나 해저면에 충분히 높게 건설된 플랫폼(1640) 위에 설치된다. 보호대(1630)는 부유 이물체로부터 장치를 보호하고 수차(1608)로 물을 안내한다. 가뭄이나 홍수 상태에 따라 강물이나 해류의 수량이 변할 수 있어, 해치(1612)는 (좌측에서) 수차에 들어가는 수량(유속)을 제어한다. 블록(1605)을 타고 수차(1608)에 접근할수록 유속이 증가하여, 수차는 수량과 유속 때문에 최대 속도로 회전한다. USP8,485,933의 도 11C와 12C에 도시된 것처럼, 해치(1612)에 스프링을 연결하고 테두리를 달아 물을 더 받도록 할 수도 있다. 해치는 스프링의 장력을 거슬러 상승하는 테두리를 통해 유속을 제어하고, 유속이 충분히 높으면 수량이 충분하기 때문에 홍수와 같은 극한 조건 동안에는 해치를 완전히 닫도록 하고, 이때에도 수차는 여전히 정속으로 회전하게 된다. 한편, '933 특허의 도 11B와 12B에는 정속 발전기(1119)용의 가변 기어(1118)를 제어하기 위해 컨트롤박스(1121,1210)에 수량을 공급하는 수단(1116,1206/1205)이 도시되어 있고, 도 12B의 서보모터(1206)는 해치 브라켓(1108)을 통해 해치를 제어하도록 서보모터(1116)와 워엄(1115)의 입력과 수량을 제어한다.
도 16A의 해치(1612)는 예외적인 상황을 제외하고는 가뭄과 정상적인 날씨에 대비해 완전히 열린 상태이다. 예를 들어 비가 많이 내리면 해치(1612)가 수차(1608)를 일부 가려 수차(1608)의 회전속도를 제한한다(도 16B 참조). 도 16C의 해치는 홍수 상황에서 완전히 닫혀있다. '933 특허는 입력속도가 가변적일 경우의 정속 발전기에 관한 것으로, 고가의 댐을 건설할 필요가 없고 수상교통에 영향을 주지 않으며 미시시피강과 같은 강을 따라 터빈들을 여러개 설치하여 유체에너지를 이용할 수 있다는 장점을 갖는다. 이 장치는 완전히 기어로 제어되기 때문에, 확장성과 신뢰성과 효율이 높다. 이런 터빈(1600)은 수 MW 정도의 전기를 생산하여 태양열이나 풍력발전보다 효율은 높고 댐보다 비용은 적게 든다.
본 발명의 수류/해류 터빈의 트랜스기어 조립체가 제어요소이다. 트랜스기어 조립체는 해치와 rpm을 제어하고, 축적기와 PTO(power take-off) 스위치 역할도 한다. 도 17에 평기어형 트랜스기어 조립체가 도시되었지만, 도 1 내지 10에 도시된 종래의 트랜스기어 조립체도 이용할 수 있다.
도 17의 트랜스기어 조립체는 제1 선기어(1707)가 달린 축(1701)과, 축을 둘러싸고 제2 선기어(1705)가 달린 슬리브(1706)를 갖는다. 제1, 제2 선기어(1707,1705)는 캐리어기어(1708,1709), 핀(1710-1~4) 및 유성기어(1703-1~4)에 의해 서로 연결된다. 좌측 선기어(1707)는 축(1701)에 연결되거나 일체이다. 우측 선기어(1705)는 슬리브(1706)에 연결되거나 일체이다. 유성기어(1703-1~4)는 각각의 핀(1710-1~4)을 둘러싼다.
도 18의 수차 조립체(1800)는 플랫폼에 설치되는 것으로 좌측에서 물이 공급된다. 도 18A의 평면도인 도 18B에 의하면, 안쪽으로 경사진 보호대(1630-4~6)에서 좌측의 물을 모아 블록을 타고 수차(1608)에 보낸다. 블록과 보호대(1630-4~6) 사이에서 수차(1608)의 회전날개와 접촉하면서 유속이 증가한다. 도 18C는 평기어형 트랜스기어(1830)를 포함한 동력인출(PTO) 스위치를 자세히 보여주는 단면도이다. 핀으로 결합된 2개의 캐리어기어(1708,1709)를 홀딩하는 제어입력부, 예컨대 PTO 출력부의 홀딩부가 좌측에 있다. 수차(1608)는 축(1820)과, 이 축에 연결된 제1 선기어를 회전시킨다. 축(1820)을 감싼 슬리브(1706)와 관련 제2 선기어(1705)에 의해 동력이 출력된다. 수차(1608)와 축(1820)의 출력은 기어박스로 공급되고, 기어박스는 일정 범위로 회전속도를 제어하여, 터빈과 관련 발전기를 60Hz나 50Hz와 같이 원하는 주파수로 회전시킨다. 도 18C의 트랜스기어 조립체는 제1, 제2 캐리어기어(1708,1709), 제1, 제2 핀(1710-1~2) 및 제1, 2p2 유성기어(1703-1~2)를 갖는데, 유성기어 수는 총 4개이다. 도 17의 유성기어(1703-3~4)는 도 18C에는 보이지 않는다.
도 19는 도 18의 변형례로서, 슬리브(1706)에 연결된 선기어인 대직경의 기어(1902)를 포함하며, 슬리브는 기어(1924)와 워엄(1918)의 축(1926)과 워엄기어(1922)에 맞물린다. PTO 출력부의 홀딩부는 여전히 좌측에 있고, (평상시 잠겨있는) PTO 출력부는 워엄기어 축(1928)에 제공된다.
도 20은 다른 PTO 스위치(2000)의 단면도로서, 수차(1608) 부근의 제1 트랜스기어 조립체(2010)를 하우징으로 둘러싸고, 수차 축(1820)에 제1 선기어(1707)이 달려있다. 슬리브(1706)와 제2 선기어(1705)는 캐리어기어(2002)를 통해 제2 트랜스기어 조립체(2020)에 연결된다. 트랜스기어 조립체(2010)는 시계방향의 PTO 출력의 홀딩부를 갖고, 트랜스기어 조립체(2020)는 선기어 연장 디스크(2004)를 통한 반시계방향의 PTO 출력의 홀딩부를 갖는다. 축(1926)은 PTO 출력이 평상시 중립에 있는 제어 기어(2024)에 연결된다. 양쪽 트랜스기어 조립체는 (평상시 중립에 있는) 축(1926)에 연결되어 수차를 양방향으로 회전시킨다. 이런 PTO 스위치(2000)는 매일 밀물과 썰물이 교차하는 하구의 조력발전에 설치되어, 조류 방향이 어느쪽에 있어도 발전이 가능하다. 이런 양방향 회전은 워엄기어를 이용해 더 강화되는데, 이에 대해 도 21에서 설명한다.
도 21은 제1, 제2 트랜스기어 조립체(2010,2020), 시계방향과 반시계방향의 PTO 출력의 홀딩부을 갖춘 양방향 스위치(PTO)의 단면도로서, 도 19와 마찬가지로 워엄(1918)과 워엄기어(1922)를 갖고, 제어축(1926)에 제어기어(2024)가 달려있으며, 워엄기어 축(1928)은 보통 잠겨있지만, 조류에 의해 PTO가 작동하면 수차(1608)가 시계방향이나 반시계방향으로 회전한다. PTO 출력은 워엄기어 축(1928)이 제공한다.
도 22는 양방향 스위치(PTO)가 한쌍인 실시예(2200)의 단면도로서, 제1 트랜스기어 조립체(2210)는 시계방향의 PTO 출력 홀딩부(#1)를 갖고, 제2 트랜스기어 조립체(2220)는 반시계방향의 PTO 출력 홀딩부(#2)를 가지며, 워엄기어 구조는 동일하다. 수차의 축(1820)은 2쌍의 트랜스기어 조립체들을 관통하는데, 제3, 제4 트랜스기어 조립체들(2230,2240)은 제2의 워엄기어 장치로 조절된다. 두번째 트랜스기어 조립체 쌍의 트랜스기어 조립체(2230)는 시계방향의 PTO 출력 홀딩부(#2)를 갖고, 트랜스기어 조립체(2240)는 반시계방향의 PTO 출력 홀딩부(#2)를 가지며, 워엄기어 장치는 동일하다. 축(1928-1)이 제공하는 시계방향과 반시계방향의 PTO 출력부(#1)는 평상시 잠겨있는데, 축(1928-2)이 제공하는 시계방향과 반시계방향의 PTO 출력부(#2)도 마찬가지다. 동일한 수차(1608)에 여러 세트의 PTO 스위치들을 설치하는 것도 가능하다. 총 4개의 트랜스기어 조립체들이 동일한 수차 축(1820)을 통해 작동되고 이 수차 안에 모두 수용될 수 있다(도 37 참조).
도 23은 해치에 테두리(1615)가 달린 변형례로서, 수차(1608)가 8개의 회전날개(1608-A~H)를 갖는데, 예를 들어 회전날개(1608-A)는 수평으로 있고, 회전날개(1608-G)는 블록(1605)을 넘어 좌측에서 들어오는 물을 받을 준비를 하고 있으며, 블록(1605)은 그 경사 때문에 도수로 역할을 하며, 물은 해치 테두리(1615)에 부딪치면서 유속과 수량이 증가한다. 해치에 연결된 스프링(2302)의 장력과 스프링상수가 높으면, 예상 수량에서는 해치 테두리(1615)가 움직이지 않는다. 한편, 유속이 임계점을 넘으면, 해치 테두리(1615)가 상승하면서 스프링(2302)을 당기고, 해치 테두리(1615)가 올라가면서 유속은 감소하고 수차(1608)에 물이 닿지 못하게 한다. 본 실시예는 해치 테두리(1615)에 접하는 유속과 스프링상수로 해치를 제어하는 간단한 구조를 보여준다. 수차(1608)의 회전날개가 직선형이고 그 갯수는 8개인 것을 예로 들었지만, 주어진 조건과 적용례(예; 강, 조류, 해류, 날씨 등)에 따라 날개의 형상과 갯수를 최적화할 수 있다.
도 24는 수량, 물의 방향, RPM 등을 감지하는 센서(2410)로 프로세서(2430)를 작동시켜, 서보모터, 전원, 배터리를 포함한 액튜에이터(2420)를 통해 해치(1612)를 제어하는 예의 단면도이다. 센서는 수차(1608)에 들어가는 물의 바로 앞이나 뒤의 위치에서 블록(1605) 위에 배치한다. 본 실시예에서는 스프링이 아닌 센서로 수량이나 물의 방향을 감지하여 제어한다. 서보모터와 전원 등은 수류 터빈의 발전 전력이나 배터리로 작동된다.
도 25는 해치(1612)가 해치기어(2512)를 통해 트랜스기어 조립체(2010)에 맞물려있는 해치제어 실시예(2500)의 단면도이다. 아이들기어(2514)가 해치기어(2512)에 맞물린다. 해치(1612)는 트랜스기어로 제어된다. 워엄-워엄기어 장치(1918)에 의해 제2 트랜스기어 조립체(2020)는 닫혀있고 제1 트랜스기어 조립체(2010)는 열려있고, 이때 해치(1612)는 양쪽 트랜스기어 조립체(2010,2020)에 연결되고 워엄-워엄기어 장치(1918)의 베벨기어(2528)로 제어된다. 베벨기어(2528)에 의한 PTO 출력부는 해치(1612)와 동일하게 해칭선으로 표시한다. 해치(1612)가 보호덮개나 rpm 출력을 제어하는 것처럼 트랜스기어 조립체들(2010,2020)이 보호덮개를 제어할 수도 있다.
도 26은 본 발명의 수차가 가능한한 임계치를 넘지 않거나 너무 낮아지지 않도록 하는 수차의 속도 그래프이다. 그래프에서 Y축은 빈도(시간/연)이고, X축은 최소/가뭄 조건(수량이 낮거나 없음)에서 최대/홍수 조건까지를 나타낸다. 이상적인 수량은 연간 수시간 정도의 타당한 범위로 정격 속도를 유지하는 것이다. 수차 rpm(1)이 정격 rpm보다 낮으면 정격 속도까지 상승하도록 해치를 제어해야 한다. 수차 rpm(2)이 정격 rpm보다 높아 홍수 상태까지 올 수 있고, 이때는 물이 수차를 우회하도록 해치(1612)와 보호대(1630)를 제어해야 한다. 수차 rpm이 정격 rpm보다 높으면 낮춰야 한다. 수차 rpm(3)의 최대 정격속도에 이르도록 하는 것이 이상적이다.
도 27A~B는 정격속도 그래프이고, 도 27C~D는 트랜스기어 조립체를 이용해 해치(1612)를 정격속도 범위로 제어하는 방법을 보여준다. 그래프에서 수차 rpm이 정격속도보다 커지면, 수차 축(1820)을 둘러싼 슬리브에 의해 해치(1612)가 아이들기어(2514)를 거쳐 베벨기어(2528)에 맞물린 해치기어(2512)에 결합하여 해치를 닫게된다. 디스크(2004)에 의해 해치(1612)가 감속되거나 닫힌다. 그래프에서 반대로 정격속도가 좌측으로 움직여 수량이나 수차 rpm이 정격속도보다 낮아지만 해치(1612)를 열어야 한다. 이 경우, 캐리어기어(1708,1709)가 해치(1612)를 연다.
도 28B는 수차 rpm을 정격 속도 한계내에서 일정하게 유지하는 다른 실시예의 단면도이다. 트랜스기어 조립체(2010)가 해치(1612)를 개방하는 동안 선기어 연장 디스크(2004)가 해치(1612)를 닫아두고 rpm을 도 28A의 화살표 표시 정격속도 범위로 유지한다.
도 29는 평기어형 트랜스기어 조립체를 이용해 2개의 입력들을 하나의 출력으로 축적하는 방법을 보여준다. DD모션 평기어형 트랜스기어 조립체는 2개의 입력과 하나의 출력을 갖는다. 도 29A에서 보듯이, 입력 #1은 축(2905)을 통한 캐리어이고, 입력 #2는 슬리브(2910)를 통한 상부 선기어(2901)이며 출력은 슬리브(2930)를 통한 하부 선기어(2902)이다. 도 29B에 의하면, 2개의 입력은 축(2930)을 통한 캐리어와 슬리브(2910)를 통한 하부 선기어(2902)이며, 출력은 슬리브(2930)를 통한 상부 선기어(2901)이다. 도 29C에 의하면, 2개의 입력이 슬리브(2905)를 통한 상부 선기어(2901)와 슬리브(2910)를 통한 하부 선기어(2902)이며, 출력은 축(2930)을 통한 캐리어이다. 이런 식으로, 2개의 입력이 축적되어 하나의 출력을 제공한다.
도 30은 트랜스기어 조립체(2210,2220;2230,2240) 쌍들이 해치에 대한 거친제어와 정밀제어를 어떻게 하는지 보여주는 다른 실시예(3000)의 단면도이다. 두번째 쌍의 트랜스기어 조립체들(2230,2240)은 다른 트랜스기어 조립체들(2210,2220)은 이미 거친제어된 rpm을 보다 정밀제어한다. 수차(1608)의 축(1820)을 통해 기어(3018)가 제공하는 거친제어와 정밀제어된 출력이 축적기에(3010)에 축적된다. 슬리브(3006)와 제1 선기어(3012) 또는 입력 #1을 포함한 축적기(3010)에 축적기 연장기어(3002)가 연결된다. 센터 블록(3014)이 다른 입력 #2이고, 선기어(3016)에 연결된 기어(3018)에 의해 축적된 출력이 제공된다. 도 30은 해치에 대한 거친제어와 정밀제어의 이중제어를 하여 기어박스와 발전기에 정속 rpm을 출력하는 것을 보여준다. 이 실시예(3000)는 벽에 의해 거친제어 담당의 PTO #1과 정밀제어 담당의 PTO #2로 분리되는데, 양쪽 다 시계방향 회전이 가능하다. PTO #1의 홀딩부는 선기어 연장 디스크(2004-1)로의 반시계방향 지점이고, PTO #2의 홀딩부는 선기어 연장 디스크(2004-2)로의 반시계방향 지점이다. 트랜스기어 조립체(2210,2220; 2230,2240) 쌍과 같은 축(1820)이 다른 벽을 관통해 축적기(3010)에 닿는다.
도 31은 블록과 해치와 수차를 갖추고 해치를 거친제어하고 기어박스와 정속 발전기로 해치를 정밀제어하는 수류 터빈의 단면도이다. 수차(1608)의 축(1820)이 베벨기어, 워엄, 워엄기어로 된 트랜스기어 조립체(2210,2220,2230,2240)로 된 해치 제어부를 관통한다. 이 축(1820)의 rpm은 트랜스기어 조립체(2230,2240)에 의해 정밀제어된다. 이 축(1820)은 축적기(3010)에 연결되어 2개의 입력들을 축적하고, 이런 입력들은 해치 제어와 정밀제어된 다음 기어박스(3110)에 인가된다. 그동안, 수차 축(1820)의 회전 출력은 기어박스(3110)를 통해 정속 발전기(3120)에 전달된 다음, 전력망(3130)이나 다른 축전장치로 전달된다.
도 32는 해치가 열려있는 터빈(3200)의 단면도로서, 해치(1612)는 수량과 방향에 따라 완전히나 부분적으로 열린다. 물은 (도시되지 않은) 보호대와 블록(1605)을 넘어 들어가 수차(1608)를 회전시킨다. 이 터빈은 강바닥 플랫폼(1640)에 설치된다.
도 33은 부유 플랫폼(3340)의 바닥에 거꾸로 설치된 터빈(3300)의 단면도로서, 물은 블록(3305) 밑을 통해 해치(1612)가 달린 수차(1608)로 들어간다. 기어박스와 발전기는 부유 플랫폼(3350)의 데크에, 가급적 하우징 안에 설치되어 건조상태를 유지한다. 한편, 도 37과 같이, 트랜스기어 조립체들을 수차(1608)의 축 둘레에 배치할 수도 있다.
도 34는 수직벽(3410-1~2) 양쪽에 터빈을 설치한 예들의 평면도로서, 이들 수직벽은 수상교통을 방해하지 않는 다리 교각일 수 있다. 양측면 터빈의 원리는 동일하다. 블록(3405-1~4)은 수차(1608-1~4)를 향하는 유속을 증가시키는 도수로 역할을 한다. 측면 ROR 터빈들은 수직벽이 달린 수평 플랫폼 위나 아래에 설치될 수 있다. 수직벽은 운하의 벽이거나, 수증기나 다른 수자원을 따라 길이방향으로 세워진 벽일 수 있다.
도 35는 기어 조립체들과 발전기가 설치된 토대(3560)를 통해 강바닥이나 해저에 또는 부유 플랫폼에 고정된 기둥에 터빈을 회전 가능하게 설치한 예를 보여주는데, 꼬리날개(3550-1~2)는 ROR 터빈이 물에 의해 회전할 때 터빈이 수류 방향으로 향하도록 한다. 해치(1612)는 전술한 바와 같이 독립적으로 제어된다. 기어박스와 발전기는 상부나 하부(토대)에 설치된다. 유체로는 공기도 가능하지만 물이 바람직하고, 조류일 경우 만조와 간조시 어느쪽으로도 터빈을 회전시킨다.
도 36은 2개의 터빈을 반대로 배치해 어느 한쪽 터빈이 만조나 간조시 조류로 작동하도록 한 예를 보여준다. 도 36A의 우측방향의 물은 블록(3605-1)의 경사를 타고올라 해치(1612)로 들어가 수차(1608)를 회전시킨다. 이때 댐(3605-2)의 해치는 물의 방향에 의해 닫혀있다. 도 36B에서는, 물의 방향이 반대여서 댐(3605-3)의 해치(1612)는 닫히고 댐(3605-4)의 해치(1612)는 열려 수차(1608)가 회전한다.
도 37은 트랜스기어 조립체들(3760)과 발전기(3120)가 고정되고 수차(1608)의 축(1820)과 같이 회전하지 않는 예를 보여준다. 발전기(3120)는 축(1820)에 의해 작동하는 트랜스기어 조립체 부근에 설치된다. 트랜스기어 조립체를 반드시 수차(1608) 외부에 배치할 필요는 없다. 실제로는 터빈을 가능한한 컴팩트하게 하는 것이 좋다. 도 37A에서 물이 블록(1605)을 타고 해치(1612)로 들어가 수차(1608)를 회전시킨다. 축(1820)은 트랜스기어 조립체(3760) 내부에 있고, 발전기(3120)는 축(1820)을 둘러싸거나 트랜스기어 조립체에 설치된다. 트랜스기어 조립체(3760)와 발전기의 중량 대부분을 축(1820)이 지지한다. 도 37B에서 보듯이, 발전기(3120)와 트랜스기어 조립체(3760)은 수차(1608) 내부에서 축(1820) 둘레에 서로 가까이 배치되고, 축에 의해 작동될 수 있다. 해치(1612)가 없는 쪽의 블록(1605)의 측면에 아암을 설치하고, L형 브라켓 등을 이용해 발전기(3120)와 트랜스기어 조립체를 아암에 설치할 수도 있다. 또, 전선을 발전기(3120)에 연결해 발전 전력을 전력망에 공급할 수도 있다.

Claims (24)

  1. 수량과 물의 방향으로 결정된 회전속도로 수차에 의해 출력 축이 회전하고, 수량에 비례하여 수차를 커버하는 해치와 평기어형의 제1 트랜스기어 조립체를 갖춘 수력 터빈에 있어서:
    상기 제1 트랜스기어 조립체가 제1 선기어, 제2 선기어, 동력인출 출력부의 홀딩부 및 동력인출 출력부를 포함하고;
    상기 제1 선기어는 수차의 출력 축에 연결되거나 일체이며, 상기 제2 선기어는 수차의 출력 축을 둘러싼 슬리브에 연결되거나 일체이고, 상기 동력인출 출력부가 상기 슬리브이며, 수차의 출력 축은 제1 트랜스기어 조립체의 하우징을 관통하고, 상기 제1 트랜스기어 조립체가 수차의 출력부에 배치되는 것을 특징으로 하는 수력 터빈.
  2. 제1항에 있어서, 워엄과 워엄기어 조립체를 더 포함하고, 상기 워엄과 워엄기어 조립체는 대직경 선기어 연장 디스크에 연결되며, 상기 대직경 연장 디스크는 상기 슬리브에 연결되거나 일체이고, 상기 대직경 선기어 연장 디스크는 제어기어에 의해 워엄과 워엄기어 조립체에 연결되는 것을 특징으로 하는 수력 터빈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 슬리브에 연결되거나 일체인 대직경 선기어 연장 디스크에 의해 제1 트랜스기어 조립체에 연결된 제2 트랜스기어 조립체를 더 포함하고, 제1 트랜스기어 조립체는 시계방향의 동력인출 출력부의 홀딩부를 가지며, 제2 트랜스기어 조립체는 반시계방향의 동력인출 출력부의 홀딩부를 갖고, 상기 제1 및 제2 트랜스기어 조립체들은 수차 출력부에 배치되고, 제어기어를 통해 제1 및 제2 트랜스기어 조립체들에 연결되는 축을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 터빈.
  4. 제3항에 있어서, 제1 및 제2 트랜스기어 조립체들에 연결된 워엄과 워엄기어 조립체를 더 포함하고, 상기 동력인출 출력부가 상기 워엄과 워엄기어 조립체에 배치되는 것을 특징으로 하는 수력 터빈.
  5. 제4항에 있어서, 제1 및 제2 하우징들을 더 포함하고, 하우징마다 제1 및 제2 트랜스기어 조립체들과 워엄과 워엄기어 조립체를 구비하며, 수차의 출력 축에 제1 내지 제4 선기어들이 연결되고, 수차의 출력부가 각각 시계방향과 반시계방향으로 회전하는 제1 및 제2 출력부들로 구분되는 것을 특징으로 하는 수력 터빈.
  6. 제1항에 있어서, 수차를 덮는 해치에 테두리가 달려있으며, 해치에 연결된 경사진 블록에 의해 물이 해치 테두리로 안내되고, 수량에 따라 해치 테두리와 해치가 움직이면서 해치의 개폐가 제어되는 것을 특징으로 하는 수력 터빈.
  7. 제6항에 있어서, 상기 해치의 개폐가 해치에 연결된 스프링에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 수력 터빈.
  8. 제6항에 있어서, 상기 해치의 개폐가 수량을 감지하는 센서, 센서에 연결된 프로세서, 및 해치에 연결되고 프로세서에 반응하여 해치를 개폐하는 서보모터에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 수력 터빈.
  9. 제1항에 있어서, 이물질로부터 수차를 보호하고 수차에 물을 안내하기 위한 보호덮개가 수차 위로 뻗는 것을 특징으로 하는 수력 터빈.
  10. 제1항에 있어서, 상기 수차 옆에 경사진 블록이 배치되고, 상기 블록 위로 수차에 물을 안내하기 위한 제1 및 제2 보호덮개들이 수력 터빈의 입력부에 배치되는 것을 특징으로 하는 수력 터빈.
  11. 제1항에 있어서, 수량, 수차의 분당 회전수, 물의 방향, 및 발전기의 분당 회전수 중의 하나를 감지하는 센서와, 수차나 발전기의 분당 회전수와 수량 중의 하나를 소정 값과 비교하거나 다른 물의 방향을 결정하는 프로세서를 더 포함하고, 상기 프로세서는 서보모터를 포함한 액튜에이터를 작동시켜 수량에 따른 해치 개폐를 제어하며 수차나 발전기의 분당 회전수가 일정 값을 넘거나 물의 방향이 바뀔 때 해치의 폐쇄를 제어하는 것을 특징으로 하는 수력 터빈.
  12. 제1항에 있어서, 제1 트랜스기어 조립체의 하우징이 수차 안에 들어가고 수차의 출력 축을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 수력 터빈.
  13. 제1항에 있어서, 부유 플랫폼 밑에 설치되고 수차의 바닥으로부터 물을 받는 것을 특징으로 하는 수력 터빈.
  14. 제1항에 있어서, 수차의 측면으로부터 물을 받고, 수력 터빈을 설치하기 위한 수직 구조물과 경사진 블록에 대해 수차가 수직으로 향하는 것을 특징으로 하는 수력 터빈.
  15. 수량과 물의 방향으로 결정된 회전속도로 수차에 의해 출력 축이 회전하는 수력 터빈에 있어서:
    수량과 물의 방향 중의 하나에 비례하여 수차를 덮는 해치가 제어기어에 연결되고, 상기 제어기어는 슬리브에 연결되거나 일체이며, 상기 슬리브는 수차의 출력 축을 둘러싸고;
    제1 및 제2 트랜스기어 조립체들 각각이 선기어를 가지며, 상기 선기어는 수차의 출력 축에 연결되거나 일체이고, 상기 제어기어는 제1 및 제2 트랜스기어 조립체들을 작동시키도록 워엄기어와 워엄에 연결되어 수차의 출력 축의 회전속도에 따라 해치의 개폐를 제어하는 것을 특징으로 하는 수력 터빈.
  16. 제15항에 있어서, 상기 해치의 개폐가 수차의 최저 정격 회전속도와 최고 정격 회전속도 사이로 제어되고, 트랜스기어 조립체는 해치를 닫기위한 워엄과 워엄기어 조립체의 제어를 위해 대직경 제어기어와, 해치를 열기위한 워엄과 워엄기어 조립체의 제어를 위한 캐리어기어와 핀을 가지며, 상기 대직경 제어기어는 수차의 출력 축을 둘러싸는 슬리브에 연결되거나 일체이고, 수차의 회전속도가 최저 정격 회전속도와 최고 정격 회전속도 사이로 유지되는 것을 특징으로 하는 수력 터빈.
  17. 수차, 출력 축 및 트랜스기어 조립체를 갖는 수력 터빈에 있어서:
    상기 출력 축은 수량과 물의 방향으로 결정된 회전속도로 수차에 의해 회전되고;
    상기 트랜스기어 조립체는 해치에 대한 제어를 한 제1 입력과 축의 분당회전수의 제어를 한 제2 입력을 축적기에 공급하고, 상기 제1 입력과 제2 입력은 기어박스에 공급되며, 이 트랜스기어 조립체는 선기어가 달린 축을 둘러싸는 제1 및 제2 슬리브들을 포함하며, 제1 및 제2 슬리브들은 제1 및 제2 캐리어기어들과 핀에 의해 서로 연결되며;
    상기 트랜스기어 조립체가 제1 내지 제4 트랜스기어 조립체들을 포함하며;
    수차 축의 제1 선기어에 연결된 제1 기어 조립체를 갖는 제1 워엄과 워엄기어 조립체, 및 수차 축의 제2 선기어에 연결된 제2 기어 조립체를 포함한 제2 워엄과 워엄기어 조립체를 더 포함하고;
    제1 및 제2 트랜스기어 조립체들은 제1 워엄과 워엄기어 조립체에 연결되며, 제3 및 제4 트랜스기어 조립체들은 제2 워엄과 워엄기어 조립체에 연결되고;
    제1 기어 조립체는 상기 거친제어를 위한 것이고 제2 기어 조립체는 상기 정밀제어를 위한 것이며;
    상기 제1 및 제2 워엄과 워엄기어 조립체들이 제어 축을 통해 서로 연결되고;
    상기 제1 및 제2 입력들을 축적하여 제어된 일정 회전속도를 기어박스와 발전기에 출력하기 위한 다른 기어 조립체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 터빈.
  18. 제17항에 있어서, 기어박스가 발전기와 상기 다른 기어 조립체 사이에 연결되어, 상기 제1 입력과 제2 입력을 축적해 일정 회전속도를 발전기에 출력하는 것을 특징으로 하는 수력 터빈.
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