KR101969783B1 - 플로팅 수차 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플로팅 수차 장치에 관한 것으로, 수차본체를 중공형으로 형성하여 물에 뜰 수 있을 정도로 가볍게 구성하여 수차의 무게로 인한 회전력 손실을 최소화하고, 수차날개와 물 사이의 마찰저항과 수차본체와 물 사이의 마찰저항을 최소화하여 수차효율을 높일 수 있도록 하고, 수차날개가 출수할 때 물이 담겨 올라오지 않게 함으로써 수차효율을 높일 수 있도록 하며, 수로를 흐르는 유량의 증감으로 수위가 변화하더라도 수차효율을 유지할 수 있도록 하고, 수로 내에 위치하는 구성요소를 최소화하고 대부분의 구성요소를 수로 밖의 지상에 설치하여 유지보수시 수중작업을 배제하거나 최소화하여 유지보수 작업을 안전하고 신속하게 수행할 수 있도록 한 것이다.

Description

플로팅 수차 장치{Floating Hydropower turbine}
본 발명은 플로팅 수차 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 수차본체를 중공형으로 형성하여 수차무게에 따른 수차효율 저감요인을 최소화하고, 수차본체와 물 사이의 접촉면적을 최소화하여 수차본체와 물 사이의 마찰저항을 최소화하며, 본 수차날개와 물 사이의 마찰저항을 최소화하고, 수차날개가 출수할 때 물이 담겨 올라오지 않게 함으로써 수차효율을 향상시킬 수 있도록 함과 아울러 수로 내의 수위에 따라 수차의 높이를 조절하여 항상 수차효율을 유지할 수 있으며, 유지보수시 수중작업이 배체되거나 최소화되도록 하여 유지보수 작업을 안전하고 신속하게 수행할 수 있도록 한 플로팅 수차 장치에 관한 것이다.
예로부터 수력을 이용하여 전기를 발전하는 장치로서는 댐에 저장된 물이 가지는 위치에너지를 운동에너지로 변환하여 수차를 회전시키고, 여기서 얻어지는 회전력을 발전기에 전달함으로써 전기를 발전하는 통상적인 수력발전방식이 널리 사용되어 왔다.
이러한 통상의 수력발전방식은 대규모의 댐을 건설하여야 하기 때문에 넓은 지역의 매몰지가 발생하여 많은 사람들이 삶의 터전을 잃게 될 뿐만 아니라 환경오염과 생태계 파괴 등 어려 문제점을 초래하게 된다.
한편, 종래 수력발전방식에는 낙차가 거의 없고 상부가 개방되는 흐름식 수로에 복수개의 날개를 가지는 수차를 설치하여 물의 직선운동에너지를 수차의 회전에너지로 전달되도록 하고, 수차의 회전에너지를 이용하여 발전기를 작동시킴으로써 전기를 발전하는 방식이 있다.
수차는 유체인 물의 유동으로 인한 운동에너지(위치에너지 ㅧ 질량에너지 ㅧ 중력가속도(g = 9.8kg/sec2)를 기계적 회전력으로 전환하여 수차축에 결합된 발전기를 회전시킴으로써 전기를 발전하는 데에 사용되는 것이다.
수차의 종류는 충동수차와 반동수차 및 조합수차 등으로 구분된다. 충동수차는 펠톤수차나 물레방아 형태로서 물의 낙차가 높고 수량이 적을 때 사용되며, 형태는 원주 형태의 상단에 물을 낙하시켜 한 방향으로 회전하게 되는 단순한 구조이다.
반동수차(Reaction Turbine)는 프란시스(Francis)수차, 카플란(Kaplan)수차, 이를 변형한 크로스플로우(Cross Flow)수차, 터고(Turgo)수차, 풍력발전에 사용되는 프로펠러형수차, 조력발전이나 수압배관 내부에 설치되는 개량형 터보니스수차 등이 있다.
또한 초저낙차가 10m이내에서는 스크루 타입의 수차가 사용된다.
낙차가 거의 없는 소하천, 凹형 산에서 내려오는 자연하천 개방수로, 산업폐수 凹형 방수로, 농업용수 凹형 유도로 등에 유속이 어느 정도(0.5m/sec)이고 최저 평균수심도 0.5m이상을 유지하고 있는 곳은 우리나라뿐만 아니라 전 세계 곳곳에 산재하여 있다.
이러한 수로는 특히 산에 눈이 많아 물이 사시사철 흘러내리는 나라인 네팔이나 스위스, 인도북부 등에 많이 존재한다.
그런 장소에 유용한 소수력발전에너지원이 있으나 종래 기술의 수차는 기본적으로 물을 막고 댐을 쌓아야 한다.
또한 수차로 물의 유동에너지를 유입시키는 유입부(Intake Part)가 있어야 하고, 그 위치조건(수량과 낙차)이 적당한 특정한 타입의 기존 수차에 회전에너지를 전달하고 나온 물을 배출시키는 배출부(Draft Part)가 필히 존재하게 된다.
이 과정에서 문제는 대규모든 소규모든 전체 공사비의 50~70%를 차지하며 전체 공기의 절반이상을 차지하는 토목공사가 필수적으로 수반되고, 이러한 곳에 설치되는 종래 수차의 기계효율은 이미 정해져 있다는 것이 문제로 지적되고 있다.
또한 물을 막고 높은 댐을 건설해야 하므로 환경적 문제와 우기나 홍수시 자연재해의 위험의 문제도 안고 있다.
종래 수차에 대한 문제점 중 하나가 낙차가 거의 없는 완만한 흐름인 큰 강이나 샛강 등에는 수력발전에 효율 높은 수차가 적다는 것이 또 하나의 문제이다.
또한 수중에 수차를 설치하여 물의 자연유속을 이용하는 스크루타입 수차나 이중 터보니스타입의 수차를 적용해 왔으나, 수차표면의 마찰력이 커서 회전속도가 매우 느리고, 수중에 구동체를 가동시켜야 하므로 설치시 수중작업을 해야 하며, 구동장치를 지지하는 구조프레임 작업이나 수중베어링의 교체시 잠수부가 동원되는 고 위험작업이 필요한 것도 또 하나의 문제점이다. 또한 종래 수차는 투자대비 발전효율과 보수유지측면에서도 문제점이 있다.
한편, 종래 상부가 개방된 수로를 흐르는 물을 이용하는 소수력 발전장치로서는 상부가 개방된 수로에 수차를 설치하여 물의 직선운동에너지를 수차의 회전에너지로 변환하여 수차축에 발전기축이 연결된 발전기에 의하여 발전을 하도록 하는 장치가 사용되어 왔다.
이러한 소수력 발전장치에 사용되는 수차는 원통형으로 형성된 수차본체와, 수차본체의 외주면에 일정 각도 간격을 두고 설치되는 복수개의 수차날개 밀, 수차본체의 중심부에 결합되어 상부가 개방된 수로에 회전 가능하게 지지되며 발전기의 축에 연결되는 수차축을 포함한다.
이러한 종래의 수차는 다음과 같은 여러 가지 수차효율 저감요인을 내포하고 있다.
첫 번째는 수차의 무게이다. 수로를 흐르는 물의 직선운동에너지를 수차의 회전에너지를 전환하는 과정에서 수차의 무게는 수차회전에 대한 저항력으로 작용하게 되고, 그 만큼 수차효율이 저감된다.
종래의 수차는 수차본체는 일정한 직경을 가지는 속이 꽉 찬 부재로 구성되어 있기 때문에 수차본체의 무게가 수차전체 무게를 증가시키게 되어 수차효율을 저감시키게 된다.
한편, 수차본체의 무게를 줄이기 위하여 수차본체를 두께가 얇은 원판형으로 구성하는 것을 고려해 볼 수 있으나, 이 경우 수차본체에 대한 수차날개의 결합이 견고하게 이루어지지 않게 되어 수차에 적용하는 데에는 제약이 뒤따르게 된다.
두 번째는 마찰저항이다. 마찰저항은 수차본체와 물의 접촉과 수차날개와 물의 접촉에 의하여 발생하는 것으로, 물과 접촉하는 수차본체의 면적과 물과 접촉하는 수차날개의 면적에 비례하게 되며, 이러한 마찰저항은 수차의 회전에 저항력으로 작용하여 수차의 회전에너지의 손실을 초래하여 수차효율을 저감시킨다.
특히, 종래 수차는 수차몸체가 일정한 직경을 가지는 외주면을 가지고 있기 때문에 물과의 접촉면적이 커서 마찰저항이 증가하게 되고, 결과적으로 수차효율을 저감시키게 된다.
세 번째는 수차날개에 포집되는 물의 무게이다. 수차날개는 수로의 상류측에서 입수하여 물과 접촉하기 시작하면서 물의 직선운동에너지로부터 회전에너지를 전달받게 되고, 하류측에서 출수하게 되는데 출수과정에서 수차날개에 물이 담겨 있게 되면, 그 물의 무게만큼 역회전 방향의 회전력이 발생하게 되어 회전에너지의 손실을 초래하게 되고, 결과적으로 수차효율을 저감시키게 된다.
대한민국 등록특허 제10-1243970호 (2013.03.08. 등록) "수로 내에 설치되는 횡류형 수류수차" 대한민국 등록특허 제10-1243830호 (2013.03.08. 등록) "에너지집약장치를 갖는 횡력형 수류수차" 대한민국 등록특허 제10-1376254호 (2014.03.13. 등록) "소수력 발전장치용 수차 회전력 증강장치"
따라서 본 발명의 목적은 수차본체를 중공형으로 형성하여 수차무게에 따른 수차효율 저감요인을 최소화하여 수차효율을 향상시킬 수 있도록 한 플로팅 수차 장치를 제공하려는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 수차본체와 물 사이의 접촉면적을 최소화하여 수차본체와 물 사이의 마찰저항을 최소화하여 수차효율을 향상시킬 수 있도록 한 플로팅 수차 장치를 제공하려는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 수차날개와 물 사이의 마찰저항을 최소화하여 수차효율을 향상시킬 수 있도록 한 플로팅 수차 장치를 제공하려는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 수차날개가 출수할 때 물이 담겨 올라오지 않게 함으로써 수차효율을 향상시킬 수 있도록 한 플로팅 수차 장치를 제공하려는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 수로 내의 수위에 따라 수차의 높이를 조절하여 항상 수차효율을 유지할 수 있도록 한 플로팅 수차 장치를 제공하려는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 유지보수시 수중작업이 배체되거나 최소화되도록 하여 유지보수 작업을 안전하고 신속하게 수행할 수 있도록 한 플로팅 수차 장치를 제공하려는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 본 발명은 수로의 전, 후방 수로벽에 회전 가능하게 설치되는 수차축을 구비하며 정면에서 볼 때 원형을 이루며 중공형으로 형성된 수차본체와; 상기 수차본체의 외주부에 일정 각도 간격을 두고 설치되는 복수개의 수차날개;가 구비된 수차를 포함하는 플로팅 수차 장치를 제공한다.
상기 수차본체는 원통형으로 형성되고, 상기 수차본체의 외주면에 복수개의 수차날개가 일정 각도 간격으로 설치된다.
상기 수차본체는 정면에서 볼 때 원형을 이루며, 측면에서 볼 때 상기 수차축이 결합되는 중심부의 두께가 두껍고 외주부로 가면서 두께가 얇아지는 유선형 단면 형태로 형성되고, 상기 수차본체의 외주부에 복수개의 수차날개가 일정 각도 간격으로 설치된다.
상기 수차날개는 양단이 개방되고 회전방향을 기준으로 선행단의 직경이 작고 후행단의 직경이 큰 테이퍼형 관체로 구성될 수 있다.
상기 수차날개는 양단이 개방되고 회전방향을 기준으로 선행단의 직경이 크고 후행단의 직경이 작은 테이퍼형 관체로 구성될 수 있다.
상기 수차날개는 회전방향을 기준으로 선행단이 막히고 후행단이 개방된 고깔 형태로 형성될 수 있다.
상기 수차를 수로의 전, 후방 수로벽에 회전 가능하게 지지하는 수차지지대를 더 포함하며, 상기 수차지지대는 수로의 전, 후방 수로벽에 고정 설치되는 전, 후방 수차지지대를 포함하고, 상기 전, 후방 수차지지대는 각각 좌우로 이격되는 좌우 한 쌍의 수차지지봉로 구성되며, 상기 좌우 한 쌍의 수차지지봉의 상단은 연결바로 연결되며, 좌우 한 쌍의 수차지지봉 사이에는 상기 수차축을 승강 안내하는 안내통로가 형성된다.
상기 수차지지대의 보강을 위하여 보강지지대를 더 포함하며, 상기 보강지지대는 전, 후방 수로벽에 고정되며 중간부에 상기 전, 후방 수차지지대를 지지하는 전, 후방 보강지지대와, 상기 전, 후방 보강지지대를 연결하는 연결지지대를 포함하여 구성된다.
상기 수차의 높이를 조절할 수 있도록 하는 높이조절수단을 더 포함할 수 있다.
상기 높이조절수단은 상기 좌우 한 쌍의 수차지지봉 사이의 안내통로 내에 승강 가능하게 설치되는 승강랙과, 상기 수차지지봉에 고정 설치되는 모터마운트와, 상기 모터마운트에 장착되는 승강구동모터와, 상기 승강구동모터의 모터축에 결합되어 상기 승강랙에 맞물리는 피니언과, 상기 승강랙의 하단에 고정되는 베어링블록과, 상기 베어링블록에 설치되어 상기 수차축을 지지하는 베어링을 포함하여 구성되고, 상기 수로 내의 수위에 따라 높이조절수단을 제어하기 위한 제어수단을 더 포함하며, 상기 제어수단은 수로의 수위를 감지하는 수위센서와, 상기 수위센서의 수위감지신호에 따라 상기 승강구동모터에 대한 상승구동명령과 하강구동명령을 출력하는 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 플로팅 수차 장치에 의하면, 수차본체가 중공형으로 형성되어 물에 뜰 수 있을 정도고 가볍게 구성되므로 수차 무게에 따른 수차효율 저감요인을 최소화하여 수차효율을 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명의 플로팅 수차 장치에 의하면, 수차본체가 수차축이 결합되는 중심부에서 외주로 가면서 두께가 얇아지는 유선형 단면 형태로 형성되어 수차본체와 물 사이의 접촉면적이 최소화되고 수차본체와 물 사이의 마찰저항을 최소화되어 수차효율을 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명의 플로팅 수차 장치에 의하면, 수차날개가 양단이 개방되고 회전방향을 기준으로 선행단의 직경보다 후행단의 직경이 큰 테이퍼형 관체, 또는 선행단의 직경이 크고 후행단의 직경이 작은 테이퍼형 관체, 또는 선행단이 막히고 후행단이 개방된 고깔 형태로 형성되어 있으므로 수차날개와 물 사이의 마찰저항과 수차본체와 물 사이의 마찰저항을 최소화하여 수차효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한 본 발명의 플로팅 수차 장치에 의하면, 수차날개가 양단이 개방된 테이퍼형 관체 또는 후행단이 개방된 고깔 형태로 구성되어 있으므로 출수할 때 물이 담겨 올라오지 않게 함으로써 수차효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한 본 발명의 플로팅 수차 장치에 의하면, 높이조절수단이 구비되어 수로를 흐르는 유량의 증감으로 인한 수위 변화에 대응하여 수차의 높이를 조절함으로서 항상 수차효율을 유지할 수 있다.
또한 본 발명의 플로팅 수차 장치에 의하면, 수로 내에 위치하는 구성요소를 최소화하고 대부분의 구성요소를 수로 밖의 지상에 설치하여 유지보수시 수중작업이 배제되거나 최소화되도록 하여 유지보수 작업을 안전하고 신속하게 수행할 수 있다.
도 1 내지 도 8은 본 발명에 의한 플로팅 수차 장치의 바람직한 제1 실시예를 보인 것으로,
도 1은 본 발명에 의한 플로팅 수차 장치의 사시도,
도 2는 본 발명에 의한 플로팅 수차 장치의 분해 사시도,
도 3은 본 발명에 의한 플로팅 수차 장치의 종단 정면도,
도 4는 도 3의 A-A선 단면도,
도 5는 플로팅 수차의 확대 종단 정면도,
도 6은 도 6의 B-B선 단면도,
도 7은 제어수단의 기능블록도이고,
도 8은 플로팅 수차 장치를 수로에 연속 설치한 상태를 보인 사시도,
도 9는 플로팅 수차 장치의 변형예를 보인 사시도,
도 10 내지 도 15는 본 발명에 의한 플로팅 수차 장치의 바람직한 제2 실시예를 보인 것으로,
도 10은 본 발명에 의한 플로팅 수차 장치의 사시도,
도 11은 본 발명에 의한 플로팅 수차 장치의 분해 사시도,
도 12는 본 발명에 의한 플로팅 수차 장치의 종단 정면도,
도 13은 도 12의 C-C선 단면도,
도 14는 플로팅 수차의 확대 종단 정면도,
도 15는 도 14의 D-D선 단면도,
도 16은 본 발명에 의한 플로팅 수차 장치의 바람직한 제3 실시예를 보인 확대 종단 정면도,
도 17은 본 발명에 의한 플로팅 수차 장치의 바람직한 제4 실시예를 보인 확대 종단 정면도이다.
이하, 본 발명에 의한 플로팅 수차 장치를 첨부도면에 예시한 바람직한 실시예에 따라서 상세히 설명한다.
이하의 설명에서 편의상 수로의 상류측을 우측으로, 하류측을 좌측으로 하고, 이를 기준으로 전, 후방과 전, 후면등으로 구분하여 설명하기로 한다.
또한 볼트가 관통되는 볼트관통공과 볼트체결공 등은 도면에는 도시하되 도면부호는 생략한다.
또한 각 구성요소들간의 고정, 결합 등은 나사체결식 또는 용접식 등 통상적인 방식에 의하여 이루어질 수 있으므로 이에 대한 구체적인 도시 및 설명은 생략한다.
이하의 설명에서 수차본체는 원통형과 유선형으로 형성되는데 원통형으로 형성되는 수차본체를 "110A"로, 유선형으로 형성되는 수차본체를 "110B"로, 원통형 수차본체(110A)를 가지는 수차를 "100A"로, 유선형 수차본체(110B)를 가지는 수차를 "100B"로 하고, 선행단의 직경이 작고 후행단의 직경이 큰 테이퍼형 관체로 된 수차날개를 "130A"로, 선행단의 직경이 크고 후행단의 직경이 작은 테이퍼형 관체로 된 수차날개를 "130B"로, 선행단이 막히고 후행단이 개방된 고깔 형태의 수차날개를 "130C"로 하여 설명하며, 여타 부분에 대해서는 동일한 부호로 설명한다.
도 1 내지 도 8은 본 발명에 의한 플로팅 수차 장치의 바람직한 제1 실시예를 보인 것이다.
본 실시예는 수로 내의 물의 유속(V)이 1m/sec < V ≤ 5m/sec인 중속(中速), 달리 말하면 평균 유속인 경우에 적합한 예를 보인 것이다.
본 실시예에 따른 플로팅 수차 장치는 도 1 내지 도 7에 도시한 바와 같이, 수로(10)의 전, 후방 수로벽(11, 12)에 회전 가능하게 설치되는 수차(100A)를 포함한다.
본 발명이 적용될 수 있는 수로는 자연적으로 생성된 샛강 등의 노천수로와 인공적으로 설치된 개방수로는 물론 농수로 등 기타 상부가 개방된 수로라면 적용될 수 있다.
상기 수차(100A)는 정면에서 볼 때 원형을 이루는 수차본체(110A)와, 상기 수차본체(110A)의 외주부에 일정 각도 간격을 두고 고정되는 복수개의 수차날개(130A)를 포함한다.
상기 수차본체(110A)는 상기 전, 후방 수로벽(11, 12) 사이의 폭에 대응하는 길이를 가지는 중공형 원통체로 형성하는 것이 바람직하다.
이로써 상기 수차본체(110A)의 무게에 따른 수차효율 저감요인을 최소화할 수 있어 수차효율을 향상시킬 수 있게 된다.
이때, 수차본체(110A)의 길이는 전, 후단면이 상기 전, 후 수로벽(11, 12) 내벽면에 접촉하지 않을 정도의 길이로 구성할 수 있다.
상기 수차본체(110A)는 스테인리스강판을 말아 감아서 양단이 개방된 원통부를 형성하고, 원통부의 양단에 원판을 용접하는 것에 의하여 제작할 수 있다.
상기 수차본체(110A)의 전, 후면에는 상기 전, 후방 수로벽(11, 12)의 상부에 회전 가능하게 지지되는 수차축(120)이 결합된다.
이때, 수차본체(110A)와 수차축(120)의 결합을 견고하게 하기 위하여 수차축(120)에 플랜지(121)를 구비하여 이 플랜지(121)를 수차본체(110A)의 전, 후면에 용접 또는 나사체결에 의하여 결합할 수 있다.
상기 수차날개(130A)는 회전방향을 기준으로 할 때 선행단(Leading End)과 후행단(Trailing End)이 개방된 테이퍼형 관체로 형성된다.
본 실시예는 수로 내의 물의 유속(V)이 1m/sec < V ≤ 5m/sec인 중속(中速)인 경우에 적합한 예를 보인 것으로, 선행단의 직경이 작고 후행단의 직경이 크게 형성하는 것이 바람직하다.
도시예에서는 수차날개(130A)가 1열에 8개씩 설치한 예를 들고 있으나, 수로(10)의 깊이 또는 수위 등에 따라 수차본체(110A)의 직경이 달라질 수 있는바, 수차본체(110A)의 직경에 따라 수차날개(130A)의 개수를 달리할 수 있는 것이다.
상기 수차본체(110A)와 수차날개(130A)는 수차본체(110A)의 원주면과 수차날개(130A)의 테이퍼면이 직각을 이루는 방향으로 배치되므로 수차본체(110A)의 원주면과 수차날개(130A)의 테이퍼면에 용접되는 보강재(140)를 통하여 고정하는 것이 바람직하다.
상부가 개방된 수로(10)의 유속은 수심 2/3 지점까지 증가하고, 바닥면과 측면 가까이에서는 마찰에 의하여 유속이 감소하며, 또한 최소 유속 지점과 수표면의 속도가 다르게 되는데, 수차(100A)를 1/3 ~ 2/5 정도의 일부만 잠수시킴으로써 수차날개(130A)가 최소 유속 지점에 위치하게 된다.
따라서 상기 수차날개(130A)가 최고 유속 지점에 대응되도록 하기 위하여 상기 수차(100A)는 1/3 ~ 2/5 정도로 일부만 잠수시켜 수차축(120)이 항상 수면 위에 위치하도록 함으로써 수차효율을 향상시킬 수 있게 하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 수차날개(130A)가 최고 유속 지점에 대응되도록 할 경우 그 만큼 마찰저항도 커지게 되는데 상기 수차날개(130A)는 선행단과 후행단이 개방된 테이퍼형 관체로 형성되어 있기 때문에 마찰저항을 최소화할 수 있게 된다.
또한 본 실시예는 수로 내의 물의 유속(V)이 1m/sec < V ≤ 5m/sec인 중속인 경우에 적용되는 것으로, 수차날개(130A)가 후행단의 직경이 선행단의 직경보다 큰 테이퍼형 관체로 구성되어 있어 수로(10)를 흐르는 물의 직선운동에너지가 직경이 큰 후행단에 작용하게 되므로 수차효율이 향상될 수 있다.
또한 상기 수차날개(130A)가 출수할 때 직경이 작은 선행단이 앞서서 출수하고 직경이 큰 후행단이 뒤따라 출수하게 되므로 물이 수차날개(130A)에 담겨 올라오지 않고 수차날개(130A)로부터 모두 빠져나가게 되므로 물에 의하여 수차의 무게가 증가하는 일이 없게 되고, 물의 무게에 의한 역방향의 회전력이 발생하지 않게 되어 수차효율이 향상된다.
도시예에서는 하나의 수차본체(110A)에 대하여 4열의 수차날개(130A)를 설치한 예를 들고 있으나, 이로서 국한되는 것이 아니고, 수로(10)의 폭에 따라 1열만 설치할 수도 있고, 복수열로 설치할 수도 있는 것이다.
실험에 따르면 아래의 실험예와 같이, 본 실시예에 의한 중공형 수차본체(110A)와 양단이 개방된 테이퍼형 관체로 된 수차날개(130A)를 가지는 수차(100A)와, 속이 꽉 찬 수차본체와 판상의 날개가 적용된 종래의 수차를 비교 실험한 결과, 본 발명에 의한 수차(100A)가 종래의 수차에 비하여 회전력이 40~50% 상승하는 것으로 확인되었다.
실험예 1
장소 : 파주 마장리 실개천, 유속 : 1m/sec, 수위 0.5m
구분 본 발명의 수차 속이 꽉 찬 수차본체를 채용한 수차 종래 물레방아형 수차
직경(mm) 500 500 500
폭(mm) 60 60 60
회전수(rpm) 80~95 35~40 20~35
실험예 2
장소 : 경기북부 사미천 임진강 지류, 유속 : 1.5m/sec, 수위 0.4m
구분 본 발명의 수차 속이 꽉 찬 수차본체를 채용한 수차 종래 물레방아형 수차
직경(mm) 500 500 500
폭(mm) 60 60 60
회전수(rpm) 83~100 41~48 28~35
본 발명의 플로팅 수차 장치는 상기 수차(100A)를 수로(10)의 전, 후방 수로벽(11, 12)에 회전 가능하게 지지하는 수차지지대(200)를 포함한다.
상기 전, 후방 수차지지대(210, 220)는 각각 좌우로 이격되는 좌우 한 쌍의 수차지지봉(211, 221)로 구성되며, 상기 좌우 한 쌍의 수차지지봉(211, 221)의 상단은 연결바(212, 222)로 연결되며, 좌우 한 쌍의 수차지지봉(211, 221) 사이에는 상기 수차축(120)을 승강 안내하는 안내통로(213, 223)가 형성된다.
상기 수차지지대(200)는 자체만으로 수차(100A)를 지지할 수도 있으나, 보강을 위하여 보강지지대(300)로 보강하는 것이 바람직하다.
상기 보강지지대(300)는 전, 후방 수로벽(11, 12)에 고정되며 중간부에 상기 전, 후방 수차지지대(210, 220)를 지지하는 전, 후방 보강지지대(310, 320)와, 상기 전, 후방 보강지지대(310, 320)를 연결하는 연결지지대(330)를 포함한다.
상기 전, 후방 보강지지대(310, 320)는 상기 전, 후방 수로벽(11, 12)에 고정되며 상기 좌우 한 쌍의 수차지지봉(211, 221)의 하단이 고정되는 하단고정바(311, 321)와, 상기 하단고정바(311, 321)의 좌우 양단에 고정되어 상향 연장되는 좌우 한 쌍의 수직바(312, 322)와, 상기 좌우 한 쌍의 수직바(312, 322)의 상단과 상기 좌우 한 쌍의 수차지지봉(211, 221)의 중단부를 연결하는 좌우 한 쌍의 연결바(313, 323)를 포함한다.
상기 수차지지봉(211, 221), 연결바(212, 222), 하단고정바(311, 321), 수직바(312, 322), 연결바(313, 323), 연결지지대(330)는 사각강관이나 앵글 등을 나사결합 또는 용접에 의하여 결합할 수 있다.
상기 하단고정바(311, 321)는 전, 후방 수로벽(11, 12)의 상면에 직접 고정할 수도 있으나, 전, 후방 수로벽(11, 12)의 외벽면에 전, 후방 지지블록(13, 14)을 설치하고, 이 전, 후방 지지블록(13, 14)의 상면에 고정함으로써 수차지지대(200)와 보강지지대(300)가 전, 후방 수로벽(11, 12)의 내벽면보다 바깥쪽에 위치하도록 하는 것이 바람직하다.
전, 후방 수로벽(11, 12)과 전, 후방 지지블록(13, 14)은 콘크리트 구조물로 구성할 수 있으며, 하단고정바(311, 321)를 관통하는 앵커볼트(341, 342)를 이용하여 전, 후방 지지블록(13, 14)에 고정할 수 있다.
이때, 하단고정바(311, 321)와 전, 후방 지지블록(13, 14) 사이에는 보강판(351, 352)을 덧댈 수 있다.
상기 연결지지대(330)는 상기 수직바(312, 322)와 연결바(313, 323)의 연결부에 양단을 연결하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 수차(100A)는 수로(10)의 수위변화에 따라 높이를 조절할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이를 위하여 본 발명은 높이조절수단(400)을 더 포함한다.
상기 높이조절수단(400)은 수나사부를 가지는 스크루와 암나사부를 가지는 암나사관을 이용한 나사식과, 랙과 피니언을 이용한 랙기어식 및, 유압잭 방식 중에서 선택할 수 있다.
도시예에서는 랙기어식 높이조절수단을 보인 것이다.
상기 높이조절수단(400)은 상기 좌우 한 쌍의 수차지지봉(211, 221) 사이의 안내통로(213, 223) 내에 승강 가능하게 설치되는 승강랙(411, 412)과, 상기 수차지지봉(211, 221)에 고정 설치되는 모터마운트(420)와, 상기 모터마운트(420)에 장착되는 승강구동모터(431, 432)와, 상기 승강구동모터(431, 432)의 모터축에 결합되어 상기 승강랙(411, 412)에 맞물리는 피니언(441, 442)과, 상기 승강랙(411, 412)의 하단에 고정되는 베어링블록(451, 452)과, 상기 베어링블록(451, 452)에 설치되어 상기 수차축(120)을 지지하는 베어링(461, 462)을 포함한다.
본 발명은 상기 수차지지봉(211, 221)의 상단부와 모터마운트(420)와 승강구동모터(431, 432)와 피니언(441, 442)을 씌워서 보호하는 보호커버(470)를 더 포함한다.
상기 승강랙(411, 412)이 안내통로(213, 223)에서 임의 이탈하는 것을 방지하고 승강동작이 원활하게 이루어지게 하기 위하여 안내수단(도시생략)을 더 구비할 수 있는바, 이에 대한 구체적인 도시 및 설명은 생략한다.
또한 도시예에서는 피니언(441, 442)을 승강구동모터(431, 432)에 의하여 전동식으로 구동하도록 구성한 예를 들고 있으나, 피니언(441, 442)의 축에 핸들을 연결하여 수동식으로 구동하도록 구성할 수도 있다.
본 발명은 승강구동모터(430)를 제어하기 위한 제어수단(500)을 더 포함한다.
상기 제어수단(500)은 수로(10)의 수위를 감지하는 수위센서(510)와, 상기 수위센서(510)의 수위감지신호에 따라 상기 승강구동모터(431, 432)에 대한 상승구동명령과 하강구동명령을 출력하는 제어부(520)를 포함한다.
상기 수차(100A)는 수중에 1/3 ~ 2/5만큼 잠수되는바, 수로(10) 내의 수위가 상승하거나 하강하는 경우 수차(100A)의 잠수깊이가 변화하여 수차효율이 저하될 수 있는바, 제어수단(500)의 제어에 의하여 승강구동모터(431, 432)를 작동시켜 수차(100A)를 승강시킴으로써 수차(100A)가 수중에 1/3 ~ 2/5만큼 잠수되도록 할 수 있다.
즉, 수로(10)의 수위가 상승한 경우 수위센서(510)가 상승한 수위를 감지하여 제어부(520)에 전달하고, 제어부(520)는 수위상승감지신호에 따라 상기 승강구동모터(431, 432)에 대하여 상승구동명령을 출력하게 되며, 제어부(520)의 상승구동명령에 따라 승강구동모터(431, 432)가 상승작동방향으로 회전하게 되며, 모터축에 결합된 피니언(421, 422)이 상승방향으로 회전하고, 피니언(421, 422)에 맞물린 승강랙(411, 412)이 상승하며, 승강랙(411, 412)에 결합된 베어링블록(451, 452)과 베어링블록(451, 452)에 설치된 베어링(461, 462) 및 베어링(461, 462)에 지지되어 있는 수차축(120)이 상승하게 되며, 결과적으로 수차(100A)가 상승하게 된다.
반대로, 수로(10)의 수위가 하강한 경우 수위센서(510)가 하강한 수위를 감지하여 제어부(520)에 전달하고, 제어부(520)는 수위하강감지신호에 따라 상기 승강구동모터(431, 432)에 대하여 하강구동명령을 출력하게 되며, 제어부(520)의 하강구동명령에 따라 승강구동모터(431, 432)가 하강작동방향으로 회전하게 되며, 모터축에 결합된 피니언(421, 422)이 하강방향으로 회전하고, 피니언(421, 422)에 맞물린 승강랙(411, 412)이 하강하며, 승강랙(411, 412)에 결합된 베어링블록(451, 452)과 베어링블록(451, 452)에 설치된 베어링(461, 462) 및 베어링(461, 462)에 지지되어 있는 수차축(120)이 하강하게 되며, 결과적으로 수차(100A)가 하강하게 된다.
따라서 본 발명에 의한 플로팅 수차 장치는 수로(10) 내의 수위 변화가 있더라도 안정적인 수차효율을 유지할 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의한 플로팅 수차 장치는 도 8에 도시한 바와 같이, 여러 개를 수로(10)를 따라 일정 간격으로 설치하거나 또는 유속이 빠른 곳을 선택하여 복수개의 수차를 연속적으로 설치할 수 있다.
도 9는 상기 수차(100A)를 구성하는 수차본체(110A)를 전, 후방 수로벽(11, 12) 사이의 폭보다 짧은 길이를 가지는 원통형으로 형성하고, 수차본체(110A)에 1열의 수차날개(130A)를 설치하여 하나의 수차축(120)에 복수개의 수차본체(110A)를 연결하여 설치할 수도 있다.
도 10 내지 도 15는 본 발명에 의한 플로팅 수차 장치의 바람직한 제2 실시예를 보인 것이다.
본 실시예는 수차(100B)는 수차본체(110B)가 정면에서 볼 때 원형을 이루며 측면에서 볼 때 수차축(120)이 결합되는 중심부의 두께가 두껍고 외주부로 가면서 두께가 얇아지는 유선형 단면 형태로 구성하여 수차본체(110B)와 물의 마찰저항을 최소화한 것이다.
즉, 상기 수차본체(110B)는 스테인리스강판을 프레스 가공하여 일측으로 오목하고 타측으로 볼록한 한 쌍의 하프본체를 용접으로 접합하여 측면에서 볼 때 수차축(120)이 결합되는 중심부의 두께가 두껍고 외주부로 가면서 두께가 얇아지는 유선형 단면 형태(소위, 비행접시 형태)로 구성할 수 있다.
이와 같이 구성되는 수차본체(110B)는 물과의 접촉면적을 최소화하여 수차본체(110B)와 물 사이의 마찰저항에 의한 수차효율 저감요인을 최소화할 수 있으며, 결과적으로 수차효율을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
상기 수차본체(110B)는 중공형으로 형성하여 물에 뜰 수 있을 정도로 가볍게 형성하여 수차본체(110B)의 무게에 따른 수차효율 저감요인을 최소화하고 결과적으로 수차효율을 향상시킬 수 있게 된다.
본 실시예는 수로 내의 물의 유속(V)이 1m/sec < V ≤ 5m/sec인 중속(中速)인 경우에 적합한 예를 보인 것으로, 상술한 제1 실시예에서와 동일한 수차날개(130A)가 설치된다.
본 실시예에서 여타 구성은 상술한 제1 실시예와 동일하므로 동일부분에 대해서는 동일 부호를 부여하고 구체적인 설명은 생략한다.
도시예에서는 2개의 수차(100B)를 2개를 병설한 예를 들고 있으나, 수로(10)의 폭에 따라서 수차(100B)의 설치 개수를 증감할 수 있는 것이다.
도 16은 본 실시예는 수로 내의 물의 유속(V)이 0m/sec < V ≤ 1m/sec인 저속(低速)인 경우에 적합한 예를 보인 것이다.
본 실시예의 플로팅 수차 장치는 선행단의 직경이 크고, 후행단의 직경이 작은 테이퍼형 관체로 된 수차날개(130B)를 포함한 것이며, 여타 구성은 상술한 제1 실시예와 동일하므로 동일 부분에 대해서는 동일 부호를 부여하고 구체적인 도시 및 설명은 생략한다.
본 실시예에 의한 수차날개(130B)는 수차본체(110A)와 수차본체(110B)에 모두 적용할 수 있다.
도 17은 본 발명에 의한 플로팅 수차 장치의 바람직한 제3 실시예를 보인 것이다.
본 실시예는 수로 내의 물의 유속(V)이 5m이상인 고속(高速)인 경우에 적합한 예를 보인 것이다.
본 실시예의 플로팅 수차 장치는 선행단이 막히고 후행단이 개방되며, 수차본체(110A, 110B)의 외주부의 형상에 따라 구부러진 고깔 형태로 형성된 수차날개(130C)를 포함한 것이며, 여타 구성은 상술한 제1 실시예와 동일하므로 동일 부분에 대해서는 동일 부호를 부여하고 구체적인 도시 및 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 수차날개(130C)는 선행단부가 막혀 있고 첨예한 형태로 구성되어 있기 때문에 수차날개(130C)와 물 사이의 마찰저항을 더욱 저감시킬 수 있게 되고, 결과적으로 수차효율을 향상시킬 수 있게 된다.
본 실시예에 의한 수차날개(130C)는 수차본체(110A)와 수차본체(110B)에 모두 적용할 수 있다.
상기에서 본 발명의 특정한 실시예가 설명 및 도시되었지만, 본 발명이 통상의 기술자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 되며, 본 발명에 첨부된 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
10 : 수로 11, 12 : 전, 후방 수로벽
13, 14 : 전, 후방 지지블록 100A, 100B : 수차
110A, 110B : 수차본체 120 : 수차축
130A, 130B, 130C : 수차날개 140 : 보강재
200 : 수차지지대 210, 220 : 전, 후방 수차지지대
211, 221 : 수차지지봉 213, 223 : 안내통로
300 : 보강지지대 310, 320 : 전, 후방 보강지지대
311, 321 : 하단고정바 312, 322 : 수직바
313, 323 : 연결바 330 : 연결지지대
400 : 높이조절수단 411, 412 : 승강랙
420 : 모터마운트 431, 432 : 승강구동모터
441, 442 : 피니언 451, 452 : 베어링블록
461, 462 : 베어링 470 : 보호커버

Claims (10)

  1. 수로의 전, 후방 수로벽에 회전 가능하게 설치되는 수차축을 구비하며 정면에서 볼 때 원형을 이루며 중공형으로 형성된 수차본체와; 상기 수차본체의 외주부에 일정 각도 간격을 두고 설치되는 복수개의 수차날개가 구비된 수차;를 포함하며,
    수차지지대는 수로의 전, 후방 수로벽에 고정 설치되는 전, 후방 수차지지대를 포함하고,
    상기 전, 후방 수차지지대는 각각 좌우로 이격되는 좌우 한 쌍의 수차지지봉으로 구성되며, 상기 좌우 한 쌍의 수차지지봉의 상단은 연결바로 연결되며, 좌우 한 쌍의 수차지지봉 사이에는 상기 수차축을 승강 안내하는 안내통로가 형성되고,
    상기 수차지지대의 보강을 위하여 보강지지대를 더 포함하며,
    상기 보강지지대는 전, 후방 수로벽에 고정되며 중간부에 상기 전, 후방 수차지지대를 지지하는 전, 후방 보강지지대와, 상기 전, 후방 보강지지대를 연결하는 연결지지대를 포함하고,
    상기 수차의 높이를 조절할 수 있도록 하는 높이조절수단을 포함하며,
    상기 높이조절수단은 상기 좌우 한 쌍의 수차지지봉 사이의 안내통로 내에 승강 가능하게 설치되는 승강랙과, 상기 수차지지봉에 고정 설치되는 모터마운트와, 상기 모터마운트에 장착되는 승강구동모터와, 상기 승강구동모터의 모터축에 결합되어 상기 승강랙에 맞물리는 피니언과, 상기 승강랙의 하단에 고정되는 베어링블록과, 상기 베어링블록에 설치되어 상기 수차축을 지지하는 베어링을 포함하여 구성되고,
    상기 수로 내의 수위에 따라 높이조절수단을 제어하기 위한 제어수단을 더 포함하며,
    상기 제어수단은 수로의 수위를 감지하는 수위센서와, 상기 수위센서의 수위감지신호에 따라 상기 승강구동모터에 대한 상승구동명령과 하강구동명령을 출력하는 제어부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 플로팅 수차 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수차본체는 원통형으로 형성되고, 상기 수차본체의 외주면에 복수개의 수차날개가 일정 각도 간격으로 설치됨을 특징으로 하는 플로팅 수차 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수차본체는 정면에서 볼 때 원형을 이루며, 측면에서 볼 때 상기 수차축이 결합되는 중심부의 두께가 두껍고 외주부로 가면서 두께가 얇아지는 유선형 단면 형태로 형성되고, 상기 수차본체의 외주부에 복수개의 수차날개가 일정 각도 간격으로 설치됨을 특징으로 하는 플로팅 수차 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수차날개는 양단이 개방되고 회전방향을 기준으로 선행단의 직경이 작고 후행단의 직경이 큰 테이퍼형 관체로 구성됨을 특징으로 하는 플로팅 수차 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수차날개는 양단이 개방되고 회전방향을 기준으로 선행단의 직경이 크고 후행단의 직경이 작은 테이퍼형 관체로 구성됨을 특징으로 하는 플로팅 수차 장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수차날개는 회전방향을 기준으로 선행단이 막히고 후행단이 개방된 고깔 형태로 형성된 것임을 특징으로 하는 플로팅 수차 장치.
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