KR102056695B1 - 고효율 대용량 프란시스 수차 - Google Patents

고효율 대용량 프란시스 수차 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스테이베인과 가이드베인의 형상 및 구조를 최적화하여 효율이 향상되도록 한 고효율 대용량 프란시스 수차에 관한 것으로, 스테이베인(200)은 전연(leading edge, 210)로부터 후연(trailing edge, 220)로 유입된 물이 흐르도록 형성된 제1 에어포일 형상으로 형성되어 있고, 상기 스테이베인(200)의 후연(trailing edge, 220)의 하부면(230)에 제1 경사각(θ1)을 갖는 제1 경사면(260)이 형성되어 있으며, 가이드베인(300)은 전연(leading edge, 310)로부터 후연(trailing edge, 320)로 유입된 물이 흐르도록 형성된 제2 에어포일 형상으로 형성되어 있고, 상기 가이드베인(300)의 후연(trailing edge, 320)의 하부면(330)에 제2 경사각(θ2)을 갖는 제2 경사면(260)이 형성되어 있되, 상기 제1 경사각(θ1)은 상기 제2 경사각(θ2)보다 크게 형성되어 있다.

Description

고효율 대용량 프란시스 수차{High Efficiency Large Francis Turbine}
본 발명은 물의 낙차를 이용하여 발전하는 프란시스 수차에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스테이베인과 가이드베인의 형상 및 구조를 최적화하여 비정상 유동을 저감시키고 효율이 향상되도록 한 고효율 대용량 프란시스 수차에 관한 것이다.
일반적으로 수차는 수력에 의해 발전을 하는 기계장치로서, 물의 낙차를 이용하여 수차를 통해 발전기의 회전축을 회전시켜 전력을 생산하는 장치이다.
이러한 수차는 크게 물의 운동에너지를 주로 사용하는 충동형 수차와 물의 압력에너지를 주로 사용하는 반동형 수차가 있으며, 반동형 수차는 수위 차이가 작지만 유량이 큰 조건에 적합하여 우리나라에서 많이 사용되고 있고, 그 타입에 따라 프란시스형이나 프로펠러형 및 튜브형 수차가 있다.
프란시스 수차는, 도 1에 도시된 바와 같이, 스파이럴 형상의 케이싱(100), 상기 스파이럴 형상의 케이싱(100)의 중앙부에 회전가능하게 설치되며 발전기의 회전축과 결합되는 러너(400), 상기 케이싱(100)의 외주와 연결된 유입관로를 통해 유입된 물이 러너의 외주방향으로 케이싱(100) 내측의 유출부에 설치된 스테이베인(200, 도 1에서는 스테이베인(200)을 볼 수 있도록 하기 위하여 스테이링(500, 500)을 제거한 상태임), 및 상기 스테이베인(200)을 경유한 물을 상기 러너(400)의 외주로 유입되도록 안내하는 가이드베인(300)으로 구성되어 있다.
상기 스파이럴 형상의 케이싱(100)은 유입관로의 끝단부로부터 360도 회전하면서 유로 단면적이 서서히 작아지는 형상으로 설계되며, 러너(400)의 외주방향으로 케이싱 내측의 유출부에 스테이베인(200)이 설치되어 유입관로를 통해 유입된 물은 스파이럴 형상의 케이싱(100)을 지나 케이싱(100) 중앙부에 위치한 러너(400)의 원주방향으로 흘러가도록 가이드한다.
이러한 프란시스 수차는 최종적으로 러너(400)가 발전기(미도시)에 연결되어 러너(400)의 회전력을 통해 발전(發電)을 하므로, 러너(400)에 관한 연구를 주로 하여 왔다.
등록특허공보 제10-1556358호(이하 ‘종래기술’이라 함)에서도 수차의 효율을 높이기 위한 러너의 구조 또는 형상에 관한 기술이 나타나 있다.
하지만, 케이싱(100)으로부터 유입된 물은 스테이베인(200)과 가이드베인(300)을 통하여 러너(400)까지 도달하므로, 수차의 효율 향상에는 스테이베인(200)과 가이드베인(300)의 역할도 크다.
특히, 본 발명과 같은 대용량의 프란시스 수차에서는 스테이베인(200)을 지지하는 스테이링(500, 600)이 케이싱(100)의 내부로 돌출되도록 구성되어 있어 스테이베인(200)과 가이드베인(300)과 관련된 구성이 효율에 미치는 영향이 커진다.
본 발명에서 대용량의 수차라고 함은 100MW급 이상의 프란시스 수차를 의미하며, 이와 같은 대용량의 수차는 러너(400)의 회전축에서 케이싱(100)의 외경까지의 거리가 7m 내외가 되고, 케이싱(100)의 유입구의 직경이 4m 내외가 되고, 상기 각 스테이베인(200)과 가이드베인(300)의 높이 및 길이가 1m 내외가 되는 규모를 갖게 된다.
이처럼 큰 규모를 갖는 대용량의 프란시스 수차에서는 유량이 많으므로, 유입된 물을 러너(400)까지 손실을 가능한 적은 상태로 안내하는 것이 더욱 중요하게 된다.
또한, 대용량 수차에서는 발전되는 전기에너지도 크기 때문에, 적은 효율을 개선시키더라도 발전되는 에너지의 양은 크기 때문에 스테이베인(200)과 가이드베인(300)에 관한 연구가 보다 더 필요하다.
등록특허공보 제10-1556358호(2015.09.30. 공고)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 대용량 프란시스 수차에서 스테이베인과 가이드베인의 후연(trailing edge)의 하부면에 각각 경사면을 형성하여 비정상 유동을 저감시키고, 효율이 향상되도록 한 고효율 대용량 프란시스 수차를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명에서는 스테이베인과 가이드 베인의 개수 및 배치를 달리하여 수차의 효율을 향상시킨 고효율 대용량 프란시스 수차를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명에서는 대용량 수차에서 구비되는 상부, 하부 스테이링이 수차의 효율에 영향을 미치는 것을 최소화할 수 있도록 각 스테이링의 형상을 변경한 고효율 대용량 프란시스 수차를 제공하고자 한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 고효율 대용량 프란시스 수차는, 스파이럴 형상의 케이싱(100)의 유입구로 유입된 물을 상기 케이싱(100) 내측에 형성된 스테이베인(200)과 가이드베인(300) 및 회전가능하며 발전기와 연결된 러너(400)로 순차적으로 안내하며, 상기 러너의 원주방향으로 유입된 물을 상기 러너의 축방향으로 유출하도록 구성되어 있되, 상기 스테이베인(200)은 전연(leading edge, 210)로부터 후연(trailing edge, 220)로 유입된 물이 흐르도록 형성된 제1 에어포일 형상으로 형성되어 있고, 상기 스테이베인(200)의 후연(trailing edge, 220)의 하부면(230)에 제1 경사각(θ1)을 갖는 제1 경사면(260)이 형성되어 있으며, 상기 가이드베인(300)은 전연(leading edge, 310)로부터 후연(trailing edge, 320)로 유입된 물이 흐르도록 형성된 제2 에어포일 형상으로 형성되어 있고, 상기 가이드베인(300)의 후연(trailing edge, 320)의 하부면(330)에 제2 경사각(θ2)을 갖는 제2 경사면(260)이 형성되어 있으며, 또한, 상기 제1 경사각(θ1)은 상기 제2 경사각(θ2)보다 크게 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스테이베인(200)에 형성된 제1 경사면(260)을 빗변으로 하고 상기 스테이베인(200)의 코드(chord, 270)와 평행선을 밑변으로 하는 가상의 직각삼각형(T1)은, 그 밑변의 길이(a1)는 상기 스테이베인(200)의 코드(chord) 길이(L1)의 3% 이상 5% 이하의 범위 내에 있고, 그 높이(b1)는 상기 스테이베인(200)의 최대 두께(STm)의 2% 이상 3% 이하의 범위 내에 있고, 상기 제1 경사각(θ1)은 25° 이상 30° 이하의 범위에 있으며, 상기 가이드베인(300)에 형성된 제2 경사면(360)을 빗변으로 하고 상기 가이드베인(300)의 코드(chord, 370)와 평행선을 밑변으로 하는 가상의 직각삼각형(T2)은, 그 밑변의 길이(a2)는 상기 가이드베인(300)의 코드(chord) 길이(L2)의 3% 이상 5% 이하의 범위 내에 있고, 그 높이(b2)는 상기 가이드베인(300)의 최대 두께(GTm)의 1.5% 이상 2.5% 이하의 범위 내에 있고, 상기 제2 경사각(θ2)은 상기 제1 경사각(θ1)과의 차이가 3° 이상 5° 이하이며, 상기 가이드베인(300)의 코드(chord) 길이(L2)는 상기 스테이베인(200)의 코드(chord) 길이(L1)의 85%이상 95% 이하인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다수의 가이드베인(300)은 등간격으로 방사상으로 형성되어 있고, 상기 다수의 스테이베인(200)은 상기 가이드베인(300)의 수보다 1개 적게 형성되어 있으며, 상기 스파이럴 형상의 케이싱(100)으로부터 유입되는 물을 가이드하기 시작하는 첫 번째 스테이베인(200i)과 마지막으로 배치되는 스테이베인(200f) 사이의 간격은 나머지 인접한 두 스테이베인(200) 사이의 간격의 2배가 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 가이드베인의 수는 20개이고, 상기 스테이베인의 수는 19개일 수 있다.
본 발명에 따른 대용량 프란시스 수차는, 스테이베인(200)과 가이드베인(300)의 후연에서 각각 경사면(260, 360)을 형성하여, 케이싱(100)으로 유입된 물이 스테이베인(200)과 가이드베인(300)의 안내를 받으면서 유동하는 과정에 비정상 유동이 발생하는 것을 최소화시킬 수 있고, 이로 통해 수차의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 대용량 프란시스 수차는, 방사상으로 배치된 스테이베인(200) 중에서 스파이럴 형상의 케이싱(100)의 내경이 가장 작은 부분에서 유입된 물을 안내하도록 구성된 스테이베인(200r)을 제거하여 유입된 물의 유동을 보다 더 정상화시킴으로써, 수차의 효율을 보다 더 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 대용량 프란시스 수차는, 케이싱(100)의 내부로 돌출되도록 형성된 상부, 하부 스테이링(500, 600)에 각각 경사부(510, 610)를 형성함으로써, 충돌 또는 데드존 등의 발생을 감소시키고 정상적인 유동이 증가하도록 하고 손실을 최소화하여 수차의 효율을 보다 더 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 대용량 프란시스 수차는, 상기 상부, 하부 스테이링(500, 600)에 의한 손실을 감소시킬 수 있도록 상부스테이링(220)의 상부면에 상부돌출부(232)를, 하부스테이링(250)의 하부면에는 하부돌출부(252)를 형성함으로써, 정상적인 유동이 증가하도록 하고 손실을 최소화하여 수차의 효율을 보다 더 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 프란시스 수차를 나타낸 개략도.
도 2는 프란시스 수차의 유선(streamline) 예시.
도 3은 본 발명에 따른 프란시스 수차의 스테이베인의 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 프란시스 수차의 가이드베인의 단면도
도 5는 본 발명에 따른 프란시스 수차의 스테이베인의 배치도.
도 6은 본 발명에 따른 스테이베인 배치에 따른 유선 및 압력 비교
(a) 유선(streamline) 비교
(b) 압력 등고선(Presure Contour) 비교
도 7은 본 발명에 따른 프란시스 수차의 스테이링 및 스테이베인.
(a) 스테이링 및 스테이베인 결합사시도
(b) 케이싱에 결합된 스테이베인 단면도
도 8은 본 발명의 스테이링 및 스테이베인의 제2 실시예 단면도
도 9은 본 발명의 스테이링 및 스테이베인의 제3 실시예 단면도
이하, 상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 고효율 대용량 프란시스 수차를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
프란시스 수차에서는 도 2에 도시된 바와 같이 케이싱(100)으로 유입된 물이 스테이베인(200)과 가이드베인(300)을 거쳐서 러너(400)로 유입된다.
이 때, 러너로 안내되는 물이 도 2에서와 같이 매끄러운 유선(streamline)을 갖기 위해서는 스테이베인(200)과 가이드베인(300)의 설계가 중요하다.
도 3, 4에는 비정상 유동을 저감시키고 효율을 향상시킬 수 있도록 구성된 본 발명의 스테이베인(200)과 가이드베인(300)이 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 스테이베인(200)은 전연(leading edge, 210)로부터 후연(trailing edge, 220)로 유입된 물이 흐르도록 형성된 제1 에어포일 형상으로 형성되어 있다.
상기 스테이베인(200)은 유동에 따라 높은 압력이 발생하는 하부면(230)과 낮은 압력이 발생하는 상부면(240)이 형성되어 있으며, 상기 스테이베인(200)의 후연(220)의 하부면(230)에 제1 경사각(θ1)을 갖는 제1 경사면(260)이 형성되어 있다.
도 4에 도시된 바와 같이 상기 가이드베인(300)은 전연(leading edge, 310)로부터 후연(trailing edge, 320)로 유입된 물이 흐르도록 형성된 제2 에어포일 형상으로 형성되어 있다.
상기 가이드베인(300)에도 하부면(330)과 상부면(340)이 형성되어 있으며, 상기 가이드베인(300)의 후연(320)의 하부면(330)에 제2 경사각(θ2)을 갖는 제2 경사면(260)이 형성되어 있다. 이 때, 상기 제1 경사각(θ1)은 상기 제2 경사각(θ2)보다 크게 형성되어 있는 것이 바람직하다.
여기서, 가이드베인(300)의 하부면(330)과 상부면(340)은 각각 도 2에 나타난 바와 같이 스테이베인(200)과 가이드베인(300)이 배치된 상태에서, 스테이베인(200)의 하부면(230)과 상부면(240)과 동일한 방향에 형성된 면을 나타낸다.
한편, 도 2는 위와 같은 형상을 갖는 스테이베인(200)과 가이드베인(300)을 방사상으로 배치한 상태에서의 유선(streamline)을 나타내고 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 상기 스테이베인(200)의 뒤에 상기 가이드베인(300)이 인접하게 배치되어 있고, 상기 스테이베인(200)의 후연(220)이 상기 가이드베인(300)의 전연(310)보다 높은 위치에 있도록 배치되어 있다.
이 때, 도 2에도 도시되어 있는 바와 같이 상기 스테이베인(200)의 후연(220)과 상기 가이드베인(300)의 전연(310) 사이를 좁은 공간을 통해서도 유동이 있고, 이 유동은 상기 스테이베인(200)의 하부면(230)을 따라 흐르는 유동이 됨을 알 수 있다.
상기 스테이베인(200)의 하부면(230)은 높은 압력을 받고 있는 면이고, 상기 스테이베인(200)의 후연(220)과 상기 가이드베인(300)의 전연(310) 사이는 좁은 공간이므로, 이 부분에서의 유동은 칼만 볼텍스, 캐비테이션 등을 포함한 비정상 유동이 발생할 수 있다.
이를 해결하기 위하여 본 발명자는 스테이베인의 후연(220)의 하부면(230)에 제1 경사면(260)을 형성하여 상기 스테이베인(200)의 후연(220)과 상기 가이드베인(300)의 전연(310) 사이는 좁은 공간의 유동을 보다 원활하게 흐르도록 하였다.
하지만, 제1 경사면(260)은 일정 크기 이상이 되면 제1 경사면(260)에서 박리(separation) 등이 발생하여 비정상 유동이 더 커질 수 있는 문제점이 있다.
본 발명자는 제1 경사면(260)에서 박리(separation)와 같은 효율 감소 요인이 발생하지 않도록 제1 경사면(260)을 아래와 같이 결정하였다.
도 3에 도시된 바와 같이 상기 스테이베인(200)에 형성된 제1 경사면(260)을 빗변으로 하고 상기 스테이베인(200)의 코드(chord, 270)와 평행선을 밑변으로 하는 가상의 직각삼각형(T1)을 설정하고 살펴보았다.
이 때, 그 밑변의 길이(a1)는 상기 스테이베인(200)의 코드(chord) 길이(L1)의 3% 이상 5% 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 이는 상기 제1 경사면(260)의 시작위치가 후연(220)으로부터 코드(270) 길이(L1)의 3% 내지 5% 사이에 있다는 것을 의미한다.
또한, 상기 가상의 직각삼각형(T1)의 높이(b1)는 상기 스테이베인(200)의 최대 두께(STm)의 2% 이상 3% 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 경사면(260)의 상기 제1 경사각(θ1)은 가상의 직각삼각형(T1)의 빗변과 밑변이 이루는 각에 해당하는데, 그 경사각은 25° 이상 30° 이하의 범위에 있는 것이 바람직하다.
도 1, 2를 통해 알 수 있듯이 가이드베인(300)은 유입된 물의 유동에 의해 회전하는 러너(400)와 인접하게 배치되어 있다.
상기 가이드베인(300)의 후연(320)의 하부면에는 제2 경사면(360)을 형성하였다.
도 2에 도시된 바와 같이 상기 가이드베인(300)은 상기 스테이베인(200)보다 내측에 형성되어 있어 유속이 증가하게 된다.
따라서, 박리(separation) 또는 케비테이션 등과 같은 비정상 유동의 발생을 방지하기 위해서는 제2 경사면(360)의 경사각을 작게 하는 것이 요구된다.
도 4에 도시된 바와 같이 상기 가이드베인(300)에서도 제2 경사면(360)을 빗변으로 하고 상기 가이드베인(300)의 코드(chord, 370)와 평행선을 밑변으로 하는 가상의 직각삼각형(T2)을 설정하고 살펴보았다.
이 때, 그 밑변의 길이(a2)는 상기 가이드베인(300)의 코드(chord) 길이(L2)의 3% 이상 5% 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 이는 상기 제2 경사면(360)의 시작위치가 후연(320)으로부터 코드(370) 길이(L2)의 3% 내지 5% 사이에 있다는 것을 의미한다.
이 때, 상기 가이드베인(300)의 코드(chord) 길이(L2)는 상기 스테이베인(200)의 코드(chord) 길이(L1)의 85%이상 95% 이하의 길이를 갖고 있으므로, 상기 가이드베인(300)에 설정된 가상의 직각삼각형(T2)의 밑변의 길이(a2)는 상기 스테이베인(200)에 설정된 가상의 직각삼각형(T1)의 밑변의 길이(a1)보다 짧게 구성되어 있다.
또한, 상기 가상의 직각삼각형(T2)의 높이(b2)는 상기 가이드베인(300)의 최대 두께(GTm)의 1.5% 이상 2.5% 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
이러한 특징을 갖는 상기 제2 경사면(360)의 경사각인 상기 제2 경사각(θ2)은 상기 제1 경사각(θ1)보다 작게 형성되어 있고, 상기 제1 경사각(θ1)과의 차이가 3° 이상 5° 이하로 형성되어 있다.
위에서 살펴본 바와 같이, 스테이베인(200)과 가이드베인(300)을 구성하여 보다 정상적인 유동이 발생할 수 있게 할 수 있다.
한편, 본 발명자는 대용량 프란시스 수차에서 효율을 향상시키기 위하여 스테이베인(200)과 가이드베인(300)의 배치에 대한 영향도 연구하였다.
통상적으로 프란시스 수차에서는 스테이베인과 가이드베인은 방사상으로 등간격으로 배치되어 사용되고 있다.
스테이베인의 개수는 가이드베인의 개수와 동일하거나 그보다 작은 수로 배치되는데, 방사상으로 등간격으로 배치되어 사용된다.
본 발명은 대용량 프란시스 수차에 관한 스테이베인(200)과 가이드베인(300)의 구조이고, 본 발명에서 가이드베인(300)은 20개를 사용하며 등간격으로 배치하였다. 수차의 용량에 따라 그 개수는 변할 수 있음은 자명할 것이다.
대용량 수차에서 스테이베인(200)은 많은 양의 물을 가이드베인(300)으로 안내해야 하므로, 초기에는 스테이베인(200)의 개수를 가이드베인(300)과 동일한 개수, 예를 들면 20개로 하여 설치하였다.
도 5를 참조하여 설명하면, 첫 번째 스테이베인(200i)이라 함은, 케이싱(100)의 내경이 가장 큰 위치에 있으며, 유입구에서 처음 유입된 물을 가장 먼저 가이드베인(300) 방향으로 안내하는 스테이베인(200i)이 된다.
도 5에서 마지막 스테이베인(200r)이라 함은, 유입구로 처음 유입된 물을 마지막으로 가이드베인(300) 방향으로 안내하는 스테이베인(200r)이 된다.
하지만, 본 발명의 대용량 수차에서는 유입되는 물의 양이 많은 이유로 추정되는데, 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 마지막 스테이베인(200r)에 의해 안내되는 물의 유속이 다른 부분에 비하여 조금 빠른 현상이 발생하였고, 이로 인해 효율이 감소되는 영향이 있었다.
마지막 스테이베인(200r) 부분에서 유속이 증가하는 것은 마지막 스테이베인(200r)이 좁은 통로 역할을 하기 때문으로 판단되고, 이를 해결하기 위하여 본 발명자는 도 5에 나타난 바와 마지막 스테이베인(200r)을 제거하였다.
이를 통해, 상기 다수의 가이드베인(300)은 등간격으로 방사상으로 형성되어 있고, 상기 다수의 스테이베인(200)은 상기 가이드베인(300)의 수보다 1개 적게 형성되어 있으며, 상기 스파이럴 형상의 케이싱(100)으로부터 유입되는 물을 가이드하기 시작하는 첫 번째 스테이베인(200i)과 마지막으로 배치되는 스테이베인(200f) 사이의 간격은 나머지 인접한 두 스테이베인(200) 사이의 간격의 2배가 되도록 형성된다.
이러한 구성을 통해, 케이싱(100)에서 스테이베인(200)으로 물이 흘러들어갈 때, 첫 번째 스테이베인(200i)과 두 번째 스테이베인(2nd) 사이를 시작으로 각 블레이드 사이로 물이 흘러들어가게 된다. 하지만, 본 발명에 따른 스테이베인(200)은 마지막 블레이드(200r)를 제거하고, 마지막 블레이드가 그 전의 블레이드(200f)가 되도록 배치함으로써, 케이싱(100)에서 스테이베인(200)으로 가장 마지막으로 물이 들어가는 공간이 크게 되고, 물의 마지막 흐름을 최대한 스무스하게 하여 도 6에 나타난 바와 같이 유선 분포 및 압력 분포에서 보다 안정적인 유동 현상이 도출되었고, 최종적으로 프란시스 수차의 성능을 향상시킬 수 있다.
즉, 본 발명의 스테이베인(200)은 스테이베인은 등간격으로 설치하여야 한다는 통상적인 수차 설계 개념과 달리, 첫번째 스테이베인(200i)과 마지막 스테이베인(200f) 사이의 각도를 나머지 스테이베인들 사이의 각도보다 2배 크게 되도록 배치하여 수차의 성능 향상을 구현하였다.
다음으로 대용량 프란시스 수차는 유입되는 물의 양 및 유속이 크므로 내구성 등을 고려하여 불가피하게 도 7에 도시된 바와 같이 상기 방사상의 스테이베인(200)의 양단부를 지지하는 상부, 하부스테이링(500, 600)의 단부가 케이싱(100)의 내부로 돌출되도록 구성되고, 이로 인한 효율 손실이 발생하게 된다.
상기 상부, 하부스테이링(500, 600)에 의한 효율 손실을 저감하기 위하여 본 발명자는 도 8에 도시된 바와 같이, 상부스테이링(500)에는 그 하부면에 외주방향을 따라 상부경사면(510)을 형성하고, 하부스테이링(600)에는 그 상부면에 외주방향을 따라 하부경사면(610)을 형성하고, 이에 따라 결합된 각 스테이베인(200)의 양단부도 함께 변형시켰다.
구체적으로, 상부경사면(510)은 상부스테이링(500)의 외측면과 하측면이 만나는 모서리에 형성된 테이퍼면으로 볼 수 있으며, 하부경사면(610)은 하부스테이링(600)의 외측면과 상측면이 만나는 모서리에 형성된 테이퍼면으로 볼 수 있다.
이를 통해, 물이 케이싱(100)에서 스테이베인(200)으로 유입될 때, 상부, 하부스테이링(5000, 600)과의 충돌, 데드존 등의 발생을 줄이고 자연스러운 물의 흐름을 만들어 손실을 최소화하여 프란시스 수차의 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명자는 상기 상부, 하부스테이링(500, 600)에 의한 효율 손실을 저감하기 위한 또 다른 방법으로 도 9에 도시된 바와 같이, 상부, 하부스테이링(500, 600)에 의한 효율 손실을 저감시키기 위하여 상부스테이링(500)의 상부면에 외주방향을 따라 일체로 상부유동안내부(520)가 형성되어 있고, 하부스테이링(600)의 하부면에 외주방향을 따라 일체로 하부유동안내부(502)가 형성되도록 할 수 있다.
구체적으로, 상부스테이링(500)의 외주 끝단이 케이싱(100)의 내측면보다 안쪽에 위치함으로써 형성되는 상부스테이링(500)과 케이싱(100)의 내측면 사이의 유동저항부가 형성된다. 이로 인하여, 케이싱(100)에서 스테이베인(200)으로 유입되는 물의 흐름을 방해하는 저항이 되고 효율 손실을 발생시킨다.
이 때, 상부유동안내부(520)를 상기 유동저항부에 형성하여 케이싱(100)에서 스테이베인(270)으로 유입되는 물의 저항을 감소시켜 손실을 최소화할 수 있고, 프란시스 수차의 성능을 향상시킬 수 있을 것이다. 이는 하부스테이링(250)에 형성된 하부유동안내부(252)도 마찬가지이다.
이 때, 상부유동안내부(520)은 도 9에 도시된 바와 같이 그 외측면은 상부스테이링(500)의 외측면에서 상기 케이싱(100)의 내측면과 만나게 형성되고, 상부유동안내부(520)의 내측면은 케이싱(100)의 내측면과 동일한 형상을 갖도록 형성되어 있는 것이 바람직할 것이다.
한편, 상부스테이링(500)에 상부경사면(510)과 상부유동안내부(520)를 함께 형성하는 것도 가능할 것이고, 이는 상기 하부스테이링(600)에서도 마찬가지로 가능할 것이다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
또한, 각 실시예에 기재된 특징적 기술 구성은 다른 실시예에 적용할 수 있음은 물론이다.
100 : 케이싱 200 : 스테이베인
200i: 첫 번째 스테이베인 200f: 마지막 스테이베인
200r: 제거되는 스테이베인
210: 스테이베인 전연(leading edge)
220: 스테이베인 후연(trailing egde)
230: 스테이베인 하부면 240: 스테이베인 상부면
260: 제1 경사면 270: 스테이베인 코드(chord)
300 : 가이드베인 310: 가이드베인 전연(leading edge)
320: 가이드베인 후연(trailing egde)
330: 가이드베인 하부면 340: 가이드베인 상부면
360: 제1 경사면 370: 가이드베인 코드(chord)
500: 상부스테이링 510: 상부경사면 520: 상부유동안내부
600: 하부스테이링 610: 하부경사면 620: 하부유동안내부
L1: 스테이베인 코드의 길이 L2: 가이드베인 코드의 길이
STm: 스테이베인 최대 두께 GTm: 가이드베인 최대 두께
θ1: 제1 경사면의 경사각 θ2: 제2 경사면의 경사각
T1: 스테이베인 제1 경사면을 빗변으로 하는 가상 직각삼각형
a1: T1의 밑변의 길이 b1: T1의 높이
T2: 가이드베인 제2 경사면을 빗변으로 하는 가상의 직각삼각형
a2: T2의 밑변의 길이 b2: T2의 높이

Claims (4)

  1. 스파이럴 형상의 케이싱(100)의 유입구로 유입된 물을 상기 케이싱(100) 내측에 형성된 스테이베인(200)과 가이드베인(300) 및 회전가능하며 발전기와 연결된 러너(400)로 순차적으로 안내하며, 상기 러너의 원주방향으로 유입된 물을 상기 러너의 축방향으로 유출하도록 구성된 대용량 프란시스 수차에 있어서,
    상기 스테이베인(200)은 전연(leading edge, 210)으로부터 후연(trailing edge, 220)으로 유입된 물이 흐르도록 형성된 제1 에어포일 형상으로 형성되어 있고, 상기 스테이베인(200)의 후연(trailing edge, 220)의 하부면(230)에 제1 경사각(θ1)을 갖는 제1 경사면(260)이 형성되어 있으며,
    상기 가이드베인(300)은 전연(leading edge, 310)으로부터 후연(trailing edge, 320)으로 유입된 물이 흐르도록 형성된 제2 에어포일 형상으로 형성되어 있고, 상기 가이드베인(300)의 후연(trailing edge, 320)의 하부면(330)에 제2 경사각(θ2)을 갖는 제2 경사면(360)이 형성되어 있되,
    상기 제1 경사각(θ1)은 상기 제2 경사각(θ2)보다 크게 형성되어 있고,
    상기 스테이베인(200)에 형성된 제1 경사면(260)을 빗변으로 하고 상기 스테이베인(200)의 코드(chord, 270)와 평행선을 밑변으로 하는 가상의 직각삼각형(T1)은,
    그 밑변의 길이(a1)는 상기 스테이베인(200)의 코드(chord) 길이(L1)의 3% 이상 5% 이하의 범위 내에 있고,
    그 높이(b1)는 상기 스테이베인(200)의 최대 두께(STm)의 2% 이상 3% 이하의 범위 내에 있고,
    상기 제1 경사각(θ1)은 25° 이상 30° 이하의 범위에 있으며,
    상기 가이드베인(300)에 형성된 제2 경사면(360)을 빗변으로 하고 상기 가이드베인(300)의 코드(chord, 370)와 평행선을 밑변으로 하는 가상의 직각삼각형(T2)은,
    그 밑변의 길이(a2)는 상기 가이드베인(300)의 코드(chord) 길이(L2)의 3% 이상 5% 이하의 범위 내에 있고,
    그 높이(b2)는 상기 가이드베인(300)의 최대 두께(GTm)의 1.5% 이상 2.5% 이하의 범위 내에 있고,
    상기 제2 경사각(θ2)은 상기 제1 경사각(θ1)과의 차이가 3° 이상 5° 이하이며,
    상기 가이드베인(300)의 코드(chord) 길이(L2)는 상기 스테이베인(200)의 코드(chord) 길이(L1)의 85%이상 95% 이하인 것을 특징으로 하는 고효율 대용량 프란시스 수차.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 가이드베인(300)은 등간격으로 방사상으로 형성되어 있고,
    상기 다수의 스테이베인(200)은 상기 가이드베인(300)의 수보다 1개 적게 형성되어 있으며,
    상기 스파이럴 형상의 케이싱(100)으로부터 유입되는 물을 가이드하기 시작하는 첫 번째 스테이베인(200i)과 마지막으로 배치되는 스테이베인(200f) 사이의 간격은 나머지 인접한 두 스테이베인(200) 사이의 간격의 2배가 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고효율 대용량 프란시스 수차.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가이드베인의 수는 20개이고, 상기 스테이베인의 수는 19개인 것을 특징으로 하는 고효율 대용량 프란시스 수차.
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