KR102160408B1 - 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차 - Google Patents

차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차 Download PDF

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최영석
양현모
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김승준
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명은 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압력을 감소시킴과 동시에 유량을 측정할 수 있는 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차에 관한 것이다. 본 발명의 구성은 상호 맞물려 회전하도록 마련된 한 쌍의 회전부를 포함하며, 상기 한 쌍의 회전부를 통과하는 유량은 하기 식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차를 제공한다.
Figure 112019038387317-pat00011

(Q는 유량, P는 입구측 압력과 출구측 압력의 차이, ρ는 유체의 밀도, N은 회전자의 회전속도,
Figure 112019038387317-pat00012
는 용적량)

Description

차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차{VOLUMETRIC WATER WHEEL}
본 발명은 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압력을 감소시킴과 동시에 유량을 측정할 수 있는 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차에 관한 것이다.
일반적으로, 지역난방의 열수송관망은 고압의 유체로부터 사용자 설비를 보호하고 유체의 원거리 공급을 위해 밸브를 통해 압력을 조절하거나 압력을 감소시키는 시스템을 사용한다.
그러나, 차압유량조절밸브(PDCV)와 온도조절밸브(TCV) 등의 압력조절밸브는, 압력조절이 6bar까지만 가능한 한계가 존재하고, 고압유체의 사용 시, 캐비테이션이 발생하여 잦은 고장 및 오작동을 유발하기 때문에, 많은 문제가 발생하고 있으며, 에너지 손실 및 민원 유발의 원인이 되고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 차압밸브를 대신하여, 수명이 길고 압력을 효과적으로 저감시킬 수 있는 용적식 유량계를 적용하기 위한 연구가 수행되었다.
도 1 및 도 2는 일반적인 용적식 유량계 작동 시, 캐비테이션 발생을 나타낸 예시도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 것처럼, 용적식 유량계는 작동 시, 한 쌍의 날개가 맞물려 회전하게 된다.
그러나, 이처럼 맞물려 회전하는 한 쌍의 날개는 서로 접하는 부분에 캐비테이션(C)이 발생하게 된다.
이처럼 발생하는 캐비테이션(C)은 한 쌍의 날개 사이로 유체가 일정하게 통과하는 것을 방해함으로써, 정확한 유량을 측정하기 어렵게 하는 문제가 있다.
따라서, 종래에는 정확한 유량을 측정하기 위해, 유체의 압력을 강하시키는 장치와 함께 유량을 측정하는 전자식 장치를 구비해야만 했다.
그러나, 이처럼 유량을 측정하는 전자식 유량 측정 장치는 고가이기 때문에 경제적이지 못한 문제가 있다.
따라서, 저렴한 비용으로 압력을 저감하면서도, 유량을 정확하게 측정할 수 있는 경제적인 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차가 필요하다.
일본등록특허 제3310239호
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 압력을 감소시킴과 동시에 유량을 측정할 수 있는 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 상호 맞물려 회전하도록 마련된 한 쌍의 회전부를 포함하며, 상기 한 쌍의 회전부를 통과하는 유량은 하기 식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차를 제공한다.
Figure 112019038387317-pat00001
(Q는 유량, P는 입구측 압력과 출구측 압력의 차이, ρ는 유체의 밀도, N은 회전자의 회전속도,
Figure 112019038387317-pat00002
는 용적량)
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 한 쌍의 회전부는, 배관의 내부 일측에 마련된 제1 회전부; 및 상기 배관의 내부 타측에 마련되며 상기 제1 회전부와 맞물려 회전하도록 마련된 제2 회전부로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 회전부는, 날개를 이루는 제1 회전자; 및 상기 제1 회전자의 중심에 마련되어 상기 제1 회전자의 회전을 위한 축을 형성하는 제1 회전축을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2 회전부는, 날개를 이루는 제2 회전자; 및 상기 제2 회전자의 중심에 마련되어 상기 제2 회전자의 회전을 위한 축을 형성하는 제2 회전축을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 회전자 및 상기 제2 회전자는 상호 맞물려 회전하도록 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 한 쌍의 회전부의 입구측 압력 및 출구측 압력을 측정하도록 마련된 압력측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 압력측정부는, 상기 한 쌍의 회전부의 입구측에 마련되어 압력을 측정하는 제1 센서; 및 상기 한 쌍의 회전부의 출구측에 마련되어 압력을 측정하는 제2 센서를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차를 적용한 수차발전기를 제공한다.
상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는, 캐비테이션 현상이 발생하여도 유량을 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 유체의 압력을 효과적으로 강하시킬 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차는 종래의 유량을 측정하기 위한 전자식 유량 측정 장치보다 저렴하다.
따라서, 본 발명에 따르면, 저렴한 비용으로 유체의 압력을 강하시킴과 동시에 유량을 비교적 정확하게 측정할 수 있어 경제적이다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1 및 도 2는 일반적인 용적식 유량계 작동 시, 캐비테이션 발생을 나타낸 예시도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차의 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차 내 압력 분포도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차의 예시도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차 내 압력 분포도이다.
도 3 내지 도 5에 도시된 것처럼, 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차(100)는 한 쌍의 회전부(110, 120) 및 압력측정부(130)를 포함할 수 있다.
상기 회전부(110, 120)는 한 쌍으로 마련되어 상호 맞물려 회전하도록 마련된다.
보다 구체적으로, 한 쌍의 회전부는 제1 회전부(110) 및 제2 회전부(120)로 이루어질 수 있다.
상기 제1 회전부(110)는 배관의 내부 일측에 마련되며, 제1 회전축(111) 및 제1 회전자(112)를 포함할 수 있다.
상기 제1 회전축(111)은 상기 제1 회전자(112)의 중심에 마련되며, 상기 제1 회전자(112)의 회전을 위한 축을 형성할 수 있다.
상기 제1 회전자(112)는 상기 제1 회전축(111)을 회전축으로 하여 회전 가능하게 마련될 수 있다.
상기 제2 회전부(120)는 배관의 내부 티측에 마련되며, 제2 회전축(121) 및 제2 회전자(122)를 포함할 수 있다.
상기 제2 회전축(121)은 상기 제2 회전자(122)의 중심에 마련되며, 상기 제2 회전자(122)의 회전을 위한 축을 형성할 수 있다.
상기 제2 회전자(122)는 상기 제2 회전축(121)을 회전축으로 하여 회전 가능하게 마련될 수 있다.
그리고 특히, 상기 제2 회전자(122)는 상기 제1 회전자(112)와 맞물려 회전하도록 마련될 수 있다.
상기 제1 회전자(112) 및 상기 제2 회전자(122)는 상호 반대 방향으로 회전하도록 마련되며, 상기 제1 회전자(112) 및 상기 제2 회전자(122) 사이로 물이 통과하도록 마련될 수 있다.
도 5에 도시된 것처럼 상기 제1 회전부(110) 및 상기 제2 회전부(120)의 입구측 압력에 비해 출구측에서 압력이 크게 저감되는 것을 확인할 수 있다.
즉, 이처럼 마련된 상기 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차(100)는 통과하는 유체의 압력을 저감시킬 수 있다.
또한, 상기 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차(100)는 상기 제1 회전자(112), 상기 제2 회전자(122)의 회전수, 유효 낙차, 유체의 밀도, 체적을 이용하여 유량이 측정될 수 있다. 구체적으로, 상기 용젓기 수차 장치(100)는 하기 수학식 1에 의해 유량이 측정될 수 있다.
Figure 112019038387317-pat00003
여기서, Q는 유량(m3/s), P는 입구측 압력(Pa)과 출구측 압력(Pa)의 차이, ρ는 유체의 밀도, N은 회전자의 회전속도(rev/s),
Figure 112019038387317-pat00004
는 용적량을 의미한다. 여기서,
Figure 112019038387317-pat00005
는
Figure 112019038387317-pat00006
이다.
이처럼 마련된 본 발명은 종래의 차압밸브에 비해 유량을 보다 정밀하게 측정할 수 있다.
한국산업기술시험원에서 본 발명에 대한 시제품의 성능을 시험하였다. 시험 조건을 설명하면, 시험 유체는 온도가 35도 이하인 생활용수이며, 온도는 12도 내지 14, 습도는 54 내지 56% 조건 하에서 시험이 수행되었다. 또한, 각 측정 지점은 약 3분 동안의 데이터를 측정하여 평균한 값이다.
수차효율은 유효 낙차, 유량, 토크, 회전수를 측정하여 계산하였으며, 아래 수학식 2에 따라 구해진 값이다.
Figure 112019038387317-pat00007
여기서, n은 수력학적 효율, T는 토크(N*m),
Figure 112019038387317-pat00008
는 회전속도(rad/s), P는 입구측 압력(Pa)과 출구측 압력(Pa)의 차이, Q는 유량(m3/s)을 의미한다.
그리고, 상대오차를 알기 위하여 계산된 유량과 계측 유량을 측정하였다. 이 중 계산된 유량 Q(m3/s)은 상기 수학식 1에 따라 계산된 유량을 의미하며, 계측 유량Qexp은 토크 측정계와 회전수 측정계의 계측값을 통한 실제 수력학적 발전 용량 값을 측정한 값을 의미한다.
상기 계측 유량은, 측정된 토크(N*m)와 회전속도(rad/s)를 곱한 값으로 구하였다.
시험항목 단위 1 2 3 4 5
온도 ℃ 14.077 14.398 14.537 14.724 14.855
토크 N*m 62.327 45.642 54.071 38.039 33.595
회전속도 Rad/s 94.426 94.192 94.232 94.339 94.433
발전용량 kW 5.915 4.299 5.095 3.589 3.173
시험항목 단위 6 7 8 9 10
온도 ℃ 15.030 15.163 15.277 15.401 15.521
토크 N*m 24.516 20.132 16.442 10.875 5.261
회전속도 Rad/s 94.270 94.208 94.177 94.190 94.457
발전용량 kW 2.311 1.897 1.548 1.024 0.497
시험항목 단위 1 2 3 4 5
입구측 압력 bar 8.814 7.391 8.139 6.845 6.435
출구측 압력 bar 3.042 2.996 3.076 3.058 3.001
입출구 차압 bar 5.772 4.394 5.063 3.787 3.433
계측 유량값 m3/s 1.524*10-2 1.487*10-2 1.505*10-2 1.469*10-2 1.457*10-2
수차 효율 % 67.24 65.78 66.88 64.51 63.44
시험항목 단위 6 7 8 9 10
입구측 압력 bar 5.731 5.281 5.040 4.571 4.160
출구측 압력 bar 3.030 2.944 3.000 2.985 3.033
입출구 차압 bar 2.701 2.338 2.040 1.586 1.127
계측 유량값 kW 1.424*10-2 1.405*10-2 1.388*10-2 1.358*10-2 1.323*10-2
수차 효율 % 60.08 57.73 54.68 47.56 33.33
시험항목 단위 1 2 3 4 5
계측 유량값 m3/s 1.524*10-2 1.487*10-2 1.505*10-2 1.469*10-2 1.457*10-2
계산 유량값 m3/s 1.515*10-2 1.479*10-2 1.497*10-2 1.462*10-2 1.450*10-2
상대 오차 % -0.582 -0.559 -0.526 -0.485 -0.420
시험항목 단위 6 7 8 9 10
계측 유량값 m3/s 1.424*10-2 1.405*10-2 1.388*10-2 1.358*10-2 1.323*10-2
계산 유량값 m3/s 1.417*10-2 1.398*10-2 1.381*10-2 1.351*10-2 1.318*10-2
상대 오차 % -0.496 -0.522 -0.573 -0.510 -0.373
시험항목 단위 1 2 3 4 5
발전 용량 kW 5.915 4.299 5.095 3.589 3.173
수차 효율 % 67.24 65.78 66.88 64.51 63.44
상대 오차 % -0.582 -0.559 -0.526 -0.485 -0.420
시험항목 단위 6 7 8 9 10
발전 용량 kW 2.311 1.897 1.548 1.024 0.497
수차 효율 % 60.08 57.73 54.68 47.56 33.33
상대 오차 % -0.496 -0.522 -0.573 -0.510 -0.373
표 1 내지 8을 통해 알 수 있듯이, 상기 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차(100)는 유체의 압력을 강하시키는 기능을 수행할 수 있다.
또한, 상기 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차(100)는 계측 유량과 상기 수학식 1에 따라 예측하여 계산된 유량의 오차 0.6% 이내로 매우 적음을 확인할 수 있다.
이처럼, 종래의 용적식 유량계는 캐비테이션 현상 때문에 정확한 유량을 예측 및 산출하기 어려웠으나, 본 발명의 상기 수학식 1을 이용하면 캐비테이션이 발생하여도 계측 유량에 근사한 유량을 알아낼 수 있다.
그리고, 이처럼 마련된 용적식 유량계는 정확한 유량을 측정하기 위한 전자 유량계에 비해 가격이 저렴하기 때문에 경제적이다.
즉, 본 발명은, 유체의 압력을 효과적으로 강하시킴과 동시에 저렴한 비용으로 유량을 비교적 정확하게 측정할 수 있다.
상기 압력측정부(130)는 상기 한 쌍의 회전부의 입구측 압력 및 출구측 압력을 측정하도록 마련될 수 있으며, 제1 센서(131) 및 제2 센서(132)를 포함할 수 있다.
상기 제1 센서(131)는 상기 한 쌍의 회전부의 입구측에 마련되어 압력을 측정하도록 마련될 수 있다.
상기 제2 센서(132)는 상기 한 쌍의 회전부의 출구측에 마련되어 압력을 측정하도록 마련될 수 있다.
이처럼 마련된 상기 제1 센서(131) 및 상기 제2 센서(132)는 상기 한 쌍의 회전부의 입구측과 출구측의 압력을 실시간으로 연속해서 측정하여 압력 맥동을 모니터링하도록 마련될 수 있다.
본 발명에 따른 상기 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차(100)는 수차발전기에 적용될 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차(100)는 수차 발전기 형태로 지역난방의 열수송관망 등에 설치될 수 있다.
이처럼 열수송관망에 설치된 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차(100)는 고압수에 의해 상기 제1 회전자(112) 및 상기 제2 회전자(122)가 회전됨에 따라, 전력을 생산하도록 마련되고, 생성된 전력은 물을 고압으로 이송하는 펌프에 제공하도록 마련될 수 있다.
이를 위해, 도시하지는 않았으나, 상기 수차발전기는 에너지 저장장치(ESS), 계통 전원, 펌프 구동부 등을 더 포함할 수 있다.
이처럼 본 발명의 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차(100)는 수차 발전기에 적용되어, 단순히 유량 및 수압을 제어하고, 고압수를 목표 수압으로 낮추기만 하여 에너지를 낭비하는 차압밸브와는 달리, 상기 제1 회전자(112) 및 상기 제2회전자의 회전에 따라 전력을 생산하도록 함으로써, 종래보다 경제적인 운전이 가능하다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차
110: 제1 회전부 111: 제1 회전축
112: 제1 회전자 120: 제2 회전부
121: 제2 회전축 122: 제2 회전자
130: 압력측정부 131: 제1 센서
132: 제2 센서

Claims (8)

  1. 상호 맞물려 회전하도록 마련된 한 쌍의 회전부를 포함하며,
    상기 한 쌍의 회전부를 통과하는 유량은 하기 식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차.
    Figure 112019038387317-pat00009

    (Q는 유량, P는 입구측 압력과 출구측 압력의 차이, ρ는 유체의 밀도, N은 회전자의 회전속도,
    Figure 112019038387317-pat00010
    는 용적량)
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 회전부는,
    배관의 내부 일측에 마련된 제1 회전부; 및
    상기 배관의 내부 타측에 마련되며 상기 제1 회전부와 맞물려 회전하도록 마련된 제2 회전부로 이루어진 것을 특징으로 하는 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 회전부는,
    날개를 이루는 제1 회전자; 및
    상기 제1 회전자의 중심에 마련되어 상기 제1 회전자의 회전을 위한 축을 형성하는 제1 회전축을 포함하는 것을 특징으로 하는 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제2 회전부는,
    날개를 이루는 제2 회전자; 및
    상기 제2 회전자의 중심에 마련되어 상기 제2 회전자의 회전을 위한 축을 형성하는 제2 회전축을 포함하는 것을 특징으로 하는 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 회전자 및 상기 제2 회전자는 상호 맞물려 회전하도록 마련된 것을 특징으로 하는 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 회전부의 입구측 압력 및 출구측 압력을 측정하도록 마련된 압력측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 압력측정부는,
    상기 한 쌍의 회전부의 입구측에 마련되어 압력을 측정하는 제1 센서; 및
    상기 한 쌍의 회전부의 출구측에 마련되어 압력을 측정하는 제2 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차.
  8. 제 1 항에 따른 차압조절 및 유량적산 기능을 갖는 용적식 수차를 적용한 수차발전기.
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