KR102208524B1

KR102208524B1 - 수차회전체 관로지지형 관로터빈과 관로터빈을 다단으로 직렬 설치한 수력 발전장치

Info

Publication number: KR102208524B1
Application number: KR1020180107129A
Authority: KR
Inventors: 김성식
Original assignee: 김성식
Priority date: 2018-09-07
Filing date: 2018-09-07
Publication date: 2021-01-27
Also published as: KR20200028699A

Abstract

본 발명에 따른 관로터빈을 이용한 수력 발전장치는, 발전을 위한 유량이 내부로 통과되는 관로(22)의 중앙으로 관통되는 구동축(2)과, 상기 구동축(2)을 지지하면서 회전 자유롭게 설치되며 상기 관로(22)의 내측면을 향해 암(6)이 연장되는 관로지지대 본체(4)와, 상기 관로지지대 본체(4) 사이에서 상기 구동축(2)에 고정되어 유량 이동에 의해 회전되는 프로펠러(7)와, 상기 관로지지대 본체(4) 사이에서 상기 구동축(2)과 함께 회전되는 내부기어(8)와, 상기 내부기어(8)에 동력전달수단을 통해 회전력이 전달되어 상기 관로(22)의 외부에서 샤프트(15)와 함께 구동되는 외부기어(13)와, 상기 외부기어(13)와 샤프트(15)의 회전력을 전달받아 전기를 발전시키는 발전기(10);를 포함하여 구성되는 관로터빈 유니트(100)가 적어도 2개 이상 다단으로 직렬 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

수차회전체 관로지지형 관로터빈과 관로터빈을 다단으로 직렬 설치한 수력 발전장치 {Pipeline turbine supporting water wheel rotor in the pipeline and hydropower generation apparatus using the pipeline turbine}

본 발명은 관로터빈을 이용한 수력 발전장치에 관한 것으로 더 상세하게는, 도수 관로에 관로 터빈을 다단으로 직렬 설치하여 저비용으로 많은 전력을 생산할 수 있으며, 전력의 품질유지와 안정적인 공급이 가능토록 하는 수력 발전장치에 관한 것이다.

현재, 전력을 생산하는 주된 방법은, 수력을 이용한 수력발전, 화석연료를 이용한 화력발전과, 원자력을 이용한 원자력발전 등이 있다.

화력 발전과 원자력 발전은 환경적인 문제로 인하여 선진국 등에서 많은 규제를 받고 있고 있는 반면에, 수력 발전은 터빈을 사용하여 물의 위치 에너지를 운동 에너지로 전환한 후 전력을 생산하므로, 오염 물질의 배출이나 환경적인 위험성이 없어서 친환경적인 발전으로 간주되고 있다.

다만, 수력 발전은 토목공사와 대규모의 설비 투자가 필요하므로, 주로 발전용 댐 또는 다목적 댐에서 대형의 터빈과 발전기를 설치하는 방식으로 구현되고 있다. 따라서 수력 발전을 위한 시스템의 구축에는 막대한 비용 투자가 선행되어야 하며, 기후 변화 등으로 인해 담수량이 증가하거나 축소되는 상황에 적절히 대응하기 어려운 문제가 있다.

또한, 소규모 댐이나 저수지와 같이 유량이 작은 곳에 대형 고가인 터빈과 발전기를 설치하는 것은 비효율적이어서 수력 발전이 적용되기 어려운 실정이다. 그리고, 대형 터빈과 발전기를 설치할 공간이 부족하거나 없는 상황에서는 더욱 그러하다.

한편, 무정전 전원(uninterruptible power supply: UPS)을 구축하거나 발전된 전력을 저장하기 위하여 ESS(Energy Storage System)를 사용한다. ESS는 과잉 생산된 전력이나 상용 전력을 저장해 두었다가 일시적으로 전력이 부족하거나 단전되었을 때 전력을 제공한다. ESS는 주로 배터리를 사용하는 배터리식으로, 리튬이온 등을 사용하는 데, 점차 이러한 소재의 가격이 상승함으로 인해서 경제성이 낮아지고 고가화되고 있는 실정이다.

대한민국 실용신안 등록 제20-0478748호 (등록일자 2015년11월05일) 대한민국 특허등록 제10-1868973호 (등록일자 2018년06월12일)

본 발명의 목적은 저비용으로 효율적인 전력 생산이 가능한 수력 발전 장치를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 작은 유량으로도 효율적인 전력 생산이 가능한 수력 발전 장치를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 물의 위치 에너지에 의한 ESS의 구축에 이용 가능한 수력 발전 장치를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 고장이나 정비 요인 등이 발생하더라도 전체 발전 장치를 멈추지 않고도 교체나 정비가 가능하여 안정된 전력을 공급할 수 있도록 한 수력 발전장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 기존 수력 발전 장치에 대하여 추가 증설이 용이한 수력 발전장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 일 양상에 따른 관로터빈을 이용한 수력 발전장치는, 발전을 위한 유량이 내부로 통과되는 관로(22)의 중앙으로 관통되는 구동축(2)과, 상기 구동축(2)을 지지하면서 회전 자유롭게 설치되며 상기 관로(22)의 내측면을 향해 암(6)이 연장되는 관로지지대 본체(4)와, 상기 관로지지대 본체(4) 사이에서 상기 구동축(2)에 고정되어 유량 이동에 의해 회전되는 프로펠러(7)와, 상기 관로지지대 본체(4) 사이에서 상기 구동축(2)과 함께 회전되는 내부기어(8)와, 상기 내부기어(8)에 동력전달수단을 통해 회전력이 전달되어 상기 관로(22)의 외부에서 샤프트(15)와 함께 구동되는 외부기어(13)와, 상기 외부기어(13)와 샤프트(15)의 회전력을 전달받아 전기를 발전시키는 발전기(10);를 포함하여 구성되는 관로터빈 유니트(100)가 적어도 2개 이상 다단으로 직렬 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기한 관로터빈을 이용한 수력 발전장치에 있어서, 상기 관로(22)의 하단부에는 주름관 구조로 된 플랙시블관(18)이 더 연장 설치될 수 있다.

상기한 관로터빈을 이용한 수력 발전장치에 있어서, 상기 각 관로지지대 본체(4)의 각 선단부 위치에는 상기 구동축(2)과 일체로 결합된 압력받침대(3)가 설치되며, 상기 관로지지대 본체(4)와 상기 압력받침대(3)의 접촉부 사이에는 스러스트 베어링(26)이 구성될 수 있다.

상기한 관로터빈을 이용한 수력 발전장치에 있어서, 상기 관로터빈 유니트(100)들이 다단으로 연속 배치되는 그 외측으로는 보조관로 시스템(200)이 더 설치될 수 있다.

상기한 관로터빈을 이용한 수력 발전장치에 있어서, 상기 보조관로 시스템(200)은, 보조관로(33)와, 실린더장치(31)에 의해 상기 관로터빈 유니트(100)쪽과 상기 보조관로(33)쪽으로 위치 전환되는 관로전환밸브(30)에 의해 유로를 전환시키는 관로전환밸브본체(35);를 포함되어서 구성될 수 있다.

상기한 관로터빈을 이용한 수력 발전장치에 있어서, 상기 보조관로 시스템(200)은, 상기 관로전환밸브본체(35)의 상방에서 상기 관로(22) 및 보조관로(33)에 각각 연결되는 2개의 드레인관로(29)(34)와, 상기 관로전환밸브본체(35)의 하방에서 상기 관로(22) 및 보조관로(33)에 각각 연결되는 2개의 충진관로(32)(36)와, 상기 2개의 드레인관로(29)(34)로부터 선택적으로 물은 드레인하도록 연결되는 배출도수관(44)과, 상기 2개의 충진관로(32)(36)에 선택적으로 물을 충진시키도록 연결되는 충진도수관(42);을 더 포함되어서 구성될 수 있다.

상기한 관로터빈을 이용한 수력 발전장치에 있어서, 상기 관로지지대 본체(4)의 암(6)은 평판형으로 하여 유선에 저항하는 단면적은 최소화하고 축방향의 길이는 상기 관로(22)의 반경보다 큰 길이로 할 수 있다.

본 발명에 따른 관로터빈을 이용한 수력 발전장치에서는 저가이면서 소형인 프로펠러(7), 발전기(10) 등을 이용하여 관로터빈 유니트(100)를 구성할 수 있고 이를 관로(22) 대신 다단 설치함으로써, 저비용으로도 큰 전력을 생산할 수 있게 되며, 필요한 만큼 설치 대수를 쉽게 증감할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 관로터빈을 이용한 수력 발전장치는 도수관로(50)의 구경보다 약간 더 작은 구경의 장치를 도수관로(50) 대신 설치하는 것이므로, 효율적인 전력 생산이 가능하며 설치 공간이 절약되는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 관로터빈을 이용한 수력 발전장치를 이용하면, 인공 저수조(49,59) 사이에 다단 설치하는 것에 의해 물의 위치 에너지에 의한 ESS의 구축이 가능한 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 관로터빈을 이용한 수력 발전장치는, 고장난 구간의 관로터빈 유니트(100)의 교체 또는 수리가 용이하며 이 과정에서 대부분 전력의 공급이 차단되지 않고 안정된 전력 공급이 유지될 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 관로터빈을 이용한 수력 발전장치는, 관로 배관을 조립하는 방법으로 간단하게 발전 장치의 설치가 가능한 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 관로터빈을 이용한 수력 발전장치는, 댐이나 수력발전소 댐, 양수 발전소 상부 저수지 등 기존 시설을 이용하고 적은 유량으로도 발전 용량을 대폭 증대시킬 수 있다. 따라서, 환경 훼손이 없고 발전 과정에서 환경 오염 물질을 전혀 배출하지 않은 청정에너지를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 관로터빈 유니트의 구성을 보인 사시도.
도 2는 도 1의 종단면도.
도 3은 도 1의 평면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 관로터빈 유니트가 고정프레임에 의해 지지되는 상태를 보인 평면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 관로터빈 유니트에 볼체인이 통과되는 위치로 구멍과, 고정대 설치용 볼트구멍들이 뚫어져 있는 상태를 보인 요부도.
도 6은 관로지지대 본체와 고정대가 분해된 상태를 보인 평면도.
도 7은 관로터빈 유니트들이 다단으로 배치되는 상태를 보인 장치도.
도 8은 에어벤트가 구비된 에어벤트관의 구성을 보인 단면도.
도 9는 본 발명의 보조관로가 배관된 상태를 예시한 전체 장치도.
도 10은 도 9의 요부 확대도.
도 11은 보조관로와 관로터빈 유니트의 입구를 개폐하는 관로전환밸브의 설치 상태를 보인 요부 평면도.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 첨부 도면에 있어서, 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관로터빈을 이용한 수력 발전장치는 댐이나 양수에 의하여 확보된 물의 낙차와 유량을 가지고 수력 발전을 할 수 있도록 한다.

하나의 길이 방향으로 연장된 도수관로에 관로터빈 유니트(100)를 다단으로 연속하여 설치하며, 각 관로터빈 유니트(100)에서는 댐이나 양수에 의하여 확보된 유체(물)의 위치 에너지를 운동에너지로 변환하고 운동에너지를 전기에너지로 변환한다. 따라서, 관로터빈 유니트(100) 각각의 발전 용량을 합치게 되면 총발전 용량을 대용량으로 증대시킬 수 있게 된다.

관로터빈 유니트(100)에서 유체(물)가 이동되는 관로(22)의 중앙에 설치되는 구동축(2)은 관로지지대 본체(4)에 의해 지지함으로써, 구동축(2)의 회전 운동이 안정적으로 지속될 수 있도록 한다.

관로지지대 본체(4)는 동일 길이로 된 수 개(바람직하게는 4개)의 암(6)들을 통해 관로(22)의 내측면에 지지된 상태이며, 암(6)은 관로(22)의 외측면에 위치되는 고정대(5)와 다수개의 볼트로써 체결되어 관로(22)와 구동축(2)이 동축을 유지한 상태로 구동축(2)의 회전을 안정적으로 지지할 수 있도록 한다.

관로지지대 본체(4)는 예를 들어 2개로 분할된 상태로서 그 프랜지에 볼트들로 체결 조립되며, 내부에 베어링(26,27)들이 설치된 상태로 원통형으로 조립된다.

관로지지대 본체(4)와 구동축(2)의 접촉부에는 예를 들면 3개의 베어링(27)들을 구성하고 이에 의해 구동축(2)의 회전을 지지하고 있다. 특히 관로지지대 본체(4)와 압력받침대(3)의 접촉부 사이에는 스러스트 베어링(26)을 구성하고 관로지지대 본체(4)에 대해서 축방향의 하중을 가하고 있는 압력받침대(3) 및 구동축(2) 이 저항없이 회전하면서 지지될 수 있도록 한다.

구동축(2)의 가장 선단은 수두 저항을 줄이기 위해 반원형 또는 뽀족한 콘 형상으로 성형하며, 각 관로지지대 본체(4)의 선단쪽에는 압력받침대(3)가 구동축(2)과 일체로 결합되도록 설치되어, 구동축(2) 등의 하중이 각 관로지지대 본체(4)에 의해 지지되도록 하되, 상기한 스러스트 베어링(26)에 의해 회전이 자유로운 상태에서 지지되도록 한다.

압력받침대(3)는 각 관로지지대 본체(4)의 선단쪽 마다 설치되는데, 관로(22)에 흐르는 유체의 유속이 빠르고 유량이 많으면 압력이 크게 되므로 관로지지대 본체(4)를 도면에서와 같이 3곳에 설치하여 구동축(2)을 안정적으로 지지하고 압력이 분산되도록 하였다.

또한, 관로지지대 본체(4)의 암(6)은 평판형으로 하여 유선에 저항하는 단면적은 최소화하되 축방향의 길이는 적어도 관로(22)의 반경보다 큰 길이로 하여, 프로펠러(7)에 의해 교란된 유선을 다시 바로 잡아 발전 효율을 향상시킬 수 있도록 한다.

관로지지대 본체(4) 사이에는 하나 또는 복수의 프로펠러(7)가 설치되어 관로(22)의 내부로 유량이 흐르게 되면 유량 상태량(낙차, 유량, 유속) 에너지에 의해 프로펠러(7)와 함께 구동축(2)이 회전되도록 한다. 예를 들면 도면에는 2엽 프로펠러(7) 2개가 직렬로 구동축(2)에 설치되는 것으로 되어 있으나, 4엽 프로펠러(7) 1개나 2개가 설치되는 등 다양한 실시 형태가 가능하다.

프로펠러(7)에 의해 유체가 가진 에너지의 일부는 회전운동 에너지로 전환되며 내부기어(8)와 외부기어(13)를 통해 발전기(10)를 구동시킬 수 있게 된다. 구동축(2)에는 내부기어(8)가 함께 구동되도록 관로(22)의 내부에서 구동축(2)에 고정 설치되며, 관로 외부에는 내부기어(8)의 회전력을 전달받아 함께 구동되는 외부기어(13)가 발전기(10)와 연결되어 있다.

내부기어(8)와 외부기어(13)를 연결하여 회전 동력을 전달하기 위한 수단으로 스테인레스 스틸 와이어로 된 볼체인(17)이 구비되며, 물이 항상 흐르는 관로 내부에서 기계적인 손상이나 부식 염려가 없어 안정적인 운전 효율을 달성할 수 있게 된다. 볼체인(17)은 구동축(2)의 회전운동 에너지가 크므로 효과적이고 안정적인 동력 전달을 위해 도면에서와 같이 2줄로 설치하는 것이 바람직하다. 한편, 볼체인(17)을 대신하여 다른 종류의 체인이나 타이밍 벨트와 같은 동력전달수단을 선택해도 가능함을 밝혀둔다.

내부기어(8)의 양쪽에도 관로지지대 본체(4)가 설치되어 안정적으로 회전 가능한 상태로 지지하게 된다. 볼체인(17)을 통해 외부기어(13)로 동력을 전달하기 위해 관로(22)에는 볼체인(17)이 통과되는 위치로 구멍(37)이 뚫어져 있다(도 5 참조).

그리고 외부기어(13)의 외측으로 내부의 물이 유출되지 않고 외측으로부터 공기가 유입되지 않도록 케이스(12)로 감싸서 내부를 밀폐시킨다. 케이스(12)는 볼트들을 이용해 조립되도록 하여 내부 장치들의 조립, 또는 분해가 쉽도록 한다.

외부기어(13)와 발전기(10)는 동축으로 연결되며 베어링(14)에 의해 회전 자유롭게 샤프트(11)를 축 지지하게 되며, 샤프트(11)와 발전기(10) 사이에는 커플링(15)을 통해 동력이 연결된다. 상기 발전기(10)는 발전기 받침대(24)에 의해 관로(22) 외측에 안정적으로 설치되도록 한다.

한편, 상기 관로(22)의 하단부에는 플랙시블관(18)을 용접하거나 플랜지에 볼트를 체결하여 고정 부착한다. 이 주름관 구조의 플랙시블관(18)은 배관 과정에서 길이 오차를 보정하여 배관 작업이 용이하게 이루어질 수 있도록 할 뿐만 아니라, 관로터빈 유니트(100)가 다단으로 설치된 상태에서 어느 하나를 빼내어 교체 또는 정비하는데 있어서 편리하게 작업이 이루어질 수 한다.

또한, 전체 장치에 진동이 발생하는 경우 그 진동을 흡수하며, 지진 등 천재 지변이 발생되는 경우에도 전체 배관에 충격이 전달되지 않도록 완충작용을 하여 안정성을 향상시킬 수 있도록 한다.

이러한 구조로 된 관로터빈 유니트(100)는 다단으로 반복 설치되는 데, 그 설치 상태를 안정적으로 유지하기 위하여 관로(22)의 외부에는 바닥면으로부터 수직빔과 크로스빔들이 구조물 형식으로 된 고정프레임(41)을 이용하여 현장에서 견고하게 조립, 설치하게 된다.(도 4 참조)

도 7과 같이, 본 발명의 수력 발전 장치는 댐이나 양수에 의해 상부저수조(49)에 유량이 확보되면, 다단으로 설치된 관로터빈 유니트(100)의 상부로 연결된 도수관로(50)와 밸브(61)를 통해 물을 낙하시키는 것에 의해 발전기(10)를 통해 발전한다. 그리고 마지막 관로터빈 유니트(100)에 연결되어 배출관로(57)와 밸브(62) 및 배출구(58)가 배관되며, 배출구(58)로부터의 물은 강이나 하부저수조(59)로 배출될 수 있다. 그리고 관로(22)의 중간에는 일정 구간마다 에어벤트(39)가 구비된 에어벤트관(38)들을 설치하여 관로(22) 내부의 공기를 외부로 배출시키게 된다.

본 발명에 따른 관로터빈을 이용한 수력 발전장치에서는 저가이면서 소형인 프로펠러(7), 발전기(10) 등을 이용하여 관로터빈 유니트(100)를 구성할 수 있고 이를 관로(22)대신 다단 설치함으로써, 저비용으로도 큰 전력을 생산할 수 있게 되며, 필요한 만큼 설치 대수를 쉽게 증감할 수 있는 장점이 있다.

관로터빈 유니트(100)를 다단으로 설치하여 발전하는 시스템에서는 그 운전효율을 높이고, 전력 생산 상태를 안정적으로 유지하기 위해서 보조관로 시스템(200)을 더 설치하는 것이 좋다.

보조관로 시스템(200)은 도 9 내지 도 11과 같이 다단의 보조관로(33), 관로전환밸브본체(35), 드레인관로(29, 34), 충진관로(32, 36)를 포함하며, 어느 한 관로터빈 유니트(100)의 교체나 수리가 필요로 할 경우 전체 장치를 멈추지 않고 해당 부분만을 멈추어 전체 시스템은 정상 운전이 이루어질 수 있게 하는 역할을 수행한다.

즉, 도면에서와 같이 관로터빈 유니트(100)가 다단으로 반복 설치되는 각 구간을 예로서 A, B, C, D, E의 5구간으로 구분하며, 각 구간마다 단일(도시된 예) 또는 복수의 관로터빈 유니트(100)가 구성된다.

관로전환밸브본체(35)에서는 2개 관로전환밸브(30)의 위치 이동으로 인해, 그 상방의 관로(22)에 흐르는 유량을 하방의 관로(22)로 흐르게 하거나, 그 상방의 관로(22)에 흐르는 유량을 하방의 보조관로(33)로 전환하여 흐르게 하거나, 반대로 그 상방의 보조관로(33)에 흐르는 유량을 하방의 관로(22)로 전환하여 흐르게 하는 등 관로 전환기능을 수행하게 된다.

이 전환밸브(33)는 실린더장치(31)에 의해 위치가 전환되어 상방 또는 하방에 있는 2개의 관로 입구(39)중 하나를 열고 하나를 닫도록 작동된다.

전체 관로터빈 유니트(100)가 운전중일 때는 보조관로(33) 쪽으로 모든 관로전환밸브(30)가 이동되어 보조관로(33)쪽의 통로를 밀폐시키며 관로(22)의 전체 통로는 열려 있게 된다.

관로전환밸브본체(35)의 상방에는 드레인관로(29)(34)가 구성되며 관로(22)와 보조관로(33)에 각각 연결 배관된다. 이 드레인관로(29)(34)에는 밸브(47)(48)를 통해 배출도수관(44)이 연결되어 선택적으로 유로 개방을 제어하게 되는데, 밸브(47)(48)를 개방하게 되면 배출도수관(44)을 통해 내부의 물을 외부로 배출시키게 된다. 드레인관(29)(34)에 부착된 배출도수관(44)은 밸브(48)(47)를 개방하게 되면 물을 배출시킬 수 있게 되며, 이 배출도수관(44)은 강이나 하부저수조(59)로 연결되어 있다.

그리고 관로전환밸브본체(35)의 하방에는 충진관로(32)(36)가 구성되며 관로(22)와 보조관로(33)에 각각 연결 배관된다. 이 충진관로(32)(36)에는 밸브(46)(45)를 통해 충진도수관(42)이 연결되어 선택적으로 유로 개방을 제어하게 되는데, 밸브(46)(45)를 개방하게 되면 충진도수관(42)을 통해 내부로 물을 충진시키게 된다. 충진도수관(42)은 상부저수조(49)에 연결되며, 밸브(43)를 개방하면 충진도수관(42)을 통하여 물이 흐르며 평상시에는 밸브(43)가 닫혀있고 관로에 물을 충진시킬 때만 밸브(43)를 개방시켜 충진이 이루어지도록 한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 수력 발전 장치는, 댐이나 양수에 의해 상부저수조(49)에 유량이 확보되면, 다단으로 설치된 관로터빈 유니트(100)의 상부로 연결된 도수관로(50)를 통한 물을 낙하시키는 것에 의해 발전기(10)를 통해 발전하게 된다.

도수관로(50)와 관로터빈 유니트(100) 사이에는 밸브(61)가 배관되며, 각 구간마다 에어벤트(39)가 구비된 에어벤트관(38)들이 추가 설치되어(도 9에서는 생략 도시됨) 관로(22) 내부의 공기를 외부로 배출시킬 수도 있다. 마지막 관로터빈 유니트(100)는 배출관로(57)와 밸브(43) 및 배출구(58)가 연결되며, 배출구(58)로부터의 물은 강이나 하부저수조(59)로 배출될 수 있다.

이하 본 발명에 따른 수력 발전 장치의 운전에 대해 설명한다.

도수관로(50)의 밸브(61)과 배출관로(57)의 밸브(62)를 열어주게 되면 관로(22)의 유량은 배출구(58)를 통해 강이나 하부저수조(59)로 배출되면서 유량 흐름에 의해 프로펠러(7)가 회전되고, 볼체인(17)에 의해 동력전달되는 발전기(10)로부터 발전이 이루어지는 것이다.

한편, 다단으로 설치되는 어느 한 관로터빈 유니트(100)이 고장이 발생될 경우 전체 장치의 운전을 멈추게 되면, 전기 공급이 끈기게 되어 운전효율이 낮아지고 총발전량이 감소되므로, 이를 방지하기 위하여 보조관로(33)를 이용한 보조관로 시스템을 통해 장치 전체를 멈추지 않고 해당 관로터빈 유니트(100)의 수리나 교체가 이루어질 수 있다.

도면에서와 같이 관로터빈 유니트(100)가 반복 설치되는 각 구간을 예로서 A, B, C, D, E 5구간으로 구분한 상태에서 C구간의 관로터빈 유니트(100)가 교체 수리되는 경우에 대해서 설명한다.

C구간의 발전 전력을 차단하고 C구간의 관로터빈 유니트(100)에 물 공급을 차단하도록 C구간의 보조관로(33)로 물 흐름을 전환시키게 된다.

C구간 보조관로(33)의 유입구 및 유출구를 막고 있던 2개의 관로전환밸브(30)를 관로터빈 유니트(100)의 유입구 및 유출구 위치로 천천히 옮겨 차단시키게 된다.

이 상태가 되면 관로의 유량은 C구간 앞쪽의 관로전환밸브본체(35)의 체적을 통해 C구간의 보조관로(33)를 통하여 흐르게 되고, 뒤쪽의 관로전환밸브(35) 체적을 통해 다음 구간인 D구간의 관로터빈 유니트(100)로 유량이 흐르게 된다.

한편, 이에 앞서 C구간의 보조관로(33)에 물을 충진하도록 할 수도 있다. 보고관로쪽 충진관로(36)에 연결된 밸브(45)를 개방한 후, 충진도수관(42)의 밸브(43)를 열어 상부저수조(49)에 직접 연결된 충진도수관(42)을 통해 C구간의 보조관로(33)등에 물을 충진할 수 있다.

한편, 관로 전환후 C구간의 관로터빈 유니트(100)을 정비 또는 교체 하기 전에 C구간의 관로(22)등에 충진되어 있는 물을 먼저 빼낼 수 있다. C구간 관로터빈 유니트(100)의 하방에 배관되어 있는 드레인관로(29)에 연결된 배출도수관(44)의 밸브(48)를 열어주면 물은 배출관로(44)를 통해 빠져나가고 난 후 밸브(48)를 다시 닫아 관로터빈 유니트(100)를 교체, 또는 수리하게 된다.

한편, C구간의 관로터빈 유니트(100)의 수리 또는 교체후에는 관로 전환을 실시하게 되는 데, 보조관로(33)와 관로터빈 유니트(100) 사이를 전환시키게 된다.

C구간 관로터빈 유니트(100)의 유입구와 유출구를 닫고 있던 관로전환밸브(30)를 각각 천천히 열어주면 보조관로(33)의 유입구 및 유출구 쪽으로 이동되어 보조관로(33)의 유입구 및 유출구를 닫게 된다. 따라서, C구간의 관로터빈 유니트(100)도 발전이 가능하게 되며, 발전된 전력을 전기계통에 연결하게 된다.

이때, 다시 발전을 시작하기 위해서 먼저 C구간의 관로터빈 유니트(100) 내부로 물을 충진할 수도 있다. 즉, C구간 충진도수관(42)에 구성된 밸브(46)를 열고 충진도수관(42)를 통해 물이 충진되면 밸브(46)를 닫는다,

그리고 C구간의 보조관로(33)에 있는 물을 빼내기 위해, 드레인관로(34)에 배관된 밸브(47)를 열어주면 배출도수관(44)을 통해 배출이 되고 난 후 밸브(47)를 닫게 된다.

이와 같이 관로터빈 유니트(100)를 교체 또는 수리 작업 과정에서 관로의 유선을 전환시킬 때 상하로 배관된 관로전환밸브(30)를 열고 닫는 과정에서 동시에 이루어지게 때문에 다음 구간인 D구간으로 흐르는 유량 상태 에너지에는 변화가 없게 된다.

이러한 방법으로 고장난 구간의 관로터빈 유니트(100)의 교체 또는 수리가 완료되는 것이며, 이 과정에서 대부분 전력의 공급이 차단되지 않고 안정된 전력 공급이 유지될 수 있는 것이다.

이상 본 발명은 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 관로터빈을 이용한 수력 발전장치는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

2 - 구동축 4 - 관로지지대 본체
5 - 고정대 6 - 암
7 - 프로펠러 8 - 내부기어
10 - 발전기 13 - 외부기어
11 - 샤프트 17 - 볼체인
49 - 상부저수조 59 - 하부저수조
100 - 관로터빈 유니트 200 - 보조관로 시스템

Claims

발전을 위한 유량이 내부로 통과되는 관로(22)의 중앙으로 관통되는 구동축(2)과,
상기 구동축(2)을 지지하면서 회전 자유롭게 설치되며 상기 관로(22)의 내측면을 향해 암(6)이 연장되는 관로지지대 본체(4)와,
상기 관로지지대 본체(4) 사이에서 상기 구동축(2)에 고정되어 유량 이동에 의해 회전되는 프로펠러(7)와,
상기 관로지지대 본체(4) 사이에서 상기 구동축(2)과 함께 회전되는 내부기어(8)와,
상기 내부기어(8)에 동력전달수단을 통해 회전력이 전달되어 상기 관로(22)의 외부에서 샤프트(15)와 함께 구동되는 외부기어(13)와,
상기 외부기어(13)와 샤프트(15)의 회전력을 전달받아 전기를 발전시키는 발전기(10);
를 포함하여 구성되는 관로터빈 유니트(100)가 적어도 2개 이상 다단으로 직렬 배치되는 것을 특징으로 하는 관로터빈을 이용한 수력 발전장치.
청구항 1에 있어서,
상기 관로(22)의 하단부에는 주름관 구조로 된 플랙시블관(18)이 더 연장 설치되는 것을 특징으로 하는 관로터빈을 이용한 수력 발전장치.
청구항 1에 있어서,
상기 각 관로지지대 본체(4)의 각 선단부 위치에는 상기 구동축(2)과 일체로 결합된 압력받침대(3)가 설치되며,
상기 관로지지대 본체(4)와 상기 압력받침대(3)의 접촉부 사이에는 스러스트 베어링(26)이 구성되는 것을 특징으로 하는 관로터빈을 이용한 수력 발전장치.
청구항 1에 있어서,
상기 관로터빈 유니트(100)들이 다단으로 연속 배치되는 그 외측으로는 보조관로 시스템(200)이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 관로터빈을 이용한 수력 발전장치.
청구항 4에 있어서,
상기 보조관로 시스템(200)은,
보조관로(33)와,
실린더장치(31)에 의해 상기 관로터빈 유니트(100)쪽과 상기 보조관로(33)쪽으로 위치 전환되는 관로전환밸브(30)에 의해 유로를 전환시키는 관로전환밸브본체(35);
를 더 포함되어서 구성되는 것을 특징으로 하는 관로터빈을 이용한 수력 발전장치.
청구항 5에 있어서,
상기 보조관로 시스템(200)은,
상기 관로전환밸브본체(35)의 상방에서 상기 관로(22) 및 보조관로(33)에 각각 연결되는 2개의 드레인관로(29)(34)와,
상기 관로전환밸브본체(35)의 하방에서 상기 관로(22) 및 보조관로(33)에 각각 연결되는 2개의 충진관로(32)(36)와,
상기 2개의 드레인관로(29)(34)로부터 선택적으로 물은 드레인하도록 연결되는 배출도수관(44)과,
상기 2개의 충진관로(32)(36)에 선택적으로 물을 충진시키도록 연결되는 충진도수관(42);
을 포함되어서 구성되는 것을 특징으로 하는 관로터빈을 이용한 수력 발전장치.
청구항 1에 있어서,
상기 관로지지대 본체(4)의 암(6)은 평판형으로 하여 유선에 저항하는 단면적은 최소화하고 축방향의 길이는 상기 관로(22)의 반경보다 큰 길이로 하는 것을 특징으로 하는 관로터빈을 이용한 수력 발전장치.