KR102331713B1 - 유량 예측이 가능한 용적식 수차 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유량 예측이 가능한 용적식 수차에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압력을 감소시킴과 동시에 유량을 예측할 수 있는 유량 예측이 가능한 용적식 수차에 관한 것이다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 상호 맞물려 회전하도록 마련된 한 쌍의 회전부를 포함하며, 상기 한 쌍의 회전부를 통과하는 유량은, 용적량, 입구측 압력과 출구측 압력의 차이, 유체의 밀도, 회전부의 회전속도를 변수로 하여 산출되는 것을 특징으로 하는 유량 예측이 가능한 용적식 수차를 제공한다.

Description

유량 예측이 가능한 용적식 수차{FLOW PREDICTABLE POSITIVE DISPLACEMENT TURBINE}
본 발명은 유량 예측이 가능한 용적식 수차에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압력을 감소시킴과 동시에 유량을 예측할 수 있는 유량 예측이 가능한 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 저감하여 캐비테이션이 발생하지 않고 유량을 정확하게 예측 및 측정할 수 있는 용적식 수차가 필요하다.
일본등록특허 제3310239호
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 압력을 감소시킴과 동시에 유량을 예측할 수 있는 유량 예측이 가능한 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, 용적량, 입구측 압력과 출구측 압력의 차이, 유체의 밀도, 회전부의 회전속도를 변수로 하여 산출되는 것을 특징으로 하는 유량 예측이 가능한 용적식 수차를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 유량은 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
Figure 112020041339411-pat00001
(
Figure 112020041339411-pat00002
는 유량,
Figure 112020041339411-pat00003
는 용적량[m3], P는 입구측 압력과 출구측 압력의 차이[Pa], ρ는 유체의 밀도[kg/m3], N은 회전자의 회전속도[rev/s])
본 발명의 실시예에 있어서, 상기
Figure 112020041339411-pat00004
는 0.00070838834m3인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 유체의 밀도 ρ는
Figure 112020041339411-pat00005
[kg/m3]이고, 여기서, T는 3barG[℃] 조건에서의 온도인 것을 특징으로 할 수 있다.
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 이루며 상기 제1 회전자와 맞물려 회전하도록 마련된 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 기설정된 각도만큼 트위스트(twist)된 상태로 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 회전자는 상기 제1 회전축의 방사 방향으로 길이가 연장되어 복수개로 마련되고, 상기 제2 회전자는 상기 제2 회전축의 방사 방향으로 길이가 연장되어 복수개로 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 각각의 상기 제1 회전자는 폭이 시계 방향으로 트위스트되고, 상기 제2 회전자는 폭이 반시계 방향으로 트위스트된 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 유량 예측이 가능한 용적식 수차를 적용한 수차발전기를 제공한다.
상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는, 한 쌍의 회전자가 소정의 각도만큼 트위스트(twist)된 상태에서 서로 맞물려 회전하면서 입구측 및 배출측의 차압을 저감함과 동시에 압력 맥동을 저감시켜 캐비테이션 현상을 줄일 수 있다.
그리고, 본 발명은 종래의 차압밸브를 사용할 때 발생하던 캐비테이션(cavitation)과 같은 현상이 발생하지 않아 유지 관리가 편리하다.
그리고, 본 발명에 따르면 전자식 유량 측정 장치 없이도 유량을 예측할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 저렴한 비용으로 유체의 압력을 강하시킴과 동시에 유량을 비교적 정확하게 측정할 수 있어 경제적이다.
또한, 본 발명은 수차 발전 시스템에 적용되어, 단순히 유량 및 수압을 제어하던 차압밸브와는 달리, 회전자의 회전에 따라 전력을 생산하도록 함으로써, 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 3은 본 발명의 일실시예에 따른 유량 예측이 가능한 용적식 수차의 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 유량 예측이 가능한 용적식 수차의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 유량 예측이 가능한 용적식 수차의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 유량 예측이 가능한 용적식 수차의 회전자를 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 유량 예측이 가능한 용적식 수차의 유량에 따른 입구측 및 출구측 압력의 차이를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 유량 예측이 가능한 용적식 수차의 유량에 따른 수력학적 힘의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 유량 예측이 가능한 용적식 수차의 온도에 따른 유체의 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 유량 예측이 가능한 용적식 수차의 수학식1의 변수x에 따른 유량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 유량 예측이 가능한 용적식 수차의 수학식1에 따라 계산된 예측 유량과 유량계측값의 오차율을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 유량 예측이 가능한 용적식 수차의 예시도이다.
도 13은 일반적인 용적식 수차의 입출구 형상을 나타낸 예시도이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 입구측과 출구측의 형상에 대한 시간에 따른 입구측 압력 맥동을 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 입구측과 출구측의 형상에 대한 시간에 따른 출구측 압력 맥동을 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 입구측과 출구측의 형상에 대한 시간에 따른 유량 맥동을 나타낸 그래프이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 입구측과 출구측의 형상에 대한 시간에 따른 토크 맥동을 나타낸 그래프이다.
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 3은 본 발명의 일실시예에 따른 유량 예측이 가능한 용적식 수차의 예시도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 유량 예측이 가능한 용적식 수차의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 유량 예측이 가능한 용적식 수차의 단면도이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 유량 예측이 가능한 용적식 수차의 회전자를 나타낸 사시도이다.
도 3 내지 도 6에 도시된 것처럼, 유량 예측이 가능한 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 마련되며, 상기 한 쌍의 회전부의 회전자는 기설정된 각도만큼 트위스트(twist)된 상태로 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.
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 날개가 기설정된 각도만큼 트위스트 된 상태로 마련되며, 회전 가능하게 마련될 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 날개가 기설정된 각도만큼 트위스트 된 상태로 마련되며, 회전 가능하게 마련될 수 있다.
그리고 특히, 상기 제2 회전자(122)는 상기 제1 회전자(112)와 맞물려 회전하도록 마련될 수 있다. 즉, 상기 제1 회전자(112) 및 상기 제2 회전자(122)는 트위스트 된 상태에서 상호 맞물려 회전하도록 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제1 회전자(112)는 상기 제1 회전축(111)의 방사 방향으로 길이가 연장되어 복수개로 마련되고, 상기 제2 회전자(122)는 상기 제2 회전축(121)의 방사 방향으로 길이가 연장되어 복수개로 마련될 수 있다.
그리고, 각각의 상기 제1 회전자(112)는 폭이 시계 방향으로 트위스트되고, 상기 제2 회전자(122)는 폭이 반시계 방향으로 트위스트된 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서 제1 회전자(112) 및 상기 제2 회전자(122)의 폭이란, 상기 제1 회전자(112) 및 상기 제2 회전자(122)의 두께 방향을 지칭할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제2 회전자(122)는 상기 회전축(121)축의 길이 방향을 따라, 기설정된 각도만큼 비틀린 상태로 마련될 수 있다. 이때, 상기 제2 회전자(122)는 상기 제1 회전자(112)와 맞물릴 수 있도록 하기 위해, 상기 제1 회전자(112)의 형상과 대응되게 비틀리도록 마련될 수 있다.
특히, 상기 제1 회전자(112) 및 상기 제2 회전자(122)는 각각 회전축으로부터 방사 방향으로 돌출 연장된 복수의 날개로 마련되며, 각 날개가 독립적으로 트위스트 되도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 제1 회전자(112) 및 상기 제2 회전자(122)는 상호 반대 방향으로 회전하도록 마련되며, 상기 제1 회전자(112) 및 상기 제2 회전자(122)는 각각 케이싱과 마주보는 면을 지나서 물이 통과하도록 마련될 수 있다.
일 예로, 상기 제1 회전자(112)는 상부에서 유입되는 물은 상기 제1회전자(112)를 이루는 날개 사이로 유입이 된다. 그리고, 상기 제1 회전자(112)가 반시계 방향으로 회전하는 동안 유입된 물은 케이싱과 제1 회전자(112) 사이에서 이동하게 된다. 그리고 유입된 물이 케이싱을 벗어나 하부를 향할 때 하부로 배출될 수 있다.
상기 제1 회전자(112) 및 상기 제2 회전자(122)의 트위스트 각도는 가장 바람직하게는 45로 마련되어야 하나, 40도 내지 50의 각도로 마련될 수도 있다. 단, 상기 제1 회전자(112) 및 상기 제2 회전자(122)의 유량을 예측하는 후술하는 내용에 대해서는 상기 회전부의 트위스트 각도가 한정되지 않고 적용이 가능하다. 상기 제1 회전자(112) 및 상기 제2 회전자(122)의 트위스트 각도는 가변 가능하도록 마련될 수 있다.
이처럼 본 발명은, 상기 제1 회전자(112) 및 상기 제2 회전자(122)가 트위스트 된 상태로 상호 맞물려 회전됨에 따라, 입구측 및 배출측의 차압을 저감할 수 있을뿐 아니라, 입구측 및 배출구측의 압력 맥동을 트위스트 되지 않은 회전자에 비해 확연히 저감할 수 있다.
또한, 상기 제1 회전자(112) 및 상기 제2 회전자(122)는 회전수에 따라 유량을 측정하도록 마련될 수 있다. 이처럼 마련된 본 발명은 종래의 차압밸브에 비해 유량을 보다 정밀하게 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.
한편, 유량 예측이 가능한 용적식 수차(100)는 상기 제1 회전자(112), 상기 제2 회전자(122)의 용적량, 입구측 압력과 출구측 압력의 차이, 유체의 밀도, 회전부의 회전속도를 변수로 이용하여 유량을 예측하도록 마련될 수 있다. 구체적으로, 상기 유량 예측이 가능한 용적식 수차(100)는 하기 수학식 1에 의해 유량이 측정될 수 있다.
Figure 112020041339411-pat00006
여기서,
Figure 112020041339411-pat00007
는 유량,
Figure 112020041339411-pat00008
는 용적량[m3], P는 입구측 압력과 출구측 압력의 차이[Pa], ρ는 유체의 밀도[kg/m3], N은 회전자의 회전속도[rev/s]를 의미한다.
이때, 상기
Figure 112020041339411-pat00009
는 0.00070838834m3이다.
그리고, 상기 유체의 밀도는 하기 수학식 2에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112020041339411-pat00010
여기서, ρ는 유체의 밀도[kg/m3], T는 3barG[℃] 조건에서의 온도를 의미한다.
위의 수학식1 및 수학식2를 도출 및 검증하기 위해 온도 조절이 가능한 성능 시험설비를 이용하여 측정되는 유량과 수학식 1에 따른 예측 유량을 비교해보았다.
No. Flowrate Effective Head Hydraulic Power Hydraulic Efficiency Inlet Pressure Outlet Pressure Del P Inlet Temp Out Temp
단위 　 m3/h m kW % bar bar bar ℃ ℃
15 ℃ 1 55.187 69.481 6.674 63.880 9.930 3.120 6.810 14.6 14.6
2 54.368 59.782 5.632 63.590 8.940 3.070 5.870 14.4 14.4
3 53.944 53.514 5.007 63.650 8.300 3.050 5.250 14.9 14.9
4 53.405 47.853 4.384 62.960 7.710 3.020 4.690 15.1 15.1
5 52.979 42.709 3.822 61.980 7.190 3.000 4.190 15.3 15.3
6 52.167 36.099 3.060 59.630 6.540 3.000 3.540 15.5 15.5
7 51.413 30.140 2.325 55.070 5.970 3.020 2.950 15.7 15.7
8 50.579 23.654 1.588 48.720 5.320 3.000 2.320 15.8 15.8
9 49.241 16.784 0.789 35.050 4.650 3.010 1.640 16.0 16.0
10 48.676 13.443 0.428 24.000 4.310 3.000 1.310 16.1 16.1
No. Rotation Speed Torque Tank Press Density Head massflowrate X Q_predict Error
단위 　 rpm N*m bar kg/m3 m kg/s 　 m3/h %
15 ℃ 1 902 70.700 1.460 999.267 69.470 15.318 4.041 55.067 -0.218
2 901 59.700 1.460 999.299 59.879 15.092 3.487 54.411 0.080
3 901 53.100 1.470 999.218 53.559 14.973 3.119 53.912 -0.059
4 900 46.500 1.470 999.185 47.847 14.823 2.789 53.420 0.028
5 902 40.500 1.470 999.151 42.748 14.704 2.487 52.921 -0.109
6 900 32.500 1.480 999.117 36.118 14.478 2.106 52.213 0.088
7 899 24.700 1.480 999.083 30.099 14.268 1.757 51.462 0.096
8 902 16.800 1.480 999.066 23.671 14.037 1.377 50.500 -0.157
9 899 8.400 1.490 999.031 16.734 13.665 0.977 49.256 0.031
10 902 4.500 1.490 999.014 13.367 13.508 0.778 48.519 -0.322
상기 표 1 및 표 2는 수온이 15 ℃일 때 계측된 유량, 유효 수두, 수동력, 유체 효율, 입구측 및 출구측 압력과 차압, 입구측 온도 및 출구측 온도, 회전 속도, 회전력, 내부 압력, 밀도, 수두, 질량 유량, 수학식 1의 괄호안의 값, 수학식 1에 의해 측정된 예측 유량, 예측유량과 계측된 유량의 오차율을 순서대로 나타낸 표이다.
No. Flowrate Effective Head Hydraulic Power Hydraulic Efficiency Inlet Pressure Outlet Pressure Del P Inlet Temp Out Temp
단위 　 m3/h m kW % bar bar bar ℃ ℃
50 ℃ 11 55.437 71.394 6.740 62.500 10.100 3.100 7.000 50.3 50.3
12 54.687 61.792 5.846 63.490 9.120 3.060 6.060 50.4 50.4
13 54.196 54.950 5.152 63.490 8.440 3.050 5.390 50.0 50.0
14 53.727 49.296 4.582 63.490 7.830 3.000 4.830 50.5 50.5
15 52.847 42.857 3.813 61.770 7.250 3.050 4.200 50.6 50.6
16 52.209 36.252 3.076 59.650 6.620 3.060 3.560 50.7 50.7
17 51.766 31.277 2.526 57.260 6.100 3.030 3.070 50.8 50.8
18 50.677 25.072 1.847 53.340 5.460 3.000 2.460 50.8 50.8
19 49.799 19.481 1.241 46.960 4.920 3.010 1.910 50.9 50.9
20 48.947 14.550 0.708 36.510 4.430 3.000 1.430 50.9 50.9
21 48.256 12.339 0.432 26.650 4.220 3.010 1.210 51.0 51.0
No. Rotation Speed Torque Tank Press Density Head massflowrate X Q_predict Error
단위 　 rpm Nm bar kg/m3 m kg/s 　 m3/h %
50 ℃ 11 902 71.300 0.940 988.013 72.221 15.215 4.201 55.226 -0.380
12 902 61.900 0.960 987.968 62.526 15.008 3.637 54.601 -0.157
13 903 54.500 0.940 988.15 55.603 14.876 3.231 54.069 -0.234
14 903 48.500 0.970 987.922 49.837 14.744 2.896 53.584 -0.266
15 898 40.600 0.980 987.876 43.339 14.502 2.532 53.000 0.289
16 900 32.700 0.990 987.83 36.737 14.326 2.142 52.285 0.145
17 903 26.700 1.000 987.785 31.682 14.204 1.841 51.654 -0.217
18 898 19.600 1.010 987.785 25.387 13.905 1.483 50.787 0.218
19 899 13.200 1.010 987.738 19.712 13.663 1.150 49.830 0.063
20 902 7.500 1.020 987.738 14.758 13.430 0.858 48.830 -0.239
21 898 4.600 1.020 987.692 12.488 13.239 0.730 48.327 0.147
상기 표3 및 표 4는 수온이 50 ℃일 때 계측된 유량, 유효 수두, 수동력, 유체 효율, 입구측 및 출구측 압력과 차압, 입구측 온도 및 출구측 온도, 회전 속도, 회전력, 내부 압력, 밀도, 수두, 질량 유량, 수학식 1의 괄호안의 값, 수학식 1에 의해 측정된 예측 유량, 예측유량과 계측된 유량의 오차율을 순서대로 나타낸 표이다.
No. Flowrate Effective Head Hydraulic Power Hydraulic Efficiency Inlet Pressure Outlet Pressure Del P Inlet Temp Out Temp
단위 　 m3/h m kW % bar bar bar ℃ ℃
110 ℃_1 22 54.697 61.356 5.179 56.640 9.130 3.110 6.020 109.4 109.4
23 55.280 67.642 5.769 56.620 9.810 3.180 6.630 109.7 109.7
24 55.804 80.061 6.782 55.700 11.120 3.260 7.860 110.0 110.0
25 54.467 57.724 4.982 58.150 8.770 3.100 5.670 110.1 110.1
26 53.971 51.968 4.481 58.630 8.160 3.060 5.100 110.1 110.1
27 53.191 43.044 3.689 59.130 7.180 2.950 4.230 110.0 110.0
28 53.008 42.489 3.669 59.780 7.180 3.010 4.170 109.9 109.9
29 52.328 35.296 3.051 60.630 6.540 3.080 3.460 109.8 109.8
30 51.647 30.181 2.555 60.140 6.040 3.080 2.960 109.7 109.7
31 51.124 25.864 2.075 57.590 5.550 3.010 2.540 109.6 109.6
32 50.051 20.489 1.442 51.600 5.020 3.010 2.010 109.4 109.4
33 49.021 14.881 0.817 41.090 4.480 3.020 1.460 109.3 109.3
34 48.413 12.459 0.538 32.720 4.220 3.000 1.220 109.2 109.2
No. Rotation Speed Torque Tank Press Density Head massflowrate X Q_predict Error
단위 　 rpm Nm bar kg/m3 m kg/s 　 m3/h %
110 ℃_1 22 902 54.900 1.520 950.576 64.557 14.443 3.755 54.745 0.088
23 904 60.900 1.560 950.343 71.115 14.593 4.128 55.155 -0.226
24 900 72.000 1.610 950.11 84.330 14.728 4.916 55.574 -0.412
25 902 52.700 1.520 950.032 60.838 14.374 3.539 54.478 0.020
26 901 47.500 1.510 950.032 54.722 14.243 3.187 54.008 0.068
27 903 39.000 1.470 950.11 45.383 14.038 2.637 53.175 -0.030
28 901 38.900 1.460 950.188 44.736 13.991 2.605 53.122 0.216
29 903 32.300 1.430 950.266 37.116 13.813 2.157 52.314 -0.027
30 902 27.000 1.400 950.343 31.750 13.634 1.847 51.667 0.039
31 905 21.900 1.380 950.421 27.243 13.497 1.579 51.035 -0.175
32 901 15.300 1.360 950.576 21.555 13.216 1.255 50.150 0.198
33 901 8.700 1.330 950.654 15.655 12.945 0.912 49.026 0.010
34 900 5.700 1.310 950.731 13.081 12.785 0.763 48.460 0.097
No. Flowrate Effective Head Hydraulic Power Hydraulic Efficiency Inlet Pressure Outlet Pressure Del P Inlet Temp Out Temp
단위 　 m^3/h m kW % bar bar bar ℃ ℃
110 ℃_2 35 55.776 78.214 6.737 56.670 10.800 3.120 7.680 110.9 110.9
36 54.976 66.585 5.664 56.790 9.620 3.090 6.530 110.8 110.8
37 54.628 58.109 5.102 58.980 8.770 3.070 5.700 110.9 110.9
38 53.678 48.128 4.240 60.240 7.710 2.990 4.720 110.9 110.9
39 52.923 40.312 3.515 60.470 6.980 3.020 3.960 111.0 111.0
40 52.238 33.372 2.892 60.870 6.290 3.020 3.270 110.9 110.9
41 51.022 25.571 2.055 57.790 5.540 3.030 2.510 110.9 110.9
42 49.947 19.444 1.350 51.010 4.950 3.040 1.910 110.9 110.9
43 48.347 12.206 0.536 33.340 4.200 3.000 1.200 110.9 110.9
No. Rotation Speed Torque Tank Press Density Head massflowrate X Q_predict Error
단위 　 rpm Nm bar kg/m3 m kg/s 　 m3/h %
110 ℃_2 35 899 71.500 1.500 949.408 82.459 14.710 4.813 55.580 -0.351
36 899 60.200 1.520 949.486 70.106 14.500 4.092 55.119 0.260
37 902 54.000 1.520 949.408 61.200 14.407 3.560 54.505 -0.225
38 900 45.000 1.500 949.408 50.678 14.156 2.955 53.672 -0.011
39 901 37.300 1.530 949.33 42.522 13.956 2.476 52.903 -0.037
40 903 30.600 1.510 949.408 35.110 13.776 2.040 52.080 -0.302
41 900 21.800 1.500 949.408 26.950 13.456 1.571 51.014 -0.016
42 900 14.300 1.510 949.408 20.507 13.172 1.196 49.970 0.047
43 898 5.700 1.490 949.408 12.884 12.750 0.753 48.421 0.152
상기 표 5 내지 표 8은 수온이 110 ℃ 일 때 계측된 유량, 유효 수두, 수동력, 유체 효율, 입구측 및 출구측 압력과 차압, 입구측 온도 및 출구측 온도, 회전 속도, 회전력, 내부 압력, 밀도, 수두, 질량 유량, 수학식 1의 괄호안의 값, 수학식 1에 의해 측정된 예측 유량, 예측유량과 계측된 유량의 오차율을 순서대로 나타낸 표이다.
그리고 본 발명의 도 7 내지 도 11은 상기 표 1 내지 표 8에 도출된 값으로 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 유량 예측이 가능한 용적식 수차의 유량에 따른 입구측 및 출구측 압력의 차이를 나타낸 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 유량 예측이 가능한 용적식 수차의 유량에 따른 유압의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 입구측 압력과 출구측 압력 차이가 증가하게 되면, 유량도 증가하는 것을 확인할 수 있다.
그리고, 도 8을 참조하면, 수력학적 힘이 증가함에 따라 유량도 증가하게 된다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 유량 예측이 가능한 용적식 수차의 온도에 따른 유체의 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 온도가 증가함에 따라 유체 밀도가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이의 그래프를 함수화하면 상기 수학식 2가 도출된다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 유량 예측이 가능한 용적식 수차의 수학식1의 변수x에 따른 유량의 변화를 나타낸 그래프이다.
여기서, 도 10의 변수 x는
Figure 112020041339411-pat00011
이다.
도 10에 따르면, 변수 x가 증가하게 되면 유량이 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 유량 예측이 가능한 용적식 수차의 수학식1에 따라 계산된 예측 유량과 유량계측값의 오차율을 나타낸 그래프이다.
표 1 내지 표 8 및 도 11을 참조하면, 각 실험에 따른 오차율을 확인할 수 있다.
개시된 바와 같이, 본 발명의 수학식 1을 이용하면, 유량 계측값에 0.4% 이내의 오차율을 갖도록 예측 유량 값을 산출할 수 있음을 알 수 있다.
이처럼, 종래의 용적식 유량계는 캐비테이션 현상 때문에 정확한 유량을 예측 및 산출하기 어려웠으나, 본 발명은 압력측정부(130)가 압력을 실시간으로 측정하고, 산출부(미도시)가 상기 수학식 1을 자동 계산하도록 함으로써, 캐비테이션이 발생하여도 계측 유량과 오차율 0.4% 이내인 예측 유량을 알아낼 수 있다.
본 발명에 따른 상기 유량 예측이 가능한 용적식 수차(100)는 수차발전기에 적용될 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 유량 예측이 가능한 용적식 수차(100)는 수차 발전기 형태로 지역난방의 열수송관망 등에 설치될 수 있다.
이처럼 열수송관망에 설치된 유량 예측이 가능한 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.
한편, 본 발명에 따른 유량 예측이 가능한 용적식 수차(100)는 유입부(140) 및 배출부(150)를 더 포함하여 마련될 수 있다.
이하, 하기 도면들을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 유량 예측이 가능한 용적식 수차의 예시도이고, 도 13은 일반적인 용적식 수차의 입출구 형상을 나타낸 예시도이다.
도 13에 도시된 것처럼, 일반적인 용적식 수차는 수차의 입구측과 출구측의 형상이 원형(1)이거나, 직사각형(2)이거나, 정사각형(3)으로 이루어지며, 높이의 변화가 없다.
이처럼 마련된 종래의 일반적인 용적식 수차는 입구측과 출구측에서 압력 맥동이 크며, 특히 초기 가동시 압력 맥동이 매우 큰 문제가 있다.
반면에, 도 12에 도시된 것처럼 본원발명의 유입부(140) 및 배출부(150)는 상기 회전부(110, 120)의 입출구측 압력 맥동을 저감하기 위해 상기 회전부(110, 120)에 가까워질수록 내부 면적이 점차 확장되도록 마련된 것을 특징으로 한다.
상기 유입부(140)는 상기 제1 회전부(110) 및 상기 제2 회전부(120)의 입구측에 마련되며, 유입관(141) 및 유입확장관(142)을 포함한다.
상기 유입관(141)은 상기 제1 회전부(110) 및 상기 제2 회전부(120)를 향해 유체를 유입시키도록 상기 제1 회전부(110) 및 상기 제2 회전부(120)의 입구측에 마련될 수 있다.
상기 유입확장관(142)은 상기 유입관(141)으로부터 상기 제1 회전부(110) 및 상기 제2 회전부(120)를 향해 연장되도록 마련되며, 상기 제1 회전부(110) 및 상기 제2 회전부(120)와 가까워질수록 점차 면적이 확장되도록 마련될 수 있다
이때, 상기 유입확장관(142)의 길이는 상기 유입관(141)의 면적과 대응되도록 마련될 수 있다. 바람직하게는, 상기 유입확장관(142)의 길이는 상기 유입관(141)의 면적과 동일하게 마련될 수 있다. 단, 상기 유입확장관(142)의 길이를 이에 한정하는 것은 아니다.
상기 배출부(150)는 상기 제1 회전부(110) 및 상기 제2 회전부(120)의 출구측에 마련되며, 배출관(151) 및 배출확장관(152)을 포함한다.
상기 배출관(151)은 상기 제1 회전부(110) 및 상기 제2 회전부(120)로부터 유체를 배출시키도록 상기 제1 회전부(110) 및 상기 제2 회전부(120)의 출구측에 마련될 수 있다.
상기 배출확장관(152)은 상기 배출관(151)으로부터 상기 제1 회전부(110) 및 상기 제2 회전부(120)를 향해 연장되도록 마련되며, 상기 제1 회전부(110) 및 상기 제2 회전부(120)와 가까워질수록 점차 면적이 확장되도록 마련될 수 있다
이때, 상기 배출확장관(152)의 길이는 상기 배출관(151)의 면적과 대응되도록 마련될 수 있다. 바람직하게는, 상기 배출확장관(152)의 길이는 상기 배출관(151)의 면적과 동일하게 마련될 수 있다. 단, 상기 배출확장관(152)의 길이를 이에 한정하는 것은 아니다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 입구측과 출구측의 형상에 대한 시간에 따른 입구측 압력 맥동을 나타낸 그래프이며, 도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 입구측과 출구측의 형상에 대한 시간에 따른 출구측 압력 맥동을 나타낸 그래프이다.
그리고, 도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 입구측과 출구측의 형상에 대한 시간에 따른 유량 맥동을 나타낸 그래프이며, 도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 입구측과 출구측의 형상에 대한 시간에 따른 토크 맥동을 나타낸 그래프이다.
도 14 내지 도 17에 도시된 것처럼, 이처럼 마련된 본 발명은 상기 유입부(140) 및 배출부(150)의 형상에 의해 초기 구동시 압력 맥동이 크게 저감하는 것을 확인할 수 있다.
구체적으로, 본 발명은 일반적으로 직경 및 면적이 일정한 유입관과 배출관을 갖는 종래예에 비해 상기 제1 회전부(110) 및 상기 제2 회전부(120)의 입구측과 출구측의 압력, 유량, 토크 맥동이 크게 저감되는 것을 확인할 수 있다.
이처럼 마련된 본 발명의 상기 유입부(140) 및 상기 배출부(150)는 초기 구동시 압력 맥동에 따른 캐비테이션 현상의 발생을 저감하고, 안정적인 운전 및 보다 정확한 유량 측정이 가능하게 할 수 있다.
다시 도 12를 참조하면, 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 압력 맥동 저감을 위한 용적식 수차(100)는 수차발전기에 적용될 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 압력 맥동 저감을 위한 용적식 수차(100)는 수차 발전기 형태로 지역난방의 열수송관망 등에 설치될 수 있다.
이처럼 열수송관망에 설치된 압력 맥동 저감을 위한 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 압력 맥동 저감을 위한 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: 유량 예측이 가능한 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 140: 유입부
141: 유입관 142: 유입확장관
150: 배출부 151: 배출관
152: 배출확장관

Claims (14)

  1. 상호 맞물려 회전하도록 마련된 한 쌍의 회전부를 포함하며,
    상기 한 쌍의 회전부를 통과하는 유량은, 용적량, 입구측 압력과 출구측 압력의 차이, 유체의 밀도, 회전부의 회전속도를 변수로 하여 산출되고,
    상기 유량은 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 유량 예측이 가능한 용적식 수차.
    Figure 112021064607459-pat00034

    (
    Figure 112021064607459-pat00035
    는 유량,
    Figure 112021064607459-pat00036
    는 용적량[m3], P는 입구측 압력과 출구측 압력의 차이[Pa], ρ는 유체의 밀도[kg/m3], N은 회전자의 회전속도[rev/s])
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기
    Figure 112021064607459-pat00015
    는 0.00070838834m3인 것을 특징으로 하는 유량 예측이 가능한 용적식 수차.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체의 밀도 ρ는
    Figure 112021064607459-pat00016
    [kg/m3]이고,
    여기서, T는 3barG[℃] 조건에서의 온도인 것을 특징으로 하는 유량 예측이 가능한 용적식 수차.
  5. 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 유량 예측이 가능한 용적식 수차.
  6. 제 5 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 유량 예측이 가능한 용적식 수차.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2 회전부는,
    날개를 이루며 상기 제1 회전자와 맞물려 회전하도록 마련된 제2 회전자; 및
    상기 제2 회전자의 중심에 마련되어 상기 제2 회전자의 회전을 위한 축을 형성하는 제2 회전축을 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 예측이 가능한 용적식 수차.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 회전자 및 상기 제2 회전자는 기설정된 각도만큼 트위스트(twist)된 상태로 마련된 것을 특징으로 하는 유량 예측이 가능한 용적식 수차.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제1 회전자는 상기 제1 회전축의 방사 방향으로 길이가 연장되어 복수개로 마련되고,
    상기 제2 회전자는 상기 제2 회전축의 방사 방향으로 길이가 연장되어 복수개로 마련된 것을 특징으로 하는 유량 예측이 가능한 용적식 수차.
  10. 제 9항에 있어서,
    각각의 상기 제1 회전자는 폭이 시계 방향으로 트위스트되고, 상기 제2 회전자는 폭이 반시계 방향으로 트위스트된 것을 특징으로 하는 유량 예측이 가능한 용적식 수차.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 회전부의 입구측 압력 및 출구측 압력을 측정하도록 마련된 압력측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유량 예측이 가능한 용적식 수차.
  12. 제 11 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 유량 예측이 가능한 용적식 수차.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전부의 입구측에 마련되는 유입부; 및
    상기 회전부의 출구측에 마련되는 배출부를 포함하며,
    상기 유입부 및 상기 배출부는 상기 회전부에 가까워질수록 내부 면적이 점차 확장되도록 마련된 것을 특징으로 하는 유량 예측이 가능한 용적식 수차.
  14. 제 1 항에 따른 유량 예측이 가능한 용적식 수차를 적용한 수차발전기.
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