KR102398164B1 - 내부 유동이 개선된 프란시스 수차 장치 및 이의 작동 방법 - Google Patents

내부 유동이 개선된 프란시스 수차 장치 및 이의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예는 프란시스 수차 장치를 통과하는 유체의 와류를 방지하여, 프란시스 수차 장치의 운전이 안정적으로 진행되도록 하는 기술을 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 내부 유동이 개선된 프란시스 수차 장치는, 복수 개의 블레이드를 구비하고, 제공된 수력에 의해 회전을 수행하는 런너; 상기 런너의 주위를 감싸는 나선형의 형상 부위인 스파이럴부를 구비하고 외부로부터 유입된 유체를 상기 런너로 배출하는 스파이럴케이싱; 상기 스파이럴부 내부 유로의 원주 방향을 따라 상기 런너의 주위에 배열되는 스테이베인; 상기 스테이베인과 상기 런너 사이에서 상기 런너의 둘레 방향을 따라 배열되는 가이드베인; 상기 스파이럴부와 결합하고 상기 런너를 통과 후 배출되는 유체를 통과시켜 외부로 유체를 배출시키는 흡출관; 및 외부로부터 공급된 공기를 상기 흡출관의 내부를 향해 분사하는 공기분사부를 포함한다.

Description

내부 유동이 개선된 프란시스 수차 장치 및 이의 작동 방법 {FRANCIS TURBINE DEVICE WITH IMPROVED INTERNAL FLUID FLOW AND A METHOD FOR OPERATING THE SAME}
본 발명은 내부 유동이 개선된 프란시스 수차 장치 및 이의 작동 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 프란시스 수차 장치를 통과하는 유체의 와류를 방지하여, 프란시스 수차 장치의 운전이 안정적으로 진행되도록 하는 기술에 관한 것이다.
신재생에너지에 대한 개발과 필요성에 대한 요구가 증가하고 있으며, 수력 발전은 통상 전력 수요가 높은 시간에 발전을 통해 피크 부하를 담당하여 전기 에너지를 공급하는 역할이 아닌 유연성 제공 역할에 따른 운전 환경의 변화로 탈설계 영역 내 운전이 지속되고 있다.
특히, 저유량 운전 영역에서는 유로 내 복잡한 유동이 발생하며 진동 및 소음이 유발되어 수차 발전 시스템의 운전을 불안정하게 한다. 이와 같은 수차의 불안정한 운전 환경은 잦은 고장 발생의 원인이 되며, 시스템의 비상정지 등 수차 발전 시스템의 수명감소로 이어질 수 있다.
수차 발전에 적용되는 프란시스 수차는 저유량 영역 운전 시 흡출관(Draft tube) 내 와류의 세차 운동(Precession of vortex rope)이 유발되며, 세차 와류는 흡출관 내 러너 콘의 중심선 축으로 그 둘레를 회전하며 발생하는 와류로, 러너 회전 주파수의 약 0.2∼0.4배의 주파수 특성을 나타낸다.
이는 압력 맥동 유발의 원인으로 수차 발전 시스템과 공진을 일으키는 경우, 토크와 출력 맥동을 유발시켜 수차 성능 저하의 원인이 될 수 있다.
대한민국 등록특허 제10-2056695호(발명의 명칭: 고효율 대용량 프란시스 수차)에서는, 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 있는 프란시스 수차가 개시되어 있다.
대한민국 등록특허 제10-2056695호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 프란시스 수차 장치를 통과하는 유체의 와류를 방지하여, 프란시스 수차 장치의 운전이 안정적으로 진행되도록 하는 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, 복수 개의 블레이드를 구비하고, 제공된 수력에 의해 회전을 수행하는 런너; 상기 런너의 주위를 감싸는 나선형의 형상 부위인 스파이럴부를 구비하고 외부로부터 유입된 유체를 상기 런너로 배출하는 스파이럴케이싱; 상기 스파이럴부 내부 유로의 원주 방향을 따라 상기 런너의 주위에 배열되는 스테이베인; 상기 스테이베인과 상기 런너 사이에서 상기 런너의 둘레 방향을 따라 배열되는 가이드베인; 상기 스파이럴부와 결합하고 상기 런너를 통과 후 배출되는 유체를 통과시켜 외부로 유체를 배출시키는 흡출관; 및 외부로부터 공급된 공기를 상기 흡출관의 내부를 향해 분사하는 공기분사부를 포함하고, 상기 흡출관 내부로의 공기 분사를 통해 상기 흡출관 내 와류 생성이 억제되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 흡출관은, 상기 런너를 통과한 유체가 유입되는 흡출유입구에 인접한 내부면에 형성된 와류방지핀을 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 공기분사부를 통해 상기 흡출관으로 주입되는 공기의 양은, 상기 스파이럴케이싱으로 유입되는 시간 당 유량 대비 0.5% 이상일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 와류방지핀은, 상기 흡출관의 내측면으로부터 돌출되는 형상으로 형성되고 상기 흡출유입구를 통과하는 유체의 유동 방향을 따라 연장되어 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 흡출관은, 상기 스파이럴부와 결합하고 상기 흡출유입구와 상기 와류방지핀이 형성되고 상기 런너를 통과한 유체에 유로를 제공하는 관흡입부; 및 상기 관흡입부와 결합하고 상기 관흡입부를 통과한 유체가 외부로 배출되도록 유로를 제공하는 관배출부를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 공기분사부는, 상기 관흡입부의 벽체를 관통하는 홀인 공기주입유로를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 공기분사부는, 상기 공기주입유로와 연결되고 상기 흡출관의 내부를 향해 공기를 분사하는 분사구가 형성된 일 부위가 상기 런너의 내부에 위치하는 분사관을 더 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 관배출부는, 상기 관흡입부를 통과한 유체를 외부 일측으로 배출시키는 제1관배출체; 및 상기 관흡입부를 통과한 유체를 외부 타측으로 배출시키는 제2관배출체를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 공기분사부로 공기를 주입시키는 공기공급부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 스테이베인 또는 상기 가이드베인은, 전연에서부터 후연으로 유입된 유체가 유동하도록 유선형의 익형을 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 런너는, 상기 복수 개의 블레이드 각각의 일단과 결합하는 허브; 및 상기 복수 개의 블레이드 각각의 타단과 결합하는 슈라우드를 더 구비할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 상기 스파이럴케이싱을 통과한 유체가 상기 런너로 유동하여 상기 런너가 회전하는 제1단계; 상기 런너를 통과한 유체가 상기 흡출관으로 유동하는 제2단계; 상기 공기분사부로 공기가 주입되고, 상기 공기분사부로부터 상기 흡출관의 내부로 공기가 분사되는 제3단계; 및 상기 흡출관을 통과한 유체가 외부로 배출되는 제4단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제3단계에서, 상기 흡출관으로 유입되는 유체의 유량에 따라 상기 공기분사부로부터 분사되는 공기의 양이 조절될 수 있다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 흡출관 내 와류방지핀이 형성되고, 흡출관 내로 공기를 주입하여 공기가 흡출관의 내부를 향해 분사되도록 함으로써, 런너를 통과한 유체에서 와류 생성을 억제할 수 있다는 것이다.
그리고, 본 발명의 효과는, 프란시스 수차 장치의 내부에서 유체의 와류가 방지됨으로써, 유체의 유동에 의한 압력 맥동 유발이 방지되어, 프란시스 수차 장치에서 진동이 감소하여 토크와 출력 맥동의 유발에 의한 성능 저하를 방지할 수 있다는 것이다.
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 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 프란시스 수차 장치의 사시도 및 일부 확대도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 블레이드, 스테이베인 및 가이드베인의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 런너의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 흡출관의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 흡출관의 일 부위에 대한 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 프란시스 수차 모델에 대한 성능 테스트 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 흡출관의 내부에 분사되는 공기량에 따른 프란시스 수차 장치의 효율 비교 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 런너에 대한 공기 주입 유량에 따른 프란시스 수차 장치의 양정 손실 분포에 대한 그래프이다.
도 9 내지 도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 흡출관에서 와류방지핀 또는 공기 주입 유량에 따른 유체의 유동 특성을 나타낸 이미지이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 흡출관 내 유체의 압력 분포를 나타낸 이미지이다.
도 14 내지 도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 블레이드의 후연에서 유체의 유동특성을 나타낸 그래프이다.
도 17과 도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 흡출관 내 소정의 위치에서 런너의 회전축 방향 및 원주 방향 각각에 대한 유체의 속도 분포를 나타낸 그래프이다.
도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 흡출관 내 비정상 상태 수치 해석 결과에 대한 그래프이다.
도 20 내지 도 23은 본 발명의 일 실시 예에 따른 흡출관 내 소정의 위치에서 유체의 비정상 압력 특성을 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 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 실시 예를 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 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 프란시스 수차 장치의 사시도 및 일부 확대도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 블레이드(311), 스테이베인(320) 및 가이드베인(330)의 모식도이다. 또한, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 런너(310)의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 흡출관(200)의 사시도이다. 그리고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 흡출관(200)의 일 부위에 대한 모식도이다. 도 5의 (a)는 사시도이고, 도 5의 (b)는 평면도이다.
도 1에서는 스파이럴부(410)의 상부가 개방된 것으로 표현되고 있으나, 이는 이해의 편의를 위한 것으로써, 런너(310)의 상부에 위치한 스파이럴부(410)의 상부는 밀폐되어 있다.
도 1 내지 도 5에서 보는 바와 같이, 본 발명의 프란시스 수차 장치는, 복수 개의 블레이드(Blade)(311)를 구비하고, 제공된 수력에 의해 회전을 수행하는 런너(Runner)(310); 런너(310)의 주위를 감싸는 나선형의 형상 부위인 스파이럴부(410)를 구비하고 외부로부터 유입된 유체를 런너(310)로 배출하는 스파이럴케이싱(Spiral casing)(400); 스파이럴부(410) 내부 유로의 원주 방향을 따라 런너(310)의 주위에 배열되는 스테이베인(Stay vane)(320); 스테이베인(320)과 런너(310) 사이에서 런너(310)의 둘레 방향을 따라 배열되는 가이드베인(330)(Guide vane); 및 스파이럴부(410)와 결합하고 런너(310)를 통과 후 배출되는 유체를 통과시켜 외부로 유체를 배출시키는 흡출관(Draft tube)(200);을 포함한다.
여기서, 유체는 물일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 유동 가능한 유체가 이용될 수 있음은 당연하다.
스파이럴부(410)는 나선형의 유로를 형성하는 형상으로 형성되며, 스파이럴케이싱(400)은 외부로부터 유입된 유체가 스파이럴부(410)로 유동하도록 유로를 제공하며 스파이럴부(410)와 결합하고 관의 형상으로 형성되는 케이싱관(420)을 더 구비할 수 있다.
런너(310)는, 복수 개의 블레이드(311) 각각의 일단과 결합하는 허브(312); 및 복수 개의 블레이드(311) 각각의 타단과 결합하는 슈라우드(313)를 더 구비할 수 있다. 허브(312)는 발전기와 결합하고, 이에 의해 런너(310)가 회전하는 경우 발전기의 회전 샤프트가 회전하여 발전기에서 발전이 수행될 수 있다.
허브(312)는 런너(310)의 회전축에 수직인 단면적이 가변하는 콘(cone)의 형상을 구비하고, 도 3에서 보는 바와 같이, 유체가 유입되는 상부보다 하부의 단면적이 작은 형상을 구비할 수 있다.
또한, 슈라우드(313)는 원형 밴드의 형상을 구비하고 슈라우드(313)의 내측면에 각 블레이드(311)의 타단이 결합될 수 있다. 상기와 같은 허브(312)와 슈라우드(313)에 의해 블레이드(311)가 고정 지지될 수 있다.
그리고, 블레이드(311)는 만곡형을 구비하며, 허브(312)와 슈라우드(313)가 상기와 같이 형성됨으로써, 블레이드(311)의 표면에 대한 유체의 유동 힘의 전달 비율이 증가하여 런너(310)의 출력계수가 증가함으로써, 런너(310)의 출력 효율이 증가할 수 있다.
스테이베인(320)은, 전연(leading edge)에서부터 후연(trailing edge)으로 유입된 유체가 유동하도록 유선형의 익형을 구비하고, 스파이럴부(410)를 통과한 유체에 대해 소정의 받음각을 형성할 수 있다.
그리고, 가이드베인(330)은, 전연에서부터 후연으로 유입된 유체가 유동하도록 유선형의 익형을 구비하고, 스테이베인(320)을 통과한 유체에 대해 소정의 받음각을 형성할 수 있다.
구체적으로, 도 2에서 보는 바와 같이, 스테이베인(320)은 유선형의 익형(airfoil)을 구비한 날개 형상으로 형성될 수 있으며, 스테이베인(320)의 전연이 외부를 향하고 스테이베인(320)의 후연이 런너(310)를 향하도록 위치하여 소정의 받음각을 형성할 수 있다.
그리고, 가이드베인(330)은 유선형의 익형(airfoil)을 구비한 날개 형상으로 형성될 수 있으며, 가이드베인(330)의 전연이 외부를 향하고 가이드베인(330)의 후연이 런너(310)를 향하도록 위치하여 소정의 받음각을 형성할 수 있다.
여기서, 스테이베인(320)의 익형과 가이드베인(330)의 익형은 동일할 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 스테이베인(320)의 익형과 가이드베인(330)의 익형이 상이할 수도 있다.
흡출관(200)은, 런너(310)를 통과한 유체가 유입되는 흡출유입구(201)에 인접한 내부면에 형성된 와류방지핀(210)을 구비할 수 있다. 여기서, 와류방지핀(210)은, 상기 흡출관(200)의 내측면으로부터 돌출되는 형상으로 형성되고 흡출유입구(201)를 통과하는 유체의 유동 방향을 따라 연장되어 형성될 수 있다. 그리고, 와류방지핀(210)은 복수 개로 형성될 수도 있다.
도 1과 도 5에서 보는 바와 같이, 와류방지핀(210)은 단면이 삼각형인 바의 형상으로 형성될 수 있으며, 이와 같은 형상으로 와류방지핀(210)이 형성되는 경우, 와류방지핀(210)의 모서리가 흡출관(200)의 내부를 향하도록 와류방지핀(210)이 설치될 수 있다.
흡출관(200)은, 스파이럴부(410)와 결합하고 흡출유입구(201)와 와류방지핀(210)이 형성되고 런너(310)를 통과한 유체에 유로를 제공하는 관흡입부(220); 및 관흡입부(220)와 결합하고 관흡입부(220)를 통과한 유체가 외부로 배출되도록 유로를 제공하는 관배출부(230)를 더 구비할 수 있다.
상기와 같이 와류방지핀(210)이 형성되면, 흡출유입구(201)를 통과한 유체가 관흡입부(220)를 통과하면서 와류방지핀(210)과 접촉하게 되고, 와류방지핀(210)과 접촉한 유체는 와류방지핀(210)에 의해 유동이 가이드됨과 동시에, 와류 생성을 위해 생성되는 유체의 회전력이 와류방지핀(210)에 의해 저지되어 흡출관(200)을 통과하는 유체의 와류가 방지될 수 있다.
상기와 같이, 와류방지핀(210)에 의해 유체의 와류가 방지됨으로써, 유체의 유동에 의한 압력 맥동 유발이 방지되고, 결과적으로, 본 발명의 프란시스 수차 장치의 진동이 감소하여, 토크와 출력 맥동의 유발에 의한 성능 저하를 방지할 수 있다.
관흡입부(220)는 흡출유입구(201)로부터 관배출부(230) 방향으로 유체의 유동 단면적이 증가하는 형상으로 형성될 수 있으며, 이에 따라, 관배출부(230)로 갈수록 유체의 압력이 감소하면서 속도가 증가하여 관흡입부(220)로부터 관배출부(230)로 유체의 유동이 용이하게 수행될 수 있다.
관배출부(230)는, 관흡입부(220)를 통과한 유체를 외부 일측으로 배출시키는 제1관배출체(231); 및 관흡입부(220)를 통과한 유체를 외부 타측으로 배출시키는 제2관배출체(232)를 구비할 수 있다.
도 1 및 도 4에서 보는 바와 같이, 관흡입부(220)를 통과한 유체가 관배출부(230)를 통과 시, 유체는 제1관배출체(231)와 제2관배출체(232) 각각에 의한 분리된 유로를 통해 배출될 수 있으며, 제1관배출체(231)와 제2관배출체(232) 각각은 외부를 향하는 방향으로 유체의 유동 단면적이 증가하는 형상으로 형성될 수 있다.
상기와 같은 각각의 관배출체의 형성에 의해, 각각의 관배출체를 통과하는 유체의 압력이 감소하면서 속도가 증가하여 관배출체를 통과하는 유체의 유동이 용이하고, 각각의 관배출체로 유체가 분리되어 유동함으로써 유체의 유동 단면적의 급격한 확대를 방지하여 유체 유동의 효율을 증대시킬 수 있다.
흡출관(200)이 외부로부터 공급된 공기를 흡출관(200)의 내부를 향해 분사하는 공기분사부를 구비하여, 흡출관(200) 내 와류 생성이 억제될 수 있다. 구체적으로, 런너(310)를 통과한 유체는 회전력을 구비하여 유체에 와류가 생성되어 흡출유입구(201)로 유입될 수 있다.
상기와 같이 와류가 생성된 유체에 공기를 분사하는 경우, 대기압 또는 그 이상의 압력인 공기를 주입하여, 유체(물)의 포화증기압보다 낮아 발생한 와류의 압력 회복을 통해 유체의 와류에 대한 억제가 구현될 수 있다.
상기와 같이, 흡출관(200)의 내부에 대한 공기 분사에 의해 유체의 와류가 방지됨으로써, 유체의 유동에 의한 압력 맥동 유발이 방지되고, 결과적으로, 본 발명의 프란시스 수차 장치의 진동이 감소하여, 토크와 출력 맥동의 유발에 의한 성능 저하를 방지할 수 있다.
공기분사부는, 관흡입부(220)의 벽체를 관통하는 유로인 공기주입유로(110)를 구비할 수 있다. 그리고, 공기분사부는, 공기주입유로(110)와 연결되고 흡출관(200)의 내부를 향해 공기를 분사하는 분사구가 형성된 일 부위가 런너(310)의 내부에 위치하는 분사관을 더 구비할 수 있다.
도 5의 Air injection 입구는 런너(310)와 흡출관(200) 도메인이 만나 형성된 Surface(면)으로써, 상기와 같은 분사관의 형성에 의해, 공기는 런너(310)로부터 흡출관(200)의 내부 방향으로 분사될 수 있다.
구체적으로, 상기와 같은 분사구가 형성된 분사관의 일 부위는 블레이드 사이의 공간에 형성될 수 있으며, 허브(312)의 상부와 연결된 회전체에 의해 분사관이 지지될 수 있으며, 런너(310)의 회전에도 분사관이 고정 지지되면서 분사구로부터 흡출관(200)의 내부를 향해 공기가 분사될 수 있다.
그리고, 본 발명의 프란시스 수차 장치는, 공기분사부로 공기를 주입시키는 공기공급부를 더 포함할 수 있다. 공기공급부는, 공기를 저장하는 탱크인 공기탱크; 및 공기탱크와 공기주입유로(110)를 연결시키는 공기관; 및 공기관과 연결되고 공기관을 통과하는 공기에 압력을 제공하는 펌프인 공기펌프를 구비할 수 있다.
공기공급부로부터 공기주입유로(110)로 유동한 공기는, 공기주입유로(110)를 통과한 후 분사관을 통과하여 런너(310)로부터 흡출관(200)의 내부를 향해 분사될 수 있다. 이를 위해, 공기를 배출하는 분사관의 분사구는 흡출관(200)의 내부를 향해 형성될 수 있다. 상기와 같은 공기분사부는 복수 개로 형성될 수 있다.
공기분사부를 통해 흡출관(200)으로 주입되는 공기의 양은, 스파이럴케이싱(400)으로 유입되는 시간 당 유량 대비 0.5% 이상일 수 있다. 여기서, 시간 당 유량의 단위는 L/min일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 다른 단위도 이용될 수 있음은 당연하다.
스파이럴케이싱(400)으로 유입되는 시간 당 유량은, 본 발명의 프란시스 수차 장치 전체의 시간 당 유량으로써 Q로 표현할 수 있으며, 스파이럴케이싱(400)으로 유입되는 시간 당 유량 대비 0.5%인 공기의 유량은 0.5%Q라고 표현할 수 있다. 이하 동일하다.
공기분사부를 통해 흡출관(200)으로 주입되는 공기의 양이 스파이럴케이싱(400)으로 유입되는 시간 당 유량 대비 0.5% 미만인 경우에는, 즉, 공기의 유량이 0.5%Q 미만인 경우에는, 흡출관(200)으로 주입되는 공기에 의한 유체 와류 생성 억제 효율이 감소할 수 있다. 이에 대해서는 하기의 그래프 등 분석에서 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 프란시스 수차 장치는, 스파이럴케이싱(400)에 형성되고 스파이럴케이싱(400)을 통과하는 유체의 유량(Q)를 측정하는 센서인 유량센서; 유량센서로부터 신호를 전달받고 공기공급부로 제어신호를 전달하여 흡출관(200)으로 주입되는 공기의 양을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
제어부는 유량센서로부터 유량에 대한 정보를 지속적으로 전달받고, 흡출관(200)으로 주입되는 공기의 양이 0.5%Q 이상으로 유지되도록 공기공급부의 공기탱크와 공기펌프로 제어신호를 전달할 수 있다.
상기와 같은 제어부의 제어에 의해 흡출관(200)으로 주입되는 공기의 양이 0.5%Q 이상으로 유지됨으로써, 흡출관(200) 내 공기 주입에 의한 유체의 와류 생성이 지속적으로 억제될 수 있다.
본 발명의 프란시스 수차 장치; 및 런너(310)와 연결되고 런너(310)의 회전에 의해 발전을 수행하는 발전기를 포함하는 발전 시스템을 형성할 수 있다. 런너(310)와 발전기는 회전 샤프트에 의해 연결될 수 있으며, 런너(310)의 회전에 의해 회전 샤프트가 회전함으로써 발전기의 회전자가 회전되어 발전기의 발전이 수행될 수 있다.
이하, 본 발명의 프란시스 수차 장치의 작동 방법에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 제1단계에서, 스파이럴케이싱(400)을 통과한 유체가 런너(310)로 유동하여 런너(310)가 회전할 수 있다. 그리고, 제2단계에서, 런너(310)를 통과한 유체가 흡출관(200)으로 유동할 수 있다.
다음으로, 제3단계에서, 공기분사부로 공기가 주입되고, 공기분사부로부터 흡출관(200)의 내부로 공기가 분사될 수 있다. 여기서, 흡출관(200)으로 유입되는 유체의 유량에 따라 공기분사부로부터 분사되는 공기의 양이 조절될 수 있다. 이와 같은 공기의 양 조절은 상기된 제어부의 제어에 의해 수행될 수 있다. 그 후, 제4단계에서, 흡출관(200)을 통과한 유체가 외부로 배출될 수 있다.
본 발명의 프란시스 수차의 작동 방법에 대한 나머지 사항은 상기된 본 발명의 프란시스 수차 장치에 대한 사항과 동일하다.
이하, 본 발명의 프란시스 수차 장치의 수치해석을 통한 결과에 대해 상세히 설명하기로 한다.
[수치해석 기법]
본 발명의 프란시스 수차 장치의 설계는 도 1 내지 도 5와 같으며, 본 발명의 프란시스 수차 장치에 대한 모델인 프란시스 수차 모델의 삼차원 내부 유동장에 대한 정상 상태 RANS 수치해석 수행을 위해, 상용 소프트웨어인 ANSYS CFX-19.1을 사용하였으며, 유한체적법(Finite Volume Method, FVM)으로 이산화된 지배방정식을 사용하였다. 프란시스 수차 모델 유동 도메인의 격자 생성을 위해 Turbo-grid, ANSYS Meshing 및 ICEM-CFD를 사용하였으며, 해석을 위한 경계조건은 CFX-Pre를 사용하였다. 유동해석의 계산 및 결과 분석은 각각 CFX-Solver 및 CFX-Post를 사용하여 수행하였다.
도 2 내지 도 4에서 보는 바와 같이, 러너 및 스테이베인(320)과 가이드베인(330)은 육면체 격자(Hexahedral grid)로 작성되었으며, 스파이럴케이싱(400) 및 흡출관(200)은 사면체 격자(Tetrahedral grid)로 작성되었다.
블레이드(311) 표면에는 O형 격자계를 사용하여 첫 번째 격자점에서 y+≤5를 유지하도록 하였다. 프란시스 수차 모델의 격자 작성은 GCI(Grid Convergence Index) 기법을 사통해 격자 수 총 14.74106에 대해 효율에 대한
Figure 112021120942140-pat00001
값을 약 0.22%의 매우 낮은 이산화 오류 값으로 계산하여 격자 작성을 수행하였다. 이에 대해서는 하기의 [표 1]과 같다.
[표 1]
Figure 112021120942140-pat00002
수치해석의 경계조건으로는 입구 및 출구는 각각 상부 저수지와 하부 저수지의 수위를 고려한 전압력 및 정압력 조건을 부여하였고, 작동 유체는 25℃의 물과 증기를 사용하였으며, 흡출관(200)에 대한 공기 주입은 25℃의 공기를 사용하여 해석을 수행하였다. 회전자인 러너와 고정자인 가이드 베인 및 흡출관(200)의 경계면 조건은 경계면을 통해 원주방향으로 평균된 유동값을 입력하는 Stage-average 방식을 사용하였다. 난류 모델은 유동박리에 대해 정확한 예측을 나타내며, 벽면 근처 영역에서 정확한 해석 결과를 나타내는 SST (Shear Stress Transport) 모델을 사용하였다.
[수치해석 결과]
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 프란시스 수차 모델에 대한 성능 테스트 그래프이고, 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 흡출관(200)의 내부에 분사되는 공기량에 따른 프란시스 수차 장치의 효율 비교 그래프이며, 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 런너(310)에 대한 공기 주입 유량에 따른 프란시스 수차 장치의 양정 손실 분포에 대한 그래프이다.
정상 상태 RANS 수치해석 결과에 대한 타당성을 검토하기 위해 프란시스 수차 모델의 성능 시험 결과와 도 6과 같이 효율을 비교하였으며, 효율은 성능 시험 결과의 최고 효율값으로 무차원화 하였다. 프란시스 수차 모델의 성능 시험 결과는 한국수자원공사에서 제공한 모델수차 정밀 성능 시험 결과를 사용하였고, 모델 성능 시험에서 IEC 60193 규격에 제시 된 시스템 불확도(fs) 및 우연 불확도(fr)를 고려한 총 불확도(ft)는 ±0.245% 계산되었으며 하기의 [수학식 1]과 같다.
[수학식 1]
Figure 112021120942140-pat00003
프란시스 수차 모델의 수치해석 및 성능 시험 결과가 유량에 따라 효율의 경향이 전반적으로 잘 일치하였으며, 특히, 관찰된 가이드베인(GV)(330) 각도 16°에서의 결과가 잘 일치하여 본 연구의 수치해석 결과에 대한 타당성을 확인할 수 있었다.
도 7에서는, 관찰된 가이드베인(330) 각도 16° 조건에서 흡출관(200)내 공기 주입 유량에 따른 효율을 비교한 사항을 나타내고 있다. 흡출관(200) 내 공기 주입 및 주입 유량이 증가함에 따라 효율은 감소하는 특성을 나타냈다. 반면, 공기 주입 유량 0.5%Q 및 1.0%Q에서는 유사한 효율 감소 특성을 나타냈다.
흡출관(200) 내 공기 주입 유량에 따른 프란시스 수차 모델의 성능 특성 검토를 위해 도 8과 같이 러너 및 흡출관(200)에서 Head 손실을 계산하였다. 러너 및 흡출관(200)의 Head 손실은 각각 하기의 [수학식 2] 및 [수학식 3]을 사용하여 계산하였다.
[수학식 2]
Figure 112021120942140-pat00004
[수학식 3]
Figure 112021120942140-pat00005
여기서 ΔPtotal, T, ω, Q, ρ 및 g는 프란시스 수차 장치 구성요소의 전압력 차, 런너(310)의 토크, 각속도, 유량, 물의 밀도 및 중력 가속도를 나타낸다.
흡출관(200) 내 공기 주입 유량에 따라 런너(310)에서의 양정(Head) 손실은 유사하게 나타나며, 흡출관(200)에서는 공기 주입 유량에 따라 손실이 증가하는 경향을 보였다. 특히, 공기 주입 유량 0.5%Q 및 1.0%Q의 흡출관(200)에서 양정(Head) 손실이 유사하게 나타나는데, 이를 통해 도 7의 유사한 효율 특성에 대한 원인으로 볼 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 흡출관(200)에서 공기 주입 유량에 따른 압력 분포를 나타낸 이미지이다. 여기서, 각각의 이미지에서 불특정한 형상으로 형성된 형상은 물을 나타낼 수 있다. 그리고, 도 9의 (a) 내지 (d)에서는 와류방지핀(210)이 형성된 사항이 개시되고, 도 9의 (a)는 공기 주입이 없는 사항에 대한 것이고, 도 9의 (b)는 0.1%Q의 공기가 주입된 사항에 대한 것이며, 도 9의 (c)는 0.5%Q의 공기가 주입된 상황에 대한 것이고, 도 9의 (d)는 1%Q의 공기가 주입된 상황에 대한 것이다.
도 9 내지 도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 흡출관(200)에서 공기 주입 유량에 따른 유체의 유동 특성을 나타낸 이미지이다. 도 9는 와류방지핀(210)과 공기 주입이 없는 경우에 대한 것이고, 도 10은 와류방지핀(210)이 형성된 경우에 대한 것이다.
그리고, 도 11은 와류방지핀(210)이 설치되고 공기 주입량이 0.1%Q인 경우에 대한 것이고, 도 12는 와류방지핀(210)이 설치되고 공기 주입량이 0.5%Q인 경우에 대한 것이다.
도 9 내지 도 12 각각에서는 런너(310) 1회전에 대한 와류 로프(vortex rope)가 표시되어 있으며, 도 9 내지 도 12에 개시된 이미지 각각에서, (a)는 런너(310)의 1/4회전(1/4τ) 시 유체의 유동에 대한 것이고, (b)는 런너(310)의 2/4회전(2/4τ) 시 유체의 유동에 대한 것이며, (c)는 런너(310)의 3/4회전(3/4τ) 시 유체의 유동에 대한 것이고, (d)는 런너(310)의 4/4회전(4/4τ) 시 유체의 유동에 대한 것이다.
흡출관(200) 내 공기 주입 유량에 따른 내부 유동 특성 분석을 위해, 도 9 내지 도 12와 같이 흡출관(200) 내 Iso-surface 압력 분포를 검토하였으며, 압력값은 프란시스 수차 모델의 출구 압력을 고려한 물(유체)의 포화압력을 나타냈다.
도 9에서 보는 바와 같이, 와류방지핀(210) 및 공기 주입이 없는 경우에는, 와류 로프가 유체의 유동 방향으로 길게 발생함을 확인할 수 있다.
도 10에서 보는 바와 같이, 와류방지핀(210)이 설치되고 공기 주입이 없는 조건에서는, 흡출관(200) 내 와류방지핀(210)이 형성됨에도 불구하고 흡출관(200)의 저유량 영역인 관흡입부(220)에서 발생한 와류를 볼 수 있으며, 도 11에서와 같이 와류방지핀(210)이 설치되고 공기 주입 유량 0.1%Q인 경우에서는 흡출관(200) 내 와류 억제 효과가 나타나지 않았다.
그리고, 도 12에서와 같이, 와류방지핀(210)이 설치되고 공기 주입 유량이 0.5%Q인 경우에서는 흡출관(200) 내 와류 발생의 억제 효과를 나타냈으며, 저유량 영역에서 흡출관(200) 내 강한 와류(swirl) 성분으로 인한 와류방지핀(210) 인근에서의 저압 영역의 발생만 나타냈다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 흡출관(200) 내 유체의 압력 분포를 나타낸 이미지이다. 도 13의 (a)는 와류방지핀(210)만 제공된 경우에 대한 것이고, 도 13의 (b)는 와류방지판 및 공기 주입이 제공되지 않는 경우에 대한 것이다. 그리고, 도 13의 (c)는 와류방지판이 설치되고 공기 주입량이 0.1%Q인 경우에 대한 것이고, 도 13의 (d)는 와류방지판이 설치되고 공기 주입량이 0.5%Q인 경우에 대한 것이다.
도 13에서는, 프란시스 수차 모델의 흡출관(200) 내 공기 주입 유량에 따라 압력 분포를 확인하기 위해 도 1에 나타낸 관찰평면(Observed plane) 위에서 시간평균된 압력 분포(Time-averaged pressure distribution)을 검토하였다.
도 13의 (a)와 (b)에서 보는 바와 같이, 공기 주입이 없는 경우에는 흡출관(200) 내 와류 발생으로 인한 저압 영역이 관찰되었으며, 도 13의 (c)에서 보는 바와 같이, 공기 주입 유량이 0.1%Q인 경우에서도 공기 주입에 대한 와류 억제 특성에 큰 영향 없이 저압 영역이 유사하게 발생하였다.
그러나, 도 13의 (d)에서 보는 바와 같이, 공기 주입 유량이 0.5%Q인 경우에서는 공기 주입에 대한 와류 억제 효과로 인하여 흡출관(200) 내 저압 영역이 해소됨을 확인할 수 있다.
도 14 내지 도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 블레이드(311)의 후연에서 유체의 유동특성을 나타낸 그래프이다. 여기서, 도 14는 각각의 스팬(span)에서의 절대 유동각(Absolute flow angle)를 나타내고, 도 15는 각각의 스팬(span)에서의 상대 유동각(Relateive flow angle)를 나타내며, 도 16은 각각의 스팬(span)에서의 회전 속도(Rotional velocity)를 나타낸다. 그리고, with fins는 와류방지핀(210)이 설치된 경우에 대한 것이고, without fins는 와류방지핀(210)이 설치되지 않는 경우에 대한 것이다. 이와 같은 사항은 상기와 하기의 설명 및 각각의 도면에서 동일하다.
도 14 내지 도 16에서 런너(310) 후연(Trailing edge)의 유체 유동 특성이 공기 주입에 따라 변화함을 확인할 수 있고, 이에 따라, 와류 발생 억제의 특성을 확인할 수 있다.
도 17과 도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 흡출관(200) 내 소정의 위치에서 런너(310)의 회전축 방향 및 원주 방향 각각에 대한 유체의 속도 분포를 나타낸 그래프이다. 여기서, 도 17은 런너(310)의 회전축 방향에 대한 것이고, 도 18은 런너(310)의 원주 방향에 대한 것이다.
도 17과 도 18은, 도 5에서 0.6D2의 관찰선 위치에서 런너(310)의 회전축 방향 및 원주 방향 각각에 대한 유체의 속도 분포를 나타낸 그래프이다.
도 17에서 보는 바와 같이, 흡출관(200) 내로 공기가 주입됨에 따라 축 방향 속도의 역류 발생의 범위가 증가하였다. 이와 같은 축 방향 속도의 역류 발생 범위의 증가를 볼 때, 공기 주입 유량이 증가함에 따라 흡출관(200)의 Head 손실 증가 및 성능 감소의 원인으로 볼 수 있다.
도 18에서 보는 바와 같이, 원주 방향 속도 분포에서 공기 주입이 없는 경우와 0.1%Q의 공기 주입 유량에서 발생 위치는 다르지만 유사한 최대 원주 속도 값을 나타냈으며, 공기 주입 유량이 증가함에 따라 와류의 억제와 같이 최대 원주 속도가 감소하였다.
정리하자면, 공기주입에도 불구하고, 성능 감소의 원인이 될 수 있는 흡출관(200) 내 축 방향 유동의 역류 범위가 공기 주입에 따라 증가하였으며, 가시화된vortex rope는억제되었지만, 공기주입에도 불구하고 저유량 운전 영역 특성 상 흡출관(200) 내 높은 원주 방향 속도 특성을 나타냈다.
도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 흡출관(200) 내 비정상 상태 수치 해석 결과에 대한 그래프이다. 도 19는, 도 5에서 0.6D2의 관찰선 위치에서의 비정상 상태 수치해석을 수행한 결과이다.
비정상 상태 수치해석 결과, 정상 상태 결과와 유사하게, 공기 주입량 0.5%Q에서 흡출관(200) 내 와류수(swirl number)가 감소하였다. 반면, 공기 주입량 0.1%Q에서는 와류 로프(vortex rope) 억제 효과를 나타내지 못했으며, 와류수(swirl number)도 기존 공기 주입이 없는 상태보다 더 큰 특성을 나타냈다. 따라서, 공기 주입 유량은 전체유량의 약0.5%Q 이상일 때 와류 로프(vortex rope)의 억제효과를 나타냄을 확인할 수 있다.
도 20 내지 도 23은 본 발명의 일 실시 예에 따른 흡출관(200) 내 소정의 위치에서 유체의 비정상 압력 특성을 나타낸 그래프이다. 여기서, 흡출관(200) 내 소정의 위치는 도 5에서 0.1D2, 0.3D2, 0.6D2 및 0.9D2 각각의 위치일 수 있다.
도 20은 0.1D2의 위치에서의 비정상 압력 특성을 나타낸 것이고, 도 21은 0.3D2의 위치에서의 비정상 압력 특성을 나타낸 것이며, 도 22는 0.6D2의 위치에서의 비정상 압력 특성을 나타낸 것이고, 도 23은 0.9D2의 위치에서의 비정상 압력 특성을 나타낸 것이다.
도 20 내지 도 23에서 보는 바와 같이, 흡출관(200) 내 유체의 유동 진행 방향에 따라 비정상 압력 특성 검토 결과, 유동 진행 방향으로 vortex rope의 발생에 따라 0.25fn 에서 높은 압력 특성을 나타냈으며, 공기 주입에 따라 압력이 감소함을 확인할 수 있다. 그리고, 공기 주입량 0.1%Q인 경우에는 0.6D2 위치에서부터 공기 주입을 하지 않은 케이스보다 높은 압력 특성을 나타내는데, 이는 위의 와류 로프(vortex rope) 거동에서 확인한 바와 같이 적은 유량의 공기는 와류 로프(vortex rope) 억제보다 그 영향을 더증가시키는 것으로 나타남을 확인할 수 있다.
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 실시 예들은 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.
110 : 공기주입유로
200 : 흡출관
201 : 흡출유입구
210 : 와류방지핀
220 : 관흡입부
230 : 관배출부
231 : 제1관배출체
232 : 제2관배출체
310 : 런너
311 : 블레이드
312 : 허브
313 : 슈라우드
320 : 스테이베인
330 : 가이드베인
400 : 스파이럴케이싱
410 : 스파이럴부
420 : 케이싱관

Claims (14)

  1. 복수 개의 블레이드를 구비하고, 제공된 수력에 의해 회전을 수행하는 런너;
    상기 런너의 주위를 감싸는 나선형의 형상 부위인 스파이럴부를 구비하고 외부로부터 유입된 유체를 상기 런너로 배출하는 스파이럴케이싱;
    상기 스파이럴부 내부 유로의 원주 방향을 따라 상기 런너의 주위에 배열되는 스테이베인;
    상기 스테이베인과 상기 런너 사이에서 상기 런너의 둘레 방향을 따라 배열되는 가이드베인;
    상기 스파이럴부와 결합하고 상기 런너를 통과 후 배출되는 유체를 통과시켜 외부로 유체를 배출시키고, 상기 런너를 통과한 유체가 유입되는 흡출유입구에 인접한 내부면에 형성된 와류방지핀을 구비하는 흡출관; 및
    외부로부터 공급된 공기를 상기 흡출관의 내부를 향해 분사하는 공기분사부를 포함하고,
    상기 흡출관은, 상기 스파이럴부와 결합하고 상기 흡출유입구와 상기 와류방지핀이 형성되고 상기 런너를 통과한 유체에 유로를 제공하는 관흡입부를 더 구비하고,
    상기 공기분사부는, 상기 관흡입부의 벽체를 관통하는 유로인 공기주입유로 및, 상기 공기주입유로와 연결되고 상기 흡출관의 내부를 향해 공기를 분사하는 분사구가 형성된 일 부위가 상기 런너의 내부에 위치하는 분사관을 구비하며,
    상기 분사관의 일 부위는 상기 복수 개의 블레이드 사이의 공간에 형성되고,
    상기 분사구에서 분사되는 공기가 상기 런너로부터 상기 흡출관의 내부 방향으로 분사됨으로써, 상기 흡출관 내부로의 공기 분사를 통해 상기 흡출관 내 와류 생성이 억제되는 것을 특징으로 하는 내부 유동이 개선된 프란시스 수차 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기분사부를 통해 상기 흡출관으로 주입되는 공기의 양은, 상기 스파이럴케이싱으로 유입되는 시간 당 유량 대비 0.5% 이상인 것을 특징으로 하는 내부 유동이 개선된 프란시스 수차 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 와류방지핀은, 상기 흡출관의 내측면으로부터 돌출되는 형상으로 형성되고 상기 흡출유입구를 통과하는 유체의 유동 방향을 따라 연장되어 형성되는 것을 특징으로 하는 내부 유동이 개선된 프란시스 수차 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 흡출관은, 상기 관흡입부와 결합하고 상기 관흡입부를 통과한 유체가 외부로 배출되도록 유로를 제공하는 관배출부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 내부 유동이 개선된 프란시스 수차 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 관배출부는,
    상기 관흡입부를 통과한 유체를 외부 일측으로 배출시키는 제1관배출체; 및
    상기 관흡입부를 통과한 유체를 외부 타측으로 배출시키는 제2관배출체를 구비하는 것을 특징으로 하는 내부 유동이 개선된 프란시스 수차 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기분사부로 공기를 주입시키는 공기공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내부 유동이 개선된 프란시스 수차 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 스테이베인 또는 상기 가이드베인은, 전연에서부터 후연으로 유입된 유체가 유동하도록 유선형의 익형을 구비하는 것을 특징으로 하는 내부 유동이 개선된 프란시스 수차 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 런너는,
    상기 복수 개의 블레이드 각각의 일단과 결합하는 허브; 및
    상기 복수 개의 블레이드 각각의 타단과 결합하는 슈라우드를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 내부 유동이 개선된 프란시스 수차 장치.
  12. 청구항 1, 청구항 3 내지 청구항 5, 및 청구항 8 내지 청구항 11 중 선택되는 어느 하나의 항에 의한 내부 유동이 개선된 프란시스 수차 장치; 및
    상기 런너와 연결되고 상기 런너의 회전에 의해 발전을 수행하는 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  13. 청구항 1의 내부 유동이 개선된 프란시스 수차 장치의 작동 방법에 있어서,
    상기 스파이럴케이싱을 통과한 유체가 상기 런너로 유동하여 상기 런너가 회전하는 제1단계;
    상기 런너를 통과한 유체가 상기 흡출관으로 유동하는 제2단계;
    상기 공기분사부로 공기가 주입되고, 상기 공기분사부로부터 상기 흡출관의 내부로 공기가 분사되는 제3단계; 및
    상기 흡출관을 통과한 유체가 외부로 배출되는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내부 유동이 개선된 프란시스 수차 장치의 작동 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제3단계에서, 상기 흡출관으로 유입되는 유체의 유량에 따라 상기 공기분사부로부터 분사되는 공기의 양이 조절되는 것을 특징으로 하는 내부 유동이 개선된 프란시스 수차 장치의 작동 방법.
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