KR102399556B1

KR102399556B1 - 가변형 가이드베인이 구비된 수력 발전 장치

Info

Publication number: KR102399556B1
Application number: KR1020200163998A
Authority: KR
Inventors: 진근영
Original assignee: 새한테크놀로지(주)
Priority date: 2020-11-30
Filing date: 2020-11-30
Publication date: 2022-05-19

Abstract

본 발명은 수력 발전 시 물이 유입되는 입수구의 개폐 정도를 조절하여 최적의 유속으로 로터를 회전시켜줌으로써 발전 효율을 향상시킬 수 있도록 한 가변형 가이드베인이 구비된 수력 발전 장치에 관한 것이다.

Description

가변형 가이드베인이 구비된 수력 발전 장치{HYDRAULIC DEVICE WITH VARIABLE GUIDE VANE}

본 발명은 수력 발전 시 물이 유입되는 입수구의 개폐 정도를 조절하여 최적의 유속으로 로터를 회전시켜줌으로써 발전 효율을 향상시킬 수 있는 가변형 가이드베인이 구비된 수력 발전 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 횡류 수차를 이용한 수력 발전 장치는 입수구와 출수구가 구비된 하우징 내에 원통 형상의 로터가 회전 가능하게 결합된 구조로 이루어진다.

이러한 수력 발전 장치는 입수구를 통해 유입되는 물이 출수구 측으로 통과하면서 로터를 회전시키게 되고, 이러한 로터의 회전운동을 통해 로터와 연결된 발전 장치를 가동시켜 발전을 하게 된다.

이와 같은 수력 발전 장치를 효율적으로 운용하기 위해서는 소정의 높이의 낙차(수두 또는 물의 높이)를 확보해야만 하며, 이를 만족시키기 위해서는 대규모의 부대 시설이 필요하다.

즉 종래의 수력 발전 장치를 구성하기 위해서는 거대한 저수지를 조성하는 등 광범위한 토목 공사를 하거나, 이와 대응되는 적절한 형상의 지형을 이용해야 한다.

한편, 낙차가 3m 미만이거나 유속이 0.5m/s 이상인 초저낙차 수자원으로는 소규모 하천, 상하수도, 농수로 등의 관개시설, 각종 플랜트나 기타 설비들의 출수구처럼 수력발전 설비의 운용을 고려하지 않고 구성된 수로들이 있다. 이러한 소수력 발전 후보지들은 일반적인 수력발전 대비 낙차와 유량이 부족하고 기존 수로들의 구조와 형상을 변경할 수 없다. 따라서 전통적인 수력발전의 경우와 달리 토목 공사를 통한 담수 설비 확충 또한 불가능하다.

이에 따라 농수로, 관개수로, 정비된 하천과 같은 기존 수로 시설의 초저낙차 상황에서도 발전을 할 수 있는 수력 발전 장치가 요구되고 있다.

대한민국 등록특허 제10-1455032호(공고일: 2014.10.27.)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 수력 발전 시 물이 유입되는 입수구의 개폐 정도를 조절하여 최적의 유속으로 로터를 회전시켜줌으로써 발전 효율을 향상시킬 수 있도록 한 가변형 가이드베인이 구비된 수력 발전 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명에 따른 가변형 가이드베인이 구비된 수력 발전 장치는, 내부에 수용공간이 마련되며, 입수구와 출수구가 구비되는 하우징; 상기 수용공간 내에 회전 가능하게 설치되며, 외주면에 복수의 블레이드가 구비되는 로터; 및 상기 입수구 내에 개폐 가능하게 설치되어 상기 로터와 접촉하는 물의 유속을 조절해주는 가변형 가이드베인;을 포함할 수 있다.

이 경우 상기 입수구는, 상기 하우징의 일측에 수로의 바닥과 인접하게 형성되고, 상기 출수구는, 상기 입수구를 통해 유입된 물이 상측으로 굴곡진 유로를 통과한 후 배출될 수 있도록 상기 하우징의 타측에 상기 입수구보다 높게 형성될 수 있다.

또한 상기 가변형 가이드베인은, 상기 하우징 내부의 가이드레일에 슬라이딩 이동 가능하게 결합되는 개폐부재; 및 상기 개폐부재를 전, 후진 작동시켜 상기 입수구의 개폐 정도를 조절해주는 액추에이터;를 포함할 수 있다.

또한 상기 가이드레일은, 상기 로터의 외주면 곡률과 대응되게 라운드진 형상으로 형성되고, 상기 개폐부재는, 상기 라운드진 가이드레일을 따라 슬라이딩 이동 가능하게 복수로 분할될 수 있다.

또한 상기 복수로 분할된 개폐부재는, 일측에 결합홈이 구비되고, 연이어 배치되는 개폐부재의 타측에는 상기 결합홈 내에 힌지핀을 매개로 회동 가능하게 결합되는 결합돌기;가 구비된 것을 포함할 수 있다.

또한 상기 개폐부재의 적어도 양측 선단에는, 상기 개폐부재의 개폐 조작 시 상기 가이드레일을 따라 구름접촉 가능하게 결합되어 마찰 발생을 줄여주는 롤러;가 구비된 것을 더 포함할 수 있다.

또한 상기 하우징의 내주면에는, 상기 개폐부재의 최대 전진 작동 시 상기 개폐부재의 선단이 소정 깊이 삽입될 수 있도록 삽입홈이 구비된 것을 더 포함할 수 있다.

또한 상기 삽입홈 내에는, 상기 개폐부재의 삽입 시 충격 발생을 줄일 수 있도록 상기 개폐부재의 선단을 탄성 지지해주는 완충유닛;이 구비된 것을 더 포함할 수 있다.

이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 가변형 가이드베인이 구비된 수력 발전 장치는, 수력 발전 시 물이 유입되는 입수구의 개폐 정도를 조절하여 최적의 유속으로 로터를 회전시켜줄 수 있으며, 이에 따라 발전 효율을 향상시킬 수 있다.

또한 별도의 대규모 토목 공사 없이 초저낙차 상황에서도 수력발전을 할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 가변형 가이드베인이 구비된 수력 발전 장치가 설치된 상태를 보여주는 측면도,
도 2는 본 발명에 따른 가변형 가이드베인이 구비된 수력 발전 장치의 내부구성을 보여주는 측면도,
도 3은 본 발명에 따른 가변형 가이드베인이 구비된 수력 발전 장치의 분해사시도,
도 4는 본 발명에 따른 개폐부재의 분해사시도,
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 수력 발전 장치의 작동상태도,
도 6은 본 발명에 따른 가변형 가이드베인의 양측에 롤러가 구비된 실시예,
도 7은 본 발명에 따른 하우징 내에 개폐부재 삽입홈이 구비된 상태를 보여주는 도 5a의 'A'부분 상세도,
도 8은 도 7의 삽입홈 내에 완충유닛이 구비된 실시예를 보여주는 부분 상세도이다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

여기서, 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 가변형 가이드베인이 구비된 수력 발전 장치가 설치된 상태를 보여주는 측면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 가변형 가이드베인이 구비된 수력 발전 장치의 내부구성을 보여주는 측면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수력 발전 장치(100)는, 하우징(110), 로터(120), 가변형 가이드베인(130)을 포함할 수 있다.

이러한 본 발명의 구성에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 하우징(110)은 수력 발전 장치(100)의 주된 본체를 이루는 것으로, 내부에 유로(L)를 형성할 수 있도록 수용공간이 마련되며, 입수구(111)와 출수구(113)가 구비될 수 있다.

구체적으로, 상기 입수구(111)는 하우징(110) 일측에 수로(1)의 바닥(3)과 인접하게 형성될 수 있다. 즉 상기 하우징(110) 내부로 물이 유입되는 입수구(111)의 위치를 수로(1)의 바닥(3) 측으로 최대한 근접시킴으로써 주어진 낙차(h)를 최대한 활용할 수 있다.

아울러 상기 출수구(113)는 입수구(111)를 통해 유입된 물이 상측으로 굴곡진 유로(L)를 통과하면서 후술할 로터(120)를 회전시킨 후 배출될 수 있도록, 상기 하우징(110)의 타측에 입수구(111)보다 높게 형성될 수 있다.

이 경우 입수구(111)는 출수구(113)에 비해 면적이 좁게 형성되어 상기 입수구(111)를 통해 유입되는 물의 유속을 빠르게 설정할 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 로터(120)는 하우징(110)의 유로(L) 내에 회전 가능하게 설치되는 것으로, 로터(120)의 외주면에는 복수의 블레이드(121)가 구비될 수 있다.

이러한 로터(120)는 입수구(111)를 통해 유로(L)를 통과하는 물의 운동에너지를 이용하여 회전 운동을 하게 되고, 로터(120)의 일측에 연결된 발전 장치(미도시)를 통해 전기에너지를 생산할 수 있다.

상기 가변형 가이드베인(130)은 입수구(111) 내에 개폐 가능하게 설치되어 상기 입수구(111)를 통해 유입된 후 로터(120)와 접촉하는 물의 유속을 조절해줄 수 있다.

구체적으로, 상기 가변형 가이드베인(130)은 하우징(110) 내부의 가이드레일(133)을 따라 슬라이딩 이동 가능하게 결합되는 개폐부재(131)와, 상기 개폐부재(131)를 전, 후진 작동시켜 입수구(111)의 개폐 정도를 조절해주는 액추에이터(135)(도 2 참조)를 포함할 수 있다.

이 경우 액추에이터(135)는 입수구(111)의 개폐 정도를 정확하게 조절할 수 있는 모터(미도시)나, 또는 유압이나 공압을 통해 전, 후진 작동되는 실린더가 적용될 수 있다. 물론 이에 한정되는 것은 아니며, 개폐부재(131)를 원활하게 전, 후진 작동시킬 수 있는 구성이라면 다양하게 변경 적용될 수 있음은 물론이다.

또한 상기 가이드레일(133)은 로터(120)의 외주면 곡률과 대응되게 라운드진 형상으로 형성될 수 있다. 그리고 상기 개폐부재(131)는 라운드진 가이드레일(133)을 따라 슬라이딩 이동 가능하게 복수로 분할될 수 있다.

구체적으로, 도 4를 참조하여 설명해보면, 상기 복수로 분할된 개폐부재(131)는 일측에 결합홈(131a)이 구비되고, 연이어 배치되는 개폐부재(131)의 타측에는 결합홈(131a) 내에 힌지핀(131c)을 매개로 회동 가능하게 결합되는 결합돌기(131b)가 구비될 수 있다.

이러한 구조의 가변형 가이드베인(130)은 액추에이터(135)의 전진 작동 시 개폐부재(131)가 가이드레일(133)을 따라 전진 이동하면서 입수구(111)를 막아줄 수 있다(도 5a 참조).

반대로 액추에이터(135)의 후진 작동 시에는 개폐부재(131)가 가이드레일(133)을 따라 후진 이동하면서 입수구(111)의 간격을 조절해줄 수 있으며, 이에 따라 적은 유량으로도 최적의 유속을 설정해줄 수 있다(도 5b 참조).

도 6을 참조하면, 상기 개폐부재(131)의 적어도 양측 선단에는 개폐부재(131)의 개폐 조작 시 가이드레일(133)을 따라 구름접촉 가능하게 결합되어 마찰 발생을 줄여주는 적어도 한 쌍의 롤러(137)가 구비될 수 있다.

이 경우 본 발명에서는 상기 롤러(137)가 개폐부재(131)의 선단 양측에 한 쌍이 구비된 경우의 일례를 들어 도시하고 설명하였으나, 이에 한정되지 않으며 상기 롤러(137)가 가이드레일(133) 내에 회전 가능하게 설치된 경우로 변경 적용될 수 있다.

도 7을 참조하면, 상기 하우징(110)의 내주면에는 개폐부재(131)의 최대 전진 작동 시 개폐부재(131)의 선단이 소정 깊이 삽입될 수 있도록 삽입홈(115)이 구비될 수 있다. 이에 따라 수력 발전 장치(100)의 미사용 시 하우징(110) 내주면과 개폐부재(131) 사이의 틈새를 막아줄 수 있으며, 이에 따라 물이 유로(L)를 따라 흐르는 것을 방지할 수 있다.

도 8을 참조하면, 상기 삽입홈(115) 내에는 개폐부재(131)의 삽입 시 충격 발생을 줄일 수 있도록 개폐부재(131)의 선단을 탄성 지지해주는 완충유닛(140)이 구비될 수 있다.

구체적으로, 완충유닛(140)은 상기 삽입홈(115) 내에 개폐부재(131)의 전, 후진 방향으로 왕복이동 가능하게 결합되는 지지부재(141)와, 상기 지지부재(141)를 개폐부재(131) 측으로 탄성 지지해주는 탄성부재(143)를 포함할 수 있다.

즉 개폐부재(131)의 전진 작동 시 개폐부재(131)의 선단이 삽입홈(115) 내부 벽면에 충돌할 수 있다. 이에 따라 상기 삽입홈(115) 내에 완충유닛(140)을 적용함에 따라 개폐부재(131)의 충돌에 따른 파손을 방지해줄 수 있다.

이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 가변형 가이드베인(130)이 구비된 수력 발전 장치(100)는, 수력 발전 시 물이 유입되는 입수구(111)의 개폐 정도를 조절하여 최적의 유속으로 로터(120)를 회전시켜줌으로써 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 이에 따라 별도의 대규모 토목 공사 없이 초저낙차 상황에서도 수력발전을 할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 구체적인 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경과 수정이 가능함은 물론이다.

1 : 수로 3 : 바닥
h : 낙차 100 : 수력 발전 장치
110 : 하우징 L : 유로
111 : 입수구 113 : 출수구
115 : 삽입홈 120 : 로터
121 : 블레이드 130 : 가변형 가이드베인
131 : 개폐부재 131a : 결합홈
131b : 결합돌기 131c : 힌지핀
133 : 가이드레일 135 : 액추에이터
137 : 롤러 140 : 완충유닛
141 : 지지부재 143 : 탄성부재

Claims

내부에 수용공간이 마련되며, 입수구와 출수구가 구비되는 하우징;
상기 수용공간 내에 회전 가능하게 설치되며, 외주면에 복수의 블레이드가 구비되는 로터; 및
상기 입수구 내에 개폐 가능하게 설치되어 상기 로터와 접촉하는 물의 유속을 조절해주는 가변형 가이드베인;을 포함하되,
상기 가변형 가이드베인은,
상기 하우징 내부의 가이드레일에 슬라이딩 이동 가능하게 결합되는 개폐부재; 및 상기 개폐부재를 전, 후진 작동시켜 상기 입수구의 개폐 정도를 조절해주는 액추에이터;를 포함하고,
상기 가이드레일은 상기 로터의 외주면 곡률과 대응되게 라운드진 형상으로 형성되며, 상기 개폐부재는 상기 라운드진 가이드레일을 따라 슬라이딩 이동 가능하게 복수로 분할되는 것인 수력 발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 입수구는, 상기 하우징의 일측에 수로의 바닥과 인접하게 형성되고,
상기 출수구는, 상기 입수구를 통해 유입된 물이 상측으로 굴곡진 유로를 통과한 후 배출될 수 있도록 상기 하우징의 타측에 상기 입수구보다 높게 형성된 것을 포함하는 수력 발전 장치.
삭제
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제1항에 있어서,
상기 복수로 분할된 개폐부재는,
일측에 결합홈이 구비되고, 연이어 배치되는 개폐부재의 타측에는 상기 결합홈 내에 힌지핀을 매개로 회동 가능하게 결합되는 결합돌기;가 구비된 것을 포함하는 수력 발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 개폐부재의 적어도 양측 선단에는,
상기 개폐부재의 개폐 조작 시 상기 가이드레일을 따라 구름접촉 가능하게 결합되어 마찰 발생을 줄여주는 롤러;가 구비된 것을 더 포함하는 수력 발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 하우징의 내주면에는,
상기 개폐부재의 최대 전진 작동 시 상기 개폐부재의 선단이 소정 깊이 삽입될 수 있도록 삽입홈이 구비된 것을 더 포함하는 수력 발전 장치.
제7항에 있어서,
상기 삽입홈 내에는,
상기 개폐부재의 삽입 시 충격 발생을 줄일 수 있도록 상기 개폐부재의 선단을 탄성 지지해주는 완충유닛;이 구비된 것을 더 포함하는 수력 발전 장치.