KR20050091721A - 물 터빈 또는 물 펌프 또는 물-펌프 터빈의 유입관에서압력 변동을 감소시키기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수의 회전 블레이드 및 허브를 가진 회전자; 상기 회전자 내로의 유입을 조절하기 위한 안내 장치를 가진 하우징; 입구 확산기를 가지며 회전자로부터 흘러나온 물을 안내하기 위한 흡입관을 포함하는 터빈 또는 펌프 또는 펌프 터빈에 관한 것이다. 상기 터빈 또는 펌프 또는 펌프 터빈은, 긴 변위 바디가 흡입관 내에 배치되고 상기 변위 바디의 상류 단부는 회전자의 허브 영역에 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

물 터빈 또는 물 펌프 또는 물-펌프 터빈의 유입관에서 압력 변동을 감소시키기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR REDUCING PRESSURE FLUCTUATIONS IN AN INDUCTION PIPE OF A WATER TURBINE OR WATER PUMP OR WATER-PUMP TURBINE}

본 발명은 물을 터빈으로부터 지하수 방향으로 유도하기 위한 터빈 또는 펌프 또는 펌프 터빈에 관한 것이다. 본 발명은 특히 프란시스 기계(Francis machine)에 관한 것이다. 물론, 카플란 터빈(Kaplan turbine)도 고려된다.

프란시스 터빈과 같은 물 터빈에는 효율 및 가급적 연장된 작동 범위와 관련해서 점점 더 큰 요구가 주어진다. 극단의 부분 부하 작동으로부터 과부하 작동까지 물 관류량에 관련한 가변 사용이 바람직하다. 모든 부하 범위에서 가급적 큰 효율과 동시에 터빈의 진동 없는 작동이 이루어져야 한다.

프란시스 터빈은 안내 블레이드의 조절에 의해 상이한 작동 조건에 적합하다. 그럼에도 불구하고, 특히 부분 부하 하에서 변화하는 유동 상태가 발생하고, 이러한 유동 상태는 기계에서 강력한 진동을 일으킨다. 그 결과, 특히 부품의 고유 주파수가 상기 진동과 일치할 때 재료 손상이 나타난다. 터빈 진동의 다른 부정적 결과는 특히 큰 기계에 있어서 상기 진동이 전기 회로망에 영향을 미친다는 것이다. 동기 불안정이 제너레이터를 통해 전기 회로망에 결합되어 거기서 전압 변동으로서 불쾌하게 감지될 수 있다. 이로부터 터빈 작동 범위의 바람직하지 않은 제한이 나타난다. 따라서, 터빈의 고속 작동시 임계 부분 부하 범위를 매우 신속하게 통과하여야 하고 연속 작동시 피해야 한다. 또한, 물 안내 시스템의 바람직하지 않은 상호 영향이 나타난다.

프란시스 터빈의 최적 작동시, 물이 유입 나선으로부터 축방향으로 대칭으로 회전자 내로 흐르면, 거기서 안내 블레이드에 의해 방향 전환되어, 축방향으로 흡입관 내로 유입되고 거기서 지하수로 유도된다. 상기 방식의 이상적인 작동시, 흡입관 내의 유동은 선회되지 않는다. 상기 최상점 밖의 터빈 작동 상태에서, 회전자 후의 유동이 선회되지 않는 것은 더 이상 주어지지 않는다. 흡입관 내의 유동의 회전 성분과 기계 진동 사이의 인과 관계는 공지되어 있다. 흡입관 내의 유동의 안정화를 위해 그리고 선회를 억제하기 위해, 선행 기술에서는 흡입관을 따라 안내판을 설치한다. 이러한 안내판은 축방향으로 향한 핀(fin)으로 형성될 수 있다. 이러한 형상은 흡입관 내의 선회를 억제하지만, 효율 감소의 단점을 수반한다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 유동 상태에 따라 들어가고 나갈 수 있는 가변 안내판이 개발되었다. 안내판의 또 다른 형상은 흡입관의 벽면에 대해 평행하게 배치됨으로써, 안내판과 흡입관 벽 사이의 유동의 안정화에 의해 유동 범위의 분리를 막는 것이다. 전술한 핀형 구조와 마찬가지로 상기 구성도 터빈의 에너지 수율을 감소시킨다. 또한, 이러한 방식의 고정 또는 가변 구성은 터빈의 제조 및 유지 관리 비용을 높이고, 따라서 비용에 중요한 팩터가 된다.

선회를 감소시키고 부분 부하 조건 하에서 효율을 높이기 위한 또 다른 해결책은 공기 또는 물을 불안정한 유동 내로 공급하는 것이다. 공기를 흡입관 벽 또는 회전자의 축으로부터 회전자 또는 흡입관 내로 블로잉하는 구성 원리가 공지되어 있다.

이러한 사상의 개선은 부분적으로 물 및 공기로 채워진 챔버를 흡입관 둘레에 배치하고 흡입관 벽 내의 개구를 통해 흡입관 내의 유동과 접촉하게 하는 것이다. 이로 인해, 공기 및 물의 공급 및 배출이 흡입관 유동의 압력 상태에 따라 일어난다. 선회 제어를 위한 상기 해결책도 상응하는 구조적 비용을 수반하는데, 그 이유는 여기서는 추가의 압력 챔버와 더불어 주변 챔버에서 공기 압력에 대한 제어 장치도 구성되어야 하기 때문이다.

도 1은 프란시스 터빈의 축방향 단면도.

도 2는 와류 형성의 수치적 유동 시뮬레이션.

도 3은 흡입관 확산기의 종래 형태.

도 3a 및 3b는 변위 바디의 제 1 실시예를 가진 휘어진 흡입관 확산기.

도 4는 변위 바디의 제 2 실시예를 가진 휘어진 흡입관 확산기.

도 5는 변위 바디의 또 다른 실시예를 가진 직선의 흡입관 확산기.

도 6은 도 3a 및 도 3b에 따른 것과 유사한 변위 바디를 가진 휘어진 흡입관 확산기.

도 7는 도 4a 및 도 4b에 따른 것과 유사한 변위 바디를 가진 휘어진 흡입관 확산기.

도 8은 흡입관 매니폴드에만 고정된 변위 바디를 가진 휘어진 흡입관 확산기.

본 발명의 목적은 선행 기술에 비해 많은 장점을 갖는 프란시스 터빈용 흡입관을 제공하는 것이다. 특히, 상기 흡입관은 부분 부하 상태에서 선회를 가진 유동으로 인해 발생하는 바와 같은 압력 변동의 효과를 최소화해야 한다. 상기 목적은 청구항 제 1항의 흡입관에 의해 달성된다.

발명자는 프란시스 터빈의 작동시에 부분 부하 하에서 회전자 뒤에 순환 구역이 형성된다는 것을 알고 있었다. 상기 영역과 메인 유동 사이의 전이 층은 심한 속도 기울기를 갖는다. 켈빈 헬름홀츠 타입의 유체 역학적 불안정성은 와류를 형성하는데, 상기 와류는 유동의 전체 회전으로 인해 회전 성분을 갖는다. 상기 회전 와류는 회전 압력을 야기하고, 상기 회전 압력은 흡입관의 매니폴드 영역에서 축방향으로 힘 작용을 일으켜 상응하는 압력 변동을 일으킨다. 상기 압력 변동도 축방향으로, 그에 따라 터빈의 방향으로 작용한다. 또한, 나선형 와류를 수반하는 상기 축방향 압력 변동은 매니폴드의 벽 부분에서 경계층 분리를 야기한다. 이 경계층 분리는 축방향으로 작용하는 압력 변동의 효과를 부가로 증폭시킨다. 이것은 회전자의 회전 주파수에 따른 흡입관 내의 압력 변동의 생성을 설명한다.

확률적 압력 변동의 또 다른 성분은 나선형 와류에 의해 증기 압력 미만의 압력을 가진 국부적 압력 범위가 생김으로써 나타날 수 있다. 이것은 공동 기포를 형성한다. 상기 공동 기포의 파열시, 추가의 전압 펄스가 생긴다.

본 발명에 따라 흡입관 내에 긴 변위 바디가 배치된다. 상기 변위 바디의 상류 단부는 회전자의 허브 영역에 배치된다.

변위 바디는 회전 대칭, 예컨대 원통형일 수 있다. 변위 바디는 원추형일 수도 있고 유동 방향으로 확대되거나 가늘어질 수 있다. 변위 바디는 그것의 외주면이 유동하는 물에 의해 둘러싸이도록 배치된다. 일반적으로 변위 바디의 종축은 흡입관의 종축과 일치한다.

많은 변형이 가능하다. 변위 바디는 회전자의 허브의 연장부일 수 있고 따라서 허브와 일체로 형성될 수 있다. 그러나, 변위 바디는 최소 간격을 두고 허브에 연결될 수도 있다. 이들 둘 사이의 간격은 수 밀리미터, 예컨대 1, 2, 3, 5mm만이 필요하다. 10 내지 50 mm도 가능하다.

또 다른 해결책은 허브가 유동 방향으로 볼 때 통상적인 것보다 더 길게, 예컨대 2배 또는 3배 또는 5배 더 길게 형성되어 변위 바디의 일부를 형성하는 것이다. 그리고 나서, 또 다른 부분이 유동 방향으로 이어진다. 상기 또 다른 부분은 독자적인 부품이어서, 연장된 허브와 일체로 형성되지 않기 때문에 회전되지 않는다.

변위 바디가 허브와 분리된 독자적인 부품이면, 흡입관 내부에 고정되어야 한다. 이러한 고정은, 유동 방향에 대해 수직으로 연장되며 흡입관의 벽에 고정된 로드에 의해 이루어질 수 있다. 상기 로드는 방사방향으로 배치될 수 있다.

특히 중요한 해결책은 변위 바디의 상류 단부가 회전자의 허브에 지지됨으로써, 변위 바디가 부가로 위치 안정화되는 것이다.

본 발명은 직선의 흡입관 및 휘어진 흡입관에 적용될 수 있다. 휘어진 흡입관에서 추가의 지지 가능성은, 변위 바디의 휘어진 부분이 흡입관 또는 그것의 토대에 고정됨으로써 주어진다.

이하, 본 발명 및 선행 기술을 첨부한 도면을 참고로 구체적으로 설명한다.

도 1에 도시된 프란시스 터빈은 다음과 같이 구성된다:

회전자(1)는 다수의 회전 블레이드(1.1)를 포함한다. 회전자는 회전자 축선(1.2)을 중심으로 회전 가능하다.

회전자(1)는 나선 하우징(2)에 의해 둘러싸인다. 회전자(1) 앞에는 안내 블레이드(3)의 칼라가 연결된다.

터빈은 흡입관(4)을 갖는다. 흡입관은 축선(4.1.1)을 가진 입구 확산기(4.1), 이것에 연결된 매니폴드(4.2) 및 이것에 연결된 흡입 케이스(4.3)을 포함한다. 이상적인 분리면 Ⅰ은 입구 확산기(4.1)와 매니폴드(4.2) 사이에, 그리고 이상적인 분리면 Ⅱ는 매니폴드(4.2)와 흡입 케이스(4.3) 사이에 나타난다.

입구 확산기(4.1)는 회전자 축선(1.2)과 관련해서 비대칭으로 형성될 수 있다. 이것에는 많은 가능성이 있다. 즉, 입구 확산기(4.1)의 축선(4.1.1)이 회전자 축선(1.1)에 대해 오프셋될 수 있다. 입구 확산기의 축선(4.1.1)은 휘어질 수 있다. 입구 확산기(4.1)의 둘레 벽은 회전자 축선(1.2)에 대해 한 면이 불룩해질 수 있다. 입구 확산기(4.1)의 단면은 비원형, 예컨대 타원형일 수 있다.

본 발명에 따른 변위 바디(5)가 나타난다. 변위 바디(5)는 회전자(1)의 허브와 일체형이다. 변위 바디는 유동 방향으로 어느 정도 허브의 연장부를 형성한다. 따라서, 변위 바디는 회전자(1)와 함께 회전한다.

도 2는 프란시스 터빈의 부분 부하의 작동 영역에서 수치적 유동 시뮬레이션을 나타낸다. 나선형 와류를 형성하는 흡입관 내의 유동의 속도 분포가 나타난다. 이것은 에너지의 소산 하에 매니폴드의 영역에서 분해된다. 이러한 과정에서 와류의 회전 압력장으로 인해 압력 변동이 일어나며, 이 압력 변동은 축방향으로 터빈 까지 계속된다. 이러한 변동하는 유동 상태는 회전 주파수에 의존하는 터빈에서의 진동에 대한 원인이다.

도 3a 및 3b는 종래 방식의 확산기 흡입관 상부의 형태를 나타낸다. 회전자 축선과 일치하는 직선의 확산기 축선의 원형 횡단면을 가진 방사방향 대칭 형상이 전형적이다.

도 4에는 확산기 디자인의 본 발명에 따른 변경이 도시된다. 여기서, 횡단면은 원형으로 형성되지 않는다. 확산기의 축선은 회전자 축선에 비해 경사지거나 이동된다. 또한, 상기 축선은 휘어진다. 대칭 파괴 특징은 흡입관의 입구 영역에만 국한된다. 확산기라 하는 상기 부분은 매니폴드로의 전이부로 끝나며, 여기서 유출 유동은 수직 방향으로부터 수평 방향으로 전환된다.

도 5는 시간 범위에서 압력 진동을 나타난다. 본 발명에 따른 비대칭 형태에 비한 원추형 확산기의 종래 형태에 대한 압력 변동이 나타난다. 대칭 형상에 비해 비대칭 형상의 압력 변동 진폭이 감소되는 것이 나타난다. 2개의 진동 곡선은 회전자의 회전 주파수에 대해 동기인 진동 및, 확률적 진동 또는 높은 주파수의 진동, 기본 주파수의 고조파에 의한 추가의 중첩을 나타낸다.

도시된 흡입관 확산기는 카플란 터빈에 설치된다. 그것의 회전자 중 허브(1.3)만이 도시되어 있다. 상기 허브(1.3)에 직접 본 발명에 따른 변위 바디(5)의 상류 단부면(5.1)이 연결된다. 간격은 1 mm 보다 작을 수 있다. 간격은 수 밀리미터, 예컨대 1 내지 5 mm 일 수 있다. 10 내지 20 mm도 가능하다.

변위 바디(5)는 로드에 의해 흡입관 확산기(4.1)에 고정된다. 총 3개의 로드(6.1, 6.2, 6.3)가 나타난다. 상기 로드들은 방사방향으로 배치된다. 로드(6.3) 및 그 뒤에 놓인, 여기에 도시되지 않은 로드는 로드(6.1, 6.2)에 비해 유동 방향으로 오프셋된다.

상기 실시예에서, 변위 바디(5)는 회전자와 함께 회전하지 않고 부동 상태이다.

알 수 있는 바와 같이, 변위 바디는 원추형으로 또는 로브 형태로 형성된다. 즉, 그 직경이 유동 방향으로 확대된다. 이는 도 3b에 따른 단면도를 참고할 수 있다.

변위 바디는 약간 달리 형성될 수도 있다. 그 상류 단부면(5.1)은 허브(1.3)에 마찬가지로 양호하게 지지될 수 있다. 따라서, 단부면(5.1) 및 허브(1.3)의 외부면은 베어링 면 쌍을 형성할 것이다. 이것은 변위 바디(5)의 강성 및 위치 고정에 기여한다. 이 경우, 회전자 베어링은 약간 더 두껍게 치수 설계되어야 한다.

도 4a 및 도 4b에 따른 실시예는 재차 휘어진 흡입관 확산기이다. 이 경우, 본 발명에 따른 변위 바디(5)는 긴 길이를 갖는다. 변위 바디는 재차 여기에 도시되지 않은 터빈, 예컨대 카플란 터빈의 회전자의 허브로부터 매니폴드(4.2)의 벽에 까지 연장된다. 거기에 변위 바디(5)가 고정된다. 일반적으로 로드, 예컨대 로드(6.1, 6.2, 6.3) 또는 회전자의 허브에 있는 베어링에 의한 추가 고정이 필요하다.

변위 바디가 회전자(1)의 허브(1.3)와 일체형으로 형성되면, 그것은 상기 허브와 함께 회전하고, 그럼에도 또한 흡입관(4)에 지지될 수 있다. 상기 로드(6.1, 6.2, 6.3)는 그것을 예컨대 회전 지지 할 수 있다.

도 4a 및 도 4b에 따른 실시예에서도 매니폴드(4.2)의 영역에서 그러한 회전 지지가 가능하다.

변위 바디(5)의 하류 단부는 석류 끝의 형태로 형성될 수 있다. 그것은 라운딩될 수도 있다.

Claims (9)

1. - 다수의 회전 블레이드 및 허브(1.3)를 가진 회전자(1.1),

   - 상기 회전자(1.1)내로의 유입을 조절하기 위한 안내 장치를 가진 하우징,

   - 입구 확산기를 가지며, 상기 회전자(1.1)로부터 흘러나온 물을 안내하기 위한 흡입관(4)

   을 포함하는 물-터빈 또는 -펌프 또는 -펌프 터빈에 있어서,

   - 상기 흡입관(4)내에 긴 변위 바디(5)가 배치되고,

   - 상기 변위 바디(5)의 상류 단부가 상기 회전자(1)의 상기 허브(1.3)의 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 펌프.
2. 제 1항에 있어서, 상기 회전자(1)의 상기 허브(1.3)와 상기 변위 바디의 상류 단부(5.1) 사이의 간격은 0.5 내지 50 mm 인 것을 특징으로 하는 터빈 또는 펌프.
3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 변위 바디(5)는 로드(6.1, 6.2, 6.3)에 의해 상기 흡입관(4)에 지지되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 펌프.
4. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변위 바디(5)가 상기 회전자의 허브(1.3)에 지지되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 펌프.
5. 제 1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변위 바디(5)가 상기 회전자(1)의 상기 허브(1.3)와 일체이고 상기 허브와 함께 회전하는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 펌프.
6. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡입관(4)이 직선으로 연장되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 펌프.
7. 제 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡입관(4)이 휘어진 것을 특징으로 하는 터빈 또는 펌프.
8. 제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변위 바디(5)가 유동 방향으로 가늘어지는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 펌프.
9. 제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변위 바디(5)가 유동 방향으로 확대되는 것을 특징으로 하는 터빈 또는 펌프.