KR20100099746A - 수력 기계, 그 기계를 포함하는 에너지 변환 설비, 및 그 기계의 정압 래버린스 베어링의 사용 - Google Patents

수력 기계, 그 기계를 포함하는 에너지 변환 설비, 및 그 기계의 정압 래버린스 베어링의 사용 Download PDF

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Abstract

수력 기계(1)는 정지 구조(9)에 대해 상대적으로 회전축(X2)을 중심으로 회전 운동하도록 장착된 휠(2)을 가지며, 상기 휠은 그것을 통하는 물의 강제 유동(E)을 받도록 설계된다. 상기 휠(2)과 함께 회전하도록 구속된 일 부재(111) 및 상기 정지 구조의 일 부분(91) 사이에 구비된 정압 베어링(100)은, 상기 기계의 제1 영역(Z1)으로서, 상기 강제 유동(E)과 유체 연통되며 작동 중 상기 강제 유동의 압력에 유사한 압력이 내부에 형성되는 제1 영역(Z1), 및 상기 베어링에 의해 상기 강제 유동으로부터 고립된 상기 기계의 제2 영역(Z2) 사이에 배치된다.

Description

수력 기계, 그 기계를 포함하는 에너지 변환 설비, 및 그 기계의 정압 래버린스 베어링의 사용 {HYDRAULIC MACHINE, ENERGY CONVERSION PLANT COMPRISING SUCH A MACHINE, AND USE OF A HYDRASTATIC LABYRINTH BEARING IN SUCH A MACHINE}
본 발명은 정지 회전축을 중심으로 정지 구조(stationary structure)에 대해 상대적으로 회전 운동하도록 장착된 휠(wheel)을 갖는 수력 기계(hydraulic machine)로서, 상기 휠은 그것을 통하여 물의 강제 유동(forced flow)을 통과시키도록 설계된 수력 기계에 관한 것이다. 그러한 유동은 상대적으로 높은 압력을 받으며, 그 압력은 특히, 상기 기계의 기하학적 구조에 종속적이며, 또한 상기 기계가 일부분을 이루는 상기 설비의 일반적인 구성, 특히 상기 기계가 터빈일 경우 헤드(head)에 종속적이다. 상기 유동의 압력은 일반적으로 3 바아(bar) 내지 80 바아의 범위 내에 있다. 상기 기계가 터빈일 경우 상기 기계의 휠을 통하는 상기 강제 유동은 상기 휠이 회전 구동되도록 한다. 상기 기계가 펌프일 경우 상기 유동은 상기 회전에 기인한다. 본 발명은 터빈 유형, 펌프 유형, 또는 펌프-터빈 유형의 수력 기계들에 적용 가능하다.
수력 기계들(예로써, 프란시스-유형의 물 터빈들(Francis-type water turbines))에서, 상기 유동의 압력에 유사한 수압을 받는 터빈의 일 부분과, 래버린스(labyrinth)를 통해 흐르는 물이 상기 설비의 하류 단부를 향해 분리될 수 있는 "저-압(low-pressure)" 챔버 사이에, 래버린스가 배치될 수 있다는 것은 공지되어 있다. 래버린스를 통과하는 물의 유량은 누수(leak)를 구성하며, 이러한 누수는 터빈 휠로 운반되는 물의 양과 비교하여 무시할 수 없다. 상기 누수는 구동 유동(driving flow)이 아니다. 즉, 그것은 터빈 휠을 그것의 축을 중심으로 회전 구동하는데 사용되지 않는다. 일반적으로, 프란시스 터빈은 상기 휠을 지지하는 샤프트를 그것의 회전축에 대해 센터링(centring)하도록 설계된 베어링을 또한 포함한다. 통상적으로, 물이 얼터네이터(alternator)를 향해 또는 파워 플랜트(power plant)의 어떤 다른 부분을 향해 흐르는 것을 방지하도록 설계된 샤프트 실(shaft seal)이 또한 구비된다. 이러한 다수의 설비 항목들 즉, 래버린스, 베어링, 및 샤프트 실은 비교적 고가이고, 그것들 각각은 규칙적인 유지보수(maintenance)를 필요로 하며, 이는 종래의 프란시스 터빈의 작동에 대한 비용들을 더 추가시킨다.
유사한 문제점들이 펌프들(특히, 원심 펌프들), 및 터빈 펌프들에 대해 발생한다.
보다 특정적으로, 본 발명의 목적은 공지된 기계들에서 래버린스들에 존재하는 누수들이 상당히 감소되는 신규한 수력 기계를 제공하여 상기 기계가 통합된 설비의 전체 효율을 증대시킴으로써 상기 단점들을 해소하는 것이다.
이에 따라, 본 발명은 정지 구조에 대해 상대적으로 회전축을 중심으로 회전 운동하도록 장착된 휠을 가지며, 상기 휠은 그것을 통하는 물의 강제 유동을 받도록 설계된 수력 기계를 제공한다. 이러한 휠은, 상기 휠과 함께 회전하도록 구속된 일 부재 및 상기 정지 구조의 일 부분 사이에 구비된 정압 베어링(hydrostatic bearing)이, 상기 기계의 제1 영역으로서, 상기 강제 유동과 유체 연통되며 작동 중 상기 강제 유동의 압력에 유사한 압력이 내부에 형성되는 제1 영역, 및 상기 베어링에 의해 상기 강제 유동으로부터 고립된 상기 기계의 제2 영역 사이에 배치되는 것에 특징이 있다.
본 발명에서, 상기 제1 영역에서의 압력이 상기 강제 유동의 압력과 유사하다는 것은 그 압력들이 동일한 차수(order)의 크기를 가짐을 의미한다. 특히, 수두 손실(head loss)을 무시하면, 제1 영역에서의 압력은 상기 강제 유동의 평균 압력과 실질적으로 동일하다. 상기 제1 영역에서의 압력은 상기 강제 유동에서의 압력의 60%보다 더 크며, 바람직하게는 상기 강제 유동에서의 압력의 80%보다 더 크다.
본 발명에 의하면, 상기 정압 베어링은 종래 기계들의 래버린스, 베어링, 및 샤프트 실의 기능들을 동시에 수행할 수 있다. 특히, 상기 정압 베어링은 상기 제2 영역으로부터 상기 기계의 제1 영역을 효과적으로 고립시키며, 이때 종래의 래버린스에서 얻어지는 누수들에 비해 현저히 더 작은 누수들이 수반된다. 따라서 이에 의해 터빈의 휠 부근으로 운반되는 물의 양의 더 많은 부분이 회복됨으로써 상기 물이 상기 휠을 확실히 회전 구동하는 것이 가능해진다. 상기 기계가 펌프일 때, 종래의 기계들과 비교하여, 상기 휠에 의해 이동되는 더 큰 비율의 물이 상기 기계의 출구에서 회복될 수 있다.
유리한 하지만 제한적이지 않은 본 발명의 관점들에서, 그러한 기계는 하기의 특징들을 하나 이상 통합할 수 있으며, 그 특징들의 조합은 기술적으로 조합 가능하다.
Figure pct00001
상기 정압 배어링은, 상기 휠의 상기 회전축을 따라, 상기 휠 및 상기 휠을 지지하는 샤프트 간의 접합 영역 부근에 구비된다;
Figure pct00002
상기 기계로 물을 이송하는 피드 덕트(feed duct)로부터 피딩(feeding)되는 물 분사 수단은 정지 구조 부분을 통해 상기 베어링 내로 개방된다; 이러한 경우, 분사되는 물의 압력을 상기 덕트 내의 수압보다 높이기 위한 수단이 구비되는 것이 유리하다;
Figure pct00003
본 발명의 제1 실시예에서, 상기 휠과 함께 회전하도록 구속된 상기 부재는 상기 휠을 지지하는 샤프트의 단부에 의해 형성되거나 또는 그 단부 상에 장착된다; 제2 실시예에서, 상기 휠과 함께 회전하도록 구속된 상기 부재는 상기 휠에 통합된 일 부재에 의해 형성되거나 또는 그 부재 상에 장착된다; 제3 실시예에서, 상기 휠과 함께 회전하도록 구속된 상기 부재는 상기 휠 상에 분리 가능하게 장착된다;
Figure pct00004
물 분사 수단은 적어도 하나의 공동(cavity) 안으로 개방되며, 상기 공동은, 상기 휠과 함께 회전하도록 구속된 상기 부재에 대향하는 표면들로서 상기 정지 구조의 상기 부분의 표면들 중 하나에 구비되며, 상기 표면들 사이에 상기 정압 베어링이 구비된다; 상기 수력 기계가 상기 휠의 회전축을 중심으로 균일하게 배치된 복수의 공동들을 갖는 것이 유리하다;
Figure pct00005
직경이 1.5 m 내지 2 m의 범위에 있는 베어링에 대해, 상기 베어링의 반경방향 클리어런스(clearance)는 0.5 mm 이하이며, 바람직하게는 0.1 mm 내지 0.2 mm의 범위에 있다; 이러한 베어링의 작은 클리어런스에 의해 상기 베어링을 통하는 물의 누설을 매우 현저히 제한하는 것이 가능해진다.
본 발명은 수력 에너지를 전기 에너지로 또는 그 역으로 변환하는 설비를 또한 제공하며, 이 설비는 전술한 바와 같은 기계를 포함한다. 그러한 설비는 제조가 보다 간단하며, 종래 기계들에 비해 기술적으로, 경제적으로 보다 좋은 성능을 제공하는데, 이는 특히 유지보수(maintenance)가 간단해지기 때문이다.
본 발명은 또한, 수력 기계의 정압 래버린스 베어링(hydrostatic labyrinth bearing)의 사용으로서, 상기 기계의 제1 영역으로서, 상기 기계의 휠을 통해 흐르는 강제 유동과 유체 연통되며, 작동 중 상기 강제 유동의 압력에 유사한 압력이 내부에 형성되는 제1 영역과, 상기 기계의 제2 영역으로서, 상기 제1 영역에 형성되는 압력 이하의 압력이 내부에 형성되는 제2 영역 사이에 유체 고립을 제공하는 기능; 및 상기 휠을 그것의 회전축에 대해 센터링(centering)하는 기능;을 수행하는, 수력 기계의 정압 래버린스 베어링의 사용을 제공한다.
본 발명의 원리에 부합하는 기계(machine) 및 설비(installation)에 대한 세 가지 실시예들에 관한 이하의 설명으로부터 본 발명이 보다 잘 이해되고 본 발명의 다른 이점들이 보다 명확히 보여질 것이며, 그 설명은 단지 예시적으로 첨부된 도면들을 참조하여 제공될 것이다.
도 1은 본 발명의 프란시스 터빈을 포함한 본 발명의 에너지 변환 설비의 원리를 보이는 단면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ 부분에 대한 확대도이다.
도 3은 도 1의 우측 하부에 대응하는 반쪽 단면도로서 본 발명의 제2 실시예의 설비 및 기계에 대한 것이다.
도 4는 도 3에 유사한 반쪽 단면도로서 본 발명의 제3 실시예의 설비 및 기계에 대한 것이다.
도 1에 도시된 설비(
Figure pct00006
)는 프란시스 터빈(1)을 포함하며, 상기 프란시스 터빈의 휠(또는 러너(runner))(2)은 케이싱(3)으로부터 피딩(feeding)되며 상기 프란시트 터빈 안으로 강제-유동 덕트(4: forced-flow duct)가 개방되어 있다. 상기 터빈(1)은 샤프트(11)를 통해 얼터네이터(5: alternator)에 결합된다. 케이싱(3)과 휠(2) 사이에 일련의 스테이 베인 블레이드들(6: stay vane blades) 및 위켓 게이트들(7: wicket gates)이 배치되며, 그것의 기능은 유동 E를 안내하는 것이며, 상기 유동(E)은 덕트(4) 및 케이싱(3)으로부터 유입되며 휠(2)을 통해 배출 도관(8)을 향한다.
상기 휠의 회전축은 고정적이며 X2로서 가리켜진다.
상기 휠(2)은 천장(22: ceiling) 및 벨트(23) 사이에 연장된 블레이드들(21)을 구비한다. 상기 블레이드들은 서로 그리고 천장(22) 및 벨트(23)와 공조함으로써 상기 유동(E)이 통과하는 인터-블레이드 공간들(IA: inter-blade spaces)을 형성하며 상기 유동은 상기 휠(2)을 통하여 흐른다.
상기 휠(2)은 핀들(12)에 의해 샤프트(11)의 하측 단부(111)에 체결되며, 상기 핀들(12)은 상기 하측 단부(111)에 구비된 오리피스들(112)을 통과하여 상기 천장(22)에 구비된 탭 홀들(221: tapped holes)에 결합된다. 대응하는 탭 홀(221) 안으로 상기 핀이 끼워지면, 너트(13)는 그것의 다각형 헤드(121)에 의해 각각의 핀(12) 둘레에 장착된다.
상기 케이싱(3), 상기 덕트(4), 및 상기 도관(8)은 정지 구조(9: stationary structure)의 일부분이며, 상기 정지 구조(9)는 도 1 및 2에서 단편적으로 도시되어 있으며 터빈(1)의 회전부들 특히 샤프트(11) 및 휠(2)을 지지한다.
샤프트(11)의 단부(111) 둘레에 정압 베어링(100: hydrostatic bearing)이 형성된다. 이러한 베어링(100)은 상기 단부(111) 둘레에 장착된 링(밴드)(113) 및 상기 링 둘레에 배치된 환형 부재(91: annular element) 사이에 형성되며, 약간의 클리어런스(clearance)를 갖는다. 상기 환형 부재(91)는 정지 구조(9)의 일부분이다. 따라서 그것은 축 X2에 대한 회전에 있어서 고정적이다.
참조 번호 d는 링(113)의 반경방향 외측 표면(113a) 및 환형 부재(91)의 반경방향 내측 표면(91a) 사이의 거리로서 상기 축 X2에 대해 반경 방향으로 측정된 것이다. 상기 거리 d는 이들 표면들 사이에 형성되는 베어링(100)의 반경 방향 클리어런스이다. 직경(D100)이 1.5 m 내지 2 m의 범위에 있는 베어링에 대해 상기 클리어런스는 0.5 mm 이하의 값을 갖는다. 상기 두께 d의 값은 전술한 조건들 하에서 바람직하게는 0.1 mm 내지 0.2 mm의 범위에 있다. 이 값은 도 2에서 과장되어 있다. 상기 반경 방향 클리어런스 d의 값은 상기 베어링(100)이 정압적으로(hydrostatically) 작동하는 것을 보장하도록 결정된다.
이 값은 래버린스(labyrinth)에서의 통상적인 클리어런스보다 실질적으로 작으며, 상기 래버린스에서의 클리어런스는 대략 1 mm 내지 3 mm의 범위 안에 있다.
상기 베어링(100)은 강제-유동 덕트(4)로부터 물을 공급받는다. 파이프(150)는 덕트(4)에 구비된 탭-오프(151: tap-off)를 필터(152)에 연결하며, 상기 필터(152)는 덕트(4)로부터 유입되는 물로부터 물순물들을 제거하기 위해 설계된 것이며, 그런 불순물들은 특히, 상기 물이 운반할 수 있는 모래 알갱이들이다. 상기 파이프(150)를 통한 물의 유동은 E1으로 표기된다. 이러한 유동은, 전술한 바와 같은 상기 구성들(6, 7, 2)을 통과하는 유동 E의 유량에 비해 상당히 작은 유량을 갖는다. 실제적으로, 유동 E1의 유량은 종래 터빈의 통상적인 래버린스를 통하는 유동의 유량의 1/3 이하의 값을 갖는다.
상기 파이프(150)는 필터(152) 하류의 펌프(153)에까지 연장되며, 상기 펌프(153)는 상기 유동 E1의 수압을 상승시키는 것을 가능케 한다. 상기 파이프(150)는 토러스-형상 덕트(154: torus-shaped duct)에 연결되며, 상기 토러스-형상 덕트(154)는 상기 축 X2에 중심을 두고 있다. 상기 덕트(154)는 축 X2를 중심으로 배열된 복수의 지점(포인트)들에서 상기 부재(91)를 통해 상기 베어링(100)을 피딩(feeding)하는 것을 가능케 한다. 도시된 예에서는, 상기 베어링(P)을 위해 12개의 피드 포인트(feed point)들이 제공되며, 그 지점들은 상기 축 X2를 중심으로 균일하게 분포되며, 인접한 2개의 피드 지점들 사이의 각도 오프셋(angular offset)은 30°이다.
상기 탭-오프(151)에서 유동 E1의 압력이 상기 베어링(100)을 피딩하기에 충분할 경우 상기 펌프(153)는 선택적 사항이다.
피드 포인트에서, 상기 덕트(154)는 탭-오프(155)를 통하여, 상기 부재(91) 내에 구비된 도관(93) 내에서 앞뒤로 장착된 일련의 다이아프램(92: diaphragms)에 연결된다. 상기 도관(93)은 상기 축 X2에 대해 실질적으로 반경 방향인 D1 방향으로 연장되고, 제2 도관(94) 안으로 개방되는데, 상기 제2 도관(94)의 주 방향(main direction) D94는 상기 도관(93)의 방향과는 직교하며 상기 축 X2와는 평행하다. 상기 도관(93)은 상기 부재(91)의 상측 부분에서 스크류(95)를 통해 닫혀진다.
제3 도관(96)은 상기 도관(93)에 평행하게 즉, 상기 축 X2에 대해 반경 방향인 D96 방향으로 연장되며, 그것은 상기 도관(94)을 상기 표면(91a)에 구비된 공동(97: cavity)에 연결한다. 따라서, 상기 덕트(4)로부터 유입된 물은 상기 펌프(153) 및 상기 일련의 다이아프램들(92)에 의해 조절된 압력으로 12개의 공동들(97)에서 상기 베어링(100) 안으로 분사될 수 있다.
상기 축 X2를 중심으로 분포하는 이러한 물 분사는 상기 정압 베어링(100)의 윤활을 가능케 하며 이때 상기 휠(2)과 상기 샤프트(11)는 상기 구조(9)에 상대적인 회전 운동을 한다.
정압 베어링 안으로의 이러한 물 분사 모드는 상기 축 X2 중심의 휠(2) 회전 운동이 균형을 갖는 것을 가능케 한다. 도 1의 좌측 및 우측 각각에 도시된 2개의 물 분사 지점들을 고려하면, 예로써 순간적 불균형(transient imbalance)의 효과로 인해, 상기 축 X2에 대해 도 1의 좌측을 향해 상기 휠(2)이 이동하려는 상황을 가정해 볼 수 있다. 그러한 상황에서는, 도 1의 우측에 배치된 분사 지점과 동일한 측면에서 상기 베어링(100)의 두께(d)가 증가하고, 도 1의 우측에 배치된 공동(97)으로부터 배출되는 물의 교축(throttling)이 보다 작아짐으로써, 그 공동으로부터 배출되는 물의 유량이 증가하게 마련이다. 결과적으로 일련의 다이아프램(92)에서의 수두 손실(head loss)이 증가함으로써, 상기 도관들(94, 96)을 통하여 상기 공동(97) 안으로 흐르는 물의 압력이 감소한다. 즉, 도 1에서 휠(2)의 좌측 방향 이동은, 이 도면의 우측에 도시된 분사 지점에서, 물이 베어링(100) 안으로 분사되는 압력을 감소시킨다.
역으로, 동일한 이동은 도 1의 좌측에 도시된 분사 지점에서 베어링의 두께(d)를 감소시킨다. 이는 그 분사 지점의 일련의 다이아프램들(92)을 통하는 유량의 감소를 유발한다. 이러한 유량 감소는 그 일련의 다이아프램들을 통한 수두 손실의 감소를 유발하며, 결과적으로, 그 분사 지점에서 상기 베어링(100) 안으로 분사되는 물의 압력 상승을 유발한다.
따라서, 도 1에서 좌측으로의 휠(2)의 이동은 이 도면의 우측에 도시된 분사 지점에서는 베어링(100)의 압력을 감소시키며, 이 도면의 좌측에 도시된 분사 지점에서는 베어링 안으로 물이 분사되는 압력을 증가시킨다. 이러한 압력 변화들은 상기 휠(2)을 상기 축 X2에 대해 재정렬(re-align)시킨다. 따라서 정압 베어링(100)은 상기 회전축 X2에 대하여 휠(2)을 센터링(centering)하는 기능을 수행한다.
참조 기호 PE는 휠(2) 입구에서의 즉, 위켓 게이트들(7)의 하류에 인접한 블레이드들(21)의 선단(21a: leading edge) 부근에서의, 유동(E) 압력을 가리킨다. 참조 번호 98은 정지 구조(9)의 일부분에 해당하며 상기 부재(91)가 장착되는 서포트(support)를 가리킨다. 상기 휠(2)이 상기 구조(9)에 대해 상대적으로 회전할 수 있도록 하기 위해, 상기 천장(22)의 반경 방향 외측 가장자리(222) 및 상기 서포트(98) 사이에는 간극(IN: intertice)이 제공된다. 이러한 간극이 존재함으로써, 화살표 F1에 의해 가리켜지는 바와 같이, 물은 휠(2)의 입구 영역으로부터 Z1 영역으로 흐르며, 물은 상기 압력 PE와 동일 차수의 크기에 해당하는 압력 P'E로 상기 Z1 영역을 채운다. 실제적으로, 상기 Z1 영역은 베어링(100) 바로 밑에 배치되며, 상기 압력 P'E의 값은 상기 압력 PE 값의 60 % 이상이며, 바람직하게는 상기 PE의 값의 80 % 이상이다.
터빈(1)의 제2 영역(Z2)은 상기 핀들(12)의 헤드들(121) 주변에서 상기 샤프트(11)를 둘러싸는 영역으로 정의된다. 이 영역은 정상적으로 상기 유동 E의 압력 PE를 받지 않는다. 실제로, Z2 영역에서는 물의 최소량이 필요하다. Z2 영역에서의 압력은 Z1 영역에서의 압력 이하이며 바람직하게는 대기압과 같다.
따라서, 상기 베어링(100)은, 상대적으로 높은 압력(P'E)이 나타나는 Z1 영역과 물의 잔류량이 저압으로 존재하는 Z2 영역 사이를 고립시키는 기능을 수행한다. 따라서 상기 베어링(100)은 "래버린스 베어링(labyrinth bearing)"으로 불려질 수 있다. 이러한 고립 기능은, 작동 중에 상기 베어링이 파이프(150), 덕트(154), 여러 도관들(95, 96) 및 공동들(97)을 통해 물을 공급받는다는 사실에 의해 얻어진다. 압력 하에서 공동들(97) 내로 분사되는 물은 베어링(100)에 분배됨으로써 Z1 영역으로부터 유입되는 물이 Z2 영역을 향해 흐르는 것을 방지한다. 이러한 내용은, 물이 공동(97) 내로 분사되는 압력 PI가 펌프(153)에 의해 또는 탭-오프(151)에서의 압력에 의해 상기 압력 P'E보다 더 크다는 사실과 비교될 수 있다.
따라서, 정압 베어링(100)은 스테이 베인 블레이드들(6) 및 위켓 게이트들(7)을 통해 유입하는 유동(E) 중 일부가 Z1 영역에서의 적지 않은 누수로 인해 손실되는 것을 방지하며, 이는 종래 기술의 수력 기계들에 래버린스가 장착된 경우와 마찬가지이다. 그와는 반대로, Z1 및 Z2 영역들 사이에 베어링(100)이 존재하는 것은 그와 같은 누수를 방지 또는 제한하는 것을 가능케 한다. 다수의 공동들(97)을 통해 분사되는 물의 양은 베어링(100) 내에 분배되며 그 양의 일부분이 중력에 의해 Z1 영역으로 흐른다. 즉, 상기 유동 E1의 일부분 E2는 Z1 영역을 향해 흐르며, 간극 IN을 통해 상기 유동 E와 합류하여 휠(2)의 회전 구동에 참여한다. 따라서 이러한 유동의 일부 E2는 상기 기계를 구동하는 구동 유동(driving flow)이다.
상기 유동 E1의 일부분 E3은 Z2 영역을 향해 흐르며 이 부분은 유동들 E 및 E1의 합계로부터 유일한 실질적 누수를 구성한다. 베어링(100)의 작은 반경방향 클리어런스(d)를 고려하면, 이러한 유동(E3) 부분은 유동 E의 유량에 비하여 매우 작으며, 이는 종래 기술의 기계들과 비교하여 진보된 것이다.
Z2 영역 둘레에 캡(160: cap)이 배치되며 상기 캡(160)은 유동 E3에 의해 그 안을 차지하는 소량의 물을 보유한다. 배수관(미도시)은 상기 소량의 물이 배수 우물(drainage well)을 향할 수 있도록 한다. 샤프트(11)와 캡(160) 사이의 계면에는, 비산(splashing)의 위험을 제한하기 위해 배플들(161: baffles)의 세트가 구비된다.
상기 표면들(113a, 91a)은 물 공급에 방해가 되는, 극한 상황에서의 마모(wear) 및 시징(seizing)을 견딜 수 있게 처리된다. 코팅(coating) 또는 라이닝(lining)의 존재는 그러한 극한 상황에서 베어링(100)이 손상되는 것을 방지한다.
제1 실시예에서, 상기 링(밴드)(113)은 필수적이지 않으며 전술한 바와 같은 코팅이 상기 단부(111)의 반경방향 외측 표면 상에 직접적으로 증착될 수 있다.
도 3에 도시된 본 발명의 제2 실시예에서, 제1 실시예의 구성들에 유사한 구성들은 동일한 참조 부호들을 갖는다. 이하의 설명에서는 제2 실시예가 제1 실시예와 다른 점들이 단지 설명된다.
정압 베어링(100)은 정지 구조에 속하는 환형 부재(91) 및 휠(2)의 천장(22)에 통합된 핀(25: fin) 사이에 구비된다. 핀(25) 둘레에 밴드(113)가 장착되며 그것의 반경방향 외측 표면(113a)은 상기 부재(91)의 반경방향 내측 표면(91a)과 공조하여 상기 베어링(100)을 형성한다. 상기 부재(91) 바로 아래에 Z1 영역이 형성되며, 이 영역은 간극 I를 통해, 휠(2)을 통해 흐르는 유동 E와 유체 연통된다. 핀(25) 및 샤프트(11)의 하단(111) 사이에는 반경방향으로 Z2 영역이 형성된다. 정압 베어링(100)은 물이 상대적으로 높은 압력으로 존재하는 Z1 영역을 물이 낮은 압력으로 존재하는 Z2 영역으로부터 고립시키는 것을 가능케 하며, Z2 영역에서의 압력은 바람직하게는 대기압과 같다.
제1 실시예에서와 같이, 밴드(113)는 생략될 수 있다. 이러한 경우, 베어링(100)은 핀(25)의 반경방향 외측 표면 및 상기 표면(91a) 사이에 형성되며, 이때 핀(25)의 외측 표면은 적합한 코팅재로 코팅된다.
도 4에 도시된 본 발명의 제3 실시예에서, 제1 실시예의 구성들에 유사한 구성들은 동일한 참조 부호들을 갖는다. 이하의 설명에서는 제3 실시예가 제1 실시예와 다른 점들이 단지 설명된다.
링(26)은 휠(2)의 천장(22)에 장착되며 그 천장 둘레에 배치된 스크류들(27)에 의해 장착된다. 이러한 링(26)은 상기 제1 및 제2 실시예들의 밴드들(113)의 재질과 유사한 재질로 이루어진다. 정지 구조의 일 부재(91)의 반경방향 내측 표면과 마주하는 상기 링의 반경방향 외측 표면(113a)에는 적절한 코팅재가 선택적으로 코팅되며, 상기 정지 구조의 부재(91)는 링(26)과 함께 정압 베어링(100)을 형성한다. 전술한 바와 같이, 베어링(100)은, 상기 부재(91) 아래에 배치되며 휠(2)을 통과하는 유동 E에 간극 IN을 통해 유체 연통되는 고압 영역 Z1, 및 링(26)과 터빈(1)의 샤프트(11) 하단(111) 사이에 배치된 저압 영역 Z2를 서로 고립시키는 것을 가능케 한다.
제1 실시예의 베어링과 마찬가지로, 상기 제2 및 제3 실시예의 베어링들(100)은 센터링 기능을 수행한다. 그것들은 동일한 방식으로 동작하므로 더 구체적으로 설명하지는 않는다.
통상적으로 설계된 기계들의 래버린스들의 클리어런스와 비교할 때, 논의된 실시예들을 구분함 없이, 정압 베어링의 반경방향 클리어런스를 줄이는 것 즉, 두께 d를 줄이는 것은, 누수에 의한 손실들을 상당히 제한하여 터빈(1)의 효율을 증대시키는 것을 가능케 한다. 그러한 손실들은 제1 실시예의 유동 E3 및 이에 대응하는 다른 실시예들의 유동들에 제한된다. 추가적으로, 축 X2에 상대적으로 가까우며 2 m 이하의 직경을 갖는 정압 베어링(100)의 포지셔닝(positioning)은, 휠 작동 중에 그 휠이 적절히 센터링되는 것을 가능케 하며, 또한 상기 축 X2에 직교하는 샤프트들의 움직임의 감소를 달성하는 것을 가능케 한다. 이러한 원치 않는 움직임의 감소는 벨트(23)와 정지 구조(9) 사이에 장착되는 래버린스(170)의 설계를 용이하게 하여 휠의 하류 영역에서의 누수를 제한한다. 이는 또한 터빈(1)의 효율을 개선한다.
상기 기계(1)에서 정압 베어링의 설계 및 포지셔닝에 의해, 정압 베어링(100)은 종래 기계들의 래버린스, 베어링, 및 샤프트 실(shaft seal)의 각각의 기능들을 수행하며, 이는 제조 비용 및 유지 비용 측면에서 유리하다.
본 발명은 설명된 예들에 제한되지 않으며, 터빈들, 펌프들(특히 원심 펌프들), 또는 프란시스 터빈이 아닌 펌프 터빈들에 적용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 정지 구조(9)에 대해 상대적으로 회전축(X2)을 중심으로 회전 운동하도록 장착된 휠(2)을 가지며, 상기 휠은 그것을 통하는 물의 강제 유동(E)을 받도록 설계된 수력 기계(1)로서, 상기 휠과 함께 회전하도록 구속된 일 부재(111, 113; 25, 113; 26) 및 상기 정지 구조의 일 부분(91) 사이에 구비된 정압 베어링(100)은, 상기 기계의 제1 영역(Z1)으로서, 상기 강제 유동(E)과 유체 연통(F1)되며 작동 중 상기 강제 유동의 압력(PE)에 유사한 압력(P'E)이 내부에 형성되는 제1 영역(Z1), 및 상기 베어링에 의해 상기 강제 유동으로부터 고립된 상기 기계의 제2 영역(Z2) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 수력 기계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정압 배어링(100)은, 상기 휠(2)의 상기 회전축(X2)을 따라, 상기 휠 및 상기 휠을 지지하는 샤프트(11) 간의 접합 영역 부근에 구비되는 것을 특징으로 하는 수력 기계.
  3. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기계(1)에 물을 이송하는 피드 덕트(4)로부터 피딩되는 물 분사 수단(92-96, 150-155)은 정지 구조의 부분(91)을 통해 상기 베어링(100) 내로 개방된 것을 특징으로 하는 수력 기계.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수력 기계는 분사되는 물의 압력을 상기 덕트(4) 내의 수압보다 높이기 위한 수단(153)을 갖는 것을 특징으로 하는 수력 기계.
  5. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 휠(2)과 함께 회전하도록 구속된 상기 부재(113)는 상기 휠을 지지하는 샤프트(11)의 단부(111)에 의해 형성되거나 또는 그 단부 상에 장착되는 것을 특징으로 하는 수력 기계.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 휠(2)과 함께 회전하도록 구속된 상기 부재(113)는 상기 휠에 통합된 일 부재(25)에 의해 형성되거나 또는 그 부재 상에 장착되는 것을 특징으로 하는 수력 기계.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 휠(2)과 함께 회전하도록 구속된 상기 부재(113)는 상기 휠 상에 분리 가능하게 장착된 것을 특징으로 하는 수력 기계.
  8. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    물 분사 수단(93-96, 150-155)은 적어도 하나의 공동(97) 안으로 개방되며, 상기 공동은 상기 휠(2)과 함께 회전하도록 구속된 상기 부재(111, 113; 25, 113; 26)에 대향하는 표면들(91a, 113a)로서 상기 정지 구조(9)의 상기 부분(91)의 표면들 중 하나에 구비되며, 상기 표면들 사이에 상기 정압 베어링(100)이 구비되는 것을 특징으로 하는 수력 기계.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 수력 기계는 상기 휠(2)의 회전축(X2)을 중심으로 균일하게 배치된 복수의 공동들(97)을 갖는 것을 특징으로 하는 수력 기계.
  10. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    직경이 1.5 m 내지 2 m의 범위에 있는 베어링에 대해, 상기 베어링의 반경방향 클리어런스(d)는 0.5 mm 이하이며, 바람직하게는 0.1 mm 내지 0.2 mm의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 수력 기계.
  11. 수력 에너지를 전기 에너지로 또는 그 역으로 변환하는 설비(I)로서, 선행 청구항들 중 어느 한 항에 따른 기계(1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 설비.
  12. 수력 기계(1)의 정압 래버린스 베어링의 사용으로서,
    상기 기계의 제1 영역(Z1)으로서, 상기 기계의 휠(2)을 통해 흐르는 강제 유동(E)과 유체 연통(F1)되며, 작동 중 상기 강제 유동의 압력(PE)에 유사한 압력(P'E)이 내부에 형성되는 제1 영역(Z1)과, 상기 기계의 제2 영역으로서, 상기 제1 영역에 형성되는 압력 이하의 압력이 내부에 형성되는 제2 영역 사이에 유체 고립을 제공하는 기능; 및
    상기 휠(2)을 그것의 회전축(X2)에 대해 센터링하는 기능;을 수행하는, 수력 기계의 정압 래버린스 베어링의 사용.
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