KR20110122146A - 수력 에너지를 변환하는 장치 및 그와 같은 장치를 제어하는 방법 - Google Patents

수력 에너지를 변환하는 장치 및 그와 같은 장치를 제어하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수력 터빈(1), 물의 강제 흐름을 터빈으로 이끄는 덕트(5), 터빈으로부터의 유출 흐름을 배출하는 덕트(8) 및 배출 덕트를 통해 흐름을 안내하는 베인들(20)을 포함하는 유닛(unit)에 관한 것이다. 각각의 안내 베인(20)은 배출 덕트의 벽(84)을 가로지르는 축선(X22)을 중심으로 회전할 수 있다. 베인의 회전 축선(X22)에 대해 베인(20)의 각도 위치를 제어하기 위한 수단(30)이 제공된다. 각각의 안내 베인(20)은 또한 배출 덕트(8)의 벽(84) 내부로 후퇴될 수 있고, 이들이 벽 내로 후퇴되는 정도를 조정하기 위한 수단(21)이 제공된다.

Description

수력 에너지를 변환하는 장치 및 그와 같은 장치를 제어하는 방법{HYDRAULIC ENERGY CONVERSION UNIT AND METHOD OF CONTROLLING SUCH A UNIT}
본 발명은 수력 에너지를 전기 또는 기계적 에너지로 변환하는 장치에 관한 것으로서, 이와 같은 장치는 수력 터빈, 물의 강제 흐름(foreced flow)을 터빈에 공급하기 위한 공급 덕트 및 상기 흐름이 터빈으로부터 빠져나갈 때 상기 흐름을 제거하기 위한 배출 덕트를 구비한다.
알려진 장치들에 있어서, 터빈의 "러너(runner)" 또는 휠(wheel)로부터의 하류의 흐름은 터빈의 동작점의 함수로서 변동하고, 동작점은 그 중에서도 터빈에 공급되는 물의 유량에 의존한다. 특정 동작점들에서, 일반적으로 "버텍스 로프스(vortex ropes)"라고 불리는 소용돌이들(vortices) 또는 스월링 난류(swirling turbulence)는 압력 및/또는 파워의 변동을 형성 및 일으키는 경향이 있다.
그 문제에 응답하여, 예를 들어 프랜시스 터빈(Francis turbine)의 휠에 휠의 회전축을 향해 각각 수렴 및 발산하는 2개의 표면들을 가진 팁(tip)이 갖추어져서 난류를 상당히 제한할 수 있는 것이 WO-A-2005/038243에 알려져 있다. 그러나, 특정 흐름 조건들 하에서, 난류는 남아있다.
효율의 손실을 경감시키기 위해, 수축 가능한 핀들(retractable fins)을 제공하는 것이 US-A-2007/0009352에 제안된다. 이들 후퇴 가능한 핀들은 터빈의 동작점들 모두에 적합하지 않고 특정 동작 조건들 하에서, 장치의 효율에 대한 이들의 영향은 매우 부정적이다.
터빈으로부터 빠져나오는 흐름을 제거하기 위한 배출 덕트에 고정 핀(stationary fin) 위에서 회전하도록 가동 핀(moving fin)이 장착될 수 있는 것이 JP-A-57　108468에 알려져 있다. 고정 핀은 적어도 특정 흐름 조건들 하에서 흐름과 간섭한다.
또, 공동 현상(cavitation) 문제들이 알려진 장비에서 일어날 수 있다.
본 발명의 목적은 특히 장치의 여러 동작점들에서 장치의 효율을 감소시키지 않고, 배출 덕트를 통과하는 흐름이 안정화될 수 있는 상기 형태의 에너지 변환 장치를 제안하여 이들 문제들을 개선하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 각각의 안내 핀이 배출 덕트의 벽을 가로지르는 축선을 중심으로 회전하도록 장착되는 상기한 형태의 장치를 제공하고, 상기 장치에는 핀의 피봇 위치에 대한 핀의 각도 위치를 제어하기 위한 수단이 제공되고, 한편 각각의 피봇 가능하게 움직이는 핀은 배출 덕트의 벽내로 후퇴할 수 있고, 한편 상기 장치에는 핀이 벽 내로 후퇴되는 정도를 조정하는 데 적합한 수단이 제공된다.
본 발명에 의해, 터빈으로부터 빠져나오는 흐름의 임의의 스월(swirl) 성분의 방향을 고려하면서, 핀들이 배출 덕트 또는 흡출 덕트(draft duct)의 벽에 대해 돌출하는 방식으로 안내 핀들의 각도를 위치결정하도록 하는 것이 가능하다.
임의의 기술적으로 실현 가능한 조합으로 취해지는 유리하지만 필수가 아닌 본 발명의 양상들에 있어서, 이와 같은 장치는 하나 이상의 다음과 같은 특징들을 통합할 수 있다:
·상기 제어 수단은 상기 흐름을 나타내는 적어도 하나의 파라미터의 함수로서 상기 안내 핀의 상기 각도 위치를 설정하는 데 적합하고;
·상기 또는 각각의 피봇 가능하게 움직이는 핀은 상기 덕트의 내부에서, 상기 배출 덕트의 상기 벽으로부터 제거 가능하고; 변형예에 있어서, 상기 장치에는 상기 배출 덕트의 상기 벽의 상기 외측면에의 접근을 허용하는 갤러리가 더 제공되고, 상기 또는 각각의 핀은 상기 갤러리에서, 상기 벽으로부터 제거 가능하고;
·각각의 핀은 상기 벽에 고정된 부분에 대해, 핀의 피봇 축선에 평행하게 슬라이드할 수 있게 장착되는 피스톤에 고정되고, 한편 상기 핀 및 상기 피스톤을 포함하는 하위 부품은 상기 핀의 상기 피봇 축선을 중심으로 회전 가능하게 장착되고, 한편 상기 하위 부품은 상기 핀의 상기 피봇 축선을 중심으로 상기 하위 부품을 회전 구동하기 위한 구동 수단과 협력하기 위한 수단을 더 포함하고;
·각각의 가동 핀은 그것의 피봇 축선의 양측 위에서 연장하고;
·상기 장치에는 복수의 피봇 가능하게 움직이는 안내 핀들이 제공되고, 이들 핀 각각은 배출 덕트의 벽을 가로지르는 축선을 중심으로 피봇할 수 있게 장착되고, 제어 수단은 안내 핀들에 대해 그룹화된 방식으로 작동하고, 변형예에 있어서, 제어 수단은 안내 핀들에 대해 개별화된 방식으로 작동한다.
본 발명은 또한 상기한 장치로 구현될 수 있는 방법, 특히 수력 터빈, 상기 터빈에 물의 강제 흐름을 공급하기 위한 공급 덕트, 상기 터빈으로부터 빠져나오는 상기 흐름을 제거하기 위한 배출 덕트 및 상기 배출 덕트를 통한 상기 흐름을 안내하기 위한 적어도 하나의 안내 핀들을 포함하는, 수력 에너지를 전기 또는 기계적 에너지로 변환하는 장치를 제어하는 방법에 있어서, 상기 배출 덕트를 통해 상기 흐름을 안내하는 각각의 안내 핀의 상기 배출 덕트의, 벽을 가로지르는 축선에 대해, 각도 위치를 제어하는 것으로 구성되는 단계, 및 각각의 가동 핀이 상기 배출 덕트의 상기 벽 내로 후퇴되는 정도를 제어하는 것으로 구성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수압 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치를 제어하는 방법을 제공한다.
이 발명은 유리하고 선택적인 다음과 같은 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
·상기 핀의 상기 각도 위치는 상기 흐름을 나타내는 적어도 하나의 파라미터의 함수로서, 특히 상기 흐름의 유량의 함수로서 제어되고;
·상기 장치에는 상기 배출 튜브의 상기 벽 위에 분포되는 복수의 핀들이 제공되고, 상기 핀들의 위치는 그룹화된 방식(grouped manner)으로 제어된다. 변형예에 있어서, 각각의 핀의 위치는 개별적으로 제어 가능하고;
·각각의 가동 핀이 상기 배출 덕트의 상기 벽 내로 후퇴되는 상기 정도는 하위 부품의 부분인 본체에 제공되고 상기 핀에 고정되는 피스톤에 의해 규정되는 체임버에 상기 공급 덕트로부터 오는 가압수(pressurized water)를 공급하거나 공급하지 않음으로써 제어된다.
본 발명 및 그것의 제어 방법의 원리에 부합하는 장치의 2개의 실시예들의 다음의 설명으로부터 본 발명은 더 잘 이해될 수 있고 본 발명의 다른 이점들은 더 명백하게 보일 것이며, 상기 설명은 단지 예로서 첨부 도면들을 참조하여 주어진다.
도 1은 본 발명의 장치의 제 1 실시에의 원리를 나타내는, 축방향 개략도.
도 2는 도 1의 상세 II를 큰 축척으로 나타낸 도면.
도 3은 도 1의 장치의 사용의 제 1 구성에서 속도들의 분포를 나타내는 개략 전개도.
도 4는 도 3의 속도 분포에 대응하는 위치에서 피봇하는 가동 핀의, 도 2의 화살표 F1으로 표시된 방향에서 본 끝면도.
도 5는 장치가 다른 조건들 하에서 동작하는 동안의 도 3과 유사한 개략도.
도 6은 장치가 도 5에 도시된 조건들 하에서 동작하는 동안의 도 4와 유사한 도면.
도 7은 본 발명의 장치의 제 2 실시예에 대한 도 2와 유사한 도면.
도 1 내지 도 6에 도시된 장치(I)는 물의 인공호(impoundment)(도시하지 않음)로부터 오는 물의 강제 흐름(E)에 의해 수직 축선(X2)을 중심으로 회전되도록 설계되는 휠(wheel) 또는 "러너(runner)"(2)를 가진 프랜시스형(Francis type)의 터빈(1)을 구비한다. 휠(2)과 함께 회전하도록 장착되는 샤프트(3)는 AC 전류를 휠(2)의 회전의 함수로서 네트워크 또는 그리드(grid)(도시하지 않음)에 전달하는 교류발전기(4)에 결합된다. 따라서, 장치(I)는 흐름(E)으로부터의 수력 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것을 가능하게 한다. 장치(I)는 물의 인공호로부터 공급되는 복수의 터빈들(1)을 구비할 수 있다.
변형예에 있어서, 샤프트(3)는 기계적 조립체에 결합될 수 있고, 이 경우 장치(I)는 흐름(E)으로부터의 수력 에너지를 기계적 에너지로 변환하다.
공급 덕트(5)는 흐름(E)을 휠(2)로 가져가고 흐름(E)을 조절하는 위켓 게이트(wicket gates; 61)가 갖추어진 케이싱(6)과 물의 인공호 사이에서 연장할 수 있게 한다.
덕트(8)는 흐름(E)을 제거하기 위해 그리고 그것을 인공호가 공급되는 하도(river channel)로 되돌려 보내기 위해 터빈(1)로부터 하류에 제공된다. 이러한 배출 덕트(8)는 때때로 "흡출관(draft tube)" 또는 "흡출 덕트(draft duct)"로서 불린다.
제어 유닛(10)은 특히 교류발전기(4)로부터 공급되는 네트워크의 전기 수요 및 흐름(E)에 이용 가능한 물의 유량의 함수로서 터빈(1)을 제어하기 위해 제공된다. 유닛(10)은 장치(I)의 복수의 동작점들을 정의하고 교류발전기(4) 및 위켓 게이트들(61)에 각각 제어 신호들(S1, S2)을 전송할 수 있다.
덕트(8)는 실질적으로 수직, 절두형(frustoconical)이고, 휠(2)의 회전 축선(X2) 위에 중심을 갖는 상류 부분(81)을 갖는다. 덕트(8)는 또한 실질적으로 수평 축선(X82) 위에 중심을 갖는 하류 부분(82)을 가진다. 축선(X82)은 수평면과 20°미만의 각을 이루는 점에서 실질적으로 수평이다. 실제로, 축선(X82)은 흐름(E)의 방향에서 약간 상향으로 경사질 수 있다. 90°만곡부(bend)(83)는 덕트(8)의 부분들(81, 82)을 상호접속한다.
흐름(E)이 휠(2)을 통과한 후 그것을 안정화시키기 위해, 덕트(8)의 상류 부분(81)에는 상류 부분(81)의 벽(84)으로부터 축선(X2)을 향해 돌출하는 복수의 핀들(20)이 제공된다. 상기 핀들(20)은 휠(2)로부터 빠져나갈 때, 벽(84)을 따라 흐르는 흐름(E)의 부분에 의해 스위프되도록 설계된다. 따라서, 상기 핀들은 배출 또는 흡출 덕트(8)를 통해 흐름(E)에 영향을 준다.
축선(X2)을 포함하는 수직 평면에 대한 단면도인 도 1은 2개의 핀들(20)을 나타낸다. 실제로, 핀들(20)의 수는 부분(81)의 직경 및 흐름(E)에 대해 설정된 유량의 함수로서 선택된다. 특히 도 2로부터 보이는 것과 같이, 각 핀(20)은 벽(84)에 수직인 축선(X22)에 중심이 있는 원형 베이스를 가진 원통형 본체(22)에 장착된 피스톤(21)에 고정된다. 피스톤(21)에는 시일들(211, 212)이 갖추어 지고 축선(X22)을 따라 로드에 대해 슬라이드 가능하게 상대적으로 디스크형 플레이트(disk-shaped plate; 24)를 통과하는 로드(road; 23)와 일체로 되어 있다. 플레이트(24)에는 체임버(C22)와 외부간의 유체 흐름을 방지하기 위해 시일들(211, 212)과 협력하는 시일들(241, 242)이 갖추어져 있고, 체임버(C22)는 플레이트(24)와 피스톤(21) 사이에서, 로드(23) 주위에서, 본체(22)의 반경방향 내측에 제공된다.
도 4에 보이는 것과 같이, 각각의 핀(20)은 대응하는 축선(X22)의 양측 위에서 연장한다. 실제로, 각각의 핀(20)은 축선(X22) 상에 중심이 있다.
플레이트(24)는 도 2에 이들의 축선 라인들로 나타낸 스크루(25)에 의해 본체(22)에 고정된다.
체임버(C22)는 덕트(5)로부터 오는 물을 파이프(도시하지 않음)를 통해 공급받는다. 이것은 체임버(C22)가 압력을 받게 하고, 그럼으로써 피스톤(21)을 도 2에 화살표 F2로 나타낸 방향으로 가압하고, 핀(20)을 벽(84)에 대해 축선(X2)을 향해 돌출시킬 수 있다.
부품들(20 내지 25)에 의해 형성되는 하위 부품은 벽(84)에 대해 정지하고 있는 링(27)에서 정지한 채로 유지되는 슬리브(26)에서, 축선(X22)을 중심으로 회전하도록 장착된다. 베어링-형성 시일들은 상기한 하위 부품이 슬리브(26)에 대해 회전할 수 있도록 하기 위해 선택적으로 본체(22) 및 플레이트(24) 주위에 반경방향으로 배치될 수 있다.
슬리브(26)에 대해, 축선(X22)을 따라, 축방향으로 돌출하는 그것의 부분에서, 링(24)에는 전기 서보-모터(30)의 출력축(301)에 의해 구동되는 톱니(29)와 맞물리는 이빨(243)의 반경방향 외측 세트가 제공된다. 이 모터는 전기 신호(S3)에 의해 유닛(10)에 의해 제어된다.
따라서, 서보-모터(30)는 유닛(10)으로부터 수신된 제어 신호(S3)의 함수로서 축선(X22)을 중심으로 부품들(20 내지 25)로 만들어지는 하위 부품을 회전 구동시키는 것을 가능하게 한다.
이러한 회전 구동은 축선(X22)을 중심으로 핀(20)의 각도 위치를 변경하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 각각의 핀(20)은 축선(X22)에 대해 경사져 위치 가능하다. 도 4 및 도 6에 보이는 것과 같이, 핀(20)은 평면 플레이트(plane plate) 형상으로 되어 있고 그것의 각도 위치는 핀(20)의 큰 측면들(201, 202)간의 중간평면(P20)과 축선(X22)을 포함하는 수직 평면(P22) 사이에서, 축선(X22) 위에서, 측정된 각도(α)에 의해 특정될 수 있다.
모터(30)는 각각의 가동 핀(20)이 덕트(8)를 통한 흐름(E)의 조건들을 맞추기 위해 그것의 각도 위치를 축선(X22)을 중심으로 조정하는 것을 가능하게 한다.
도 3은 휠(2)의 블레이드(2B)의 트레일링 에지(2A)의 근방에서의 속도들의 분포를 나타내는, 휠(2)의 벨트 또는 "밴드(band)"의 전개도이다. 휠(2)이 각속도(ω)로 회전하는 것을 고려하면, 트레일링 에지(2A)의 접선 속도(U)는 이때 ω x R과 동일하고, 여기서 R은 에지(2A)와 축선(X2) 사이의 반경방향 거리, 즉, 반경이다.
또한, 휠(2)로부터 빠져나오는 물의 흐름의 속도(W)를 고려하면, 상기 속도(W)는 블레이드(2B)와 정렬되어 있다. 이러한 속도(W)는 수직 성분(WV), 즉 축선(X2)에 평행한 성분 및 접선 성분(WT)으로 나누어진다.
도 3에 도시된 것과 같이, 흐름(E)에 대해 낮은 유량(Q)을 가진 구성에서, 속도의 수직 성분(WV)은 상대적으로 작고, 수직에 대한 속도(W)의 경사 각도(β)가 블레이드(2B)의 기하학적 형상에 의해 설정되므로, 속도의 접선 성분(WT)은 블레이드의 접선 성분의 절대값 |U|보다 작은 절대값 |WT|을 가진다. 이들 조건들 하에서, 에지(2A) 근방에서 휠(2)로부터 배출되는 물은 블레이드의 접선 속도(U)와 동일한 방향, 즉 도 3의 우측방향으로 지향된 접선 속도 성분을 가진다. 이 도면의 평면에서의 물의 흐름은 화살표(E)로 표현된다.
이 상황에서, 휠로부터 빠져나오는 물은 휠(2)의 회전과 동일한 방향에서 축선(X2)을 중심으로 돈다.
이것은 상기 핀들이 정확하게 위치되면 핀들(20)에 의해 보정될 수 있는 큰 압력 변동들에 의해, 덕트(8)에서의 난류 버텍스 로프스(vortex ropes)의 형성을 유도한다.
흐름(E)이 고 유량(Q)를 가질 경우, 속도(W)의 수직 성분(WV)은 높은 절대값을 가지며, 각도(β)가 블레이드(2B)의 기하학적 형상에 의해 설정되므로, 이때 접선 성분(VT)은 접선 속도(U)의 절대값보다 큰 절대값을 가진다. 도 5에 도시된 이러한 상황에서, 흐름(E)은 도 5의 좌측을 향해 배출되고 이 도면에서 화살표(E)로 표현될 수 있다. 이 상황에서, 흐름이 휠로부터 배출될 때, 상기 흐름은 휠(2)의 회전 방향에 대해 반대 방향으로 돈다. 이 상황에서도, 난류 버텍스 로프스가 큰 압력 변동들에 의해 발생하고, 이것은 핀들(20)에 의해 보정될 수 있다.
따라서, 유량(Q)의 값에 의존하여, 흡출 덕트(8)를 통한 흐름(E)의 축선(X2)을 중심으로 한 회전 방향은 변한다. 핀들(20)의 각도 위치들은 다음과 같은 방식으로 흐름(E)의 이러한 스월링에 영향을 주는 것을 가능하게 한다:
i) 낮은 유량(Q)에서, 동작점이 단지 목적이 효율의 강하에 대한 관심없이 압력 변동들을 감소시키는 것으로 되어 있으면, 흡출 덕트(8)를 통한 물의 스월링 흐름을 가능한 한 느리게 감속하기 위해 각각의 핀(20)은 도 4에 도시된 양의 각도(α)를 통한 피봇이 야기된다.
ii) 또한 낮은 유량(Q)에서, 동작점이 여전히 압력 변동들을 가지지만 위에서 고려된 상황 i)에서보다 낮은 레벨이면, 이때 압력 변동을 약간 감소시키면서, 장치의 효율에 대해 더 작은 영향을 가지도록 하기 위해, 핀(20)은 도 4에 도시된 음의 각도(α)로 경사져 위치될 수 있다.
iii) 높은 유량(Q)의 상황에서, 흡출 덕트에서의 흐름의 스월 방향(swirl direction)이 역전되므로, 상기 2개의 동작점들에 대한 이유가 또한 역전된다.
이를 위해, 핀(20)과 수직면에 의해 형성된 각도(α)는 원하는 효과를 얻기 위해 조정될 수 있다. 핀이 흐름에 실질적으로 평행한 방향에서 경사져 위치되면, 효율에 대한 영향은 작다. 역으로, 동작점에 대해 압력 변동들을 상당히 감소시키기를 원한다면, 핀이 흐름을 방해하는 방식으로 핀을 피봇시키는 것이 가능하다. 압력 변동들의 이러한 감소는 효율에 대해 상대적으로 큰 부정적인 효과를 가지지만, 이러한 부정적인 효과는 문제의 동작점에 대해서만 존재하고, 그것은 축선(X22)에 대한 핀들(20)의 각도 위치결정 각도(α)가 다른 동작점들에 대해 상이하게 재조정되는 것이 가능하다.
따라서, 각각의 핀(20)의 각도 위치결정 각도(α)는 압력 변동들과 효율 사이에 최선의 타협점을 얻는 방식으로 조정된다.
흐름(E)의 유량 및 휠(2)의 회전 속도는 접선 속도들의 절대값 |WT| 및 |U|가 동일하도록 되어 있을 경우, 즉 흐름(E)이 휠(2)로부터 빠져나올 때 실질적으로 수직 방향이면, 핀들(20)은 이들 각각의 중간면들(P20)이 수직 방향이 되도록, 즉 각도(α)가 영의 값을 갖도록 배치된다.
핀들의 피봇 축선(X22)에 대한 핀들(20)의 각도 위치결정은 압력 변동들의 레벨 및 장치(I)의 효율에 대한 그 위치결정의 영향을 귀납적으로 증명함으로써, 경험적으로 조정될 수 있다.
유리하게는 유닛(10)은 덕트(5) 상에 설치되는 유량 센서(12)에 의해 전달되는 신호(S4)의 함수로서 경사져 위치결정 가능한 핀들(20)을 자동으로 제어한다. 이러한 유량 센서는 예컨대 차동 압력 센서들에 기초한 임의의 적절한 형태일 수 있다. 제 1 근사로, 그리고 휠(2)이 실질적으로 일정한 속도로 회전하는 것을 고려하여, 동기화 교류발전기가 갖추어진 기계들에 적용할 때, 유닛(10)에서, 흐름(E)의 유량(Q)에 기초하여, 접선 속도(WT 및 U)를 계산하는 것이 가능하고, 그 계산에 기초하여, 휠의 회전 방향에 대해, 즉 동일한 방향 또는 반대 방향에서, 흐름(E)의 출구 방향을 결정하는 것이 가능하다. 이때 유닛(10)은 흐름(E)을 안정화시키기 위해 핀들 각각의 축선(X22)에 대해 핀들(20)에 주어져야 하는 각도 위치결정을 결정할 수 있다.
변형으로 또는 추가로, 샤프트(3) 위에 태코미터(tachometer; 14)를 장착하고 샤프트(3)의 회전 속도를 나타내는 유닛(10)에 신호(S5)를 전달하는 것이 가능하고, 그것에 의해 접선 속도(U)의 값을 정확하게 결정하는 것을 가능하게 한다. 이러한 신호(S5)는 흡출관(8) 내의 흐름(E)을 안정화시키기 위해 핀들(20) 각각에 주어진 경사각(α)를 결정하기 위해 유닛(10)에 의해 적분될 수 있다.
각각의 슬리브(26)는 링(27)에 나사결합되고, 유지보수 작업이 하위부품들(20-25) 중 하나에 대해 행해질 필요가 있을 때, 덕트(8)의 상류 부분(81)으로부터 상기 하위 부품의 구성 요소들에 액세스하기 위해서는, 대응하는 슬리브(26)를 링(27)으로부터 풀면 충분하다. 핀들을 지지하고 위치결정하는 요소들은 단지 도 2에 도시된 것과 같이 벽(84)의 반경방향 외측에서, 장치의 콘크리트 구조(concrete structure)에 제공되는 리세스(90)에 배치된다.
변형예에서 그리고 도 7에 도시된 것과 같이, 벽(84)의 외측면(841)에 액세스를 주는 갤러리(gallery; 100)는 덕트(8)의 부분(81)에 대해 반경방향으로 제공될 수 있고, 그럼으로써 상기 갤러리로부터 핀들(20) 및 이들의 구동 부재들에 대한 유지보수 동작들을 수행할 수 있게 한다. 이후 슬리브(26)의 형상 및 링(27)의 형상이 조정된다.
이 도 7에 있어서, 제 1 실시예의 요소들과 유사한 요소들은 같은 참조번호들을 가지며, 핀(20)은 스크루(25)에 의해 본체(22)에 고정되는 플레이트(24)에서 슬라이딩하는 로드(23)에 의해 연장되는 피스톤(21)에 고정된다. 슬리브(26)는 부품(20 내지 25)에 의해 형성되는 하위 부품을 둘러싸고 갤러리(100)로부터 링(27)에 체결된다. 서보-모터(30)는 플레이트(24) 상의 이빨(243)의 외측 세트와 맞물리는 톱니(29)를 구동하고, 그럼으로써 제 1 실시예에 대해 설명된 것과 같이, 벽(84)에 수직인 축선(X22)에 대해 핀(20)의 각도 위치결정을 제어하는 것을 가능하게 한다.
양 실시예들에 있어서, 체임버(C22)가 공급받는 공급 압력은 축선(X22)을 따라 피스톤(21) 및 핀(20)의 위치들을 제어하는 것을 가능하게 한다. 특히, 덕트(8)를 통한 흐름이 안정화될 때, 체임버(C22)에 가압수를 공급하지 않는 것이 가능하고, 그 결과 덕트(8)를 향하고 있는 피스톤(21)의 면(213) 상의 수압으로 인해, 핀(20)은 덕트(8)의 외부로 벽(84)에 대해 후퇴 또는 밀린다.
변형예에 있어서, 핀의 회전축(X22)에 따른 각각의 핀의 위치는 물을 공급받는 압력 체임버 이외의 수단에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 이러한 목적을 위해, 전기 서보-모터 또는 수압, 기계적, 또는 전기 액츄에이터를 사용하는 것이 가능하다.
따라서, 핀들의 각도 위치결정에 관해 위에서 언급한 것과 같이, 흐름(E)을 나타내는 파라미터를 고려하면서 상기 피스톤(21), 상기 서보-모터 또는 상기 액츄에이터는 각각의 핀(20)의 벽(84) 내로의 후퇴를 제어하는 것을 가능하게 한다.
상기한 발명은 핀들(20)의 피봇 축선(X22)이 벽(84)에 수직인 상황으로 도면들에 도시된다. 이것은 필수가 아니고, 그것은 벽(84)에 대해 정지하고 있는 축선(X22)이 상기 벽을 가로지르면 충분하다. 실제로, 만약 축선(X22)이 벽(84)에 수직이 아니면, 그것이 상기 벽과 이루는 예각(acute angle)은 45°보다 크게, 바람직하게는 75°보다 크게, 더욱 바람직하게는 85°보다 크게 선택된다.
본 발명은 서보-모터가 각각의 핀(20)과 연결되고, 그럼으로써 핀들을 개별적으로 제어하는 것을 가능하게 하는 2개의 실시예들로 나타낸다. 핀들의 운동은 유닛(10) 및 여러 모터들(30)을 위한 여러 신호들(S3)의 관리에 의해 동기화된다.
변형예에 있어서, 핀들(20)을 상호접속하는 기계적 수단을 사용하는 것이 가능하고, 그럼으로써, 그룹화된 방식으로 핀들을 제어하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어 위켓 게이트들(61)을 제어하기 위해, 알려진 것과 같은, 체인들 또는 게이트 작동 링(gate operating ring)을 사용하는 것이 예를 들어 가능하다.
다른 디바이스들이 개별적 또는 그룹화된 제어로, 핀들(20)을 피봇시키기 위해 고려될 수 있다. 실제로, 핀들은 임의의 적합한 액츄에이터, 예컨대, 커넥팅 로드(connecting rod)에 연결된 로터리(rotary) 또는 리니어(linear) 액츄에이터에 의해 피봇될 수 있다. 액츄에이터들은 오일(oil)에 의해, 전류에 의해, 압축 공기에 의해 또는 물에 의해 작동될 수 있다. 상기 액츄에이터들의 작업 환경의 관점에서, 물에 의해 구동되는(water-driven) 액츄에이터들을 이용하는 해결방법이 바람직하다.
본 발명은 프랜시스형 터빈에 응용되는 것으로 나타낸다. 그러나, 카프란 터빈들(Kaplan turbins) 및 프로펠러형 터빈들과 같은 다른 형태의 터빈 및 펌프 터빈들에도 응용 가능하다.
본 발명은 핀들 모두가 경사져 위치 가능하고, 즉 교차하는 특히 배출 덕트의 벽과 교차하는 특히 수직인 축선들을 중심으로 회전하도록 장착되는 상황으로 나타낸다. 변형예에서는, 특정 핀들만이 경사져 위치 가능하다.
도시되지 않는 본 발명의 변형예에 있어서, 터빈의 휠에 휠로부터 하류의 흐름의 안내를 개선하기 위한 팁(tip), 예컨대 WO-A-2005/038243로부터 알려진 팁이 갖추어지면서 본 발명이 구현될 수 있다.
본 발명은 흐름(E)의 유량이 핀들(20)의 각도 위치결정을 결정하기 위해 사용되는 상황으로 위에 기술된다. 그러나, 다른 파라미터들은 이러한 목적, 특히 장치를 가로지르는 낙차(fall head)(H), 장치에 의해 전달되는 파워(P) 또는 휠(2)의 회전 속도 ω을 고려할 수 있다.
변형예에 있어서, 핀들(20)은 평면 형상 이외의 형상을 가질 수 있다.

Claims (11)

  1. 수력 터빈(1), 상기 터빈에 물의 강제 흐름(E)을 공급하기 위한 공급 덕트(5), 상기 터빈으로부터 빠져나가는 상기 흐름을 제거하기 위한 배출 덕트(8), 및 상기 배출 덕트를 통해 상기 흐름을 안내하기 위한 안내 핀들(20)을 포함하는, 수력 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치(I)에 있어서,
    각각의 안내 핀(20)은 상기 배출 덕트의 벽(84)을 가로지르는 축선(X22)에 대해 회전하도록 장착되고,
    상기 장치에는 핀의 피봇 축선에 대해 상기 핀의 각도 위치(α)를 제어하기 위한 수단(10, 30)이 제공되고,
    각각의 피봇 가능하게 움직이는 핀(20)은 상기 배출 덕트(8)의 상기 벽(84) 내로 후퇴할 수 있고,
    상기 장치에는 상기 핀(20)이 상기 벽 내로 후퇴되는 정도(extent)를 조정하는 데 적합한 수단(21)이 제공되는 것을 특징으로 하는, 수력 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 수단(10, 30)은 상기 흐름(E)을 나타내는 적어도 하나의 파라미터(Q, ω, H, P)의 함수로서 상기 안내 핀(20)의 상기 각도 위치(α)를 설정하는 데 적합한 것을 특징으로 하는, 수력 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 또는 각각의 피봇 가능하게 움직이는 핀(20)은 상기 덕트의 내측에서, 상기 배출 덕트(8)의 상기 벽(84)으로부터 제거 가능한 것을 특징으로 하는, 수력 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 배출 덕트(8)의 상기 벽(84)의 상기 외측면(841)에의 접근을 허용하는 갤러리(100)가 더 제공되고, 상기 또는 각각의 핀(20)은 상기 갤러리에서, 상기 벽으로부터 제거 가능한 것을 특징으로 하는, 수력 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 핀(20)은 상기 벽에 고정된 부분(27)에 대해, 상기 핀의 상기 피봇 축선(X22)에 평행하게 슬라이드할 수 있게 장착되는 피스톤(21)에 고정되고,
    상기 핀 및 상기 피스톤을 포함하는 하위 부품(20-25)은 상기 핀의 상기 피봇 축선을 중심으로 회전 가능하게 장착되고,
    상기 하위 부품은 상기 핀의 상기 피봇 축선(X22)을 중심으로 상기 하위 부품을 회전 구동하기 위한 구동 수단(29, 30)과 협력하기 위한 수단(243)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 수력 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 가동 핀(20)은 그것의 피봇 축선(X22)의 양측 위에서 연장하는 것을 특징으로 하는, 수력 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치.
  7. 수력 터빈(1), 상기 터빈에 물의 강제 흐름(E)을 공급하기 위한 공급 덕트(5), 상기 터빈으로부터 빠져나오는 상기 흐름을 제거하기 위한 배출 덕트(8) 및 상기 배출 덕트를 통해 상기 흐름을 안내하기 위한 안내 핀들(20)을 포함하는, 수력 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치(I)를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 배출 덕트를 통해 상기 흐름(E)을 안내하기 위한 각각의 안내 핀(20)의 상기 배출 덕트(8)의, 벽(84)을 가로지르는 축선(X22)에 대해, 각도 위치(α)를 제어하는(S3) 것으로 구성되는 단계, 및
    각각의 가동 핀(20)이 상기 배출 덕트(8)의 상기 벽(84) 내로 후퇴되는 정도를 제어하는 것으로 구성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수압 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치를 제어하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 핀(20)의 상기 각도 위치는 상기 흐름(E)을 나타내는 적어도 하나의 파라미터((Q, ω, H, P)의 함수로서, 특히 상기 흐름(E)의 유량(Q)의 함수로서 제어되는 것을 특징으로 하는, 수압 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치를 제어하는 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 장치에는 상기 배출 튜브(8)의 상기 벽(84) 위에 분포되는 복수의 핀들(20)이 제공되고, 상기 핀들의 위치는 그룹화된 방식(grouped manner)으로 제어되는 것을 특징으로 하는, 수압 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치를 제어하는 방법.
  10. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 장치에는 상기 배출 튜브(8)의 상기 벽(84) 위에 분포되는 복수의 핀들(20)이 제공되고 각각의 핀의 위치는 개별적으로 제어 가능한 것을 특징으로 하는, 수압 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치를 제어하는 방법.
  11. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 가동 핀(20)이 상기 배출 덕트의 상기 벽(84) 내로 후퇴되는 상기 정도는 하위 부품(20-25)의 부분인 본체(22)에 제공되고 상기 핀에 고정되는 피스톤(21)에 의해 규정되는 체임버(C22)에 상기 공급 덕트(5)로부터 오는 가압수(pressurized water)를 공급하거나 공급하지 않음으로써 제어되는 것을 특징으로 하는, 수압 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치를 제어하는 방법.
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