KR20120033315A - 수력학적 에너지 절약형 냉각탑의 직결 저속 소형 혼류식 수력 터빈용 회전 휠 - Google Patents

수력학적 에너지 절약형 냉각탑의 직결 저속 소형 혼류식 수력 터빈용 회전 휠 Download PDF

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Abstract

수력학적 에너지 절약형 냉각탑의 직결 저속 소형 혼류식 수력 터빈용 회전 휠은 상부 크라운(1), 하부 링(3) 및 상기 상부 크라운(1)과 하부 링(3) 사이에 장착된 곡면 블레이드(2)를 포함하고 상기 블레이드(2)의 입수변(4)의 높이 h 대 입수변(4)에 대응하는 직경 D1의 비율은 0.18 ~ 0.22이고, 블레이드(2)의 총 높이 H 대 직경 D1의 비율은 0.35 ~ 0.42이고, 출수변(5)과 하부 링(3)의 교점 A에 대응하는 직경 D2 대 직경 D1의 비율은 0.4 ~ 0.6이고, 출수변(5)과 상부 크라운의 교점 B에 대응하는 직경 D3 대 직경 D1의 비율은 0.3 ~ 0.45이고, 상부 크라운(1) 상의 원형 배수 플랫폼이 위치하는 곳의 직경 D4 대 직경 D1의 비율은 0.1 ~ 0.2이고, 상기 직경 D1과 냉각 팬 블레이드의 회전 속도의 관계는
Figure pct00004
이다. 본 발명은 구조가 간단하고, 설계 장착이 간편하고, 에너지 전환 효율이 높은 장점이 있다.

Description

수력학적 에너지 절약형 냉각탑의 직결 저속 소형 혼류식 수력 터빈용 회전 휠 {ROTATING WHEEL USED FOR DIRECT-CONNECTION LOW-SPEED SMALL-SCALE MIXED-FLOW HYDROTURBINE OF HYDRODYNAMIC ENERGY-SAVING COOLING TOWER}
본 발명은 냉각탑에 관한 것이고, 특히 냉각탑 구동용 수력 터빈의 회전 휠에 관한 것이고, 구체적으로 감속 박스를 갖지 않고, 수력 터빈 회전 휠의 합리적인 설계에 의해 수력 터빈의 출력 회전 속도가 송풍기 회전 속도의 정격 값이 되게 함으로써 전통적인 반작용식 수력 터빈에 사용되는 감속 박스를 생략한 수력학적 에너지 절약형 냉각탑의 직결 저속 소형 혼류식 수력 터빈용 회전 휠에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이, 에너지 절약 목적을 실현하기 위하여 종래의 에어컨 냉각탑에 있어서 수력 터빈으로 냉각 송풍기를 구동하게 되었고, 냉각탑 순환 수류의 에너지를 충분히 이용하여 이를 수력 터빈의 구동력으로 전환하고, 수력 터빈을 통해 물 에너지를 회전 기계 에너지로 변환시켜 냉각 송풍기를 구동함으로써 전통적인 고출력 냉각 모터를 생략하므로 에너지 절약 효과가 아주 현저하다.
현재 공업용 에어컨 냉각탑의 순환수 부유 수두(abundant water head)는 일반적으로 4m ~ 15m 사이에 있고, 배수관(distributing water pipe)이 있는 곳은 0.5m ~ 1m의 압력 수두가 필요하다. 따라서 이 부분의 순환수 부유 수두를 회수하는 수력 터빈은 배압이 있는 환경에서 작동되나, 냉각탑 송풍기의 회전 속도가 비교적 낮으므로 냉각탑의 송풍기와 직결하기 위하여, 반드시 저속 환류식 수력 터빈을 선택해야 한다. 그러나 현재 수력 터빈 모델 중에는 이러한 작동 환경을 만족시키는 냉각 송풍기와 직결되는 저속 환류식 수력 터빈이 아직 없고, 감속 박스를 통해 통상의 환류식 수력 터빈을 냉각탑의 송풍기와 서로 연결하는 구동 모드를 사용해야 한다. 그러나 감속 박스의 작동 조건이 비교적 열악하므로 소음이 클 뿐만 아니라 수명이 짧으며, 제조 원가도 상응하게 높아진다. 따라서 이러한 작동 환경을 만족시키는 단위 회전 속도가 저속이고, 냉각탑의 송풍기와 직결되는 환류식 수력 터빈을 설계하는 것은 중대한 현실적인 의의를 지니고 있다.
본 발명의 목적은 종래의 냉각탑 수력 터빈의 출력축이 감속 박스를 통해서야 비로소 팬 블레이드를 구동할 수 있기 때문에 소음이 크고, 쉽게 고장이 발생하며, 제조 원가가 높은 문제를 해결하기 위해, 수력학적 에너지 절약형 냉각탑에 응용되는 직결 저속 소형 환류식 수력 터빈의 회전 휠을 설계하여, 최종적으로 기어 감속 전동기구를 생략하는 것이다.
본 발명의 수력학적 에너지 절약형 냉각탑의 직결 저속 소형 혼류식 수력 터빈용 회전 휠(러너)은,
상부 크라운(1, upper crown), 하부 링(3, lower ring) 및 상기 상부 크라운(1)과 하부 링(3) 사이에 장착된 곡면 블레이드(2, curved surface blade)를 포함하고, 상기 곡면 블레이드(2)의 일단은 입수변(water inlet edge, 4)이고, 상기 입수변(4)은 회전 휠의 고압 측이며, 수류의 방사 방향 유입 측이기도 하고, 상기 곡면 블레이드(2)의 타단은 출수변(water outlet edge, 5)이고, 상기 출수변은 회전 휠의 저압 측이며, 수류의 축 방향 유출 측이기도 하고, 출수변(5)과 하부 링(3)의 연결점은 A이고, 블레이드의 출수변(5)과 상부 크라운(1)의 연결점은 B이며, 상기 블레이드(2)의 입수변(4)의 높이 h 대 입수변(4)에 대응하는 직경 D1의 비율은 0.18 ~ 0.22이고, 블레이드(2)의 총 높이 H 대 직경 D1의 비율은 0.35 ~ 0.42이고, 출수변(5)과 하부 링(3)의 교점 A에 대응하는 직경 D2 대 직경 D1의 비율은 0.4 ~ 0.6이고, 출수변(5)과 상부 크라운의 교점 B에 대응하는 직경 D3 대 직경 D1의 비율은 0.3 ~ 0.45이고, 상부 크라운(1) 상의 원형 배수 플랫폼이 위치하는 곳의 직경 D4 대 직경 D1의 비율은 0.1 ~ 0.2이고, 상기 직경 D1 대 냉각 팬 블레이드의 회전 속도의 관계는
Figure pct00001
이고, 여기서 n11은 상수이고 단위 회전 속도라 칭하며, 그 값의 범위는 28 ~ 42이고, n은 냉각 팬 블레이드의 정격 회전 속도이고, H는 탑에 유입되는 물의 수압(수주를 단위로 함: m)인 것을 특징으로 한다.
상기 곡면 블레이드(2)의 수량은 16 ~ 20개이고, 블레이드의 최소 두께 대 최대 두께의 비율은 0.28 ~ 0.34이다.
본 발명에 의하면 냉각탑용 수력 터빈의 감속 박스를 최종적으로 생략할 수 있으며, 본 발명에 의해 설계된 회전 휠을 이용하면 사용 요구를 전적으로 만족시킬 수 있고, 시험을 통해 본 발명의 회전 휠을 장착한 수력 터빈의 출력 회전 속도는 사용 요구를 전적으로 만족시킬 수 있으며, 회전 속도의 맥동 범위가 비교적 작다는 것이 증명되었다.
본 발명은 구조가 간단하고, 장착 및 사용이 모두 아주 편리하다.
본 발명은 냉각탑용 수력 터빈의 특징에 맞추어, 단위 회전 속도 n11을 전통 반작용식 수력 터빈을 실제 응용할 때의 80 이상에서 28 ~ 42 사이로 획기적으로 낮추는 동시에 상기 단위 회전 속도에 근거하여 수력 터빈 효율에 영향을 주는 결정적인 소자의 가이드 베인의 곡선 방정식을 확정하고, 대량의 계산과 실험을 거쳐 회전 휠 사이즈와 블레이드 입수변 사이즈 D1 사이의 관계를 제시하고, 동시에 D1과 냉각 팬 회전 속도 사이의 관계를 제시하여 회전 휠의 합리적인 설계를 위한 빠르고 편리한 경로를 제공한다.
단위 회전 속도가 28 ~ 42일 때 확정된 블레이드 입수변 사이즈 D1에 의해, 확정한 회전 휠의 사이즈만이 수력 터빈의 전체 효율을 86% 좌우로 유지할 수 있고, 42보다 크거나 또는 28보다 작을 경우, 그 효율은 급격히 떨어진다는 것을 시험을 통해 확인했다.
도 1은 본 발명의 회전 휠의 입체구조를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 회전 휠 각 부분 사이즈를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 곡면 블레이드의 입체 구조를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 곡면 블레이드의 3차원 투영도이다.
이하, 도면과 실시예를 결합하여 본 발명에 대해 추가 설명한다.
도 2에 도시한 바와 같은 수력학적 에너지 절약형 냉각탑에 응용되는 직결 저속 소형 환류식 수력 터빈용 회전 휠(러너, runner)은, 도 1에 도시한 바와 같이, 상부 크라운(1), 하부 링(3) 및 상기 상부 크라운(1)과 하부 링(3) 사이에 장착된 수량이 16개 ~ 20개인 곡면 블레이드(2)를 포함하고, 도 3, 도 4에 도시한 바와 같이 곡면 블레이드(2)는 날개형 구조이다. 블레이드의 날개형 최소 두께 대 최대 두께의 비율은 0.28 ~ 0.34이고, 상기 곡면 블레이드(2)의 일단은 입수변(4)이고, 상기 입수변(4)은 회전 휠의 고압 측이며, 수류의 방사 방향 유입 측이기도 하다. 상기 곡면 블레이드(2)의 타단은 출수변(5)이고, 상기 출수변은 회전 휠의 저압 측이며, 수류의 축 방향 유출 측이기도 하다. 출수변(5)과 하부 링(3)의 연결점은 A이고, 블레이드 출수변(5)과 상부 크라운(1)의 연결점은 B이고, 상기 곡면 블레이드(2)의 날개형 최소 두께 대 최대 두께의 비율은 0.28 ~ 0.34이고, 곡면 블레이드(2)의 사이즈 및 전체 회전 휠의 관련 부분의 사이즈 관계는, 도 2에 도시한 바와 같이 입수변(4)의 높이 h 대 입수변(4)에 대응하는 직경 D1의 비율은 0.18 ~ 0.22이고, 블레이드(2)의 총 높이 H 대 직경 D1의 비율은 0.35 ~ 0.42이고, 출수변(5)과 하부 링(3)의 교점 A에 대응하는 직경 D2 대 직경 D1의 비율은 0.4 ~ 0.6이고, 출수변(5)과 상부 크라운의 교점 B에 대응하는 직경 D3 대 직경 D1의 비율은 0.3 ~ 0.45이고, 상부 크라운(1) 상의 원형 배수 플랫폼이 위치하는 곳의 직경 D4 대 직경 D1의 비율은 0.1 ~ 0.2이다. 입수변 직경 D1과 냉각 팬 블레이드의 회전 속도의 관계는
Figure pct00002
이고, 여기서 n11은 상수이고, 단위 회전 속도라 칭하고, 그 값의 범위는 28 ~ 42이고, n은 냉각 팬 블레이드의 정격 회전 속도이고, H는 탑에 유입되는 물의 수압(수주(水柱)를 단위로 함: m)이다.
구체적으로 실시할 때 냉각탑 송풍기 블레이드의 회전 속도가 일단 결정되면, 다시 사용 환경에 따라 n11값을 선정한다. n11값을 선정할 때 일반적으로 남방에서는 높게 선정하고 북방에서는 낮게 선정해야 하며, 다수의 경우 35를 선택하는 것이 적절하고, 그 다음 탑에 유입되는 물의 수압 H에 의해 D1의 값을 바로 확정할 수 있고, 마지막으로 D1의 값에 근거하여 곡면 블레이드, 상부 크라운 및 하부 링의 각 부분 사이즈를 확정하면 정격 회전 속도 요구를 만족시키는 회전 휠을 얻을 수 있다.
이하는 몇 개의 구체적인 계산 예이다.
예 1
n11이 35이고, 탑에 유입되는 수압 H가 13m이고, 송풍기 블레이드의 정격 회전 속도 n이 136r/min이면, D1은 0.928m이며, 설계한 곡면 블레이드의 형상은 도 3, 도 4에 도시한 바와 같다. 장착하여 실측한 송풍기 블레이드의 회전 속도는 137r/min이므로 설계 요구에 부합한다.
예 2
n11이 30이고, 탑에 유입되는 수압 H가 15m이고, 송풍기 블레이드의 정격 회전 속도 n이 140r/min이면, D1은 0.830m이며, 설계한 곡면 블레이드의 형상은 도 3, 도 4에 도시한 바와 같다. 장착하여 실측한 송풍기 블레이드의 회전 속도는 138r/min이므로 설계 요구에 부합한다.
예 3
n11이 40이고, 탑에 유입되는 수압 H가 15m이고, 송풍기 블레이드의 정격 회전 속도 n이 130r/min이면, D1은 1.192m이며, 설계한 곡면 블레이드의 형상은 도 3, 도 4에 도시한 바와 같다. 장착하여 실측한 송풍기 블레이드의 회전 속도는 131r/min이므로 설계 요구에 부합한다.
예 4
n11이 28이고, 탑에 유입되는 수압 H가 13m이고, 송풍기 블레이드의 정격 회전 속도 n이 136r/min이면, D1은 0.742m이며, 설계한 곡면 블레이드의 형상은 도 3, 도 4에 도시한 바와 같다. 장착하여 실측한 송풍기 블레이드의 회전 속도는 130r/min이므로 설계 요구에 부합한다.
예 5
n11이 42이고, 탑에 유입되는 수압 H가 10m이고, 송풍기 블레이드의 정격 회전 속도 n이 140r/min이면, D1은 0.949m이며, 설계한 곡면 블레이드의 형상은 도 3, 도 4에 도시한 바와 같다. 장착하여 실측한 송풍기 블레이드의 회전 속도는 145r/min이므로 설계 요구에 부합한다.
예 6
n11이 27이고, 탑에 유입되는 수압 H가 13m이고, 송풍기 블레이드의 정격 회전 속도 n이 136r/min이면, D1은 0.712m이며, 설계한 곡면 블레이드의 형상은 도 3, 도 4에 도시한 바와 같다. 장착하여 실측한 송풍기 블레이드의 회전 속도는 110r/min이므로 설계 요구에 부합하지 않는다.
예 7
n11이 43이고, 탑에 유입되는 수압 H가 10m이고, 송풍기 블레이드의 정격 회전 속도 n이 140r/min이면, D1은 0.969m이며, 설계한 곡면 블레이드의 형상은 도 3, 도 4에 도시한 바와 같다. 장착하여 실측한 송풍기 블레이드의 회전 속도는 120r/min이므로 설계 요구에 부합하지 않는다.
당업자에게 있어서, 본 발명이 제공한 블레이드와 회전 휠 사이의 각 파라미터의 관계, 및 블레이드 입수변 직경과 단위 회전 속도 및 수두, 송풍기 블레이드 회전 속도 사이의 관계를 참조하면, 아주 간단하게 나무 모형을 얻을 수 있고, 그 다음 나무모형에 근거하여 직접 또는 다소 수정 후 이상적인 전환 구조를 설계하여 얻을 수 있다.
본 발명에서 언급되지 않은 부분은 모두 종래기술과 동일하거나 또는 종래기술을 사용하여 실현할 수 있다.
1: 상부 크라운 2: 곡면 블레이드
3: 하부 링 4: 입수변
5: 출수변

Claims (2)

  1. 상부 크라운(1), 하부 링(3), 및 상기 상부 크라운(1)과 하부 링(3) 사이에 장착된 곡면 블레이드(2)를 포함하고, 상기 곡면 블레이드(2)의 일단은 입수변(4)이고, 상기 입수변(4)은 회전 휠의 고압 측이며, 수류의 방사 방향 유입 측이기도 하고, 상기 곡면 블레이드(2)의 타단은 출수변(5)이고, 상기 출수변은 회전 휠의 저압 측이며, 수류의 축 방향 유출 측이기도 하고, 상기 출수변(5)과 하부 링(3)의 연결점은 A이고, 블레이드 출수변(5)과 상부 크라운(1)의 연결점은 B인, 수력학적 에너지 절약형 냉각탑의 직결 저속 소형 혼류식 수력 터빈용 회전 휠에 있어서,
    상기 블레이드(2)의 입수변(4)의 높이 h 대 입수변(4)에 대응하는 직경 D1의 비율은 0.18 ~ 0.22이고,
    상기 블레이드(2)의 총 높이 H 대 직경 D1의 비율은 0.35 ~ 0.42이고,
    상기 출수변(5)과 하부 링(3)의 교점 A에 대응하는 직경 D2 대 직경 D1의 비율은 0.4 ~ 0.6이고,
    상기 출수변(5)과 상부 크라운의 교점 B에 대응하는 직경 D3 대 직경 D1의 비율은 0.3 ~ 0.45이고,
    상기 상부 크라운(1) 상의 원형 배수 플랫폼 위치하는 곳의 직경 D4 대 직경 D1의 비율은 0.1 ~ 0.2이고,
    상기 직경 D1 대 냉각 팬 블레이드의 회전 속도의 관계는
    Figure pct00003
    이고, 여기서 D1은 입수변(4)에 대응하는 직경이고, 직경 D1의 단위는 m이고, n11은 상수로서 단위 회전 속도이며, 그 값의 범위는 28 ~ 42이고, n은 냉각 팬 블레이드의 정격 회전 속도이고, 정격 회전 속도 n의 단위는 r/min, H는 탑에 유입되는 수압이고, 수압의 단위는 m 수주(水柱)인
    것을 특징으로 하는 수력학적 에너지 절약형 냉각탑의 직결 저속 소형 혼류식 수력 터빈용 회전 휠.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 곡면 블레이드(2)의 수량은 16 ~ 20개이고, 블레이드의 날개형 최소 두께 대 최대 두께의 비율은 0.28 ~ 0.34인 것을 특징으로 하는 수력학적 에너지 절약형 냉각탑의 직결 저속 소형 혼류식 수력 터빈용 회전 휠.
KR1020117031152A 2009-05-27 2010-05-25 수력학적 에너지 절약형 냉각탑의 직결 저속 소형 혼류식 수력 터빈용 회전 휠 KR101327341B1 (ko)

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