KR20130095618A

KR20130095618A - 회동식 날개 수차구조물

Info

Publication number: KR20130095618A
Application number: KR1020120152656A
Authority: KR
Inventors: 홍문표
Original assignee: 홍문표
Priority date: 2012-02-18
Filing date: 2012-12-25
Publication date: 2013-08-28

Abstract

본 발명은 날개의 회동으로 조류가 이송되는 회동식 날개 수차구조물에 관한 것으로, 회전저항을 최소화하여 낮은 낙차에서도 변환효율이 높고 조류의 통과방향이 바뀌더라도 일 방향으로 회전하도록 하기 위하여, 날개(43)가 날개 턱(58)과 프레임(59) 사이에서 회동가능하도록 원형판(44) 외주변 또는 날개 팔(45) 사이에 경첩(48)으로 부착되어 상기 프레임(59)까지 밀려나 있던 날개(43)를 날개 턱(58)까지 밀어 형성된 공간에 실린 조류가 입수구 측 수차집(32)을 통과하는 동안 위치에너지가 회전에너지로 변환되고 배수구에 도달한 날개(43)는 자체 원심력과 배면으로 받는 입수구 측 수압으로 회전방향과 반대로 회동하여 조류가 이송된 상태로 배수구 측 수차집(32)을 통과하는 기전이 조류의 진입방향이 바뀌더라도 일 방향으로 회전하고 변환효율이 균일하여 복류식 발전이 가능하고, 수심에 따라 맞춤형이나 다단계 설치가능한 것을 특징으로 한다.

Description

회동식 날개 수차구조물{Hydraulic turbine apparatus of quarter rotating wings}

본 발명은 날개의 회동으로 조류가 이송되는 회동식(回動式) 날개 수차구조물에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 날개 턱과 프레임 사이에서 회동하도록 복수의 원형판 외주변 또는 날개 팔 끝에 경첩으로 결속된 날개를 수차샤프트 쪽으로 밀고 들어온 조류가 입수구 측 수차집을 통과하는 동안 위치에너지가 회전에너지로 변환되고 배수구에 도달한 날개는 조류와 날개 자체의 원심력 및 회전방향과 반대로 통과하는 조류로 회전방향과 반대로 젖혀지면서 조류를 밀어내고 날개 끝이 프

레임에 걸친 상태로 입수구로 회전하는 회동식 날개 수차구조물에 관한 것이다.

조력발전, 조류발전과 같이 낙차가 조차(潮差) 범위 이내로 좁고, 조류가 흐르는 방향과 수위 차가 수시로 변하는 조건에서는 조류가 회전축과 직각으로 통과하여 조류의 진입방향에 상관없이 일 방향으로 회전하고 낮은 낙차에서도 변환효율이 높아 복류식으로 발전할 수 있는 수차가 필요하다.

날개가 수차샤프트 또는 드럼 외주변에 고정된 물레방아를 수중에 세로축으로 설치하면 배수구가 노출되었을 때처럼 날개 사이에 실린 조류를 배수구에서 밀어내지 않으면 날개 뒤에 형성되는 음압으로 저항이 커서 회전속도가 느리고 회전에너지도 약하다.

그러므로 배수구 쪽이 항상 노출돼야 하지만 부력장치를 이용하지 않는 한 배수구가 항상 노출될 수 없고, 노출된 높이만큼 낙차가 좁아지며, 특히 조류발전에서는 배수구가 노출될 수 있을 정도의 낙차를 항상 확보할 수 없으므로, 날개 사이에 갇혀 배수구에 도달한 조류를 공기로 치환하는 것과 같은 기능을 수중에서도 발휘할 수 있어야 한다.

본 발명은 세로축으로 회전가능하게 고정된 수차의 원형판(44) 또는 날개 팔(45) 사이에 경첩(48)으로 결속된 날개(43)가 날개 턱(58)과 프레임(59) 사이에서 회동(回動)하고 수차(20)를 둘러싸서 입수구와 배수구가 형성되도록 수차집(32)을 설치하여 밖으로 젖혀진 날개(43)를 밀고 들어가 형성된 공간에 채워진 조류가 수차집(32)을 통과하는 동안 위치에너지가 회전에너지로 변환되고 배수구에 도달한 조류는 회동하는 날개에 의해 밀려나도록 하는 것이다.

날개가 결속되는 원형판의 지름이 클수록 평면이 변형될 수 있으므로 지름을 날개 턱과 날개 팔 부착이 가능한 넓이로 축소할 수 있지만 그대신 날개 팔 사이로 조류가 유출되지 않도록 수차덮개가 부착된다.

복류식 수차는 수심에 따라 수차기초부터 최저 수위 또는 평균 수위까지 맞춤형으로 제작되거나 일정한 규격으로 제작되어 수직형 교각으로 형성된 수로에 인양구를 통해서 다단계 설치되거나 인양되는데, 수면에서 구동부가 수차틀에 미리 고정되지 않으면 수중작업으로는 방수처리가 거의 불가능하고 구동부를 수차기초나 수로 중간에 고정하기도 쉽지 않다.

수차집이 없어도 조류 통과는 가능하지만 날개가 수로의 중심을 지나기 전에 조류가 미리 실려 수차의 회전방향과 반대로 통과하고 에너지가 충분히 변환하기 전에 원심력으로 이탈하며, 조류가 수차날개 외측으로도 통과가능하여 에너지변환효율이 떨어진다.

날개 사이에 위치에너지를 가진 조류를 싣고 수차집을 통과하는 것은 마치 벨트에 매달린 버킷(bucket)에 물을 담아 그 물의 무게로 밑으로 내려가도록 하고 바닥에서 버킷 밑을 열어 물을 쏟아내고 빈 버킷만 달려 올라오는 것과 같은 과정으로, 날개가 배수구에서 입수구로 돌아올 때는 날개 자체의 원심력과 회전방향과 반대로 흐르는 조류와의 충돌로 젖혀져서 수중에서 비스듬하게 회전하므로 회전저항이 거의 없다.

발전부하로 회전저항이 커지면 회전속도가 느려진 만큼 날개가 젖혀진 배수구 측 공간 및 날개 턱과 수차샤프트 사이 공간으로 많은 조류가 통과하겠지만, 배수구 측 공간이 도 1 및 도 3과 같이 배수구에 도달하자마자 젖혀지는 날개에 의해 출구가 좁아지므로 통과수량이 많지 않을 것이며, 날개 턱 안쪽으로 흐르는 조류는 유속이 날개보다 빠르고 날개 끝으로 배수되므로 변환효율이 낮지 않을 것이다.

또한, 조류는 유속이 빠를수록 직선으로 흐르려는 경향이 있고 유속이 갑자기 빨라지면 유속 주변에 음압이 형성(venturi 효과)되므로 갑자기 직각으로 꺾여 회전방향과 반대로 흐르는 조류는 오히려 감소할 수도 있다.

본 발명은 경첩으로 결속된 날개의 회동으로 위치에너지를 운동(회전)에너지로 변환하되, 회전저항을 최소화하여 낮은 낙차에서도 변환효율이 높고 조류의 통과방향이 바뀌더라도 일 방향으로 회전하여 복류식으로 발전가능한 회동식 날개 수차구조물을 개발하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 회동식 날개 수차구조물은 수차샤프트(27) 또는 상기 수차샤프트(27)와 동축(同軸)을 가지도록 복수의 중격판(47)으로 결속된 드럼(42) 중 어느 하나에 부착된 복수의 원형판(44):

상기 원형판(44) 외 주변에 상기 수차샤프트(27) 길이방향으로 고정된 경첩 축(49)에 파이프형 경첩(48)으로 결속되어 상기 원형판(44) 사이에서 회동하는 복수의 날개(43):

상기 날개(43)와 상기 수차샤프트(27) 또는 상기 드럼(42) 사이에 조류 통과공간이 형성되도록 상기 원형판(44)에 상기 수차샤프트(27) 길이방향으로 고정된 복수의 날개 턱(58)과 상기 날개(43)의 회동 폭(幅)이 제한되도록 상기 원형판(44) 외주변에 고정된 원형 프레임(59)으로 구성된 회동식 날개 수차(20);

상기 회동식 날개 수차(20)가 수차기초로 보강되고 상단이 인양구를 가진 상판으로 연결되며 벽면에 수차홈(34)을 가진 교각(65)으로 형성된 수로에 세로축으로 수용되도록 상기 수차샤프트(27)가 방수장치를 가진 구동부로 회전가능하게 고정된 수차틀(33);

상기 회동식 날개 수차(20)를 둘러싸서 입수구와 배수구가 상기 수로 중앙에 형성되거나 회전방향으로 치우쳐 형성되도록 상기 교각(65)과 일체형으로 축조되거나 상기 수차틀(33)에 부착된 한 쌍의 수차집(32)이 포함되되;

입수구에서 상기 날개 턱(58)으로 회동하면서 위치에너지를 가진 조류를 실은 상기 날개(43)가 입수구 측 수차집(32)을 통과하는 동안 상기 조류의 이탈을 차단함으로써 에너지변환효율을 높이고, 배수구를 통과하는 동안 상기 날개(43) 자체의 원심력과 회전방향과 반대로 통과하는 조류에 의해 상기 프레임(58)까지 젖혀져서 일 방향으로 회전하는 것을 특징으로 한다.

상기 회동식 날개 수차(20)는 상기 경첩축(49) 및 상기 프레임(59)이 고정된 복수의 날개팔(45)과, 상기 수차샤프트(27) 또는 상기 드럼(42)에 부착되고 상기 날개팔(45)과 상기 날개턱(58)이 고정된 복수의 소형 원형판(44a)과, 조류가 상기 날개팔(45) 사이로 유출되지 않도록 상기 수차틀(33) 상단과 하단에 부착된 복수의 수차덮개(35)를 가진 수차구조물로 변형가능한 것을 특징으로 한다.

상기 날개(43)는 평면 또는 호형 각도가 조류의 충격으로 변형되지 않도록 격자형 골격을 가지거나 외주면에 복수의 보강대(43a)가 부착된 것을 특징으로 한다.

상기 경첩 축(49)과 상기 파이프형 경첩(48)은 부식이 예방되고 윤활성이 개선되도록 PVC로 피복되거나 지름이 서로 다른 2종의 PVC 파이프가 상기 경첩축(49)과 상기 파이프 경첩(48) 사이에 회전가능하게 삽입된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 에너지 유출이 적어 낮은 낙차에서도 변환효율이 높고, 조류의 진입방향에 상관없이 일 방향으로 회전하므로 복류식 발전이 가능하며, 세로축으로 설치되어 수심을 최대한 활용할 수 있을 뿐만 아니라 발전기가 수면에 노출되고 상판에서 설치 및 인양이 가능하여 보수관리가 편리하다.

제 1도는 날개가 원형판 외주변에 결속된 회동식 날개 수차구조물 평면도
제 2도는 날개가 원형판 사이에 다단계 결속된 회동식 날개 수차 입면도
제 3도는 날개가 날개 팔에 결속된 회동식 날개 수차 평면도.
제 4도는 날개가 날개 팔에 다단계 결속된 회동식 날개 수차 입면도.
제 5도는 도 1 및 도 3에 점선으로 표시된 부분(A)의 호형 날개 단면도.
제6도는 보호대로 보강된 평면형 날개 단면도

이하 도면을 참조하여 바람직한 실시 예에 따른 회동식 날개 수차구조물에 대하여 설명한다.

도 1은 날개(43)가 원형판에 결속된 회동식 날개 수차가 수직형 교각(65)으로 형성된 수로에 수용된 것을 도시한 평면도이고, 도 2는 복수의 원형판(44) 사이에 날개(43)가 다단계 결속된 상기 회동식 날개 수차구조물 입면도이며, 도 3은 날개(43)가 날개 팔(45)에 결속된 회동식 날개 수차가 교각(65)으로 형성된 수로에 수용된 것을 도시한 평면도이고, 도 4는 다단계로 부착된 날개 팔(45)에 날개(43)가 다단계 결속된 상기 회동식 날개 수차구조물 입면도이다.

회동식 날개 수차(20)는 수차샤프트(27) 또는 수차샤프트(27)와 동 축(同軸)을 가지도록 복수의 중격판(47)으로 부착된 드럼(42)에 균일한 간격으로 고정된 복수의 원형판(44) 사이에 복수의 호형 또는 평면형 날개(43)가 원형판(44) 외주변 또는 소형 원형판(44a)에 방사형으로 회전반경까지 연장되도록 부착된 복수의 날개 팔(45) 끝에 고정된 경첩 축(49)에 파이프형 경첩(48)으로 결속된다.

도 5는 도 1 및 도 3의 점선으로 표시된 A부분에서 보호대(43a)로 보강된 호형 날개(43)의 부착 상세도, 도 6은 보호대(43a)로 보강된 평면 날개(43)의 부착 상세도로, 날개(43)가 입수구 측 수차집(32)을 통과할 때 조류의 충격으로 호형 각도가 좁아지거나 평면 날개(43)가 변형되지 않도록 날개(43)마다 전면에 복수의 보강대(43a)가 부착된다.

날개(43)가 부드럽게 회동하고 부식이 예방되도록 경첩 축(49) 표면과 파이프형 경첩(48) 내면이 PVC 재질로 피복되거나 상기 파이프 경첩(48)에 삽입 가능한 PVC 파이프와 상기 PVC 파이프 내에서 회전가능하도록 작은 PVC 파이프가 상기 파이프 경첩(48)과 경첩 축(49) 사이에 삽입된다.

날개(43)가 수차샤프트(27) 또는 드럼(42)과 수차의 회전반경 사이에서 회동하되, 날개(43)와 수차샤프트(27) 또는 드럼(42) 사이로 조류 통과가 가능한 공간이 형성되도록 날개(43)와 동수의 날개 턱(58)이 원형판에 수차샤프트 길이방향으로 부착되고, 날개(43) 회동 폭(回動幅)이 회전반경 안으로 제한되도록 원형 프레임(frame)(59)이 원형판(44) 외주변 또는 날개 팔(45) 끝에 결속된다.

도 2 및 도 4와 같이 하단이 수차기초로 연결되고 상단에서 인양구를 가진 발전소 상판으로 연결되며 벽면에 수차홈(34)을 가진 교각(65)으로 형성된 수로에 회동식 날개 수차(20)가 세로 축으로 수용되도록 수차샤프트(27)가 수차틀(33)에 방수장치로 회전가능하게 고정되고, 1쌍의 수차집(32)이 회동식 날개 수차(20)를 둘러싸서 입수구와 배수구가 회전방향으로 치우쳐 형성되도록 교각(65)과 일체형으로 축조되거나 수차틀(33)에 부착되며, 날개 팔(45)을 가진 회동식 날개 수차는 조류가 날개 팔(45) 사이로 유출되지 않도록 도 3에 도시된 바와 같이 수차틀(33) 상단과 하단에 트랙(track)형 수차덮개(35)가 부착된다.

도 1, 및 도 3에 도시된 바와 같이 프레임(59)까지 젖혀졌던 날개(43)를 날개 턱(58)까지 밀치면서 화살표 방향으로 진입된 조류가 날개(43)에 실려 배수구 쪽으로 유동(流動)하는 동안 원심력으로 이탈하지 못하도록 수차집(32)과 상하 원형판(44) 또는 수차덮개(35)로 차단되어 통과수량이 가지고 있는 위치에너지가 운동에너지로 변환되고, 일부 조류가 날개 턱(45)과 수차샤프트(27) 또는 드럼(42) 사이 공간으로 통과하지만 배수구에서 날개(43) 사이로 빠져나가며, 배수구를 지나는 날개(43) 자체의 원심력과 회전방향과 반대로 흐르는 조류의 유속으로 프레임(59)까지 젖혀진 상태로 배수구 측 수차집(32)을 통과하므로 회전저항 요인이 되는 조류와의 충돌이나 음압 형성이 거의 없다.

다만, 발전기 부하로 회전속도가 느려지는 만큼 입수구의 수위가 상승하여 회전방향과 반대로의 통과수량이 증가하지만, 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 날개가 젖혀져 형성된 공간의 출구 대부분이 프레임(59) 쪽으로 회동한 날개(43)로 막혀있으므로 회전속도가 느려질 정도로 반대로의 통과수량이 증가하지는 않는다.

특히 회동식 날개 수차구조물이 수차샤프트(27)를 중심으로 대칭으로 형성되고 조류가 수차샤프트(27)와 직각으로 통과하므로 조류가 반대방향에서 진입하더라도 회전방향이 일 방향이고 낙차 또는 유속과 상관없이 양방향 통과수량 비율이 일정하므로 낮은 낙차에서도 에너지변환효율이 높고 균일한 것을 특징으로 한다.

20; 회동식 날개 수차 27; 수차샤프트 32; 수차집
33; 수차틀 34; 수차홈 35; 수차덮개
36; 수문 37; 수문홈 42; 드럼
43; 날개 43a; 날개 보호대 44; 원형판
44a; 소형 원형판 45; 날개 팔 47; 중격판
48; 파이프 경첩 48a; 경첩 49; 경첩축
50; 베어링 51; 베어링집 58; 날개턱
59; 프레임(frame) 65; 교각 68; 상판
100; 입수조류 101; 배수조류

Claims

수차샤프트(27) 또는 상기 수차샤프트(27)와 동축(同軸)을 가지도록 복수의 중격판(47)으로 결속된 드럼(42) 중 어느 하나에 부착된 복수의 원형판(44):
상기 원형판(44) 외 주변에 상기 수차샤프트(27) 길이방향으로 고정된 경첩 축(49)에 파이프형 경첩(48)으로 결속되어 상기 원형판(44) 사이에서 회동하는 복수의 날개(43):
상기 날개(43)와 상기 수차샤프트(27) 또는 상기 드럼(42) 사이에 조류 통과공간이 형성되도록 상기 원형판(44)에 상기 수차샤프트(27) 길이방향으로 고정된 복수의 날개 턱(58)과 상기 날개(43)의 회동 폭(幅)이 제한되도록 상기 원형판(44) 외주변에 고정된 원형 프레임(59)으로 구성된 회동식 날개 수차(20);
상기 회동식 날개 수차(20)가 수차기초로 보강되고 상단이 인양구를 가진 상판으로 연결되며 벽면에 수차홈(34)을 가진 교각(65)으로 형성된 수로에 세로축으로 수용되도록 상기 수차샤프트(27)가 방수장치를 가진 구동부로 회전가능하게 고정된 수차틀(33);
상기 회동식 날개 수차(20)를 둘러싸서 입수구와 배수구가 상기 수로 중앙에 형성되거나 회전방향으로 치우쳐 형성되도록 상기 교각(65)과 일체형으로 축조되거나 상기 수차틀(33)에 부착된 한 쌍의 수차집(32)이 포함되되;
입수구에서 상기 날개 턱(58)으로 회동하면서 위치에너지를 가진 조류를 실은 상기 날개(43)가 입수구 측 수차집(32)을 통과하는 동안 상기 조류의 이탈을 차단함으로써 에너지변환효율을 높이고, 배수구를 통과하는 동안 상기 날개(43) 자체의 원심력과 회전방향과 반대로 통과하는 조류에 의해 상기 프레임(58)까지 젖혀져서 일 방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 회동식 날개 수차구조물.
청구항 1에 있어서,
상기 회동식 날개 수차(20)는 상기 경첩축(49) 및 상기 프레임(59)이 고정된 복수의 날개팔(45)과, 상기 수차샤프트(27) 또는 상기 드럼(42)에 부착되고 상기 날개팔(45)과 상기 날개턱(58)이 고정된 복수의 소형 원형판(44a)과, 조류가 상기 날개팔(45) 사이로 유출되지 않도록 상기 수차틀(33) 상단과 하단에 부착된 복수의 수차덮개(35)를 가진 수차구조물로 변형가능한 것을 특징으로 하는 회동식 날개 수차구조물.
청구항 1에 있어서,
상기 날개(43)는 평면 또는 호형 각도가 조류의 충격으로 변형되지 않도록 격자형 골격을 가지거나 외주면에 복수의 보강대(43a)가 부착된 것을 특징으로 하는 회동식 날개 수차구조물.
청구항 1에 있어서,
상기 경첩 축(49)과 상기 파이프형 경첩(48)은 부식이 예방되고 윤활성이 개선되도록 PVC로 피복되거나 지름이 서로 다른 2종의 PVC 파이프가 상기 경첩축(49)과 상기 파이프 경첩(48) 사이에 회전가능하게 삽입된 것을 특징으로 하는 회동식 날개 수차구조물.