KR20140035338A - 핀, 및 핀을 포함하는 수력 에너지 변환 장치 - Google Patents

핀, 및 핀을 포함하는 수력 에너지 변환 장치 Download PDF

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KR20140035338A
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Abstract

본 발명의 핀(20)은 수력 기계의 배출 파이프 내부에 돌출되는 방식으로 설치될 것으로 의도된 것이다. 상기 핀(20)은 구멍들이 구비된 제1 면과 중실의 제2 면을 포함한다. 상기 핀(20) 자체는 제1 면과 제2 면 사이에 공동(C20)을 형성하고, 이 공동은 배출 파이프의 외부를 제1 면에 있는 구멍들에 연결시킨다.

Description

핀, 및 핀을 포함하는 수력 에너지 변환 장치{Fin and installation for converting hydraulic energy comprising such a fin}
본 발명은 수력 에너지를 전기 에너지 또는 기계 에너지로 변환시키는 장치에 관한 것인바, 그 장치는 수력 터빈(hydraulic turbine), 수력 터빈에 물의 강제 유동을 전달하는 파이프, 및 강제 유동이 수력 터빈을 떠날 때 그 유동을 배출하는 파이프를 포함한다.
수력 에너지로부터 전기 또는 기계 에너지를 생산하는 그러한 장치에서, 어려운 점들 중의 하나는 물 배출 파이프 내에 용해된 산소의 레벨을 제어하는 것이다. 환경의 이유 때문에, 상기 산소 레벨이 상기 장치의 하류에서의 수중 환경을 지키기 위한 최소 문턱값보다 낮으면 안된다.
그러나, 상기 산소 레벨은 계절의 경과에 따라서 달라지기 때문에 산소 레벨을 제어하는 것은 어렵다. 겨울에는 녹은 눈으로부터 얻어지기 때문에 물에 산소가 많은 경향이 있다. 한편, 여름에는 상기 장치의 상류에서 물이 원활하게 흐르지 못하는 경향이 있으며, 그 물은 상기 최소 문턱값을 지키기에는 너무 낮은 레벨의 용존 산소를 갖는다.
미국 특허문헌 US-A-2 300 748 및 US-A-4 142 825 는 터빈으로부터 배출된 물의 유동을 배출시키는 배출 파이프를 포함하는 수력 장치에 관한 것이다. 배출 파이프의 내부에는 중공의 리브(rib)들이 구비되어 있다. 도관은 가압된 공기를 그 리브들로 전달한다. 이 공기는 리브들에 형성된 구멍들에 의하여 터빈으로부터의 배출부에서 물 안으로 주입된다. 이 장치는 리브들 안으로 가압 공기를 주입하기 위한 보조적인 장치를 이용할 것을 필요로 한다.
본 발명은 수력 기계의 배출 파이프 내측에 돌출되게 설치되도록 의도된 핀을 제안함으로써 위와 같은 문제를 해결함을 목적으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 핀은 구멍들을 포함하는 제1 면과 속이 찬, 즉 중실의(solid) 제2 면을 포함한다. 상기 핀은 그 자체로서 제1 면과 제2 면 사이에 공동을 한정하는바, 그 공동은 배출 파이프의 외부를 제1 면에 있는 구멍들에 연결시킨다.
본 발명에 의하면, 상기 핀들의 각도 위치는 유동을 향하는 핀의 측부에 과압(overpressure)을 생성시키고 그 반대의 측부에는 부압(negative pressure)을 생성시키도록 결정된다. 이 부압은 배출 파이프 외부의 공기를 상기 핀들의 구멍들을 통해 자동적으로 빨아들여서 상기 배출되는 물 안으로 상기 흡입된 공기가 주입되도록 하므로, 가압된 공기를 공급하기 위한 어떤 능동적인 장치를 사용할 필요가 없다. 또한, 상기 장치를 통과하는 물의 유동 안에 용해시키고자 하는 공기의 양을 달리하기 위하여, 상기 핀들의 각도 방향을 변화시키는 것이 가능하다.
나아가, 터빈으로부터 배출되는 유동에 존재하는 임의의 회전 성분을 고려함으로써 상기 핀들은 소위 "플레어(flares)"라고 불리는 난류 또는 와류의 형성을 저감시키는 데에 이용될 수도 있는바, 이것은 배출 파이프 내의 유동을 안정화시킨다.
본 발명의 필수적이지 않으나 유리한 사항들에 따르면, 상기 장치는 기술적으로 가능한 임의의 조합형태로 하기의 구성들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
- 상기 핀의 제1 면이 편평한 구성;
- 상기 핀의 제2 면이 편평한 구성;
- 상기 핀의 제1 면 및 제2 면이 평행한 구성;
- 상기 핀의 제1 면과 상기 핀의 제2 면이 대향되고, 상기 핀의 중간면의 양측에 배치되는 구성.
또한 본 발명은 수력 에너지를 전기 에너지를 변환하는 장치에 관한 것으로서, 수력 기계; 수력 기계에 물의 강제 유동을 공급하는 파이프; 수력 기계로부터 배출되는 유동을 배출하는 파이프; 및 배출 파이프의 벽으로부터 돌출된 요소들로서, 그 요소들 각각은 배출 파이프의 외부를 돌출 요소들에 형성된 구멍에 연결시키는 공동을 한정하는, 요소들;을 포함한다. 본 발명에 따르면, 상기 돌출 요소들은 본 발명에 따른 핀을 적어도 하나 포함하는데, 그 핀은 배출 파이프의 내부에서 돌출되게 설치된 것으로서, 배출 파이프의 벽에 대해 교차하는 축을 중심으로 회전하게끔 움직일 수 있다. 또한, 상기 장치는, 각각의 핀 자체의 회전축을 중심으로 하는 각도 위치를 제어하기 위한 수단을 포함한다.
반드시 필요한 것은 아니지만 유리하게는, 적어도 하나의 핀이 배출 파이프의 벽 안으로 후퇴할 수 있으며, 각각의 핀이 그 벽 안으로 후퇴하는 정도를 조정할 수 있는 수단이 제공된다.
본 발명이 구성 및 효과는 하기의 첨부 도면을 참조로 하여 예시적으로서만 제공되는 아래의 상세한 설명을 참조하면 더 명확하게 이해될 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 장치의 개략적인 구조를 도시하는 단면도이다.
도 2 는 도 1 의 II 부분에 해당되는 확대도인데, 여기에는 도 1 의 장치의 일부를 형성하는 핀과 상기 핀의 유지 수단의 단면이 도시되어 있다.
도 3 은 도 2 에 도시된 핀의 확대 측면도이다.
도 4 는 도 3 의 IV-IV 선을 따라 취한 단면도로서, 여기에는 도 1 의 장치 내에서의 물의 유동과 핀이 도시되어 있다.
도 1 에 도시된 장치(I)는 프란츠(Francis) 유형의 터빈(1)을 포함하는데, 그 터빈의 바퀴(2)는 (도시되지 않은) 워터 버라지(water barrage)로부터 오는 물의 강제 유동(E)에 의하여 수직축(X2)을 중심으로 회전되도록 구성된다. 바퀴(2)에 고정된 샤프트(3)는 교류 발전기(alternator; 4)에 결합되고, 교류 발전기는 (도시되지 않은) 전력망에 고정된 주파수의 교류 전류를 전달한다. 그러므로 장치(I)는 유동(E)의 수력 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 것이다. 장치(I)는 워터 버라지로부터 물을 공급받는 수 개의 터빈(1)들을 포함할 수 있다.
변형예로서, 샤프트(3)는 소정의 기계 조립체에 결합될 수 있는데, 이 경우 장치(I)는 유동(E)의 수력 에너지를 기계 에너지로 전환시킨다.
급수 도관(5)은 유동(E)을 바퀴(2)로 안내하는 것으로서, 워터 버라지와 탱크(6) 사이에서 연장되며, 상기 탱크에는 유동(3)을 통제하는 베인(vane; 61)들이 구비된다.
터빈(1)의 하류에는 파이프(8)가 제공되어 유동(E)을 배출시키며, 그 유동을 강 또는 하천으로 되돌려 보내는데, 워터 버라지는 그렇게 되돌려 보내진 유동으로부터 물을 공급받는다. 상기 배출 파이프(8)는 애스퍼레이션 파이프(aspiration pipe)라 불려지기도 한다.
유동(E)에 대해 적절한 유량에 따라서, 그리고 특히 교류 발전기(4)로부터 전기를 공급받는 전력망의 전기 요건에 따라서 터빈(1)을 제어하기 위하여 제어 유니트(10)가 제공된다. 전력망의 요건을 충족시키기 위하여, 제어 유니트(10)는 기계 안으로 들어오는 물의 유량(유량은 교류 발전기(4)에 의하여 회수되는 동력을 결정함)을 조절하기 위한 제어 신호(S1)를 베인(61)들로 보낸다.
파이프(8)는 실질적으로 수직인 상류 부분(81)을 포함하는데, 이 상류 부분은 절두 원추형의 형태를 가지며 또한 바퀴(2)의 회전축(X2)에 중심을 두고 있다. 파이프(8)는 하류 부분(82)도 포함하는바, 하류 부분은 실질적으로 수평인 수평축(X82)에 중심을 두고 있다. 이 축(X82)이 실질적으로 수평이라 함은, 수평 평면에 대해서 20o 미만의 각도를 형성한다는 의미이다. 실제에서, 상기 축(X82)은 유동(E)의 방향을 따라서 약간 상승하는 형태를 가질 수 있다. 파이프(8)의 두 부분들(81, 82)은 팔꿈치부(83)에 의하여 연결된다.
파이프(8)의 상류 부분(81)에는 다수의 핀(20)들이 제공되는바, 그 핀들은 상류 부분(81)의 벽(84)으로부터 축(X2)을 향하여 돌출된다. 이 핀(20)들은, 바퀴(2)로부터 나와 벽(84)을 따라 유동하는 유동(E)의 일부가 지나가도록 배치된다. 핀(20)들은, 파이프(8)에 부착되는바, 즉 파이프(8)의 일부를 형성하는 것이 아니라 파이프(8)에 연결된다.
축(X2)을 포함하는 수직 평면에서의 단면이 도시되어 있는 도 1 에는 두 개의 핀(20)들이 도시되어 있으나, 실제에서 핀(20)들의 개수는 2 보다 클 수 있다. 이 개수는 유동(E)에 관한 유량과 상류 부분(81)의 직경에 따라서 정해진다.
도 2 및 도 4 에 도시된 바와 같이, 각각의 핀(20)은 속이 비어 있고, 평행하고 대향되게 배치되며 편평한 두 개의 측면들(201, 202)을 포함하는데, 이 측면들은 측면들(201, 202) 사이에 배치된 중간면(P20)의 양 측에 배치된다. 상기 중간면(P20)은 핀(20)의 중간에 있는 평면이다. 각각의 핀(20)의 제1 측면(201)에는 공동(C20)과 소통되어 있는 다수의 구멍(200)들이 뚫려 있는데, 상기 공동은 측면들(201, 202)의 사이에서 핀(20)의 내부에 있는 빈 공간이다. 각 핀(20)의 제2 측면(202)은 중실의 형태인바,즉 구멍들이 형성되어 있지 않다.
각각의 핀(20)은 그 자체가 공동(C20)을 한정하는바, 즉 각 공동(C20)은 순전히 핀(20)에 의하여 형성된다. 예를 들어 공동(C20)은 배출 파이프(8)의 일부에 의하여 한정되지 않는다.
도 2 로부터 더 명확히 알 수 있는 바와 같이, 각 핀(20)은 원형의 베이스가 벽(84)에 대해 직각인 축(X22)에 중심을 두고 있는 채로, 원통형 몸체(22) 내에 장착된 피스톤(21)에 고정된다. 피스톤(21)에는 밀봉부들(211, 212)이 구비되고, 피스톤(21)은 원판의 형태를 가지고 있는 판(24)을 관통하는 로드(23)에 고정되며, 여기에서 피스톤은 화살표들(F1, F2)에 의하여 표시된 바와 같이, 축(X22)을 따라서 상기 판(24)에 대해 슬라이딩될 수 있다. 상기 피스톤(21)과 로드(23)에는 길이방향 채널(longitudinal channel; C21)이 뚫려져 있는데, 길이방향 채널은 축(X22)에 중심을 두고 있으며 공동(C20)을 배출 파이프(8)의 외부와 연결시킨다. 이로써 상기 구멍(200)들이 외부 대기와 소통된다.
판(24)에는 밀봉부들(241, 242)이 구비되어 있는데, 이 밀봉부들은 밀봉부들(211, 212)과 함께, 챔버(C22)의 외부에 대한 유체 격리를 제공한다. 상기 챔버(C22)는 몸체(22) 내에서 판(24)과 피스톤(21) 사이에 로드(23) 둘레로 제공된다.
상기 판(24)은 나사(25)들에 의하여 몸체(22)에 고정되는데, 도 2 에서 나사들은 그들 각각의 축선으로 도시되어 있다.
챔버(C22)에는, 도시되지 않은 파이프를 통하여, 도관(5)으로부터 들어오는 물이 공급된다. 이것은 챔버(C22)를 가압함을 가능케 하고, 이것은 피스톤(21)을 화살표(F2)의 방향으로 미는 작용을 낳아서, 핀(20)이 벽(84)에 대해서 축(X2)의 방향으로 돌출되게 한다.
챔버(C22) 안에 공급되는 압력은 축(X22)을 따른 핀(20)과 피스톤(21)의 위치를 제어함을 가능하게 한다. 그러므로, 피스톤(21) 및 핀(20)은 도 2 에 도시된 화살표들(F1, F2)의 방향으로 축(X22)을 따라서 병진하여 움직일 수 있다. 챔버(C22)에 가압된 물을 공급하지 않는 것도 가능한데, 이 때에는 파이프(8)를 향하여 있는 피스톤(21)의 면(213)에서의 물의 압력 때문에 핀(20)이 벽(84)에 대해서 파이프(8)의 외측으로 후퇴되거나 밀린다.
부재들(20 내지 25)에 의해 형성되는 하위 조립체는, 벽(84)에 대해 고정된 링(27)에서 움지여지지 않게 되어 있는 재킷(26) 내에서 축(X22)을 중심으로 회전가능하게 장착된다. 그러므로, 핀(20)과 피스톤(21)은 축(X22)을 중심으로 회전될 수 있다. 선택적으로는, 몸체(22)와 판(24)의 방사상 둘레에 베어링을 형성하는 밀봉부들이 배치되어, 전술된 하위 조립체가 재킷(26)에 대해서 회전함을 가능하게 한다.
재킷(22)에 대하여 축(X22)을 따라서 축방향으로 돌출되는 부분에서, 판(24)에는 외부 방사상 기어치들(external radial teeth; 243)이 제공되는데, 이 기어치들은 전기 서보모터(30)의 출력 샤프트(301)에 의하여 구동되는 피니언(29)과 맞물린다. 이 모터는 제어 유니트(10)에 의해서 전기 신호(S3)에 의해 제어된다.
그러므로, 서보모터(30)는 부품들(20 내지 25)에 의해 형성되는 하위 조립체를 제어 유니트(10)로부터 수신되는 제어 신호(S3)에 따라서 축(X22) 중심으로 회전시킨다. 이 회전은 축(X22) 주위로의 핀(20)의 각도 위치를 변화시킨다.
도 3 에서 알 수 있는 바와 같이, 각 핀(20)의 각도 위치는 축(X22) 위에서 볼 때 축(X22)을 포함하는 수평 평면(P22)과 핀(20)의 중간면(P20) 사이의 각도(α)에 의해 측정될 수 있다. 핀(20)들의 측면들(201, 202)이 수직이면, 각도(α)는 90o이다.
작동에 있어서, 물의 용존 산소 수준을 증가시키기 위해 배출 파이프(8)에 의해 배출되는 물의 유동(E) 내에 공기를 용해시키고자 할 때에는, 핀(20)들을 화살표(F2)의 방향으로 배출 파이프(8) 안으로 나오게 해야 할 필요가 있으며, 이로써 핀(20)들은 벽(84)에 대하여 축(X2)의 방향으로 돌출된다. 이 움직임은 제어 유니트(10)에 의하여 제어된다.
평면(P20)이 유동(E)에 대해 기울어지도록 각 핀(20)의 각도 위치(α)가 조정되면, 핀(20)들의 제2 면(202)은 도 4 에 도시된 바와 같이 유동(E)을 향하게 된다. 각도 위치(α)는 제어 유니트(10)에 의하여 제어되는바, 제어 유니트는 신호(S3)를 모터(30)에 전달하여, 제2 면(202) 가까이에 과압의 구역(Z1)을 형성하고 제1 면(201) 가까이에 부압의 구역(Z2)을 형성한다.
구역(Z2) 내의 부압으로 인하여, 외부 공기가 자동적으로 공동(C20) 안으로 흡입되어서, 도 2 내지 도 4 에 도시된 화살표(A)에 의해 표시된 바와 같이 구멍(200)들을 통해 유동(E) 안으로 주입된다.
핀(20)들의 각도 위치(α)는 구역(Z2) 내에 형성된 부압의 강도에 영향을 미치며, 따라서 유동(E) 안으로 주입되는 공기의 양에 영향을 미친다.
구멍(200)들의 치수 및 개수는 유동(E) 안에 용해되었으면 하는 공기 기포들의 치수 및 양에 따라서 결정된다.
유리하게는, 사용 중에 배출 파이프(8) 안에서 나타나는 난류 플레어의 형성과 압력 변동을 감소시키기 위해 핀(20)들이 이용될 수 있다. 이를 위하여, 핀(20)들의 각도(α)는 문헌 FR-A-2 942 274 에 예시된 바와 같이 유동(E)에 변형을 가하도록 조정될 수 있다.
변형예로서, 각 핀의 회전축(X22)을 따른 위치는 물이 공급되는 압력 챔버가 아닌 다른 수단에 의해 제어될 수 있다.
면들(201, 202)의 기하형태, 및 면(202)에 대한 면(201)의 배치에 따라서, 중간면(P20)에 해당되는 면은 반드시 편평한 것은 아니다. 예를 들어, 면들(201, 202)이 원형의 단면을 가진 원통의 일부분의 형태를 갖는 때에는, 면들(201, 202)의 오목한 측부가 동일한 측을 향하고, 중간 면은 면(201)과 면(202)의 반경 사이에 놓인 반경을 갖는 원형 단면을 가진 원통의 일부분을 이룬다.
예를 들어, 전기 서보모터 또는 유압식, 기계식, 또는 전기식 잭(jack)을 이용할 수 있다.
변형예에서는, 핀(20)들 중의 적어도 하나가 후퇴될 수 없는 것일 수 있다. 이 경우에, 유동(E) 안에 산소를 용해시키고자 하는 때에는, 이 후퇴불가능한 핀(20)들의 면들(201, 202)이 유동을 방해하지 않도록 유동(E)에 대해 평행한 방위를 갖도록 배치된다.
위에서 설명된 본 발명은 핀(20)들의 회전축(X22)이 벽(84)에 대해 직각인 경우로 도면들에 도시되어 있다. 그러나 이것은 필수적인 구성이 아니며, 벽(84)에 대해 고정된 축(X22)이 그 벽과 교차하는 것으로도 충분하다.
본 발명은 핀(20)들 모두의 방위가 변화될 수 있는 경우, 즉 핀들이 배출 파이프(84)의 벽(84)에 대해 교차하는, 특히 직각을 이루는 축을 중심으로 회전할 수 있는 경우에 대해 설명되었다. 변형예에서는, 일부의 핀(20)들만의 방위가 변화될 수 있을 수도 있다. 또한, 핀(20)들의 일부만이 구멍(200)들을 구비할 수도 있다. 구멍들이 형성되지 않은 핀(200)들은 난류 플레어의 형성을 방지하기 위하여 이용될 수 있다.
본 발명에서는 각 핀(20)과 관련하여 핀(20)들을 개별적으로 제어함을 가능하게 하는 서보모터가 구비된 것으로 설명되었다. 핀(20)들의 움직임 사이의 동기화(synchronisation)는 제어 유니트(10) 및 제어 유니트의 다양한 모터(30)들을 위한 다양한 신호들(S3)의 관리에 의하여 제공된다.
변형예에서는, 핀(20)들의 그룹화된 제어를 제공하는, 핀(20)들을 서로 연결시키는 기계적 수단이 이용될 수 있다. 예를 들어, 안내 베인(62)들을 제어하기 위하여 공지된 체인 또는 밸브 통제 링(valve regulation ring)이 이용될 수 있다.
핀(20)들을 개별적인 또는 그룹화된 제어에 의하여 회전시키기 위한 다른 장치들이 고찰될 수 있다. 실제에 있어서, 이 회전은 예를 들어 링크(link)를 구비한 회전식 또는 선형 잭과 같은 임의의 적합한 액츄에이터에 의하여 제공될 수 있다. 그 잭은 오일, 전류, 압축 공기 또는 물에 의하여 작동될 수 있다.
본 발명은 프란츠 유형의 터빈에서의 적용을 중심으로 하여 설명되었다. 그러나, 카플란(Kaplan) 터빈, 스크류 유형의 터빈, 및 펌프 터빈과 같은 다른 유형의 터빈에도 적용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 수력 기계(hydraulic machine; 1)의 배출 파이프(discharge pipe; 8) 안에서 돌출되게 설치되는 핀(20)으로서,
    상기 핀(20)은 구멍(200)들을 포함하는 제1 면(first face; 201)과 중실의 제2 면(second face; 202)을 포함하고, 핀(20) 자체로서 상기 제1 면(201)과 제2 면(202) 사이에 공동(cavity; C20)을 한정하며, 상기 공동은 배출 파이프(8)의 외부를 제1 면(201)에 있는 구멍(200)들에 연결시키는 것을 특징으로 하는, 핀(20).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 핀(20)의 제1 면(201)은 편평한 것을 특징으로 하는, 핀(20).
  3. 앞선 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 핀(20)의 제2 면(202)은 편평한 것을 특징으로 하는, 핀(20).
  4. 앞선 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 핀(20)의 제1 면(201)과 제2 면(202)은 평행한 것을 특징으로 하는, 핀(20).
  5. 앞선 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 핀(20)의 제1 면(201)과 상기 핀(20)의 제2 면(202)은 대향되어 있으며, 상기 핀(20)의 중간면(P20)의 양 측에 배치된 것을 특징으로 하는, 핀(20).
  6. 앞선 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 핀(20)의 치수들은, 배출 파이프(8)의 벽(84)에 대해 교차하는(secant) 축(X22)을 중심으로 하여 상기 핀(20)이 배출 파이프(8)에 대해 회전함을 허용하도록 정해진 것을 특징으로 하는, 핀(20).
  7. 수력 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치(I)로서, 상기 장치는:
    수력 기계(1);
    상기 수력 기계(1)에 물의 강제 유동(forced flow; E)을 공급하는 파이프(5);
    상기 수력 기계(1)로부터 유동(E)을 배출하는 파이프(8); 및
    상기 배출 파이프(8)의 벽(84)으로부터 돌출된 돌출 요소(projecting element)들로서, 각 요소는 공동(C20)을 한정하며, 상기 공동(C20)은 돌출 요소들에 형성된 구멍(200)들에 배출 파이프(8)의 외부를 연결시키는, 돌출 요소들;을 포함하고,
    상기 돌출 요소들은 앞선 청구항들 중의 어느 한 항에 따른 핀(20)을 적어도 하나 포함하며, 상기 핀은 배출 파이프(8) 안에서 돌출되게 설치되되 배출 파이프(8)의 벽(84)에 대해 교차하는 축(X22)을 중심으로 회전하여 움직일 수 있고,
    상기 장치(I)는 각 핀(20)의 회전축(X22)을 중심으로 한 각 핀(20)의 각도 위치(α)를 제어하기 위한 수단(10)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치(I).
  8. 제7항에 있어서,
    적어도 하나의 핀(20)은 배출 파이프(8)의 벽(84) 안으로 후퇴가능하고, 각 핀(20)이 벽(84) 안으로 후퇴하는 정도를 조절할 수 있는 수단(30)이 제공된 것을 특징으로 하는, 장치(I).
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