KR20150068470A - 수력 터빈 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 프레임, 및 상기 프레임에서 연장되는 복수 개의 레그를 포함하는 베이스를 포함하고, 상기 베이스에는 특히, 강한 조류 조건에서 발생할 수 있는 상기 베이스의 전도에 저항하는 위치에서 상기 베이스로부터 연장되는 아우트리거 형태의 하나 이상의 하중지지부재가 제공된다.

Description

수력 터빈 시스템{A HYDROELECTRIC TURBINE SYSTEM}
본 발명은 배치 사이트(deployment site), 예를 들어 조류가 강한 해역의 해저면에 설치되는 수력 터빈 시스템에 관한 것으로서, 수력 터빈 시스템은 가혹한 기상 / 조류 상황에서도 터빈이 전도 위험 없이 안정적으로 배치될 수 있게 하는 반면에 말뚝 박기 또는 기타 복잡한 고정 작업을 요구하지 않아 수력 터빈 시스템의 설치를 단순화할 수 있다.
종래, 수력 터빈이 탑재되는 베이스의 설치 작업은 해저면에 말뚝을 박는 형태로 이루어졌고, 그 후에 수력 터빈 또는 하나 이상의 수력 터빈을 탑재하는 보조 프레임이 말뚝 위에 배치될 수 있었다. 하지만, 조류가 강한 해역에서 해저면에 말뚝을 박는 작업은 위험하고 상당한 문제를 초래하게 된다. 또한, 드릴링(drilling) 및 파일링(piling) 장비는 설치 사이트까지 옮겨져서 작동되어야 하기 때문에, 작업의 복잡성 및 비용을 상당히 증가시킬 수 있다. 이러한 크고 무거운 장비를 가지고 바다에서 일하는 것은 위험하고 장시간이 소요되는 작업이기 때문에, 이러한 작업을 단순화하고 / 하거나 그 작업 시간을 줄이는 것은 어떤 것이라도 큰 이득이 될 수 있다.
이에 따라, 수력 터빈을 해저면 또는 기타 수면 아래 서포트 표면에 배치하는 새로운 시스템 및 방법이 최근 몇 년간 개발되었는데, 이들은 수력 터빈이 탑재되는 "중력 베이스(gravity base)"를 채택하고 있다. 중력 베이스는 베이스와 수력 터빈의 결합 중량을 이용하여 복수 개의 레그(legs)를 통해 해저면을 하향 가압하는데, 이는 말뚝 박기 또는 기타 복잡한 설치 작업을 요구하지 않고도 수력 터빈 시스템의 위치와 안정성을 유지하기 위함이다. 하지만, 충분한 안정성을 제공하기 위해서는 베이스와 수력 터빈의 중량은 상당하여야 하고 매우 드물게 발생하기는 하지만 강한 조류를 견뎌낼 수 있도록 설계되어야 한다. 결과적으로, 수력 터빈 시스템, 특히 베이스는 정상 작업 조건보다 과도하게 설계될 필요가 있다. 따라서, 수력 터빈과 베이스는 크고 다루기 힘든 구성요소이기 때문에, 이를 배치하고 유지보수를 위해 회수하기 위해서는 헤비 리프팅(heavy lifting) 및 이송(transporting) 장비가 요구된다. 이러한 헤비 리프팅 장비의 사용은 그 자체로도 위험한 작업이고 이러한 장비가 해상의 불리하고 불안정한 조건 하에서 작동될 때는 더욱 위험하게 된다.
본 발명은 상술한 문제를 극복하는 수력 터빈 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따르면, 프레임을 포함하고, 상기 프레임에서 복수 개의 레그가 연장되는 베이스; 및 상기 베이스의 전도(overturning)를 방지하도록 상기 베이스로부터 연장되는 적어도 하나의 하중지지부재(load bearing member)를 포함하는 수력 터빈 시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 베이스는 한 쌍의 상기 레그 사이에서 연장되는 전도 축을 정의하고, 적어도 하나의 상기 하중지지부재는 상기 전도 축에 대하여 작용하는 전도 모멘트에 저항하도록 배치된다.
바람직하게는, 복수 개의 상기 레그가 배치 사이트(deployment site)의 표면에 세워져서 지지되는 경우에, 상기 하중지지부재는 상기 표면의 상측의 들어올려진 위치에 있도록 배치 및 크기가 결정된다.
바람직하게는, 상기 하중지지부재는 상기 전도 축의 외부에 배치되는 하중지지 페이스를 구비한다.
바람직하게는, 상기 하중지지부재는 상기 베이스에 고정되는 레그, 및 상기 레그의 자유 단에 배치되는 하중지지 페이스를 포함한다.
바람직하게는, 상기 하중지지 페이스는 전도 상황 중 해저면 또는 서포트 표면에 접촉 시 상기 해저면 또는 서포트 표면에 평행하도록 방위가 결정된다.
바람직하게는, 상기 프레임은 삼각형으로 이루어지고, 상기 베이스는 삼각형의 상기 프레임의 꼭지점(apex)이나 꼭지점에 인접하게 배치되는 3개의 레그를 포함한다.
바람직하게는, 상기 시스템은 삼각형의 상기 프레임의 3개의 변(sides)에서 연장되는 하중지지부재를 포함한다.
바람직하게는, 상기 시스템은 삼각형의 상기 프레임의 하나의 변에서 연장되는 복수 개의 상기 하중지지부재를 포함한다.
바람직하게는, 상기 시스템은 상기 베이스에 탑재되는 수력 터빈을 포함한다.
바람직하게는, 상기 터빈은 중심개방형터빈(open-centre turbine)을 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 수력 터빈 시스템이 조류에 의해 해저면을 따라 미끄러지는 것뿐만 아니라 수력 터빈 시스템의 전도를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수력 터빈 시스템을 나타낸 사시도이다.
도 2는 하중지지부재가 본 발명의 수력 터빈 시스템의 요소가 되기 위한 대안적인 탑재 위치를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 배치를 수력 터빈 시스템이 해저면에 놓여진 상태로 나타낸 측면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 당해 기술분야에서 알려진 것처럼 수력 터빈 시스템(10)을 통과하는 수류, 바람직하게는 조류로부터 에너지를 뽑아내기 위하여 해저면 또는 기타 적절한 수면 아래 서포트 표면에 배치되는 수력 터빈 시스템(10)이 도시되어 있다.
수력 터빈 시스템(10)은 해저면 또는 기타 수면 아래 서포트 표면에 배치되는 베이스(12)를 포함하고, 수력 터빈 시스템(10)은 적절한 수단에 의해서 바람직하게는 분리 가능하도록 베이스(12)에 탑재 가능한 수력 터빈(14)을 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 베이스(12)는 조류가 알려진 방식으로 수력 터빈(14)을 통과하여 전기를 생산하도록 수력 터빈(14)을 직립 자세로 유지하기 위한 서포트(support)로 기능하게 된다.
본 실시예에서, 베이스(12)는 3개의 레그(18)에서 지지되는 삼각형 프레임(16)을 포함하고, 각각의 레그(18)는 삼각형 프레임(16)의 꼭지점을 형성하게 된다. 삼각형 프레임(16)은 3개의 크로스멤버(20)로 이루어지고, 각각의 크로스멤버(20)는 한 쌍의 레그(18) 사이에서 연장된다. 또한, 각각의 레그(18)는 각각의 레그(18)의 하면에서 하향 연장되는 뾰족한 발(22)을 포함할 수 있다. 발(22)은 수력 터빈 시스템(10)을 바른 위치에 고정하고 수력 터빈 시스템(10)이 조류에 의해 작용하는 힘의 영향으로 해저면을 따라 미끄러지는 것을 방지하기 위하여 사용시 해저면 또는 기타 수면 아래 서포트 표면에 접촉하고 바람직하게는 뚫고 들어가게 된다. 삼각형 프레임(16) 및 레그(18)는 적절하다면 어떠한 재료로도 형성될 수 있고, 예를 들어 수력 터빈(14)을 지지하고 사용 중 수력 터빈 시스템(10)에 작용하는 하중을 견디기에 충분한 규격의 관 모양의 강(tubular steel)으로 형성될 수 있다. 또한, 베이스(12)는 적당하다면 어떠한 형상 및 배치로 이루어질 수 있고, 예를 들어 3개 이상의 레그(18) 및 발(22)을 구비할 수 있다.
본 실시예에서와 같이 베이스(12)가 삼각형으로 이루어진 경우에, 사용시 수력 터빈(14)의 회전축이 지배적인 조류와 실질적으로 정렬되도록 수력 터빈 시스템(10)을 해저면 또는 기타 수면 아래 서포트 표면에 배치하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서, 수력 터빈(14)은 회전축이 베이스(12)의 길이 방향의 축(AA)과 실질적으로 일치하도록 탑재되고, 이에 따라 사용시 길이 방향의 축(AA)은 지배적인 조류와 실질적으로 정렬된다.
사용 중 수력 터빈(14)으로부터 얻는 전력을 극대화하기 위하여, 수력 터빈(14)의 전방 및 후방 개방면은 조류 방향과 수직을 이루도록 배치되는 것이 필수적이다. 하지만, 이로 인해 조류에 대향하는 표면적이 넓어짐으로써 수력 터빈 시스템(10)에 상당한 수평 하중이 작용하게 된다. 뾰족한 발(22)은 수력 터빈 시스템(10)이 해저면을 따라 측방으로 미끄러지는 것을 방지할 수 있기 때문에, 조류에 의해 수력 터빈(14) 및 이보다 작지만 베이스(12)에 작용하는 상술한 수평 하중은 수력 터빈 시스템(10)에 전도 모멘트(overturning moment)를 초래할 수 있다. 수력 터빈 시스템(10)이 해저면에 있을 때의 중량을 감안하면 통상적인 전도 모멘트는 사소할지라도 수력 터빈 시스템(10)의 설계시 이러한 전도 모멘트를 고려하지만, 예외적인 조류 상황에서는 이러한 전도 모멘트가 수력 터빈 시스템(10)의 중량을 이겨낼 수도 있다. 이러한 상황에서 전도 모멘트는 조류 방향에 대해 수력 터빈 시스템(10)의 상류 측 단부의 발(22)을 들어올려 궁극적으로는 수력 터빈 시스템(10)의 전도를 초래할 수 있다.
이러한 극단적인 전도 모멘트를 중화하기 위하여, 이하에서 설명하는 것처럼 수력 터빈 시스템(10)에는 베이스(12)에 고정되어 베이스(12)의 외부로 연장되는 아우트리거(outriggers)(26)의 형태로 적어도 하나, 바람직하게는 복수 개의 하중지지부재(load-bearing members)가 제공되는 것이 바람직하다. 각각의 아우트리거(26)는 전도 상황이 발생하면 해저면에 접촉하게 되는 표면적을 증가시키는 페이스(face)(30)를 자유 단에 구비하는 레그(28)를 포함할 수 있다. 아우트리거(26)는 베이스(12) 근처의 적절한 위치라면 어디에서라도, 예를 들어 하나 이상의 크로스멤버(20) 및/또는 하나 이상의 레그(18)에서 연장될 수 있다.
베이스(12)가 해저면에서 통상적인 작동 방위에 있을 때, 즉 실질적으로 수평 방위로 있을 때, 각각의 아우트리거(26)의 페이스(30)가 도 3에 도시된 것처럼 해저면에서 들어올려지도록 아우트리거(26)의 방위(orientation) 및 크기(dimension)가 결정된다. 이는 수력 터빈 시스템(10)의 설치 및/또는 회수시 설치/회수를 복잡하게 할 수 있고 아우트리거(26)에 손상을 초래할 수도 있는 아우트리거(26)의 해저면 접촉을 방지할 수 있다. 하지만, 베이스(12)가 예를 들어 하류 측의 한 쌍의 레그(18) 및 이에 결합된 발(22)에 의해 정의되는 전도 축(overturning axis)(BB)에 대한 베이스(12)의 회전으로 인해 전도되기 시작하면, 각각의 아우트리거(26)의 페이스(30)는 해저면에 접촉하게 되고, 이에 따라 수력 터빈 시스템(10)의 추가 전도를 방해하게 된다.
수력 터빈 시스템(10)의 전도 저항을 증가 또는 감소시키기 위하여 아우트리거(26)의 사이즈, 형상 및 크기는 변경될 수 있다. 또한, 페이스(30)가 레그(18)/ 삼각형 프레임(16)의 외부에, 바꾸어 말하면 조류 방향에 대한 전도 축(BB)의 하류 측에 배치되기만 하면 아우트리거(26)의 개수 및 배치는 필요시 변경될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 것처럼, 하나 이상의 아우트리거(26)가 베이스(12)의 하나 이상의 레그(18)에서 연장될 수 있다. 베이스(12)의 각각의 전도 축에 대한 각각의 아우트리거(26)의 페이스(30)가 배치되는 수평 거리는 수력 터빈 시스템(10)의 전도에 저항하는 아우트리거(26)의 능력과 관계가 있게 될 것이다. 또한, 예를 들어 조류에 의해 힘을 받는 수력 터빈 시스템(10)의 표면적이 각 방향별로 다를 수 있으므로, 전도 모멘트는 특정 유동 방향으로의 조류에 대해서 더 클 수 있다. 그 결과, 그에 맞게 아우트리거(26)의 배치와 크기를 결정하는 것이 필요할 수 있다.
또한, 각각의 아우트리거(26)의 페이스(30)가 배치되는 각도는 페이스(30)가 전도 상황에서 해저면에 접촉할 때에 페이스(30)가 해저면 또는 기타 서포트 표면에 실질적으로 평행하도록 선택될 수 있다. 이에 따라, 전도 모멘트에 대한 저항을 극대화하기 위하여 페이스(30)의 표면 전체가 해저면에 접촉하게 될 것이다.
하나 이상의 아우트리거(26)를 제공함으로써 수력 터빈 시스템(10), 특히 베이스(12)의 전체 디자인은 더욱 가볍게, 이에 따라 더욱 값싸게 만들어질 수 있고, 그 결과로 육지에서 제조 및 이송 중일 때나 해저면에 내리거나 해저면으로부터 회수할 때에도 취급 및 이동이 더욱 용이해질 것이다.
10: 수력 터빈 시스템
12: 베이스
14: 수력 터빈
16: 프레임
18: 레그
20: 크로스멤버
22: 발
26: 아우트리거
28: 레그
30: 페이스

Claims (11)

  1. 프레임을 포함하고, 상기 프레임에서 복수 개의 레그가 연장되는 베이스; 및
    상기 베이스의 전도(overturning)를 방지하도록 상기 베이스로부터 연장되는 적어도 하나의 하중지지부재(load bearing member)를 포함하는 수력 터빈 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베이스는 한 쌍의 상기 레그 사이에서 연장되는 전도 축을 정의하고,
    적어도 하나의 상기 하중지지부재는 상기 전도 축에 대하여 작용하는 전도 모멘트에 저항하도록 배치되는 수력 터빈 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    복수 개의 상기 레그가 배치 사이트(deployment site)의 표면에 세워져서 지지되는 경우에, 상기 하중지지부재는 상기 표면의 상측의 들어올려진 위치에 있도록 배치 및 크기가 결정되는 수력 터빈 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하중지지부재는 상기 전도 축의 외부에 배치되는 하중지지 페이스를 구비하는 수력 터빈 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하중지지부재는 상기 베이스에 고정되는 레그, 및 상기 레그의 자유 단에 배치되는 하중지지 페이스를 포함하는 수력 터빈 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 하중지지 페이스는 전도 상황 중 해저면 또는 서포트 표면에 접촉 시 상기 해저면 또는 서포트 표면에 평행하도록 방위가 결정되는 수력 터빈 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레임은 삼각형으로 이루어지고, 상기 베이스는 삼각형의 상기 프레임의 꼭지점(apex)이나 꼭지점에 인접하게 배치되는 3개의 레그를 포함하는 수력 터빈 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    삼각형의 상기 프레임의 3개의 변(sides)에서 연장되는 하중지지부재를 포함하는 수력 터빈 시스템.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    삼각형의 상기 프레임의 하나의 변에서 연장되는 복수 개의 상기 하중지지부재를 포함하는 수력 터빈 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스에 탑재되는 수력 터빈을 포함하는 수력 터빈 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 터빈은 중심개방형터빈(open-centre turbine)을 포함하는 수력 터빈 시스템.
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