KR20200018916A - 수력발전용 프란시스 수차의 스테이베인 - Google Patents

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KR20200018916A
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박준식
서인호
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(주)대양수력
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Abstract

본 발명은 스테이베인의 후연(trailing edge) 형상 변경을 통해 칼만 볼텍스의 크기를 저감하여 비정상 유동 및 압력맥동에 의한 진동을 저감하고, 진동에 의한 기계설비의 문제를 해소할 수 있는 수력발전용 프란시스 수차의 스테이베인에 관한 것으로, 본 발명에 따른 수력발전용 프란시스 수차의 스테이베인은 전연(leading edge)에서부터 후연(trailing edge)까지 유선형의 에어포일(airfoil) 형태를 가지며, 후연은 상부면(압력면)이 후방으로 일정 각도로 절삭되어 하향 경사진 형태를 갖는다.

Description

수력발전용 프란시스 수차의 스테이베인{Stay Vane for Francis Turbine for Generation of Hydroelectric Power}
본 발명은 프란시스 수차의 스테이베인에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 프란시스 수차의 케이싱 내에 설치되어 유체의 유동을 내측의 런너(runner) 쪽으로 안내하는 스테이베인(stay vanes)에 관한 것이다.
일반적으로 수차는 수력에 의해 발전을 하는 기계장치로서, 주로 물의 낙차를 이용하여 발전기의 회전축을 회전시키는데, 회전축을 회전시키는 장치를 수차(turbine)라고 한다. 즉, 수차 발전기는 물의 낙차를 이용하여 수차를 통해 발전기의 회전축을 회전시켜 전력을 생산하는 장치이다.
이러한 수차는 크게 반동형과 충동형의 2가지로 분류할 수 있고, 반동형은 수차 전후 물의 압력 차이에서 에너지를 얻는 타입으로 수위 차이가 작지만 유량이 큰 조건에 적합하며, 프란시스형이나 프로펠러형 및 튜브형 등이 있다. 반면, 충동형은 물의 흐름의 운동에너지를 충돌시켜 에너지를 얻는 타입으로 유량은 적지만 수위 차이가 큰 조건에 적합하며, 펠톤형이나 타고형 및 크로스 흐름형 등이 있다.
우리나라의 경우 충동형 수차보다는 반동형 수차가 대부분이며, 반동형 수차 중에서도 프란시스형이 압도적이다. 이러한 프란시스 수차는 널리 알려진 바와 같이 런너(runner, 회전차)가 스파이럴(spiral) 형상의 케이싱 유로(casing)의 내부에 회전 가능하게 설치되고, 상기 케이싱 유로의 외주와 연결된 유입관로를 통해 물이 유입되어 런너의 원주방향을 거쳐 축방향으로 유출된다. 프란시스 수차는 런너 또는 유입관로의 설치 방식에 따라 수평형 또는 수직형으로 구분된다.
프란시스 수차는 해당 장소에 설치하기 전에 설치되는 장소의 수량 및 낙차를 주요조건으로 기타 주어지는 환경요건에 따라 최적의 효율 달성을 위하여 런너, 스테이베인(stay vanes) 및 가이드베인(guide vanes) 등의 종류나 깃수, 배치 등이 면밀하게 설계되어야 한다.
또한 수차의 운전 시 케이싱 유로 내부에서 유체가 스테이베인 등의 안내를 받으면서 유동하는 과정에서 칼만 볼텍스에 의한 압력 맥동이 발생하게 되는데, 이러한 압력 맥동은 진동을 유발하여 기계설비에 문제를 일으키게 되므로 압력 맥동을 최소화할 수 있는 스테이베인의 형상이 요구된다.
대한민국 등록특허 제10-1389054호(2014.04.18. 등록) 대한민국 등록특허 제10-1636841호(2016.06.30. 등록)
본 발명은 스테이베인의 후연(trailing edge) 형상 변경을 통해 칼만 볼텍스의 크기를 저감하여 비정상 유동 및 압력맥동에 의한 진동을 저감하고, 진동에 의한 기계설비의 문제를 해소할 수 있는 수력발전용 프란시스 수차의 스테이베인을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수력발전용 프란시스 수차의 스테이베인은, 케이싱 유로 내부에 원주방향을 따라 배열되어 케이싱 유로 내부로 유입되는 유체를 원주방향으로 안내하도록 된 것으로, 전연(leading edge)에서부터 후연(trailing edge)까지 유선형의 에어포일(airfoil) 형태를 가지며, 후연은 상부면(압력면)이 후방으로 일정 각도로 절삭되어 하향 경사진 형태를 갖는다.
본 발명에 따르면, 스테이베인의 후연에서의 칼만 볼텍스의 크기가 저감되어 비정상 유동 및 압력맥동에 의한 진동이 저감되고, 따라서 진동에 의해 기계 설비에 문제가 발생하는 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 프란시스 수차의 스테이베인이 구성된 케이싱 유로의 내부를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스테이베인의 형태(Case B)와 비교예 1(Case A) 및 비교예 2(Case C)의 형태를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 실시예 및 비교예 1 및 2의 칼만 볼텍스 유동해석 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 칼만 볼텍스 유동해석 결과를 통해 얻어진 실시예 및 비교예 1 및 2에 대한 압력맥동을 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 4의 압력맥동에 대한 주파수 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 5의 주파수 분석 결과를 통해 얻어진 주파수-스트로우홀 수(Frequency-strouhal Number) 그래프이다.
도 7은 실시예 및 비교예 1 및 2에 대한 압력맥동 억제도를 나타낸 그래프이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 수력발전용 프란시스 수차의 스테이베인을 후술된 실시예에 따라 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1을 참조하면, 프란시스 수차는 나선형으로 이루어진 케이싱 유로(10)의 내부에 발전기와 연결되는 런너(runner)(미도시)가 회전축을 중심으로 회전 가능하게 설치되고, 상기 런너의 외측에 유체(물)의 흐름을 원주방향으로(엄밀히 말하면 반경방향에 대해 비스듬한 방향으로) 가이드하는 복수의 스테이베인(20)이 방사상으로 배치되고, 상기 런너(미도시)와 상기 스테이베인(20) 사이에 물의 흐름을 상기 런너를 향해 가이드하는 복수의 가이드베인(30)이 방사상으로 배치된다.
상기 스테이베인(20)은 전연(leading edge)(21)에서부터 후연(trailing edge)(22)까지 유선형의 에어포일(airfoil) 형태를 가지며, 후연(22)의 상부면(압력면)이 후방으로 일정 각도로 절삭되어 하향 경사진 형태를 갖는다.
이러한 스테이베인(20)의 후연(22)이 상부면이 후방으로 일정 각도로 하향 경사진 형태를 갖게 되면 스테이베인(20) 후연(22)에서의 칼만 볼텍스의 크기가 저감되어 압력맥동이 저감되는 것으로 확인되었다.
이를 도 2 내지 도 7을 참조하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 스테이베인(20)의 실시예(Case B)와 비교예 1(Case A) 및 비교예 2(Case C)의 형태를 나타낸 단면도로, 실시예(Case B)의 스테이베인(20)은 후연(22)의 압력면이 후방으로 절삭되어 일정 각도로 하향 경사진 형태를 갖는다. 반면에 비교예 1(Case A)은 후연(22)이 하부면에 대해 직각으로 절곡된 형태를 가지며, 비교예 2(Case C)는 후연(22)의 하부면이 후방으로 일정 각도로 상향 경사진 형태를 갖는다.
도 3은 상기 실시예 및 비교예 1 및 2의 스테이베인(20) 후연의 칼만 볼텍스 유동해석 결과를 나타낸 것이고, 도 4는 실시예 및 비교예 1 및 2의 후연 형상에 따른 압력맥동을 나타낸다. 도 5는 실시예 및 비교예 1 및 2의 칼만 볼텍스 유동 해석 결과로 얻어진 압력맥동에 대한 주파수 분석 결과를 나타내고, 도 6은 도 5의 주파수 분석 결과를 통해 얻어진 주파수-스트로우홀 수(Frequency-strouhal Number) 그래프이다.
도 3 내지 도 6의 분석 결과로부터, 본 발명에 따른 스테이베인(20) 실시예에서 압력맥동 억제 효과가 가장 양호한 것으로 확인되었다.
도 7을 참조하면, 스테이베인(20)의 후연 형상에 따른 압력맥동 억제도는 압력면 절삭 형태를 갖는 실시예(Case B)가 94.3%로 가장 높게 나타나 압력맥동에 의한 진동 저감 효과가 가장 크며, 압력맥동에 기인한 진동으로 인한 기계 파손 및 비정상 유동의 위험이 가장 낮아 프란시스 수차의 성능을 대폭 개선할 수 있다.
비교예 2(Case C)의 경우 압력맥동 억제도는 90.0%이고, 비교예 1(Case A)은 압력맥동 억제도가 90.5% 를 갖는 것으로 확인되었다.
이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
10 : 케이싱 유로 20 : 스테이베인(stay vanes)
21 : 전연전연(leading edge) 22 : 후연(trailing edge)
30 : 가이드베인(guide vanes)

Claims (1)

  1. 케이싱 유로 내부에 원주방향을 따라 배열되어 케이싱 유로 내부로 유입되는 유체를 원주방향으로 안내하도록 된 것으로,
    전연(leading edge)에서부터 후연(trailing edge)까지 유선형의 에어포일(airfoil) 형태를 가지며, 후연은 상부면(압력면)이 후방으로 일정 각도로 절삭되어 하향 경사진 형태를 갖는 수력발전용 프란시스 수차의 스테이베인.
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