KR20220122130A

KR20220122130A - 프란시스형 수차의 캐비테이션 저감 구조

Info

Publication number: KR20220122130A
Application number: KR1020210026349A
Authority: KR
Inventors: 박준관; 김영중
Original assignee: 한국수력원자력 주식회사
Priority date: 2021-02-26
Filing date: 2021-02-26
Publication date: 2022-09-02

Abstract

본 발명은 프란시스형 수차의 캐비테이션 저감 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 런너의 슈라우드에 압력연결공부를 형성하여, 런너의 출력을 저하시키지 않으면서 런너 내부의 캐비테이션을 완화시킬 수 있도록 한 프란시스형 수차의 캐비테이션 저감 구조에 관한 것이다.
이를 위해, 케이싱; 상기 케이싱 내부에 축 결합되어 케이싱의 유입관로를 통해 유입되는 작동유체의 압력에 의해 회전되면서 발전기를 통해 전기를 생산하는 런너를 포함하는 프란시스형 수차에 있어서, 상기 런너는, 원주 방향을 따라 복수로 배열되고, 일면은 유입관로를 통해 유입된 작동유체의 압력이 직접 작용하는 고압면과, 상기 고압면의 반대면을 형성하는 저압면을 포함하는 블레이드; 상기 복수의 블레이드 상부를 연결하여 일체화시키며, 발전기의 발전축에 결합될 수 있도록 제공된 허브; 상기 복수의 블레이드 하부를 연결하여 일체화시키며, 상기 케이싱으로부터 이격되어 케이싱과의 사이에 틈새를 형성하는 슈라우드; 및 상기 슈라우드의 양측을 관통하여 형성되며, 케이싱의 유입관로측 압력을 상기 틈새를 통해 블레이드의 저압면측으로 유도하는 압력연결공부를 포함하는 프란시스형 수차의 캐비테이션 저감 구조를 제공한다.

Description

프란시스형 수차의 캐비테이션 저감 구조{A cavitation reduction structure of a francis turbine}

본 발명은 프란시스형 수차의 캐비테이션 저감 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 런너의 출력은 저감시키지 않으면서 런너 내부의 캐비테이션을 완화시킬 수 있도록 한 프란시스형 수차의 캐비테이션 저감 구조에 관한 것이다.

일반적으로 수차는 수력에 의해 발전을 하는 기계장치로써, 주로 물의 낙차를 이용하여 발전기의 회전축을 회전시키는데, 상기 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 타입으로써, 수위 차이가 작지만 유량이 큰 조건에 적합하며, 프란시스형이나 프로펠러형 및 튜브형 등이 있다. 반동형 수차 중에서도 프란시스형 수차는 도 1에 도시된 바와 같이 발전기의 회전축(10)에 결합된 런너(20)가 스파이럴(spiral) 형상의 케이싱(30)의 내부에 회전 가능하게 설치되고, 상기 케이싱(30)의 외주와 연결된 유입관로(31)를 통해 물이 유입되어 런너(20)의 반경 방향을 거쳐 유출관로(32)를 통해 축방향으로 유출된다. 수차는 발전기의 회전축(10) 및 런너(20)의 설치 방식에 따라 수평형 또는 수직형으로 구분될 수 있다.

한편, 런너(20)와 케이싱(30) 사이에는 런너의 회전을 위해 틈새(G)가 형성되고, 그 틈새(G)의 입구는 유입관로(31)의 고압측(H)과 연결되어 있으며, 틈새(G)의 출구는 유출관로(32)의 저압측(L)에 연결되어 있는바, 런너(20) 회전시 고압측(H)의 작동유체가 상기 틈새(G)를 통해 저압측(L)으로 누설되어 수력학적 손실이 발생한다. 이때, 작동유체는 런너(20) 내부에서 블레이드(21)의 저압면을 따라 흐르며, 유출관로(32) 직전에 포화수증기압보다 낮은 압력이 형성될 경우 캐비테이션(cavitation)이 발생하고, 캐비테이션 기포가 런너(20) 표면에서 축소 폭발할 때 런너(20) 표면은 도 2에 도시된 바와 같이 손상된다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 종래에는 도 3에 도시된 바와 같이 런너(20)의 블레이드(21)에 압력밸런스홀(21a) 가공을 하여, 런너(20)의 고압측(H)과 저압측(L)을 통하게 함으로써 블레이드(21)의 저압측 압력을 상승시켜 캐비테이션을 완화하였다. 하지만, 상기한 바와 같이 런너(20)의 블레이드(21)에 압력밸런스홀(21a)을 가공할 경우, 런너(20) 고압측의 압력이 낮아짐으로 인해 런너(20)의 출력이 저감되어 런너(20)의 효율성이 낮아지는 역효과가 발생하는 문제가 있다.

대한민국 등록특허 제10-1911022호

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 런너의 고압측과 저압측을 통하게 하여 캐비테이션을 완화하되, 고압측과 저압측 사이의 통로를 블레이드가 아닌 런너의 슈라우드에 형성함으로써 런너의 출력을 유지하면서도 캐비테이션을 완화시킬 수 있도록 한 프란시스형 수차의 캐비테이션 저감 구조를 제공하고자 한 것이다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여, 케이싱; 상기 케이싱 내부에 축 결합되어 케이싱의 유입관로를 통해 유입되는 작동유체의 압력에 의해 회전되면서 발전기를 통해 전기를 생산하는 런너를 포함하는 프란시스형 수차에 있어서, 상기 런너는, 원주 방향을 따라 복수로 배열되고, 일면은 유입관로를 통해 유입된 작동유체의 압력이 직접 작용하는 고압면과, 상기 고압면의 반대면을 형성하는 저압면을 포함하는 블레이드; 상기 복수의 블레이드 상부를 연결하여 일체화시키며, 발전기의 발전축에 결합될 수 있도록 제공된 허브; 상기 복수의 블레이드 하부를 연결하여 일체화시키며, 상기 케이싱으로부터 이격되어 케이싱과의 사이에 틈새를 형성하는 슈라우드; 및 상기 슈라우드의 양측을 관통하여 형성되며, 케이싱의 유입관로측 압력을 상기 틈새를 통해 블레이드의 저압면측으로 유도하는 압력연결공부를 포함하는 프란시스형 수차의 캐비테이션 저감 구조를 제공한다.

이때, 상기 슈라우드는 상기 케이싱의 내주면 높이에 대응되며, 상기 압력연결공부는 상기 블레이드가 상기 슈라우드에 결합된 지점을 기준으로 슈라우드의 하부에 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 압력연결공부는 상기 틈새와 블레이드의 저압면측을 연결하는 직선의 통로로 형성되며, 틈새에서 블레이드의 저압면측을 향해 경사지게 형성된 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 프란시스형 수차의 캐비테이션 저감 구조는 런너의 고압부측 작동유체를 저압부측으로 유도하여 런너의 저압부측 압력을 상승시킴으로써, 캐비테이션 발생을 완화하여 캐비테이션 발생에 따른 런너 손상을 방지하되, 런너의 저압부로 가이드되는 작동유체의 통로를 런너의 슈라우드에 형성시킴으로써 캐비테이션 완화 동작시에도 런너 출력이 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 프란시스형 수차를 나타낸 단면도이다.
도 2는 프란시스형 수차의 런너 블레이드가 캐비테이션에 의해 손상된 상태를 나타낸 사진이다.
도 3은 종래 기술에 따른 프란시스형 수차의 캐비테이션 저감을 위해 블레이드에 압력밸런스홀이 형성된 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프란시스형 수차의 캐비테이션 저감 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4의 "A"부를 확대하여 나타낸 도면이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하, 첨부된 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프란시스형 수차의 캐비테이션 저감 구조에 대하여 설명하도록 한다.

프란시스형 수차의 캐비테이션 저감 구조는 유입관로를 통해 유입되는 작동유체의 일부를 런너 블레이드의 배면 즉, 저압부측으로 유도하여 저압부측의 압력을 상승시켜 수차 내부에서의 캐비테이션 발생을 완화시키도록 하되, 작동유체가 블레이드의 저압부측으로 유도되는 경로를 런너의 슈라우드에 형성하였다. 이에 따라, 본 발명은 런너의 회전 출력을 저감시키지 않으면서 수차 내부에서의 캐비테이션 발생을 완화시킬 수 있는 특징이 있다.

프란시스형 수차의 캐비테이션 저감구조는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 케이싱(100)과 런너(200)를 포함하는 수차에 있어서, 런너(200)의 슈라우드에 압력연결공부를 형성하여 작동유체를 저압부측으로 유도할 수 있도록 하였다.

케이싱(100)은 런너(200)의 회전공간을 제공하며, 일측에는 작동유체가 유입되는 유입관로(110)가 형성되고 타측에는 작동유체가 토출되는 유출관로(120)가 형성된다. 이때, 유입관로(110)측은 유출관로(120)에 비해 압력이 높은 고압이 형성되고, 유출관로(120)측은 상대적으로 압력이 낮은 저압이 형성된다.

런너(200)는 케이싱(100) 내부에서 작동유체의 압력에 의해 회전하면서 회전력을 발생하여 발전기로 하여금 전기를 생산하게 하며, 블레이드(210)와, 허브(220)와, 슈라우드(230)와, 압력연결공부(240)를 포함한다. 블레이드(210)는 원주 방향으로 복수로 배열되며, 유입관로(110)를 통해 작동유체의 압력이 직접 작용하는 고압면(211)과 고압면의 반대면인 저압면(212)을 형성한다. 허브(220)는 도면상 복수로 배열된 블레이드(210)들의 상부를 연결하여 블레이드(210)들을 일체화시키며, 발전기의 발전축(S)이 연결되는 부위이다. 또한, 슈라우드(230)는 도면상 복수로 배열된 블레이드(210)들의 하부를 연결하여 블레이드(210)들을 일체화시키는 구성이다. 슈라우드(230)는 런너(200)의 회전동작을 위해 케이싱(100)으로부터 이격되어야 함은 당연하며, 케이싱(100)의 내주면에 대향되도록 설치된다. 이때, 슈랴우드(230)와 케이싱(100)의 내주면 사이에는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 소정의 이격공간 즉, 틈새(G)가 형성된다. 틈새(G)는 유입관로(110)를 통해 유입된 작동유체가 블레이드(210)의 고압면(211)에 압력을 작용한 후, 유출관로(120)측으로 빠져나가는 통로로써의 역할을 한다. 한편, 슈라우드(230)는 케이싱(100)의 내주면과 일직선의 높이로 대응되되, 슈라우드(230)의 하단부는 틈새(G)의 하단부보다 더 하방에 위치되는 길이임이 바람직하다. 또한, 슈라우드(230)는 상기한 바와 같이 블레이드(210)의 하단부를 연결하는 구성인데, 블레이드(210)가 슈라우드(230)에 연결된 지점은 틈새(G)의 하단부보다 높은 위치임이 바람직하다. 이는, 후술하는 압력연결공부(240)가 슈라우드(230)에서 틈새(G)와 런너(200)의 저압측을 연결시킬 수 있도록 하기 위함이다.

압력연결공부(240)는 전술한 바와 같이, 블레이드(210)의 저압면(212)측 즉, 런너(200)의 저압측(L)에서 압력 상승을 유도하여 캐비테이션을 최소화기 위한 구성으로써, 슈라우드(230)의 양측이 관통되도록 형성된다. 즉, 압력연결공부(240)는 런너(200)의 고압측(H)에서 발생한 압력을 런너(200)의 저압측(L)으로 유도하여 런너(200)의 저압측(L) 압력을 상승시키도록 함으로써 캐비테이션을 최소화할 수 있도록 한 것이다. 이때, 압력연결공부(240)는 슈라우드(230)에 형성되되, 틈새(G)와 런너(200)의 저압측(L)이 통하도록 위치된다. 압력연결공부(240)는 블레이드(210)가 슈라우드(230)에 연결된 지점을 기준으로 도면상 하부에 형성되는데, 블레이드(210)가 슈라우드(230)에 연결된 지점이 틈새(G)의 하단부보다 높은 위치이기 때문에 압력연결공부(240)는 틈새(G)와 저압측(L)을 연결시킬 수 있다.

압력연결공부(240)는 틈새(G)와 저압측(L) 사이에 수평하게 형성될 수 있으며, 도 5에 도시된 바와 같이 틈새(G)로부터 저압측(L)을 향해 하향 경사지게 형성됨이 바람직하다. 압력연결공부(240)가 틈새(G)로부터 저압측(L)을 향해 하향 경사지게 형성됨으로써, 고압측(H)의 압력은 저압측(L)으로 더욱 원활하게 유도될 수 있다. 특히, 압력연결공부(240)의 단면은 완만한 확관 형태를 형성함이 바람직하다. 즉, 압력연결공부(240)의 내경은 고압측(H;틈새측)에서 저압측(L)으로 갈수록 점점 크게 형성된 것이다.

압력연결공부(240)의 관로는 아래와 같은 수학식을 만족하는 것이 바람직하다.

[수학식]

A : 압력연결공부의 출구측(저압측) 내경

B : 압력연결공부의 입구측(고압측) 내경

A/B > 1

지금까지 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 프란시스형 수차의 캐비테이션 저감 구조는 런너(200)의 슈라우드(230)에 압력연결공부(240)를 형성하여 런너(200)의 고압측(H) 압력이 상기 압력연결공부(240)를 통해 런너(200)의 저압측(L)으로 유도될 수 있도록 하였다. 이에 따라, 본 발명은 런너(200)의 출력을 저감시키지 않으면서 런너(200) 내부의 캐비테이션 발생을 최소화할 수 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대하여 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정은 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이다.

100 : 케이싱 110 : 유입관로
120 : 유출관로 200 : 런너
210 : 블레이드 211 : 고압면
212 : 저압면 220 : 허브
230 : 슈라우드 240 : 압력연결공부
H : 고압측 L : 저압측
S : 발전축 G : 틈새

Claims

케이싱; 상기 케이싱 내부에 축 결합되어 케이싱의 유입관로를 통해 유입되는 작동유체의 압력에 의해 회전되면서 발전기를 통해 전기를 생산하는 런너를 포함하는 프란시스형 수차에 있어서, 상기 런너는,
원주 방향을 따라 복수로 배열되고, 일면은 유입관로를 통해 유입된 작동유체의 압력이 직접 작용하는 고압면과, 상기 고압면의 반대면을 형성하는 저압면을 포함하는 블레이드;
상기 복수의 블레이드 상부를 연결하여 일체화시키며, 발전기의 발전축에 결합될 수 있도록 제공된 허브;
상기 복수의 블레이드 하부를 연결하여 일체화시키며, 상기 케이싱으로부터 이격되어 케이싱과의 사이에 틈새를 형성하는 슈라우드; 및
상기 슈라우드의 양측을 관통하여 형성되며, 케이싱의 유입관로측 압력을 상기 틈새를 통해 블레이드의 저압면측으로 유도하는 압력연결공부를 포함하는 프란시스형 수차의 캐비테이션 저감 구조.
제1항에 있어서,
상기 슈라우드는 상기 케이싱의 내주면 높이에 대응되며, 상기 압력연결공부는 상기 블레이드가 상기 슈라우드에 결합된 지점을 기준으로 슈라우드의 하부에 형성된 것을 특징으로 하는 프란시스형 수차의 캐비테이션 저감 구조.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 압력연결공부는 상기 틈새와 블레이드의 저압면측을 연결하는 직선의 통로로 형성되며, 틈새에서 블레이드의 저압면측을 향해 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 프란시스형 수차의 캐비테이션 저감 구조.