KR20240021199A - 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치 및 이의 제어방법 - Google Patents
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Abstract
에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치 및 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치의 제어방법에 관한 것이다. 해당 시뮬레이션 실험장치는 수력 터빈(1), 수력 터빈(1)을 움직여 스웨이(sway) 운동 실험을 실시하도록 하는 스웨이 운동 플랫폼, 스웨이 운동 플랫폼을 움직여 운동하도록 하는 서지(surge) 운동 플랫폼을 포함한다. 수력 터빈(1)은 스웨이 운동 플랫폼과 서지 운동 플랫폼의 하방에 위치하고, 스웨이 운동 플랫폼은 스웨이 에너지 저장 장치(78)를 포함하고, 서지 운동 플랫폼은 서지 에너지 저장 장치(79)를 포함하고, 스웨이/서지 에너지 저장 장치(78, 79)는 모두 가이드 로드(47, 71), 에너지 저장 슬라이드 블록(44, 72), 스프링(48, 70)을 설치하며; 에너지 저장 슬라이드 블록(44, 72)은 가이드 로드(47, 71)에서 슬라이딩하고, 스프링(48、70)은 가이드 로드(47, 71)의 외측에 둘러싸여지고, 에너지 저장 슬라이드 블록(44, 72)은 수력 터빈(1)/운동 플랫폼과 연결한다. 해당 시뮬레이션 실험장치는 수력 터빈에 스웨이 또는 서지 운동이 발생하였을 경우, 스프링이 에너지를 저장 또는 제공해 구동력의 스웨이 또는 서지 운동에서의 피크 값을 효과적으로 낮출 수 있다.
Description
본 발명은 수력 터빈 실험장치에 관한 것으로, 상세하게, 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
나날이 두드러지고 있는 글로벌 범위 내 자원 부족, 환경 오염 등 문제로 인하여, 세계의 각 국가들은 모두 신형 에너지를 찾아 종래의 화석 에너지를 대체하려 노력하고 있다. 종래의 화석 에너지를 대체할 수 있는 다양한 신형 에너지 중에서, 조류 에너지는 저장량이 풍부하고 부하가 안정적이고 예측 가능성이 강한 등 장점이 있어 가장 잠재력이 있는 신형 에너지 중 하나로 되었으며, 따라서, 조류 에너지의 합리적인 이용 및 개발은 글로벌 자원 위기 및 환경 오염 문제 개선에 대해 큰 의미를 갖는다.
조류 에너지 수력 터빈은 조류 에너지의 개발 이용 분야에서 중요한 에너지 전환장치이다. 조류 에너지 수력 터빈은 임펠러 회전축이 물살의 속도 및 방향과 평행되고 수직되는 데 따라 수평축 조류 에너지 수력 터빈과 수직축 조류 에너지 수력 터빈으로 나눈다. 지지 캐리어 형식이 다름에 따라 조류 에너지 발전장치를 잠입식、파일 칼럼식(pile column type)과 부유식으로 나눈다. 파일 칼럼식 및 잠입식 조류 에너지 수력 터빈은 해저에 장착되어 장착과 유지보수의 원가가 높으며; 부유식 조류 에너지 수력 터빈은 수면에 장착되고, 수면은 인커밍 플로우 속도가 커 추출할 수 있는 에너지가 높고 장착과 유지보수의 원가가 비교적 낮기 때문에, 부유식 조류 에너지 수력 터빈은 널리 주목받고 있다. 수력 터빈은 조류 에너지와 전기 에너지를 전환할 때 해류, 파도의 영향을 받기 때문에, 수력 터빈을 캐리어 운동 시뮬레이션 플랫폼에 고정해 수력 터빈의 조류에서의 운동을 시뮬레이션하고, 더 나아가, 조류 에너지와 전기 에너지 간의 전환을 어떻게 더 잘 구현하느냐를 연구하는 것이 줄곧 널리 주목받고 있다.
종래기술에 있어서, 예를 들어 특허 CN105134472A는 앵커링(anchoring) 운동식 조류 발전 실험장치를 공개하였으며, 해당 특허에 있어서, 응력 케이블을 이용해 앵커링을 진행하는 하나의 실험장치는 조류 유속을 증폭시키는 효과를 구현할 수 있으며; 하지만, 해당 실험장치 중의 플랫폼은 고정 상태에 속하기 때문에, 수력 터빈 캐리어가 표층 해류의 간섭을 받아 생성되는 서지(surge) 및 스웨이(sway) 운동은 시뮬레이션이 어렵다. 다시, 예를 들어 특허 CN202010842014.3은 부유식 수평축 수력 터빈을 지향하는 실험장치를 공개하였으며, 해당 특허 설계는 하나의 수력 터빈 실험 플랫폼을 설계하여, 수력 터빈이 조석류에 의해 구동되는 과정에서 파도, 난류(turbulent Flow) 등으로부터 받는 고빈도 간섭을 시뮬레이션하였지만, 해당 실험장치는 진폭 반경이 고정되어 다양한 진폭의 스웨이(sway), 서지(surge) 운동에 대한 시뮬레이션이 어렵고, 이가 이용한 가이드 레일이 모두 단측 가이드 레일이어서 쉽게 응력이 균일하지 않고, 실험장치에 필요한 구동력 피크 값도 비교적 크다.
본 발명은 상기 결함을 해결하기 위해 창출된 것으로, 그 목적은, 캐리어 운동 플랫폼에 필요한 구동력 피크 값을 낮춘 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치를 제공하는 데 있다.
본 발명은 상기 실험장치의 제어방법을 더 제공한다.
상기 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치를 이용하며, 상기 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치는 수력 터빈, 서지(surge) 운동 플랫폼, 수력 터빈을 움직여 스웨이(sway) 운동 실험을 실시하도록 하는 스웨이 운동 플랫폼을 포함하고, 상기 서지 운동 플랫폼은 스웨이 운동 플랫폼을 움직여 운동하도록 함으로써, 수력 터빈을 움직여 서지 운동을 실시하도록 하고, 상기 수력 터빈은 스웨이 운동 플랫폼과 서지 운동 플랫폼의 하방에 위치하고, 상기 스웨이 운동 플랫폼은 스웨이 에너지 저장 장치를 포함하고, 상기 스웨이 에너지 저장 장치는 복수의 스웨이 에너지 저장 유닛을 포함하고, 상기 스웨이 에너지 저장 유닛은 스웨이 가이드 로드, 스웨이 에너지 저장 슬라이드 블록, 스웨이 스프링을 포함하며; 상기 스웨이 가이드 로드는 스웨이 운동 플랫폼에 설치되고, 스웨이 가이드 로드의 연장방향은 수력 터빈의 스웨이 운동 방향에 평행되고, 상기 스웨이 에너지 저장 슬라이드 블록은 스웨이 가이드 로드에서 슬라이딩하고, 스웨이 스프링은 스웨이 가이드 로드에 씌워 설치되며, 스웨이 스프링은 일단이 스웨이 운동 플랫폼과 고정 연결되고 다른 일단이 스웨이 에너지 저장 슬라이드 블록과 고정 연결되며, 스웨이 에너지 저장 슬라이드 블록은 수력 터빈과 연결되어 수력 터빈과 함께 횡방향으로 이동하며; 상기 서지 운동 플랫폼은 서지 에너지 저장 장치를 포함하며; 서지 에너지 저장 장치는 복수의 서지 에너지 저장 유닛을 포함하고, 상기 서지 에너지 저장 유닛은 서지 가이드 로드, 서지 에너지 저장 슬라이드 블록, 서지 스프링을 포함하며; 상기 서지 가이드 로드는 서지 운동 플랫폼에 설치되고, 서지 가이드 로드의 연장방향은 수력 터빈의 서지 운동방향에 평행되고, 상기 서지 에너지 저장 슬라이드 블록은 서지 가이드 로드에서 슬라이딩하고, 서지 스프링은 서지 가이드 로드에 씌워 설치되며, 서지 스프링은 일단이 서지 운동 플랫폼과 연결되고 다른 일단이 서지 에너지 저장 슬라이드 블록과 고정 연결되며, 서지 에너지 저장 슬라이드 블록은 스웨이 운동 플랫폼과 연결되어 스웨이 운동 플랫폼과 함께 종방향으로 이동하며; 상기 스웨이 가이드 로드의 연장방향은 서지 가이드 로드의 연장방향에 수직된다.
더 나아가, 상기 서지 에너지 저장 장치는 조절장치를 포함하고, 상기 조절장치는 조절 스크루 로드(screw rod), 조절 모터, 너트 슬라이드 블록, 복수의 시발점 슬라이드 블록을 포함하며, 상기 조절 모터는 서지 운동 플랫폼에 고정 설치되고, 조절 모터는 조절 스크루 로드를 움직여 회전하도록 하고, 조절 스크루 로드에는 너트 슬라이드 블록을 설치하며, 상기 너트 슬라이드 블록은 조절 스크루 로드와 나사산으로 연결하고, 조절 스크루 로드는 회전해 너트 슬라이드 블록을 움직여 조절 스크루 로드의 연장방향을 따라 팽행 이동하도록 하고, 각각의 상기 서지 가이드 로드에는 하나의 시발점 슬라이드 블록을 설치하고, 상기 시발점 슬라이드 블록은 서지 가이드 로드를 따라 슬라이딩하고, 모든 시발점 슬라이드 블록은 너트 슬라이드 블록과 고정 연결되며, 상기 서지 스프링은 일단이 서지 에너지 저장 슬라이드 블록을 연결하고 다른 일단이 시발점 슬라이드 블록의 연결을 통해 서지 운동 플랫폼과 연결한다.
더 나아가, 상기 스웨이 운동 플랫폼은 스웨이 제1 프레임, 스웨이 제2 프레임, 스웨이 구동장치를 더 포함하고, 상기 수력 터빈은 스웨이 제1 프레임과 고정 연결되고, 스웨이 제2 프레임의 내부에는 복수의 제1 슬라이드 레일이 설치되고, 스웨이 제1 프레임은 제1 슬라이드 레일에 장착되고, 상기 스웨이 구동장치는 스웨이 제1 프레임을 구동해 제1 슬라이드 레일에서 슬라이딩하도록 하는 데 사용하며; 상기 스웨이 가이드 로드는 스웨이 제2 프레임과 고정 연결되고, 스웨이 가이드 로드의 연장방향은 제1 슬라이드 레일의 연장방향과 평행된다.
더 나아가, 상기 스웨이 구동장치는 스웨이 구동 모터, 스웨이 구동 스크루 로드, 스웨이 구동 슬라이드 블록, 스웨이 스크루 로드 슬라이드 블록, 제1 스크루 로드 모터를 포함하며, 상기 스웨이 제1 프레임에는 이의 슬라이딩 방향과 수직되는 스웨이 구동 슬라이드 레일을 설치하고, 스웨이 구동 슬라이드 레일에는 스웨이 구동 슬라이드 블록을 장착하고, 스웨이 구동 슬라이드 블록은 스웨이 구동 스크루 로드의 일단과 연결하며, 상기 스웨이 구동 스크루 로드에는 스웨이 스크루 로드 슬라이드 블록을 설치하고, 스웨이 스크루 로드 슬라이드 블록은 스웨이 구동 스크루 로드와 나사산으로 연결하고, 상기 제1 스크루 로드 모터는 스웨이 구동 스크루 로드를 구동해 회전하도록 하고, 스웨이 구동 스크루 로드는 회전해 스웨이 스크루 로드 슬라이드 블록을 움직여 스웨이 구동 스크루 로드를 따라 이동하도록 하고, 상기 스웨이 구동 모터 출력축은 스웨이 스크루 로드 슬라이드 블록과 고정 연결되고, 스웨이 구동 모터 출력축의 연장방향은 스웨이 구동 스크루 로드의 연장방향에 수직되고, 상기 스웨이 구동 모터는 스웨이 구동 스크루 로드를 구동해 스윙하도록 하고, 스웨이 구동 스크루 로드는 스윙해 스웨이 구동 슬라이드 블록을 구동하여 스웨이 구동 슬라이드 레일에서 슬라이딩하도록 함으로써, 스웨이 제1 프레임을 구동해 제1 슬라이드 레일에서 슬라이딩하도록 한다.
더 나아가, 상기 스웨이 에너지 저장 유닛은 스웨이 에너지 저장 전환장치를 포함하고, 상기 스웨이 에너지 저장 전환장치는 제1 전기자석 신축 로드와 제2 전기자석 신축 로드를 포함하며, 상기 제1 전기자석 신축 로드의 고정단은 스웨이 제2 프레임에 고정되고, 제2 전기자석 신축 로드의 고정단은 스웨이 제1 프레임에 고정되며, 상기 스웨이 에너지 저장 슬라이드 블록은 제1 커넥팅 홀과 제2 커넥팅 홀을 설치하고, 상기 제1 전기자석 신축 로드에 전기가 통할 경우, 제1 전기자석 신축 로드의 출력단은 스웨이 에너지 저장 슬라이드 블록의 제1 커넥팅 홀과 연결하며; 상기 제2 전기자석 신축 로드에 전기가 통할 경우, 제2 전기자석 신축 로드의 출력단은 스웨이 에너지 저장 슬라이드 블록의 제2 커넥팅 홀과 연결하며; 제1 전기자석 신축 로드와 제2 전기자석 신축 로드는 동시에 전기가 통하지 않는다.
더 나아가, 상기 서지 운동 플랫폼은 서지 프레임, 서지 구동장치를 더 포함하고, 서지 프레임의 내부에는 복수의 제2 슬라이드 레일이 설치되고, 스웨이 제2 프레임은 제2 슬라이드 레일에 장착되고, 상기 서지 구동장치는 스웨이 제2 프레임을 구동해 제2 슬라이드 레일에서 슬라이딩하도록 하는 데 사용하며; 상기 서지 가이드 로드는 서지 프레임과 고정 연결되고, 서지 가이드 로드의 연장방향은 제2 슬라이드 레일의 연장방향과 평행된다.
더 나아가, 상기 서지 구동장치는 서지 구동 모터, 서지 구동 스크루 로드, 서지 구동 슬라이드 블록, 서지 스크루 로드 슬라이드 블록, 제2 스크루 로드 모터를 포함하며, 상기 스웨이 제2 프레임에는 이의 슬라이딩 방향과 수직되는 서지 구동 슬라이드 레일을 설치하고, 서지 구동 슬라이드 레일에는 서지 구동 슬라이드 블록을 장착하고, 서지 구동 슬라이드 블록은 서지 구동 스크루 로드의 일단과 연결하며, 상기 서지 구동 스크루 로드에는 서지 스크루 로드 슬라이드 블록을 설치하고, 서지 스크루 로드 슬라이드 블록은 서지 구동 스크루 로드와 나사산으로 연결하고, 상기 제2 스크루 로드 모터는 서지 구동 스크루 로드를 구동해 회전하도록 하고, 서지 구동 스크루 로드는 회전해 서지 스크루 로드 슬라이드 블록을 움직여 서지 구동 스크루 로드를 따라 이동하도록 하며, 상기 서지 구동 모터의 출력축은 서지 스크루 로드 슬라이드 블록과 고정 연결되고, 서지 구동 모터의 출력축의 연장방향은 서지 구동 스크루 로드의 연장방향에 수직되고, 상기 서지 구동 모터는 서지 구동 스크루 로드를 구동해 스윙하도록 하고, 서지 구동 스크루 로드는 스윙해 서지 구동 슬라이드 블록을 구동하여 서지 구동 슬라이드 레일에서 슬라이딩하도록 함으로써, 스웨이 제2 프레임을 구동해 제2 슬라이드 레일에서 슬라이딩하도록 한다.
더 나아가, 상기 서지 에너지 저장 유닛은 서지 에너지 저장 전환장치를 포함하고, 상기 서지 에너지 저장 전환장치는 제3 전기자석 신축 로드와 제4 전기자석 신축 로드를 포함하며, 상기 제3 전기자석 신축 로드의 고정단은 서지 프레임에 고정되고, 제4 전기자석 신축 로드의 고정단은 스웨이 제2 프레임에 고정되며, 상기 서지 에너지 저장 슬라이드 블록은 제3 커넥팅 홀과 제4 커넥팅 홀을 설치하고, 상기 제3 전기자석 신축 로드에 전기가 통할 경우, 제3 전기자석 신축 로드의 출력단은 서지 에너지 저장 슬라이드 블록의 제3 커넥팅 홀과 연결하며; 상기 제4 전기자석 신축 로드에 전기가 통할 경우, 제4 전기자석 신축 로드의 출력단은 서지 에너지 저장 슬라이드 블록의 제4 커넥팅 홀과 연결하며; 제3 전기자석 신축 로드와 제4 전기자석 신축 로드는 동시에 전기가 통하지 않는다.
더 나아가, 상기 수력 터빈은 프로펠러, 메인축과 고정 챔버를 포함하고, 상기 고정 챔버의 내부에는 토크계와 발전기가 설치되며; 프로펠러는 메인축을 통해 토크계의 일단과 고정 연결되고, 토크계의 다른 일단은 발전기의 입력축과 고정 연결된다.
본 발명은 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치의 제어방법을 더 이용하며, 상기 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치의 제어방법은 아래의 단계를 포함한다.
(1) 실험 수요에 근거해 스웨이 구동 모터의 회전 속도 를 확정하며;
(2) 스웨이 에너지 저장 장치의 총 탄성 계수 , 를 확정하며;
(3) 일부 또는 전부의 제2 전기자석 신축 로드를 선택해 전기가 통하도록 하여 스웨이 에너지 저장 장치의 탄성 계수가 로 되도록 하며;
(4) 실험 수요에 근거해 서지 구동 모터의 회전속도 를 확정하며;
(5) 서지 에너지 저장 장치의 총 탄성 계수 , 를 확정하며;
(6) 일부 또는 전부의 제4 전기자석 신축 로드를 선택해 전기가 통하도록 하여 서지 에너지 저장 장치의 탄성 계수가 로 되도록 하며;
(7) 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치가 실험할 경우, 등속 직선 운동을 진행하고, 실험 수요에 근거해 운행 속도 B를 확정하며;
(8) 운행 속도 B에 근거해 시발점 슬라이드 블록에 상대되는 최초 위치의 이동 거리 D를 확정하고, 계산 공식은 이며;
(9) 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치에 의해 스웨이 구동 모터 회전 속도, 서지 구동 모터 회전 속도 , 운행 속도 B를 실험 조건으로 하여 수력 터빈의 스웨이 및 서지 실험을 진행한다.
본 발명은 종래기술에 비해 아래의 뚜렷한 장점을 갖는다. 즉, 수력 터빈에 스웨이(sway) 또는 서지(surge) 운동이 발생하였을 경우, 스웨이 스프링 또는 서지 스프링이 인장, 압축, 에너지 저장을 받아들이고; 수력 터빈이 리턴할 경우, 저장된 에너지는 동력을 제공할 수 있다. 스프링을 에너지 저장 소자로 삼아 구동력의 스웨이 또는 서지 운동에서의 피크 값을 효과적으로 낮출 수 있다. 또한, 상이한 스프링을 선택해 상이한 탄성 계수를 구성하여 상이한 주파수의 진동 운동에 응용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실험장치의 전체 구조에 대한 설명도이고;
도 2는 본 발명의 장치에서 프레임 외측 차단판을 제거한 경우의 전체 설명도이고;
도 3은 본 발명에 따른 수력 터빈의 단면도이고;
도 4는 본 발명의 임펠러 구조에 대한 설명도이고;
도 5는 본 발명에 있어서 스웨이(sway) 운동 플랫폼과 수력 터빈을 연결한 경우의 정면도이고;
도 6은 본 발명에 따른 스웨이 운동 플랫폼의 측면도이고;
도 7은 도 5 중 A-A의 단면도이고, 즉, 스웨이 에너지 저장 유닛의 구조에 대한 설명도이고;
도 8은 본 발명에 따른 서지(surge) 운동 플랫폼의 정면도이고;
도 9는 도 8 중 B-B의 단면도이고;
도 10은 본 발명에 따른 서지 에너지 저장 장치의 구조에 대한 설명도이고;
도 11은 본 발명의 스웨이 운동 플랫폼이 기계식 에너지 저장장치를 구비하지 않은 경우의 기구 운동 약도이고;
도 12는 본 발명의 스웨이 운동 플랫폼이 기계식 에너지 저장장치를 구비한 경우의 기구 운동 약도이고;
도 13은 본 발명의 서지 운동 플랫폼이 기계식 에너지 저장장치를 구비하지 않은 경우의 기구 운동 약도이고;
도 14는 본 발명의 서지 운동 플랫폼이 기계식 에너지 저장장치를 구비한 경우의 기구 운동 약도이고;
도 15는 본 발명에 따른 실험장치를 제어하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 장치에서 프레임 외측 차단판을 제거한 경우의 전체 설명도이고;
도 3은 본 발명에 따른 수력 터빈의 단면도이고;
도 4는 본 발명의 임펠러 구조에 대한 설명도이고;
도 5는 본 발명에 있어서 스웨이(sway) 운동 플랫폼과 수력 터빈을 연결한 경우의 정면도이고;
도 6은 본 발명에 따른 스웨이 운동 플랫폼의 측면도이고;
도 7은 도 5 중 A-A의 단면도이고, 즉, 스웨이 에너지 저장 유닛의 구조에 대한 설명도이고;
도 8은 본 발명에 따른 서지(surge) 운동 플랫폼의 정면도이고;
도 9는 도 8 중 B-B의 단면도이고;
도 10은 본 발명에 따른 서지 에너지 저장 장치의 구조에 대한 설명도이고;
도 11은 본 발명의 스웨이 운동 플랫폼이 기계식 에너지 저장장치를 구비하지 않은 경우의 기구 운동 약도이고;
도 12는 본 발명의 스웨이 운동 플랫폼이 기계식 에너지 저장장치를 구비한 경우의 기구 운동 약도이고;
도 13은 본 발명의 서지 운동 플랫폼이 기계식 에너지 저장장치를 구비하지 않은 경우의 기구 운동 약도이고;
도 14는 본 발명의 서지 운동 플랫폼이 기계식 에너지 저장장치를 구비한 경우의 기구 운동 약도이고;
도 15는 본 발명에 따른 실험장치를 제어하는 흐름도이다.
실시예 1
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 있어서, 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치는 수력 터빈(1), 스웨이(sway) 운동 플랫폼, 서지(surge) 운동 플랫폼을 포함한다. 도 5와 도 6에 도시된 바와 같이, 스웨이 운동 플랫폼은 스웨이 제1 프레임(28), 스웨이 제2 프레임(29), 스웨이 구동장치, 스웨이 에너지 저장 장치를 포함하고, 수력 터빈(1)은 칼럼(27)을 통해 스웨이 제1 프레임(28)과 고정 연결되고, 수력 터빈(1)은 스웨이 제1 프레임(28)의 운동을 따라 운동하며; 스웨이 제2 프레임(29) 내부의 상부 및 하부에는 모두 제1 슬라이드 레일(32)이 설치되고, 본 실시예는 상부 및 하부에 모두 더블 제1 슬라이드 레일(32)을 설치하는 방식을 이용하고, 스웨이 제1 프레임(28) 외측의 상부 및 하부에는 제1 슬라이드 블록(33)이 설치되고, 스웨이 제1 프레임(28)은 제1 슬라이드 블록(33)을 통해 제1 슬라이드 레일(32)에 장착되고, 스웨이 구동장치는 스웨이 제1 프레임(28)을 구동해 제1 슬라이드 레일(32)에서 슬라이딩하도록 하고, 스웨이 제1 프레임(28)은 이의 슬라이딩 방향과 수직되는 스웨이 구동 슬라이드 레일(42)을 설치하고, 스웨이 구동 슬라이드 레일(42)은 수직되게 설치되어 제1 슬라이드 레일(32)의 수평방향의 중간 위치에 자리잡고, 스웨이 구동 슬라이드 레일(42)에는 스웨이 구동 슬라이드 블록(41)을 장착한다.
스웨이 구동장치는 스웨이 구동 모터(31), 스웨이 구동 스크루 로드(screw rod)(37), 스웨이 구동 슬라이드 블록(41), 스웨이 스크루 로드 슬라이드 블록(35), 제1 스크루 로드 모터(36)를 포함하며; 스웨이 구동 슬라이드 블록(41)과 스웨이 구동 스크루 로드(37)의 일단은 제1 교차 롤러 베어링(39)을 통해 연결하고, 스웨이 구동 슬라이드 블록(41)은 제1 베어링 고정 베이스(40)를 통해 제1 교차 롤러 베어링(39)의 이너 링과 고정 연결되고, 스웨이 구동 스크루 로드(37)는 제1 고정 스테이션(38)을 통해 제1 교차 롤러 베어링(39)의 아웃 링과 고정 연결되고, 스웨이 구동 스크루 로드(37)는 스웨이 구동 슬라이드 블록(41)에 상대되게 스윙한다. 스웨이 구동 스크루 로드(37)의 스윙 평면은 스웨이 구동 슬라이드 레일(42)과 제1 슬라이드 레일(32)에 평행되고, 스웨이 구동 스크루 로드(37)에는 스웨이 스크루 로드 슬라이드 블록(35)을 나사산으로 연결하고, 제1 스크루 로드 모터(36)는 스웨이 구동 스크루 로드(37)를 움직여 연장방향을 휘감으면서 회전하도록 하고, 스웨이 구동 스크루 로드(37)는 회전해 스웨이 스크루 로드 슬라이드 블록(35)을 움직여 스웨이 구동 스크루 로드(37)를 따라 이동하도록 한다. 스웨이 제2 프레임(29)이 제1 슬라이드 레일(32)의 연장방향에 평행되는 일측은 제1 모터 지지대(30)를 설치하고, 스웨이 구동 모터(31)는 제1 모터 지지대(30)에 장착되고, 스웨이 구동 모터(31)의 출력축은 제1 슬라이드 레일(32)의 수평방향의 중간 위치에 자리잡고, 스웨이 구동 모터(31)의 출력축은 제1 커플러 플랜지(34)를 통해 스웨이 스크루 로드 슬라이드 블록(35)과 고정 연결되고, 스웨이 구동 모터(31)의 출력축의 연장방향은 스웨이 구동 스크루 로드(37)의 연장방향에 수직되고, 스웨이 구동 모터(31)는 스웨이 구동 스크루 로드(37)를 움직여 주기적으로 스윙하도록 하고, 스웨이 구동 스크루 로드(37)는 주기적으로 스윙해 스웨이 구동 슬라이드 블록(41)을 움직여 스웨이 구동 슬라이드 레일(42)에서 왕복 운동을 진행하도록 함으로써, 스웨이 제1 프레임(28)을 움직여 제1 슬라이드 레일(32)에서 횡방향으로 왕복 운동을 진행하도록 하여 수력 터빈(1)이 횡방향 물살의 영향을 받는 스웨이 운동의 시뮬레이선 실험을 구현한다.
스웨이 에너지 저장 장치는 복수의 스웨이 에너지 저장 유닛(78)을 포함하고, 본 실시예는 수직방향을 따라 4개의 스웨이 에너지 저장 유닛(78)을 설치하고, 도 7에 도시된 바와 같이, 스웨이 에너지 저장 유닛(78)은 스웨이 가이드 로드(47), 스웨이 에너지 저장 슬라이드 블록(44), 스웨이 스프링(48), 스웨이 에너지 저장 전환장치를 포함하며; 스웨이 가이드 로드(47)의 양단은 제1 고정부재(46)를 통해 스웨이 제2 프레임(29)에 고정되고, 스웨이 가이드 로드(47)의 연장방향은 제1 슬라이드 레일(32)에 평행되고, 스웨이 에너지 저장 슬라이드 블록(44)은 스웨이 가이드 로드(47)에서 슬라이딩하고, 스웨이 에너지 저장 슬라이드 블록(44)에는 제1 커넥팅 홀과 제2 커넥팅 홀을 설치하고, 스웨이 스프링(48)은 스웨이 가이드 로드(47)의 외측에 둘러싸여지며, 스웨이 스프링(48)은 일단이 스웨이 제2 프레임(29)과 고정 연결되고 다른 일단이 스웨이 에너지 저장 슬라이드 블록(44)과 고정 연결된다.
스웨이 에너지 저장 전환장치는 제1 전기자석 신축 로드(43)와 제2 전기자석 신축 로드(45)를 포함하고, 제1 전기자석 신축 로드(43)의 고정단은 스웨이 제2 프레임(29)의 외측에 고정 연결되고, 스웨이 제2 프레임(29)에는 제1 전기자석 신축 로드(43)의 출력단이 관통해 지나가도록 하는 홀이 설치되며, 제1 전기자석 신축 로드(43)에 전기가 통한 후, 출력단은 스웨이 제2 프레임(29)의 홀을 관통해 지나가 제1 커넥팅 홀에 관통해 들어가고, 이 경우, 제2 전기자석 신축 로드(45)는 전기가 차단되고, 스웨이 에너지 저장 슬라이드 블록(44)은 스웨이 제2 프레임(29)에 고정된다. 제2 전기자석 신축 로드(45)의 고정단은 스웨이 제1 프레임(28)의 내측에 고정 연결되고, 스웨이 제1 프레임(28)에는 제2 전기자석 신축 로드(45)의 출력단이 관통해 지나가도록 하는 홀이 설치되며, 제2 전기자석 신축 로드(45)에 전기가 통한 후, 출력단은 스웨이 제1 프레임(28)의 홀을 관통해 지나가 제2 커넥팅 홀에 관통해 들어가고, 이 경우, 제1 전기자석 신축 로드(43)는 전기가 차단되고, 스웨이 에너지 저장 슬라이드 블록(44)은 스웨이 제1 프레임(28)과 고정 연결되고, 제1 전기자석 신축 로드(43)와 제2 전기자석 신축 로드(45)에 전기가 통하고 차단되는 상황을 통해 스웨이 제1 프레임(28)과 스웨이 에너지 저장 유닛(78)의 연결 상황을 전환함으로써, 스웨이 에너지 저장 유닛(78)을 선택적으로 접속해 실험을 진행한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 서지 운동 플랫폼은 서지 프레임(49), 서지 구동장치, 서지 에너지 저장 장치를 포함하며; 서지 프레임(49) 내부의 상부 및 하부는 모두 제2 슬라이드 레일(53)이 수평으로 설치되고, 본 실시예는 상부 및 하부에 모두 더블 제2 슬라이드 레일(53)을 설치하는 방식을 이용하고, 스웨이 제2 프레임(29) 외측의 상부 및 하부에는 제2 슬라이드 블록(52)이 설치되고, 스웨이 제2 프레임(29)은 제2 슬라이드 블록(52)을 통해 제2 슬라이드 레일(53)에 장착되고, 서지 구동장치는 스웨이 제2 프레임(29)을 구동해 제2 슬라이드 레일(53)에서 슬라이딩하도록 하고, 서지 프레임(49)은 이의 슬라이딩 방향과 수직되는 서지 구동 슬라이드 레일(67)을 설치하고, 서지 구동 슬라이드 레일(67)은 수직되게 설치되어 제2 슬라이드 레일(53)의 수평방향의 중간 위치에 자리잡고, 서지 구동 슬라이드 레일(67)에는 서지 구동 슬라이드 블록(66)을 장착한다. 스웨이 및 서지 프레임은 모두 양측 가이드 레일로 연결하기 때문에, 응력이 균형을 이룬다.
서지 구동장치는 서지 구동 모터(58), 서지 구동 스크루 로드(screw rod)(62), 서지 구동 슬라이드 블록(66), 서지 스크루 로드 슬라이드 블록(60), 제2 스크루 로드 모터(61)를 포함하며; 서지 구동 슬라이드 블록(66)과 서지 구동 스크루 로드(62)의 일단은 제2 교차 롤러 베어링(64)을 통해 연결하고, 서지 구동 슬라이드 블록(66)은 제2 베어링 고정 베이스(65)를 통해 제2 교차 롤러 베어링(64)의 이너 링과 고정 연결되고, 서지 구동 스크루 로드(62)는 제2 고정 스테이션(63)을 통해 제2 교차 롤러 베어링(64)의 아웃 링과 고정 연결되고, 서지 구동 스크루 로드(62)는 서지 구동 슬라이드 블록(66)에 상대되게 스윙한다. 서지 구동 스크루 로드(62)의 스윙 평면은 서지 구동 슬라이드 레일(67)과 제2 슬라이드 레일(53)에 평행되고, 서지 구동 스크루 로드(62)에는 서지 스크루 로드 슬라이드 블록(60)을 나사산으로 연결하고, 제2 스크루 로드 모터(61)는 서지 구동 스크루 로드(62)를 움직여 연장방향을 휘감으면서 회전하도록 하고, 서지 구동 스크루 로드(62)는 회전해 서지 스크루 로드 슬라이드 블록(60)을 움직여 서지 구동 스크루 로드(62)를 따라 이동하도록 한다. 서지 프레임(49)이 제2 슬라이드 레일(53)의 연장방향에 평행되는 일측은 제2 모터 지지대(57)를 설치하고, 서지 구동 모터(58)는 제2 모터 지지대(57)에 장착되고, 서지 구동 모터(58)의 출력축은 제2 슬라이드 레일(53)의 수평방향의 중간 위치에 자리잡고, 서지 구동 모터(58)의 출력축은 제2 커플러 플랜지(59)를 통해 서지 스크루 로드 슬라이드 블록(60)과 고정 연결되고, 서지 구동 모터(58)의 출력축의 연장방향은 서지 구동 스크루 로드(62)의 연장방향에 수직되고, 서지 구동 모터(58)는 서지 구동 스크루 로드(62)를 움직여 주기적으로 스윙하도록 하고, 서지 구동 스크루 로드(62)는 주기적으로 스윙해 서지 구동 슬라이드 블록(66)을 움직여 서지 구동 슬라이드 레일(67)에서 왕복 운동을 진행하도록 함으로써, 스웨이 제2 프레임(29)을 움직여 제2 슬라이드 레일(53)에서 횡방향으로 왕복 운동을 진행하도록 하여 수력 터빈(1)이 종방향 물살의 영향을 받는 서지 운동의 시뮬레이션 실험을 구현한다.
서지 에너지 저장 장치는 복수의 서지 에너지 저장 유닛(79)과 조절장치를 포함하고, 본 실시예는 수직방향을 따라 4개의 서지 에너지 저장 유닛(79)을 설치하고, 도 9에 도시된 바와 같이, 서지 에너지 저장 유닛(79)은 서지 가이드 로드(71), 서지 에너지 저장 슬라이드 블록(72), 서지 스프링(70), 서지 에너지 저장 전환장치를 포함하며; 서지 가이드 로드(71)의 양단은 제1 고정부재(46)를 통해 서지 제2 프레임(29)에 고정되고, 서지 가이드 로드(71)의 연장방향은 제2 슬라이드 레일(53)에 평행되고, 서지 에너지 저장 슬라이드 블록(72)은 서지 가이드 로드(71)에서 슬라이딩하고, 서지 에너지 저장 슬라이드 블록(72)에는 제3 커넥팅 홀과 제4 커넥팅 홀을 설치하고, 서지 스프링(70)은 서지 가이드 로드(71)의 외측에 둘러싸여지며, 서지 스프링(70)은 일단이 시발점 슬라이드 블록(69)과 고정 연결되고 다른 일단이 서지 에너지 저장 슬라이드 블록(72)과 고정 연결된다.
서지 에너지 저장 전환장치는 제3 전기자석 신축 로드(54)와 제4 전기자석 신축 로드(55)를 포함하고, 제3 전기자석 신축 로드(54)의 고정단은 서지 프레임(49)의 외측에 고정 연결되고, 서지 프레임(49)에는 제3 전기자석 신축 로드(54)의 출력단이 관통해 지나가도록 하는 홀이 설치되며, 제3 전기자석 신축 로드(54)에 전기가 통한 후, 출력단은 서지 프레임(49)의 홀을 관통해 지나가 제3 커넥팅 홀에 관통해 들어가고, 이 경우, 제4 전기자석 신축 로드(55)는 전기가 차단되고, 서지 에너지 저장 슬라이드 블록(72)은 서지 프레임(49)에 고정된다. 제4 전기자석 신축 로드(55)의 고정단은 스웨이 제2 프레임(29)의 내측에 고정 연결되고, 스웨이 제2 프레임(29)에는 제4 전기자석 신축 로드(55)의 출력단이 관통해 지나가도록 하는 홀이 설치되며, 제4 전기자석 신축 로드(55)에 전기가 통한 후, 출력단은 스웨이 제2 프레임(29)의 홀을 관통해 지나가 제4 커넥팅 홀에 관통해 들어가고, 이 경우, 제3 전기자석 신축 로드(54)는 전기가 차단되고, 서지 에너지 저장 슬라이드 블록(72)은 스웨이 제2 프레임(29)과 고정 연결되고, 제3 전기자석 신축 로드(54)와 제4 전기자석 신축 로드(55)에 전기가 통하고 차단되는 상황을 통해 스웨이 제2 프레임(29)과 서지 에너지 저장 유닛(79)의 연결 상황을 전환함으로써, 서지 에너지 저장 유닛(79)을 선택적으로 접속해 실험을 진행한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 조절장치는 조절 스크루 로드(77), 조절 모터(75), 너트 슬라이드 블록(73), 복수의 시발점 슬라이드 블록(69)을 포함하고, 서지 가이드 로드(71) 각각은 하나의 시발점 슬라이드 블록(69)을 설치하고, 시발점 슬라이드 블록(69)은 서지 가이드 로드(71)를 따라 슬라이딩하고, 본 실시예에서, 4개의 서지 에너지 저장 유닛(79)은 대응되게 4개의 시발점 슬라이드 블록(69)을 설치하고, 너트 슬라이드 블록(73)은 가로 로드(74)를 통해 각각의 시발점 슬라이드 블록(69)과 차례대로 고정 연결되고, 너트 슬라이드 블록(73)은 조절 스크루 로드(77)와 나사산으로 연결하고, 조절 스크루 로드(77)는 조절 모터(75)를 통해 구동하여 연장방향을 축으로 삼아 회전하고, 조절 스크루 로드(77)는 회전해 너트 슬라이드 블록(73)을 움직여 조절 스크루 로드(77)의 연장방향을 따라 이동하도록 하고, 조절 모터(75)는 서지 프레임(49)에 고정 설치되고, 조절장치는 엔코더(50)를 설치하고 스위치(51)에 가까워져 조절 모터의 작동을 제어한다. 볼 스크루 모듈(boll screw module)의 회전을 이용해 너트 슬라이드 블록(73)을 움직여 이동하도록 하고, 너트 슬라이드 블록(73)의 이동을 통해 전체 시발점 슬라이드 블록(69)을 움직여 이동하도록 함으로써, 서지 스프링(70)의 최초 위치를 조절하는 데 사용해 구동력의 서지 운동에서의 피크 값을 효과적으로 낮춘다.
스웨이 운동 플랫폼과 서지 운동 플랫폼은 모두 사인(sine)기구를 이용해 구동하여 모터의 회전을 서지 및 스웨이 프레임의 직선 운동으로 전환시키고, 모터는 운동의 중심 위치에 놓여지고, 모터는 등속 회전하기만 하면 스웨이 및 서지 프레임을 구동해 사인 진동을 구현할 수 있어 제어 알고리즘이 간단하다. 스크루 로드 슬라이드 블록과 구동 슬라이드 블록 간의 거리는 조절할 수 있고, 즉, 운동 플랫폼의 진동 반경을 변경해 다양한 진폭의 운동에 대한 시뮬레이션을 구현할 수 있다. 에너지 저장 슬라이드 블록이 중간 위치에 놓여질 경우, 스프링은 원래 길이를 유지한다. 에너지 저장 슬라이드 블록이 양단을 향해 운동할 경우, 스프링이 인장, 압축, 에너지 저장을 받아들이고; 에너지 저장 슬라이드 블록이 리턴할 경우, 저장된 에너지는 동력을 제공할 수 있다. 스프링을 에너지 저장 소자로 삼아 구동력의 스웨이/서지 운동에서의 피크 값을 효과적으로 낮출 수 있다. 전기자석 신축 로드에 전기가 통하도록 하여 밀어 내보내고 전기를 차단시켜 거두어들이는 특성을 통해 에너지 저장 슬라이드 블록과 스웨이 프레임의 연결과 차단을 구현하여 스웨이 프레임과 스프링의 연결과 차단을 구현한다. 상이한 스프링을 선택해 상이한 탄성 계수를 구성하여 상이한 주파수의 진동 운동에 응용할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 수력 터빈(1)은 칼럼(27)의 하단에 고정되어 스웨이 운동 플랫폼과 서지 운동 플랫폼의 하방에 위치하며, 수력 터빈은 프로펠러(4), 베어링시스템과 고정 챔버를 포함하며, 도 3에 도시된 바와 같이, 수력 터빈의 프로펠러(4)와 임펠러(3) 간은 볼트를 통해 고정 연결되며, 도 4에 도시된 바와 같이, 임펠러(3)의 중심에는 스플라인(spline) 홈이 가공되고, 스플라인 홈의 사방에는 나사산 홀이 가공되고, 스플라인 고정판(8)은 나사를 통해 스플라인 홈의 사방의 나사산 홀에 연결된다. 임펠러는 사면에 모두 볼트 고정 홀이 가공되기 때문에, 상이한 개수 및 상이한 수력학 파라미터의 프로펠러(4)를 선택해 실험하는 데 편리해져 실험장치의 응용 범위를 증가시킨다. 메인축(5)은 일단에 스플라인이 가공되고, 메인축(5)의 스플라인은 임펠러(3)의 스플라인 홈과 매칭되고, 메인축(5)과 임펠러(3) 간은 스플라인 고정판(8)을 통해 연결하고, 메인축(5)의 다른 일단은 토크계(18)와 연결하고, 메인축(5)의 외부는 메인축 슬리브(12)를 설치하고, 메인축(5)과 메인축 슬리브(12) 사이는 제1 베어링(9)을 설치하고, 제1 베어링(9)은 메인축(5)을 지지하는 데 사용하고, 메인축 슬리브(12)와 메인축(5)은 모두 제1 베어링(9)을 고정시키는 데 사용하는 샤프트 숄더(shaft shoulder)가 설치되고, 제1 베어링(9)의 외측은 제2 클램프 스프링(13)을 사용해 위치한정을 진행한다. 메인축 (5)의 중간은 복수의 오목홈을 설치하고, 오목홈은 제1 클램프 스프링(10)을 배치하고, 인접한 2개의 클램프 스프링(10) 사이는 오일 실(oil seal)(11)을 설치해 메인축의 실링을 형성한다.
메인축 슬리브(12)의 외측은 메인축 챔버(11)를 설치하고, 메인축 챔버(11)와 임펠러(3) 사이에는 프론트 엔드 커버(front end cover)(6)가 설치되고, 메인축 슬리브(12)와 프론트 엔드 커버(6)는 볼트를 통해 고정 연결된다. 메인축 슬리브(12)는 일단이 프론트 엔드 커버(6)와 연결하고 다른 일단이 토크계 챔버(14)와 연결하며, 토크계(18)는 토크계 챔버(14)의 내부에 위치하며; 메인축(5)과 토크계(18)의 연결부분은 휠 허브(wheel hub)(17)를 설치하고, 메인축(5)과 토크계(18) 출력축은 키를 통해 휠 허브(17)에 연결되고, 휠 허브(17)와 토크계 챔버(14) 사이는 제2 베어링(16)을 설치하고, 휠 허브(17)의 외측에는 샤프트 숄더가 가공되어 한 쌍의 제2 베어링(16)을 배치하는 데 사용하고, 토크계 챔버(14)의 내부에는 오목홈이 가공되어 한 쌍의 제3 클램프 스프링(15)을 배치하는 데 사용하고 제2 베어링(16)의 외측에 대해 위치한정을 진행하는 데 사용한다. 토크계(18)는 볼트를 이용해 토크계 베이스(19)에 고정하고, 토크계 베이스(19)는 스크루 로드(20)를 통해 발전기 챔버(22)에 고정하고, 발전기 챔버(22)의 내부는 발전기(23)를 설치하고, 발전기(23)의 출력축은 제1 커플러(21)를 통해 토크계(18)의 다른 일단과 연결하고, 발전기(23)는 볼트(24)를 통해 위치한정하여 고정하고, 발전기(23)의 다른 일단은 리어 엔드 커버(rear end cover)(25)를 설치한다. 메인축 슬리브(12)와 프론트 엔드 커버(6), 메인축 챔버(11)와 프론트 엔드 커버(6), 메인축 챔버(11)와 토크계 챔버(14), 토크계 챔버(14)와 발전기 챔버(22), 발전기 챔버(22)와 리어 엔드 커버(25) 간은 모두 볼트를 이용해 연결하고 실링 링(26)을 이용해 실링을 진행한다. 수력 터빈 본체는 구간 분할 실린더를 챔버바디로 이용하고, 구간 분할 실린더 사이는 실링 링 플랜지를 이용해 정적 실링을 진행하기 때문에, 안정성과 믿음성을 구비한다. 실린더를 구간으로 분할하는 방식을 이용하기 때문에, 각 대형 부품의 장착이 더 편리해져 각각의 부속품을 장착하는 정확성과 믿음성을 보장한다.
실험장치의 실험과정은 아래와 같다. 즉, 실험장치를 크레인에 고정하고, 수력 터빈(1)은 전체가 수면 이하에 위치하고, 스웨이 실험 플랫폼과 서지 실험 플랫폼은 수면 이상에 위치하고, 크레인은 실험장치를 움직여 전방으로 운동하도록 하고, 물살은 프로펠러(4)에 충격을 가하고, 프로펠러(4)는 블레이드가 회전하고, 블레이드는 메인축(5)을 움직여 회전하도록 하고, 메인축(5)은 토크계(18)를 움직여 회전하도록 하고, 토크계(18)는 엔진(23)을 움직여 회전하도록 하여 발전기를 통해 조류 에너지를 전기 에너지로 전환하고, 전기 에너지 전환과정에서 스웨이 운동 플랫폼과 서지 운동 플랫폼은 모터를 통해 스웨이 제1 프레임(28)을 구동하여 횡방향으로 왕복 운동을 진행하도록 하고 스웨이 제2 프레임(29)을 구동하여 종방향으로 왕복 운동을 진행하도록 함으로써, 수력 터빈을 움직여 고빈도식 정밀형 스웨이 및 서지 운동을 진행하도록 하여, 수력 터빈이 조석류에 의해 구동되는 과정에서 파도, 난류(turbulent Flow) 등으로부터 받는 고빈도 간섭을 시뮬레이션한다.
실시예 2
상기 실시예에 따른 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치의 제어방법은 아래의 단계를 포함한다.
(1) 실험 수요에 근거해 스웨이 구동 모터의 회전 속도 와 제1 로커 암(rocker arm)의 작동 길이 (즉, 스웨이 스크루 로드 슬라이드 블록(35)과 스웨이 구동 슬라이드 블록(41)의 스웨이 구동 스크루 로드(37) 연장방향에 따른 거리 )를 확정하며;
(2) 스웨이 에너지 저장 장의 총 탄성 계수 ,를 확정하며;
(3) 스프링 병렬 연결 공식 에 근거해 일부 또는 전부의 제2 전기자석 신축 로드를 선택해 전기가 통하도록 하고, 여기에서, 이고, 스웨이 에너지 저장 유닛의 스웨이 에너지 저장 슬라이드 블록(44)이 제2 전기자석 신축 로드를 통해 스웨이 제1 프레임(28)과 연결할 경우, 대응되게 이며; 스웨이 에너지 저장 유닛의 스웨이 에너지 저장 슬라이드 블록(44)이 제2 전기자석 신축 로드를 통해 스웨이 제1 프레임(28)과 차단할 경우, 대응되게 ，이고, 획득한 스웨이 에너지 저장 장치의 총 탄성 계수는 이며;
(4) 실험 수요에 근거해 서지 구동 모터의 회전 속도 및 제2 로커 암의 작동 길이 (서지 스크루 로드 슬라이드 블록(60)과 서지 구동 슬라이드 블록(66)의 서지 구동 스크루 로드(62) 연장방향에 따른 거리 )를 확정하며;
(5) 서지 에너지 저장 장치의 총 탄성 계수 , 를 확정하며;
(6) 스프링 병렬 연결 공식 에 근거해 일부 또는 전부의 제4 전기자석 신축 로드를 선택해 전기가 통하도록 하고, 여기에서, 이고, 서지 에너지 저장 유닛의 서지 에너지 저장 슬라이드 블록(72)이 제4 전기자석 신축 로드(55)를 통해 스웨이 제2 프레임(29)과 연결할 경우, 대응되게 이며; 서지 에너지 저장 유닛의 서지 에너지 저장 슬라이드 블록(72)이 제4 전기자석 신축 로드(55)를 통해 스웨이 제2 프레임(29)과 차단할 경우, 대응되게 이고, 획득한 서지 에너지 저장 장치의 탄성 계수는 이며;
(7) 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치는 실험할 때 등속 직선 운동을 진행하고, 실험 수요에 근거해 운행 속도 B를 확정하며;
(8) 운행 속도 B에 근거해 시발점 슬라이드 블록에 상대되는 최초 위치의 이동 거리 D를 확정하고, 계산 공식은 이고; 필요한 를 획득하며;
(9) 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치에 의해 스웨이 구동 모터 회전 속도 , 서지 구동 모터 회전 속도 , 운행 속도 B를 실험 조건으로 하여 수력 터빈의 스웨이 및 서지 실험을 진행하고, 실험 데이터를 수집 및 저장한다.
실험과정에서 스웨이 운동 플랫폼이 스웨이 에너지 저장 장치와 연결하지 않을 경우, 도 11에 도시된 바와 같이, 스웨이 구동 모터(31)를 직각좌표계 좌표 원점으로 삼고, 스웨이 구동 모터(31)의 회전 속도가 일 경우, 스웨이 구동 슬라이드 블록(41)의 X축 위치는 이고, 속도는 이고, 가속도는 이며; 스웨이 구동 슬라이드 블록(41)의 Y축 위치는 이고, 속도는 이고, 가속도는 이고, 스웨이 운동 플랫폼의 응력은 이고, 도면에 도시된 바와 같이, 이다.
여기에서, c는 저항력 계수이고, 은 스웨이 운동 플랫폼의 전체 질량이다. 획득한 스웨이 구동 모터(31)의 구동력은 아래와 같이,
이고,
여기에서, 이고, 이다.
일 경우, 스웨이 운동 플랫폼이 스웨이 에너지 저장 장치와 연결하지 않을 경우의 이론 구동력이 가장 크고,
이며,
스웨이 운동 플랫폼이 스웨이 에너지 저장 장치와 연결할 경우, 도 12에 도시된 바와 같이, 스웨이 구동 모터(31)를 직각좌표계 좌표 원점으로 삼고, 스웨이 구동 모터(31)의 회전 속도가 일 경우, 스웨이 구동 슬라이드 블록(41)의 X축 위치는 이고, 속도는 이고, 가속도는 이며; 스웨이 구동 슬라이드 블록(41)의 Y축 위치는 이고, 속도는 이고, 가속도는 이고, 스웨이 운동 플랫폼의 응력은 이다. 여기에서, c는 저항력 계수이고, 는 스웨이 운동 플랫폼의 전체 질량이다. 획득한 스웨이 구동 모터(31)의 구동력은 아래와 같이,
이고,
여기에서, 이고,
이다. 일 경우, 스웨이 운동 플랫폼이 스웨이 에너지 저장 장치와 연결할 경우의 이론 구동력이 가장 크고, 이다.
일 경우, 스웨이 운동 플랫폼이 스웨이 에너지 저장 장치와 연결할 경우의 구동력 피크 값은 로서, 스웨이 운동 플랫폼이 스웨이 에너지 저장 장치와 연결하지 않을 경우의 최대 구동력 보다 작다.
서지 운동 플랫폼이 서지 에너지 저장 장치와 연결하지 않을 경우, 도 13에 도시된 바와 같이, 서지 구동 모터(58)를 좌표 원점으로 삼고, 서지 구동 모터(58)의 회전 속도가 일 경우, 서지 구동 슬라이드 블록(66)의 X축 위치는 이고, 장치가 Z축을 따라 속도 B에 의해 전진 운동을 진행하기 때문에, 서지 구동 슬라이드 블록(66)의 실제 속도는 스웨이 제2 프레임(29)의 속도에 장치 운행 속도를 더한 이고, 가속도는 이며; 서지 구동 슬라이드 블록(66)의 Y축 위치는 이고, 속도는 이고, 가속도는 이고, 서지 운동 플랫폼의 응력은 이다. 여기에서, 는 서지 운동 플랫폼의 전체 진량이다. 획득한 서지 구동 모터(58)의 구동력은 아래와 같이,
이고,
여기에서, 이고, 이다.
및 일 경우, 서지 운동 플랫폼이 서지 에너지 저장 장치와 연결하지 않을 경우의 이론 구동력이 가장 크고,
이다.
서지 운동 플랫폼이 서지 에너지 저장 장치와 연결할 경우, 도 14에 도시된 바와 같이, 서지 구동 모터(58)를 좌표 원점으로 삼으며, 서지 구동 모터(58)의 회전 속도가 이고 미리 설정해 지정된 시발점 슬라이드 블록(69)의 최초 변위가 D일 경우, 서지 구동 슬라이드 블록(66)의 X축 위치는 이며, 장치가 Z축을 따라 속도 B에 의해 전진 운동을 진행하기 때문에, 서지 구동 슬라이드 블록(66)의 실제 속도는 스웨이 제2 프레임(29)의 속도에 장치 운행 속도를 더한 이고, 가속도는 이며; 서지 구동 슬라이드 블록(66)의 Y축 위치는 이고, 속도는 이고, 가속도는 이고, 서지 운동 플랫폼의 응력은 이다. 여기에서, c는 저항력 계수이고, 는 서지 운동 플랫폼의 전체 질량이다. 획득한 서지 구동 모터(58)의 구동력은 아래와 같이,
이고,
여기에서, 이고,
이다. 및 일 경우, 서지 운동 플랫폼이 서지 에너지 저장 장치와 연결할 경우의 이론 구동력은 가장 크고,
이며,
이고 일 경우, 서지 운동 플랫폼이 서지 에너지 저장 장치와 연결할 경우의 구동력 피크 값은 로서, 서지 운동 플랫폼이 서지 에너지 저장 장치와 연결하지 않을 경우의 구동력 피크 값 보다 작다.
Claims (10)
- 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치에 있어서,
수력 터빈(1), 서지(surge) 운동 플랫폼, 수력 터빈(1)을 움직여 스웨이(sway) 운동 실험을 실시하도록 하는 스웨이 운동 플랫폼을 포함하고, 상기 서지 운동 플랫폼은 스웨이 운동 플랫폼을 움직여 운동하도록 함으로써, 수력 터빈(1)을 움직여 서지 운동 실험을 실시하도록 하고, 상기 수력 터빈(1)은 스웨이 운동 플랫폼과 서지 운동 플랫폼의 하방에 위치하는 데 있어서,
상기 스웨이 운동 플랫폼은 스웨이 에너지 저장 장치를 포함하고, 상기 스웨이 에너지 저장 장치는 복수의 스웨이 에너지 저장 유닛(78)을 포함하고, 상기 스웨이 에너지 저장 유닛(78)은 스웨이 가이드 로드(47), 스웨이 에너지 저장 슬라이드 블록(44), 스웨이 스프링(48)을 포함하며;
상기 스웨이 가이드 로드(47)는 스웨이 운동 플랫폼에 설치되고, 스웨이 가이드 로드(47)의 연장방향은 수력 터빈(1)의 스웨이 운동 방향에 평행되고, 상기 스웨이 에너지 저장 슬라이드 블록(44)은 스웨이 가이드 로드(47)에서 슬라이딩하고, 스웨이 스프링(48)은 스웨이 가이드 로드(47)에 씌워 설치되며, 스웨이 스프링(48)은 일단이 스웨이 운동 플랫폼과 고정 연결되고 다른 일단이 스웨이 에너지 저장 슬라이드 블록(44)과 고정 연결되며, 스웨이 에너지 저장 슬라이드 블록(44)은 수력 터빈(1)과 연결되어 수력 터빈(1)과 함께 횡방향으로 이동하며;
상기 서지 운동 플랫폼은 서지 에너지 저장 장치를 포함하며;
서지 에너지 저장 장치는 복수의 서지 에너지 저장 유닛(79)을 포함하고, 상기 서지 에너지 저장 유닛(79)은 서지 가이드 로드(71), 서지 에너지 저장 슬라이드 블록(72), 서지 스프링(70)을 포함하며;
상기 서지 가이드 로드(71)는 서지 운동 플랫폼에 설치되고, 서지 가이드 로드(71)의 연장방향은 수력 터빈(1)의 서지 운동방향에 평행되고, 상기 서지 에너지 저장 슬라이드 블록(72)은 서지 가이드 로드(71)에서 슬라이딩하고, 서지 스프링(70)은 서지 가이드 로드(71)에 씌워 설치되며, 서지 스프링(70)은 일단이 서지 운동 플랫폼과 연결되고 다른 일단이 서지 에너지 저장 슬라이드 블록(72)과 고정 연결되며, 서지 에너지 저장 슬라이드 블록(72)은 스웨이 운동 플랫폼과 연결되어 스웨이 운동 플랫폼과 함께 종방향으로 이동하며;
상기 스웨이 가이드 로드(47)의 연장방향이 서지 가이드 로드(71)의 연장방향에 수직되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치. - 제1항에 있어서,
상기 서지 에너지 저장 장치는 조절장치를 포함하고, 상기 조절장치는 조절 스크루 로드(screw rod)(77), 조절 모터(75), 너트 슬라이드 블록(73), 복수의 시발점 슬라이드 블록(69)을 포함하며, 상기 조절 모터(75)는 서지 운동 플랫폼에 고정 설치되고, 조절 모터(75)는 조절 스크루 로드(77)를 움직여 회전하도록 하고, 조절 스크루 로드(77)에는 너트 슬라이드 블록(73)을 설치하며, 상기 너트 슬라이드 블록(73)은 조절 스크루 로드(77)와 나사산으로 연결하고, 조절 스크루 로드(77)는 회전해 너트 슬라이드 블록(73)을 움직여 조절 스크루 로드(77)의 연장방향을 따라 팽행 이동하도록 하고, 각각의 상기 서지 가이드 로드(71)에는 하나의 시발점 슬라이드 블록(69)을 설치하고, 상기 시발점 슬라이드 블록(69)은 서지 가이드 로드(71)를 따라 슬라이딩하고, 모든 시발점 슬라이드 블록(69)은 너트 슬라이드 블록(73)과 고정 연결되며, 상기 서지 스프링(70)은 일단이 서지 에너지 저장 슬라이드 블록(72)을 연결하고 다른 일단이 시발점 슬라이드 블록(69)의 연결을 통해 서지 운동 플랫폼과 연결하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치. - 제1항에 있어서,
상기 스웨이 운동 플랫폼은 스웨이 제1 프레임(28), 스웨이 제2 프레임(29), 스웨이 구동장치를 더 포함하고, 상기 수력 터빈(1)은 스웨이 제1 프레임(28)과 고정 연결되고, 스웨이 제2 프레임(29)의 내부에는 복수의 제1 슬라이드 레일(32)이 설치되고, 스웨이 제1 프레임(28)은 제1 슬라이드 레일(32)에 장착되고, 상기 스웨이 구동장치는 스웨이 제1 프레임(28)을 구동해 제1 슬라이드 레일(32)에서 슬라이딩하도록 하는 데 사용하며; 상기 스웨이 가이드 로드(47)는 스웨이 제2 프레임(29)과 고정 연결되고, 스웨이 가이드 로드(47)의 연장방향은 제1 슬라이드 레일(32)의 연장방향과 평행되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치. - 제3항에 있어서,
상기 스웨이 구동장치는 스웨이 구동 모터(31), 스웨이 구동 스크루 로드(37), 스웨이 구동 슬라이드 블록(41), 스웨이 스크루 로드 슬라이드 블록(35), 제1 스크루 로드 모터(36)를 포함하며, 상기 스웨이 제1 프레임(28)에는 이의 슬라이딩 방향과 수직되는 스웨이 구동 슬라이드 레일(42)을 설치하고, 스웨이 구동 슬라이드 레일(42)에는 스웨이 구동 슬라이드 블록(41)을 장착하고, 스웨이 구동 슬라이드 블록(41)은 스웨이 구동 스크루 로드(37)의 일단과 연결하며, 상기 스웨이 구동 스크루 로드(37)에는 스웨이 스크루 로드 슬라이드 블록(35)을 설치하고, 스웨이 스크루 로드 슬라이드 블록(35)은 스웨이 구동 스크루 로드(37)와 나사산으로 연결하고, 상기 제1 스크루 로드 모터(36)는 스웨이 구동 스크루 로드(37)를 구동해 회전하도록 하고, 스웨이 구동 스크루 로드(37)는 회전해 스웨이 스크루 로드 슬라이드 블록(35)을 움직여 스웨이 구동 스크루 로드(37)를 따라 이동하도록 하고, 상기 스웨이 구동 모터(31) 출력축은 스웨이 스크루 로드 슬라이드 블록(35)과 고정 연결되고, 스웨이 구동 모터(31) 출력축의 연장방향은 스웨이 구동 스크루 로드(37)의 연장방향에 수직되고, 상기 스웨이 구동 모터(31)는 스웨이 구동 스크루 로드(37)를 구동해 스윙하도록 하고, 스웨이 구동 스크루 로드(37)는 스윙해 스웨이 구동 슬라이드 블록(41)을 구동하여 스웨이 구동 슬라이드 레일(42)에서 슬라이딩하도록 함으로써, 스웨이 제1 프레임(28)을 구동해 제1 슬라이드 레일(32)에서 슬라이딩하도록 하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치. - 제4항에 있어서,
상기 스웨이 에너지 저장 유닛(78)은 스웨이 에너지 저장 전환장치를 포함하고, 상기 스웨이 에너지 저장 전환장치는 제1 전기자석 신축 로드(43)와 제2 전기자석 신축 로드(45)를 포함하며, 상기 제1 전기자석 신축 로드(43)의 고정단은 스웨이 제2 프레임(29)에 고정되고, 제2 전기자석 신축 로드(45)의 고정단은 스웨이 제1 프레임(28)에 고정되며, 상기 스웨이 에너지 저장 슬라이드 블록(44)은 제1 커넥팅 홀과 제2 커넥팅 홀을 설치하고, 상기 제1 전기자석 신축 로드(43)에 전기가 통할 경우, 제1 전기자석 신축 로드(43)의 출력단은 스웨이 에너지 저장 슬라이드 블록(44)의 제1 커넥팅 홀과 연결하며; 상기 제2 전기자석 신축 로드(45)에 전기가 통할 경우, 제2 전기자석 신축 로드(45)의 출력단은 스웨이 에너지 저장 슬라이드 블록(44)의 제2 커넥팅 홀과 연결하며; 제1 전기자석 신축 로드(43)와 제2 전기자석 신축 로드(45)는 동시에 전기가 통하지 않는 것을 특징으로 하는 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치. - 제5항에 있어서,
상기 서지 운동 플랫폼은 서지 프레임(49), 서지 구동장치를 더 포함하고, 서지 프레임(49)의 내부에는 복수의 제2 슬라이드 레일(53)이 설치되고, 스웨이 제2 프레임(29)은 제2 슬라이드 레일(53)에 장착되고, 상기 서지 구동장치는 스웨이 제2 프레임(29)을 구동해 제2 슬라이드 레일(53)에서 슬라이딩하도록 하는 데 사용하며; 상기 서지 가이드 로드(71)는 서지 프레임(49)과 고정 연결되고, 서지 가이드 로드(71)의 연장방향은 제2 슬라이드 레일(53)의 연장방향과 평행되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치. - 제6항에 있어서,
상기 서지 구동장치는 서지 구동 모터(58), 서지 구동 스크루 로드(62), 서지 구동 슬라이드 블록(66), 서지 스크루 로드 슬라이드 블록(60), 제2 스크루 로드 모터(61)를 포함하며, 상기 스웨이 제2 프레임(29)에는 이의 슬라이딩 방향과 수직되는 서지 구동 슬라이드 레일(67)을 설치하고, 서지 구동 슬라이드 레일(67)에는 서지 구동 슬라이드 블록(66)을 장착하고, 서지 구동 슬라이드 블록(66)은 서지 구동 스크루 로드(62)의 일단과 연결하며, 상기 서지 구동 스크루 로드(62)에는 서지 스크루 로드 슬라이드 블록(60)을 설치하고, 서지 스크루 로드 슬라이드 블록(60)은 서지 구동 스크루 로드(62)와 나사산으로 연결하고, 상기 제2 스크루 로드 모터(61)는 서지 구동 스크루 로드(62)를 구동해 회전하도록 하고, 서지 구동 스크루 로드(62)는 회전해 서지 스크루 로드 슬라이드 블록(60)을 움직여 서지 구동 스크루 로드(62)를 따라 이동하도록 하며, 상기 서지 구동 모터(58)의 출력축은 서지 스크루 로드 슬라이드 블록(60)과 고정 연결되고, 서지 구동 모터(58)의 출력축의 연장방향은 서지 구동 스크루 로드(62)의 연장방향에 수직되고, 상기 서지 구동 모터(58)는 서지 구동 스크루 로드(62)를 구동해 스윙하도록 하고, 서지 구동 스크루 로드(62)는 스윙해 서지 구동 슬라이드 블록(66)을 구동하여 서지 구동 슬라이드 레일(67)에서 슬라이딩하도록 함으로써, 스웨이 제2 프레임(29)을 구동해 제2 슬라이드 레일(53)에서 슬라이딩하도록 하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치. - 제7항에 있어서,
상기 서지 에너지 저장 유닛(79)은 서지 에너지 저장 전환장치를 포함하고, 상기 서지 에너지 저장 전환장치는 제3 전기자석 신축 로드(54)와 제4 전기자석 신축 로드(55)를 포함하며, 상기 제3 전기자석 신축 로드(54)의 고정단은 서지 프레임(49)에 고정되고, 제4 전기자석 신축 로드(55)의 고정단은 스웨이 제2 프레임(29)에 고정되며, 상기 서지 에너지 저장 슬라이드 블록(72)은 제3 커넥팅 홀과 제4 커넥팅 홀을 설치하고, 상기 제3 전기자석 신축 로드(54)에 전기가 통할 경우, 제3 전기자석 신축 로드(54)의 출력단은 서지 에너지 저장 슬라이드 블록(72)의 제3 커넥팅 홀과 연결하며; 상기 제4 전기자석 신축 로드(55)에 전기가 통할 경우, 제4 전기자석 신축 로드(55)의 출력단은 서지 에너지 저장 슬라이드 블록(72)의 제4 커넥팅 홀과 연결하며; 제3 전기자석 신축 로드(54)와 제4 전기자석 신축 로드(55)는 동시에 전기가 통하지 않는 것을 특징으로 하는 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치. - 제8항에 있어서,
상기 수력 터빈(1)은 프로펠러(4), 메인축(5)과 고정 챔버를 포함하고, 상기 고정 챔버의 내부에는 토크계(18)와 발전기(23)가 설치되며; 프로펠러(4)는 메인축(5)을 통해 토크계(18)의 일단과 고정 연결되고, 토크계(18)의 다른 일단은 발전기의 입력축(23)과 고정 연결되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치. - 제8항 또는 제9항에 따른 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치의 제어방법에 있어서,
이하의 단계,
S1: 실험 수요에 근거해 스웨이 구동 모터(31)의 회전 속도 를 확정하는단계;
S2: 스웨이 에너지 저장 장치의 총 탄성 계수 , 를 확정하고, 여기에서 이 스웨이 운동 플랫폼의 전체 질량인 단계;
S3: 일부 또는 전부의 제2 전기자석 신축 로드(45)를 선택해 전기가 통하도록 하여 스웨이 에너지 저장 장치의 탄성 계수가 로 되도록 하는 단계;
S4: 실험 수요에 근거해 서지 구동 모터(58)의 회전속도 를 확정하는 단계;
S5: 서지 에너지 저장 장치의 총 탄성 계수 , 를 확정하고, 여기에서 가 서지 운동 플랫폼의 전체 질량인 단계;
S6: 일부 또는 전부의 제4 전기자석 신축 로드(55)를 선택해 전기가 통하도록 하여 서지 에너지 저장 장치의 탄성 계수가 로 되도록 하는 단계;
S7: 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치가 실험할 경우, 등속 직선 운동을 진행하고, 실험 수요에 근거해 운행 속도 B를 확정하는 단계;
S8: 운행 속도 B에 근거해 시발점 슬라이드 블록(69)에 상대되는 최초 위치의 이동 거리 D를 확정하고, 계산 공식은 이고, 여기에서 c가 저항력 계수인 단계;
S9: 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치에 의해 스웨이 구동 모터(31) 회전 속도, 서지 구동 모터(58) 회전 속도 , 운행 속도 B를 실험 조건으로 하여 수력 터빈(1)의 스웨이 및 서지 실험을 진행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장식 수력 터빈 운동 시뮬레이션 실험장치의 제어방법.
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2022
- 2022-04-21 KR KR1020237045520A patent/KR20240021199A/ko unknown
- 2022-04-21 WO PCT/CN2022/088096 patent/WO2023077736A1/zh unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114109699A (zh) | 2022-03-01 |
| CN114109699B (zh) | 2023-12-19 |
| WO2023077736A1 (zh) | 2023-05-11 |
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