KR900006784B1 - 수중구조물의 지지구조 - Google Patents

수중구조물의 지지구조 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

수중구조물의 지지구조
제 1 도는 유체흐름 방향으로 위치하는 축류벌브식 터어빈의 지지구조를 나타내는 단면도.
제 2 도는 본원 발명의 일실시예인 지지구조의 정면도.
제 3 도는 제 2 도의 III-III선에 의한 지지구조의 단면도.
제3a도, 제3b도 및 제3c도는 각기 제 3 도의 지지구조의 변형예를 나타내는 단면도.
제 4 도는 본원 발명의 또 다른 실시예에 의한 지지구조의 수직단면도.
제5a도 내지 제5d도는 각기 프레임과 지지구조 사이의 접합형상을 나타대는 부분단면도.
제6a도 및 제6b도는 지지구조의 또 다른 실시예를 나타내는 수평단면도.
본원 발명은 수중(水中)구조물의 지지구조에 관한 것이며, 특히, 유체의 흐름에 평행으로 위치하는 축류벌브형(axia1-flow bulb-type)터어빈과 같은 수중구조물의 중력 및 부력을 지지하기 위하여 적합한 지지구조에 관한 것이다.
유체의 흐름에 평행으로 위치하는 수중구조물의 예로서는, 발전기 등이 그 대부에 설치된 벌브본체(bulbbody), 이 벌브본체에 가이드베인(guide vane) 및 런너(runner)가 설치된 축류벌브형 터어빈이 알려져 있다. 축류벌브형 터어빈은 콘크리이트 구조물에 의하여 둘러 쌓인 수로(水路)내에 흐르는 수중에 위치하며, 스테이베인(stayvane), 벌브본체스테이, 방진스테이와 같은 지지구조에 의하여 지지된다. 스테이베인은각기 벌브본체로부터 수로의 콘크리이트 구조물로 방사형으로 위치하며, 각 스테이베인의 한 끝부분은 벌브본체에 고착되며, 다른 끝부분은 콘크리이트 구조물에 고착된다. 지지구조는 벌브본체 및 콘크리이트 구조물에 고착되어 스테이베인으로부터 축방향으로 떨어진 위치에서 벌브본체를 지지한다
일반적으로, 지지구조는 스테이방식(stay type) 및 페디스털방식(pedestal type)으로 분류된다. 스테이방식 지지 구조를 사용하는 축류벌브형 터어빈은, 예를들면, "수력발전(Hydro-electric power Generation)" (La Houille Blanche/N 5/6-1982)에 개시되어 있다. 이 방식의 수력터어빈은 미합중국 아이더호우-포올즈(Idaho-Falls) 수력 발전소, 펠톤(Pelton) 수력 발전소 등에서 사용되었다. 페디스털방식 지지구조를 사용하는 축류벌브형 터어빈은, 예를들면, "수력발전과 댐건설(Water Power ＆ Dam Construciton 7-1978)"에 개시되어 있으며, 미합중국 독아일런드(Rock Island)수력발전소에서 사용되고 있다.
이들 두 방식의 지지구조는 각기 장점과 단점이 있다.
스테이방식 지지구조의 경우에 있어서는 벌브본체 스테이, 진동분리스테이와 같은 지지구조는 스테이베인과 협동하여 벌브본체의 열팽창으로 인한 벌브본체의 축방향 빈형을 구속하도록 건조됨으로 축방향 변형으로 인하여 지지구조내에 휨응력이 발생한다. 그결과 지지구조는 휨응력 뿐만 아니라 중량 및 부력으로 인하여 축방향응력을 받게 됨에 의하여 지지구조내에 발생하는 응력이 상승된다.
휨응력은 지지구조의 변형강성(剛性)이 증가될 때에 더욱 증가한다. 한편, 변형강성이 감소될때에는, 지지구조가 벌브본체를 지지하기에 충분한 실단면적을 가지는 것이 곤란하다.
페디스털식 지지구조의 경우에 있어서는, 지지구조는 열팽창으로 인한 벌브본체의 변형의 방향으로 미끄러져 움직일 수 있는 슬라이딩면을 가진다. 그러므로, 벌브본체의 열팽창으로 인하여 지지구조내에 발생됨 휨응력은 스테이방식 지지구조의 경우보다 훨씬 작다. 그러나, 페디스털식 지지구조에 있어서는 부식식을 방지하기 위하여 미끄럼면을 공기가 통하지 않게 밀봉하고 정기적으로 검사 및 보수를 행하는 것을 요한다.
본원 발명의 목적은 지지구조물이 축방향으로 충분한 강성을 지니며, 제조하기가 용이한 스테이방식 지지구조를 제공하는데 있다.
본원 발명은 유체흐름을 따라 축방향으로 위치하고 서로 축방향으로 일정한 간격으로 배열된 2개 이상의 위치에서 지지되는 수중구조물의 1개 이상의 위치를 스테이방식 지지구조에 관한 것이며, 이 지지구조는 수중구조물 및 수중 고정측에 고착된 외각(外
殼)과, 이 외각내에 배치되는 복수개의 부재가 유체흐름에 평행하는 방향보다 유체흐름에 직교하는 방향이 높은 변형강성을 가지도록 배열된 복수개의 부재로 이루어진다.
본원 발명의 특징에 의하면 외각내의 복수개의 부재는 그 양끝부분에 형성된 오목한 면 및 볼록한 면의 맞물림 접합으로 수중구조물 및 수중 고정측을 지지한다.
제 1 도에는 축류벌브형 터어빈이 수중구조물의 일례로서 나타나 있다.
축류벌브형 터어빈은 수로(16)를 둘러싸는 콘크리이트구조물(1)에 의하여 안내되는 유체흐름을 따라 배치된다. 터어빈은 발전기등을 포함하는 벌브본체(2), 가이드베인(3) 및 런너(4)로 이루어지며, 스테인베인(5), 중공(中空)스테이 베인(6), 벌브본체 스테이(7), 방진스테이(8) 및 축(9)에 의하여 지지되며, 그것들을 통하여, 장치가 점검된다.
본원 발명에 의한 벌브본체스테이(7) 및 방진스테이(8)(이하 "지지기둥"이라 함)는 유체흐름방향의 스테이베인(5)으로부터 일정간격을 두고 위치하며 벌브본체(2)의 열팽창에 의하여 발생된 축변형을 구속하므로 터어빈의 중량 및 부력에 의하여 발생된 축응력과 함께 벌브지지기둥(7) 및 (8)에 휨응력이 발생된다.
이에 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 지지기둥(7)은 벌브본체(2) 및 콘크리이트구조물(1)의 양끝부분에 고정된 비임(beam)이며, 지지기둥(7)의 상단이 벌브본체(2)의 축빙향 변형량 δ만큼 변형될때에는, 최대 휨응력 σbmax는 하기식으로 구할 수 있다.
Figure kpo00001
EI : 지지기둥(7)의 변형강성
E : 영계수(Young's Modulus)
I : 단면 2차 모우먼트
Z : 단면계수
ℓ : 지지기둥(7)의 길이
변형 δ는 아래와 같이 나타낸다 ;
Figure kpo00002
식중, δ선 팽창계수
△T : 온도차(예를들면, 조립시 및 가동시 사이에 발생된)
L : 지지기둥(7) 및 스테인베인(5) 사이의 거리
지지기둥(7) 내의 휨응력 σb는 상기 식(1)로부터 구할 수 있다. 응력은 지지기둥(7)의 끝부분을 향하여 보다 커지며, 최대 휨응력 σbmax도 변형강성 EI가 증가함에 따라 증가된다.
지지기둥(7)이 종래와 같이 원형중공기둥으로만 되어 있다면, 변형강성 EI을 감소함에 의하여 휨응력 σb가 작아지므로 벌브본체(2)의 중량 및 부력을 지지하기 위하여 필요한 중공기둥의 단면적이 부족하게 된다.
벌브본체(2)의 고정부에 발생된 응력은 식(1)에 의하여 산출될 수 있다. 터어빈의 중량 Wl, 부력 W2에 의하여 발생된 축방향 응력 σa1, σa2은 각기 하기식으로 나타낸다.
Figure kpo00003
식중, A는 지지기둥의 단면적이다. 또한, 벌브형 터어빈을 지지하는 상기 지지기둥에 발생된 응력을 구체적인 수치의 예를 들어 설명한다.
터어빈의 중량(W1) 및 부력(W2)이 각기 500톤 및 150톤이며 ; 스테인베인과 지지기둥간의 거리(L) 및 지지기둥의 길이ℓ)가 각기 7m 및 3.5m이며, 온도차 △T가 50℃이고 ; 지지기둥의 재질은 영계수 E=21,000kgf/mm2, 선팽창계수α=1.1×10-5/℃, 허용응력σa=5kgf/mm2인 연강(軟鋼)일때에는, 식(3)을 만족시키는 지지기둥의 단면적(A)는 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure kpo00004
만약, 지지기둥이 외경 d2, 내경 d1, 대외경비 dl/d2=0.9의 단면적일때에는 외경 및 내경은 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure kpo00005
상기로부터, d2및 d1은 각기 약 1,880mm 및 약 1,600mm이다. 벨브본체(2)의 열팽창으로 인한 축방향변형 δ는 상기 식(2)에 의하여 구할 수 있다.
δ= α△TL=1.1×10-5×50×7000=3.85mm
최대/휨응력 σbmax는 하기와 같다.
Figure kpo00006
σbmax의 값은 5kgf/mm2의 허용응력보다 휠씬 크다. 그러므로, 지지기둥은 터어빈을 지지하기에 부족하다.
다음에 제 2 도 내지 제 4 도에 의하여 본원 발명의 일실시예에 대하여 설명한다.
제 2 도에서, 벌브본체(2)를 지지하는 지지기둥(7)은 그 한 끝부분에 앵커보울트(도시되지 않음)와 같은고정수단에 의하여, 콘크리이트 구조물에 고착된 베이스(10)에 고정되며, 그 다른 끝부분은 용접으로 벌브본체(2)의 돌출부에 고착된 프레임 또는 고정판(11)에 고정된다. 지지기둥(7)은 외각(17)과, 의각(71)내에 삽입된 복수개의 박판(13)으로 이루어진다. 외각(71)은 원통형 중공기둥이며, 용접으로 베이스(10) 및 고정판(11)에 공기가 통하지 않도록 고착된다. 복수개의 박판(13)은 서로 일정한 간격을 두고 평행으로 배열된다. 개개의 박판(13)은 장방형 단면을 가지며, 박판의 작은 치수측은 유체흐름방향(X)으로 위치하며, 큰치수측은 유체흐름에 직교하는 방향(Y)으로 위치한다. 즉, 각 박판(13)은 두께(h) 및 폭(b)을 가지며, 두께방향이 유체흐름방향과 일직선으로 되도륵 배치된다. 박판(13)은 베이스(10) 및 용접으로 고정판(1l)에 고정된다.
외각(71) 및 박판(13)으로 이루어지는 지지기둥(7)은 양단 고정비임으로 되어 있다. 지지기둥(7)은 X방향보다 Y방향에서 변형강성이 크며, 벌브형 터어빈의 중량을 지지하기 위한 축방향응력 σa1, 부력을 지지하기 위한 축방향응력 σa2및 최대 휨응력 σbmax의 허용응력내에서 벌브형 터어빈을 지지한다.
본원 발명에 의하면 축방향의 응력(σa1) 및 (σa2)을 증가하지 않고서, X-Z면대의 변형강성을 Y-Z면내의 변형강성보다 작게함으로써 최대 휨응력 σbmax허용응력 이하로 유지하는 것이 가능하다.
X-Y면에 의한 외각(71) 및 박판(13)의 단면은 축방향응력 σa1, σa2의 허용응력 σb이하로 되도록 적합한 치수로 결정된다. 즉, 최대 휨응력이 σbmax일때에는, 지지기둥(7)의 외각(71)에 발생된 σbmax는 아래와 같으며 ;
Figure kpo00007
그리고, 박판(13)에 있어서는 아래와 같다.
Figure kpo00008
식중, h는 박판(13)의 두께이다.
또한, 식(3),(4)에 나타낸 횡단면적 A는 아래와 같다 :
Figure kpo00009
식중 b1: 박판(13)의 Y-방향의 폭
h1: 박판(13)의 X-방향의 두께
n : 박판(13)의 수
식(3) 내지 (7)에 의하여 지지기둥(7)의 최적 형태를 결정할 수 있다.
본 실시예에 의하면, 외각(71)은 수질을 고려하여 방식(防蝕)재료를 사용하고, 박판(13)은 비방식 재료를 사용할 수 있으므로 제작비를 저감할 수 있다. 또한, 응력을 감소함에 의하여, 보수가 용이하며, 지지기둥(7)의 수명을 연장시킬 수 있다.
제3a도 내지 제3c도에는 지지기둥(7)의 횡단면 형상의 변형예가 나타나 있다.
제3a도에서 지지기둥(7a)은 장방형 단면의 외각(71a)과, 단면과 평행으로 외각대에 배치된 복수개의 박판(13a)으로 이루어진다. 지지기둥(7a)은 유체흐름내에 위치하며 복수개의 박판(13a)은 유체흐름(X)에 직교하는 방향으로 위치한다.
제3b도에서, 지지기둥(7b)은 타원형의 의각(71b)과, 타원형 외각(71b)의 단축과 평행으로 타원형 외각(71b)내에 배치된 복수개의 박판(13b)으로 이루어진다. 지지기둥(7b)은 타원형 외각(71b)의 장축이 유체흐름방향(X)으로 위치하도록 유체흐름내에 배치된다.
제3c도에서, 지지기둥(7c)은 유선형외각(71c)과, 복수개의 박판(13c)으로 이루어진다. 외각(71c) 및 박판(13c)의 배연은 제3b도의 배열과 유사하다. 유선형외각(71c)은 지지기둥에서의 난류를 방지하고, 유체흐름 저항성을 감소하는 이점이 있다.
제3a도 대지 제3c도에서 (h)는 각 박판(13a), (13b) 및 (13c)의 두께를 나타낸다.
지지기둥(7)을 벌브븐체(2) 및 콘크리이트 구조물(1)에 결합하는 수단에 관한 또 하나의 실시예를 제4도를 참조하여 설명한다.
제4도에서 지지기둥(7)은 박판(13)을 벌브본체(2) 및 콘크리이트 구조물(1)에 연결하는 부분을 제외하고는 제 2 도 및 제 3 도에 설명된 것과 동일하다. 고정판(11)은 각기 X-Y면에 장방향 단면을 가진 복수개의 홈(111)을 가진다. 고정판(11)은 벌브본체(2)의 돌출부(12)에 고착된다. 또한, 베이스(10)는 고정판(11)의 홈(111)과 동일한 홈연 복수개의 홈(101)을 가진다. 박판(13)은 각기 그 양쪽 끝부분이 홈(111) 및 (101)대에 삽입된다. 각 끝부분(111) 및 (101)은 그 측면과 홈(111) 및 (101) 사이에 작은 플레이(play)를 가진다. 이와 같은, 접합구조에 있어서는 박판(13)에 휨응력이 발생되지 않는다. 그러므로, 박판(13)의 변형강성은 유체의 흐름에 평행하는 X방향에서 이론적으로 거의 0으로 되므로, 지지기둥(7)의 X방향의 변형강성은 단지 외각(71)의 형태 및 치수에 의하여 결정된다. 이와 같이 형성된 지지기둥(7)은 X방향의 변형강성을 최소화하는 효과를 지닌다. 또한, 지지기둥(7)은 용접부분이 적고 조립작업이 용이하기 때문에 제작비가 낮아진다.
제5a도 대지 제5d도에는 접합구조의 고정판(11a), (11b), (11c) 및 (11d)에 형성된 홈의 형태의 예가 나타나 있다.
제5a도에서 고정판(11a)은 각기 X-Z면대에 단면으로 단원형의 홈(11a)을 가진다. 각기 유사한 형상의 끝부분(131a)을 가진 박판(13a)은 홈(111a)내에 삽입된다. 제5b도는 사다리꼴의 홈(111b)을 가진 고정판(11b)과 각기 사다리꼴의 끝부분(131b)을 가지며 홈(111b)내에 삽입된 박판(13)을 나타낸다. 제5c도는 고정판(11c)에 형성된 3각형의 홈(111c)과, 홈(111c)대에 삽입된 박판(13c)의 3각형의 끝부분(131c)을 나타낸다. 제5a도 내지 제5c도에 나타낸 접합구조에서, 박판은 홈내에 용이하게 삽입된다. 왜냐하면, 홈 및 박판의 끝부분은 그 끝부분이 홈에 삽입되기 용이하도록 끝부분을 안내하기 위한 경사면을 가지기 때문이다. 또한, 제5a도 대지 제5c도에 나타낸 접합구조는 모두 지지기둥의 축방향인 Y-방향의 충분한 강성을 유지하면서 유체흐름에 평행하는 X-방향의 변형강성을 보다 작게 한다.
제5d도에서, 돌기부(111d) 가 형성된 고정판(11d) 이 나타나 있다. 복수개의 박판(13d)은 돌기부(111d)를 수용하는 홈(131d)을 가진다. 돌기부(111d) 및 홈(131d)의 형상은 제5a도 내지 제5c도에 나타낸 바와 같이 변형될 수 있으므로, 제5a도 내지 제5c도에 나타낸 구조에서와 동일한 효과를 갖는다.
제5a도 내지 제5d도에서 고정판(11a) 내지 (11d) 및 박판(13a) 내지 (13d)간의 접합구조가 나타나 있지만, 베이스(10) 및 박판(13a) 내지 (13d)간의 접합구조도 유사한 구조로 만들 수 있다.
제6a도 및 제6b도를 참조하여 본원 발명의 또 다른 실시예를 다음에 설명한다.
제6a도에서 지지기둥(7)은 외각(7l)과, 이 외각(71)내에 삽입된 복수개의 중실봉(中實捧)(14)으로 이루어진다. 중실봉(14)은 봉(14)의 수가 X-방향과 직교하는 Y-방향보다 유체흐름에 평행하는 X-방향이 저다. 이와같이 형성된 지지기둥(7)은 Y-방향에서보다 X-방향에서 보다 휨성이 크다.
제6b도에서, 중공봉(15)을 제6a도에서의 중실봉(14) 대신에 사용한 것을 제외하고는, 구조는 제6a도에서와 동일하다. 중실봉 및 중공봉의 단면적이 서로 동일할때에는, 중실봉이 중공봉보다 휨성이 크며, 축압력 하중에 의한 좌굴성은 중공봉(15)보다 중실봉(14)이 크다.
제6a도 및 제6b도에서, 봉(14) 및 (15)은 원형단면으로 되어 있으나, 봉(14) 및 (15)대신에 축에 대하여 대칭의 단면형상을 가진 어떠한 봉도 사용될 수 있다.

Claims (11)

  1. 고정측내를 흐르는 유체내에 위치하며 유체흐름방향으로 서로 간격을 두고 위치하는 2개 이상의 장소에서 지지되는 수중구조물의 1개 이상의 장소를 지지하기 위한 지지구조에 있어서, 상기 지지구조는 그 한끝부분이 상기 수중구조물에 접합되고 다른 끝부분은 상기 고정측에 접합되는 외각과, 유체흐름에 직교하는 방향보다 유체흐름에 평행하는 방향이 변형강성이 작도록 형성되며, 상기 외각내에 삽입되며 상기 고정측의 수중구조물을 지지하는 복수개의 내부부재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수중구조물의 지지구조.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 복수개의 내부부재는 각각 상기부재의 중심축에 대하여 대칭인 단면을 가지며, 상기 복수개의 내부부재의 수는 유체흐름에 직교하는 방향보다 유체흐름에 평행하는 방향이 적도록 배열되는 것을 특징으로 하는 수중구조물의 지지구조.
  3. 제2항에 있어서, 상기 내부부재는 원통형의 봉으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수중구조물의 지지구조.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 내부부재는 각각 대략 장방형 횡단면을 가지며, 상기 장방형 단면의 장변측은 유체흐름에 직교하는 방향에 위치하고, 단변측은 유체흐름에 평행하는 방향으로 위치하며, 상기 복수개의 내부부재는 서로 간격을 두고 유체흐름에 평행하는 방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 수중구조물의 지지구조.
  5. 제1항에 있어서, 상기 내부부재는 요철(凹凸)면 접합을 통하여 상기 수중구조물 및 상기 고정측과 맞물려 접합되는 것을 특징으로 하는 수중구조물의 지지구조.
  6. 고정측에 의하여 형성된 수로내에 위치하며, 발전기를 내장하는 벌브본체와, 수로내에서 유체흐름에 의하여 회전되도록 상기 벌브본체에 장착된 런너와, 유체흐름 방향의 한 끝부분에서 상기 벌브본체를 상기고정측 위에 지지하는 스테이베인을 가지며, 유체흐름 방향의 상기 부분으로부터 간격을 둔 또 하나의 부분에서 상기 벌브본체를 지지하는 축류벌브형 터어빈용 지지구조에 있어서, 그 한 끝부분은 상기 벌브본체에 고정되고 다른 끝부분은 벌브본체를 지지하기 위하여 상기 수로를 형성하는 상기 고정측에 고정된 외각과, 상기 외각내에 삽입되며, 상기 벌브본체를 지지하며, 상기 지지구조는 유체흐름에 직교하는 방향보다 유체흐름에 평행하는 방향에서의 변형강성이 작도록 배열되며, 서로 따로 독립된 복수개의 내부 지지부재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 축류벌브형 터어빈용 수중구조물의 지지구조.
  7. 제6항에 있어서, 상기 복수개의 내부 지지부재는 유체흐름방향과 상응하는 두께 방향으로 일렬로 배열된 축방향의 박판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 축류벌브형 터어빈용 수중구조물의 지지구조.
  8. 제7항에 있어서, 상기 내부 지지부재의 한 끝부분은 각각 상기 벌브본체에 고정되는 박판대에 형성된 홈중의 하나에 고정되며, 다른 끝부분은 상기 고정측에 고착된 베이스에 형성된 홈중의 하나에 고정되는것을 특징으로 하는 축류벌브형 터어빈용 수중구조물의 지지구조.
  9. 제7항에 있어서, 상기 외각은 원통형 중공의 지지기둥으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 축류벌브형 터어빈용 수중구조물의 지지구조.
  10. 제8항에 있어서, 벌브본체에 고정되는 박판에 형성된 상기 홈은 각각 상기 신장된 지지부재를 접합하기 용이하도록 경사면부분을 가지는 것을 특징으로 하는 축류벌브형 터어빈용 수중구조물의 지지구조.
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 외각은 유체흐름 방향으로 일렬로 정렬된 장축(長軸)의 유선형 단면을 가지는것을 특징으로 하는 축류벌브형 터어빈용 수중구조물의 지지구조.
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