WO2021029475A1 - 다층 구조의 회전차 어셈블리를 갖는 수력 터빈 - Google Patents

다층 구조의 회전차 어셈블리를 갖는 수력 터빈 Download PDF

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WO2021029475A1
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turbine
shaft
generator
rotating
rotation
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PCT/KR2019/010537
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English (en)
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Inventor
양영민
홍영우
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주식회사 태양전기
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/12—Blades; Blade-carrying rotors
    • F03B3/121—Blades, their form or construction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/12—Blades; Blade-carrying rotors
    • F03B3/128—Mounting, demounting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
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    • F05B2240/20—Rotors
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the present invention relates to a hydraulic turbine, and more particularly, to a hydraulic turbine having a multi-layered rotating vehicle assembly so that pulsation does not occur in the wake.
  • a hydraulic turbine is a type of prime mover that uses the mechanical energy of water as a driving energy source to operate a rotor, which is a rotating blade, and is commonly referred to as a water wheel.
  • These hydraulic turbines generally use room temperature water to drive a rotating vehicle, so that heat generation is less, and high-temperature heat is not transmitted to a gearbox for connecting the hydraulic turbine to a generator.
  • water of about 110° C. generated in a heat production facility (cogeneration power plant) is supplied to a pipe used as a heat transport network to supply heating or hot water to customers.
  • Patent Document 1 Korean Patent Registration No. 10-1852023
  • Patent Document 2 Korean Patent Registration No. 10-0781296
  • the problem to be solved by the present invention is to solve the above-described problem, and to provide a hydraulic turbine having a multi-layered rotating vehicle assembly so that pulsation does not occur in the wake.
  • the problem to be solved by the present invention is to solve the above-described problem, and to provide a multi-layered rotating vehicle assembly capable of preventing pulsation from occurring in the wake of a hydraulic turbine.
  • a turbine unit having a rotating vehicle assembly that is rotated by a fluid introduced from the high-pressure unit on one side and discharged to the low-pressure unit on the other side;
  • One end is connected to the rotation center of the rotating vehicle assembly, and the other end includes a gear unit equipped with a turbine shaft connected to a generator,
  • It is characterized in that it is a thin plate having a lobe surface parallel to the rotating shaft.
  • a final twisted angle from one end to the other end in the rotation axis direction of the rotation wheel segments of the rotation wheel assembly is 45 ⁇ 10 degrees.
  • the rotating vehicle assembly is formed by stacking a plurality of rotating vehicle segments in a twisted form along the direction of the rotating shaft, thereby changing the flow of heating water to bend so that pulsation does not occur in the wake of the rotating vehicle assembly. Avoid.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a self-hydraulic turbine according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a front view of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a front cross-sectional view of FIG. 1.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of a hydro turbine according to an embodiment of the present invention as viewed from one direction.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of a hydraulic turbine having a self-cooling function according to an embodiment of the present invention as viewed from another direction.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view as viewed from one direction of a hydro turbine according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an exploded perspective view of a hydraulic turbine according to another embodiment of the present invention as viewed from a different direction.
  • FIG. 8 is a view showing a rotating vehicle assembly applied to a hydraulic turbine according to another embodiment of the present invention.
  • 9A is a first embodiment showing a heat transport network to which the present invention is applied.
  • 9B is a second embodiment showing a heat transport network to which the present invention is applied.
  • FIG. 10 is an exploded perspective view showing a hydraulic regenerative power generator according to the present invention.
  • FIG. 11 is an exploded perspective view showing the dual generator of FIG. 7.
  • FIG. 12 is an assembly cross-sectional view showing the dual generator of FIG. 7.
  • FIG. 13 is a piping system diagram of the hydraulic regenerative power generation apparatus according to the present invention.
  • FIG. 14 is a view showing a control unit of the hydraulic regenerative power generation apparatus according to the present invention.
  • each of the features of the various embodiments of the present invention can be partially or entirely combined or combined with each other, technically various interlocking and driving are possible, and each of the embodiments can be implemented independently of each other or can be implemented together in a related relationship. May be.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a hydraulic turbine according to the present invention
  • Figure 2 is a front view of the hydraulic turbine according to the present invention.
  • the hydraulic turbine according to the present invention is largely divided into a turbine unit 110, a gear unit 120, and a cooling unit 130, and these turbine units 110, gear units 120, and The cooling units 130 are assembled to each other to constitute the hydraulic turbine of the present invention.
  • the turbine unit 110 is equipped with a runner 114 that rotates by the high-temperature heating water that is introduced to one side and then discharged to the other side, and uses the flow of heating water as fluid energy to generate power required for power generation. Provides.
  • Heating water for example, is being supplied through a heat transport network piping that provides district heating, and is defined as including high-temperature water for various purposes such as heating, hot water supply, and hot water supply.
  • a combined heat and power plant supplies high-temperature water at about 110°C. do.
  • the gear unit 120 corresponds to a gear box for transmitting power to the generator, and one end is connected to the rotation center of the rotating vehicle 114, and the other end is equipped with a turbine shaft 122 connected to the generator. have.
  • the hydraulic turbine 100 operates the rotating vehicle 114 using a differential pressure exceeding the water pressure required for the customer, and accordingly, a turbine connected to the rotating vehicle 114
  • the shaft 122 is axially rotated.
  • the turbine shaft 122 of the gear unit 120 rotates
  • the power generation shaft of the generator connected through the shaft coupler also rotates to generate hydroelectric power.
  • it uses the waste differential pressure generated from the district heating system to produce renewable energy.
  • the cooling unit 130 uses heating water of about 110°C as a driving energy source to prevent high-temperature heat from being transferred when the turbine is operated, and a cooling fan 133 rotated by the turbine shaft 122 is installed. So that the turbine unit 110 is cooled by an air cooling method.
  • the cooling fan 133 is driven by a rotating vehicle 114 that rotates by hydraulic power, it is driven by itself without the need for a separate driving source, and cools the turbine unit 110 itself to the outside air introduced through the air flow hole 132 It prevents high heat from being transmitted to the gear unit 120 including the turbine shaft 122 as well as shikim.
  • the cooling unit 130 is installed between the turbine unit 110 and the gear unit 120 to separate the turbine unit 110 and the gear unit 120, and instead of the turbine shaft 122 of the gear unit 120 Is connected to the rotational difference 114 of the turbine unit 110 through the rotation center of the cooling fan 133.
  • Figure 3 is a cross-sectional view of the present invention
  • Figure 4 is an exploded perspective view in one direction of the present invention
  • 5 is an exploded perspective view of the present invention in the other direction.
  • the turbine unit 110 comprises a turbine casing 111 constituting a body, an inlet 112 through which heating water is introduced, an outlet 113 through which the introduced heating water is discharged, and heating water in flow. It includes a rotation difference (114: 114-1, 114-2) rotated by.
  • the turbine casing 111 is heat-insulated to prevent direct conduction of high-temperature heat to the gear unit 120 as well as the cooling unit 130 therebetween. Insulation is configured by inserting an insulating material into the turbine casing 111 or attaching or applying an insulating layer to the outer surface.
  • a first assembly hole 111a through which the turbine shaft 122 is assembled is formed in the rear portion of the turbine casing 111.
  • the first assembly hole 111a is formed in a stepped step, for example, and a water-tight ring 115 is fitted in the stepped step to prevent leakage of heating water toward the cooling unit 130.
  • the water sealing 115 may be a mechanical seal, a lip seal, or an O-ring, but is not limited thereto.
  • the first assembling hole 111a is formed in a round shape identical to the cross-sectional shape of the turbine shaft 122, and for example, the turbine shaft 122 is the main turbine shaft 122-1 and the auxiliary turbine shaft 122- In the case of including 2), two first assembly holes 111a are provided.
  • a protective plate 116 having a hole in which the step-jaws are inserted is attached to the inner rear surface of the turbine casing 111, thereby sealing the water-sealing 115 And prevents the replacement of the entire turbine casing 111 through replacement of the protective plate 116, which is a replacement product when worn due to friction.
  • the front portion of the turbine casing 111 is opened to facilitate assembly of the rotating vehicle 114, and the open front portion is assembled with bolts or the like after covering the front cover 117.
  • An auxiliary plate 117a is attached to the rear of the front cover 117 as an example.
  • the inlet 112 and the outlet 113 form a flow path for the flow of heating water, and the inlet 112 is formed through one side of the turbine casing 111 so that the heating water is introduced, and the outlet 113 is a turbine casing. It is formed through the other side of (111) and the heating water is discharged.
  • the inlet 112 and the outlet 113 are formed to face each other on the left and right sides of the turbine casing 111 to form a flow path in a linear direction.
  • the turbine shaft 122 installed along the front and rear directions of the turbine casing 111 and the rotation vehicle 114 connected thereto are disposed in a direction orthogonal to the flow path.
  • the rotation wheel 114 is rotatably installed inside the turbine casing 111 to convert the mechanical energy of heating water into a mechanical rotational force, and along the inlet 112 and the outlet 113 inside the turbine casing 111 It is installed exposed on the flowing heating water flow path.
  • a front insertion hole into which a bolt is inserted is formed in the front of the rotating vehicle 114, and a rear insertion hole into which the turbine shaft 122 is inserted is formed on the rear side, and these insertion holes are connected to each other.
  • a bolt hole is formed in the front portion of the turbine shaft 122.
  • the turbine shaft 122 inserted through the first assembly hole 111a of the turbine casing 111 is fitted into the rear insertion hole of the rotating vehicle 114, and in that state, the front insertion hole of the rotating vehicle 114 When the washer (118a) and the bolt (118b) are fastened through the turbine shaft 122 and the rotating vehicle 114 are coupled.
  • the rotation car 114 includes a main rotation car 114-1 and an auxiliary rotation car 114-2 arranged side by side with each other, the main rotation car 114-1 and the auxiliary rotation car 114 -2) is made of the same diameter and shape as an example, and is arranged side by side and adjacent to each other so as not to interfere with each other's rotation to receive hydraulic power at the same time.
  • the gear unit 120 comprises a gear casing 121 constituting the body, a turbine shaft 122 (122-1, 122-2) that transmits the power of the rotating vehicle 114 to the generator, and the gear casing 121 ) Includes bearings 123 and 124 that rotatably support the turbine shaft 122 within.
  • the gear casing 121 is installed at a certain interval from the turbine unit 110 with a cooling unit 130 to be described later to minimize the transfer of heat generated while passing the high-temperature heating water through the turbine unit 110 do.
  • Such a gear casing 121 is, for example, the front part is opened to facilitate the installation of various parts therein, and the rear part is the first through which the turbine shaft 122 is drawn out to be connected to a generator (refer to '200' in FIG. 7). 2 Assembly holes 121a are formed.
  • the second assembly hole 121a is also formed in a round shape in the same shape as the cross-sectional shape of the turbine shaft 122. However, since the second assembly hole 121a is gear-coupled to the auxiliary turbine shaft 122-2 and integrated into the main turbine shaft 122-1 to transmit power, one for withdrawal of the main turbine shaft 122-1 Only the second assembly hole 121a may be provided.
  • the turbine shaft 122 transmits the power of the rotating vehicle 114 to the generator, and the front end is fastened to the rotating vehicle 114 through a first assembly hole 111a formed through the turbine casing 111, and The end portion protrudes outward through the second assembly hole 121a formed through the gear casing 121.
  • the cooling unit 130 is disposed between the turbine unit 110 and the gear unit 120, the turbine shaft 122 passes through the cooling unit 130 to the rotating vehicle 114. It is connected, and at this time, it is assembled to the cooling fan 133 installed in the cooling unit 130 to rotate the cooling fan 133.
  • two turbine shafts 122 are also provided so as to be respectively connected thereto, and the two turbine shafts 122 are the main turbine shaft 122 -1) and an auxiliary turbine shaft 122-2.
  • the main turbine shaft 122-1 is connected to the main rotating vehicle 114-1
  • the auxiliary turbine shaft 122-2 is connected to the auxiliary rotating vehicle 114-2
  • the main turbine shaft 122- 1) receives the power from the auxiliary turbine shaft 122-2 and integrates it to transmit power to an external generator.
  • the main turbine shaft 122-1 protrudes to the outside of the gear casing 121 and is connected to the generator, and the auxiliary gear 125-2 fitted to the auxiliary turbine shaft 122-2 is the main turbine shaft 122- It is meshed with the main gear 125-1 inserted in 1) and transmits the power of the auxiliary rotating vehicle 114-2.
  • the main turbine shaft 122-1 is generally formed in a axial shape and is divided into a first shaft part P1 to a fifth shaft part P5 from the front side, and the auxiliary turbine shaft 122-2 is It is divided into a first shaft portion P1 to a fourth shaft portion P4 excluding the fifth shaft portion P5.
  • the first shaft portion P1 is inserted and fixed into the rotation vehicle 114, and the second shaft portion P2 and the fourth shaft portion P4 have bearings 123 and 124 to be described later (e.g., ball Bearings 123, 124) are fitted.
  • Gears 125-1 and 125-2 are fitted in the third shaft part P3 between the second shaft part P2 and the fourth shaft part P4.
  • the main gear 125-1 is fitted to the third shaft portion P3 of the main turbine shaft 122-1, and the auxiliary gear 125-is inserted into the third shaft portion P3 of the auxiliary turbine shaft 122-2. 2) is fitted, and the main gear 125-1 and the auxiliary gear 125-2 are meshed with each other to be gear-coupled.
  • the bearings 123 and 124 rotatably support the turbine shaft 122, and ball bearings 123 and 124 are typically applied, and the bearings 123 and 124 are the second shaft part P2 and the fourth Each is assembled to the shaft portion (P4), it is fixedly installed in the assembly hole formed on the inner surface of the gear casing (121).
  • the cooling unit 130 rotates itself by the cooling casing 131 constituting the body, the air flow hole 132 and the turbine shaft 122 that enable the inflow and discharge of outside air to perform air cooling. It includes a cooling fan (133: 133-1, 133-2). At this time, the front portion of the cooling casing 131 is in close contact with the rear portion of the turbine casing 111 in an open state. In addition, the gear casing 121 is coupled to the rear portion of the cooling casing 131, and a third assembly hole 131a through which the turbine shaft 122 is assembled is formed.
  • the air flow hole 132 guides the inflow of outside air to cool the turbine unit 110 through which high-temperature heating water flows, and at least one air flow hole 132 is formed along the side of the cooling casing 131. As an example, four air flow holes 132 are formed in the cooling casing 131 so that air flows in and out smoothly.
  • the cooling fan 133 is installed in the cooling casing 131, and the turbine shaft 122 is assembled through the shaft hole formed in the center of rotation. Accordingly, in the present invention, the cooling fan 133 is rotated by the turbine shaft 122 itself without having to provide a separate power or driving source.
  • a stepped portion is formed in the periphery of the third assembly hole 131a of the cooling casing 131, and a friction bearing 134 is installed in the stepped step to reduce wear and noise due to friction when the cooling fan 133 rotates.
  • the cooling fan 133 is preferably installed to blow air introduced through the air flow hole 132 toward the turbine unit 110 through which hot heating water flows.
  • fan blades formed on the cooling fan 133 are installed so as to face the turbine unit 110 to supply outside air for cooling to the turbine unit 110.
  • two cooling fans 133 are also provided to increase the amount of cool air. That is, it includes a main cooling fan (133-1) fitted to the main turbine shaft (122-1) and an auxiliary cooling fan (1332) fitted to the auxiliary turbine shaft (122-2).
  • the cooling unit 130 may not be applied as needed.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view as viewed from one direction of a hydro turbine according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an exploded perspective view of a hydraulic turbine according to another embodiment of the present invention as viewed from a different direction.
  • FIG. 8 is a view showing a rotating vehicle assembly applied to a hydraulic turbine according to another embodiment of the present invention.
  • a turbine unit 110 in which rotating vehicle assemblies 140-1 and 140-2 rotated by the fluid introduced from the high-pressure unit on one side and discharged to the low-pressure unit on the other side;
  • One end is connected to the rotation center of the rotating vehicle assembly (140-1, 140-2), and the other end includes a gear unit 120 equipped with a turbine shaft connected to a generator,
  • the rotating vehicle assembly (140-1, 140-2),
  • It is characterized in that it is a thin plate having a lobe surface parallel to the rotating shaft.
  • a final twisted angle from one end to the other end in the rotation axis direction of the rotation difference segments 143 of the rotation difference assemblies 140-1 and 140-2 is 45 ⁇ 10 degrees.
  • the flow path 147 may be formed in the center, and the wings 145 may be formed in all directions.
  • the coupling portion may be applied by a known means, and a specific example may be composed of a groove 146 formed on one surface of the segment and a projection formed on the coupling surface of the next segment coupled to the one surface.
  • the protrusion is formed by twisting the groove at a predetermined angle with respect to the rotation axis. Through this, when the protrusion is fitted into the groove, each segment can be assembled in a form in which each segment is twisted at a predetermined angle. If necessary, a plurality of grooves 146 may be provided to couple the protrusions to the desired grooves to adjust the twist angle.
  • each of the rotation difference segments 143 may be arbitrarily adjusted, and a specific example may be 0.1mm to 10cm.
  • each segment can be manufactured in the form of a thin plate through punching or wire cutting using a mold. This can be laminated in a twisted form to manufacture an assembly.
  • the number of the rotation car segments 143 constituting the rotation car assemblies 140-1 and 140-2 may be arbitrarily adjusted, and may be 3 to 100 as a specific example.
  • the plurality of rotation difference segments 143 may have the same thickness or different thicknesses. In the case of the present invention, it is possible to mass-produce the rotating vehicle segment 143 to configure the final rotating vehicle assemblies 140-1 and 140-2 to match the capacity of the hydraulic turbine, and the rotating vehicle segment 143 having an abnormality It is advantageous for maintenance by replacing the bay.
  • the rotation car assemblies 140-1 and 140-2 are formed by stacking a plurality of rotation car segments 143 to be twisted at a predetermined angle along the rotation axis direction.
  • the twist angle of the adjacent rotation car segments 143 can be arbitrarily adjusted, and a specific example may be 1 to 15 degrees, and the rotation car assemblies 140-1 and 140-2 are adjacent to the rotation car segment 143
  • the twist angles may be the same or different, and the final twist angles of the rotating vehicle assemblies 140-1 and 140-2 may be the same or different from each other.
  • a final twisted angle from one end to the other end in the rotation axis direction of the rotation wheel segments of the rotation wheel assembly is 45 ⁇ 10 degrees. In this case, it can have a more excellent pulsation (pulsation) prevention effect.
  • a rotating vehicle assembly (140-1, 140-2) is applied instead of the rotating vehicle (114-1, 114-2), but a plurality of rotating vehicle segments (143) By laminating and forming a shape twisted by a final 45 ⁇ 10 degrees along the direction of the rotation axis, pulsation can be prevented from occurring in the wake of the rotation vehicle assemblies 140-1 and 140-2.
  • the hydro turbine according to the present invention is applied to generate power in a heat transport network (fluid transport network) for transporting heat sources (hot water, heating water, etc.) supplied from a heat source facility such as a combined heat and power plant.
  • a heat transport network fluid transport network
  • heat sources hot water, heating water, etc.
  • the present invention is installed in a transport pipe constituting a heat transport network, and may be installed in a general section without differential pressure among transport pipes, but is preferably installed in a differential pressure generation section to generate electric power with waste differential pressure.
  • the differential pressure may occur when the pressure of the district heating water of the heat supply pipe is increased to a certain size or more in the pressurization plant facility to supply district heating to the customers in the highlands as shown in FIG. 9A, and then recovered in the lowlands.
  • differential pressure may occur in the heat transport network for the nearby area, and other pressure may occur in summer when the heating load of the customer is smaller than in winter.
  • the pressure gradually decreases as the distance from the heat source facility increases, and at this time, differential pressure power generation can be performed at any one point, but, if necessary, differential pressure power generation can be performed at each differential pressure generation point.
  • the power generation device for generating renewable energy since the power generation device for generating renewable energy is installed in the transport pipe, it is possible to recycle the waste differential pressure generated in the fluid transport network for power generation while replacing the pressure control valve such as the differential pressure valve.
  • the hydraulic turbine having the self-cooling function of the present invention replaces the pressure regulating valve (foreign imported products of PDCV and TCV) to recover and utilize the unused differential pressure energy to generate power and secure the economics of replacing the foreign differential pressure valve. Make it possible.
  • a hydraulic regenerative power generation system to which a hydro turbine having a self-cooling function according to the present invention includes a hydro turbine 100, a generator 200, and a shaft coupler 300. Include.
  • the hydraulic regenerative power generation system can be configured in a manner including a shaft coupler 300 between them so that one hydro turbine 100 according to the present invention is connected to and used with one generator 200. something to do.
  • the hydraulic regenerative power generation system includes a first hydro turbine 100-1, a second hydro turbine 100-2, a dual generator 200, a first shaft coupler 300-1, and a second shaft coupler 300. -2) and brake (BRK).
  • control unit 430 for intelligent control of differential pressure regenerative power generation, including the control unit 430, the first water pressure sensor (WS1), the second water pressure sensor (WS2), the differential pressure calculation unit 431, the power generation amount calculation unit 432, the load amount calculation unit It further includes 433 and a communication interface 434.
  • the dual generator 200 includes a first generator shaft GX-1 and a second generator shaft GX-2 installed to independently rotate on both sides of the generator housing 210. Accordingly, electric power is produced by rotation of at least one of the first generator shaft GX-1 and the second generator shaft GX-2. That is, the first generator shaft (GX-1) produces renewable energy, the second generator shaft (GX-2) produces renewable energy, or the first generator shaft (GX-1) and the second generator shaft ( GX-2) is rotated simultaneously (in opposite directions) to produce renewable energy.
  • These dual generators 200 are connected to the first hydraulic turbine 100-1 and the second hydraulic turbine 100-2 respectively disposed on the left and right sides thereof, and the first hydraulic turbine 100-1 according to the magnitude of the differential pressure And renewable energy is produced by operating the dual generator 200 with either or both of the second hydro turbine 100-2.
  • the first generator shaft GX-1 of the dual generator 200 is connected to the first hydraulic turbine 100-1 by the first shaft coupler 300-1, and the second generator shaft GX-2 ) Is connected to the second hydraulic turbine 100-2 by the second shaft coupler 300-2 to transmit power, respectively.
  • the dual generator 200 is a generator housing 210, housing covers 211 and 212, a rotary ring 220, a rotary ring cover (221, 222), a rotor ( 223), a commutator 230, ball bearings 123 and 124, 241-244, and a brush 250.
  • a permanent magnet is installed in the generator housing 210, and housing covers 211 and 212 are assembled at both openings of the generator housing 210.
  • a cylindrical rotating ring 220 rotating in a first direction is installed in the hollow portion of the generator housing 210.
  • the rotating ring 220 rotates together in a state coupled with the rotor 223 fitted in the hollow part, for example, the rotor 223 is a stack of a plurality of electrical steel plates (laminate plates), the winding groove The coil is wound several times.
  • Rotating ring covers 221 and 222 are assembled at both openings of the rotating ring 220.
  • a first generator shaft GX-1 is provided in the rotary ring cover 221 of one side (left side in the drawing).
  • the first generator shaft GX-1 is exposed to the outside through the housing cover 211. Therefore, it is connected to the first hydraulic turbine 100-1 through the first shaft coupler 300-1.
  • the first generator shaft GX-1 connected to the first hydro turbine 100-1 is coupled to the rotating ring 220 as described above and rotates the rotor 223 on which the winding is wound, so that the first power generation
  • the induced electromotive force is induced to the winding by the rotation of the base shaft (GX-1).
  • the commutator 230 is installed to rotate in a second direction (eg, counterclockwise) opposite to the first direction in which the first generator shaft GX-1 rotates in the rotor 223.
  • the commutator 230 is provided with a permanent magnet, and a second generator shaft GX-2 is provided outside.
  • the second generator shaft GX-2 is disposed in the opposite direction (right side in the drawing) of the first generator shaft GX-1, passes through the housing cover 212 on one side and is exposed to the outside.
  • GX-2) is connected to the second hydraulic turbine 100-2 through the second shaft coupler 300-2.
  • First bearings 123, 124, 241 and second bearings 123, 124, 242 are assembled to the housing covers 211 and 212 on both sides of the generator housing 210, respectively, and the first bearing on the left side
  • the first generator shaft GX-1 is supported on the bearings 123, 124, and 241
  • the second generator shaft GX-2 is supported on the second bearing 123, 124, and 242 on the right.
  • third bearings 123, 124, 243 and fourth bearings 123, 124, 244 are assembled to the rotary ring covers 221 and 222 that are assembled on both sides of the rotary ring 220, respectively, and the left side
  • the shaft protruding to one side of the commutator 230 is supported on the third bearings 123, 124, 243 of the, and the second generator shaft GX-2 on the right fourth bearing 123, 124, and 243 Is supported.
  • the brush 250 omitted from the above description is fitted to the rotating ring cover 221 on one side of which the first generator shaft GX-1 protrudes, and as known, the rotor 223 is Connect the winding wound around the winding groove with an external device.
  • the dual generator 200 applicable to the present invention has been described above.
  • the dual generator 200 described above corresponds to an example, and the dual generator 200 of the present invention is formed by one or more of the first hydro turbine 100-1 and the second hydro turbine 100-2. It means to develop.
  • the first shaft coupler (300-1) is between the first generator shaft (GX-1) and the first turbine shaft (122) (122-L), the first generator shaft (GX-1) and the first turbine shaft (122) To connect (122-L) to each other, as an example, one having shaft fasteners on both left and right sides may be used.
  • the first generator shaft is connected to the second shaft grip on the other side (on the right side of the drawing).
  • the first generator shaft (GX-1) and the first turbine shaft (122) (122-L) are connected to each other.
  • first shaft coupler 300-1 protrudes a locking key on the first generator shaft GX-1 and the first turbine shaft 122, 122-L in addition to the above-described tightening-type shaft gripping hole. It will be apparent that other various types of couplers, such as forming fitting grooves corresponding to the shape of the locking key on both sides of the first shaft coupler 300-1, can also be applied.
  • the second shaft coupler (300-2) is between the second generator shaft (GX-2) and the second turbine shaft (122) (122-R), the second generator shaft (GX-2) and the second turbine
  • the shafts 122 and 122-R are connected to each other, and as an example, a shaft having a shaft gripping hole on each of the left and right sides, or a fitting groove formed therein may be applied.
  • the brake BRK is for preventing the electromagnetically coupled first generator shaft GX-1 and the second generator shaft GX-2 from rotating in the same direction, and the first shaft coupler 300-1 ) Or installed on the second shaft coupler 300-2. Of course, it may be selectively operated after being installed on both the first shaft coupler 3001 and the second shaft coupler 300-2.
  • This brake BRK is for limiting (stopping) the rotation of either the first generator shaft GX-1 or the second generator shaft GX-2 for a set time when the dual generator 200 is initially driven.
  • the first generator shaft (GX-1) and the second generator shaft (GX-2) are coupled to rotate in the same direction, thereby preventing the power generation efficiency from lowering.
  • the brake BRK is installed on the first shaft coupler 300-1, the second shaft coupler 300-2, or the first shaft coupler 300-1 and the second shaft coupler 300 -2) Can be used selectively in the state of being equipped with all.
  • the brake BRK is installed or operated on the side of the first generator shaft GX-1 or the second generator shaft GX-2 to be stopped for a predetermined time.
  • the brake BRK may be a plate brake BRK as shown, but is not limited thereto, and various other types of brake BRK may also be used. In addition, it is also applicable to separately installed outside of the shaft coupler as well as integrally provided inside the shaft coupler.
  • the system includes a first branch pipe 410 branched from the transport pipe HT-P, a first control valve 411 installed in the first branch pipe 410, and a transport pipe ( It includes a second branch pipe 420 branched from HT-P), and a second control valve 421 installed in the second branch pipe 420.
  • the first branch pipe 410 and the second branch pipe 420 are directly connected to the transport pipe (HT-P) in a state spaced apart from each other by a certain distance, and at this time, the receiving side of the first hydraulic turbine 100-1 is It is connected to the first branch pipe 410, and the receiving side of the second hydraulic turbine 100-2 is connected to the second branch pipe 420.
  • HTP transport pipe
  • the first turbine shaft 122 (122-L) of the first hydraulic turbine 100-1 rotates by the hydraulic pressure supplied to the first hydraulic turbine 100-1 through the first branch pipe 410 And, the first generator shaft GX-1 connected by the first shaft coupler 300-1 rotates to generate power.
  • the second turbine shaft 122 (122-R) of the second hydraulic turbine 100-2 by hydraulic pressure supplied to the second hydraulic turbine 100-2 through the second branch pipe 420 It rotates, and the second generator shaft GX-2 connected by the second shaft coupler 300-2 rotates to generate power.
  • both the first control valve 411 and the second control valve 421 are closed, power generation does not occur because there is no fluid supply, and both the first control valve 411 and the second control valve 421 are closed.
  • both the first control valve 411 and the second control valve 421 are closed.
  • power is simultaneously produced by both the first generator shaft GX-1 and the second generator shaft GX-2.
  • the transport pipe (HT-P)
  • the flow rate supplied from the can also be adjusted.
  • first branch pipe 410 and the second branch pipe 420 are connected to the transport pipe (HT-P) as above, the first branch pipe 410 connected to the upstream side and the second branch pipe connected to the downstream side A difference occurs in the flow rate introduced through the engine 420.
  • the first branch pipe 410 is a main branch pipe connected to branch from the transport pipe HT-P, and the first control valve 411 is preferably a main control valve installed in the main branch pipe. Do.
  • the second branch pipe 420 is a sub branch pipe connected so as to be branched from the main branch pipe on the downstream side of the main control valve, and the second control valve 421 is preferably a sub control valve installed in the sub branch pipe.
  • first control valve 411 In addition, with the first control valve 411 open, only the first hydraulic turbine 100-1 is operated by closing the second control valve 421 of the sub branch pipe connected to the second hydraulic turbine 100-2. Or, by opening the second control valve 421, both the first hydraulic turbine 100-1 and the second hydraulic turbine 100-2 can be operated.
  • a control valve may be installed in a pipe connected to the first hydraulic turbine 100-1 in addition to the second control valve 421.
  • the flow rate supplied to the first hydraulic turbine 100-1 You can also fine tune it.
  • control unit 430 controls the first control valve 411 and the second control valve 421, which is provided locally or at a remote management office where the system is installed, and wirelessly communicates through the communication interface 434. To deliver the command.
  • control unit 430 opens the first control valve 411 and closes the second control valve 421 to operate the dual generator 200 only by the first hydraulic turbine 100-1 or control the first
  • the valve 411 and the second control valve 421 are opened to operate the dual generator 200 by both the first hydraulic turbine 100-1 and the second hydraulic turbine 100-2.
  • the control unit 430 first hydraulics the amount of fluid corresponding to the differential pressure between the detection pressure and the design pressure. It is preferable to generate electricity by supplying it to one or more of the turbine 100-1 and the second hydraulic turbine 100-2. That is, the present invention is preferably operated only when the lung differential pressure occurs.
  • a first water pressure sensor (WS1) installed at a first point and a second pressure sensor installed at a second point spaced apart from the first point. It includes a water pressure sensor (WS2).
  • the first and second points where the first water pressure sensor (WS1) and the second water pressure sensor (WS2) are installed are each before and after the differential pressure generation section. It becomes a branch.
  • the differential pressure calculation unit 431 receives pressure values in the transport pipe HT-P from the first water pressure sensor WS1 and the second water pressure sensor WS2, and calculates a differential pressure corresponding to the difference. do. That is, the differential pressure between the first point and the second point is calculated.
  • the power generation amount calculation unit 432 calculates the amount of power generation by the dual generator 200 according to the differential pressure provided by the differential pressure calculation unit 431 and provides it to the control unit 430.
  • the control unit 430 controls the opening rate of the first control valve 411 and the second control valve 421 according to the calculated amount of power generation.
  • the generation amount calculation unit 432 may calculate the amount of generation by referring to the minimum recovery level providing unit 432a, and the generation amount calculation unit 432 provides a pressure value necessary for recovery to a heat source facility such as a cogeneration facility. do. Therefore, it is prevented that the amount of power generation more than necessary is calculated.
  • the current hydraulic pressure of the fluid flowing along the transport pipe (HT-P) of the heat transport network is accurately measured in real time, and the differential pressure is adaptively calculated and generated in response to the change in hydraulic pressure due to the changing customer's load or regional characteristics. Make it possible.
  • the present invention further includes a load amount calculation unit 433, and the load amount calculation unit 433 directly measures the differential pressure different from the first water pressure sensor WS1 or the second water pressure sensor WS2 described above. It is not to predict the amount of differential pressure generated.
  • the load amount calculation unit 433 may calculate the amount of power generated by processing the process alone, and, if necessary, may calculate the amount of power generation together with the aforementioned generation amount calculation unit 432. In this case, the final value can be determined by averaging the power generation amount calculated in each.
  • the load amount calculation unit 433 calculates the power generation amount of the dual generator 200 using the design information of the fluid transport network for district heating or the load consumption information of the customer, and provides the calculated power generation amount to the control unit 430.
  • the amount of differential pressure generated in advance by season, month, and day is calculated in advance by averaging the amount of use in the previous year in a specific area where the cogeneration power plant supplies heat sources, or by referring to the design diagram of a fluid transport network (i.e.
  • the differential pressure generation amount is calculated and provided to the control unit 430 according to the altitude or topography of each area.
  • the usage of the previous year in a specific area and the design of the fluid transport network may be stored in the database 433a and then provided to the load calculation unit 433, and the data stored in the database 433a is preferably updated in real time.
  • the rotating vehicle assembly is formed by stacking a plurality of rotating vehicle segments in a twisted form along the direction of the rotating shaft, thereby changing the flow of heating water to bend so that pulsation does not occur in the wake of the rotating vehicle assembly. Avoid.

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Abstract

본 발명에서는, 일측의 고압부로부터 유입된 후 타측의 저압부로 배출되는 유체에 의해 회전하는 회전차 어셈블리가 장치되어 있는 터빈부와; 일단은 상기 회전차 어셈블리의 회전 중심에 연결되며, 타단은 발전기에 연결되는 터빈축이 장치되어 있는 기어부를 포함하고, 상기 회전차 어셈블리는, 소정 두께의 회전축과 나란한 로브 면을 가지는 복수개의 회전차 세그먼트를 회전축 방향을 따라 소정각도로 트위스트 되는 형태로 결합한 것을 특징으로 하는 수력 터빈이 개시된다. 이상과 같은 본 발명에서 회전차 어셈블리는 복수개의 회전차 세그먼트를 회전축 방향을 따라 트위스트된 형태로 적층하여 형성함으로써 난방수의 흐름을 휘어지도록 변경하여 회전차 어셈블리 후류에서 펄세이션(pulsation)이 발생하지 않도록 한다.

Description

다층 구조의 회전차 어셈블리를 갖는 수력 터빈
본 발명은 수력 터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 후류에서 펄세이션(pulsation)이 발생하지 않도록 다층 구조의 회전차 어셈블리를 갖는 수력 터빈에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 발명과 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.
수력 터빈(hydraulic turbine)은 구동 에너지원으로써 물의 역학적 에너지를 이용하여 회전 날개인 회전차(runner)를 작동시키는 원동기의 일종으로, 통상 수차(水車)라고도 한다.
이러한 수력 터빈은 통상적으로는 상온의 물을 이용하여 회전차를 구동시키므로 발열 현상이 적고, 수력 터빈을 발전기에 연결시키기 위한 기어박스까지 고온의 열이 전달되지 않는 것이 보통이다.
그러나, 수력 터빈의 에너지원으로 고온의 물을 이용하는 경우에는 회전차를 비롯하여 그 주변의 기어박스까지 열이 전달됨에 따라 기어 고장이나 윤활유와 같은 오일에 고열이 전달되는 문제가 있다.
특히, 지역난방 시스템에서 수용가에 난방이나 급탕을 공급하기 위한 열수송망으로 사용되는 배관에는 열생산시설(열병합 발전소)에서 생성된 약 110℃의 물이 공급된다.
이때, 고지대에 열원을 공급하기 위해 가압장 설비에서 수압을 높여 송출하면 저지대에서는 그 만큼의 차압(differential pressure)이 발생하고, 그 외 열원시설로부터 먼 수용가와 가까운 수용가 사이에도 차압이 발생한다.
따라서, 차압으로 수력 터빈을 가동시켜 재생 에너지를 발전하는 경우, 난방이나 급탕 등을 위한 약 110℃의 물이 수력 터빈에 가해지면 고열이 인가되어 설비의 고장이나 파손이 발생한다.
한편, 종래의 터빈에 사용되는 회전차(Lobe)의 경우, 직선형 구조를 가져 후류에서 펄세이션(pulsation)이 발생하는 문제가 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 대한민국 등록특허 제10-1852023호
(특허문헌 2) 대한민국 등록특허 제10-0781296호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 후류에서 펄세이션(pulsation)이 발생하지 않도록 다층 구조의 회전차 어셈블리를 갖는 수력 터빈을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수력 터빈의 후류에서 펄세이션(pulsation)이 발생하지 않도록 할 수 있는 다층 구조의 회전차 어셈블리를 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명에 따른 수력 터빈은,
일측의 고압부로부터 유입된 후 타측의 저압부로 배출되는 유체에 의해 회전하는 회전차 어셈블리가 장치되어 있는 터빈부와;
일단은 상기 회전차 어셈블리의 회전 중심에 연결되며, 타단은 발전기에 연결되는 터빈축이 장치되어 있는 기어부를 포함하고,
상기 회전차 어셈블리는,
소정 두께의 회전축과 나란한 로브 면을 가지는 복수개의 회전차 세그먼트를 회전축 방향을 따라 소정각도로 트위스트 되는 형태로 결합한 것을 특징으로 한다.
상기 회전차 세그먼트는,
회전축과 나란한 로브 면을 가지는 박판인 것을 특징으로 한다.
상기 회전차 세그먼트는,
이웃하여 결합할 세그먼트와 일정 각도로 틀어져 결합하도록 하는 결합부를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 회전차 어셈블리의 회전차 세그먼트들의 회전축 방향 일단에서 타단까지의 최종 트위스트된 각도는 45±10도인 것을 특징으로 한다.
이를 위해, 본 발명에 따른 회전차 어셈블리는,
수력 터빈에 사용되는 회전차 어셈블리로서,
소정 두께 이하인 복수개의 회전차 세그먼트를 회전축 방향을 따라 소정각도로 트위스트 되는 형태로 결합한 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 본 발명에서 회전차 어셈블리는 복수개의 회전차 세그먼트를 회전축 방향을 따라 트위스트된 형태로 적층하여 형성함으로써 난방수의 흐름을 휘어지도록 변경하여 회전차 어셈블리 후류에서 펄세이션(pulsation)이 발생하지 않도록 한다.
또한, 트위스트된 회전차 어셈블리를 일체형으로 제작하는 경우에는 가공이 어려워 가공비가 증가하고 대형 자재를 한번에 가공하여야 하나 직선형 세그먼트는 이에 비하여 가공비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 소형 자재를 활용할 수 있으므로 제조 비용 절감 및 불량 발생시 문제를 줄일 수 있다.
또한, 적층 개수를 조절하여 회전차의 길이를 조절할 수 있어서 수요자의 요구에 따른 수차의 용량 조절을 용이하게 할 수 있다.
이외에 적층시의 비틀림 각도의 조절을 통하여 전체 회전차의 트위스트 각도를 필요에 따라 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자체 수력 터빈을 나타낸 사시도이다.
도 2는 상기 도 1의 정면도이다.
도 3은 상기 도 1의 정단면도이다.
도 4는 본 발명에 실시예에 따른 수력 터빈을 일 방향에서 바라본 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자체 냉각 기능을 갖는 수력 터빈을 다른 방향에서 바라본 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수력 터빈을 일 방향에서 바라본 분해 사시도이다.
도 7는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수력 터빈을 다른 방향에서 바라본 분해 사시도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수력 터빈에 적용되는 회전차 어셈블리를 나타낸 도면이다.
도 9a는 본 발명이 적용되는 열수송망을 나타낸 제1실시예이다.
도 9b는 본 발명이 적용되는 열수송망을 나타낸 제2실시예이다.
도 10은 본 발명에 따른 수력식 재생 발전장치를 나타낸 분해 사시도이다.
도 11은 상기 도 7의 듀얼 발전기를 나타낸 분해 사시도이다.
도 12는 상기 도 7의 듀얼 발전기를 나타낸 조립 단면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 수력식 재생 발전장치의 배관 계통도이다.
도 14는 본 발명에 따른 수력식 재생 발전장치의 제어부를 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 명세서에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수력 터빈에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 수력 터빈을 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 수력 터빈의 정면도이다.
도 1 및 도 2와 같이, 본 발명에 따른 수력 터빈은 크게 터빈부(110), 기어부(120) 및 냉각부(130)로 구분되며, 이들 터빈부(110), 기어부(120) 및 냉각부(130)가 서로 조립되어 본 발명의 수력 터빈을 구성한다.
이때, 터빈부(110)는 일측으로 유입된 후 타측으로 배출되는 고온의 난방수에 의해 회전하는 회전차(runner: 114)가 장치되어 있어서 난방수의 흐름을 유체 에너지로 이용하여 발전에 필요한 동력을 제공한다.
난방수는 일예로 지역난방을 제공하는 열수송망 배관을 통해 공급중인 것으로 난방, 급탕 및 온수 공급 등 다양한 목적의 고온수를 포함하는 것으로 정의하며, 통상적으로 열병합 발전소에서는 약 110℃ 고온의 물을 공급한다.
기어부(120)는 발전기에 동력을 전달하기 위한 기어박스에 해당하는 것으로, 일단은 상기한 회전차(114)의 회전 중심에 연결되며, 타단은 발전기에 연결되는 터빈축(122)이 장치되어 있다.
아래에서 구체적인 실시예를 들어 다시 설명하지만 수력 터빈(100)은 수용가에 필요한 수압을 초과하는 차압(differential pressure)을 이용하여 회전차(114)를 가동시키고, 그에 따라 회전차(114)에 연결된 터빈축(122)이 축 회전된다.
나아가, 기어부(120)의 터빈축(122)이 축 회전을 하면, 축 커플러를 통해 연결된 발전기의 발전축 역시 회전을 하면서 수력 발전을 한다. 특히 지역난방 시스템에서 발생한 폐 차압을 이용하여 재생 에너지를 생산한다.
냉각부(130)는 약 110℃ 가량의 난방수를 구동 에너지원으로 하여 터빈을 가동시 고온의 열이 전달되는 것을 방지하는 것으로, 터빈축(122)에 의해 회전되는 냉각 팬(133)이 장착되어 있어서 공기 냉각방식으로 터빈부(110)를 냉각시킨다.
냉각 팬(133)은 수력에 의해 회전하는 회전차(114)에 의해 구동되므로 별도의 구동원이 필요 없이 자체 구동되며, 공기 유동공(132)을 통해 유입된 외기로 터빈부(110) 자체를 냉각시킴은 물론 터빈축(122)을 포함하는 기어부(120)로 고열이 전달되는 것을 방지한다.
특히 냉각부(130)는 터빈부(110)와 기어부(120) 사이에 설치되어 터빈부(110)와 기어부(120)를 분리하고, 그 대신 기어부(120)의 터빈축(122)은 냉각팬(133)의 회전 중심을 관통하여 터빈부(110)의 회전차(114)에 연결된다.
이하, 본 발명을 구성하는 터빈부(110), 기어부(120) 및 냉각부(130)에 대해 구체적인 실시예를 들어 좀 더 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일측 방향 전개 사시도이다. 도 5는 본 발명의 타측 방향 전개 사시도이다.
도 3 내지 도 5와 같이, 터빈부(110)는 몸체를 구성하는 터빈 케이싱(111)과, 난방수가 유입되는 유입구(112)와, 유입된 난방수가 배출되는 배출구(113) 및 유동중인 난방수에 의해 회전하는 회전차(114: 114-1, 114-2)를 포함한다.
이때, 터빈 케이싱(111)은 기어부(120)는 물론 그 사이의 냉각부(130)에 고온의 열이 직접 전도되는 것을 방지하도록 단열 처리된다. 단열은 터빈 케이싱(111) 내부에 단열재를 삽입하거나 외표면에 단열층을 부착 또는 도포하여 구성한다.
터빈 케이싱(111) 중 후방부에는 터빈축(122)이 관통 조립되는 제1 조립공(111a)이 형성된다. 제1 조립공(111a)은 일예로 단턱 내에 형성되며, 단턱에는 냉각부(130) 측으로 난방수가 누설되는 것을 방지하도록 수밀링(115)이 끼워진다. 수밀링(115)으로는 메카니컬씰, 립씰 혹은 O-링 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 조립공(111a)은 터빈축(122)의 단면 형상과 동일하게 둥근 원형으로 형성되며, 일예로 효율을 위해 터빈축(122)이 주 터빈축(122-1) 및 보조 터빈축(122-2)을 포함하는 경우 2개의 제1 조립공(111a)이 구비된다.
제1 조립공(111a) 주변부에 돌출된 단턱 내에 수밀링(115)을 끼운 후에는 상기 단턱이 끼워지는 구멍이 형성된 보호판(116)을 터빈 케이싱(111)의 내측 후면에 부착함으로써 수밀링(115)을 밀착시키고, 마찰로 인한 마모시 교환품인 보호판(116)의 교체를 통해 터빈 케이싱(111) 전체의 교체를 방지한다.
반면, 터빈 케이싱(111)의 전방부는 회전차(114) 등의 조립을 쉽게하도록 개방되어 있으며, 개방된 전방부는 전방 커버(117)를 덮은 후 볼트 등으로 조립한다. 전방 커버(117)의 후면에는 일예로 보조판(117a)이 부착된다.
유입구(112) 및 배출구(113)는 난방수의 유동을 위한 유로를 형성하는 것으로, 유입구(112)는 터빈 케이싱(111)의 일측에 관통 형성되어 난방수가 유입되고, 배출구(113)는 터빈 케이싱(111)의 타측에 관통 형성되어 난방수가 배출된다.
바람직하기로 유입구(112) 및 배출구(113)는 터빈 케이싱(111)의 좌우측에서 서로 마주보게 형성되어 직선 방향으로 유로를 형성한다. 반면 터빈 케이싱(111)의 전후 방향을 따라 설치된 터빈축(122) 및 그에 연결된 회전차(114)는 유로에 직교한 방향으로 배치된다.
회전차(114)는 터빈 케이싱(111)의 내부에 회전 가능하게 설치되어 난방수의 역학적 에너지를 기계적 회전력으로 전환시키는 것으로, 터빈 케이싱(111) 내부에서 유입구(112)와 배출구(113)를 따라 유동하는 난방수 유로상에 노출 설치된다.
이를 위해 회전차(114)의 전면에는 볼트가 삽입되는 전방 삽입공이 형성되어 있고, 후면에는 터빈축(122)이 끼워지는 후방 삽입공이 형성되어 있으며 이들 삽입공은 서로 연결된다. 또한 터빈축(122)의 전방부에는 볼트공이 형성되어 있다.
따라서, 터빈 케이싱(111)의 제1 조립공(111a)을 관통하여 끼워진 터빈축(122)은 회전차(114)의 후방 삽입공에 끼워지고, 그 상태에서 회전차(114)의 전방 삽입공을 통해 와셔(118a) 및 볼트(118b)를 체결하면 터빈축(122)과 회전차(114)가 결합된다.
다만, 회전차(114)는 서로 나란히 배치된 주 회전차(114-1) 및 보조회전차(114-2)를 포함하는 것이 바람직한데, 주 회전차(114-1)와 보조 회전차(114-2)는 일예로 동일한 직경 및 형상으로 이루어지며, 서로 간 회전을 방해하지 않는 한도에서 나란히 인접 배치되어 동시에 수력을 전달받는다.
다음, 기어부(120)는 몸체를 구성하는 기어 케이싱(121)과, 회전차(114)의 동력을 발전기에 전달하는 터빈축(122: 122-1, 122-2) 및 상기 기어 케이싱(121) 내에서 터빈축(122)을 회전 가능하게 지지하는 베어링(123, 124)을 포함한다.
이때, 기어 케이싱(121)은 터빈부(110)에 고온의 난방수가 통과하면서 발생된 열이 전달되는 것을 최소화하도록 후술하는 냉각부(130)를 사이에 두고 터빈부(110)로부터 일정 간격 이격 설치된다.
이러한 기어 케이싱(121)은 일예로 그 내부에 각종 부품의 설치를 쉽게 하도록 전방부는 개방되어 있으며, 후방부에는 발전기(도 7의 '200' 참조)에 연결되도록 터빈축(122)이 인출되는 제2 조립공(121a)이 형성되어 있다.
제2 조립공(121a) 역시 터빈축(122)의 단면 형상과 동일하게 둥근 원형으로 형성된다. 다만, 제2 조립공(121a)은 보조 터빈축(122-2)에 기어 결합되어 주 터빈축(122-1)으로 통합하여 동력을 전달하므로 주 터빈축(122-1)의 인출을 위한 1개의 제2 조립공(121a)만 구비되어도 된다.
터빈축(122)은 회전차(114)의 동력을 발전기에 전달하는 것으로, 전방 단부는 터빈 케이싱(111)에 관통 형성된 제1 조립공(111a)을 통과하여 회전차(114)에 체결되고, 후방 단부는 기어 케이싱(121)에 관통 형성된 제2 조립공(121a)을 통과하여 외부로 돌출된다.
또한, 아래에서 다시 설명하겠지만 터빈부(110)와 기어부(120) 사이에는 냉각부(130)가 배치되어 있으므로, 터빈축(122)은 냉각부(130)를 통과하여 회전차(114)에 연결되며, 이때 냉각부(130)에 설치되는 냉각 팬(133)에 조립되어 냉각 팬(133)을 회전시킨다.
바람직한 실시예로, 상술한 터빈부(110)의 회전차(114)가 2개인 경우 그에 각각 연결되도록 터빈축(122) 역시 2개가 구비되며, 2개의 터빈축(122)은 주 터빈축(122-1) 및 보조 터빈축(122-2)으로 구성된다.
이때, 주 회전차(114-1)에는 주 터빈축(122-1)이 연결되고, 보조 회전차(114-2)에는 보조 터빈축(122-2)이 연결되며, 주 터빈축(122-1)은 보조 터빈축(122-2)의 동력을 전달받아 통합하여 외부의 발전기에 동력을 전달한다.
이를 위해 주 터빈축(122-1)은 기어 케이싱(121)의 외부로 돌출되어 발전기에 연결되고, 보조 터빈축(122-2)에 끼워진 보조 기어(125-2)는 주 터빈축(122-1)에 끼워진 주 기어(125-1)에 맞물려 보조 회전차(114-2)의 동력을 전달한다.
더욱 구체적으로, 주 터빈축(122-1)은 전체적으로 길이가 축 형상으로 이루어지되 전방측부터 제1 축부(P1) 내지 제5 축부(P5)로 구획되며, 보조 터빈축(122-2)은 제5 축부(P5)를 제외한 제1 축부(P1) 내지 제4 축부(P4)로 구획된다.
도 3과 같이, 제1 축부(P1)는 회전차(114) 내부로 삽입 고정되고, 제2 축부(P2) 및 제4 축부(P4)에는 각각 후술하는 베어링(123, 124)(예: 볼 베어링(123, 124))이 끼워진다. 제2 축부(P2)와 제4 축부(P4) 사이의 제3 축부(P3)에는 기어(125-1, 125-2)가 끼워진다.
즉, 주 터빈축(122-1)의 제3 축부(P3)에는 주 기어(125-1)가 끼워지고, 보조 터빈축(122-2)의 제3 축부(P3)에는 보조 기어(125-2)가 끼워지며, 주 기어(125-1)와 보조 기어(125-2)는 서로 맞물려 치차 결합된다.
베어링(123, 124)은 터빈축(122)을 회전 가능하게 지지하는 것으로 대표적으로 볼 베어링(123, 124)이 적용되며, 이와 같은 베어링(123, 124)은 제2 축부(P2) 및 제4 축부(P4)에 각각 조립되며, 기어 케이싱(121) 내면에 형성된 조립구에 고정 설치된다.
다음, 냉각부(130)는 몸체를 구성하는 냉각 케이싱(131)과, 외기의 유입 및 배출을 가능하게 하는 공기 유동공(132) 및 터빈축(122)에 의해 자체로 회전하여 공기식 냉각을 하는 냉각 팬(133: 133-1, 133-2)을 포함한다. 이때 냉각 케이싱(131)의 전방부는 개방된 상태에서 터빈 케이싱(111)의 후방부에 밀착 결합된다. 또한 냉각 케이싱(131)의 후방부에는 기어 케이싱(121)이 결합되며, 터빈축(122)이 관통 조립되는 제3 조립공(131a)이 형성되어 있다.
공기 유동공(132)은 외기의 유입을 안내하여 고온의 난방수가 흐르는 터빈부(110)를 냉각시키는 것으로, 냉각 케이싱(131)에 측부을 따라 적어도 하나 이상 형성된다. 일예로 냉각 케이싱(131)에는 4개의 공기 유동공(132)이 형성되어 공기가 원활하게 유입 및 유출되게 한다.
냉각 팬(133)은 냉각 케이싱(131) 내에 설치되되, 회전 중심부에 형성된 축공에는 터빈축(122)이 관통 조립된다. 따라서, 본 발명은 별도의 동력이나 구동원을 구비할 필요 없이 터빈축(122) 자체에 의해 냉각 팬(133)이 회전한다.
또한 냉각 케이싱(131)의 제3 조립공(131a) 주변부에는 단턱이 형성되고, 단턱 내에는 마찰 베어링(134)이 설치되어 냉각 팬(133)의 회전시 마찰에 의한 마모나 소음을 저감시킨다.
다만, 냉각 팬(133)은 고온의 난방수가 유동하는 터빈부(110)를 향해 공기 유동공(132)을 통해 유입된 공기를 송풍하도록 설치되는 것이 바람직하다.
예컨대, 냉각 팬(133)에 형성된 팬 날개가 터빈부(110)를 바라보도록 설치하여 터빈부(110)로 냉각용 외기를 공급한다.
또한, 2개의 회전차(114)에 대응하여 터빈축(122) 역시 2개인 경우 냉각 팬(133) 역시 2개 구비하여 냉풍량을 증가시킨다. 즉, 주 터빈축(122-1)에 끼워지는 주 냉각 팬(133-1) 및 보조 터빈축(122-2)에 끼워지는 보조 냉각 팬(1332)을 포함한다.
상기 구조에서 필요에 따라 냉각부(130)는 미적용 하는 것도 가능하다.
그리고 상기 구조에서 회전차(114-1, 114-2)는 유로가 직선형 구조를 가질 경우 후류에서 펄세이션(pulsation)이 생길 수 있다.
따라서 이를 개량한 다른 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수력 터빈을 일 방향에서 바라본 분해 사시도이다.
도 7는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수력 터빈을 다른 방향에서 바라본 분해 사시도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수력 터빈에 적용되는 회전차 어셈블리를 나타낸 도면이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수력 터빈은,
일측의 고압부로부터 유입된 후 타측의 저압부로 배출되는 유체에 의해 회전하는 회전차 어셈블리(140-1, 140-2)가 장치되어 있는 터빈부(110)와;
일단은 상기 회전차 어셈블리(140-1, 140-2)의 회전 중심에 연결되며, 타단은 발전기에 연결되는 터빈축이 장치되어 있는 기어부(120)를 포함하고,
상기 회전차 어셈블리(140-1, 140-2)는,
소정 두께의 회전축과 나란한 로브면을 가지는 복수개의 회전차 세그먼트(143)를 회전축 방향을 따라 소정각도로 트위스트 되는 형태로 결합한 것을 특징으로 한다.
상기 회전차 세그먼트(143)는,
회전축과 나란한 로브 면을 가지는 박판인 것을 특징으로 한다.
상기 회전차 어셈블리(140-1, 140-2)의 회전차 세그먼트(143)들의 회전축 방향 일단에서 타단까지의 최종 트위스트된 각도는 45±10도인 것을 특징으로 한다.
상기 회전차 세그먼트(143)는,
중앙에 유로(147)가 형성되고, 사방에 날개(145)가 형성되는 것일 수 있다.
상기 회전차 세그먼트(143)는,
이웃하여 결합할 세그먼트와 일정 각도로 틀어져 결합하도록 하는 결합부를 가지는 것을 특징으로 한다.
결합부는 공지의 수단이 적용될 수 있으며, 구체적인 예로 세그먼트 일면에 형성된 홈(146)과 상기 일면에 결합되는 다음 세그먼트의 결합면에 형성된 돌기로 구성될 수 있다. 상기 돌기는 회전축을 기준으로 상기 홈과 소정의 각도로 틀어져 형성된다. 이를 통하여 상기 홈에 상기 돌기가 끼워지면 각각의 세그먼트가 소정의 각도로 트위스트 되는 형태로 조립될 수 있다. 필요에 따라 상기 홈(146)은 복수 개 구비되어 원하는 홈에 돌기를 결합하여 트위스트 각도를 조절할 수 있다.
각각의 상기 회전차 세그먼트(143)의 두께는 임의로 조정할 수 있으며, 구체적인 예로 0.1mm 내지 10cm일 수 있다. 두께가 충분히 얇은 시트의 경우에는 금형을 활용한 펀칭 또는 와이어 커팅을 통하여 박판 형태로 각 세그먼트를 제작할 수 있다. 이를 트위스트 형태로 적층하여 조립체를 제작할 수 있다.
상기 회전차 어셈블리(140-1, 140-2)를 구성하는 상기 회전차 세그먼트(143)의 개수는 임의로 조정할 수 있으며, 구체적인 예로 3 내지 100개 일 수 있다. 복수개의 상기 회전차 세그먼트(143)는 동일한 두께를 가질 수도 있고, 서로 다른 두께를 가질 수도 있다. 본 발명의 경우 회전차 세그먼트(143)를 대량생산하여 수력 터빈의 용량에 맞도록 최종 회전차 어셈블리(140-1, 140-2)를 구성하는 것이 가능하며, 이상이 있는 회전차 세그먼트(143) 만을 교체하여 유지관리에 유리하다.
상기 회전차 어셈블리(140-1, 140-2)는 복수개의 회전차 세그먼트(143)를 회전축 방향을 따라 소정각도로 트위스트 되도록 적층하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
인접한 상기 회전차 세그먼트(143)들의 트위스트 각도는 임의로 조정이 가능하며, 구체적인 예로는 1도 내지 15도일 수 있으며, 회전차 어셈블리(140-1, 140-2)는 인접한 상기 회전차 세그먼트(143)들의 트위스트 각도가 동일하거나 다를 수 있으며, 회전차 어셈블리(140-1, 140-2)의 최종 트위스트 각도도 같거나 서로 다를 수 있다.
상기 회전차 어셈블리의 회전차 세그먼트들의 회전축 방향 일단에서 타단까지의 최종 트위스트된 각도는 45±10도인 것을 특징으로 한다. 이 경우 더욱 우수한 펄세이션(pulsation) 방지 효과를 가질 수 있다.
이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 수력 터빈은, 회전차(114-1, 114-2) 대신 회전차 어셈블리(140-1, 140-2)를 적용하되, 복수개의 회전차 세그먼트(143)를 회전축 방향을 따라 최종 45±10도로 트위스트된 형태로 적층하여 형성함으로써, 회전차 어셈블리(140-1, 140-2)의 후류에서 펄세이션(pulsation)이 발생하지 않도록 할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 위와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 자체 냉각 기능을 갖는 수력 터빈의 적용예에 대해 설명한다. 적용예는 본 발명이 지역난방의 열수송망 중 차압이 발생한 부분에 설치된 것이다.
도 9a 및 도 9b와 같이 본 발명에 따른 수력 터빈은 열병합 발전설비와 같은 열원시설로부터 공급되는 열원(온수, 난방수 등)을 수송하기 위한 열수송망(유체 수송망)에서 전력을 생산하는데 적용된다.
이때, 본 발명은 열수송망을 구성하는 수송배관에 설치되는 것으로, 수송배관 중 차압이 없는 일반적인 구간에 설치될 수도 있지만, 바람직하게는 차압발생 구간에 설치되어 폐 차압으로 전력을 생산한다.
차압은 도 9a와 같이 고지대의 수용가에 지역난방을 공급하기 위해서 가압장 설비에서 열공급관의 지역난방수 압력을 일정 크기 이상으로 높여 열공급을 한 후 저지대에서 회수시 발생할 수 있다.
또한, 도 9b와 같이 열원시설로부터 먼 지역과 가까운 지역으로 동시에 열공급을 하는 경우 가까운 지역을 위한 열수송망에서 차압이 발생할 수 있으며, 그 외 겨울철보다 수용가의 난방부하가 작은 여름철에도 차압이 발생할 수 있다.
압력은 열원시설로부터의 거리가 멀어질수록 점차 작아지게 되며, 이때 어느 한 지점에서 차압 발전을 수행할 수 있지만, 필요시에는 각각의 차압 발생지점마다 차압 발전을 수행할 수 있다.
따라서, 본 발명은 수송배관에 재생 에너지 생산용 발전 장치를 설치하므로, 차압밸브와 같은 압력조절밸브를 대체하면서도 유체 수송망에서 발생한 폐 차압을 전력 생산에 재활용할 수 있게 한다.
즉, 본 발명의 자체 냉각 기능을 갖는 수력 터빈은 압력조절 밸브(PDCV 및 TCV의 외산수입품)를 대체하여 미활용되고 있는 차압 에너지를 회수 및 활용하여 전력을 생산하며 외산 차압밸브 대체의 경제성을 확보할 수 있게 한다.
이를 위해, 본 발명에 따른 자체 냉각 기능을 갖는 수력 터빈(이하, '수력 터빈'이라 함)이 적용되는 수력식 재생 발전시스템은 수력 터빈(100), 발전기(200) 및 축 커플러(300)를 포함한다.
이때, 수력식 재생 발전시스템은 하나의 발전기(200)에 하나의 본 발명에 따른 수력 터빈(100)이 연결되어 사용되도록 이들 사이의 축 커플러(300)를 포함하는 방식으로 구성될 수 있음은 자명할 것이다.
그러나, 재생 전력의 생산성 향상을 위해 듀얼 발전 방식이 적용되는 것이 바람직하다. 이를 위해 수력식 재생 발전시스템은 제1 수력 터빈(100-1), 제2 수력 터빈(100-2), 듀얼 발전기(200), 제1 축 커플러(300-1), 제2 축 커플러(300-2) 및 브레이크(BRK)를 포함한다.
또한, 바람직한 실시예로써 지역난방의 열수송망을 구성하는 수송배관(HT-P)과의 연결 및 발전량 제어를 위해 제1 분기관(410), 제1 제어밸브(411), 제2 분기관(420) 및 제2 제어밸브(421)를 더 포함한다.
또한, 차압 재생 발전의 지능형 제어를 위해 제어부(430)를 비롯하여, 제1 수압센서(WS1), 제2 수압센서(WS2), 차압 산출부(431), 발전량 산출부(432), 부하량 산출부(433) 및 통신인터페이스(434) 등을 더 포함한다.
도 10과 같이 듀얼 발전기(200)는 발전기 하우징(210)의 양측부에 각각 독립적으로 회전하도록 설치된 제1 발전기축(GX-1) 및 제2 발전기축(GX-2)을 구비한다. 따라서, 제1 발전기축(GX-1) 및 제2 발전기축(GX-2) 중 어느 하나 이상의 회전에 의해 전력을 생산한다. 즉, 제1 발전기축(GX-1)으로 재생 에너지를 생산하거나, 제2 발전기축(GX-2)으로 재생 에너지를 생산하거나, 혹은 제1 발전기축(GX-1)과 제2 발전기축(GX-2)을 동시에 회전(서로 반대 방향)시켜 재생 에너지를 생산한다.
이러한 듀얼 발전기(200)는 그 좌우측에 각각 배치된 제1 수력 터빈(100-1) 및 제2 수력 터빈(100-2)에 연결되며, 차압의 크기에 따라 제1 수력 터빈(100-1) 및 제2 수력 터빈(100-2) 중 어느 하나 또는 둘 모두로 듀얼 발전기(200)를 가동시킴에 따라 재생 에너지가 생산된다.
이때, 듀얼 발전기(200)의 제1 발전기축(GX-1)은 제1 축 커플러(300-1)에 의해 제1 수력 터빈(100-1)과 연결되고, 제2 발전기축(GX-2)은 제2 축 커플러(300-2)에 의해 제2 수력 터빈(100-2)에 연결되어 각각 동력이 전달된다.
도 11 및 도 12와 같이, 듀얼 발전기(200)는 일 실시예로써 발전기 하우징(210), 하우징 커버(211, 212), 회전링(220), 회전링 커버(221, 222), 회전자(223), 정류자(230), 볼 베어링(123, 124)(241 내지 244) 및 브러쉬(250)를 포함한다.
이때, 발전기 하우징(210)에는 영구자석이 설치되며, 발전기 하우징(210)의 양측 개구부는 하우징 커버(211, 212)가 조립된다. 또한, 발전기 하우징(210)의 중공부에는 제1 방향(예: 시계 방향)으로 회전하는 원통 형상의 회전링(220)이 설치된다.
회전링(220)은 일예로 그 중공부에 끼워지는 회전자(223)와 결합된 상태로 함께 회전을 하는데, 회전자(223)는 전기강판(라미네이트판)을 다수개 적층한 것으로 그 권선홈에는 코일이 다수회 감겨 있다.
따라서, 회전링(220)과 함께 회전자(223)가 회전하면, 하우징 커버(211, 212)의 영구자석이나 정류자(230)의 영구자석에 의해 코일에 유도 기전력이 유도됨에 따라 발전이 이루어지게 된다. 즉, 지역난방시 발생한 폐차압으로 에너지를 재생한다.
회전링(220)의 양측 개구부에는 회전링 커버(221, 222)가 조립된다.
그 중 일측(도면상 좌측)의 회전링 커버(221)에는 제1 발전기축(GX-1)이 구비된다.
제1 발전기축(GX-1)은 하우징 커버(211)를 통해 외부로 노출된다. 따라서 제1 축 커플러(300-1)를 통해 제1 수력 터빈(100-1)과 연결된다.
제1 수력 터빈(100-1)에 연결된 제1 발전기축(GX-1)은 상술한 바와 같이 회전링(220)에 결합되어 있으며 권선이 감겨있는 회전자(223)를 회전시키므로, 제1 발전기축(GX-1)의 회전에 의해 권선으로 유도 기전력이 유도된다.
한편, 정류자(230)는 회전자(223) 내에서 제1 발전기축(GX-1)이 회전하는 제1 방향과 반대인 제2 방향(예: 반시계 방향)으로 회전하도록 설치된다.
이러한 정류자(230)에는 영구자석이 구비되고 외측으로는 제2 발전기축(GX-2)이 구비되어 있다.
제2 발전기축(GX-2)은 제1 발전기축(GX-1)의 반대 방향(도면상 우측)으로 배치되며, 일측의 하우징 커버(212)를 통과하여 외부로 노출된 제2 발전기축(GX-2)은 제2 축 커플러(300-2)를 통해 제2 수력 터빈(100-2)에 연결된다.
발전기 하우징(210)의 양측에 조립되는 하우징 커버(211, 212)에는 제1 베어링(123, 124)(241) 및 제2 베어링(123, 124)(242)이 각각 조립되고, 좌측의 제1 베어링(123, 124)(241)에는 제1 발전기축(GX-1)이 지지되며, 우측의 제2 베어링(123, 124)(242)에는 제2 발전기축(GX-2)이 지지된다.
또한, 회전링(220)의 양측에 조립되는 회전링 커버(221, 222)에는 제3 베어링(123, 124)(243) 및 제4 베어링(123, 124)(244)이 각각 조립되고, 좌측의 제3 베어링(123, 124)(243)에는 정류자(230)의 일측으로 돌출된 축이 지지되고, 우측의 제4 베어링(123, 124)(243)에는 제2 발전기축(GX-2)이 지지된다.
위에서 설명을 생략한 브러쉬(250)는 제1 발전기축(GX-1)이 돌출 형성된 일측의 회전링 커버(221)에 끼워지며, 공지된 바와 같이 브러쉬(250)를 통해 회전자(223)의 권선홈에 감긴 권선을 외부 장치와 연결시킨다.
이상 본 발명에 적용 가능한 듀얼 발전기(200)에 대해 설명하였다.
그러나, 위에서 설명한 듀얼 발전기(200)는 일예에 해당하는 것으로, 본 발명의 듀얼 발전기(200)는 제1 수력 터빈(100-1) 및 제2 수력 터빈(100-2) 중 어느 하나 이상에 의해 발전되는 것을 의미한다.
따라서, 제1 발전기축(GX-1) 및 제2 발전기축(GX-2)이 각각 독립적으로 작동하면서 개별적으로 전력을 생산하거나 함께 전력을 생산할 수만 있다면, 그 외 다른 듀얼 발전기 역시 본 발명에 적용될 수 있음은 자명할 것이다.
다음, 제1 축 커플러(300-1)는 제1 발전기축(GX-1)과 제1 터빈축 (122)(122-L) 사이에서 제1 발전기축(GX-1)과 제1 터빈축(122)(122-L)을 서로 연결시키는 것으로, 일예로써 좌우 양측에 각각 축 물림구를 구비한 것이 사용될 수 있다.
따라서, 일측(도면 기준 좌측)의 제1 축 물림구에 제1 터빈축(122)(122-L)을 삽입한 후 조이고, 타측(도면 기준 우측)의 제2 축 물림구에 제1 발전기축(GX-1)을 삽입한 후 조임으로써, 제1 발전기축(GX-1)과 제1 터빈축(122)(122-L)을 서로 연결한다.
다만, 제1 축 커플러(300-1)는 상술한 조임 방식의 축 물림구 이외에 제1 발전기축(GX-1)과 제1 터빈축(122)(122-L)에 잠금키를 돌출 형성시키고, 제1 축 커플러(300-1)의 양측에 잠금키의 형상에 대응하는 끼움홈을 형성하는 등 그외 다양한 방식의 커플러 역시 적용될 수 있음은 자명할 것이다.
유사하게, 제2 축 커플러(300-2)는 제2 발전기축(GX-2)과 제2 터빈축(122)(122-R) 사이에서 제2 발전기축(GX-2)과 제2 터빈축(122)(122-R)을 서로 연결시키는 것으로, 일예로써 좌우 양측에 각각 축 물림구를 구비한 것이나, 끼움홈이 형성된 것 등이 적용될 수 있다.
브레이크(BRK)는 전자기적으로 커플링된 제1 발전기축(GX-1)과 제2 발전기축(GX-2)이 같은 방향으로 회전하는 것을 방지하기 위한 것으로, 제1 축 커플러(300-1) 또는 제2 축 커플러(300-2)에 설치된다. 물론, 제1 축 커플러(3001)와 제2 축 커플러(300-2) 모두에 설치한 후 선택적으로 작동시킬 수도 있다.
이러한 브레이크(BRK)는 듀얼 발전기(200)의 초기 구동시 제1 발전기축(GX-1) 또는 제2 발전기축(GX-2) 중 어느 하나의 회전을 설정된 시간 동안 제한(멈춤)하기 위한 것으로, 제1 발전기축(GX-1)과 제2 발전기축(GX-2)이 커플링되어 같은 방향으로 회전하고 그에 따라 발전 효율이 낮아지는 것을 방지한다.
따라서, 브레이크(BRK)는 제1 축 커플러(300-1)에 설치되거나, 제2축 커플러(300-2)에 설치되거나, 혹은 제1 축 커플러(300-1) 및 제2 축 커플러(300-2) 모두에 구비된 상태에서 선택적으로 사용할 수 있다.
즉, 브레이크(BRK)는 제1 발전기축(GX-1) 또는 제2 발전기축(GX-2)중 일정 시간 멈추고자 하는 측에 설치되거나 혹은 작동된다.
이러한 브레이크(BRK)는 도시된 바와 같이 판형 브레이크(BRK)가 사용될 수 있으나, 이에 한정하는 것이 아니고 여러 가지 다른 타입의 브레이크(BRK) 역시 사용될 수 있다. 또한, 축 커플러의 외부에 별도로 설치된 것은 물론 축 커플러의 내부에 일체로 구비된 것도 적용 가능하다.
도 13의 배관 계통도와 같이, 시스템은 수송배관(HT-P)으로부터 분기된 제1 분기관(410)과, 제1 분기관(410)에 설치된 제1 제어밸브(411)와, 수송배관(HT-P)으로부터 분기된 제2 분기관(420)과, 제2 분기관(420)에 설치된 제2 제어밸브(421)를 포함한다.
제1 분기관(410)과 제2 분기관(420)은 서로 일정 거리 이격된 상태에서 각각 수송배관(HT-P)에 직접 연결되며, 이때 제1 수력 터빈(100-1)의 입수측은 제1 분기관(410)에 연결되고, 제2 수력 터빈(100-2)의 입수측은 제2 분기관(420)에 연결된다.
따라서, 제1 분기관(410)을 통해 제1 수력 터빈(100-1)으로 공급된 유압에 의해 제1 수력 터빈(100-1)의 제1 터빈축(122)(122-L)이 회전하고, 제1 축 커플러(300-1)에 의해 연결된 제1 발전기축(GX-1)이 회전하며 전력을 생산하게 된다.
유사하게, 제2 분기관(420)을 통해 제2 수력 터빈(100-2)으로 공급된 유압에 의해 제2 수력 터빈(100-2)의 제2 터빈축(122)(122-R)이 회전하고, 제2축 커플러(300-2)에 의해 연결된 제2 발전기축(GX-2)이 회전하며 전력을 생산하게 된다.
이때, 제1 제어밸브(411)를 개방하면 제1 분기관(410)을 통해 유체가 공급되고, 제2 제어밸브(421)를 개방하면 제2 분기관(420)을 통해 유체가 공급되므로 제1 수력 터빈(100-1)과 제2 수력 터빈(100-2)를 선택적으로 구동시킬 수 있다. 즉, 다양한 운전 모드로 발전할 수 있게 한다.
또한, 제1 제어밸브(411) 및 제2 제어밸브(421)를 모두 폐쇄하는 경우에는 유체 공급이 없으므로 발전이 이루어지지 않으며, 제1 제어밸브(411) 및 제2 제어밸브(421) 모두를 개방하는 경우에는 제1 발전기축(GX-1) 및 제2 발전기축(GX-2) 모두에 의해 동시에 전력이 생산된다.
또한, 위와 같이 각각 독립적으로 작동하는 제1 제어밸브(411) 및 제2 제어밸브(421)를 개폐시킴에 있어서, 밸브의 개도율(valve opening rate)를 조절하면, 수송배관(HT-P)으로부터 공급되는 유량 역시 조절할 수 있게 된다.
다만, 위와 같이 제1 분기관(410)과 제2 분기관(420)을 각각 수송배관(HT-P)에 연결하면 상류측에 연결된 제1 분기관(410)과 하류측에 연결된 제2 분기관(420)을 통해 유입되는 유량에 차이가 발생한다.
즉, 제1 분기관(410)을 통해 차압에 해당하는 유량을 대부분 소모하면 인접 설치된 제2 분기관(420)을 통해 공급되는 유량이 매우 적어 그 차이가 심하므로, 제1 발전기축(GX-1)과 제2 발전기축(GX-2)을 통해 균등한 발전이 어렵게 된다.
이에, 도시된 바와 같이, 제1 분기관(410)은 수송배관(HT-P)으로부터 분기되도록 연결된 메인 분기관이고, 제1 제어밸브(411)는 메인 분기관에 설치된 메인 제어밸브인 것이 바람직하다.
더불어 제2 분기관(420)은 메인 제어밸브의 하류측에서 메인 분기관으로부터 분기되도록 연결된 서브 분기관이며, 제2 제어밸브(421)는 서브 분기관에 설치된 서브 제어밸브인 것이 바람직하다.
따라서, 제1 수력 터빈(100-1) 및 제2 수력 터빈(100-2)에 공통 연결된 메인 분기관의 제1 제어밸브(411)를 개폐하여 수송배관(HT-P)으로부터의 유체공급을 결정할 수 있게 된다. 이때 제1 수력 터빈(100-1) 및 제2 수력 터빈(1002)은 모두 메인 분기관을 통해 유체를 공급받으므로 동일한 유량을 공급받게 된다.
또한, 제1 제어밸브(411)를 개방한 상태에서 제2 수력 터빈(100-2)과 연결된 서브 분기관의 제2 제어밸브(421)를 닫아 제1 수력 터빈(100-1)만 가동시키거나 혹은 제2 제어밸브(421)를 열어 제1 수력 터빈(100-1) 및 제2 수력 터빈(100-2) 모두 가동시킬 수 있게 한다.
이러한 경우 제1 수력 터빈(100-1)에 연결된 제1 발전기축(GX-1)을 기본으로 하여 전력을 생산하고, 차압이 더 큰 경우에 대비하는 제2 수력 터빈(100-2)은 선택적으로 작동된다. 따라서 상술한 브레이크(BRK)는 제2 축 커플러(300-2)에 설치된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
다만, 도시는 생략하였지만 제2 제어밸브(421) 이외에 제1 수력 터빈(100-1)에 연결된 배관에도 제어밸브를 설치할 수 있으며, 이러한 경우에는 제1수력 터빈(100-1)에 공급되는 유량 역시 미세하게 조절할 수 있을 것이다.
다음, 제어부(430)는 제1 제어밸브(411) 및 제2 제어밸브(421)를 제어하는 것으로, 시스템이 설치된 로컬에 구비되거나 혹은 원격의 관리소에 설치되어 통신인터페이스(434)를 통해 무선 통신으로 명령을 전달한다.
이러한 제어부(430)는 일예로 제1 제어밸브(411)를 열고 제2 제어밸브(421)를 닫아 제1 수력 터빈(100-1)에 의해서만 듀얼 발전기(200)를 가동시키거나 혹은 제1 제어밸브(411) 및 제2 제어밸브(421)를 열어 제1 수력 터빈(100-1) 및 제2 수력 터빈(100-2) 모두에 의해서 듀얼 발전기(200)를 가동시킨다.
특히, 제어부(430)는 수송배관(HT-P) 전체 중 특정 구역에서의 압력이 유체 순환에 필요한 설계 압력을 초과하는 경우, 검출압력과 설계압력의 차압에 해당하는 양의 유체를 제1 수력 터빈(100-1) 및 제2 수력 터빈(100-2) 중 어느 하나 이상에 공급하여 발전하는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명은 폐 차압이 발생시에만 작동되는 것이 바람직하다.
나아가, 도 10에서 살펴본 바와 같이 지역난방을 위한 유체 수송망의 수송배관(HT-P)에는 제1 지점에 설치된 제1 수압센서(WS1) 및 상기 제1 지점으로부터 이격된 제2 지점에 설치된 제2 수압센서(WS2)를 포함한다.
이러한 수압센서는 차압이 발생하는 전후 구간에 각각 설치되는 것이 바람직하므로, 제1 수압센서(WS1) 및 제2 수압센서(WS2)가 설치되는 제1 지점과 제2 지점은 각각 차압 발생 구간의 전후 지점이 된다.
도 14와 같이, 차압 산출부(431)는 제1 수압센서(WS1)와 제2 수압센서(WS2)로부터 각각 수송배관(HT-P) 내의 압력값을 입력받아 그 차이에 해당하는 차압을 산출한다. 즉, 제1 지점과 제2 지점 사이의 차압을 산출한다.
발전량 산출부(432)는 차압 산출부(431)에서 제공된 차압에 따라 듀얼 발전기(200)에 의한 발전량을 산출하고 이를 제어부(430)에 제공한다. 제어부(430)는 산출된 발전량에 따라 제1 제어밸브(411) 및 제2 제어밸브(421)를 개도율을 제어한다.
이때, 발전량 산출부(432)는 최소 회수레벨 제공부(432a)를 참조하여 발전량을 산출할 수 있는데, 발전량 산출부(432)는 열병합발전설비와 같은 열원시설로 회수되는데 필요합 압력값을 제공한다. 따라서, 필요 이상의 발전량이 산출되는 것을 방지한다.
이를 통해 열수송망의 수송배관(HT-P)을 따라 흐르는 유체의 현재 유압을 실시간으로 정확히 측정하고 시시각각 변화하는 수용가측의 부하량이나 지역적 특성에 의한 유압 변동에 대응하여 적응적으로 차압을 산출하고 발전할 수 있게 한다.
다만, 본 발명은 부하량 산출부(433)를 더 포함하는 것이 바람직한데, 부하량 산출부(433)는 위에서 설명한 제1 수압센서(WS1)나 제2 수압센서(WS2)와 다르게 직접 차압을 측정한는 것이 아니라 차압 발생량을 예측하는 것이다.
이러한 부하량 산출부(433)는 단독으로 프로세스를 처리함에 따라 발전량을 산출할 수 있으며, 필요시에는 상술한 발전량 산출부(432)와 함께 발전량을 산출할 수도 있다. 이 경우 각각에서 산출된 발전량을 평균하여 최종값을 결정할 수 있다.
이를 위해 부하량 산출부(433)는 지역난방을 위한 유체 수송망의 설계 정보 또는 수용가의 부하 사용량 정보를 이용하여 듀얼 발전기(200)의 발전량을 산출하고, 산출된 발전량을 제어부(430)에 제공한다.
예컨대, 열병합 발전소가 열원을 공급하는 특정 지역의 이전 년도 사용량을 평균하여 계절별, 월별, 일별로 미리 차압 발생량을 산출하거나, 혹은 유체 수송망(즉, 수송배관으로 구성된 열수송망)의 설계도를 참고하여 각 구역별 고도나 지형에 따라 차압 발생량을 산출하여 제어부(430)에 제공한다.
특정 지역의 이전 년도 사용량 및 유체 수송망의 설계도 등은 데이터베이스(433a)에 저장된 후 부하량 산출부(433)로 제공될 수 있으며, 데이터베이스(433a)에 저장된 데이터는 실시간으로 업데이트되는 것이 바람직할 것이다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였는바, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이상과 같은 본 발명에서 회전차 어셈블리는 복수개의 회전차 세그먼트를 회전축 방향을 따라 트위스트된 형태로 적층하여 형성함으로써 난방수의 흐름을 휘어지도록 변경하여 회전차 어셈블리 후류에서 펄세이션(pulsation)이 발생하지 않도록 한다.
또한, 트위스트된 회전차 어셈블리를 일체형으로 제작하는 경우에는 가공이 어려워 가공비가 증가하고 대형 자재를 한번에 가공하여야 하나 직선형 세그먼트는 이에 비하여 가공비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 소형 자재를 활용할 수 있으므로 제조 비용 절감 및 불량 발생시 문제를 줄일 수 있다.
또한, 적층 개수를 조절하여 회전차의 길이를 조절할 수 있어서 수요자의 요구에 따른 수차의 용량 조절을 용이하게 할 수 있다.
이외에 적층시의 비틀림 각도의 조절을 통하여 전체 회전차의 트위스트 각도를 필요에 따라 조절할 수 있다.

Claims (5)

  1. 일측의 고압부로부터 유입된 후 타측의 저압부로 배출되는 유체에 의해 회전하는 회전차 어셈블리가 장치되어 있는 터빈부와;
    일단은 상기 회전차 어셈블리의 회전 중심에 연결되며, 타단은 발전기에 연결되는 터빈축이 장치되어 있는 기어부를 포함하고,
    상기 회전차 어셈블리는,
    소정 두께의 회전축과 나란한 로브 면을 가지는 복수개의 회전차 세그먼트를 회전축 방향을 따라 소정각도로 트위스트 되는 형태로 결합한 것을 특징으로 하는 수력 터빈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전차 세그먼트는,
    회전축과 나란한 로브 면을 가지는 박판인 것을 특징으로 하는 수력 터빈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회전차 세그먼트는,
    이웃하여 결합할 세그먼트와 일정 각도로 틀어져 결합하도록 하는 결합부를 가지는 것을 특징으로 하는 수력 터빈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 회전차 어셈블리의 회전차 세그먼트들의 회전축 방향 일단에서 타단까지의 최종 트위스트된 각도는 45±10도인 것을 특징으로 하는 수력 터빈.
  5. 수력 터빈에 사용되는 회전차 어셈블리로서,
    소정 두께 이하인 복수개의 회전차 세그먼트를 회전축 방향을 따라 소정각도로 트위스트 되는 형태로 결합한 것을 특징으로 하는 회전차 어셈블리.
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