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KR101259591B1 - 이물질 방출 슈트를 구비한 터빈 - Google Patents

이물질 방출 슈트를 구비한 터빈 Download PDF

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KR101259591B1
KR101259591B1 KR1020097003012A KR20097003012A KR101259591B1 KR 101259591 B1 KR101259591 B1 KR 101259591B1 KR 1020097003012 A KR1020097003012 A KR 1020097003012A KR 20097003012 A KR20097003012 A KR 20097003012A KR 101259591 B1 KR101259591 B1 KR 101259591B1
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Abstract

하우징 내에 배치된 회전자를 구비하는 수력발전 터빈에 있어서, 회전자는 하우징 내의 채널에 의해 수용되는 고리형 외측 림을 구비하고, 개선 사항은 회전자와 하우징 사이에 포획된 이물질이 이물질 방출 슈트를 통해 방출되도록, 상기 하우징 내에 적어도 하나의 이물질 방출 슈트를 제공하는 것을 포함한다.
터빈, 이물질(debris), 슈트(chute)

Description

이물질 방출 슈트를 구비한 터빈{TURBINE HAVING A DEBRIS RELEASE CHUTE}
본 발명은 일반적으로 액체, 특히 물의 흐름을 동력화 함으로써 전기를 생산하는 터빈 또는 발전장치 분야에 관한 것으로 보다 상세하게는, 액체의 흐름이, 대형 고리형의 하우징 안에 배치된 고리형의 외측 림을 구비한, 대형 프로펠러 타입 또는 임펠러(impeller) 타입의 회전자(rotor)의 회전을 일으키는 장치에 관한 것이다.
대형 터빈을 이용한 전기생산은 잘 알려져 있다. 일반적으로, 제어된 액체의 흐름이 프로펠러 타입의 회전자나 블레이드(blade)의 회전을 일으키도록, 수력 발전 터빈이 댐에 설치된다. 그러한 비교적 빠른 유속 조건은 고낙차 조건(high head condition)으로 알려져 있다. 만, 강어귀 또는 근해에서의 조수흐름에 의해 생산되는 것과 같이, 저낙차 조건(low head condition)에 터빈을 설치하는 것 또한 알려져 있다. 이와 같은 터빈들은 대체로 대형 지지샤프트 상에 설치된다.
대부분의 터빈이 블레이드 또는 러너가 설치되는 중심 회전 샤프트를 구비하도록 제조되는 한편, 림-설치 터빈(rim-mounted turbines)이라고도 알려진 중앙 개방형 터빈(open-centered turbine)을 생산하는 것 역시 알려져 있다.
내측과 외측의 고리형 링(ring) 또는 림(rim) 사이에 블레이드가 설치된, 그리고 에너지가 외측 림을 통해서 회전자를 보유한 고리형 하우징으로 전달되는, 중앙 개방형 회전자를 구비한 터빈은 저낙차 조건 즉, 저류(slower current)에서 특히 성공적일 수 있다.
중앙이 개방된, 림이 구비된 터빈의 예는 1997년 1월 14일에 등록되고 2003년 12월 2일에 RE38,336로 재등록된 미국특허 No. 5,592,816와, 2003년 11월 18일에 등록된 미국특허 No. 6,648,589와, 2004년 5월 4일에 등록된 미국특허 No. 6,729,840과, 2005년 2월 10일 공개된 미국공개특허 US2005/0031442(출원번호 10/633,865)에서 볼 수 있다. 저낙차 조건에서 사용되는 수력발전 터빈의 예는 미국특허 No. 4,421,990(Heuss 등), 미국특허 No. 6,168,373와 6,406,251(Vauthier), 영국특허출원 GB2,408,294(Susman 등), 그리고 국제공개특허 WO03/025385(Davis 등)에서 볼 수 있다.
액체 동력 터빈은 화석 연료나 원자력 에너지를 이용하는 발전 장치에 대한 환경적으로 안전한 대체물로 여겨진다. 산업 단지, 타운, 도시 등에 동력을 공급하는 것이 가능하도록 대규모로 전력을 생산하기 위해 물을 동력화 하는 데에 있어서, 다수의 터빈을 공급하는 것이 필수적이며 각각의 터빈에 의해서 생산된 전기의 양을 극대화시키기 위해 터빈은 가급적 커야 한다. 이러한 터빈의 회전자 블레이드는 길이가 수 미터이며, 길이가 50미터를 초과하는 블레이드를 구비한 일부 실험적 설계도 있다.
회전자 블레이드의 길이가 증가함에 따라, 보다 작은 터빈이나 발전기에서는 제기되지 않았던 구조적, 제조상의 도전이 나타났다. 샤프트-설치 터빈(shaft-mounted turbines)의 경우, 튼튼하면서도 가볍고 긴 블레이드를 제공하는 것은 어렵다. 한 가지 해결책으로, 샤프트-설치 터빈의 블레이드는 외측의 고리형 림을 구비하고, 이는 고리형의 하우징 내에 수용되며, 이에 의해 샤프트와 림을 통하여 블레이드에 지지력을 제공할 수 있게 된다.
다른 한편, 중심 샤프트를 가지지 않는, 림-설치 터빈은, 고리형 슬롯 또는 채널을 구비한 하우징 내에 보유되는 외측 지지 림을 이용하여, 블레이드의 내측과 외측의 말단에 고리형 지지를 제공함으로써, 이 문제에 대한 해결책을 제공한다.
전력 생산을 위한 일반적인 수단에 있어서, 많은 수의 자석이 고리형 지지 림을 따라 배치되고, 많은 수의 코일은 고정자 하우징 내의 수용 채널을 따라 배치된다. 회전자 필드 시스템에 의해 형성된 자기장은 회전자와 고정자를 분리하는 간극을 가로지른다. 회전자의 회전은 코일과의 쇄교자속을 변화시키고, 코일에서의 전자기력을 유발한다.
회전자의 고리형 외측 림이 고정자 하우징의 채널 내에 수용되기 때문에, 액체가 낳은 이물질은 채널 내로 포획될 수 있다. 어느 정도 상당한 이물질의 축적은 회전자의 회전을 간섭하고 손상을 유발할 수 있다. 이물질이 비교적 느리게 흘러가는 물로부터 하우징의 채널 안으로 정착하는 것은 쉽기 때문에, 이물질의 축적은 조력 발전기와 같은 저낙차 조건에서 가장 큰 문젯거리가 될 수 있다.
본 발명의 목적은 채널에서의 이물질의 축적이 최소화 또는 제거되도록, 회전자 블레이드 상에 배치된 고리형의 외측 림을 구비하며, 상기 외측 림은 하우징 내에 배치된 채널 내부에 유지되는, 터빈의 개선된 구조를 제공하는 것이다.
또한, 회전자 외측 림과 하우징의 채널 사이에 포획된 이물질이 터빈으로부터 떨어져 나오거나 씻겨 나오도록, 하나 또는 그 이상의 이물질 배출 슈트가 하우징 채널 내에 배치되는 터빈을 제공하는 것이다.
본 발명은 개선된 액체 동력, 바람직하게는 수력, 터빈에 대한 것으로,　회전자 블레이드가 고리형 외측 림에 의해 지지되고, 외측 림은 외측 림을 수용하기 위한 채널을 구비한 하우징의 내부에 유지되거나 수용되는 타입이다.
일반적인 구조에 있어서, 터빈은, 고정자 내의 회전자의 회전이 전기를 생산하도록 자석이 회전자 외측 림 상에 배치되고 코일이 하우징 또는 고정자 채널 내에 배치된다는 점에서 발전기이다. 이러한 개선 사항은 저낙차 조건을 제공하는 수역에 잠기는 유형이어서, 터빈으로 통하는 유속이 비교적 느린 유형에 특히 유용하다.
이러한 개선 사항은 하우징 채널 내의 하나 또는 그 이상의 이물질 방출 슈트, 채널 또는 개구(opening)를 제공하는 것을 포함한다. 이는 회전자 외측 림과 하우징 채널 사이에 포획된 어떠한 이물질도, 중력 효과 또는 이물질 슈트를 통한 액체 움직임의 수세효과(flushing effect)에 의해서 이물질 방출 슈트를 통한 통로로 탈출할 수 있도록 하기 위함이다.
도면을 참조하여, 본 발명은 최적의 모드와 바람직한 실시예를 고려하여 상세하게 기술될 것이다. 주로 통상적인 점에서, 본 발명은 전력의 생산을 위한 터빈이다. 대표적인 실시예에서, 터빈은 고정자 하우징 내에 설치된 회전자를 포함하는데, 상기 회전자는 고정자 하우징 내의 고리형 채널 또는 슬롯에 의해 수용되고 보유되는 고리형의 외측 림을 구비한다.
발전 수단(electricity generator means)은, 비록 다른 발전 수단이 이용될 수도 있지만, 회전자 고리형 림 상에 배치된 다수의 자석들과 고정자 하우징의 내부에, 바람직하게는 회전자 고리형 림을 수용하는 채널 내에, 배치된 다수의 코일들의 조합을 포함할 수 있다.
설명을 위한 목적으로, 도면에서 터빈은 회전자를 위한 모든 지지가 고정자 하우징에 의해 제공되도록 개방형 중심, 림-설치 회전자로서 도시된다. 그러나 본 발명은 또한 외측 고리형 림과 함께 샤프트-설치 회전자를 구비한 터빈에 적용되는 것으로도 이해될 수 있다. 또한 본 발명은 선택된 발전 수단이 어떠한 타입이든지에 상관없이, 하우징 내에서 수용되는 외측 림을 가지는 어떠한 터빈에도 물론 적용 가능한 것으로 이해될 수 있다.
도 1 내지 도 3에 대체로 도시된 바와 같이, 본 발명은 대체로 고리형인 하우징(30)을 포함하는 터빈 또는 발전장치(10)이다. 여러 목적 중, 축(axial) 또는 반경(radial) 방향 중 어느 한 방향으로의 원치 않은 움직임에 대항하여 회전 조립체 또는 회전자(20)를 유지하는 것과, 회전축에 관하여 회전자(20)의 회전을 허용하는 것을 하우징(30)이 달성하면 다른 형상들도 가능한 것과 같이, 도시된 하우징(30)의 형상은 한정되는 것은 아니다. 하우징(30)은 회전자(20)를 수용하고 유지하기 위한 채널(32)을 구획하는 한 쌍의 유지플랜지(31, retaining flange)를 포함한다.
회전 조립체 또는 회전자(20)는 내측 고리형 림 부재(23)와 고리형 외측 림 부재(22)를 포함하며, 상기 림(22, 23)은 중심 회전축에 직각방향으로 비교적 얇은 것이 바람직하다.
내측 림(23)과 외측 림(22) 사이에는 복수의 프로펠러, 러너 또는 블레이드 부재(21)들이 뻗어 있으며, 축 방향으로의, 그리고 고정자 하우징(30)을 통한 액체의 움직임이 회전자(20)의 회전을 일으키도록 상기 블레이드(21)는 공지의 방법으로 각이 져있거나(angled) 비틀려(twisted) 있다.
　블레이드(21)의　구체적인 개수, 형상, 재질은 다양할 수 있으나, 블레이드(21)는 구조적 완전성을 과도하게 희생하는 일 없이 가능한 가볍게 제조되는 것이 바람직하다.
대부분의 경우, 터빈(10)은, 블레이드(21)가 대체로 수직면에서 회전하기 위해 회전자(20)의 축이 대체로 수평이 되도록 놓인다. 그래서 하우징(30)의 고리형 채널(32) 또한 대체로 수직면을 점유하기 위해 놓인다.
이 때문에, 상기 채널(32)과, 특히 채널(32)의 최하부는, 회전자(20)와 하우징(30) 사이에 포획되어 있는 어떠한 이물질을 위한 저장소가 되며, 이물질은 구동 액체가 터빈(10)을 빠져나감에 따라 침전된다.
하우징 채널(32) 내의 이물질 축적 문제는 조수 흐름에 의해 동력을 받는 터빈(10)과 같이 저낙차 조건에서 이용되는 수력 발전 터빈(10)에서 특히 나타난다. 이물질의 비교적 높은 집중과 결부되는 비교적 느린 물의 움직임은, 상당한 양의 이물질이 회전자(20)와 하우징(30) 사이에 포획될 수 있는 상황을 제공한다.
중력 효과와 관련하여 고정된 하우징(30) 내에서의 회전자(20)의 회전은 채널(32) 내, 특히 채널(32)의 바닥에 이물질의 축적을 초래한다. 만약 축적량이 상당해지면, 이물질의 양 또는 분리된 물체의 크기 중 어느 하나의 면에서, 터빈의 효율이 감소되도록, 회전자(20)의 회전은 증가된 마찰효과에 의해 역으로 영향을 받을 수 있다.
게다가, 축적된 이물질은 회전자(20)나 채널(32)의 표면을 손상시킬 수 있으며, 이는 외측 림(22)과 채널(32)에 설치된 자석이나 코일을 이용하는 터빈에 특히 유해할 수 있다.
이물질 축적의 문제를 제기하기 위해, 채널(32) 내에 포획된 이물질이 탈출 또는 방출 수단을 확보하도록, 도 4에 도시된 바와 같이 하우징(30)은 하나 또는 그 이상의 이물질 방출 슈트나 채널, 또는 개구를 구비한다.
중력 효과가 이물질의 방출을 촉진하도록, 이물질 방출 슈트(50)는, 사용 시에, 대체로 아래 방향을 향하도록 맞추어 진다. 비록 필수인 것은 아니더라도, 이물질 방출 슈트(50) 중 적어도 하나는 하우징 채널(32)의 바닥 또는 최하부에 직접적으로 배치되는 것이 가장 바람직하다.
터빈(10)의 회전 효과가 원주방향으로 채널(32) 내의 이물질 이동을 초래할 수도 있기 때문에, 이물질 방출 슈트(50)는 중심 수평면 위 상부를 포함한 채널(32) 전체에 간격을 두고 배치할 수 있다. 이물질 방출 슈트(50)의 특정 크기, 방향 및 형상은 엔지니어링 설계 조건의 문제이며, 도면에서 제시된 것과 다를 수도 있다.
　예를 들면, 도 4에서 이물질 방출 슈트(50)가 터빈(10)의 회전축에 수직인 것으로 도시된 반면, 이물질 방출 슈트(50)는 수직이 아닌 방향에 맞추어질 수도 있다. 마찬가지로, 도 4의 이물질 방출 슈트(50)가 서로 나란한 벽을 가진 반면, 이물질 방출 슈트는 구멍의 내경(bore)이 면적에 있어 증가하거나 축소되도록 형성될 수 있다.
전술한 어떤 특정 요소에 대한 균등물과 치환물이 당업자에게 자명할 수 있음은 이해될 것이며, 그래서 본 발명의 진정한 범위와 정의는 이하의 청구항에서 진술될 것이다.
도 1은 대표적인 터빈의 도면이며(이 경우는 중앙 개방형의, 림이 구비된 터빈), 축 관점에서 보여지는 바와 같이, 터빈은 고리형 외측 림을 구비한 회전자와 회전자 외측 림을 수용하기 위한 채널을 구비하는 고정자 하우징을 포함한다.
도 2는 고정자 하우징의 사시도이다.
도 3은 회전자의 사시도이다.
도 4는 고정자 하우징 안에 배치된 이물질 방출 슈트를 나타내는, 도 1의 ‘IV-IV’ 라인에 따른 부분 단면도이다.

Claims (6)

  1. 블레이드 상에 설치된 외측 림을 구비하는 회전자;
    상기 회전자의 회전을 위해 상기 회전자의 상기 외측 림을 수용하고 유지하는 채널을 구비하는 하우징; 및
    상기 하우징에 대한 상기 회전자의 상대적인 회전에 대응하여 전력을 생산하기 위한 발전 수단을 포함하되,
    적어도 하나의 이물질 방출 슈트가 상기 채널로부터 연장되어 상기 하우징을 관통하며, 상기 회전자 외측 림과 상기 하우징 채널 사이에 포획된 이물질이 상기 적어도 하나의 이물질 방출 슈트를 통해 배출되는 유체 동력 터빈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 이물질 방출 슈트는, 상기 하우징 채널의 하부에 위치하는 유체 동력 터빈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 이물질 방출 슈트는, 아래 방향을 향하는 유체 동력 터빈.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 이물질 방출 슈트는 복수의 이물질 방출 슈트를 포함하는 유체 동력 터빈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 모든 이물질 방출 슈트는, 아래 방향을 향하는 유체 동력 터빈.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 이물질 방출 슈트는, 상기 이물질 방출 슈트들 중 일부가 상기 하우징 채널의 상부에 위치하도록, 상기 하우징 채널을 따라 위치하는 유체 동력 터빈.
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