KR100942372B1 - 개방형 수력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 환경에 미치는 영향이 적으며, 수량의 높이 변동이나 홍수 시 범람에 관계없이 단독 또는 수압식 발전과 병행하여서 전력을 효율적이고 안정적으로 생산할 수 있는 개방형 수력발전기를 제공하기 위한 것으로서, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단은, 보의 상부에 형성된 출수로로부터 배출된 물의 가속력을 전달받아 회전되도록 상기 출수로의 전방에 회전 가능하게 배치된 제1가속터빈과, 상기 제1가속터빈의 일측 또는 양측에 배치되어 동일 터빈축에 설치되고, 상기 출수로에서 배출되는 물보다 상기 보의 전방으로 멀리 배출되도록 상기 보의 상부에서 길게 돌출되게 형성되고 상기 출수로의 일측면 또는 양측면에 상기 출수로에 접하도록 설치된 중량 및 가속용 공급관로로부터 출수되는 낙수물의 중량 및 가속을 받아 가속회전하는 제2가속터빈과, 상기 보의 전방에 입설된 터빈 지지대에 승강 가능하게 설치된 승강판과, 상기 보의 전방에서 좌우방향으로 수평 이동가능하게 상기 승강판의 상부에 설치되고, 상기 제 1 및 제 2가속터빈을 지지하는 슬라이딩 지지대와, 상기 승강판에 장착되고, 상기 슬라이딩 지지대에 연결되어 상기 제1 및 제2 가속터빈과 상기 보의 간격을 조정하는 간격조정용 작동기와, 상기 터빈축의 일단에 결합되어 상기 제1 및 제2가속터빈의 회전에 따른 상기 터빈축의 회전을 증속시키는 증속수단과, 상기 증속수단에 연결된 회전자를 갖고 유도기전력으로 전기를 발생시키는 발전기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

수차, 터빈, 발전, 발전소

Description

개방형 수력발전기{Hydro-electric power apparatus}

본 발명은 수력발전기에 관한 것으로서, 특히 환경에 미치는 영향이 적으며 수량의 높이 변동이나 홍수시 범람에 관계없이 단독 또는 수압식 발전과 병행하여서 효율적이고 안정적으로 발전할 수 있는 개방형 수력발전기에 관한 것이다.

발전에 이용되는 수차는 충격식 수차로서 펠톤, 튜고, 오스버그가 있고, 반동식 수차로서 프란시스, 카플란, 투브라, 벌브, 림 등이 있다.

그러나 이러한 수차들은 댐을 쌓거나 보를 높여 수압이나 낙차를 키워야 발전효율을 높일 수 있는 단점이 있다.

한편, 수압식 발전의 경우 발전기의 위치가 고정되어 있어 일정 높이 수위가 되어야 그 낙차 에너지로 발전을 하게 된다. 따라서 갈수기때에 가동률이 떨어진다. 또한 홍수로 등으로 인해 수위가 상승하여 범람하는 일이 발생될 경우 이를 전력 에너지로 활용할 수 없는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 환경에 미치는 영향이 적으며, 수량의 높이 변동이나 홍수 시 범람에 관계없이 단독 또는 수압식 발전과 병행하여서 전력을 효율적이고 안정적으로 생산할 수 있는 개방형 수력발전기를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단은,

보의 상부에 형성된 출수로로부터 배출된 물의 가속력을 전달받아 회전되도록 상기 출수로의 전방에 회전 가능하게 배치된 제1가속터빈;
상기 제1가속터빈의 일측 또는 양측에 배치되어 동일 터빈축에 설치되고, 상기 출수로에서 배출되는 물보다 상기 보의 전방으로 멀리 배출되도록 상기 보의 상부에서 길게 돌출되게 형성되고 상기 출수로의 일측면 또는 양측면에 상기 출수로에 접하도록 설치된 중량 및 가속용 공급관로로부터 출수되는 낙수물의 중량 및 가속을 받아 가속회전하는 제2가속터빈;
상기 보의 전방에 입설된 터빈 지지대에 승강 가능하게 설치된 승강판;
상기 보의 전방에서 좌우방향으로 수평 이동가능하게 상기 승강판의 상부에 설치되고, 상기 제 1 및 제 2가속터빈을 지지하는 슬라이딩 지지대;
상기 승강판에 장착되고, 상기 슬라이딩 지지대에 연결되어 상기 제1 및 제2 가속터빈과 상기 보의 간격을 조정하는 간격조정용 작동기;
상기 터빈축의 일단에 결합되어 상기 제1 및 제2가속터빈의 회전에 따른 상기 터빈축의 회전을 증속시키는 증속수단; 및
상기 증속수단에 연결된 회전자를 갖고 유도기전력으로 전기를 발생시키는 발전기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 증속수단은,
상기 터빈축에 결합되어 회전하는 구동측 증속기어;
상기 구동측 증속기어에 치합되고, 상기 구동측 증속기어의 직경보다 작은 직경을 갖도록 형성되어 증속되는 피동측 증속기어; 및
상기 피동측 증속기어의 출력축에 결합된 클러치를 구비하여 상기 발전기 입력축의 회전속도를 일정하게 유지하는 증속기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면,
상기 제 1 및 제 2가속터빈의 터빈날개에는 낙수물의 낙하방향과 직교되는 방향에 대하여 상기 낙수물의 낙하방향으로 예각을 갖도록 경사지게 형성되어 상기 터빈날개사이에서 와류를 방지하는 다수의 와류방지용 압력판이 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

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또한 본 발명에 따르면,

터빈 지지대에 탑재되어 승강판의 높낮이 위치를 조절하기 위한 상하조정용 작동기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

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본 발명의 개방형 수력발전기에 따르면, 터빈 날개에 의한 물의 산소 공급 효과가 있다. 또한 수량의 높이 변동이나 홍수 시 범람에 관계없이 단독 또는 수압식 발전과 병행하여서 전력을 생산할 수 있다.

따라서 홍 수시 수위조절과 농업용수 확보를 위해 만들어진 보 및 댐은 물론이고, 보조댐 방류구, 정수장, 하수처리장, 일반 하천 등 다양한 곳에 적용이 가능하다. 특히 여름철 풍부한 강수량으로 에너지원이 풍부해 전력성수기 전력 공급에 기여하는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1,2 및 도 5에서와 같이 보(10)의 상부에 낙수를 유도하는 출수로(11)가 형성되고, 출수로(11)의 일측면 또는 양측면에 접하여 중량 및 가속용 공급관로(12)가 설치되어 있다.

상기 출수로(11)의 전방에는 터빈 지지대(100)에 회전 가능하게 배치된 제1가속터빈(20)이 설치되어 있고, 제1가속터빈(20)은 출수로(11)로부터 출수된 물의 가속력을 전달받아 회전하게 되어 있다.

제1가속터빈(20)의 일측 또는 양측에는 동일 터빈축(28)에 고정된 제2가속터빈(30)이 설치되어 있고, 제2가속터빈(30)은 중량 및 가속용 공급관로(12)로부터 출수되는 낙수물의 중량 및 가속을 받아 터빈축(28)을 가속 회전시키게 되어 있다. 여기서, 중량 및 가속용 공급관로(12)는 도 1에서 도시된 바와 같이 보(10)의 상부에서 보(10)의 전방으로 길게 돌출되게 형성되어 출수로(11)에서 낙하되는 물의 수평낙하거리보다 더 멀리 보(10)의 전방으로 나아가 낙하되게 된다. 따라서, 중량 및 가속용 공급관로(12)에서 낙하되는 물은 제2가속터빈(30)을 회전시킨다.

바람직하게는 제1 및 제 2가속터빈(20)(30)의 터빈날개에는 도 3과 같이 다수의 와류방지용 압력판(24)이 구비되어 있다. 와류방지용 압력판(24)은 낙하되는 물의 방향과 직교되는 방향에 대하여 상기 물이 낙하되는 방향으로 소정각도 예각을 갖도록 경사지게 형성하여 터빈날개사이에서 발생되는 와류를 방지한다. 상기와 같이, 상기 와류방지용 압력판(24)을 경사지게 형성함으로써, 출수로(11) 및 중량 및 가속용 공급관로(12)에서 물이 제1 및 제2가속터빈(20)(30)의 터빈날개로 낙하시 상기 터빈날개의 곡면을 따라 순차로 인접되게 설치된 터빈날개에 충격을 가하여 제1 및 제2가속터빈(20)(30)의 회전을 방해하는 것을 방지하고, 낙하되는 물이 와류방지용 압력판(24)에 머물게 하여 상기 제1 및 제2가속터빈(20)(30)에 지면방향으로 힘을 가하고 이에 따라 제1 및 제2가속터빈(20)(30)의 회전을 원할하게 한다.

제1 및 제2가속터빈(20,30)이 결합된 동일 터빈축(28)의 일단에 결합되어 제1 및 제2가속터빈(20)(30)의 회전에 따른 터빈축(28)의 회전을 증속시키는 증속수단으로, 제1 및 제2가속터빈의 회전축 속도를 증속시켜주는 증속기어(41)(42)와, 증속기어(41)(42)의 출력축 회전속도를 일정하게 유지하여 상기 발전기(60)의 입력축에 전달하는 증속기(50)가 포함된다. 이때 구동측 증속기어(41)는 상기 터빈축(28)에 결합되어 회전하고, 피동측 증속기어(42)는 구동측 증속기어(41)에 치합되고 구동측 증속기어(41)의 직경보다 작은 직경을 갖도록 형성된다. 그리고, 증속기(50)는 피동측 증속기어(42)의 출력축에 결합된 클러치(44)를 구비하여 발전기(60) 입력축의 회전속도를 일정하게 유지한다.

또한, 상기 증속기(50)의 출력단에는 연결커플링(55)을 매개로 유도기전력으로 전기를 발생시키는 발전기(60)가 연결되어 있다.

한편, 제1 및 제2 가속터빈(20,30)과 보(10)의 간격을 조정해주기 위해, 도 4에서와 같이 보(10)의 전방에 입설된 터빈 지지대(100)에 승강판(110)이 승강 가능하게 설치되어 있고, 승강판(100)에는 간격조정용 작동기(120)가 장착되어 있고, 간격조정용 작동기(120)는 슬라이딩 지지대(112)에 연결되어 있고, 슬라이딩 지지대(112)는 승강판(110)의 상부에 미끄럼 이동가능하게 설치되어 있다.

이때 슬라이딩 지지대(112)는 제1 및 제2가속터빈(20,30)의 터빈축(28) 양단을 베어링을 통해 지지하고 있다.

본 실시예에서 간격조정용 작동기(120)와 슬라이딩 지지대(112)는 각각 2개씩 설치되어 서로 일대일로 대응하여 연결되어 있고, 간격조정용 작동기(120)는 일 예로 유압실린더로 구성될 수 있다.

따라서 간격조정용 작동기(120)의 작동 방향에 따라 슬라이딩 지지대(112)가 도 4에서 좌측 또는 우측, 즉 보(10)의 전방에서 전후방향으로 수평 이동하여 제1 및 제2가속터빈(20)(30)의 위치를 수평 이동시킬 수 있다. 따라서, 출수로(11) 및 중량 및 가속용 공급관로(12)에서 낙하되는 물이 제1 및 제2 가속터빈(20)(30)의 터빈날개를 회전하도록 하는 힘을 최대로 하기 위하여 간격조정용 작동기(120)를 조절할 수 있다.

터빈 지지대(100)에는 승강판(110)의 높낮이 위치를 조절하기 위해 상하조정용 작동기(130)가 설치되어 있다. 상하조정용 작동기(130)의 출력단은 연결수단을 통해 승강판(110)에 연결되어 있다. 여기서 연결수단은 예로 체인이 될 수 있다. 체인의 경우, 상하조정용 작동기(130)의 출력단에 스프라켓 휠(131)이 연결되고, 체인은 스프라켓 휠(131)에 이맞물림되어 승강판(110)에 고정된다.

본 실시예에서 상하조정용 작동기(130)는 기어드모터로 구성되어 있으나 유압작동기로 구성될 수 있다. 유압작동기로 구성될 경우 작동로드가 슬라이딩 지지대(112)에 연결된다.

이와 같이 구성된 본 실시예의 작용을 설명한다.

보(10)에 담수된 물은 출수로(11)와 동시에 중량 및 가속용 공급관로(12)를 통해 출수된다.

출수로(11)에서 출수된 물은 낙하하는 가속력으로 제1가속터빈(20)의 터빈날개에 충돌하고, 중량 및 가속용 공급관로(12)에서 출수된 물은 중량과 가속을 가지고 제2가속터빈(30)의 터빈날개(22)에 충돌하게 된다.

따라서 제1가속터빈(20)과 제2가속터빈(30)에는 터빈날개(22)가 받는 충격력에 의해 회전을 하게 된다.

제1가속터빈(20)과 제2가속터빈(30)의 회전에 의해 터빈축(28)에 연결된 기어(41,42)의 회전 속도에 증속이 일어나고, 클러치(44)를 매개로 증속기(50)에서 일정한 속도로 유지하게 되고, 발전기(60)는 그의 회전자가 회전 구동하여 발전을 하게 된다.

이와 같이 발전기(60)는 균일한 회전속도를 얻기 때문에 안정된 발전을 할 수 있다.

한편, 보(10)에 담수되는 유입수량의 변화에 따라 출수로(11) 및 중량 및 가 속용 공급관로(12)를 통하여 출수되는 물의 경로가 변화하게 된다. 이럴 경우 간격조정용 작동기(120)를 작동시켜 제1가속터빈(20)와 제2가속터빈(30)의 좌우 위치를 이동(수평이동)시켜서 대응하게 된다.

따라서 수량의 변하에 관계없이 제1가속터빈(20)와 제2가속터빈(30)의 속도 저하가 방지되어 전력생산 가동율을 높일 수 있다.

또한 보(10)의 수위 상승시에는 상하조정용 작동기(130)를 작동시켜 제1가속터빈(20)과 제2가속터빈(30)을 터빈 지지대(100)에서 상승시켜 물의 낙차에너지를 경감시킴으로써 회전 부하를 방지하여 기기 손상이 미연에 방지된다.

한편, 제1가속터빈(20)와 제2가속터빈(30)의 터빈날개(22)를 거치고 난 물에는 기포가 포함되어 하천의 산소 공급을 유도하게 된다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.

도 1은 본 발명에 따른 개방형 수력발전기의 정면도.

도 2는 도 1의 평면도.

도 3은 본 발명에 따른 개방형 수력발전기의 터빈날개의 요부 확대도.

도 4는 본 발명에 따른 개방형 수력발전기에 적용된 가속터빈의 위치 구동을 위한 장치의 구성도.

도 5는 본 발명에 따른 개방형 수력발전기의 분해사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

20: 제1가속터빈

22: 터빈날개

24: 와류방지용 압력판

30: 제2가속터빈

41,42: 기어

50: 증속기

60: 발전기

100: 터빈지지대

110: 승강판

112: 슬라이딩 지지대

120: 간격조정용 작동기

130: 상하조정용 작동기

Claims (5)

1. 보(10)의 상부에 형성된 출수로(11)로부터 배출된 물의 가속력을 전달받아 회전되도록 상기 출수로(11)의 전방에 회전 가능하게 배치된 제1가속터빈(20);

   상기 제1가속터빈(20)의 일측 또는 양측에 배치되어 동일 터빈축(28)에 설치되고, 상기 출수로(11)에서 배출되는 물보다 상기 보(10)의 전방으로 멀리 배출되도록 상기 보(10)의 상부에서 길게 돌출되게 형성되고 상기 출수로(11)의 일측면 또는 양측면에 상기 출수로(11)에 접하도록 설치된 중량 및 가속용 공급관로(12)로부터 출수되는 낙수물의 중량 및 가속을 받아 가속회전하는 제2가속터빈(30);

   상기 보(10)의 전방에 입설된 터빈 지지대(100)에 승강 가능하게 설치된 승강판(110);

   상기 보(10)의 전방에서 좌우방향으로 수평 이동가능하게 상기 승강판(110)의 상부에 설치되고, 상기 제 1 및 제 2가속터빈(20)(30)을 지지하는 슬라이딩 지지대(112);

   상기 승강판(110)에 장착되고, 상기 슬라이딩 지지대(112)에 연결되어 상기 제1 및 제2 가속터빈(20)(30)과 상기 보(10)의 간격을 조정하는 간격조정용 작동기(120);

   상기 터빈축(28)의 일단에 결합되어 상기 제1 및 제2가속터빈(20)(30)의 회전에 따른 상기 터빈축(28)의 회전을 증속시키는 증속수단; 및

   상기 증속수단에 연결된 회전자를 갖고 유도기전력으로 전기를 발생시키는 발전기(60)를 포함하되,

   상기 제 1 및 제 2가속터빈(20)(30)의 터빈날개에는 낙수물의 낙하방향과 직교되는 방향에 대하여 상기 낙수물의 낙하방향으로 예각을 갖도록 경사지게 형성되어 상기 터빈날개 사이에서 와류를 방지하는 다수의 와류방지용 압력판(24)이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 개방형 수력 발전기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 증속수단은,

   상기 터빈축(28)에 결합되어 회전하는 구동측 증속기어(41);

   상기 구동측 증속기어(41)에 치합되고, 상기 구동측 증속기어(41)의 직경보다 작은 직경을 갖도록 형성되어 증속되는 피동측 증속기어(42); 및

   상기 피동측 증속기어(42)의 출력축에 결합된 클러치(44)를 구비하여 상기 발전기(60) 입력축의 회전속도를 일정하게 유지하는 증속기(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 개방형 수력 발전기.
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5. 제 1항에 있어서,

   상기 터빈 지지대(100)에 탑재되어 상기 승강판(110)의 높낮이 위치를 조절하기 위한 상하조정용 작동기(130)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 개방형 수력 발전기.

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