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KR102050205B1 - 수력 발전장치 - Google Patents

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KR102050205B1
KR102050205B1 KR1020180034787A KR20180034787A KR102050205B1 KR 102050205 B1 KR102050205 B1 KR 102050205B1 KR 1020180034787 A KR1020180034787 A KR 1020180034787A KR 20180034787 A KR20180034787 A KR 20180034787A KR 102050205 B1 KR102050205 B1 KR 102050205B1
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Abstract

본 발명은 수력 발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 구조가 간결, 단순하고, 유체의 유동경로를 따라 다단으로 블레이드조립체를 배치하여 효율적으로 전기에너지를 발전할 수 있고, 블레이드조립체의 배치위치나 설치수량을 유량, 유속, 설계용량, 현장조건에 맞게 적절하게 조절할 수 있어서 발전효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 설치작업을 간편하게 수행할 수 있고 설치비용을 현저히 절감할 수 있는 수력 발전장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 수력 발전장치는 수력 발전장치에 있어서, 유체가 유동되는 경로를 따라 설치되는 구동축; 상기 구동축의 길이방향을 따라 설치되는 복수의 블레이드조립체; 상기 구동축을 회전 가능하게 지지하도록 접속되는 회전지지장치; 상기 구동축의 회전력을 전달받아 전기를 발전하는 발전부; 및 상기 구동축이 내부에 길이방향을 따라 설치되고 유체가 유동되는 유로가 형성된 유동관로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

수력 발전장치{GENERATION APPARATUS USING WATER POWER}
본 발명은 수력 발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 구조가 간결, 단순하고, 유체의 유동경로를 따라 다단으로 블레이드조립체를 배치하여 효율적으로 전기에너지를 발전할 수 있고, 블레이드조립체의 배치위치나 설치수량을 유량, 유속, 설계용량, 현장조건에 맞게 적절하게 조절할 수 있어서 발전효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 설치작업을 간편하게 수행할 수 있고 설치비용을 현저히 절감할 수 있는 수력 발전장치에 관한 것이다.
일반적으로, 소수력발전은 작은 하천에서부터 농업용 저수지, 농업용 보, 하수처리장, 양식장 퇴수로, 다목적댐의 방수로 등에 적용할 수 있다는 점에서 개발 잠재량이 풍부하므로 대체 에너지자원으로서 충분한 가치가 있다.
이러한 소수력발전은 낙차, 발전방식 등에 따라 분류되고, 발전방식은 수로식, 댐식, 터널식 등으로 분류된다.
그리고, 소수력발전은 발전방법에 따라 충동수차와 반동수차로 분류할 수 있고, 충동수차의 종류로는 펠톤(pelton) 수차, 튜고(turgo) 수차 및 오스버그(ossberger) 수차 등이 있으며, 반동수차의 종류로는 프란시스(francis) 수차와 프로펠러수차로 나누어진다.
또한 소수력발전은 전력조달이 어려운 산악지대, 오지, 낙도 등에서도 간편하게 시공하여 사용할 수 있고, 유량이 일정할 경우 비교적 경제성이 높아 다양한 연구개발 활동이 수행되고 있다.
예컨대, 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-1256823호(등록일자:2013.04.16)에는 개시된 바와 같은 소수력 발전장치가 개시되어 있다.
전술한 종래 소수력 발전장치는 하우징(110) 내에 유체의 유입방향으로부터 제1 프로펠러(130)와 제2 프로펠러(140)로 구성되는 2 개의 프로펠러와, 제1 가이드베인(150), 제2 가이드베인(160) 및 제3 가이드베인(170)으로 구성되는 3 개의 가이드베인이 서로 중첩되도록 설계하도록 한다. 또한, 상기 하우징(110) 외부에 발전기(120)를 설치하도록 하고, 상기 발전기(120)와 상기 프로펠러(130,140) 중 어느 한 프로펠러의 외주면에 형성되는 연결부를 서로 연결하여 프로펠러(130, 140)의 운동에너지를 전기에너지로 발전을 행하도록 한 것이다.
그리고, 하우징(100)은 앞쪽 내부에 제1 가이드베인(150)이 설치되어 있는 바, 상기 제1 가이드베인(150)은 제1 하우징(111) 내부로 유입되는 유체를 제1 프로펠러(130)에 원활하게 유입될 수 있도록 하는 기능을 수행한다.
한편, 상기 제1 가이드베인(150)의 후면에는 제1 프로펠러(130)가 설치되어 있는 바, 상기 제1 프로펠러(130)는 상기 제1 가이드베인(150)을 통해 유입되는 유체에 의해 생성되는 회전운동을 통해 운동에너지를 발생하도록 하는 구성부이다.
그리고, 소수력 발전장치(100)는 상기 제1 프로펠러(130)의 후면에 추가로 제2 가이드베인(160) 및 제2 프로펠러(140)를 설치하도록 하고 있다. 이에 따라 상기 제1 프로펠러(130)를 통해 흘러나가는 유체는 다시 제2 가이드베인(160)을 통해 유체의 흐름이 와류없이 제2 프로펠러(140)로 유입될 수 있다.
전술한 종래 소수력 발전장치는 발전에 필요한 설비를 수차 외부에 설치하여 유동장 내의 유동에너지 손실을 줄일 수 있는 장점은 있지만, 이하와 같은 여러가지 단점을 가지고 있다.
먼저, 종래 소수력 발전장치는 하우징(110) 내부에 설치할 수 있는 프로펠러의 수량이 2개 정도로 제한되므로 발전할 수 있는 전기에너지의 발전량이 한정되는 단점이 있다.
그리고, 종래 소수력 발전장치는 매 하우징(110)마다 발전기(120)를 설치하여야 하므로 설비비가 지나치게 상승되고 중량의 증가로 설치 및 설비운용이 어려운 단점이 있다.
또한, 종래 소수력 발전장치는 프로펠러의 전후 부분에 가이드베인이 설치되는 구조로서 구조적으로 복잡하고 제작비가 상승될 뿐만 아니라 유지보수가 어려운 한계점이 있다.
특히, 종래 소수력 발전장치는 유로를 따라 다단으로 설치하고자 할 경우 일일이 하우징(110)을 배열한 후 연결작업을 수행하여야 하고, 각 하우징마다 발전기(120)를 설치하여야 하므로 긴 설치기간과 작업공수가 요구되고, 다수의 하우징(110)을 정해진 경로와 설치균일도를 유지하면서 시공하는 것이 매우 어려워 시공품질이 저하되고, 이로 인해 발전효율 또한 저하되는 단점이 있다.
아울러, 종래 소수력 발전장치는 프로펠러의 고장시 소수력 발전장치 전체를 분리시킨 후 유지보수작업을 장시간 동안 시행하여야 하고, 내부 구조가 복잡하여 이물질의 유입이 많은 하천 등에 설치할 경우 쉽게 막히고 내부 손상이나 고장이 잦아 휴지시간이 증가되는 단점이 있을 뿐만 아니라 유로가 굴곡된 부위에 설치할 수 없는 한계점이 있다.
한국등록특허 등록번호 제10-1256823호 "소수력 발전장치" 한국공개특허 공개번호 제10-2011-0010269호 "소형 수력 발전장치" 한국등록특허 등록번호 제10-1088101호 "소수력 발전 시스템"
본 발명은 상기 내용에 착안하여 제안된 것으로, 구조가 간결, 단순하고, 유체의 유동경로를 따라 다단으로 간편하게 블레이드조립체를 배치하여 효율적으로 전기에너지를 발전할 수 있도록 한 수력 발전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 신속하고 간편하면서도 저렴한 비용으로 설치작업을 시행할 수 있고, 블레이드조립체의 배치위치나 설치수량을 유량, 유속, 설계용량, 현장조건 등에 따라 효율적으로 전기에너지를 발전할 수 있도록 한 수력 발전장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 유로에 굴곡부위가 있더라도 다단발전이 가능하고, 이물질의 유입을 미연에 방지할 수 있으며, 유지보수작업을 간편하게 수행할 수 있어서 발전시간을 증대시킬 수 있으며 내구성 및 유지보수성을 향상시킬 수 있는 수력 발전장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 수면이나 수중에 안정적으로 설치 및 정위치 시켜 발전할 수 있고, 설치작업을 신속하고 간편하게 수행할 수 있도록 한 수력 발전장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 수력 발전장치는 수력 발전장치에 있어서, 유체가 유동되는 경로를 따라 설치되는 구동축; 상기 구동축의 길이방향을 따라 설치되는 복수의 블레이드조립체; 상기 구동축을 회전 가능하게 지지하도록 접속되는 회전지지장치; 및 상기 구동축의 회전력을 전달받아 전기를 발전하는 발전부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 수력 발전장치는 수력 발전장치에 있어서, 유체가 유동되는 경로를 따라 설치되는 구동축; 상기 구동축의 길이방향을 따라 설치되는 복수의 블레이드조립체; 상기 구동축을 회전 가능하게 지지하도록 접속되는 회전지지장치; 상기 구동축의 회전력을 전달받아 전기를 발전하는 발전부; 및 상기 구동축이 내부에 길이방향을 따라 설치되고 유체가 유동되는 유로가 형성된 유동관로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 회전지지장치는, 상기 구동축에 설치되는 구동축베어링; 및 상기 유동관로에 결합되고 상기 구동축베어링이 접속되는 축지지부재를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 회전지지장치는, 상기 구동축에 설치되는 구동축베어링; 및 상기 구동축베어링이 설치되는 중심홀이 형성된 지지허브, 상기 지지허브의 둘레에 일단이 연결되는 복수의 지지대, 상기 지지대의 타단에 형성되고 상기 유동관로에 결합되는 지지프랜지가 구비된 축지지부재를 포함하여 구성되고, 상기 유동관로는 복수 개가 길이방향으로 배열되어 서로 접속되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 회전지지장치는 전후로 배치되는 상기 구동축을 연결하기 위해 상기 축지지부재에 삽입, 설치되는 구동축연결부재가 더 구비될 수 있다.
바람직하게, 상기 구동축은 파이프와, 상기 파이프에 결합되고 내부 중심에 축결속홀이 형성된 결합링을 구비하고, 상기 구동축연결부재는 중앙에 상기 구동축베어링이 삽입되고 양측에 상기 구동축에 접속되는 축결속돌부가 형성된 구조로 이루어지고, 상기 축결속돌부는 외주면에 요철돌부가 형성되고, 상기 축결속홀의 내주면에 상기 요철돌부가 삽입되는 요철홈부가 형성될 수 있다.
상기 유동관로에는 전후로 배치되는 상기 유동관로를 서로 결속하기 위한 연결프랜지가 구비되고, 상기 지지프랜지는 상기 연결프랜지 사이에 개재되어 고정되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 유동관로에는 내부를 관찰하고 내부 상태를 감지하기 위한 모니터링부가 구성될 수 있다.
이때, 상기 모니터링부는, 상기 유동관로의 상기 블레이드조립체의 설치위치에 해당되는 위치에 천공되는 관찰 및 유지보수용 개구부; 상기 관찰 및 유지보수용 개구부에 수밀적으로 결합되는 관찰창; 및 상기 관찰창에 설치되고 상기 블레이드조립체의 작동상태 또는 유체의 상태를 감지하는 감지수단을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 수력 발전장치는 수력 발전장치에 있어서, 유체가 유동되는 경로를 따라 설치되는 구동축; 상기 구동축의 길이방향을 따라 설치되는 복수의 블레이드조립체; 상기 구동축을 회전 가능하게 지지하도록 접속되는 회전지지장치; 상기 구동축의 회전력을 전달받아 전기를 발전하는 발전부; 상기 구동축이 내부에 길이방향을 따라 설치되고 유체가 유동되는 유로가 형성된 유동관로; 유로의 굴곡 부위에 배치되어 상기 유동관로에 접속되는 굴곡유동관; 및 상기 굴곡유동관의 내부에 설치되어 전후로 배치되는 상기 구동축을 연결하는 연결조인트부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 회전지지장치는 상기 구동축에 설치되는 구동축베어링, 및 상기 구동축베어링이 삽입되는 중심홀이 형성된 지지허브, 상기 지지허브의 둘레에 일단이 연결되는 복수의 지지대, 상기 지지대의 타단에 형성되고 상기 유동관로에 결합되는 지지프랜지가 구비된 축지지부재를 구비할 수 있다. 그리고, 상기 굴곡유동관은 상기 유동관로의 연결프랜지와 대응하는 형상의 연결프랜지가 굴곡 몸체 양단에 결합된 구조로 형성되며, 상기 굴곡유동관의 연결프랜지와 상기 유동관로의 연결프랜지 사이에 상기 지지프랜지가 개재되어 접속, 고정되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 회전지지장치는 상기 굴곡유동관의 전후로 배치되되 상기 구동축에 접속되어 상기 축지지부재에 삽입, 설치되는 구동축연결부재가 더 구비되고, 상기 연결조인트부재는 앞쪽에 위치하는 상기 구동축연결부재에 접속되는 제1 유니버셜조인트, 뒤쪽에 위치하는 상기 구동축연결부재에 접속되는 제2 유니버셜조인트, 상기 제1 유니버셜조인트 및 제2 유니버셜조인트 사이에 연결되는 조인트축을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 수력 발전장치는 수력 발전장치에 있어서, 유체가 유동되는 경로를 따라 설치되는 구동축; 상기 구동축의 길이방향을 따라 설치되는 복수의 블레이드조립체; 상기 구동축을 회전 가능하게 지지하도록 접속되는 회전지지장치; 상기 구동축의 회전력을 전달받아 전기를 발전하는 발전부; 상기 구동축이 내부에 길이방향을 따라 설치되고 유체가 유동되는 유로가 형성된 유동관로; 및 상기 구동축 또는 상기 유동관로에 연결되고, 부유몸체에 블레이드가 형성된 보조회전력발생체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 부유몸체는 중공부를 갖는 통체에 주입구가 형성될 수 있다.
그리고, 상기 보조회전력발생체는 전후로 복수 개가 배열, 구성되되 연결조인트부재를 매개로 연결될 수 있다.
또한, 상기 보조회전력발생체는 전후로 복수 개가 배열, 구성되되, 연결조인트부재에 의해 서로 연결되고, 복수의 상기 보조회전력발생체 중 최후단에 연결되어 긴장력을 생성, 인가하는 긴장수단을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 긴장수단은 유체가 유입되는 입구가 대구경이고 유체가 배출되는 출구가 소구경인 유동공을 갖는 전광후협 구조의 긴장몸체를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 수력 발전장치는 수력 발전장치에 있어서, 유체가 유동되는 경로를 따라 설치되는 구동축; 상기 구동축의 길이방향을 따라 설치되는 복수의 블레이드조립체; 상기 구동축을 회전 가능하게 지지하도록 접속되는 회전지지장치; 상기 구동축의 회전력을 전달받아 전기를 발전하는 발전부; 및 상기 구동축의 길이방향을 따라 배치되어 상기 회전지지장치에 결합되는 구조용지지수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 회전지지장치는, 상기 구동축에 설치되는 구동축베어링; 및 상기 구동축베어링이 설치되는 중심홀이 형성된 지지허브, 상기 지지허브의 둘레에 일단이 연결되는 복수의 지지대, 상기 지지대의 타단에 형성되는 축지지부재, 전후로 배치되는 상기 구동축을 연결하기 위해 상기 축지지부재에 삽입, 설치되는 구동축연결부재를 포함하여 구성되고, 상기 구조용지지수단은 상기 축지지부재에 관결합부재를 매개로 설치되는 복수의 지지구조관을 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 수력 발전장치는 수력 발전장치에 있어서, 유체가 유동되는 경로를 따라 설치되는 구동축; 상기 구동축의 길이방향을 따라 설치되는 복수의 블레이드조립체; 상기 구동축을 회전 가능하게 지지하도록 접속되는 회전지지장치; 상기 구동축의 회전력을 전달받아 전기를 발전하는 발전부; 상기 구동축이 내부에 길이방향을 따라 설치되고 유체가 유동되는 유로가 형성된 유동관로; 및 상기 유동관로에 설치되어 유입되는 이물질을 파쇄하는 파쇄장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 발전부는, 상기 유동관로에 설치되는 발전부하우징; 상기 구동축에 접속되어 회전력을 전달하는 동력전달장치; 상기 발전부하우징에 설치되고 상기 동력전달장치에 접속되어 전달받은 동력에 의해 회전되면서 전기에너지를 발전하는 발전기유닛을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 동력전달장치는, 상기 발전부하우징의 내부에 배치되고 상기 구동축으로부터 회전력을 전달받는 대경입력풀리; 상기 발전부하우징에 배치되고 상기 발전기의 회전축에 설치되는 소경출력풀리; 및 상기 대경입력풀리와 상기 소경출력풀리에 연결되는 벨트를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 상기 대경입력풀리와 상기 구동축 사이에 결속되어 회전력을 전달하는 동력전달축을 더 포함하여 구성되고, 상기 동력전달축의 양단은 상기 발전부하우징의 전후로 배치되어 상기 유동관로에 결속되는 상기 회전지지장치에 의해 회전 가능하게 지지되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 발전부는, 상기 구동축에 접속되어 회전력을 전달하는 동력전달장치; 및 상기 동력전달장치에 접속되어 전달받은 동력에 의해 회전되면서 전기에너지를 발전하는 발전기를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 동력전달장치는, 상기 구동축에 설치되는 구동기어; 상기 구동기어에 치합되는 전동기어; 상기 전동기어에 결합되는 동력전달축; 및 상기 동력전달축에 접속되어 상기 발전기의 회전축에 회전력을 전달하는 증속기어부를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 증속기어부는 상기 동력전달축에 접속되는 제1 증속기어와, 상기 제1 증속기어에 치합되고 상기 발전기의 회전축에 접속되는 제2 증속기어를 구비하고, 상기 구동기어 및 전동기어와, 상기 제1 증속기어 및 제2 증속기어는 베벨기어로 구성되어 서로 치합되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 블레이드조립체는, 블레이드부에 블레이드브라켓이 형성된 적어도 한 개 이상의 블레이드; 및 상기 구동축에 결속되고 상기 블레이드브라켓이 결합되는 블레이드연결부재를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 구동축은 파이프와, 상기 파이프에 결합되고 내부 중심에 축결속홀이 형성된 결합링을 포함하고, 상기 블레이드연결부재는 중앙에 상기 블레이드브라켓이 체결되는 브라켓접속부가 형성되고 전후로 상기 구동축에 접속되는 축결속돌부가 형성된 구조로 이루어지고, 상기 블레이드브라켓은 브라켓결속돌부가 돌출되고, 상기 브라켓접속부는 상기 브라켓결속돌부가 삽입되는 브라켓결속홈이 요입되며, 상기 축결속돌부는 외주면에 요철돌부가 형성되고, 상기 결합링의 축결속홀 내주면에는 상기 요철돌부가 삽입되는 요철홈부가 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 수력 발전장치는 이물질의 유입을 차단하도록 상기 유동관로의 입구 부분에 설치되는 이물질차단부재를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 이물질차단부재는, 띠형 부재가 나선상으로 선회, 형성된 이물질제거스크류, 상기 이물질제거스크류의 선단에 형성되고 견인홀이 구비된 계류용고정부, 및 상기 이물질제거스크류의 후단에 형성되는 스크류프랜지를 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 수력 발전장치는 상기 유동관로의 내부로 유입되는 이물질을 파쇄하는 파쇄장치를 구비하되, 상기 파쇄장치는 복수 개가 접속된 상기 유동관로 중 최선단 유동관로의 앞쪽, 또는 복수 개가 접속된 상기 유동관로 중 최선단 유동관로의 앞쪽과 최후단 유동관로의 뒤쪽에 각각 설치될 수 있다.
상기 파쇄장치는 상기 유동관로의 내부에 회전 가능하게 설치되고 복수의 회전커터가 구비된 회전커터조립체; 및 상기 회전커터와 대향되게 배치되는 복수의 고정커터가 구비된 고정커터조립체를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 수력 발전장치는 상기 유동관로에 분기, 형성되는 바이패스관로장치가 구성될 수 있다.
여기서, 상기 바이패스관로장치는, 상기 유동관로의 최선단에 연결되는 제1 티형관로, 상기 유동관로의 최후단에 연결되는 제2 티형관로, 상기 제1 티형관로와 제2 티형관로 사이에 연결되는 바이패스관로, 상기 유동관로 방향으로의 유동을 차단하도록 상기 제1 티형관로와 접하여 설치되는 제1 제어밸브, 상기 바이패스관로에 설치되는 제2 제어밸브, 상기 유동관로의 최후단에 설치되는 제3 제어밸브를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 전술한 본 발명에 따른 수력 발전장치는 부력을 제공하기 위해 결합되는 부력체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 전술한 본 발명에 따른 수력 발전장치는 부력을 제공하기 위해 결합되는 부력체; 및 수중에 정위치시키는 고정력을 제공하도록 설치되는 앵커수단을 더 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 앵커수단은 내부에 고비중 물질의 투입을 위한 공간부가 형성된 앵커몸체, 상기 앵커몸체의 전후단에 형성되고 견인홀을 갖는 계류용고정부, 및 상기 앵커몸체의 외면에 돌출되는 복수의 갈고리를 구비한 앵커체를 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 상기 앵커수단은 상기 유동관로에 형성되는 복수의 관로고정갈고리를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 전술한 본 발명에 따른 수력 발전장치는 부력을 제공하기 위해 결합되는 부력체를 구비하되, 상기 부력체는 상기 유동관로에 설치되는 부력체고정브라켓과, 상기 부력체고정브라켓에 설치되는 부유구를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 전술한 본 발명에 따른 수력 발전장치는 부력을 제공하기 위해 결합되는 부력체를 포함하고, 상기 부력체에 결속되는 결속부재, 및 상기 결속부재에 견인력을 인가하는 견인장치가 구비된 계류수단을 더 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 수력 발전장치에 의하면, 블레이드조립체가 결합된 구동축이 유동관로에 내장되어 서로 연결되면서 다단 구조로 배치되므로 한정된 유체 부하를 반복적으로 이용하여 전기를 발전할 수 있고, 다수의 블레이드조립체로부터 생성된 높은 회전 토오크를 이용하여 전기에너지를 획득하므로 발전량을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
이때, 구동축은 회전지지장치에 의해 안정적으로 지지되므로 유로를 따라 블레이드조립체의 배치위치나 설치수량을 조절하면서 유량, 유속, 설계용량, 현장조건에 맞고 구조적으로 안정된 고효율의 발전시스템을 구현할 수 있는 효과가 있다.
그리고 본 발명에 따른 수력 발전장치에 의하면, 다수의 블레이드조립체가 다단으로 배열된 단위 회전유닛의 회전토오크를 단일의 발전기에 의해 전기에너지로 수확할 수 있고, 유동관로의 내부에 복잡한 장치들을 배제하고 다수의 블레이드조립체를 구비한 구동축을 내장한 간결, 단순한 구조이므로 중량이 가벼워서 제작비, 시공비, 유지관리비가 현저히 절감되는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 수력 발전장치에 의하면, 유동관로의 블레이드조립체 설치부위에 관찰 및 유지보수용 모니터링부가 마련되어 작동상태를 관찰 및 감지하여 안정된 작동상태를 유지할 수 있고, 유체의 유입 개소에 이물질차단부재 및 파쇄장치가 마련되어 내부 브레이드조립체로의 이물질 유입을 사전에 차단함으로써 고장을 미연에 방지할 수 있어서 내구성이 향상되는 장점이 있다.
특히, 본 발명에 따른 수력 발전장치에 의하면, 유로의 길이, 사이즈, 규격 등에 맞게 제작한 유동관로에 복수의 블레이드조립체를 조립하는 형태로 발전장치를 블록화할 수 있어서 열악한 현장에서 일일이 조립하지 않고 블록 조립방식으로 신속, 간편하게 시공할 수 있으므로 공기의 단축과, 공수의 절감을 통해 시공비용을 현저히 절감할 수 있으며, 유동관로 및 브레이드조립체의 설치정확도 및 시공균일성을 확보할 수 있어서 내구성의 향상과 발전효율의 향상을 기대할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 수력 발전장치에 의하면, 유체의 유동경로가 하천의 형태나 지형에 따라 굴곡 되어 있더라도 굴곡부의 곡률반경에 맞는 굴곡유동관을 설치하고 내부에 연결조인트부재를 설치하여 연결하게 되면 앞쪽 구동축의 회전력이 뒤쪽의 구동축과 일체화되어 발전기에 회전력을 전달하여 발전할 수 있으므로 지형이나 외부 조건 등에 영향받지 않고 수력 발전시스템을 효과적으로 구현할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 수력 발전장치에 의하면, 앵커수단, 부력체, 계류수단이 구비되어 수면이나 수중에 안정적으로 설치 및 정위치 시킬 수 있으며, 설치작업을 신속하고 간편하게 수행할 수 있는 장점이 있다.
아울러, 본 발명에 따른 수력 발전장치에 의하면, 블레이드조립체가 내장된 유동관로가 다단 구조로 배치되고 구동축에 보조회전력발생체가 연결되어 회전력을 추가로 생성, 인가함으로써 발전효율을 더욱 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도1은 종래 소수력 발전장치를 설명하기 위한 도면,
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수력 발전장치의 전체 구조를 개략적으로 나타낸 도면,
도3a는 도2의 A부를 도시하되 일 부분을 단면화하여 나타낸 확대도,
도3b는 도2의 A부 분리사시도,
도3c는 도2의 B부 확대도,
도3d는 도2의 B부 분리사시도,
도3e는 도2의 C부 확대단면도,
도3f는 도2의 C부 분리사시도,
도3g는 도2의 D부 확대도,
도4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수력 발전장치의 제1 변형예를 설명하기 위한 도면,
도5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수력 발전장치의 제2 변형예를 설명하기 위한 도면,
도6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수력 발전장치의 제3 변형예를 설명하기 위한 도면,
도7a는 도6의 E부 확대도,
도7b는 도7a의 F-F선에서 나타나는 형상을 도시한 단면도,
도8a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수력 발전장치의 일 부분을 나타낸 사시도,
도8b는 도8a의 G부 분리사시도,
도9a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수력 발전장치를 설명하기 위한 도면,
도9b는 도9a의 H부 분리사시도,
도10a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수력 발전장치의 제1 변형예의 외관 구조를 나타낸 사시도,
도10b는 도10a의 I부 확대사시도,
도11a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수력 발전장치의 제2 변형예를 설명하기 위한 도면,
도11b는 도11a의 J부 확대 사시도,
도12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수력 발전장치의 제3 변형예를 설명하기 위한 사시도,
도13a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수력 발전장치의 제4 변형예를 설명하기 위한 사시도,
도13b는 도13a의 K부 확대사시도,
도13c는 도13a의 L부 부분 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면 도2 내지 도13c에 의거하여 상세히 설명하고, 도2 내지 도13c에 있어서 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조번호를 부여한다. 한편 각 도면에서 일반적인 기술로부터 이 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 도시 및 상세한 설명은 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 도시하였다.
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수력 발전장치의 전체 구조를 개략적으로 나타낸 도면으로서, 수력 발전장치의 길이가 매우 긴 점을 고려하여 길이방향을 따라 부분부분 생략하되 내부 구조가 나타나도록 일부를 절개하여 도시하고, 요부(B부 및 D부)는 단면구조가 나타나도록 도시하였다.
도2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 수력 발전장치는 유동관로(1), 구동축(2), 블레이드조립체(3), 회전지지장치(4), 및 발전부(5)가 구비된 것으로, 유체의 유동경로를 따라 구동축(2)을 배치하고 이 구동축에 다단으로 블레이드조립체를 배치하여 구성한 단위 회전유닛으로부터 생성된 회전력을 단일의 발전기를 이용하여 발전할 수 있도록 구성한 점에 주요한 특징이 있다.
첨부도면, 도3a는 도2의 A부를 도시하되 일 부분을 단면화하여 나타낸 확대도, 도3b는 도2의 A부 분리사시도, 도3c는 도2의 B부 확대도, 도3d는 도2의 B부 분리사시도이다,
도2 및 도3a를 참조하면, 유동관로(1)는 유체의 유동을 위한 유로가 형성된 관로부재로서, 사각관 등 다양한 형상으로 구성된 것이 적용될 수 있지만, 본 실시예에서는 유체의 종류, 유체의 온도, 유량, 유속, 설계용량, 현장조건 등에 맞도록 시중에 유통되는 원형관 중에서 선택하여 구성할 수 있다.
유동관로(1)는 도3c의 확대부에 도시된 바와 같이 연이어 배치되는 유동관로와의 접속을 위해 연결프랜지(1b)가 결합된 것으로, 이 연결프랜지(1b)는 후술되는 축지지부재(41)의 지지프랜지(41c)가 개재된 상태에서 서로 접속된다.
그리고, 유동관로(1)에는 도3b에 도시된 바와 같이 내부를 관찰하거나 내부의 구동축이나 블레이드조립체의 작동상태 등을 감지하거나 모니터링 하기 위한 모니터링부(13)가 구성되어 있다.
상기 모니터링부(13)는 블레이드조립체(3)의 설치위치에 해당되는 유동관로 부분에 천공되는 관찰 및 유지보수용 개구부(13a), 이 관찰 및 유지보수용 개구부(13a)에 볼트와 같은 체결부재에 의해 체결되는 관찰창(13c), 및 관찰창(13c)에 설치되는 감지수단(13d)이 구비되어 있다.
여기서, 관찰창(13c)은 관찰이 용이하도록 투명한 소재로 형성될 수 있고, 누수가 발생되지 않도록 수밀적인 결합을 위해 가스켓 패드와 같은 수밀부재(13b)가 개재되어 있다.
그리고, 감지수단(13d)은 블레이드조립체(3)의 회전속도를 감지할 수 있는 회전속도 검출센서가 설치되어 있지만, 이에 제한되지 않고 유속을 감지할 수 있는 유속감지센서, 유체의 온도를 감지할 수 있는 온도센서 등 다양한 종류의 센서 등이 함께 설치될 수 있다. 여기서, 회전속도 검출센서는 자기장의 세기의 변화에 따라 움직이는 속도를 검출하는 회전수 감지센서나, 광의 수신상태를 이용하여 회전속도를 검출하는 광센서 등을 적용할 수 있다.
구동축(2)은 유동관로(1)의 내부에 배치되어 회전지지장치(4)에 의해 회전 가능하게 지지되는 축으로서, 블레이드조립체(3)를 설치할 수 있는 축 부재라면 특별한 제한 없이 선택하여 구성할 수 있다. 예컨대, 구동축(2)은 블레이드조립체(3) 및 회전지지장치(4) 사이에 배치되는 파이프(21)와, 이 파이프의 단부에 결합되어 블레이드조립체(3) 및 회전지지장치(4)와의 결속시 이용되는 결합링(22)으로 구성되어 있다.
그리고, 결합링(22)은 도3a 내지 도3c에 도시된 바와 같이 단턱(22b)을 갖는 원형의 결합링몸체(22a) 내부 중심에 후술되는 블레이드연결부재(32)나 구동축연결부재(42)의 축결속돌부(32b)(42c)의 요철돌부(serration)가 삽입되도록 요철홈부(serration)가 형성된 축결속홀(22c)이 형성되어 있다. 여기서, 후술되는 축결속돌부(32b, 42c)는 대략 세레이션이 형성된 스플라인 축 형태로 형성되므로, 축결속홀(22c)은 서로 형합될 수 있도록 세레이션이 형성되어 있다.
블레이드조립체(3)는 구동축(2)의 길이방향을 따라 복수 개가 배치되어 유체의 유동시에 회전되는 회전체로서 유동관로(1) 내부에 삽입되어 볼트와 같은 체결부재에 의해 구동축(2)에 고정, 설치되는 것으로서, 유량, 유속, 설계용량, 현장조건 등에 따라 일정한 간격을 갖도록 적절한 수량으로 이격, 설치된다. 이때, 블레이드조립체(3)의 설치간격은 블레이드(31)의 회전시에 난류가 발생 되므로 발전효율을 고려하여 앞쪽 블레이드조립체에서 발생된 난류가 소실되는 지점에 뒤쪽 블레이드조립체가 위치하는 형태로 서로 간에 이격 거리를 갖도록 설치하는 것이 바람직하다.
그리고, 블레이드조립체(3)는 도3a 및 도3b에 도시된 바와 유동관로(1) 내부에 삽입되어 체결부재에 의해 구동축(2)에 고정, 설치되되, 적어도 한 개 이상의 블레이드(31)와, 이 블레이드(31)가 접속되는 블레이드연결부재(32)로 구성되어 있다.
블레이드(31)는 유체와 접촉되는 블레이드부(31a)와, 이 블레이드부(31a)의 뿌리 부위에 결합되는 블레이드브라켓(31b)으로 구성되어 있다. 그리고, 블레이드브라켓(31b)은 종단면 형상이 대략 호 형상을 갖는 브라켓몸체의 내측에 돌출되는 브라켓결속돌부(31c)와, 브라켓몸체에 천공되는 체결공(31d)이 형성되어 있다.
상기 블레이드연결부재(32)는 중앙에 블레이드브라켓(31b)이 체결되는 브라켓접속부(32a)가 형성되고 전후로 구동축(2)에 접속되는 축결속돌부(32b)가 형성되어 있다. 여기서, 축결속돌부(32b)는 외주면에 전술한 결합링(22)의 축결속홀(22c)에 삽입되는 요철돌부(serration)가 형성되어 있다.
그리고 브라켓접속부(32a)는 브라켓결속돌부(31c)가 삽입되는 브라켓결속홈(32c)이 요입된 구조로 형성된 것으로, 브라켓결속홈(32c)에는 체결공(32d)이 형성되어 블레이드브라켓(31b)을 통해 체결되는 체결부재가 체결되도록 되어 있다.
전술한 바와 같이 블레이드(31)의 블레이드브라켓(31b)에는 브라켓결속돌부(31c)가 형성되어 있고, 블레이드연결부재(32)의 브라켓접속부(32a)에는 브라켓결속홈(32c)이 형성되어 있으므로, 브라켓결속돌부(31c)와 브라켓결속홈(32c)이 서로 형합 될 경우 단순한 볼트 체결방식에 비해 견고하게 고정되므로 큰 회전부하에도 안정적인 고정상태를 유지할 수 있는 장점이 있다.
한편, 블레이드조립체(3)는 유체의 유동시 양력에 의해 회전되는 양력식 블레이드, 유체의 유동에 따라 항력에 의해 회전되는 항력식 블레이드, 양력식 블레이드 및 항력식 블레이드를 혼합한 방식 등 다양한 형태의 블레이드를 제한 없이 선택하여 구성할 수 있음은 물론이고, 설치시 유체가 일정한 방향으로 흐르는 장소에서는 유체의 속도에 따라 항력 및 양력에 효율적인 비대칭블레이드를 설치할 수 있고, 유체의 흐름이 시간차를 두고 변경되는 조류지역에서는 유체의 속도에 따라 대칭 블레이드를 설치할 수 있다.
예컨대, 블레이드조립체(3)의 블레이드부(31a)는 유체의 유동 방향이 일방향이면서 비교적 유속이 빠른 유로의 경우 양력형 비대칭 블레이드를 설치할 수 있고, 유체의 유동 방향이 일방향이면서 비교적 유속이 느린 유로의 경우 항력형 비대칭 블레이드를 설치할 수 있으며, 유체의 유동 방향이 시간차를 두고 정역방향으로 변경되는 조류지역의 경우 양력 및 항력식 대칭 블레이드를 설치할 수 있다.
한편, 회전지지장치(4)는 구동축(2)을 회전 가능하게 지지하는 구성요소로서, 도3c 및 도3d를 참조하여 구체적으로 설명한다.
회전지지장치(4)는 구동축(2)을 회전가능하게 지지할 수 있다면 특별한 제한 없이 다양한 구조로 형성될 수 있지만, 본 실시예에서는 도3c 및 도3d에 도시된 바와 같이 복잡한 연결작업이나 설치작업이 요구되지 않으면서 유동관로(1)의 연결작업과 구동축(2)의 지지작용을 동시에 수행할 수 있도록 축지지부재(41), 구동축연결부재(42), 및 구동축베어링(43)을 구비한다.
축지지부재(41)는 유동관로(1)에 결합되고 구동축베어링(43)이 접속되는 대략 휠 형상을 갖는 부재로서, 구동축베어링(43)이 설치되도록 중심에 중심홀(41d)이 형성된 지지허브(41e), 지지허브(41e)의 둘레에 일단이 연결되고 사이사이에 유체가 유동되는 유동공이 형성되도록 등각도로 배치된 복수의 지지대(41b), 및 지지대(41b)의 타단에 형성된 링 형상의 몸체(41a), 이 링 형상의 몸체(41a) 일측에 형성되고 연결작업시 유동관로(1)의 연결프랜지(1b) 사이에 개재되는 지지프랜지(41c)가 구비되어 있다. 여기서, 지지허브(41e)의 중심홀(41d)에는 도3c에 도시된 바와 같이 베어링의 이탈방지작용을 수행하도록 내주면에 돌출되는 중심홀단턱이 형성되어 있다.
구동축연결부재(42)는 도3d에 도시된 바와 같이 전후로 배치되는 구동축(2)을 연결하기 위해 축지지부재(41)의 중심에 삽입, 설치되는 부재로서, 중심홀(41d)에 회전 가능하게 설치되는 환봉 형상의 몸체(42a) 일측에 베어링안착턱(42b)이 돌출되며 전후로 구동축(2)에 접속되는 축결속돌부(42c)가 형성되어 있다. 여기서, 축결속돌부(42c)는 도3d의 확대부에 나타난 바와 같이 외주면에 요철돌부(serration)가 형성되어 구동축(2)의 결합링(22)에 형성된 축결속홀(22c)의 요철홈부(serration)에 형합 되도록 되어 있다.
첨부도면, 도3e는 도2의 C부 확대단면도이고, 도3f는 도2의 C부 분리사시도이다.
도3e 및 도3f를 참조하면, 발전부(5)는 구동축(2)의 회전력을 전달받아 전기를 발전, 수확하는 구성요소로서, 구동축(2)의 회전력을 전기에너지로 변환하는 수단이라면 구조나 형태에 특별한 제한 없이 구성할 수 있지만, 본 실시예에서는 발전부하우징(51), 동력전달장치(52), 및 발전기유닛(53)으로 구성되어 있다.
발전부하우징(51)은 전후로 회전지지장치(4)가 개재된 상태에서 유동관로(1)에 접속되는 부재로서, 정면에서 나타나는 형상이 대략 원추 형상으로 형성된 제1 발전케이스(51a)와, 이 제1 발전케이스(51a)의 후면에 결합되는 제2 발전케이스(51b)로 구성되어 있다.
제1 발전케이스(51a)는 도3f에 도시된 바와 같이 전면판(51d)과, 이 전면판(51d)의 가장자리에 직교되게 굴곡, 연장되는 둘레판(52e)으로 이루어지고, 전면판(51d)은 하부에 유체가 유동되는 통공(51f)과, 상부에 발전기(53a)가 설치되는 발전기설치홀(52g)이 형성되어 있고, 통공(51f)과 발전기설치홀(52g)의 둘레와 둘레판(52e)의 가장자리 부위에 각각 체결공이 형성되어 있다.
제2 발전케이스(51b)는 제1 발전케이스(51a)의 둘레판(52e)에 체결되도록 대응하는 판상부재에 통공이 형성된 것으로, 통공의 후방으로 연결프랜지부(51c)가 돌출되어 있다.
동력전달장치(52)는 구동축(2)에 접속되어 인가받은 회전력을 발전기로 전달하는 구성요소로서, 벨트에 의해 동력을 전달하는 벨트 동력전달방식으로 구성되어 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 동력전달장치(52)는 구동축(2)의 단부에 설치되고 상대적으로 직경이 크게 형성된 대경입력풀리(52a), 후술되는 발전기(53a)의 회전축(53b)에 설치되고 대경입력풀리(52a)에 비해 직경이 작게 형성된 소경출력풀리(52b), 및 대경입력풀리(52a)와 소경출력풀리(52b)에 연결되는 벨트(52c)로 구성되어 있다.
그리고, 대경입력풀리(52a)에는 구동축(2)과 연결되는 동력전달축(54)이 결합되는 것으로, 중심 허브에 후술되는 풀리결속부(54a)에 형성된 요철돌부(serration)와 형합되도록 요철홈부(serration)가 형성되어 있다.
동력전달축(54)은 도3f에 도시된 바와 같이 환봉 형상을 갖는 전달축몸체의 중앙에 대경입력풀리(52a)에 접속되도록 형성된 풀리결속부(54a), 전달축몸체의 전후부에 구동축(2)의 결합링(22)에 결속되도록 형성된 축결속돌부(54b), 및 전후 축결속돌부(54b)와 풀리결속부(54a) 사이에 회전지지장치(4)의 구동축베어링(43)이 설치되는 베어링접속부(54c)가 형성되어 있다.
그리고, 풀리결속부(54a)는 외주면에 요철돌부(serration)가 형성되어 있고, 일측에 이탈방지턱(54d)가 돌출되어 있으며, 타측에 후술되는 고정링(54f) 및 이-링(54g)이 결합되는 안착부(54e)가 형성되어 있다.
또한, 동력전달축(54)에는 풀리결속부(54a)의 안착부(54e)에 체결되는 고정링(54f)과, 고정링(54f)에 접하여 결합되는 이-링(54g,E-ring)이 구비되어 있다.
한편, 발전기유닛(53)은 동력전달장치(52)와 접속되어 전달받은 동력에 의해 회전되면서 전기에너지를 발전하는 구성요소로서, 회전축(53b)을 구비한 발전기(53a)와, 이 발전기(53a)의 외부에 덧씌워지게 형성되어 제1 발전케이스(51a)에 결합됨으로써 유체의 유입을 차단하는 수밀용 케이스(53c)로 구성되어 있다.
첨부도면, 도3g는 도2의 D부 확대도로서, 유동관로(1)의 입구 부분에 설치되어 구동축(2)을 지지하는 회전지지장치(4)를 나타낸 단면도이다.
도3g를 참조하면, 회전지지장치(4)는 축지지부재(41), 구동축연결부재(42), 및 구동축베어링(43)을 포함하여 구성되되, 유동관로(1)의 입구 부분에 해당되는 구동축연결부재(42)에 설치되는 저항감소부재(48)가 구비되어 있다.
저항감소부재(32)는 대략 원추형 캡 형태로 형성된 것으로, 유체의 유입시 저항을 감소하고 난류의 발생을 최소화하는 작용을 수행한다.
이하 본 발명의 제1 실시예에 따른 수력 발전장치의 작용을 간략하게 설명한다.
먼저, 본 발명의 제1 실시예에 따른 수력 발전장치의 조립과정을 간략하게 설명하면 도2에 도시된 바와 같이 유체의 유량, 유속, 설계용량, 현장조건 등에 맞게 구동축(2)에 블레이드조립체(3)를 정해진 간격으로 조립하고, 유동관로(1)의 내부에 삽입하여 배치한다. 이후 축지지부재(41)의 지지허브(41e)에 구동축베어링(43) 및 구동축연결부재(42)를 삽입하고, 구동축연결부재(42)의 축결속돌부(42c)를 구동축(2)의 결합링(22)에 삽입, 조립하는 방식으로 전후로 배치된 구동축(2)을 서로 연결한다.
그리고, 축지지부재(41)의 지지프랜지(41c)를 전후 유동관로(1)의 연결프랜지(1b) 사이에 개재시킨 상태에서 볼트를 이용하여 서로 체결하게 되면 인접하는 유동관로(1)가 서로 연결되는데, 이러한 방식으로 유체의 이동방향을 따라 복수의 유동관로(1)를 배열하여 조립한다.
이와 같이 조립된 유동관로(1)의 내부로 유체를 유동시키게 되면 유체 부하에 의해 블레이드조립체(3)가 회전되고 이 블레이드조립체(2)가 결속된 구동축(2)이 회전되므로 도2, 도3e 및 도3f에 도시된 바와 같이 유동관로의 말단에 설치된 발전부(5)가 전기를 발전하게 된다.
발전부(5)의 작용을 보다 구체적으로 설명하면, 블레이드조립체(3)의 회전에 연동되는 구동축(2)의 회전력이 동력전달축(54)을 매개로 대경입력풀리(52a)로 전달되고, 이에 결속된 벨트(52c)가 무한 궤도운동을 수행하면서 소경출력풀리(52b)를 회전시키게 되며, 소경출력풀리(52b)가 회전축(53b)를 회전시키게 되면서 발전기(53a)가 전기를 발전하게 된다.
그리고, 제1 실시예에 따른 수력 발전장치는 유동관로(1)를 통해 한정된 유체가 유동되더라도 각 유동관로(1)마다 복수의 블레이드조립체(3)가 결합된 구동축(2)이 설치되고 이들이 서로 연결되어 다단 구조로 배치됨에 따라 유체 부하가 반복적으로 이용되면서 높은 회전 토오크를 생성하게 되므로 고출력의 전기에너지를 획득할 수 있다.
도4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수력 발전장치의 제1 변형예를 설명하기 위한 도면으로서, 설치된 수력 발전장치의 전체적 외관 구조를 나타낸 사시도이다.
도4를 참조하면, 제1 실시예의 제1 변형예에 따른 수력 발전장치는 블레이드조립체(3) 등의 유지보수를 위해 가동을 중지하고자 할 경우 유동관로(1) 내부로 유체의 유동을 차단하기 위한 수단이 마련된 점에 특징이 있는 것으로서, 도4에 도시된 바와 같이 유동관로(1)의 선단에서 분기되게 구성된 바이패스관로장치(6)가 더 구성되어 있다.
상기 바이패스관로장치(6)는 유동관로(1)의 최선단에 연결되고 대략 'T'자 형상을 갖는 제1 티형관로(6a), 유동관로의 최후단에 연결되는 제2 티형관로(6b), 제1 티형관로(6a)와 제2 티형관로(6b) 사이에 연결되는 바이패스관로(6c), 유동관로(1) 방향으로의 유동을 차단하도록 제1 티형관로(6a)와 접하여 설치되는 제1 제어밸브(6d), 바이패스관로(6c)에 설치되는 제2 제어밸브(6e), 유동관로(1)의 최후단에 설치되는 제3 제어밸브(6f)로 구성되어 있다. 그리고, 바이패스관로(6c)는 그 전후단에 접속되는 엘보우(6g)에 의해 제1 및 제2 티형관로(6a,6b)와 연결되어 있다.
도4에 도시된 제1 변형예에 따른 수력 발전장치는 유동관로(1)로 유체를 유동시켜 전기를 발전할 경우 제1 제어밸브(6d)와 제3 제어밸브(6f)를 개방하고 제2 제어밸브(6e)가 폐쇄되도록 조작하게 되면 유동관로(1)로만 유체가 유동되면서 블레이드조립체(3)가 회전되고 이에 연동되는 구동축(2)의 회전력이 발전부(5)로 전달되면서 전기를 발전할 수 있다.
반대로, 유지보수 등을 위해 제1 제어밸브(6d)와 제3 제어밸브(6f)를 폐쇄하고 제2 제어밸브(6e)를 개방하게 되면 바이패스관로(6c)로 유체가 우회하여 유동되고 유동관로(1) 내부로의 유체 흐름이 차단되므로 유동관로 내부의 구동축(2), 블레이드조립체(3) 및 발전부(5) 등의 유지보수작업을 편리하게 수행할 수 있다.
아울러, 상기한 바이패스관로(6c)는 내부에 블레이드조립체가 조립된 구동축이 내장되게 구성함으로써 유동관로(1)의 유지보수시에도 계속적으로 전기에너지를 발전하도록 구현할 수도 있다.
도5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수력 발전장치의 제2 변형예를 설명하기 위한 도면으로서, 전술한 제1 실시예와 동일, 유사한 구조로 형성되는 부분의 도시는 생략하고 차별화된 주요 부분을 절개하여 도시하되, 이해를 돕기 위해 부분적으로 단면구조가 나타나도록 도시하였다.
도5를 참조하면, 본 발명에 따른 제1 실시예의 제2 변형예에 따른 수력 발전장치는 유체가 유동되는 유로를 갖는 유동관로(1), 유동관로(1)의 길이방향을 따라 설치되는 구동축(2), 유동관로(1) 내부에 설치되는 블레이드조립체(3), 및 구동축(2)을 회전 가능하게 지지하도록 접속되는 회전지지장치(4)를 구비하되, 유체의 유동경로가 굴곡되더라도 유체의 흐름을 유지함과 동시에 구동축(2)를 연결하여 다단으로 블레이드조립체(3)를 배치하여 발전할 수 있도록 굴곡유동관(71)과 연결조인트부재(72)가 구비된 굴곡연결부(7)가 구성되어 있다.
굴곡유동관(71)은 유동관로(1)의 굴곡 부위에 연결되는 곡관 형태의 구성요소로서, 유동관로와 대응하는 형상의 몸체 양단에 연결프랜지(71a)가 결합된 구조로 형성된다.
그리고, 굴곡유동관(71)은 유동경로의 곡률반경에 따라 15°, 45° 등 다양한 각도로 형성되는 것으로, 본 실시예에서 유동관로(1)가 원형관 형태로 구성되어 있으므로 동일한 내경을 가지고 있으면서 대략 15°정도로 굴곡된 원형관 구조로 형성되어 있다.
아울러, 굴곡유동관(71)은 그 양단에 회전지지장치(4)가 배치된 상태에서 연결프랜지(71a)가 인접하는 유동관로(1)의 연결프랜지(1b)와의 사이에 지지프랜지(41c)가 개재시킨 상태에서 서로 결합되도록 되어 있다.
연결조인트부재(72)는 굴곡유동관(71)의 내부에 설치되어 전후로 배치되는 구동축(2)과 연결되는 구성요소로서, 앞쪽에 위치하는 회전지지장치(4)의 구동축연결부재(42)에 접속되는 제1 유니버셜조인트(72a), 뒤쪽에 위치하는 구동축연결부재(42)에 접속되는 제2 유니버셜조인트(72b), 및 제1 및 제2 유니버셜조인트(72a,72b) 사이에 연결되는 조인트축(72c)으로 구성되어 있다. 여기서, 제1 및 제2 유니버셜조인트(72a,72b,universal joint)는 서로 엇갈리게 배치된 한 쌍의 요크(yoke), 니들베어링이 결합된 십자축(spider) 등이 구비되고, 외부에는 커버기능을 수행하는 부트(boot)가 형성된 공지된 기계요소를 적용하는 것이므로 구체적인 도시나 설명을 생략한다.
도5를 참조하여 제2 변형예에 따른 수력 발전장치의 작용을 간략하게 설명하면, 유체의 유동 경로인 하천 및 수로의 형태가 지형 등에 따라 굴곡 되어 있더라도 굴곡부의 곡률반경에 맞는 굴곡유동관(71)을 설치하고 내부에 연결조인트부재(72)를 설치하여 연결하게 되면 앞쪽 구동축(2)의 회전력이 뒤쪽의 구동축(2)과 일체화되어 발전부(5)에 회전력을 전달할 수 있으므로 지형이나 외부 조건 등에 영향받지 않고 수력 발전시스템을 효과적으로 구현할 수 있다.
도6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수력 발전장치의 제3 변형예를 설명하기 위한 도면으로서, 수력 발전장치의 길이가 매우 긴 점을 고려하여 길이방향을 따라 부분부분 생략하되 내부 구조가 나타나도록 일부를 절개하여 도시하고, 요부는 단면구조가 나타나도록 도시하였다. 도7a는 도6의 E부 확대도로서, 요부는 부분적으로 단면화하여 도시한 것이고, 도7b는 도7a의 F-F선에서 나타나는 형상을 도시한 단면도이다.
도6 내지 도7b를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예의 제3 변형예에 따른 수력 발전장치는 유동관로(1), 구동축(2), 블레이드조립체(3), 회전지지장치(4), 및 발전부(5)를 구비하고, 발전부(5)는 동력전달장치(55)와 발전기(56)로 구성되되, 동력전달장치(55)는 기어의 잇 맞물림을 통해 동력을 전달하는 기어 동력전달방식으로 구성되어 있다.
동력전달장치(55)는 다단으로 배치된 블레이드조립체(3)의 회전시 생성된 회전력을 전달하도록 구동축(2)과 발전기(56) 사이에 구성되는 구성요소로서, 도7a 및 도7b에 도시된 바와 같이 구동기어(55a), 전동기어(55b), 동력전달축(55c), 및 증속기어부(55d)로 구성되어 있다.
구동기어(55a)는 구동축(2)의 단부에 설치되는 기어이고, 전동기어(55b)는 구동기어(55a)와 치합되도록 동력전달축(55c)에 설치되는 기어로서, 입력측 베벨기어부와 출력측 베벨기어부가 치합되어 하나의 기어유닛을 형성하는 베벨기어로 구성되어 있다.
동력전달축(55c)은 유체의 유동방향에 대해 직교되는 방향으로 설치되고 접속되는 부품의 형상에 대응하도록 외경이 서로 다른 복수의 단턱을 갖는 봉상 부재로 형성된 것으로서, 구동기어(55a)와 대응하는 위치에 맞물림되는 전동기어(55b)가 결합되고 외부로 노출되는 상단에 증속기어부(55d)가 접속되어 있다.
그리고, 동력전달축(55c)은 유동관로(1)에 직접 설치될 수 있지만, 본 실시예에서는 별도로 구성된 발전관로블록(57)에 회전 가능하게 설치되어 있다.
증속기어부(55d)는 동력전달축(55c)에 접속되어 발전기(56)의 회전축(56b)에 회전력을 전달하는 구성요소로서, 안정적인 작동과 증속 효율이 우수하다면 다양한 형태의 증속기를 적용할 수 있지만, 본 실시예에서는 동력전달축(55c)에 접속되는 제1 증속기어(55e)와, 이 제1 증속기어(55e)와 치합되고 발전기(56)의 회전축에 접속되는 제2 증속기어(55f)로 구성되어 있다.
상기 제1 증속기어(55e)와 제2 증속기어(55f)는 전술한 바와 같은 베벨기어로 구성되어 서로 치합되되, 증속을 위해 제1 증속기어(55e)는 직경이 큰 대경의 입력측 베벨기어부로 구성되고, 제2 증속기어(55f)는 상대적으로 직경이 작은 소경의 출력측 베벨기어부로 구성되어 있다.
발전기(56)는 동력전달장치(55)와 접속되어 전달받은 동력에 의해 회전되면서 전기에너지를 발전하는 구성요소로서, 구동축(2)에 설치되는 블레이드조립체(3)의 구조나 수량, 유동관로(1)로 유동되는 유체의 유량, 유속 등에 따라 계산된 발전용량에 맞는 발전기를 선택하여 설치한다.
그리고 발전기(56)는 발전기본체(56a)를 후술되는 발전관로블럭(57)에 결합하기 위한 발전기고정부재(56c)가 구비되어 있다.
한편, 본 발명에 따른 수력 발전장치는 상기한 동력전달장치(55)와 발전기(56)가 설치되는 발전관로블록(57)이 유동관로(1)에 연결, 설치되어 있다.
발전관로블록(57)은 복수 개가 배열, 조립된 유동관로(1)의 앞쪽이나 중앙 부분에도 설치할 수 있지만, 도6에 도시된 바와 같이 복수의 유동관로(1)가 조립되어 구성된 유동관로 조립체의 말단에 위치한 유동관로(1)에 접속되는 것이 바람직하다.
그리고, 발전관로블록(57)은 유동관로(1)와 대응하는 형상의 몸체 양단에 연결프랜지(57b)가 결합된 구조로 형성된 것으로, 본 실시예에서 유동관로(1)가 원형관 형태로 형성됨에 따라 동일한 내경을 갖는 원형관 구조로 형성되어 있다.
또한 발전관로블록(57)의 앞쪽에는 인접하는 유동관로(1) 연결프랜지(1b)와의 사이에 개재되는 형태로 회전지지장치(4)가 설치되어 있다. 이 회전지지장치(4)는 내부에 배치된 구동축(2)의 말단을 지지하면서 구동기어(55a)와 동력전달축(55c)에 결합된 전동기어(55b)의 치합상태가 견고하게 유지되도록 지지하는 기능을 수행한다.
아울러, 발전관로블록(57)에는 하측에 동력전달축(55c)이 회전 가능하게 지지되는 하부전달축지지부(58)가 설치되어 있고, 상측에 상부전달축지지부(59)가 설치되어 있다.
하부전달축지지부(58)는 발전관로블록(57)의 하부 외면에 결합되는 캡 형태의 하부축고정부재(58a)와, 이 하부축고정부재(58a) 내부에 삽입되어 동력전달축(55c) 하단에 결합되는 전달축하부베어링(58b)으로 구성되어 있다.
상부전달축지지부(59)는 발전관로블록(57)의 상부 외면에 결합되는 상부축고정부재(59a)와, 이 상부축고정부재(59a) 내부에 삽입되어 동력전달축(55c) 상단에 결합되는 전달축상부베어링(59b)으로 구성되어 있다. 그리고, 상부축고정부재(59a)는 발전관로블록(57)에 결합되는 노즐 형태의 상부축고정몸체(59c)와, 이 상부축고정몸체(59c)의 상부에 결합되고 내부에 전달축상부베어링(59b)이 내장되는 상부축고정캡(59d)으로 구성되어 있다. 이때, 상부축고정몸체(59c)와 상부축고정캡(59d)에는 연결용 프랜지가 형성되어 볼트에 의해 체결되어 있다. 그리고, 동력전달축(55c)의 외주면과 상부축고정캡(59d)에 형성된 홀 사이에는 누수를 방지하기 위한 씰링과 같은 기밀부재(59e)가 개재되어 있다.
도6 내지 도7b에 도시된 본 발명의 제1 실시예의 제3 변형예에 따른 수력 발전장치는 동력전달장치(55)를 기어 동력전달방식으로 구성함에 따라 구동축(2)의 회전력이 구동기어(55a), 전동기어(55b), 동력전달축(55c), 및 증속기어부(55d) 순으로 전달되는 과정이 기어 치산의 맞물림 동작에 의해 수행되므로 회전력을 정확하게 전달할 수 있어서 동력전달이 안정적인 장점이 있다.
이하, 본 발명에 따른 다른 실시예들을 설명하되, 전술한 제1 실시예와 그 변형예에 나타난 구성요소와 유사한 구성요소에 대하여는 구체적인 설명을 생략하고 차이점을 갖는 구성요소를 중심으로 설명한다. 그리고, 이하의 다른 실시예에서는 제1 실시예와 그 변형예 등에 나타난 구성요소 또는 다른 실시예에 나타난 구성요소 중에서 서로 간에 채용 가능한 구조라면 선택적으로 적용할 수도 있는 것으로 구체적인 설명이나 도면상 도시는 생략한다.
도8a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수력 발전장치의 일 부분을 나타낸 사시도이고, 도8b는 도8a의 G부 분리사시도이다.
도8a 및 도8b를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 수력 발전장치는 전술한 제1 실시예와 마찬가지로 구동축(2), 블레이드조립체(3), 회전지지장치(4), 및 발전부(5)를 주요한 구성요소로 하여 구성되되, 제1 실시예에 나타난 구성요소 중에서 유동관로가 제거되고 구동축(2) 및 블레이드조립체(3)를 포함하는 회전지지장치(4)를 지지하는 구조용지지수단(8)이 구성되어 있다.
구동축(2)은 유체가 유동되는 경로를 따라 설치되는 축부재이고, 블레이드조립체(3)는 구동축(2)의 길이방향을 따라 설치되어 유체 부하에 의해 회전되는 구성요소이며, 발전부(미도시)는 구동축(2)의 회전력을 전달받아 전기를 발전하는 구성요소로서, 전술한 제1 실시예에 나타난 것과 동일 유사하므로 구체적인 설명을 생략하고 차이점을 갖는 구성요소를 중심으로 설명한다.
회전지지장치(4)는 구동축(2)을 회전 가능하게 지지하는 구성요소로서, 전술한 제1 실시예와 마찬가지로 축지지부재(41), 구동축연결부재(42), 및 구동축베어링(43)을 포함하여 구성되되, 축지지부재(41)에 구조용지지수단(8)을 고정하기 위한 관결합부재(85)가 결합되어 있다.
관결합부재(85)는 구조용지지수단(8)의 형태나 설치수량 등에 따라 다양하게 구성될 수 있지만, 본 실시예에서는 축지지부재(41)의 외면에 등각도로 4개가 배치되고, 구조용지지수단(8)에 밀착되는 호 형상의 관밀착부(85a)와, 이 관밀착부(85a)에 형성되는 2개의 관지지부(85b)로 구성되어 있다.
구조용지지수단(8)은 구동축(2)의 길이방향을 따라 배치되어 회전지지장치(4)에 결합되는 구성요소로서, 파이프 형상의 지지구조관으로 형성되어 관결합부재(85)에 결합되고, 파이프프랜지(82)에 의해 서로 연결되도록 구성되어 있다.
전술한 바와 같이 본 발명의 제2 실시예에 따른 수력 발전장치는 구동축(2), 블레이드조립체(3) 등이 구조용지지수단(8)에 의해 지지되는 구조이므로 전술한 제1 실시예와 같이 구동축(2) 및 블레이드조립체(3)가 유동관로(1)에 의해 밀폐되는 것이 아니라 외부로 노출됨에 따라 구동축(2) 및 블레이드조립체(3)의 작동상태를 용이하게 확인할 수 있고 유지보수작업을 편리하게 수행할 수 있는 장점이 있다.
그리고, 본 발명의 제2 실시예에 따른 수력 발전장치는 구동축(2), 블레이드조립체(3) 등이 외부로 노출됨에 따라 부유물에 의한 악영향을 받을 수 있으므로 이러한 점을 고려하여 부유물이 존재하지않는 하천이나 유로 등에 설치하여 사용하는 것이 바람직하다.
첨부도면, 도9a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수력 발전장치를 설명하기 위한 도면으로서, 수력 발전장치의 길이가 매우 긴 점을 고려하여 길이방향을 따라 부분부분 생략하되 일 부분은 내부 구조가 나타나도록 유동관로를 길이방향을 따라 절개하여 도시하였다. 도9b는 도9a의 H부 분리사시도이다.
도9a 및 도9b를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 수력 발전장치는 전술한 제1 실시예와 마찬가지로 구동축(2), 블레이드조립체(3), 회전지지장치(4), 및 발전부(5)를 주요한 구성요소로 하여 구성되되, 유체에 포함되어 유동관로(1)로 유입되는 이물질을 파쇄하는 파쇄장치(9)가 구성되어 있다.
상기 파쇄장치(9)는 유체에 포함되어 유입되는 이물질을 잘게 파쇄할 수 있는 장치라면 특별한 제한 없이 다양하게 구성할 수 있지만, 도9a 및 도9b에 도시된 바와 같이 유로의 내부에 회전 가능하게 설치되는 회전커터조립체(91)와, 회전커터조립체(91)와 대향되게 배치되는 고정커터조립체(92)로 구성되어 있다.
회전커터조립체(91)는 도9b에 되된 바와 같이 링 형상의 회전커터몸체(91a)의 내부에 복수의 회전커터(91b)가 등각도로 형성된 것으로, 중심축(91c)에 삽입되는 베어링(91d)에 의해 회전 가능하게 설치되어 있다.
고정커터조립체(92)는 회전커터조립체(91)와 대응되게 설치되어 회전커터조립체(91)의 회전시에 상호작용에 의해 커팅작용을 수행하는 것으로, 원통 형상의 몸체 양쪽에 프랜지(92c)가 형성된 고정커터몸체(92a), 고정커터몸체(92a)의 내부에 회전커터(91b)와 대향되도록 설치되는 복수의 고정커터(92b)로 구성된다.
한편, 본 발명의 제3 실시예에 따른 수력 발전장치는 도9a에 도시된 바와 같이 이물질의 유입을 차단하도록 유동관로(1)의 입구 부분에 설치되는 이물질차단부재(94)가 구성되어 있다.
상기 이물질차단부재(94)는 진입되는 이물질을 외부로 유도함으로써 유동관로(1) 내부로 이물질이 유입되지 않도록 하는 작용을 수행할 수 있다면, 특별한 제한 없이 다양한 형태로 구성할 수 있다. 예컨대, 이물질차단부재(94)는 띠형 부재가 나선상으로 선회, 형성된 이물질제거스크류(94a), 이물질제거스크류(94a)의 선단에 형성되고 로프 등의 결속을 위한 견인홀을 갖는 계류용고정부(94b), 이물질제거스크류(94a)의 후단에 형성되는 스크류프랜지(94c)로 구성되어 있다.
그리고, 본 발명의 제3 실시예에 따른 수력 발전장치는 도9a에 도시된 바와 같이 상기한 파쇄장치(9)와 이물질차단부재(94)가 설치되는 별도의 유선형 선단관로(1a)가 형성되어 인접한 최선단 유동관로(1)의 연결프랜지(1b)와 접속되어 있다.
전술한 본 발명의 제3 실시예에 따른 수력 발전장치는 유체에 이물질이 포함되어 유입되면 이물질차단부재(94)가 이물질을 유동관로(1) 외부로 유도함으로써 유동관로 내부로 유입되는 것을 1차적으로 차단한다. 그리고, 이물질이 내부로 유입될 경우에는 유속에 의해 회전커터조립체(91)가 회전되고 고정커터조립체(92)와의 상호작용에 의해 이물질을 파쇄하게 되므로 구동축(2)이나 블레이드조립체(3)에 이물질이 감김되어 고장을 유발하는 문제점을 미연에 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 제3 실시예에 따른 수력 발전장치는 폐비닐이나 폐직물과 같이 면적이 넓은 이물질이 유동관로의 입구 부분을 전체적으로 덮어 유체가 유입되지 않는 현상을 미연에 방지할 수 있도록 이물질을 절단하는 커터장치(미도시)가 설치될 수도 있다.
상기한 커터장치는 유선형 선단관로(1a)의 외주면에 칼날을 설치하는 방식으로 구성할 수 있는 것으로서, 폐비닐, 폐직물 등과 같은 넓은 면적의 이물질이 유동관로의 입구부분으로 진입하게 되면 커터장치가 이를 간편하게 절단할 수 있어서 넓은 면적의 이물질에 의한 오작동을 미연에 방지할 수 있다.
첨부도면, 도10a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수력 발전장치의 제1 변형예의 외관 구조를 나타낸 사시도, 도10b는 도10a의 I부 확대사시도이다.
도10a 내지 도10b를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예의 제1 변형예에 따른 수력 발전장치는 구동축(2), 블레이드조립체(3), 회전지지장치(4), 발전부(5), 및 이물질차단부재(94)를 포함하는 파쇄장치(9)를 구비하되, 유동관로(1)를 수중에 정위치 시키도록 설치되는 앵커수단(10)이 더 구성되어 있다.
상기 앵커수단(10)은 수력 발전장치를 수중에 효과적으로 고정할 수 있다면 특별한 제한 없이 다양하게 구성하여 적용할 수 있지만, 본 실시예에서는 유동관로(1)에 형성되는 복수의 관로고정갈고리(102)와, 견인로프(104)를 매개로 유동관로(1)의 앞쪽에 결속되는 앵커체(103)로 구성되어 있다.
관로고정갈고리(102)는 도10b에 도시된 바와 같이 갈고리브라켓(102a)과, 이 갈고리브라켓(102a)에 설치되는 갈고리(102b)로 구성되어 있다.
앵커체(103)는 내부에 고비중물질을 투입을 위한 공간부가 형성된 앵커몸체(103a), 앵커몸체(103a)의 전후단에 형성되고 견인홀을 갖는 계류용고정부(103b), 및 앵커몸체(103a)의 외면에 돌출되는 복수의 갈고리(103c)로 구성되어 다. 그리고, 계류용고정부(103b)의 견인홀에는 견인로프(미도시)를 결속하여 계류상태의 해제시에 당김력을 인가하는 방식으로 앵거체(103) 고정상태의 해제작업 등을 편리하게 수행할 수 있다.
도10a 및 도10b를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예의 제1 변형예에 따른 수력 발전장치에 따르면 관로고정갈고리(102)를 수중의 바닥에 앵커링 하는 한편, 앵커체(103)의 내부에 물보다 비중이 큰 고비중물질을 투입하고 견인로프(104)를 이용하여 유동관로(1)와 결속한 후 수중 바닥에 앵커링 하게 되면 수력 발전장치를 안정적으로 수중에 고정할 수 있으므로 해류, 조류 등과 같은 유체의 유동을 이용한 발전을 안정적으로 수행할 수 있다.
첨부도면, 도11a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수력 발전장치의 제2 변형예를 설명하기 위한 도면으로서, 수력 발전장치의 설치된 상태를 나타낸 사시도이고, 도11b는 도11a의 J부 확대 사시도이다.
도11a 및 도11b를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예의 제2 변형예에 따른 수력 발전장치는 구동축(2), 블레이드조립체(3), 회전지지장치(4), 발전부(5), 및 이물질차단부재(94)를 포함하는 파쇄장치(9)를 구비하되, 수상에 부유 또는 침수시킨 상태에서 전기를 발전할 수 있도록 유동관로(1)에 부력을 제공하는 부력체(11)가 구성되어 있다.
상기 부력체(11)는 수력 발전장치를 수면이나 수중에 부유시킬 수 있는 구조라면 구조나 형태에 특별한 제한 없이 다양하게 구성할 수 있지만, 본 실시예에서는 도11b에 도시된 바와 같이 유동관로(1)에 설치되는 부력체고정브라켓(11b)과, 이 부력체고정브라켓(11b)에 설치되는 부유구(11a)로 구성되어 있다.
여기서, 부유구(11a)는 연이어 복수 개가 서로 연결된 유동관로(1)의 전체 길이에 해당하는 길이를 갖는 기둥 형상의 중공체로 형성된 것으로, 한 쌍이 서로 평행하게 배치된 상태에서 부력체고정브라켓(11b)에 결합되어 유동관로(1)에 고정되어 있다. 이때, 부유구(11a)의 부력은 유동관로(1) 부분이 수중에 위치하고, 부유구(11a) 부분은 수면으로 노출될 정도의 부력을 갖도록 제작한 것을 적용한다.
한편, 본 발명의 제3 실시예의 제2 변형예에 따른 수력 발전장치는 하천이나 해상에 부유시킨 상태에서 발전할 수 있도록 계류수단(12)이 구성되어 있다.
예컨대, 계류수단(12)은 도11a에 도시된 바와 같이 유동관로(1)에 결속되는 로프(12a)와 같은 결속부재, 로프(12a)에 견인력을 인가하는 견인장치(12b), 볼라드(12c,bollard) 등으로 구성되어 있다. 여기서, 견인장치(12b)는 도11a에 도시된 바와 같이 지주, 붐대, 균형추 등이 구비된 견인리프트 등으로 구성될 수 있다.
그리고, 계류수단(12)은 수력 발전장치를 안정적으로 계류시킬 수 있다면 구조나 형태에 특별한 제한 없이 구성할 수 있는 것으로, 상기한 견인장치(12b) 외에도 윈치, 페어리더(fair leader) 등을 이용하여 다채롭게 구성할 수 있다.
첨부도면, 도12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수력 발전장치의 제3 변형예를 설명하기 위한 사시도이다.
도12를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예의 제3 변형예에 따른 수력 발전장치는 구동축(2), 블레이드조립체(3), 회전지지장치(4), 발전부(5), 및 이물질차단부재(94)를 포함하는 파쇄장치(9), 및 부력체(11)를 구비하되, 조류지역과 같이 시간차를 두고 유체의 흐름방향이 변화하는 환경에서 보다 효과적으로 전기에너지를 발전하도록 구성한 점에 특징이 있다.
이를 위해 도12에 도시된 바와 같이 이물질차단부재(94)를 포함하는 파쇄장치(9)는 복수의 유동관로(1)가 배열, 접속된 유동관로 결합체 중 최선단에 위치한 유동관로의 앞쪽과, 최후단에 위치한 유동관의 뒤쪽에 각각 구성되어 있다.
전술한 본 발명의 제3 실시예의 제3 변형예에 따른 수력 발전장치는 최선단 및 최후단 유동관로(1)에 이물질차단부재(94)를 포함하는 파쇄장치(9)가 각각 배치되어 있으므로 유체가 어느 방향에서 유입되더라도 유체에 포함된 이물질을 제거하고 파쇄할 수 있어서 안정적으로 전기에너지를 생산할 수 있다.
첨부도면, 도13a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수력 발전장치의 제4 변형예를 설명하기 위한 사시도, 도13b는 도13a의 K부 확대사시도, 도13c는 도13a의 L부 부분 단면도로서 일부를 절개하여 도시하고 요부는 단면구조가 나타나도록 도시한다.
도13a를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예의 제4 변형예에 따른 수력 발전장치는 구동축(2), 블레이드조립체(3), 회전지지장치(4), 발전부(5), 및 이물질차단부재(94)를 포함하는 파쇄장치(9), 부력체(11), 및 계류수단(12)을 구비하되, 구동축(2)에 보다 큰 회전력을 인가함으로써 발전효율을 향상시킬 수 있도록 보조회전력발생체(13)가 더 구성되어 있다.
보조회전력발생체(13)는 도13b에 도시된 바와 같이 부유몸체(13a), 이 부유몸체(13a)에 형성되는 블레이드(13b), 연결조인트부재(13c) 등으로 구성된 것으로서, 구동축(2) 또는 유동관로(1)에 연결되도록 구성된다.
상기 부유몸체(13a)는 중공부가 형성된 통체에 주입구(13d)가 형성된 구조로 구성되어 있다. 이때, 주입구(13d)는 부력의 조절을 위한 공기빼기 작업이 가능한 구조로 형성된 것을 적용한다.
블레이드(13b)는 다양한 형태의 블레이드가 설치될 수 있지만, 본 실시예에서는 이물질이 엉켜 감김되는 현상이 방지되도록 나선상으로 블레이드가 배열된 스크류 블레이드가 설치되어 있다. 이때, 스크류 블레이드는 감김된 직경이 후방으로 갈수록 증가되는 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
연결조인트부재(13c)는 연결부위의 회전동작이 가능하도록 하기 위해 구성된 것으로, 복수의 보조회전력발생체(13)를 전후방향으로 배열, 결속한 상태에서 조류나 파랑의 크기 및 방향이 급변하더라도 방향전환이 가능하여 인접하는 장치들이 서로 충돌하는 것을 방지함으로써 손상이나 파손 없이 안정적으로 작동되도록 하는 기능을 수행한다.
그리고, 연결조인트부재(13c)는 전술한 도5의 설명 부분에 기재된 바와 같은 유니버셜조인트와 같은 공지된 기계요소를 적용하여 구성할 수 있으므로, 이에 대한 구체적 설명을 생략한다.
한편, 본 발명의 제3 실시예의 제4 변형예에 따른 수력 발전장치는 복수의 보조회전력발생체(13)가 일자형으로 배열되도록 하기 위해 긴장력을 인가하는 긴장수단(14)이 구성되어 있다.
상기 긴장수단(14)은 도13a 및 도13c에 도시된 바와 같이 최후단 보조회전력발생체(13)에 접속된 연결조인트부재(13c)에 연결되는 것으로, 긴장몸체(14a)와, 긴장몸체(14a)의 앞쪽에 연결조인트부재(13c, 또는 구동축)의 축수가 베어링(43)을 매개로 접속되도록 형성된 지지부재(14b)로 구성되어 있다.
긴장몸체(14a)는 유체의 유입시에 저항력을 생성할 수 있도록 전광후협(前廣後狹) 구조인 원추 형상으로 형성된 것으로, 입구가 내경이 큰 대구경이고 출구가 내경이 상대적으로 작은 소구경인 유동공(14c)이 형성되어 있다.
지지부재(14b)는 긴장몸체(14a)의 대구경 입구 부분에 복수 개가 방사상으로 설치되는 것으로, 연결조인트부재(13c)의 축수가 접속되도록 중앙에 형성된 접속허브(14d)의 외주면에 긴장몸체(14a)의 내주면에 결합되는 복수의 지지판(14e)이 형성된 구조로 되어 있다.
상기한 긴장수단(14)은 도13c에 도시된 바와 같이 유속을 갖는 유체가 지지부재(14b) 방향인 대구경의 입구로 유입된 후 소구경의 출구로 이동되면 출구가 좁아짐에 따라 긴장몸체(14a)를 후방으로 밀어내는 저항력(후방으로 밀어내는 힘)이 발생되고, 이러한 밀어내는 힘은 연결조인트부재(13c)를 매개로 연결된 복수의 보조회전력발생체(13)을 당겨 일자형 구조로 나열되게 하는 기능을 수행한다. 이와 같이 유동관로(1)와 복수의 보조회전력발생수단(13)이 동일 선상을 따라 일직선으로 나열되면 복수의 보조회전력발생수단(13)이 서로 충돌하는 등의 문제점을 유발하지 않으면서 안정적으로 발전작용을 수행할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 수력 발전장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어나지 않은 범위 내에서 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.
상기한 실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
1:유동관로
2:구동축
3:블레이드조립체
4:회전지지장치
5:발전부
6:바이패스관로장치
7:굴곡연결부
8:구조용지지수단
9:파쇄장치
10:앵커수단
11:부력체
12:계류수단
13:보조회전력발생체
14:긴장수단

Claims (40)

  1. 수력 발전장치에 있어서,
    유체가 유동되는 경로를 따라 설치되는 복수의 구동축;
    상기 구동축의 길이방향을 따라 설치되는 복수의 블레이드조립체;
    상기 구동축을 회전 가능하게 지지하도록 접속되는 회전지지장치; 및
    상기 구동축의 회전력을 전달받아 전기를 발전하는 발전부를 포함하고,
    상기 구동축은 파이프와, 상기 파이프에 결합되고 내부 중심에 축결속홀이 형성된 결합링을 포함하고,
    상기 블레이드조립체는, 블레이드부에 블레이드브라켓이 형성된 적어도 하나 이상의 블레이드; 및 상기 구동축에 결속되고 상기 블레이드브라켓이 결합되는 블레이드연결부재를 포함하되,
    상기 블레이드연결부재는 중앙에 상기 블레이드브라켓이 체결되는 브라켓접속부가 형성되고 전후로 상기 구동축에 접속되는 축결속돌부가 형성된 구조로 이루어지고,
    상기 블레이드브라켓은 브라켓결속돌부가 돌출되고, 상기 브라켓접속부는 상기 브라켓결속돌부가 삽입되는 브라켓결속홈이 요입되며, 상기 축결속돌부는 외주면에 요철돌부가 형성되고, 상기 결합링의 축결속홀 내주면에 상기 요철돌부가 삽입되는 요철홈부가 형성된 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구동축이 내부에 길이방향을 따라 설치되고 유체가 유동되는 유로가 형성된 유동관로를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 회전지지장치는,
    상기 구동축에 설치되는 구동축베어링; 및
    상기 유동관로에 결합되고 상기 구동축베어링이 접속되는 축지지부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 회전지지장치는, 상기 구동축에 설치되는 구동축베어링; 및 상기 구동축베어링이 설치되는 중심홀이 형성된 지지허브, 상기 지지허브의 둘레에 일단이 연결되는 복수의 지지대, 상기 지지대의 타단에 형성되고 상기 유동관로에 결합되는 지지프랜지가 구비된 축지지부재를 포함하고,
    상기 유동관로는 복수 개가 길이방향으로 배열되어 서로 접속되는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 회전지지장치는 전후로 배치되는 상기 구동축을 연결하기 위해 상기 축지지부재에 삽입, 설치되는 구동축연결부재가 더 구비된 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 구동축은 파이프와, 상기 파이프에 결합되고 내부 중심에 축결속홀이 형성된 결합링을 구비하고,
    상기 구동축연결부재는 중앙에 상기 구동축베어링이 삽입되고 양측에 상기 구동축에 접속되는 축결속돌부가 형성된 구조로 이루어지고,
    상기 축결속돌부는 외주면에 요철돌부가 형성되고, 상기 축결속홀의 내주면에 상기 요철돌부가 삽입되는 요철홈부가 형성된 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 유동관로에는 전후로 배치되는 상기 유동관로를 서로 결속하기 위한 연결프랜지가 구비되고,
    상기 지지프랜지는 상기 연결프랜지 사이에 개재되어 고정되는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 유동관로에는 내부를 관찰하고 내부 상태를 감지하기 위한 모니터링부가 구성된 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 모니터링부는,
    상기 유동관로의 상기 블레이드조립체의 설치위치에 해당되는 위치에 천공되는 관찰 및 유지보수용 개구부;
    상기 관찰 및 유지보수용 개구부에 수밀적으로 결합되는 관찰창; 및
    상기 관찰창에 설치되고 상기 블레이드조립체의 작동상태 또는 유체의 상태를 감지하는 감지수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  10. 제2항에 있어서,
    유로의 굴곡 부위에 배치되어 상기 유동관로에 접속되는 굴곡유동관; 및
    상기 굴곡유동관의 내부에 설치되어 전후로 배치되는 상기 구동축을 연결하는 연결조인트부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 회전지지장치는 상기 구동축에 설치되는 구동축베어링, 및 상기 구동축베어링이 삽입되는 중심홀이 형성된 지지허브, 상기 지지허브의 둘레에 일단이 연결되는 복수의 지지대, 상기 지지대의 타단에 형성되고 상기 유동관로에 결합되는 지지프랜지가 구비된 축지지부재를 구비하고,
    상기 굴곡유동관은 상기 유동관로의 연결프랜지와 대응하는 형상의 연결프랜지가 굴곡 몸체 양단에 결합된 구조로 형성되며,
    상기 굴곡유동관의 연결프랜지와 상기 유동관로의 연결프랜지 사이에 상기 지지프랜지가 개재되어 접속, 고정되는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 회전지지장치는 상기 굴곡유동관의 전후로 배치되되 상기 구동축에 접속되어 상기 축지지부재에 삽입, 설치되는 구동축연결부재가 더 구비되고,
    상기 연결조인트부재는 앞쪽에 위치하는 상기 구동축연결부재에 접속되는 제1 유니버셜조인트, 뒤쪽에 위치하는 상기 구동축연결부재에 접속되는 제2 유니버셜조인트, 상기 제1 유니버셜조인트 및 제2 유니버셜조인트 사이에 연결되는 조인트축을 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  13. 제2항에 있어서,
    상기 구동축 또는 상기 유동관로에 연결되고, 부유몸체에 블레이드가 형성된 보조회전력발생체를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 부유몸체는 중공부를 갖는 통체에 주입구가 형성된 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 보조회전력발생체는 전후로 복수 개가 배열, 구성되되 연결조인트부재를 매개로 연결된 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 보조회전력발생체는 전후로 복수 개가 배열, 구성되되, 연결조인트부재에 의해 서로 연결되고,
    복수의 상기 보조회전력발생체 중 최후단에 연결되어 긴장력을 생성, 인가하는 긴장수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 긴장수단은 유체가 유입되는 입구가 대구경이고 유체가 배출되는 출구가 소구경인 유동공을 갖는 전광후협 구조의 긴장몸체를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 구동축의 길이방향을 따라 배치되어 상기 회전지지장치에 결합되는 구조용지지수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 회전지지장치는, 상기 구동축에 설치되는 구동축베어링; 및 상기 구동축베어링이 설치되는 중심홀이 형성된 지지허브, 상기 지지허브의 둘레에 일단이 연결되는 복수의 지지대, 상기 지지대의 타단에 형성되는 축지지부재, 전후로 배치되는 상기 구동축을 연결하기 위해 상기 축지지부재에 삽입, 설치되는 구동축연결부재를 포함하고,
    상기 구조용지지수단은 상기 축지지부재에 관결합부재를 매개로 설치되는 복수의 지지구조관을 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  20. 제2항에 있어서,
    상기 유동관로에 설치되어 유입되는 이물질을 파쇄하는 파쇄장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  21. 제2항, 제10항, 제13항, 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발전부는,
    상기 유동관로에 설치되는 발전부하우징;
    상기 구동축에 접속되어 회전력을 전달하는 동력전달장치;
    상기 발전부하우징에 설치되고 상기 동력전달장치에 접속되어 전달받은 동력에 의해 회전되면서 전기에너지를 발전하는 발전기유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 동력전달장치는,
    상기 발전부하우징의 내부에 배치되고 상기 구동축으로부터 회전력을 전달받는 대경입력풀리;
    상기 발전부하우징에 배치되고 상기 발전기의 회전축에 설치되는 소경출력풀리; 및
    상기 대경입력풀리와 상기 소경출력풀리에 연결되는 벨트를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치
  23. 제22항에 있어서,
    상기 대경입력풀리와 상기 구동축 사이에 결속되어 회전력을 전달하는 동력전달축을 포함하고,
    상기 동력전달축의 양단은 상기 발전부하우징의 전후로 배치되어 상기 유동관로에 결속되는 상기 회전지지장치에 의해 회전 가능하게 지지되는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  24. 제1항, 제2항, 제10항, 제13항, 제18항, 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발전부는,
    상기 구동축에 접속되어 회전력을 전달하는 동력전달장치; 및
    상기 동력전달장치에 접속되어 전달받은 동력에 의해 회전되면서 전기에너지를 발전하는 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 동력전달장치는,
    상기 구동축에 설치되는 구동기어;
    상기 구동기어에 치합되는 전동기어;
    상기 전동기어에 결합되는 동력전달축; 및
    상기 동력전달축에 접속되어 상기 발전기의 회전축에 회전력을 전달하는 증속기어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 증속기어부는 상기 동력전달축에 접속되는 제1 증속기어와, 상기 제1 증속기어에 치합되고 상기 발전기의 회전축에 접속되는 제2 증속기어를 구비하고,
    상기 구동기어 및 전동기어와, 상기 제1 증속기어 및 제2 증속기어는 베벨기어로 구성되어 서로 치합되는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  27. 삭제
  28. 삭제
  29. 제2항, 제10항, 제13항, 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    이물질의 유입을 차단하도록 상기 유동관로의 입구 부분에 설치되는 이물질차단부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 이물질차단부재는, 띠형 부재가 나선상으로 선회, 형성된 이물질제거스크류, 상기 이물질제거스크류의 선단에 형성되고 견인홀이 구비된 계류용고정부, 및 상기 이물질제거스크류의 후단에 형성되는 스크류프랜지를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  31. 제2항, 제10항, 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유동관로의 내부로 유입되는 이물질을 파쇄하는 파쇄장치를 구비하되,
    상기 파쇄장치는 복수 개가 접속된 상기 유동관로 중 최선단 유동관로의 앞쪽, 또는 복수 개가 접속된 상기 유동관로 중 최선단 유동관로의 앞쪽과 최후단 유동관로의 뒤쪽에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 파쇄장치는,
    상기 유동관로의 내부에 회전 가능하게 설치되고 복수의 회전커터가 구비된 회전커터조립체; 및
    상기 회전커터와 대향되게 배치되는 복수의 고정커터가 구비된 고정커터조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  33. 제2항, 제10항, 제13항, 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유동관로에 분기, 형성되는 바이패스관로장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 바이패스관로장치는, 상기 유동관로의 최선단에 연결되는 제1 티형관로, 상기 유동관로의 최후단에 연결되는 제2 티형관로, 상기 제1 티형관로와 제2 티형관로 사이에 연결되는 바이패스관로, 상기 유동관로 방향으로의 유동을 차단하도록 상기 제1 티형관로와 접하여 설치되는 제1 제어밸브, 상기 바이패스관로에 설치되는 제2 제어밸브, 상기 유동관로의 최후단에 설치되는 제3 제어밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  35. 제1항, 제2항, 제10항, 제13항, 제18항, 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    부력을 제공하기 위해 결합되는 부력체를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  36. 제2항, 제10항, 제13항, 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    부력을 제공하기 위해 결합되는 부력체; 및
    수중에 정위치시키는 고정력을 제공하도록 설치되는 앵커수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 앵커수단은 내부에 고비중 물질의 투입을 위한 공간부가 형성된 앵커몸체, 상기 앵커몸체의 전후단에 형성되고 견인홀을 갖는 계류용고정부, 및 상기 앵커몸체의 외면에 돌출되는 복수의 갈고리를 구비한 앵커체를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  38. 제36항에 있어서,
    상기 앵커수단은 상기 유동관로에 형성되는 복수의 관로고정갈고리를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  39. 제2항, 제10항, 제13항, 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    부력을 제공하기 위해 결합되는 부력체를 구비하되,
    상기 부력체는 상기 유동관로에 설치되는 부력체고정브라켓과, 상기 부력체고정브라켓에 설치되는 부유구를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
  40. 제1항, 제2항, 제10항, 제13항, 제18항, 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    부력을 제공하기 위해 결합되는 부력체를 포함하고,
    상기 부력체에 결속되는 결속부재, 및 상기 결속부재에 견인력을 인가하는 견인장치가 구비된 계류수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 발전장치.
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