KR101686799B1 - 수차 축과 발전기 회전자 일체형 소수력 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소수력 발전장치에 관한 것으로, 상세히는 수차 축(2)과 발전기 회전자(4)가 일체형으로 피벗 축(6)을 중심으로 발전기 고정자(8) 내부에서 회전하여 전기를 생산할 수 있도록 한 것으로, 수차(1), 상기 수차(1)가 축결합된 수차 축(2), 상기 수차 축(2)에 직결되는 발전기(3)의 회전자(4), 상기 발전기(3)의 피벗 플랜지(5)에 고정되어 회전자(4)의 회전 안정성을 유지시켜주는 피벗 축(6), 상기 발전기(3)의 케이싱(7)에 고정되어 있는 고정자(8)를 포함하여 이루어진다.

Description

수차 축과 발전기 회전자 일체형 소수력 발전장치 {Small hydro-power plant which is united rotor and driving turbine shaft}

본 발명은 소수력 발전장치에 관한 것으로, 상세히는 수차 런너 블레이드로 흘러드는 위치 에너지를 가지는 유량을 이용한 유체의 힘으로 구동력을 일으키고 런너 블레이드의 축에 직결된 발전기의 회전자는 고정된 피벗 축을 중심으로 외곽의 고정자 안에서 회전되어 전기를 생산할 수 있도록 한 유지 보수가 용이한 소수력 발전장치에 관한 것이다.

소수력 발전기는 기계적으로 고효율이고 구조가 단순하여 유지/보수가 용이하여야 경쟁력을 갖추었다고 말할 수 있다. 고효율장치라 함은 수차의 회전력을 발전기의 회전력으로 전달할 때 손실이 없어야 한다는 의미인데, 대부분의 소수력 발전 장치는 일련의 기어로 이루어진 기어박스를 설치하여 수차 런너의 회전수를 발전기의 동기 회전수에 맞게 증속하는 증속장치를 필요로 한다.

일반적으로 증속장치는 다단으로 이루어진 기어 간의 맛 물림에 의해 회전수를 증속하므로 기어 사이의 마찰 손실을 피할 수 없고, 기어 사이의 마찰열 냉각을 위한 오일을 필요로 한다. 만일 오일의 누유가 발생하면 환경오염을 유발하게 되며, 정상적인 동작을 보장하기 위해서는 주기적인 오일 교환을 필요로 한다.

따라서, 수차의 런너 회전축과 발전기의 회전자를 직접 구동하기 위해서는 수차의 런너 회전축과 발전기의 런너 축과의 일체형 장치가 필요하다.

또 다른 소수력 발전장치의 요건으로는 수차와 발전기의 회전자는 회전하는 기계장치이므로 회전축의 상하 하중을 지지하며 회전 안정성을 확보하기 위한 베어링의 적절한 배치와 수차의 회전축으로 유입되는 물을 차단하는 장치가 반드시 필요하다. 베어링의 회전성을 안전하게 보장하기 위해서는 윤활유의 공급과 순환이 필수적인데, 수차의 회전축을 따라서 유입되는 물의 일부가 베어링에 유입되게 되면 오일의 점도가 저하되어 유막 형성이 어려워지므로 수차의 수명단축이 되는 한 원인이 된다. 이러한 수차의 요소 부품의 상태 점검을 위한 유지 보수가 용이하게 수행할 수 있도록 설계되어야 한다.

소수력 발전 플랜트는 비록 규모는 소형이지만 대규모 수력 장치와 거의 같은 종류의 부속 기계장치가 필요하여 제작이 복잡하고, 많은 비용이 소요되며, 유지 보수가 어렵게 설계되어 있어 소수력 발전의 활성화에도 장애요인으로 작용하고 있어 구조적으로 개선이 필요한 실정이다.

공개특허공보 제10-2003-0068520호(2003.08.21. 공개) 풍력을 이용한 발전기 공개특허공보 제10-2012-0097129호(2012.09.03. 공개) 에이에프엠 발전기를 이용한 소수력 발전장치 공개특허공보 제10-2011-0006349호(2011.01.20. 공개) 수차 발전기

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 소수력 발전장치의 효율성 향상과 유지보수가 용이한 소수력 발전장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 수차 축과 발전기의 회전자를 일체형으로 형성하고, 수차 런너로 물이 유입되어 회전력이 생성되면 발전기 내부에 발전기 상부 커버 측의 피벗(pivot) 플랜지에 고정된 피벗 축을 중심으로 발전기 케이싱에 고정 설치된 고정자 안에서 회전자가 회전하는 것에 의해 기전력을 유발하여 발전이 이루어지도록 한 수차 축과 발전기 회전자 일체형 소수력 발전장치를 제공한다.

바람직하기에 상기 수차 축과 발전기 회전자는 볼트로 결합되어 일체를 이루고, 회전자는 발전기 상부 커버 측의 피벗 플랜지에 고정된 피벗 축을 중심으로 회전하며, 상기 회전자는 피벗 축에 방향 및 수직 하중을 지지해주는 두 개의 베어링으로 회전가능하게 지지되어 있고, 상기 피벗 축에는 베어링의 이상 상태를 감지하기 위한 온도센서가 설치되어 외부에서 쉽게 확인할 수 있는 구조로 이루어진다.

바람직하기에 상기 발전기는 수차 런너를 중심으로 내측과 외측의 압력차에 의해서 회전하는 수차 축을 따라 올라오는 물이 유입되는 것을 차단하기 위하여 수차 축의 런너 바로 상부에 메카니컬 시일이 설치되어 베어링의 윤활성을 보장한다.

더욱 바람직하기에 상기 발전기 상부 커버 측의 피벗 플랜지에 고정된 피벗 축의 중심에는 베어링 오일 주입 통로가 설치되어 발전기의 해체 없이 베어링 오일의 주입/교체가 가능하고, 오일 주입 통로 내부에는 온도센서가 설치되어 이를 통해 쉽게 베어링의 이상 유무를 관찰할 수 있도록 한다.

또한, 회전자 일체형의 수차 축과 고정된 피벗 축을 중심으로 회전자가 회전되도록 설치된 발전장치는 이의 조립과 해체가 간단하여 인력 및 장비의 유지보수 비용을 절약할 수 있다.

소수력 발전장치는 물의 위치에너지를 이용하는 것으로, 에너지 밀도가 높고 탄산가스 배출량이 가장 적어 환경 청정 에너지원으로서 주목받고 있다. 이러한 소수력 발전장치는 자연에 존재하는 물의 흐름을 에너지원으로 자원화하여 우리의 일상생활에 적용할 수 있는 소규모 에너지원으로 활용하는 분산형 전원 시스템이다. 또한, 자연에 존재하는 물의 흐름으로 생성되는 에너지원을 고효율화하는 시스템이다. 또한, 본 발명은 효율화된 분산형 에너지를 생산하여 환경적으로 문제가 있는 대규모의 수력 발전소를 지양하도록 하고 산간지방의 계곡, 농촌지방의 농사용 제방, 홍수를 예방하기 위한 작은 보, 하구둑, 상하수도에 버려지는 물을 효율적으로 이용할 수 있고 어디에서든 소규모 전기를 생산하는 분산전원시스템은 적은 비용으로 쉽게 전기를 생산하는 친환경 소규모 발전 시스템이라 할 수 있다.

또, 본 발명은 수력발전에서 유지/보수시에 분해 및 조립이 간단하여 인력 및 경비를 절감할 수 있게 발명된 장치라 할 수 있다. 기존 시스템은 유지/보수시 발전기 및 수차 전체를 발전소에서 완전히 분리하여야 하나, 본 발명의 발전장치는 설치되어 있는 장소에서 쉽게 분해/조립이 가능하므로 이의 유지보수가 용이하다.

또한, 본 발명에 의한 수차 축 회전자 일체형 소수력 발전장치는 물의 위치에너지로 인한 회전하는 수차의 회전축과 발전기의 회전자가 직접 연결되므로 회전속도 증속을 위한 기어박스나 커플링 같은 별도의 연결장치가 필요 없고, 별도의 베어링 상태를 점검하기 위한 케이블이나 부속 장치가 필요 없으며, 발전기 상부 커버 측의 피벗 플랜지에 고정되어 있는 피벗 축 내부에 베어링 오일 주입구를 통한 베어링오일 주입/제거를 간단하게 할 수 있고, 전체 시스템의 기계적 구조가 단순하여 고장 발생의 염려가 없어 특별한 유지관리가 필요 없는 장점이 있다.

아울러 본 발명의 소수력 발전장치는 기계적 구조가 간단하여 설치면적이 협소한 곳에서도 설치가 용이하고, 피벗 축을 중심으로 발전기 회전자가 회전하기 때문에 진동 소음이 적어 회전 안정성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 발전효율이 높아서 에너지 절약의 효과가 있으며, 친환경 발전시설로 지구온난화의 해결과 우리나라 산간지방 및 농촌지방의 에너지원 전기를 분산전원 개발이라는 차원에서 쉽게 해결할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 수차 축과 발전기 회전자 일체형 소수력 발전장치의 전체 구조를 개략적으로 도시한 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 소수력 발전장치의 외형도이다.

이하, 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1에는 본 발명의 일 실시 예에 의한 소수력 발전장치의 단면도가 도시되어 있고, 도 2에는 개략적인 외형이 도시되어 있는데, 본 실시 예의 소수력 발전장치는 물의 흐름을 에너지로 전환하여 전기를 일으키는 시스템으로, 전기 생산량은 물의 유량과 낙차에 따라 결정된다.

본 실시 예의 소수력 발전장치는 외부로부터 유입된 수류에 의해 회전 구동되는 수차(1), 상기 수차(1)가 일단에 축결합된 수차 축(2), 상기 수차 축(2)에 직결되는 발전기(3)의 회전자(4), 상기 발전기(3)의 피벗 플랜지(5)에 고정되어 회전자(4)의 회전 안정성을 유지시켜주는 피벗 축(6), 상기 발전기(3)의 케이싱(7)에 고정되어 있는 고정자(8), 상기 피벗 축(6)에 설치되어 상기 회전자(4)를 회전가능하게 고정함과 동시에 수차(1)의 하중과 발전기(3) 하중을 지지하는 볼 베어링(9)과 양방향 축 베어링(10)을 포함하여 이루어져 있다.
본 실시 예에서, 상기 수차 축(2)의 타단에는 피벗 축(6)이 삽입되는 삽입홈(2a)이 축방향으로 형성되고, 상기 피벗 플랜지(5)는 외곽이 상기 발전기(3)의 케이싱(7)에 고정되고 내측 중심부에 피벗 축(6)이 고정된다.

또, 본 실시 예에서 상기 베어링(9,10)의 회전성을 안전하게 보장하기 위해서 윤활유의 안정된 공급과 순환을 위한 오일 주입구(11)가 피벗 축(6)에 형성되어 있고, 베어링(9,10)의 상태를 감시하기 위한 온도 센서(12)가 오일 주입구(11) 내에 매립되어 있다.

또한, 회전하는 수차 런너의 상하 압력차에 의해 회전축(2)을 따라 올라오는 물이 발전기 내부로 유입되는 것을 차단하기 위해 메카니컬 시일(13)이 설치되어 있다.

본 실시 예에서 상기 수차(1)는 물의 흐름을 기계적 에너지로 전환하는 프로펠러형 수차로 효율을 최대한 좋게 하고 표면에 기포가 발생하여 표면의 침식과 효율 저하의 원인이 되는 케비테이션 현상이 발생하지 않도록 유체역학적으로 다목적 최적화기법을 이용하여 형상을 설계하여 완벽한 밸런싱을 유지할 수 있도록 5축 가공기로 제작되는 것이 바람직하며, 수차의 효율을 향상시키기 위하여 표면이 매끄럽도록 후 가공하여 물이 수차 표면을 따라 가능한 저항을 최소로 하면서 매끄럽게 흘러가도록 한다.

한편, 수차(1)는 수차 축(2)과 열 끼움 방식으로 조립되고, 수차 뒤에 발생하는 와류를 감소시키기 위해 허브(14)를 수차 축(2)에 볼트로 고정한다.

상기 수차(1)의 날개 수는 5개 혹은 6개가 이상적이지만 제한은 두지 않는다.

도면 중 부호 16은 수차 축(1)의 외부에 설치되는 커버이고, 부호 17은 피벗 플랜지(5) 위에 씌워지는 상부 커버이며, 부호 18은 발전기 고정 플레이트이다.

본 실시 예에서, 상기 발전기(3)는 상부의 피벗 플랜지(5)에 의해 지지되며, 하부는 발전기 고정 플레이트(18)에 의해 수차와 분리될 수 있도록 조립되어 있다.

상기 발전기(3)의 형태는 영구자석 동기 발전기로, 이는 자속밀도가 높은 영구자석을 이용하여 프로펠러형 수차(1)에서 발생하는 저속 회전력으로도 수차 축(2)과 직결된 영구자석 회전자(4)를 회전시켜 전기로 변환시키게 되며, 전기는 분배기(15)를 통해서 외부로 송전 된다.

상기 수차 축(2)과 발전기 회전자(4)는 볼트(도시 안 됨)에 의해 일체로 연결되어 있고, 수차(1)의 회전시 발전기(3) 중심부에 고정되어 있는 피벗 축(3)을 회전축으로 회전자(4)가 회전하게 되므로 코일로 이루어진 고정자(8)에 유도기전력을 발생시키게 된다.

이와 같이 구성된 본 실시 예의 소수력 발전장치는 수차 축과 발전기 회전자가 일체형으로 이루어져 수차에서 발생하는 회전동력이 기계적인 마찰 등에 의해 손실되지 않고 그대로 피벗 축을 중심으로 발전기의 고정자 안에서 회전자가 회전하는 구조로 효율이 높으며, 본 발명에서는 종래의 수력 발전기에서 사용하던 수차 축과 발전기가 분리되어 수차 축의 회전력을 발전기에 전달시에 기어박스나 커플링과 같은 동력전달장치가 없어 설비비가 저렴하고, 이의 조립 및 유지보수 또한 간편한 장점이 있다.

1 : 수차
2 : 수차 축
2a : 삽입홈
3 : 발전기
4 : 회전자
5 : 피벗 플랜지
6 : 피벗 축
7 : 케이싱
8 : 고정자
9 : 볼 베어링
10 : 양방향 축 베어링
11 : 오일 주입구
12 : 온도 센서
13 : 메카니컬 시일
14 : 허브
15 : 분배기
16 : 수차 축 커버
17 : 상부 커버
18 : 발전기 고정 플레이트

Claims (4)

1. 수차(1), 상기 수차(1)가 일단에 축결합된 수차 축(2), 상기 수차 축(2)에 직결되는 발전기(3)의 회전자(4), 상기 발전기(3)의 피벗 플랜지(5)에 고정되어 회전자(4)의 회전 안정성을 유지시켜주는 피벗 축(6), 상기 발전기(3)의 케이싱(7)에 고정되어 있는 고정자(8), 상기 피벗 축(6)에 설치되어 상기 회전자(4)를 회전가능하게 고정함과 동시에 수차(1)의 하중과 발전기(3) 하중을 지지하는 볼 베어링(9)과 양방향 축 베어링(10)을 포함하여 이루어지며;
   상기 수차 축(2)의 타단에는 피벗 축(6)이 삽입되는 삽입홈(2a)이 축방향으로 형성되며, 상기 피벗 플랜지(5)는 외곽이 상기 발전기(3)의 케이싱(7)에 고정되고 내측 중심부에 피벗 축(6)이 고정되며, 상기 피벗 축(6)에는 상기 베어링(9,10)으로의 윤활유 공급을 위한 오일 주입구(11)가 형성되고, 상기 오일 주입구(11)에는 베어링(9,10)의 상태를 감시하기 위한 온도 센서(12)가 매립 설치된 것을 특징으로 하는 수차 축과 발전기 회전자 일체형 소수력 발전장치.
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