KR101501911B1 - 펠톤 터빈 수차와 그 장착 방법 및 그러한 수차를 포함하는 펠톤 터빈 - Google Patents

펠톤 터빈 수차와 그 장착 방법 및 그러한 수차를 포함하는 펠톤 터빈 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 펠톤 터빈 수차의 회전축 둘레에 분포된 다수의 서브조립체들을 포함하며 상기 조립체들 각각은 하나의 버킷(111)과 하나의 앵커링 레그(112)를 포함하는 펠톤 터빈에 관한 것이다. 두 개의 인접한 앵커링 레그들(112, 112') 사이에는 상기 수차의 회전축(X1)에 평행한 방향(X13)으로 적어도 하나의 차단핀(13: blocking pin)이 제공되며, 상기 핀은 상기 두 개의 앵커링 레그들(112, 112')에 각각 형성된 두 개의 하우징들(1126, 1127)에 삽입된다. 본 발명의 방법에 따르면, 상기 차단핀(13)은 두 개의 인접한 앵커링 레그들(112, 112')의 상기 두 개의 하우징들(1126, 1127) 내에 동시에 삽입됨으로써 설치된다. 상기 핀들은 유격(clearance)을 가지고 상기 하우징 내에 설치됨으로써, 앵커링 레그들(112, 112')이 핀들(13)에 의해 차단되기 이전에 상기 앵커링 레그들의 상대적인 이동이 가능해진다.

Description

펠톤 터빈 수차와 그 제조 방법 및 그러한 수차를 포함하는 펠톤 터빈 {PELTON TURBINE WHEEL, METHOD FOR MAKING SAME AND PELTON TURBINE INCLUDING SUCH WHEEL}
본 발명은 수력 에너지를 기계적인 에너지 또는 전기적인 에너지로 변환하기 위한 설비에서 사용되는 펠톤(Pelton) 유형의 터빈에 적합하도록 의도된 수차(wheel)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 수차에 적합한 터빈 및 그러한 수차의 제조 방법에 관한 것이다.
수력전기 설비의 경우, 펠톤 터빈(Pelton turbine)은 전류를 생산하는 발전기와 연결된다.
일체형(one-piece) 펠톤 터빈은 설비 및 이송이 까다로운 큰 용적의 물체이다. 볼트들에 의해 각각의 버킷(bucket)들이 장착되는 림(rim) 기반의 펠톤 터빈을 제조하는 것은, 예로서 WO-A-99/49213로부터 공지되어 있으며, 이때 버킷들 둘레에는 힘-흡수(force-absorbing) 측면판들이 배치되어 있다. 이러한 유형의 설비는 많은 종류의 용도에 만족스럽다.
인접한 버킷들 사이에 원추형 고정핀들을 배치시키는 것은 DE-C-555900로부터 공지되어 있으며, 이때 버킷들의 레그(leg)들은 볼트들에 의해 두 개의 림들 사이에 클램핑되어 있다. 원추형 고정핀들의 사용은, 이들 원추형 고정핀들의 삽입으로 인해, 버킷들 모두가 서로 그리고 림들에 대해 상대적으로 로킹된다는 것을 의미한다. 이러한 고정핀들을 수용하기 위한 하우징들은 원추 형상의 보어(bore)가 있어야 하며 이러한 보어는 상기 고정핀들과 보어들 간의 표면 접촉이 가능하도록 매우 정밀한 방식으로 형성되며, 그렇지 않을 경우 상기 원추형의 고정핀들은 효과적일 수 없다. 그러한 가공 정밀도는 높은 생산 비용을 포함한다.
본 발명의 목적은, 독립적인 버킷들이 펠톤 터빈 수차에서 사용되는 대안적인 방안을 제공하는 것으로서, 상기 힘-흡수 외측 측면판들을 사용하거나 버킷들의 앵커링 레그들의 정밀한 가공을 수행할 필요가 없으며 터빈 수차 조립체의 수명이 증대될 수 있는 방안을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명은 펠톤 터빈 수차(Pelton turbine wheel)의 회전축 둘레에 분포된 다수의 서브조립체(subassembly)들을 포함하며 상기 조립체들 각각은 하나의 버킷과 하나의 앵커링 레그(anchoring leg)를 포함한 펠톤 터빈 수차에 관한 것이다. 이러한 수차는, 두 개의 인접한 앵커링 레그들로 이루어진 각각의 짝(pair) 사이에는 상기 수차의 회전축에 평행한 방향으로, 원형 단면을 가진 실린더형 로킹핀(locking pin)이 배치되며, 상기 핀은 상기 두 개의 앵커링 레그들에 각각 배열된 두 개의 하우징들에 동시에 결합되는 것을 특징으로 하며, 상기 핀들이 상기 다수의 앵커링 레그들을 서로에 대해 상대적으로 로킹할 때까지는, 하중(load) 하에서의 상기 서브조립체들의 상대적인 이동 및 상기 하우징들 내에 결합된 상기 핀들의 이동이 가능하도록, 상기 핀들이 상기 하우징들 내에 배치되는 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 상기 서브조립체들이 조립되어 터빈 수차를 형성하기 이전에 서로 독립적으로 제조될 수 있기 때문에 본 발명에 따른 터빈 수차의 제조가 용이하다. 상기 다수의 서브조립체들은 상대적으로 큰 제조공차들(tolerances)에 의해 가공하기가 상대적으로 용이하며, 상기 서브조립체들의 치수들은 큰 치수의 부품들에 특정된 머시닝 센터에서가 아닌 통상의 머시닝 센터들에서 그것들을 제조하는 것을 가능케 한다. 상기 서브조립체들이 개별적으로 터빈 수차에 대해 착탈될 수 있기 때문에 유지보수 작업이 또한 보다 용이해진다. 수차가 하중을 받으며 회전할 때 두 개의 인접한 앵커링 레그들 간의 계면에 배치된 로킹핀들은 상기 레그들을 서로에 대해 로킹시키는 것을 가능케 하며, 이에 의해 상기 앵커링 레그들 및 상기 핀들의 상대적인 슬라이딩 이동 이후, 서브조립체들은 서로에 대한 그리고 터빈 샤프트에 대한 그것들의 상대적인 슬립(slip)이 제한되며 앵커링 레그들은 효과적으로 고정된다. 상기 핀들은 유격(clearance)을 가지고 하우징들 내에 배치되며, 이는 앵커링 레그들의 상대적인 슬라이딩을 가능케 하며 따라서 앵커링 레그들이 핀들에 의해 고정될 수 있다.
더욱이, 원형 단면의 실린더형 로킹핀들을 사용하는 것 그리고 하중 하에서 서브조립체들의 상대적인 이동이 가능하게 상기 로킹핀들을 대응하는 하우징들 내에 장착하는 것은 버킷들의 제거 및 교체를 보다 용이하게 한다. 특히, 버킷들의 앵커링 레그들 간의 유격은 상대적으로 클 수 있고 그 가공은 아주 정밀하지 않을 수 있으며, 이에 따라 앵커링 레그들은 서로 직접적으로 접촉하지 않고 로킹핀들에 의해 접촉하기 때문에 앵커링 레그들의 제거 및 교체가 용이하다.
본 발명의 유리한 하지만 필수적이지는 않은 관점들에 따라, 펠톤 터빈 수차는 하기 특징들 중 하나 이상을 통합할 수 있으며, 상기 특징들은 기술적으로 조합 가능하다.
- 상기 로킹핀이 사이에 배치된 상기 두 개의 앵커링 레그들의 측면들은 접촉하지 않는다.
- 두 개의 인접한 앵커링 레그들에 배열된 한 쌍의 하우징들에 의해 형성된 원형 단면을 지닌 실린더형 공간의 내경은 상기 공간에 결합된 상기 핀의 일부분의 직경보다 약간 더 크다.
- 각각의 앵커링 레그는, 상기 두 개의 인접한 앵커링 레그들을 각각 향하고 있는 그것의 두 개의 측면들 각각에, 로킹핀을 부분적으로 수용하기 위한 하우징을 구비하고 있다.
- 앵커링 레그의 각각의 하우징은 그것이 수용하는 로킹핀 영역의 반쪽에 대응하는 영역을 지닌 실린더 형상이다.
- 각각의 앵커링 레그는 적어도 하나의 힐(heel)을 구비하며, 상기 수차의 회전에 따른 원심력의 작용 하에서 상기 힐은 상기 앵커링 레그들을 둘러싼 환형의 후프(hoop)와 접촉하도록 마련된다.
- 상기 서브조립체들은 힘-흡수 플랜지(force-absorbing flange)를 사용함 없이 상기 터빈의 샤프트 단부 상에 직접 장착된다.
- 일 변형예로서, 상기 서브조립체들은 적어도 하나의 환형의 결합 플랜지에 의해 상기 터빈의 샤프트 단부에 장착된다. 이러한 플랜지는 상기 앵커링 레그들이 장착되는 연합 플랜지에 대향하여 안착될 수 있다. 상기 플랜지 또는 상기 연합 플랜지는, 원심력의 작용 하에서, 상기 앵커링 레그들의 상기 힐들의 압력을 수용할 수 있는 후프를 형성한다. 일 변형으로서, 적어도 하나의 후프는 상기 결합 플랜지와는 독립적으로 상기 앵커링 레그들 둘레에 배치된다.
본 발명은 또한 상기 특정된 바와 같은 수차가 들어맞는 펠톤 터빈에 관한 것이다. 그러한 터빈은 종래의 것들에 비해 보다 경제적으로 제조될 수 있으며 그것의 제조는 보다 용이하다.
본 발명은 상기와 같이 특정된 펠톤 터빈 수차의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 특정적으로, 상기 방법은 아래의 단계들을 포함한다:
a) 상기 서브조립체들을 원형 구조 상에 장착하는 단계;
b) 두 개의 인접한 앵커링 레그들로 이루어진 각각의 짝에 각각 배치된 두 개의 하우징들에, 상기 수차의 회전축에 평행한 방향으로, 실린더형이며 원형 단면을 가진 로킹핀을 배치시키는 단계; 및
c) 상기 핀들이 상기 다수의 앵커링 레그들을 서로에 대해 로킹시킬 때까지 상기 서브조립체들이 서로에 대해 상대적인 이동을 하고 상기 서브조립체들의 하우징들 내에 결합된 상기 핀들을 이동시키도록, 상기 수차에 하중에 의한 회전을 발생시키는 단계.
유리하게는, 상기 수차가 하중에 의해 회전하는 도중, 앵커링 레그는 상기 회전축을 향해 반경방향으로 슬라이딩하며, 상기 레그에서 하우징을 형성하는 표면의 일부분은 상기 하우징에 삽입된 핀을 가압하며, 상기 핀은 인접한 앵커링 레그의 하우징을 형성하는 표면의 일부분을 가압한다.
본 발명의 원리에 따른 터빈 수차 및 터빈에 관한 4개의 실시예들에 대한 이하의 설명으로부터 본 발명이 보다 쉽게 이해될 것이고 본 발명의 다른 이점들이 또한 보다 명백해질 것이며, 상기 설명은 단지 예시적인 것이며 첨부된 도면들을 참조된다.
도 1은 본 발명에 따른 터빈의 샤프트에 장착된, 본 발명에 또한 따르는 터빈 수차의 정면도이다.
도 2는 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 절단한 도 1의 단면도이다.
도 3은 도 1 및 2의 수차에서 사용되는 버킷을 형성하는 서브조립체의 사시도이다.
도 4는 도 3에 표현된 서브조립체에 속하는 두 개의 앵커링 레그(anchoring leg)의 개략도로서, 제1 구성에 따른 도면이다.
도 5는 도 4의 유사도로서, 제2 구성에 따른 앵커링 레그의 개략도이다.
도 6은 도 1의 유사도로서, 제2 실시예에 따른 터빈 수차의 정면도이다.
도 7은 Ⅶ-Ⅶ 선을 따라 절단한 도 6의 단면도이다.
도 8은 도 7과 유사한 단면도로서, 본 발명의 제3 실시예에 따른 터빈 수차에 관한 것이다.
도 9는 도 7과 유사한 단면도로서, 본 발명의 제4 실시예에 따른 터빈 수차에 관한 것이다.
도 1 및 2에 도시된 수차(1: wheel)는 펠톤 타입(Pelton type)의 터빈(T)에 속하며 그러한 터빈의 샤프트(2)의 단부(21)에 장착된다. 수차(1)는 독립적인 서브조립체들(subassemblies: 11)의 조립에 의해 형성되며, 상기 서브조립체들 중 하나는 도 3의 사시도로서 도시되며 그 서브조립체들은 주조된(molded) 스테인레스 스틸로 이루어진 일체형 부품으로 형성된다.
일 변형예로서, 서브조립체들(11)은 단조된(forged) 스테인레스 스틸 또는 합성 물질로 이루어질 수 있으며, 이에 의해 서브조립체들 중량의 감소 및 샤프트의 회전에 기인하는 관성력의 감소가 가능하다.
각각의 서브조립체(11)는 릿지(ridge: 1113)에 의해 분리된 두 개의 보올(bowl: 1111, 1112)을 구비한 버킷(bucket: 111)을 구비한다. 서브조립체(11)의 버킷(111)은 앵커링 레그(anchoring leg: 112)와 일체이며(one-piece), 상기 앵커링 레그는 대체로 도 1에서 그 베이스부가 식별될 수 있는 전반사 프리즘 형상을 갖는다. 서브조립체(11)의 앵커링 레그(112)는 샤프트(2)의 단부(21)에 서브조립체(11)를 장착하기 위한 고정핀들(retaining pins: 12)을 수용하는 두 개의 드릴공들(drill holes: 1121, 1122)을 구비하고 있다. 각각의 조립체(11)에 대해, 두 개의 드릴공들(1121, 1122)은 샤프트(2)의 회전축(X2)에 대하여 반경방향으로 연장된 반경(R11) 상에 정렬되어 있으며, 상기 수차(1)가 장착된 구조에서 상기 샤프트(2)의 회전축(X2)은 상기 수차(1)의 회전축(X1)과 구별되지 않는다.
상기 앵커링 레그들(112)은 샤프트(2)의 단부(21)에 나란히 배치된다. 상기 수차가 장착된 구조에서 상기 축(X1)을 향하는 레그(112)의 측면은 참조번호 1123으로 표시되어 있다. 상기 수차(1)가 장착된 구조에서 인접한 레그들을 향하는 레그(112)의 측면들은 참조번호 1124 및 1125로 표시되어 있다. 상기 측면(1124)은 드릴공들(1121, 1122)을 기준으로 버킷(111)의 오목한 측면에 배치되는 한편, 상기 측면(1125)은 상기 드릴공들을 기준으로 상기 버킷의 볼록한 측면에 배치된다.
반원형의 단면을 갖는 실린더형 하우징(1126)은 상기 측면(1124) 상에 배치되고 보여지는 한편, 반원형의 단면을 갖는 실린더형 하우징(1127)은 상기 측면(1125) 상에서 배치되고 보여진다. 도 1에 도시된 구조에서와 같이 두 개의 앵커링 레그들이 나란히 배치될 때 각각의 레그(112)의 하우징(1126 또는 1127)이 인접한 레그의 대응하는 하우징(1127 또는 1126)과 마주하여 배치되도록, 모든 앵커링 레그들(112)은 그것들 각각의 측면들(1124, 1125) 상에 하우징들(1126, 1127)을 갖추고 있다. 그리하여 하우징들(1126-1127)의 짝(pair)들은 실질적으로 원형의 단면을 갖는 실린더형 공간을 함께 구성하며, 그 실린더형 공간 내에, 실린더형이고 일체형 부품으로 제조되며 원형 단면을 갖는 로킹핀(locking pin: 13)이 결합될 수 있다.
하우징들(1126-1127)의 짝에 의해 형성된 실린더형 공간의 내경(Di)은 그 공간에 삽입되는 핀(13)의 일부분의 직경(D13)보다 약간 더 크다.
도 3에서, 수차(1)가 장착된 구조에 보여지는 서브조립체에 인접한 서브조립체의 앵커링 레그(112')의 윤곽은 점선들로 보여진다. 이러한 제2의 앵커링 레그(112')의 하우징(1126')은 상기 하우징(1127)과 함께 핀(13)의 수용을 위한 공간(V13)을 형성하며, 상기 핀은 도 3에서 화살표 F13 방향으로 즉, 상기 축들(X1, X2)에 평행한 방향으로 그 공간 안으로 삽입될 수 있다.
상기 앵커링 레그들(112)과 상기 단부(21)는, 수차(1)가 샤프트(2)에 장착될 때 다수의 레그들(112)의 대향면들(1124, 1125)이 접촉하지 않는 치수들을 갖는다.
서브조립체(11)의 앵커링 레그(112)는 일 표면(1128)을 포함하며, 상기 표면(1128)은 상기 표면(1123)과 반대편에 배치되며, 또한 상기 표면(1128)에는 상기 드릴공(1122)이 형성되어 있고 상기 표면(1128)과 근접된 상기 표면(1129)으로부터 돌출된 힐(heel: 1128A)이 형성되어 있다. 샤프트(2)의 단부(21)는 터미널 칼라(terminal collar: 211)를 일부분으로서 구비하며, 상기 터미널 칼라는 상기 단부(21)의 전방면(212)과 함께, 샤프트(2)에 서브조립체(11)가 장착된 구조에서 상기 힐(1128A)을 수용하기 위한, 숄더(shoulder: 213)를 형성한다.
각각의 핀(13)은, 그 단부들 중 하나에, 홈들(1126A 또는 1127A)에 결합되는 헤드(head: 131)를 갖추고 있으며, 상기 홈들은 상기 표면(1129) 부근에서 각각의 하우징(1126 또는 1127)의 가장자리를 이루고 있다. 상기 핀들은 상기 표면(1129)의 측면을 통해 상기 하우징들(1126, 1127) 내에 투입될 수 있으며, 이때 그것들의 헤드(131) 반대편 단부는 도 3에서 화살표 F13 방향으로 그 하우징들 내에 결합된다.
일 변형예로써, 상기 핀들(13)은 레그들(112)의 상기 표면(1129) 반대편의 측면을 통해 상기 공간(V13) 안으로 삽입될 수 있다. 이러한 경우, 상기 홈들(1126A, 1127A)은 상기 표면(1129) 부근으로부터 제거된다.
샤프트(2)의 단부(21)에 각각의 앵커링 레그(112)를 위치고정(positioning)함으로써 샤프트(2)에 수차(1)가 조립되며, 이때 그것의 드릴공들(1121, 1122)은, 상기 단부(21)에 배열되어 있는 대응하는 드릴공들(214, 215)과 마주하며, 고정핀들(12)이 통과될 수 있도록 한다. 서브조립체들(11)이 샤프트(2)에 장착될 때 상기 핀들(13)은 레그들(112) 사이에 점차적으로 삽입되며, 이때 상기 핀들은 축들(X1 및 X2)에 평행한 그것들 각각의 축(X13)을 따라 장착된 후 보여지지 않게 된다. 이후, 각각의 서브조립체(11)에 대해, 드릴공들(1121, 214) 및 드릴공들(1122, 2215) 각각에 고정핀들(12)이 죄여진다.
일 변형예로써, 서브조립체들(11)이 베이스 템플릿(base template) 상에 고정된 후, 상기 표면(1129)을 통해 상기 핀들(13)이 상기 공간들(V13) 내로 삽입되어 형성된 수차가 샤프트(2)의 플랜지 플레이트(flange plate) 상에 장착된다. 이후, 고정핀들(12)이 죄여진다.
이러한 구조에서, 다수의 레그들(112)의 표면들(1124, 1125)은 서로 접촉하지 않으며 여러 하우징들(1126, 1127)은 짝으로 로킹핀들(13)을 수용하기 위한 공간(V13)을 형성한다. 도 2에서 상기 핀들(13)은 샤프트(2)의 단부(21)에 삽입되지 않음을 유의한다.
따라서, 상기 핀들(13)이 하우징들(1126, 1127) 내에 배치될 때, 그것들은 형성되어진 수차(1)의 안정성을 보장한다.
수차(1)가 하중 하에서 첫번째 회전을 할 때, 즉 수차가 도 1, 4 및 5에서의 화살표(E)로 나타내진 유동을 받을 때, 서브조립체들(11)은 원심력 효과에 따라 샤프트(2)의 단부(21)의 숄더(213)에 가압된다. 이들 서브조립체들은 샤프트(2)에 대해 상대적으로 회동하며, 이는 앵커링 레그의 하우징(1127)에 결합된 핀(13)에 각각의 앵커링 레그가 강하게 가압되도록 하며 이러한 현상은 수차(1)의 모든 서브조립체들(11)에 대해 마찬가지로 일어난다. 다수의 서브조립체들은 그것들의 회동 작동시 샤프트(2)에 대해 상대적으로 핀들(13)을 약간 이동시키며, 이는 핀들(13)이 샤프트(2)에 고정되지 않기 때문에 가능하다. 제트(jet)로 인해 각각의 버킷(111)이 받는 힘은 샤프트(2)에 대한 서브조립체들(11)의 상대적인 슬라이딩을 발생시키며 핀들(13)의 작용을 통해 이들 서브조립체들을 서로에 대해 고정시킨다. 따라서, 핀들(13)은 다수의 앵커링 레그들(112)을 서로에 대해 로킹시키면서, 샤프트(2) 상에서 다수의 서브조립체들(11)의 지속적인 장착을 보장한다.
도시의 명확성을 위해 헤드들(131)이 생략된 도 4 및 5는, 상기 현상을 도식화하며, 수차(1)가 첫번째로 가동하기 이전 및 이후 각각에 대하여 두 개의 앵커링 레그들(112) 및 핀(13)을 나타낸다. 첫번째 출발 이전에, 핀(13)은 레그들(112)의 하우징들(1126, 1127)에 의해 합작으로 형성된 공간(V13) 내에 장착되어 있다. 유동(E)에 기한 힘(E)이 서브조립체들(11)에 가해질 때, 도 5에서 화살표 F2에 의해 보여지는 바와 같이 레그들(112)은 서로에 대해 상대적으로 슬라이딩한다. 도면의 상부에 도시된 레그(112)는 하부에 도시된 레그(112)에 대하여 반경방향으로 내측으로 슬라이딩하는 경향을 띠며, 이는 하우징(1126)을 형성하는 표면의 일부분(1126B)이 핀(13)을 가압하여 상측에 도시된 레그(112)의 하우징(1127)을 형성하는 표면의 일부분(1127B)을 가압하도록 그 핀(13)을 이동시키는 효과를 나타낸다. 따라서 하우징들(1126, 1127) 표면들의 일부분들(1126B, 1127B)은 핀(13)과 앵커링 레그들(112) 간의 접촉 영역들을 형성하며, 이때 상기 영역(1126B)은 반경 방향에서 상기 핀(13)의 중심축(X13)보다는 상기 축(X1)에 더 가까우며, 상기 핀(13)의 중심축(X13)은 상기 영역(1127B)보다는 상기 축(X1)에 보다 더 가깝다.
다시 말해서, 핀들(13)은 직경들 Di 및 D13 간의 차이로 인해 유격(clearance)을 가지고 하우징들(126, 127) 내에 장착되며, 하중 조건에서 수차(1)의 첫번째 회전은 앵커링 레그들(112)의 서로에 대한 상대적인 슬라이딩(F2)으로 인해 상기 유격을 차지하는 효과를 갖는다.
터빈(1)의 정지(stopping) 및 개시(starting) 기간 도중, 첫번째 가동시 슬라이딩 이후 얻어지는 다수의 앵커링 레그들의 상대적인 위치는, 조립 부품들(112, 13) 간의 마찰력으로 인해 유지된다. 상대적 슬라이딩이 가능하도록 배치된 상기 부품들(112, 13) 간의 마찰을 증대시키기 위해, 그것들 각각의 접촉면들 간의 마찰 계수를 증가시키는 분말(powder)들을 사용하는 것이 가능하다. 이는, 상기 수차의 개시 및 정지 기간 도중 또는 상기 수차의 첫번째 회전 이후의 평상적 작동 도중, 상기 표면들 간의 마찰이 앵커링 레그들(112)과 핀들(13) 사이의 슬라이딩을 방지할 수 있다는 것을 보장한다.
터빈(T) 운행시 상당한 원심력이 서브조립체들(11)에 작용하며, 그 서브조립체들은 반경방향으로 축(2)의 외측을 향해 함께 슬라이딩하려고 한다. 터빈(T)의 평상적인 재개(normal restart)에 후속하는 운행 이후, 서브조립체들(11)은 그것들의 균형잡힌 위치를 다시 취한다.
더욱이, 회전에 따른 원심력 효과 하에서, 수차(1)의 반경방향 팽창 이동은, 앵커링 레그들(112)의 힐들(1128A)이 상기 단부(21)의 숄더(213)에 배치된다는 사실에 의해 제한된다. 따라서, 수차(1)의 반경방향 팽창은, 서브조립체들(11)의 레그들(112)에 대한 반경방향 정지부를 형성하는 칼라(211)에 가하는 각각의 앵커링 레그(112)의 표면(1128)의 압력에 의해 제한된다.
도 1 내지 5를 참조하여 설명된 본 발명의 제1 실시예는 보다 특정적으로는, 전술한 바와 같이, 칼라(211) 및 드릴공들(214, 215)을 형성함으로써, 힘-흡수 플랜지(force-absorbing flange)를 사용함 없이 서브조립체들(11)을 직접적으로 수용하도록 샤프트(2)가 구성될 수 있는, 신규한 터빈의 제조에 적용된다.
도 6 내지 9에 도시된 바와 같이, 본 발명은 또한 샤프트(2)가 평탄한 단부를 갖는 터빈(T)에 적용될 수도 있다. 이러한 터빈은 샤프트가 교체될 필요가 없는 현존하는 터빈의 재설비에 특히 유용하다.
도 6 내지 9에 도시된 세 가지 실시예들에서, 제1 실시예의 요소들에 유사한 요소들은 동일한 참조번호를 갖고 있다. 이들 세 가지 실시예들에서는, 제1 실시예의 하우징들(1126, 1127)과 유사한 하우징들에 의해 형성된 실린더형 공간들 내에 핀들(13)이 유격을 가지고 장착되어 있으며, 이는 또한, 제1 실시예에 대하여 전술했던 바와 같이, 하중을 받으면 수차가 회전하는 도중에 앵커링 레그들(112)의 상대적인 슬라이딩 이동에 후속하는 앵커링 레그들의 서로에 대한 로킹을 가능하게 한다.
도 6 및 7에 도시된 본 발명의 제2 실시예에서, 펠톤 터빈(T)은 서브조립체들(11)에 의해 형성되며, 제1 실시예에서와 같이, 그 서브조립체들은 버킷들(111)과 앵커링 레그들(112)을 포함한다. 샤프트(2)의 단부(21)는 평탄한 전방면(flat front face: 212)을 갖는다. 수차(1)는 결합 고정핀들(12)을 통해 샤프트(2)에 고정되며, 상기 고정핀들은, 상기 전방면(212)에 대한 앵커링 레그들(112)의 반경방향 내측 영역의 축방향 압력을 위한 칼라(141)가 구비된 플랜지(14)를 관통한다. 고정핀들(12)은 상기 단부(21)에 배열된 드릴공들(214)을 관통하며, 이러한 드릴공들은 터빈(T) 재설비의 경우 미리 마련된 수 있다. 고정핀들(12)이 플랜지(14) 안을 통과할 수 있도록 드릴공들(142)의 배열은 상기 드릴공들(214)의 배열과 맞아 떨어진다.
앵커링 레그들(112)의 양 측면 상에는 두 개의 후프들(hoop: 15A, 15B)이 배치되며, 그것들은 터빈(T)이 회전할 때 특히 운행하는 경우에 원심력 작용으로 인한 수차(1)의 반경방향 팽창을 견딜수 있도록 한다. 레그들(112)에는 힐들(1128A, 1128B)이 배열되어 있으며, 이것들은 원심력의 작용 하에서 상기 후프들(15A, 15B) 각각을 들이밀기 위한 것이다. 전술한 바와 같이, 제1 실시예의 하우징들(1126, 1127)처럼, 두 개의 인접한 앵커링 레그들(112)의 계면에서 로킹핀들(13)은 하우징들 내에 삽입된다.
도 8에 도시된 제3 실시예에서, 수차(1)의 서브조립체들(11)의 앵커링 레그들(112)을 펠톤 터빈(T)의 샤프트(2)의 평탄한 전방면(212)에 가압하기 위해, 플랜지(14)가 또한 사용된다. 이전과 같이, 앵커링 레그들(112)의 상대적인 슬라이딩을 제한하기 위해 로킹핀들(13)이 사용된다. 연합 플랜지(companion flange: 16)는 플랜지(14)의 압력을 받으며, 제1 실시예의 고정핀들과 유사한 로킹 고정핀들(12)이 관통하는 드릴공들(161, 162)을 구비한다. 상기 연합 플랜지(16)는 칼라(163)를 형성하며, 상기 칼라는 각각의 서브조립체(11)의 앵커링 레그(112)의 힐(1128A)에 대한 후프(hoop)로서 작동한다.
제2 실시예에서와 같이, 이러한 실시예에서, 주 고정핀들(17)은 샤프트(2)를 향해 플랜지(14) 및 레그들(112)을 축방향으로 가압하기 위해 사용된다.
도 9에 도시된 제4 실시예에서, 제2 실시예의 플랜지들(14, 16)은 일체형 플랜지(14)로 대체되며, 상기 일체형 플랜지에는 주 고정핀들(17)이 관통하는 드릴공들(142) 및 앵커링 핀들(112)을 그 플랜지에 체결하기 위해 고정핀들(12)이 관통하는 드릴공들(143, 144)이 형성되어 있다. 상기와 같이, 수차(1)는 버킷(111), 레그(112) 및 로킹핀들(13)을 각각 포함하는 서브조립체들(11)을 포함하며, 상기 로킹핀들은 앵커링 레그들(112) 사이의 상대적인 슬라이딩을 제한하는 것을 가능하게 한다. 상기 플랜지(14)는 후프(145)를 형성하며, 상기 후프에 대해 각각의 레그(112)의 힐(1128A)이 가압한다.
설명된 여러 실시예들의 기술적 특징들은 본 발명의 범위 내에서 조합될 수 있다.
상기 실시예와는 달리, 서브조립체들(11)의 개수, 고정핀들(12)의 개수, 및 로킹핀들(13)의 개수는 당업자들이 선택하는 설계에 따른다.
상기 핀들(13)은 반드시 원형 단면을 가져야 하는 것은 아니다. 이러한 경우, 하우징들(1126, 1127)의 형상은 핀들의 형상에 대응된다.
본 발명의 모든 실시예들에 적용될 수 있는 일 변형예에 따라, 작동시 서브조립체들(11)의 마찰에 의한 위치 고정을 보장하기 위해, 상기 부품들(11, 2) 간의 마찰계수, 그리고, 필요한 경우 이들 부품들과 상기 부품들(14, 145) 간의 마찰계수를 증가시키는 코팅이 그 부품들 간의 계면에 사용될 수 있다.
설명된 실시예들을 막론하여, 본 발명에 따른 펠톤 터빈 수차의 이점은 그것을 형성하는 버킷들이 첫번째 회전 도중 원심력 및 그 버킷들에 가해지는 하중의 작용 하에서 "셀프-로킹(self-locking)"한다는 사실에 있다. 더욱이, 버킷들의 앵커링 레그들 간의 상대적으로 큰 유격은, 버킷들이 서로에 대한 직접적인 압력에 의해서가 아니라 단지 로킹핀들을 통해서만 접촉함을 의미하며, 이는 필요시 하나 이상의 버킷들을 제거하고 교체하는 작업을 보다 용이하게 한다. 첫번째 회전 중의 상대적인 슬라이딩에 의한 버킷들의 앵커링 레그들의 상대적인 배치는, 그러한 슬라이딩 현상이 적용될 수 없는 종래의 장치들에 비하여 완전히 유리한 것이다.

Claims (14)

  1. 펠톤 터빈(T)의 수차(1)의 회전축(X1) 둘레에 분포된 다수의 서브조립체(11)를 포함하며 상기 서브조립체 각각은 하나의 버킷(111)과 하나의 앵커링 레그(112)를 포함한 펠톤 터빈 수차에 있어서,
    두 개의 인접한 앵커링 레그(112)로 이루어진 각각의 짝(pair) 사이에는 상기 수차(1)의 회전축(X1)에 평행한 방향(X13)으로, 원형 단면을 가진 실린더형 로킹핀(13)이 배치되며, 상기 로킹핀은 상기 두 개의 앵커링 레그에 각각 배열된 두 개의 하우징(1126, 1127)에 동시에 결합되는 것을 특징으로 하며,
    하중 하에서 상기 다수의 서브조립체(11)의 앵커링 레그(112)가 서로에 대해 슬라이딩하고, 하중 하에서의 상기 다수의 서브조립체(11)의 상대적인 이동(F2)은, 상기 두 개의 하우징(1126, 1127) 중 하나의 하우징(1126)을 형성하는 표면의 일부분(1126B)을, 상기 하우징(1126, 1127) 내에 결합된 상기 로킹핀(13)에 대해 가압하며, 상기 로킹핀(13)을, 상기 두 개의 하우징(1126, 1127) 중 다른 하나의 하우징(1127)을 형성하는 표면의 일부분(1127B)에 대해 가압하고, 각각의 로킹핀(13)은 상기 두 개의 인접한 앵커링 레그(112)를 로킹시키는 것을 또한 특징으로 하는 펠톤 터빈 수차.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 두 개의 앵커링 레그(112)의 측면(1124, 1125)은 서로 접촉하지 않으며, 상기 로킹핀(13)은 상기 두 개의 앵커링 레그(112) 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 펠톤 터빈 수차.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    두 개의 인접한 앵커링 레그(112)에 배열된 한 쌍의 하우징(1126, 1127)에 의해 형성된 원형 단면을 지닌 실린더형 공간의 내경(Di)은 상기 공간에 결합되는 상기 로킹핀(13)의 일부분의 직경(D13)보다 큰 것을 특징으로 하는 펠톤 터빈 수차.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각각의 앵커링 레그(112)는, 상기 두 개의 인접한 앵커링 레그(112)를 각각 향하고 있는 각각의 앵커링 레그(112)의 두 개의 측면(1124, 1125) 각각에, 로킹핀(13)을 부분적으로 수용하기 위한 하우징(1126, 1127)을 구비하는 것을 특징으로 하는 펠톤 터빈 수차.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    앵커링 레그의 각각의 하우징(1126, 1127)은 각각의 하우징(1126, 1127)이 수용하는 로킹핀(13) 영역의 반쪽에 대응하는 영역을 지닌 실린더 형상인 것을 특징으로 하는 펠톤 터빈 수차.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각각의 앵커링 레그(112)는 적어도 하나의 힐(1128A; 1128B)을 구비하며, 상기 수차(1)의 회전에 따른 원심력의 작용 하에서 상기 힐은 상기 앵커링 레그를 둘러싼 환형의 후프(15A, 15B; 145), 또는 샤프트(2)의 단부(21)의 터미널 칼라(211), 또는 연합 플랜지(16)의 칼라(163)와 접촉하도록 마련된 것을 특징으로 하는 펠톤 터빈 수차.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 서브조립체(11)는 힘-흡수 플랜지를 사용함 없이 상기 펠톤 터빈(T)의 샤프트 단부(21) 상에 직접 장착되는 것을 특징으로 하는 펠톤 터빈 수차.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 서브조립체(11)는 환형의 플랜지(14), 후프(15A, 15B) 및 연합 플랜지(16) 중 적어도 하나에 의해 상기 펠톤 터빈(T)의 샤프트 단부(21)에 장착되는 것을 특징으로 하는 펠톤 터빈 수차.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 플랜지(14)는 상기 앵커링 레그(112)가 장착되는 상기 연합 플랜지(16)에 대향하여 안착되는 것을 특징으로 하는 펠톤 터빈 수차.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 플랜지(14) 또는 상기 연합 플랜지(16)는 원심력의 작용 하에서 상기 앵커링 레그(112)의 힐(1128A)의 압력을 수용할 수 있는 후프(145) 또는 칼라(163)를 형성하는 것을 특징으로 하는 펠톤 터빈 수차.
  11. 제8항에 있어서,
    적어도 하나의 후프(15A, 15B)는 상기 플랜지(14)와는 독립적으로 상기 앵커링 레그(112) 둘레에 배치되는 것을 특징으로 하는 펠톤 터빈 수차.
  12. 제1항 또는 제2항에 따른 수차(1)를 포함하는 펠톤 터빈(T).
  13. 펠톤 터빈(T)의 수차(1)의 회전축(X1) 둘레에 분포된 다수의 서브조립체(11)를 포함하며 상기 서브조립체 각각은 하나의 버킷(111)과 하나의 앵커링 레그(112)를 포함하는 펠톤 터빈 수차의 장착 방법에 있어서,
    a) 상기 서브조립체(11)를 원형 구조 상에 장착하는 단계;
    b) 두 개의 인접한 앵커링 레그로 이루어진 각각의 짝에 각각 배치된 두 개의 하우징(1126, 1127)에, 상기 수차(1)의 회전축(X1)에 평행한 방향(X13)으로, 실린더형이며 원형 단면을 가진 로킹핀(13)을 배치시키는 단계; 및
    c) 상기 수차(1)에 하중에 의한 회전을 발생시키는 단계로서, 상기 회전 중에 상기 다수의 서브조립체(11)의 앵커링 레그(112)가 하중 하에서 서로에 대해 슬라이딩하고, 하중 하에서의 상기 다수의 서브조립체(11)의 상대적인 이동(F2)은, 상기 두 개의 하우징(1126, 1127) 중 하나의 하우징(1126)을 형성하는 표면의 일부분(1126B)을, 상기 서브조립체의 하우징(1126, 1127) 내에 결합된 상기 로킹핀(13)에 대해 가압하며, 상기 로킹핀(13)을, 상기 두 개의 하우징(1126, 1127) 중 다른 하나의 하우징(1127)을 형성하는 표면의 일부분(1127B)에 대해 가압하고, 각각의 로킹핀(13)은 상기 두 개의 인접한 앵커링 레그(112)를 로킹시키는, 상기 회전 발생 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 펠톤 터빈 수차의 장착 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 수차(1)가 하중에 의해 회전하는 도중, 앵커링 레그(112)는 상기 회전축(X1)을 향해 반경방향으로 슬라이딩하며, 상기 앵커링 레그에서 하우징(1126)을 형성하는 표면의 일부분(1126B)은 상기 하우징에 삽입된 로킹핀(13)을 가압하며, 상기 로킹핀은 인접한 앵커링 레그(112)의 하우징(1127)을 형성하는 표면의 일부분(1127B)을 가압하는 것을 특징으로 하는 펠톤 터빈 수차의 장착 방법.
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