KR101734468B1 - 패시브 브레이크를 포함하는 수력터빈 및 작동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스테이터와, 적어도 한 세트의 베어링 상에서 스테이터 내에 지지된 로터는 갖는 수력터빈에 관한 것이다. 터빈은, 터빈에 대한 손상을 방지하기 위하여 소정 수준의 베어링 마모를 따라 작동하는 브레이크를 갖는다.

Description

패시브 브레이크를 포함하는 수력터빈 및 작동방법{A HYDROELECTRIC TURBINE COMPRISING A PASSIVE BRAKE AND METHOD OF OPERATION}

본 발명은 수력터빈에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 조류 지역에 사용될 때 소정 수준의 베어링 마모를 따라 작동하는 브레이크, 바람직하게는 패시브 브레이크(passive brake)를 포함하여 터빈에 대한 손상을 방지하는 수력터빈에 관한 것이다.

지구의 산업화에 의한 환경적 충격, 특히 필요 에너지를 공급하는 화석연료의 사용은 더 이상 무시될 수 없는 단계에 있고, 그 결과 중요한 자원들은 이제 대체 형태의 에너지 발생을 지향하고 있다. 이들 새로운 형태의 대체 에너지로서 가장 유망한 것은 태양력, 풍력, 화력 및 조력이다. 조력은, 비록 전기를 생산하기 위해 수력터빈이 위치해야 하는 거친 해저 조건에서는 조력을 동력화하는 것이 논란의 여지는 있으나 상기한 동력원들 중에서 가장 어려운 일이라고 해도, 가장 일관되고 예측 가능한 동력을 제공하는 것으로 보인다.

수력터빈은 일반적으로 극히 까다로운 작업조건을 야기하는 높은 조류 지역에서 해저에 배치된다. 일단 해저에 설치된 터빈에 접근하는 것은 어렵고 시간이 소요되며 위험하기 때문에 최소로 일어나는 것이 바람직하다. 더욱이, 터빈의 다양한 작동 부품의 상태를 점검하는 일, 예컨대 과도한 베어링 마모를 점검하는 일을 매우 어렵다. 과도한 베어링 마모는 터빈에 손상을 초래할 수 있고, 비용이 드는 수리와 터빈의 발전능력의 중지를 요구한다.

따라서 본 발명의 목적은 과도한 베어링 마모의 경우에 터빈에 대한 손상을 방지하는 수력터빈과 그 작동방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제1 측면에 따르면, 스테이터 및 로터와; 상기 스테이터 내에서 상기 로터를 지지하는 적어도 한 세터의 베어링과; 상기 적어도 한 세트의 베어링의 소정 수준의 마모 시에 상기 로터에 제동력을 가하도록 작동 가능한 브레이크를 포함하고, 상기 브레이크는 상기 베어링의 마모 방향에 대해 상기 적어도 한 세트의 베어링의 베어링면보다 반경 방향 내측에 위치한 제동면을 갖는 하나 이상의 브레이크 패드부를 포함하는 수력터빈이 제공된다.

상기 브레이크는 패시브 브레이크인 것이 바람직하다.

상기 브레이크 패드부는 상기 적어도 한 세트의 베어링과 일체로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 적어도 한 세트의 베어링은 저널과 베어링 블록을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 저널은 상기 로터에 장착되고, 상기 베어링 블록은 상기 스테이터에 장착된 것이 바람직하다.

상기 각 브레이크 패드부는 상기 베어링 블록 중 하나에 배치되는 것이 바람직하다.

상기 하나 이상의 브레이크 패드부의 제동면은 상기 베어링 블록의 베어링면보다 함몰된 것이 바람직하다.

상기 각 브레이크 패드부의 양측에는 상기 베어링 블록의 일부 영역이 배치되어 있는 것이 바람직하다.

상기 브레이크는, 상기 적어도 한 세트의 베어링의 소정 수준의 마모가 일어나는 상기 터빈 상의 원주 위치에 상관없이, 상기 로터에 제동력을 가하도록 작동 가능한 것이 바람직하다.

상기 브레이크 패드부는 실질적으로 상기 터빈의 전체 원주 둘레에 배치되는 것이 바람직하다.

상기 적어도 한 세트의 베어링은 적어도 하나의 레이디얼 베어링과 적어도 하나의 쓰러스트 베어링을 포함하고, 상기 브레이크는 상기 레이디얼 베어링 또는 상기 쓰러스트 베어링의 마모가 소정 수준에 이르렀을 때 상기 로터에 제동력을 가하도록 작동 가능한 것이 바람직하다.

본 발명의 제2 측면에 따르면, 수력터빈의 손상을 방지하는 방법으로서, 상기 터빈은 스테이터 및 로터와, 상기 스테이터와 상기 로터 사이에 배치된 적어도 한 세트의 베어링과, 하나 이상의 브레이크 패드부를 갖는 브레이크를 포함하고, 상기 브레이크 패드부는 상기 베어링의 마모 방향에 대해 상기 적어도 한 세트의 베어링의 베어링면보다 반경 방향으로 내측에 위치한 제동면을 갖고, 상기 방법은, 상기 제동면과 상기 스테이터 또는 상기 로터와의 접촉에 의한 상기 적어도 한 세트의 베어링의 소정 수준의 마모에 따라, 상기 베어링면의 상기 제동면의 수준까지의 마모에 이어, 상기 로터에 자동으로 제동력을 가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법이 제공된다.

여기서, 상기 로터의 회전을 실질적으로 정지시키기에 충분한 제동력을 상기 로터에 가하는 것이 바람직하다.

상기 소정 수준의 베어링 마모가 일어나는 상기 터빈 상의 위치에 상관없이 상기 로터에 제동력을 가하는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수력터빈의 개략 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 수력터빈의 베어링 블록 형성부를 나타낸 사시도이다.

첨부도면을 참조하면, 전체적으로 참조번호 10으로 지시된 수력터빈이 도시되어 있다. 이 터빈(10)은 터빈(10)을 통하는 조류 또는 다른 수류에 응답하여 전기를 생산하기 위하여 해저 등에 설치되도록 구성된다. 터빈(10)은 사용중에 적절한 베이스(미도시) 등에 고정되는 링형 스테이터를 포함한다. 스테이터 내에는 로터(14)가 회전 장착되어 있다. 스테이터(12)는 환형 코일 어레이(미도시)를 구비하고 있고, 로터는 그 원주 둘레에 장착된 대응하는 환형 마그네트 어레이를 구비하고 있다. 스테이터(12) 내부에서 로터(14)의 회전은 코일과 마그네트 사이의 상대 운동을 야기하고, 기전력(EMF)을 발생시킴으로써, 터빈(10)으로부터 출력되는 전력을 제공한다. 도시된 바람직한 실시예에서, 터빈(10)은 중심 개방형 터빈(open centre turbine)을 포함하지만, 이하의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 다른 형태의 수력터빈에도 적용될 수 있다.

터빈(10)은 또한 한 쌍의 레이디얼(radial) 베어링(16)과 한 쌍의 쓰러스트(thrust) 베어링(18)의 형태로 베어링을 포함한다. 레이디얼 베어링(16)은 로터(14)의 하중을 지지하고, 스테이터(12) 내에서 로터(14)의 원치 않는 방사상 운동을 방지한다. 쓰러스트 베어링(18)은 로터(14)에 대한 조류에 의해 로터(14)에 가해지는 축방향 하중을 지지한다. 이 하중은 조류가 반전할 때 반전한다. 도시된 바람직한 실시예에서, 레이디얼 베어링(16)과 쓰러스트 베어링(18)은 모두 각각 로터(14) 주위에 경계를 설정하며 적절한 수단에 의해 로터에 부착된 환형 저널(20)을 포함한다. 저널(20)은 예컨대 스테인리스강(stainless steel)과 같은 적절한 재료로 형성될 수 있다. 또한 베어링(16, 18)은 대응하는 저널(20) 상에서 주행하는 환형 베어링 블록(22) 어레이를 포함한다. 베어링 블록은 적절한 수단에 의해 스테이터(12)에 장착된다. 베어링 블록(22)은 적절한 재료, 예컨대 충분히 낮은 마찰계수를 갖지만 허용 가능한 마모율을 제공하기에 충분히 단단한 재료로 형성될 수 있다. 베어링(16, 18)의 위치와 개수는 필요에 따라 변경될 수 있다.

특히 도 2를 참조하면, 터빈(10)으로부터 분리된 베어링 블록(22)의 하나가 도시되어 있다. 베어링 블록(22)은 실질적으로 U자형으로서, 오목한 중앙부(24)를 갖는다. 중앙부(24) 양측에는 한 쌍의 숄더부(26)가 배치되어 있다. 중앙부(24) 내에는 브레이크 패드(28)가 장착되어 있다. 브레이크 패드(28)의 제동면(braking surface)(30)은, 사용중 베어링 블록(22)이 마모되는 방향에 대해, 베어링 블록(22)의 베어링면(32)의 반경 방향 내측에 위치한다. 상술한 바와 같이, 레이디얼 베어링(16)과 쓰러스트 베어링(18)은 각각 서로 단부 이음(end to end) 정렬된 환형의 베어링 블록(22)을 포함한다. 그러나 모든 베어링 블록(22)이 반드시 내부에 브레이크 패드(28)를 구비해야 하는 것을 아님을 알 수 있다. 예를 들어, 레이디얼 베어링(16)과 쓰러스트 베어링(18)에 있어서 두 개의 베어링 블록(22)마다 하나씩 브레이크 패드(28)를 구비할 수 있다. 브레이크 패드(28)를 구비하지 않은 베어링 블록(미도시)에 대해서는, 중앙부(24)가 마련되지 않는 것이 바람직하며, 따라서 이러한 베어링 블록은 연속적인 베어링면을 갖게 된다. 이와 달리, 브레이크 패드(28)는 터빈(10) 원주 둘레에서 다수의 베어링 블록(22)에만 제공될 수도 있다.

사용중 로터(14)는 스테이터(12) 내에서 회전하고, 레이디얼 베어링(16) 및 쓰러스트 베어링(18)의 저널(20)은 대응하는 베어링 블록(22) 상에서 주행하면서 저널(20)보다 연한 재료로 형성된 베어링 블록(22)에 서서히 마모를 일으킨다. 베어링 블록(22)이 마모됨에 따라 베어링면(32)은 브레이크 패드(28)의 제동면(30)을 향해 서서히 후퇴한다. 이에 따라 결국 베어링 블록(22)은, 브레이크 패드(28)가 중앙부(24) 내부로부터 노출되어 각각의 저널(20)과 접촉할 만큼, 마모된다. 마모선(L)은 각 브레이크 패드(28)의 노출을 야기하는 베어링 블록(22)의 마모수준을 가리킨다. 브레이크 패드(28)가 베어링 블록(22)보다 훨씬 높은 마찰계수를 갖는 재료를 포함하기 때문에, 브레이크 패드(28)와 각각의 저널(20) 사이의 접촉은 로터(14)의 속도를 줄이게 되고 결국 로터를 완전히 정지시킨다. 이는 레이디얼 베어링(16)과 쓰러스트 베어링(18)이 터빈(10)에 손상을 입히는 수준까지는 마모되지 않음을 보장한다. (예컨대, 로터(14)가 스테이터(12)에 접촉하면 터빈(10)의 코일/마그네트에 손상을 초래할 수 있다.)

브레이크 패드(28)는 레이디얼 베어링(16)과 쓰러스트 베어링(18) 모두에 제공되는 것이 바람직하지만 반드시 그럴 필요는 없다. 마찬가지로, 브레이크 패드(28)도 레이디얼 베어링(16)과 쓰러스트 베어링(18) 모두에 제공되는 것이 바람직하지만 반드시 그럴 필요는 없다. 마찬가지로, 저널(20)과 베어링 블록(22)의 위치는 바뀔 수 있으며, 따라서 베어링 블록(22)은 로터(14)에, 그리고 저널(20)은 스테이터(12)에 배치될 수 있다. 다른 방식으로, 저널(20)은, 특히 베어링 블록(22)보다 높은 마모율을 갖는 재료로 형성되면, 내부로 함몰된 브레이크 패드(28)를 구비할 수 있다. 또한 저널(20)과 베어링 블록(22) 모두 브레이크 패드(28)를 구비할 수도 있다.

전술한 바와 같이, 브레이크 패드(28)는 레이디얼 및 쓰러스트 베어링(16, 18)의 전체 원주 둘레에 배치될 필요는 없지만, 베어링(16, 18)의 실질적으로 전체 원주 둘레에 제공되는 것이 바람직하다. 베어링 마모가 특히 스테이터(12)의 원주 둘레의 한 지점에서 일어날 때는, 마모가 증가하는 그 지점에서 로터(14)가 스테이터(12)에 더 가깝게 이동할 가능성이 있다. 이는 터빈(10)의 마그네트와 코일이 서로 더 근접해져서 결국 서로 접촉하게 되고 터빈(10)에 손상을 일으킨다는 것을 뜻한다. 브레이크 패드(28)를 로터(14)와 스테이터(12)의 실질적으로 전체 원주 둘레에 제공함에 의하여 로터(14)와 스테이터(12)가 터빈(10)의 원주 둘레의 어느 위치에서도 서로 접근하는 것이 방지된다. 브레이크 패드(28)의 위치, 특히 제동면(30)의 위치는, 로터(14)의 스테이터(12)에 대한 접근에 의해 터빈(10)에 손상이 야기될 수 있는 지점에 이르기 전에 로터(14)의 회전이 정지하도록, 선정된다.

이와 같이, 브레이크 패드(28)의 제공에 의해 작동중 터빈(10)의 손상 가능성을 방지하고, 그 결과 터빈(10)의 유지보수 필요성을 경감할 수 있다.

Claims (14)

1. 스테이터 및 로터와;
   상기 스테이터 내에서 상기 로터를 지지하는 적어도 한 세트의 베어링과;
   상기 적어도 한 세트의 베어링의 소정 수준의 마모 시에 상기 로터에 제동력을 가하도록 작동 가능한 브레이크를 포함하고,
   상기 브레이크는 상기 베어링의 마모 방향에 대해 상기 적어도 한 세트의 베어링의 베어링면보다 반경 방향 내측에 위치한 제동면을 갖는 하나 이상의 브레이크 패드부를 포함하는 수력터빈.
2. 제1항에 있어서,
   상기 브레이크는 패시브 브레이크인, 수력터빈.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 브레이크 패드부는 상기 적어도 한 세트의 베어링과 일체로 형성된, 수력터빈.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 적어도 한 세트의 베어링은 저널과 베어링 블록을 포함하는, 수력터빈.
5. 제4항에 있어서,
   상기 저널은 상기 로터에 장착되고, 상기 베어링 블록은 상기 스테이터에 장착된, 수력터빈.
6. 제4항에 있어서,
   상기 각 브레이크 패드부는 상기 베어링 블록에 배치된, 수력터빈.
7. 제4항에 있어서,
   상기 하나 이상의 브레이크 패드부의 제동면은 상기 베어링 블록의 베어링면보다 함몰된, 수력터빈.
8. 제6항에 있어서,
   상기 각 브레이크 패드부의 양측에는 상기 베어링 블록의 일부 영역이 배치되어 있는, 수력터빈.
9. 제7항에 있어서,
   상기 각 브레이크 패드부의 양측에는 상기 베어링 블록의 일부 영역이 배치되어 있는, 수력터빈.
10. 제1항에 있어서,
    상기 브레이크 패드부는 상기 수력터빈의 전체 원주 둘레에 배치된, 수력터빈.
11. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 한 세트의 베어링은 적어도 하나의 레이디얼 베어링과 적어도 하나의 쓰러스트 베어링을 포함하고, 상기 브레이크는 상기 레이디얼 베어링 또는 상기 쓰러스트 베어링의 마모가 소정 수준에 이르렀을 때 상기 로터에 제동력을 가하도록 작동 가능한, 수력터빈.
12. 수력터빈의 손상을 방지하는 작동방법으로서,
    상기 수력터빈은 스테이터 및 로터와, 상기 스테이터와 상기 로터 사이에 배치된 적어도 한 세트의 베어링과, 하나 이상의 브레이크 패드부를 갖는 브레이크를 포함하고, 상기 브레이크 패드부는 상기 베어링의 마모 방향에 대해 상기 적어도 한 세트의 베어링의 베어링면보다 반경 방향으로 내측에 위치한 제동면을 갖고,
    상기 방법은, 상기 베어링면이 상기 제동면의 수준까지 마모가 되면, 상기 제동면과 상기 스테이터 또는 상기 로터와의 접촉에 의한 상기 적어도 한 세트의 베어링의 소정 수준의 마모에 따라 상기 로터에 자동으로 제동력을 가하는 단계를 포함하는 수력터빈의 작동방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 로터의 회전을 정지시키기에 충분한 제동력을 상기 로터에 가하는 단계를 포함하는 수력터빈의 작동방법.
14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 소정 수준의 베어링 마모가 일어나는 상기 수력터빈 상의 위치에 상관없이 상기 로터에 제동력을 가하는 단계를 포함하는 수력터빈의 작동방법.

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