수력 터빈의 주요 구성 요소와 각 부품의 작동 원리

수력 터빈은 물의 위치 에너지를 기계 에너지로 변환하는 기계입니다. 이 기계를 이용하여 발전기를 구동하면 물의 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있습니다.

전기. 이것은 수력 발전기 세트입니다.
현대 수력 터빈은 물의 흐름 원리와 구조적 특성에 따라 두 가지 범주로 나눌 수 있다.
물의 운동 에너지와 위치 에너지를 모두 활용하는 또 다른 유형의 터빈은 충격식 터빈이라고 합니다.

역습
상류 저수지에서 끌어온 물은 먼저 물길 전환실(볼류트)로 흐른 다음, 안내 날개를 통해 러너 블레이드의 곡선형 채널로 흐릅니다.
물의 흐름은 날개에 반작용력을 발생시켜 임펠러를 회전시킵니다. 이때 물의 에너지가 기계 에너지로 변환되고, 러너를 통해 흘러나온 물은 드래프트 튜브를 통해 배출됩니다.

하류.
충격식 터빈은 크게 프랜시스 흐름, 경사 흐름 및 축류 흐름으로 나뉘며, 주요 차이점은 러너 구조가 다르다는 점입니다.
(1) Francis 러너는 일반적으로 12-20개의 유선형 나선형 블레이드와 휠 크라운 및 하단 링과 같은 주요 구성 요소로 구성됩니다.
유입 및 축류 유출 방식의 이 터빈은 적용 가능한 수두 범위가 넓고, 부피가 작으며 비용이 저렴하여 높은 수두에서 널리 사용됩니다.
축류형 터빈은 프로펠러형과 회전형으로 나뉩니다. 전자는 고정된 날개를 가지고 있고, 후자는 회전하는 날개를 가지고 있습니다. 축류형 러너는 일반적으로 3~8개의 날개, 러너 본체, 드레인 콘 등의 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다. 이러한 터빈의 물 통과 용량은 프랜시스형 터빈보다 큽니다. 패들 터빈의 경우, 날개가 부하에 따라 위치를 바꿀 수 있기 때문에 큰 부하 변화 범위에서 높은 효율을 나타냅니다. 그러나 캐비테이션 방지 성능과 터빈 강도는 혼합류형 터빈보다 떨어지고 구조도 더 복잡합니다. 일반적으로 수두가 10m 이하인 저수두 및 중수두 범위에 적합합니다.
(2) 물 전환실의 기능은 물이 물 안내 메커니즘으로 고르게 흐르도록 하고, 물 안내 메커니즘의 에너지 손실을 줄이고, 수차를 개선하는 것입니다.
기계 효율. 수두가 높은 대형 및 중형 터빈에는 원형 단면을 가진 금속 볼류트가 자주 사용됩니다.
(3) 물 안내 메커니즘은 일반적으로 일정 수의 유선형 안내 날개와 회전 메커니즘 등을 갖추고 러너 주위에 고르게 배치됩니다.
이 구성 요소의 기능은 물의 흐름을 러너로 고르게 유도하고, 안내 날개의 개도 조절을 통해 터빈의 오버플로우를 조건에 맞게 변경하는 것입니다.
발전기 부하 조정 및 변경 요구 사항은 모든 것이 닫혔을 때 밀봉수 역할을 할 수도 있습니다.
(4) 드래프트 파이프: 러너 출구에서 물 흐름에 남아 있는 에너지 중 일부가 사용되지 않으므로 드래프트 파이프의 기능은 이를 회수하는 것입니다.
에너지의 일부는 하류로 흘러가고 물은 하류로 배출됩니다. 소형 터빈은 일반적으로 효율이 높은 직선 원뿔형 드래프트 튜브를 사용하지만, 대형 및 중형 터빈은 그렇지 않습니다.

수도관을 깊게 팔 수 없기 때문에 엘보우 벤드형 드래프트 파이프를 사용합니다.
또한, 충격식 터빈에는 관형 터빈, 경사류 터빈, 가역 펌프 터빈 등이 있습니다.

충격식 터빈:
이러한 유형의 터빈은 고속 수류의 충격력을 이용하여 터빈을 회전시키며, 가장 일반적인 것은 버킷형입니다.
버킷 터빈은 일반적으로 위와 같은 고낙차 수력 발전소에 사용됩니다. 주요 작동 부품으로는 수로, 노즐 및 분무 장치가 있습니다.
니들 터빈, 수차, 볼류트 터빈 등에는 수차의 바깥쪽 가장자리에 여러 개의 단단한 숟가락 모양의 물통이 장착되어 있습니다. 이 터빈의 효율은 부하에 따라 달라집니다.
변화는 미미하지만, 물의 통과 용량은 노즐에 의해 제한되며, 이는 방사형 축류보다 훨씬 작습니다. 물의 통과 용량을 개선하려면 출력을 증가시켜야 합니다.
효율을 향상시키기 위해 대형 물통 터빈은 수평축에서 수직축으로 변경되었고, 단일 노즐에서 다중 노즐로 개발되었습니다.

3. 반동 터빈의 구조 소개
볼류트, 시트 링, 드래프트 튜브 등을 포함한 매설 부분은 모두 콘크리트 기초에 묻혀 있습니다. 이는 장치의 물 배수 및 넘침 방지 부분의 일부입니다.

볼루트
터빈 날개는 콘크리트 날개와 금속 날개로 나뉩니다. 수두가 40미터 이내인 터빈에는 주로 콘크리트 날개가 사용됩니다. 수두가 40미터 이상인 터빈에는 강도 확보를 위해 금속 날개가 일반적으로 사용됩니다. 금속 날개는 높은 강도, 편리한 가공, 간단한 토목 공사, 그리고 발전소의 수압관과의 용이한 연결 등의 장점을 가지고 있습니다.

금속 볼류트에는 용접식과 주조식 두 가지 유형이 있습니다.
수두가 약 40~200미터인 대형 및 중형 충격식 터빈에는 주로 강판 용접 볼류트가 사용됩니다. 용접의 편의를 위해 볼류트는 여러 개의 원뿔형 부분으로 나뉘는 경우가 많으며, 각 부분은 원형이고 볼류트의 꼬리 부분은 단면적이 작아지면서 시트 링과의 용접을 위해 타원형으로 변형됩니다. 각 원뿔형 부분은 판재 롤링 기계를 이용하여 롤 성형됩니다.
소형 프랜시스 터빈에서는 통째로 주조된 주철 볼류트가 흔히 사용됩니다. 고낙차 및 대용량 터빈에서는 일반적으로 주강 볼류트가 사용되며, 볼류트와 시트 링이 하나로 주조됩니다.
볼류트의 가장 아랫부분에는 유지 보수 중에 고인 물을 배출하기 위한 배수 밸브가 장착되어 있습니다.

시트 링
시트링은 충격식 터빈의 핵심 부품입니다. 수압을 견딜 뿐만 아니라 전체 터빈 본체와 본체 콘크리트의 무게까지 지탱해야 하므로 충분한 강도와 강성이 요구됩니다. 시트링의 기본 구조는 상부 링, 하부 링, 그리고 고정 가이드 베인으로 구성됩니다. 고정 가이드 베인은 시트링을 지지하고, 축 방향 하중을 전달하는 버팀대 역할을 하며, 유동면을 형성합니다. 또한, 터빈 주요 부품 조립 시 핵심 기준점이 되는 부품이자 가장 먼저 설치되는 부품 중 하나이므로, 충분한 강도와 강성을 확보하는 동시에 우수한 수력 성능을 갖춰야 합니다.
시트 링은 하중을 지탱하는 부품인 동시에 유체가 흐르는 부품이므로, 유체 흐름 표면은 유압 손실을 최소화하기 위해 유선형으로 설계되었습니다.
시트링은 일반적으로 단일 기둥형, 반일체형, 일체형의 세 가지 구조 형태를 가지고 있습니다. 프랜시스 터빈에는 일반적으로 일체형 구조의 시트링이 사용됩니다.

드래프트 파이프 및 기초 링
드래프트 튜브는 터빈의 유로 일부이며, 직선형, 원추형, 곡선형의 두 종류가 있습니다. 곡선형 드래프트 튜브는 일반적으로 대형 및 중형 터빈에 사용됩니다. 파운데이션 링은 프랜시스 터빈의 시트 링과 드래프트 튜브 입구 부분을 연결하는 기본 부품으로, 콘크리트에 매설됩니다. 러너의 하부 링은 이 파운데이션 링 내부에서 회전합니다.

물길 안내 구조물
수력 터빈의 수류 유도 메커니즘은 러너로 유입되는 물 흐름의 순환량을 형성하고 조절하는 기능을 합니다. 우수한 성능을 가진 회전식 다중 가이드 베인 제어 방식을 채택하여 유량 변화에 따른 에너지 손실을 최소화하면서 물이 러너 원주를 따라 균일하게 유입되도록 합니다. 또한 터빈의 우수한 수력학적 특성을 유지하고, 유량을 조절하여 터빈의 출력을 변경하며, 정상 및 사고 정지 시 물 흐름을 차단하고 터빈의 회전을 정지시키는 기능을 수행합니다. 대형 및 중형 수류 유도 메커니즘은 가이드 베인의 축 위치에 따라 원통형, 원추형(벌브형 및 경사류 터빈), 방사형(전관통형 터빈)으로 구분됩니다. 수류 유도 메커니즘은 주로 가이드 베인, 가이드 베인 작동 메커니즘, 환형 부품, 샤프트 슬리브, 씰 등의 구성 요소로 이루어져 있습니다.

가이드 베인 장치 구조.
물 유도 메커니즘의 환형 부품에는 하부 링, 상부 커버, 지지 커버, 제어 링, 베어링 브래킷, 스러스트 베어링 브래킷 등이 포함됩니다. 이러한 부품들은 복잡한 하중을 받으며 높은 제조 요구 사항을 충족해야 합니다.

하단 링
하부 링은 시트 링에 고정된 평평한 환형 부품으로, 대부분 주조 용접 구조입니다. 대형 장비의 경우 운송 조건의 제약으로 인해 두 부분으로 나뉘거나 여러 개의 부품을 조합하여 제작될 수 있습니다. 침전물 마모가 발생하는 발전소의 경우, 유동 표면에 특정 내마모 조치가 적용됩니다. 현재 내마모판은 주로 단면에 설치되며, 대부분 0Cr13Ni5Mn 스테인리스강을 사용합니다. 하부 링과 가이드 베인의 상하단면을 고무로 밀봉하는 경우, 하부 링에 테일 그루브 또는 압력판형 고무 씰링 그루브가 있어야 합니다. 당사는 주로 황동 씰링 플레이트를 사용합니다. 하부 링의 가이드 베인 샤프트 홀은 상부 커버와 동심원이어야 합니다. 중소형 장비의 경우 상부 커버와 하부 링을 동일한 방식으로 가공하는 경우가 많지만, 대형 장비는 현재 당사에서 CNC 보링 머신을 사용하여 직접 가공하고 있습니다.

제어 루프
제어 링은 릴레이의 힘을 전달하고 전달 메커니즘을 통해 안내 날개를 회전시키는 환형 부품입니다.

가이드 베인
현재 가이드 베인은 일반적으로 대칭형과 비대칭형의 두 가지 표준적인 날개 형상을 가지고 있습니다. 대칭형 가이드 베인은 주로 불완전한 볼류트 감김 각도를 가진 고비속 축류 터빈에 사용되고, 비대칭형 가이드 베인은 일반적으로 완전 감김 각도를 가진 볼류트와 큰 개구부를 가진 저비속 축류 터빈 및 고비속 및 중비속 프랜시스 터빈에 사용됩니다. (원통형) 가이드 베인은 일반적으로 전체를 주조하여 제작되며, 대형 장치에서는 주조 용접 구조도 사용됩니다.

가이드 베인은 워터 가이드 메커니즘의 중요한 구성 요소로, 러너로 유입되는 물 순환량을 형성하고 변화시키는 데 핵심적인 역할을 합니다. 가이드 베인은 가이드 베인 본체와 가이드 베인 샤프트의 직경 부분으로 나뉩니다. 일반적으로 전체를 주조하여 제작하며, 대형 설비에서는 주조 용접도 사용합니다. 사용되는 재료는 주로 ZG30 및 ZG20MnSi입니다. 가이드 베인의 유연한 회전을 보장하기 위해, 가이드 베인의 상부, 중간부, 하부 샤프트는 동심원을 이루어야 하며, 반경 방향 진폭은 중심 샤프트 직경 공차의 절반을 넘지 않아야 합니다. 또한, 가이드 베인 단면이 축에 수직이 아니어도 되는 허용 오차는 0.15/1000을 초과해서는 안 됩니다. 가이드 베인의 유동면 형상은 러너로 유입되는 물 순환량에 직접적인 영향을 미칩니다. 가이드 베인의 헤드와 테일 부분은 일반적으로 캐비테이션 저항성을 향상시키기 위해 스테인리스강으로 제작됩니다.

가이드 베인 슬리브 및 가이드 베인 추력 장치
가이드 베인 슬리브는 가이드 베인의 중앙 샤프트 직경을 고정하는 부품으로, 재질, 밀봉 방식 및 상부 커버의 높이에 따라 구조가 결정됩니다. 대부분 일체형 원통형이며, 대형 유닛의 경우 간격 조정이 용이한 분할형 구조가 주로 사용됩니다.
가이드 베인 추력 장치는 수압 작용으로 인해 가이드 베인이 위로 부력을 받는 것을 방지합니다. 가이드 베인의 무게가 가이드 베인의 자중을 초과하면 가이드 베인이 위로 들려 상부 덮개와 충돌하여 커넥팅 로드에 작용하는 힘에 영향을 미칩니다. 추력판은 일반적으로 알루미늄 청동으로 만들어집니다.

가이드 베인 씰
가이드 베인은 세 가지 밀봉 기능을 수행합니다. 첫째는 에너지 손실을 줄이는 것이고, 둘째는 위상 변조 작동 중 공기 누출을 줄이는 것이며, 셋째는 캐비테이션을 줄이는 것입니다. 가이드 베인 씰은 높이 씰과 끝단 씰로 나뉩니다.
가이드 베인의 축 직경 중간과 하단에는 밀봉부가 있습니다. 축 직경이 밀봉되면 밀봉 링과 가이드 베인 축 직경 사이의 수압이 단단히 차단됩니다. 따라서 슬리브에는 배수 구멍이 있습니다. 축 직경 하단의 밀봉은 주로 침전물 유입 및 축 직경 마모 발생을 방지하기 위한 것입니다.
가이드 베인 구동 메커니즘에는 여러 종류가 있으며, 일반적으로 사용되는 것은 크게 두 가지입니다. 하나는 포크 헤드형으로, 응력 조건이 우수하여 대형 및 중형 장치에 적합합니다. 다른 하나는 이어 핸들형으로, 구조가 단순하여 소형 및 중형 장치에 더 적합합니다.
이어 핸들 구동 메커니즘은 주로 가이드 베인 암, 연결판, 분할 반쪽 키, 전단 핀, 샤프트 슬리브, 엔드 커버, 이어 핸들, 회전 슬리브 연결 로드 핀 등으로 구성됩니다. 힘 전달력은 좋지 않지만 구조가 간단하여 소형 및 중형 장치에 더 적합합니다.

포크 구동 메커니즘
포크 헤드 변속 메커니즘은 주로 가이드 베인 암, 연결판, 포크 헤드, 포크 헤드 핀, 연결 나사, 너트, 하프 키, 전단 핀, 샤프트 슬리브, 엔드 커버 및 보상 링 등으로 구성됩니다.
가이드 베인 암과 가이드 베인은 분할 키로 연결되어 작동 토크를 직접 전달합니다. 가이드 베인 암에는 엔드 커버가 장착되어 있으며, 가이드 베인은 조정 나사를 통해 엔드 커버에 매달립니다. 분할 키를 사용하기 때문에 가이드 베인 본체의 상하단면 사이의 간격을 조정할 때 가이드 베인이 상하로 움직이며, 다른 구동 부품의 위치에는 영향을 미치지 않습니다.
포크 헤드 변속 메커니즘에서 가이드 베인 암과 연결판에는 전단 핀이 장착되어 있습니다. 가이드 베인이 이물질로 인해 고착되면 관련 변속 부품의 작동력이 급격히 증가합니다. 응력이 1.5배 증가하면 전단 핀이 먼저 절단되어 다른 변속 부품의 손상을 방지합니다.
또한, 연결판 또는 제어 링과 포크 헤드 사이의 연결부에는 연결 나사가 수평을 유지하도록 조정용 보정 링을 설치할 수 있습니다. 연결 나사의 양 끝 나사산은 각각 좌나사산과 우회사산이므로 설치 시 연결봉의 길이와 가이드 베인의 개구부를 조정할 수 있습니다.

회전 부품
회전부는 주로 러너, 주축, 베어링 및 밀봉 장치로 구성됩니다. 러너는 상부 크라운, 하부 링 및 블레이드를 조립하고 용접하여 만듭니다. 대부분의 터빈 주축은 주조 방식으로 제작됩니다. 가이드 베어링에는 여러 종류가 있습니다. 발전소의 운전 조건에 따라 수윤활식, 점도유 윤활식, 건식 오일 윤활식 등 다양한 종류의 베어링이 사용됩니다. 일반적으로 발전소에서는 점도유 실린더형 또는 블록형 베어링을 주로 사용합니다.

프랜시스 러너
프랜시스 러너는 상부 크라운, 블레이드 및 하부 링으로 구성됩니다. 상부 크라운에는 일반적으로 누수 손실을 줄이기 위한 누수 방지 링과 축 방향 수압을 줄이기 위한 압력 완화 장치가 장착되어 있습니다. 하부 링에도 누수 방지 장치가 장착되어 있습니다.

축방향 러너 블레이드
축류 러너의 블레이드(에너지 변환의 주요 구성 요소)는 본체와 피벗 두 부분으로 구성됩니다. 이 두 부분은 별도로 주조된 후, 나사 및 핀과 같은 기계 부품과 가공되어 결합됩니다. (일반적으로 러너의 직경은 5미터 이상입니다.) 주로 ZG30 및 ZG20MnSi 재질로 제작됩니다. 러너의 블레이드 개수는 일반적으로 4개, 5개, 6개 또는 8개입니다.

러너의 몸
러너 본체는 모든 블레이드와 작동 메커니즘을 갖추고 있으며, 상부는 메인 샤프트에 연결되고 하부는 복잡한 형상의 드레인 콘에 연결됩니다. 일반적으로 러너 본체는 ZG30 및 ZG20MnSi 재질로 제작되며, 부피 손실을 줄이기 위해 대부분 구형입니다. 러너 본체의 구체적인 구조는 릴레이의 배치 위치와 작동 메커니즘의 형태에 따라 달라집니다. 메인 샤프트와의 연결부에서 커플링 스크류는 축 방향 힘만 지지하고, 토크는 연결면의 반경 방향으로 배치된 원통형 핀이 지지합니다.

작동 메커니즘
작동 프레임이 있는 직선 연결 장치:
1. 날개 각도가 중간 위치에 있을 때, 암은 수평이고 연결봉은 수직입니다.
2. 회전 암과 블레이드는 원통형 핀을 사용하여 토크를 전달하고, 스냅링으로 반경 방향을 고정합니다.
3. 커넥팅 로드는 내측 커넥팅 로드와 외측 커넥팅 로드로 나뉘어 힘이 고르게 분산됩니다.
4. 조작 프레임에는 조립 시 조정을 용이하게 하는 손잡이가 있습니다. 손잡이와 조작 프레임의 맞닿는 단면은 리미트 핀으로 제한되어 있어 손잡이를 고정했을 때 연결봉이 걸리는 것을 방지합니다.
5. 작동 프레임은 "I"자 형태를 채택하고 있습니다. 대부분 4~6개의 날개를 가진 소형 및 중형 장치에 사용됩니다.

작동 프레임이 없는 직선 연결 메커니즘: 1. 작동 프레임이 제거되고 연결봉과 회전 암이 릴레이 피스톤에 의해 직접 구동됩니다. (대형 장치에서 사용됨)
작동 프레임을 갖춘 경사 연결 메커니즘: 1. 날개 회전 각도가 중간 위치에 있을 때, 회전 암과 연결봉은 큰 경사각을 이룹니다. 2. 릴레이의 스트로크가 증가하고, 날개 수가 많은 러너에서 작동합니다.

러너룸
러너 챔버는 전체적으로 강판을 용접한 구조이며, 캐비테이션 발생 가능성이 높은 중앙 부분은 스테인리스강으로 제작하여 캐비테이션 저항성을 향상시켰습니다. 러너 챔버는 장치 작동 시 러너 블레이드와 러너 챔버 사이의 균일한 간극을 유지할 수 있도록 충분한 강성을 갖추고 있습니다. 저희 공장에서는 제조 공정에서 CNC 수직 선반 가공과 프로파일링 가공을 포함한 완벽한 가공 방식을 구축했습니다. 드래프트 튜브의 직선 원뿔형 단면은 강판으로 보강하여 공장에서 성형한 후 현장에서 조립합니다.