KR100613130B1 - 흐름 발전기용 터빈 - Google Patents

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Abstract

바람, 유수 등과 같은 유체의 일방향 흐름 에너지를 전기 에너지로 전환시키기 위한 흐름 발전기용 터빈이 개시된다. 이러한 터빈은 회전 가능한 샤프트; 상기 샤프트에 방사상 배향으로 고정되는 다수의 블레이드를 지닌 제 1 회전 부재로서, 각각의 상기 블레이드는 상기 샤프트와 나란한 회전부재의 길이방향 축을 중심으로 회전할 수 있는 다수의 항력판을 지닌 제 1 회전 부재; 및 상기 샤프트에 방사상 배향으로 고정되는 항력판 지지 부재를 지닌 제 2 회전/지지 부재로서, 각각의 상기 항력판 지지 부재는 상기 제 1 회전 부재의 상기 블레이드와 대체로 나란하게 배치되되, 상기 항력판이 상기 회전부재의 길이방향 축을 중심으로 회전할 때 상기 항력판의 일부가 닿아 이의 일방향 회전이 제한되게 하는 항력판 걸림부를 지닌 제 2 회전/지지 부재(30)를 포함한다. 이러한 터빈은 유체의 흐름에 의해 일방향으로 회전하되, 유체의 흐름 방향과 동일한 방향으로 회전하는 부분에서는 최대한의 저항이 발생되게 하고 유체의 흐름 방향에 대하여 반대 방향으로 회전하는 부분에서는 최소한의 저항이 발생되게 하여 전체적으로 최대한의 출력을 제공할 수 있다.
터빈, 흐름 발전용 터빈

Description

흐름 발전기용 터빈 {A turbine for generating power by flow of fluid}
도 1은 본 발명의 하나의 구체예에 따른 터빈을 개략적으로 보여주는 도면;
도 2는 도 1에 도시된 터빈의 최상층 구조를 보여주는 도면;
도 3은 도 1에 도시된 터빈의 두 번째 층 구조를 보여주는 도면;
도 4는 도 1에 도시된 터빈의 세 번째 층 구조를 보여주는 도면;
도 5는 도 1에 도시된 터빈의 네 번째 층 구조를 보여주는 도면;
도 6은 본 발명에 따른 터빈에서 사용되는 항력판 지지 부재가 설치되는 모습을 보여주는 도면;
도 7은 본 발명의 따른 터빈에서 사용되는 블레이드의 바람직한 구조를 보여주는 도면;
도 8은 본 발명의 터빈이 작동되는 원리를 보여주는 도면으로서, 터빈의 외측 항력판에서의 선속도가 유체의 흐름 속도 보다 작을 때 터빈의 작동 상태를 보여주는 도면; 및
도 9는 본 발명의 터빈이 작동되는 원리를 보여주는 도면으로서, 터빈의 외측 항력판에서의 선속도가 유체의 흐름 속도 보다 클 때 터빈의 작동 상태를 보여주는 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 샤프트 20 : 제 1 회전 부재
30 : 제 2 회전/지지 부재 40 : 제 3 회전/지지 부재
50 : 제 4 지지 부재 22, 32, 42 : 블레이드
22a, 22b, 32a, 32b, 42a, 42b : 항력판
36a, 36b, 36c, 46a, 46b, 46c, 56a, 56b, 56c : 항력판 걸림부
본 발명은 터빈에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 바람, 유수 등과 같은 유체의 일방향 흐름 에너지를 전기 에너지로 전환시키기 위한 터빈에 관한 것이다.
일반적으로, 터빈은 물, 가스, 증기 등의 유체가 가지는 에너지를 유용한 기계적 일로 변환시키는 기계 또는 장치를 의미한다. 특히, 본 발명의 기술 분야와 관련된 터빈은 바람, 유수 등과 같은 유체의 흐름 에너지를 전기 에너지로 전환시키기 위한 장치와 관련된다.
이와 관계된 터빈은 현재 풍력 발전 뿐만 아니라 조수 간만의 차를 이용한 조력 발전, 조류를 이용한 조류 발전 등에 이용되고 있다.
그 동안, 터빈은 소정의 유체 유량 및 속도에 대하여 최대한의 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 방향으로 연구되어 왔으며, 현재에도 이러한 방향으로 연구되고 있다.
그러나, 아직까지는, 바람, 유수 등과 같은 유체의 특정 방향 흐름에 의해 일방향으로 회전하되, 유체의 흐름 방향과 동일한 방향으로 회전하는 부분에서는 최대한의 저항이 발생되게 하고 유체의 흐름 방향에 대하여 반대 방향으로 회전하는 부분에서는 최소한의 저항이 발생되게 함으로써 최대한의 동력을 발생시킬 수 있는 구조의 터빈은 개발되어 있지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 바람, 유수 등과 같은 유체의 흐름에 의해 일방향으로 회전하되, 유체의 흐름 방향과 동일한 방향으로 회전하는 부분에서는 최대한의 저항이 발생되게 하고 유체의 흐름 방향에 대하여 반대 방향으로 회전하는 부분에서는 최소한의 저항이 발생되게 하여, 전체적으로 최대한의 출력을 제공할 수 있는 흐름 발전기용 터빈을 제공하는 데에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은,
회전 가능한 샤프트(10);
상기 샤프트(10)와 함께 회전할 수 있도록 상기 샤프트(10)에 방사상 배향으로 견고하게 고정되는 다수의 블레이드(22)를 지닌 제 1 회전 부재(20)로서, 각각의 상기 블레이드(22)는 상기 샤프트(10)와 나란한 회전부재(22')의 길이방향 축을 중심으로 회전할 수 있는 다수의 항력판(22a)(22b)(…)을 지닌 제 1 회전 부재(20); 및
상기 샤프트(10)와 함께 회전할 수 있도록 상기 샤프트(10)에 방사상 배향으로 견고하게 고정되는 항력판 지지 부재(36)를 지닌 제 2 회전/지지 부재(30)로서, 각각의 상기 항력판 지지 부재(36)는 상기 제 1 회전 부재(20)의 상기 블레이드(22)와 대체로 나란하게 배치되되, 상기 항력판(22a)(22b)(…)이 상기 회전부재(22')의 길이방향 축을 중심으로 회전할 때 상기 항력판의 일부가 닿아 이의 일방향 회전이 제한되게 하는 항력판 걸림부(36a)(36b)(36c)(…)를 지닌 제 2 회전/지지 부재(30)를 포함하는 흐름 발전기용 터빈을 제공한다.
본 발명의 상기한 관점에 따른 터빈에 이용되는 항력판 및/또는 블레이드는 바람직하게는 유선형 단면을 갖는다.
본원에서 사용되는 용어 "블레이드(blade)"은 상기한 바와 같은 회전 부재의 구성 요소로서, 소정의 형상, 바람직하게는 유선형 단면 형상을 갖는 날개를 의미한다.
본원에서 사용되는 표현 "회전/지지"는 상기한 바와 같은 회전 부재가 회전하고/거나 상기한 항력판을 소정 각도 이상으로 꺾이지 않도록 그 후면을 지지함을 의미한다.
이하, 본 발명은 첨부 도면을 참조하여 더욱 상세하게 기술될 것이다. 설명에 앞서, 이하에 기재된 구체예는 본 발명의 특히 바람직한 구체예로서, 본 발명의 기본적 기술 사상을 이해하기 위해서는 후술하는 제 2 회전/지지 부재로부터 제 2 블레이드를 생략한 구조로 이해하여야 할 것이다.
도 1에는 본 발명의 하나의 특히 바람직한 구체예가 개략적으로 도시되어 있다. 이 도면에 도시되어 있는 각각의 블레이드는 후술하는 도 2 내지 도 5에 도시된 각각의 블레이드(22)(32)(42)에 상응한다. 예를 들면, 도 1에 도시되어 있는 맨 좌측 블레이드와 이에 대하여 120°(샤프트(10)를 중심으로 하여) 위치에 있는 블레이드는 도 2에 도시된 블레이드(22)와 일치한다.
도 2 내지 도 5에는 도 1에 도시된 본 발명의 하나의 바람직한 구체예에 따른 흐름 발전기용 터빈의 층별 구조가 개별적으로 도시되어 있다.
먼저, 도 2를 보면, 회전 가능한 샤프트(10)와 제 1 회전 부재(20)가 함께 도시되어 있다. 제 1 회전 부재(20)는 샤프트(10)와 함께 회전할 수 있도록 샤프트(10)에 견고하게 고정된다. 이러한 제 1 회전 부재(20)는 복수의, 바람직하게는 상호 120° 관계(3개)의 방사상 배향 블레이드(22)를 지닌다. 이들 각각의 블레이드(22)에는 원기둥 형태의 회전부재(22')가 샤프트(10)와 나란하게 소정의 간격으로 제공되며, 여기에 항력판(22a)(22b)(…)이 자유로이 회전 가능하게 끼워진다. 바람직하게는, 이들 항력판(22a)(22b)(…)은 도 8에 도시된 바와 같이 유선형 단면을 갖는다. 이러한 항력판(22a)(22b)(…)의 유선형 단면은 각각의 블레이드(22)가 유체의 흐름 방향에 대하여 반대 방향으로 진행할 때 유체에 의한 저항을 최소화시킨다. 마찬가지로, 블레이드(22)도 유체에 의한 저항을 최소화하기 위해 유선형 단면을 갖는 것이 바람직하다.
도 3을 보면, 회전 가능한 샤프트(10)와 제 2 회전/지지 부재(30)가 함께 도시되어 있다. 제 2 회전/지지 부재(30)는 샤프트(10)와 함께 회전할 수 있도록 샤프트(10)에 견고하게 고정된다. 이러한 제 2 회전/지지 부재(30)는 복수의, 바람직하게는 상호 120° 관계(3개)의 방사상 배향 블레이드(32)를 지니며, 이들은 도 2에 도시된 제 1 회전 부재(20)의 블레이드(22)들 사이에 배치된다. 이들 각각의 블레이드(32)는 도시된 바와 같이 복수의 항력판(32a)(32b)(…)을 지닌다. 이들 각각의 블레이드(32)에는 원기둥 형태의 회전부재(32')가 샤프트(10)와 나란하게 소정의 간격으로 제공되며, 여기에 항력판(32a)(32b)(…)이 자유로이 회전 가능하게 끼워진다. 한편, 제 2 회전/지지 부재(30)에는 상기한 제 1 회전 부재(20)의 블레이드(22)와 대체로 중첩하여 배치되는 동시에 상기한 제 1 회전 부재(20)의 항력판(22a)(22b)(…)의 일부가 걸려 항력판(22a)(22b)(…)이 후방으로 배향되지 않게 하는 항력판 걸림부(36a)(36b)(36c)를 지닌 항력판 지지 부재(36)가 제공된다. 도 3에는 항력판 걸림부(36a)(36b)(36c)가 샤프트(10)와 나란한 원기둥 형태로 도시되어 있으나, 본 명세서를 숙지한 당업자라면 이의 형태를 용이하게 변형시킬 수 있을 것이다. 이를 테면, 항력판(22a)(22b)(…)의 표면 모양을 따를 수도 있고, 다르게는 삼각형 기둥도 고려해 볼 수 있다. 상기한 블레이드(32), 항력판 지지 부재(36) 및 항력판(22a)(22b)(…)은 유선형 단면을 갖는 것이 바람직하다. 단, 블레이드(32)와 항력판 지지 부재(36)는 도면이 작성된 평면을 기준으로 하여 평행하게 배향되는 반면 항력판(22a)(22b)(…)은 수직으로 배향된다. 이러한 유선형 모양은 이들이 유체의 흐름 방향에 대하여 반대 방향으로 진행할 때 유체에 의한 저항을 최소화시킨다.
도 4에는 회전 가능한 샤프트(10)와 함께, 도 3에 도시된 제 2 회전/지지 부재(30)와 동일한 제 3 회전/지지 부재(40)가 도시되어 있다. 단, 각각의 블레이드(42)는 제 1 회전 부재(20)의 블레이드(22)와 제 2 회전/지지 부재(30)의 블레이드(32) 사이에 배치되고, 각각의 항력판 지지 부재(46)는 제 2 회전/지지 부재(30)의 항력판(32a)(32b)(…) 위치와 대체로 중첩되게 배치된다.
도 5에는 회전 가능한 샤프트(10)와 함께, 상기한 항력판 지지 부재(36)(46)와 동일한 항력판 지지 부재(56)를 구비한 제 4 지지 부재(50)가 도시되어 있다. 단, 각각의 항력판 지지 부재(56)는 제 3 회전/지지 부재(40)의 항력판(32a)(32b)(…) 위치와 대체로 중첩되게 배치된다.
도 6에는 원기둥 형태의 항력판 지지 부재(36)(46)(56)가 유선형 단면의 제 2 회전/지지 부재(30), 제 3 회전/지지 부재(40) 또는 제 4 지지 부재(50)에 고정되는 모습이 도시되어 있다. 항력판 지지 부재(36)(46)(56)의 역할과 배치는 상기한 바와 같다.
도 7에는 본 발명의 바람직한 구체예에 따른 터빈에 사용되는 블레이드의 바람직한 모양, 즉, 유선형 단면의 블레이드 모양이 도시되어 있다. 이러한 유선형 단면의 블레이드를 사용하는 것은 상기한 바와 같이 유체에 의한 저항을 최소화하기 위함이다.
도 8 및 도 9에는 본 발명에 따른 터빈의 작동 원리가 도시되어 있다. 여기에서, 도 8은 터빈의 선속도가 유체의 흐름 속도 보다 작을 때의 터빈의 작동 상태를 보여주고 있고, 도 9는 바깥 항력판에서의 선속도가 유체의 흐름 속도 보다 클 때의 터빈의 작동 상태를 보여주고 있다. 이들 도면에서, 좌측에 일렬로 도시된 화살표는 유체의 흐름을 나타내고, 터빈의 회전 반경 내에 도시된 화살표는 터빈의 회전 방향과 작용하는 힘의 크기를 나타낸다.
도 8을 참조하여, 바람, 유수와 같은 유체가 왼쪽에서 오른쪽으로 흐를 때 터빈은 흐름 방향에서 왼쪽은 항력판이 항력판 지지 부재에 닿아 큰 항력, 즉, 큰 회전력을 발생시키는 반면 우측은 항력판 지지 부재가 그 역할을 하지 못해 항력판이 흐름에 나란하게 되어 유선형 형태를 갖게 된다. 또, 층별로 각도를 틀어 설치된 항력판이 연속적으로 작용하여 균일한 토크와 회전을 발생하게 된다. 여기에서는 한정된 수의 층으로 구분하였으나, 여러 개로 구성하여 촘촘하게 배치하면 보다 균일한 토크와 회전의 발생이 가능해진다.
도 9를 참조하여, 바깥쪽 항력판에서의 선속도가 유체속도 보다 큰 경우에 바깥쪽 항력판이 열리게 되고 나머지 판에 작용하는 저항력이 회전력으로 작용하게 된다. 1개의 항력판을 사용한다면, 항력판의 바깥쪽은 (-) 회전력이 발생하게 될 것이고, 안쪽은 (+) 회전력이 발생하게 되어 전체적으로 불리하게 될 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명의 터빈은 바람, 유수 등과 같은 유체의 흐름에 의해 일방향으로 회전하되, 유체의 흐름 방향과 동일한 방향으로 회전하는 부분에서는 최대한의 저항이 발생되게 하고 유체의 흐름 방향에 대하여 반대 방향으로 회전하는 부분에서는 최소한의 저항이 발생되게 하여, 전체적으로 최대한의 출력을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 터빈은 각각의 블레이드에 다수의 항력판을 사용하고 각각의 항력판이 유체의 흐름 방향, 크기 등의 여러 가지 흐름 변수에 맞게 자동적으로 각도 조절되므로 균일한 토크와 회전을 제공할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으 로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

  1. 회전 가능한 샤프트(10);
    상기 샤프트(10)와 함께 회전할 수 있도록 상기 샤프트(10)에 방사상 배향으로 견고하게 고정되는 다수의 블레이드(22)를 지닌 제 1 회전 부재(20)로서, 각각의 상기 블레이드(22)는 상기 샤프트(10)와 나란한 회전부재(22')의 길이방향 축을 중심으로 회전할 수 있는 다수의 항력판(22a)(22b)(…)을 지닌 제 1 회전 부재(20); 및
    상기 샤프트(10)와 함께 회전할 수 있도록 상기 샤프트(10)에 방사상 배향으로 견고하게 고정되는 항력판 지지 부재(36)를 지닌 제 2 회전/지지 부재(30)로서, 각각의 상기 항력판 지지 부재(36)는 상기 제 1 회전 부재(20)의 상기 블레이드(22)와 나란하게 배치되되, 상기 항력판(22a)(22b)(…)이 상기 회전부재(22')의 길이방향 축을 중심으로 회전할 때 상기 항력판의 일부가 닿아 이의 일방향 회전이 제한되게 하는 항력판 걸림부(36a)(36b)(36c)(…)를 지닌 제 2 회전/지지 부재(30)를 포함하는 흐름 발전기용 터빈.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 항력판(22a)(22b)(…)의 단면 형상이 유선형임을 특징으로 하는 흐름 발전기용 터빈.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 블레이드(22)의 단면 형상이 유선형임을 특징으로 하는 흐름 발전기용 터빈.
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1020040062886 - 611077

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