KR100659591B1 - 개량된 터빈 - Google Patents

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KR100659591B1
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아더 벤자민 오'코너
톰 룬드가르드 페데르센
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아더 벤자민 오'코너
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Abstract

이동 유체로부터 동력을 얻기 위한, 특히 풍력 터빈으로서 적합한 유체 터빈(30)은 수평 방향 축선(39)을 중심으로 하여 회전하도록 지지 구조체(39)에 장착되고, 허브(36)로부터 전방 외측으로 연장하는 복수 개의 블레이드(37)를 구비하는 회전자(32)와; 상기 블레이드(37)의 외측단에서 이들 블레이드에 고정되고, 상기 수평 방향 축선을 중심으로 하여 상기 블레이드(37)와 함께 회전 가능하며, 상기 회전 축선과 동축인 링 페어링(38)을 구비한다. 상기 링 페어링(30)은, 그 링 페어링상의 적어도 하나의 외주 지점에, 작동시 반경 방향 횡단면 주위에 상기 링 페어링(38)과 허브(36) 사이의 유속을 증대시키는 방향으로 순환류(60)가 발생되도록 하는 형상의 그러한 반경 방향 횡단면을 갖는다.
터빈, 링 페어링, 회전자, 블레이드, 허브, 풍력, 순환류

Description

개량된 터빈{IMPROVED TURBINE}
본 발명은 일반적으로 말하면 유체 터빈에 관한 것으로, 구체적으로는, 비록 물과 같은 다른 유체로도 구동될 수도 있지만, 풍력 터빈에 관한 것이다.
바람으로부터 동력을 얻기 위한 기계류는 수세기 동안 알려져 왔다. 풍차로 알려져 있는 초기 형태의 것은 곡물 분쇄 및 유사한 용도를 위한 동력 분쇄기에 사용되었다. 그것들은 복수의 반경 방향 블레이드 또는 직물 돛을 구비한 회전자와, 필요시 그 회전자를 바람 방향으로 지향시키고 불필요할 때 또는 강한 바람 속에서 블레이드 또는 돛을 "페더링(feathering)"하거나 또는 감아 올리는 수단을 구비한다. 그것들은 정교함이 떨어지고 효율이 낮았다. 유용한 양의 기계적인 동력을 발생시키기 위하여, 그것들 중 많은 것은 크기가 상당했다.
펌프와 같은 기계적인 장치의 운전이 필요했던 농업 등의 용도로 말미암아, 풍력을 이용하기 위한 신규하고도 개량된 기계가 개발되었다.
여전히 널리 발견되고 있는 예로는 농업 자산을 위하여 우물물을 양수하는 데 사용되는 보통의 "풍차"이다. 그러한 기계는 통상 복수의 간단한 판금 블레이드가 있는 회전자를 구비하고, 기어 장치를 통해서 기계적인 장치를 직접 구동한다. 이들은 통상 초기의 풍차보다 회전자 직경은 더 작고 보다 효율적이었으며(그 리고 현재 더 작고 효율적이며), 그것들의 회전자는 어느 정도 더 빠른 속력으로 작동한다. 회전자를 바람을 향하여 지향시키고 고속의 바람 속에서 손상을 피하기 위하여 그 회전자를 적절한 방향으로 배치되게 하는 베인 장치들(vane arrangements)이 마련되어 있다.
전기 기술의 발달로, 풍력을 발전기를 통해 전력으로 변환시키는 기계가 개발되었다. 이러한 경향은 원격한 지역에 동력을 공급하기 위하여 사용된 소형 기계로 시작되었지만, 이제는 화력 및 다른 유형의 발전소와 함께 넓은 지역의 배전 시스템을 공급하기 위하여 많은 대형 기계가 이용되면서 훨씬 더 중요해지고 있다. 19 세기 및 20 세기에 유체의 흐름에 대한 이해가 깊어지면서, 새로운 유형의 기계가 개발되었고 설계 기술이 더욱 좋아졌다. 기계 자체가 정교하게 일정한 척도에 따라 개발됨에 따라, "풍차"라고 하는 용어는 대부분의 용도의 "풍력 터빈"으로 바뀌어 가고 있다.
회전자의 회전 축선이 수직인 기계들(예컨대, 당업계에서 잘알려진 다리우스(Darrieus)형 및 사보니우스(Savonius)형)이 개발되었지만, 가장 일반적인 유형의 풍력 터빈은 회전자가 수평 방향 회전 축선과 적은 수의 반경 방향 블레이드를 구비하며, 따라서 그 회전자는 항공기 프로펠러와 유사하게 보인다. 그러한 수평 축선형 풍력 터빈은 매우 큰 치수로, 그리고 매우 정교한 설계로 제작되었다.
그러나, 많은 수의 이러한 유형의 터빈을 발전(發電)을 위해 사용하는 것은 여전히 경제적으로 한계 수익 점에 있고, 그것들의 치수, 종종 볼품 없는 그것들의 외형, 그것들의 소음, 그리고 심지어는 대형 회전 블레이드에 의하여 초래되는 고 주파 송신에 대한 그것들의 간섭으로 인하여, 논쟁의 대상이 되고 있다. 또한, 그것들의 복잡성 자체는 지속 보수 유지(ongoing maintenance)에 비용이 많이 들고 어려워서 수명 비용 및 심지어 그것들을 보수 유지하기에 적합한 사람을 구할 수 없는 몇 몇 지역에서 사용될 가능성에 크게 영향을 줄 수 있는 문제가 있다.
본 발명은 이들 문제를 해결하고자 한 것이다. 본 명세서에서 설명되는 풍력 터빈은 비교적 간단하고, 강하며, 의도된 치수로서 생산 및 보수 유지하기가 쉽고 비교적 저렴하다. 그러나, 그것은 놀라우리만큼 효율이 좋아서 의도된 치수 및 비용 범위에서 유용한 양의 동력을 제공할 수 있는 것으로 믿어진다. 또한, 그것은 노이즈 특성이 만족스럽고, 적당한 외형을 갖는 것으로 믿어진다. 반드시 이론적으로 가장 높은 가능성의 효율을 갖지는 않을지라도, 본 발명의 풍력 터빈은 이러한 성질의 조합으로 이용 가능한 다른 유형의 것에 대한 유용한 대안을 제공하는 것으로 믿어진다.
본 발명은 코브덴(Cobden)에 의하여 미국 특허 제4,415,306호 및 오스트레일리아 특허 제563,265호에서 개시된 풍력 터빈(이하, "코브덴 풍력 터빈"이라 함)을 개량하고자 하는 시도로서 안출되었다. 이하에서 설명되겠지만, 이 기계는 종종 발전용으로 이용되는 2 또는 3개의 프로펠러 스타일의 반경 방향 블레이드를 갖는 "고속"형의 통상적인 수평 축선형 풍력 터빈 및 더 많은 수의 반경 방향 블레이드를 구비하고, 양수용으로 사용되는 농업용 풍차로 분류되는 "저속"형의 통상적인 수평 축선형 풍력 터빈과는 근본적으로 다르다. 코브덴 터빈은 비록 조용하고 시각적인 조건이 양호하지만, 그것의 성능에는 개선의 여지가 있는 것으로 믿어졌다.
에일러(Aylor)에 의하여, 코브덴 터빈과 유사하고 보다 높은 효율을 제공하는 풍력 터빈이 미국 특허 제 4,781,523호에 개시되었다. 코브덴 터빈과 매우 유사한 한 가지 실시예는 회전자 둘레에 배열된 복수의 블레이드를 구비하고, 이들 블레이드의 길이가 회전자의 회전 축선과 평행하며, 공기가 이들 블레이드를 통해서 반경 방향으로 흐르도록 하는 페어링(fairings)이 마련되어 있다. 다른 한 가지 실시예에서는, 회전자가 허브로부터 전방 및 외측으로 뻗은 블레이드를 가져서 공기가 블레이드를 통해서 외측 및 후방으로 흐른다. 양 실시예 모두에서, 공기 유입 부위와 유출 부위 및 흐름 방향 사이의 특정 관계가 특정되었는데, 이들에 대해서는 아래에서 더 논의된다. 흐름 디플렉터(들)의 필요한 형상 및 로터 지지체로 인하여, 이들 실시예 중 어느 것도 제조하기에 특별히 저렴하거나 간단한 것으로 판단되지는 않았다. 미국 특허 제4,684,316호(칼슨(Karlsson))에는, 큰 치수로서 비용이 비싸고 회전자 상류측의 비회전 부품으로부터 공기 역학적 손실이 높게 될 것으로 보이는 다소 유사한 구조가 개시되어 있다.
블레이드가 부착된 회전자를 덕트 내에 내장하고 그 회전자의 하류에 디퓨저부(diffuser section)를 마련함으로써 통상적인 유형의 것에서보다 높은 효율을 얻는 많은 풍력 터빈이 발표되어 왔다. 이들은 블레이드를 통과하는 흐름을 더욱 빨라질 수 있게 하고, 이에 따라 동력을 발생시키는 데에 더욱 효율적일 수 있고, 블레이드 팁 손실을 감소시킬 수 있다. 몇 가지 예들이 미국 특허 제4,021,135호, 제4,075,500호, 제4,132,499호, 제4,324,985호 및 제4,42,820호에 있다.
그러나, 클링(Kling)은, 미국 특허 제4,147,472호에서, 대부분의 덕트형 구 조(ducted arrangements)는 성능 개선이 이루어지는 경우조차 그것들의 경제성이 주목을 끌지 못하게 하는 경향이 있다고 지적하고 있다. 클링은 반경 방향 내측으로 작용하는 양력을 발생시키는 에어포일형 횡단면(airfoil cross-section)을 갖는 링 형태의 쉬라우드(shroud)를 구비한 매우 작은 치수의 쉬라우드형 회전자를 개시하고 있다. 이 링은 통상적인 유형의 반경 방향 블레이드에 고정되어 이들 블레이드와 함께 회전한다. 그 링은 흐름 방향으로 블레이드 자체보다 약간 더 길고, 따라서 비교적 저렴할 수 있다. 쉬라우드의 효과는 블레이드 하류에 긴 디퓨저를 필요로 하지 않고도 유속을 향상시키는 도넛형 와류(toroidal vortex)를 조성하는 것으로 설명되어 있다. 쉬라우드는 통상적인 반경 방향 블레이드 풍력 터빈 회전자의 부속물로 설명되어 있다.
본 발명에 따르면, 이동하는 유체로부터 동력을 얻기 위한 유체 터빈으로서,
수평 방향 축선을 중심으로 하여 회전하도록 지지 구조체에 장착되고, 허브로부터 전방 외측으로 연장하는 복수 개의 블레이드를 구비하는 회전자와;
상기 블레이드의 외측단에서 이들 블레이드에 고정되고, 상기 수평 방향 축선을 중심으로 하여 상기 블레이드와 함께 회전 가능하며, 상기 회전 축선과 동축인 링 페어링(ring fairing)을 구비하고,
상기 링 페어링은, 그 링 페어링상의 적어도 하나의 외주 지점에, 상기 터빈의 작동시 반경 방향 횡단면 주위에 상기 링 페어링과 상기 허브 사이의 유속을 증대시키는 방향으로 순환류를 발생시키도록 하는 형상의 그러한 반경 방향 횡단면을 갖는 것인 유체 터빈이 제공된다.
상기 링 페어링은 상기 터빈의 작동시 그 링 페어링상의 상기 적어도 하나의 외주 지점에서 상기 링 페어링의 내측 및 후방으로 지향되는 공기 역학적인 힘을 발생시키는 것이 바람직하다.
바람직하기로는, 상기 링 페어링은 그 링 페어링의 실질적으로 전체 외주 둘레에서 횡단면이 균일하다.
특히 바람직한 실시예에 있어서, 상기 링 페어링의 횡단면은, 상기 순환류가 상기 블레이드의 반경의 증가에 따른 블레이드의 접선 방향 속도 증가로 인하여 상기 블레이드에 대한 유체의 흐름 방향에 있어서의 변화를 적어도 부분적으로 오프셋시키기에 충분하도록, 형상, 치수 및 배치 방향이 설정되어 있다.
상기 허브는 꼭지각이 60도 내지 120도 범위인 실질적으로 원추형 형상일 수 있다. 상기 꼭지각은 80도 내지 100도 범위인 것이 더 바람직하다. 원추형 허브는 제조하기가 용이하다고 하는 장점을 갖는다.
상기 터빈 작동시의 상기 블레이드의 후미 연부는 적어도 거의 원추형인 표면을 쓸고 지나가는 것이 바람직하다. 상기 원추형 표면과 상기 허브의 외측 표면 양자 모두가 상기 회전 축선을 포함하는 반경 방향 평면 내에 단면도로 도시되었을 때, 상기 원추형 표면이 상기 허브의 외측 표면과 약 90도의 각도로 교차하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 블레이드의 내측 단부 근처의 흐름이 이들 블레이드와 교차하는 것이 가장 양호하게 보장된다. 그러나, 상기 원추형 표면과 상기 허브의 외측 표면 양자 모두가 상기 회전 축선을 포함하는 반경 방향 평면 내에 단면도로 도시되었을 때, 상기 원추형 표면이 상기 허브의 외측 표면과 약 75도 내지 90도의 각도로 교차해도 좋다.
각각의 상기 블레이드가 그것의 길이를 따라 실질적으로 일정한 횡단면 형상이면(비록 필수적인 것은 아니지만) 만족스러운 것으로 판단된다.
각각의 상기 블레이드는 에어포일형 횡단면 형상이어도 좋다. 그러나, 각각의 상기 블레이드는 판상 재료로 형성될 수도 있고, 아치형 횡단면 형상을 가져도 좋다. 이것은 에어포일형 횡단면에 대하여 만족스럽게 근사한 형태일 수 있으며, 구성이 용이하다고 하는 장점을 제공한다.
적어도 저렴한 비용이 요망되는 경우에는, 각 블레이드가 그것의 길이를 따라 실질적으로 비틀려 있지 않은 것이 바람직하다.
링 페어링의 횡단면은 적어도 에어포일 형상에 근사한 것이 바람직하다. 바람직하기로는, 상기 에어포일 형상은 블레이드들에 대향하는 측부에서 오목한 캠버선(camber line)을 갖는다. 그러나, 상기 링 페어링은 판상 재료로 형성되고 그 링 페어링의 횡단면이 아치 형상이어도 좋다. 그러면, 상기 아치 형상은 블레이드들에 대향하는 측부에서 오목한 것이 바람직하다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 링 페어링 횡단면은 전방 연부(leading edge)와 후미 연부(trailing edge)를 구비하고, 상기 회전 축선을 포함하는 반경 방향 평면 내에 도시되었을 때의 상기 전방 연부와 후미 연부 사이의 거리는 각 블레이드의 최대 현(弦) 길이의 두 배 미만이다. 즉, 링 페어링은 유체 흐름 방향의 치수가 매우 작다.
이하, 비록 본 발명의 범위를 한정하도록 의도되는 것은 아니지만 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 보다 자세히 설명하겠다.
도 1은 종래 기술의 풍력 터빈의 사시도이고,
도 2는 터빈 회전자의 회전 축선을 포함하는 수직 평면상에서 취한, 도 1에 도시된 풍력 터빈의 단면도이며,
도 3은 터빈 회전자의 회전 축선을 포함하는 수직 평면상에서 취한, 본 발명에 따른 풍력 터빈의, 일부가 단면도로 도시된 측면도이고,
도 4는 사용을 위하여 타워에 장착된, 도 3에 도시된 풍력 터빈의 측면도이며,
도 5는 사용을 위하여 타워에 장착된, 도 3에 도시된 풍력 터빈의 정면도이고,
도 6은 회전자의 일부의 블레이드의 감춰진 외형선을 볼 수 있는, 도 3에 도시된 풍력 터빈 회전자의 정면도이며,
도 7은 도 6에 도시된 회전자의 그 도면의 "AA" 방향에서 취한 단면도이고,
도 8은 도 7에 도시된 회전자의 허브와 하나의 블레이드를 그 도면의 화살표 "B" 방향으로 보고 도시한 부분도이며,
도 9는 도 8에 도시된 블레이드의 그 도면의 "FF" 방향에서 취한 단면도이고,
도 10은 도 7에 도시된 회전자의 링 페어링의 하나의 외주 지점에서 취한 단 면도이며,
도 11은 도 3에 도시된 풍력 터빈을 비롯한 몇 개의 풍력 터빈의 동력 계수를 비교한 그래프이고,
도 12는 도 3에 도시된 터빈의 회전부의 축소 모델(scale model)에 대한 절대 풍속 41kph에서의 팁 속도 비(tip speed ratio)의 함수로서 동력 계수를 보여주는 그래프이며,
도 13은 도 3에 도시된 터빈의 회전부의 축소 모델에 대한 절대 풍속 46kph에서의 팁 속도 비(tip speed ratio)의 함수로서 동력 계수를 보여주는 그래프이다.
도 1 및 도 2는 미국 특허 제4,415,306호 및 오스트레일리아 특허 제563,265호에서 코브덴에 의해 개시된 풍력 터빈(1)(코브덴 풍력 터빈)을 보여주고 있다.
이들 도면을 참조하면, 이들 도면에는 베어링(4)에 의하여 지지된 샤프트(3)상에 장착된 터빈 휠(2)을 구비하는 터빈 유닛(1)이 도시되어 있다. 베어링(4)은 프레임(5)상에 지지되고, 터빈 유닛(1)은 베어링(7)상에 지지된 샤프트상에 장착된다. 터빈 휠(2)로 구동되는 것은, 본 실시예에서는, 하방으로 지지대(6)를 통과하는 구동 샤프트(9)에 부착된 마찰륜(8)이며, 상기 구동 샤프트(9)로부터 동력을 얻을 수 있다.
터빈 휠(2)은 전방 페어링(11)이 부착되는 복수의 블레이드(10)를 수반하고 있다. 이들 블레이드(10)는 터빈 휠(2)에 부착되어 전방으로 연장됨으로써, 그것 들의 전방 단부에 페어링(11)을 지지하며, 따라서 페어링(11)은 이들 블레이드(10)와 함께 회전한다. 이 실시예에서, 블레이드(10)는 판금으로 형성되어 상기 블레이드(10)가 단부 플랜지(21)에 의하여 터빈 휠(2)상에 장착되고, 이들 단부 플랜지(21)에 페어링(11)이 부착된다.
터빈 휠(2)에는 또한 원추형 디플렉팅 표면(20)이 마련되는데, 이 표면 또한 샤프트(3)상에 장착되고 상기 블레이드(10)에 인접하여 터빈 휠(2)에 접속된다.
터빈 유닛(1)은 공기 역학적 형상의 중공체(12)와, 상기 터빈 유닛(2)이 신속하고 연속해서 탁월한 기류(prevailing airflow) 내로 지향되도록(예컨대, 샤프트(3)가 기류 방향과 정렬되게) 설치된 꼬리부(13)를 더 포함한다.
이전의 풍력 터빈에 대한 코브덴 터빈(1)의 두 가지 장점은 특히 블레이드의 형상과 관련하여 그것의 비교적 단순한 구조 및 조용한 작동이었다. 우수한 풍력 터빈을 개발함에 있어서는 이들 장점을 유지하는 것이 바람직한 것으로 간주되었다.
이제 도 3을 참조하면, 도면에는 도 2의 도면과 대응하는 도시 형태로서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 풍력 터빈(30)이 도시되어 있다. 그 풍력 터빈(30)은 도 1 및 도 2에 도시된 코브덴 풍력 터빈의 것들과 유사한 많은 특징부를 포함한다. 그러나, 몇 가지 특징부는 크게 다르다.
코브덴 터빈(1)과 유사하게, 그 풍력 터빈(30)은 중공체(31)를 포함한다. 그 중공체(31)의 전방 단부에는 회전자(32)가 샤프트(33)상에 장착되어 있고, 그 샤프트(33)는 축선을 중심으로 회전하도록 중공체(31) 내의 베어링(도시되지 않음) 상에 지지된다. 그 샤프트(33)는 발전기, 펌프 또는 기타의 동력 소비 장치(도시되지 않음)를 필요에 따라 공지의 방법으로 구동하는 데 사용될 수 있다. 도 4 및 도 5는 사용을 위하여 타워(34)의 정상부에 장착된 터빈(30)을 보여주고 있다. 터빈(30)은 타워에서 수직 축선(34)을 중심으로 회전 가능하도록 장착되며, 공지의 방법으로, 풍향(41)에 대한 터빈(30)의 자동적인 방향 설정을 보장하도록, 즉 샤프트(33)와 풍향(41)이 정렬되도록, 붐(45)상에 장착되는 꼬리 유닛(36)이 마련되어 있다. 꼬리 유닛(36)과 붐(45)은 필요시 축선(39)과 풍향 사이에 가변적인 각도를 제공하거나, 높은 풍속 조건에서 과속을 피하거나, 또는 회전자가 멈추는 지점까지 함께 회전하여 극한 조건에서 손상을 피하도록 수직 축선(61)을 중심으로 하여 피벗할 수 있도록 배열된다. 마이크로프로세서 등을 기반으로 한 적절한 제어기(도시되지 않음)가 마련되어, 터빈(30)이 사용될 때 꼬리 유닛(36)과 붐(45)을 피벗시키는 적절한 기계적인 구동 장치(도시되지 않음)를 작동시킴으로써 각도를 자동적으로 변화시키도록 프로그램되는 것이 바람직하다.
축선(39)은 사용시 수평으로 유지된다.
회전자(32)는 원추형 허브(36)를 포함하며, 그 허브(36)로부터 외측 및 전방으로 복수의 블레이드(37)가 뻗어 있다. 이들 블레이드(37)는 도 3이나 도 4에 개별적으로 도시되어 있지 않다. 대신에, 회전자(32)가 회전할 때 블레이드(37)가 쓸고 지나가는 원추형 표면의 형상의 용적(44)(음영선으로 도시됨)이 축선(39)을 포함하는 수직 평면상에 횡단면으로 도시되어 있다. 각 플레이드(37)는 그것의 전방 외측단에서 축선(39) 및 허브(36)와 동축인 링 페어링(38)에 고정되며, 따라서 링 페어링(38)은 허브(36) 및 블레이드(37)와 함께 회전한다. 링 페어링(38)의 평면은 축선(39)에 수직이다.
도 6 및 도 7은 회전자(32)를 단지 정면도 및 측면도로 도시하고 있으며, 이제 개별적인 블레이드(37)가 도시되어 있다. 일부 은선이 도 6 및 도 7에 남아 있는데, 도 7에서는 허브(36) 내부의 세부 구조가 생략되었다. 30 개의 블레이드(37)가 마련된다. 블레이드(37)는 외주 방향으로 등간격으로서 현이 일정하고, 길이를 따라 비틀림부가 없다. 블레이드(37)는 허브(36)의 원추형 표면으로부터 거의 직각으로 허브(36)의 후연부(43)에 근접하게 연장된다. 그 허브(36)는 90도의 꼭지각 "w")을 갖는 원추형이다.
도 8은 허브(36)상에 있는 하나의 블레이드(37a)를 보여주고 있다. 블레이드(37a)를 포함한 모든 블레이드(37)는 동일한 형상으로서 허브(36)에 동일하게 장착된다. 블레이드(37a)는 그것의 후미 연부(46)가 화살표 "B" 방향으로 보았을 때 축선(39)을 포함하는 반경 방향 평면(51)에 대하여 6.5도의 각도를 이루도록 장착되어 있다. 화살표(47)는 회전자(32)의 회전 방향을 보여준다. 후미 연부(46)는 회전자(32)의 회전중에 꼭지각이 90도인 원추형 표면을 쓸고 지나간다.
도 9는 블레이드(37a)의 일정한 횡단면이 단순한 원호임을 보여주는 블레이드(37a)(만)의 횡단면도이다. 허브(36)의 꼭지점으로부터 그 허브의 원추형 표면을 따라 블레이드(37a)의 후미 연부(46)까지의 선(51)과 후미 연부(46)를 포함하는 가상 평면(48)에 대한 블레이드(37a)의 각도 위치도 또한 도시되어 있다. 횡단면이 단순한 원호형인 블레이드(37)는 단순화 및 저렴한 비용을 위하여 판금으로 쉽 게 제작된다. 도시되어 있는 바와 같이, 각 블레이드는 블레이드 뿌리 장착 브라켓(49) 및 블레이드 팁 장착 브라켓(50)에 스폿 용접되는데, 이들 브라켓(49, 50)은 각각 허브(36) 및 링 페어링(38)에 체결된다. 블레이드(37)는 판상 재료로 전방 연부 및 후미 연부 사이의 곡률 반경이 다른 아치형으로 제조될 수 있다고 하는 것을 주목하라.
도 10은 전형적인 외주 지점에서의 링 페어링(38)의 횡단면도를 보여주고 있다. 링 페어링(38)은 그것의 직경을 가로지른 횡단면도로 도시되었을 때, 축선(39)이 풍향(41)과 정렬되면 링 페어링(38)상의 지점에서 발생된 임의의 공기 역학적 양력이 내측 및 후방으로 지향되도록 배열되는 에어포일형 횡단면(40) 형상을 갖는다. 링 페어링(38)은 그것의 전체 외주 둘레에서 동일한 에어포일형 횡단면(40)을 갖는다. 에어포일형 횡단면(40)의 절두원추형(截頭圓錐形) 외측 표면은 횡단면으로 축선(39)의 방향에 대하여 30도의 각도를 이룬다. 에어포일형 횡단면(40)의 캠버선(55)은 내측 및 후방으로 볼록하며, 따라서 공기 역학적 양력은 내측 및 후방으로 지향된다. 넓은 치수 범위를 위하여, 에어포일형 횡단면(40)을 갖는 링 페어링(38)을 마련하는 적절한 방법은 유리섬유 성형품(56) 및 판금 링(57)을 사용하는 것이다. 그러나, 당업자에게는 많은 다른 가능성이 있다고 하는 것이 명확할 것이다. 캠버선(55)과 유사한 캠버선이 형성된 간단한 판금 링이라 하더라도 저렴한 비용으로 적당한 성능을 제공할 수 있는 것으로 생각된다.
풍력 터빈(30)의 중공체(31)는 단순한 원통형 전방부(58)와 정형된 후방부(59)를 구비한다. 전방부(58)는 허브(36)의 외형과 융합하도록 정형되지 않는다는 것을 주목하라. 이러한 방안에 따르면, 그렇지 않으면 필요한 것 보다 중공체를 더 작고 저렴하게 만들 수 있다.
전술한 바와 같은 터빈(30)의 특정한 기하학적 형태를 그것의 성능에 대한 세부적인 컴퓨터 시뮬레이션에 사용하였다. 이러한 접근법은 오늘날 실제의 터빈 성능을 신뢰성 있게 평가할 수 있다. 미국 특허 제4,415,306호에 개시된 코브덴 터빈에 대해서도 동일한 시뮬레이션을 행하였다. 터빈(30)과 코브덴 터빈의 계산된 성능을 서로 비교하고 몇 가지 다른 유형의 풍력 터빈에 대하여 공표된 데이터와도 비교하였다.
당업계에서 잘 알려져 있는 바와 같이, 무차원 팁 속도비의 함수로서의 무차원 동력 계수를 결정함으로써, 소정의 풍력 터빈을 다른 것들과 합리적으로 비교할 수 있다. 기계들 사이에서 이들 양이 일관성 있게 정해지면, 이들 양들은 치수와 관계없이 직접 비교될 수 있다.
무차원 동력 계수 Cp는
Figure 112004056079106-pct00001
로 정의되고, 무차원 팁 속도비 TSR은
Figure 112004056079106-pct00002
로 정의되는데, 식중,
P는 발생된 동력이고,
ρ는 공기의 밀도이며,
A는 자유로운 기류 흐름에 대하여 직각인 터빈의 투영 면적이고,
u는 자유로운 기류의 풍속이며,
Ro는 발전기의 외측 반경이고,
ω는 블레이드 환(環)의 각속도이다.
도 11은 여기에서 개시된 풍력 터빈과, 당업계에서 공지된 임의의 다른 풍력 터빈 및 "이상적인" 결과의 성능의 비교 결과를 보여주고 있다.
도시된 곡선들은 다음과 같다.
"사보니우스(Savonius)" - Sandia Laboratories Report No. SAND76-0131, July 1997에서(그 리포트의 도 15에서) 블랙웰(Blackwell) 등이 보고한 2-블레이드형 사보니우스 로터의 풍동 시험.
"데리우스(Darrieus)" - Sandia National Laboratories Report No. SAND79-1753에서(그 리포트의 도 2에서) 워스텔(Worstell)이 보고한 17m 높이의 데리우스형 풍력 터빈에 대한 실제 치수의 현장 데이터.
"코브덴(Cobden)" - Royal Melbourne Institute of Technology, Australia, Department of Manufacturing and Process Engineering의 액바자데흐(Akbarzadeh)가 보고한 모델 코브덴 터빈의 풍동 시험.
"글라워트 저속(Glauert Low Speed)" 및 "글라워트 고속" - "Aerodynamic Theory", W.F. Durand editor, Dover Publications Inc., L 부, 11장, 도 103에서 글라워트가 인용한 통상적인 프로펠러형의 저속 및 고속 주행 풍력 터빈에 대한 모 델 시험 결과(글라워트가 사용한 양의 다른 정의를 보상하고 도시된 다른 곡선들과의 정확한 비교를 할 수 있도록 조정된 동력 계수 값을 사용함).
"이상" - 상기 문헌의 도 103에 글라워트가 도시한 바와 같은 통상적인 형태의 이상적인 풍력 터빈에 대한 이론적인 성능 한계.
"발명" - FLUENT 5.5 소프트웨어를 사용하여 만들어진, 본 명세서에서 개시된 풍력 터빈의 컴퓨터 유체 동력학 시뮬레이선의 결과로부터 더블유비엠 피티와이사(WBM Pty Ltd.)의 컨설팅 엔지니어들이 작성한 평가 성능 곡선.
코든 풍력 터빈의 시뮬레이션 또한 도 11에 도시된 실험 결과의 점검으로서 더블유엠 피티와이사가 FLUENT 5.5로 알려진 독점 소프트웨어를 사용하여 만들어졌다.
"이상(理想)" 곡선의 중요성을 유의해야 한다. 그것은 베쯔(Betz)에 의하여 단순화된 프로펠러형 풍력 터빈의 단순화된 이론(이 이론의 설명에 대해서는 전술한 글라워트 인용 문헌을 참조하라)을 근거로 하고 있고, 실제로 "이상" 성능이 실제로 얻어지는 경우에 그러한 기계들이 접근할 수 있는 피크 동력 계수의 상부 포상선(upper envelope)이다. 프로펠러형 풍력 터빈, 특히 고정된 기하학적 블레이드 형태(fixed blade geometry)를 갖는 것은 글라워트에 의해서 주어진 고속 및 저속 기계에 대한 결과에 있어서의 차이로 나타난 점인 팁 속도 비 전체에 걸쳐 이 곡선에 접근할 것으로 기대할 수 없다. 도 11의 곡선들("이상" 곡선 이외의 것)은 특별한 회전자의 기하학적 형태에 대한 것으로서 당업계의 실상을 대표하는 것으로 믿어진다. 그러나, 모든 곡선들은 회전자의 기하학적 형태를 수정하면 어느 정도 변형될 수 있다.
도11은 풍력 터빈(30)이 코브덴형 터빈과 사보니우스형 터빈보다는 훨씬 양호한 동력 발생 성능을 갖는 것으로 기대된다는 것을 보여주고 있다. 또한, 그 성능은 전반적으로 글라워트가 인용한 저속 가동 기계보다 양호하다. 팁 속도 비 1에서, ("이상" 곡선을 기준으로) 최대 가용 동력의 약 80%가 제공된다. 비교적 높은 팁 속도 비를 위하여 설계된 터빈은 일반적으로 더 높은 효율을 갖는 것으로 알려져 있지만, 역시 시동 토크가 더 낮은 경향이 있는데(전술한 글라워트 인용 문헌을 참조하라), 뒤에 설명한 부분은 약한 바람에서의 시동의 문제로 인한 실질적인 단점이다. 저속 기계의 또 다른 장점은 보통의 농장의 풍차에 의해서 나타나는 바와 같이 그것들이 보다 강하고 신뢰성이 있으며 보수 유지하기가 더 용이하다고 하는 것이다(글라워트의 저속 예는 그러한 풍차를 대표할 수 있다).
오늘날의 저속의 통상적인 설계 구조가 글라워트가 인용한 것보다 다소 더 양호한 성능을 발휘할 수 있다고 하는 사실을 인정하더라도, 풍력터빈(30)의 기대되는 성능은, 특히 현재의 터빈 설계의 단순화, 예컨대 비틀림 없는 간단한 블레이드 및 중공체(31)와 허브(36)의 간단한 형상을 가정하면, 놀라운 것이다. 비용이 적정하다면, 보다 복잡한 에어포일형 횡단면의 블레이드를 사용함으로써 보다 더 추가적인 개선을 이룰 수 있다는 것은 의심의 여지가 없다.
도 3의 풍력 터빈의 성능을 적어도 부분적으로 확인하기 위하여, 회전부의 축소 모델을 만들어서 대형 풍동 내에서 실험을 행하였다. 모델의 선형 배율은 실제 치수의 13.7% 였다. 몇 가지 절대 풍속(풍동 봉쇄에 대하여 보정됨)에서 팁 속 력 비의 함수로서 동력 계수를 측정하였다(두 가지 양 모두 전술한 바와 같이 정해짐). 도 12 및 도 13은 41kph 및 46kph 각각의 보정된 절대 풍속에서 얻은 결과를 보여준다. 두 세트의 결과는 각각 32.9 x 103 및 36.9 x 103(팬 블레이드의 팁 현을 기준으로 함)의 레이놀즈 수에 해당한다. 레이놀즈 수는 공기 역학적 힘과 공기 마찰력의 상대적인 중요성의 표시이며 실제 치수의 기계의 그것에 가급적 근접하도록 그러한 축소 모델에 대한 시험에서 가급적 크게 만들어진다(실제 치수에 대한 레이놀즈 수를 얻는 것은 보통 가능하지 않다). 두 레이놀즈 수에 대한 결과는 실제 치수의 기계로부터 여전히 더 높은 성능이 기대될 수 있다는 것을 제시하는(추정에 의하여) 방향에 있어서 다르다. 그 결과는 도 3의 터빈이 탁월한 성능을 갖는 것으로 예상될 수 있다고 하는 것을 보여준다. 이는 그 결과를 도 11에 플로팅된 결과와 비교하면 알 수 있다.
다음, 풍력 터빈(30)의 작동 및 그것의 놀라울 정도로 양호한 성능을 위하여 가장 고려하기 쉬운 것으로 생각되는 인자들을 설명한다.
터빈(30)이 바람과 마주하고 있을 때, 공기는 링 페어링(39)을 통해서 축선(39) 방향으로 흐른다. 그 후, 바람은 허브(36)에 의하여 대체로 원추형인 경로 내로 편향되어 블레이드(37)를 통해서 대체로 블레이드의 길이에 대하여 수직인 방향으로 흐른다. 블레이드(37)를 이탈하는 공기는 그 후에 점차 뒤로 선회하여 자신을 전체적인 흐름 방향과 정렬시킨다.
전방 및 외측으로 기울어진 블레이드(37)를 이용하면, 반경 방향으로 연장하 는 블레이드를 구비한 통상적인 풍력 터빈에서보다 주어진 전체 직경 내에서 더 큰 총 블레이드 면적을 제공할 수 있어서 구조 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다. 또한, 비교적 큰 허브(36)로부터 연장하는 기울어진 블레이드(37)의 경우, 블레이드 길이를 따른 여러 지점의 (회전에 기인한) 접선 속도의 변동 정도가 반경 방향으로 연장하는 블레이드를 구비하는 동일한 직경의 통상적인 풍력 터빈에서보다 더 작다. 이는 비틀림이 없는 간단한 블레이드(37)를 이용하는 것으로부터 기인한 불리한 성능 조건을 감소시키는데, 그 이유는 적은 블레이드 비틀림은 블레이드(37)의 전체 길이를 따라 최적의 받음각(angle of attack)을 유지하는 데 필요하기 때문이다.
링 페어링(38)은 외측단들이 공기역학적 양력, 따라서 회전자 토크를 발생시키는 작용을 하도록 유입하는 공기를 블레이드(37)의 외측단에서 신속하게 선회시키고, 블레이드(37)를 가로지르기보다는 그 블레이드를 따라 흐름의 임의의 성분을 적어도 제한하기 위하여 마련되었다. 이차적인 이점은 링 페어링(38)은 쉬라우드가 없는 블레이드의 팁에서 발생하게 되는 팁 와류 쉐딩 현상(tip vortex shedding)으로 인한 상당한 동력 손실을 방지한다고 하는 것이다. 이와 관련하여 링 페어링(38)은 항공기 날개상의 소위 "단부 플레이트(end plates)"와 유사하게 작용한다.
그러나, 링 페어링(38)을 사용하면 또 다른 이점이 동일하게 제공되는 것으로 생각된다. 우선, 클링(전술한 인용 문헌 참조)이 발표한 바와 같이, 에어포일형 링 페어링은 미실속되어(unstalled) 그것의 외주 둘레에 양력을 발생시키고 있 을 때 그것의 외주상에 있는 각 지점 둘레에 순환류를 발생시킨다. 링 페어링(38)은 이들 양력이 내측으로 지향되도록 하는 형상을 취하고 있기 때문에, 그 흐름은 도 3 및 도 10에 화살표(60)로 도시된 방향이며, 따라서 블레이드(37)를 통해서 외측 및 후방으로 공기 흐름을 가속시키는데, 그 효과는 블레이드(37)의 외측단을 향해서 더 강해진다. 동시에, 회전에 기인한 블레이드(37)상의 지점들에서의 접선 속도는 이들 블레이드의 외측단을 향하여, 즉 반경이 증가될 수록 증대된다. 링 페어링(38)이 없으면, 이러한 효과는 각 블레이드(37)의 최적 로딩(loading)을 유지하도록 블레이드의 비틀림을 필요로 하게 된다. 링 페어링(38) 둘레의 순환류의 효과는 적어도 부분적으로 이 증대된 접선 속도를 오프셋시켜서 그러한 비틀림의 필요성을 감소시키는 것이다. 이것이 비틀림 없는 간단한 블레이드(37)가 다른 경우에 발휘할 것으로 예상되는 것보다 터빈(30)에서 더 양호한 성능을 발휘하는 이유인 것으로 믿어진다. 일단 이러한 통찰이 있으면, 풍력 터빈 설계 분야의 숙련자는 간단한 블레이드로 만족스러운 성능을 얻기 위하여 다른 루틴한 방법 또는 시행착오에 의하여 에어포일형 횡단면(40)에 대한 형상 및 치수를 선택할 수 있을 것이다.
링 페어링(38)을 마련하는(흐름을 외측으로 선회시키는) 주된 이유는 클링(Kling)에게 동기를 부여했던 것과는 전혀 다르지만, 뜻밖에도 비스듬한 블레이드(37)는 그들의 길이를 따라 비틀려 그것들의 제조를 어렵게 할 필요성을 감소시킨다. 또한, 링 페어링(38)의 형상은 에일러(Aylor)(전술한 인용 문헌 참조)가 비스듬한 블레이드를 이용한 실시예에서 교시한 것과는 전혀 다르다(미국 특허 제 4,781,523호 참조). 에일러는 외측 및 전방으로 향한 양력을 발생시키게 되는, 엄밀히 말하면 링 페어링(38)에 의하여 발생되는 것과는 반대의 양력을 발생시키게 되는 외향 캠버형 횡단면(outwardly chambered cross-section)을 갖는 링 페어링을 이용한다. 이는 중공체(에일러의 아이템 43) 위로 매끄럽게 이동하도록 출구 공기 흐름을 후방으로 선회시키고 출구에서의 유체 통로의 횡단면적을 감소시키기 위하여 행하여진 것이다. 풍력 터빈(30)은 전혀 그렇지 않다. 에일러의 링 페어링이 링 페어링(38)보다는 훨씬 더 대형이고 형상에 있어서 다소 더 복잡하여 비용을 증대시킨다고 하는 것도 주목되어야 한다.
본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않고도 많은 변형이 이루어질 수 있다. 특히, 전술한 이점들을 유지하면서, 보다 높은 효율을 위하여 풍력 터빈(30)의 전체적인 형태의 풍력 터빈 설계를 세련되게 하거나, 그들 설계를 특정 조건에 맞추기 위하여 보통의 방법(예컨대, 컴퓨터 유체 공학 시뮬레이션)을 이용할 수도 있다. 추가 비용이 적정하다면, 전자는 일반적으로 보다 복잡한 블레이드 장치 및/또는 링 페어링 에어포일형 횡단면을 포함하게 될 것이다.
변형될 수 있는 다른 파라미터로는 허브(36)의 꼭지각, 허브(36)의 형상(비록 제시된 간단한 원추형이 바람직하고 제조하기가 용이하지만), 블레이드 현, 길이, 테이퍼, 면적 및 허브(36)에 대한 블레이드 각도 설정이 있다.
다른 가능성은 중공체(31)에 대하여 약간 증대된 직경을 허용하고, 중공체(31) 내에 허브(36)의 매끄러운 페어링을 제공하는 것이다. 이렇게 하면, 어느 정도의 성능 개선이 이루어질 수도 있을 것으로 생각된다.
다른 한편으로, 불리한 주요 성능 조건 없이 링 페어링(38)을 보다 간단한, 바람직하기로는 캠버형의 판금 링 페어링으로 대체함으로써 풍력 터빈(38)을 단순화하고 저렴하게 하는 것도 가능할 수 있다.
물론, 여기에서 개시된 본 발명은 이동하는 유체 흐름으로부터 동력을 얻는 것이 요망되는 다른 용도에도 적용 가능하다고 하는 것을 강조한다.

Claims (18)

  1. 이동 유체로부터 동력을 얻기 위한 유체 터빈으로서,
    수평 방향 축선을 중심으로 하여 회전하도록 지지 구조체에 장착되고, 허브로부터 전방 외측으로 연장하는 복수 개의 블레이드를 구비하는 회전자와;
    상기 블레이드의 외측단에서 이들 블레이드에 고정되고, 상기 수평 방향 축선을 중심으로 하여 상기 블레이드와 함께 회전 가능하며, 상기 회전 축선과 동축인 링 페어링을 구비하고,
    상기 링 페어링은, 그 링 페어링상의 적어도 하나의 외주 지점에, 상기 터빈의 작동시 반경 방향 횡단면 주위에 상기 링 페어링과 상기 허브 사이의 유속을 증대시키는 방향으로 순환류가 발생되도록 하는 형상의 그러한 반경 방향 횡단면을 갖는 것인 유체 터빈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 링 페어링은 상기 터빈의 작동시 그 링 페어링상의 상기 적어도 하나의 외주 지점에서 상기 링 페어링의 내측 및 후방으로 지향되는 공기 역학적인 힘을 발생시키는 것인 유체 터빈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 링 페어링은 그 링 페어링의 실질적으로 전체 외주 둘레에서 횡단면이 균일한 것인 유체 터빈.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 링 페어링의 횡단면은, 상기 순환류가 상기 블레이드의 반경의 증가에 따른 블레이드의 접선 방향 속도 증가로 인하여 상기 블레이드에 대한 유체의 흐름 방향에 있어서의 변화를 적어도 부분적으로 오프셋시키기에 충분하도록, 형상, 치수 및 배치 방향이 설정되어 있는 것인 유체 터빈.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 허브는 꼭지각이 60도 내지 120도 범위인 실질적으로 원추형 형상인 것인 유체 터빈.
  6. 제5항에 있어서, 상기 꼭지각은 80도 내지 100도 범위인 것인 유체 터빈.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 터빈 작동시의 상기 블레이드의 후미 연부는 적어도 거의 원추형인 표면을 쓸고 지나가는 것인 유체 터빈.
  8. 제7항에 있어서, 상기 원추형 표면과 상기 허브의 외측 표면 양자 모두가 상기 회전 축선을 포함하는 반경 방향 평면 내에 단면도로 도시되었을 때, 상기 원추형 표면이 상기 허브의 외측 표면과 약 75도 내지 90도의 각도로 교차하는 것인 유체 터빈.
  9. 제7항에 있어서, 상기 원추형 표면과 상기 허브의 외측 표면 양자 모두가 상기 회전 축선을 포함하는 반경 방향 평면 내에 단면도로 도시되었을 때, 상기 원추형 표면이 상기 허브의 외측 표면과 약 90도의 각도로 교차하는 것인 유체 터빈.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 상기 블레이드가 그것의 길이를 따라 실질적으로 일정한 횡단면 형상인 것인 유체 터빈.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 상기 블레이드는 에어포일형 횡단면 형상인 것인 유체 터빈.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 블레이드가 그것의 길이를 따라 실질적으로 비틀려 있지 않은 것인 유체 터빈.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 상기 블레이드는 판상 재료로 형성되고 아치형 횡단면 형상을 가지는 것인 유체 터빈.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 링 페어링의 횡단면은 적어도 에어포일 형상에 근사한 것인 유체 터빈.
  15. 제14항에 있어서, 상기 에어포일 형상은 블레이드들에 대향하는 측부에서 오 목한 캠버선(camber line)을 갖는 것인 유체 터빈.
  16. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 링 페어링은 판상 재료로 형성되고 그 링 페어링의 횡단면이 아치 형상인 것인 유체 터빈.
  17. 제16항에 있어서, 상기 아치 형상은 블레이드들에 대향하는 측부에서 오목한 것인 유체 터빈.
  18. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 링 페어링 횡단면은 전방 연부와 후미 연부를 구비하고, 상기 회전 축선을 포함하는 반경 방향 평면 내에 도시되었을 때의 상기 전방 연부와 후미 연부 사이의 거리는 각 블레이드의 최대 현 길이의 두 배 미만인 것인 유체 터빈.
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Families Citing this family (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2793528B1 (fr) * 1999-05-12 2001-10-26 Cie Internationale Des Turbine Eolienne a pales obliques et generateur electrique
AUPS266702A0 (en) 2002-05-30 2002-06-20 O'connor, Arthur Improved turbine
GB0306075D0 (en) 2003-03-18 2003-04-23 Renewable Devices Ltd Wind turbine
KR100640156B1 (ko) * 2004-10-30 2006-10-30 주식회사 하이닉스반도체 반도체 소자의 데이터 입력 버퍼
US7182573B2 (en) * 2004-11-24 2007-02-27 Stanley Jonsson Wind turbine
US7748748B2 (en) * 2005-04-12 2010-07-06 International Business Machines Corporation Method and system for generating and authenticating documents having stored electrostatic pattern information
WO2007021992A2 (en) * 2005-08-12 2007-02-22 Mariah Power Inc. Low cost wind turbine
US7323791B2 (en) * 2006-03-27 2008-01-29 Jonsson Stanley C Louvered horizontal wind turbine
US7550865B2 (en) * 2006-06-27 2009-06-23 Jonsson Stanley C Wind turbine having variable pitch airfoils that close when moving against the direction of the wind
US7385302B2 (en) * 2006-06-27 2008-06-10 Jonsson Stanley C Wind turbine having variable pitch airfoils
US7695242B2 (en) * 2006-12-05 2010-04-13 Fuller Howard J Wind turbine for generation of electric power
US9194362B2 (en) 2006-12-21 2015-11-24 Green Energy Technologies, Llc Wind turbine shroud and wind turbine system using the shroud
US8257019B2 (en) * 2006-12-21 2012-09-04 Green Energy Technologies, Llc Shrouded wind turbine system with yaw control
AT505351B1 (de) * 2007-04-05 2009-03-15 Hermann Olschnegger Windrad
CA2701756A1 (en) * 2007-10-07 2009-04-16 Daniel Farb Support of flow deflection devices in wind turbines
US20090191057A1 (en) * 2008-01-24 2009-07-30 Knutson Roger C Multi-Axis Wind Turbine With Power Concentrator Sail
EP2112372A1 (en) * 2008-04-21 2009-10-28 Lm Glasfiber A/S Wind turbine with blades supported on the leeward site
WO2009131459A2 (en) * 2008-04-24 2009-10-29 Ocean Wave Rocker As Energy storage system
GB0810149D0 (en) * 2008-06-04 2008-07-09 St Germain Andre Horizontal axis wind turbine
US20100098542A1 (en) * 2008-10-20 2010-04-22 Jonsson Stanley C Wind Turbine Having Two Sets of Air Panels to Capture Wind Moving in Perpendicular Direction
CA2643587A1 (en) * 2008-11-10 2010-05-10 Organoworld Inc. Turbine annular axial rotor
EP2379881B1 (en) * 2008-12-24 2017-04-26 Dominick Daniel Martino Prime mover
US9702340B2 (en) 2008-12-24 2017-07-11 Dominick Daniel Martino Prime mover
MY144384A (en) * 2009-04-29 2011-09-15 Dual Axis Engineering Sdn Bhd An improved hydro turbine
NO329993B1 (no) * 2009-06-12 2011-02-07 Innowind As Anordning ved vindturbin
US9004864B2 (en) 2009-06-22 2015-04-14 Kean W. Stimm Wind turbine
WO2010151540A1 (en) * 2009-06-22 2010-12-29 Stimm Kean W Wind turbine
EP2547904B1 (en) * 2010-03-19 2019-05-08 SP Tech Propeller blade
AU2011252767A1 (en) * 2010-05-13 2012-12-06 Resa Intellectual Property Pty Ltd A turbine blade assembly
CN101886618B (zh) * 2010-06-22 2012-08-08 沈阳瑞祥风能设备有限公司 轮毂自然式通风过滤结构
US20120321454A1 (en) * 2011-06-14 2012-12-20 Yu Zhi-Xuan Wind power generation apparatus
JP4892716B1 (ja) * 2011-09-13 2012-03-07 アイ・ビー・テクノス株式会社 風力発電装置
WO2014130482A1 (en) * 2013-02-19 2014-08-28 Daegyoum Kim Horizontal-type wind turbine with an upstream deflector
WO2016062295A1 (zh) * 2014-10-21 2016-04-28 张效新 一种风力发电机组单框架式叶轮
PL229386B1 (pl) * 2015-08-25 2018-07-31 Staszor Roman Jan Tunelowa turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu wirnika
US9926906B2 (en) 2016-04-29 2018-03-27 Mansberger Aircraft Inc. Thermodynamic wind turbine
DE102016011685B4 (de) 2016-09-29 2021-01-07 Hans Mathea Windkraftanlage
WO2020047658A1 (en) * 2018-09-04 2020-03-12 Ryan Church Fluidic turbine structure
US10794357B1 (en) * 2020-04-01 2020-10-06 Kevin Pyne Conical wind turbine assembly
CN114506443B (zh) * 2022-02-23 2023-06-23 北京航空航天大学 具备导引结构的叶片、转子以及叶片设计方法

Family Cites Families (42)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1433995A (en) * 1918-08-17 1922-10-31 Frank F Fowle Turbine motor
DE455854C (de) * 1925-03-28 1928-11-10 Export Imp Und Commission G M Windrad
US2360440A (en) * 1942-01-26 1944-10-17 Evans Prod Co Rotary air impeller
US2434896A (en) 1942-08-08 1948-01-27 Ayr Corp Centrifugal impeller
DE804090C (de) * 1949-02-13 1951-04-16 Paul Duemmel Windkraftmotor
US3228475A (en) * 1961-11-30 1966-01-11 Worthmann Wilhelm Windmill
US3209156A (en) 1962-04-03 1965-09-28 Jr Arthur D Struble Underwater generator
US3838835A (en) * 1969-02-25 1974-10-01 A Kling Precessor flying craft
US4086498A (en) 1975-04-25 1978-04-25 Joseph Szoeke Wind powered rotary electric generator
US4075500A (en) 1975-08-13 1978-02-21 Grumman Aerospace Corporation Variable stator, diffuser augmented wind turbine electrical generation system
US4021135A (en) 1975-10-09 1977-05-03 Pedersen Nicholas F Wind turbine
US4017205A (en) 1975-11-19 1977-04-12 Bolie Victor W Vertical axis windmill
IL48928A (en) 1976-01-29 1978-04-30 Univ Ben Gurion Wind-driven energy generating device
US4080100A (en) 1976-09-28 1978-03-21 Mcneese Walter C Wind motor
DE2715729B2 (de) * 1977-04-07 1979-04-26 Alberto 8131 Berg Kling Rotor für eine Turbine
US4159191A (en) 1977-08-01 1979-06-26 Graybill Clinton L Fluid rotor
US4143992A (en) 1977-11-29 1979-03-13 Crook Charles W Wind operated power generator
DE2852554C2 (de) * 1978-12-05 1983-01-20 Alberto 8131 Berg Kling Rotor für eine Strömungsmaschine
NL7906627A (nl) * 1979-09-04 1981-03-06 Stichting Energie Inrichting met wieken die voorzien zijn van hulpvleugels met vergroot mengeffect tussen zog en buitenstroming.
US4324985A (en) 1980-07-09 1982-04-13 Grumman Aerospace Corp. Portable wind turbine for charging batteries
US4415306A (en) * 1982-04-20 1983-11-15 Cobden Kenneth J Turbine
AU1670983A (en) * 1982-08-10 1984-02-16 Cobden Turbines Pty. Ltd. Frost control
US4422820A (en) 1982-09-29 1983-12-27 Grumman Aerospace Corporation Spoiler for fluid turbine diffuser
SE430529B (sv) 1982-12-30 1983-11-21 Vindkraft Goeteborg Kb Anordning vid vindturbiner
CA1266005A (en) 1984-02-07 1990-02-20 Louis Obidniak Wind turbine "runner" impulse type
DE3617186A1 (de) 1986-05-22 1987-12-10 Alfred Frohnert Kegelfoermige windkraftanlage mit hohlfluegeln
US4781523A (en) * 1987-06-01 1988-11-01 Aylor Elmo E Fluid energy turbine
SE466358B (sv) 1988-03-23 1992-02-03 Ivar Holmgren Vindkraftverk
US4863350A (en) * 1988-11-18 1989-09-05 Quarterman Edward A Air turbine
DE3943075A1 (de) 1989-12-27 1991-07-04 Ferdinand Dr Lutz Propeller mit verwindbaren blaettern
DE4030559A1 (de) 1990-09-27 1992-04-02 Schubert Werner Windturbine zur besseren ausnutzung der windkraft
CN2083641U (zh) * 1991-03-30 1991-08-28 袁志 无落差旋流式的发电装置
NL9200786A (nl) 1992-04-29 1993-11-16 Pieter Arie Jan Eikelenboom Wiekkonstruktie voor windmolen.
US5591004A (en) 1995-04-06 1997-01-07 Aylor; Elmo E. Turbine support and energy transformation
CA2223903C (en) 1995-04-06 1999-11-09 Elmo Edison Aylor Self-governing fluid energy turbine
US5632599A (en) 1996-06-03 1997-05-27 Prime Energy Corporation Turbine with circumferential support and stationary pressure release means
US5707209A (en) * 1996-10-11 1998-01-13 Penn Ventilator Co., Inc. Centrifugal ventilator fan
FR2793528B1 (fr) * 1999-05-12 2001-10-26 Cie Internationale Des Turbine Eolienne a pales obliques et generateur electrique
AUPQ085299A0 (en) 1999-06-08 1999-07-01 Smith, Bruce Justin Diffuser augmented wind turbine
CN2459457Y (zh) * 2000-11-17 2001-11-14 陈晓忠 高效便携式户用风力发电机
CN1308187A (zh) * 2001-01-17 2001-08-15 邓大贤 圆锥形风力机
AUPS266702A0 (en) 2002-05-30 2002-06-20 O'connor, Arthur Improved turbine

Also Published As

Publication number Publication date
NO329630B1 (no) 2010-11-22
EP1507974A1 (en) 2005-02-23
NZ536774A (en) 2005-04-29
CO5650183A2 (es) 2006-06-30
ZA200409235B (en) 2005-09-28
GEP20064004B (en) 2006-12-25
MXPA04011735A (es) 2005-02-14
JP4174473B2 (ja) 2008-10-29
CR7599A (es) 2005-02-09
JP2005528557A (ja) 2005-09-22
US20030223858A1 (en) 2003-12-04
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HRP20041140A2 (en) 2005-10-31
MEP9909A (en) 2011-12-20
EA200401592A1 (ru) 2005-06-30
RS51353B (sr) 2011-02-28
YU104204A (sh) 2006-01-16
HRP20041140B1 (en) 2007-08-31
AU2003205021B1 (en) 2003-09-18
EA006361B1 (ru) 2005-12-29
CA2487108A1 (en) 2003-12-11
ME00679B (me) 2011-12-20
CN1623036A (zh) 2005-06-01
WO2003102411A1 (en) 2003-12-11
KR20050037436A (ko) 2005-04-21
NO20045028L (no) 2005-01-14
AUPS266702A0 (en) 2002-06-20
BR0311312A (pt) 2005-02-15
US6786697B2 (en) 2004-09-07
EP1507974A4 (en) 2007-01-17
CA2487108C (en) 2007-01-09
BR0311312B1 (pt) 2012-12-25
CN100390406C (zh) 2008-05-28

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