KR100870187B1 - 프로펠러 및 횡축 풍차 - Google Patents

Abstract

횡축 풍차에서의 프로펠러 날개(3)의 선단부가 프로펠러 날개(3)의 전면 방향으로 경사져서 경사부(3c)가 형성되어 있는 프로펠러를 개시한다. 경사부(3c)의 경사 각도는 프로펠러 날개(3)의 길이 방향에 대하여 25°내지 50°의 범위로 설정된다.

프로펠러, 풍차, 날개, 횡축, 경사부, 각도, 바람, 수풍부, 선단부

Description

프로펠러 및 횡축 풍차 {PROPELLER AND HORIZONTAL-SHAFT WINDMILL}

본 발명은 프로펠러 및 횡축 풍차와 관련되며, 특히, 풍차의 프로펠러 날개의 선단부가 프로펠러 날개의 전면 방향으로 경사져서 경사부가 형성되어 있는 프로펠러와, 이 프로펠러를 이용하는 횡축 풍차에 관한 것이다.

종래에 풍력 발전기의 풍차로서 횡축 프로펠러식 풍차가 이용되고 있다. 프로펠러식 풍차는, 프로펠러 날개의 길이가 10m 내지 50m인 대형의 것이 사용되고, 회전 효율면에서 날개 선단부를 가늘게 한 것이 주류로 되어 있다. 그 이유는, 기다란 프로펠러 날개는, 기단부보다 선단부 쪽의 회전 속도가 당연히 빠르기 때문이다. 따라서, 프로펠러 날개의 선단부의 현의 길이를 넓게 증대시키면, 공기 저항이 커지고 회전 속도가 저하된다. 또한, 종래의 프로펠러는, 프로펠러가 받은 바람이 원심 쪽으로 빠져나가서 손실이 크다.

풍차의 회전 효율은 프로펠러의 수풍(受風) 면적에 의해 정해진다. 예를 들면 동일한 삼각형의 프로펠러 날개를, 기단부의 현의 길이를 크게 한 것과 반대로 선단부의 현의 길이를 크게 한 것을 비교하면, 풍차의 수풍 면적은 동일하지만, 선단부의 현의 길이가 큰 쪽이 축방향 토크가 크고 회전 속도는 느리다.

본 발명은, 프로펠러 날개의 선단부를 전면 쪽으로 경사지게 하여 경사부를 형성하고, 경사부에 접촉하는 바람을 회전 중심 쪽으로 집합시킴으로써 풍력 효율을 높인 프로펠러, 및 이 프로펠러를 이용하는 횡축 풍차를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 구체적인 내용은 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 프로펠러의 정면도이다.

도 2는 도 1에 도시한 프로펠러의 평면도이다.

도 3은 도 1에서의 A-A선 단면도이다.

도 4는 도 1에서의 B-B선 단면도이다.

도 5는 도 1에서의 C-C선 단면도이다.

도 6은 도 1에서의 D-D선 단면도이다.

도 7은 도 1에서의 E-E선 단면도이다.

도 8은 도 1에서의 F-F선 단면도이다.

도 9는 도 1에 도시한 프로펠러 날개 중 하나의 좌측면도이다.

도 10은 본 발명의 실시예 2에 따른 프로펠러의 정면도이다.

도 11은 본 발명의 실시예 3에 따른 프로펠러의 측면도이다.

도 12는 도 11에 도시한 프로펠러의 평면도이다.

도 13은 본 발명에 따른 횡축 풍차의 측면도이다.

도 14는 도 13에 도시한 횡축 풍차의 정면도이다.

도 15는 본 발명에 따른 횡축 풍차의 실시예 2를 나타내는 평면도이다.

도 16은 도 15에 도시한 횡축 풍차의 정면도이다.

도 17은 본 발명의 실시예 4에 따른 프로펠러의 정면도이다.

도 18은 도 17에 도시한 프로펠러 날개의 측면도이다.

도 19는 도 17에 도시한 프로펠러 날개 중 하나의 평면도이다.

도 20은 도 18에서의 A-A선 단면도이다.

도 21은 도 18에서의 B-B선 단면도이다.

도 22는 프로펠러의 설명을 위한 측면도이다.

프로펠러 날개 수풍부의 선단부를 전면 방향으로 경사지게 하여 경사부가 형성되었다. 프로펠러 날개의 선단 에지부 현의 길이가 크게 형성되어 수풍 효율을 높일 수 있다.

실시예 1

도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 프로펠러의 정면도이고, 도 2는 도 1에 도시한 프로펠러의 평면도이다. 도 1에서, 프로펠러(1)는 보스(2)의 전면에서 반경 방향으로, 3개의 프로펠러 날개(3)가 동일한 간격으로 설치되어 있다. 참조부호(4)는 프로펠러 샤프트를 나타낸다. 상기 보스(2)의 형상은 임의로 설정된다.

도면에서 프로펠러 날개(3)는, 보스(2)의 배면에 베이스부(3a)를 볼트로 고정하는 형식을 나타내고 있지만, 샤프트부(4)의 주위면에 나사로 고정하는 형식 등, 고정 수단은 임의이다.

각 프로펠러 날개(3)는 삼차원형으로, 도 1에 나타낸 바와 같이, 전면에서 베이스부(3a)는 좁은 로드(rod) 형상으로, 그 선단부가 폭 넓게 설정되어 수풍부(3b)가 형성되어 있다. 수풍부(3b)는 선단 에지부 및 트레일링(trailing) 영역이 크게 설정되어 있다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 프로펠러 날개(3)는, 그 선단부가 전면 방향으로 경사져서 경사부(3c)가 형성되어 있다. 도 1에서의 참조부호(3d)는 경사부(3c)의 기단 경계선을 지시하며, 상기 기단 경계선(3d)은 프로펠러 날개(3)의 회전시에 회전 트랙(T)에 따르는 원호 형태로 설정되어 있다.

따라서, 프로펠러 날개(3)의 회전시에, 경사부(3c)의 기단부 부분의 공기 저항이 경감된다.

경사부(3c)의 길이는, 예를 들면 프로펠러 날개 길이의 5% 내지 2O% 정도로, 그 경사 각도는, 프로펠러 날개(3)의 직선부에 대하여 중심부에서 15°내지 50°의 범위, 바람직하게는 40°내지 45°이다. 상기 수풍부(3b)의 현의 최대 길이는 프로펠러 날개(3)의 회전 직경의 약 14%로 설정되어 있으며, 13% 내지 25%의 범위에서 설정될 수 있다.

도 3은 도 1에서의 A-A선 단면도이고, 도 4는 도 1에서의 B-B선 단면도이며, 도 5는 도 1에서의 C-C선 단면도이다.

이와 같이, 수풍부(3b)는, 프로펠러 날개(3)의 베이스부(3a)로부터 선단부로 감에 따라, 수풍부(3b) 전면이 보스(2)의 회전 방향에 대하여 완만한 경사로 설정되어 있다.

이러한 구성에서, 수풍부(3b)의 트레일링 단부 영역(도면의 좌측)은, 프로펠러 날개(3)의 선단부 영역에 가까워질수록 전면 방향으로 변위되어 있다.

도 6은 도 1에서의 경사부(3c)의 D-D선 단면도이고, 도 7은 도 1에서의 E-E선 단면도이며, 도 8은 도 1에서의 F-F선 단면도이다. 경사부(3c)의 선단부로 감에 따라, 점차로 전방으로 나와, 전면은 회전 전방(도면의 우측)으로부터 회전 후방(도면의 좌측)에 걸쳐 점차 뒤쪽으로 경사져 있다.

도 1, 도 2에서, 전면 방향으로부터 바람을 받았을 경우, A-A선을 따르는 부분에서는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 바람을 맞는 면적이 넓고, 화살표 A 방향의 바람은 프로펠러 날개(3) 전면을 따라 좌측으로 흘러 화살표 a 방향으로 프로펠러 날개(3)를 누르는 힘이 생긴다.

B-B선을 따르는 부분에서는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 바람을 맞는 면적이 A-A선을 따르는 부분보다 좁고, 화살표 A 방향의 바람은 프로펠러 날개(3) 전면을 따라 좌측으로 흐르며, 전면의 후방 경사각이 크기 때문에 바람이 빨리 통과하고, 화살표 b 방향으로 프로펠러 날개(3)를 누르는 힘이 생긴다.

C-C선을 따르는 부분에서는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 바람을 맞는 면적이 B-B선을 따르는 부분보다 좁고, 화살표 A 방향의 바람은 프로펠러 날개(3) 전면을 따라 좌측으로 흐르며, 전면의 후방 경사각이 크기 때문에 바람이 빨리 통과하고, 화살표 c 방향으로 프로펠러 날개(3)를 누르는 힘이 생긴다. 베이스부(3a)는 바람의 저항을 받지만, 면적이 작기 때문에 프로펠러 날개(3)의 회전에 부담이 되기 어렵다.

도 9에서, 점 P와 Q 사이의 경사면에 접촉하는 바람은, 점Q 방향으로 편향된다. 점 O-Q를 통과하는 바람의 통과시간과, 점 P-Q를 통과하는 바람의 통과시간은 동일하므로, 점 O-Q를 통과하는 바람의 속도보다, 점 P-Q를 통과하는 바람의 통과 속도가 더 빠르다.

그러므로, 도 9에서, 경사부(3c)의 경사진 전면에 접촉하는 바람은, 경사를 이루어 기단 경계선(3d) 쪽으로 고속으로 통과하여, 도 4 및 5에 나타낸 수풍부(3b) 전면을 후방 좌측 방향으로 흐르는 바람과 합류하여, 공기 밀도 및 풍압을 높여, 프로펠러 날개(3)의 배후 쪽으로 통과한다.

특히, 도 1에서는, 경사부(3c)에서의 바람 정체에 의한 저항 손실이 큰 것처럼 보이지만, 상기한 바와 같이, 경사부(3c)에 접촉하는 바람은 도 1에서의 화살표 A1 방향의 바람과 같이 고속으로 통과한다. 따라서, 경사부(3c)에 바람 저항이 형성되지 않고, 도 1에서의 B-B선으로부터 프로펠러 날개(3)의 베이스부(3a) 주위에서의 바람이 고속으로 통과하도록 촉진하는 효과가 있다.

경사부(3c) 전면에서 풍속이 빨라지면, 그 부분에서 부압이 생긴다. 그 결과, 다른 부분으로부터 상압(常壓)의 바람이, 경사부(3c) 전면에 여분으로 집합하게 되어, 동일한 풍속, 동일한 시간 내에서, 경사부(3c)만 다른 부위보다 다량의 바람과 접촉하게 되어 바람의 집중 효과가 생긴다.

종래의 프로펠러 날개는, 베이스부의 폭이 넓은 경우, 프로펠러 날개가 회전하면 바람의 유동이 제한을 받아, 프로펠러 날개에 부담이 되고, 또 바람은 프로펠러 날개의 가느다란 선단 방향으로 흐르기 때문에 회전 효율이 나쁘다.

이와는 대조적으로, 본 발명에 의한 프로펠러 날개(3)는, 베이스부(3a) 둘레에 바람의 통과성이 좋고, 원심부의 폭이 넓고, 경사부(3c)에 의해 바람이 모아져서, 수풍부(3b)에 바람을 고속으로 향하게 하므로, 바람의 회수성이 뛰어나 프로펠러 날개(3)의 원심부에서 큰 풍력을 얻기 때문에, 지레의 원리로 축방향 토크가 커진다.

그 결과, 날개 길이를 길게 하지 않아도 풍차의 효율이 증대되어, 프로펠러 날개(3)의 강성 문제, 풍차의 높이 문제 등, 유리한 점이 많다. 프로펠러 날개(3)의 형태는 도 2에 명백한 바와 같이, 회전 방향으로의 대면 면적이 작고, 횡단면이 양력을 형성하므로, 프로펠러(1)가 회전하기 시작하면 회전 양력이 생긴다.

이 경우, 전술한 바와 같이, 도 9에서, 경사부(3c) 전면에서, 점 P-Q를 미끄러지는 풍속이 점 O-Q 사이보다 빠르면, 공기 밀도가 얇아져서 부압이 되기 때문에, 다른 부분으로부터의 상압의 바람이 경사부(3c) 전면으로 신속하게 이동하고, 이로 인해 다른 부분보다 고속의 바람과 접촉하는 효과가 생겨, 단위 시간당 공기 밀도가 높아지기 때문에, 프로펠러 날개(3)를 회전 방향으로 누르는 전체 풍압이 높아진다.

즉, 경사부(3c)는, 바람을 정체시키는 것처럼 보이지만, 실제로는 풍속이 빨라져서 신속하게 통과하고, 그만큼 다른 부위보다 다량의 바람이 경사부(3c)에 접촉되므로 수풍 효율이 높다. 이것은, 도 9에서, 점 O-Q보다 점 P-Q의 거리가 긴 것이, 점 O-Q를 통과하는 바람보다 속도가 빠르므로, 거리는 긴 것이 좋지만, 경사 각도가 완만하고 길기만 하면 바람이 분산므로, 경사 각도는 45°이내가 최적이다.

도 1에서, 경사부(3c)의 전면에 접촉하는 바람이 경사부(3c)의 기단부 둘레를 후방으로 고속 통과하는 것은, 이 바람이 프로펠러 날개(3)를 회전 방향으로 회전시키는 힘이 된다.

특히, 도 4에서는, 점 S-R을 통과하는 풍속보다 점 T-R을 통과하는 풍속이 더 빠르다. 따라서 이 경사부(3c) 전면에 대한 풍압이 프로펠러 날개(3)를 회전 방향으로 누르게 된다.

이와 같이 프로펠러 날개(3)의 선단부에, 경사부(3c)가 형성된 본 발명의 프로펠러(1)와 종래의 프로펠러의 회전 속도를 비교하면, 동일한 수풍 면적과 풍속에서, 종래의 프로펠러는 210rpm이며, 본 발명의 프로펠러는 405rpm으로 커다란 회전수의 차이를 볼 수 있었다.

실시예 2

도 10은, 프로펠러 날개(3)의 실시예 2를 나타내는 정면도이다. 전술한 것과 동일한 부위에는 동일한 참조부호를 부여하고 설명을 생략한다.

실시예 2에서 수풍부(3b)의 최대폭은 프로펠러 직경의 20%로 설정되어 있지만, 25%까지 증대시킬 수 있다. 베이스부(3a)의 전면의 폭은, 최대폭의 1/3 이하로 설정된다. 수풍부(3b)의 횡단면은 실시예 1과 실질적으로 동일하다.

실시예 3

도 11, 프로펠러 날개(3)의 실시예 3을 나타내는 측면도이고, 도 12는 평면도이다. 전술한 것과 동일한 부위에는 동일한 참조부호를 부여하고 설명을 생략한다.

이 프로펠러 날개(3)는, 선단부의 현의 길이가 크고, 베이스부는 좁게 설정되어 있다. 베이스부의 폭은 현의 최대 길이의 26% 내지 40%의 범위가 바람직하다. 프로펠러 날개(3)의 베이스부(3a)의 폭이 좁아서, 회전시에 축 둘레의 기류 회수성이 뛰어나다.

도 11에서, 프로펠러 날개(3)의 고정부(1a)는 프로펠러 샤프트(4)에 직각으로 고정된다. 고정부(1a)의 배면에 직각인 수직의 길이방향 중심선(C)에 대해서, 프로펠러(1)의 길이방향 중심선(E)의 선단부는, 4°내지 6°의 범위에서 후방으로 경사져 있다. 이 경사면에 의해, 수풍부(3b) 전면에 접촉하는 바람은 프로펠러 날개(3)의 선단쪽으로 가속되어 통과한다.

도 11에서, 프로펠러 날개(3)의 경사부(3c)는, 그 중심부가 상기 길이방향 중심선(E)에 대해서, 25°내지 45°의 범위에서 전방으로 경사져 있다. 이 경사에 의해, 경사부(3c)의 수풍 면적은 수직면보다 약 1.4배로 증가한다. 또한, 25°이하의 경사도에서는 이 경사면을 미끄러지는 가속도가 작다. 또한, 45°를 넘으면 직행에 가깝기 때문에 역시 가속도가 작아진다.

도 12에서, 수풍부(3b)의 선단 에지부에는, 고정부(1a)의 배면과 평행한 기준선(F)에 대해서, 전면이 6°내지 15°의 음앙각(G)으로 설정되어 있다. 즉 프로펠러(1)의 회전에 수반하는 풍압은 음영각(G)에 직접 접촉하지 않고, 회전하는 프로펠러 날개(3)에 접촉하는 바람은 이 음앙각(G)에 직접은 접촉하지 않지만, 돌아 들어가 음앙각(G)을 따라 배후 쪽으로 통과한다.

도 11에서, 프로펠러(1)가 전면으로 바람을 받으면, 수풍부(3b)의 전면은, 전체가 후방으로 경사져 있으므로, 기단부로부터 도면의 점 P 방향으로 바람이 이동한다. 이것은, 바람이 저항이 약한 쪽으로 이동하기 때문이다.

도 11에서, 경사부(3c)에 해당되는 화살표 A 방향의 바람은, 점 O로부터 점 P에 도달하는 시간과, 점 Q-P를 미끄러지는 시간이 동일하므로, 점 O로부터 점 P에 도달하는 바람의 속도보다, 점 Q-P를 미끄러지는 바람의 속도가 더 빠르다. 속도가 빠르면 공기 밀도가 얇아져 주위보다 부압이 된다. 부압이 되면, 주위의 상압풍이 급격히 유입된다.

이로 인해, 경사부(3c) 전면의 경사면은, 동일한 시간 내에 부분적으로 다른 부위보다 다량의 바람을 끌어들이는 효과를 발휘한다. 특히, 프로펠러 날개(3)의 수풍부(3b) 전면에, 동일한 조건의 바람이 프로펠러 날개(3)의 삼차원 형상에 의해 부분적으로 바람을 집합시켜, 도 11에서의 점 P 부분에 강한 풍력이 작용하기 때문에, 프로펠러(1)의 회전 효율이 증대된다.

도 12에 나타낸 바와 같이, 점 R로부터 점 S에 이르는 바람의 시간과 점 T-S를 미끄러지는 바람의 시간이 동일하고, 점 R로부터 점 S에 이르는 바람의 속도보다 점 T-S를 미끄러지는 바람의 속도가 더 빠르다. 그 결과, 프로펠러 날개(3)의 수풍부(3b)에 접촉하는 바람은, 주위를 떠나는 바람의 속도보다, 수풍부(3b)에 접촉하여 가로로 미끄러지는 바람의 속도가 빠르기 때문에, 수풍부(3b) 전면에 바람을 많이 끌어들이게 된다.

그 결과, 화살표 A 방향의 바람의 속도가 4m/s 미만이어도, 프로펠러(1)에 접촉하면 바람이 가속화되고, 특히 경사부(3c)는 현의 길이가 프로펠러(1)의 회전 반경의 26% 내지 40%로 넓게 형성되어 있으므로, 일정 시간 내에서 접촉하는 풍량이 많아, 지레의 원리에 따라 축방향 토크가 커지게 된다.

따라서 이 프로펠러(1)는, 프로펠러 날개(3) 선단부에 경사부(3c)가 형성되었기 때문에, 부분적으로 바람을 다량으로 집중시키는 효과가 있다.

프로펠러 날개(3)의 선단의 현의 길이를 회전 반경의 26% 내지 40%의 범위로 확장시킨 것에 의해, 다른 부위보다 바람이 집중되는 부위의 면적이 넓어지고, 바람은 프로펠러(1)의 회전 원심부에 접촉하기 때문에, 지레의 원리를 효과적으로 이용할 수 있고, 약풍에서도 축방향 토크가 커지는 효과가 있다. 또한, 프로펠러 날개(3)의 베이스부(3a)에 대해서, 수풍부(3b) 전면은 선단부에 대하여 음앙각음앙각는 것에 의해, 수풍부(3b)에 접촉하는 바람을 가속시켜, 회전 후방으로 통과시킴으로써, 바람의 집중 효과를 얻을 수 있었다.

또한, 프로펠러 날개(3)를 베이스부로부터 선단부에 걸쳐, 전체를 후방으로 경사지게 함으로써, 수풍부(3b)에 접촉하는 바람을 선단 쪽으로 가속하여 집중시키는 것이 되어, 프로펠러(1)의 원심부에서의 회전력을 높일 수 있다.

도 13은, 프로펠러(1)를 풍차에 조립한, 횡축 풍차(5)의 실시예 2를 나타낸 우측면도로서, 도면의 좌측이 전면이다. 도 14는 횡축 풍차의 정면도이다. 전술한 것과 동일한 부위에는 동일한 참조부호를 부여하고 설명을 생략한다.

횡축 풍차(5)에서는, 지주(6)의 상부에 섀시(7)가 선회 가능하게 설치되어 있다.

섀시(7)는, 지주(6)를 선회 지점으로 하여, 전방 부분보다 후방 부분의 길이 가 더 길게 설정되어 있다. 또 섀시(7)의 후방 부분 상하에, 방향타(directional rudder)(8)가 수직으로 설치되어 있다.

섀시(7) 내부에는, 도시하지 않은 횡축(프로펠러 샤프트)이, 베어링을 통하여 수평으로 지지 되어 있다. 상기 횡축의 후단부에 프로펠러(1)가 고정되어 있다. 참조부호(7a)는 후방 커버이다.

상기 섀시(7) 내부에, 도시하지 않은 횡축의 선단부에 발전기를 연결하고, 그 사이에 변속기, 브레이크, 클러치, 자동 제어기, 속도 센서, 풍속계 등을 설치함으로써, 풍력 발전기로 만들 수 있다.

프로펠러(1)가 바람을 받아 회전하고 있을 때, 프로펠러 날개(3)의 경사부(3c)는 바람을 많이 받으므로, 풍향이 변화해도 매우 민감하게 위치가 수정되어, 프로펠러(1)는 항상 바람이 불어 가는 쪽에 위치한다. 또 횡풍이 있으면, 방향타(8)에 의해 신속하게 풍향에 대응한다.

프로펠러(1)를 섀시(7)의 바람이 불어 가는 쪽으로 위치시킴으로써, 프로펠러 날개(3)가 회전시에 지주(6)의 뒤쪽으로 일시적으로 들어가지만, 도 14에 나타낸 바와 같이, 프로펠러 날개(3)의 원심부에 있는 넓은 경사부(3c)는, 회전시에 원심부에 있기 때문에, 베이스부(3a)보다 회전 속도가 더 빠르므로, 지주(6)의 뒤쪽에 위치되는 시간이 짧다.

또 프로펠러(1)는, 지주(6)로부터 멀어져 있으므로, 지주(6)를 주위에 들어가는 바람이, 넓은 수풍부(3b) 및 경사부(3c)에 접촉하므로, 회전 효율을 해치지 않고, 민감하게 풍향의 변화에 대응할 수 있기 때문에, 양호한 회전 효율이 유지된 다.

도 15는 횡축 풍차의 실시예 3을 나타낸 평면도이고, 도 16은 그 정면도이다. 전술한 것과 동일한 부위에는 동일한 참조부호를 부여하고 설명을 생략한다.

횡축 풍차(5)에서, 섀시(7)는 지주(6)의 상에 선회 가능하게 설치되어 있다. 지주(6)에 의한 선회 중심은 섀시(7)에서 섀시(7)의 선단부로부터 섀시(7) 길이의 2O% 내지 40%에 해당되는 위치에 가급적 근접하여 설정되어 있다.

섀시(7)의 내부에는, 도시하지 않은 발전기가 설치되고, 발전기에 연결된 프로펠러 샤프트(4)가 수평으로 설치되며, 프로펠러 샤프트(4)의 후방 부분은 섀시(7)의 후방 부분 외측으로 돌출되어 있다. 섀시(7)의 내부에는, 도시하지 않은, 축전지, 각종 센서, 자동 제어 장치 등, 필수 기계식 부재가 내장된다. 도시한 바와 같이, 프로펠러 샤프트(4)에는 프로펠러(1)가 장착되어 있다. 도시하지 않았지만, 보스(2)의 배후에는 후방 커버가 장착된다.

도면에서는 3개의 프로펠러 날개(3)가 나타나 있지만, 이 개수는 한정되지 않는다. 프로펠러 날개(3)는, 베이스부보다 선단부의 현의 길이가 크게 설정되어 있다. 선단부의 현의 길이는, 예를 들면 회전 반경의 20% 내지 45%의 범위에서 설정된다.

프로펠러 날개(3)의 선단부에는, 전방에 30°내지 45°범위에서 경사진 경사부(3c)가 형성되어 있다.

섀시(7)의 전면에서의 좌우 양측부에는, 각각 상하 한 쌍의 지지 날개(9)가 반경방향으로 설치되고, 좌우 각각에서 지지 날개(9)의 선단부에 방향타(8)가 섀 시(7)로부터 동일한 간격으로 위치하도록 설치되어 있다.

지지 날개(9)는, 평면에서 베이스부보다 선단부의 폭이 좁게 설정되고, 전면에서 보아, 베이스부보다 선단부는 플레이트 두께가 얇게 설정되어 있다. 단면은 앞부분이 두껍고 후방으로 갈수록 얇게 설정되어 있다. 이 경우, 하방의 지지 날개(9)는, 하면보다 상면 앞부분에서 팽출이 크게 설정되고, 윗쪽의 지지 날개(9)는 상면보다 하면 앞부분에서 팽출이 크게 설정되어 있다. 이로써, 상하의 지지 날개(9) 사이를 통과하는 바람의 흐름은, 상하의 지지 날개(9)의 상하면을 통과하는 바람의 흐름보다 속도가 더 빠르다.

방향타(8)는 상하부가 내측으로 만곡되어 있다. 상기 만곡은, 상기 방향타가 프로펠러 날개(3) 선단면의 회전 트랙으로 들어가지 않도록, 소정 거리의 원호를 따르도록 만곡되어 있다.

방향타(8)의 전후 라인(S)은, 섀시(7)의 길이방향 중심선(L)에 대해서, 10°내지 17°의 범위에서, 후방 부분이 외측 방향으로 개방되도록 설정되어 있다.

도 15에서, 화살표 A 방향의 바람이 불 때, 프로펠러(1)는 회전하지 않는다. 그러나 화살표 A 방향의 바람은 방향타(8)에 접촉하여 가압하므로, 지주(6)를 선회 지점으로 하여 섀시(7)가 선회하고, 프로펠러(1)는 자동으로 바람이 불어 가는 쪽으로 위치하여 회전한다.

도 15에서, 화살표 B 방향의 바람이 불 때도 프로펠러(1)는 회전하지 않지만, 방향타(8)에 바람이 접촉되므로 지주(6)를 선회 지점으로 하여 섀시(7)가 선회하고, 프로펠러(1)는 바람이 불어 가는 쪽으로 자연스럽게 위치하여 회전한다. 이 와 같이, 방향타(8)는 전후 라인(S)이 섀시(7)의 길이방향 중심선(L)에 대해서, 10°내지 17°의 범위에서 외측 방향으로 개방되어 있으므로, 어느 방향으로부터의 바람에도 민감하게 대응한다.

도 15에서, 전방으로부터 화살표 C 방향의 바람이 불 때, 화살표 C 방향의 바람은 방향타(8)의 좌우를 통과한다.

이 경우, 좌우의 방향타(8)의 외측을 통과하는 바람은, 모두 방향타(8)의 외측 후방 부분을 가압하게 되지만, 좌우가 균형을 이루므로, 프로펠러(1)는 바람에 대향하여, 효과적으로 회전한다.

조금이라도 풍향이 변화될 때는, 방향타(8)에 대한, 좌우 어느 한쪽의 바람의 힘이 변화하므로 균형이 무너져, 강한 바람으로 가압되어 섀시(7)가 선회하고, 프로펠러(1)는 바람 방향에 대향하도록 배향된다.

도 15에서, 좌우의 방향타(8) 사이를 빠져나가는 바람은, 방향타(8)에 안내되어 통과한다. 이 경우, 대면하는 좌우의 방향타(8) 사이의 입구 폭은 좁지만, 출구는 넓게 개방되어 있으므로, 후방으로 빠질 때에 방향타(8)의 내측 후방 부분에서는 기류가 확산되어 공기 밀도가 감소한다.

방향타(8)의 외측 후방 부분에서는 기류가 압축된다. 그 결과, 방향타(8)의 내측을 통과하는 기류는 외측보다 더 빠르다. 속도가 빨라진 다량의 기류는 프로펠러 날개(3)의 경사부(3c)에서 정확하게 접촉되어 회전 속도에 기여한다. 방향타(8)의 내측 후방 부분에서 기압이 낮아지면, 상하 방향으로부터 다른 위치의 기류가 기압이 낮은 부위에 고속으로 유입되어, 일정 시간 내에서의 바람의 유동량이 증대되어 프로펠러(1)의 회전 효율을 높인다.

프로펠러(1)가 섀시(7)의 후방 부분에 설치되어 있는 경우, 프로펠러(1)의 회전에 따라 섀시(7)의 전면에서, 프로펠러(1)는 회전 방향으로 공기 저항을 받으므로, 종래의 섀시(7)는 저항이 작은 방향으로 선회한다. 그 결과, 섀시(7)가 반전 선회하여, 풍향과 반대 반향이 되는 경우가 있다.

그러나 본 발명에서는, 전술한 바와 같이, 좌우 방향타(8)의 후방 부분이 외측으로 개방되도록 경사져 있으므로, 전면으로부터 방향타(8)에 접촉하는 바람이 좌우로부터 선회를 제한하므로, 프로펠러(1)의 회전 원심력 진동에 의한 섀시(7)의 선회가 일어나지 않는다.

예를 들면, 섀시(7)의 후방 부분에 길이방향으로 배향되는 방향타를 배치한 경우, 바로 옆으로부터 부는 바람에는 방향 변화 효과가 있지만, 전면으로부터 경사진 바람이 불 때는, 프로펠러의 회전 작용에 의해 후방으로 통과하는 강한 풍류에 의해 방향타(8)가 본래의 위치에 유지되어 방향이 변화되지 않는 경우가 있다. 이와 관련하여, 본 발명의 방향타(8)는 바람의 방향이 약간만 변화해도 민감하게 반응하여 섀시(7)를 선회시킨다.

도 17에 나타낸 프로펠러(1)는 선박용 프로펠러이다. 보스(2)에 프로펠러 날개(3)가 복수 개(도면에서는 3개) 고정되어 있고 화살표 방향으로 회전된다. 프로펠러 날개(3)는, 베이스부(3a)는 폭이 좁고, 선단 에지부는 현의 길이가 회전 반경의 약 70%로 넓게, 현의 최대 길이부(3d)가 형성되어 있다.

측면에서 볼 때에, 프로펠러 날개(3)의 플레이트 두께는, 선단부가 얇게 형 성되고, 현의 최대 길이부(3d)로부터 선단부가 하류 방향으로 경사를 이루어, 경사부(3c)가 형성되어 있다. 상기 경사부(3c)의 경사 각도는, 프로펠러 샤프트(4)의 중심선(L)에 대해서, 10°내지 3O°범위로 경사져 있지만, 바람직하게는 15°내지 20°이다. 그러나 현의 길이에 따라, 경사부(3c)의 경사 각도는 45°까지 설정될 수 있다. 경사부(3c)의 기단부는 현의 최대 길이부(3d)에 있고, 상기 현의 최대 길이부(3d)는 그 회전 반경 상에 있는 원호형으로 설정되어 있으므로, 회전시에 저항이 작다.

도 18 및 19에서, 프로펠러 날개(3)는, 방류면(3g)의 우측의 회전 리딩 측부(leading side part)(3e)가, 좌측의 회전 트레일링 측부(trailing side part)(3D)보다 상류 방향으로 경사져 있고, 방류면(3g)의 경사도는 프로펠러 날개(3)의 기단부보다 선단 에지부 쪽이 완만하며, 이것은 상하의 플레이트 두께가 동일한 베이스부의 현의 길이가 작고, 선단 에지부의 현의 길이가 크기 때문이다.

이상과 같이 구성된 프로펠러(1)를 회전시키면, 도 22에 나타낸 바와 같이, 경사부(3c)에 의해 압출되는 경사 유체(a)는, 배후의 축심선(L)을 향해 집중된다.

도 22에서, 수직인 방류면(3g)에서 압출되는 수평인 유체(b)에 대해서, 경사부(3c)에 의해 압출되는 경사 유체(a)는 선단부에 가까워질수록 시간적으로 빨리 압출된다.

이로 인해, 도 22에서 수평 유체(b)에 경사져 합류하는 경사 유체(a)는 경사를 이루어 수평 유체(b)에 유체 압력을 가하게 된다.

따라서, 이들 프로펠러 날개(3)가 선박용 스크루에 사용되는 경우, 도 22의 화살표 X의 수압이 존재하기 때문에, 수평 유체(b)는 반동으로 프로펠러(3)를 반대쪽으로 누르게 되어, 추력이 증대된다.

도 22에서, 경사부(3c)는 경사져 있으므로, 화살표 A 방향으로 바깥쪽으로부터의 유체를 직접 끌어들이며, 점 O-P보다 점 P-Q의 길이가 길기 때문에, PQ-OP=Y 만큼 여분으로 경사 유체(a)가 수평 유체(b)에 유체 압력을 가하게 된다.

도 17에서 밝혀진 바와 같이, 경사부(3c)의 현의 길이가 크고, 경사부(3c)는 원심부에 있으며, 출력축(4)에 가까운 부분보다 고속으로 회전하기 때문에, 고속의 경사 유체(a)는 대략 원추형으로 수평 유체(b)를 감싸 들어가는 화살표 X의 상수압에 해당된다. 따라서, 프로펠러(1)의 직경원의 면적에 대해서, 프로펠러(1)의 직경원의 원추 측면의 면적이 더 크고, 프로펠러(1)의 추진력에 기여한다.

Claims (12)

1. 횡축 풍차에 사용되는 프로펠러에 있어서,

   프로펠러 날개의 수풍부의 선단부가 상기 프로펠러 날개의 전방(forward direction)으로 경사져서 경사부를 형성하고,

   상기 경사부의 기단 경계선(proximal end boundary line)은 그 회전시에 회전 트랙에 따르는 원호 형태로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 프로펠러.
2. 제1항에 있어서,

   상기 프로펠러 날개의 수풍부는, 전면(front surface)에서, 선단부의 현의 길이가 베이스부의 현의 길이보다 넓게 형성되고,

   상기 경사부의 기단 경계선의 부분에서 상기 프로펠러 날개의 최대 현의 길이가 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 프로펠러.
3. 횡축 풍차에 사용되는 프로펠러에 있어서,

   프로펠러 날개의 수풍부의 선단부가 상기 프로펠러 날개의 전방으로 경사져서 경사부를 형성하고,

   상기 프로펠러 날개의 수풍부는, 전면(front surface)에서, 선단부의 현의 길이가 베이스부의 현의 길이보다 넓게 형성되고,

   상기 경사부의 기단 경계선이 형성된 영역에서 상기 프로펠러 날개의 최대 현의 길이가 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 프로펠러.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 프로펠러 날개의 상기 경사부의 중심선은 상기 프로펠러의 길이 방향에 대하여 15°내지 50°로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 프로펠러.
5. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 최대 현의 길이는, 상기 프로펠러의 회전 직경의 13% 내지 25%로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 프로펠러.
6. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 프로펠러 날개에서, 오른쪽으로 회전하는 수풍부의 상기 기단 경계선에 의해 형성되는 부분의 전면이, 우측에서 좌측으로 갈수록 점차 후방으로 경사지고,

   상기 전면의 후방으로 경사진 각도는 상기 수풍부의 기단부로 갈수록 점차 증가하는 것을 특징으로 하는 프로펠러.
7. 제5항에 있어서,

   오른쪽으로 회전하는 수풍부의 전면 좌측(left front surface)은, 베이스부에서 선단으로 갈수록 점차 후방으로 경사지고, 최대 현의 길이를 가진 부분에서 회전 방향에 대하여 6°내지 15°로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 프로펠러.
8. 추진 장치에 사용되는 프로펠러에 있어서,

   기단부로부터 선단부로 갈수록 현의 길이가 점차 증가하고, 방류면의 영각(angle of attack)은 기단부로부터 선단부로 갈수록 점차 완만해지며, 최대 현의 길이를 가진 부분으로부터 선단부로 갈수록 현의 길이가 점차 감소하고, 상기 최대 현의 길이를 가진 부분부터 선단부가 회전시 유체의 하류 방향(downstream direction)으로 경사져서 경사부를 형성하도록 프로펠러 날개가 형성되고,

   상기 경사부의 기단 경계선으로 형성된 부분이, 그 회전시에 그 회전 트랙에 따르는 원호 형태로 설정되고, 회전시 유체의 하류 축심 방향으로 상기 유체를 가압하는 것을 특징으로 하는 프로펠러.
9. 횡축 풍차에 있어서,

   횡축에 고정된 프로펠러 날개의 수풍부의 선단부가 상기 프로펠러 날개의 전방으로 30°내지 45°로 경사져서 경사부를 형성하고,

   상기 경사부의 기단 경계선의 부분에서 상기 프로펠러 날개의 최대 현의 길이가 설정되며,

   상기 기단 경계선은 그 회전시 회전 트랙을 따르는 원호 형태로 설정되는 것을 특징으로 하는 횡축 풍차.
10. 횡축 풍차에 있어서,

    섀시의 후방에 프로펠러가 설치되고, 프로펠러 날개위 선단부는 전방으로 경사져서 경사부를 형성하며,

    상기 섀시는 선회 가능하게 지주 상에 설치되고,

    상기 섀시에는, 상기 섀시로부터 바깥쪽으로 이격되어 상기 섀시의 좌우측에 방향타가 설치되며, 상기 방향타의 후방 부분은 옆쪽에서 상기 프로펠러를 에워싸는 것을 특징으로 하는 횡축 풍차.
11. 제10항에 있어서,

    상기 경사부의 기단 경계선의 부분은 최대 현의 길이를 가지고, 상기 최대 현의 길이를 가진 부분은 그 회전시 회전 트랙을 따르는 원호 형태로 설정되는 것을 특징으로 하는 횡축 풍차.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서,

    상기 방향타의 후방 부분은, 평면도 상에서 볼 때, 상기 섀시의 전후 중심선에 대하여 상기 방향타의 전방 부분보다 바깥쪽으로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 횡축 풍차.

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