KR101284236B1 - 수력 터빈용 블레이드 - Google Patents

Abstract

블레이드 루트부; 블레이드 팁; 상기 블레이드 루트부에서부터 상기 블레이드 팁까지 연장하는 전연부; 상기 블레이드 루트부에서부터 상기 블레이드 팁까지 연장하는 후연부; 상기 블레이드 루트부에서, 상기 전연부와 상기 후연부 사이의 직선으로 획정되는 블레이드 루트부 코드; 상기 블레이드 팁에서, 상기 전연부와 상기 후연부 사이의 직선으로 획정되는 블레이드 팁 코드;를 포함하는 터빈 블레이드에 있어서, 상기 블레이드 팁 코드는 상기 블레이드 루트부 코드로부터 50°내지 90°의 비틀림각으로 각변위되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 블레이드가 개시되어 있다.

Description

수력 터빈용 블레이드 {BLADE FOR A WATER TURBINE}

본 발명은 수력 터빈용 터빈 블레이드, 그 터빈 자체 및 이들의 구성 부품 및 상기 블레이드와 터빈을 사용하여 전력을 발생시키는 방법에 관한 것이다.

터빈은 수류를 이용하여 터빈 로터를 가동시켜 전력을 발생시키기 위해 그 수류로부터 전력을 얻는 데에 사용된다. 일반적으로 터빈 블레이드는 그 터빈의 중심축과 직교하는 방향으로 연장하는 직선형이다. 터빈은 바람의 이동이나 해류와 조류와 같은 물의 이동으로부터 전력을 발생시키는 데에 사용될 수 있다.

현재 사용되고 있는 블레이드의 형상이나 프로파일은 매우 다양하지만, 터빈 용도가 다른 경우에도 모든 블레이드가 동일한 작동 방식으로 구동되는 것은 아니다. 해양용 터빈의 경우, 일반적으로 풍력 발전에 사용되도록 개발된 기술들이 채택되고 있다. 그렇지만 바다의 밀도가 대기보다는 밀(dense)하기 때문에, 해양용 터빈을 사용하면 상당히 많은 양의 전력을 생산할 수 있다.

직선형 블레이드를 사용하는 경우, 블레이드 팁의 속도가 블레이드 루트부의 속도보다 상당히 크기 때문에, 유체가 블레이드 위쪽을 유동할 때에 블레이드 루트부에서 블레이드 팁까지 블레이드에 가해지는 힘의 분포가 상당히 변화할 수 있다. 이는 블레이드의 효율을 떨어뜨려 주어진 유체 유동으로부터 전력을 최적으로 생산하지 못하게 한다.

이러한 이유와 다른 이유들로 인해, 공지되어 있는 중심축 수력 터빈을 전형적인 수류 조건에서 사용할 때에 최적의 가용 전력을 제공하지 못한다.

본 발명은 전술한 하나 이상의 단점들에 대한 개선 방안을 탐구한다.

본 발명의 제1 태양에 따르면,

블레이드 루트부;

블레이드 팁;

상기 블레이드 루트부에서부터 상기 블레이드 팁까지 연장하는 전연부(leading edge);

상기 블레이드 루트부에서부터 상기 블레이드 팁까지 연장하는 후연부(trailing edge);

상기 블레이드 루트부에서, 상기 전연부와 상기 후연부 사이의 직선으로 획정되는 블레이드 루트부 코드;

상기 블레이드 팁에서, 상기 전연부와 상기 후연부 사이의 직선으로 획정되는 블레이드 팁 코드;를 포함하는 터빈 블레이드로,

상기 블레이드 팁 코드는 상기 블레이드 루트부 코드로부터 50° 내지 90°의 비틀림각으로 각변위되어 있는 터빈 블레이드가 제공된다.

바람직하기로는, 상기 블레이드 팁 코드는 상기 블레이드 루트부 코드로부터 60° 내지 80°의 비틀림각으로 각변위되어 있다. 보다 바람직하기로는, 상기 블레이드 팁 코드는 상기 블레이드 루트부 코드로부터 약 65° 내지 75°의 비틀림각으로 각변위되어 있다. 더 바람직하기로는, 상기 블레이드 팁 코드는 상기 블레이드 루트부 코드로부터 약 70°의 비틀림각으로 각변위되어 있다.

본 발명에 따른 블레이드는 해양 터빈에 사용하기에 특히 적합하다.

본 발명의 블레이드는 섬유 강화 플라스틱이나 다른 화합물(compound)을 사용하는 몰딩 공정을 이용하여 임의의 적합한 재료로 제작될 수 있지만, 대안적으로는 강제, 비철합금제 또는 섬유 강화 플라스틱제의 구조 리브 및 시트 스킨을 사용하여 제작될 수도 있다. 바람직하기로는, 상기 블레이드는 복합 재료(composite material)로 제작된다.

제2 태양에서, 본 발명은 본 발명의 제1 태양에 따른 터빈 블레이드를 포함하는 유체 구동 터빈을 제공한다.
제2태양에 의한 상기 터빈은 강이나 해양 조류 또는 조수 흐름에서 물의 이동으로부터 발전을 하도록 구성된 해양 터빈이어도 된다.

본 발명의 제3 태양에 따르면,

중심축을 구비하는 터빈 본체;

제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따는 블레이드로, 허브 위에 장착되어 있는 블레이드 루트부에서 블레이드 팁으로 연장하는 복수의 블레이드들을 지지하는 중앙 허브를 포함하며, 상기 중심축 주위를 회전하도록 상기 터빈 본체에 위에 장착되는 로터;

상기 로터에 의해 구동되는 발전기; 및

상기 로터를 둘러싸며 수류를 상기 로터쪽으로 지향시키는 하우징을 포함하는 중심축 수력 터빈을 제공한다.

바람직하기로는, 상기 블레이드들은 상기 블레이드 루트부에서 상기 블레이드 팁을 향해 후방 또는 하류부에서 상기 중심축과 직교하는 평면으로부터 약 1 내지 20°의 경사각으로 경사지거나(raked), 기울어져 있거나(tilted), 벌어져(splayed) 있다.

바람직하기로는, 상기 하우징은 상기 로터의 전방부의 정면 개구로부터 상기 터빈 본체에 인접하는 좁은 목부 쪽으로 수렴한다.

바람직하기로는, 상기 블레이드들은 상기 블레이드 루트부로부터 상기 블레이드 팁을 향하는 후방 쪽으로 2 내지 10°의 경사각만큼 경사져 있으며, 더욱 바람직하기로는, 상기 중심축과 직교하는 평면으로부터 4 내지 6° 만큼 경사져 있다. 더욱 바람직하기로는, 상기 블레이드들은 상기 블레이드 루트부로부터 상기 블레이드 팁을 향하는 후방 쪽으로 약 5°의 경사각으로 경사져 있다.

하우징을 관통해 흐르는 난류성 수류를 줄이고, 상기 로터 상의 항력(drag)을 줄이기 위해, 상기 로터는 상기 로터의 전방부 위에 장착되는 노즈 콘(nose cone)을 포함하는 것이 바람직하다.

보조 시스템 또는 주 시스템용 제어 시스템 또는 저장소(reservoir)와 같은 보조 시스템을 위한 빈 공간을 제공하기 위해, 상기 노즈 콘은 중공형인 것이 바람직하다.

바람직한 실시형태에서, 상기 발전기는 상기 로터와 함께 격납되어 있고, 상기 발전기는 상기 로터의 회전으로부터 전력을 발생시키기에 적합하다. 상기 발전기는 축에 직접 연결되어 있는 것이 바람직하다. 상기 발전기는 스플라인 연결로 상기 축에 연결되는 것이 바람직하다.

상기 발전기는 로터에 의해 직접 구동되는 것이 바람직하다. 이들 장치는 다중극(multi-pole) 또는 고극(high-pole) 전기 발전기와 같은 선택된 발전기에 의해 요구되는 입력 속도에 적합하다. 그러나, 일부 장치들에 있어서, 기어박스를 축이나 발전기에 연결하여 발전기로 입력되는 축의 회전 속도를 다른 유형의 발전기에 적합한 회전 속도로 변환시킬 수도 있다.

블레이드의 단면은 에어로포일이나 테이퍼형, 사다리꼴, 직사각형, 평행체(parallel), 곡선형 또는 비틀어진 형과 같이 임의의 단면 형상일 수 있다. 바람직한 장치에서, 상기 에어로포일 형상은 NACA4412 시리즈 단면 형상이다.

또한, 경사각이 0°(즉, 경사 또는 틸팅되지 않은)인 터빈과 비교하여, 임의의 블레이드 형상은 하류부 또는 후방부 틸팅 또는 경사각이 1° 내지 20°로 적당한 하우징을 구비하는 중심축 터빈의 출력을 개선시킬 수 있다.

상기 로터와 발전기를 지지하기 위해, 지지 스트럿(supporting strut)이 마련되는 것이 바람직하다. 상기 지지 스트럿은, 덕트 또는 저장소를 제공하기 위해 중공형인 것이 바람직하다. 장치에서, 상기 지지 스트럿은 상기 로터와 발전기 사이에서 실질적으로 반경방향으로 연장하고 있다. 바람직한 실시형태에서, 상기 지지 스트럿의 발전기 단부는, 상기 지지 스트럿이 상기 발전기에 대해 실질적으로 접하도록 장착되는 것이 바람직하다. 이는 경량의 지지 스트럿을 사용하여, 상기 발전기와 하우징 사이의 토크의 전달을 개선하기 위한 것이다. 또한, 본 바람직한 실시형태의 하나의 이점은 상기 지지 스트럿 상에 가해지는 피로 부하가 감소된다는 것인데, 이는 접선 방식으로 장착되어 있는 지지 스트럿은, 실제 사용 시에, 방사형으로 장착된 블레이드들에 의해 완전히 가려지거나(shadowed) 완전히 숨겨지지 않기 때문이다.

실제 사용 시에는, 로터의 회전을 정지시키는 브레이크가 제공되는 것이 바람직하다. 상기 브레이크는 고장에 대비한 안정 장치가 되어 있는 것이 바람직하다. 실제 사용 시에, 파워가 브레이크 부재에 가해져 있을 때, 브레이크 액추에이터는 로터와 원격되어 있는 브레이크 부재를 구동력에 대해 고정하는 것이 바람직하다. 실제 사용 시에, 상기 브레이크 액추에이터에서 파워를 제거할 때, 스프링이나 다른 종류의 적당한 가압력(urging force)을 이용하는 구동력(actuation force)은 브레이크 액추에이터에 의한 힘을 극복하고, 브레이크 부재를 로터에 가해 로터의 회전을 줄이거나 정지시킨다.

블레이드 루트부에서의 간섭 항력을 최소화하기 위해, 임의의 간극 또는 범프 또는 볼트 헤드와 같은 것을 덮기 위해, 블레이드 루트부에 부츠(boot) 또는 플러그가 제공되는 것이 바람직하다.

상기 하우징은 유동 제한장치를 구비하는 유로 채널(flow channel)을 획정하는 것이 바람직하다. 유리하기로는, 이 장치는, 유로 채널의 비제한 영역에 비해, 상기 유로 채널의 제한 영역에서 유로 채널을 통과하는 액체 유동의 속도를 증가시킨다. 상기 유동 제한장치는 유로 채널 전체 또는 유로 채널의 일부분을 형성하는 벤투리(venturi)를 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 상기 벤투리는, 상기 유로 채널의 안쪽 부분을 향해 상기 유로 채널의 양쪽 단부의 개구부로부터 테이퍼져 있는 확장-수렴-확장 벤투리를 포함할 수 있다.

상기 하우징은 상기 로터에 대해 실질적으로 대칭인 것인 바람직하다.

상기 벤투리는 하나 이상의 제1 절두-원뿔, 절두-피라미드 또는 뿔(horn) 모양 몸체, 선택적으로는 원통형 몸체, 및 하나 이상의 제2 절두-원뿔, 절두-피라미드 또는 뿔 모양 몸체를 포함할 수 있다.

일 장치에서, 하나의 제1/제2 절두-원뿔, 절두-피라미드 또는 뿔 모양 몸체의 확장 단부와 다른 추가의 제1/제2 절두-원뿔, 절두-피라미드 또는 뿔 모양 몸체의 인접 수렴 단부 사이에는 간극이 제공될 수 있으며, 상기 하나의 제1/제2 절두-원뿔, 절두-피라미드 또는 뿔 모양 몸체의 직경은 상기 다른 추가의 제1/제2 절두-원뿔, 절두-피라미드 또는 뿔 모양 몸체의 인접 수렴 단부의 직경보다 작다.

상기 하나의 제1/제2 절두-원뿔, 절두-피라미드 또는 뿔 모양 몸체의 확장 단부는, 상기 다른 추가의 제1/제2 절두-원뿔, 절두-피라미드 또는 뿔 모양 몸체의 인접 수렴 단부와 실질적으로 종방향으로 일치한다.

바람직한 실시형태에서, 상기 하우징은 로터의 후방부를 향해 연장하고 있으며, 디퓨저로 기능한다. 상기 하우징은 목부에서부터 상기 로터의 후방부의 후방 개구를 향해 확장한다.

바람직하기로는, 상기 로터는 적어도 2개의 블레이드들을 지지한다. 보다 바람직하기로는, 상기 터빈은 3개 또는 6개의 블레이드를 구비한다. 그러나, 본 발명 터빈에는 2, 3, 4, 5, 6 또는 그 이상의 블레이드들이 사용될 수 있음을 이해해야 한다.

본 발명의 바람직한 실시형태는 경사진(raked) 또는 후방으로 기울어진(rearwardly splayed) 블레이드들을 포함한다. 본 발명 터빈으로부터 가용 전력 발전을 개선하기 위해, 상기 중심축과 직교하는 평면으로부터 약 1 내지 20°의 경사각으로 베이스에서부터 블레이드 팁까지 경사지는 것이 바람직하다.

본 발명의 제4 측태양에 따르면,

본 발명의 제1 태양에 따른 중심축 수력 터빈을 해양 또는 강에 제공하는 단계;

블레이드가 회전하도록 상기 터빈을 통해 물이 이동하도록 하는 단계; 및

상기 터빈으로부터 가용 전력을 인출하는 단계를 포함하는, 수류로부터 전력을 생산하는 방법을 제공한다.

본 발명의 제5 태양에 따르면, 중심축 수력 터빈용 부품의 키트로, 중심축과 터빈 본체를 포함하는 전력 발전기 모듈을 포함하되, 로터가 상기 중심축 주위를 회전하도록 상기 터빈 본체 위에 장착되어 있고, 상기 로터는 복수의 블레이드를 지지하기 위한 중앙 허브를 포함하며, 상기 전력 발전기 모듈은 하나 이상의 지지 스트럿과 상기 로터에 의해 구동되는 발전기를 추가로 하며; 본 발명의 제1 태양에 따른 특징을 포함하는 복수의 블레이드와; 하우징; 상기 하우징에 대해 중심 위치에서 상기 전력 발전기 모듈을 지지하는 복수의 지지 스트럿을 포함하며, 실사용 시에 상기 하우징은 상기 로터를 둘러싸고 있는 것을 특징으로 하는, 중심축 수력 터빈용 부품의 키트를 제공한다.

바람직하기로는, 상기 하우징은 상기 지지 스트럿을 장착하기 위한 지지 스트럿 마운트를 포함하여, 사이트에 설치할 때에, 상기 지지 스트럿이 쉽게 조립되어 상기 전력 발전기 모듈과 하우징 사이에서 연장된다.

바람직하기로는, 상기 하우징은 그 안쪽에 로터와 블레이드가 배치되는 원통형 보어를 포함한다. 상기 원통형 보어는 설치 시에 블레이드의 상류부로 연장한다.

바람직하기로는, 상기 블레이드들은 상기 블레이드 루트부에서 블레이드 팁을 향해 후방부 또는 하류부에서, 상기 중심축과 직교하는 평면으로부터 약 1 내지 20°의 경사각만큼 경사 또는 기울어져 있다.

본 출원의 명세서 전반에 걸쳐, 문구들에 대해 특정 사항을 요구하고 있지 않는 경우에는, “포함하다” 또는 “포함하는”고 같은 용어는 기술된 부재, 정수 또는 단계, 또는 부재들의 그룹, 정수들, 단계들 포함하는 것을 의미하며, 다른 부재, 정수 또는 단계, 또는 부재들의 그룹, 정수들 또는 단계들을 배제하는 것이 아님을 이해해야 한다.

본 명세서에서 논의된 사항, 기능, 재료, 장치, 설비 또는 이와 유사한 것들은 본 발명의 의미를 제공하는 목적만을 위한 것이다. 본 발명과 관련된 분야에서 종래 기술 또는 공지된 일반 기술을 형성하는 부분들이, 본 출원 명세서의 각 청구대상의 우선일 전에 오스트레일리아 내에 존재함을 승인하는 것으로 받아들여서는 안 된다.

이하에서, 본 발명이 보다 명확하게 이해되도록 하기 위해, 다음의 도면들과 실시예들을 참고하여 바람직한 실시형태를 기술한다.

본 발명에 의하면, 최적의 가용 전력을 제공할 수 있는 터빈 블레이드를 제공할 수 있다.

도 1은 비틀림각이 70°인 터빈 블레이드를 여러 각도에서 바라본 도면이다.
도 2는 비틀림각(β)과 경사각(γ)이 있는 블레이드를 구비하는 터빈 블레이드의 3차원 도면이다.
도 3은 비틀림을 보여주는, 터빈 블레이드의 3차원 도면이다.
도 4는 다양한 유동 상태에서 다양한 블레이드 비틀림각에 있어서, 터빈의 효율성을 보여주는 그래프이다.
도 5는 터빈 블레이드가 6개인 터빈 본체를 도시하는 도면이다.
도 6은 전연부가 직선 형태인 블레이드의 측면도이다.
도 7은 본 페이지 전체에 걸쳐 회전하는 통상의 회전 통상의 회전 위에 평탄면을 보여주기 위해 심하게 비틀어져 있는 블레이드 팁을 보여주는 블레이드의 정면도이다.
도 8은 블레이드의 루트부에서 팁을 따르는 종방향으로 배설되어 있는 섬유들의 방향을 보여주는, 블레이드 스템의 상세도이다.
도 9는 억지 끼워 맞춤되어 유지되는 블레이드 스템의 커넥터 슬리브를 보여주는, 상세 단면도이다.
도 10은 블레이드의 길이를 따라 비틀어져 있는 것을 보여 주기 위한, 블레이드의 루트부에서 팁을 따르는 복수의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 중심축 수력 터빈의 측면 단면도이다.
도 12는 다양한 유동 상태에서, 다양한 경사각에 대해 작성된 터빈의 출력 전력을 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따른, 중심축 수력 터빈의 측면 단면도이다.
도 14는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 수력 터빈의 로터의 분해 사시도이다.
도 15는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 중심축 수력 터빈의 정면도이다.
도 16은 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따른 중심축 수력 터빈의 측면 단면도이다.
도 17은 명료함을 위해 하우징 또는 카울링이 제거되어 있는, 본 발명의 실시형태에 따른 중심축 수력 터빈의 사시도이다.
도 18은 밸러스트 피트 위에 설치되어 있는, 본 발명의 실시형태에 따른 중심축 수력 터빈의 사시도이다.
도 19는 도 18에 도시된 바와 같이 설치되어 있는 터빈의 정면도이다.
도 20은 도 18에 도시된 바와 같이 설치되어 있는 터빈의 평면도이다.
도 21은 도 18에 도시된 바와 같이 설치되어 있는 터빈의 측면도이다.
도 22는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 중심축 터빈 한 쌍이 장착되어 있는 사시도이다.
도 23은 접선 방향으로 장착되어 있는 지지 스트럿을 보여주는, 하우징의 정면도이다.
도 24는 지지 스트럿을 위한 마운트를 보여주는, 하우징의 사시도이다.
도 25는 블레이드/노즈 콘 계면에서, 간섭 항력을 줄이기 위한 부츠-반쪽(half-boot) 또는 플러그 반쪽(half-plug)의 사시도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 유체 구동 터빈에서의 사용을 위한 블레이드는 대체로 도면부호 24로 지시된다. 도 2에 단독으로 도시된 바와 같이, 블레이드(24)는 블레이드 루트부(27), 블레이드 팁(28), 블레이드 루트부(27)로부터 블레이드 팁(28)까지 연장하는 전연부(31), 및 역시 블레이드 루트부(27)로부터 블레이드 팁(28)까지 연장하는 후연부(33)를 가진다.

블레이드 루트부 코드(chord)는 블레이드 루트부(27)에서의 전연부(31)와 후연부(33) 사이의 직선으로 정의된다. 블레이드 팁 코드(chord)는 블레이드 팁(28)에서의 전연부(31)와 후연부(33) 사이의 직선으로 정의된다.

바람직한 일 형태에 있어서, 블레이드는 대략 70°의 비틀림각으로 설계되며, 이는 블레이드의 팁 코드가 블레이드의 루트부 코드에 대해 대략 70°의 각도만큼 각변위 되어 있다는 것을 의미한다.

대략 70°의 최적 비틀림각은 전산 유체 역학 모델링(CFD)을 이용하여 결정되었다. 도 4에 도시된 그래프는 서로 다른 유동 조건들에서 다양한 블레이드 비틀림각들에 대한 터빈의 효율을 보여준다. 최적점들은 각 속도에서 효율이 가장 높을 때이다. 다양한 프로파일들과 비틀림각들이 연구되었다. 27 rpm으로 작동하고 5.5 m의 목 지름을 갖는 하우징을 가지는 선박용 터빈에 대한 최적 비틀림각은 70°였다.

이러한 바람직한 비틀림각은 전통적인 터빈 블레이드 디자인에서 채용되던 비틀림각과 상당히 다르다. 특정 터빈을 위해 바람직한 비틀림각이 최적화되어야, 이 크기의 비틀림각이 터빈 효율을 상당히 개선시킬 수 있다.

블레이드 디자인은, 힘들이 팁에 집중되는 대신, 유입되는 유동으로부터의 동력을 보다 균일하게 포획할 수 있다. 비틀림각은 또한(기술적으로는 “기하학적 와시아웃(gepmetrical washout)"이라 불리는) 루트부(27)에서의 높은 받음각(angle of attack)과 팁(28)에서의 낮은 받음각을 초래한다. 이는 또한 루트부(27)에서 팁(28)까지 더 양호하게 분산된 동력 흡수를 초래한다.

도 5는 예시적인 터빈에 설치되는 6개의 블레이드들을 도시한다. 그러나, 블레이드들은 임의의 수의 블레이드를 갖는 많은 다른 터빈 디자인들에서 사용될 수 있다. 블레이드들은 유로 채널을 정의하는 하우징을 가지는 터빈에서의 사용에 특히 적당하다. 바람직하게는, 하우징은 유동 제한부를 가지며 다른 바람직한 특징들은 이하에서 설명한다. 유리하게는, 이러한 바람직한 배열은, 유로 채널의 제한되지 않은 부분에 대해, 유로 채널의 제한된 부분에서 유로 채널을 통해 유동하는 액체의 속도를 증가시킨다. 유동 제한부는 바람직하게는, 유로 채널의 일부분 또는 전체를 형성할 수 있는 벤투리를 포함한다. 특히, 벤투리는 유로 채널 양단의 개구들로부터 유로 채널의 내측 부분을 향해 테이퍼지는 확장-수렴-확장 벤투리를 포함할 수 있다.

바람직하게는 하우징은 실질적으로 중심축에 대해 대칭이다. 벤투리는 적어도 하나의 제1 절두-원뿔, 절두-피라미드 또는 뿔 형상 몸체, 선택적으로는 원통형 몸체, 및 적어도 하나의 제2 절두-원뿔, 절두-피라미드 또는 뿔 형상 몸체를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 하나의 제1/제2 절두-원뿔, 절두-피라미드 또는 뿔 형상 몸체의 확장 단부와 다른 제1/제2 절두-원뿔, 절두-피라미드 또는 뿔 형상 몸체의 인접한 수렴 단부 사이에 갭이 구비되며, 하나의 제1/제2 절두-원뿔, 절두-피라미드 또는 뿔 형상 몸체의 확장 단부는 다른 제1/제2 절두-원뿔, 절두-피라미드 또는 뿔 형상 몸체의 수렴 단부보다 직경이 작다. 바람직하게는, 하나의 제1/제2 절두-원뿔, 절두-피라미드 또는 뿔 형상 몸체의 확장 단부는 다른 제1/제2 절두-원뿔, 절두-피라미드 또는 뿔 형상 몸체의 수렴 단부와 실질적으로 종방향으로 일치한다.

바람직한 일 실시예에 있어서, 하우징은 로터의 전방으로 연장한다. 하우징은 또한 로터의 후방으로 연장하여, 디퓨저로서 작용하며, 하우징은 목에서부터 로터 후방의 후방 개구까지 확대된다. 바람직하게는, 터빈은 적어도 두 개의 블레이드들을 가진다. 더 바람직하게는, 터빈은 3개 또는 6개의 블레이드들을 가진다.

도 6은 유리- 또는 탄소-섬유 강화 기판으로 구성되는 블레이드를 도시한다. 유리 또는 탄소 섬유는 최적의 강도/무게비를 위해 루트부로부터 팁까지 블레이드 아래로 연장하도록 놓여진다. 도 9는 블레이드에서부터 연장하는 스터브-축(stub-axle)에 압입되는 슬리브를 도시한다. 그리고 나서, 슬리브는 동력 출력을 개선하도록 후방으로 또는 하류 측에 배치되는 로터 보어에 바람직하게는 5 도의 각으로 끼워진다. 블레이드 스터브는 블레이드 전연부와 평행하게 연장한다.

도 11 내지 도 25를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 중심축 수력 터빈은 대체로 도면부호 10으로 지시되고, 몸체(12), 로터(14) 및 선택적인 하우징 또는 카울링(cowling)(16)을 포함한다. 몸체(12)는 발전기 조립체(18)을 포함하며, 로터(14)는 중심축을 중심으로 축(20) 상에서 회전하기 위해 장착된다. 로터(14)는 다수의 블레이드들(214)을 지지하는 허브(22)를 포함하며, 6 개의 블레이드들을 갖는 것으로 도시된 바람직한 본 실시예에서, 각 블레이드는 허브에 장착되는 블레이드 루트부(27)에서부터 블레이드 팁(28)까지 연장한다. 설치될 때, 하우징(16)은 내벽이 로터(14)를 둘러싸도록 배치되고, 일부 실시예들에서는 조수를 로터를 향해 안내하도록 로터 전방의 전방 개구(29)로부터 로터(14)에 인접한 좁은 목(30)까지 축소된다. 로터(14)의 블레이드들(24)은 대략 5°의 경사각만큼 블레이드 루트부(27)로부터 블레이드 팁(28)까지 후방으로 경사져있으며, 이는 전연부(31)가 블레이드 루트부(27)에서 전연부를 통과하는 중심축과 직교하는 평면에 대해 대략 5°의 각도로 블레이드 루트부(27)에서부터 블레이드 팁(28)까지 후방으로 연장한다는 의미이다.

바람직한 경사각은 전산 유체 역학 모델링을 이용하여 결정되었다. 도 12에 도시된 그래프는 서로 다른 유동 조건들에서 다양한 경사각들에 대한 터빈의 모델링된 상대적인 동력 출력을 보여준다. 최적점들은 각 속도에서 효율이 가장 높을 때이다. 이는 터빈을 위한 그것이 공지된 조건들과 디자인 기준 하에서 최적 효율로 운전되는 것을 명시하며, 블레이드는 1°와 20° 사이의, 바람직하게는 약 5°의 후방 경사각을 가져야 한다. 그래프가 5° 보다 큰 경사각에서 최적 효율이 달성될 수 있다는 것을 나타내지만, 일부 기계적 구성 하에서 블레이드 루트부에서의 굽힘 모멘트를 최소화하는데 단지 5°의 경사각이 바람직하다. 그러나, 적절한 받침(mountings)과 함께, 5° 보다 큰, 20° 이상의 경사각이 성공적으로 사용될 수 있다는 점이 예상된다.

실사용 시에, 일부 실시예들에서, 조수 내에 그리고 대체로 그것과 평행하게 배치될 때 물은 축소되는 카울링 또는 하우징(16)에 의해 안내되어 로터(14)를 향해 유동한다. 물이 블레이드들(24)을 지나 유동함에 따라, 로터(14)가 구동되어 축(20)을 중심축을 중심으로 회전시키며, 차례로 전력 출력을 발생시키는 발전기(18)를 구동한다. 발전기 조립체(18)는 기어 박스에 연결될 수 있고 기어 박스는 다시 그리고 나서 축에 연결될 수 있지만, 바람직한 본 실시예에서 발전기(18)는 기어 박스를 필요로 하지 않는 스플라인 연결로 축에 직접 결합된다.

축(20)은 부식 환경에서 부식에 저항하고 필요한 하중들을 지지하도록 임의의 적당한 소재로 만들어질 수 있다. 탄소강이 바람직하지만, 예를 들어 스테인리스강을 포함하는 다른 소재들도 유용하다. 더욱이, 동일한 보호 목적을 위하여, 축의 일부 노출되는 부분들은 슬리브나 피복(sheath) 또는 예를 들어 페인트와 같은 다른 예방성 소재로 덮일 수 있다. 축을 더 보호하기 쉽게 하기위하여 그리스나 예를 들어 질산바륨(barium dichlomate) 등의 다른 보호성 소재가 슬리브와 축 사이의 사이 공간으로 채워지거나 주입된다.

간섭 항력을 최소화하기 위하여, 블레이드 루트부(27)와 허브에 인접한 구역에서 물의 유동을 매끄럽게 하도록 블레이드 루트부(27)의 둘레에 및/또는 근처에 플러그(40)가 제공된다. 플러그(40)는 폴리우레탄으로 구성되고 가요성 부트 또는 장소로 펌핑되어 설치되는 실런트/접착성 유체의 형태일 수 있다. 도 25에 바람직한 플러그(4)의 반쪽이 도시되어 있다.

허브(22)는 축에 대한 연결은 단순하지만 그 연결의 견고함은 또한 유지하도록 억지 끼워 맞춤으로 축에 고정된다.

지지 스트럿들(50)은 카울링 및/또는 하우징(16)의 실질적인 중심 위치에 몸체(12)와 로터를 지지하도록 카울링 또는 하우징(16)에 연결된다. 임의의 적당한 수의 지지 스트럿들(50)이 사용될 수 있는데, 도시된 도면에서는 3개이다. 예를 들어 그리스, 공기 또는 작동유와 같은 소재의 저장소(reservoir)를 제공하도록 또는 전선들 또는 작동유 라인들 등의 통로를 위한 덕트를 형성하도록 지지 스트럿들(50)은 중공형일 수 있다. 도 1 및 도 5에 도시된 지지 스트럿들(50)은 예를 들어 발전기 및 로터에서부터 방사상으로 연장한다.

더욱이, 지지 스트럿들(50)은 축(20)을 회전 가능하게 지지한다. 베어링 슬리브에 의해 서로 연결되는, 하나는 상류측(51) 그리고 하나는 하류측(52)의, 두 개의 이격된 베어링들이 사용된다. 지지 스트럿들(50)은 그 외경부에서 베어링 슬리브에 연결된다.

도시된 바람직한 실시예에서, 지지 스트럿들에 인접하게 배치되는 브레이크(60)가 제공된다. 브레이크(60)는 바람직하게는 터빈(10)이 사용 중일 때 축(20)과의 결합 밖으로 결합력에 대항하여 브레이크 슈 또는 예를 들어 자기 또는 공압 요소와 같은 저항 요소를 붙잡는데 압력, 바람직하게는 유압이 사용되는 고장안전 메커니즘이다. 블레이드 손실, 파손, 전력 차단 또는 어떤 다른 문제와 같은 고장 조건이면, 브레이크로 가는 전력이 서서히 또는 재빨리 차단되어 결합력이 브레이크 슈 또는 제동 요소를 축(20)과 결합 또는 활성화하게 하여 축(20) 및 로터(22)를 느리게 하거나 정지시킨다.

도 13은 바람직한 터빈 몸체(12) 및 로터(14)의 분해도이다. 몸체(12)는 스플라인 연결에 의해 축(20)에 직접 연결되는 발전기(18)를 수용한다. 도시된 실시예에서는 유도 모터 또는 영구 자석 모터인 발전기(18)는 발전기 모드에서 로터의 회전으로부터의 기계적 동력 출력을 전력으로 전환하는데 사용된다. 기계적 토크는회전하는 블레이드들(24)에 의해 축(20)으로 공급되어 고정자 출력 터미널들에서의 전압을 유도한다. 통상적으로, 유도 모터들은 외부 원천으로부터 제공되는 가변 회전자 플럭스(rotor flux)를 가지다. 이 플럭스는 고정자 플럭스와 상호작용하고, 양자의 회전 주파수들 간의 차이는 각각 모터 또는 발전기로서 작동할 때 기계적 토크 또는 유도된 터미널 전압을 결정한다.

6개의 블레이드들(24)이 로터(14)의 허브(24)에 장착되며, 여기서 표시된 바와 같이 대략 70°의 비틀림각을 가지는 블레이드들(24)일 수 있다. 그러나, 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않으면서, 많은 다른 형상들과 구성들의 블레이드들(24)이 터빈(10)용으로 사용될 수 있다. 블레이드들(24)은 탄소섬유 강화 플라스틱과 같은 섬유 강화 플라스틱 또는 다른 화합물들을 이용한 몰딩 공정으로 제조될 수 있지만, 대안적으로 강, 비자성 합금 또는 섬유 강화 플라스틱으로 이루어지는 구조성 리브들과 시트 스킨(sheet skin)을 이용하여 제조될 수도 있다. 그 임계점에서의 강도를 개선하기 위하여, 루트부(27)에서의 섬유 방향은 도면들에 도시된 바와 같이 종방향이다.

노즈 콘(65)이 로터(14)의 허브(12) 앞에 장착되어 로터(14)에 대한 항력을 감소시키고 유동 부착(flow attachment)을 촉진한다. 노즈 콘(65)은 비한정적으로 섬유 강화 플라스틱, 다른 복합 소재 또는 강을 포함하는 다양한 소재들로 제조될 수 있다. 노즈 콘은 중실형일 수도 있지만, 도시된 바람직한 실시예에서는 중공형이어서 예를 들어 그리스 탱크와 같은 저장소를 위한 공간을 제공할 수도 있다. 테일 콘도 또한 제공될 수 있으며, 바람직한 실시예에서는 도면에 도시된 바와 같이 노즈 콘과 동일한 기능을 가질 수 있다. 바람직하게는, 유용한 에너지가 추출되는 조수와 간섭하지 않도록 블레이드들 외부의 하우징의 상부에 목과 배치되는 그리스 탱크와 도우징 유닛이 제공된다.

도 22는 파일론(pylon)(67) 상에 배치되는 두 개의 터빈들(10)을 도시한다. 터빈들(10)은 또한 비한정적으로 중력 기반 구조물 또는 부유 구조물들과 같은 다른 수단에 의해 배치될 수도 있다. 구조물들은 수직축 둘레의 축 방향 회전을 허용할 수도 그렇지 않을 수도 있다. 도면들에 도시된 터빈 하우징은 대체로 모듈화된 섬유 강화 플라스틱들로부터 구조성 패스너들로 서로 결합되는 구역으로 제조될 모듈식 부품들로 구성된다. 대안적으로, 터빈 하우징은 강, 비자성 합금들 또는 섬유 강화 플라스틱들로 이루어지는 구조 리브들과 시트 스킨을 이용하여 제조될 수 있다. 하우징은 블레이드들의 회전 평면과 직교하지 않는 조수들로부터 터빈으로 물이 집중하게 한다.

상업적인 목적들을 위하여, 터빈(10)은 어떤 크기를 가질 수도 있다. 일 예로서, 블레이드에서 5 미터 직경 그리고 하우징 입에서 대략 7 미터인 터빈이 물의 속도에 따라 대략 1 MW까지 생산할 수 있는 것으로 예상된다. 발전기 유닛은 교류 또는 직류로 전력을 생산할 수 있고, 전력 출력 특성을 제어할 수 있게 전자적으로 제어될 수 있다.

발전기 수단에 의해 발생된 전력은 발전기 수단에 의해 또는 예를 들어 하나 이상의 배터리들에 의해 발전기 수단과 별도로 저장되거나, 전력 계통, 예를 들어 지방 전력 계통으로 직접 공급될 수 있다. 후자의 경우, 발생된 전력의 동기화, 전력 계수 및 전압은 전력망(power grid)과 같은 지방 전력 주배전소(local power distribution mains system)로 공급되기 전에 가변 속도 드라이브(VSD)를 이용하여 전자적으로 조절될 수 있다. 발전기 수단은 케이블, 예를 들어 해저 케이블에 의해 지방 배전소에 결합될 수 있다.

상술한 바와 같이, 바람직한 실시예들에서 카울링, 하우징 또는 덕트(16)는 그 자신을 통하는 액체 또는 유체 유로 채널을 가지며, 로터(14)는 유로 채널을 통한 액체/유체(물) 유동에 반응하여 회전하기 위해 유로 채널에 장착된다. 유로 채널은 유로 채널의 양단의 개구들로부터 유로 채널의 내측 부분을 향해 테이퍼지는 축소-확대 벤투리를 포함하는 벤투리를 형성할 수 있는 유동 제한부를 정의한다. 하우징은 중간점 위치에 대해 실질적으로 대칭이고, 로터는 실질적으로 채널 내부의 중간점 위치에 위치된다.

하우징 또는 덕트 또는 카울링(16)은 단일 슬리브를 포함한다. 이러한 실시예에서, 하우징 또는 덕트는 그 양단 사이의, 이 경우, 실질적으로 그 양단 사이의 중간의, 외부 표면 상에 좁아진 또는 축소된 허리부를 가진다. 그러나, 변경 실시예에서, 터빈 하우징은 외부 하우징 슬리브 및 내부 하우징 슬리브를 포함할 수 있으며, 내부 슬리브는 유로 채널을 정의한다. 사용에 있어서, 하우징은 지지 또는 장착 구조물에 의해 수중 표면에 고정되고 예상되는 조수 또는 조류 유동의 방향과 실질적으로 정렬될 수 있다. 하우징의 실제 방향과 조수 또는 조류 유동의 방향 사이의 각도는 약 0° 내지 45° 사이, 또는 그 이상일 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 하우징은 그 둘레에 각각 플랜지들을 포함하는 영역들을 포함하여 볼트들 또는 예를 들어 접착 테이프 또는 접착제와 같은 다른 패스너들이 인접한 부품에 그들을 붙잡아 두는데 사용될 수 있다.

도면에 도시된 바와 같이, 입구 반경이 목 반경보타 클 때 터빈 유닛으로부터의 전력 출력이 증가한다는 것을 시험을 통해 알 수 있다. 시험 및 모델링을 통해 입구 반경이 대략 10% 더 클 때 항력에 견줄 때의 최적 수준까지 전력은 증가한다는 것을 알 수 있지만, 전력 출력을 증가시킬 것으로 예상되는 20% 또는 30%와 같은 다른 비율도 사용될 수 있다.

유로 채널의 입구 및/또는 출구 직경은 필요한 전력 발생량에 따라 1 미터 내지 25 미터 이상의 범위에 있을 수 있다. 전형적으로, 터빈은 약 2 내지 10 미터의 직경을 가질 것이다. 유로 채널 또는 덕트의 길이는 터빈의 크기에 따라 1 미터 내지 15 미터 이상의 범위에 있을 수 있다.

터빈 하우징(16)은 바람직하게는 예를 들어 조수의 방향과 실질적으로 나란하게 될 수 있는 장착 구조물에 의해 수중 표면, 예를 들어 바다, 대양 또는 강의 바닥 또는 저면에 고정된다. 대안적으로, 터빈 하우징(16)은 주 유동 또는 조수의 방향에 대해 이동할 수 있도록 수중 표면에 가동적으로 고정될 수 있다. 터빈 유닛은 해저 터빈을 포함할 수 있지만, 터빈 유닛이 액체 유동이 존재하는 어떠한 수중 환경에서, 예를 들어 임의의 조수 또는 강 유동 상황에서도 사용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

도면에 도시된 바람직한 실시예에서는 전기 캐비넷(69)이 제공되며, 캐비넷은 발전기(18)의 하류측 단부에 고정된다. 발전기 챔버는 양의 공기압 또는 작동 유체압으로 전기 캐비넷으로부터 밀봉된다.

도 23을 참조하면, 지지 스트럿들(150)이 접선방식으로 장착되어 발전기와 하우징 사이의 토크 전달을 개선한다. 이러한 바람직한 구성은 스트럿들의 크기를 용이하게 줄일 수 있고 지지 스트럿들의 쉐도잉(shadowing)을 줄이기 때문에 유리하다. 즉, 방사상으로 연장하는 지지 스트럿들(50)(도 5)은 각 시간에 스트럿(50)을 지나가는 방사상으로 연장하는 블레이드 뒤에 완전히 숨을 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 그러나 이러한 쉐도잉은 접선적으로 연장하는 블레이드에 더 점진적으로 이루어지며, 또한 블레이드의 후연부로부터의 출구 유동의 개선에 도움이 된다.

일부 바람직한 실시형태에서, 전기 발전기 조립체(18), 캐비넷(6a), 브레이크와 허브 및 로터는 싱글 모듈로 조립될 수 있다. 상기 모듈(미도시)은 로터, 축, 발전기, 브레이크, 허브 및 중앙부에 배치된 모듈 내에 장착하기에 적합한 기타 관련 부재들을 포함한다. 상기 모듈은 유선형이고, 일례로 부품 키트와 같이 별개로 운송될 수 있다. 하우징은 도 14에 도시되어 있는 바와 같이 운송될 수 있다. 여기서, 지지 스트럿을 위한 마운트는 하우징의 내벽에 용접되어 있다. 그런 다음, 지지 스트럿은 벽 마운트에 볼트로 조립되고, 접선방향 모듈 마운트에 볼트 조립되어, 상기 모듈은 상기 지지 스트럿과 볼트에 의해 중앙 위치에 유지되게 된다. 이렇게 함으로써, 부품 키트가 설치 장치에 공급될 수 있으며, 상기 키트는 일례로 바지선 위에서 간단하게 볼트로 조립되며, 바다 또는 강 같은 물이 흐르는 사이트에 설치된다.

해양 환경은 터빈 조립체를 이루는 재료에 대해 심한 부식을 야기한다. 이에 따라, 터빈 조립체에 미치는 손상을 줄이기 위해 본 발명의 바람직한 실시형태에서는 여러 대책들을 마련하고 있다. 일례로, 따개비와 다른 해양 생물을 포함하는 해양 생물체들이 자라는 것을 줄이기 위해, 하우징(16)과 주 본체(12) 및 여러 다른 부품들을 도장하거나, 오염 방지 재료를 피복한다. 또한, 금속 부품 또는 그 금속 부품에 전기적으로 연결되어 있는 부품에 희생 양극(미도시)이 부착된다.

바람직하기로는, 전력 발전기는 전력을 발생시킨다.

상기 터빈은 터빈에 의해 펌핑되는 유체를 통해 결과적으로 발전기를 회전시켜 전기를 발생시키는 펌프를 구동하는 데에도 적합하다.

본 발명 터빈은 유체가 지나가는 유로 채널을 구비하는 하우징을 포함하며, 하나 이상의 터빈 수단이 유로 채널을 관통하는 액체 유동에 의해 회전하도록 유로 채널 내에 장착되어 있다. 발전기 수단은 터빈 하우징과는 별개로 위치하거나 로터 내에 일체로 위치할 수 있다.

바람직하기로는, 상기 액체는 터빈 유닛이 수몰되어 있는 물로부터 제공되며, 이 물은 해수 또는 강물이다.

통상의 기술자라면 광범위하게 기재되어 있는 본 발명의 사상 또는 범위를 일탈하지 않으면서도, 본 발명에 대해 다양한 변형 및/또는 변조가 이루어질 수 있다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 실시형태들은 예시적인 것으로 보아야지 한정적으로 이해되어서는 안 된다.

Claims (12)

1. 회전축에 평행인 방향으로 블레이드를 통과하는 해수 조류의 흐름에 응하여 회전축 주위를 회전하여, 해수 속에 설치되고 전력을 발생하기 위해 블레이드에 의해 구동되는 발전 유닛을 구비하는 바다 속의 수중 발전 장치를 구동하는 바다 속의 터빈 블레이드로서,
   상기 블레이드는,
   블레이드 루트부;
   블레이드 팁;
   상기 블레이드 루트부에서부터 상기 블레이드 팁까지 연장하는 전연부;
   상기 블레이드 루트부에서부터 상기 블레이드 팁까지 연장하는 후연부;
   상기 블레이드 루트부에서, 상기 전연부와 상기 후연부 사이의 직선으로 획정되는 블레이드 루트부 코드; 및
   상기 블레이드 팁에서, 상기 전연부와 상기 후연부 사이의 직선으로 획정되는 블레이드 팁 코드;
   를 포함하고,
   상기 블레이드 팁 코드는 상기 블레이드 루트부 코드로부터 50° 내지 90°의 비틀림 각으로 각 변위 되어 있는 것을 특징으로 하는 바다 속 터빈 블레이드.
2. 제1항에 있어서, 상기 블레이드 팁 코드는 상기 블레이드 루트부 코드로부터 70°의 비틀림각으로 각변위되어 있는 것을 특징으로 하는 바다 속의 터빈 블레이드.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 블레이드는 섬유 강화 플라스틱으로 제조되는 것을 특징으로 하는 바다 속의 터빈 블레이드.
4. 제3항에 있어서, 상기 섬유는 블레이드의 길이 방향을 따라 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 바다 속의 터빈 블레이드.
5. 제1항에 따른 바다 속의 터빈 블레이드를 포함하는 바다 속의 수중 발전 장치.
6. 해수 조류의 흐름으로부터 전력을 발생시키기 위한 바다 속의 중심축 수중 발전 장치로서,
   중심축을 구비하는 터빈 본체와;
   제1항에 따른 블레이드인, 허브 위에 장착되어 있는 블레이드 루트부에서 블레이드 팁으로 연장하는 복수의 블레이드들을 지지하는 중앙 허브를 포함하며, 상기 중심축 주위를 회전하도록 상기 터빈 본체 위에 작동이 가능하도록 장착되는 로터와;
   상기 로터에 의해 구동되는 발전기;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 바다속의 중심축 수중 발전 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 로터를 둘러싸며 수류를 상기 로터 쪽으로 지향시키는 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 바다 속의 중심축 수중 발전 장치.
8. 제6항에 있어서, 상기 블레이드들의 전연부는 상기 블레이드 루트부에서 상기 블레이드 팁을 향해 후방 또는 하류부에서 상기 중심축과 직교하는 평면으로부터 1 내지 20°의 경사각 또는 틸트각(tilt angle)으로 경사지거나(raked), 기울어져(tilted) 있는 것을 특징으로 하는 바다 속의 중심축 수중 발전 장치.
9. 제7항에 있어서, 상기 하우징은 상기 로터의 전방부의 정면 개구로부터 상기 터빈 본체에 인접하는 좁은 목부 쪽으로 수렴되는 것을 특징으로 하는 바다 속의 중심축 수중 발전 장치.
10. 제8항에 있어서, 상기 블레이드들의 전연부는 상기 블레이드 루트부로부터 상기 블레이드 팁을 향해 후방 쪽으로 2 내지 10°의 경사각만큼 경사져 있는 것을 특징으로 하는 바다 속의 중심축 수중 발전 장치.
11. 제9항에 있어서, 상기 블레이드들의 전연부는 상기 바다 속의 중심축과 직교하는 평면으로부터 4 내지 6°만큼 경사져 있는 것을 특징으로 하는 중심축 수중 발전 장치.
12. 제6항에 있어서,
    블레이드 팁 코드가 상기 블레이드 루트부의 코드로부터 70°의 비틀림 각으로 각변위되어 있는 것을 특징으로 하는 바다 속의 중심축 수중 발전 장치.

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