KR101329246B1 - 개선된 샤프트 및 스포크 구조를 갖는 조류발전용 터빈 - Google Patents

개선된 샤프트 및 스포크 구조를 갖는 조류발전용 터빈 Download PDF

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Abstract

개선된 샤프트 및 스포크 구조를 갖는 조류발전용 터빈이 개시된다. 본 발명의 개선된 샤프트 및 스포크 구조를 갖는 조류발전용 터빈은 일정길이를 갖는 회전축; 상기 회전축에 길이방향을 따라 상호 일정간격 이격되어 결합되는 다수의 스포크; 및 유체의 흐름 에너지에 의해 상기 회전축을 회전시킬 수 있도록 상기 스포크 사이에 결합되는 다수의 블레이드를 포함하되, 상기 회전축은, 길이방향으로 관통하는 중공부를 형성하되, 상기 중공부의 양단부를 밀폐하여 수중에서 부력을 발생시킬 수 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 밀폐형 중공부를 갖는 회전축과 밀폐형 관통구멍을 갖도록 다층 디스크 형상으로 형성되는 스포크에 의하여, 수중에서 부력을 통해 자중을 감소시키고 유체의 흐름 에너지에 대항하는 강성을 증대시킴으로써 터빈의 회전 효율을 향상시키면서도 유체에 의한 휨 변형을 방지할 수 있게 된다.

Description

개선된 샤프트 및 스포크 구조를 갖는 조류발전용 터빈{TURBINE FOR TIDAL CURRENT POWER WITH ADVANCED SHAFT AND SPOKE STRUCTURE}
본 발명은 개선된 샤프트 및 스포크 구조를 갖는 조류발전용 터빈에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 조류발전시 샤프트 및 스포크에 부력을 부여하여 수중에서 회전 효율을 향상시키며 유체의 흐름 에너지(수력)에 의한 휨 변형을 방지할 수 있는 개선된 샤프트 및 스포크 구조를 갖는 조류발전용 터빈에 관한 것이다.
일반적으로, 터빈은, 물, 가스, 증기 등의 유체가 가지는 에너지를 유용한 기계적 일로 변환시키는 기계 또는 장치를 말하며, 유체의 흐름 에너지를 전기 에너지로 전환하기 위한 풍력발전, 조수 간만의 수위차를 이용한 조력발전 및 조류를 이용한 조류발전 등에 이용되고 있다.
특히 조류를 에너지원으로 이용하는 조류발전은 물살이 빠른 곳에 터빈을 설치하여 전기의 생산이 가능한 방식이다. 이러한 조류발전은 해상에서 선박의 이동이 자유로우면서도 어류의 이동을 방해하지 않고 주변 생태계에 영향을 주지 않는 환경친화적 대체에너지 시스템이라는 점에서 많은 연구와 개발이 진행되고 있으며, 일례로, 조류발전용 터빈은 수중에서 발전효율이 좋은 다리우스 터빈 및 헬레컬 터빈이 널리 사용되고 있다.
조류발전용 터빈의 일반적인 구조는, 해상의 조류발전 구조물에 회전 가능하게 설치되는 회전축과, 회전축의 길이방향을 따라 상호 일정간격 이격되어 방사상으로 연장 형성되는 다수의 스포크와, 스포크의 단부를 연결하도록 형성되며 유체의 흐름 에너지에 의해 양력을 발생시켜 회전축을 회전시키는 블레이드로 이루어진다.
그러나, 이와 같은 종래의 터빈은 통상적으로 중량체로 형성되기 때문에 자중에 의해 수중에서 유체의 흐름 에너지에 의한 회전 효율이 저하되는 문제가 있다.
또한, 종래의 터빈은 수중에서 유체의 흐름 에너지에 의한 변형이 방지되면서 양력을 발생시키도록 최적화된 블레이드와 달리 회전축 및 스포크는 유체의 흐름 에너지의 영향을 많이 받기 때문에 장기간 사용시 휨 변형을 일으키는 문제가 있다.
이에 조류발전시 수중에서 터빈의 회전 효율을 향상시키면서도 유체의 흐름 에너지에 의한 휨 변형을 방지할 수 있는 조류발전용 터빈에 관한 연구개발이 요구되고 있다.
본 발명의 기술적 과제는, 조류발전시 샤프트 및 스포크에 부력을 부여하여 회전 효율을 향상시키면서도 유체의 흐름 에너지에 의한 휨 변형을 방지할 수 있는 개선된 샤프트 및 스포크 구조를 갖는 조류발전용 터빈을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제는, 본 발명에 따라, 일정길이를 갖는 회전축; 상기 회전축에 길이방향을 따라 상호 일정간격 이격되어 결합되는 다수의 스포크; 및 유체의 흐름 에너지에 의해 상기 회전축을 회전시킬 수 있도록 상기 스포크 사이에 결합되는 다수의 블레이드를 포함하되, 상기 회전축은, 길이방향으로 관통하는 중공부를 형성하되, 상기 중공부의 양단부를 밀폐하여 수중에서 부력을 발생시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 개선된 샤프트 및 스포크 구조를 갖는 조류발전용 터빈에 의하여 달성된다.
상기 스포크는, 상기 회전축이 삽입되기 위한 삽입부를 중공 형성하며 둘레에 상기 삽입부로 관통하는 다수의 나사공을 갖는 허브; 상기 허브의 둘레로부터 연장 형성되며 표면에 적어도 하나의 관통구멍을 갖는 원판 형상의 회전판; 및 상기 관통구멍을 밀폐시켜 부력을 발생시킬 수 있도록 상기 회전판의 양측면에 결합되며 상기 회전판과 대응되는 형상을 갖는 회전판 커버를 포함할 수 있다.
상기 회전축은, 상기 중공부에 삽입되도록 상기 스포크의 결합위치와 대응되는 위치에 고정 결합되는 슬리브를 포함하며, 상기 스포크는, 상기 허브를 통해 상기 슬리브에 결합된 뒤 상기 나사공으로 삽입되는 나사에 의해 상기 회전축에 일체로 고정될 수 있다.
상기 관통구멍은, 상기 회전판의 표면에 상호 일정간격 이격되어 관통 형성되는 다수의 관통구멍일 수 있다.
상기 회전판 커버에는, 표면 둘레에 상기 회전판을 관통하는 다수의 결합홈이 형성되며, 상기 블레이드는, 상기 각 스포크 사이에 대해 상호 엇갈리게 배열되도록 양단부가 상기 결합홈에 삽입 결합될 수 있다.
상기 회전판 커버는, 상기 유체의 흐름 에너지에 의한 저항을 줄이기 위하여 외주면의 모서리부가 곡면으로 가공될 수 있다.
본 발명에 의하면, 밀폐형 중공부를 갖는 회전축과 밀폐형 관통구멍을 갖도록 다층 디스크 형상으로 형성되는 스포크에 의하여, 수중에서 부력을 통해 자중을 감소시키고 유체의 흐름 에너지에 대항하는 강성을 증대시킴으로써 터빈의 회전 효율을 향상시키면서도 유체에 의한 휨 변형을 방지할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조류발전용 터빈의 사시도이다.
도 2는 도 1의 조류발전용 터빈의 회전축을 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 1의 조류발전용 터빈의 스포크를 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 스포크의 내부를 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 4의 ‘Ⅰ’부분의 확대도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조류발전용 터빈의 사시도이며, 도 2는 도 1의 조류발전용 터빈의 회전축을 나타낸 단면도이고, 도 3은 도 1의 조류발전용 터빈의 스포크를 나타낸 사시도이며, 도 4는 도 3의 스포크의 내부를 나타낸 단면도이고, 도 5는 도 4의 ‘Ⅰ’부분의 확대도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 개선된 샤프트 및 스포크 구조를 갖는 조류발전용 터빈(100)은, 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 일정길이를 갖는 회전축(110)과, 회전축(110)의 길이방향을 따라 상호 일정간격 이격되어 결합되는 다수의 스포크(120)와, 유체의 흐름 에너지에 의해 회전축을 회전시킬 수 있도록 스포크(120) 사이에 결합되는 다수의 블레이드(130)를 포함한다.
회전축(110)은 일정길이로 형성되며 중공부(111) 및 슬리브(112)가 마련되는 구성이다. 즉, 회전축(110)은 내부에 길이방향으로 관통하는 중공부(111)를 형성하되, 중공부(111)의 양단부를 밀폐시켜 형성된다.
이러한 회전축(110)은 내부에 형성되는 중공부(111)를 통해 수중에서 부력을 발생시켜 자중을 감소시키는 구조를 갖는다.
즉, 중공부(111)는 회전축(110)에 부력을 발생시키는 부력공간을 제공함으로써 수중에서 회전축(110)의 자중 감소를 통해 유체의 흐름 에너지에 의한 터빈(100)의 회전 효율을 향상시킬 수 있는 것이다.
아울러, 회전축(110)은 중공부(111)에 의해 튜브 형상의 단면을 갖도록 형성되어 수중에서 작용하는 유체의 흐름 에너지에 의한 응력집중을 분산시킴으로써 휨 변형을 방지하면서도 유체의 흐름 에너지에 대항하는 휨 강성을 증대시키게 된다.
이와 같은 회전축(110)은 조류의 흐름에 따라 발생하는 유체의 흐름 에너지를 회전력으로 변환시키는 블레이드(130)에 의해 회전하며, 회전축(110)의 회전력은 발전기(미도시)로 전달된다.
슬리브(112)는 회전축(110)에 고정 결합되도록 마련되는 구성이다. 즉, 슬리브(112)는 중공 원통 형상으로 형성되며 회전축(110)의 길이방향을 따라 스포크(120)의 결합위치에 상호 일정간격 이격되어 고정 결합된다. 이때, 슬리브(112)는 키, 볼트, 용접 등과 같은 공지된 결합수단을 매개로 회전축(110)에 일체로 고정 결합된다.
스포크(120)는 회전축(110)에 결합되는 구성이며, 회전축(110)의 슬리브(112)가 삽입되도록 마련되는 허브(122)와, 허브(122)의 둘레로부터 연장 형성되도록 마련되는 원판 형상의 회전판(124)과, 회전판(124)의 양측면에 결합되도록 마련되는 회전판 커버(126)를 포함한다.
허브(122)는 회전축(110)의 슬리브(112)가 삽입 결합되도록 형성되며 둘레에 다수의 나사공(122B)이 마련되는 구성이다. 즉, 허브(122)는 슬리브(112)가 삽입될 수 있는 삽입부(122A)를 형성하도록 중공 원통 형상으로 형성된다.
다수의 나사공(122B)은 회전축(110)의 슬리브(112)에 스포크(120)를 결합할 수 있도록 허브(122)의 둘레에 마련되는 구성이다. 나사공(122B)은 허브(122)의 둘레를 따라 상호 일정간격 이격되어 삽입부(122A)로 관통 형성된다. 이에 따라 스포크(120)는 허브(122)를 통해 슬리브(112)에 결합된 뒤 나사공(122B)으로 삽입되는 나사(123)에 의해 회전축(110)에 일체로 고정되게 된다.
여기서 스포크(120)는 상기한 결합구조에 따라 회전축(110)에 대한 조립 및 분해가 수월하면서도 회전축(110)에 조립시 임의의 각도로 회전시켜 후술하는 블레이드(130)의 양단부가 삽입 결합되도록 회전판(124)에 마련되는 결합홈(126A)의 위치를 용이하게 조절하게 된다.
회전판(124)은 허브(122)의 둘레에 형성되며 표면에 다수의 관통구멍(125)이 마련되는 구성이다. 즉, 회전판(124)은 허브(122)의 둘레로부터 원판 형상으로 연장 형성된다.
다수의 관통구멍(125)은, 회전판(124)의 표면에 마련되는 구성이다. 즉, 관통구멍(125)은 회전판(124)의 표면에 상호 일정간격 이격되어 관통 형성된다. 이러한 관통구멍(125)은 후술하는 회전판 커버(126)에 의해 밀폐되어 수중에서 스포크(120)에 부력을 발생시키는 부력공간을 형성한다.
회전판 커버(126)는 회전판(124)의 양측면에 결합되며 표면 둘레에 다수의 결합홈(126A)이 마련되는 구성이다. 회전판 커버(126)는 회전판(124)과 대응되는 형상으로 형성되어 관통구멍(125)을 밀폐하도록 회전판(124)의 양측면에 결합된다. 이때, 회전판 커버(126)는 핀, 볼트와 너트, 용접 등과 같은 공지된 결합수단을 매개로 회전축(110)에 일체로 결합된다.
다수의 결합홈(126A)은 회전판 커버(126)의 표면 둘레에 마련되는 구성이다. 결합홈(126A)은 회전판 커버(126)의 둘레에 블레이드(130)의 양단부를 삽입 결합할 수 있도록 회전판(124)을 관통하여 형성된다. 이때, 결합홈(126A)은 블레이드(130)가 각 스포크(120) 사이에 상호 엇갈리게 배열되어 결합되도록 마련된다.
여기서 본 실시예에 따른 회전판 커버(126)는 외주면의 모서리부가 일정한 곡률을 갖도록 마련되며 이에 따라 유체의 흐름 에너지에 의한 저항을 줄일 수 있게 된다. 즉, 회전판 커버(126)는 외주면의 모서리부가 곡면(Round)으로 가공됨으로써 회전판(124)의 양측에 결합된 상태에서 스포크(120)로 작용하는 유체의 흐름 에너지로부터 발생하는 저항을 줄일 수 있게 되는 것이다.
이와 같은 스포크(120)는 회전판(124)의 관통구멍(125)을 회전판 커버(126)에 의해 밀폐구조로 형성하여 수중에서 부력에 의해 자중을 감소시킴으로써 회전축(110)과 함께 블레이드(130)에 의한 터빈(100)의 회전 효율을 향상시키게 된다.
즉, 회전판(124)에 마련된 관통구멍(125)은 회전판 커버(126)에 의해 밀폐되어 부력을 발생시키는 부력공간을 형성함으로써 수중에서 스포크(120)의 자중 감소를 통해 유체의 흐름 에너지에 의한 터빈(100)의 회전 효율 향상에 기여할 수 있는 것이다.
아울러, 스포크(120)는 회전판(124)의 양측면에 회전판 커버(126)가 결합되는 다층 디스크의 구조로 형성됨으로써 수중에서 작용하는 유체의 흐름 에너지에 대항하는 강성을 증대시키게 된다.
여기서 본 실시예의 스포크(120)는 관통구멍(125)을 밀폐시키도록 회전판(124)의 양측면에 회전판 커버(126)가 결합되나, 본 발명의 다른 실시예로써 스포크(120)는 관통구멍(125)의 개방부만을 제한적으로 밀폐시켜 자중을 더욱 경량화하도록 마련될 수도 있다.
블레이드(130)는 조류발전시 유체의 흐름 에너지에 의해 양력을 발생시키도록 스포크(120)에 결합되는 구성이다. 블레이드(130)는 비행기 날개 형상의 단면을 갖도록 형성되어 회전축(110)과 평행하도록 스포크(120)에 마련된 회전판 커버(126)의 결합홈(126A)에 양단부가 삽입된 뒤 용접에 의해 고정된다. 이때, 블레이드(130)는 유체의 흐름 에너지로부터 높은 토크 및 균일한 발전출력을 얻을 수 있도록 각 스포크(120) 사이에 대해 상호 엇갈리도록 배열된다.
즉, 블레이드(130)는 각 스포크(120) 사이에 대해 상호 엇갈리게 배열되도록 마련되어 유체의 흐름 에너지가 작용하는 터빈(100)의 일측영역에서 유체의 흐름 에너지를 골고루 받아 연속적으로 큰 양력을 발생시키며 이에 따라 회전축(110)에 대한 높은 토크 및 균일한 발전출력을 제공할 수 있게 된다.
여기서 블레이드(130)는 그 양단부가 회전판 커버(126)의 결합홈(126A)에 삽입 결합되는 구조를 채택함에 따라 기존의 블레이드(130)가 스포크(120)의 단부에 결합되는 구조에 비해 상대적으로 구조적 안정성을 확보하면서도 설치 및 교체 등의 보수가 용이하게 된다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 개선된 샤프트 및 스포트 구조를 갖는 조류발전용 터빈의 작동과정을 설명한다.
본 실시예에 따른 개선된 샤프트 및 스포트 구조를 갖는 조류발전용 터빈(100)은 조류발전을 위하여 유속이 빠른 수로 또는 해상에 설치된다.
수로 또는 해상에 설치된 터빈(100)에 유체의 흐름 에너지가 작용하게 되면, 유체는 스포크(120) 사이를 빠른 유속으로 통과하며 이에 따라 블레이드(130)는 유체의 흐름 에너지에 의해 양력을 발생시켜 회전축(110)을 회전시킨다. 회전축(110)의 회전력은 발전기에 전달된다.
이때, 터빈(100)은 회전축(110) 및 스포크(120)의 내부에 마련되는 부력공간에 의해 자중을 감소시켜 유체의 흐름 에너지에 의한 원활한 작동을 기대할 수 있게 된다.
즉, 회전축(110)은 내부에 부력을 발생시키는 중공부(111)가 마련되고 스포크(120)는 회전판(124)의 양측면에 결합된 회전판 커버(126)에 의해 밀폐되어 부력을 발생시키는 다수의 관통구멍(125)이 각각 마련됨으로써 터빈(100)은 수중에서 부력공간을 형성하는 중공부(111) 및 관통구멍(125)에 의해 부력을 형성하여 자중을 감소시키며 이에 따라 스포크 사이를 빠른 유속으로 통과하는 유체의 흐름 에너지에 의한 원활한 회전력을 확보할 수 있게 된다.
이러한 터빈(100)은 중공부(111) 및 관통구멍(125)을 통해 수중에서 자중을 감소시킴과 동시에 부력을 확보함으로써 유체의 흐름 에너지에 의해 원활하게 회전될 수 있게 되므로 회전 효율을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
또한, 터빈(100)의 회전축(110) 및 스포크(120)는 수중에서 유체의 흐름 에너지에 대항하는 휨 강성을 증대시키게 된다.
즉, 회전축(110)은 중공부(111)에 의해 튜브 형상의 단면을 갖도록 형성되어 수중에서 작용하는 유체의 흐름 에너지에 의한 응력집중을 분산시키고 스포크(120)는 회전판(124)의 양측면에 회전판 커버(126)가 결합되는 다층 디스크로 형성된다. 이에 회전축(110) 및 스포크(120)는 유체에 의한 변형을 방지 및 유체에 대항하는 휨 강성을 증대시킬 수 있는 것이다.
본 실시예의 개선된 샤프트 및 스포크 구조를 갖는 조류발전용 터빈(100)은, 밀폐형 중공부(111)를 갖는 회전축(110)과 밀폐형 관통구멍(125)을 갖도록 다층 디스크 형상으로 형성되는 스포크(120)에 의하여, 수중에서 부력을 통해 자중을 감소시키고 유체의 흐름 에너지에 대항하는 강성을 증대시킴으로써 터빈(100)의 회전 효율을 향상시키면서도 유체에 의한 휨 변형을 방지할 수 있다.
아울러, 본 실시예의 개선된 샤프트 및 스포크 구조를 갖는 조류발전용 터빈(100)은, 스포크(120)가 회전축(110)에 나사결합되도록 형성됨으로써 회전축(110)에 대한 조립 및 분해가 수월하면서도 회전축(110) 상에서 스포크(120)를 임의의 각도로 회전시켜 블레이드(130)의 양단부가 삽입 결합되는 스포크(120)에 마련된 회전판(124)의 위치를 용이하게 조절할 수 있다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
110: 회전축 111: 중공부
112: 슬리브 120: 스포크
122: 허브 124: 회전판
125: 관통구멍 126: 회전판 커버
130: 블레이드

Claims (6)

  1. 일정길이를 갖는 회전축; 상기 회전축에 길이방향을 따라 상호 일정간격 이격되어 결합되는 다수의 스포크; 및 유체의 흐름 에너지에 의해 상기 회전축을 회전시킬 수 있도록 상기 스포크 사이에 결합되는 다수의 블레이드를 포함하되,
    상기 회전축은,
    길이방향으로 관통하는 중공부를 형성하되, 상기 중공부의 양단부를 밀폐하여 수중에서 부력을 발생시키고,
    상기 스포크는,
    상기 회전축이 삽입되기 위한 삽입부를 중공 형성하며 둘레에 상기 삽입부로 관통하는 다수의 나사공을 갖는 허브; 상기 허브의 둘레로부터 연장 형성되며 표면에 적어도 하나의 관통구멍을 갖는 원판 형상의 회전판; 및 상기 관통구멍을 밀폐시켜 부력을 발생시킬 수 있도록 상기 회전판의 양측면에 결합되며 상기 회전판과 대응되는 형상을 갖는 회전판 커버를 포함하며,
    상기 회전축은 상기 중공부에 삽입되도록 상기 스포크의 결합위치와 대응되는 위치에 고정 결합되는 슬리브를 포함하고, 상기 스포크는 상기 허브를 통해 상기 슬리브에 결합된 뒤 상기 나사공으로 삽입되는 나사에 의해 상기 회전축에 일체로 고정되는 것을 특징으로 하는,
    개선된 샤프트 및 스포크 구조를 갖는 조류발전용 터빈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 관통구멍은,
    상기 회전판의 표면에 상호 일정간격 이격되어 관통 형성되는 다수의 관통구멍인 것을 특징으로 하는,
    개선된 샤프트 및 스포크 구조를 갖는 조류발전용 터빈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 회전판 커버에는,
    표면 둘레에 상기 회전판을 관통하는 다수의 결합홈이 형성되며,
    상기 블레이드는,
    상기 각 스포크 사이에 대해 상호 엇갈리게 배열되도록 양단부가 상기 결합홈에 삽입 결합되는 것을 특징으로 하는,
    개선된 샤프트 및 스포크 구조를 갖는 조류발전용 터빈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 회전판 커버는, 상기 유체의 흐름 에너지에 의한 저항을 줄이기 위하여 외주면의 모서리부가 곡면으로 가공되는 것을 특징으로 하는,
    개선된 샤프트 및 스포크 구조를 갖는 조류발전용 터빈.
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