KR101646800B1 - 유체 터빈 시스템 - Google Patents

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KR101646800B1
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윌리엄 드루이터
마이클 아라워스
피터 엘. 코이
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캘리포니아 에너지 앤드 파워
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Abstract

다양한 유체 터빈 시스템(100) 및 방법이 기재되어 있다. 터빈(100)은 풍력 에너지로부터 발전하도록 구성된 수직 축 풍력 터빈일 수 있다. 터빈(100)은 블레이드 조립체(140)를 구비할 수 있다. 블레이드 조립체(140)는 축(Y)을 중심으로 회전될 수 있는 다수의 블레이드(142, 144, 146, 148)을 가질 수 있다. 터빈 시스템(100)은 바람에 대향하여 그리고 블레이드 조립체(140)의 복귀 측면의 전방에 배치될 수 있는 응축기(120)를 구비할 수 있다. 응축기(120)는 바람을 향하는 볼록한 표면을 형성할 수 있다. 터빈 시스템(100)은 또한 블레이드 조립체(140)의 푸시 측면에서 바람을 향해 배치될 수 있는 가변 응축기(110)를 또한 구비할 수 있다. 가변 응축기(110)는 제 1 위치와 제 2 위치 사이에서 조정될 수 있으며, 가변 응축기(110)는 제 2 위치에서 보다 제 1 위치에서 터빈(100)을 향해서 보다 많은 바람을 편향시킬 수 있다.

Description

유체 터빈 시스템{FLUID TURBINE SYSTEMS}
관련 출원
본원은 2008년 11월 10일자로 출원된 미국 특허출원 제12/268,274호, 및 2008년 9월 4일자로 출원된 미국 가명세서 출원 제61/094,386호와 관련되고 그러한 출원들을 기초로 우선권을 주장하며, 상기 출원들의 전체가 본원 명세서에서 참조된다.
본 출원은 터빈에 관한 것으로서, 특히 수직 축 유체 터빈에 관한 것이다.
터빈들은 이동 유체, 예를 들어 물 또는 공기로부터 전력(power)을 생성하기 위해서 이용된다. 그러나, 그러한 터빈의 공지된 유닛 및 여러 성분들은 많은 공지된 한계들 및 단점들을 가지고 있다.
본원 명세서에서 설명되는 예시적인 실시예들은 몇 가지 특징들을 가지며, 그러한 특징들 중 하나에 의해서만 바람직한 특성들이 제공되지는 않을 것이다. 특허청구범위를 제한함이 없이, 이하에서는 바람직한 특징들의 일부에 대해서 개략적으로 설명한다.
일부 실시예에서, 유체 터빈 시스템은 터빈, 응축기(concentrator), 가변 응축기를 포함한다. 터빈은 블레이드 조립체를 포함하고, 상기 블레이드 조립체는 축을 중심으로 회전될 수 있는 다수의 블레이드를 포함한다. 하나 또는 둘 이상의 블레이드가 개방 섹션을 형성하고, 그러한 개방 섹션의 일부가 블레이드의 외측 에지(edge) 보다 축에 더 근접하도록 개방 섹션이 배치된다. 또한, 터빈은 상류 방향 및 하류 방향을 형성하는 유체의 전체 유동의 주어진 방향에 대해서 푸시 절반체(push half) 및 복귀(return) 절반체를 포함한다. 응축기는 터빈의 복귀 절반체의 적어도 일부의 바로 상류에 위치하는 응축기 위치에 배치될 수 있다. 응축기 위치에서, 응축기는 상류를 향하는 볼록 표면 및 하류를 향하는 오목 표면을 형성한다. 적어도 일부의 유체를 터빈의 푸시 절반체를 향해 지향시키도록 볼록 표면이 배치될 수 있고, 그리고 전체적으로 터빈의 복귀 절반체로부터 상류로 유동하는 적어도 일부의 유체를 전체적으로 하류로 유동하도록 재지향시키기 위해서 오목한 표면이 배치될 수 있다. 가변 응축기는 터빈의 상류에 위치될 수 있고 그리고 복귀 절반체 보다 푸시 절반체에 더 근접하여 위치될 수 있다. 가변 응축기는 유체를 편향시키도록 작동될 수 있는 편향 표면을 포함하고, 그리고 편향 표면은 터빈 높이의 상당 부분을 따라서 전체적으로 축에 평행하게 연장하도록 배치될 수 있다. 가변 응축기는 제 2 위치에서 보다 제 1 위치에서 블레이드 조립체를 향해서 보다 많은 유체를 편향시키도록 구성된다.
일부 실시예에서, 유체 터빈 시스템은 터빈 및 응축기를 포함한다. 터빈은 축을 중심으로 회전될 수 있는 블레이드들을 포함하고, 그 블레이드들은 블레이드들의 높이의 상당 부분을 따라서 윈도우(window)를 형성한다. 축과 평행하고 그리고 그 축과 교차하는 제 1 평면이 터빈 주위의 공간을 복귀 측면(return side)과 상기 복귀 측면의 반대쪽에 위치하는 푸시 측면(push side)으로 분할하고, 그리고 터빈은, 명목상(nominally) 평면에 평행하게 유동하는 유체에 대해서 상대적으로, 복귀 측면에서 전체적으로 상류 방향으로 회전하도록 그리고 푸시 측면에서 전체적으로 하류 방향으로 회전하도록 구성된다. 응축기는 터빈의 적어도 일부의 상류에 그리고 적어도 부분적으로 또는 전체적으로 복귀 측면 상에 위치될 수 있다. 응축기는 터빈 상류의 제 1 위치로부터 터빈의 보다 상류의 그리고 복귀 측면으로 더욱 진입하는 제 2 위치까지 연장하도록 구성된 제 1 곡선형 표면 부분을 포함한다. 제 1 곡선형 표면 부분은 유체 유동의 상류 방향을 향하여 볼록하도록 구성되고 그리고 적어도 일부의 유체를 푸시 측면을 향해서 편향시키도록 배치될 수 있다. 또한, 적어도 일부의 유체를 블레이드의 윈도우로부터 멀리 인출하기 위한 상대적인 진공을 생성하도록 응축기가 배치될 수 있다.
앞선 문단의 유체 터빈 시스템에서, 응축기는 제 1 곡선형 표면 부분에 비해서 복귀 측면 내로 보다 더 깊이 위치될 수 있는 제 2 표면 부분을 포함하고, 제 2 표면 부분은 제 3 위치로부터 제 4 위치까지 연장하도록 구성되며, 상기 제 4 위치는 제 3 위치 보다 더 복귀 측면 내로 진입하고 그리고 더 하류에 위치한다.
전술한 문단들 중 하나의 유체 터빈 시스템에서, 응축기는 하류를 향해서 오목하도록 구성된 후방 표면 부분을 포함하고, 그러한 후방 표면 부분은 상류 유동 표면 부분, 중간 표면 부분, 및 하류 유동 표면 부분을 포함하고, 상기 상류 유동 표면 부분은 터빈으로부터 상류로 유동하는 적어도 일부의 유체를 중간 표면 부분을 향해서 지향시키도록 성형되고 배치될 수 있으며, 상기 중간 표면 부분은 상류로 유동하는 적어도 일부의 유체를 하류 유동 표면 부분을 향해서 전체적으로 하류로 유동하도록 재지향시키도록 성형되고 배치될 수 있으며, 상기 하류 유동 표면 부분은 상기 중간 표면 부분으로부터의 적어도 일부의 유체를 수용하고 그리고 적어도 일부의 유체를 전체적으로 하류로 평면에 명목상 평행하게 유동하는 유체로 지향시키도록 성형되고 배치될 수 있다.
전술한 문단들 중 하나의 유체 터빈 시스템에서, 응축기는 적어도 터빈의 외측 에지까지 복귀 측면 내로 보다 더 들어가는 방향으로 연장하도록 구성되고 그에 따라 응축기가 적어도 제 2 평면과 교차하며, 상기 제 2 평면은 터빈의 최외측 에지에 대해서 접선을 이루고 그리고 제 1 평면과 평행하다.
전술한 문단들 중 하나의 유체 터빈 시스템에서, 제 2 평면은 블레이드 팁(tip) 반경에 의해서 제 1 평면으로부터 분리되고, 그리고 상기 응축기는 블레이드 팁 반경의 적어도 25 퍼센트에서 제 2 평면을 지나서 연장하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 유체 터빈 시스템은 터빈 및 응축기를 포함한다. 터빈은 축을 중심으로 회전될 수 있고, 그리고 축과 평행하고 교차하는 평면은 터빈 주위의 공간을 복귀 측면과 상기 복귀 측면의 반대쪽에 위치하는 푸시 측면으로 분할한다. 터빈은, 명목상 평면에 평행하게 유동하는 유체에 대해서 상대적으로, 복귀 측면에서 전체적으로 상류 방향으로 회전하도록 그리고 푸시 측면에서 전체적으로 하류 방향으로 회전하도록 구성된다. 터빈은 푸시 측면으로부터 가장 멀리에서 복귀 외측 에지를 구비한다. 응축기는 터빈의 적어도 일부의 상류에 그리고 적어도 부분적으로 또는 전체적으로 복귀 측면 상에 위치될 수 있다. 응축기는 전체적으로 U-형상인 섹션을 포함하고, 그리고 전체적으로 U-형상인 섹션은 상류를 향해서 볼록하도록 배치될 수 있는 상류 표면 부분 및 하류를 향해서 오목하도록 배치될 수 있는 하류 표면 부분을 포함한다. 상류 표면 부분은 유체의 푸시 부분을 푸시 측면으로 지향시키도록 그리고 유체의 복귀 부분을 터빈으로부터 멀리 하류로 지향시키도록 배치될 수 있다. 하류 표면 부분은 터빈으로부터 유체의 드래그(drag) 부분을 수용하도록 성형되고 배치될 수 있는 부분 폐쇄형 영역을 형성하고 그리고 유체 하류의 드래그 부분을 유체의 복귀 부분으로 재지향시킨다. 응축기는 푸시 측면으로부터 가장 멀도록 구성된 복귀 단부를 구비한다. 응축기의 복귀 단부와 평면 사이의 거리가 터빈의 복귀 외측 에지와 평면 사이의 가장 가까운 거리의 1.2배 이상이 되도록, 복귀 단부가 배치될 수 있다.
전술한 문단들 중 하나의 유체 터빈 시스템에서, 전체 응축기가 전체 터빈의 상류에 위치될 수 있다.
전술한 문단들 중 하나의 유체 터빈 시스템에서, 응축기가 중공형 에어호일(airfoil)의 섹션으로서 실질적으로 성형된다.
일부 실시예에서, 유체 터빈 시스템은 터빈과 가변 응축기를 포함한다. 터빈은 축을 중심으로 회전될 수 있다. 축과 평행하고 축과 교차하는 제 1 평면이 터빈 주위의 공간을 복귀 측면과 상기 복귀 측면에 대향하는 푸시 측면으로 분할한다. 터빈은, 명목상 평면에 평행하게 유동하는 유체에 대해서 상대적으로, 복귀 측면에서 전체적으로 상류 방향으로 회전하도록 그리고 푸시 측면에서 전체적으로 하류 방향으로 회전하도록 구성된다. 또한 터빈은 스위핑(sweep) 경로를 형성한다. 가변 응축기는 푸시 측면 상에 그리고 터빈의 전체 스위핑 경로의 상류에 위치될 수 있다. 가변 응축기는 터빈의 높이의 상당한 부분을 따라서 축에 전체적으로 평행하게 연장하도록 배치될 수 있는 편향 표면을 포함한다. 편향 표면은 적어도 일부의 유체를 편향시키도록 구성된다. 가변 응축기는 제 1 위치와 제 2 위치 사이에서 이동될 수 있고, 편향 표면은 제 1 위치에서 보다 제 2 위치에서 터빈을 향해서 보다 적은 유체를 편향시키도록 구성된다.
전술한 문단들 중 하나의 유체 터빈 시스템에서, 가변 응축기는 제 1 위치로부터 제 2 위치까지 가변 응축기 축을 중심으로 회전될 수 있다.
전술한 문단들 중 하나의 유체 터빈 시스템에서, 가변 응축기는 제 1 위치를 향해서 바이어싱(bias)되도록 구성된다.
전술한 문단들 중 하나의 유체 터빈 시스템에서, 가변 응축기에 걸친 유체 유동에 의해서 가변 응축기가 제 1 위치로부터 제 2 위치로 조절될 수 있도록, 가변 응축기가 구성된다.
전술한 문단들 중 하나의 유체 터빈 시스템에서, 가변 응축기는 전체적으로 에어호일로서 성형되고 그리고 낮은 유체 속도에서 적어도 일부의 유체를 터빈을 향해서 편향시켜 토크 출력을 증대시키도록 구성되고, 가변 응축기는 터빈의 손상을 방지하기 위해서 높은 유체 속도에서 터빈을 향해서 유체를 편향시키지 않도록 또는 터빈을 향해서 보다 적은 유체를 편향시키도록 추가적으로 구성된다.
일부 실시예에서, 유체 터빈은 축선을 중심으로 회전될 수 있는 다수의 블레이드를 포함한다. 하나 또는 둘 이상의 블레이드는 개방 섹션을 포함하고, 그러한 개방 섹션의 일부는 블레이드의 외부 에지 보다 축에 더 근접한다. 터빈은 상류 방향 및 하류 방향을 형성하는 유체의 전체 유동의 주어진 방향에 대해서 푸시 절반체 및 복귀 절반체를 포함한다. 다수의 블레이드들 중 하나 또는 둘 이상이 푸시 블레이드이고, 푸시 블레이드는 개방 섹션을 형성하고 그리고 팁을 포함한다. 푸시 블레이드는 푸시 위치에 배치될 수 있고, 그러한 푸시 위치에서 푸시 블레이드의 팁이 푸시 절반체에 위치된다. 푸시 블레이드가 푸시 위치에 있을 때 전체적으로 상류를 향하는 푸시 표면 부분을 푸시 블레이드가 추가로 포함한다. 다수의 블레이드 중 하나 또는 둘 이상이 캐치 블레이드이고, 그러한 캐치 블레이드는 팁을 포함한다. 캐치 블레이드가 캐치 위치에 배치될 수 있고, 그러한 캐치 위치에서 캐치 블레이드의 팁이 전체적으로 축의 하류에 위치된다. 캐치 블레이드가 캐치 위치에 있을 때 전체적으로 상류를 향하는 캐치 표면 부분을 캐치 블레이드가 더 포함한다. 터빈은 토크 위치에 배치될 수 있고, 이때 상류 블레이드는 푸시 위치의 푸시 블레이드이고 그리고 하류 블레이드는 캐치 위치의 캐치 블레이드이다 토크 위치는 상류 블레이드의 전체적으로 하류에 위치된 하류 블레이드 그리고 상류 블레이드의 개방 섹션의 바로 하류에 위치된 하류 블레이드의 캐치 표면 부분에 의해서 형성된다.
전술한 문단들 중의 유체 터빈에서, 다수의 블레이드들 중 하나 또는 둘 이상이 상승(lift) 블레이드이고, 그러한 상승 블레이드는 팁을 포함하고, 상기 상승 블레이드는 팁이 전체적으로 축의 상류에 위치되는 상승 위치에 배치될 수 있고, 상기 상승 블레이드는 곡선형 표면 부분을 더 포함하고, 상기 곡선형 표면 부분은 상승 블레이드가 상승 위치에 있을 때 복귀 절반체로부터 멀어지는 쪽을 향하여 볼록하며, 상기 곡선형 표면 부분은 상승 블레이드가 상승 위치에 있을 때 복귀 절반체로부터 멀리 곡선형 표면을 가로질러 전체적으로 하류로 유동하는 유체의 상승 부분을 편향시키도록 성형되고 구성된다.
전술한 문단들 중 하나의 유체 터빈에서, 상기 상승 블레이드는 개방 섹션을 형성하고, 상기 상승 블레이드의 개방 섹션은 유체의 상승 부분의 적어도 일부가 상승 블레이드의 개방 섹션을 통해서 유동할 수 있게 허용한다.
전술한 문단들 중 하나의 유체 터빈에서, 다수의 블레이드가 축으로부터 연장하고 그리고 서로 균일하게 이격된 4개의 블레이드를 포함하고, 그리고 상기 4개의 블레이드의 각각은 상승 블레이드, 푸시 블레이드, 및 캐치 블레이드이고, 상기 4개의 내측 방사상 절반체가 실질적으로 개방되도록 상기 4개의 블레이드가 개방 섹션을 형성하고, 상기 4개의 블레이드가 전방 표면 부분 및 후방 표면 부분을 포함하고, 상기 전방 표면 부분 및 후방 표면 부분은 적어도 실질적으로 블레이드의 외측 방사상 절반체에 위치되며: 상기 전방 표면 부분은 전체적으로 직선형이 부분과 상기 전체적으로 직선형인 부분으로부터 방사상 외측에 위치되는 곡선형 부분을 포함하고, 4개의 블레이드가 수평 위치에 배치될 수 있고, 상기 수평 위치에서 전체적으로 직선형인 부분이 평면에 수직이고 그리고 상류를 향하며, 상기 곡선형 부분은 블레이드들이 수평 위치에 있을 때 전체적으로 직선형인 부분 보다 더 상류에 위치되며; 그리고 상기 후방 표면 부분은 블레이드의 팁에 근접한 제 1 단부로부터 개방 섹션에 근접한 제 2 단부까지 연장하고, 상기 후방 표면 부분은 4개의 블레이드가 수평 위치에 있을 때 하류를 향해서 볼록하도록 실질적으로 곡선형이 되고 성형되며, 4개의 블레이드가 수평 위치에 있을 때 가장 하류에 위치되는 후방 표면 부분 상의 지점이 후방 표면 부분의 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 위치하도록 후방 표면 부분이 성형되고 구성된다.
전술한 문단들 중 하나의 유체 터빈에서, 4개의 블레이드의 단면이 4개의 블레이드의 높이의 상당 부분을 따라서 실질적으로 일정하다.
전술한 문단들 중 하나의 유체 터빈에서, 하나 또는 둘 이상의 블레이드에 의해서 형성되는 개방 섹션이 연속적이다.
전술한 문단들 중 하나의 유체 터빈에서, 하나 또는 둘 이상의 블레이드에 의해서 형성되는 개방 섹션이 불연속적이다.
전술한 문단들 중 하나의 유체 터빈에서, 다수의 블레이드는 축을 따라 정렬되도록 구성된 수평 블레이드 섹션들의 어레이를 포함한다.
전술한 문단들 중 하나의 유체 터빈에서, 수평 블레이드 섹션들은 인접한 수평 블레이드 섹션에 대해서 고정되도록 그리고 인접한 수평 블레이드 섹션으로부터 각도적으로 오프셋되도록 구성된 둘 이상의 블레이드를 포함한다.
전술한 문단들 중 하나의 유체 터빈에서, 상기 어레이는 토크 출력의 주기(cycles)를 감소시키도록 구성된 실질적인 나선(virtual helix)을 형성하기 위해서 각도적으로 오프셋된 3개 이상의 수평 블레이드 섹션들을 포함한다.
본원 발명은 또한 전술한 또는 기타 부분에서 설명된 시스템 및/또는 다양한 성분들 또는 성분들의 조합을 제조하는 방법 및 그 이용 방법을 포함한다.
본원 발명의 이러한 그리고 기타의 특징, 양태 및 이점들이 첨부 도면들에 도시된 실시예들을 참조할 때 보다 잘 이해될 수 있을 것이다. 도시된 실시예들은 본원 발명의 범위 또는 한계를 규정하고자 하는 것이 아니다.
도 1은 유체 터빈 시스템의 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 구현가능한 유체의 여러 가지 유동 경로를 도시한 도 1의 유체 터빈 시스템의 평면도이다.
도 3a는 구현가능한 여러 가지 속도 구역들을 도시한 도 1의 유체 터빈 시스템의 평면도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 개략적인(approximate) 속도 구역들을 도시한 도 1의 수직 축 유체 터빈 시스템의 유체 속도를 도시한 도면이다.
도 4a는 구현가능한 여러 압력 구역들을 도시한 도 1의 유체 터빈 시스템의 평면도이다.
도 4b는 도 1의 수직 축 유체 터빈 시스템을 가로질러 통과할 때 유체에 의해서 발생되는 압력을 도시한 도면이다.
도 5는 저속에서 구현가능한 유체 유동 경로를 도시한 도면으로서 가변 응축기와 함께 도시한 도 1의 유체 터빈 시스템의 평면도이다.
도 6a는 구현가능한 여러 속도 구역들을 도시한 도면으로서 가변 응축기가 없는 상태의 유체 터빈 시스템의 다른 실시예를 도시한 평면도이다.
도 6b는 도 6a의 수직 축 유체 터빈 시스템의 속도를 도시한 도면이다.
도 7은 블레이드 조립체, 응축기 및 가변 응축기와 함께 유체 터빈 시스템의 실시예의 성분들을 도시한 사시도이다.
도 9은 도 7의 성분들을 포함하는 도면으로서 테일 핀(tail fin)도 함께 도시하는 유체 터빈 시스템의 측면도이다.
도 10은 도 9에 도시된 블레이드 조립체의 정면도이다.
도 11은 도 8의 유체 터빈 시스템의 응축기를 도시한 사시도이다.
도 12는 도 8의 유체 터빈 시스템의 가변 응축기를 도시한 사시도이다.
도 13은 블레이드 조립체의 다른 실시예를 도시한 사시도이다.
도 14는 도 13에 도시된 블레이드 조립체의 정면도이다.
이하에서 특정의 바람직한 실시예들 및 예들에 대해서 설명하지만, 본원 발명의 청구 대상은 구체적으로 설명된 실시예들을 넘어서서 다른 실시예들 및/또는 용도들까지 그리고 그 변형예 및 균등물까지 확장될 수 있을 것이다. 그에 따라, 특허청구범위는 이하에서 설명되는 임의의 특정 실시예에 의해서 제한되지 않을 것이다. 예를 들어, 본원 명세서에 기재된 임의의 방법 또는 프로세스에서, 방법 또는 프로세스의 작업 또는 작용이 임의의 적절한 순서에 따라 실시될 수 있을 것이고 그러한 작업이나 작용은 기재된 임의의 특정 순서로 반드시 제한되는 것은 아니다. 여러 가지 작업들이 특정 실시예의 이해에 도움이 되는 방식으로 다수의 단속적인(discrete) 작업들로서 순차적으로 설명될 것이고; 그러나 그러한 설명의 순서에 의해서 이러한 작업들이 순서에 의존하는 것으로 해석되지는 않아야 할 것이다. 추가적으로, 본원 명세서에서 설명되는 구조, 시스템 및/또는 장치들은 통합된 성분(integrated components)으로서 또는 개별적인 성분으로서 구현될 수 있을 것이다. 여러 실시예들을 비교하기 위한 목적으로, 이들 실시예들의 특정 양태 및 이점이 설명된다. 그러한 양태나 이점들 모두가 임의의 특정 실시예에 의해서 반드시 달성될 필요는 없다 할 것이다. 그에 따라, 예를 들어, 본원 명세서에서 역시 설명되거나 제시된 다른 양태나 이점들을 반드시 달성할 필요가 없이, 본원 명세서에 기재된 바와 같은 하나의 이점 또는 이점 그룹들을 달성하거나 최적화하는 방식으로 여러 가지 실시예들이 실시될 수 있을 것이다.
도 1은 유체 터빈 시스템(100)의 실시예를 도시한 도면이다. 터빈 시스템(100)은 블레이드 조립체(140), 응축기(120), 가변 응축기(110), 안내 모터(102), 테일 핀(104), 기어박스(106), 및 발전기(108)를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 블레이드 조립체(140), 응축기(120), 및 가변 응축기(110)가 터빈 시스템의 하나의 구현가능한 구성에 따라 배치된다. 도 1의 상부로부터 도 1의 하부까지의 가상의 전체적인 유체 유동을 "상류" 및 "하류" 방향으로 규정한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 응축기(120) 및 가변 응축기(110)가 블레이드 조립체(140)의 상류에 위치된다. 전체적인 유체 유동 방향은 용이한 설명을 위한 것이고 그리고 터빈 시스템의 구조를 설명하는데 도움되는 것으로 설명되어 있다. 이른바 당업자는 실제 유체가 단일 방향으로 일정하고 균일하게 유동하지 않을 것임을 이해할 것이다.
블레이드 조립체(140)는 다수의 블레이드를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 4개의 블레이드(142, 144, 146, 148)가 중앙 샤프트(190)의 중앙 축에 상응하는 축(Y)을 중심으로 회전될 수 있다. 또한, 전체적인 유체 유동 방향은 블레이드 회전 방향을 규정한다. 도 1에 도시된 블레이드 조립체(140)는 전체적인 유체 유동 방향을 따라 유체 유동에 응답하여 반시계 방향으로 회전되는 경향을 가질 것이다. 도 1에 도시된 블레이드 조립체(140)의 평면도에 도시된 바와 같이, 4개의 블레이드의 각각이 동일한 단면을 가질 수 있다. 각 블레이드는 팁(150, 152, 154, 156)을 구비한다. 블레이드 팁(150, 152, 154, 156)은 그러한 블레이드 팁이 축(Y)으로부터 위치되는 거리인 반경을 규정하고, 이는 블레이드 팁 반경이라고 지칭될 수 있을 것이다. 각 블레이드(142, 144, 146, 148)는 팁(150, 152, 154, 156)의 양 측면 상에서 전방 측면 및 후방 측면(back side)을 가진다. 블레이드(142, 144, 146, 148)의 전방 측면의 대부분은 블레이드 회전 방향으로부터 멀어지는 쪽을 향하고, 그리고 후방 측면의 대부분은 블레이드 회전 방향을 향할 것이다.
도 1에 도시된 각 블레이드의 단면은 중앙 샤프트(190)의 접선을 따라서 연장하는 실질적으로 직선형인 직선형 섹션(158, 160, 162, 164)을 구비한다. 블레이드의 그러한 직선형 섹션(158, 160, 162, 164)은 개방 섹션 또는 블레이드의 높이를 따라서 연장하는 윈도우(windows)를 포함할 수 있다(도 1의 점선으로 도시됨, 또한 도 9에서도 도시됨). 일부 실시예에서, 블레이드의 개방 섹션은 블레이드의 높이의 상당 부분(substantial portion)을 따라서 연장한다. 블레이드는 실질적으로 직선형인 섹션을 포함할 필요가 없다. 특히 블레이드 단면의 실질적인 직선형 섹션이 블레이드의 개방 섹션에 상당하는 실시예들에서, 블레이드 지지부의 기하학적 형상이 블레이드 주위의 유체 운동에 거의 영향을 미치지 않을 것이다. 그러나, 제조 및 물질의 보존에 있어서의 용이성을 위해서, 개방 섹션을 따른 블레이드 지지부는 실질적으로 직선형일 수 있다. 개방 섹션들은 블레이드의 높이를 따라서 연속적이거나 불연속적일 수 있다. 일부 실시예에서, 각 블레이드가 개방 섹션을 가진다. 개방 섹션의 일부가 블레이드의 외측 에지 보다 축(Y)에 보다 더 근접하도록, 개방 섹션이 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 블레이드 조립체의 개략적인 내측 방사상 절반체 내의 유체에 노출되는 표면적을 블레이드가 거의 가지지 않도록 또는 전혀 가지지 않도록, 블레이드 조립체의 개략적인 내측 방사상 절반체가 실질적으로 개방된다. 개방 영역은 희망하는 토크 및 드래그(drag) 특성에 따라서 적거나 클 수 있을 것이다. 블레이드의 외측 에지 보다 더 축에 근접한 개방 섹션들은 유체가 블레이드의 일부분 상에 충격을 부여하도록 허용할 수 있고 이는 대부분의 토크를 제공하고(즉, 축으로부터 먼) 그리고 회전 축에 근접하여 위치되는 유체에 의해서 생성되는 드래그를 감소시킨다.
설명을 위해서, 도 1에서 평면(X)을 라인으로 도시하였다. 평면(X)은 블레이드들이 중심으로 하여 회전될 수 있는 축(Y)과 평행하고 그리고 그러한 축(Y)과 교차하며, 전체적인 유체 유동과 평행하다. 평면(X)은 터빈 조립체를 둘러싸는 공간을 2개의 절반체로 분할한다: 즉, 푸시 측면과 복귀 측면으로 분할한다. 블레이드(144)가 푸시 측면 상에 있고, 전술한 바와 같이 전체적인 유체 유동의 방향을 따른 유체 유동이 블레이드 조립체를 회전시키는 경향이 있기 때문에 블레이드(144)가 유체에 의해서 푸싱되고 그리고 도 1에 도시된 위치로부터 하류 방향으로 회전된다. 블레이드(148)는 복귀 측면 상에 있고, 블레이드(148)가 도 1에 대해서 앞서서 규정한 가상의 전체적인 유체 유동에 응답하여 상류로 회전될 것이기 때문에 푸시 측면으로 다시 복귀되는 경향을 가질 것이다. 터빈 자체는 2개의 절반체: 즉 푸시 절반체 및 복귀 절반체를 가질 수 있을 것이다. 상류 방향 및 하류 방향을 규정하는 유체의 전체적인 유동의 주어진 방향의 경우에, 터빈의 푸시 절반체는 상류로 회전하는 경향을 가지고 그리고 터빈의 복귀 절반체는 하류로 회전하는 경향을 가질 것이다.
도 1을 참조하면, 많은 블레이드의 부분들 및 그들의 방향을 규정하여 블레이드(142, 144, 146, 148)의 기하학적 형상을 보다 용이하게 설명할 수 있을 것이다. 블레이드(142)는 상승 위치에 있는 것으로 간주될 수 있다. 블레이드의 팁이 축(Y)의 전체적인 상류에 위치되도록 그리고 블레이드의 곡선형 표면 부분이 복귀 측면으로부터 멀어지는 방향을 향해서 볼록하도록, 상승 위치가 특성화된다(characterized). 도 1에 도시된 바와 같은 블레이드(142)의 팁(150)은 축(Y)의 상류에 위치되고 그리고 곡선형 표면 부분(166)은 복귀 측면으로부터 멀어지는 쪽을 향해서 볼록하게 된다. 블레이드(144)는 푸시 위치에 있는 것으로 간주될 수 있을 것이다. 블레이드의 팁이 푸시 측면 상에 위치되도록 그리고 블레이드의 푸시 표면 부분이 전체적으로 상류를 향하도록, 푸시 위치가 블레이드 위치에 의해서 특성화될 수 있을 것이다. 블레이드(144)는 푸시 측면 상의 팁(152) 및 전체적으로 상류를 향하는 푸시 표면 부분(172)을 구비한다. 블레이드(146)는 캐치(catch) 위치에 있는 것으로 간주될 수 있을 것이다. 블레이드의 팁이 전체적으로 축(Y)의 하류에 위치되도록 그리고 블레이드의 캐치 표면 부분이 전체적으로 상류를 향하도록 배치된 블레이드에 의해서 캐치 위치가 특성화될 수 있을 것이다. 블레이드(146)의 팁(154)이 전체적으로 축(Y)의 하류에 위치되고 그리고 블레이드(146)의 캐치 표면 부분(182)이 도 1에 도시된 바와 같이 전체적으로 상류를 향한다. 블레이드(148)는 복귀 위치에 있는 것으로 간주될 수 있을 것이다. 복귀 측면 상에 위치된 팁 그리고 전체적으로 상류를 향하는 블레이드의 복귀 표면 부분에 의해서 복귀 위치가 특성화될 수 있을 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 블레이드(148)는 전체적으로 상류를 향하는 복귀 표면 부분(184) 및 복귀 측면 상에 위치되는 팁(156)을 구비한다.
도 1에 도시된 바와 같은 블레이드들의 위치를 기초로, 블레이드(142)는 상승 블레이드라고, 블레이드(144)는 푸시 블레이드라고, 블레이드(146)는 캐치 블레이드라고, 그리고 블레이드(148)는 복귀 블레이드라고 지칭될 수 있을 것이다. 블레이드 조립체(140)가 반시계 방향으로 회전되는 경향이 있기 때문에, 블레이드(142)는 푸시 위치로 이동할 것이고, 블레이드(144)는 캐치 위치로 이동할 것이며, 블레이드(146)는 복귀 위치로 이동할 것이고, 블레이드(148)는 상승 위치로 이동할 것이다. 이러한 위치들은 설명을 위해서 사용되는 것이며, 각 블레이드는 주어진 블레이드 조립체의 회전 중에 임의의 주어진 지점의 하나 이상의 위치에 있는 것으로 간주될 수 있을 것이다. 또한, 각 블레이드는 축(Y)을 중심으로 하는 회전 중의 하나 또는 둘 이상의 지점에서 상승 블레이드, 푸시 블레이드, 캐치 블레이드, 또는 복귀 블레이드 중 하나 또는 둘 이상의 특성을 나타낼 수도 있을 것이며, 블레이드의 둘 또는 셋 이상의 특성을 동시에 나타낼 수도 있을 것이다.
전술한 바와 같이, 블레이드(142)는 상승 위치에 있다. 블레이드(142)는 유체가 작용할 때 상승을 제공하도록, 그에 따라 블레이드 조립체(140)를 회전시키는 토크를 제공하도록, 위치되고 성형된다. 도 1에 도시된 바와 같은 블레이드(142)의 곡선형 표면 부분(168)은 블레이드(142)의 팁(150)에 인접한 제 1 단부(166)로부터 블레이드(142)의 개방 섹션 또는 전체적으로 직선형인 섹션(158)에 인접한 제 2 단부(170)까지 연장한다.
블레이드(144)는 푸시 위치에 있고, 이때 푸시 표면 부분(172)은 전체적으로 상류를 향한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 푸시 표면 부분(172)은 전체적으로 직선형이고 그리고 블레이드(144)의 전방 표면 상에 위치된다. 블레이드(144)의 전방 표면은 또한 푸시 표면 부분(172)으로부터 방사상으로 중앙 샤프트(190)로부터 더 멀리 위치되는 곡선형 부분(174)을 포함한다. 도 1에 도시된 블레이드(144)의 위치에서 설명되는 바와 같이, 푸시 표면 부분(172)이 평면(X)에 대해서 전체적으로 수직일 때 곡선형 부분(174)은 푸시 표면 부분(172) 보다 더 상류에 위치된다. 또한, 블레이드(144)는 푸시 표면 부분(172) 및 곡선형 부분(174)의 반대쪽에 위치되는 후방 표면 부분(178)을 포함한다. 후방 표면 부분(178)은 블레이드(144)의 팁(152)에 인접한 제 1 단부(176)로부터 블레이드(144)의 전체적으로 직선형이 섹션(160)에 인접한 제 2 단부(180)까지 연장한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 블레이드(144)는 수평 위치에 있다. 블레이드(144)의 후방 표면 부분(178)은 하류를 향해서 볼록하다. 또한, 블레이드(144)가 수평 위치에 있을 때 후방 표면 부분(178)의 중간 부분이 후방 표면 부분(178)의 제 1 단부(176) 및 제 2 단부(180) 보다 더 하류로 연장하도록, 후방 표면 부분이 성형되고 구성된다. 도 1에 도시된 실시예에서 후방 표면 부분이 블레이드(144)의 외측 방사상 절반체에 근접하여 위치되기 때문에, 후방 표면 부분(178)의 중간 부분 역시 블레이드(144)의 내측 방사상 절반체의 외부에 위치된다. 후방 표면 부분(178)의 중간 표면 부분은 드래그를 줄일 수 있고 그리고 블레이드의 여러 위치에서 상승을 제공할 수 있고, 그리고 이러한 특성들은 블레이드의 팁에 인접한 중간 표면 부분의 위치에 의해서 보다 강화될 수 있을 것이다. 추가적으로, 블레이드 조립체(140)의 블레이드(142, 144, 146, 148)의 특징들이 이하에서 설명된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 블레이드 조립체(140)는 기어박스(106) 및/또는 발전기(108)에 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 기어박스(106)는 블레이드 조립체(140)의 회전 속도를 변환하기 위해서 사용된다. 발전기(108)는 터빈 시스템(100)의 회전 에너지를 전력으로 변환하기 위해서 기어박스(106)에 연결될 수 있고 또는 블레이드 조립체(140)에 연결될 수 있다. 유체 터빈 시스템(100)은 다른 기능을 수행하기 위해서 또는 기계적 에너지를 기계적 장치의 구동에 이용하는 경우와 같이 다른 형태의 에너지를 이용하기 위해서 기어박스(106) 또는 발전기(108)가 없이 사용될 수 있을 것이다.
도 1에 도시된 응축기(120)에 대해서 설명한다. 응축기(120)는 상류 표면 및 하류 표면을 포함한다. 응축기는 또한 푸시 측면에 가장 인접하여 위치되는 또는 복귀 측면으로부터 가장 멀리 위치되는 푸시 단부(134) 그리고 복귀 측면에 가장 인접하여 위치되는 또는 푸시 측면으로부터 가장 멀리 위치되는 복귀 단부(128)를 포함한다. 도 1에 도시된 실시예에서, 응축기는 중공의 또는 개방된 하류 측면을 가지는 공기유동(airflow)의 전방 섹션으로서 실질적으로 성형된다. 상류 표면은 터빈의 적어도 일부분의 상류의 제 1 위치로부터 더욱 상류인 제 2 위치까지 그리고 복귀 측면 내로 연장하는 제 1 곡선형 표면 부분(122)을 포함할 수 있다. 상류 표면의 제 1 곡선형 표면 부분(122)은 전체적으로 상류를 향해 곡선형이 되도록 성형될 수 있고 그리고 터빈 시스템의 푸시 측면을 향해서 적어도 일부 유체를 지향시키도록 위치될 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에서, 응축기(120)의 푸시 단부(134)는 평면(X)의 복귀 측면 상에 위치된다. 도 1에서, 푸시 단부(134)는 그러한 푸시 단부(134)와 평면(X) 사이에 갭을 유지하면서 푸시 측면에 가장 근접한 응축기(120)의 단부에 위치된다. 푸시 단부(134)와 평면(X) 사이의 갭은 효율, 전력, 또는 시스템의 최소 시동 유체 속도를 증대시킬 수 있다. 예를 들어, 응축기(120)로부터(예를 들어, 제 1 곡선형 표면 부분(122)으로부터) 푸시 측면을 향하는 방향의 유체 유동은 응축기의 푸시 단부(134)가 푸시 측면에 보다 근접하여 위치되는 경우 또는 응축기(120)가 존재하지 않는 경우 보다 더 빨리 적절한 방향으로 블레이드(142)를 "푸시"하기 시작할 수 있다. 블레이드(142)가 도 1에 도시된 위치로부터 반시계방향으로 회전될 때, 하류로 유동하는 및/또는 응축기(120)로부터 푸시 측면으로 유동하는 유체는, 블레이드(142)의 전방 측면이 전체적인 유체 유동의 방향을 따라 블레이드(142)에 접근하는 유체에 노출되는 경우 보다 더 빨리, 블레이드(142)의 전방 측면에 충돌할 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 평면(X)과 응축기(120)의 푸시 단부(134) 사이의 갭 또는 가장 짧은 거리가 블레이드 팁 반경의 약 1 퍼센트(1%) 보다 더 크고, 블레이드 팁 반경의 약 3 퍼센트(3%) 보다 더 크며, 또는 블레이드 팁 반경의 약 5 퍼센트(5%) 보다 더 크다. 일부 실시예에서, 그 갭은 블레이드 팁 반경의 약 6 내지 7 퍼센트가 된다. 그러나, 응축기(120)의 푸시 단부(134)가 평면(X)의 복귀 측면 상에 위치될 필요는 없다.
일부 실시예에서, 응축기(120)의 적어도 일부가 터빈 시스템(100)의 푸시 측면 상에 있도록 응축기(120)가 위치된다. 응축기(120)는 또한 이러한 위치에서 평면(X)과 교차한다. 또한, 응축기(120)가 푸시 측면 상에서 블레이드 조립체(140)를 적어도 부분적으로 차단하도록, 갭이 응축기(120)의 푸시 단부(134)와 평면(X) 사이에 존재할 수 있을 것이다. 블레이드 조립체(140)의 회전을 느리게 하기 위해서, 블레이드 조립체(140)의 회전을 중단시키기 위해서, 또는 고속으로 유동하는 유체에 의해서 터빈 시스템(100)이 손상되는 것을 방지하기 위해서, 푸시 측면 상에서 블레이드 조립체(140)를 적어도 부분적으로 차단하도록 응축기(120)를 배치하는 것이 바람직할 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 응축기(120)의 푸시 단부(134)가 푸시 측면 상에 있을 때, 차단(blocking) 갭이 푸시 단부(134)와 평면(X) 사이에 존재한다. 차단 갭은 블레이드 팁 반경의 약 1 퍼센트(1%) 보다 더 크고, 블레이드 팁 반경의 약 3 퍼센트(3%) 보다 더 크며, 또는 블레이드 팁 반경의 약 5 퍼센트(5%) 보다 더 크다. 차단 갭은 블레이드 팁 반경의 약 25 퍼센트 내지 약 50 퍼센트일 수 있다. 일부 실시예에서, 차단 갭은 블레이드 팁 반경의 약 50 퍼센트 보다 크다. 일부 실시예에서, 차단 갭은 블레이드 팁 반경의 약 100 퍼센트가 될 수 있다. 일부 실시예에서, 응축기(120)의 중심이 평면(X)과 대략적으로 교차하도록 위치될 수 있다.
일부 실시예에서, 응축기(120)는 제 1 위치와 제 2 위치 사이에서 이동할 수 있다. 제 2 위치는 터빈 시스템(100)이 유체로부터 적은 에너지를 추출하도록 구성되는 위치 또는 블레이드 조립체(140)가 제 1 위치 보다 터빈 시스템(100)에 접근하는 유체에 덜 노출되는 위치에 대응할 수 있다. 일부 실시예에서, 응축기(120)가 제 1 위치에 있을 때, 응축기(120)의 복귀 단부(128) 및 푸시 단부(134)가 터빈 시스템(100)의 복귀 측면 상에 있다. 일부 실시예에서, 응축기(120)가 제 2 위치에 있을 때, 푸시 단부(134)는 푸시 측면 상에 있고 그리고 복귀 단부(128)는 복귀 측면 상에 있다. 또한 터빈 시스템(100)에 접근하는 유체에 대해서 블레이드 조립체(140)가 실질적으로 모든 방향으로 노출되는 것을 전체적으로 차단하도록 응축기(120)가 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 응축기(120)는 제 1 위치와 제 2 위치 사이에서 트랙을 따라서 이동될 수 있다. 모터를 이용하여 응축기(120)의 위치를 조정할 수 있을 것이다. 유체 터빈 시스템(100) 상에 또는 그에 인접하여 장착된 센서를 이용하여 유체의 속도 또는 방향을 감지할 수 있을 것이다. 센서로부터의 정보를 이용하여 응축기(120)의 위치를 수동적으로 또는 자동적으로 조절할 수 있을 것이다. 예를 들어, 응축기(120)에 장착된 센서가 높은 유체 속도 또는 풍속을 나타내는 신호를 컴퓨터로 전송할 수 있다. 컴퓨터는 블레이드 조립체(140)의 회전 속도를 줄이기 위해서 또는 블레이드 조립체(140)가 손상되지 않도록 하기 위해서 응축기(120)를 이동시켜야 한다는 것을 결정할 수 있다. 풍속이 감소됨에 따라서, 응축기(120)가 제 1 위치를 향해서 자동적으로 복귀 이동될 수 있다. 응축기(120)는 블레이드 조립체(140)의 회전 속도를 통제하는 통제장치일 수 있다. 본원 명세서에 기재한 바와 같이 전체적인 유체 유동 방향과 관련하여 응축기를 조정하는 것 대신에, 그에 부가하여, 또는 양자를 조합하여, 응축기(120)를 이동시킬 수 있을 것이다.
또한, 응축기(120)의 상류 표면은 제 1 곡선형 표면 부분(122)에 대해서 복귀 측면 내로 추가적으로 위치될 수 있는 제 2 표면 부분(126)을 포함할 수 있다. 제 2 표면 부분은 제 3 위치로부터 제 4 위치까지 연장할 수 있으며, 상기 제 4 위치는 제 3 위치보다 복귀 측면으로 더 진입한 것이고 그리고 더 하류에 있는 것이다. 응축기는 유체가 푸시 측면을 향해서 편향되거나 푸시 측면으로부터 멀리 편향되는 편향 지점(deflection point; 124)을 구비할 수 있다. 응축기(120)는 도 1에 도시된 실시예에서와 같이 대칭적일 수 있고, 이 경우에 편향 지점(124)은 상류 표면의 중간지점일 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 편향 지점(124)의 양 측면 상의 상류 표면 부분들이 상류를 향해서 볼록할 수 있고, 그에 따라 전체 상류 표면이 상류를 향해서 볼록한 전체적으로 U-형상인 표면이 될 수 있을 것이다. 상류 표면은 전체적으로 포물선 형상을 가질 수 있고, 이는 포물선 방정식(parabolic equation)을 수학적으로 따를 수 있고 또는 따르지 않을 수도 있을 것이다. 전체적으로 상류 표면은 에어호일(airfoil)의 선단부로서 성형될 수 있을 것이고, 이는 에어호일의 수학적인 정의에 기술적으로 엄격하게 일치될 수도 있고 또는 그렇지 않을 수도 있을 것이다. 본원 명세서 전체에서 사용된 바와 같이, "포물선" 및 "에어호일"이라는 용어는 넓은 의미의 용어이고, 그리고 이러한 용어들이 설명하는 성형 표면들은 "포물선" 또는 "에어호일" 형상의 수학적인 정의에 엄격하게 일치될 필요가 없을 것이다.
응축기(120)의 하류 표면은 하류를 향해서 오목하도록 성형되고 위치될 수 있을 것이다. 도 1에 도시된 실시예에서, 응축기(120)의 하류 표면은 상류 유동 표면(132), 중간 표면(136), 및 하류 유동 표면(130)을 포함한다. 도 2를 참조하여 설명하는 바와 같이, 상류 유동 표면(132)은 블레이드 조립체(140)의 상류에서 유동하는 유체를 수용하도록 그리고 유체를 중간 표면(136)을 향해서 지향시키도록 구성될 수 있다. 중간 표면(136)은 유동 표면(132)의 상류로부터 적어도 일부 유체를 하류 유동 표면(130)으로 재지향(redirect)시키도록 구성될 수 있다. 하류 유동 표면(130)은 하류 유체를 유체의 전체적인 유동 내로 지향시켜 결과적으로 블레이드 조립체(140)로부터 멀리 유동시키도록 성형되고 구성될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서 설명한 바와 같이, 응축기(120)의 하류 표면은 응축기(120)의 상류 표면으로부터 실질적으로 동일한 거리에 있을 수 있고, 실질적으로 일정한 두께의 응축기(120)를 형성할 수 있다. 일부 실시예에서, 응축기(120)는 전체적으로 포물선형으로 성형될 수 있고, 실질적으로 중공형인 에어호일의 선단부 섹션으로서 성형될 수 있으며, 또는 전체적으로 U-형상으로 성형될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 그리고 이하에서 추가적으로 설명하는 바와 같이, 응축기(120)는 또한 복귀 측면 상의 블레이드의 경로의 외측 단부를 지나서 거리(Z) 만큼 연장할 수 있다.
이하에서는, 도 1에 도시된 가변 응축기(110)에 대해서 설명한다. 가변 응축기(110)는 전체적으로 에어호일로서 성형될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 가변 응축기(110)는 선단 에지(112), 말단 에지(118), 및 2개의 측면 표면(114, 116)을 구비한다. 가변 응축기(110)는 터빈 시스템의 푸시 측면 상에 그리고 블레이드 조립체(140)의 상류에 위치된다. 측면 표면(114)은 블레이드 조립체(140)의 높이의 상당한 부분(substantial portion)을 따라서 축(Y)에 전체적으로 평행하게 연장하는 편향 표면일 수 있다.
가변 응축기(110)는 제 1 위치와 제 2 위치 사이에서 이동할 수 있고, 그러한 가변 응축기(110)는 제 2 위치에서 보다 제 1 위치에서 블레이드 조립체를 향해서 유체를 보다 더 많이 편향시키도록 구성될 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 가변 응축기(110)는 바이어싱(biasing) 기구에 의해서 제 1 위치를 향해서 바이어싱된다. 바이어싱 기구는 능동적(예를 들어, 모터) 또는 수동적(예를 들어, 스프링)일 수 있다. 가변 응축기(110)를 지나서 유동하는 유체의 속도가 빨라짐에 따라, 가변 응축기는 제 2 위치를 향해서 이동될 수 있고, 그러한 곳에서는 보다 적은 유체가 블레이드 조립체(140)를 향해서 편향될 수 있고 또는 거의 편향되지 않을 수도 있다. 일부 실시예에서, 가변 응축기(110)를 가로질러 유동하는 유체가 가변 응축기(110)를 이동시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 모터 또는 기타 정위치장치(positioner)를 이용하여 가변 응축기(110)를 지나서 유동하는 유체에 의해서 유발되는 이동 대신에 또는 그에 부가하여 가변 응축기(110)를 정위치시킬 수 있을 것이다. 낮은 유체 속도 분위기에서 가변 응축기를 제 1 위치에 위치시키도록 그리고 높은 유체 속도 분위기에서 제 2 위치에 위치시키도록 터빈 시스템(100)이 구성될 수 있을 것이다. 가변 응축기는 낮은 유체 속도 분위기에서 유체를 블레이드 조립체를 향해서 편향시킬 수 있고 그리고 높은 유체 속도가 터빈을 손상시키는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 가변 응축기는 또한 통제장치라고도 지칭될 수 있을 것이다.
도 1에는 안내 모터(102) 및 테일 핀(104)이 유체 터빈 시스템(100)의 부품으로서 포함되어 있다. 블레이드 조립체(140)의 대체적으로 상류에서 응축기(120) 및 가변 응축기(110) 중 하나 이상의 상대적인 위치를 유지하기 위해서 안내 모터(102) 및 테일 핀(104)이 단독으로 또는 조합되어 사용될 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 응축기(120)가 블레이드 조립체(140)의 상류의 위치를 자동적으로 유지하도록 그리고 블레이드 조립체(140)의 외측 둘레 주위를 회전하여 상류 위치를 유지하도록, 응축기(120)가 성형되고 구성된다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 응축기(120)의 곡선형의 대칭적인 형상은 유체 유동 내로 상류를 향하도록 허용할 수 있다. 응축기(120) 또는 가변 응축기(110)의 하나 또는 둘 이상이 주어진 유체 유동에서 상류를 향하도록 성형되고 구성되는 실시예에서, 가변 응축기(110), 응축기(120) 중 다른 하나, 또는 유체 터빈 시스템의 다른 성분이 이동가능한 성분에 결합되어 상류 방향에 대한 특정 위치를 유지할 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 터빈 시스템은 유체(예를 들어, 바람) 방향이 대체적으로 일정한 분야에서 채용될 수 있고 그리고 응축기(120) 및 가변 응축기(110)가 블레이드 조립체(140)에 대해서 상대적으로 고정된 위치를 가질 수 있을 것이다.
도 2는 블레이드 조립체(140), 응축기(120), 및 가변 응축기(110)를 포함하는 터빈 시스템의 예시적인 실시예이다. 전체적인 유체 유동의 개략적인 방향을 화살표(200)로 도시하였다. 도 2는 화살표(200)로 도시한 바와 같은 터빈 시스템으로 접근하는 전체적인 유체 유동에 응답하는 터빈 시스템 주위의 여러 가지 구현가능한 유체 유동 경로를 도시한다. 예를 들어, 화살표(204)는 일부 유체가 도 2에 도시된 바와 같이 푸시 측면을 향해서 지향될 수 있다는 것을 보여준다. 화살표(206)는 적어도 일부 유체가 푸시 측면으로부터 멀어지고 그리고 계속 하류로 지향될 수 있고 그리고 결국 터빈 시스템으로부터 멀리 유동될 수 있다는 것을 보여준다. 화살표(208)는 적어도 일부 유체가 블레이드(142)의 후방 표면 부분(250)을 가로질러 유동할 수 있다는 것을 보여준다. 유체가 블레이드(142)의 후방 표면 부분(250)을 가로질러 유동함에 따라서, 유체 속도가 높아질 수 있다. 화살표(208)에 의해서 표시된 경로를 따라 유동하는 유체의 속도가 증가하면 블레이드(142)가 상승될 수 있고, 그에 따라 블레이드 조립체(140)를 회전시키는 경향을 갖는 토크를 제공하게 된다. 응축기(120)를 따라(예를 들어, 화살표(204, 206)로 표시되는 경로를 따라) 유동하는 유체가 속도를 높이는 경향이 있고 그리고 가압하는 경향이 있다. 가압되고 응축된 유체가 응축기(120)에 의해서 화살표(204)로 표시된 경로를 따라 푸시 측면 내로 가속되고, 그에 따라 블레이드 조립체(140)를 회전시키는 보다 많은 토크를 제공한다.
블레이드 조립체(140)의 스위핑(sweep) 경로의 외측 둘레가 점선(202)으로 도시되어 있다. 도 2에서 화살표(214, 216, 218, 220)로 도시된 바와 같이, 블레이드 조립체(140)의 스위핑 경로 내의 유체는 반시계 방향으로 유동될 수 있다. 화살표(214)로 표시되는 경로를 따라 유동하는 유체는 블레이드(144)의 푸시 표면(260)에 대해서 충격을 제공할 수 있다. 화살표(216)로 표시되는 경로를 따라 유동하는 유체는 블레이드(146)의 캐치 표면(270)에 대해서 충격을 제공할 수 있다. 전체적인 유체 유동이 블레이드(148)의 드래그 표면(280)에 작용하지 않도록, 응축기(120)가 성형되고, 구성되며, 및/또는 배치될 수 있다. 도 2에 도시된 실시예에서, 복귀 측면 내로 가장 멀리 위치된 응축기의 부분이 평면(X)에 수직인 방향을 따라서 스위핑 경로를 지나서 그리고 푸시 측면으로부터 멀리 연장한다. 그에 따라, 화살표(206)로 표시되는 경로를 따라 응축기(120)를 지나서 유동하는 유체는 블레이드(148)의 드래그 표면(280)에 충돌하지 않고 블레이드 조립체(140)를 지나 하류로 유동하는 경향을 가지며, 그에 따라 터빈 시스템의 효율을 높인다.
화살표(224, 226, 228, 230, 232)로 표시되는 바와 같이, 또한 응축기(120)의 형상 및 위치에 의해서, 블레이드 조립체(140)의 스위핑 경로의 외부를 향해서 상류로 유동하는 유체가 응축기(120)에 의해서 재지향되어 하류로 유동될 수 있고 그리고 결과적으로 블레이드 조립체(140)로부터 멀리 유동될 수 있다. 특히, 유체는 응축기(120)의 상류 유동 표면(132)을 따라서 화살표(228)로 표시되는 경로를 따라 유동할 수 있고 그리고 응축기(120)의 하류 유동 표면(130)을 따라서 화살표(230)로 표시되는 경로를 따라 하류로 유동하도록 재지향될 수 있다. 그에 따라, 응축기(120)는 유체 탈출 경로를 제공할 수 있고, 이는 블레이드 조립체(140)로부터 계속적으로 유체를 인출한다. 이러한 유체의 계속적인 인출은 상대적인 진공 효과를 생성하거나 유도하고, 이는 유체가 블레이드에 대해서 충격을 부여한 후에 유체를 블레이드 조립체의 스위핑 경로로부터 제거하는 경향이 있다.
전술한 바와 같이, 도 1에서 거리(Z)로 도시된 바와 같이, 응축기(120)의 단부가 푸시 측면으로부터 멀리 그리고 평면(X)에 수직인 방향으로 블레이드의 스위핑 경로를 지나서 연장할 수 있다. 그에 따라, 응축기(120)의 배치는 차단 효과를 생성할 수 있고, 그러한 차단 효과는 접촉 블레이드(148)로부터 하류로 유체가 유동하는 것을 방지할 뿐만 아니라 전체적인 유체 유동에 저항하는 유동(예를 들어, 화살표(224)에 의해서 표시되는 경로를 따른)이 없이 응축기 내로 유체가 인출될 수 있는 충분한 공간을 제공할 수 있다. 유체가 응축기(120)의 하류 유동 표면(130)을 떠남에 따라서(예를 들어, 화살표(232)에 의해서 표시되는 경로를 따라), 그 유체는 응축기(120)의 상류 표면으로부터 편향된 유체를 따라서(예를 들어, 화살표(206)로 표시되는 경로를 따라) 유동하거나 그에 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 응축기(120)는 적어도 터빈의 외측 에지까지 복귀 측면 내로 추가적으로 향하는 방향을 따라 연장되며, 그에 따라 응축기는 평면(X)에 평행하고 터빈의 최외측 에지에 접선인 제 2 평면과 적어도 교차한다. 제 2 평면은 블레이드 팁 반경에 의해서 평면(X)으로부터 분리될 수 있고, 그리고 응축기는 푸시 측면으로부터 멀리 그리고 평면(X)에 수직인 방향으로 측정된 연장 거리 만큼 제 2 평면을 지나서 연장할 수 있다. 일부 실시예에서, 연장 거리는 블레이드 팁 반경의 5 퍼센트 이상, 10 퍼센트 이상, 20 퍼센트 이상, 25 퍼센트 이상, 또는 적어도 30 퍼센트 이상이 될 수 있다. 일부 실시예에서, 연장 거리는 블레이드 팁 반경의 약 10 내지 약 20 퍼센트이다. 바람직하게, 연장 거리는 블레이드 팁 반경의 약 20 내지 30 퍼센트, 약 23 내지 27 퍼센트, 또는 약 25 퍼센트이다. 일부 실시예에서, 터빈은 푸시 측면으로부터 가장 먼 복귀 외측 에지를 구비하고, 그리고 응축기는 푸시 측면으로부터 가장 먼 복구 단부를 구비한다. 일부 실시예에서, 응축기의 복귀 단부와 평면(X) 사이의 가장 가까운 거리는 터빈의 복귀 외측 에지와 평면(X) 사이의 가장 가까운 거리 보다 1.1 배 이상, 1.2 배 이상, 1.3 배 이상, 1.4 배 이상, 또는 1.5 배 이상 더 크다. 바람직하게, 응축기의 복귀 단부와 평면(X) 사이의 가장 가까운 거리는 터빈의 복귀 외측 에지와 평면(X) 사이의 가장 가까운 거리 보다 약 1.1 내지 1.4, 약 1.2 내지 1.3 또는 약 1.2 배 더 크다.
응축기(120)에 의해서 생성될 수 있는 상대적인 진공 효과는 또한 블레이드 조립체(140)에 인접한 유체의 회전 중심을 복귀 측면을 향해서 또는 복귀 측면 내로 더욱 더 이동시킬 수 있다. 블레이드의 윈도우 또는 개방 섹션 내로 유동하는 유체의 대체적인 방향이 화살표(234, 236, 238, 240)로 도시되어 있다. 이러한 유체는 화살표(242, 244)에 의해서 부분적으로 도시된 바와 같이 응축기(120)에 의해서 블레이드 조립체로부터 멀리 인출될 수 있다. 화살표(221 및 222)는 적어도 일부의 유체가 블레이드 조립체(140)의 스위핑 경로를 빠져나올 수 있고 그리고 응축기의 하류 표면을 향해서 완전히 인출되지 않고 그리고 응축기로부터 멀리 재지향되지 않고 터빈 시스템으로부터 멀리 대체적으로 하류로 유동할 수 있다는 것을 보여준다.
도 2에 도시된 터빈 시스템의 실시예에서, 가변 응축기(110)가 블레이드 조립체(140)를 향해서 유체를 편향시키지 않도록 또는 거의 편향시키지 않도록, 또는 가변 응축기(110)가 없는 경우와 같은 유체 또는 그 보다 약간 적은 유체를, 또는 적은 양의 유체만을 편향시키도록, 가변 응축기(110)가 배치된다. 일부 실시예에서, 가변 응축기의 측면 표면을 따라(예를 들어, 화살표(210, 212)에 의해서 표시되는 경로를 따라) 유동하는 유체가 속도를 일시적으로 높일 수 있으나, 전체적인 유체 유동이 아니라 블레이드 조립체(140)를 향해서는 추가적으로 지향되지는 않을 것이다. 일부 실시예에서, 가변 응축기가 블레이드 조립체(140)를 향해서 유체를 지향시키지 않을 때 가변 응축기가 약간의 차단 효과를 제공하여 블레이드 조립체(140)가 고속 유체 속도에 의해서 손상되는 것이 방지되도록, 가변 응축기(110)가 성형되고 배치된다.
도 2를 추가적으로 참조하면, 도 2에 도시된 위치의 블레이드 조립체(140)는 상승 위치의 블레이드(142), 푸시 위치의 블레이드(144), 캐치 위치의 블레이드(146), 그리고 복구 위치의 블레이드(148)를 가진다. 일부 실시예에서, 블레이드 조립체(140)는 토크 위치를 가지며, 그러한 토크 위치에서는 하나 이상의 블레이드가 상승 위치에 있고 하나 이상의 블레이드가 푸시 위치에 있으며, 하나 이상의 블레이드가 캐치 위치에 있고, 그리고 하나 이상의 블레이드가 복구 위치에 있게 된다. 블레이드 조립체(140)가 회전됨에 따라, 블레이드들은 위치를 변경할 수 있다. 일부 실시예에서, 블레이드 조립체(140)는 회전됨에 따라 항상 토크 위치에 있고, 그에 따라 터빈이 입력 유체에 응답하여 회전됨에 따라, 상승 위치, 푸시 위치, 캐치 위치, 및 복귀 위치의 선호하는 토크 특성이 항상 나타나게 될 것이다. 일부 실시예에서, 각 블레이드는 주로 상승 위치, 푸시 위치, 캐치 위치, 및 복귀 위치 중 하나에 있게 된다. 블레이드가 4개인 일부 실시예에서, 블레이드 조립체(140)의 하나 또는 둘 이상의 회전 위치의 경우에, 하나의 상승 블레이드, 하나의 푸시 블레이드, 하나의 캐치 위치, 및 하나의 복귀 블레이드만이 존재하고, 상기 블레이드들은 일차적인 위치 또는 우세한(dominant) 위치에 의해서 분류될 것이다.
도 3a는 도 2에 도시된 것과 유사한 터빈 시스템의 평면도이며, 설명된 특징들로부터 초래되는 도 2에 도시된 경로들을 따라 유동하는 유체의 상대적인 속도의 여러 구역들을 도시한다. 구역(A, B, C, D 및 E)은 상대적인 중간(medium) 유체 속도의 영역들을 도시한다. 구역(F 및 G)은 상대적으로 높은 유체 속도의 구역을 나타낸다. 구역(H, I, J, K, L, 및 M)은 상대적으로 낮은 속도의 구역들을 나타낸다.
도 3b는 28 mph 부근의 입력 속도로 터빈 시스템의 실시예의 예시적인 속도를 도시한 도면이다. 도 3b는 구역(A, B, C, D, 및 E)이 입력 속도에 가까운 유체 속도를 가진다는 것을 보여준다. 구역(F 및 G)는 입력 속도 보다 빠른 속도의 유체를 가지는 한편, 구역 (H, I, J, K, L, M)은 입력 속도 보다 느린 속도의 유체를 가진다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 28 mph에 가까운 입력 속도는 블레이드 조립체의 푸시 측면에 인접한 구역(F)에서 도시된 바와 같이 45 mph 이상의 속도를 생성할 수 있다. 속도 표시는 또한 유체의 상대적인 응축(집중)을 보여줄 수 있는 속도 벡터들을 포함한다. 특히, 도 3b는 응축기 부근의 유체의 증대된 집중을 보여준다.
도 4a는 터빈 시스템 주위의 유체의 상대적인 압력의 여러 구역들을 도시한다. 전체적인 유체 유동의 방향이 도 2에 도시된 바와 같다고 가정하면, 도 4a에 도시된 터빈 시스템이 도 4a에서 구역(N, O, P, Q, R, 및 S)으로 도시된 중간 압력 구역들을 가질 수 있다. 터빈 시스템은 도 4a에서 구역(T)로 도시된 고압 구역 및 구역(U)로 도시된 저압 구역을 구비할 수 있다.
도 4b는 터빈 시스템의 예시적인 실시예의 압력을 표시한 도면이다. 도 4b에 도시된 속도 벡터들에 따른 입력 유체 유동의 압력은 구역(N)을 점유하는 중간 압력이다. 도 4a에서와 같이, 중간 범위 압력의 다른 구역들은 구역(O, P, Q, R, 및 S)을 포함한다. 다시, 도 4a에서와 같이, 구역(T)은 입력 유체의 압력에 비해서 높은 고압의 구역이고 그리고 구역(U)은 낮은 압력의 구역이다.
도 5는 터빈 시스템(100)의 다른 실시예를 도시한다. 도 5에서, 유체를 블레이드 조립체를 향해서 편향시키도록 가변 응축기(110)가 위치된다. 특히, 낮은 유체(예를 들어, 바람) 속도에서, 블레이드 조립체를 향해서 유체를 편향시키도록 배치된 가변 응축기는 터빈 시스템의 시동 유체 속도를 감소시킬 수 있고 그리고 낮은 유체 속도에서 시스템의 효율을 높일 수 있다. 유체는 화살표(510, 520)로 표시된 바와 같이 가변 응축기(110) 주위로 유동할 수 있다. 가변 응축기(110)의 형상으로 인해서, 유체가 가변 응축기(110) 주위를 유동함에 따라서 유체의 속도가 높아질 수 있고 그리고 가압될 수 있다. 가변 응축기(110)를 떠나는 유체가 화살표(550)로 도시된 바와 같은 경로를 따라서 블레이드 조립체를 향해서 유동할 수 있도록, 가변 응축기(110)가 또한 배치될 수 있다. 이러한 유체의 적어도 일부는 블레이드 조립체의 하나 또는 둘 이상의 블레이드(142, 144, 146, 148)에 작용할 수 있고, 그리고 특히 도 5에 도시된 블레이드 위치에서 블레이드(144)의 푸시 표면(260)에 작용할 수 있다.
일부 실시예에서, 유체 터빈 시스템(100)의 여러 가지 특징들이 시스템의 토크 출력을 높일 수 있고 또는 블레이드 조립체를 회전시키기 시작하는데 필요한 유체의 속도를 낮출 수 있다. 예를 들어, 블레이드 조립체가 도 5에 도시된 위치에서 정지되어 있을 때, 유체는 적어도 블레이드(142, 144 및 146)로부터 토크를 제공할 수 있다. 특히, 화살표(560)로 표시된 바와 같이 블레이드(142)의 곡선형 표면 부분(250)을 가로질러 유동하는 유체는 블레이드(142)를 회전시키는 경향이 있는 상승 효과를 생성할 수 있다. 또한, 적어도 일부의 유체는 블레이드(144)의 전체적으로 직선형인 섹션(160) 부근에 위치하는 블레이드(144)의 개방 섹션을 통해서 유동할 수 있고 그리고 블레이드(146)의 캐치 표면(270) 상에 작용할 수 있다. 캐치 표면(270)이 블레이드(144)의 개방 섹션의 직접 하류에 위치될 때, 직접 하류로 유동하는 유체가 블레이드(144)의 개방 섹션을 통해서 그리고 블레이드(146)의 캐치 표면(270)에 대해서 유동할 수 있다. 일부 실시예에서, 예를 들어 도 5에 도시된 바와 같이, 터빈 시스템(100)의 다른 표면들(예를 들어, 가변 응축기(110)의 표면들 또는 블레이드(142)의 곡선형 표면 부분(250) 상의 표면들)에 의해서 편향된 유체로 인해서, 유체의 방향이 전체적인 유체 유동의 방향으로부터 변경되고 그리고 유체가 블레이드(144)의 개방 섹션 바로 하부에 위치되지 않는 블레이드(146)의 부분들에 대해서 충돌할 수 있다. 전체적인 유체 유동으로부터의 유체 또는 가변 응축기(110)로부터 블레이드 조립체를 향해서 지향된 유체가 또한 블레이드(144)의 푸시 표면 부분(260) 상에 작용할 수 있다. 따라서, 도 5의 위치에 정지된 블레이드 조립체를 가로지르는 유체의 유동은 도 5에 도시된 블레이드들 중 3개 이상으로부터 토크를 제공할 수 있다. 회전하는 블레이드 조립체(140)를 지나서 유동하는 유체도 블레이드들 중 3개 이상으로부터 토크를 동시에 제공할 수 있다.
도 2를 참조하여 앞서서 설명한 바와 같이, 도 5에 도시된 응축기(120)는 또한 블레이드(148)의 드래그 표면(280) 상에서 추가적인 드래그를 생성하지 않도록 전체적인 유체 유동을 차단할 수 있다. 응축기(120)는 또한 화살표(540)에 의해서 표시되는 경로를 따라 유동하는 유체의 속도를 높일 수 있고 그리고 가압할 수 있다. 또한, 화살표(530)를 따라서 푸시 측면으로부터 멀리 유동하는 유체도 집중되고 가압되며, 이는 도 2를 참조하여 전술한 바와 같이 블레이드 조립체로부터 유체를 인출하는 것을 도울 수 있다.
도 6a는 가변 응축기가 없는 터빈 시스템의 평면도를 도시한다. 도 6a는 터빈 시스템 주위에서 유동하는 유체의 여러 속도 구역들을 도시한다. 입력 유체의 속도는 구역(A')로 도시되어 있다. 입력 유체는 구역(C', D' 및 E')에서의 유체와 함께 중간 범위의 속도를 가진다. 구역(F' 및 G') 내의 유체는 입력 유체 보다 빠른 속도로 유동하고, 그리고 구역(H', I', J', K', L', 및 M') 내의 유체는 입력 유체 보다 느린 속도로 유동한다.
도 6b는 도 6a에 도시된 실시예와 유사한 터빈 시스템의 예시적인 실시예의 속도를 나타낸 도면이다. 입력 속도는 28 mph이고, 이때 구역(F')에서 도시된 최대 속도는 45 mph 이상이다. 중간 범위 속도 구역들은 A', C', D', 및 E' 로 표시하였다. 높은 유체 속도의 구역들은 F' 및 G'를 포함한다. 낮은 유체 속도의 구역들은 H', I', J', K', L', 및 M' 을 포함한다. 유체 유동의 방향 및 유체의 상대적인 응축이 도 6b의 속도 도면에서 속도 벡터로 표시되어 있다. 구역(F') 내의 어둡게-음영처리된 영역은 푸시 측면 상에서 이러한 위치에 근접한 최대 속도를 나타낸다. 도 5의 구역(F') 내의 최대 속도 영역은 도 3b의 구역(F) 내의 최대 속도 영역 보다 크며, 이는 도 3b의 가변 응축기 및 그 위치가 최대 속도로 유동하는 유체의 양을 감소시킬 수 있고, 그에 따라 고속 유체 속도에서 터빈의 손상을 방지할 수 있다.
도 7은 유체 터빈 시스템(700)의 실시예를 도시한다. 유체 터빈 시스템(700)은 블레이드 조립체(740), 응축기(720), 및 가변 응축기(710)를 포함한다. 블레이드 조립체(740), 응축기(720), 및 가변 응축기(710)는 본원 명세서에서 설명된 블레이드 조립체(140), 응축기(120), 및 가변 응축기(110)와 유사할 수 있다. 도 7에 도시된 실시예에서, 응축기(720) 및 가변 응축기(710)는 블레이드 조립체(740)의 높이 보다 상당히 높은 높이를 가진다. 일부 실시예에서, 블레이드 조립체(740), 응축기(720), 및 가변 응축기의 높이가 실질적으로 동일하다. 일부 실시예에서, 응축기(720) 또는 가변 응축기 중 하나 이상의 높이가 블레이드 조립체의 하나 이상의 블레이드의 높이의 적어도 상당한 부분과 같다.
도 8은 수직 축 유체 터빈 시스템(800)의 실시예를 도시한 측면도이다. 설명을 위해서, 유체 방향을 화살표(810)로 표시하였다. 블레이드 조립체(140)의 중양 샤프트(190)의 상부 및 하부에 위치하는 베어링 케이스(806, 808)는 블레이드 조립체(140)가 회전할 수 있게 한다. 베어링 케이스(806)는 상부 브래킷(802)에 장착될 수 있고, 그리고 베어링 케이스(808)는 하부 브래킷(804)에 장착될 수 있다. 도 8에 도시된 실시예에서, 상부 및 하부 브래킷(802, 804)은 터빈 시스템(800)의 하부에서 베이스(812)에 대해서 상대적으로 회전될 수 있다. 테일 핀(104)이 상부 브래킷(802)과 하부 브래킷(804) 사이에서 연장할 수 있다. 응축기(120) 및 가변 응축기(110)가 블레이드 조립체(140)의 상류에 위치하도록(예를 들어, 맞바람이 되도록; upwind) 그리고 접근 유체(예를 들어, 바람)를 마주하도록, 테일 핀(104)이 시스템 내에서 배향될 수 있을 것이다. 가변 응축기(110) 및 응축기(120)가 도 8에 도시된 바와 같이 블레이드 조립체의 좌측에서 상부 및 하부 브래킷(802, 804) 사이에서 연장한다. 일부 실시예에서, 응축기(120)는 상부 및 하부 브래킷(802, 804)에 대해서 고정되고 그리고 가변 응축기는 상부 및 하부 브래킷(802, 804)에 대해서 회전방향으로 고정된다. 일부 실시예에서, 기어박스(106)를 이용하여 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는데 최적인 속도로 블레이드 조립체(140)의 회전 속도를 변경할 수 있을 것이다. 기어박스(106)는 시스템의 베이스(812) 내에 위치될 수 있다.
서보 모터일 수 있는 안내 모터(102)가 또한 테일 핀(104) 대신에 또는 테일 핀(104)에 부가하여 이용될 수 있으며, 그에 따라 상부 및 하부 브래킷(802, 804)을 베이스(812)에 대해서 배향시킬 수 있을 것이다. 안내 모터(102)는 센서에 연결될 수 있고, 일부 실시예에서, 센서는 유체(예를 들어, 바람) 유동의 방향을 탐지하고 응축기(120) 및 가변 응축기(110)가 블레이드 조립체의 상류에 위치하도록 터빈 시스템(800)을 배향할 수 있을 것이다. 안내 모터(102)를 이용하여 시스템을 안정화시킬 수 있고 그리고 유체 유동 방향의 약간의 변화에 응답하여 테일 핀(104)이 진동하거나 회전되는 것을 방지할 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 시스템의 응답을 느리게 하여 유체 유동 방향의 변화를 완화(minute)하기 위해서 댐퍼(damper)(도시하지 않음)가 안내 모터(102) 대신에 또는 안내 모터(102)에 부가하여 사용될 수 있을 것이다. 제 2 안내 모터(도시하지 않음)를 이용하여 가변 응축기(110)를 배향시킬 수 있을 것이다. 제 2 안내 모터가 센서에 연결될 수 있고, 일부 실시예에서 그러한 센서는 유체 속도를 감지할 수 있고 그리고 시스템(800)이 고속 유체 속도(예를 들어, 고속 바람)에 노출되었을 때 블레이드 조립체로부터 멀리 유체를 전환하기 위해서 가변 응축기(110)를 블레이드 조립체(140)로부터 멀리 배향한다. 하나 또는 둘 이상의 안내 모터가 베이스(812) 내에 배치될 수 있다. 블레이드 조립체(140), 응축기(120), 및 가변 응축기(110)를 위한 다른 구성의 브래킷 또는 장착 부재를 이용할 수도 있을 것이다. 또한, 이러한 디자인들은 유체 에너지의 효율적인 변환을 위해서 최적화될 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 블레이드 조립체(140), 응축기(120), 또는 가변 응축기(110) 중 하나 또는 둘 이상이 독립적으로 장착될 수 있고 또는 다른 성분들의 하나 또는 둘 이상에 대해서 독립적으로 이동될 수 있을 것이다. 또한, 유체 터빈 시스템(800)이 스타터(starter)를 포함할 수 있다. 스타터는 블레이드 조립체(140)의 회전 시작을 도울 수 있다. 일부 실시예에서, 스타터는 필수적인 것이 아니고 그리고 블레이드 조립체(140)가 적절한 유체 조건하에서 자체-시동될 수 있을 것이다.
도 9 및 도 10은 4개의 블레이드를 가지는 블레이드 조립체(740)를 도시한다. 대략적으로 블레이드들의 내측 방사상 절반이 실질적으로 개방된다. 상부 블레이드 지지부(902), 중간 블레이드 지지부(904), 및 하부 블레이드 지지부(906)가 회전 축으로부터 개방 섹션 보다 축에 더 멀리 위치된 블레이드의 실질적으로 중실형인(solid) 부분까지 연장한다. 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 개방 섹션 또는 윈도우가 블레이드의 높이의 상당한 부분을 따라서 연장할 수 있다. 개방 섹션들은 연속적일 수 있고 또는 불연속적일 수 있다. 예를 들어, 도 10의 개구부(1002)가 연속적인 개구부(1002)로서 보일 수도 있을 것이고 또는 블레이드의 높이를 따라서 연장하는 하나의 불연속적인 개구부의 작은 부분으로 보일 수도 있을 것이다.
도 11은 도 7에 도시된 응축기(720)의 사시도이다. 응축기(720)는 상류 표면(1004) 및 하류 표면(1106)을 포함한다. 응축기(720)를 향해서 유동하는 유체를, 터빈의 푸시 절반체를 향해서 유동하는 유체의 푸시 부분과 터빈의 푸시 절반체로부터 멀리 유동하는 유체의 복귀 부분으로 분할하도록, 응축기(720)의 선단 에지(1102)가 구성된다. 말단 에지(1110, 1108)가 선단 에지(1102)의 하류에 위치될 수 있다. 말단 에지(110)가 도 1 및 도 2에 도시된 응축기(120)의 푸시 단부(134)에 대응할 수 있다. 말단 에지(112)가 도 1 및 도 2에 도시된 응축기(120)의 복귀 단부(128)에 대응할 수 있다.
도 12는 도 7에 도시된 가변 응축기(710)의 사시도이다. 가변 응축기(710)는 선단 에지(1202), 말단 에지(1206), 및 측면 편향 표면(1204)을 포함할 수 있다. 말단 에지(1206)는 선단 에지(1202)의 하류에 위치될 수 있다.
도 13 및 도 14는 전술한 것들과 유사한 것으로서 유체 터빈 시스템에서 사용하도록 구성될 수 있는 블레이드 조립체(1300)의 실시예를 도시한 도면이다. 도 13에 도시된 블레이드 조립체(1300)는 도 1의 블레이드 조립체(140)의 실시예와 유사할 수 있고, 여기에서 블레이드 조립체의 길이를 따라서 수평 플레이트들이 주기적으로 장착되어 부가되어 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 블레이드 조립체(1300)는 7개의 섹션을 구비할 수 있고, 각 섹션의 상부 및 하부에는 수평 플레이트가 위치된다. 블레이드들은 각 블레이드 섹션의 중앙 부분에 근접하여 위치될 수 있는 개방 섹션 또는 윈도우를 가질 수 있다. 도 14는 블레이드 조립체(1300)의 정면을 도시하며, 여기에서 블레이드의 중앙 부분에 근접하여 개구부(1402)가 배치된다.
일부 실시예에서, 블레이드 조립체(1300)가 모듈형이 될 수 있다. 예를 들어, 7개의 블레이드 조립체 섹션들의 각각이 중앙 샤프트(1308)에 독립적으로 장착된 독립적인 피스일 수 있다. 모듈형 블레이드 조립체는 사용자의 선호도나 가용 공간을 기초로 터빈 시스템 디자인에서 다수의 블레이드 섹션을 용이하게 조작할 수 있게 허용한다. 블레이드 조립체(1300)를 조립하는 하나의 예시적인 방법은 다음과 같을 수 있다: 즉, (1) 샤프트에 고정된 하부 플레이트(1306)를 중앙 샤프트(1308)에 제공하고, (2) 플레이트(1304)의 하부로부터 돌출하는 블레이드 섹션을 포함하는 플레이트(1304)를 포함하는 블레이드 조립체 섹션을 제공하는 것으로서, 상기 블레이드 섹션이 플레이트(1304)의 중앙을 향하는 개구부를 포함하며, (3) 블레이드 조립체 섹션을 중앙 샤프트(1308)에 장착하고; 그리고 (4) 부가적인 블레이드 조립체 섹션을 중앙 샤프트(1308)에 장착하는 것으로서, 마지막 블레이드 조립체 섹션이 상부 플레이트(1302)를 포함한다. 일부 실시예에서, 하나 또는 둘 이상의 블레이드 조립체 섹션이 상부 대신에 블레이드 조립체 섹션의 하부에서 플레이트(1304)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 수평 플레이트들이 블레이드들로부터 분리될 수 있고, 또는 전부가 생략될 수도 있을 것이다.
일부 실시예에서, 블레이드 조립체의 하나 또는 둘 이상의 부분들이 다른 부분들 중 하나 또는 둘 이상으로부터 반경방향으로 오프셋될 수 있다. 예를 들어, 모듈형 블레이드 조립체의 하나의 섹션에서 블레이드들이 위쪽 및/또는 아래쪽 섹션의 블레이드들과 정렬되지 않을 수 있으며, 이는 각 섹션의 블레이드들이 정렬되어 블레이드 조립체의 높이를 따라서 직선형 블레이드를 유효하게 형성하는 도 13의 블레이드 조립체와 다르다. 블레이드 섹션들을 오프셋하는 것은 비-주기적(non-cyclic) 토크 출력을 생성하는데 도움이 될 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 블레이드 조립체의 각 섹션이 10 도만큼 다른 섹션으로부터 오프셋된다. 일부 실시예에서, 각 섹션은 약 1 내지 약 20, 약 5 내지 15, 또는 약 8 내지 12 도만큼 위쪽 또는 아래쪽 섹션과 오프셋된다. 일부 실시예에서, 중앙 샤프트 주위로 블레이드들을 균일하게 여러 패턴으로 배치하기 위해서 각 섹션 내의 블레이드들의 수를 기초로 및/또는 섹션들의 수를 기초로 균일한 오프셋을 계산할 수 있다. 일부 실시예에서, 오프셋은 여러 섹션들 사이에서 균일하지 않을 수 있다.
일부 실시예에서, 여러 블레이드 섹션들의 오프셋은 나선형 형상 또는 "실질적으로 나선형(virtual helix)"을 형성할 수 있다. 예를 들어, 블레이드 조립체(1300)의 하부 섹션에서 블레이드(1322)는 중앙 샤프트(1308)에 대해서 0 도의 기준 위치에서 장착될 수 있다. 다음 섹션의 블레이드(1320)가 10 도로 장착될 수 있고, 다음 섹션의 블레이드(1318)가 20도로 장착될 수 있으며, 블레이드 조립체(1300) 상부의 블레이드(1310)까지 이러한 식으로 장착될 수 있다. 블레이드 조립체(1300)의 주어진 회전 배향의 경우에, 블레이드(1322, 1320, 1318, 1316, 1314, 1312, 1310)가 유체의 유동에 대해서 서로 다른 위치에 배치될 것이고 그리고 서로 다른 시간에 유체로부터의 충격을 포획할 것이다. 만약 각 섹션이 서로 균일하게 이격된 4개의 블레이드를 가진다면, 블레이드 조립체(1300)가 회전됨에 따라 4개의 상이한 나선형 패턴을 볼 수 있을 것이다.
일부 실시예에서, 특정 블레이드 섹션의 위쪽 및 아래쪽에서 동일한 방향으로 블레이드 섹션들이 전개(fan out)되도록, 블레이드 섹션들이 하나의 패턴에서 오프셋될 수 있다. 2개의 불연속적인 나선 형상으로 이루어진다는 것을 제외하고, 그러한 패턴은 전술한 나선 형상과 유사할 수 있다. 예를 들어, 블레이드 조립체(1300)의 중앙 섹션의 블레이드(1316)는 중앙 샤프트(1308)에 대해서 0도의 기준 배향으로 장착될 수 있다. 다음의 보다 높은 섹션의 블레이드(1314)는 10 도로 장착될 수 있을 것이다. 다음의 보다 높은 섹션에서 블레이드(1312)는 20도로 장착될 수 있을 것이다. 다음의 보다 높은 섹션에서 블레이드(1310)는 30 도로 장착될 수 있을 것이다. 블레이드(1316) 바로 아래 섹션의 블레이드(1318)는 10 도로 장착될 수 있다. 다음의 낮은 섹션의 블레이드(1320)는 20도로 장착될 수 있다. 다음의 보다 낮은 섹션의 블레이드(1322)는 30도에서 장착될 수 있다. 보다 적은 수의 또는 부가적인 블레이드 섹션들이 포함될 수 있고, 그리고 오프셋 각도도 달라질 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 오프셋 패턴이 사용자의 선호, 유체 유동 조건, 또는 다른 인자에 따라서 변화될 수 있도록, 블레이드 조립체(1300)는 오프셋 각도를 조정할 수 있는 블레이드 섹션들을 가질 수 있다. 도 13을 참조하여 전술한 오프셋 디자인은 도 1을 참조하여 설명한 블레이드 조립체(140)와 함께 사용될 수 있을 것이다. 도 1 내지 도 12에 도시된 실시예들이 또한 모듈형이 될 수 있고 그리고 도 13에 도시된 실시예와 관련하여 전술한 바와 같이 독립적인 섹션들로 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 보다 적은 또는 부가적인 응축기들 또는 가변 응축기들이 블레이드 조립체와 함께 사용되도록 구성될 수 있다. 즉, 블레이드 조립체는 단독으로 사용될 수 있고, 또는 하나 또는 둘 이상의 응축기나 가변 응축기와 조합하여 사용될 수 있다. 조합되어 사용될 때, 여러 성분들이 다른 성분에 의해서 구현되는 바람직한 특성들을 강화할 수 있고, 종종 시너지 효과를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 블레이드의 내측 방사상 부분을 향하는 개구부 또는 윈도우를 포함하는 블레이드 조립체와 함께 응축기를 사용하는 것은 응축기 또는 블레이드 개구부 만을 구비하였을 때의 효과를 상승시킬 수 있을 것이다. 또한, 터빈 시스템은 부가적인 블레이드 조립체들을 포함할 수 있고, 그리고 하나 또는 둘 이상의 블레이드 조립체가 4개 보다 적은 수의 또는 그 보다 많은 수의 블레이드를 포함할 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, Cosmos FloWorks 및/또는 ADINA 컴퓨터 모델링과 같은 컴퓨터 시뮬레이션 연구 결과를 이용하여 디자인의 파라미터들을 최적화할 수 있을 것이다. PIV 유체 역학 분석(fluid mechanics analysis)이 또한 채용될 수 있을 것이다. 이러한 툴은 디자인의 효율을 높이기 위해서 사용될 수 있을 것이고 그리고 터빈 시스템의 여러 성분들의 품질, 크기, 형상 및/또는 배치의 변경에 대한 적합성을 확인할 수 있을 것이다. 도 3b에 도시된 것과 유사한 디자인을 이용하여 약 28 mph(mile per hour) 풍속에서 약 5 킬로와트의 전력을 생산할 수 있을 것으로 계산된다. 일부 실시예에서, 30% 초과의 이론적인 효율이 달성될 수 있다. 효율이 보다 높아지면, 유체 유동으로부터 이용될 수 있는 보다 많은 파워가 유용한 에너지로, 예를 들어 전력으로 변환된다. 또한, 수직-축 유체 터빈 시스템의 일부 실시예들은 단일-방향 또는 층류 유체 유동을 필요로 하지 않도록 구성될 수 있다. 또한, 높은 유체 유동 속도에서도 시스템은 적은 양의 소음을 발생할 수 있다. 본원 명세서에서 설명된 터빈 시스템에 의해서는 조류가 부상당할 위험이 보다 적다. 본원 명세서에서 설명된 유체 터빈 시스템 실시예들의 많은 특성들은 도시 환경에서 이용하기에 보다 바람직한 풍력 터빈으로 시스템을 구현할 수 있을 것이며, 그러한 시스템들은 현존하는 구조물에 장착될 수 있을 것이다. 그에 따라, 본원 명세서에서 설명되는 시스템들은 다른 풍력 터빈에 적합하지 않은 틈새로부터 풍력 자원을 개발하는데 이용될 수 있을 것이며, 동시에 상당량의 전력을 생산하고 그리고 송전 손실을 감소시킬 수 있을 것이다.
전술한 본원 명세서의 터빈 시스템들이 수직 축 터빈을 기준으로 하여 설명되었지만, 그러한 시스템들이 반드시 수직으로 장착되어야 하는 것은 아니다. 일부 실시예는 수평으로 장착될 수도 있고 또는 적절한 변경을 통해서 다른 배향으로 장착될 수도 있을 것이다. 또한, 본원 명세서에서 설명된 특정의 개별적인 특징들 또는 특징들의 조합은 수평 터빈 또는 다른 타입의 터빈에서 사용되도록 조정될 수 있을 것이다. 또한, 물을 포함한 다른 유체들을 이용하여 전술한 시스템의 터빈을 회전시킬 수 있을 것이다.
본원 명세서를 통한 "일부 실시예" 또는 "실시예"라는 기재는 실시예와 관련하여 설명된 특별한 특징, 구조 또는 특성들이 적어도 일부의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 그에 따라, 본원 명세서의 여러 곳에 기재된 "일부 실시예" 또는 "실시예"라는 문구 모두가 반드시 동일한 실시예를 지칭할 필요는 없을 것이고 그리고 하나 또는 둘 이상의 동일한 또는 다른 실시예를 지칭할 수 있을 것이다. 또한, 특별한 특징, 구조 또는 특성들은, 하나 또는 둘 이상의 실시예에서, 소위 당업자가 분명하게 이해할 수 있는 바와 같이, 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있을 것이다.
본원 명세서에서 사용된 바와 같이, "포함", "구비", "가지는" 등과 같은 용어는 같은 의미로 그리고 포괄적으로 개방적 의미로(open-ended) 사용된 것이고, 그리고 추가적인 요소, 특징, 작용, 작동 등을 배제하지 않는다. "또는"이라는 용어는 포괄적인 의미(그리고 배타적인 의미가 아니다)로 사용되었고, 그에 따라 예를 들어 요소들의 리스트(list of elements)를 연결하기 위해서 사용될 때, "또는"이라는 용어는 리스트 내의 요소들 중 하나, 일부, 또는 전부를 의미할 수 있을 것이다.
유사하게, 실시예들에 관한 이상의 설명에서, 매끄러운 해설을 위해서 그리고 하나 또는 둘 이상의 다양한 발명 양태들의 이해를 돕기 위해서, 여러 특징들이 하나의 실시예, 특징 또는 설명으로 종종 함께 그룹화되었다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러나, 이러한 설명 방법은 특허청구범위에 명백하게 기재된 특징들 이상의 것을 특허청구범위가 기재하고 있어야 한다는 것으로 해석되지 않아야 할 것이다. 오히려, 본원 발명의 양태는 임의의 하나의 전술한 실시예의 모든 특징들 보다 적은 조합으로도 구성될 수 있을 것이다.
특정의 바람직한 실시예들 및 예로서 설명하였지만, 구체적으로 설명된 실시예들 이외에도 다른 대안적인 실시예들 및/또는 자명한 변형 실시예들 및 균등물도 본원 발명이 포함할 것임을 소위 당업자는 이해할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 유체 터빈 시스템으로서:
    터빈, 응축기, 및 가변 응축기를 포함하며,
    상기 터빈은 블레이드 조립체를 포함하고, 상기 블레이드 조립체는 축을 중심으로 회전될 수 있는 다수의 블레이드를 포함하며, 상기 다수의 블레이드의 각각에는 상기 블레이드의 내측 방사상 절반체 내에 있는 개방 섹션이 형성되며, 상기 터빈은 상류 방향 및 하류 방향을 형성하는 유체의 전체적인 유동의 주어진 방향에 대해서 푸시 절반체 및 복귀 절반체를 포함하며,
    상기 응축기는 터빈의 복귀 절반체의 바로 상류 위치에 배치되고, 상기 응축기에는 상류를 향하는 볼록 표면 및 하류를 향하는 오목 표면이 형성되며, 상기 볼록 표면은 적어도 일부의 유체를 터빈의 푸시 절반체를 향해 편향시키도록 배치되고, 상기 오목 표면은 터빈의 복귀 절반체로부터 상류로 유동하는 적어도 일부의 유체를 하류로 유동하도록 재지향시키기 위해서 배치되며,
    상기 가변 응축기는 터빈의 상류 및 상기 푸시 절반체 내에 배치되며, 상기 가변 응축기는 유체를 편향시키도록 작동 가능한 편향 표면을 포함하고, 상기 편향 표면은 터빈 높이의 상당 부분을 따라서 전체적으로 축에 평행하게 연장하도록 배치되며, 상기 가변 응축기는 제 1 위치와 제 2 위치 사이에서 이동 가능하고, 상기 가변 응축기는 제 2 위치에서 보다 제 1 위치에서 블레이드 조립체를 향해서 보다 많은 유체를 편향시키도록 구성되는, 유체 터빈 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 블레이드가 스위핑 경로를 형성하고, 상기 푸시 절반으로부터 가장 먼 스위핑 경로의 에지가 외측 복귀 절반체 에지를 형성하고, 그리고 상기 응축기의 적어도 일부가 푸시 절반체로부터 멀리 향하는 그리고 전체 유동에 수직인 방향을 따라 측정된 스위핑 경로의 외측 복귀 절반체 에지를 지나서 연장하도록 구성되며, 유체의 드래그 부분을 스위핑 경로로부터 멀리 상류로 인출하도록 그리고 유체의 드래그 부분을 재지향시켜 하류로 유동시키도록 상기 응축기가 성형되고 구성되는 유체 터빈 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 블레이드가 개방 섹션을 형성하는 4개의 블레이드를 포함하고, 상기 4개의 블레이드의 각각이 축으로부터 연장되고, 상기 4개의 블레이드의 각각은 팁을 포함하고 상기 4개의 블레이드의 각각은 상승 위치, 푸시 위치, 캐치 위치 및 복귀 위치에서 배치되며;
    상기 상승 위치에서 블레이드의 팁이 전체적으로 축의 상류에 위치하도록 그리고 상승 위치에서 블레이드의 곡선형 표면 부분이 터빈의 복귀 절반체로부터 멀어지는 쪽을 향해 볼록하도록 배치된 블레이드에 의해서 상기 상승 위치가 형성되고; 푸시 위치에서 블레이드의 팁이 터빈의 푸시 절반체에 위치되도록 그리고 푸시 위치에서 블레이드의 푸시 표면 부분이 전체적으로 상류를 향하도록 배치된 블레이드에 의해서 푸시 위치가 형성되며;
    캐치 위치에서 블레이드의 팁이 전체적으로 축의 하류에 위치되도록 그리고 캐치 위치에서 블레이드의 캐치 표면 부분이 전체적으로 상류를 향하도록 배치된 블레이드에 의해서 캐치 위치가 형성되며;
    복귀 위치에서 블레이드의 팁이 터빈의 복귀 절반체에 위치되도록 그리고 복귀 표면 위치에서 블레이드의 복귀 표면 부분이 전체적으로 상류를 향하도록 배치된 블레이드에 의해서 복귀 위치가 형성되는 유체 터빈 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 터빈이, 4개의 블레이드 중 제 1 블레이드가 상승 위치에 있고, 4개의 블레이드 중 제 2 블레이드가 푸시 위치에 있으며, 4개의 블레이드 중 제 3 블레이드가 캐치 위치에 있고, 4개의 블레이드 중 제 4 블레이드가 복귀 위치에 있는 토크 위치에 배치될 때, 상기 응축기 및 4개의 블레이드는 유체의 전체적인 유동에 응답하여 바람직한 토크 특성을 제공하도록 구성되며;
    상기 제 1 블레이드는 곡선형 표면 부분을 가로질러 유동하는 적어도 일부의 유체를 가속하도록 구성되며, 그에 따라 토크를 제공하고;
    상기 제 2 블레이드는 푸시 표면 부분에 충돌하는 적어도 일부의 유체에 의해서 토크를 제공하도록 구성되며;
    상기 제 3 블레이드는 캐치 표면 부분에 충돌하는 적어도 일부의 유체에 의해서 토크를 제공하도록 구성되며;
    적어도 일부의 유체가 복귀 표면 부분에 충돌하는 것을 차단함으로써 제 4 블레이드 상에서의 드래그를 감소시키도록 상기 응축기가 구성되는 유체 터빈 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 다수의 블레이드가 스위핑 경로를 형성하고, 상기 푸시 절반체로부터 가장 먼 스위핑 경로의 에지가 외측 복귀 절반체 에지를 형성하고, 상기 응축기의 적어도 일부가 푸시 절반체로부터 멀어지는 그리고 전체적인 유동에 수직인 방향을 따라 측정된 스위핑 경로의 외측 복귀 절반체 에지를 지나서 연장하도록 구성되는 유체 터빈 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 터빈이 토크 위치에 있을 때 동시에 토크를 제공하도록 상기 제 1 블레이드, 제 2 블레이드 및 제 3 블레이드가 구성되고, 적어도 일부의 유체가 제 2 블레이드의 개방 섹션을 통과하고, 제 3 블레이드의 캐치 표면 부분에 충돌하도록 상기 제 2 블레이드의 개방 섹션이 배치되는 유체 터빈 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 블레이드들 중 하나 또는 둘 이상에 의해서 형성되는 개방 섹션이 연속적인 유체 터빈 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 블레이드들 중 하나 또는 둘 이상에 의해서 형성되는 개방 섹션이 불연속적인 유체 터빈 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 응축기가 제 1 위치를 향해서 바이어싱되도록 구성되는 유체 터빈 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 유체의 유동이 상기 가변 응축기를 제 1 위치로부터 제 2 위치를 향해서 조정할 수 있도록 상기 가변 응축기가 구성되는 유체 터빈 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 위치에 있을 때 적어도 일부의 유체를 블레이드 조립체를 향해서 편향시키도록 상기 가변 응축기가 구성되는 유체 터빈 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 응축기 및 상기 가변 응축기의 위치는 터빈의 외측 둘레 주위에서 조정 가능하고, 상기 유체 터빈 시스템이 응축기 및 가변 응축기에 결합되도록 구성된 테일 핀을 추가로 포함하고, 상기 응축기 및 상기 가변 응축기를 전체적으로 터빈의 상류에 배치하도록 상기 테일 핀이 성형되고 구성되는 유체 터빈 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 응축기 및 상기 가변 응축기에 결합되도록 구성된 안내 모터를 추가로 포함하고, 상기 안내 모터가 상기 응축기 및 상기 가변 응축기의 위치를 선택적으로 제어하도록 구성되는, 유체 터빈 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 응축기 및 상기 가변 응축기의 위치는 터빈의 외측 둘레 주위에서 조정 가능하고, 상기 유체 터빈 시스템이 응축기 및 가변 응축기에 결합되도록 구성된 안내 모터를 추가로 포함하고, 상기 안내 모터는 상기 응축기 및 상기 가변 응축기를 터빈의 상류에 배치하도록 작동 가능한 유체 터빈 시스템.
  15. 유체 터빈 시스템으로서:
    터빈 및 응축기를 포함하며;
    상기 터빈은 축을 중심으로 회전될 수 있는 블레이드들을 포함하고, 상기 블레이드들은 블레이드들의 일정 높이의 일부분을 따라서 윈도우를 형성하며, 상기 블레이드들 각각에는 상기 블레이드의 전방 표면 상에 직선형의 푸시 표면 부분과 곡선형 부분이 형성되어 있고, 상기 곡선형 부분은 상기 푸시 표면 부분보다 상기 축으로부터 방사상으로 더 멀리 위치하며, 상기 블레이드들의 각각에는 상기 푸시 표면 부분과 반대쪽 표면 상에 볼록한 후방 표면 부분이 형성되고, 축과 평행하고 그리고 축과 교차하는 제 1 평면이 상기 터빈 주위의 공간을 복귀 측면과 상기 복귀 측면의 반대쪽에 위치하는 푸시 측면으로 분할하고, 그리고 상기 터빈은, 명목상 상기 평면에 평행하게 유동하는 유체에 대해서 상대적으로, 상기 복귀 측면에서 전체적으로 상류 방향으로 회전하도록 그리고 푸시 측면에서 전체적으로 하류 방향으로 회전하도록 구성되며;
    상기 응축기는 터빈의 적어도 일부의 상류에 그리고 적어도 부분적으로 또는 전체적으로 상기 복귀 측면에 위치하고, 상기 응축기는 터빈 상류의 제 1 위치로부터 터빈의 보다 상류의 그리고 복귀 측면으로 더욱 진입하는 제 2 위치까지 연장하도록 구성된 제 1 곡선형 표면 부분을 포함하며, 상기 제 1 곡선형 표면 부분은 유체 유동의 상류 방향을 향하여 볼록하도록 구성되고, 상기 제 1 곡선형 표면 부분은 적어도 일부의 유체를 푸시 측면을 향해서 편향시키도록 배치되며, 적어도 일부의 유체를 블레이드의 윈도우로부터 멀리 인출하기 위한 상대적인 진공을 생성하도록 상기 응축기가 추가적으로 배치되는, 유체 터빈 시스템.
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