KR101732604B1 - 수직축 터빈 - Google Patents

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KR101732604B1
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제임스 프레드릭 카르낙 위니
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Abstract

수직축 풍력 터빈(1)은 회전축을 가진 터빈 로터 및 터빈의 회전축으로부터 이격되어 있으며 회전축 주위로 회전하게 장착된 적어도 하나의 블레이드(2)를 포함한다. 블레이드는 회전축과 실질적으로 평행하며 사용시 터빈 로터 상에서 유입하는 바람과 접촉하는 적어도 하나의 종방향 표면을 구비한다. 블레이드는 제1 블레이드 선행부(7)가 제2 블레이드 후속부(8)에 선회 가능하게 연결되어 있는, 두 부분으로 이루어진 블레이드이다. 터빈은 블레이드의 피치 및 캠버를 제어하기 위한 피치 제어 수단과 캠버 제어 수단을 포함하고 있다. 피치 제어 수단은 제1 블레이드 선행부 상의 피벗이며, 피치 피벗(24)은 제1 물리적 경로 구성품(10)에 의해 형성된 피치 경로를 따라 안내될 수 있고, 캠버 제어 수단은 제2 블레이드 후속부 상의 캠버 피벗(27)이며, 캠버 피벗은 제2 물리적 경로 구성품(11)에 의해 형성된 캠버 경로를 따라 안내될 수 있다.

Description

수직축 터빈{VERTICAL AXIS TURBINE}
본 발명은 풍력 터빈(wind turbine)으로서 사용하기 위한 터빈에 관한 것이다. 본 발명은 회전축을 가진 터빈 로터를 구비하고 터빈의 회전축으로부터 이격된 블레이드를 포함하는 터빈에 관한 것이며 블레이드의 종방향 축은 로터의 회전축과 실질적으로 평행하다. 본 발명은 조력 터빈(tidal turbine)과 같은 수력 구동 터빈에도 적용가능하지만, 본 발명의 실시예들은 수직축 풍력 터빈의 부품으로서 사용할 경우 특히 유리하다.
다리우스형(darrieus type) 수직축 풍력 터빈 및 조력 터빈은 공지되어 있다(예컨대, US 2011/0006526 참조). 이러한 터빈은 낮은 효율, 기동 토크의 부족 및 과도한 진동을 포함하는 다수의 알려져 있는 단점들을 가지고 있다. 이러한 단점들의 일부를 해결하기 위하여, 터빈의 블레이드의 피치를 조정하기 위한 메커니즘을 구비한 여러 가지 터빈 장치들이 제안되었다. 다리우스 터빈은 기대한 것만큼 효율적이거나 효과적이지 않다. 이것은 실제 설계와 실제 바람 상태(지속적이지 않은 경향이 있음)에 의해 부과되는 물리적 응력 및 제약 때문으로 생각된다. 또한, 다리우스 터빈을 자체 기동하도록 하는 것은 어렵다.
다리우스 풍력 터빈 또는 수직축 풍력 터빈의 성능을 향상시키기 위한 여러 가지 장치들이 제안되었다.
영입각(angle of attack)은 유입 유체의 방향과 터빈 블레이드와 같은 에어로포일(aerofoil)의 기준선 사이의 각도이다. 풍력 터빈 블레이드와 같은 에어로포일의 피치 또는 피치 각도는 에어로포일이 풍력 터빈의 기부와 같은 고정된 기준 또는 수평에 대해서 취하는 각도이다. 풍력 터빈에 있어서 바람의 방향이 바뀌지 않는 경우에, 피치는 영입각의 측정치이다. 또한 피치는 블레이드의 근원부에 적용되는 각 회전으로 정의될 수 있다. 에어로포일의 피치는 유입 유체(예컨대, 풍력 터빈 상의 바람)에 의해서 에어로포일 상에서 발휘되는 토크 및 에어로포일 블레이드를 포함하는 터빈으로부터의 출력에 영향을 미치는 것이 알려져 있다. 수직축 풍력 터빈의 블레이드의 피치를 제어하기 위한 다양한 장치들이 알려져 있다. US 2011/0006526 A1, WO 2011/130797 A1, WO 2011/144830 A1, FR 2 924 182 A1, US 3,382,931 A1, WO 201/0305569 A1에 기재된 것과 같은 장치들은 캠 장치를 사용하여 수직축 풍력 터빈의 블레이드의 피치를 제어하기 위한 것이며, 중앙에 배치된 캠이 구비되고 블레이드에 결합된 캠 종동자는 캠을 추종하며 이에 의해 터빈의 회전축 주위로 이동할 때 블레이드를 선회시킨다.
WO 2011/130797에는 터빈 로터의 회전 중에 각 블레이드의 피치를 제어하기 위하여 링, 또는 샤프트 주위에 배치되고 링크 또는 라인을 통해 각 블레이드의 후속 단부(trailing end)에 결합된 링 또는 가이드 형태의 피치 제어 수단을 구비한 풍력 터빈이 개시되어 있다. 링 또는 가이드는 터빈이 회전할 때 자체적으로 이동할 수 있도록 장착되어 있다. 링 또는 가이드를 이동시킬 수 있는 메커니즘은 블레이드의 위치가 바람의 세기 및 방향에 의해 부분적으로 결정되고 이에 의해 적어도 부분적으로 자체 조정되도록 피동 제어 시스템을 생성한다. 이 장치는 제작하기 복잡하고 고장을 일으키기 쉽다. 또한, WO 2011/130797에 개시된 것과 같은 피동 제어 시스템은 블레이드의 캠버(camber)의 제어를 제공할 수 없다.
FR 2 924 182호에는 피치를 제어하는 캠 장치를 구비한 풍력 터빈이 개시되어 있다. 중앙의 불규칙한 캠 트랙이 터빈 로터의 회전축 주위에 제공되며 캠 종동자는 암 또는 링크에 의해서 블레이드에 연결된다. 캠 종동자 상에 일련의 링크를 구비한 단일의 중앙의 불규칙한 캠 트랙의 장치는 진동하고 떨리는 복잡한 장치를 초래하며, 상이한 바람 상태에 대해 조정하기 매우 어렵다. 중앙의 캠 종동자를 개별적인 블레이드와 연결하는 제어 봉(rod) 또는 링크들은 개별적인 지지 암과 평행한 것으로 도시되어 있다. 그러나, 이러한 봉 또는 링크들은 사용시 암과 평행하지 않은 각도로 블레이드를 당기는 것을 필요로 할 수 있다. 이것은 높은 마찰력과 진동 및 떨림을 유발하게 된다.
US 3,382,931, US 2011/0006526, WO 2011/144830, US 2011/0305569는 모두 다리우스에 의해 제안된 원래의 장치와 유사한 장치를 개시하고 있는데, 이 장치에서 피치 제어는 터빈 로터의 회전축에 대해 편심으로 배치된 지점 주위로 회전하도록 중앙의 피치 제어 유닛에 연결된 링크 또는 봉을 제공함으로써 달성된다. 마찬가지로, 이러한 장치는 과도한 진동을 일으키며 따라서 손실을 유발한다.
공유하는 중앙의 허브 또는 피벗에 연결된 강성의 봉 또는 링크를 구비한 장치는, 터빈의 양측이 아주 다른 바람 상태에 노출되고 따라서 서로 반대편의 링크 또는 봉은 상이한 힘을 발휘하며 불균형을 증가시킨다는 사실로부터 초래되는 변형 및 진동을 일으킨다는 것을 본원 발명자는 알아내었다. 수직축 풍력 터빈을 위한 피치 제어 장치들은 상업적인 성공을 이루지 못하였다. 많은 설계 및 이용가능한 시험 데이터들이 있었지만 어떤 것도 가능성이 없었다. 현존하는 공지의 장치들은 진동, 마찰 및 열악한 성능에 대한 문제를 충분히 해결하지 못하였다.
비록 가변적인 피치가 터빈의 매 회전 중에 수직축 풍력 터빈의 영입각에서 심한 진동(그리고 결과적으로 피로(fatigue) 및 터빈 성능 감소를 야기하는 동적 부하의 심한 요동)에 대한 해결책이 될 수 있지만, 성공적인 설계 방안을 전혀 찾을 수 없었다. 따라서, 공지의 수직축 터빈들은 기대한 것만큼 강력한 것이 아니며 피치 제어를 구비하지 않은 현재의 수직축 설계에서는 피로 영향이 존재한다.
US 3,382,931, US 2011/0006526, FR 2 924 182, WO 2011/130797, US 2011/0305569에는 다수의 블레이드의 블레이드 피치각이 터빈 블레이드의 회전축으로부터 오프셋된 축 주위로 회전하는 단일의 중앙 베어링 또는 중앙 캠 트랙에 각 블레이드를 연결하는 봉에 의해서 제어되는 풍력 터빈이 개시되어 있다. 전술한 바와 같이, 본원 발명자는 단일의 중앙 트랙 또는 베어링으로부터 다수의 블레이드로 연장하는 봉의 장치가 열악한 성능을 초래한다는 것을 처음으로 인식한 것이다. 열악한 성능에 대한 이유는 전적으로 분명하지는 않지만 실제로 블레이드 및 봉은 완전히 강성이 아니므로 필연적으로 상이한 지점들에서 힘의 차이로 인해 회전시 블레이드들 간의 거리에 필연적으로 약간의 변화가 있기 때문인 것으로 생각된다. 이러한 차이가 진동을 유발한다. 회전 및/또는 바람이나 유체 속도가 빠를수록, 회전시 다른 지점들 간에 힘의 차이가 점점 커지므로 이러한 영향은 증가할 것이다.
터빈 블레이드와 같은 에어로포일의 캠버는 실질적으로 에어로포일의 형상 또는 곡률이다. 에어로포일의 캠버는 에어로포일의 상부 표면과 하부 표면 사이의 중간의 곡선인 캠버 라인에 의해 규정될 수 있다. US 2010/0096854 A1에는 능동적으로 제어될 수 있는 수직축 풍력 터빈을 개시하고 있다. 각 블레이드는 두 부분으로 되어 있고 각 블레이드의 피치 및 캠버는 블레이드에 또는 블레이드 가까이 배열된 모터에 의해 제어되며 모터는 각 블레이드의 두 부분을 제어가능하게 이동시키고 이에 의해 블레이드 피치 및 캠버를 변화시킨다. 이 장치는 각 모터를 제어하기 위해 복잡한 데이터 처리를 필요로 한다. 또한, 모터는 강력한 것이 요구되며 모터가 회전할 때 블레이드 부분을 이동시키기 위해 필요한 힘이 상당하기 때문에 정확하게 제어하기 어렵다.
US 2010/0054936 및 DE 20 2010 002 046 U에는 터빈 블레이드에 또는 터빈 블레이드 가까이 배치된 컴퓨터 제어식 액추에이터를 사용하여 개별적인 풍력 터빈 블레이드의 캠버를 제어하기 위한 장치가 또한 개시되어 있다. US 2010/0096854에 대해 전술한 바와 같이, 사용시 블레이드는 빠르게 움직이며 상당한 힘에 노출된다.
그러므로, 블레이드를 제어하기 적합한 액추에이터 또는 모터는 이동하는 블레이드의 영입각 또는 피치, 및 형상 또는 캠버를 변화시키기 위하여 매우 큰 힘을 제공할 수 있어야만 한다. 따라서 필요한 액추에이터 또는 모터는 고가이며 고장을 일으키기 쉽다. 더욱이, 블레이드에 또는 블레이드 가까이에 액추에이터를 배치하는 것은 액추에이터의 유지관리 또는 교체를 어렵게 하고, 시간 소모적이며 비용이 많이 들게 한다.
WO 2004/079187에는 캠버를 피동적으로 유도하는 풍력 터빈을 개시되어 있다. 이것은 캠버의 정확한 제어를 할 수 없고 따라서 개별적인 블레이드의 회전에 있어서 상이한 지점에서 캠버 특성의 최적화를 할 수 없다.
본 발명은 이제 설명될 청구항 1에 정의된 것과 같은 터빈을 제공한다. 또한 본 발명의 실시예들의 바람직한 특징들은 설명될 종속항들에 기재되어 있다.
본원 발명자는 US 2010/0096854에 기재된 것과 같은 시스템과 관련한 복잡하고 어려운 제어의 문제에 대한 해결책은 정밀하고 고장을 일으키기 쉬운 전자식 제어 대신에 간단하고 강력한 물리적 또는 기계적 제어를 사용하여 캠버 및 피치를 제어하는 반직관적인 단계에 의해 달성될 수 있다는 것을 처음으로 인식한 것이다. 본원 발명자는 물리적 또는 기계적 캠 타입 제어 장치가 터빈 블레이드의 피치와 캠버 모두를 효과적으로 제어하는 데 사용될 있으며 이러한 제어가 수직축 풍력 터빈의 효율을 현저하게 향상시킬 수 있다는 것을 처음으로 인식한 것이다.
본 발명의 실시예들은 피치 및 캠버 피벗이 정해진 경로를 따르며 개별적인 제1 및 제2 물리적 구성품에 의해 정해지는 것을 보장함으로써 피치 및 캠버 양자의 능동 제어를 제공한다. 피치 및 캠버 경로를 별개로 규정하는 제1 및 제2 물리적 구성품은 개별적인 구성품이 될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들에 사용되는 해결책은 각 블레이드를 개별적으로 제어하는 것이지만, 피치 피벗(pitch pivot) 경로를 규정하는 물리적 구성품을 제공함으로써 정확한 위치결정을 유지한다. 바람직하게는 각 블레이드를 위해 독립적인 오프셋 편심 베어링들이 제공되거나 오프셋 베어링은 오프셋 가이드 레일로 대체된다. 오프셋 가이드 레일이 사용되는 경우, 각 블레이드를 위한 안내 메커니즘이 가이드 주위로 블레이드들이 회전하는 동안 분리될 수 있기 때문에 각 블레이드를 위한 개별적인 가이드 레일들을 구비하는 것은 더 이상 필요하지 않다.
진동을 감소시키고 층류(laminar flow)를 개선하기 위하여, 블레이드는 그 캠버를 변경할 수 있어야만 한다. 제2 물리적 구성품이 회전 주위의 층류를 달성하고 유지하기 위하여 규정된 캠버 피벗 경로를 제공한다. 바람직하게는 한 세트의 편심 베어링 또는 가이드 레일이 제2 물리적 경로를 제공한다.
바람직하게는 피치 및 캠버 경로들은 각각 실질적으로 원형이다. 본원 발명자는 이것이 터빈의 구성을 상당히 단순화하고 효율 및 유효성의 현저한 손실 없이 더욱 용이하게 제어할 수 있도록 한다는 것을 인식하였다. 최대 효율을 위해 정밀하게 주문 제작되는 FR 2 924 182에 기재된 것과 같은 불규칙한 장치들은 다른 불규칙한 장치로 쉽게 조절될 수 없다. 또한 이 장치들은 바람 방향으로 불규칙한 장치를 정렬하기 위하여 회전 요잉 메커니즘(yaw mechanism)을 필요로 한다.
바람직하게는 피치 및 캠버 베어링의 위치, 또는 피치 및 캠버 가이드 레일의 위치는 제어 가능하게 조절할 수 있다.
바람직하게는 피치 및 캠버 베어링의 위치, 또는 피치 및 캠버 가이드 레일의 위치는 선형 액추에이터에 의해 제어된다. 오프셋 편심 베어링 또는 가이드가 선형 액추에이터 상에 위치될 때 블레이드의 캠버 및 피치는 회전과 바람 속도를 조화시키도록 용이하게 변경될 수 있다. 오프셋이 반대인 경우 이것은 블레이드 실속을 유도하고, 따라서 터빈을 안전하게 정지시키기 위해 사용될 수 있다.
오프셋 편심 베어링 또는 가이드 레일이 두 개의 축에서 이들을 이동시킬 수 있는 선형 액추에이터 상에 장착되면, 베어링 또는 가이드의 오프셋을 임의의 유용한 위치로 이동시킴으로써 이들은 요잉 메커니즘으로서 함께 작용할 수 있다.
도 1은 세 개의 터빈 블레이드 그리고, 하나의 가이드 레일은 블레이드의 피치를 제어하고 다른 하나의 가이드 레일은 블레이드의 캠버를 제어하는 것인 두 개의 오프셋 가이드 레일을 구비한 본 발명의 제1 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 실시예의 중앙 수직축 및 블레이드 지지 암들을 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 실시예를 위한 블레이드들과 가이드 레일들의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 블레이드들의 상부의 상세도이다.
도 5는 도 1에 도시된 블레이드들의 저부를 도시한 도면이다.
도 6은 더 높은 위치에서 도시한 도 5와 상응하는 다른 도면이다.
도 7은 블레이드가 회전할 때 블레이드와 그 피치 및 캠버의 제어를 도시하는 개략도이다.
도 8은 도 7의 개략도의 부분 상세도이다.
도 9는 전술한 도 1 내지 도 8의 실시예를 위한 요잉 메커니즘을 도시한 도면이다.
도 10은 가이드 레일들이 생략되어 있는 도 9의 요잉 메커니즘을 도시한 다른 도면이다.
도 11은 피치 및 캠버 레일을 하나의 축에서 이동시킬 수 있는 선형 액추에이터를 구비한 오프셋 가이드 레일 고정의 상세도이다.
도 12는 도 11에 도시된 장치를 근접해서 도시한 다른 도면이다.
도 13은 요잉 베인 메커니즘이 필요하지 않은 대안적인 가이드 레일 선형 액추에이터의 장치를 도시한 도면이다.
도 14는 도 13의 실시예의 선형 액추에이터의 배치를 도시한 평면도이다.
도 15는 도 14의 선형 액추에이터 장치의 측면도이다.
도 16은 세 개의 조정가능한 블레이드와 여섯 개의 오프셋 편심 베어링을 구비한 본 발명의 제2 실시예를 도시한 도면이다.
도 17은 도 16의 실시예의 블레이드, 편심 베어링 및 푸시로드의 구성을 도시한 도면이다.
도 18은 도 16의 실시예의 블레이드, 편심 베어링 및 푸시로드를 근접해서 도시한 저면도이다.
도 19는 도 16의 실시예의 블레이드, 편심 베어링 및 푸시로드를 근접해서 도시한 측면도이다.
도 20은 도 16의 실시예에서 요잉 메커니즘에 편심 베어링의 고정을 도시한 도면이다.
도 21은 도 20의 요잉 메커니즘을 아래쪽에서 도시한 도면이다.
도 22는 도 16의 실시예의 편심 베어링 고정구의 배치를 도시한 도면이다.
도 23은 피치 및 캠버 편심 베어링이 하나의 축에서 이동시킬 수 있는 선형 액추에이터를 구비한 도 16의 실시예의 편심 베어링 고정구를 도시한 도면이다.
도 24는 요잉 베인 메커니즘이 필요하지 않은 대안적인 편심 베어링 고정 장치를 도시한 도면이다.
도 25는 조력 터빈으로서 사용하기 위한 본 발명의 변형 실시예를 도시한 도면이다.
도 26은 도 25의 실시예의 측면도이다.
이제 본 발명의 실시예들은 첨부 도면들을 참조하여 비-제한적인 예로 설명될 것이다.
이하의 설명에서는 단지 편의상 그리고 참조를 위해 특정 용어들이 사용되는데 이들 용어는 제한하고자 하는 것이 아니다. 예컨대, "상부", "하부", "위", "아래"는 참고하는 도면에서의 방향을 지칭하는 것이다. 상기 용어들은 특별히 언급한 것, 그 용어에서 파생된 것 및 통상의 기술자에게 기능적으로 동일한 것으로 받아들여지거나 이해되는 것을 포함할 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 수직축 풍력 터빈(1)은 수직축을 형성하는 중앙의 수직 봉(3) 주위로 회전하는 세 개의 블레이드(2)를 포함한다. 수직 봉은 각 터빈 블레이드(2)의 상부 및 하부에 연결된 쌍으로 이루어진 암(4)에 의해서 터빈 블레이드와 결합하고 있다. 수평의 지지 암(4)들은 중앙의 수직 봉(3)에 견고하게 연결되며 중앙의 수직 봉(3)은 그 기부(6)에서 지지대(5)에 대해 회전할 수 있다. 중앙의 수직 봉(3), 수평의 지지 암(4) 및 블레이드(2)는 함께 수직축 풍력 터빈(1)의 로터를 형성한다.
각 블레이드는 블레이드 선행부(leading portion)(7)와 블레이드 후속부(trailing portion)(8)의 두 부분으로 되어 있다(도 5 참조).
각 블레이드(9)의 하부는 풍력 터빈(1)이 기부(6)에 의해서 지지되거나 그렇지 않으면 수직축 풍력 터빈의 하부에 지지되고 유지되는 한 쌍의 가이드 레일(10, 11)에 결합된다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 제1 블레이드 선행부(7)는 블레이드 선행부의 상부(12) 및 하부(13)의 단부로부터 돌출하는 봉(65)을 포함하며 베어링 장치(14)에 의해 수평의 블레이드 지지 암과 결합한다. 제2 블레이드 후속부(8)은 도 4에 도시된 'A' 방향으로 블레이드 선행부에 대하여 회전할 수 있도록 배열되어 있다. 봉(15)은 상부(16)로부터 하부(17)까지 통과하며 블레이드 후속부(8)의 전방과 결합한다. 봉(15)의 상단부(18)는 베어링(19)을 통해 블레이드 선행부(7)의 전방에 선회 가능하게 결합하며, 그 하단부(19)에서 베어링(21)을 통해 상단부에 관해 설명한 것과 유사한 방식으로 블레이드 선행부 및 종동 베어링(24)을 통해 피치 제어 가이드 레일 또는 캠 트랙(10)에 결합되어 종동하는 캠 종동 장치(23) 양자와 선회 가능하게 결합한다. 캠 종동자(23)는 네 개의 회전 베어링(25)들이 부착되는 중앙 베어링(24)을 포함한다. 네 개의 베어링은 원판 형상 부재를 포함하는 가이드 레일(10) 주위에 위치한다. 이러한 배열은 블레이드 선행부(7)의 피치 또는 각도가 수평의 지지 암(4)의 단부들과 피치 제어 가이드 레일(10)의 개별적인 부분 사이의 방사상의 거리에 의하여 변한다는 것을 의미한다.
U자형 암(29)은 봉(15)의 하단부(20)에 견고하게 연결된 커넥팅 암(28)에 견고하게 연결된다. 암 장치(28, 29)는 봉(15)의 하단부(20)를 베어링(27)을 통해, 캠버 제어 가이드 레일 또는 캠 트랙(11)과 결합하는 제2 캠 종동자(30)와 선회 가능하게 연결하는 데 사용된다. 캠버 캠 종동자는 피치 캠 종동자(23)에 관해 전술한 바와 같이 네 개의 베어링(26)이 부착되는 단일의 중앙 베어링(27)을 포함하고 있다는 점에서 피치 캠 종동자와 유사하다. 네 개의 베어링(26)은 캠버 가이드 레일 또는 캠 트랙을 규정하는 원판 형상 가이드 레일(11) 주위에 위치한다. 캠 종동자(30)는 중앙 베어링(27)에 의해 암 장치(28, 29)의 하부에 장착된다. 암(28, 29)은, 가이드 레일(10, 11)이 교차하고 피치 및 캠버 캠 종동자(23, 30)가 서로 간섭하지 않는 공간이 존재하도록 하는 형상으로 만들어져 있다.
캠버 가이드 레일(11) 및 캠버 종동 베어링(30)과의 상호 작용은 블레이드 선행부(7)에 대한 블레이드 후속부(8)의 선회를 제어하며, 이에 의해 블레이드(2)의 캠버를 제어 가능하게 변경한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 가이드 레일(10, 11) 및 블레이드(2)는 유입되는 바람의 방향이 변할 때 요잉 메커니즘(31)을 회전시키도록 요잉 메커니즘 상에 배열된다. 요잉 메커니즘(31)은 터빈의 기부에 회전 가능하게 결합된 원판(32)을 포함한다. 원판(32)은 유입되는 바람에 따라 베인을 정렬시키기 위하여 요잉 베인(33)을 갖고 있다. 도 10에서 알 수 있는 바와 같이 고정구(34)는 가이드 레일이 그 위에 배치되는 판에 위치한다.
도 11 내지 도 15에 도시된 바와 같은 본 발명의 변형 실시예에서, 가이드 레일 고정구는 피치 및 캠버 가이드 레일(10, 11)을 제어 가능하게 이동시킬 수 있는 선형 액추에이터(35) 상에 배치된다. 선형 액추에이터(35)는 피치 및 캠버 레일을 제어 가능하게 이동시키기 위해 사용될 수 있으며, 이에 의해 상이한 상태에 대해 피치 및 캠버를 조정한다. 회전 속도가 겉보기 풍속을 증가시키고 따라서 피치가 변할 필요가 있을 때 선형 액추에이터는 속도를 최적화하기 위해 사용될 수 있으며, 캠버는 풍속에 대해 최적화될 수 있다. 적은 바람 상태에서, 이것은 회전 속도를 극대화할 수 있다.
도 13에 도시된 실시예는 풍향 베인(60) 및 풍속계(61)를 포함한다. 이들에 의해 감지된 풍향 및 풍속은 선형 액추에이터(35)를 제어하기 위해 이용될 수 있다.
풍력 터빈 또는 풍력 발전기는 최적 작동 범위를 갖기 때문에, 강한 바람 상태에서 속도가 감소하도록 할 필요가 있을 수 있고 이것은 피치 및/또는 캠버를 변화시킴으로써 달성될 수 있다.
강풍 상태에서 피치 및 캠버 오프셋을 피치 피벗의 반경의 다른 반대쪽의 지점으로 이동시킴으로써 터빈을 중지 또는 정지시키는 것이 또한 가능하다.
도 16 내지 도 19에 도시된 본 발명의 변형 실시예에서, 원형의 피치 및 캠버 가이드 레일은 각 블레이드(2)를 위한 개별적인 별개의 피치 및 캠버 제어 장치로 대체된다. 각 제어기는 선회 봉 구조에 연결된 오프셋 편심 베어링(36) 및 푸시로드(pushrod)(39)를 포함한다. 이 구조의 나머지 것들은 도 12 내지 도 15와 관련하여 앞서 설명한 것과 유사하다. 각 블레이드의 블레이드 선행부(7) 상의 피치 중심점(40) 또는 블레이드 후속부(8) 상의 캠버 중심점(41)이다. 수직축 터빈(1)은 수직축을 규정하는 중앙의 수직 봉(3) 주위로 회전하는 세 개의 터빈 블레이드(2)를 포함한다. 수직 봉은 각 터빈 블레이드의 상부 및 저부에 연결된 쌍으로 이루어진 암(4)에 의해 터빈 블레이드와 결합한다. 수평의 지지 암(4)은 중앙의 지지 봉(3)에 견고하게 연결되며 중앙의 지지 봉은 그 기부에서 지지대에 대해 회전할 수 있다. 중앙의 지지 봉, 수평의 지지 암 및 블레이드는 함께 수직축 풍력 터빈의 로터를 형성한다.
도 17 내지 도 19를 참조하면, 블레이드 선행부(7)는 그 상부 및 하부 단부에서 베어링 장치(42)에 의해 수평의 블레이드 지지 암(4)과 결합한다. 블레이드 후속부은 블레이드 선행부(7)에 대해 회전할 수 있도록 배열된다.
봉(43)은 상부로부터 하부까지 블레이드 후속부(8)의 전방을 통과한다. 봉(43)의 상단부는 베어링(도시하지 않음)을 통해 전방 또는 블레이드 선행부와 결합하며, 하단부에서 베어링(44)을 통해 전방 또는 블레이드 선행부(7)와 결합한다. 봉(43)의 하부는 봉(46) 및 베어링을 통해 블레이드의 피치를 제어하는 편심 베어링(36)과 견고하게 연결된 봉(39)과 결합한다. L자형 암(47)은 블레이드 후속부의 꼬리 방향에서 수평으로 블레이드 후속부의 봉(43)과 견고하게 연결되고, 이것은 베어링을 통해 블레이드의 캠버를 제어하는 제2 편심 베어링(37)의 푸시로드와 결합한다.
도 20 내지 도 22를 참조하면, 편심 베어링은 유입되는 바람의 방향이 변할 때 요잉 메커니즘(31)을 회전시키기 위해 요잉 메커니즘 상에 배열된다. 요잉 메커니즘은 터빈의 기부에 회전 가능하게 연결된 원판(32)을 포함한다. 원판은 유입되는 바람에 따라 베인을 정렬시키기 위해 요잉 베인(33)을 구비한다. 고정구(34)는 편심 베어링이 그 배치되는 원판 상에 위치한다.
도 23을 참조하면, 본 발명의 변형 실시예에서 편심 베어링은 피치 및 캠버 편심 베어링을 하나의 축에서 제어 가능하게 이동시킬 수 있는 선형 액추에이터(35) 상에 배치된다.
도 24를 참조하면, 본 발명의 변형 실시예에서 편심 베어링은 피치 및 캠버 편심 베어링을 두 개의 축에서 제어 가능하게 이동시킬 수 있고 따라서 회전 요잉 베인 메커니즘에 대한 필요성을 대체할 수 있는 선형 액추에이터(48) 상에 배치된다.
도 25 및 도 26을 참조하면, 수직축 터빈은 부유식 수력 터빈(49)으로서 적합하게 되도록 수상 플로트(50)와 함께 배열되었다. 수평의 상부 지지 암과 제어 가이드 레일 및 선형 액추에이터가 물과 접촉하지 않도록 블레이드의 상부에서 연결 봉은 연장되었다. 그 외에 터빈의 구조는 도 1 내지 도 23에 도시된 실시예들에 대해 설명한 것과 동일하지만 거꾸로 뒤집혀져 있다.
본 발명의 실시예들은 임의의 이동 유체로부터 에너지를 추출하기 위해 적합하다. 적절한 유체들 및 환경은 제한하는 것은 아니지만 유동 공기 또는 바람 및 조류를 포함한다.
도 1 내지 도 26을 참조하여 전술한 본 발명의 모든 실시예들은 실질적으로 수직인 터빈 로터 회전축을 갖는다. 그러나, 본 발명은 로터 회전축이 수직이 아닌 상황, 예컨대 회전축이 실질적으로 수평이 될 수 있는 사이클로지로(cyclogiro) 또는 천해 조류 장치(shallow water tidal current divice)에 사용하기 위해 마찬가지로 적용가능하다. 이러한 터빈의 구조가 도 1 내지 도 26과 관련하여 위에서 설명한 것과 유사한 것임을 통상의 기술자는 쉽게 이해할 것이다.

Claims (28)

  1. 회전축을 가진 터빈 로터 및 터빈의 회전축으로부터 이격되어 있으며 회전축 주위로 회전하게 장착된 적어도 하나의 블레이드(2)를 포함하는 터빈(1)으로서,
    상기 블레이드는 회전축과 평행하며 사용시 터빈 로터 상에서 유입하는 유체와 접촉하는 적어도 하나의 종방향 표면을 구비하고, 상기 블레이드는 제1 블레이드 선행부(7)가 제2 블레이드 후속부(8)에 선회 가능하게 연결되어 있는 두 부분으로 이루어진 블레이드이며,
    상기 터빈은 블레이드의 피치 및 캠버를 제어하기 위한 능동 피치 제어 수단과 능동 캠버 제어 수단을 또한 포함하며, 상기 능동 피치 제어 수단은 제1 블레이드 선행부에 피벗(24)을 포함하고, 피치 피벗은 제1 물리적 구성품(10)에 의해 형성된 피치 경로를 따라 안내될 수 있고, 상기 능동 캠버 제어 수단은 제2 블레이드 후속부에 캠버 피벗(27)을 포함하고, 캠버 피벗은 제2 물리적 구성품(11)에 의해 형성된 캠버 경로 주위로 안내될 수 있는 것을 특징으로 하는 터빈.
  2. 제1항에 있어서,
    피치 및 캠버 경로들은 각각 원형인 것을 특징으로 하는 터빈.
  3. 제2항에 있어서,
    피치 및 캠버 경로 중의 적어도 하나의 경로는 원형 경로를 형성하며, 원형 경로의 중심들은 서로로부터 그리고 터빈의 회전축으로부터 오프셋 되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈.
  4. 제1항에 있어서,
    피치 경로는 터빈의 회전축으로부터 오프셋 되어 있는 축에 대하여 회전하는 피치 베어링에 연결된 봉(39)의 말단부에 의해 규정되고, 캠버 경로는 터빈의 회전축으로부터 오프셋 되어 있는 축에 대하여 회전하는 캠버 베어링에 연결된 봉(39)의 말단부에 의해 규정되며, 피치 및 캠버 봉의 말단부들은 개별적으로 피치 및 캠버 피벗에 선회 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 터빈.
  5. 제4항에 있어서,
    터빈 블레이드(2)의 피치 및 캠버 피벗(42)은 개별적인 봉(39)들에 결합되고, 각각의 봉은 개별적인 베어링(36, 37)에 결합되는 것을 특징으로 하는 터빈.
  6. 제5항에 있어서,
    적어도 두 개의 터빈 블레이드(2)를 포함하며, 터빈 블레이드의 피치 및 캠버 피벗(24, 27)은 개별적인 봉들에 각각 결합되고, 각각의 봉은 개별적인 베어링(36, 37)에 결합되는 것을 특징으로 하는 터빈.
  7. 제1항에 있어서,
    피치 경로는 제1 피치 가이드 레일(10)에 의해서 형성되고, 캠버 경로는 제2 캠버 가이드 레일(11)에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 터빈.
  8. 제7항에 있어서,
    적어도 두 개의 블레이드(2)를 포함하며, 상기 적어도 두 개의 블레이드의 피치 및 캠버 피벗(24, 27)은 개별적으로 단일의 피치 가이드 레일(10) 및 단일의 캠버 가이드 레일(11)에 각각 결합되는 것을 특징으로 하는 터빈.
  9. 제1항에 있어서,
    피치 또는 캠버 경로의 하나는 터빈의 회전축으로부터 오프셋 되어 있는 축에 대하여 회전하는 베어링에 연결된 봉의 말단부에 의해 규정되며, 봉의 말단부는 피치 또는 캠버 피벗에 선회 가능하게 결합되고,
    피치 또는 캠버 경로의 다른 하나는 피치 또는 캠버 가이드 레일에 의해 각각 규정되는 것을 특징으로 하는 터빈.
  10. 제9항에 있어서,
    사용시 피치 및 캠버 베어링(36, 37) 중의 적어도 하나의 위치, 또는 피치 및 캠버 가이드 레일(10, 11) 중의 적어도 하나의 위치는 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈.
  11. 제9항에 있어서,
    피치 및 캠버 베어링(36, 37) 중의 적어도 하나의 위치, 또는 피치 및 캠버 가이드 레일(10, 11) 중의 적어도 하나의 위치는 제어 가능하게 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 터빈.
  12. 제11항에 있어서,
    피치 및 캠버 베어링(36, 37) 중의 적어도 하나의 위치, 또는 피치 및 캠버 가이드 레일(10, 11) 중의 적어도 하나의 위치는 선형 액추에이터에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 터빈.
  13. 제11항에 있어서,
    조정은 하나의 축 또는 두 개의 축에서 가능한 것을 특징으로 하는 터빈.
  14. 제12항에 있어서,
    조정은 하나의 축 또는 두 개의 축에서 가능한 것을 특징으로 하는 터빈.
  15. 제5항에 있어서,
    각 블레이드 부분(2)은 블레이드 종축을 횡단하는 대향하는 제1 횡단면(12, 16) 및 제2 횡단면(13, 17)을 포함하고,
    블레이드 선행부(7) 또는 블레이드 후속부(8)의 하나는 블레이드 선행부 또는 블레이드 후속부의 제1 횡단면 및 제2 횡단면으로부터 각각 돌출한 제1 선회 봉(18) 및 제2 선회 봉(20)을 포함하며,
    제1 선회 봉은 피치 또는 캠버 피벗(24, 27)의 하나를 형성하도록 블레이드 선행부 또는 블레이드 후속부의 하나에 결합되고, 제2 선회 봉은 피치 또는 캠버 가이드 레일(10, 11)의 하나를 추종하도록 배열된 종동자 메커니즘(23, 30)이나 피치 또는 캠버 베어링의 하나에 연결된 봉(28, 29)에 결합되는 것을 특징으로 하는 터빈.
  16. 제15항에 있어서,
    제1 선회 봉(18)은 블레이드 선행부(7) 또는 블레이드 후속부(8)의 하나로부터 돌출하며 블레이드 선행부 또는 블레이드 후속부의 다른 하나에 결합되는 것을 특징으로 하는 터빈.
  17. 제15항에 있어서,
    블레이드 선행부(7) 또는 블레이드 후속부(8)의 다른 하나는 피치 또는 캠버 가이드 레일(10, 11)의 하나를 추종하도록 배열된 종동자 메커니즘(23, 30)이나 피치 또는 캠버 베어링(24, 27)의 하나에 연결된 봉(28, 29)에 선회 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 터빈.
  18. 제16항에 있어서,
    블레이드 선행부(7) 또는 블레이드 후속부(8)의 하나는 피치 또는 캠버 가이드 레일(10, 11)의 하나 또는 피치 또는 캠버 베어링(36, 37)의 하나에 제1 선회 봉에 의해서 결합되고,
    블레이드 선행부 및 블레이드 후속부의 다른 하나는 피치 또는 캠버 가이드 레일의 다른 하나를 추종하도록 배열된 종동자 메커니즘(23, 30)이나 피치 또는 캠버 베어링의 하나에 연결된 봉(28, 29)에 선회 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 터빈.
  19. 제18항에 있어서,
    제2 선회 봉은 피치 또는 캠버 가이드 레일(10, 11)의 다른 하나를 추종하도록 배열된 종동자 메커니즘(23, 30)이나 봉(28, 29)에 선회 가능하게 결합되고, 돌출한 선회 봉이 캠버 또는 피치 피벗(24, 27)의 하나를 형성하는 것을 특징으로 하는 터빈.
  20. 제15항에 있어서,
    제1 및 제2 선회 봉(18, 20)은 블레이드 후속부(8)으로부터 돌출하고, 제1 선회 봉은 피치 피벗(24)을 형성하도록 블레이드 선행부(7)에 연결되는 것을 특징으로 하는 터빈.
  21. 제20항에 있어서,
    제2 선회 봉은 캠버 피벗을 형성하는 것을 특징으로 하는 터빈.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 수직축 풍력 터빈.
  23. 제15항에 있어서,
    제1 횡단면(12, 16) 및 제2 횡단면(13, 17)은 개별적인 블레이드(2) 부분들의 각각의 상부 표면 및 하부 표면인 것을 특징으로 하는 터빈.
  24. 제23항에 있어서,
    피치 및 캠버 경로들은 적어도 하나의 블레이드(2) 아래에 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈.
  25. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 수직축 조력 터빈.
  26. 제15항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 수직축 조력 터빈으로서,
    제1 횡단면(12, 16) 및 제2 횡단면(13, 17)은 개별적인 블레이드(2) 부분들의 각각의 상부 표면 및 하부 표면인 것을 특징으로 하는 수직축 조력 터빈.
  27. 제23항에 있어서,
    피치 및 캠버 경로들은 적어도 하나의 블레이드(2) 위에 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈.
  28. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 사이클로지로 터빈.
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