KR101849765B1 - 터빈 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유동하는 유체로부터 에너지를 추출하기 위한 터빈 장치를 제공한다. 상기 터빈 장치는 유체가 통과하는 적어도 하나 이상의 터빈 유니트, 유체를 상기 적어도 하나 이상의 터빈 유니트로 전달하기 위한 시뮬레이션 펌프 및 유체를 저장하기 위한 저장조를 포함하며, 상기 터빈 유니트는 그것을 통과하는 상기 유체를 끌어당기도록 구성된다.

Description

터빈 장치{Turbine Apparatus}

본 발명은 일반적으로 터빈 장치와 관련된다. 보다 상세하게, 본 발명은 유동하는 유체로부터 에너지를 추출하기 위한 터빈 장치와 관련되고, 상기 유체는 장치 내부에 들어있거나, 호수, 강, 바다, 연못과 같은 저장조로부터 공급된다.

현재 탄소 기반 연료에서 탄소의 생산 및 지구 대기 오염의 영향은 산업의 중요한 고려 사항이다. 지구의 감소하는 화석 연료에 대한 수요가 증가함에 따라, 대체 에너지원의 조사 및 개발이 빠르게 확대되고 있다. 대체 에너지원을 고려할 때, 지금까지 핵에너지 및 재생 가능한 에너지원이 지배적이다.

핵 에너지와 관련하여, 이러한 연료의 사용에 많은 중요한 문제점이 있고, 몇몇을 말하면 폐기물 처리/저장, 설립 비용과 사고의 위험이다.

예를 들어, 바람, 태양, 수력 및 파동 에너지와 같은 재생 가능한 에너지와 관련하여, 에너지를 활용하기 위한 충분한 크기의 공장 설립과 관련한 비용은, 지금까지, 비교적 비싼 대안이다. 더욱이, 이러한 에너지원(sources)이 존재하는 경우에만, 상기 공장은 이러한 에너지원으로부터 에너지를 생성한다. 이러한 공장들은 기저 전력 수요(base load power demand)를 만족시키지 못할 수도 있고, 그러므로, 탄소 연료 기반 에너지원의 실제 요구를 대체하거나 감소시킬 수 없다. 그 결과, 이러한 에너지원들은 전통적인 수단을 통해 공급된 에너지를 보충하기 위해서만 사용된다.

현존 수력 발전 시스템은 터빈을 구동하기에 충분한 수압 헤드(water pressure head)를 생성하기 위한 충분한 물을 저장하기 위해 설치된 주요 댐(dam) 구조를 요구한다. 하이드로 시스템(hydro system)의 한계는, 터빈을 통해 물이 유동할 때, 터빈이 위치 에너지(potential energy)와 운동 에너지(kinetic energy)의 보조 레벨(level)을 추출만 할 수 있다는 것이다. 이것은, 그 위로 작용하는 유일한 힘이 중력이기 때문에, 물의 속도가 해당 종단속도를 초과하지 않기 때문이다.

더욱이, 현재 수력 발전 시스템 (hydro system)은 하천 지형이 필요한 유동(flow)과 헤드(head)의 생성을 가능하게 하는 지역과 강에 제한된다. 때때로, 수력 발전 시스템(hydro electric system)에서, 적절한 위치는 전원이 요구되는 곳으로부터 먼 거리에 위치되며, 그 결과 전원을 전달하는 주요 전송 손실(major transmission losses)을 초래한다.

게다가, 수력 발전 시스템의 기능은, 댐/저장조로의 재생 가능한 물의 유입에 의존한다. 이것이 충분하기 않은 경우, 기본 부하 전력(base load power)을 생산하는 하이드로 댐(hydro dam)의 능력이 위태로워 진다.

재생 에너지 대안의 또 다른 문제점은 에너지를 활용하기 위한 시설이 때때로 보기 흉하고, 땅(land) 또는 유체 본체(fluid body) 영역의 넓은 면적을 요구한다는 것이다.

본 발명의 배경기술의 앞선 논의는 단지 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위함이다. 상기 논의는, 언급된 상기 내용이 본 출원의 우선일에 통상의 일반적인 지식의 일부라는 인정 또는 시인이 아닌 것으로 인식되어야 한다.

본 발명은 종래 기술의 하나 이상의 문제점을 개선하거나 극복할 수 있거나 터빈 장치를 제공하거나, 유용한 대안을 제공할 수 있는 터빈 장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

본 발명은 유동하는 유체로부터 에너지를 추출하기 위한 터빈장치를 제공하고, 상기 터빈 장치는 상기 유체가 통과하는 적어도 하나의 터빈 유니트(turbine unit)와 상기 적어도 하나의 터빈 유니트로 유체를 전달하기 위한 시뮬레이션 펌프(simulation pump) 및 유체를 저장하기 위한 저장조(reservior)를 포함하고, 상기 터빈 유니트는 이를 통과하는 유체를 끌어당기도록 구성된다.

종래 기술과 대조적으로, 본 발명은 전력을 생산하기 위해 어떤 장소에도 위치되고, 작동될 수 있는 터빈 장치를 제공한다. 상기 터빈 장치는 자족적이고, 독립적인 장치 또는 현존하는 댐, 저장조, 강, 석호(lagoon), 호수, 수영장, 탱크, 다른 유체 본체(자연적 또는 인공적)의 일측에 설치될 수 있는 운반 가능한 독립적인 장치로서 작동될 수 있다. 본 발명은, 상기 터빈 장치의 상기 터빈 유니트들을 구동하기 위한 충분한 양의 헤드(positive head)를 발생시키기 위해 유동하는 물의 수원(source) 또는 댐과 같은 중요한 인프라를 요구하지 않는다.

또한, 적어도 하나의 터빈 유니트는 상기 터빈 유니트 앞쪽의 압력증가를 줄이도록 구성될 수 있다.

상기 시뮬레이션 펌프는 상기 구동 터빈 블레이드 세트(drive turbine blade set)로 직접 유체를 공급할 수 있다. 상기 시뮬레이션 펌프는, 일반적으로 댐에 의해 제공되는 것과 같은 양의 헤드(positive head)를 모사할 수 있다. 바람직하게, 상기 시뮬레이션 펌프는 가변적으로 작동하여 적어도 하나의 터빈 유니트로의 유체 전달을 변화시킨다. 바람직하게, 상기 시뮬레이션 펌프는 터빈 유니트의 개구부 앞쪽에 위치된다.

상기 시뮬레이션 펌프는, 에너지를 발생시키기 위해 터빈을 구동하기 위한 특정 압력수두(pressure head)와 유량(flow rate)에서 유체를 저장 및 방출할 수 있는 댐 또는 저장조 또는 그와 같은 유사한 구조물에 의해 일반적으로 생성될 수 있는 유체 및 압력 수두를 모사하기 위해 사용되는 유체 펌프(fluid pump)이다.

상기 시뮬레이션 펌프는 초기에 외부 공급원(external source)으로부터 에너지 입력을 요구한다. 상기 시뮬레이션 펌프의 효율은, 단일 터빈 유니트(single turbine unit)가 상기 터빈 유니트를 작동시키기 위해 요구되는 위치(잠재) 에너지 레벨을 초과하도록 생성될 전체 에너지 레벨을 만들어 낼 최소 속도를 결정한다.

상기 터빈 유니트, 저장조, 및 시뮬레이션 펌프는 파이프들로 유체 연결될 수 있다.

본 발명의 일 측면에서, 상기 터빈 장치는 실질적으로 폐회로(closed circuit)이다. 바람직하게, 상기 저장조는 상기 파이프들의 확관 영역(enlarged section)에 마련된다. 작동 중에, 상기 저장조는 적어도 하나의 터빈 유니트 하부에 위치될 수 있다. 바람직하게, 상기 저장조의 부피는 초 단위 시간에 상기 유니트를 통과하는 유체 부피의 적어도 2배와 동일하다. 즉, 유량이 초당 200리터이면, 상기 저장조는 적어도 400리터를 저장할 수 있어야 한다. 바람직하게, 상기 터빈 장치는 내부에 유체가 없는 공동 영역(void section)을 갖는다. 상기 공동 영역은 상기 터빈 장치의 작동 상태에 따라 이동할 수 있다. 상기 공동 영역은 초 단위 시간에 상기 유니트를 통과하는 유체 부피의 절반일 수 있다. 상기 공동(void)은 압축을 방지하고, 장치의 멈춤을 방지할 수 있다.

상기 터빈 장치는 대기의 압력과 내부 공기압의 평형을 위한 적어도 하나의 에어 밸브(air valve)를 포함할 수 있다.

상기 터빈 장치의 방향(orientation) 때문에, 상기 공동(void)은 자동적으로 상기 장치의 상부에 위치될 것이다. 또한, 이에 따라 상기 적어도 하나의 에어 밸브는, 상기 공동 영역과 계속 연통되도록 하기 위해 장치의 상부에 위치된다.

본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 저장조는 유체의 개방 몸체(body)에 마련되고, 상기 터빈 장치의 유입구(inlet)와 유출구(outlet)는 상기 몸체와 연통된다.

바람직하게, 터빈 장치는 복수 개의 터빈 유니트들을 포함하는 경우, 복수 개의 터빈 유니트들의 RPM은 실질적으로 동일하도록, 속도 및 질량 부피(velocity and mass volume)는 복수 개의 터빈 유니트들을 가로질러 실질적으로 동일하게 유지된다.

바람직하게, 상기 적어도 하나의 터빈 유니트는 하우징의 유로(passage)에 장착된 펌프 터빈 블레이드 세트(pump turbine blade set)의 상류(upstream)에 위치한 구동 터빈 블레이드 세트를 포함한다.

바람직하게, 상기 구동 터빈 블레이드 세트와 펌프 터빈 블레이드 세트는, 같은 방향과 같은 속도로 회전하게 구속되도록 공동 샤프트(common shaft)에 장착된다.

상기 구동 터빈 블레이드 세트와 펌프 터빈 블레이드 세트는 대향 관계로 장착되어, 펌프 터빈 블레이드 세트가 구동 터빈 블레이드 세트와 역의 관계에 있어서, 작동 중에 구동 터빈 블레이드 세트가 펌프 터빈 블레이드 세트 측으로 유체를 밀어내고, 펌프 터빈 블레이드 세트가 구동 터빈 블레이드 세트로부터 유체를 끌어당긴다. 상기 터빈 블레이드 세트들의 동시 작동은, 구동 터빈 블레이드 세트의 앞쪽과 상기 구동 및 펌프 터빈 블레이드 세트 사이에 저압 영역(low pressure region)을 발생시키고, 상기 압력은, 상기 시뮬레이션 펌프에 의해 상기 터빈 유니트로 공급되는 유체의 압력보다 낮을 수 있다.

이러한 구성으로, 유로 입구의 유체 압력에 비해 저압 영역은 2개의 터빈 블레이드 세트들 사이에 발생된다. 더욱이, 상기 펌프 터빈 블레이드 세트가 상기 터빈 유니트를 통해 유체를 끌어당길 때, 저압 영역은 상기 구동 터빈 블레이드 세트의 상류에 형성된다. 이것은, 일반적으로 종래 기술의 장치에 의해 경험된 바와 같이, 상기 터빈 유니트 앞쪽에 최소한의 유동 장애가 있음을 보장하므로 중요하다. 상기 펌프 터빈 블레이드 세트와 구동 터빈 블레이드 세트에 대한 펌프 터빈 블레이드 세트의 반대 방향(reversed orientation)의 결과로, 상기 터빈 유니트를 통과하는 질량류(mass flow)는 상당히 증가된다. 게다가 상기 구동 터빈 블레이드 세트에 부딪치는 유체의 속도는 증가된다.

유체가 고압 영역(터빈 유니트의 앞쪽)에서 상대적으로 저압 영역으로 이동할 때, 큰 압력차이는 큰 질량유량(mass flow rate)을 유도한다. 고압 영역은 대기압과 같이 자연적 또는 퍼 올려기거나 압력 헤드(pressure head)와 같이 강제적으로 발생될 수 있다. 더욱이, 상기 펌핑 터빈 블레이드 세트(pumping turbine blade set)는 상기 유체를 통과시키고, 동시에 배압(back pressure)의 가능성을 낮춘다.

바람직하게, 상기 터빈 장치가 단일 터빈 유니트(single turbine unit)을 포함하는 경우, 상기 구동 터빈 블레이드 세트에 부딪치는 유체의 속도는 유체의 종단속도(terminal velocity) 보다 크다. 이것은 상기 펌프 터빈 블레이드 세트의 크기에 영향을 받을 수 있다.

각 터빈 블레이드 세트는 블레이드들에 충돌하는 유체의 힘에 의해 회전되는 블레이드들의 세트(set)의 형태일 수 있다.

본 발명의 일 측면에서, 상기 구동 터빈 블레이드 세트와 펌프 블레이드 세트는 이격된 관계에 있다.

본 발명이 다른 측면에서, 상기 구동 터빈 블레이드 세트와 펌프 블레이드 세트는 서로 중첩된다.

상기 터빈 장치는 적어도 하나의 발전기(generator)와 결합될 수 있다.

상기 적어도 하나의 터빈 유니트는 적어도 하나의 발전기와 결합될 수 있다.

상기 적어도 하나의 터빈 유니트의 샤프트(shaft)는 발전기와 결합될 수 있다.

상기 결합은 체인 구동(chain drive), 벨트 구동(belt drive), 기어 박스(rear box)를 통한 축과 축의 직접 결합, 또는 다른 알려진 수단을 통하여 이루어질 수 있다.

상기 유체가 상기 유로를 통과할 때, 상기 유동은 상기 구동 터빈 블레이드 세트를 구동시키고, 동시에 상기 펌프 블레이드 세트를 회전시킨다. 상기 펌프 터빈 블레이드 세트가 회전하면, 상기 펌프 터빈 블레이드 세트는 상기 유체를 상기 펌프 터빈 블레이드 세트쪽으로 효과적으로 끌어당기고, 적어도 상기 2개의 터빈 블레이드 세트들 사이에 저압 영역을 발생시킨다.

상기 펌프 블레이드 세트가 회전하면, 상기 유체는, 상기 유닛으로 밀어내지도록 상기 시스템을 통해 당겨지고, 상기 구동 블레이드 세트의 앞쪽과 뒤에 압력 축적(pressure accumulation)과 관련된 역류압력(back flow pressure)과 에너지 손실을 최소화한다.. 또한, 상기 유로 밖으로 상기 유체를 밀어내는 동작은 상기 유로의 출구(exit)에 존재할 수 있는 압력 수두(pressure head)를 극복한다.

더욱이, 서로에 대한 각 터빈 블레이드 세트의 방향 때문에, 또한, 상기 펌프 터빈 블레이드 세트의 효과는 시스템 내의 난류(turbulence)를 최소화하고, 상기 유체가 상기 구동 터빈 블레이드 세트를 통과할 때 유체 유동을 직선화하는 효과를 갖는다.

상기 터빈 장치가 복수 개의 터빈 유니트들을 포함하는 경우, 인접하는 터빈 유니트들의 샤프트(shaft)의 회전축(axis of rotation)은 서로에 대하여 오프셋(offset)된다. 이것은, 발전기들이 상기 샤프트(shaft)들에 용이하게 연결되도록 허용함에도 불구하고, 상기 터빈 장치를 더욱 컴팩트하게 한다.

바람직하게, 상기 구동 터빈 블레이드 세트와 펌프 터빈 블레이드 세트는 최대 토크(torque)를 제공하도록 구성된다.

더욱이, 서로에 대한 각 터빈 블레이드 세트의 방향 때문에, 상기 펌프 터빈 블레이드 세트의 효과는 시스템 내의 난류(turbulence)를 최소화하고, 상기 유체가 상기 구동 터빈 블레이드 세트를 통과할 때 유체 유동을 직선화하는 효과를 갖는다.

상기 터빈 장치는, 상기 유로로 쓰레기(debris) 및 동물들(animals)이 유입되는 것을 방지하기 위해 상기 유로의 구동 단(drive end)과 펌프 단(pump end)에 스크린(screen)들을 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에서, 상기 펌프 터빈 블레이드 세트는 상기 구동 터빈 블레이드들과 같은 크기를 가질 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 상기 펌프 블레이드 세트는 상기 구동 터빈 블레이드 세트의 직경보다 큰 직경을 가질 수 있다. 바람직하게, 상기 구동 터빈 블레이드 세트에 대한 상기 펌프 터빈 블레이드 세트의 최적 직경 비율은 1:1.617이다.

본 발명의 일 측면에서, 상기 구동 터빈 블레이드 세트와 펌프 터빈 블레이드 세트는 서로 중첩되도록 맞물려질 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에서, 상기 구동 터빈 블레이드 세트는 펌프 터빈 블레이드 세트는 이격된 관계에 있을 수 있다. 상기 구동 터빈 블레이드 세트 및 펌프 터빈 블레이드는, 상기 구동 터빈 블레이드 세트 직경의 3.2배의 비율로 이격될 수 있다. 상기 구동 터빈 블레이드 세트와 펌프 터빈 블레이드 세트의 간격은 상기 비율에 따라 달라질 수 있다.

상기 구동 터빈 블레이드 세트와 펌프 블레이드는, 상기 펌프 터빈 블레이드 세트가 상기 구동 터빈 블레이드 세트의 직경에 대해 작은 직경, 같은 크기의 직경 또는 큰 직경을 갖도록 허용하는 이격 관계에 있을 수 있다.

상기 유로는, 상기 구동 터빈 블레이드 세트와 상기 펌프 터빈 블레이드 세트 사이에 위치한 챔버를 포함할 수 있다. 상기 챔버는, 상기 펌프 블레이드 세트에 다가가면서 합쳐지기 이전에 상기 구동 터빈 블레이드 세트로부터 외부로 연장될 수 있다.

상기 유로는, 상기 구동 터빈 블레이드 세트의 상류로 위치한 수렴 영역(converging portion)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 유로는 상기 펌프 터빈 블레이드 세트의 하류로 위치한 발산 영역(diverging portion)을 포함할 수 있다.

상기 수렴 영역은 유체가 통과하는 과정에서 단면적이 감소하고, 그곳을 통과하는 유체의 속도 및 압력을 증가시킨다. 동시에 상기 발산 영역은 그곳을 통과하는 유체의 속도와 압력을 감소시킨다. 각 영역은 상기 터빈 유니트의 상기 챔버를 향하는 방향으로 모이도록 구성된다.

상기 수렴 영역은, 유체가 상기 구동 터빈 블레이드 세트로 이동할 때, 유체 속도를 증가시키도록 돕는다. 이것은, 펌프 터빈 블레이드 세트의 동작과 결합되고, 유체 속도가 중력(물의 경우, 7m/sec)에 기인하는 상기 유체의 종단 속도(terminal velocity)를 초과하도록 허용한다. 또한, 유체 속도를 35m/sec까지 또는 35m/sec 이상으로 유도하며, 최대 운동 에너지가 상기 유체 유동(fluid flow)으로부터 추출될 수 있도록 허용하고 보장한다. 바람직하게, 상기 발산 영역은, 상기 유체가 상기 터빈 블레이드 세트로부터 멀어질 때, 상기 터빈 블레이드 세트의 유체 유동 에너지 손실에 의해 생성된 배압(back pressure)을 감소시키는데 기여한다. 상기 구동 터빈 블레이드 세트는, 그 상류에 위치하고, 상기 유체를 상기 구동 터빈 블레이드 세트의 블레이드들로 안내하기 위한 스테이터(stator)를 가질 수 있다. 바람직하게, 상기 스테이터는 공통 축을 갖도록 상기 샤프트(shaft)에 장착된다.

또한, 추가적인 스테이터들은 상기 터빈 유니트의 다른 부분들과 관련될 수 있다. 스테이터는 회전하지 않는 블레이드들의 세트일 수 있고, 주요 역할은 유체의 방향을 바꾸는 것이다.

이 경우에, 상기 펌프 터빈 블레이드 세트가 상기 터빈 장치 내의 압력에 미치는 영향의 결과로서, 상기 유체의 질량 유량(mass flow)과 관련 압력은, 종래 기술의 장치와 달리, 상기 스테이터에 의해 방해되지 않는다. 그러므로, 더 높은 속도에서 방해받지 않은 질량 유량(mass flow)은 상기 구동 터빈 블레이드 세트와 부딪치는 상기 유체의 힘을 증가시키고, 차례로 전기 에너지로 변환될 수 있는 유효 에너지(available energy)를 증가시킨다.

상기 펌프 터빈 블레이드 세트는, 상기 시뮬레이션 펌프로부터 상기 유로를 유동하는 유체 및 상기 수렴 영역을 통과한 유체에 의한 최소의 헤드 손실(head losses)을 보장하도록 크기를 바꿀 수 있고, 그러므로, 유효 위치 에너지 및 운동 에너지로부터 생성될 수 있는 전체 에너지를 극대화 하기 위한 요구 유체 속도에서, 보장하는 최소의 장애가 시뮬레이션 펌프에 의해 생성된 유체 유동의 질량 및 압력 수두(pressure head)에 발생하도록 한다.

복수 개의 터빈 유니트들은 연속적으로 위치될 수 있다. 상기 유니트들은, 어느 한 터빈 유니트로부터 나온 유체가 즉시 다른 인접한 터빈 유니트로 이동하도록 인접한 배열로 배치될 수 있다.

연속적인 복수 개의 터빈 유니트들의 사용은 유체 유동의 장애 및 압력을 최소화하는 상기 펌프 터빈 블레이드 세트의 결과로서만 가능하고, 그렇지 않으면, 상기 유체 유동의 장애 및 압력은 상기 구동 터빈 블레이드 세트에 공존할 것이다.

본 발명의 일 측면에서, 상기 터빈 장치는 제1 터빈 유니트와 제2 터빈 유니트를 포함하고, 각 터빈 유니트는, 유체가 상기 터빈 장치를 통과하는 과정에서, 제2 터빈 유니트의 상기 구동 터빈 블레이드 세트와 펌프 터빈 블레이드 세트를 통과하고, 상기 저장조로 이동하기 이전에, 제1 터빈 유니트의 앞을 개방하는 벤투리(venturi)를통과하고, 제1 터빈 유니트의 상기 구동 터빈 블레이드 세트와 펌프 터빈 블레이드 세트를 연속적으로 통과하도록, 실질적으로 끝과 끝을 잇는 관계에 있다.

상기 터빈 블레이드 어셈블리(turbine blade assembly)는 제3 터빈 유니트를 포함할 수 있다. 상기 제3 터빈 유니트는, 제2 터빈 유니트를 나온 유체가 제3 터빈 유니트로 들어가도록 제2 터빈 유니트와 인접해 있을 수 있다.

서로에 대하여 방향과 구조를 달리하여 실질적으로 직렬로 마련된 복수 개의 터빈 블레이드 유니트들일 수 있다. 이러한 구조들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 이해될 것이다.

각 터빈 유니트는 개별 축에 장착될 수 있다.

상기 터빈 어셈블리 내부로의 유체 유동과 상기 터빈 어셈블리 외부로의 유체 유동은 다양한 경로(path)들을 통할 수 있고, 이러한 변형은 본 발명에 의해 포함되는 것으로 이해될 것이다.

상기 구동 터빈 블레이드 세트와 펌프 터빈 블레이드 세트가 서로에 대해 역의 관계(reversed relation)로 배치될 때, 본 발명의 일 측면에서, 2개의 터빈 블레이드 세트들 사이의 한 점의 입장에서 고려하면, 하나의 터빈 블레이드 세트의 터빈 블레이드들은 다른 터빈 블레이드 세트의 터빈 블레이드들의 거울 이미지(mirror image)이다. 또 다른 측면에서, 하나의 터빈 블레이드 세트의 터빈 블레이드들은, 다른 터빈 블레이드 세트의 터빈 블레이드들과 180° 각도로 오프셋(offset)된다.

상기 구동 터빈 블레이드 세트와 펌프 블레이드는, 상기 펌프 터빈 블레이드 세트가 상기 구동 터빈 블레이드 세트의 직경에 대해 작은 직경, 같은 크기의 직경 또는 큰 직경을 갖도록 허용하는 이격 관계에 있을 수 있다. 대안으로, 상기 구동 터빈 블레이드 세트와 펌프 터빈 블레이드 세트는 2개의 블레이드 세트가 서로 약간 중첩됨으로써 맞물려지거나, 포개질 수 있다.

상기 구동 터빈 블레이드 세트와 펌프 터빈 블레이드 세트는 서로 대향 관계로 배치될 수 있고, 다시 말해, 블레이드들은 서로에 대하여 반전(reversed)되고, 상기 유체가 상기 구동 터빈 블레이드 세트에 부딪칠 때, 상기 블레이드들은 축 회전을 시작한다. 상기 펌프 터빈 블레이드 세트와 상기 구동 터빈 블레이드 세트가 공동 샤프트(common shaft)로 연결됨에 따라, 상기 펌프 터빈 블레이드 세트는 동시에, 상기 구동 터빈 블레이드 세트와 같은 속도로 회전할 것이다. 상기 펌프 터빈 블레이드 세트가 회전할 때, 펌프 터빈 블레이드들의 뒤에 저압 영역을 발생시키고, 상기 구동 터빈 블레이드 세트와 펌프 터빈 블레이드 세트 사이뿐만 아니라 상기 구동 터빈 블레이드 세트의 앞쪽에 저압 영역을 유도한다. 이것은 실질적으로 높은 압력에서 상기 구동 터빈 블레이드 세트를 통과하는 유체의 질량 유량(mass flow)을 증가시키게 되고, 유체가 더욱 큰 힘으로 상기 구동 블레이드 세트와 충돌하게 한다.

종래 기술과 대조적으로, 본 발명은 전력을 생산하기 위해 어떤 장소에도 위치되고, 작동될 수 있는 터빈 장치를 제공한다. 상기 터빈 장치는 자족적이고, 독립적인 장치 또는 현존하는 댐, 저장조, 강, 석호(lagoon), 호수, 수영장, 탱크, 다른 유체 바디(자연적 또는 인공적)의 일측에 설치될 수 있는 운반 가능한 독립적인 장치로서 작동될 수 있다. 본 발명은, 상기 터빈 장치의 상기 터빈 유니트들을 구동하기 위한 충분한 양의 헤드(positive head)를 발생시키기 위해 유동하는 물의 수원(source) 또는 댐과 같은 중요한 인프라를 요구하지 않는다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 몇 가지 실시예들에 대한 하기 설명을 참조하여 더욱 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 터빈 장치의 개략 평면도이다.
도 2는 도 1의 터빈장치가 지지 골조(supporting frame work)와 연결된 발전기(generator)를 갖는 상태의 개략 측면도이다.
도 3은 도 2의 평면도이다.
도 4는 제1 실시예의 터빈 장치에 포함된 터빈 유니트의 측단면도이다.
도 5는 제2 실시예에 따른 터빈 장치에 포함된 일련의 터빈 유니트의 개략도이다.
도 6은 제2 실시예에 따른 터빈 장치에 포함된 터빈 유니트의 측단면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 터빈 블레이드 세트들의 분해 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 터빈 장치의 사시도이다.
도면에서, 유사한 구성요소는 몇몇 도면에 걸쳐 유사한 도면부호로 언급된다. 상기 도시된 도면은 반드시 비율이 맞춰진 것이 아니고, 대신에 본 발명의 원리를 설명하는 것에 일반적으로 중점을 둔다.

도 1 내지 도 4를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 발명은 유동하는 유체로부터 에너지를 추출하기 위한 터빈 장치(10)의 형태이다. 상기 터빈 장치(10)는 상기 유체가 통과하는 3개의 터빈 유니트(11)를 포함한다.

또한, 상기 터빈 장치(10)는 유체를 제1 터빈 유니트(11a)로 전달하기 위한 시뮬레이션 펌프(14) 및 상기 유체를 저장하기 위한 저장조(20)를 포함한다.

각 구성요소는 파이프들(32)을 통해 서로 연통된다. 도 1에 도시된 바와 같이 상기 저장조(20)는 연결된 파이프(32)의 확장된 영역(enlarged section)이다.

도 1, 2 및 3에 도시된 바와 같이 제1 실시예의 터빈 장치(10)는 실질적으로 밀폐 시스템(closed system)이다. 그러나, 때때로 상기 터빈 장치(10)는 어떤 누설에도 대응하기 위하여 유체 상부에 놓이는 것이 필요할 수도 있다. 또한, 상기 터빈 장치(30)는 파이프들(32) 내부 공기압이 대기압과 비교적 동일하게 유지되도록 에어 벤트(air vent, 32)를 가질 수 있다.

도 2와 도 3을 참조하면, 터빈 장치(10)는 작동 준비가 완료된 상태이다. 상기 도면들에서 상기 터빈 장치(10)는 프레임(36)에 의해 지지되고, 터빈 유니트들(11)이 저장조(20) 위에 유지된 상태의 터빈 장치(10)로 정해진다.

각 터빈 유니트(11)는 구동 터빈 블레이드 세트(13) 및 공통 축을 갖도록 공동 샤프트(17)에 장착된 펌프 터빈 블레이드 세트(15)를 포함한다. 도 4에서 유동 흐름은 화살표 A로 표시된다.

상기 구동 터빈 블레이드 세트(13)와 펌프 터빈 블레이드 세트(15)는 하우징(19) 내에 형성된 유로(21)내에 위치된다. 상기 유로(21)는 유체를 상기 구동 터빈 블레이드 세트(13)와 펌프 터빈 블레이드 세트(15)로 안내한다.

도 4를 참조하면, 상기 유로(21)는 제1 단(23)과 제2 단(25)을 갖는다. 또한, 상기 유로(21)는 상기 제1 단(23)과 상기 구동 터빈 블레이드 세트(13) 사이에 위치한 수렴 영역(27, converging portion) 및 상기 구동 터빈 블레이드 세트(13)와 상기 펌프 터빈 블레이드 세트(15) 사이에 위치된 확산 영역(29, diverging portion)을 포함한다.

도 3에 잘 도시된 바와 같이, 각 터빈 유니트(11)의 상기 샤프트(17)는 하우징(19) 외부로 연장된다. 각 샤프트는 발전기(30)와 연결된 큰 샤프트(18)와 결합된다.

초기 작동에서, 시뮬레이션 펌프(14)는 저장로(20)로부터, 조절된 유체 부피과 압력 수두(pressure head)로 유체를 상기 제1 터빈 유니트(11a)의 상기 구동 터빈 블레이드 세트로 공급한다. 상기 유체는 상기 유로(21)의 제1 단(23)을 통과하여 수렴 영역(27)을 통과한다. 상기 수렴 영역(27)은, 상기 유체가 상기 구동 터빈 블레이드 세트(13)와 충돌하기 전에 효과적으로 유체의 속도를 증가시킨다. 상기 유체는 상기 구동 터빈 블레이드 세트(13)를 회전시키고, 샤프트(17)와 펌프 터빈 블레이드 세트(15)를 회전시킨다.

일단 펌프 터빈 블레이드 세트(15)가 회전하면, 상기 2개의 터빈 블레이드 세트들(13, 15) 사이의 유로(21) 영역에서 저압 영역이 발생된다. 상기 펌프 터빈 블레이드 세트(15)는, 유체가 펌프 터빈 블레이드 세트(15)를 통과할 때까지 상기 구동 터빈 블레이드 세트(13)로부터 유체를 효과적으로 끌어 당긴다. 그때 이것은 상기 유체를 제1 터빈에서, 같은 과정이 발생하는 제2 터빈 유니트(11b)로 밀어낸다. 제3 터빈 유니트(11c)에서도 유사하다. 제3 터빈 유니트(11c)에서 나가자마자 상기 유체는 상기 저장조(20)로 채워진다.

상기 유체에 대한 펌프 터빈 블레이드 세트(15)의 당김 작용은 상기 구동 터빈 블레이드 세트(13) 앞쪽에서 발생될 수 있는 압력 상승뿐만 아니라 상기 구동 터빈 블레이드 세트(13)에 의해 발생되는 역류 압력 손실(backflow pressure losses)을 완화시키고, 상기 구동 터빈 블레이드 세트(13)의 상류로 더 낮은 저압 영역을 발생시킨다. 또한, 상기 당김 효과는 난류(turbulence)를 감소시키고, 유체 속도를 증가시키는 것을 돕는다.

유체가 터빈 유닛(11)의 유로(21)로 들어가면, 상기 유체는 상기 구동 터빈 블레이드 세트(13)를 향하여 상기 수렴 영역(27)을 통과하면서 가속된다. 상기 구동 터빈 블레이드 세트(13)가 회전할 때 상기 펌프 터빈 블레이드 세트(15) 또한 유로(21)를 통과하는 많은 유체를 끌어당기기 위하여 회전한다. 동일한 샤프트에 장착되어 있기 때문에, 상기 펌프 블레이드 세트(15)의 회전은 상기 구동 블레이드 세트(13)의 회전에 의하여 유도된다.

펌프 터빈 블레이드 세트(14)의 블레이드들은, 상기 구동 블레이드 세트(13)의 블레이드들과 반전되기 때문에, 상기 펌프 터빈 블레이드 세트(15)는 상기 구동 블레이드 세트(13)로부터 유체를 끌어당기고, 펌프 터빈 블레이트 세트 하류로, 유로(21) 밖으로, 유체를 밀어낸다.

본 발명의 제2 실시예는 도 5, 6 및 7에 도시된다. 편의를 위하여 제1 실시예의 터빈 장치(10)의 특징들과 유사하거나 대응되는 터빈 장치(110)의 특징들은 동일한 참조번호로 참조된다.

본 실시예에서 터빈 장치(110)는 각 터빈 유니트(111)의 구조의 결과로 더욱 컴팩트하다. 도 6과 도 7을 참조하면 각 터빈 유니트(111)는 구동 터빈 블레이드 세트(13)와 공동 축(17)에 공통 축으로 장착된 펌프 터빈 블레이드 세트(15)를 포함한다. 상기 구동 터빈 블레이드 세트(13)와 펌프 터빈 블레이드 세트(15)는 하우징(119) 내에 형성된 유로(121)에 위치된다. 상기 유로(121)는 수렴 영역과 발산 영역을 갖지 않는 실린더 형상이다.

상기 구동 터빈 블레이드 세트(13)와 펌프 터빈 블레이드 세트(15)는, 도 7에 잘 도시된 바와 같이, 중첩 또는 맞물림의 결과로 서로 연관지어 배치된다. 이러한 방향에서, 2개의 터빈 블레이드 세트(13, 15) 사이에 공간이 존재하지 않는다. 이러한 구조는 각 터빈 유니트(111)의 길이가 상당히 축소되도록 허용하고, 터빈 장치(111)가 더욱 컴팩트해지도록 허용한다.

상기 터빈 유니트(111)는 상기 유체의 흐름은 지원하기 위한 2개의 터빈 블레이드 세트들(13, 15) 사이의 중심으로 위치된 벤투리 비드(venturi bead, 112)를 갖는다.

본 발명의 제3 실시예는 도 8에 도시된다. 편의를 위하여, 제1 실시예의 터빈 장치(10)의 특징들과 유사하거나 대응하는 터빈 장치(210)의 특징들은 동일한 참조번호들로 참조된다.

본 실시예에서, 터빈 장치(210)는 예를 들어, 댐, 강, 호수 또는 수영장과 같은 많은 양의 유체가 마련된 저장조(220)를 갖는다. 작동 중에, 시뮬레이션 펌프(14)는 최초로 상기 저장조(220)로부터 물을 유입부(238)를 통해 제1 터빈 유니트(11a)로 공급한다. 일단, 유체가 3개의 터빈 유니트들(11)을 통과하면, 유체는 유출부(240)를 통해 저장조(220)에 다시 채워진다.

상기 실시예들 각각에서, 펌프 터빈 블레이드 세트의 회전은, 상기 회전이 없는 경우보다, 실질적으로 낮은 압력 영역의 생성을 통해 상기 구동 터빈 블레이드 세트를 통과하는 큰 질량유량(mass flow)을 유도하게 한다.

구동 터빈 블레이드 세트와 펌프 터빈 블레이드 세트를 갖도록 구성된 각 유니트로 인해, 구동 터빈 블레이드 세트에 의해 발생된 에너지 손실은, 펌프 터빈 블레이드 세트가 펌프로서 작동함에 따라, 펌프 터빈 블레이드 세트의 작동에 의해 보상된다. 상기 에너지는 상기 구동 터빈 블레이드 세트로부터 축을 따라 상기 펌프 터빈 블레이드 세트로 효과적으로 전달된다. 이것은 오직, 구동 터빈 블레이드 세트가 통상적인 방식으로 작동하는 동안에, 양 터빈 블레이드가 세트가 같은 축에 장착되고, 동시에 회전하고, 펌프 터빈 블레이드 세트가 상기 터빈 유니트를 통과하는 상기 유체를 당길 수 있도록 반대 방향인 경우에만 가능하다.

상기 시뮬레이션 펌프는 최초에 외부 공급원으로부터 에너지의 공급이 요구된다. 상기 시뮬레이션 펌프의 효율은, 단일 터빈 장치(single turbine apparatus)가, 상기 터빈 장치를 작동시키기 위해 요구되는 위치(잠재) 에너지 레벨을 넘어서도록 생성될 전체 에너지 레벨을 생산할 최소 속도를 결정한다.

상기 전체 에너지(T_E)는 터빈 장치에 의해 생성된 위치에너지(P_E)와 운동 에너지(K_E)의 합계이고, 기계적 에너지가 전기 에너지로 전환된다.

상기 생성된 전기 에너지는, 상기 시뮬레이션 펌프의 작동 및 요구 유량 및 압력 수두(pressure head)에서 유체의 공급을 유지시키기 위해, 시뮬레이션 펌프로 다시 공급된다.

일단 발생된 전기 에너지가 시뮬레이션 펌프에 요구되는 잠재(전기) 에너지를 넘어서면, 그때 상기 터빈 장치는 대체로 독립형 유니트가 되고, 그때 외부의 전원 공급이 요구되지 않는다.

사용될 유체가 물이라고 가정하고, 상기 시뮬레이션 펌프가 80%의 효율등급 (efficiency rating)을 가지면, 터빈 장치가 전원을 공급하기 위한 유체의 요구 속도(desired velocity)는 펌프당 16.55m 이다. 상기 시뮬레이션 펌프가 90%의 효율등급을 가지면, 유체의 요구 속도는 13.7 m/s이다.

일 실시예에서, 상기 시뮬레이션 펌프는 85%의 효율을 갖고, 유체 속도는 23m/s인 경우, 직렬로 연결된 제1 유니트 또는 단일 터빈 장치에 의해 발생(이론 상의)된 전력 레벨은 상기 시뮬레이션 펌프를 작동시키기 위해 요구되는 전기 에너지의 1.41배이다.

본 발명은 터빈 장치와 관련되어, 상기 시뮬레이션 펌프는 제1 터빈 유니트를 구동하기 위해 필요한 유체 유동 및 헤드(head)를 모사 또는 만들어낸다. 더욱이, 터빈 유니트의 내부의 기계적인 구조의 결과로, 유체 유동은 지연되지 않고, 복수 개의 터빈 유니트들은 전원을 발생시키기 위해 직렬로 연결되어 사용될 수 있다.

상기 구동 터빈 블레이드 세트는 유로를 통과할 때 블레이드들과 부딪치는 유체의 힘에 의해 회전하는 구동 블레이드들을 포함한다.

상기 펌핑 터빈 블레이드 세트는, 그들의 디자인과 구동 터빈 블레이드 세트에 대하여 발생한 방향에 의하여, 유체를 방출하기 전에, 하우징의 유로를 통해 상기 펌프 터빈 블레이드들을 향하여 유체를 끌어당기는 블레이드들을 포함한다.

펌프 터빈 블레이드 세트의 작동은, 구동 터빈 블레이드 세트의 앞쪽과 펌프 터빈 블레이드 세트의 뒤쪽 사이에 높은 차압(pressure differential)을 발생시킨다. 유체가 고압 영역(구동 터빈 블레이드 세트의 앞쪽)으로부터 저압 영역(펌프 터빈 블레이드 세트의 뒤쪽)으로 이동할 때, 이러한 차압은 큰 질량유량(mass flow rate)을 유도한다. 상기 고압 영역은 자연적(예를 들어, 대기압) 또는 강제적(예를 들어, 퍼 올려진 또는 압력 헤드)으로 발생될 수 있다. 그러므로, 상기 펌프 터빈 블레이드 세트는, 구동 터빈 블레이드들을 통해, 증가된 질량류(mass flow)과 유체 속도를 유도한다. 상기 펌프 터빈 블레이드 세트의 작동에 의하여, 터빈 어셈블리를 통과하는 유체의 속도는 증가(물인 경우, 7m/sec 에서 35m/sec 이상까지로 증가)하고 이에 의해 상기 유체의 속도는 실질적으로 중력에 의해 발생된 종단속도를 초과한다.

더욱이, 상기 펌핑 터빈 블레이드 세트는 유체를 통과시키고, 동시에 배압(back pressure)의 가능성 및 통상 상기 구동 터빈 블레이드 세트의 앞쪽에서 발생하는 유체 유동의 장애를 제거한다.

상기 구동 터빈 블레이드 세트의 직경에 대하여 상기 펌핑 터빈 블레이드 세트의 직경은, 같거나, 작거나 클 수 있으며, 터빈 어셈블리가 사용되는 상황(예를 들어, 경사지에 위치)뿐만 아니라 요구되는 결과에 의존한다.

전기를 발생하기 위하여, 교류 발전기(alternator) 또는 모터가 상기 공동 샤프트(common shaft)에 연결되도록, 상기 공동 샤프트는 하우징을 통과하여 연장되고, 하우징으로부터 돌출된다.

양 터빈 블레이드 세트들은, 그것들과 연관된 하나의 스테이터(stator)를 포함할 수 있다. 스테이터의 정지된 블레이드들은, 터빈 블레이드 세트들의 블레이드들로 유체의 방향을 바꾼다.

일부 실시예에서, 상기 하우징은 수렴하는 벤투리(convergent venturi)를 지지한다. 상기 수렴하는 벤투리는, 질량 보존의 법칙에 의해 유체의 속도를 증가시키는 수렴 영역을 제공한다. 질량 보존의 법칙은 유체가 좁은 영역을 이동할 때, 유체의 속도가 증가하는 것을 명시하고, 그 반대도 또한 같다.

일부 실시예에서, 상기 하우징은 발산하는 벤투리(divergent venturi)를 지지한다. 상기 발산하는 벤투리는, 그곳을 통과하는 유체의 속도를 감소시키는 발산 영역(divergence area)을 제공한다.

상기 구동 터빈 블레이드 세트의 바로 앞에 상기 수렴하는 벤투리의 목적은, 중력에 의해 기인하는 유체의 종단 속도(물인 경우, 약 7m/sec)를 초과하는 레벨로 유체의 속도를 증가시키는 것이다. 이것은 유동하는 유체로부터 운동 에너지를 최대로 추출하는 것을 용이하게 한다.

상기 펌프 터빈이 위치되는 상기 하우징의 영역은 발산하는 벤투리를 또한 포함할 수 있다. 상기 하우징은 상기 구동 터빈 블레이드 세트로부터 상기 펌프 터빈 블레이드 세트를 향하여 멀어질수록 발산할 수 있고, 두 개의 터빈 블레이드 세트 사이에 동일한 크기를 가질 수 있거나, 상기 구동 터빈 블레이드 세트로부터 상기 펌프 터빈 블레이드 세트로 수렴할 수 있다.

작동시키기 위하여, 상기 터빈 어셈블리는 유체 저장조와 연통되도록 설치된다. 상기 유체 저장조는 다양한 형태를 가질 수 있고, 예를 들어, 소정 유체 바디(fluid body), 댐, 저장조, 호수, 탱크, 유체를 수용할 수 있고, 유체를 펌프 또는 유체가 터빈 어셈블리를 통해 내부로 안내될 수 있도록 하는 소정 기계장치에 의해 계속 뽑아내지도록 하는 소정 크기 및 형상을 갖는 에워싸인 도관(conduit)(파이프 라인 또는 다른 것)을 포함할 수 있다. 다수의 터빈 어셈블리들이 직렬로 연결될 수 있다. 일단 유체가 터빈 어셈블리를 통과하면, 상기 유체는 상기 유체 저장조로 다시 채워진다.

시뮬레이션 펌프는 상기 하우징에 연결되고, 상기 터빈 어셈블리를 통과하는 유체 유동과 헤드를 발생하거나, 조절하기 위해 사용된다. 상기 시뮬레이션 펌프는 댐과 같이, 터빈들(예를 들어, 수력발전)을 작동시키기 위해 요구되는 상기 헤드와 유동을 발생시키는 유체를 둘러싸기 위한 구조물의 필요를 대체한다.

상기 터빈 장치는, 2m 정도의 낮은 양의 수두(positive heads)에서 100m 이상의 양의 수두까지 작동될 수 있고, 펌프당 20 리터 정도의 낮은 유체 유동 속도에서 펌프당 100,000리터 이상의 유체 유동 속도까지 작동될 수 있다.

통상의 지식을 갖는 당업자에게 명백한 수정, 변경들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 고려된다.

하부 및 상부와 같은 위치적 설명에 대한 참조는 도면에 도시된 실시예들의 맥락에서 받아 들여지고, 용어의 문언 해석에 본 발명을 제한하는 것으로 받아들여져서는 안되고, 오히려 통상의 기술자에 의해 이해되는 식으로 받아들여져야 할 것이다.

문맥에서 다르게 요구하지 않는 경우, 명세서 전체에 걸쳐, “포함하다” 란 용어 또는 “포함한다” 또는 "포함하는"과 같은 변형들은, 다른 요소 또는 요소 그룹의 배제를 의미하는 것이 아니고, 언급된 요소 또는 요소 그룹의 포함을 의미하는 것으로 이해될 것이다.

10: 터빈 장치
11a, 11b, 11c: 터빈 유니트
13: 구동 터빈 블레이드 세트
14: 시뮬레이션 펌프
15: 펌프 터빈 블레이드 세트
17: 공통 샤프트
19: 하우징
21: 유로
27: 수렴 영역
29: 확산 영역
30: 발전기
32: 파이프

Claims (32)

1. 유동하는 유체로부터 에너지를 추출하기 위한 터빈 장치로서,
   유체가 통과하는 적어도 하나의 터빈 유니트;
   유체를 상기 적어도 하나의 터빈 유니트로 전달하기 위한 시뮬레이션 펌프; 및
   유체를 저장하기 위한 저장조를 포함하며,
   적어도 하나의 터빈 유니트는 상기 적어도 하나의 터빈 유니트를 통과하는 유체를 끌어당기도록 구성되고,
   적어도 하나의 터빈 유니트는 펌프 터빈 블레이드 세트의 상류에 위치한 구동 터빈 블레이드 세트를 포함하고, 구동 터빈 블레이드 세트와 펌프 터빈 블레이드 세트는 모두 하우징의 유로에 장착되며, 유체가 통과하는 방향과 일치하거나 평행한 축을 기준으로 회전 가능한 터빈 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 시뮬레이션 펌프는 구동 터빈 블레이드 세트로 직접 유체를 공급하는 터빈 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 시뮬레이션 펌프는 가변적으로 작동하여 적어도 하나의 터빈 유니트로의 유체 전달을 변화시키는 터빈 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 시뮬레이션 펌프는 터빈 유니트의 개구부(opening) 앞쪽에 위치되는 터빈 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 시뮬레이션 펌프는 댐 또는 저장조에 의해 생성될 수 있는 유체 및 압력 수두를 모사하기 위해 사용되는 유체 펌프인 터빈 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 터빈 유니트, 저장조, 및 시뮬레이션 펌프는 파이프들로 유체 연결되고, 터빈 장치는 폐회로(closed circuit)인 터빈 장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 저장조는 파이프(pipe)의 확장된 영역에 마련되는 터빈 장치.
8. 제 7 항에 있어서, 저장조의 부피는 초 단위 시간에 터빈 유니트를 통과하는 유체 부피의 적어도 2배와 동일한 터빈 장치.
9. 제 7 항에 있어서, 터빈 장치는 내부에 유체가 없는 공동 영역(void section)을 갖는 터빈 장치.
10. 제 9 항에 있어서, 공동 영역은 초 단위 시간에 터빈 유니트를 통과하는 유체 부피의 절반인 터빈 장치.
11. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 대기의 압력과 내부 공기압의 평형을 위한 적어도 하나의 에어 밸브(air valve)를 추가로 포함하는 터빈 장치.
12. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 저장조는 대기로 개방된 유체의 몸체에 마련되고, 터빈 장치의 유입구와 유출구는 상기 유체의 몸체와 연통되는 터빈 장치.
13. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 구동 터빈 블레이드 세트와 펌프 터빈 블레이드 세트는, 같은 방향과 같은 속도로 회전하게 구속되도록 공동 샤프트에 장착된 터빈 장치.
14. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 구동 터빈 블레이드 세트와 펌프 터빈 블레이드 세트는 대향 관계로 장착되어, 펌프 터빈 블레이드 세트가 구동 터빈 블레이드 세트와 역의 관계에 있어서, 작동 중에 펌프 터빈 블레이드 세트가 구동 터빈 블레이드 세트로부터 유체를 끌어당겨서, 구동 터빈 블레이드 세트의 앞쪽에 저압 영역 및 구동 및 펌프 터빈 블레이드 세트 사이에 저압 영역을 발생시키고, 상기 저압 영역들의 압력은 터빈 유니트로 공급되는 유체의 압력 보다 낮은 터빈 장치.
15. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 터빈 장치가 단일 터빈 유니트를 포함하는 경우, 구동 터빈 블레이드 세트에 부딪치는 유체의 속도는 유체의 종단속도(terminal velocity) 보다 큰 터빈 장치.
16. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 구동 터빈 블레이드 세트와 펌프 블레이드 세트는 이격된 관계인 터빈 장치.
17. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 터빈 장치가 복수 개의 터빈 유니트들을 포함하는 경우, 인접하는 터빈 유니트들의 샤프트의 회전축은 서로에 대하여 오프셋(offset)인 터빈 장치.
18. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 펌프 터빈 블레이드 세트는 구동 터빈 블레이드 세트와 동일한 크기인 터빈 장치.
19. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 펌프 터빈 블레이드 세트는 구동 터빈 블레이드 세트의 직경보다 큰 직경을 갖는 터빈 장치.
20. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 구동 터빈 블레이드 세트와 펌프 블레이드 세트는 서로 중첩되게 위치하는 터빈 장치.
21. 제 16 항에 있어서, 구동 터빈 블레이드 세트 및 펌프 터빈 블레이드는 구동 터빈 블레이드 세트 직경의 3.2배의 비율로 이격된 터빈 장치.
22. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 2개 이상의 터빈 유니트를 포함하며, 상기 터빈 유니트들은 서로에 대하여 다른 방향을 가지고, 직렬로 연결된 터빈 장치.
23. 제 22 항에 있어서, 각 터빈 유니트는 독립적인 샤프트를 갖는 터빈 장치.
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