KR102136268B1 - 유체 유동으로부터 에너지를 변환하는 장치 - Google Patents

Abstract

물 유동으로부터 전기를 발생시키는 장치(12)는 물줄기 내에 위치하는 수렴부(14), 디퓨저부(20) 및 튜브(22)를 포함한다. 수렴부의 끝단 및 혼합 챔버 사이에 벤투리(18)가 정의되도록 수렴부가 혼합 챔버(16)의 제1 끝단에 연결된다. 디퓨저부는 혼합 챔버의 제2 끝단에 연결되고, 디퓨저부는 사용 시 디퓨저부의 출구에서의 압력이 벤투리에서의 압력에 비하여 크도록 구성된다. 튜브의 적어도 일부가 수렴부 내에 위치되어, 제1 유로를 형성하도록 환형부가 튜브 및 수렴부 사이에 정의된다. 튜브는 튜브 내에 제2 유로를 정의하며; 발전기(28)에 연결 가능한 터빈(26)이 튜브 내에 위치된다.

Description

유체 유동으로부터 에너지를 변환하는 장치{APPARATUS FOR CONVERTING ENERGY FROM FLUID FLOW}

본 발명은 물 유동으로부터 전력을 발생시키는 시스템 및 장치에 관한 것이다.

파도, 조류, 흐름 또는 하천 유동을 전기로 변환하는 다수의 시스템이 제안되었다. 전력을 생산하는 데에 사용되는 일종의 장치는 보통 조류에 의해 구동되는 자유 흐름 수중 터빈이다. 배치된 수중 자유 흐름 터빈은 배열로 배치될 수 있지만, 상호 성능 저하를 방지하기 위해 개별 터빈 사이의 상당한 이격을 필요로 한다.

현실적으로, 이러한 장치는 또한 상업용 에너지 생산에 사용될 수 있도록 빠른 유속을 필요로 한다. 수중 자유 흐름 터빈은 물 유동 내에 존재하는 운동 에너지에 의존하여 전력을 발생시키므로, 실행 불가능하게 큰 직경을 가지지 않고 비용 효율이 높도록 고속 유동의 유로 내에 위치하여야 한다. 이는 터빈 디스크로 유입되는 유동의 운동 에너지가 자유 흐름 유동의 속도의 제곱에 비례하기 때문이다.

임의의 자유 흐름 터빈에 의해 기계적 에너지로 전환될 수 있는 유입 운동 에너지의 이론적으로 가장 큰 부분을 베츠의 한계(Betz limit)라고 한다. 이 지점을 넘어서면, 터빈이 고체 장애물이고 더 이상 에너지에 기여하지 않는 것처럼, 물이 터빈 디스크의 외측 둘레로 단순히 유동한다.

전력을 발생시키기 위해 사용되는 추가적인 타입의 장치는 수원이 댐 내에 위치된 터빈을 통하여 물을 모두 보내는 수력 발전 댐이다. 그러나, 이러한 타입의 시스템은 발전기가 보다 효율적으로 작동할 수 있도록 5미터 이상의 수두차를 필요로 한다. 따라서, 이는 그러한 시스템이 사용될 수 있는 현장의 수를 제한한다.

본 발명은, 특히, 자유 흐름 터빈으로부터의 효과적인 에너지 생산에 바람직한 속도보다 느린 상대적으로 저속인 물의 체적 유동이 많은 상황에서, 유동 물줄기로부터 전력을 발생시키는 대안적인 장치를 제공한다. 뿐만 아니라, 본 발명은 베츠의 한계에 영향을 받지 않으며, 이에 따라, 매우 많은 양의 에너지를 발생시키는 데에 적합하다.

본 발명은 전반적으로 물 유동으로부터 전기를 발생시키는 장치에 있어서,

수렴 입력 영역, 디퓨저로 구성되는 발산 출력 영역, 및 입력 영역의 좁은 끝단과 출력 영역의 좁은 끝단 사이에서 입력 영역과 출력 영역 사이에 유로를 제공하는 협착된 스로트 영역을 갖는 벤투리 튜브와,

터빈을 가지며 벤투리 튜브 내에 구성되는 튜브를 포함하며, 벤투리 튜브 및 튜브 사이의 공간이 일차 유동을 위한 제1 유로를 형성하고 튜브가 이차 유동을 위한 제2 유로를 형성하여 사용 시 제1 유로를 통과하는 물 유동이 제2 유로를 통과하는 물 유동을 유도하도록 튜브의 끝단이 위치되는 장치에 속한다. 터빈을 갖는 튜브는 수렴 입력 영역 내에 구성될 수 있고, 수렴 입력 영역 및 튜브 사이의 공간이 제1 유로를 형성하도록 튜브의 끝단이 위치된다.

본 발명의 일 양태는 물 유동으로부터 전기를 발생시키는 장치에 있어서: 수렴부의 끝단 및 혼합 챔버 사이에 벤투리가 정의되도록 혼합 챔버의 제1 끝단에 연결되는 수렴부; 혼합 챔버의 제2 끝단에 연결되며 사용 시 디퓨저부의 출구에서의 압력이 벤투리에서의 압력에 비하여 크도록 구성되는 디퓨저부; 제1 유로를 형성하기 위해 튜브 및 수렴부 사이에 환형부가 정의되도록 수렴부 내에 위치되고 튜브 내에 제2 유로를 정의하는 튜브의 적어도 일부; 및 발전기에 연결 가능한 터빈을 포함하고, 터빈은 튜브 내에 위치되는 장치를 제공한다.

튜브는 그 상류 끝단에서 개구를 갖는 스크린을 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 튜브는 튜브의 개구부를 횡단하여 마련되는 개구를 갖는 스크린을 포함한다.

스크린의 개구의 크기는 물고기가 튜브로 들어오는 것을 방지하면서 물이 튜브를 통하여 계속 유동하도록 선택된다. 스크린은 천공된 금속 스크린 또는 그물과 같이 임의의 적합한 재료로 이루어질 수 있다. 개구의 크기는 물을 튜브를 통하여 계속 유동시키면서 물고기 및 다른 해양 동물(수달 등)이 튜브 내로 들어오는 것을 방지하도록 선택된다. 적합한 거름 시스템이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 어망이 사용된다.

수렴부, 혼합 챔버 및 발산 챔버에 의해 형성된 외측 파이프 내에 터빈이 위치되지 않으므로, 물고기 및 다른 해양 동물의 통로가 하류에 내재되지 않는다. 물고기 및 다른 해양 동물은 장치가 위치되는 댐의 일측으로부터 타측으로 안전하게 유영할 수 있다. 장치는 물고기 및 다른 동물을 해치지 않으면서 물 유동으로부터 다량의 에너지를 계속 회수할 수 있다. 스크린에 의해 물고기가 내부 튜브로 들어가는 것이 방지된다.

튜브는 출구 및 입구를 가지며, 출구를 포함하는 튜브의 적어도 일부는 수렴부 내에 위치된다. 튜브는 수렴부와 동축이며 튜브 및 수렴부 사이에는 제1 유로를 정의하도록 유격이 존재한다.

튜브는 수렴부 및 혼합 챔버에 대하여 이동 가능할 수 있다. 튜브는 수렴부 및 혼합 챔버에 대하여 축 방향으로 이동 가능할 수 있다.

튜브의 하류 끝단은 벤투리부와 동일 높이로 위치될 수 있거나, 벤투리부의 상류 또는 벤투리부의 하류에 위치될 수 있다. 튜브의 끝단은 이들 위치 사이에서 이동 가능할 수 있다.

튜브는 지지 아암에 의해 수렴부의 내면에 연결될 수 있다. 지지 아암은 일차 유동에서의 에너지 손실을 최소화하도록 구성될 수 있다.

튜브는 허브 내에 지지될 수 있다. 허브는 유동 간섭을 최소화하도록 매끄러운 프로파일을 가질 수 있다. 허브는 튜브를 축 방향으로 이동시키는 이동 기구를 포함할 수 있다. 허브 및 튜브는 수렴부에 대하여 튜브를 이동시키는 스크류 및 나사 기구를 포함할 수 있다. 허브 및 튜브는 허브 및 수렴부에 대하여 튜브를 이동시키는 다른 인덱싱 기구를 포함할 수 있다.

튜브의 상류 끝단은 수렴부 내에 위치될 수 있거나, 튜브의 상류 끝단은 수렴부의 입구로부터 상류에 위치될 수 있다. 튜브의 끝단은 이들 위치 사이에서 이동 가능할 수 있다. 튜브의 상류 끝단의 위치는 튜브를 통과하는 이차 유동 유량 및 튜브의 상류 끝단 및 하류 끝단 사이의 압력차를 최적화하도록 선택된다.

튜브는 튜브 내에 방사형 지지 블레이드의 배열을 포함할 수 있다. 방사형 지지 블레이드의 배열은 터빈의 블레이드와 반대이다. 방사형 지지 블레이드의 고정된 배열은 터빈의 상류 또는 하류의 위치에서 튜브 내에 위치된다.

튜브는 그 상류 끝단에 수렴 영역을 가질 수 있다. 수렴 영역은 터빈을 통과하는 원하는 유동 속도의 생성을 촉진시키는 것을 도울 수 있다. 튜브는 그 하류 영역에서 발산 영역을 가질 수 있다.

일 실시예에서, 튜브는 그 길이를 따라 실질적으로 균일한 직경을 가질 수 있다. 튜브의 개구부 및 튜브의 출구는 실질적으로 동일한 직경을 갖는다.

혼합 챔버의 입구의 단면적에 대한 수렴부의 입구의 단면적의 비율이 튜브를 통과하는 이차 유동 유량 및 튜브의 상류 끝단 및 하류 끝단 사이의 압력차를 최적화하도록 선택된다.

혼합 챔버의 입구의 단면적과 튜브의 단면적의 비율이 튜브를 통과하는 이차 유동 유량 및 튜브의 상류 끝단 및 하류 끝단 사이의 압력차를 최적화하도록 선택된다.

디퓨저부의 출구의 단면적에 대한 수렴부의 입구의 단면적의 비율이 장치의 성능을 최적화하도록 선택된다. 디퓨저부의 출구의 단면적에 대한 수렴부의 입구의 단면적의 비율은 1:1일 수 있다.

터빈은 구동 샤프트에 의해 동축 발전기에 연결될 수 있다. 대안적으로, 터빈은 풀리 휠 및 구동 벨트, 기어 휠 및 구동 샤프트, 수압 펌프 또는 배관 및 수압 모터, 또는 이들의 조합에 의해 원격 발전기에 연결된다.

디퓨저부의 출구는 실질적으로 직사각형, 원형 또는 타원형 단면을 가질 수 있다.

수렴부의 입구는 실질적으로 직사각형, 원형 또는 타원형 단면을 가질 수 있다.

디퓨저부의 출구 및 수렴부의 입구는 모두 실질적으로 원형 단면을 가질 수 있다.

혼합 챔버는 그 길이를 따라 실질적으로 원형인 단면을 가질 수 있다. 튜브를 통과하는 이차 유동 유량 및 튜브의 상류 끝단 및 하류 끝단 사이의 압력차를 최적화하기 위해 혼합 챔버는 하류 방향으로 점점 좁아질 수 있거나 넓어질 수 있다.

점점 좁아진다는 것은 혼합 챔버의 개구부가 혼합 챔버의 출구에 비하여 큰 직경을 가질 수 있도록 혼합 챔버가 하류 방향으로 수렴된다는 것을 의미한다. 점점 넓어진다는 것은 혼합 챔버의 개구부가 혼합 챔버의 출구에 비하여 작은 직경을 가질 수 있도록 혼합 챔버가 하류 방향으로 발산한다는 것을 의미한다.

외측 파이프 벤투리 및 혼합 영역은 터빈으로부터 자유롭다. 터빈을 혼합 챔버 내에 직접 구비하지 않거나 벤투리 내에 직접 구비하지 않는 것은 유동이 디퓨저부로 들어 가기 전에 이 영역을 통과하는 적절하게 조절된 유동을 유지하는 데 도움을 준다. 발산부도 터빈으로부터 자유롭다. 이차 유동만이 터빈을 통과하도록 터빈은 단지 내측 튜브 내에 구비된다.

본 발명은 또한, 각각이 수렴 입력 영역, 디퓨저로 구성되는 발산 출력 영역, 및 입력 영역의 좁은 끝단과 출력 영역의 좁은 끝단 사이에서 입력 영역과 출력 영역 사이에 유로를 제공하는 협착된 스로트 영역을 갖는 복수의 벤투리 튜브와;

터빈, 입구 영역 및 다수의 출구 영역을 가지며 벤투리 튜브 내에 구성되는 튜브를 포함하며, 튜브는 수렴 입력 영역 및 입력 영역 내의 튜브의 일부 사이의 공간이 일차 유동을 위한 제1 유로를 형성하고 튜브가 이차 유동을 위한 제2 유로를 형성하여 사용 시 제1 유로를 통과하는 물 유동이 제2 유로를 통과하는 물 유동을 유도하도록 튜브의 각 출구가 벤투리 튜브의 수렴 입력 영역에 위치되도록 구성되는 시스템에 속한다. 터빈은 튜브의 입구 영역에 위치될 수 있다.

본 발명의 추가적인 양태는 물 유동으로부터 전기를 발생시키는 장치에 있어서,

각각이 수렴부의 끝단 및 혼합 챔버 사이에 벤투리가 정의되도록 혼합 챔버의 제1 끝단에 연결되는 복수의 수렴부;

각각이 혼합 챔버 중 하나의 제2 끝단에 연결되는 디퓨저부로서, 디퓨저는 사용 시 디퓨저의 출구에서의 압력이 벤투리에서의 압력에 비하여 크도록 구성되는 복수의 디퓨저부;

유입 튜브, 매니폴드 및 매니폴드로부터 연장되는 복수의 유출 튜브를 포함하고 유출 튜브 중 하나의 적어도 일부는 수렴부 중 하나의 내부에 위치되어 제1 유로를 형성하도록 유출 튜브 및 수렴부 사이에 환형부가 정의되며, 튜브 내의 제2 유로를 정의하는 튜브; 및

발전기에 연결 가능한 터빈을 포함하며, 터빈은 튜브 내에 위치되는 장치를 제공한다.

개구를 갖는 스크린이 유입 튜브의 개구부를 횡단하여 위치될 수 있다.

터빈은 유입 튜브 내에 위치된다. 튜브는 매니폴드 및 유입 튜브 사이에 위치되는 디퓨저 영역을 더 포함할 수 있다.

튜브의 매니폴드 영역의 단면적은 터빈이 위치되는 튜브의 단면적에 비하여 클 수 있다.

상술한 바와 같은 장치는 댐을 통과하는 유로를 제공하기 위해 댐에 설치될 수 있다.

본 발명의 추가적인 양태는 물 유동으로부터 전기를 발생시키는 시스템에 있어서, 유동하는 물줄기의 단면을 횡단하여 위치하는 장벽을 포함하고, 상술한 바와 같은 적어도 하나의 장치를 구비하며, 장치는 사용 시 장벽의 상류측으로부터 장벽의 하류측으로의 유로를 제공하도록 위치되는 시스템을 포함한다.

장벽은 상술한 바와 같은 적어도 두 개의 장치를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 장벽은 상술한 바와 같은 장치의 배열을 포함한다. 장치는 장벽의 일측으로부터 타측으로의 유로를 제공하도록 장벽 내로 통합된다.

입력 영역 및 출력 영역이 조류에서와 같이 양방향 사용을 위해 반전될 수 있다. 예로서, 터빈을 갖는 튜브와 같은 입력 영역의 특징이 출력 영역에도 제공될 수 있다.

장치는 장벽을 통과하는 유로를 제공하는 데에 사용될 수 있다. 장벽은 댐이거나 일측에 고압 저장소 또는 물 격납부를 생성하는 물줄기 내의 다른 설치물일 수 있다.

본 발명의 추가적인 양태는 물줄기를 횡단하는 장벽을 통과하는 유로를 제공하는 방법에 있어서,

장벽 내에 상술한 바와 같은 장치를 설치하는 단계를 포함하는 방법을 포함한다.

본 발명의 추가적인 양태는 물 유동으로부터 전기를 발생시키는 방법에 있어서,

장벽의 하류측 및 상류측 사이에 수두차가 형성되도록 물 저장소를 제공하기 위해 상술한 바와 같은 시스템 또는 장치를 물줄기를 횡단하여 설치하는 단계; 및

터빈을 회전시키기 위해 장치를 통과하는 물의 유동을 사용하는 단계를 포함하는 방법을 포함한다.

후술하는 설명에서, "상류" 및 "하류"라는 용어가 장치의 특징부의 상대 위치를 정의하는 데에 사용된다. 상류 방향 및 하류 방향은 사용 시 물이 장치를 통과하는 방향과 연관되어 정의된다. 상류 끝단이 입력 영역으로 고려될 수 있고, 하류 끝단이 출력 영역으로 고려될 수 있다.

이제 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 예로서 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예의 측단면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예의 측단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 장치에 사용되는 혼합 챔버의 일례를 도시한다.
도 4는 본 발명에서 사용되는 튜브 및 터빈의 절개도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 장치에 사용되는 수렴부의 실시예의 절개도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예의 측단면도를 도시한다.
도 7 및 도 8는 본 발명의 장치에 사용되는 수렴부의 절개도를 도시한다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 상이한 실시예의 예를 도시한다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예의 개략적인 평면도를 도시한다.

도 1은 물 유동을 전기로 변환하는 본 발명에 따른 시스템을 도시한다. 시스템은, 물줄기의 폭을 횡단하여 위치되는 장벽(10)과, 장벽(10)을 통과하여 장벽의 상류측으로부터 장벽의 하류측으로 유동하는 물의 유로를 제공하는 장치(12)를 포함한다. 시스템은 수압 유동 에너지를 수압 위치 에너지로 변환한 다음, 수압 위치 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 유동에 대한 장벽의 저항은, 유동이 장치를 통과하도록 하고 터빈이 전기로의 변환을 위한 기계적 에너지를 추출하는 수압 위치 에너지의 축적을 생성하는 상류 자유 수면의 상승을 유도한다. 상승된 상류 자유면에서의 수압 위치 에너지의 축적은 상류 유동의 운동 에너지에 의해 연속적으로 보충된다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 장치(12)는 장벽(10)의 상류 위치로부터 하류 위치로의 유로를 제공한다. 장치(12)가 혼합 챔버(16)로 갈수록 좁아지는 수렴부(14)를 포함함에 따라, 벤투리(18)가 수렴부 및 혼합 챔버(16)의 경계에서 정의된다. 발산 디퓨저부(20)가 혼합 챔버(16)의 출구로부터 연장된다.

튜브(22)가 수렴부(14)의 길이의 적어도 일부를 따라 위치됨에 따라, 튜브(22)의 외면 및 수렴부(14)를 정의하는 벽의 내면 사이에 환형부(24)가 형성된다. 튜브(22)의 종축은 수렴부(14)의 종축과 실질적으로 정렬된다. 터빈(26)은 튜브(22) 내에 위치되고 구동 샤프트(30)를 통하여 발전기(28)에 연결된다.

일차 유동(32)을 위한 제1 유로가 튜브(22) 및 수렴부(14)의 벽 사이의 환형부(24) 내에 정의된다. 이차 유동(34)을 위한 제2 유로가 튜브(22) 내에 정의된다. 환형부는 튜브 및 수렴부의 내벽 사이의 원형 링 형상 공간에 한정되지 않는다. 환형부의 형상은 수렴부 및 튜브의 단면 형상에 따라 결정될 수 있다.

물줄기를 횡단하는 장벽(10)은 장치의 상류에서 압력 수두를 제공한다. 이는, 장벽 뒤에서의 수심이 깊어져 유동의 속도가 감소함에 따라, 유속으로부터의 운동 에너지의 일부를 상승된 수위로부터의 위치 에너지로 변환한다. 그 결과로 인한 수두차(H)는, 운동 에너지를 등가 유동으로부터 직접 추출하는 자유 흐름 장치의, 베츠의 한계로서 알려진 출력 상한을 넘는 유효 에너지로 위치 에너지를 변환시킨다. 장벽(10)의 상류측으로부터의 물은 수렴부(14)를 통과하여 혼합 챔버 내로 유입된 다음 디퓨저부(20)를 통하여 장치로부터 유출된다. 터빈(26)을 구동하여 발전기 모듈을 작동시키는 튜브(22)를 통과하는 이차 유동(34)이 유도된다.

수렴부(14)는 베르누이 정리에 따라 형성된 벤투리에서의 저압 구역 내로 물 유동을 가속시킨다. 저압 구역은 튜브를 통과하는 이차 유동을 유도한다. 일차 및 이차 유동은 모두 두 유동이 혼합하는 혼합 챔버로 유입된다. 혼합된 유동은 디퓨저부로 유입되며, 디퓨저부를 통과함에 따라 물 유동의 속도가 저하된다. 디퓨저부(20)를 통하여 물이 유동함에 따라, 이 유동은 디퓨저부(20)의 하류에서 유출되기 전에 그 정수두를 회복하며 그 동수두(dynamic head)를 잃는다. 이는 벤투리 내에서의 낮은 정수두를 보존한다.

그러므로, 장치는, 높은 체적 낮은 수두의 유동을 종래의 반응 터빈으로 전력을 생성할 수 있는 낮은 체적 높은 수두의 유동으로 전환할 수 있다.

물 유동의 주요 부분인 일차 유동(32)이 수렴부(14)의 벽 및 튜브(22) 사이에 형성된 환형부(24)를 통과할 수 있다. 물의 보다 작은 체적인 이차 유동(34)은 터빈(26)을 구동하면서 튜브(22)를 통과할 수 있다. 일차 유동(32)이 수렴부 내의 벤투리를 향하여 수렴됨에 따라, 베르누이 정리에 따라 일차 유동(32)이 가속하여 정수두를 잃는다. 튜브 출구에서 튜브(22) 외측의 고속의 일차 유동(32)은 보다 느린 이차 유동(34)을 튜브(22)의 끝단으로부터 일차 유동(32) 내로 끌어당기는 것을 돕는다.

일 실시예에서, 장치는 대략 80%의 물 유동이 환형부(24)를 통과하고 나머지 대략 20%의 물 유동이 튜브(22)를 통하여 끌어당겨지도록 설계된다.

수렴부는, 일단에서 장벽의 뒤로부터 물을 수용하는 입구로서의 제1 개구부와, 물을 혼합 챔버(16) 내로 방출하는 대향단에서의 출구로서의 보다 좁은 개구부를 갖는 깔때기의 형태이다. 수렴부(14)는 상류 끝단으로부터 혼합 챔버(16)의 입구를 향하여 점점 좁아진다. 벤투리는 수렴부 및 혼합 챔버의 경계에서 정의된다. 수렴 각도, α(알파), 구간의 길이 및 직경과 같은 수렴부의 입구 및 출구의 크기와 같은 수렴부의 파라미터가 장치의 성능을 최적화하기 위해 선택될 수 있다.

혼합 챔버(16)는, 벤투리에서의 저압 및 디퓨저부의 출구에서의 고압 사이의 압력차를 지속시키기 위해 디퓨저부를 통과하는 유동 내에서의 충분한 압력 회수를 허용하는 속도 프로파일을 가지면서 혼합 챔버로부터 디퓨저부(20) 내로 나가기 전에 실질적으로 균질한 실질적으로 균일한 유동을 형성하도록 이차 및 일차 유동이 결합될 수 있는 영역을 제공한다. 이에 따라, 튜브의 하류 끝단에 인접한 벤투리에서 지속되는 저압은 터빈을 횡단하는 낙차를 증폭시키면서 튜브 내측에 장착된 터빈의 배면에 전달된다.

혼합 챔버는 이차 유동 내에 위치된 터빈의 전력 출력을 최대화하도록 구성된다. 이는, 벤투리 내의 저압에 의해 유도된 터빈을 통과하는 이차 유동이 일차 유동과 혼합되기 시작하는 지점의 바로 하류의 영역에서 유동 체계를 최적화하도록 구성되는 혼합 챔버에 의해, 적어도 부분적으로 달성된다. 혼합 챔버는 이 혼합 챔버 내에서의 일차 유동으로부터 이차 유동으로의 에너지 전달을 최적화하도록 구성된다.

혼합 챔버는 유동이 혼합될 수 있는 개구부 및 출구 사이의 공간을 제공하도록 개구부, 출구 및 영이 아닌 길이를 갖는다. 혼합 챔버(16)를 정의하는 배관의 길이(L)는 적절하게 조절된 유동이 디퓨저부로 유입되기 전에 얻어질 수 있도록 선택된다. 유동 및 압력 상태에 맞는 길이를 선택하는 것은, 빠르게 이동하는 일차 유동 및 보다 느린 이차 유동 사이에 최적 에너지 전달이 존재하여, 결합된 유동이 디퓨저부로 유입되기 전에 두 유동을 횡단하는 용인할 수 있는 속도 프로파일이 존재하는 것을 보장한다.

예로서, 디퓨저부 및 튜브 내의 터빈의 설계와 함께, 수렴부, 이를 통과하여 위치되는 튜브 및 혼합 챔버의 구성은 모두, 터빈으로부터의 출력을 최대화하기 위해, 튜브 내에 위치된 터빈을 통과하는 튜브를 통하여 유도된 체적 유량과 함께, 터빈을 횡단하는 튜브 내에서의 압력 강하를 최적화하는 시스템으로서 구성된다.

임의의 운동 에너지 기계의 최대 전력이 베츠의 한계에 영향을 받으며 이러한 기계의 배열이 각 기계가 상당히 분리되게 위치될 것을 필요로 하는 자유 유체 흐름 내에서의 이러한 운동 에너지 기계와 다르게, 본 발명은 먼저 물줄기의 전체 폭을 횡단하는 장벽을 제공하는 것에 의해 상류 수위를 상승시켜 전체 유동의 운동 에너지로부터 수압 위치 에너지의 축적을 생성한 다음, 적합한 터빈이 내부에 장착되고 이를 횡단하여 대응 증폭된 압력 강하가 생성되는 튜브를 통과하는 유동의 보다 작은 부분으로 위치 에너지의 축적의 많은 양을 집중시켜, 전기 에너지를 높은 "양수 전력(water to wire)" 효율로 발생시킨다.

본 발명은 물줄기를 횡단하여 차례로 위치되는 자유 흐름 터빈 배열을 사용할 때 통상적으로 직면하는 문제를 해결한다. 용인할 수 있는 효율을 달성하기 위해, 이러한 자유 흐름 터빈 배열이 본 발명과 동일한 유동 물줄기를 횡단하여 위치된다면, 자유 흐름 터빈의 터빈 디스크의 직경이 본 발명에 비하여 훨씬 더 클 것이다. 본 발명의 장치에 비하여, 자유 흐름 터빈의 터빈 회전 속도는 훨씬 더 느릴 것이고, 이에 따라, 그 발전기를 구동하기 위해 크고 고가인 고부하(heavy duty) 스텝 업(step-up) 기어 박스를 필요로 할 것이다. 대부분의 강 및 다수의 감조 하구(tidal estuary) 현장을 포함하는 다수의 현장에서, 자유 흐름 터빈의 바람직한 직경은 이용 가능한 수심을 상당히 초과할 수 있다. 균등하고/균등하거나 보다 큰 효율을 달성하기 위해 보다 작은 터빈이 본 발명의 시스템과 함께 사용될 수 있으므로, 이 시스템은 보다 큰 범위의 현장에서 사용하기에 적합하다.

본 발명의 시스템 뒤의 상류측 물의 자유면은 통상 1.5m 내지 3.5m만큼 유동의 전체 폭 위로 상승된다. 자유 흐름 터빈에서는, 물 유동에 대한 터빈의 저항에 의해 유발되는 터빈 위로의 수면 상의 작은 "불룩부(bulge)"가 존재할 것이며, 이는 자유 흐름 터빈의 에너지 발생 용량의 측정 기준이다. 이 불룩부는 통상 정상적인 시야에서는 감지되지 않는다. 자유면 터빈의 직상류의 상승은 베츠의 한계의 제약으로 인하여 거의 감지될 수 없다. 뿐만 아니라, 이러한 작은 상승된 체적은 평면에서 각 자유 흐름 터빈에 국한되고, 베츠의 한계는 또한, 자유 흐름 터빈 또는 터빈 배열의 위 및 직상류에서 상승된 물의 체적이 근본적으로 동일한 유동 물줄기를 횡단하여 위치된 본 발명의 상승된 상류에 비하여 통상 한 자릿수 이상 작게 되도록, 배열 내에 각 자유 흐름 터빈 사이의 상당한 개수면(open water)을 규정한다. 상승된 물의 체적의 이러한 비교는 각 타입의 기계에 의해 전기로 변환하는데 이용 가능한 비교 에너지의 직접적인 측정 기준이다. 따라서, 본 발명의 시스템은 통상, 자유 흐름 터빈 또는 자유 흐름 터빈 배열이 동일한 물줄기로부터 갖는 에너지에 비하여 한 자릿수 이상의 이용 가능한 에너지를 갖는다.

뿐만 아니라, 본 발명은 자유 흐름 터빈의 배치에 비하여 상류에서 훨씬 더 큰 수두 상승을 생성한 다음, 상류 유동의 통상 20%인 유도된 이차 유동 내에서 통상 3 내지 5배의 인수만큼 수두차를 더 증폭시킨다. 따라서, 본 발명에서의 터빈의 구동 수두(압력)는, 통상 한 자릿수 이상만큼, 자유 흐름 터빈을 횡단하는 것보다 크다. 따라서, 본 발명의 장치는 한 자릿수 이상만큼 더 작은 직경을 갖는 터빈을 사용할 수 있고, 통상적인 자유 흐름 터빈에 비하여 한 자릿수 이상만큼 높은 속도로 회전한다.

수원을 횡단하는 장벽이 터빈을 통하여 모든 유동을 보내는 통상적인 수력 발전 댐은 발전기가 효율적으로 작동하도록 통상 5m 이상의 수두차를 필요로 한다. 그러나, 유도된 이차 유동 내에서의 압력 증폭으로 인하여, 본 발명은 약 1.5m의 수두차에서 이러한 터빈을 비용 효과적으로 작동시킬 수 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서, 혼합 챔버(16)는 β(베타)의 반원추 각도만큼 하류 방향으로 점점 좁아질 수 있어, 혼합 챔버의 출구가 그 입구에 비하여 좁아진다. 혼합 챔버의 반원추 각도는 양의 값이거나 음의 값일 수 있다. 대안적인 실시예에서, 혼합 챔버는, 혼합 챔버의 출구가 혼합 챔버의 입구에 비하여 넓도록, 즉, 혼합 챔버가 디퓨저부를 향하여 그 길이를 따라 발산하도록, 상류 방향으로 점점 좁아질 수 있다. 점점 좁아지는 혼합 챔버를 갖는 것은 환형부를 통과하는 보다 빠른 일차 유동 및 튜브(22)에서 유출되는 보다 느린 이차 유동 사이의 에너지 전달을 촉진시킬 수 있다.

혼합 챔버(16)의 하류 끝단은 디퓨저부(20)에 연결된다. 디퓨저부는, 혼합 챔버(16)로부터 물을 수용하는 입구로서의 제1 개구부와, 장벽의 하류측의 자유 유동 내로 물을 다시 방출하는 대향단에서의 출구로서의 보다 넓은 개구부를 갖는 깔때기의 형태이다. 디퓨저부(20)는 유동이 디퓨저부(20)에서 유출되기 이전에 유동의 속도를 줄여 정압을 회수하고 난류를 통한 에너지 손실을 최소화하기 위해 혼합 챔버(16)의 출구로부터 외측으로 발산한다. 발산 각도가 디퓨저의 성능을 최적화하도록 선택될 수 있다.

구간의 길이, 발산 각도(θ), 제1 및 제2 개구부의 단면적의 비율과 같은 디퓨저부의 파라미터는 난류를 억제하고 유동이 자유 흐름 속도로 다시 감속됨에 따른 유동 분리로 인한 에너지 손실을 줄일 수 있도록 선택된다. 유동이 디퓨저부의 출구에 접근함에 따라, 과도한 난류, 와류 및 유동 분리가 압력 회수를 저하시킬 수 있다. 하류 수심에 의해 설정되는 디퓨저 출구에서의 압력이 가능한 한 벤투리에서의 압력에 비하여 높도록, 파라미터를 선택하여 압력 회수를 최대화한다.

튜브(22)는 수렴부(14)의 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고 수렴부(14) 내에서 중앙으로 위치된다. 튜브는 그 길이를 따라 실질적으로 균일한 직경을 가질 수 있다. 튜브의 입구는 튜브의 출구와 실질적으로 동일한 직경을 갖는다. 도 2 및 도 7을 참조하면, 튜브(22)는 튜브(22)의 외측면으로부터 수렴부(14)의 내면으로 연장되는 방사형 지지 아암(36)에 의해 수렴부(14) 내에서 지지된다. 존재하는 지지 아암의 개수는 달라질 수 있다. 바람직하게는, 세 개 또는 네 개의 지지 아암이 사용되지만, 필요에 따라, 보다 많거나 적은 지지 아암이 사용될 수 있다. 지지 아암은 일차 유동에서의 에너지 손실을 최소화하도록 구성된다.

추가적인 실시예에서, 튜브는 그 상류 끝단에서 수렴 영역을 포함할 수 있다. 튜브의 수렴 영역은 터빈을 통과하는 유동의 고속을 촉진시킨다. 튜브는 터빈의 하류에서 튜브의 하류 끝단에서 발산 영역을 가질 수 있다. 튜브의 발산 영역은 튜브에서 유출되는 이차 유동 및 발산부에서의 환형의 일차 유동의 속도 사이의 바람직한 비교를 제공하는 것을 돕도록 디퓨저로서 작용한다.

튜브 입구는 상류 정수두에 노출되고, 튜브의 하류 끝단은 벤투리의 영역 내에서 감소된 정수두에 노출된다. 튜브는 상류에서의 높은 정수두 및 벤투리 내에서의 낮은 정수두 사이에 유로를 제공한다. 이차 유동(34)은, 튜브의 상류 끝단 및 벤투리 사이에서의 증폭된 낙차에 의해 유도되어, 튜브(22)를 통과한다. 터빈(26)은 튜브(22) 내에 위치되고 구동 샤프트(30)에 의해 발전기(28)에 연결되며 이차 유동으로부터 에너지를 추출한다. 벤투리에서의 저압으로 인하여, 튜브(22)의 출구 및 튜브의 입구 사이의 압력 강하가 고속 축 유동 터빈이 최선으로 작동하는 설계 압력에 보다 밀접하게 일치하도록 증대된다.

도 2 및 도 6에 도시된 바와 같이, 튜브의 하류 끝단이 벤투리의 영역 내의 감소된 정수두에 노출되도록 튜브(22)의 하류 끝단이 수렴부(14) 내에 위치된다. 튜브의 하류 끝단은 혼합 챔버(16)로부터의 거리(X1)에서 종단한다. 튜브(22)의 상류 끝단은 수렴부(14)의 입구로부터 외측으로 거리(X2)로 연장된다. 거리(X1, X2)는 장치의 성능을 최적화하고 튜브를 통과하는 이차 유동을 최대화하기 위해 선택된다.

장치의 하나의 구성에서, 튜브의 상류 끝단이 수렴부 내에 위치될 수 있고, 장치의 다른 구성에서, 튜브의 하류 끝단이 혼합 챔버 내측에 위치될 수 있도록 X1 및 X2는 양의 값 또는 음의 값일 수 있다.

거리(X2)를 변화시키는 능력은 튜브가 너무 길기 때문에 발생하는 튜브 내측에서의 이차 유동에 대한 과도한 마찰 에너지 손실 없이 튜브(22)의 상류 끝단이 최대 상류 압력 수두에 접근하도록 하는 최적 거리만큼 튜브(22)의 상류 끝단이 수렴부(14)의 입구를 넘어 이로부터 연장되는 것을 보장한다.

튜브의 출구에서 튜브 외측의 고속의 일차 유동(32)은 보다 느린 이차 유동(34)을 튜브를 통하여 튜브의 끝단으로부터 일차 유동 내로 끌어당기는 것을 돕는다. 이차 유동(34)은 일차 유동(32)과 혼합됨에 따라 가속된다. 벤투리의 상류로부터 혼합 챔버 내측으로의 튜브의 출구의 위치인, 다양한 X1은 매우 격렬하고 복잡한 유동 체계인 것 내에 상이한 혼합 특성을 일으킨다. 이러한 세부적인 변화를 만드는 유연성은 최적 혼합 체계가 어느 하나의 설계 및 유동 상태에 맞게 선택되도록 한다.

일 실시예에서, 튜브(22)는 혼합 챔버에 대하여 축 방향으로 정방향 또는 역방향(하류 또는 상류)으로 이동 가능하다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 튜브(22)는 중공형 지지 허브(42)에 의해 수렴부(14) 내에 지지된다. 지지 아암(36)은 허브로부터 수렴부(14)의 내면으로 방사형으로 연장된다. 지지 아암의 개수는 달라질 수 있으며 일차 유동 내에서의 에너지 손실을 최소화하도록 구성된다.

허브(42) 및 튜브(22)는 튜브를 수렴부에 대하여 이동시키도록 상보적 스크류 및 나사 기구를 포함한다. 허브 내측의 스크류 나사는 지지 허브에 인접한 튜브의 외면의 국부의 둘레의 치합 나사와 맞물린다. 회전 기구가 튜브(22)를 회전시켜 작동 시 다양한 작동 상태에 맞게 거리(X1, X2)가 변화될 수 있도록 한다. 수렴부 및 혼합부에 대하여 튜브의 위치를 이동시킬 수 있는 다른 인덱싱 기구가 사용될 수 있다. 허브의 에지는 일차 유동 내에서의 유동 간섭을 최소화하도록 매끄럽게 구성될 수 있다.

튜브 내에서 벤투리 앞에 터빈을 제공하는 것은 터빈의 하류면이 저압 구역에 노출된 상태에서 터빈의 상류면이 주위 상류 수두에 노출되도록 할 수 있어, 이차 유동을 생성하는 튜브의 길이를 횡단하는 압력차가 존재한다. 터빈은 튜브 출구에서의 저압 영역의 존재에 의해 튜브를 통하여 당겨지는 이차 유동으로부터 에너지를 취할 수 있다.

튜브는 터빈 블레이드의 대향측의 방사형 지지 블레이드의 고정된 배열을 포함할 수 있다. 예를 들면, 지지 블레이드는 오른쪽 특성일 수 있고 터빈 블레이드는 왼쪽 특성일 수 있거나 그 반대일 수 있다. 방사형 지지 블레이드의 고정된 배열은 터빈 블레이드의 대향측을 갖는 블레이드를 똑바로 펴지게 하는 유동으로서 작용한다. 방사형 지지 블레이드의 배열은 터빈의 상류 또는 하류에서 튜브 내에 위치될 수 있고, 터빈에 의해 유동 내로 유도된 임의의 회전 에너지가 방해 받아 튜브로부터 발생하는 유동이 가능한 축 방향에 가깝게 되는 것을 보장하도록 설계된다.

도 4, 도 6 및 도 8을 참조하면, 축 방향 유동 터빈은 터빈의 상류에 위치된 복수의 방사형 연장 지지 블레이드(38)를 갖는 고정자에 의해 지지된다. 고정자는 둘 이상, 바람직하게는, 다섯 이상의 방사형 지지 블레이드(38)를 포함할 수 있다. 샤프트 베어링(40)이 지지 블레이드(38)의 중앙에서 구동 샤프트(30) 상에 장착된다. 각 지지 블레이드는, 튜브를 통과하는 이차 유동의 결과로서, 터빈의 회전자 조립체에 의해 발생되는 것에 대해 대향측에서의 이차 유동 내로 예선회(pre-swirl)가 도입되도록 이차 유동에 대해 영각을 갖는다. 고정자 및 회전자 블레이드의 대향하는 영각은 전력 출력을 최대화하고 최소 선회로서 본질적으로 축 방향으로 튜브(22)의 하류 끝단에서 유출되는 유동을 생성하도록 선택된다. 터빈(26)은 구동 샤프트(30)에 의해 전기 발전기에 연결된다. 발전기는, 수중에, 장벽 내에 또는 장벽에 근접하게 위치될 수 있다. 다른 실시예에서, 발전기는 장치로부터 떨어져 위치될 수 있고/있거나 물밖에 위치될 수 있고 터빈을 발전기에 연결시키는 적합한 벨트 또는 구동렬(drive train)에 의해 구동될 수 있다. 풀리 휠, 구동 벨트, 기어 휠, 구동 샤프트, 수압 펌프, 배관 및 수압 모터 및 이러한 시스템의 조합과 같은 다른 적합한 시스템이 터빈을 발전기에 연결시키는 데에 사용될 수 있다. 추가적인 실시예에서, 발전기는 터빈과 일체로 될 수 있다.

튜브(22)의 하류 끝단의 단면적(A2)에 대한 혼합 챔버(16)의 단면적(A1)의 비율은 벤투리의 성능에 영향을 미친다. A1:A2 비율은 튜브를 통과하는 이차 유동을 최적화하고 장치의 성능을 최대화하도록 선택된다. 또한, 혼합 챔버(16)의 단면적(A1) 및 수렴부(14)의 입구의 단면적(A3)은 벤투리의 성능에 영향을 미치며 튜브를 통과하는 이차 유동을 최적화하고 장치의 성능을 최대화하도록 선택된다.

도 10에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 수렴부(14)의 입구 및 디퓨저부(20)의 출구는 실질적으로 직사각형인 단면을 가질 수 있다. 수렴부(14) 및 디퓨저부(20)는 실질적으로 원형인 단면을 갖는 혼합 챔버(16)를 향하여 점점 좁아질 수 있다. 대안적인 구성에서, 장치는 그 길이를 따라 다양한 직경을 갖는 실질적으로 원형인 단면을 가질 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 수렴부(14)의 입구, 디퓨저부(20)의 출구 및 혼합 챔버(16)는 모두 실질적으로 원형인 단면을 갖는다. 또한, 타원형 및/또는 내부 코너가 둥글게 되는 직사각형 단면과 같은 다른 단면 형상 및 형상의 조합이 수렴부의 입구 및 디퓨저부의 출구에 대해 고려된다.

디퓨저부의 출구의 단면적에 대한 수렴부의 입구의 단면적의 비율이 장치의 성능을 최적화하도록 선택된다. 일 실시예에서, 이 두 면적은 실질적으로 동일하다. 이 비율은, 장치의 하류에서의 유동 상태가 장치의 설치에 최소로 영향을 받고 장치의 출구에서의 유동 상태가 장치의 설치 이전에 물줄기 내에서 우세하는 주위 상태를 효과적으로 재생하도록, 선택된다.

일 실시예에서, 스크린(미도시)이 튜브의 입구를 횡단하여 위치된다. 스크린은 물이 계속 튜브를 통과하도록 개구를 갖는다. 스크린은 이차 유동이 계속 튜브를 통과하도록 할 수 있는 임의의 적합한 스크린일 수 있다. 일 실시예에서, 스크린은 어망(fish screen)이다.

도 11 및 도 12를 참조하면, 전기를 생성하는 장치(110)는 각각 수렴부(112), 혼합 챔버(114) 및 발산 디퓨저부를 갖는 벤투리 모듈의 배열을 포함한다. 각 모듈에서, 수렴부가 혼합 챔버를 향하여 점점 좁아짐으로써, 수렴부 및 혼합 챔버의 경계의 영역에서 벤투리가 정의된다. 디퓨저부는 디퓨저부의 출구로부터 연장된다.

단일 유입구를 갖는 튜브(116)가 각 수렴부(112)의 길이의 적어도 일부를 따라 위치되고 상류에서 일차 유동 내에서 적합한 거리로 연장된다. 일차 유동(124)용 제1 유로가 수렴부 내에 위치된 튜브(116)의 일부 및 수렴부(112)의 벽 사이에서 장치 내에 정의된다.

튜브(116)는 튜브의 단일 유입부(122)에 연결되는 매니폴드(120)로 결합되는 복수의 유출 튜브(118a, 118b, 118c)를 포함한다. 튜브는 이차 유동(126)용 제2 유로를 정의한다. 튜브의 유입구는 유입구가 상류 정수두에 노출되고 튜브가 높은 정수두 상류 및 벤투리 내의 낮은 정수두 사이에 유로를 제공하도록 모듈의 상류에 위치된다. 천공된 스크린(미도시)이 유입부(122)의 입구를 횡단하여 위치될 수 있다.

이차 유동(126)을 각 수렴부(112)로 향하게 하는 개별적인 유출 튜브를 형성하기 위해 튜브가 분할되기 전의 제2 유로의 공통 영역 내의 튜브의 유입부 내에 터빈(128)이 위치된다.

결합된 이차 유동(126)이 벤투리에서 저압 구역에 의해 튜브(116) 및 단일 터빈(128)을 통해 유도된다. 튜브는 터빈 및 매니폴드 사이에 디퓨저 영역(130)을 포함할 수 있다.

유출 튜브(118a, 188b, 188c)가 절곡되고 결합되는 위치는 각 수렴부(112)로 유입되는 일차 유동 패턴(124)을 방해하지 않도록 충분히 멀리 상류에 위치된다. 매니폴드 유동 내측에서 결합된 이차 유동을 갖는 각 튜브(118a, 118b, 118c)의 연결 지점은, 임의의 날카로운 절곡부 또는 내부 에지에서의 난류의 유도를 제한하면서, 매끄럽게 구성된다.

이 방식으로 일 그룹의 개별 장치를 제공하는 단일 터빈(128)이 벤투리 장치로부터 충분히 떨어진 곳에서, 매니폴드(120)의 단면적은 바람직하게는 터빈(128)의 단면적에 비하여 크게 구성되므로, 매니폴드(120) 내에서의 유속을 제한하고, 이에 따라, 이와 다른 경우 발생할 수 있는 대응하는 운동 에너지 손실을 제한한다.

단일 물 코스 내에 수 개의 모듈을 함께 설치하는 것은 모듈이 공통 배관 시스템과 함께 그룹으로 함께 결합되도록 함으로써, 다수의 수렴부 내의 수 개의 유출 튜브로부터의 유도된 이차 유동이 함께 결합되고, 그 결합된 유동은, 이와 다른 경우 수렴부 내에서 각 개별 튜브 내에 설치될 수 있는 터빈에 비하여 더 큰 용량을 갖는 단일 터빈을 통하여 당겨진다.

이차 유동을 결합하는 것에 의해, 이와 다른 경우 요구되는 것에 비해 적지만 보다 큰 터빈 및 발전기가 채용될 수 있다. 이는 적은 복잡성과 개선된 비용 효율성으로 이어질 수 있다.

장벽(10)은 물 유동으로부터 전력을 발생시키기 위한 단일 장치를 포함할 수 있다. 시스템의 추가적인 구성에서, 장치(12)의 배열이 장벽에 연결될 수 있다. 바람직하게는, 장치는 장벽의 맨 아래 부분에 위치된다. 그러나, 다른 구성에서, 장치는 장벽의 상이한 높이에 위치될 수 있다.

장치는 물 유동으로부터 전기를 발생시키도록 물줄기 내에 위치된다. 장벽의 적어도 일부분이 수위 위에서 장치로부터 실질적으로 수직으로 위로 연장되도록, 장치(12)가 장벽(10)에 연결됨으로써, 물줄기를 횡단하여 설치될 때, 장벽의 상류측 및 하류측 사이에 수두차가 생긴다. 장치가 장벽의 맨 아래 부분에 위치되면, 장벽의 높이의 대부분이 장치 위에서 연장될 수 있다.

장치는 댐을 통하여 횡방향으로 연장될 수 있다. 장벽의 폭에 따라, 장치가 장벽 내에서 둘러싸일 수 있거나, 장벽의 상류측 및/또는 하류측으로부터 외측으로 연장될 수 있다.

일 구성에서, 적어도 수렴부, 발산부 및 혼합 챔버는 장벽 내에 위치된다. 수렴부의 입구는 장벽의 상류측과 실질적으로 일치하고, 발산부의 출구는 장벽의 하류측과 실질적으로 일치한다.

다른 구성에서, 장치는 장벽의 하류로 연장될 수 있어, 수렴부의 입구가 장벽의 상류측과 실질적으로 일치하는 한편, 발산부의 출구는 장벽의 폭을 넘어 연장된다.

장벽은 구조 둘레의 바이패스 유동을 최소화하도록 설치될 수 있다. 일 실시예에서, 장벽은 바이패스 유동을 최소화하도록 하천, 강 또는 조류의 바닥에 하천, 강 또는 조류의 전체 폭을 횡단하여 설치된다.

장치가 유체 유동으로부터 전력을 발생시키기 위해 물줄기 내의 장벽 시스템의 일부가 되는 것에 관하여 설명되었지만, 장치는 높은 체적 낮은 수두 유동이 존재하는 곳에서 전기를 발생시키는 다른 응용처에서도 사용될 수 있다.

본 발명의 개념 내의 이러한 변형예 및 다른 변형예를 고려하여, 첨부된 특허청구범위를 참조하여야 한다. 본 발명의 범위 내에서 다른 변경이 이루어질 수 있다. 예를 들면, 단일 수렴부를 포함하는 장치에 대하여 더 설명된 특징이 다수의 벤투리 모듈을 포함하는 장치에 포함될 수도 있다. 다수의 벤투리 모듈을 갖는 장치가 네 개의 벤투리 튜브를 갖는 것으로 예시되었으나, 보다 많거나 적은 모듈이 장치 내에 포함될 수 있고, 예를 들면, 두 개 이상의 벤투리 모듈이 존재할 수 있다.

Claims (36)

1. 물 유동으로부터 전기를 발생시키는 장치에 있어서,
   수렴부의 끝단 및 혼합 챔버 사이에 벤투리가 정의되고 혼합 챔버의 입구로 정의되는 상기 혼합 챔버의 제1 끝단에 연결되는 수렴부;
   혼합 챔버의 출구로 정의되는 상기 혼합 챔버의 제2 끝단에 연결되는 디퓨저부로서, 디퓨저는 사용 시 디퓨저의 출구에서의 압력이 벤투리에서의 압력에 비하여 크도록 구성되고 디퓨저부;
   일차 유동을 위한 제1 유로를 형성하기 위해 튜브 및 상기 수렴부 사이에 환형부가 정의되도록 상기 수렴부 내에 위치되고 튜브 내에 이차 유동을 위한 제2 유로를 정의하는 튜브의 적어도 일부; 및
   발전기에 연결 가능한 터빈을 포함하고,
   상기 터빈은 상기 튜브 내에 위치되며,
   일차 유동이 혼합 챔버 내의 이차 유동과 혼합되어 디퓨저 단면으로 들어갈 수 있는 혼합 유동을 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 튜브의 개구부를 횡단하여 위치되는 스크린을 더 포함하는 장치.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 튜브는 상기 수렴부 및 상기 혼합 챔버에 대하여 이동 가능한, 장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 튜브의 하류 끝단은 상기 벤투리의 상류에 위치되거나, 상기 벤투리의 하류에 위치되거나, 상기 벤투리와 동일 높이인, 장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 튜브는 지지 아암에 의해 상기 수렴부의 내면에 연결되는, 장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 튜브는 허브 내에 지지되는, 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 허브는 상기 튜브를 축 방향으로 이동시키는 이동 기구를 포함하는, 장치.
8. 제6항에 있어서,
   상기 허브 및 상기 튜브는 상기 수렴부에 대하여 상기 튜브를 이동시키는 스크류 및 나사 기구를 포함하는, 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 튜브의 상류 끝단은 상기 수렴부 내에 위치되고, 또는 상기 튜브의 상류 끝단은 상기 수렴부의 입구로부터 상류에 위치되는, 장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 튜브 내의 방사형 지지 블레이드의 배열을 더 포함하며, 상기 방사형 지지 블레이드의 배열은 상기 터빈의 하류 또는 상기 터빈의 상류에 위치되는, 장치.
11. 제1항에 있어서,
    상기 튜브는 그 상류 끝단에서 수렴 영역 또는 그 하류 끝단에서 발산 영역을 갖는, 장치.
12. 제1항에 있어서,
    상기 튜브는 그 길이를 따라 균일한 직경을 갖는, 장치.
13. 제1항에 있어서,
    상기 디퓨저부의 출구의 단면적에 대한 상기 수렴부의 입구의 단면적의 비율은 1:1인, 장치.
14. 제1항에 있어서,
    상기 터빈은 구동 샤프트에 의해 발전기에 연결되는, 장치.
15. 제1항에 있어서,
    상기 디퓨저부의 출구는 직사각형, 타원형 또는 원형 단면을 포함하는, 장치.
16. 제1항에 있어서,
    상기 수렴부의 입구는 직사각형, 타원형 또는 원형 단면을 포함하는, 장치.
17. 제1항에 있어서,
    상기 디퓨저부 및 상기 수렴부는 원형 단면을 갖거나, 또는 상기 혼합 챔버는 원형인 단면을 갖는, 장치.
18. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 챔버는 하류 방향으로 수렴하거나, 또는 상기 혼합 챔버는 하류 방향으로 발산하는, 장치.
19. 물 유동으로부터 전기를 발생시키는 장치에 있어서,
    수렴부의 끝단 및 혼합 챔버 사이에 벤투리가 정의되고 각각이 혼합 챔버의 입구로 정의되는 상기 혼합 챔버의 제1 끝단에 연결되는 복수의 수렴부;
    각각이 혼합 챔버의 출구로 정의되는 상기 혼합 챔버 중 하나의 제2 끝단에 연결되는 복수의 디퓨저부로서, 디퓨저는 사용 시 디퓨저의 출구에서의 압력이 벤투리에서의 압력에 비하여 크도록 구성되는 복수의 디퓨저부;
    유입 튜브, 매니폴드 및 상기 매니폴드로부터 연장되는 복수의 유출 튜브를 포함하고 상기 유출 튜브 중 하나의 적어도 일부는 상기 수렴부 중 하나의 내부에 위치되어 일차 유동을 위한 제1 유로를 형성하도록 상기 유출 튜브 및 상기 수렴부 사이에 환형부가 정의되며, 튜브 내의 이차 유동을 위한 제2 유로를 정의하는 튜브; 및
    발전기에 연결 가능한 터빈을 포함하고,
    상기 터빈은 상기 튜브 내에 위치되며,
    일차 유동 혼합물은 혼합 챔버 내에서 이차 유동과 혼합되어 디퓨저 단면으로 들어갈 수 있는 혼합 유동을 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
20. 제19항에 있어서,
    상기 터빈은 상기 유입 튜브 내에 위치되는, 장치.
21. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    상기 튜브는 상기 매니폴드 및 상기 유입 튜브 사이에 위치되는 디퓨저 영역을 포함하는, 장치.
22. 댐에 설치되어 상기 댐을 통과하는 유로를 제공하는, 제1항에 따른 장치.
23. 물 유동으로부터 전기를 발생시키는 시스템에 있어서,
    유동하는 물줄기를 횡단하여 위치하는 장벽을 포함하고,
    제1항에 따른 적어도 하나의 장치를 구비하며,
    상기 장치는 사용 시 상기 장벽의 상류측으로부터 상기 장벽의 하류측으로의 유로를 제공하도록 위치되는, 시스템.
24. 물 유동으로부터 전기를 발생시키는 방법에 있어서,
    장벽의 상류측 및 하류측 사이에서 수두차가 생기도록, 물 저장소를 제공하도록 물줄기를 횡단하여 제23항에 따른 시스템 또는 제1항에 따른 장치를 설치하는 단계; 및
    상기 터빈을 회전시키기 위해 상기 장치를 통과하는 물의 유동을 사용하는 단계를 포함하는 방법.
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