KR102451621B1 - 프로펠러 로터 - Google Patents

Abstract

작은 수로에 설치된 수력 발전기의 로터의 블레이드의 크기를 필요에 따라 그리고 지역 상황에 따라 변경하는 것이 가능한 프로펠러 로터가 제공된다. 수차 디바이스의 횡축 로터에서, 복수의 블레이드 장착 부분들은 허브(2)의 후방부 상의 둘레 표면 상에서 바깥쪽으로 방출하도록 형성되며, 그리고 디바이스는, 블레이드들의 장착 부분들(5B)이 전후 방향으로 역전될지라도, 블레이드의 장착 부분들(5B)이 블레이드 장착 부분들(3)에 장착될 수 있는 방식으로 형성된다.

Description

프로펠러 로터

[0001] 본 발명은 프로펠러 로터에 관한 것이며, 그리고 더 구체적으로, 수로의 유속과 같은 조건들에 따라 허브(hub)에 대해 수차의 로터 블레이드들을 교체할 수 있는 프로펠러 로터에 관한 것이다.

[0002] 수로의 저부에 설치되는 수차가, 예를 들어 특허 문헌 1에서 개시된다.

종래 기술

[특허 문헌]

[0003] 특허 문헌1: JP2012-184746A

[0004] 특허 문헌 1에서 개시된 수차에서, 수차 구조가 수저(water bottom) 상에 기초를 구축함으로써 배치된다.

수차가 수로에서 설치될 때, 수로에서의 유속들은 시간 및 위치에 따라 상이해서, 단일 사양 로터로 효율적으로 그리고 안정적으로 발전하는 것은 어렵다.

본 발명의 목적은, 수차 디바이스가 작은 수로에 설치될 때 작은 수로의 유속과 같은 조건들에 최적인 블레이드가 선택되며 그리고 선택된 블레이드가 로터에 장착될 수 있는 프로펠러 로터를 제공하는 것이다.

[0005] 본 발명의 구체적인 내용들은 다음과 같다.

[0006] (1) 수차 디바이스(water turbine device)의 횡축 프로펠러 로터(horizontal shaft propeller rotor)로서, 프로펠러 로터는 허브(hub)를 포함하며, 허브는 허브의 후방 둘레 표면 상에서 반경 방향으로 배향되는 복수의 블레이드 장착 부분들이 형성되며, 그리고 블레이드 장착 부분은, 블레이드의 장착 부분이 전방 및 후방이 뒤집히더라도 블레이드의 장착 부분 상에 장착될 수 있도록 형성된다.

[0007] (2) 위의 (1)에 따른 프로펠러 로터로서, 설치 장소에서의 유속을 위한 최적 물 수용 면적을 갖는 블레이드가 상이한 물 수용 면적들을 갖는 블레이드들로부터 선택되며, 그리고 선택된 블레이드의 장착 부분은 허브의 블레이드 장착 부분 상에 장착된다.

[0008] (3) 위의 (1) 또는 (2)에 따른 프로펠러 로터로서, 수차 디바이스에서, 횡축 로터들이 수차 하우징의 전방 및 후방에 배치되며, 전방 및 후방 허브들은 반대 방향들로 각각 향하도록 장착되며, 그리고 전방 및 후방 블레이드들은 전방 표면이 상류 방향을 향하도록 장착된다.

[0009] (4) 위의 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 따른 프로펠러 로터로서, 허브의 블레이드 장착 부분에서, 회전 방향으로 긴 끼워맞춤 홀(fitting hole)이 축 중심 선에 대해 수직으로 형성되며, 블레이드의 베이스 단부 상에 형성되는 장착 부분이 전방 및 후방 방향들 중 임의의 방향으로 지향될 때에도, 블레이드의 장착 부분은 끼워맞춤 홀 내로 끼워맞춤될 수 있다.

[0010] (5) 위의 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 따른 프로펠러 로터로서, 블레이드의 장착 부분에서, 둘레 표면은 허브의 끼워맞춤 홀과 끼워맞춤하도록 제거되고, 그리고 블레이드의 장착 부분이 허브의 블레이드 장착 부분에 장착될 때 조인트(joint)에 단차부(step)가 존재하지 않도록 형성된다.

[0011] (6) 위의 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 따른 프로펠러 로터로서, 양력형 블레이드가 직립된(upright) 상태에서의 최대 스트링 길이 부분의 단면에, 구형 표면이 전방 에지 상에 형성되며, 커브형 표면이 직경 부분으로부터 후방 에지로 형성되며, 큰 벌징(bulging) 후방 표면을 따르는 후방 유동 선을 따라 통과하는 수류가 후방 에지에서 상기 블레이드의 스트링 중심 선(string center line)에 대해 30 내지 45 도로 교차한다.

[0012] (7) 위의 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 따른 프로펠러 로터로서, 양력형 블레이드의 블레이드 루트(root)에서의 수평 전방 선이 회전 방향 선에 대해 45 내지 50 도의 범위에 있도록 후방 에지가 후방 표면을 향하여 경사져 있다.

[0013] (8) 위의 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 따른 프로펠러 로터로서, 양력형 블레이드(lift type blade)의 전방 에지는 단면이 완전한 원의 반원이며, 그리고 전방 및 후방 표면들은 반원의 전방 및 후방 정점들(vertices)로부터 연속된다.

[0014] (9) 위의 (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 따른 프로펠러 로터로서, 최대 스트링 길이 부분의 전방 표면은 베이스 지점으로 설정되며, 최대 스트링 길이 부분의 팁 부분은 전방 방향으로의 회전 축 중심 선에 대해 후방 에지를 향하여 13 내지 23도로 회전되고, 그리고 하향으로 경사진다.

[0015] 본 발명에 따라, 다음의 효과들이 획득될 수 있다.

[0016] 수차 디바이스의 횡축 로터에서, 위의 (1)에서 개시된 프로펠러 로터는 허브의 후방 둘레 표면 상에서 반경 방향으로 배향되는 복수의 블레이드 장착 부분들이 형성되며, 그리고 블레이드 장착 부분은, 블레이드의 장착 부분이 전방 및 후방이 뒤집히더라도, 블레이드의 장착 부분 상에 장착될 수 있도록 형성되어서, 로터들이 수차 디바이스의 전방 및 후방으로 길게 축의 전방 및 후방에 장착되는 구조에서, 전방 및 후방에 장착되는 허브들이 반대 방향을 향하여 장착될지라도, 허브들에 장착되는 양자 모두의 블레이드들은 전방 및 후방 양자 모두에 상류 방향을 배향하여 용이하게 장착될 수 있다.

[0017] 위의 (2)에 개시된 프로펠러 로터는, 수차 디바이스가 설치된 수로의 유속의 상태에 따라 선택되는 가장 적합한 물 수용 면적을 가지는 블레이드로 교체될 수 있다.

발전기 및 허브는 단일 사양일 수 있으며, 설치된 수로의 유속이 느릴 때, 보다 큰 블레이드가 선택되며, 그리고 유속이 빠를 때, 보다 작은 블레이드가 선택되며, 이러한 방식으로, 설치 장소의 조건들에 적합하게 대응하는 것이 가능하다.

[0018] 위의 (3)에서 개시된 수차 디바이스에서, 로터들이 수차 하우징의 전방 및 후방에 배치되기 때문에, 허브들의 방향들은 전방 및 후방으로 대향하지만, 블레이드들은 물 수용 표면들이 동일한 상류 측으로 배향하도록 배치된다. 허브 및 블레이드가 빌트-인되는(built-in) 경우에, 이전 내용을 적용하는 것은 불가능하지만, 본 발명에서, 상이한 크기들의 블레이드들을 교체하고 장착하는 것이 가능하다.

[0019] 위의 (4)에서 개시된 프로펠러 로터에서, 허브의 블레이드 장착 부분이 회전 방향을 따라 긴 끼워맞춤 홀로서 형성되기 때문에, 블레이드 크기가 상이하더라도, 블레이드는 블레이드의 장착 부분을 블레이드 장착 부분의 끼워맞춤 홀에 끼워맞춤함으로써 용이하게 장착될 수 있고, 그리고 블레이드가 전방 및 후방으로 역전되더라도, 블레이드는 용이하게 장착될 수 있다.

[0020] 위의 (5)에 개시된 프로펠러 로터에서, 블레이드의 장착 부분의 둘레 표면이 허브에서의 끼워맞춤 홀에 끼워맞춤하도록 제거되기 때문에, 블레이드의 장착 부분이 허브의 블레이드 장착 부분에 장착될 때, 조인트에 단차부가 존재하지 않으며, 그리고 난류가 조인트에서 발생하지 않는다.

[0021] 위의 (6)에서 개시된 본 발명에서, 큰 벌징 후방 표면의 연장 선인 후방 유동 선이 후방 에지에서 회전 방향 선에 대해 30 내지 45도로 교차하기 때문에, 회전시, 이러한 후방 표면을 따라 후방으로 통과하는 수류가 코안다 효과(Coanda effect)로 인해 속도가 높아지게 되며, 특정 시간에 유동하는 수량도 또한 크며, 그리고 반작용으로서 블레이드의 회전 토크가 증가된다.

교차 각도가 더 커짐에 따라, 블레이드의 두께는 더 크며, 그리고 벌지가 더 커서, 코안다 효과로 인한 통과 속도는 더 높아진다.

그 결과, 반작용으로서, 블레이드는 회전 방향으로 강제로(forcefully) 푸시되어서, 회전 속도가 느릴지라도, 회전 토크는 더 커지며, 예를 들어, 수력 발전기에서의 발전 효율은 증가한다.

[0022] 위의 (7)에서 개시된 본 발명에서, 큰 벌징 후방 표면의 최대 두께 부분은 최대 스트링 길이의 25 내지 35%의 범위에 있다.

이러한 경우에, 스트링 길이가 동일하며 그리고 최대 두께가 커질 때, 후방 표면의 커브형 표면 상의 벌지는 또한 커지며, 그리고 블레이드가 회전할 때, 벌지가 코안다 효과로 인해 더 커짐에 따라, 이러한 벌징 후방 표면을 따라 통과하는 수류는 속도가 높아지게 된다.

그러나, 최대 두께가 스트링 길이의 35%를 초과할 때, 후방 표면을 따라 통과하는 수류는 전방 방향으로 진입하며, 이러한 이유로, 이의 반력은 회전 방향에 대해 수평 방향으로 지향해서, 회전력은 거의 발생하지 않는다. 다른 한편으로, 최대 두께가 25% 또는 그 미만일 때, 후방 표면의 벌징에 기초하는 코안다 효과로 인한 특정 시간 동안 통과하는 수량은 작아서, 이의 반작용으로서의 회전력은 불가피하게 더 작아진다.

[0023] 위의 (8)에서 개시된 본 발명에서, 양력형 블레이드의 전방 에지가 단면이 완전한 원의 반원이기 때문에, 어느 포지션이든지 수류는 블레이드의 전방 및 후방에 충돌하며, 수류는 전방 및 후방으로 원활하게 분할될 수 있으며, 그리고 저항은 작다.

[0024] 위의 (9)에서 개시된 본 발명에서, 블레이드의 경사 부분은 블레이드의 최대 스트링 길이 부분이 베이스 지점으로서 설정되며 이의 팁 부분이 전방 방향으로의 회전 축 중심 선에 대해 후방 에지를 향하여 13 내지 23 도로 회전되며(turned) 하방으로 경사져서, 경사 부분에 충돌하고 경사 부분을 통과하는 수류가 후방 에지를 향하여 13 내지 23 도로 통과하고 반작용으로서 회전 효율을 증가시킨다.

[0025] 도 1은 본 발명의 프로펠러 로터의 전방 입면도이다.
도 2는 도 1에서 허브 부분의 평면도이다.
도 3은 도 1에서 블레이드의 전방 입면도이다.
도 4는 도 3에서 블레이드의 측면도이다.
도 5는 도 4에서 블레이드의 평면도이다.
도 6은 수차 디바이스 상에 장착되는 프로펠러 로터의 측면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예의 전방 입면도이다.
도 8은 도 7에서 블레이드의 측면도이다.
도 9는 도 7에서 블레이드의 확대 평면도이다.
도 10은 도 8에서 선(X-X)을 따라 취해진 단면도이다.
도 11은 도 8에서 선(XI-XI)을 따라 취해진 단면도이다.
도 12는 도 8에서 선(XII-XII)을 따라 취해진 단면도이다.
도 13은 도 9에서 절반-두께 블레이드의 단면도이다.
도 14는 도 10에서 블레이드의 전진 프로세스를 도시하는 평면도이다.
도 15는 도 13에서 블레이드의 전진 프로세스를 도시하는 평면도이다.
도 16은 블레이드의 개선된 예를 도시하는 단면도이다.

[0026] 본 발명의 실시예들은 첨부 도면들을 참조로 하여 아래에서 설명될 것이다.

[0027] 도 1에서 도시되는 바와 같이, 본 발명의 프로펠러 로터(1)에서, 복수의 (도면에서는 5 개의) 블레이드 장착 부분들(3)이 반경 방향으로 허브(2)의 후방 둘레 표면 상에 형성된다.

블레이드 장착 부분(3)은, 블레이드(5)가 장착되고 그리고 블레이드가 나사결합될 수 있는 높이로 돌출될 때, 워블링(wobbling)을 가지지 않는다. 도 2에서 도시된 바와 같은 블레이드 장착 부분(3)의 돌출 단부에서, 양력형 블레이드(5)(이후, 블레이드로서 간단히 지칭됨)의 베이스 단부의 장착 부분(5B)을 끼워맞춤할(fitting) 수 있는 장착 홀(4)이 구심 방향으로 깊게 그리고 축 중심 방향에 대해 수직으로 형성된다.

[0028] 도 3에서 도시되는 바와 같이, 블레이드(5)에서, 최대 스트링 길이 부분(5A)은 회전 반경의 약 50%의 길이를 가지며, 그리고 물 수용 면적이 커지도록 설정된다.

블레이드(5)의 베이스 단부에서, 블레이드 장착 부분(3)의 장착 홀(4)에 장착가능하도록, 장착 부분(5B)이 베이스 단부 표면으로부터 장착 홀(4)의 깊이의 범위 내에서 주위들을 절단함으로써 형성된다. 장착 부분(5B)에서, 나사 홀이 블레이드 장착 부분(3)의 나사 홀에 상응하는 포지션에 형성된다.

[0029] 상이한 물 수용 면적들을 가지는 다수의 유형들의 블레이드들(5)에는 공통으로서 장착 부분(5B)이 준비된다. 이에 의해, 발전기 및 허브(2)가 단일 사양일지라도, 임의의 크기의 블레이드들(5)이 장착 홀(4)에 끼워맞춤될 수 있다. 블레이드(5)의 장착 부분(5B)이 장착 홀(4)에 끼워맞춤된 후, 블레이드(5)가 나사(3A)에 의해 고정된다.

[0030] 일단 수차를 설치할 수로가 결정된다면, 수로의 유속에 의해 얼마나 많은 전기가 발생될 수 있을지를 아는 것이 가능하다. 단위 시간 당 수용 수량으로부터 역으로 계산함으로써, 큰 물 수용 면적을 갖는 블레이드(5)는, 유속이 느릴 때 선택되며, 그리고 작은 물 수용 면적을 갖는 블레이드(5)는, 유속이 빠를 때 선택되며, 그 후, 허브(2) 상에 블레이드(5)를 설치함으로써, 단일 사양 발전기 및 단일 사양 허브(2)를 포함하는 수력 발전기가 상이한 조건들의 수로들을 위해 광범위하게 사용될 수 있다.

[0031] 도 5에서 도시되는 바와 같이, 블레이드(5)에서, 전방 표면(5F)의 후방 에지(5E)는 회전 방향 선(R)에 대해 6 내지 12도로 후방 표면을 향하여 경사진다. 추가적으로, 경사진 부분(5C)은 최대 스트링(string) 길이 부분(5A)을 갖는 시작 지점으로서 상류 방향으로 경사진다.

블레이드(5)의 전방 에지(5D)에서의 최대 두께는 블레이드 루트 부분에서 스트링 길이의 25 내지 30%이며, 그리고 코안다 효과는 회전력으로서 크게 작용한다.

[0032] 허브(2)의 블레이드 장착 부분(3)은 장착 홀(4)을 나타낸다. 장착 홀(4)은 U-형 평면의 형상을 가질 수 있으며, 그리고 블레이드(5)의 장착 부분(5B)은 오목한 부분 내로 끼워맞춤될 수 있으며, 그리고 형상은 제한되지 않는다. 회전력 및 원심력이 블레이드(5)에 적용되기 때문에, 블레이드(5)는 워블링(wobbling) 없이 고정된다.

[0033] 도 6은 로터들(1)이 장착되는 수차를 도시하는 측면도이다. 수차 디바이스(6)에서, 수차 하우징(11)은 컬럼 본체(8) 및 수평 프레임 본체들(9A 및 9B)을 갖는 입방체(cube)에 조립되는 지지 프레임 본체(7)의 최상부 수평 프레임 본체(9A) 상에 축 실린더(10)를 통해 수평으로 현수된다.

[0034] 저부 플레이트(12)가 하부 수평 프레임 본체(9B) 상에서 텐셔닝된 상태로 제공되며, 이의 팁 부분은, 물 전달 플레이트(13)를 형성하기 위해 수로 저부(G)와 접촉하도록 전방으로 돌출하고 그리고 경사진다. 저부 플레이트(12)와 수차 하우징(11)의 저부 표면 사이의 공간은 가능한 한 좁아진다. 저층류(bottom laminar flow)는 물 전달 플레이트(13)로부터 저부 플레이트(12) 상으로 안내되고, 상층류(upper laminar flow)와 혼합되어 압력을 증가시키며, 통과하고, 그리고 후방 로터(1)를 효과적으로 회전시킨다.

[0035] 수차 하우징(11)에서, 로터 축들(14 및 15)이 전방 및 후방에서 수평으로 배치되며, 그리고 전방 로터 축(14)의 팁이 수차 하우징(11)으로부터 돌출되며, 그리고 로터(1)가 고정된다. 후방 로터 축(15)의 후방 단부는 수차 하우징(11)으로부터 돌출하며, 그리고 로터(1)가 고정된다. 동력 전달 기어들(14A 및 15A)이 양자 모두의 로터 축들(14, 15)의 내부 단부들에 고정되고, 그리고 동력 전달 축들(16 및 17)의 하부 단부 부분들에서 동력 전달 기어들(16A 및 17A)에 각각 링크된다(linked).

[0036] 축 실린더(10)는 평면도에서 전방 및 후방으로 길며, 그리고 전방 부분의 좌측 및 우측 두께가 두껍고, 그리고 후방을 향하여 점차 더 얇아지게 형성된다. 축 실린더(10)의 내부에서, 로터(1)의 회전력을 출력 축(18)으로 전달하기 위한 동력 전달 축들(16 및 17)이 수직으로 지지된다. 출력 축(18)의 동력 전달 기어(18A)와 맞물리는 동력 전달 기어들(16B 및 17B)이 동력 전달 축들(16 및 17)의 상부 부분들 상에 고정된다.

[0037] 축 실린더(10)의 상부 부분 상에서, 베어링(10A)이 지지 플레이트(10B)에 의해 지지되며, 그리고 출력 축(18)이 베어링(10A)에서 지지된다. 필요하다면, 베어링(10A)은 상부 부분에 보조 베어링(미도시)으로서 추가될 수 있다.

[0038] 그 결과, 로터(1)가 수류에 의해 회전될 때, 이의 회전력은 양자 모두의 동력 전달 축들(16 및 17)에 의해 출력 축(18)으로 전달되며, 그 후, 출력 축(18)은 전방 및 후방 로터들(1)의 토크들을 동시에 수용하여서, 발전기(미도시)를 효과적으로 회전시키는 것이 가능하다.

[0039] 도 6에서, 조정 플레이트(19)는 수차 하우징(11)의 높이 이내의 공간을 갖는 수차 하우징(11)의 상부 부분에서 지지 프레임 본체(7)에서 수평으로 텐셔닝되는(tensioned) 상태에서 제공된다. 도 6에서, 수차 하우징(11)의 최상부를 따라 아래로 유동하는 수류는 축 실린더(10)의 전방 표면에 맞닿음으로써 상방으로 이동하며, 그러나, 조정 플레이트(19)가 텐셔닝된 상태에서 제공될 때, 수류의 상방 벌지(bulge)가 억제되며, 수류가 가압되고 그리고 고속으로 아래로 유동하여서, 후방 로터(1)가 효과적으로 회전된다.

[0040] 전방 및 후방 로터들(1)에서, 블레이드들(5)의 방향들은 상류 방향으로 향한다. 그러나, 전방 및 후방 허브들(2 및 2)은 서로 반대 방향들로 향한다. 즉, 블레이드(5)가 미리 허브(2)에 빌트-인된다면, 이 전방 및 후방 허브들은 사용될 수 없다.

[0041] 도 1 및 도 2의 로터들(1)에서, 허브들(2)은 서로 반대 방향들로 장착된다. 반면에, 전방 및 후방 블레이드들(5)은 역전된(reversed) 이의 전방 및 후방 표면들에 의해 장착된다.

[0042] 허브(2)에서의 블레이드 장착 부분(3)의 장착 홀(4)이 회전 방향으로 길어지도록 형성되기 때문에, 블레이드(5)의 장착 부분(5B)은, 전방 및 후방 표면들이 역전될지라도, 장착 홀(4)에 용이하게 장착될 수 있다.

[0043] 도 7에서, 그리고 그 후, 이들은 블레이드의 두께에 대한 설명들이다. 동일한 참조 부호들은 이전 예에서와 같이 동일한 부재들에 부착되며, 그리고 설명이 생략된다.

도 7의 프로펠러 로터(1)에서의 양력형 블레이드(5)의 전방 표면은 블레이드 루트(blade root)로부터 블레이드 팁(blade tip)까지 스트링 길이를 점차적으로 증가시키고, 그리고 최대 스트링 길이 부분(5A)으로부터 팁을 테이퍼링한다(taper). 최대 스트링 길이 부분(5A)의 스트링의 길이는 회전 반경의 40 내지 50%의 범위에 있고, 그리고 도 7에서 50%가 예로써 도시된다.

[0044] 도 8에서 도시되는 블레이드(5)의 측면도에서, 전방 표면(5F) 및 후방 표면(5G)은 서로 평행하며, 최대 스트링 길이 부분(5A)의 두께는 최대 스트링 길이의 25 내지 35%의 범위에 있도록 설정되고, 그리고 도 8에서, 35%가 예로서 도시된다.

도 9의 블레이드(5)의 스트링 길이 방향의 수직 중심 선(K)은 회전 방향 선(R)에 대해 약 10도 만큼 후방 표면을 향하여 경사지지만, 이 수직 중심 선은 0도일 수 있다.

[0045] 도 9 및 도 10에서, 최대 스트링 길이 부분(5A)의 수평 전방 선(U)은 회전 방향 선(R)에 대해 약 23도만큼 후방 표면(5G)을 향하여 경사진다.

블레이드들(5)이 회전할 때, 후방 표면(5G)을 따른 연장 선 상에서 유동하는 수류의 후방 유동 선(V)과 회전 방향 선(R) 사이의 교차 각도는 약 30도이며, 그리고 블레이드(5)의 수직 중심 선(K)과 수류의 후방 유동 선(V) 사이의 교차 각도는 약 33도이다.

[0046] 도 9에서, 최대 스트링 길이 부분(5A)으로부터의 팁 부분이 최대 스트링 길이 부분(5A)에서 수평 전방 선(U)에 대해 수직인 전방 표면을 향해 30 내지 45도의 범위로 경사지는 경사 부분(5C)이 형성된다. 따라서, 수평 전방 선(U)에 수직인 T 선은 회전 축 중심 선(S)에 대해 약 23도만큼 후방 에지(5E)를 향하여 경사진다.

[0047] 이로부터, 블레이드(5)가 전방 표면(5F) 상에서 수류를 수용함으로써 회전할 때, 회전 축 중심 선(S)으로부터 수평 전방 선(U)까지 약 113 도의 절반인 56.5도로 (즉 수평 전방 선(U)에 대해 약 56.5도로) 교차하는 W 화살표 선 방향으로의 수력이 블레이드(5)에 적용된다. 이러한 경우에, 수력이 약 33도로 회전 방향 선(R)에 교차하기 때문에, 수력은 효율적으로 작용한다.

[0048] 블레이드(5)가 회전할 때, 코안다 효과로 인해, 큰 벌징 후방 표면(5G)을 따라 고속으로 유동하는 V 화살표 유동은 회전 방향 선(R)에 대해 약 30도의 각도로 그리고 스트링 길이 중심 선(캠버(camber))에 대해 약 35도로 고속으로 유동한다. 특정 시간에서의 V 화살표 유동의 유량은 크며, 그리고 반작용으로서 블레이드(5)의 회전력이 증가된다. 이러한 반발력의 방향은, 수력이 블레이드(5)에 적용되는 W 화살표 방향에 근접한다.

[0049] 도 13은, 도 13에서 도시되는 블레이드의 두께가 도 9 및 도 10에서 도시되는 블레이드(5)의 최대 스트링 길이 부분(5A)의 최대 두께의 절반인, 즉 17.5%인, 비교를 위한 참조 도표이다.

수평 전방 선(U)과 회전 방향 선(R) 사이의 교차 각도는 약 9도이다.

[0050] 따라서, 회전 축 중심 선(S)으로부터 수평 전방 선(U)으로 97 도의 절반인 48.5 도로 수평 전방 선(U)과 교차하는 W 화살표 선은 수력이 작용하는 방향이다. 따라서, 수직 중심 선(K)이 0 도로 설정될지라도, 수류의 후방 유동 선(V)과 회전 방향 선(R) 사이의 교차 각도는 약 22 도 정도로 좁으며, 그리고 회전 방향으로 강력한 수력이 되는 것은 어렵다.

[0051] 위의 사실들로부터, 회전 방향 선(R)에 대해, 수력 작용 선의 W 화살표가 약 33 도로 교차하는 도 9에서 도시되는 두꺼운 블레이드(5)에 대해, 도 13에서 도시되는 절반-두께 블레이드(5)는 회전 방향 선(R)에 대해 수력의 작용 방향으로 48.5 도의 교차 각도를 가지며, 그리고 교차 각도는 도 9에서 도시되는 것보다 회전 방향 선(R)으로부터 더 멀리 있다. 이러한 이유로, 도 9에서 도시되는 두꺼운 블레이드(5)는 도 13에서 도시되는 얇은 블레이드(5)보다 1:1.469%로 수력의 더 양호한 활용 효율을 가진다.

[0052] 도 13에서, 블레이드(5)의 후방 표면(5G)을 따라 통과하는 수류(V) 화살표와 회전 방향 선(R) 사이의 교차 각도는 약 18도이다. 후방 유동 선(V)과 도 9의 R 화살표 선 사이의 30 도의 교차 각도로부터의 차이는 코안다 효과로 인한 고속 유동의 속도에서의 차이로서 이해된다.

[0053] 도 14는, 도 10에서 도시되는 블레이드(5)가 수류에서 이동하는 프로세스를 설명하는 확대 평면도이다. 도 14에서 블레이드(5)의 전방 에지(지점(A))가 완전한 원의 반구형 표면이기 때문에, 최대 두께는 완전한 원의 직경이다.

[0054] 따라서, 블레이드(5)가 완전한 원의 중심(O)으로부터 반경의 길이만큼 전진한다면, 이 블레이드는 최대 두께의 절반 만큼 이동할 수 있으며, 그리고 블레이드(5)의 후방 부분에 대해, 유속은 코안다 효과에 의해 가속되어서, 회전시의 물의 저항이 작다.

[0055] 중심(O)으로부터의 반경의 길이는 블레이드(5)의 전방 에지(지점 A)로부터 후방 에지(지점 B)로의 총 스트링 길이의 약 16.8%이다.

도 14에서, 전방 에지(지점 A)가 완전한 원의 반경만큼 전진하고 고정 지점(C)의 포지션으로 이동할 때, 고정 지점들(G, I, C, J, H, A, G)의 범위의 물은 블레이드(5)의 둘레 표면을 따라 후방으로 이동한다.

[0056] 이러한 경우에, 블레이드(5)의 전진에 의해, 블레이드(5)의 후방 에지(지점 B)가 지점(D)으로 전진함에 따라, 음압 공동(negative pressure cavity)이 블레이드(5)의 후방에 형성되며, 그리고 주위의 물은 음압 공동을 채운다.

블레이드(5)에 의해 전방으로 푸시되는 물은, 우무 푸셔(gelidium jelly pusher)에 의해 푸시되도록 단순히 전방으로 푸시되지 않는다. 물은 블레이드(5)의 전방 에지(지점 A)의 표면 상에서 그리고 블레이드(5)의 둘레 표면 상에서 얇은 층 상태로 미끄러지고, 그리고 후방으로 이동한다.

[0057] 즉, 블레이드(5)가 전진할 때, 음압의 공간이 고정 지점들(G, B, H, D, G)의 범위에서 형성되기 때문에, 블레이드(5)의 전방 에지(지점 A)에서 가압되고 고압으로 되었던 물이 코안다 효과로 인해 고속으로 후방에서 형성되는 음압 공간에 적합하다. 그러나, 실제로, 음압 공간이 주위 물로 즉시 채워지기 때문에, 전방 에지(지점 A)에서 푸시되고 가압되는 물은 정상 압력의 후방 부분에서 형성되는 음압 공간의 부분으로 물 압력 차이에 의해 진입하며, 이의 반작용으로서, 블레이드(5)가 전방으로 푸시되고 회전된다.

[0058] 고정 지점들(G, I, C, J, H, A, G)의 범위들 및 고정 지점들(G, B, H, D, G)의 범위는 동일한 용적이다. 고정 지점들(G, B, H, D, G)의 범위에 형성되는 공간은 주위들로부터의 수압으로 채워지며, 그러나 고정 지점들(G, I, C, J, H, A, G)의 범위들의 수압은 블레이드(5)의 이동에 의해 증가되며, 그리고 물이 코안다 효과에 의해 후방으로 이동할 때, 수압은 반작용으로서 블레이드(5)를 푸시 아웃한다(push out).

[0059] 따라서, 수량이 증가함에 따라, 블레이드(5)의 회전 토크는 높아지게 된다. 다른 한편으로, 다음에 설명되는 도 13 및 도 15에서 도시되는 바와 같은 얇은 블레이드의 경우에, 코안다 효과로 인해 이동되는 물의 반작용은 작으며, 그리고 회전 토크는 낮다.

[0060] 이러한 경우에, 고정 지점들(A, H, B) 사이의 거리가 고정 지점들(A, G, B) 사이의 거리보다 더 길기 때문에, 고정 지점들(A, H, B)의 후방 표면(5G)을 따라 통과하는 수류의 속도가 전방 표면(5F)의 수류의 속도보다 더 크며, 후방 표면(5G)을 따라 통과하는 수류는 후방에서 형성되는 전술된 음압 공간에 신속하게 진입한다.

[0061] 그 후, 고정 지점(C)이 고정 지점(E)의 포지션으로 이동할 때, 전방 에지(5D)(지점 A)에서 푸시되는 전방의 물은 고정 지점들(I, F, J, H, D, I)의 범위로 이동한다. 이 때, 음압이 고정 지점들(I, F, J, H, D, I)의 범위에서 생성되기 때문에, 나머지는 이전 예와 동일하다.

[0062] 도 15는, 수류에서 도 13의 블레이드(5)를 이동하는 프로세스를 설명하기 위한 블레이드의 확대 평면도이다. 블레이드(5)의 두께는 도 14의 블레이드(5)의 두께의 절반이다.

두께의 절반만큼 도 14의 블레이드(5)를 전진시키는 것은, 두께와 동등한 양만큼 도 15의 블레이드(5)를 전진시키는 것과 동일한 거리이다.

[0063] 그 결과, 도 15에서, 고정 지점이 고정 지점(j)으로 이동할 때, 고정 지점들(j, k, b, i, h, g)의 범위의 물의 이동이 존재한다. 고정 지점들(G, B, H, D, G)의 범위들과 이러한 범위를 비교할 때, 크기가 비교불가한 차이가 존재하며, 그리고 코안다 효과로 인해 고속으로 이동하는 수류에 의한 반작용의 차이는 두께의 차이가 클수록 차이가 더 커짐을 나타낸다.

[0064] 도 15의 블레이드(5)가 수력에 의해 회전의 속도를 가지는 것으로 보이지만, 코안다 효과로 인한 고속 유동이 거의 발생하지 않는다. 이러한 블레이드(5)는 코안다 효과에 의해 회전 속도를 증가시키도록 의도되지 않는다.

[0065] 다른 한편으로, 도 14에서 스트링 길이의 30%보다 더 두꺼운 블레이드(5)에서, 수력으로 인한 회전 속도가 증가하기 어려운 것으로 보이지만, 후방 표면(5G)의 큰 벌징(bulging)에 의해 유발되는 큰 코안다 효과로 인해, 후방 표면(5G)을 따라 통과하는 고속 유동의 반작용은 회전 토크를 증가시킨다. 이는 아이들의 손으로 푸시하는 것이 스모 선수의 손으로 푸시하는 것과 비교되는 차이이다.

[0066] 도 13에서 설명되는 바와 같이, 블레이드(5)의 두께가 스트링 길이의 17.5%일 때, 코안다 효과의 강한 V 화살표 유동이 획득될 수 없다. 실험에 따라, 최대 스트링 길이의 26%의 두께에서, 수평 전방 선(U)에 대한 V 화살표 선의 교차 각도는 약 14도이다.

[0067] 회전 방향 선(R)에 대한 수평 전방 선(U)이 11도이기 때문에, 전방 표면에 충돌하는 수력의 방향은 회전 방향 선(R)에 대해 약 40 도에서 그리고 45에서 또는 그 미만으로 교차하여서, 회전 효율은 도 13의 것보다 더 높다.

[0068] 도 16은 블레이드(5)의 최대 스트링 길이 부분의 단면도이다. 다수의 미세 요철들(5H)은 전방 에지(5D)의 반원 부분의 후방을 따라 표면 상에서 형성되며, 이렇게 함으로써, 두꺼운 부분에서의 물의 미끄러짐이 개선된다.

[0069] 미세 요철들(5H)은, 예를 들어, 수직 스트라이프, 격자(lattice) 또는 위커워크 넷(wickerwork net), 과립형 형상, 분무기(sprayer)에 의한 코팅 재료의 코팅과 같은 임의의 형상들이다. 전방 에지(5D)의 두께가 크기 때문에, 미세 요철들(5H)이 두꺼운 부분에서 무수히 많다면, 미세 난류들이 발생하며, 그리고 미세 난류들은 유체의 점성도로 인한 저항을 억제하며, 잘 미끄러지게 한다.

[0070] 본 발명의 프로펠러 로터는 수로의 유속에 대해 적합한 크기를 가지는 블레이드를 선택적으로 사용할 수 있다. 따라서, 발전기 및 허브가 단일 사양이라 하더라도, 이는 블레이드를 변경함으로써 상이한 유량들을 갖는 수로들에서 수력 발전기를 위해 사용될 수 있다.

보다 두꺼운 블레이드들이 심지어 저속 유동에서 회전 토크를 증가시킬 수 있기 때문에, 조류 발전기(tidal current generator) 등을 위해 사용될 때, 효과적인 발전이 수행될 수 있다.

[0071]
1 프로펠러 로터
2 허브
3 블레이드 장착 부분
3A 나사
4 장착 홀
5 양력형 블레이드
5A 최대 스트링 길이 부분
5B 장착 부분
5C 경사 부분
5D 전방 에지
5E 후방 에지
5F 전방 표면
5G 후방 표면
5H 미세 요철들
6 수차 디바이스
7 지지 프레임
8 컬럼 본체
9A 최상부 수평 프레임 본체
9B 하부 수평 프레임 본체
10 축 실린더
10A 베어링
11 수차 하우징
12 저부 플레이트
13 물 전달 플레이트
14, 15 로터 축
14A, 15A 동력 전달 기어
16, 17 동력 전달 축
16A, 16B, 17A, 17B 동력 전달 기어
18 출력 축
18A 동력 전달 기어
G 수로 저부
S 회전 축 중심 선
R 회전 방향 선

Claims (9)

1. 수차 디바이스(water turbine device)의 횡축 프로펠러 로터(horizontal shaft propeller rotor)로서,
   상기 프로펠러 로터는 허브(hub)를 포함하고, 상기 허브는 상기 허브의 후방 둘레 표면 상에서 반경 방향으로 배향되는 복수의 블레이드 장착 부분들이 형성되며, 상기 블레이드 장착 부분은, 블레이드의 장착 부분이 전방 및 후방이 뒤집히더라도, 상기 블레이드의 장착 부분 상에 장착될 수 있도록 형성되고,
   상기 허브의 블레이드 장착 부분에서, 회전 방향으로 긴 끼워맞춤 홀(fitting hole)이 축 중심 선에 대해 수직으로 형성되며, 상기 블레이드의 베이스 단부 상에 형성되는 장착 부분이 전방 및 후방 방향 중 임의의 방향으로 지향될 때에도, 상기 블레이드의 장착 부분은 상기 끼워맞춤 홀 내로 끼워맞춤될 수 있는,
   수차 디바이스의 횡축 프로펠러 로터.
2. 제 1 항에 있어서,
   설치 장소에서의 유속에 최적인 물 수용 면적을 갖는 블레이드가 상이한 물 수용 면적들을 갖는 블레이드들로부터 선택되며, 선택된 블레이드의 장착 부분은 상기 허브의 블레이드 장착 부분 상에 장착되는,
   수차 디바이스의 횡축 프로펠러 로터.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 수차 디바이스에서, 횡축 로터들이 수차 하우징의 전방 및 후방에 배치되며, 전방 및 후방 허브들은 각각 반대 방향들로 향하도록 장착되며, 전방 및 후방 블레이드들은 전방 표면이 상류 방향을 향하도록 장착되는,
   수차 디바이스의 횡축 프로펠러 로터.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 블레이드의 장착 부분에서, 둘레 표면은 상기 허브의 끼워맞춤 홀과 끼워맞춤하도록 제거되고, 상기 블레이드의 장착 부분이 상기 허브의 블레이드 장착 부분에 장착될 때 조인트(joint)에 단차부(step)가 존재하지 않도록 형성되는,
   수차 디바이스의 횡축 프로펠러 로터.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 블레이드가 직립된(upright) 상태에서의 최대 스트링 길이 부분의 단면에, 구형 표면이 전방 에지 상에 형성되며, 커브형 표면이 직경 부분으로부터 후방 에지로 형성되며, 큰 벌징(bulging) 후방 표면을 따르는 후방 유동 선을 따라 통과하는 수류가 상기 후방 에지에서 상기 블레이드의 스트링 중심 선(string center line)에 대해 30 내지 45 도로 교차하는,
   수차 디바이스의 횡축 프로펠러 로터.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 블레이드의 블레이드 루트(root)에서의 수평 전방 선이 회전 방향 선에 대해 45 내지 50 도의 범위에 있도록 상기 후방 에지가 후방 표면을 향하여 경사진,
   수차 디바이스의 횡축 프로펠러 로터.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 블레이드의 전방 에지는 단면이 완전한 원의 반원이며, 상기 전방 및 후방 표면들은 상기 반원의 전방 및 후방 정점들(vertices)로부터 연속되는,
   수차 디바이스의 횡축 프로펠러 로터.
8. 제 5 항에 있어서,
   상기 최대 스트링 길이 부분의 전방 표면이 베이스 지점으로 설정되며, 상기 최대 스트링 길이 부분의 팁 부분이 전방 방향으로의 회전 축 중심 선에 대해 상기 후방 에지를 향하여 13 내지 23도로 회전되고 하방으로 경사지는,
   수차 디바이스의 횡축 프로펠러 로터.
9. 삭제

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