KR20030085113A - Turbine for free flowing water - Google Patents

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Abstract

축방향에서 흘러 유체로부터의 에너지의 일부를 회전 에너지로 전환시켜 터빈의 효율을 증가시키는, 날개형 나선 블레이드와 함께 날개형 방사상 블레이드를 이용해 가역적 유체유동 하에서 단방향으로 회전할 수 있는 개선된 반동 터빈. 축류를 회전 에너지로 전환하는 것은 터빈의 나선형 블레이드가 터 큰 트위스트 각도를 갖고 터빈 자체가 더 작은 직경비 대 길이를 가질 수 있게 하여 효율을 떨어뜨리지 않고 터빈을 보다 소형으로 만들 수 있다.An improved recoil turbine that can rotate unidirectionally under reversible fluid flow using a winged radial blade with bladed spiral blades that flows in an axial direction and converts some of the energy from the fluid into rotational energy to increase turbine efficiency. Converting axial flow into rotational energy allows the spiral blades of the turbine to have a larger twist angle and the turbine itself to have a smaller diameter-to-length, making the turbine smaller without compromising efficiency.

Description

자유 유동수 터빈{TURBINE FOR FREE FLOWING WATER}TURBINE FOR FREE FLOWING WATER}

단방향 터빈은 조수의 후미와 같이 양방향 또는 가역적 유체흐름으로부터, 혹은 변하는 풍향으로부터 단방향 회전을 제공할 수 있는 터빈이다. 일반적으로 다섯 가지 기본 유형들이 공지되어 있는데 그것은 웰스 터빈(the Wells turbine), 맥코믹 터빈(the McCormick turbine), 다리우스 터빈(the Darrieus turbine), 골드버그 터빈(Goldberg turbine), 그리고 골로브 터빈(the Gorlov turbine)이다.Unidirectional turbines are turbines that can provide unidirectional rotation from bidirectional or reversible fluid flows, such as tidal tails, or from varying wind directions. In general, five basic types are known: the Wells turbine, the McCormick turbine, the Darrieus turbine, the Goldberg turbine, and the Gorlov turbine. )to be.

웰스 터빈은 프로펠러형 터빈으로 회전 샤프트로부터 동심으로 연장되도록 배열된 일련의 직각 날개형(airfoil-shaped) 블레이드(blades)갖고 있다. 일반적으로, 터빈은 회전 샤프트 축을 따라 직선으로 유체 유동을 향하게 하는 채널 내에 설치된다. 블레이드는 회전 샤프트에서 방사상으로 연장되고 유체유동 방향과 수직인 평면에서 회전하도록 장착된다. 유체가 흐르는 방향에 관계없이, 블레이드는 날개의 선단(leading edge) 방향에서 회전한다.Wells turbines are propeller-type turbines that have a series of airfoil-shaped blades arranged to extend concentrically from the rotating shaft. In general, turbines are installed in channels that direct fluid flow in a straight line along a rotating shaft axis. The blade is mounted to rotate in a plane extending radially from the rotating shaft and perpendicular to the fluid flow direction. Regardless of the direction in which the fluid flows, the blades rotate in the direction of the leading edge of the vane.

웰스 터빈은 고속회전 할 수 있다. 이 블레이드의 외부 단들은 흐르는 공기보다 충분히 빠르게 움직여 상당한 소음을 일으킨다. 블레이드의 유효 표면적이 외부 팁까지 제한되기 때문에 웰스 터빈의 효율은 감소된다. 이러한 블레이드는 샤프트와 가까이 흐르는 유체에서 충분한 양의 가용 에너지를 획득할 수 없다.Wells turbines can rotate at high speeds. The outer ends of these blades move faster than flowing air, producing significant noise. The efficiency of the wells turbine is reduced because the effective surface area of the blade is limited to the outer tip. Such blades cannot obtain a sufficient amount of available energy in the fluid flowing close to the shaft.

맥코믹 터빈은 두 조의 고정익(stator blades) 사이에 동심으로 장착된 일련의 V형 로터 블레이드(rotor blades)를 사용한다. 상기 로터 블레이드는 유체 유동방향에 수직인 평면에서의 회전을 위해 설치된다. 고정익은 유체 유동을 로터 블레이드로 향하게 한다. 양방향 유체유동과 함께 단방향 회전을 이루기 위해 외부 고정익은 한 방향으로부터 흐르는 유체에 개방되어 있는 반면, 내부 고정익은 반대방향으로부터 흐르는 유체에 개방되어 있다.McCormick turbines use a series of V-shaped rotor blades mounted concentrically between two sets of stator blades. The rotor blades are installed for rotation in a plane perpendicular to the fluid flow direction. The fixed blade directs fluid flow to the rotor blades. In order to achieve unidirectional rotation with bidirectional fluid flow, the outer stationary wing is open to the fluid flowing from one direction, while the inner stationary wing is open to the fluid flowing from the opposite direction.

맥코믹 터빈은 웰스 터빈보다는 조용하다. 그러나 발전기의 직접 작동을 위해서는 너무 느리다. 맥코믹 터빈은 복잡하고 제조하는데 돈이 많이 든다.McCormick turbines are quieter than wells turbines. But too slow for the direct operation of the generator. McCormick turbines are complex and expensive to manufacture.

다리우스 터빈은 유체흐름에 가로로 배향되고 회전축에 평행한 직선 날개형 블레이드를 갖는 반동터빈(reaction turbine)이다. 블레이드는 원주의 끝판(circumferential end plates), 지주(struts) 또는 다른 공지된 구조물로 축에 부착될 수 있다. 어떤 변형에서는, 블레이드가 구부러져 축의 단부에 부착된다. 직사각 채널(rectangular channel)에 수직 또는 수평으로 장착된, 직렬형 직각 블레이드를 갖고 있는 다리우스 반동터빈은 수력발전을 이용하기 위해서 흐르는 수체(body of water)에 직접 배치된다. 다리우스 터빈은 유체의 고압대(hight pressure zones)를 통과하는 블레이드의 가속으로 인한 강력한 맥동과 함께 회전한다. 이러한 강력한 맥동으로 다리우스 터빈의 효율이 저하된다.Darius turbines are reaction turbines with straight blades oriented transverse to the fluid stream and parallel to the axis of rotation. The blade may be attached to the shaft with circumferential end plates, struts or other known structures. In some variations, the blade is bent and attached to the end of the shaft. A Darius reactionary turbine with a series of right-angled blades, mounted vertically or horizontally in a rectangular channel, is placed directly in the flowing body of water to exploit hydropower. Darius turbines rotate with strong pulsations due to the acceleration of the blades through the high pressure zones of the fluid. This powerful pulsation reduces the efficiency of the Darius turbine.

상세설명 및 도면에 참조된 미국 특허 번호 5,405,246 에 기술된 골드버그 터빈과 상세설명 및 도면에 참조된 미국 특허 번호 5,642,894에 기술된 골드버그 터빈은 트위스트 블레이드(twisted blades) 또는 나선형 블레이드를 사용한다. 이러한 터빈에 사용된 블레이드의 방향(orientation)으로 토크는, 가로 방향(터빈의 회전축과 수직 방향)에서 블레이드에 충격을 주는 물 또는 공기로부터 발생될 수 있다.Goldberg turbines described in US Pat. No. 5,405,246, referenced in the description and drawings, and Goldberg turbines described in US Pat. No. 5,642,894, referenced in the description and drawings, use twisted blades or helical blades. The torque in the orientation of the blades used in such a turbine can be generated from water or air that impacts the blade in the transverse direction (perpendicular to the axis of rotation of the turbine).

가로 방향에서 나선형 블레이드에 충격을 가하는 물 또는 공기의 일부는 축 방향에서 편향된다. 이러한 축류(axial flow)는 터빈, 특히 터빈 베어링(turbine bearings)에 응력을 가해 짧은 기간 뒤에 교체해야 한다. 골드버그 터빈과 골로브 터빈은 이전 설계보다 개선되었지만, 이러한 터빈은 모두 축 방향에서 편향된 유동을 효과적으로 활용하지 못한다.Some of the water or air impacting the helical blade in the transverse direction is deflected in the axial direction. This axial flow stresses turbines, especially turbine bearings, and must be replaced after a short period of time. Goldberg turbines and golov turbines are an improvement over previous designs, but both do not effectively utilize axially deflected flow.

본 발명은 일반적으로 터빈, 특히 공압, 수력발전, 풍력발전 또는 파력발전 시스템에 사용하기 위한 다방향(multidirectional) 유체유동 하에서 단방향(unidirectional) 회전을 할 수 있는 터빈에 관계된다.The present invention relates generally to turbines, in particular turbines capable of unidirectional rotation under multidirectional fluid flow for use in pneumatic, hydro, wind or wave power systems.

도 1 은 본 발명의 한 실시예의 전방 좌측 사시도.1 is a front left perspective view of one embodiment of the present invention;

도 2 는 대체로 축 방향에서 편행된 가로 유체유동을 도시하는 본 발명의 터빈의 한 실시예의 전방 좌측 사시도.2 is a front left perspective view of one embodiment of a turbine of the present invention showing transverse fluid flow generally axially deflected;

도 3A 는 트위스트 블레이드와 방사상 블레이드를 도시하는 본 발명의 한 실시예의 횡단면 사시도.3A is a cross-sectional perspective view of one embodiment of the present invention showing twisted blades and radial blades.

도 3B 는 트위스트 및 방사상 블레이드에서 편향된 유체 흐름을 도시하는 본 발명의 한 실시예의 최상부도.3B is a top view of one embodiment of the present invention showing deflected fluid flow in twisted and radial blades.

도 3C 는 트위스트 및 방사상 블레이드에서 편향된 유체 흐름을 도시하는 본 발명의 한 실시예의 정면도.3C is a front view of one embodiment of the present invention showing deflected fluid flow in twisted and radial blades.

도 4 는 트위스트 및 방사상 블레이드를 도시하고 전단 및 회전을 수반하는 본 발명의 한 실시예.4 is an embodiment of the invention showing twisted and radial blades and involving shearing and rotation.

도 5 는 트위스트 블레이드의 배치에 관한 O-표면(O-surface)과 양각(angle of attack)을 도시하는 본 발명의 한 실시예의 측면도.FIG. 5 is a side view of one embodiment of the present invention showing an O-surface and an angle of attack with respect to the placement of twisted blades. FIG.

도 6 은 트위스트 블레이드의 설계를 도시하고 O-곡선(O-curve), B-곡선 및 O-표면에 의한 터빈 외형을 동반한 본 발명의 한 실시예의 사시도.FIG. 6 is a perspective view of one embodiment of the present invention showing the design of a twisted blade and with turbine contour by O-curve, B-curve and O-surface. FIG.

도 7 은 회전축에 관하여 O-곡선의 회전으로 야기된 터빈의 곡률 배향(curvature orientation)을 도시하는 한 실시예의 측면도.FIG. 7 is a side view of one embodiment showing the curvature orientation of a turbine caused by rotation of an O-curve about an axis of rotation. FIG.

도 8 은 배럴형(barrel shaped) 외형을 갖는 본 발명의 터빈의 한 실시예의 사시도.8 is a perspective view of one embodiment of a turbine of the present invention having a barrel shaped outline.

도 9 는 방사살 블레이드가 블레이드 지지부재로 이용되는 본 발명의 한 실시예의 측면도.9 is a side view of one embodiment of the present invention in which a spin blade is used as a blade support member.

* 부호설명 ** Code Description *

10 : 터빈12 : 회전부재10 turbine 12 rotating member

14 : 회전축16 : 블레이드 지지부재14 rotation axis 16: blade support member

18 : 트위스트 터빈 블레이드20 : 방사상 터빈 블레이드18: twist turbine blades 20: radial turbine blades

20L : 선단20T : 후연20L: Tip 20T: trailing edge

20A : 날개 횡단면34,40 : O-표면20A: Cross section of wing 34, 40: O-surface

36 : O-곡선38 : B-곡선36: O-curve 38: B-curve

44 : 배럴형 터빈46 : 실린더형 터빈44 barrel type turbine 46 cylinder type turbine

50 : 횡단 유체유동65 : 축류50: transverse fluid flow 65: axial flow

본 발명은 일반적으로 축 방향에서 유체 유동하는 에너지의 일부를 회전 에너지로 전환하여 터빈의 효율을 증가시키는 날개형 나선 블레이드 또는 다른 트위스트 블레이드와 함께 날개형 방사상 블레이드를 이용해 가역적 유체유동 하에서 한 방향으로 회전할 수 있는 개선된 터빈을 제공한다. 편향된 축류를 회전 에너지로 전환하면 터빈의 나선형 블레이드의 비틀림 각이 더 커지고, 터빈의 길이는 직경비보다 더 작아져, 터빈은 효율을 떨어뜨리지 않고 보다 소형이 될 수 있다.The present invention generally rotates in one direction under reversible fluid flow using a winged radial blade together with a winged spiral blade or other twisted blade that converts a portion of the fluid flowing energy in the axial direction into rotational energy to increase the efficiency of the turbine. An improved turbine can be provided. Converting the deflected axial flow into rotational energy results in a larger torsional angle of the helical blades of the turbine and a smaller turbine length than the ratio of diameters, allowing the turbine to be smaller without compromising efficiency.

본 발명품은 가역적 유체유동 하에 단방향 회전을 할 수 있는 반동터빈이다. 몇몇 선호된 실시예들이 도면에 도시된다. 청구항들과 일치하는 다른 실시예들은 본 발명에 의해 알 수 있다.The present invention is a reaction turbine capable of unidirectional rotation under reversible fluid flow. Some preferred embodiments are shown in the figures. Other embodiments consistent with the claims can be seen by the present invention.

한 실시예에서, 터빈(10)은 대체로 축 방향(60)과 대체로 축류(65)에서 편향된 횡단류(transversal flow)인, 이입되는 횡단유체유동(50)의 운동 에너지로부터 회전 에너지를 추출하는 신규의 특징들을 조합하여 이용한다. 도 1을 참조로, 반동터빈(10)은 회전 부재(12), 블레이드 지지부재(16), 트위스트 터빈 블레이드(18)와 방사상 터빈 블레이드(20)로 이루어진다.In one embodiment, the turbine 10 extracts rotational energy from the kinetic energy of the incoming transverse fluid 50, which is generally transversal flow deflected in the axial direction 60 and generally the axial flow 65. Use the features of the combination. Referring to FIG. 1, the recoil turbine 10 consists of a rotating member 12, a blade support member 16, a twist turbine blade 18 and a radial turbine blade 20.

회전 부재(12)는 지지부재(12A)와 맞물릴 수 있어 단방향 방식으로 터빈(10)이 회전하는 회전 축(14)을 형성한다. 지지부재(12A)는 또한 회전 축(14)에 대한자유회전을 허용하면서 회전 부재(12)의 위치를 고정시킬 수 있는 어떠한 구조물일 수 있다. 상기 회전 부재는 매끄럽게 회전할 수 있는 어떤 장치일 수 있다. 예를 들면, 매끄러운 회전을 허용하는 (도시되지 않은) 베어링을 갖고 있는 회전 허브(hub)를 이용할 수도 있다.Rotating member 12 can engage engagement member 12A to form a rotating shaft 14 that turbine 10 rotates in a unidirectional manner. The support member 12A may also be any structure capable of fixing the position of the rotation member 12 while allowing free rotation about the rotation axis 14. The rotating member may be any device that can rotate smoothly. For example, it is also possible to use a rotating hub having a bearing (not shown) that allows smooth rotation.

일반적으로 회전 부재(12)에 수직으로 부착된 것은 회전 부재와 함께 이 회전 부재(12)에 직각인 평면에서 회전하는 하나 또는 다수의 블레이드 지지부재(16)이다. 회전 부재(12)는 선호적으로 기어박스(gearbox) 또는 다른 토크발생장치에 의해 터빈의 회전 에너지를 전기 에너지로 전환하는 (도시되지 않은)발전기의 샤프트, 또는 본 발명에 의해 이용 가능한 동력을 이용할 수 있는 다른 장치에 결합된다.Generally attached perpendicularly to the rotating member 12 is one or more blade support members 16 that rotate in a plane perpendicular to the rotating member 12 together with the rotating member. Rotating member 12 preferably utilizes the shaft of a generator (not shown) or the power available by the present invention, which converts rotational energy of the turbine into electrical energy by means of a gearbox or other torque generating device. Can be coupled to other devices.

회전 축(14) 둘레를 회전하기 위해 꼭 필요하지는 않으나 선호적으로 날개 단면(18A)을 갖고 있는 트위스트 터빈 블레이드(18)가 블레이드 지지부재(16)에 부착된다. 어떤 실시예에서 단일 블레이드 지지부재(16)를 이용할 수도 있다. 나선형 블레이드(18)의 단면에는 선단(18L)과 후연(18T)이 있다. 나선형 블레이드의 횡단면은 트위스트 블레이드(18)의 날개 측면(airfoil profile)이 횡단유체유동(50) 성분에 평행한 평면에 있도록 배향된다. 트위스트 블레이드의 변하는 배향으로 트위스트 블레이드는 회전 시 주어진 어떤 시간에 횡단 유체에 상이한 면(faces)을 제공할 수 있다. 트위스트 블레이드(18)는 유체유동에 대한 터빈(10)의 각 위치에 관계없이 터빈이 횡단 유체유동에 처해 있을 때 단방향 방위(70)에서 터빈(10)으로부터 일정한 토크를 발생시키도록 설계된다.A twist turbine blade 18, which is not necessary to rotate about the rotation axis 14 but preferably has a wing section 18A, is attached to the blade support member 16. In some embodiments, a single blade support member 16 may be used. The end surface of the helical blade 18 has a front end 18L and a trailing edge 18T. The cross section of the helical blade is oriented such that the airfoil profile of the twisted blade 18 is in a plane parallel to the transverse fluid 50 component. With the varying orientation of the twisted blades, the twisted blades can provide different faces to the transverse fluid at any given time in rotation. The twist blade 18 is designed to generate a constant torque from the turbine 10 in the unidirectional orientation 70 when the turbine is in transverse fluid flow regardless of the angular position of the turbine 10 relative to the fluid flow.

트위스트 블레이드(18)의 설계는 O-표면(34)에 B-곡선(38)을 만들도록 이루어진다. B-곡선은 변화가 없으며 두 접선들 사이에 존재하는 각(Ω)(32)으로 정의된다. 제 1 접선은 B-곡선 자체에 접하고 제 2 접선은 교차점에서 O-곡선(36)에 접한다. 각(Ω)(32)은 일정하거나 B-곡선(38)의 길이에 따라 변한다. B-곡선은 각각의 트위스트 블레이드(18)의 장축을 형성하고, 일정한 각도(Ω)는 실린더형 터빈(10)을 제공한다. 트위스트 블레이드 날개 단면(18A)의 무게 또는 압력의 중심들은 B-곡선으로 도시된다. 횡단면들은 장축이 O-표면(40)의 교차점의 원주에 대한 접선과, 터빈 회전축(14)에 수직인 평면에 있도록 배향된다.The design of the twisted blades 18 is made to create a B-curve 38 on the O-surface 34. The B-curve is defined as the angle (Ω) 32 which is unchanged and exists between the two tangents. The first tangent abuts the B-curve itself and the second tangent abuts the O-curve 36 at the intersection. Angle (Ω) 32 is constant or varies with the length of B-curve 38. The B-curve forms the long axis of each twist blade 18, and a constant angle Ω provides the cylindrical turbine 10. The centers of weight or pressure of the twisted blade vane section 18A are shown as B-curves. The cross sections are oriented such that the long axis is tangential to the circumference of the intersection of the O-surface 40 and in a plane perpendicular to the turbine axis of rotation 14.

본 발명은 날개 단면(18A)의 장축과, 원주에 대한 접선 사이에 작은 양각( alpha )을 허용한다. 따라서 트위스트 블레이드(18)의 각 부분은 도 4,5,8에 도시된 바와 같이, 단면이 동일한 (도시되지 않은) 직선 블레이드와 비교해 상이한 전단 및 회전력을 갖는다.The present invention allows for a small alpha between the long axis of the wing section 18A and the tangent to the circumference. Thus, each portion of the twisted blade 18 has different shear and rotational forces as compared to straight blades (not shown) having the same cross section, as shown in FIGS. 4, 5, 8.

도 6 과 도 7 을 참조로, 본 발명의 터빈(10)은 터빈(10)이 n번째 차수의 축 대칭성을 갖도록, 일정하게 분포된 n개의 블레이드를 포함하는데 이 숫자는 2와 같거나 그 이상이다(n≥2). O-표면(34)이 실린더(46)형상을 형성한다면, 트위스트 블레이드 날개의 기하학적 구조와 각도(Ω)는 트위스트 블레이드(18)의 길이를 따라 일정한 것이 선호된다. 이러한 실시예에서, 반경비에 대한 길이는 터빈의 2Π/n 회전이 횡단면 임프린트(imprint)의 트위스트 블레이드(18)의 한쪽 단부에서 다른 쪽 단부로 횡단면 임프린트를 배열할 정도이고, 토크는 터빈(10)의 각 위치와 관계없이 일정하다. 이 실시예에서, 각도(Ω)는 그러한 대칭성을 제공하거나 비대칭성을최소화 하도록 선택된다. 다른 O-표면 또는 회전 타원체 혹은 배럴 배치(48)가 사용된다면, 일정한 토크 상태는 트위스트 블레이드(18)의 날개형 횡단면(18A)과 각도(Ω)(32)에 변화를 주어 가까워질 수 있다.6 and 7, the turbine 10 of the present invention comprises n blades that are uniformly distributed such that the turbine 10 has axial symmetry of the nth order, the number being equal to or greater than two. (N≥2). If the O-surface 34 forms the cylinder 46 shape, the geometry and angle Ω of the twisted blade vanes is preferably constant along the length of the twisted blade 18. In this embodiment, the length to radial ratio is such that the 2π / n rotation of the turbine arranges the cross section imprint from one end to the other end of the twisted blade 18 of the cross section imprint, and the torque is the turbine 10 Is constant regardless of each position. In this embodiment, the angle Ω is chosen to provide such symmetry or minimize the asymmetry. If other O-surfaces or spheroids or barrel arrangements 48 are used, the constant torque state can be brought closer by varying the angle Ω 32 and the winged cross section 18A of the twisted blades 18.

횡단 유체유동(50)으로부터 토크를 발생시키는 것 외에도, 트위스트 블레이드(18)는 도 2,3A,3B,3C,4 및 도 9 에 도시된 바와 같이 일반적으로 축 방향에서 편행되는 부분적인 횡단 유체유동(50)을 일으킨다. 본 발명은 터빈(10)의 회전 에너지와 전체 효율을 증가시키기 위해 편향된 대체로 축방향 흐름(60) 또는 어떤 축류를 활용할 수 있다. 이는 트위스트 블레이드(18)에 부착된 대체로 방사상인 블레이드(20)로 이루어진다. 이러한 방사상 블레이드(20)는 터빈의 회전축(14)에 사실상 수직인 것이 선호되고, 트위스트 블레이드(18)에 의해 회전 에너지로 편향되든지 아니든지, 대체로 동축 방향(60,65)에서 흐르는 유체의 부분적인 운동 에너지를 전환할 수 있다.In addition to generating torque from the transverse fluid flow 50, the twisted blades 18 may be partially transverse fluid flow generally axially deflected as shown in FIGS. 2, 3A, 3B, 3C, 4 and 9. Produce 50. The present invention may utilize a generally axial flow 60 or any axial flow deflected to increase the rotational energy and overall efficiency of the turbine 10. This consists of a generally radial blade 20 attached to the twisted blade 18. Such radial blades 20 are preferably substantially perpendicular to the axis of rotation 14 of the turbine and are generally part of the fluid flowing in the coaxial direction 60, 65, whether or not deflected by the rotational energy by the twisted blades 18. You can switch kinetic energy.

도 2 와 도 3을 참조로, 본 발명의 방사상 블레이드(20)는 방사상 블레이드(20)가 편평할 때보다 더 큰 회전 에너지를 발생시키는 선단(20L)과 후연(20T)을 갖고 있는 날개 횡단면(20A)을 갖추고 있다. 방사상 블레이드(20)의 날개 횡단면(20A)은 대칭적(눈물방울 모양) 또는 비대칭적일 수 있다. 본 발명의 한 실시예에서, 방사상 블레이드의 선단(20L)은 트위스트 블레이드(18)의 선단(18L)과 같은 방향에 향한다. 방사상 블레이드(20)는 트위스트 블레이드(18)의 내면(80)과 외면(90) 중 하나 또는 둘 모두로부터 돌출되거나 돌출되지 않을 수 있고, 트위스트 블레이드(18)를 따라 균일하거나 불균일하게 분포될 수도 있다. 방사상 블레이드(20)의 선호된 분포는 하기에 기술될 것처럼 트위스트 각과, 트위스트 블레이드(18)의 상대적 크기를 조건으로 한다.2 and 3, the radial blade 20 of the present invention has a wing cross section having a tip 20L and a trailing edge 20T that generate greater rotational energy than when the radial blade 20 is flat ( 20A). The wing cross section 20A of the radial blades 20 may be symmetrical (teardrop shaped) or asymmetrical. In one embodiment of the invention, the tip 20L of the radial blades is directed in the same direction as the tip 18L of the twisted blade 18. The radial blades 20 may or may not protrude from one or both of the inner and outer surfaces 80 and 90 of the twisted blades 18, and may be evenly or unevenly distributed along the twisted blades 18. . The preferred distribution of radial blades 20 is subject to the twist angle and the relative size of the twist blades 18, as will be described below.

트위스트 블레이드(18)로 생성된 축방향(60)에서 편향된 유동은 또한 제 1 방향의 제 1 축력(axial force)이 회전 부재(12)에 작용하게 한다. 방사상 블레이드(20)는 제 2 대향 방향에서 제 2 축력이 생성되도록 비대칭 단면으로 설계될 수도 있다. 본 발명의 이러한 특징은 사용된 회전부재(12)가 베어링을 갖고 있는 허브일 때 (도시되지 않은)터빈 베어링의 탄성을 지속시키는데 유용하다.The deflected flow in the axial direction 60 created by the twisted blades 18 also causes a first axial force in the first direction to act on the rotating member 12. The radial blades 20 may be designed with an asymmetrical cross section such that a second axial force is generated in the second opposite direction. This feature of the invention is useful for sustaining the elasticity of turbine bearings (not shown) when the rotating member 12 used is a hub having bearings.

본 발명의 한 실시예에서, 블레이드 지지부재(16)는 연장된 방사상 블레이드(20)이다. 본 발명은 방사상 블레이드의 이익이 회전부재(12)에 트위스트 블레이드(18)를 결합시키는 연장된 방사상 블레이드(20)를 이용해 터빈(10)의 양단을 따라 분포되게 한다. 이러한 방사상 부재는 트위스트 블레이드(18)를 지지하고 또한 트위스트 블레이드(18)에 의해 회전 에너지로 편향되든지 아니든지, 동축 방향(60,65)에서 흐르는 유체의 운동 에너지의 일부를 전환시킴으로서 터빈(10)의 효율을 증가시킬 수 있다.In one embodiment of the invention, the blade support member 16 is an extended radial blade 20. The invention allows the benefits of the radial blades to be distributed along both ends of the turbine 10 using an extended radial blade 20 that couples the twisted blades 18 to the rotating member 12. This radial member supports the twist blade 18 and also converts a portion of the kinetic energy of the fluid flowing in the coaxial direction 60, 65, whether or not deflected by the rotational energy by the twist blade 18. Can increase the efficiency.

본 발명의 한 실시예에서, 트위스트 블레이드 횡단면(18A)의 가변적 크기로 인해 회전이 일정해진다. 트위스트 블레이드의 횡단면은 터빈의 회전축에 인접한 단면에 맞도록 증가된다. 횡단면의 넓은 두께는 회전축(14)에 근접한 트위스트 블레이드(18)의 단면들에 이용된다. 트위스트 블레이드(18)의 견인력(pulling force)은 횡단면적이 증가하기 때문에 증가하여 낮은 선형속도와 축 간격을 보상하며 일반적으로 작은 토크로 이끈다. 본 발명의 이러한 실시예는 터빈(10)의 각 위치와별개로 발생된 토크를 제공한다. 이러한 혁신은 터빈(10)의 트위스트 블레이드(18)가 구부러지는 점에서, 특히 트위스트 블레이드(18)가 터빈을 배럴형 배향되게 하는 터빈(10)에 유용하다.In one embodiment of the present invention, the rotation is constant due to the variable size of the twisted blade cross section 18A. The cross section of the twist blades is increased to fit a cross section adjacent to the axis of rotation of the turbine. The wide thickness of the cross section is used for the cross sections of the twisted blades 18 proximate to the axis of rotation 14. The pulling force of the twisted blades 18 increases as the cross sectional area increases, compensating for low linear velocity and axial spacing and generally leading to small torques. This embodiment of the present invention provides a torque generated separately from each position of the turbine 10. This innovation is useful for the turbine 10 in which the twist blade 18 of the turbine 10 is bent, in particular the twist blade 18 causing the turbine to be barrel-oriented.

도 6 과 도 7을 참조로, 동일한 평면에 있는 회전축(14)에 관해 O-곡선(36)으로 언급된, 곡선을 회전시키면 O-표면(34)은 축 대칭성을 얻는다. O-표면은 터빈(10)의 전체 형상과 치수를 규정한다. 본 발명의 디자인은 터빈(10)의 몇몇 형상과 치수를 제공한다. 예를 들어 작은 O-곡선 곡률은 배럴형 터빈(44)을 이끌고, 회전축에 평행한 직선은 실린더형 터빈(46)을 가져오며, 회전축(14)과 교차하는 O-곡선은 타원 또는 구상 터빈(48)을 만든다.With reference to FIGS. 6 and 7, rotating the curve, referred to as the O-curve 36 about the axis of rotation 14 in the same plane, the O-surface 34 achieves axial symmetry. The O-surface defines the overall shape and dimensions of the turbine 10. The design of the present invention provides several shapes and dimensions of the turbine 10. For example, a small O-curve curvature leads the barrel turbine 44, a straight line parallel to the axis of rotation results in a cylindrical turbine 46, and the O-curve that intersects the axis of rotation 14 is an elliptical or spherical turbine ( 48)

횡방향(50)이고 일반적으로 축방향인 유동(60,65)을 이용하는 본 발명의 터빈(10)으로, 본 발명의 이점들을 갖고 있지 않은 터빈보다 터빈(10)의 전체 효율이 더 커진다. 각(Ω) 또는 트위스트 각(32)이 더 커질수록 횡단류의 편향이 더 커진다. 따라서 본 발명의 터빈(10)은 축방향(60)에서 편향된 횡단류을 이용하는 방사상 블레이드(20)의 능력으로 인해 트위스트 블레이드(18)에 맞는 큰 각도(Ω)(32)를 갖는다. 예를 들면 한 실시예에서, 이 각도(Ω)(32)는 전술된 골로브 터빈의 나선형 블레이드에 맞는 최적 각도(약 32°) 보다 더 크다. 그 외에도, 본 발명의 방사상 블레이드로 터빈은 동일한 회전 에너지를 가하면서 종래의 골로브 터빈보다 소형일 수 있다. 본 발명은 골로브 터빈과 동일한 효율을 제공하지만 직경비에 대한 길이가 더 짧다.With the turbine 10 of the invention using transverse 50 and generally axial flows 60, 65, the overall efficiency of the turbine 10 is greater than that of the turbine which does not have the advantages of the invention. The larger the angle Ω or twist angle 32 is, the greater the deflection of the cross flow. Thus, the turbine 10 of the present invention has a large angle (Ω) 32 that fits the twisted blade 18 due to the ability of the radial blade 20 to use deflected crossflow in the axial direction 60. For example, in one embodiment, this angle (Ω) 32 is greater than the optimum angle (about 32 °) for the helical blade of the golov turbine described above. In addition, the turbine with the radial blades of the present invention can be smaller than conventional golov turbines while applying the same rotational energy. The present invention provides the same efficiency as a golov turbine but with a shorter length to diameter ratio.

도 9를 참조로, 축방향(60)에서 편향된 횡단류의 링형상 구역이 도시된다.이러한 편향된 축류는 트위스트 블레이드가 횡단류(50)를 끌어들이는 각도(Ω)로 야기된다.With reference to Fig. 9, a ring-shaped region of transverse flow deflected in the axial direction 60 is shown. This deflected axial flow is caused by the angle Ω at which the twisted blades attract the crossflow 50.

방사상 블레이드는 서로의 유체유동에 간섭하지 않도록 트위스트 블레이드에서 각자 충분히 이격되는 것이 선호된다. 방사상 블레이드의 크기와 형상, 그리고 트위스트 블레이드의 비틀림에 따라, 최적 개수의 블레이드가 각 트위스트 블레이드에 최적으로 배열되어 이격된다. 방사상 블레이드의 최적 간격 및 배열은 터빈이 겪을 것으로 예상되는 방향과 유체유동 유형에 관한 지식을 필요로 한다.The radial blades are preferably spaced sufficiently apart from each other in the twisted blades so as not to interfere with each other's fluid flow. Depending on the size and shape of the radial blades and the twisting of the twisted blades, an optimal number of blades is optimally arranged and spaced apart on each twisted blade. Optimum spacing and arrangement of radial blades requires knowledge of the direction and type of fluid flow that the turbine is expected to experience.

실제 유체유동에 접하는 방사상 블레이드의 곡선이 적합하다면, 일반 축방향 유체유동, 또한 축방향 터빈의 회전축과 평행한 축방향 유체유동은 방사상 블레이드와의 상호작용으로부터 회전 에너지를 생기게 할 수도 있다. 또한 트위스트 블레이드에 의해 편행되고 이 트위스트 블레이드의 경사면 "아래로" 이동하는 본래 가로로 움직이는 유체는 축힘 성분과 가로 힘의 성분 모두를 포함한다. 방사상 블레이드는 가로힘 성분의 일부를 회전 에너지로 전환할 수 있도록 트위스트 블레이드에 배치되고 크기가 정해진다. 따라서 방사상 블레이드는 터빈을 통해 가로 유체유동을 회전 에너지로 전환하는데 더 효율적이고 또한 터빈을 통해 다른 각도로 유체유동을 전환시키는데 더 효과적이다.If the curve of the radial blades in contact with the actual fluid flow is appropriate, then normal axial fluid flow, and also axial fluid flow parallel to the axis of rotation of the axial turbine, may generate rotational energy from interaction with the radial blades. The original transversely moving fluid, which is deflected by the twisted blades and moves "down" in the inclined plane of the twisted blades, contains both axial and transverse forces. The radial blades are placed and sized in the twisted blades to convert some of the transverse components into rotational energy. Radial blades are thus more efficient at converting transverse fluid flow to rotational energy through the turbine and more effectively at other angles through the turbine.

방사상 블레이드는, 높이 약 1 센티미터이고 큰 방사상 블레이드와, 주어진 트위스트 블레이드에서 두개의 방사상 블레이드만큼 적게 떨어진 약 1 센티미터 이격된 방사상 블레이드와 같은 피시(fish)로부터 정렬된 기하학적 구조와 간격을 갖는 회전 에너지에 배치되며 크기가 정해진다. 각 트위스트 블레이드에 방사상 블레이드가 반드시 있어야 하는 것은 아니며, 또는 오랜 회전 불균형이 발생하지 않기 때문에 터빈의 모든 트위스트 블레이드에서 같아지도록 각 트위스트 블레이드의 방사상 블레이드를 배치하거나 정렬할 필요가 없다. 그러나 각 트위스트 블레이드의 블레이드 개수는 2와 같거나 그 이상이고 터빈이 n차의 축대칭을 갖도록 균일하게 분포되는 것이 선호된다. 균형을 위해 방사상 블레이드는 하나 이상의 트위스트 블레이드 고정되어야 한다.The radial blades are subjected to rotational energy with a geometry and spacing aligned from a fish such as a large radial blade about 1 centimeter in height and a radial blade spaced about 1 centimeter away from the given twisted blade by as little as two radial blades. Placed and sized. It is not necessary for each twisted blade to have a radial blade, or since long rotational imbalance does not occur, it is not necessary to place or align the radial blades of each twisted blade to be the same on all twisted blades of the turbine. However, it is preferred that the number of blades of each twisted blade is equal to or greater than 2 and the turbine is uniformly distributed such that it has n-axis symmetry. For the sake of balance the radial blades must be fixed at least one twisted blade.

요구된 대로 본 발명의 상세한 실시예들이 여기 공개된다.; 그러나 공개된 실시예는 단지 다양한 대안 형태로 구체화될 수 있는 본 발명의 예시로 이해되어야 한다. 도면은 반드시 일정 비율로 만들어진 것은 아니며, 몇몇 도면은 특정 성분들의 세부사항을 도시하기 위해 과장되거나 최소화되었다. 따라서 여기 공개된 특정 구조 및 기능적 세부사항은 제한으로 이해되지 않아야 하고 단지 청구항의 근거 및 본 발명을 다양하게 이용하는 당해업자를 가르치기 위한 기본 원리로 이해되어야 한다.Detailed embodiments of the invention are disclosed herein as required; However, it is to be understood that the disclosed embodiments are merely illustrative of the invention, which may be embodied in various alternative forms. The drawings are not necessarily to scale, some drawings being exaggerated or minimized to show details of particular components. Accordingly, the specific structural and functional details disclosed herein are not to be understood as limiting, but merely as a basis for claiming and as a basis for teaching those skilled in the various uses of the invention.

또한 요소들은 "결합하여" 상술될 수도 있는데; 이러한 술어는, 특정 요소들 사이에 이격되어 위치한 다른 성분들일 수도 있으며 매우 상세 설명된 요소들이 서로 고정되거나 이동 가능한 관계로 연결될 수 있도록 이어진 요소들로 생각된다. "결합하여" 란 말은, 사이에 이격되어 위치한 다른 성분들을 갖지 않지만 이 성분들이 서로에 관해 고정되거나 이동 가능한 관계 또는 결합을 가리키는 술어인 "직접" 연결의 이용과 대조되어야 한다. 또한 어떤 구조적 관계 또는 배향은 "사실상" 이라는 말로 지시될 수도 있다. 이러한 경우에, 상기 관계 또는 배향은 기술된 성분 또는 성분들의 협력에 영향을 미치지 않는 변화 내에서 기술된다.The elements may also be specified "in combination"; Such predicates may be other components that are spaced apart between certain elements and are considered to be elements that are connected so that highly detailed elements can be connected in a fixed or movable relationship with one another. The term "in combination" should be contrasted with the use of "direct" linkage, which is a predicate indicating a fixed or movable relationship or combination with respect to each other that do not have other components located apart from each other. Certain structural relationships or orientations may also be indicated by the words "virtually." In such cases, the relationship or orientation is described within variations that do not affect the described component or cooperation of components.

본 발명은 특정 실시예를 참조로 기술되었지만, 상세설명은 제한의 관념으로 해서되지 않는다. 반대로 본 발명의 상세설명을 참조로 당해업자는 공개된 실시예를 다양하게 수정할 수 있다. 따라서 첨부된 청구항들은 그러한 수정, 대안 및 본 발명의 취지와 범위 내에 있는 그에 상당하는 것을 망라하는 것으로 생각된다.Although the present invention has been described with reference to specific embodiments, the description is not to be taken in a limiting sense. On the contrary, those skilled in the art may make various modifications to the disclosed embodiments with reference to the detailed description of the present invention. Accordingly, the appended claims are intended to cover such modifications, alternatives and equivalents within the spirit and scope of the invention.

Claims (9)

가역적 유체유동 하에서 단방향 회전할 수 있는, 지지부재에 장착하기 위한 반동터빈은:Recoil turbines for mounting on support members, which can rotate unidirectionally under reversible fluid flow, are: 상기 지지부재와 맞물릴 수 있는 회전 부재로 이루어지되, 상기 회전 부재는 상기 터빈을 위한 회전축을 형성하고;A rotating member that can engage the support member, the rotating member forming a rotating shaft for the turbine; 상기 회전부재와 대체로 수직인 평면에서 그와 함께 회전을 위한 상기 회전부재에 대체로 수직으로 부착된 다수의 블레이드 지지부재;A plurality of blade support members attached generally perpendicularly to said rotating member for rotation therewith in a plane generally perpendicular to said rotating member; 상기 회전축 둘레의 회전을 위한 상기 블레이드 지지부재에 부착된 다수의 사실상 트위스트 터빈 블레이드로 이루어지되, 다수의 상기 트위스트 블레이드는 날개형 단면을 갖고, 선단과 후연 그리고, 상기 유체유동 성분에 대체로 평행인 평면에 있는 날개 측면을 가지며;A plurality of substantially twisted turbine blades attached to the blade support member for rotation about the axis of rotation, wherein the plurality of twisted blades have a winged cross section, a leading end and trailing edge, and a plane generally parallel to the fluid flow component. Has a wing side at; 다수의 상기 트위스트 블레이드에 부착된 다수의 사실상 방사상인 터빈 블레이드로 이루어지되, 상기 방사상 블레이드는 상기 회전축에 사실상 수직이고 대체로 축방향에서 흐르는 상기 유체의 운동 에너지의 일부를 회전 에너지로 전환시킬 수 있어 상기 터빈의 효율을 증가시키고, 방사상 블레이드는 상기 방사상 블레이드가 편평할 때보다 더 큰 에너지를 발생시키도록 날개형 단면을 가지며;Consisting of a plurality of substantially radial turbine blades attached to a plurality of said twisted blades, said radial blades being capable of converting a portion of the kinetic energy of said fluid substantially perpendicular to said axis of rotation and flowing generally in the axial direction into rotational energy, said Increase the efficiency of the turbine, the radial blades have a winged cross section to generate more energy than when the radial blades are flat; 상기 방사상 블레이드 없는 유사한 반동 터빈보다 상기 유체유동으로부터의 더 큰 에너지를 회전 에너지로 전환시킬 수 있는 상기 방사상 블레이드를 갖는 상기 반동터빈으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반동 터빈.And a reaction turbine with the radial blades capable of converting greater energy from the fluid flow into rotational energy than a similar reaction turbine without the radial blades. 제 1 항에 있어서, 상기 방사상 블레이드의 상기 날개형 단면은 대칭인 것을 특징으로 하는 터빈.The turbine of claim 1 wherein the vane cross section of the radial blade is symmetrical. 제 1 항에 있어서, 다수의 상기 방사상 블레이드는 선단과 후연을 갖되, 상기 선단은 상기 트위스트 블레이드의 선단과 같은 방향을 향하는 것을 특징으로 하는 터빈.2. The turbine of claim 1 wherein a plurality of said radial blades have a leading end and a trailing edge, said leading end facing in the same direction as the leading end of said twisted blade. 제 1 항에 있어서, 상기 블레이드 지지부재는 방사상 블레이드로 구성되는데, 상기 방사상 블레이드/블레이드 지지부재는 상기 회전 부재에 상기 트위스트 부재를 결합시키고, 상기 방사상 블레이드/블레이드 지지부재는 상기 트위스트 블레이드에 대한 지지와, 방사상 블레이드 없는 유사한 터빈보다 증가된 상기 터빈의 효율을 모두 제공하는 것을 특징으로 하는 터빈.The blade support member of claim 1, wherein the blade support member comprises a radial blade, the radial blade / blade support member couples the twist member to the rotating member, and the radial blade / blade support member supports the twist blade. And provide all of the increased efficiency of the turbine over similar turbines without radial blades. 제 1 항에 있어서, 상기 트위스트 블레이드의 상기 단면은 터빈의 회전축에 근접한 적어도 몇몇 단면들에 맞도록 증가되는 것을 특징으로 하는 터빈.2. The turbine of claim 1 wherein the cross section of the twist blade is increased to fit at least some cross sections proximate the turbine's axis of rotation. 제 1 항에 있어서, 상기 트위스트 블레이드는 더 큰 트위스트 각도를 갖고, 터빈은 동등한 유체유동으로부터 같은 양의 회전 에너지를 발생시킬 수 있는 상기 방사상 블레이드 없는 유사한 터빈보다 더 작은, 직경비 대 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 터빈.The twisted blade of claim 1, wherein the twisted blade has a larger twist angle and the turbine has a smaller diameter-to-length ratio than the similar turbine without the radial blades capable of generating the same amount of rotational energy from equivalent fluid flow. Featured turbine. 제 1 항에 있어서, 트위스트 블레이드의 장축과 터빈 원주에 대한 접선 사이의 양각 v알파가 상기 유체유동으로부터 동등한 회전 에너지를 발생시킬 수 있는 상기 방사상 블레이드.The radial blade of claim 1, wherein an embossed valpha between the long axis of the twisted blade and the tangent to the turbine circumference can generate equivalent rotational energy from the fluid flow. 제 1 항에 있어서, 터빈은 n 개의 방사상 블레이드를 포함하는데, 상기 숫자는 2와 같거나 더 크며 터빈이 n차의 축 대칭성을 갖도록 균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는 터빈.The turbine of claim 1, wherein the turbine comprises n radial blades, the number being equal to or greater than 2 and the turbine being uniformly distributed such that it has n-axis symmetry. 가역적 유체유동 하에서 단방향 회전을 할 수 있는 지지부재에 장착하기 위한 반동 터빈은:Recoil turbines for mounting on support members capable of unidirectional rotation under reversible fluid flow are: 상기 지지부재와 맞물릴 수 있는 회전부재로 이루어지되, 상기 회전부재는 상기 터빈의 회전축을 형성하고;A rotating member that can be engaged with the support member, the rotating member forming a rotating shaft of the turbine; 상기 회전부재에 수직인 평면에서 그 사이에 회전을 위한 상기 회전부재에 수직으로 부착된 다수의 블레이드 지지부재들;A plurality of blade support members attached perpendicularly to the rotating member for rotation therebetween in a plane perpendicular to the rotating member; 상기 회전축 둘레를 회전하기 위한 상기 블레이드 지지부재에 부착된 다수의 사실상 비틀린 터빈 블레이드로 이루어지되, 다수의 상기 트위스트 블레이드는 날개형 단면을 갖고, 선단과 후연, 그리고 상기 유체유동 성분에 평행한 평면에 있는 날개 측면을 가지는데; 상기 트위스트 블레이드는 더 큰 트위스트 각도를 갖고 터빈은 동등한 유체유동으로부터 같은 양의 회전 에너지를 발생시킬 수 있는 상기 방사상 블레이드가 없는 유사한 터빈보다 작은 직경비 대 길이를 가지며;A plurality of substantially twisted turbine blades attached to the blade support member for rotating around the axis of rotation, wherein the plurality of twisted blades have a winged cross section, in a plane parallel to the leading and trailing edges and the fluid flow component. Has a wing side; The twist blade has a larger twist angle and the turbine has a smaller diameter-to-length than a similar turbine without the radial blade, which can generate the same amount of rotational energy from equivalent fluid flow; 상기 나선형 블레이드에 부착된 다수의 사실상 방사상인 터빈 블레이드로 이루어지되, 다수의 상기 방사상 블레이드는 선단과 후연을 갖는데, 상기 선단은 상기 트위스트 블레이드의 선단과 같은 방향을 향하고, 상기 방사상 블레이드는 대체로 축방향에서 흐르는 상기 유체의 운동 에너지의 일부를 회전 에너지로 전환시킬 수 있어 상기 터빈의 효율을 증가시키며, 상기 방사상 블레이드는 상기 방사상 블레이드가 편평할 때보다 더 큰 회전 에너지를 발생시키도록 날개형 단면을 갖고;A plurality of substantially radial turbine blades attached to the helical blade, wherein the plurality of radial blades have a tip and trailing edge, the tip facing the same direction as the tip of the twisted blade, and the radial blade is generally axial A portion of the kinetic energy of the fluid flowing in can be converted into rotational energy, thereby increasing the efficiency of the turbine, the radial blades having a wing-shaped cross section to generate greater rotational energy than when the radial blades are flat. ; 적어도 어떤 상기 블레이드 지지부재는 방사상 블레이드로 이루어지되, 상기 방사상 블레이드는 상기 트위스트 블레이드를 상기 회전부재에 연결시키고, 상기 방사상 블레이드는 상기 트위스트 블레이드에 대한 지지와 상기 터빈의 증가된 효율을 모두 제공하며;At least some of said blade support members are comprised of radial blades, said radial blades connecting said twisted blades to said rotating member, said radial blades providing both support for said twisted blades and increased efficiency of said turbine; 날개형 단면의 상기 방사상 블레이드가 없는 유사한 반동 터빈보다 상기 유체유동으로부터 더 큰 에너지를 회전 에너지로 전환시킬 수 있는 날개형 단면이 있는 상기 방사상 블레이드를 갖고 있는 상기 반동 터빈으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반동 터빈.A reaction turbine comprising the reaction turbine with the radial blade with a wing-like cross section capable of converting more energy from the fluid flow into rotational energy than a similar reaction turbine without the radial blade with a wing-shaped section .
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