KR20050103477A - 스크루우 터빈장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 스크루우 터빈장치(1)는 축(6)으로 회전가능한 적어도 하나의 나선형 블레이드(4)로 이루어지는바, 이 블레이드(4)의 단면은 비행기 날개형태로 된 프로파일(15)로 되되, 비행기 날개형태로 된 프로파일(15)은 블레이드(4)의 외부 방사상으로 뻗어 있고 스크루우 터빈장치(1)의 샤프트(2)에서 돌출되어진다.

Description

스크루우 터빈장치 {A screw turbine device}

본 발명은 터빈에 관한 것으로, 특히 흐르는 액체와 가스에서 사용하기 적합한 스크루우 터빈에 관한 것이다.

풍차는 공기흐름에서 에너지를 재생하기 위해 사용되는 것으로 알려져 있다. 이와 같이, 터빈은 물의 흐름에서 운동에너지를 이용하도록 고안되되, 특히 발전소에 연결하기 위해서는 저수조와 터빈 사이에 수위차가 있어야 한다.

큰 용량의 풍력발전소에 사용될 풍차의 유형은 상당한 소음을 만들어 내고 주위 경관을 해칠 우려가 있다. 하지만, 풍차의 신뢰성은 만족할 만하다.

영국특허 제2057584호는 다수의 나선형 로터(rotor)조립체로 이루어진 풍력터빈(wind turbine)에 관한 것이다. 이 실시예에서, 터빈블레이드는 터빈의 회전축에서 이격되게 배치된 비행기 날개형 프로파일로 이루어진 대체로 다리어스(darrieus)형상으로 되어 있다. 국제특허출원 제WO 01/48374호는 터빈의 회전축에서 이격되게 배치된 비행기 날개형태의 제1터빈블레이드가 추가로 비행기 날개형태의 제2터빈블레이드를 구비한 터빈에 대해서 기재하고 있는바, 제2터빈블레이드의 길이방향의 축이 제1터빈블레이드의 길이방향의 축과 소정의 각을 이루고 있다.

이는 해류와 파동으로부터 운동에너지를 재생하기가 어렵다. 이로 인해서, 이러한 유형의 조립체가 악천후에 노출되어 있는 동안에 상당한 외력에 대해 지탱할 수 있는 발전소의 규모를 갖추기가 쉽지는 않다.

도 1은 유체의 상부흐름면에서 바라본 스크루우 터빈을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 스크루우 터빈이 유체흐름에서 장착된 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 3은 도 2의 Ⅱ-Ⅱ선에 따른 단면도이다.

도 4는 스크루우 터빈이 수중에서 회전가능하게 장착된 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명의 목적은 종래기술의 단점을 보완하는 것이다.

이러한 목적은 본 발명으로 성취되되, 아래의 설명과 청구범위에 기술된 바와 같이 특징지어진다.

유체흐름에서 적당한 스크루우의 기하학적 형상을 갖춘 스크루우 터빈을 위치시켜 비교적 높은 효율이 달성된다.

스크루우 터빈은 축 둘레를 둘러싸는 스크루우 프로파일(profile)로 구성되되, 실제 스크루우 프로파일는 비교적 작은 단면두께를 갖는 축에서 방사상으로 돌출되어진다. 스크루우 프로파일은 축방향으로 동일하거나 변형가능한 피치(pitch)를 갖는다.

유체흐름이 스크루우 피치와 같이 스크루우 터빈의 중심축에 대해 동일한 각도로서 스크루우 터빈을 지나가면, 유체흐름은 중심축의 한쪽에서 스크루우 터빈의 터빈블레이드와 실제로 평행한 스크루우 터빈을 관통하여 지나가는 한편, 중심축의 반대쪽에서 유체흐름이 스크루우 블레이드와 충돌되며, 블레이드 일부분은 유체흐름과 맞닿게 되어 압력을 받는다. 그러므로, 스크루우 터빈이 축에서 회전하게 된다.

본 발명에 따르면, 블레이드의 단면은 비행기 날개형상과 유사한 기하학적 형상으로 되어 있다. 그러므로, 유체흐름의 방향과 평행한 스크루우 블레이드의 단면은 통상적으로 중심축에서 돌출한 비행기 날개형상과 유사한 프로파일로 형성될 것이다.

종래기술에 따른 스크루우 터빈에서 출력되는 대부분의 토크(torque)가 영역, 다시 말하자면 압축면에 대해 유체흐름을 야기하고, 이 압축면은 흐름방향에 대해 각도로 이루어지고 회전축에서 이격되어 위치된다. 본 발명의 스크루우 터빈은, 터빈블레이드의 일부분은 흐름방향에 대해 윗방향 위치를 향해 회전되며, 이 부분은 흐름면으로 명명되고, 또한 토크는 비행기 날개형상의 프로파일과 실제로 평행한 유체흐름으로 만들어지는바, 흐름방향에 대해 소정의 각도를 갖는 접선방향의 힘이 터빈블레이드에서 나타난다.

압력면과 흐름면은 스크루우 터빈이 회전하는 동안에 스크루우 터빈을 따라 이동된다. 이러한 기하학적 유형을 사용함으로써, 스크루우 블레이드의 효율이 향상된다.

스크루우 터빈은 임의로 방향설정되어 사용되는 동안에, 스크루우 터빈의 중심축에 대해 유체흐름의 회전방향은 실제로 스크루우 피치와 동일하다.

한 일례에서, 물 속에 잠겨지면 스크루우 터빈은 회전가능하게 장착되며, 이러한 일례의 경우는, 터빈구조물이 터빈이 윗방향으로 위치되도록 지지부재를 구비하고 물의 흐름은 흐름방향에 대해 바람직한 위치로 터빈의 축을 회전시킨다. 또한, 터빈은 현 지지대, 예컨대 수면 아래에 계류중인 부목을 사용하여 지지된다.

터빈블레이드의 기하학적 형상은 각 일례에서 유체점도와 밀도에 따라 조절되어야만 한다.

본질적으로 공지된 방식에서, 스크루우 터빈의 샤프트는 전력을 생산하는 발전기 또는 에너지를 필요로 하는 다른 장치, 예컨대 펌프에 연결된다.

아래의 설명은 첨부도면으로 도시된 바람직한 실시예에 국한되지는 않는다.

첨부도면에서, 스크루우 터빈(1)은 샤프트(2)와 나선형 터빈블레이드(4)로 이루어져 있되, 샤프트(2)는 베어링(3)으로 회전가능하게 지지된다.

도 1은 유체가 유입되어 스크루우 터빈(1)을 관통하여 흐르는 스크루우 터빈(1)을 도시한 것이다. 만족할 만한 효율을 성취하기 위해서, 스크루우 터빈(1)의 중심축(6)에 대한 흐름방향은 대체적으로 도 2에 도해된 바와 같이 터빈블레이드(4)의 피치각도(8)와 동일해야만 한다. 도 1을 참조로 하여 흐름유체가 중심축(6)의 하부면에서 도 1의 참조번호 12로 표기된 아래방향에 위치된 터빈블레이드(4)의 일부 사이에 개구부(10)를 관통하여 흐른다.

중심축(6)에서 위로 돌출된 터빈블레이드의 일부분(14)은 흐름에 방해를 일으키므로 유체가 블레이드의 일부(14)와 충돌할 때에 흐름유체로 압력을 받게 된다. 그러므로, 스크루우 터빈은 중심축(6)에 대해서 회전될 수 있다.

터빈블레이드(4)의 기학적인 단면형상은 터빈(1)의 수압효율에 상당한 효과를 갖는 것으로 밝혀졌다. 흐름방향을 따른 터빈블레이드(4)의 단면이 도 2에 도시되었듯이 비행기 날개형상과 유사한 단면프로파일(15)로 형성될 때에 높은 효율이 성취된다.

터빈블레이드(4)의 윗방향의 단부(16)에서 터빈블레이드(4)와 맞닿는 흐름유체는 분열되고, 단면프로파일(15)의 상부표면을 따라 흐르는 유체는 본질적으로 공지된 방식으로써 속도가 증가하므로, 정압(靜壓)이 강하하면서 단편프로파일(15)의 상부표면과 하부표면 사이의 압력차를 야기한다. 압력차는 터빈블레이드(4)의 블레이드 일부분이 유체흐름의 방향에 대해 윗방향으로 돌출되어 축(2)에 대한 부수적인 토크를 야기시킨다.

도 2에서, 스크루우 터빈(1)이 흐르는 물에서 장착된다. 스크루우 터빈(1)의 샤프트(2)는 양 단부에서 베어링(3)으로 지지되고 발전기(18)에 연결된다. 베어링(3)은 구조물(17)에 결합된다. 스크루우 터빈(1)에 대향하는 수중흐름이 회전되어 발전기(18)가 전기에너지를 생산한다. 흐름방향은 도 2의 화살표로 표시된다.

도 4에 도시된 추가적인 실시예에서, 스크루우 터빈(1)은 수중에 배치되어 있다. 스크루우 터빈(1)의 샤프트(2)는 베어링(3)을 매개로 발전기(18)에 연결된다. 스크루우 터빈(1) 및 발전기(18)는 해저(22) 위에 기저부(20)에서 회전가능하게 연결된다. 이러한 모범적인 실시예에서, 터빈블레이드(4)는 충분한 부력을 갖추도록 형성되어 있다. 부력은 스크루우 터빈(1)을 수직방향으로 상승시키는 한편, 흐름유체로부터의 힘이 스크루우 터빈(1)이 흐름유체의 방향에 대해서 바람직한 방향으로 설정될 때까지 흐름방향으로 스크루우 터빈(1)을 회전시킨다. 흐름방향은 도 4의 화살표로 표기된다.

다른 실시예에서, 스크루우 터빈은 터빈의 뱅크(bank)의 부분 또는 적당한 설비부품에 위한 지지방식으로 장착된다.

Claims (4)

1. 축(6)에서 회전가능한 적어도 하나의 나선형 블레이드(4)를 구비하고, 상기 블레이드(4)의 단면이 비행기 날개형상의 프로파일(15)로 되어 있는 스크루우 터빈장치(1)에 있어서,

   상기 비행기 날개형상의 프로파일(15)은 상기 블레이드(4)의 외부 방사상 단부로부터 돌출하고, 상기 스크루우 터빈(1)의 샤프트(2)로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 스크루우 터빈장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 스크루우 터빈(1)의 축(6)은 흐름유체에 대해 소정의 각도로 경사져 있으며, 본질적으로 스크루우 터빈(1)의 피치각도(8;pitch angle)와 상응하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 스크루우 터빈장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 스크루우 터빈(1)은, 상기 스크루우 터빈(1)의 중심축(6)과 일치하지 않은 축에 대해 지지대(20,22)에서 회전가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 스크루우 터빈장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 블레이드(4)의 피치는 중심축(6)을 따라 다변화되는 것을 특징으로 하는 스크루우 터빈장치.