KR20070093814A - 와류를 발생시키는 주기 프로펠러 - Google Patents

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슈테판 군터 시겔
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Abstract

샤프트에 편심되어 장착된 하나 이상의 날들을 갖는 프로펠러로서, 이는 유체 내에 자유 와류를 생성시키기 위하여 날 피치를 동적으로 변경한다. 이동 중인 유체로부터 에너지를 이끌어내기 위하여, 상기 날에 작용하는 유체 유동은 프로펠러를 회전시키고, 상기 피치는 변경되어 본 칼만 볼텍스 스트리트로 알려진 유체 유동 패턴을 생성한다. 상기 프로펠러로부터 이격된 거리에서의 결과적인 시간평균 유동장은 후류 유동이고, 상기 유체 유동의 에너지는 샤프트 구동 장치의 회전으로 효율적으로 전환될 수 있다. 추진을 위하여 유체 내에 함께 적용된 샤프트 회전과 동적 피치 변경은 역 본 칼만 볼텍스 스트리트인 유동 패턴을 생성한다. 에너지의 이끌어냄 또는 추진 중 어느 경우라도 상기 프로펠러는 특히 저속 유동에 적합한데, 여기서 낮은 레이놀즈 수의 효과로 유도되는 날들 상에서의 유동 분리는 다른 프로펠러들을 비효율적이게 할 수 있다.

Description

와류를 발생시키는 주기 프로펠러{Vortex shedding cyclical propeller}
도 1 은 정적 받음각과 사인곡선형의 올림 운동과 관련하여 사인곡선형으로 변화하는 받음각(angle of attack)에 대하여, 받음각에 따른 단일 플로펠러 날(propeller blade)의 양력계수(lift coefficient)를 도시하는 도면이다.
도 2 는 날개(foil)의 받음각이 실속각(stall angle)을 넘어 증가할 때 동적 실속 와류의 형성을 도시한다.
도 3 은 유체유동에 대해 횡방향으로 장착된 날의 받음각을 주기적으로 변화시키는 메카니즘(mechanism)을 포함하는 알려진 프로펠러를 도시한다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러 시스템을 도시하는 블록도이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따라 동적 양력을 이용하여 에너지를 전달하도록 적합화되고 독립적으로 제어될 수 있는 프로펠러의 운동 매개변수(parameter)들을 도시한다.
도 6 은 본 발명의 실시예에 따른 프로펠러의 작동 중에 단일 날의 받음각과 경로를 도시한다.
도 7 은 본 발명의 실시예에 따른 프로펠러가 이동 중인 유체로부터 에너지를 이끌어내도록 채택된 때에 그 프로펠러의 작동 중에 발생되는 와류들을 도시한 다.
도 8 은 본 발명의 실시예에 따른 프로펠러가 유체 내에서 추력(thrust)을 발생시키도록 구동되는 때에 발생되는 와류들을 도시한다.
도 9 는 유체 유동 또는 압력에 대해 단계적 형태로 구성된 다중 와류 발생 프로펠러를 포함하는 본 발명의 실시에에 따른 시스템을 도시한다.
다른 도면에 있는 동일한 도면부호의 사용은 동일 또는 유사한 것을 지시한다.
프로펠러와 터빈은 샤프트의 동력(shaft power)을 유체로 전달하거나 또는 이동 중인 유체로부터 동력을 이끌어낼 수 있다(여기서 사용된 프로펠러라는 용어는 이동하는 유체로부터 에너지를 이끌어내거나 또는 추진을 위하여 사용되는 구조물를 포함하ρ는 것으로서 일반적인 개념의 것이다). 현재 알려진 프로펠러들은 일반적으로, 흔히 유체에 의지하는 공기익(airfoil) 또는 수중익(hydrofoil)으로 불리우는 날개 또는 공기역학적인 형상의 단면을 갖는 날들을 채택한다. 상기 날개는 원하는 에너지 전달을 가능하게 하고 흔히 양력이라 불리우는 힘을 발생시킨다. 그러나 상기 날개는 에너지를 열과 같이 원하지 않는 형태의 에너지로 전달하는 항력(drag)도 발생시킨다. 가능한 적은 항력을 발생시키면서도 가능한 많은 양력을 발생시키는 날개의 설계를 위하여 많은 노력이 투입되어 왔다. 이 최적화 과 정에 있어서 특히 해결되어야 할 과제는, 높은 양력계수를 얻기 위하여 높은 받음각을 유지하면서도 유동이 날개의 표면에 밀착되도록 유지시키는 것이다. 밀착된 때에, 상기 날개 주위의 결과적인 유동은 날개 표면에 주로 평행한 유선(streamline)을 형성한다. 식 1 은 날개에 의하여 생성된 양력(F L )이 날개의 양력계수(C L ), 유동속도(v), 유체밀도(ρ)와 같은 매개변수들에 어떻게 의존하는지를 나타낸다. 날개 설계는 일반적으로, 유동속도(v)의 함수일 수 있는 양력계수(C L )를 최적화시키는 것에 관련된다. 상기 유동속도(v)는 식 2 에 나타낸 바와 같이 레이놀즈 수(Reynolds number; N R )라 알려진 무차원 매개변수를 사용하여 기술될 수 있는데, 여기서 L C 는 날개의 시위길이(cord length)이고 μ 는 유체의 동적 점성도(kinematic viscosity)이다.
식 1:
Figure 112007016595636-PAT00001
식 2:
Figure 112007016595636-PAT00002
상기 식 1 의 양력계수(C L )는 날개가 실속하기 시작할 때까지 날개의 받음각에 일반적으로 비례한다. 상기 받음각은 날개의 기선(baseline)(예를 들어, 간단한 날개의 선단(leading edge)로부터 후단(trailing edge)까지의 선)과 유체 유동의 상대적 방향 간의 각도를 나타낸다. 상기 받음각이 지나치게 커질 때 날개의 상측 또는 후측으로부터 유체 유동이 분리되는 경향이 있는바, 이는 양력계수(C L )를 감소시키며, 이로부터 실속이 야기된다. 따라서 실속에 대응하는 받음각인 실속각은 양력계수(C L )가 최대인 받음각이다. 실속을 넘어서면 날개가 많이 증가된 항력을 갖게 되므로 실속은 알려진 프로펠러의 성능을 제한한다. 또한 상기 실속각은 유체 속도가 감소함에 따라 일반적으로 감소하여, 날개가 생성할 수 있는 최대 양력은 유체 속도와 함께 일반적으로 낮아진다. 이 효과들은 저속의 유체로부터 동력을 전달받거나 또는 그에 동력을 효율적으로 전달하는 적용에 있어서 문제가 된다.
상기 받음각을 변화시키는 것은, 날개가 주어진 받음각에서 정적으로 지지될 때 달성될 수 있는 최대 양력계수(C L ) 보다 큰 동적 양력계수를 일시적으로 생성시킬 수 있다. 이 효과는 날개의 받음각을 동적으로 변경하는 것에 관련되므로 동적 양력이로 알려져 있다. 도 1 은 양의 실속각과 음의 실속각 사이 범위 내의 상이한 받음각에서 고정적으로 지지된 날개의 양력계수(C L )의 선(110)를 도시한다. 대조적으로, 선(120)은 상기 실속각 보다 큰 양의 받음각과 음의 받음각 사이에서 날개의 받음각이 진동함에 따른 동일한 날개의 양력계수(C L )를 나타낸다. 도 1 은 상기 동적 양력계수가 정적 최대 정적 양력계수의 수 배보다 클 수 있음을 나타낸다.
동적 실속 와류는 동적 양력과 관련하여 보다 큰 양력계수(C L )의 원인이 되는 것으로 믿어진다. 특히 도 2 에 도시된 날개(210)의 선단에 가깝고 분리되는 유체 유동은, 날개(210)가 방향(230)으로 회전할 때 유체에 와류(220)를 형성할 수 있다. 와류(220)는 저압 영역을 제공하는데, 이는 날개(210)의 양력계수를 증가시킨다. 그러나 상개(210)가 유체 유동(v)에 상대적으로 정적으로 유지되면, 상기 유체 유동(v)은 와류(220)를 날개(210)의 표면을 따라 이동시킬 것이고, 와류(220)가 날개(210)의 후단을 지나가면 상기 양력의 증가는 사라질 것이다. 따라서 상기 양력의 동적 증가는 날개(210)가 회전될 때의 피치변화 주기 동안 임시적으로 얻어질 수 있다. 일단 날개의 회전이 멈추면, 상기 양력계수는 도 1 의 곡선(110)에 의하여 도시된 낮은 정적 양력계수로 떨어진다.
1937년 지.제이.엠 다리어스(G.J.M. Darrieus)에게 부여된 미국특허 제1,835,018호에는 주기적 추력을 생성시키는 프로펠러가 개시되어 있다. 도 3 에는 미국특허 제1,835,018호에 기술된 바에 따라 날(310)의 피치 각(pitch angle)을 기계적으로 변화시키는 프로펠러(300)가 도시되어 있다. 프로펠러(300)는 메인 샤프트(main shaft; 330)을 갖는 실린더의 주변을 따라 있는 피봇 축(pivot axis; 320)을 갖는 날(310)들을 갖는다. 상기 날(310)들에 부착되고 샤프트(330)에 의하여 구동되는 메카니즘(340)은 날의 피치, 즉 샤프트(330)로부터 날(310)의 피봇부(320)까지 연장되는 선과 각 날(310) 간의 각도를 주기적으로 변화시킨다. 프로펠러(300)에서, 날(310)의 받음각의 변화는 날(310)이 모두 유체 내에 잠겨있을 때 프로펠러(300)에 추력 방향을 제공한다. 그러나 상기 날(310)의 방향을 제어하는 메카니즘(340)은 매우 한정된 작동 매개변수들, 예를 들어 유체 속도(v) 및 유체 밀도(ρ)만에 대해 최적화될 수 있다. 또한 프로펠러(300) 및 다른 현재의 가변 피치 프로펠러들은 채택된 날 피치 제어(blade pitch control)의 형태에 관계없이 날개에 항상 밀착된 채로 유지되는 유체 유동을 갖는다. 따라서 그러한 프로펠러들은 동적 양력과 관계된 높은 양력계수를 달성할 수 없다. 이는 낮은 유동 속도에서 그러한 프로펠러의 효율과 사용을 제한한다.
유체와의 효율적인 에너지 전달을 가능하게 하는 프로펠러를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 형태에 따르면, 유체 이동을 생성하거나 또는 추력을 생성하기 위하여 유체에 운동 에너지를 전달하거나 또는 이동하는 유체로부터 운동 에너지를 이끌어 낼 수 있는 프로펠러가, 유체 내에 자유 와류를 생성시키기 위하여 하나 이상의 날들의 피치 변경을 채택한다. 이로써 상기 프로펠러는 동적 양력과 관련된 높은 양력계수를 달성한다. 에너지 전달 효율을 최적화하기 위하여 상기 피치 변경은, 상기 받음각의 변경 과정이 프로펠러 회전 속도 및 자유 유동 유체 속도와 같은 현재의 작동 매개변수에 따라 적합화될 수 있도록, 더 적합화될 수 있다. 상기 프로펠러의 구현은 특히 저속 유동에 적합한데, 여기서 낮은 레이놀즈 수의 효과로 유도된 날에서의 유동 분리는 다른 프로펠러의 비효율성을 야기한다.
상기 유체로부터 에너지를 이끌어내는 경우, 상기 유체 유동은 프로펠러 회전 중의 피치 변경이 정적 실속각을 초과하고 동적 양력을 생성하며 와류를 생성시키기에 충분한 크기를 갖는 상태로 프로펠러를 회전시키는 것이 바람직하다. 일 특정 실시예에서, 와류의 생성은 본 칼만 볼텍스 스트리트라고 알려진 유동 패턴을 생성하고, 그 결과로서 상기 프로펠러로부터 이격된 위치에서의 시간평균 유동장은 후류 유동의 그것과 같다. 상기 유도된 회전은 펌프 또는 발전기와 같은 샤프트 구동 장치를 구동할 수 있다.
운동량이 상기 유체로 전달되는 경우, 구동된 회전 중의 동적 피치 변경은 정적 실속각을 초과할 수 있고, 와류를 생성하기에 충분한 크기를 갖는다. 일 특정 실시예에서, 상기 와류의 발생은 상기 본 칼만 볼텍스 스트리트의 역인 유동 패턴을 생성한다. 이 구성에서 상기 프로펠러로부터 이격된 위치에서의 결과적인 시간평균 유동장은 추력을 효율적으로 생성하는 제트(jet)의 그것과 같다.
본 발명의 다른 형태로서, 프로펠러는, 유체로부터 또는 유체로의 효율적인 동력 전달을 위하여 비정적(unsteady)인 공기역학적인 효과를 채택한다. 낮은 레이놀즈 수에서의 대부분의 장점으로, 상기 프로펠러 장치는 모든 저속에서 채택될 수 있다. 잠재적인 적용분야로서는, 소형 및 초소형의 항공기를 위한 추진력 해결수단, 해양 조수 유동과 파도로부터의 동력 추출, 강과 하천 흐름으로부터의 동력 추출, 및 효율적인 저속 풍력 발전을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 형태에 따라, 동적 피치변화(pitching) 중 와류 발생(shedding)에 의한 큰 동적 양력계수 값을 이용하기 위하여, 유체로부터 에너지를 전달받거나 유체에 에너지를 전달하기 위하여 사용되는 프로펠러에 피치가 변화하는 날이 채택된다. 상기 피치변화는 낮은 유체 유량(flow rate)에서도 에너지 전달이 효율적으로 이루어질 수 있게 하고, 변경되는 조건에도 적합화될 수 있다.
도 4 는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 프로펠러 시스템(400)을 도시한다. 프로펠러 시스템(400)은, 프로펠러 시스템(400)으로 전달하고자 하는 동력에 따라 선택될 수 있는 크기와 갯수의 날(410)들을 이용한다. 작동에 있어서, 하나 이상의 날(410)들은 에너지의 전달이 이루어지는 물 또는 공기와 같은 유체에 의하여 적어도 부분적으로 둘러싸이거나 그에 잠길 것이고, 유체 유동의 평균적 방향은 날 샤프트(412)에 수직을 이루는 것이 바람직하다. 각 날(410)은, 목표 유체(target fluid)에 필요한 특성을 갖는 날개를 제공하도록 선택된 단면을 갖는다. 일반적으로 날(410)에 대한 날개의 형태는 임의적으로 채택될 수 있으나, 날개의 형태는 아래에서 설명되는 시스템(400)에 채택된 특정의 피치 가변 과정에 영향을 미칠 수 있다. 낮은 유동 속도에서, 사용된 특정 날개의 형상은 덜 중요하게 되고, 아래에 설명되는 바와 같이, 적당한 피치변화 주기가 있으면, 편평한 판(plate)도 날(410)로서 원활하게 기능할 수 있다.
시스템(400)은 날(410)들의 오프셋(offset) 장착을 채택하는 바, 날(410)들은 프로펠러 시스템(400)의 중심 샤프트(420)로부터 각각 방사상의 간격을 두고 디스크 또는 다른 베이스(base; 415) 상에 일 또는 두 단부가 장착된다. 각 날(410)은, 예를 들어 대응되는 서보 모터 시스템(servo motor system; 430)에 의하여 날(410)의 회전 제어를 가능하게 하는 피봇(pivot) 장착을 갖는다. 서보 모터 시스템(430)은 유압식 또는 공압식 모터나 직류형 또는 교류형 서보 모터를 포함하되 이에 한정되지 않는 다양한 시스템을 이용하여 구성될 수 있다. 각 서보 시스 템(430)은 대응되는 날(410)이 베이스(415)에 대해 회전되는 것을 가능하게 한다. 도 4 의 실시예에서, 각 서보 시스템(430)은 트랜스미션(transmission), 기어(gear) 시스템, 벨트 및 풀리 시스템, 등과 같은 관련 메카니즘(mechanism; 435)를 이용하여 대응되는 날(410)의 샤프트(shaft; 412)를 회전시키고, 베이스(415)에 대한 날(410)의 각도를 나타내는 신호를 제공하는 각위치 센서(angular position sensor; 452)가 날(410)의 샤프트(412)에 연결될 수 있다. 또는, 직접 구동형 시스템도 가능한데, 여기서는 서보 모터(430)의 샤프트가 트랜스미션이나 다른 메카니즘(435) 없이 직접 샤프트(412)에 부착된다.
베이스(415)는 메인 샤프트(420)에 부착되고 날(410)들에 대한 연계장치(linkage)를 제공하여, 베이스(415)와 메인 샤프트(420)는 날(410)들과 장치(440) 간의 에너지 전달을 수행하는데, 상기 장치(440)는 예를 들어 발전기 또는 모터일 수 있다. 도 4 의 실시예에서, 단일 단계 기어 시스템(single stage gear system) 또는 유사한 기계적 구동 시스템(445)과 같은 선택적 트랜스미션이 메인 샤프트(420)와 장치(440) 사이에 있을 수 있으나, 장치(440)가 메인 샤프트(420)에 직접 결합될 수도 있다. 장치(440)는 시스템(400)이 수행하는 기능과 에너지 전달의 방향에 따라 선택되는 것이 일반적이다. 예를 들어, 시스템(400)이 이동하는 유체로부터 에너지를 이끌어내는 경우에는, 장치(440)가 발전기, 펌프, 또는 피치변화 과정 중의 날들 상에서 이동하는 유체의 작용으로부터 얻어지는 구동 동력을 받을 수 있는 다른 장치일 수 있다. 이 경우, 상기 피치변화 과정 중의 날(410)들로부터의 양력은, 예를 들어 전기적 동력 생성 또는 다른 유용한 작업을 위한 장 치(440)를 구동하기 위하여 베이스(415), 메인 샤프트(420), 및 메카니즘(445)을 돌리는 토크(torque)를 생성시킨다. 또는 장치(440)는 베이스(415)를 돌리는 메인 샤프트(420)를 구동하는 모터일 수 있는데, 이 경우 예를 들어 피치변화 과정 중에 날(410)이 유체에 작용하여 추진을 위한 추력을 생성시키거나 또는 유체 내에 유동을 생성시킨다.
메인 샤프트(420)과 날 샤프트(412)는 샤프트들(420, 412) 각각의 방향을 결정하는 각위치 센서(angular position sensor)들(454, 452)을 각각 구비한다. 자유 유체 유동의 평균 속도와 방향과 같은 유체의 특성을 측정하기 위하여 추가적인 센서(456)가 사용될 수 있는데, 이로써 서보 모터(430)를 제어하는 서보 제어 시스템(450)이 어느 시점에서든 유동장(flow field)에 대해 상대적인 각 날(410)의 피치변화 일정(schedule)을 원하는 대로 결정할 수 있게 된다. 센서들(452, 454)은 임의의 형태의 리솔버(resolver), 유속계(tachometer), 또는 인코더(encoder)와 같은 표준 시스템을 이용하여 구현될 수 있다. 센서(456)는 유체 유동의 방향과 크기를 측정하는 것을 포함하되 이에 한정되지 않는 유체의 특성 중 임의의 원하는 것을 측정할 수 있다. 예를 들어 상기 유동장은 메인 샤프트(420)에 직각인 임의의 방향으로 방향이 잡히는 것이 바람직할 수 있고, 바람개비 형 장치 및/또는 임의의 형태의 풍속계를 이용하여 측정될 수 있다. 예를 들어 알려진 방향과 크기의 정적 흐름(steady stream)으로부터 에너지를 이끌어내는 때와 같이 제한된 적용에 있어서는, 센서(456)가 필요하지 않을 수 있고 시스템(400)으로부터 제거될 수 있다.
서보 제어 시스템(450)은, 날(410)들의 받음각을 변화시키기 위한 피치변화 일정을 선택 및 구현하도록 프로그램된 범용 처리 시스템 또는 적용 특정 하드웨어(hardware)를 이용하여 구현될 수 있다. 서보 제어 시스템(450)은 베이스(415)에 부착되거나 또는 베이스(415)로부터 분리되어 있을 수 있고, 유선 또는 무선 연결을 통해 회전 베이스(415) 상의 시스템(430, 452)과 소통할 수 있다. 특히 서보 제어 시스템(450)은, 센서들(452, 454, 456)로부터 전달되는 정보를 이용하여 피치변화 일정을 결정할 수 있고, 직접 서보 모터 시스템(430)과 연결되어 날(410)들 각각의 피치를 개별적으로 변화시킬 수 있고, 각도 센서들(452, 454)을 감시하여 유체 내에서 원하는 와류 흘림 패턴(vortex shedding pattern)을 생성시키기 위하여 요구되는 바에 따라 피치변화가 이루어지고 있는가를 판단할 수 있다. 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 상기 원하는 와류 흘림 패턴은 에너지가 유체에 가해지는가 또는 그로부터 이끌어내 지는가에 일반적으로 의존한다.
도 4 의 예시적인 시스템은 피치 일정을 조정할 수 있는 전자 제어 시스템(450)을 도시하고 있는데, 제어 시스템은 기계적 연계장치 또는 유압식 또는 공압식 액튜에이터(actuator)와 같은 다른 액튜에이션 수단을 채택하여, 높은 동적 양력계수를 달성하고 와류를 발생시키기에 충분한 날(410)들의 받음각을 변화시키는 피치변화 주기를 얻을 수 있다.
전술된 프로펠러 시스템(400)은 메인 샤프트(420)에 편심된 상태로 장착된 적어도 하나의 날을 갖는다. 다중-날 프로펠러 중 일 날의 후류 장(wake field)은 다른 날들에서의 유동에 영향을 미칠 수 있으므로, 단일의 날(410)을 갖는 프로펠 러가 해석적으로 분석하기 용이하다. 도 5 에는 메인 샤프트(420)의 방향을 따라 본 베이스(415) 상의 단일 날(410)의 네 위치가 도시되어 있다. 날(410)은 전술된 바와 같이 베이스(415)와 샤프트(420)에 대해 회전될 수 있다. 도 5 에서, 날각(blade angle ;α)는 메인 샤프트(420)와 베이스(415)가 회전함에 따라 날 샤프트(412)가 따르는 원의 접선에 대한 날(410)의 상대적 각도로 정의된다. 회전각(rotation angle; θ)은 베이스(415)가 회전함에 따른 날(410)의 위치로 정의된다. 예를 들어, 도 5 에는 회전각(θ)이 0°, 90°,180°, 및 270°인 위치에서의 날(410)이 도시되어 있다.
날(410)의 받음각은 일반적으로 날각(α), 회전각(θ), 베이스(420)의 각속도(ω), 및 자유 흐름 유체 유동(free stream fluid flow; v)의 속도와 방향에 의존한다. 보다 상세하게는, 날(410)의 날개의 기선(base line) 방향은 각도들(α, θ)에 의존한다. 상기 자유 흐름 유체 유동(v)과 날개 속도의 벡터 합인 상기 날개에서의 유체 속도는 자유 흐름 유체 유동(v), 회전각(θ), 및 베이스(415)의 각속도(ω)에 의존한다. 그러나 날(410)의 회전 속도에 비교할 때 상기 자유 흐름 유체 속도(v)가 작다면, 날(410)의 받음각은 대략적으로 각도(α)와 같고, 일정한 자유 흐름 유체 유동으로부터 에너지를 이끌어내기 위한 피치변화 일정 또는 특정 유체 내의 추진력 전달을 위한 피치변화 일정은 회전각(θ)의 함수일 수 있다. 따라서, 낮은 유체 속도에 대하여, 고정된 피치변화 일정을 갖는 능동 서보 시스템(active servo system), 기어, 또는 기계적 연계장치는 날각(α)은 회전각(θ)의 함수에 따라 변화될 수 있는데, 이는 유체 유동 벡터(v)에 대해 정의된 관계를 갖 는다.
낮은 유체 속도에 대한 일 피치변화 일정은 베이스(415)의 회전 주파수(rotational frequency)와 같은 주파수로 날각(α)을 사인곡선형으로 변화시킨다. 이는 날(410)로 하여금 그 유동에 대한 갑작스런 이동(plunging motion)과 조합된 피치변화를 수행하게 야기하여, 도 6 에 도시된 바와 같은 요동하는 날 경로(blade path)로 이어진다. 동적 양력을 얻고 와류를 발생시키기 위하여, 피치변화 일정의 진폭(amplitude)은 베이스(415)의 각 회전 중에 날(410)의 받음각이 실속각의 두 배를 초과하도록 되어야 한다. 따라서 상기 피치 제어 시스템은 상기 날각을 동적 실속 와류를 생성하기에 충분한 양 만큼 변화시킬 수 있어야 한다. 대조적으로 도 3 에 도시된 형태의 연계장치는 접선 방향에 대한 날의 받음각의 작은 각도 변화를 허용할 뿐이다. 이러한 작은 변화는 레이놀즈 수가 클 때 에너지 전달을 수행하기에 충분한 것이고, 원하는 유동 패턴이 밀착된 유동의 패턴이되 동적 실속 와류를 생성시키지 않으며, 동적 양력에 의하여 높은 효율이 제공된다.
도 6 에 도시된 단일 날 구성은, 단일 날을 가진 프로펠러의 회전 주파수의 두 배로 주기적인 운동량과 양력(F)을 제공한다. 상기 진동 중에 샤프트에서의 토크는, 상기 프로펠러 날이 상측 또는 하측 위치, 즉 θ = 90° 또는 θ = 270° 이고 α= 0 인 위치에 있을 때의 값인 0 에서부터, 날(410)이 최대 날각에 도달하고 와류의 발생이 최대 강도에 도달할 때, 즉 θ° = 0 또는 θ° = 180 이고 α의 크기가 실속각보다 클 때의 값인 최대값까지 변화한다. 더 많은 날을 추가함에 의하여 보다 안정적인 토크가 제공될 수 있으나, 와류 발생의 일정을 조절함에 있어 서는 보다 주의를 기울어야 하는데, 이는 서로 다른 날들로부터 발생되는 각 와류들이 하류로 진행함에 따라서 서로 상쇄되지 않아야 하기 때문이다.
전술된 바와 같은 사인곡선형의 피치 변화는 피치변화 일정의 일 예에 불과하다. 보다 일반적으로는, 도 4 의 시스템(400)과 같은 프로펠러 시스템이 유체 특성 및/또는 베이스(415)의 각속도를 측정하고, 현재 조건에 맞는 피치변화 일정을 조정할 수 있으며, 예를 들어 자유 흐름 유체 유동 방향 또는 속력에서의 변화에 적합하도록 날각(α) 변화의 시간 의존성과 진폭을 변경할 수 있다. 일반적으로, 적합한 피치변화 일정은 도 4 에 도시된 것과 같은 전자 서보 제어 시스템을 사용함으로써 구현하는 것이 가장 쉽다.
선택된 날(410) 피치변화 일정의 결과적인 피치변화와 갑작스런 운동(plunging action)은 날(410)로부터 시간 및 공간에서 정확히 정의된 패턴으로 와류 흘림을 야기할 수 있다. 일반적으로, 날개를 그 실속 받음각을 지나도록 피치변화시킨 결과로 와류 흘림이 발생되는데, 그 지점에서 도 2 에 도시되고 전술된 바와 같은 분리가 발생된다. 도 2 는, 이동 중인 유체 내에서 날개(210)의 양의(시계방향의) 받음각에 대해서, 시게방향의 회전 와류(220)가 날개(220)의 상측부에서 형성됨을 보인다. 이 와류(220)는 그 후 날개(210)의 후단을 향하는 평균 유체 유동과 함께 하류로 휩쓸려가고, 날개(210)의 후류로 들어간다. 유사하게, 음의 받음각은 날개의 하측부 상에 반시계방향으로 회전하는 와류를 생성할 것이다. 따라서, 유체 유동으로부터 에너지를 이끌어내는 중에 날(410)이 실속 받음각보다 큰 극한값들 사이에서 진동하게 하는 프로펠러 시스템(400)은 도 7 에 도시된 것과 같은 와류 패턴을 생성할 것이다.
발생된 와류들의 패턴(pattern)이 본 칼만 볼텍스 스트리트(von Karman Vortex Street)로 알려진 패턴을 형성할 때, 프로펠러(400)는 그 유체로부터 에너지를 효과적으로 이끌어낼 수 있다. 일반적으로 본 칼만 볼텍스 스트리트를 생성하기 위하여 요구되는 피치변화 일정은, 프로펠러의 회전 속력 및 유체 유동 속력과 같은 다양한 작동 매개변수들에 의존하지만, 그 피치변화 일정은 언제나 진동하는 형태이다. 유사하게, 상기 날개들의 피치 스케줄(pitch schedule)은 원하는 와류 흘림 패턴을 얻기 위하여 정밀하게 제어될 필요가 있다. 도 7 의 좌측에는 프로펠러 시스템(400)에 입사하는 균일 유동장(uniform flow field; Uinf)이 도시되어 있다. 상기 유동장과 상호작용하는 프로펠러 시스템(400)은 본 칼만 볼텍스 스트리트 후류 패턴을 생성하고, 프로펠러 시스템(400)에의 유동 운동량 순 전달(a net transfer)을 야기하여, 시간평균 유동장(time averaged flow field; Uavg )은 후류 유동의 그것과 같고, 이는 도 7 의 우측에 도시되어 있다. 상기 운동량 전달은 프로펠러가 표시된 방향으로 돌게하여, 토크과 그로 인하여 메인 샤프트에서 가용한 샤프트 동력을 만든다. 이 샤프트 동력은 후속적으로 발전기 또는 펌프와 같은 장치를 구동하는데에 사용될 수 있다. 따라서 이 작동 모드(operating mode)는 수력발전기(watermill) 또는 풍력발전기(windmill)의 그것이 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전기(mill)는, 기계적 또는 다른 수단에 의하여 적당한 받음각이 설정되면, 스스로 시동(self starting)될 수 있다는 것에 유의 하여야 한다. 특히 도 4 에 도시된 서보 제어 시스템(400)과 같은 프로그램가능한 제어 시스템은 현재의 유체 유동이 프로펠러가 회전을 시작하는 토크를 발생시키도록 날 각을 변화시킬 수 있고, 날들의 방향 전환이 시작될 수 있다. 또한 상기 스스로 시동되는 능력은 임의의 회전 각 위치에 배치된 단일 날을 위해서도 사용될 수 있다.
도 7 에 도시된 프로펠러 시스템(400)의 앞과 뒤의 유동 도표들에 의하여 도시되는 바에 따른 에너지 이끌어냄에 의한 운동량 결손(momentum deficit)은 프로펠러 시스템(400) 상에 하류 방향으로의 순 힘(net force)을 가한다. 프로펠러 시스템의 장착구조는 이 힘에 견딜 수 있어야 한다.
도 8 에는 프로펠러 시스템(400)의 역 작동 모드가 도시되어 있는데, 여기서는 추력이 발생된다. 도 8 에서, 프로펠러 (400)은 프로펠러 모드로 작동하여, 시간 평균된 제트 형 유동(time averaged jet type flow)을 귀결시킨다. 상기 유동은 역 본 칼만 볼텍스 스트리트(inverse of the von Karman vortex street)인 것이 바람직하다. 역이라 함은, 와류들의 회전방향이 도 7 에 도시된 것들의 반대임을 나타내는 것이다. 이 용도에서의 프로펠러(400)는 상류 방향으로의 순 힘을 겪게 될 것이지만, 어떤 종류의 모터 또는 엔진은 프로펠러(400)의 회전을 유지하기 위하여 샤프트 동력을 제공할 필요가 있다. 이 작동 모드의 전형적인 적용은 차량, 항공기, 또는 선박을 추진하기 위한 추력의 생성이겠으나, 프로펠러(400)는 가열, 냉각 또는 입자들의 유압식 이송을 위하여 유체 흐름을 전달하기 위하여 팬 장치(fan device)로 사용될 수 있고, 임의의 공기 또는 가스 압축기 등 내의 압력을 증가시키기 위하여 사용될 수도 있다. 후자의 목적을 위하여, 수 개의 이런 프로펠러들(400A, 400B, 400C)이 도 9 에 도시된 바와 같이 병치되어 전체적인 압력 상승을 증가시킬 수 있다.
본 발명은 특정 실시예를 참조하여 설명되었으나, 이 설명은 본 발명의 일 적용예에 불과한 것이고 본 발명을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 될 것이다. 본 발명의 범위 내에서 전술된 실시예의 사항들의 다양한 적용과 조합은 첨부된 청구범위에 의하여 정의되는 본 발명의 범위 내에 속하는 것이다.
본 발명에 의하여, 유체와의 효율적인 에너지 전달을 가능하게 하는 프로펠러가 제공된다.

Claims (12)

  1. 샤프트;
    조정가능한 받음각을 갖는 날;
    상기 날을 상기 샤프트에 편심되도록 연결하는 연계장치; 및
    상기 날이 상기 샤프트의 각 회전 중에 하나 이상의 동적 실속 와류를 생성하도록 상기 받음각을 변화시키게 작동할 수 있는 제어 시스템;을 포함하는 프로펠러 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로펠러 시스템은 복수의 날들을 더 포함하고, 상기 날들 각각은 조정가능한 받음각을 가지며, 상기 제어 시스템은 각 날이 상기 샤프트의 각 회전 중에 하나 이상의 동적 실속 와류를 생성하도록 상기 받음각을 변화시키게 작동할 수 있는 것을 특징으로 하는 프로펠러 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로펠러 시스템은 샤프트를 구동하는 모터를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 날의 작용은 유체에 운동량을 전달하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 날에 대한 유체의 작용에 의하여 이끌어내진 에너지를 상기 샤프트로부터 받는 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연계장치는: 상기 샤프트에 부착된 베이스; 및 상기 베이스에 회전가능하게 장착된 날 샤프트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 프로펠러 시스템은 날 샤프트를 회전시키도록 연결된 서보 모터를 더 포함하고, 상기 제어 시스템은 상기 서보 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로펠러 시스템은 상기 제어 시스템에 연결된 센서들을 더 포함하고, 상기 제어 시스템은 상기 센서에 의하여 제공된 프로펠러 시스템의 측정에 따라 받음각을 변화시키기 위한 일정을 선택하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 센서들은 상기 연계장치의 회전각을 측정하기 위하여 연결된 각도 센서 를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 센서들은 상기 날의 회전각을 측정하기 위하여 연결된 각도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 시스템.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 센서들은 상기 프로펠러 시스템과 상호작용하는 유체의 유동을 측정하기 위하여 연결된 유동 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은, 상기 날의 받음각이 샤프트 주위의 연계장치의 하나 이상의 회전각에서의 날의 실속각을 초과하도록 야기하는 기계적 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로펠러 시스템은 상기 시스템에 의하여 구동되는 유체 속도를 연쇄적으로 증가시키기 위하여 유체 내에 배치된 둘 이상의 프로펠러들을 더 포함하고, 상기 둘 이상의 프로펠러들 각각은:
    샤프트;
    조정가능한 받음각을 갖는 날; 및
    상기 날을 샤프트에 편심되게 연결하는 연계장치;를 포함하며,
    상기 제어 시스템은 상기 날이 상기 샤프트의 각 회전 중에 하나 이상의 동적 실속 와류를 생성하도록 상기 날의 받음각을 변화시키게 작동할 수 있는 것을 특징으로 하는 프로펠러 시스템.
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