KR20090045918A - 부력챔버를 구비한 잠수형 수력발전 터빈 - Google Patents

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Abstract

고정자 하우징의 내측에 배치되는 회전자를 구비하는 수력발전 터빈에 있어서, 회전자는 고정자 하우징 내의 채널에 의해 수용되는 고리형 외측 림을 구비하고, 개선사항은 부양성 회전자를 포함하며, 상기 회전자는 바람직하게는 그 안에 배치된 부력챔버를 구비한다. 상기 부력챔버는 고리형 외측 림, 블레이드, 고리형 내측 림 또는 이들의 조합 내에 배치될 수도 있다. 바람직하게는, 상기 부력챔버는 1 보다 작거나 같은 비중을 갖는 물질로 채워지며, 가장 바람직하게는, 상기 충전물질은 회전자에 강성을 부가하는 폴리머 발포체이다.
터빈(turbine), 부력(buoyancy), 챔버(chamber)

Description

부력챔버를 구비한 잠수형 수력발전 터빈{SUBMERGED HYDROELECTRIC TURBINES HAVING BUOYANCY CHAMBERS}
본 발명은, 강물 또는 바닷물의 흐름에서 보여지는 바와 같이 흐름이 단방향이든지, 또는 조수 흐름과 같이 양방향이든지 간에, 일반적으로 물의 흐름을 동력화 함으로써 전기를 생산하는 터빈 또는 발전장치 분야에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 유체의 흐름이, 대형 고리형의 하우징 안에 배치된 고리형의 외측 림을 구비한, 대형 프로펠러 타입 회전자(rotor)의 회전을 일으키는 장치에 관한 것이다. 보다 더 구체적으로, 본 발명은 터빈이 수역에 잠기는 유형의 장치에 관한 것이다.
대형 터빈을 이용한 전기생산은 잘 알려져 있다. 일반적으로, 제어된 유체의 흐름이 프로펠러 타입의 회전자나 블레이드의 회전을 일으키도록, 터빈이 댐에 설치된다. 그러한 비교적 빠른 유속 조건은 고낙차 조건(high head condition)으로 알려져 있다. 만, 강어귀 또는 근해에서의 조수흐름에 의해 생산되는 것과 같이, 저낙차 조건(low head condition)에 터빈을 설치하는 것 또한 알려져 있다.
대부분의 터빈이 블레이드 또는 러너가 설치되는 중심 회전 샤프트를 구비하도록 제조되는 한편, 림-설치 터빈(rim-mounted turbines)이라고도 알려진 중앙 개방형 터빈(open-centered turbine)을 생산하는 것 역시 알려져 있다. 내측과 외측의 고리형 링(ring) 또는 림(rim) 사이에 블레이드가 설치된, 그리고 에너지가 외측 림을 통해서 회전자를 보유한 고리형 하우징으로 전달되는, 중앙 개방형 회전자를 구비한 터빈은 저낙차 조건 즉, 저류에서 특히 성공적일 수 있다.
중앙이 개방된, 림이 구비된 터빈의 예는 1997년 1월 14일에 등록되고 2003년 12월 2일에 RE38,336로 재등록된 미국특허 No. 5,592,816와, 2003년 11월 18일에 등록된 미국특허 No. 6,648,589와, 2004년 5월 4일에 등록된 미국특허 No. 6,729,840과, 2005년 2월 10일 공개된 미국공개특허 US2005/0031442(출원번호 10/633,865)에서 볼 수 있다. 저낙차 조건에서 사용되는 수력발전 터빈의 예는 미국특허 No. 4,421,990(Heuss 등), 미국특허 No. 6,168,373와 6,406,251(Vauthier), 영국특허출원 GB2,408,294(Susman 등), 그리고 국제공개특허 WO03/025385(Davis 등)에서 볼 수 있다.
유체 동력 터빈은 화석 연료나 원자력 에너지를 이용하는 발전 장치에 대한 환경적으로 안전한 대체물로 여겨진다. 산업 단지, 타운, 도시 등에 동력을 공급하는 것이 가능하도록 대규모로 전력을 생산하기 위해 바람 또는 물을 동력화 하는 데에 있어서, 각각의 터빈에 의해서 생산된 전기의 양을 극대화시키기 위해 터빈은 가급적 커야 한다. 이러한 터빈의 회전자 블레이드는 길이가 수 미터이며, 길이가 50미터를 초과하는 블레이드를 구비한 일부 실험적 설계도 있다.
회전자 블레이드의 길이가 증가함에 따라, 보다 작은 터빈이나 발전기에서는 제기되지 않았던 구조적, 제조상의 도전이 나타났다. 샤프트-설치 터빈(shaft-mounted turbines)의 경우, 튼튼하면서도 가볍고 긴 블레이드를 제공하는 것은 어렵다. 림-설치 터빈은, 고리형 슬롯 또는 채널을 구비하는 하우징의 내부에 유지되는 외측 지지 림을 이용하여 블레이드의 각 말단에 고리형의 지지를 제공함으로써, 이 문제에 대한 해답을 제공한다.
전력 생산을 위해, 많은 수의 자석들이 고리형 지지 림을 따라 배치되고, 많은 수의 코일들이 고정자 하우징 내의 수용 채널을 따라 배치된다. 회전자 필드 시스템에 의해 형성된 자기장은 회전자와 고정자를 분리하는 간극을 가로지른다. 회전자의 회전은 코일과의 쇄교자속을 변화시키고, 코일에서의 전자기력을 유발한다.
림-설치 터빈에 있어서, 회전자의 무게는 중심 지지 샤프트(shaft) 또는 축(axle)이 없기 때문에, 하우징의 하반부에 의해 지탱된다. 커다란 터빈에 있어서, 이 부하와 그로 인한 마찰 효과는, 하우징 내 회전자의 초기 시동에 관해, 그리고 일단 회전이 이루어지면 터빈의 전반적인 효율에 관해서도 중요할 수 있다. 증가된 회전자의 무게는 증가된 회전 저항을 의미하며, 고유의 관성과 저항을 극복하기 위해 더 큰 유체의 흐름이 필요하다는 것을 의미한다. 이는 저낙차 조건에서 사용되는 수력발전 터빈의 특별한 문제이다.
본 발명의 목적은 회전자가 부양성(buoyant)을 갖도록 회전자의 무게가 감소되는 수력발전 터빈의 개선된 구조를 제공하는 것이다. 또한, 물에 잠수된 터빈의 경우, 회전자의 많은 무게로 인해 야기되는 부중력효과(negative gravity effect)가 회전자의 증가된 부력에 의해 감소되거나 대항되도록, 무게의 감소가 회전자 내에 부력챔버를 제공함으로써 달성되는 터빈을 제공하는 것이다.
본 발명은, 회전자 블레이드가 외측 림에 의해 지지되고, 상기 림은 외측 림을 수용하는 채널을 구비하는 하우징에 의해 내부에 유지되거나 수용되는 타입의 개선된 유체 동력 터빈이다. 일반적인 제조에 있어서, 터빈은, 고정자 내의 회전자의 회전이 전기를 생산하도록 자석이 회전자 외측 림 상에 배치되고 코일이 하우징 또는 고정자 채널 내에 배치된다는 점에서 발전기이다. 특히, 상기 터빈은 수역(body of water)에 잠기는 유형이다.
이러한 개선 사항은 하우징 내에 부양성 회전자를 제공하는 것을 포함한다. 바람직한 실시예의 경우, 터빈의 회전자는, 회전자의 전반적인 무게가 감소되고 나아가 회전자의 부력이 증가되도록, 고리형의 외측 림 및/또는 내측 림 및/또는 블레이드에 위치하는 부력챔버를 하나 또는 그 이상 구비한다. 상기 챔버는 공기, 이 외의 가스, 액체, 발포체(foams), 고체 또는 1 보다 작거나 같은 비중을 갖는 어떠한 물질로 채워질 수도 있다. 부력챔버는 회전자의 구조적 완전성(integrity)과 강도(rigidity)를 더하기 위해 폴리머 발포체로 채워질 수도 있다.
도면을 참조하여, 본 발명은 최적의 모드와 바람직한 실시예를 고려하여 상세하게 기술될 것이다.
주로 통상적인 점에서, 본 발명은 수역에 잠기는 유형의 수력발전 터빈으로서, 고정자 하우징 내에 설치된 회전자를 포함하며, 상기 회전자는 고정자 하우징 내의 고리형 채널 또는 슬롯에 의해 수용되고 보유되는 고리형의 외측 림을 구비한다.
도시된 발전수단은, 비록 다른 발전수단이 이용될 수도 있지만, 회전자 고리형 림 상에 배치된 다수의 자석들과 고정자 하우징의 내부에, 바람직하게는 회전자 고리형 림을 수용하는 채널 내에, 배치된 다수의 코일들의 조합을 포함한다.
설명을 위한 목적으로, 도면에서 터빈은 회전자를 위한 모든 지지가 고정자 하우징에 의해 제공되도록 중앙 개방형, 림-설치 회전자로서 도시었으나, 본 발명은 또한 외측 고리형 림과 함께 샤프트-설치 회전자(shaft-mounted rotor)를 구비한 터빈에 적용되는 것으로도 이해될 수 있다.
여기서 사용되는 바와 같이, "부양성(buoyant)" 이라는 말은, 설명된 요소가, 담수(fresh water)이든 해수(salt water)이든, 물에 잠겨있으나 가라앉지는 않는 것을 의미하는 것으로 의도된다. 여기서 1보다 작거나 같은 비중을 갖는다는 "부력(buoyancy)" 이라는학적인 정의에 대한 참조는, 물의 밀도가 순수한 물의 밀도와 다른 상황을 포함하는 범위로까지 확장되는 것으로 이해되어야 한다.
도 1 내지 도 3에 대체로 도시된 바와 같이, 본 발명은 대체로 고리형인 고정자 하우징(30)을 포함하는 터빈 또는 발전장치(10)이다. 여러 목적 중, 어느 쪽 축(axial) 방향으로의 원치 않은 움직임에 대항하여 회전 조립체 또는 회전자(20)를 유지하는 것과, 회전축에 관하여 회전자(20)의 회전을 허용하는 것을 하우징(30)이 달성하면 다른 형상들도 가능한 것과 같이, 도시된 하우징(30)의 형상에 한정되는 것은 아니다. 하우징(30)은 회전자(20)를 수용하고 유지하기 위한 채널(32)을 구획하는 한 쌍의 유지플랜지(31, retaining flange)를 포함한다.
회전 조립체 또는 회전자(20)는 내측 고리형 림 부재(23)와 고리형 외측 림 부재(22)를 포함한다. 내측 림(23)과 외측 림(22) 사이에는 복수의 프로펠러, 러너 또는 블레이드 부재(21)들이 뻗어 있으며, 축 방향으로의, 그리고 고정자 하우징(30)을 통한 유체의 움직임이 회전자(20)의 회전을 일으키도록 상기 블레이드(21)는 공지의 방법으로 각이 져있거나(angled) 비틀려(twisted) 있다.　블레이드(21)의　구체적인 개수, 형상, 재질은 다양할 수 있으나, 블레이드(21)는 구조적 완전성(structural integrity)을 과도하게 희생하는 일 없이 가능한 가볍게 제조되는 것이 바람직하다.
결합된 하우징(30)과 회전자(20)는 전기의 생산을 위한 발전수단을 규정한다. 이는, 하우징(30)이 발전기의 고정자가 되도록, 복수의 자석들을 외측 림의 외측 둘레 주위에 위치시키고, 복수의 코일들을 하우징(30) 또는 하우징 채널(32)의 내측 둘레면(34) 주위에 위치시킴으로써 달성될 수 있다. 회전자(20)의 회전이 코일(42)을 가로질러 자석(41)들을 통과하면, 공지의 방법으로 전기가 생산된다.
터빈(10)의 커다란 크기 때문에, 비교적 가볍지만 구조적으로 강한 물질을 이용한 제조가 요구된다. 이 때문에 회전자와 하우징 내의 1차 구조 요소로서 폴리머, 에폭시, 수지, 강화섬유 등을 이용하여 터빈을 제조하는 것이 적합한 것으로 알려져 왔다. 대체로, 자석(41)과 다른 구성들이 그 안에 내장될 수 있도록, 회전자(20)는 우선적으로 전술한 바와 같이 가벼운 물질로 제조될 것이다. 회전자(20)는 물에 잠기면 부양하도록 제조된다.
일 실시예에서, 하나 또는 그 이상의 부력챔버(60)가, 도 4에 도시된 바와 같이, 외측 고리형 림(22)의 내측과 같은 회전자 내측에 배치된다. 바람직한 실시예의 경우, 하나의 고리형 챔버(60)가 외측 고리형 림(22) 전체에 걸쳐 형성되나, 여러 챔버들이 횡방향 또는 종방향으로 연계되어 이용될 수도 있다.
여러 개의 챔버가 이용되는 경우, 회전자(20)의 회전이 불리하게 이루어지지 않도록 이들은 원주에 대해 평형을 이룬다. 지주 부재 등과 같은 구조 부재(미도시)는 고리형 외측 림(22)의 강도를 증가시키기 위해 부력챔버(60)의 내측에 배치될 수도 있다.
부력챔버(60)는 공기 또는 이 외의 가스, 액체 또는 가벼운 고체, 또는 1 보다 작거나 같은 비중을 갖는 물질로 채워질 수도 있으나, 가장 바람직하게는, 챔버(60)는 폴리머 발포체(61)와 같이 양의 구조적 특성을 갖는 부력물질(61)로 채워진다. 예를 들어 폴리우레탄과 같은 폴리머 발포체는 미리 성형되어 챔버(60) 내측에 위치하거나 또는 부력챔버(60) 내에 주입되며, 후자의 경우, 그것은 경화 시 챔버(60)의 내면에 접착될 것이다.
상기 발포체의 강도 및 부력챔버(60)의 벽과의 접합계면은 회전자(20)의 전반적인 강도와 구조적인 완성도를 향상시킨다. 부력챔버(60)의 크기 및 구체적인 부력물질(61)은 구체적인 조건을 위한 원하는 정도의 부력을 부여하기 위해 선택된다.
예를 들면, 다른 환경에서는 부력의 관점에서 중립이 될 정도로 회전자(20)의 무게를 줄이는 것이 바람직할 수도 있고, 여전히 다른 환경에서는 로터가 물에 대해 상대적으로 양의 부력을 가질 정도로 회전자의 무게를 줄이는 것이 바람직할 수도 있음에 반해, 회전자가 고정자 채널(32) 위에서 떠다니고 어떠한 마찰 효과가 채널(32)의 상부 위에서 발생하도록, 특정한 환경에서는 회전자(20)를 단지 가볍게 하는 것이 필요할 수도 있다.
이와 별도로, 또는 고리형 외측 림(22) 내에 제공되는 부력챔버(60)에 더해 부력챔버(60)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 고리형 내측 림(23) 및/또는 블레이드(21)의 내측에 배치될 수도 있다. 앞서 논의된 바와 같이, 고리형 내측 림(23) 및 블레이드(21)의 부력챔버(60)는 공기 또는 이 외의 가스, 액체 또는 가벼운 고체, 또는 1 보다 작거나 같은 비중을 갖는 물질로 채워질 수도 있으나, 가장 바람직하게는, 챔버(60)는 폴리머 발포체와 같이 양의 구조적 특성을 갖는 부력물질(61)로 채워진다.
이와 같이, 회전자(20)의 상당한 무게로 인해 회전자(20)와 고정자 하우징(30) 사이에서 발생하는 부마찰력 효과는 감소되거나 제거되며, 초기 시동이 보다 쉽게 수행되고 회전 효율이 증가된다.
부유식 터빈이 필요한 경우와 같은 어떤 환경에서는, 고정자 하우징(30)의 무게를 줄이는 것 또한 요구될 수도 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 하나 또는 그 이상의 부력 챔버(60)는 고정자 하우징(30) 내측에 배치될 수도 있으며, 부력챔버(60)는 현장 경화형(cured-in-place) 폴리머 발포체 또는 전술한 다른 어떤 물질, 및 바람직하게는 하우징(60)에 강성 및 구조적 안정성을 제공하는 물질과 같은 부력충전물질(61)로 채워질 수 있다.
고정자 하우징(30)은 터빈(30)의 고정 요소이므로, 수중에서 터빈(10)의 안정성을 향상시키기 위해, 부력챔버(60)가 고정자 하우징(30)의 최상부에 배치되는 것이 가장 바람직하다.
전술한 어떤 특정 요소에 대한 균등물과 치환물이 당업자에게 자명할 수 있음은 이해될 것이며, 그래서 본 발명의 진정한 범위와 정의는 이하의 청구항에서 진술될 것이다.
도 1은 축 관점에서 보여지는 바와 같이, 외측 림을 구비한 회전자와, 회전자 외측 림을 수용하는 채널을 구비한 고정자 하우징을 포함하는, 대표적인 중심 개방형, 림-설치 터빈을 나타내는 도면.
도 2는 고정자 하우징을 나타내는 사시도.
도 3은 회전자를 나타내는 사시도.
도 4는 회전자 고리형 외측 림을 나타내는 부분 단면도.
도 5는 고정자 하우징을 나타내는 부분 단면도.
도 6은 회전자 고리형 내측 림을 나타내는 부분 단면도.

Claims (9)

  1. 회전자;
    상기 회전자를 수용하는 고정자 하우징; 및
    전기를 생산하는 발전수단을 포함하되,
    상기 회전자는 블레이드에 위치하는 외측 림을 포함하고,
    하나 또는 그 이상의 부력챔버가 상기 외측 림 및/또는 상기 블레이드 내에 배치되는 잠수형 유체동력 터빈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전자는 상기 블레이드 상에 배치되는 내측 림을 포함하고,
    상기 하나 또는 그 이상의 부력챔버는 상기 내측 림 내에 배치되는 잠수형 유체동력 터빈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 이상의 부력챔버 내에 배치되는 부력충전물질을 더 포함하는 잠수형 유체동력 터빈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 부력충전물질은 1 보다 작거나 같은 비중을 갖는 잠수형 유체동력 터빈.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 부력충전물질은 가스, 바람직하게 공기를 포함하는 잠수형 유체동력 터빈.
  6. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 부력충전물질은 폴리머 발포체를 포함하는 잠수형 유체동력 터빈.
  7. 전술한 어느 청구항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 이상의 부력챔버는 상기 회전자 전체에 걸쳐 형성되는 잠수형 유체동력 터빈.
  8. 전술한 어느 청구항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 이상의 부력챔버는 횡방향으로 연계되는 다수의 챔버를 포함하는 잠수형 유체동력 터빈.
  9. 전술한 어느 청구항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 이상의 부력챔버는 종방향으로 연계되는 다수의 챔버를 포함하는 잠수형 유체동력 터빈.
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