KR20100014548A - 믹서 및 이젝터를 가진 풍력 터빈 - Google Patents

Abstract

종래의 풍력 터빈의 효율을 루틴하게 초과하는 믹서/이젝터 풍력 터빈("MEWT") 시스템이 기재된다. 양호한 실시예에서, 본 출원의 MEWT는 풍력 터빈의 작동 유효성과 효율을 유체 역학적으로 향상시키기 위한 독특한 방법으로서, 향상된 흐름 믹싱 기술, 단일 및 다중-스테이지 이젝터 기술, 항공기 및 추진 공기역학 및 노이즈 감소 기술을 합체시킴으로써, 이것의 작동 효율은 베츠 한계를 루틴하게 초과한다. 본 출원의 양호한 MEWT 실시예는, 높은 에너지의 바이패스 바람 흐름과 낮은 에너지의 터빈 출구 흐름을 빠르게 믹싱하면서 상기 터빈을 통한 흐름 부피를 증가시키기 위하여, 입구를 가진 공기역학적 외형의 터빈 덮개; 스테이터 베인의 링; 상기 스테이터 베인과 직렬로 있는 회전 블레이드(즉, 임펠러)의 링 및; 믹서/이젝터 펌프를 포함한다. 상기 MEWT는 동일한 전방 영역의 비덮개식 대응물의 동력의 3배 이상을 발생시킬 수 있고, 풍력 기지의 생산성을 2배 이상 증가시킬 수 있다. 상기 MEWT는 인구거주 지역에 대한 향상된 풍력 터빈 선택을 제공하는 보다 안전하고 조용하다.

풍력 터빈, 믹서, 이젝터, 스테이터 베인, 임펠러, 터빈 스테이지

Description

믹서 및 이젝터를 가진 풍력 터빈{WIND TURBINE WITH MIXERS AND EJECTORS}

본 출원은 2007년 3월 23일자 출원된 미국 가특허출원 제 60/919,588 호(이후, "출원인의 가출원"으로 칭함)의 우선권을 주장한다. 본 출원인은 본원에서 참조로 출원인의 가출원의 개시내용을 합체한다.

본 발명은 일반적으로 축류식 터빈(axial flow turbine)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 축류식 풍력 터빈(wind turbine)에 관한 것이다.

풍력 터빈은 이동하는 공기 스트림(stream)으로 향하는 "로터(rotor)로 불리우는 프로펠러형 디바이스를 통상적으로 포함한다. 공기가 로터에 부딪힐 때에, 로터가 그 중심에 대하여 회전을 일으키도록 상기 공기는 상기 로터 상에 힘을 발생시킨다. 상기 로터는 기어, 벨트, 체인 또는 다른 수단과 같은 링키지(linkage)를 통하여 발전기 또는 기계적인 디바이스에 연결된다. 상기 터빈은 일반적으로 발전 및 배터리 동력 공급용으로 사용된다. 또한, 이들은 회전 펌프 및/또는 가동 기계부품을 구동하기 위하여 사용된다. 이러한 각 터빈을 서로 및/또는 둘러싸인 환경에서 최소 충격으로 최대 동력 추출을 허용하도록 설계되는 기하학적 패턴(geometric pattern)을 가지고, 다수의 이러한 터빈을 포함하는 대용량의 전기를 발생시키는 "풍력 기지(wind farm)"에서 풍력 터빈을 찾는 것은 매우 흔한 것이다.

직경에 비교하여 매우 큰 폭을 가지는 스트림에 위치될 때에, 유체 동력을 회전 동력을 변환하기 위한 로터의 능력은, 1926년 에이. 베츠(A. Betz)에 의하여 규정되며 "베츠" 한계(Betz limit)로 공지된, 마주오는 스트림의 동력(oncoming stream's power)의 59.3%의 잘 규정된 이론값에 의해 제한된다. 이러한 생산성의한계는 종래 기술인 도 1A에 도시된 종래의 다익 축류식 풍력/수력 터빈에 특히 적용된다.

풍력 터빈 성능 포텐셜을 상기 "베츠" 한계를 넘어서 증가시키기 위한 노력이 이루어져 왔었다. 상기 로터를 둘러싸는 덮개(shroud) 또는 덕트가 사용된다. 예를 들면, 하이얼(Hiel) 등에게 허여된 미국 특허 제 7,218,011 호(도 1B 참조); 데 제우스(de Geus)에게 허여된 미국 특허 제 4,204,799 호(도 1C 참조); 오만(Oman) 등에게 허여된 미국 특허 제 4,075,500 호(도 1D 참조) 및; 토처(Tocher)에게 허여된 미국 특허 제 6,887,031 호를 참조한다. 적절하게 설계된 덮개는 마주오는 흐름이 상기 덕트의 중심내로 집중될 때에 그 속도를 상승시킨다. 일반적으로, 적절하게 설계된 로터에 있어서, 상기 증가된 유속은 상기 로터 상에 보다 큰 힘을 발생시키고, 계속해서 보다 높은 레벨의 전력 추출(power exraction)을 발생시킨다. 종종이긴 하지만, 상기 로터 블레이드(blade)는 보다 강력한 바람에 포함된 전단력 및 인장력으로 인하여 파손된다(break apart).

상기 베츠 한계의 두배의 값이 이른바 기록되어 왔지만, 인정되지는 않았다. 1976년 10월, 아갈 오.(Igar, O.)의 AIAA 저널, 1481-83페이지, 풍력발전기용 덮개(Aerogenerator); 1981년, 이갈 앤드 오저(Igar & Ozer)의 에너지 콘즈. 앤드 매 니지먼트(Energy Cons. & Management) 21권 13-48페이지의 덮개식 풍력 터빈의 연구와 발전(Research and Development for Shrouded Wind Turbines)의 21권 13-48를 참조하고; 출원인("출원인의 AIAA 기술 노트")에 의하여 작성되고 공보용으로 수용된 제목이 "덕트된 풍력/수력 터빈 및 개정된 프로펠러"(Ducted Wind/Water Turbines and Propellers Revisited)의 AIAA 기술 노트를 참조한다. 복사본은 출원인의 IDS(Information Disclosure Statement)에서 찾을 수 있다. 그러나, 이러한 청구는 실제 지지되지 않고 있고, 현존하는 테스트 결과는 실질적인 풍력 터빈 적용에서 그와 같은 게인(gain)의 실행가능성을 확인시켜주지 못하고 있다.

이러한 증가된 동력 및 효율을 성취하기 위하여, 때때로 높은 가변성의 흡입되는 유체 스트림 속도 레벨과, 상기 덮개 및 로터의 공기역학적인 디자인을 밀접하게 조화시키는 것이 필요하다. 또한, 이러한 공기역학적인 설계의 고려는 이들의 주변에서 유동 터빈의 계속적인 충격(subsequent imapact)과 풍력기지 설계의 생산성 레벨에 중요한 역할을 담당한다.

이젝터(ejector)는 흐름을 시스템내로 끌어들이고, 따라서 상기 시스템을 통한 유량을 증가시키는 잘 공지되어 있고, 규정된 유체 제트 펌프이다. 믹서/이젝터(mixer/ejector)는 유입하는 흐름 상태에 비교적 민감한 이러한 제트 펌프의 짧고 컴팩트한 버전(short compact version)으로서, 음속 근처이거나 그 이상의 흐름 속도를 포함하는 고속의 제트 추진 적용에서 광범위하게 사용되어져 왔다. 예를 들면, 배출로부터 노이즈를 감소시키면서 스러스트(thrust)를 증가시키기 위하여 하류의 믹서(mixer downstream)를 또한 사용하는 닥터 왈터 엠. 브레스즈, 주니 어(Dr. Walter M. Presz, Jr.)의 미국 특허 제 5,761,900 호를 참조한다. 닥터 프레스즈는 본 출원의 공동 발명자이다.

가스 터빈 기술은 축류식 풍력 터빈에 아직까지 성공적으로 적용되지 않고 있다. 이것의 단점에는 다수의 원인이 있다. 현존하는 풍력 터빈은 풍력 에너지를 추출하기 위하여 덮개가 없는(non-shrouded) 터빈 블레이드를 사용한다. 결과적으로, 상기 풍력 터빈 블레이드에 접근하는 상당한 양의 흐름이 상기 블레이드를 통하는 것이 아니라 주위를 흐르게 된다. 또한, 그것이 현존하는 풍력 터빈에 접근할 때에 상기 공기 속도는 상당히 감소하게 된다. 이들의 2가지 영향은 낮은 유량의 터빈 관통 속도를 발생시킨다. 이러한 낮은 속도는 스테이터/로터(stator/rotor) 개념과 같이 가스 터빈 기술의 잠재적인 이점을 최소화시킨다. 이전의 덮개식 풍력 터빈의 접근은 터빈 블레이드 속도를 증가시키기 위하여 출구 디퓨져(exit diffuser)에 초점을 맞추고 있었다. 디퓨져는 양호한 성능을 위해서는 긴 길이를 요구하고, 마주오는 흐름 변화에 매우 민감한 경향이 있다. 이렇게 길고 흐름에 민감한 디퓨져는 풍력 터빈 설치에 실용적이지 못하다. 짧은 디퓨져는 속도를 잃게 하고, 실질적인 적용에서 작용을 하지 않는다. 또한, 필요한 하류 디퓨젼(downstream diffusion)은 가속된 속도에서 원하는 터빈 에너지 추출로 가능하지 않을 수 있다. 이러한 영향들은 가스 터빈 기술을 사용하는 보다 효율적인 풍력 터빈에서 이전의 모든 시도를 실패케 하였다.

따라서, 본 발명의 주목적은 베츠 한계를 훨씬 넘는 동력 레벨을 균일하게 보내기 위하여 향상된 유체 동역학적인 믹서/이젝터(mixer/ejector) 펌프 원리를 채용하는 축류식 풍력 터빈을 제공하는 것이다.

다른 주목적은 풍력 기지에서 발견되는 것과 같이 그 근처에 위치되는 주변 환경상에서 부수적인 흐름 필드(attendant flow field)의 충격을 최소화하고 그 생산성을 증가시키기 위하여, (풍력 터빈용)의 독특한 흐름 믹싱과 제어 디바이스를 사용하는 향상된 축류식 풍력 터빈을 제공하는 것이다.

다른 주목적은 상기 로터를 통하여 보다 많은 흐름으로 펌핑하고 그 다음 상기 시스템으로부터 나오기 이전에 높은 에너지의 바이패스 바람 흐름(bypass wind flow)과 낮은 엔너지의 터빈 출구 흐름을 빠르게 믹싱하는 향상된 축류식 풍력 터빈을 제공하는 것이다.

상술된 목적과 동일하게, 설치되는 영역에서 매우 조용하고 안전하게 사용하는 것이 보다 구체적인 목적이다.

유체 동력 이젝터 개념, 향상된 흐름 믹싱과 제어 디바이스 및, 조정가능한 동력 터빈을 결합시키며 동력을 발생하기 위한 믹서/이젝터 풍력 터빈 시스템("MEWT"로 약칭됨)이 개시된다.

양호한 실시예에서, 축류식 터빈인 상기 MEWT는 하류로 가면서 순서대로 다음을 포함한다: 입구를 가지는 공기역학적 외형으로 된 터빈 덮개; 상기 덮개내에 있는 스테이터의 링(ring of stator); 상기 스테이터와 "직렬로 있는"(in line with) 임펠러 블레이드의 링을 가지는 임펠러; 상기 터빈 덮개에 부착되며 상기 임펠러 블레이드를 넘어서 하류로 연장되는 믹싱 로브의 링(ring of mixing lobe)을 가지는 믹서; 상기 믹싱 로브의 링(예를 들면, 미국 특허 제 5,761,900 호에 도시된 것과 같은)과 상기 믹싱 로브를 넘어서 하류로 연장되는 믹싱 덮개를 포함하는 이젝터. 상기 터빈 덮개, 믹서 및 이젝터는 상기 터빈을 통한 최대량의 유체를 끌어들이고(draw), 또한 그결과 환경에 대한 충돌(예를 들면, 노이즈)과 다른 동력 터빈에 대한 충돌(예를 들면, 구조적인 손실 또는 생산성 손실)을 최소화하기 위하여 설계되고 정렬된다. 종래 기술과는 다르게, 상기 양호한 MEWT는 로브되거나 슬롯된(lobed or slotted) 믹서 및/또는 하나 이상의 이젝터 펌프와 같은 향상된 흐름 믹싱 및 제어 디바이스를 가지는 덮개를 포함한다. 이러한 믹서/이젝터 펌프는 항공기 산업에 사용되는 것과는 상당히 다른데, 왜냐하면 높은 에너지의 공기가 이젝터 입구내로 흘러서 외향으로 둘러싸며, 상기 터빈 덮개를 나가는 낮은 에너지의 공기로 펌핑 및 믹싱하기 때문이다.

이러한 제 1의 양호한 실시예에서, 상기 MEWT는, 터빈 덮개의 말단 영역(terminus region)(즉, 상기 터빈 덮개의 단부)에서 믹싱 디바이스를 합체시키는 공기역학적 외형의 터빈 덮개와, 상기 터빈 덮개의 후미(aft)에 중첩되고, 그 자체가 말단 영역에서 향상된 믹싱 디바이스를 합체시킬 수 있는 분리된 이젝터 덕트에 의하여 둘러싸이는 축류식 풍력 터빈을 포함한다.

다른 실시예에서, 상기 MEWT는, 터빈 덮개의 말단 영역에서 믹싱 디바이스를 합체시키는 공기역학적 외형의 터빈 덮개에 의하여 둘러싸이는 축류식 풍력 터빈을 포함한다.

양호한 본 MEWT의 제 1 원리를 기초로 하는 이론적 분석(theoretical analysis)는, 상기 MEWT가 동일한 전방 영역에서 비덮개식 대응물(un-shrouded counterpart)의 동력의 3배 이상을 발생시킬 수 있고, 풍력 기지의 생산성을 2배 이상으로 증가시킨다는 것을 나타낸다.

본 출원인은, 이들의 이론적 분석을 기초로 하여서, 상기 양호한 MEWT 실시예는 동일한 크기의 종래의 풍력 터빈의 현존 동력의 3배를 발생시킬 것이라는 것을 믿는다.

본 발명의 다른 목적 및 장점은, 첨부된 도면과 관련하여 다음의 상세한 설명으로부터 보다 명백하게 될 것이다.

도 1A, 1B, 1C 및 1D는 종래 터빈의 예를 도시하는 도면이다.

도 2는 본 발명에 따라서 구성된 양호한 MEWT 실시예의 분해도이다.

도 3은 지지 타워(support tower)에 부착된 상기 양호한 MEWT의 전방 사시도이다.

도 4는 임펠러에 부착되는 휠 형상 구조의 형태로 된 동력 테이크오프(power takeoff)와 같은 내부 구조를 도시하기 위하여, 절취된 부분을 가지는 양호한 MEWT의 전방 사시도이다.

도 5는 도 4에서 스테이터, 임펠러, 동력 테이크오프 및 지지축 만을 도시하는 전방 사시도이다.

도 6은 이젝터 덮개의 말단 영역(즉, 단부)상에서 믹서 로브를 가지는 믹서/이젝터 펌프를 구비하는 양호한 MEWT의 다른 실시예를 도시하는 도면이다.

도 7은 도 6의 MEWT의 측단면도이다.

도 8은 지지 타워에 상기 MEWT를 회전가능하게 부착시키기 위한 회전가능한 커플링(도 7에서의 원으로 표시한 부분) 및, 기계적으로 회전가능한 스테이터 블레이드 변경예의 확대도이다.

도 9는 프로펠러형 로터를 가지는 MEWT의 전방 사시도이다.

도 10은 도 9의 MEWT의 후방 사시도이다.

도 11은 도9의 MEWT의 후방도이다.

도 12는 도 11의 시선 12-12를 따라 취한 단면도이다.

도 13은 도 9의 MEWT의 전방도이다.

도 14는 흐름 제어를 하기 위한 2개의 피봇가능한 블록커(blocker)를 도시하는 도 13의 시선 14-14를 따라 취한 측단면도이다.

도 15는 도 14의 원으로 표시된 블록커의 확대도이다.

도 16은 바람을 정렬하기 위하여 2개의 선택적인 피봇식 윙-태브(pivoting wing-tab)를 가지는 MEWT의 다른 변경예를 도시하는 도면이다.

도 17은 도 16의 MEWT의 측단면도이다.

도 18은 터빈 덮개(여기에서, 믹싱 로브)와 이젝터 덮개의 말단 영역에서 믹싱 디바이스(여기에서, 슬롯의 링)를 가지는 2-스테이지 이젝터를 합체시킨 MEWT의 다른 실시예의 정면도이다.

도 19는 도 18의 MEWT의 측단면도이다.

도 20은 도 18의 MEWT의 후방도이다.

도 21는 도 18의 MEWT의 전방 사시도이다.

도 22는 상기 터빈 덮개와 이젝터 덮개의 말단 영역에서 2-스테이지 이젝터와 믹싱 로브를 합체시키는 MEWT의 다른 실시예의 전방 사시도이다.

도 23은 도 22의 MEWT의 후방 사시도이다.

도24는 도 22의 터빈 덮개내에 선택적인 음향 라이닝(acoustic lining)을 도시하는 도면이다.

도 25는 비원형 덮개 구성품을 가지는 MEWT를 도시하는 도면이다.

도 26은 상기 터빈 덮개의 말단 영역(즉, 단부)상에서 믹서 로브를 가진 양호한 MEWT의 다른 실시예를 도시하는 도면이다.

보다 상세하게, 도 2 내지 25를 참조하면, 상기 도면들은 믹서 및 이젝터("MEWT")를 가지는 본 출원인의 축류식 풍력 터빈의 실시예를 도시한다.

양호한 실시예(도 2,3,4,5 참조)에서, 축류식 풍력 터빈인 상기 MEWT(100)는 다음을 포함한다: 즉,

(a) 공기역학적 외형의 터빈 덮개(102);

(b) 상기 터빈 덮개(102)내에 부착된 공기역학적 외형의 중심체(center body)(103);

(c) 상기 중심체(103)를 둘러싸고 있는 터빈 스테이지(104)로서, 상기 터빈 스테이지는, 스테이터 베인(예를 들어, 108a)의 스테이터 링(106)과, 상기 스테이터 베인의 하류에서 "직렬"로 있는 임펠러 또는 로터 블레이드(예를 들어, 112a)(즉, 상기 임펠러 블레이드의 도입 모서리(leadind edge)는 상기 스테이터 베인의 말단 모서리(trailing edge)와 실질적으로 정렬되어 있다)를 가지는 임펠러 또는 로터(110)를 포함하며,

(i) 상기 스테이터 베인(예를 들어, 108a)은 상기 중심체(103)상에 장착되며;

(ii) 상기 임펠러 블레이드(예를 들어, 112a)는 상기 중심체(103)상에 장착되는 내부 및 외부 링 또는 후프(hoop)에 의하여 부착되어서 함께 유지되는,

상기 터빈 스테이지(104);

(c) 상기 터빈 덮개(102)의 말단 영역(예를 들어, 단부)상에서 믹서 로브(120a)의 링을 가지는 믹서(118)로서, 상기 믹서 로브(예를 들어, 120a)는 상기 임펠러 블레이드(예를 들어, 112a)를 넘어서 하류로 연장되는 상기 믹서;

(d) 미국 특허 제 5,761,900 호에 도시된 이젝터 로브와 유사한 프로파일을 가지고, 상기 터빈 덮개상의 믹서 로브(예를 들어, 120a)의 링을 둘러싸는 덮개(128)를 포함하는 이젝터(122)로서, 상기 믹서 로브(예를 들어, 120a)는 하류로 그리고 상기 이젝터 덮개(128)의 입구(129)내로 연장되는 상기 이젝터를,

포함한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 상기 MEWT(100)의 중심체(103)는, 상기 터빈 브레이크의 웨이크(wake)가 상기 지지 타워를 때릴 때에, 통상적인 풍력 터빈에 의하여 발생되는 해롭고, 귀찮은 긴 거리로 전파되는 저주파 음향을 제거하기 위하여, 스테이터 링(106)(또는 다른 수단)을 통하여 상기 터빈 덮개(102)에 양호하게 연결된 다. 상기 터빈 덮개(102) 및 이젝터 덮개(128)의 공기역학적 프로파일은 상기 터빈 로터를 통한 흐름을 증가시키기 위하여 양호하게는 공기역학적으로 캠버(camber)된다.

양호한 실시예(100)에서 최적의 효율을 위하여, 본 출원인은 터빈 덮개(102)의 출구 면적(exit area)에 대한 상기 이젝터 덮개(128)의 출구 면적으로 정의되는 상기 이젝터 펌프(122)의 면적비가 1.5 내지 3.0이 될 것이라는 것을 계산하였다. 상기 믹서 로브(예를 들어, 120a)의 수는 6 내지 14가 된다. 각 로브는 5 내지 25도의 내부 및 외부 말단 모서리 각도를 가질 것이다. 상기 주 로브의 출구 위치는 상기 이젝터 덮개(128)의 입구(129) 또는 도입 위치에서, 또는 그 근처에서 있을 것이다. 상기 로브 채널의 높이-대-폭의 비(height-to-width ratio)는 0.5 내지 4.5가 될 것이다. 상기 믹서의 관통율(penetration)은 50% 내지 80%가 될 것이다. 상기 중심체(103)의 플러그 말단 모서리 각도는 30도 이하가 될 것이다. 상기 전체 MEWT(100)의 길이 대 직경(L/D)은 0.5 내지 1.25가 될 것이다.

본 출원인에 의하여 수행되는 상기 양호한 MEWT(100)의 제 1 원리를 기초로 하는 이론적 분석은, 상기 MEWT는 동일한 전방 영역에서 비덮개식 대응물의 동력에 3배 이상을 발생할 수 있고; 상기 MEWT는 풍력 기지의 생산성을 2배 이상 증가시킬 수 있다는 것을 나타낸다. 이들의 이론적 분석에 사용되는 방법론과 공식에 대해서는, 상술된 배경기술에 기재된 바와 같이, 본 출원의 AIAA 기술적 노트를 참조한다.

이들의 이론적 분석을 기초로 하여서, 본 출원인은 이들의 양호한 MEWT 실시 예(100)가 동일한 크기의 종래의 풍력 터빈(도 1A에 도시됨)의 현존하는 동력의 3배를 발생시킬 것이라고 믿고 있다.

간략하게 말하면, 상기 MEWT의 양호한 실시예(100)는, 터빈 덮개(102)의 말단 영역(즉, 단부)에서 믹싱 디바이스를 합체시키는 공기역학적 외형의 터빈 덮개(102)에 의하여 둘러싸인 축류식 터빈(예를 들면, 스테이터 베인 및 임펠러 블레이드) 및; 상기 터빈 덮개(102)의 후미에서 중첩되고, 그 자체가 말단 영역에서 향상된 믹싱 디바이스(예를 들면, 믹싱 로브)를 합체시킬 수 있는 분리된 이젝터 덮개(예를 들면, 128)를 포함한다. 상기 이젝터 덮개(128)와 결합되는 본 출원인의 믹서 로브(예를 들면, 120a)의 링(118)은 믹서/이젝터 펌프로 고려될 수 있다. 이러한 믹서/이젝터 펌프는 상기 풍력 터빈의 작용 효율에 대해 베츠 한계를 균일하게 초과하기 위한 수단을 제공한다.

또한, 본 출원인은 도 2A, 2B에 도시된 MEWT의 양호한 실시예(100)에 부가적인 정보를 제공한다. 이것은 중심체(103)상에 장착되어 있으며, 상기 이젝터 덮개(128)의 입구면에서 조금 삽입되는 말단 모서리를 가진 매입된(embedded) 믹서 로브(예를 들면, 120a)를 구비한 터빈 덮개(102)에 의하여 둘러싸인 중심체(103)상에 장착되는 터빈 스테이지(104)(즉, 스테이터 링(106) 및 임펠러(110)를 가진)를 포함한다. 상기 터빈 스테이지(104)와 이젝터 덮개(128)는 그 자체가 원리상 하중 지탱 부재(load carrying member)인 터빈 덮개(102)에 구조적으로 연결된다.

상기 터빈 덮개(102)의 길이는 상기 터빈 덮개의 최대 외경 이하이다. 상기 이젝터 덮개(128)의 길이는 상기 이젝터 덮개의 최대 외경 이하이다. 상기 중심 체(103)의 외면은 상기 MEWT(100)의 하류에서 흐름 분리의 영향을 최소로 하기 위하여 공기역학적 외형으로 된다. 이것은 상기 터빈 덮개(102) 또는 이젝터 덮개(128)의 길이, 또는 이들의 결합된 길이 보다 더 길거나 또는 더 짧을 수 있다.

상기 터빈 덮개의 입구 면적과 출구 면적은 터빈 스테이지(104)에 의하여 점유되는 환형의 면적 이상이지만, 흐름 소스(source)와 그기에 따른 작동 충격을 보다 양호하게 제어할 수 있도록 형상이 원형일 필요는 없다. 상기 중심체(103)과 상기 터빈 덮개(102)의 내부면사이의 환형에 의하여 형성되는 내부 흐름 경로 단면적은 터빈의 평면에서 최소 영역을 가지도록, 그리고 다르게는 이들의 각 입구면으로부터 이들의 출구면까지 스무스하게 변하도록 공기역학적으로 형성된다. 상기 터빈 및 이젝터 덮개의 외부면은 상기 터빈 덮개 입구내로의 흐름을 안내하고, 이들의 표면으로부터 흐름 분리를 제거하며, 상기 이젝터 입구(129)내로 스무스한 흐름을 보내는 것을 돕도록 공기역학적으로 형성된다. 형상이 비원형으로 될 수 있는(예를 들면 도 25 참조) 상기 이젝터(128)의 입구 면적은 상기 믹서(118)의 출구면 면적보다 더 크고, 상기 이젝터의 출구면 영역은 또한 형상이 비원형으로 될 수 있다.

양호한 본 실시예(100)의 선택적인 특징은 다음을 포함할 수 있다: 즉, 휠 형상 구조 형태로 되어 있으며, 상기 임펠러(110)의 외부림에서 전력 발전기(도시하지 않음)에 기계적으로 링크되는 동력 테이크오프(130)(도 4 및 5 참조)와; 상기 MEWT(100)를 회전가능하게 지지하며, 상기 MEWT를 자체 정렬시키기 위하여 상기 MEWT상에 압력 중심 위치의 전방에 위치되는 도면부호 134에서의 회전가능한 커플 링(도 5 참조)을 가진 수직 지지축(132) 및; 서로 다른 바람 스트림을 가지고 정렬 방향을 안정화시키기 위하여 이젝터 덮개(128)의 상부 및 하부면에 부착되는 자체 이동식 수직 안정기 또는 "윙-태브"(136)(도 4 참조)를 포함한다.

MEWT(100)는 거주지 근처에 사용될 때, 상기 스테이터(106) 웨이크와 임펠러의 상호 작용에 의하여 발생되는 비교적 높은 주파수 음파를 흡수하고 제거하기 위하여 덮개(102,128)의 내부면에 부착되는 음향 흡수재(138)(도 24 참조)를 가질 수 있다. 상기 MEWT는 안전한 블레이드 격납 구조(containment structure)(도시하지 않음)를 또한 포함할 수 있다.

도 14, 15는 선택적인 흐름 차단 도어(flow blockage door)(140a,140b)를 도시한다. 높은 유속에 기인하여 상기 발전기 또는 다른 구성품에의 손상이 생길 가능성이 있을 때, 상기 차단 도어는 상기 터빈(100)을 통한 흐름을 감소시키거나 또는 정지시키기 위하여 흐름 스트림내로 링키지(도시하지 않음)를 통하여 회전될 수 있다.

도 8은 본 출원의 양호한 MEWT(100)의 다른 선택적 변경예를 도시한다. 상기 스테이터 베인의 출구각 경사는, 상기 로터를 나가는 흐름에서 최소 잔류 소용돌이를 보장할 수 있도록 유체 스트림 속도에서의 변화를 수용하도록 제 위치에서 기계적으로 변화된다(즉, 상기 베인이 피봇된다).

도 9 내지 23 및 26에 도시된 본 출원의 다른 MEWT 실시예는, 임펠러 블레이드의 링을 가지는 터빈 로터보다는 프로펠러형 로터(예를 들면, 도 9에서 142)를 각각 사용한다는 것을 주목한다. 아마 그렇게 효과적이지는 않지만, 이들 실시예 는 공중에게 보다 수용가능하게 될 수 있다.

본 발명의 다른 MEWT 실시예는, 여하튼 이젝터 덮개의 말단 영역(즉, 단부)에 매입된 믹서를 가지는, 제로(예를 들면, 도 26 참조), 하나 및 2-스테이지 이젝터를 포함하는 변경예(200,300,400,500)이다. 상기 이젝터 덮개의 말단 영역에 매입된 믹서에 대해서는, 예를 들면 도 18, 20 및 22를 참조한다. 이러한 MEWT 실시예는 현존하는 풍력 터빈의 결과로서 발생하는 고유의 속도 결함을 보다 빠르게 제거하고, 따라서 구조적인 손상 및/또는 생산성의 손실을 피하기 위하여 풍력 기지에서 요구되는 이격 거리를 감소시킬 것이라는 분석을 나타내고 있다.

도 6은 이젝터 덮개의 말단 영역에서 믹서를 가지는 실시예(100)의 "2-스테이지" 이젝터 변경예(600)를 도시한다.

당업자는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 명백한 구조적인 변경이 이루어질 수 있다는 것을 이해해야만 한다. 예를 들면, 상기 믹서 로브 또는 이젝터 로브 대신에 슬롯이 사용될 수 있다. 또한, 베츠 한계를 만족시키거나 초과하기 위하여 어떠한 블록커 아암도 필요없다. 따라서, 상술된 설명보다는 다음의 청구범위에 대하여 주로 참조되어야만 한다.

Claims (12)

1. 입구를 가지는 공기역학적 외형의 터빈 덮개와, 임펠러 블레이드의 링을 가지는 하류의 임펠러를 구비하는 형태의 축류식 풍력 터빈으로서,

   a) 상기 임펠러의 상류에 있는 스테이터 베인의 링과;

   b) 믹서 로브의 링으로서, 상기 믹서 로브는 상기 임펠러 블레이드의 하류로 연장되는 상기 믹서 로브의 링 및;

   c) 상기 믹서 로브의 링을 둘러싸는 이젝터 덮개로서, 상기 믹서 로브는 상기 이젝터 덮개의 하류로 그리고 그 내로 연장되는 상기 이젝터 덮개를 포함하는 축류식 풍력 터빈.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 이젝터 덮개의 말단 단부에서 믹서 로브의 링을 포함하는 축류식 풍력 터빈.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 터빈은, 이 터빈을 흡입되는 바람 스트림내로 자유롭게 회동하도록 허용하기 위하여, 상기 터빈상의 압력 중심 위치의 전방에 위치되는 지지축상에 회전 커플링에 의하여 장착되는 축류식 풍력 터빈.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 터빈은 상기 터빈의 관통 흐름의 양을 방해하기 위하여 상기 터빈내에 적어도 하나의 가동 블록커를 포함하는 축류식 풍력 터빈.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 터빈의 외부면은, 마주 오는 흐름 방향에 상기 터빈의 정렬을 공기역학적으로 돕고 또한 상기 시스템의 진동으로 발생되는 흐름 난류를 댐핑하기 위하여, 자체 조정식 가동 윙-태브를 포함하는 축류식 풍력 터빈.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 스테이터 베인은 모든 작동 상태에서 상기 스테이터 출구 흐름을 상기 로터 블레이드에 보다 양호하게 정렬하기 위하여 기계적으로 회전되는 축류식 풍력 터빈.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 터빈 로터는 상기 임펠러 주위의 휠 형상 구조의 형태로 있는 동력 테이크오프에 연결되는 축류식 풍력 터빈.
8. 축류식 풍력 터빈으로서,

   a) 입구를 가진 공기역학적 외형의 터빈 덮개와;

   b) 상기 축류식 풍력 터빈의 터빈 덮개 내에 장착된 스테이터 베인의 링으로서, 상기 스테이터 베인은 도입 모서리와 말단 모서리를 가지는 상기 스테이터 베인의 링과;

   c) 상기 축류식 풍력 터빈의 터빈 덮개 내에 회전가능하게 장착된 임펠러 블레이드의 링으로서, 상기 임펠러 블레이드는 각 스테이터 베인의 말단 모서리에 인접한 도입 모서리를 가지는 상기 임펠러 블레이드의 링 및;

   d) 상기 축류식 풍력 터빈의 작동 효율의 베츠 한계에 대해 일관되게 초과하기 위한 수단을 포함하고,

   상기 수단은,

   (i) 상기 임펠러 블레이드의 하류로 연장되는 믹서 로브의 링 및;

   (ii) 상기 이젝터 덮개의 하류로 그리고 그 내로 연장되는 상기 믹서 로브의 링을 둘러싸는 이젝터 덮개를 포함하는 축류식 풍력 터빈.
9. 축류식 풍력 터빈으로서,

   a) 입구를 가진 공기 역학적 외형의 터빈 덮개와;

   b) 상기 덮개내에 장착된 터빈 스테이지로서,

   (i) 상기 입구의 하류에 있으며, 상기 터빈 덮개에 부착된 지지축상에 장착되는 스테이터 베인의 링;

   (ii) 상기 스테이터 베인의 하류에 있으며, 상기 지지축상에 장착되는 임펠러 블레이드의 링을 포함하는 상기 터빈 스테이지와;

   c) 상기 임펠러 블레이드의 하류로 연장되는 믹서 로브의 링 및;

   d) 상기 믹서 로브의 말단 모서리를 둘러싸고 있으며, 상기 믹서 로브로부터 하류로 연장되는 이젝터를 포함하는 축류식 풍력 터빈.
10. 입구를 가진 공기역학적 외형의 터빈 덮개 및, 임펠러 블레이드의 링을 가지는 하류에 있는 임펠러를 구비하는 형태의 축류식 풍력 터빈으로서,

    상기 임펠러의 상류에 있으며 스테이터 베인을 가지는 스테이터 링과;

    상기 덮개에 부착되며, 상기 임펠러 블레이드의 하류로 연장되는 믹서 로브이 링을 가지는 믹서 및;

    상기 믹서 로브의 링으로부터 하류로 연장되는 이젝터를 포함하는 축류식 풍력 터빈.
11. 입구를 가지는 덮개와, 프로펠러형 로터를 구비하는 형태의 축류식 풍력 터빈으로서,

    상기 임펠러 블레이드의 하류로 연장되는 믹서 로브의 링을 가지는 믹서를 포함하는 축류식 풍력 터빈.
12. 청구항 11에 있어서,

    상기 풍력 터빈은 상기 믹서로부터 하류로 연장되는 이젝터를 또한 포함하는 축류식 풍력 터빈.

Images