KR20100088137A - 비정상류를 이용한 유체기계, 풍력 터빈, 및 유체기계의 내부 유속 증가 방법 - Google Patents

비정상류를 이용한 유체기계, 풍력 터빈, 및 유체기계의 내부 유속 증가 방법 Download PDF

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Abstract

< 과제 >
본 발명은 소용돌이 열을 이용한 흐름을 안정된 흐름으로 할 수 있고, 유입되는 바람의 풍속을 증가시키고, 대형화가 가능하고, 고출력의 발전을 할 수 있는 풍력 터빈, 풍력 발전 장치, 수력기계, 비정상류를 이용한 유체기계, 및 내부 유속 증가 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
< 해결 수단 >
본 발명의 풍력 발전 장치(1)와 유체기계의 내부 유속 증가 방법은, 내외의 흐름에 의해 안정된 소용돌이 열을 후류측에 형성할 수 있는 비유선형을 이루는 풍동체(2)와, 풍동체(2) 내에 마련된 임펠러(3)를 구비하고, 풍동체(2)는 후류측에 소용돌이 열을 형성하기 위한 소용돌이 생성체(2c)를 구비함과 함께, 소용돌이 생성체(2c)에는 풍동체(2) 후단면에 있어서 소용돌이 형성이 둘레 방향으로 파동하는 위상을 정합시키고, 풍동체의 둘레 방향으로 형성되는 셀 구조를 명확화하여 각 셀의 위치를 풍동체(2)의 표면에서 둘레 방향으로 복수로 배치된 구획 영역에 각각 고정화하는 위상제어체(4)가 마련되고, 위상제어체에 의해 내부 유속을 증가시키는 것을 특징으로 한다.

Description

비정상류를 이용한 유체기계, 풍력 터빈, 및 유체기계의 내부 유속 증가 방법{FLUID MACHINE UTILIZING UNSTEADY FLOW, WIND TURBINE, AND METHOD FOR INCREASING VELOCITY OF INTERNAL FLOW OF FLUID MACHINE}
본 발명은 내외부 흐름 속에서 운전하는 비정상류를 이용한 유체기계와, 대기중의 바람에 의한 내부 유속을 증가시켜 고출력의 발전을 하는 풍력 터빈, 및 유체기계의 내부 유속 증가 방법에 관한 것이다.
최근, 지구 온난화를 비롯한 지구 전체적인 환경 문제, 또는 무진장인 것으로 착각해 온 석유 등의 에너지 자원이 고갈하기 시작하는 에너지 문제가 세계적인 공통 인식으로 되어가고 있다.
이러한 상황하에서, CO2를 배출하지 않는 풍력 발전이 환경 문제와 에너지 문제 모두를 해결하는 에너지 생산수단으로서 각광받고 있다. 그러나, 풍력 발전 장치는 대형 풍력 터빈을 구비하고 고 효율적인 것이라고 해도, 풍력 터빈의 내부를 흐르는 바람의 운동 에너지의 40% 정도를 전력으로 변환할 수 있을 뿐이다. 이 변환량이 향상되면 풍력 발전은 환경 문제와 에너지 문제에 있어서 더욱 중요한 위치를 차지하게 된다.
그러나, 풍력 발전의 출력은 풍속의 3제곱에 비례한다. 이 때문에, 풍력 터빈을 설치함에 있어서는, 바람이 강한 지역을 입지 점으로 선택하고, 최대한 바람을 모으고 증속시켜, 발전량을 증대시키는 것에 고심해 왔다. 따라서, 풍력 발전 장치의 입구측의 풍력 집중화 기구, 임펠러, 나아가 디퓨저 등의 개량에 주목하여, 최대한 에너지 변환 효율을 향상시키기 위한 대책이 강구되어 왔다. 이들 모두 종래의 터보 기계의 연장선상에서 고안되고, 대첵된 것이다. 당연히 한계가 있었다.
여기서, 본 발명자와 기타 연구자들은 이러한 풍력 발전 장치에 대한 상식에 도전하였다(특허문헌 1 참조). 즉, 고출력 발전의 목적을 달성할 수 있다면, 종래와 같이 유선형 형상, 정상류적 발상에 얽매일 필요는 없다는 관점에 도달하였다. 종래의 유체기계는 해석이 용이한 유선형 형상, 정상류를 기초로 하고 있고, 비유선형 형상(블러프 보디(Bluff-body)), 비정상류를 사용한 터보 기계는 존재하지 않는다고 해도 과언이 아니다. 그러나, 비유선형 형상, 비정상류도, 안정된 흐름을 실현할 수 있고, 내부 흐름의 유속을 종래의 흐름보다 증가시켜, 흐름의 개선을 꾀할 수 있는 것이라면, 본래의 목적에 적합하다. 또, 여기서 유선형 형상, 비유선형 형상을 정의한다. 유선형 형상은 유체기계에서 사용되는 범위의 레이놀즈 수(Re)로서 물체 표면으로부터 흐름이 거의 박리되지 않고 흐르는 형상이며, 비유선형 형상은 이러한 형상 이외의 형상 박리가 발생하는 형상이다.
여기서, 이를 실현하고자, 본 발명자들은 특허문헌 1의 풍력 발전 장치를 제안하였다. 이 풍력 발전 장치는 통 모양의 풍동체(wind tunnel)와, 풍동체의 바람 유입구 근방에 배치한 발전용 풍력 터빈을 마련한 것으로, 풍동체의 유출구의 개구 둘레의 외측에, 풍동체의 외측을 흐르는 바람이 충돌하여 배후에서 강한 소용돌이를 형성시키는 바람의 흐름 방향에 대해 수직인 플랫 패널 모양의 플랜지 형태 패널을 배치하고, 풍동체의 축에 대한 측면 몸체부의 경사각을 5~25° 범위로 하는 구성을 채용하였다. 플랜지 형태 패널은 풍동체의 최소 안지름의 10~100%의 폭을 갖는다.
이러한 플랜지 형태 패널(이른바, 링)을 마련하여 흐름에 거슬러 소용돌이를 형성시키는 등, 종래의 유체기계의 상식에는 없는 것이다. 그리고, 이 플랜지 형태 패널의 배후에 형성되는 소용돌란, 동심원의 링 후류측에 있어서 내외 둘레에서 교대로 발생하는, 이런바 카르만 소용돌이라고 할 수 있는 소용돌이 형성이며, 소정의 타이밍으로 교대로(비정상적으로) 생성되고, 이 소용돌이가 풍동체의 유출구 부근을 저압화시켜, 압력 차이로 내부 흐름의 유속을 향상시킨다.
이 풍력 발전 장치의 구성은, 풍력 발전 장치 또는 유체기계에 새로운 장르("비유선형 형상을 갖는 유체기계"로 불리는 유형)를 창조하였다고 할 수 있는 것으로, 유출측에서 생성되는 소용돌이에 의해 유체기계 근처의 흐름 전체를 제어하여, 장치 내부에 더욱 강한 바람을 끌어들여, 유체를 내벽면으로부터 박리시키지 않고, 이 내벽면을 따라 유출구까지 원활하게 흐르게 하여 효율적으로 가속화시키는 것이다. 그리고, 이 증속된 흐름에 의해 종래보다 고출력의 발전을 할 수 있다.
특허문헌 1: 일본특허 제3621975호 공보
그러나, 특허문헌 1의 풍력 발전 장치는, 풍동체의 유출구 외측에, 풍동체의 외측을 흐르는 바람이 충돌하여 배후에서 강한 소용돌이를 형성시키는 수직 플랫 패널 모양의 플랜지 형태 패널을 마련하는, 이른바 초기적 발상을 제안한 것이다. 비유선형 형상을 갖는 유체기계, 즉 비유선형 형상의 유체기계, 흐름의 컨트롤의 관점에서 볼 때, 이 기술은 아직 원석 상태라고 할 수 있다. 이른바 특허문헌 1의 기술은 자연의 흐름에 맡기고 있는 면이 있다.
향후 장래성이 있는 유체기계로서 더욱 발전시켜 나가기 위해서는, 더욱 비유선형 형상 주변의 흐름의 성질을 추구하고, 흐름의 특성을 해명하여 실용성을 향상시켜나갈 필요가 있다. 이를 위한 첫걸음으로서, 비유선형 형상 주변의 소용돌이 열(列)의 흐름(비정상류)을 충분히 안정화시키는 것이 필요하다. 그리고, 이 기술의 개발이 어려운 것은, 소용돌이가 유체역학에 있어서 비선형성(非線形性)이 가장 현저하게 나타나는 현상(예측이 어려움)임으로부터도 쉽게 엿볼 수 있다.
따라서, 언뜻 보아, 특허문헌 1의 풍력 발전 장치가 종래의 터보 기계와 유사한 외관을 구비하고 있어도, 이들 종래의 터보 기계와 본질적으로 확연히 다른 것이다. 그리고, 이 새로운 비유선형 형상을 갖는 풍력 발전 장치, 즉 풍력 터빈, 나아가 유체기계를 향후 발전시켜 나가기 위해서는, 이 흐름, 소용돌이의 안정화 제어 기술이 불가결하다.
그러나, 이 기술은 종래로부터 알려져 있는 경계층 제어 기술이나 정류판과는 비슷해보이나 다른 것이다. 경계층 기술이나 정류판은 경계층이 물체 표면으로부터 박리하는 것을 미리 방지하기 위한 것이지만, 이 풍력 발전 장치, 풍력 터빈, 나아가 유체기계에서 진행할 필요가 있는 것은, 박리를 방지하는 것이 아니라, 흐름은 충분히 박리시키고, 소용돌이 생성에 동반하는 흐름 전체를 질서화하고, 안정화하는 제어이다. 소용돌이를 방지하는 것이 아니라, 반대로 발생시켜 발생 후의 흐름을 컨트롤하는 기술이다.
따라서, 이 기술은 종래와 같은 유선형 풍동체(물체)가 아니라, 비선 형상의 물체 또는 소용돌이 형성체와 결합시켰을 때에 기능 하는 기술이다. 확실히, 전체적으로 받는 유체저항은 비선 형상의 물체가 크고, 통상은 이 단점이 크지만, 다른데 이용하는, 이른바 출력을 증가시는 바와 같은 별도의 목적, 예를 들면 풍력 발전 장치와 같이 풍력 에너지를 전력으로 변환하는 바와 같은 별도의 목적이 있는 경우, 그 본래의 목적을 달하기 위해서, 유체기계는 목적에 따라 구분하여 사용되어야 한다.
여기서, 비유선형물체의 표면 흐름은 레이놀즈 수(Re)가 높아지면, 통상, 후류측에서 박리한다. 그러나, 이 박리는 흐름과 직교하는 둘레 방향의 소정 라인에서 가지런히 깨끗하게 발생하는 것이 아니라, 소용돌이 형성의 스케일에 따라 강약의 파동(fluctuation)을 갖고, 강한 파동 위치의 박리에 의해 강한 소용돌이를 생성한다. 이러한 소용돌이를 수반하는 흐름 전체를 안정화시키지 않으면 비유선형물체 주변의 흐름은 이용할 수 없다. 이 때문에 파동을 제어하고, 소용돌이 열의 흐름을 안정화시키는 기술이 필요하다.
또한, 현재, 풍력 발전 장치는 대형화가 촉구되고 있다. 특허문헌 1의 풍력 발전 장치는 대형화하면 풍동체(디퓨저)가 길어지고(경사각이 5~25°), 중량이 늘어난다. 임펠러 지름이 수m 이하의 마이크로 풍력 터빈, 미니 풍력 터빈의 경우에는 이것도 허용 가능한 중량이지만, 향후 개발 예정되는 발전 능력이 MW급의 대형 풍력 발전 장치에 있어서는, 10m~수십m의 임펠러 지름이 예정되고, 앞서 제안한 디퓨저로는 허용할 수 없는 중량이 된다. MW급의 대형화에 앞서 풍동체를 콤팩트하게 하는 것이 필수적이다.
따라서, 본 발명은 소용돌이 열을 이용한 흐름을 안정된 흐름으로 할 수 있고, 유입되는 유체의 유속을 증가시키고, 유로 길이가 짧고, 에너지 변환율이 높은 비정상류를 이용한 유체기계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 소용돌이 열을 이용한 흐름을 안정된 흐름으로 할 수 있고, 유입되는 바람의 풍속을 증가시키고, 유로 길이가 짧고, 대형화가 가능하고, 고출력의 발전을 할 수 있는 풍력 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
나아가, 본 발명은 소용돌이 열을 이용한 흐름을 안정된 흐름으로 할 수 있고, 유체기계의 외부 흐름에 의해 내부 흐름의 유속을 증가시키는 유체기계의 내부 유속 증가 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 비정상류를 이용한 유체기계는, 내외의 흐름에 의해 안정된 소용돌이 열을 후류측에 형성할 수 있는 비유선형을 이루는 케이싱과, 케이싱 내에 마련된 임펠러를 구비한 비정상류를 이용한 유체기계이고, 케이싱은 후류측에 소용돌이 열을 형성하기 위한 소용돌이 생성체를 구비함과 함께, 당해 소용돌이 생성체에는 케이싱 후단면에 있어서 소용돌이 형성이 상기 후단면 내에서 둘레 방향으로 파동하는 위상을 정합시키고, 케이싱의 둘레 방향으로 형성되는 셀 구조를 명확화하여 각 셀의 위치를 케이싱의 표면에서 후단면 내에 복수로 배치된 구획 영역에 각각 고정화하는 위상제어체가 마련되고, 위상제어체에 의해 내부 유속을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 풍력 터빈은, 내외의 대기의 흐름에 의해 안정된 소용돌이 열을 후류측에 형성할 수 있는 비유선형을 이루는 풍동체와, 풍동체 내에 마련된 임펠러를 구비한 풍력 터빈이고, 풍동체는 후류측에 소용돌이 열을 형성하기 위한 소용돌이 생성체를 구비함과 함께, 당해 소용돌이 생성체에는 풍동체 후단면에 있어서 소용돌이 형성이 상기 후단면 내에서 둘레 방향으로 파동하는 위상을 정합시키고, 풍동체의 둘레 방향으로 형성되는 셀 구조를 명확화하여 각 셀의 위치를 풍동체의 표면에서 둘레 방향으로 복수로 배치된 구획 영역에 각각 고정화하는 위상제어체가 마련되고, 위상제어체에 의해 내부 유속을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 유체기계의 내부 유속 증가 방법은, 비유선형을 이루는 케이싱의 내외에 유체를 흐르게 하였을 때, 당해 내외의 흐름에 의해 안정된 소용돌이 열을 후류측에 형성하고, 소용돌이 열의 형성에 의한 후류측의 저압화에 의해 케이싱을 통과하는 내부 유속을 증가시키는 유체기계의 내부 유속 증가 방법이고, 비유선형을 이루는 케이싱 후단면에 있어서 소용돌이 형성이 상기 후단면 내에서 둘레 방향으로 파동하는 위상을 정합시키고, 케이싱의 둘레 방향으로 형성되는 셀 구조를 명확화하여 각 셀의 위치를 케이싱의 표면에서 후단면 내에 복수로 배치된 구획 영역에 각각 고정화하고, 흐름을 안정화하여, 이 안정화에 의해 내부 유속을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 비정상류를 이용한 유체기계에 의하면, 소용돌이 열을 이용한 흐름을 안정된 흐름으로 할 수 있고, 유입되는 유체의 유속을 증가시키고, 디퓨저의 길이가 짧고, 대형화가 가능하게 되고, 에너지 변환율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 풍력 발전 장치에 의하면, 소용돌이 열을 이용한 흐름을 안정된 흐름으로 할 수 있고, 유입되는 바람의 풍속을 증가시키고, 유로 길이가 짧고, 대형화가 가능하고, 고출력의 발전을 하는 것이 가능하게 된다.
그리고, 본 발명의 유체기계의 내부 유속 증가 방법에 의하면, 소용돌이 열을 이용한 흐름을 안정된 흐름으로 할 수 있고, 유체기계의 외부 흐름에 의해 내부 흐름의 유속을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서, 위상제어판과 플랜지가 장착된 풍동체를 구비한 풍력 발전 장치의 사시도.
도 2는 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서, 플랜지가 장착된 풍동체를 구비한 비정상류를 이용한 유체기계의 내외부 흐름 설명도.
도 3은 도 1의 풍력 발전 장치의 종단면도.
도 4는 다양한 형상의 풍동체의 단면 형상을 나타낸 설명도.
도 5는 임펠러만인 경우 및 이 임펠러를 도 4의 (b)~(e)의 풍동체에 장착한 경우의 각 형상 별 출력계수 Cw와 주속비(Tip Speed Ratio) λ의 관계를 나타내는 출력 성능 곡선의 설명도.
도 6은 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서, 풍력 발전 장치의 후류측에서 풍속의 속도 벡터의 3 성분(U, v, w) 중 바람의 주류(主流) 속도성분 U를 제외하고 도시되는 흐름장의 셀 형성(순환) 모습을 나타낸 설명도.
도 7은 위상제어판의 장수(수량)와 최대 출력계수 Cwmax의 관계를 나타내는 설명도.
도 8은 위상제어판을 장착한 경우, 장착하지 않은 경우에 비해 풍동체의 내벽 근방에서 풍속이 증가하는 현상을 정량적으로 나타낸 그래프.
도 9는 위상제어판을 5% 높이의 플랜지가 장착된 소용돌이 생성체에 장착한 것과 장착하지 않은 것의 출력 성능을 비교한 설명도.
도 10은 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서, 위상제어판의 사이즈의 영향을 나타내는 설명도.
도 11(a)는 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서, 위상제어판이 마련되어 있지 않은 경우의 소용돌이 생성체의 후류측을 촬영한 유맥선의 상태를 나타내는 사진, 도 11(b)는 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서, 위상제어판을 마련한 경우의 소용돌이 생성체의 후류측을 촬영한 유맥선의 상태를 나타내는 사진.
도 12(a)는 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서, 위상제어판이 마련되어 있지 않은 경우의 소용돌이 생성체의 측면에서 촬영한 유맥선의 상태를 나타내는 사진, 도 12(b)는 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서, 위상제어판을 마련한 경우의 소용돌이 생성체의 측면에서 촬영한 유맥선의 상태를 나타내는 사진.
도 13(a)는 수치계산에 의한 플랜지 높이가 5%인 소용돌이 생성체의 유입측의 벽면에 있어서의 일 순간의 정압(static pressure)분포, 도 13(b)는 수치계산에 의한 이 소용돌이 생성체의 후류측 벽면의 동일 순간의 정압분포.
도 14는 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서, 풍력 터빈이 발전을 하는 풍력 발전 장치의 내부 블록의 구성도.
도 15는 본 발명의 제 2 실시형태에 있어서, 회전면과 플랜지로 구성된 플랜지가 장착된 케이싱을 구비하는 조류 발전 장치의 외관도.
본 발명의 제 1 형태는, 내외의 흐름에 의해 안정된 소용돌이 열을 후류측에 형성할 수 있는 비유선형을 이루는 케이싱과, 케이싱 내에 마련된 임펠러를 구비한 비정상류를 이용한 유체기계이고, 케이싱은 후류측에 소용돌이 열을 형성하기 위한 소용돌이 생성체를 구비함과 함께, 당해 소용돌이 생성체에는 케이싱 후단면에 있어서 소용돌이 형성이 상기 후단면 내에서 둘레 방향으로 파동하는 위상을 정합시키고, 케이싱의 둘레 방향으로 형성되는 셀 구조를 명확화하여 각 셀의 위치를 케이싱의 표면에서 후단면 내에 복수로 배치된 구획 영역에 각각 고정화하는 위상제어체가 마련되고, 위상제어체에 의해 내부 유속을 증가시키는 것을 특징으로 하는 비정상류를 이용한 유체기계이다. 이 구성에 의해, 소용돌이 열을 이용한 흐름을 안정된 흐름으로 할 수 있고, 유입되는 유체의 유속을 증가시키고, 디퓨저의 길이가 짧고, 대형화가 가능하게 되고, 에너지 변환율을 높일 수 있다.
본 발명의 제 2 형태는, 제 1 형태에 종속되는 형태이고, 위상제어체가, 케이싱 후단면에 있어서 소용돌이 형성이 상기 후단면 내에서 둘레 방향으로 파동하는 위상을 정합시키고, 케이싱의 둘레 방향으로 형성되는 셀 구조를 명확화하여 각 셀의 위치를 케이싱의 표면에서 후단면 내에 복수로 배치된 구획 영역에 각각 고정화함과 함께, 셀이 고정화된 구획 영역 사이에서의 소용돌이 형성 우월 구획 영역의 이동을 구획 영역 단위로 진행하여, 내부 유속을 증가시키는 것을 특징으로 하는 비정상류를 이용한 유체기계이다. 이 구성에 의해, 소용돌이 열을 이용한 흐름을 안정된 흐름으로 할 수 있고, 유입되는 유체의 유속을 증가시키고, 디퓨저의 길이가 짧고, 대형화가 가능하게 되고, 에너지 변환율을 높일 수 있다.
본 발명의 제 3 형태는, 제 1 또는 제 2 형태에 종속되는 형태이고, 위상제어체가, 흐름에 따라 케이싱에 자연적으로 형성되는 셀 구조의 셀 수와 동일 수 또는 당해 동일 수의 (1/정수) 배가 되는 장수만큼 마련된 위상제어판인 것을 특징으로 하는 비정상류를 이용한 유체기계이다. 이 구성에 의해, 소용돌이 열을 이용한 흐름을 가장 안정된 흐름, 또는 이에 준하는 흐름으로 할 수 있고, 유입되는 유체의 유속을 증가시키고, 디퓨저의 길이가 짧고, 대형화가 가능하게 되고, 에너지 변환율을 높일 수 있다. 여기서, 동일 수의 (1/정수) 배가 되는 장수는 당연히 이산적인 정수의 장수이다.
본 발명의 제 4 형태는, 제 1 또는 제 2 형태에 종속되는 형태이고, 구획 영역이, 흐름에 따라 케이싱에 자연적으로 형성되는 셀 구조의 셀 수와 동일 개수 또는 당해 동일 개수의 (1/정수) 배가 되는 개수만큼 위상제어체에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 비정상류를 이용한 유체기계이다. 이 구성에 의해, 소용돌이 열을 이용한 흐름을 가장 안정된 흐름, 또는 이에 준하는 흐름으로 할 수 있고, 유입되는 유체의 유속을 증가시키고, 디퓨저의 길이가 짧고, 대형화가 가능하게 되고, 에너지 변환율을 높일 수 있다. 여기서, 동일 개수의 (1/정수) 배가 되는 개수는 당연히 이산적인 정수의 개수이다.
본 발명의 제 5 형태는, 제 1 또는 제 2 형태에 종속되는 형태이고, 임펠러에는, 당해 임펠러의 회전력을 전력으로 변환하는 발전 장치가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 비정상류를 이용한 유체기계이다. 이 구성에 의해, 유입되는 유체의 유속을 증가시키고, 출력을 전기 에너지로 변환할 수 있고, 전기 에너지 변환율을 높일 수 있다.
본 발명의 제 6 형태는, 내외의 대기의 흐름에 의해 안정된 소용돌이 열을 후류측에 형성할 수 있는 비유선형을 이루는 풍동체와, 풍동체 내에 마련된 임펠러를 구비한 풍력 터빈이고, 풍동체는 후류측에 소용돌이 열을 형성하기 위한 소용돌이 생성체를 구비함과 함께, 당해 소용돌이 생성체에는 풍동체 후단면에 있어서 소용돌이 형성이 상기 후단면 내에서 둘레 방향으로 파동하는 위상을 정합시키고, 풍동체의 둘레 방향으로 형성되는 셀 구조를 명확화하여 각 셀의 위치를 풍동체의 표면에서 둘레 방향으로 복수로 배치된 구획 영역에 각각 고정화하는 위상제어체가 마련되고, 위상제어체에 의해 내부 유속을 증가시키는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈이다. 이 구성에 의해, 소용돌이 열을 이용한 흐름을 안정된 흐름으로 할 수 있고, 유입되는 바람의 풍속을 증가시키고, 대형화가 가능하고, 고출력의 발전을 하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 제 7 형태는, 제 6 형태에 종속되는 형태이고, 위상제어체가, 풍동체 후단면에 있어서 소용돌이 형성이 상기 후단면 내에서 둘레 방향으로 파동하는 위상을 정합시키고, 풍동체의 둘레 방향으로 형성되는 셀 구조를 명확화하여 각 셀의 위치를 풍동체의 표면에서 둘레 방향으로 복수로 배치된 구획 영역에 각각 고정화함과 함께, 셀이 고정화된 구획 영역 사이에서의 소용돌이 형성 우월 구획 영역의 이동을 구획 영역 단위로 진행하여, 내부 유속을 증가시키는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈이다. 이 구성에 의해, 소용돌이 열을 이용한 흐름을 안정된 흐름으로 할 수 있고, 유입되는 바람의 풍속을 증가시키고, 유로 길이가 짧고, 대형화가 가능하고, 고출력의 발전을 하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 제 8 형태는, 제 6 또는 제 7 형태에 종속되는 형태이고, 위상제어체가, 흐름에 따라 풍동체에 자연적으로 형성되는 셀 구조의 셀 수와 동일 수 또는 당해 동일 수의 (1/정수) 배가 되는 장수만큼 마련된 위상제어판인 것을 특징으로 하는 풍력 터빈이다. 이 구성에 의해, 소용돌이 열을 이용한 흐름을 가장 안정된 흐름, 또는 이에 준하는 흐름으로 할 수 있고, 유입되는 유체의 유속을 증가시키고, 대형화가 가능하고, 고출력의 발전을 하는 것이 가능하게 된다. 여기서, 동일 수의 (1/정수) 배가 되는 장수는 당연히 이산적인 정수의 장수이다.
본 발명의 제 9 형태는, 제 6 또는 제7형태에 종속되는 형태이고, 소용돌이 열을 형성하기 위한 소용돌이 생성체가 풍동체의 후류측 단부에 마련된 링 형상의 플랜지인 것을 특징으로 하는 풍력 터빈이다. 이 구성에 의해, 링 형상의 플랜지를 형성하는 것만으로 소용돌이 열을 이용한 흐름을 안정된 흐름으로 할 수 있다.
본 발명의 제 10 형태는, 제 6 또는 제 7 형태에 종속되는 형태이고, 임펠러에는, 당해 임펠러의 회전력을 전력으로 변환하는 발전 장치가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈이다. 이 구성에 의해, 실험 등을 하지않고 간단히 소용돌이 열을 이용한 흐름을 가장 안정된 흐름으로 할 수 있고, 유입되는 유체의 유속을 증가시키고, 대형화가 가능하고, 고출력의 발전을 하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 제 11 형태는, 비유선형을 이루는 케이싱의 내외에 유체를 흐르게 하였을 때, 당해 내외의 흐름에 의해 안정된 소용돌이 열을 후류측에 형성하고, 소용돌이 열의 형성에 의한 후류측의 저압화에 의해 케이싱을 통과하는 내부 유속을 증가시키는 유체기계의 내부 유속 증가 방법이고, 비유선형을 이루는 케이싱 후단면에 있어서 소용돌이 형성이 상기 후단면 내에서 둘레 방향으로 파동하는 위상을 정합시키고, 케이싱의 둘레 방향으로 형성되는 셀 구조를 명확화하여 각 셀의 위치를 케이싱의 표면에서 후단면 내에 복수로 배치된 구획 영역에 각각 고정화하고, 흐름을 안정화하여, 이 안정화에 의해 내부 유속을 증가시키는 것을 특징으로 하는 유체기계의 내부 유속 증가 방법이다. 이 구성에 의해, 소용돌이 열을 이용한 흐름을 안정된 흐름으로 할 수 있고, 유체기계의 외부 흐름에 의해 내부 흐름의 유속을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 제 12 형태는, 제 11 형태에 종속되는 형태이고, 소용돌이를 형성하는 셀에 대응한 소용돌이 형성 우월 구획 영역의 이동을 구획 영역 단위로 진행하여 안정화하고, 이 안정화에 의해 내부 유속을 증가시키는 것을 특징으로 하는 유체기계의 내부 유속 증가 방법이다. 이 구성에 의해, 소용돌이 열을 이용한 흐름을 안정된 흐름으로 할 수 있고, 유체기계의 외부 흐름에 의해 내부 흐름의 유속을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 제 13 형태는, 제 11 또는 제 12 형태에 종속되는 형태이고, 모든 구획 영역을 소용돌이 형성 우월 구획 영역으로 하기 위한 균등한 구획 영역으로 하는 것을 특징으로 하는 유체기계의 내부 유속 증가 방법이다. 이 구성에 의해, 소용돌이 열을 이용한 흐름을 가장 안정된 흐름으로 할 수 있고, 유체기계의 외부 흐름에 의해 내부 흐름의 유속을 증가시킬 수 있다.
에너지 변환율을 높일 수 있다.
(제 1 실시형태)
이하, 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서, 비정상류를 이용한 유체기계, 특히 풍력 터빈, 그중에서도 발전을 할 수 있는 풍력 발전 장치에 대해, 또한, 유체기계의 내부 유속 증가 방법에 대해 설명을 한다. 즉, 임펠러의 주위를 둘러싸는 케이싱에 소용돌이 생성체를 마련한 유체기계, 대기중의 흐름에 있어서는 풍동체에 링 형상의 플랜지로 된 소용돌이 생성체를 마련한 풍력 터빈, 그중에서도 그 일례인 풍력 발전 장치에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서, 위상제어판과 플랜지가 장착된 풍동체를 구비한 풍력 발전 장치의 사시도이다. 도 2는 플랜지가 장착된 풍동체를 구비한 비정상류를 이용한 유체기계의 내외부 흐름을 나타내고, 도 3은 도 1의 풍력 발전 장치의 종단면도이다. 도 4는 다양한 형상의 풍동체의 단면 형상을 나타내는 도면이고, 도 5는 임펠러만인 경우 및 이 임펠러를 도 4의 (b)~(e)의 풍동체에 장착한 경우의 각 형상 별 출력계수 Cw와 주속비 λ의 관계를 나타내는 출력 성능 곡선의 설명도이다. 도 5의 (a')에 *표시로 나타내는 성능 곡선은 임펠러만인 경우의 출력 성능 곡선이다. 또, 출력계수 Cw와 주속비 λ에 대해서는 후술한다. 도 6은 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서, 풍력 발전 장치의 후류측에서 풍속의 속도 벡터의 3 성분(U, v, w) 중 바람의 주류 속도성분 U를 제외하고 도시되는 흐름장의 셀 형성(순환) 모습을 나타낸 설명도이다.
도 7은 위상제어판의 장수와 최대 출력계수 Cwmax의 관계를 나타내는 설명도이고, 하측의 도면 (a), (b), (c), (d)는 위상제어판과 셀의 상태를 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 8은 위상제어판을 장착한 경우, 장착하지 않은 경우에 비해 풍동체의 내벽 근방에서 풍속이 증가하는 현상을 정량적으로 나타낸 그래프이다. 도 9는 위상제어판을 5% 높이의 플랜지가 장착된 소용돌이 생성체에 장착한 것과 장착하지 않은 것의 출력 성능을 비교한 설명도이고, 도 10은 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서, 위상제어판의 사이즈의 영향을 나타내는 설명도이고, 도 11(a)는 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서, 위상제어판이 마련되어 있지 않은 경우의 소용돌이 생성체의 후류측을 촬영한 유맥선의 상태를 나타내는 사진이고, 도 11(b)는 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서, 위상제어판을 마련한 경우의 소용돌이 생성체의 후류측을 촬영한 유맥선의 상태를 나타내는 사진이다.
또한, 도 12(a)는 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서, 위상제어판이 마련되어 있지 않은 경우의 소용돌이 생성체의 측면에서 촬영한 유맥선의 상태를 나타내는 사진이고, 도 12(b)는 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서, 위상제어판을 마련한 경우의 소용돌이 생성체의 측면에서 촬영한 유맥선의 상태를 나타내는 사진이다. 그리고, 도 13(a)는 수치계산에 의한 플랜지 높이가 5%인 소용돌이 생성체(2c)의 유입측(앞면)의 벽면에 있어서의 일 순간의 정압분포이고, 도 13(b)는 이 소용돌이 생성체(2c)의 후류측(배면)의 벽면의 동일 순간의 정압분포이다. 또, 도 14는 풍력 터빈이 발전을 하는 풍력 발전 장치의 내부 블록의 구성도이다.
도 1, 도 2, 도 14에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서, 풍력 터빈은 풍력 발전 장치(1)이고, 발전기(11)(도 14 참조)가 연결되어 있다. 풍력 터빈의 임펠러(3)가 회전하는 것에 의해 발전기(11)를 구동하여 운동 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 풍력 발전 장치(1)는 바람에 의해 회전되는 임펠러(3)와, 통 모양이고 전체적으로 비유선형 형상을 갖는 디퓨저 타입의 풍동체(2), 즉 임펠러(3)의 주위를 둘러싸고 내외 흐름을 분리하는 케이싱을 구비한다. 흐름의 주류와 직교하는 단면 내에서는 임펠러(3)의 선단 회전면과 풍동체(2)는 간극을 두고 배치되고, 길이 방향으로 연장되는 통 모양의 형상으로 된다. 이 풍동체(2)가 디퓨저 타입으로 된 이유는 임펠러(3) 선단부분의 유속이 슬롯부(2a)(최소 단면 면적부분)에서 최대가 되고(도 8의 삽입 도면 참조), 노즐 타입보다 콤팩트한 구성이 되기 때문이다. 슬롯부(2a) 전방의 유입측에는 풍력 집중화 기구가 되는 유입구(2b)가 마련되고, 유입단(둘레)로부터 슬롯부(2a)로 갈수록 유로 단면이 좁혀지고, 가속된다.
종래의 풍력 발전 장치(1)에 있어서는, 도 4의 (a)에 나타내는 바와 같이, 이 슬롯부(2a)가 상대적으로 유입단(둘레)에 상당히 접근한 간극으로 배치되고, 여기에 임펠러(3)가 배치되어, 후류측의 디퓨저부분이 강조된 형상을 하고 있었다. 디퓨저는 길이 방향에 상당히 긴 형상으로 된다. 이는 예를 들면 도 4의 각종 풍동체(2)의 타입 중, 도 4의 (a)가 나타내는 것이다.
이 제 1 실시형태에 있어서도 슬롯부(2a)의 후류측은 유로 단면이 확대되고, 그 단부 주위에 링 형상의 소용돌이 생성체(2c)가 마련되어 있다. 이 소용돌이 생성체(2c)는 풍동체(2)의 일부로서 풍동체에 포함된다. 각종 풍동체(2)의 타입을 도 4의 (a)~(e)에 나타낸다. 풍동체(2)를 특정하는 파라미터는 도 8의 삽입 도면에 나타내는 바와 같다. 풍동체(2)의 길이 Lt, 슬롯부(2a)에서 후단면까지의 디퓨저부분의 길이 L, 슬롯부(2a)의 안지름 d, 소용돌이 생성체(2c)의 높이 h이고, 풍력 발전 장치(1) 주변의 풍속 U이다.
풍동체(2)의 후단부분으로서, 이 플랜지(여기서는 링 형상의 패널)로 된 소용돌이 생성체(2c)를 장착하는 것이, 풍동체(2)를 전체적으로 비유선형 형상으로 한다. 즉, 이에 의해 풍력 발전 장치(1)를 블러프 보디화 한다. 이 소용돌이 생성체(2c)는 종래의 터보 기계에 없는 개념이다. 그리고, 이러한 블러프 보디는 개체마다 상이한 각각의 형상을 갖고 다양한 흐름을 형성한다. 이 흐름을, 본 발명은 소용돌이 생성체(2c)란 부재로 공통으로 다룰 수 있도록 시도하는 것이다. 즉, 소용돌이 생성체(2c)를 마련하는 것에 의해 종래와 같이 유체기계 주변의 흐름을 원활하게 흐르게 하여 선형성을 유지하는 것이 아니라, 후류측에, 이른바 카르만 소용돌이라고 할 수 있는 강한 소용돌이를 형성하여, 이 소용돌이 형성을 수반하는 흐름의 안정화를 도모하고, 이 안정성의 유지를 일반화하고자 하는 시도이다.
여기서, 이 카르만 소용돌이는 풍동체(2)의 후류측에 비정상적(교대)으로 생성된다. 즉, 풍동체(2)의 슬롯부(2a)의 안지름에 대해 소용돌이 생성체(2c)의 지름 방향의 높이가 충분히 작을 때는(h/d≪1), 어느 한 타이밍에서, 예를 들면 도 6의 P1~P12로 나타낸 12개의 소용돌이 형성 파동 스케일의 구획 영역(이는 풍동체(2)의 표면을 차지하는 일정 영역이며, 이하 "존(zone)"이라고 한다)에 셀(S, S')이 형성됨과 함께, 이 중에서 만약 P1 위치의 소용돌이 형성이 강해졌다고 하면, P1의 셀(S)과 셀(S')의 단면 위치에 강한 카르만 소용돌이 열이 형성된다. 또, 존은 풍동체(2)의 표면상의 부위를 나타내는 구성이지만, 셀은 흐름 속에 형성되는 흐름의 구조이다. 풍동체(2)의 후단면 내에서 흐름은 복수로 섹션화 되고, 그 후류측에서 소용돌이 열 형성이 이루어진다. 이 소용돌이 형성이 강(强)으로 되는 Pn(n=1, 2, 3…, 12)의 셀(S, S')에 대응하는 존이 소용돌이 형성 우월존(본 발명의 제 1 실시형태에 있어서, 소용돌이 형성 우월 구획 영역, 이하 "소용돌이 형성 우월존"이라고 한다)이다. Pn의 어느 하나가 독립적으로 강해졌다, 약해졌다 한다. 이 소용돌이 형성 우월존(Pn)이 12개의 셀 사이에서 교대되어, 후류의 3차원적 소용돌이 열을 형성한다. 이 소용돌이 열의 형성에 의해, 풍동체(2)의 유출구 부근은 저압으로 안정되고, 압력 차이에 의해 내부 흐름의 유속을 향상시킨다. 이 증속에 의해 임펠러(3)는 고속회전하여, 풍력 터빈으로서 높은 토크의 구동력을 출력할 수 있고, 풍력 발전 장치(1)로서는 고출력의 발전을 할 수 있다. 통상의 풍력 발전 장치(1)의 풍력 터빈에서는, 풍동체(2)의 슬롯부(2a)의 안지름에 대해 소용돌이 생성체(2c)의 지름 방향의 높이가 충분히 작은 조건(h/d≪1)이 충족되는 경우가 많고, 이러한 소용돌이 형성이 발생한다.
이에 비해, 풍동체(2)의 슬롯부(2a)의 안지름에 대해 소용돌이 생성체(2c)의 지름 방향의 높이가 오더적으로 변함없을 때는(h와 d가 동일 오더일 때, h/d~1), Pn(n=1, 2, 3…, 12)의 각 존 중 풍동체(2)로서의 일단면을 구성하는 존의 관련성이 강해지고(독립성이 사라짐), 대각선상의 Pn과 Pn + 6(n=1, 2, 3…, 12)로 셀이 고정된 한 쌍의 존에서 소용돌이 형성이 동시에 발생하게 된다. 즉, 양쪽 존에서 강한 소용돌이 형성이 발생한다. 이 소용돌이 열의 형성을 진행한 경우에도, 풍동체(2)의 유출구 부근은 저압으로 안정되고, 압력 차이에 의해 내부 흐름의 유속을 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 각 존에 있어서의 소용돌이 형성에는, (1): 각 존의 독립성이 결핍하고(즉, 소용돌이 열의 상호 간의 관련성이 강함) 극히 안정성이 강한 소용돌이 형성과, (2): 독립성이 있고(제각기 소용돌이를 형성함) 약한 안정성을 나타내는 두 등급의 소용돌이 형성이 있다. 그리고, 적어도, 이 약한 안정성의 소용돌이 형성의 경우의 소용돌이 형성 우월존(Pn)이, 각 존 사이에 있어서 불명료하게 되면, 소용돌이 열의 작용은 저하하여 안정적인 소용돌이 열, 내부 흐름이라고 할 수 없게 된다. 즉, 소용돌이 형성 우월존(Pn)의 교대가 존 단위로 원활하게 진행되지 않게 된다. 이를 컨트롤하는 방법은 후술한다.
또한, 도 1, 2에 있어서는, 회전체의 곡면과 링 형상의 플랜지가 접속된 형상, 즉 회전축을 따르는 방향으로 굴곡된 단면 형상의 소용돌이 생성체(2c)를 구비하는 풍력 발전 장치(1)를 나타내고 있지만, 소용돌이 형성체(2c)는 링 형태의 플랫 패널에 한정되지 않는다. 소용돌이 형성체(2c)는 풍동체(2)를 비선 형상으로 하여 후류단 위치에서 효과적으로 소용돌이를 형성시키는 것이면 되고, 후술하는 바와 같이 플랜지의 형상은 외주가 둘레 방향으로 4각형, 6각형 등의 규칙성이나 주기성을 갖는 등의 형상이어도 좋다.
도 3은 풍동체(2)의, 소용돌이 생성체(2c)를 포함하지 않는 부분을 곡률반경이 비교적 작은 2차곡면의 회전체로 구성한 풍력 발전 장치(1)를 나타내고 있다. 도 4의 (d)에서 나타낸 단면 형상의 2차곡면 케이싱이다. 도 4는 다양한 형상의 풍동체(2)의 단면 형상을 나타내고, 도 5는 그 (b)~(e)의 형상의 출력계수 Cw와 주속비 λ의 관계와, (a')의 임펠러만인 경우의 출력계수 Cw와 주속비 λ의 관계를 나타낸다. 임펠러(3)가 대기중에 노출된 경우에 비해 도 4의 (b)~(e)에서 나타낸 바와 같은 2차곡면의 풍동체(2)로 하는 것이 효과적임을 알 수 있다. 여기서, 주속비 λ는 임펠러 주속 rω(m/s)과 풍속 U(m/s)의 비(=rω/U)이다. 여기서, r은 임펠러의 반경, ω는 각주파수(angular frequency)(1/s)이다. 또, 출력계수 Cw는 무차원량이고, Cw=W/{(1/2)·πρU3r2}이다. 여기서, W는 발전 출력(W), ρ는 공기밀도(㎏/㎥), r은 임펠러의 반경(m)이다.
여기서, 도 1, 3에 되돌아가서, 제 1 실시형태에 있어서는, 소용돌이 생성체(2c)의 표면에는 위상제어판(4)(본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 위상제어체)이 마련되어 있다. 이 위상제어판(4)은, 풍동체(2)의 후단면에서 소용돌이 형성에 의해 흐름이 후단면 내에서 둘레 방향으로 파동하는 위상을 정합시키고 풍동체(2)의 둘레에 형성되는 셀 구조를 명확화하여, 각 셀의 위치를 풍동체(2)의 표면에서 둘레 방향으로 복수로 배치된 존에 고정화한다. 그리고, 소용돌이 형성이 강해졌다 약해졌다 하는 소용돌이 형성 파동 스케일의 범위(존) 단위로 소용돌이 형성 우월존의 변경을 진행, 즉 소용돌이 형성 우월존의 변경을 명확화에 의해 위치가 고정화되는 존 단위로 하여 안정화한다. 이 위상제어판(4)은 상술한 (1), (2) 두 종류의 소용돌이 형성에 대해 각각의 환경, 셀 구조에 근거하여 배치되고, 각 셀을 명확화하고 위치를 고정화한다.
따라서, 위상제어판(4)에 의해 존 단위로 안정화할 때, 다음의 두 경우가 존재하는 것의 주의해야한다. 즉, 첫째는 이 존을 존 단위별로 전환하는 경우, 다시 말해, 위상제어판(4)에 의해 각 존을 제각기 안정화하는 경우이다. 또한, 둘째는 한 쌍의 존으로 전환을 진행하는 경우이며, 위상제어판(4)에 의해 한 쌍의 존(단위로서의 존이 2개)을 동시에 안정화하는 경우이다. 어느 경우가 될지는 기본적으로 풍동체(2)의 형상에 따른다.
이 위상제어판(4)은 풍동체(2)의 형상이 축대칭인 경우, 소용돌이 생성체(2c)의 둘레 방향으로 소정의 피치로 마련된다. 이하, 위상제어판(4)을 풍동체(2)에 어떻게 마련하는지에 대해 구체적으로 설명한다.
풍동체(2)의 내외부 흐름은 풍동체(2)의 외주, 내주의 전체 둘레에서 박리하여, 하류의 둘레 방향의 각 단면에서 카르만 소용돌이를 형성한다. 그리고, 상술한 바와 같이, 그 단면, 단면에서의 소용돌이 형성에는 원주 방향에 있어서 강한 소용돌이 형성, 약한 소용돌이 형성과 불균일(파동)이 존재한다. 이 강한 소용돌이 형성, 약한 소용돌이 형성이 출현하는 둘레 방향의 범위는, 2차원 원기둥의 축 방향의 소용돌이 형성 파동 스케일(3dc~4dc, dc: 원기둥 지름)보다 조금 작은 규모로, 풍동체(2)의 주류에서 본 도넛 형상의 각 단면의 투영폭을 D(플랜지 높이(h)를 포함)로 하면(도 8 참조), 그 원주 방향의 소용돌이 형성 파동 스케일은 2D~3D가 된다. 이는 2차원 원기둥이 폐루프 형태의 3차원 형상으로 되어 있는 것에 대응되고, 정량적으로도 뒷받침된다. 이에 대해서는 후술한다. 가장 유효한 위상제어판(4)의 장수인 12장은(도 7 참조) 풍동체(2)의 각 단면 투영폭(D)에 대하여 원주 방향으로 약 2D의 원호범위에 대응되고, 이것보다 조금 적은 6장의 경우에는 약 4D의 원호범위에 대응된다.
즉, 장수를 N, 풍동체(2)의 안지름을 d로 하면, 2차원인 경우의 애스펙트비(종횡비)에 대응하는 {π·(d+D)·D/D·N}=π·(d+D)/N이 소용돌이 형성 파동 스케일이다. 2D~3D는 N이 12장인 경우, 이는 d/h가 대체로 6~12 정도의 값에 상당한다. 따라서, 위상제어판(4)에 의한 소용돌이 형성 파동 스케일은, 각 존을 제각기 안정화하는 경우(h/d≪1)와, 한 쌍의 존을 동시에 안정화하는 경우(h와 d가 동일 오더) 모두에 걸쳐있음을 알 수 있다.
도 6은 풍력 발전 장치(1)의 후류측에서 소용돌이 생성체(2c) 주위의 외부 흐름의 모습을 나타낸 것이다. 도시하지 않지만, 소용돌이 생성체(2c) 앞면의 데드 스페이스에 형성되는 흐름, 또한 소용돌이 생성체(2c)를 포함한 풍동체(2)의 내측을 통과한 내부 흐름이 박리하는 흐름에도 동일 순환 셀이 형성된다. 또한, 도 6에 나타내는 셀 구조는, 비선 형상 물체 주변의 원주 방향 흐름의 순환이고, 흐름장의 속도 벡터 3 성분(U+u, v, w)에서 주류 속도성분 U를 제외하였을 때에 표현되는 셀 구조를 나타낸다. 원주 방향의 각 존(P1~P12)에 형성되는 순환 S, S'가 이 셀 구조의 단위가 되는 셀이 된다.
도 13은 이러한 셀 형성의 모습을 수치계산에 의해 시뮬레이션한 것이다. 이 경우는, 복수의 존의 어느 하나가 독립적으로 강해지거나, 약해지는 경우로서, 안정성이 약한 소용돌이 형성의 경우에 상당하는 시뮬레이션이다. 도 13(a)는 플랜지 높이가 5%인 소용돌이 생성체(2c)의 유입측(앞면)의 벽면에 있어서의 일 순간의 정압분포를 나타내고, 도 13(b)는 이 소용돌이 생성체(2c)의 후류측(배면)의 벽면의 동일 순간의 정압분포를 나타내고 있다. 도 13(a)에 있어서 가장 짙은 그레이색은 정압이 낮은 부분이고, 옅은 색은 정압이 높은 부분이다. 계산 결과에 의하면, 압력의 높고 낮음을 나타내는 영역이 소정 타이밍에서 둘레 방향으로 랜덤하게 분포되어 있는 것을 알 수 있다. 이 분포 상태가 다음 순간에는 파동에 의해 다른 분포 상태로 변화한다. 도 13의 (a), (b)에 의하면, 유입측에서 후류측의 양쪽에 정압분포에 있어서 동일한 높고 낮은 부분이 교대로 나타나있고, 등압선이 닫혀있는 것으로부터 흐름에는 셀, 셀 구조가 형성되어 있음을 알 수 있다. 후단면의 후류측과 유입측에 형성되는 전후의 셀 구조에 의해 주류가 풍동체(2)의 주변으로 구부러져 흐를 수 있다. 이 수치계산에는 위상제어체가 설치되어 있지 않기 때문에, 각 셀의 폭에 불균일이 발생한다. 이와 같이, 수치계산에 의한 시뮬레이션으로부터도, 풍동체(2)의 후단면 내에서 둘레 방향으로 셀 구조가 형성되는 것을 알 수 있다.
소용돌이 형성의 강약의 파동은, 풍동체(2)의 원주 방향으로 셀 단위로 이동한다. 축대칭 풍동체(2), 소용돌이 생성체(2c)의 경우, 이론적으로는 둘레 방향으로 편차가 발생하지 않고 균등한 주기로 규칙성을 갖고 이동할 가능성이 크다. 그러나, 현실적인 물체에 있어서는, 완전한 축대칭의 이상적인 형상으로 제작하는 것은 쉽지않고, 나아가 현실적인 흐름은 이상적인 균일한 흐름과는 미묘하게 다르기 때문에, 12개의 링 모양으로 배열된 존(P1~P12)이 각각 독립적으로, 또는 그 한 쌍의 셀이 독립적으로 강해지거나, 약해졌다 한다. 단, 소정 시간대(타이밍)에서 강해지는 것은 1개의 Pn 또는 일 단면 내에 존재하는 한 쌍의 Pn과 Pn +6이다. 따라서, 이러한 현실적인 기계인 사정을 감안하면, 일방향으로 회전할 가능성도 있고, 랜덤하게 이동할 가능성도 있다.
또, 예를 들면 3차원의 정방형 패널이나 직사각형 패널의 소용돌이 생성체(2c)의 경우, 마주보는 두 변을 한 쌍으로 하여, 합계 두 쌍으로 구성되는, 직교하는 2개의 소용돌이 형성 우월존으로 스위칭 하지만, 실제로 실험해 보면, 그 스위칭의 주기는 랜덤하다. 그리고, 여기서 이러한 도 6에 도시된 흐름의 상태를 형성하는 조건은, 슬롯부(2a)의 안지름(d)에 대하여 소용돌이 생성체(2c)의 지름 방향의 높이(h)가 h/d≪1, 또는 h와 d가 동일 오더 길이의 관계를 만족시키는 것이다.
다시 말해, 소정 시간대(t1)에, 도 6의 P1~P12로 나타낸 위상제어판(4)으로 구획된 풍동체(2)의 구획 영역, 즉 존상에 셀 구조가 형성되어, 예를 들어 P1의 위치의 소용돌이 형성이 강해져 P1이 소용돌이 형성 우월존으로 되었다고 하면, 그 시간대(t1) 사이에 셀(S, S')의 단면 존에서 강한 카르만 소용돌이 형성이 발생한다. 다음의 소정 시간대(t2)가 되면 다른 Pn의 셀(S, S')의 단면 위치의 존에 카르만 소용돌이가 강하게 형성된다. 이러한 소용돌이 형성 우월존이 12개의 셀 구조(존) 내에서, 각각, 각 Pn에서 제각기, 또는 Pn과 Pn +6의 한 쌍이 함께 교대되어, 후류의 3차원적 소용돌이 열을 형성한다. 소용돌이 형성 우월존이 P1~P12의 위상제어판(4)으로 구획된 존의 셀 사이에서 교대되는 순서는, 제각기 또는 한 쌍의 경우 모두, 소정 방향으로 이동, 회전(n=1, 2, 3…, 12의 순서로 정연하게 반복)하고 있을 가능성도 있고, 또한 랜덤(n=i, k, j, …)하게 이동하고 있을 가능성도 있다.
그러나, 본 제 1 실시형태에 있어서는, 위상제어판(4)을 사용하여 소용돌이 생성체(2c)의 주위를 외주, 내주에 걸쳐 도 6의 P1~P12의 구획 영역으로 분할하고, 셀 구조의 각 셀을 각각 독립적으로 하고 있다. 이 때문에 원주 방향으로 존재하는 각 셀이 위상제어판(4)을 넘어 변동하여 영향을 미치지 않고, 위치가 고정화되고, 상호의 순환(속도 벡터의 3 성분(U+u, v, w)에서 바람의 주류 속도성분 U를 제외하고 도시되는 흐름장의 셀)이 명확화되어, 이 명확화된 셀 단위로 카르만 소용돌이의 형성 위치를 이동시킬 수 있어, 흐름 전체를 강제적으로 안정화시킨다. 위상제어판(4)을 마련하지 않을 경우, 셀의 위치는 변동하여 크기도 신축하고, 위상제어판(4)을 마련한 경우와 비교하면 존의 스위칭 타이밍이나 순서도 변하게 된다. 후류에 형성되는 카르만 소용돌이도 셀의 변동의 영향에 의해 안정성이 결핍해진다. 소용돌이 형성 우월존이 불명확해지면, 소용돌이 열의 작용은 저하하여 안정적인 소용돌이 열, 내부 흐름이라고 할 수 없게 된다. 위상제어판(4)은 셀과 존을 대응시켜, 셀의 위치를 안정화 및 고정화한다. 이것이 위상제어판(4)을 마련하는 장점이다. 또, 종래의 정류판은 이러한 셀 구조나 카르만 소용돌이와는 무관하게 흐름을 단지 정류하여 원활하게 흐르도록 할 뿐이다.
비선 형상의 물체 표면의 흐름에 있어서의 파동에 대해서 더 보충하면, 강한 소용돌이 형성, 약한 소용돌이 형성의 파동은 2차원 원기둥도 발생하지만, 풍동체(2)는 이른바 2차원 원기둥이 폐루프 형태의 3차원 형상으로 되어 있는 것이기 때문에, 이 형상에 기인하여 3차원의 흐름장에서는 소용돌이 형성 파동 스케일이 약간 소규모로 된다. 즉, 2차원 엔드리스 물체의 파동과 달리 3차원의 경우 원심력 등이 영향을 미쳐 불안정성이 증가하고, 소용돌이 형성 파동 스케일이 작아진다. 따라서, 파동 스케일에 관해서는 그 형상의 변화에 따라 차이가 있지만, 비선 형상의 물체 표면의 흐름은, 주류(U)의 방향에 대해 축대칭인 물체이어도 둘레 방향으로 소정 라인에서 가지런히 동시에 박리하지 않고, 둘레 방향으로 셀 단위로 강약이 발생하고, 파동하게 된다. 그리고, 제 1 실시형태와 같이 셀을 분단하지 않는 위상제어판(4)을 마련하면, 각 셀이 원주 방향으로 위치가 안정해지고, 강도도 고정화되어, 셀 사이를 명확화하고, 이 명확화 및 안정화된 셀 단위별로 카르만 소용돌이의 형성 위치를 이동시킨다. 이에 의해 흐름장 전체가 안정화된다. 또한, 전체 존을 소용돌이 형성에 관하여 균등하게 형성하면, 각 존이 동등하게 소용돌이 형성 우월존이 될 기회가 높아지고, 소용돌이 열을 이용한 흐름을 안정시킬 수 있다.
그러나, 위상제어판(4)의 수 및 존의 수를 자연의 흐름에 따라 형성되는 셀의 수보다 많게 하면, 본래의 셀을 강제적으로 무리하게 분할하는 것이 되어버려, 후류측의 소용돌이도 그다지 강한 소용돌이는 되지 못한다. 소용돌이 형성 우월존도 무색하게 된다. 위상제어판(4)의 수 및 존의 수를 이 셀의 수보다 적게 한 경우에도, 1개의 존 내에 복수의 셀이 존재하게 되어, 상호의 셀이 신축 및 이동하고 서로 작용하여 안정화의 작용을 약화시키기 때문에, 이 경우에도 동일 수의 경우보다 강한 소용돌이가 되지 못한다. 도 7의 (a), (b), (c), (d)는 그 모습을 모식적으로 나타낸 것이다. 따라서, 비유선형 풍동체의 형상에 상응하여 자연적으로 형성되는 셀과 동일한 위상제어판(4)의 수로 하는 것이 가장 효율적인 것이 된다. 또, 풍력 발전 장치(1)와의 관계에 있어서, 위상제어판(4)은 패널인 이상 재료를 선택하는 것에 의해 풍력 발전 장치(1)의 구조면에서 간접적으로 강도를 증가시킬 수 있다. 위상제어판(4)을 마련하는 것에 의해 풍동체(2)의 구조가 보강되면, 향후 기대가 큰 대형풍력 터빈의 실현에 일조를 하게 되고, 실현을 촉진할 수 있다.
풍력 발전 장치(1)의 주변의 흐름은 기본적으로 자연바람 등의 불규칙한 흐름이다. 위상제어판(4)은 이 불규칙한 흐름에 대하여 강제적으로 안정된 셀을 형성시키도록 한다. 즉, 위상제어판(4)은 원래의 블러프 보디 상태로 잠재적으로 존재하는 셀 구조를 명확화하여, 흐름을 안정화시키고, 풍속을 증가시킨다.
여기서, 실제로 풍동체(2) 주변의 흐름을 관찰해보면, 위상제어판(4)에 의해 기획된 각 존에서는 2차원 물체와 같이 소용돌이 형성의 위상이 정합되어 있는 것을 알 수 있다(도 11(b)의 사진을 참조). 이와 같이 위상이 정합된 결과, 풍동체(2)의 배후에는 더욱 강한 소용돌이 형성이 이루어지고(도 12(b)에서 알 수 있는 바와 같이 배후에서의 말려듬이 강하다), 부근의 정압은 더욱 저압화된다. 즉, 소정 시간대에, 풍동체(2)의 원주 방향에 있어서, 강한 소용돌이를 형성하고 있는 존이나, 약한 소용돌이를 형성하고 있는 존과 같은 불균일 및 편차가 없어지고, 항상 각 존에 있어서 소용돌이 형성이 안정화할 수 있어, 위상제어판(4)이 없는 경우에 비해 더욱 강한 소용돌이 형성이 더욱 많은 시간에 걸쳐 이루어지고, 풍동체(2) 배후는 더욱 저압화된다. 이 구성에 의해, 소용돌이 열을 이용한 흐름을 안정된 흐름으로 할 수 있어, 유입되는 유체의 유속을 증가시키고, 디퓨저의 길이가 짧고, 대형화가 가능하게 되고, 에너지 변환율을 높일 수 있다.
또한, 도 2와 같은 위상제어판(4)을 마련하지 않는 위상제어체의 경우도 생각할 수 있다. 즉, 축대칭 비유선형 형상의 경우, 이 블러프 보디 고유의 h/d를 선택함과 함께, 각 존을 구획할 수 있는 유인 부재, 예를 들면 소용돌이 형성체(2c)의 둘레 방향으로 규칙성, 주기성을 갖는 형상, 즉 둘레 방향으로 주기적으로 돌출부분이 형성되도록 다각형상, 또는 둘레 방향으로 삼각함수로 변화하는 형상, 돌기의 주기적인 분포 등의 구성을 부여하는 것에 의해, 구획 영역이 형성되고, 셀(S, S')의 위치나 크기, 소용돌이 형성 우월존의 교대가 안정화, 규칙화되어, 위상제어판(4)을 마련한 경우와 동일한 작용 효과를 발휘할 수도 있다. 소용돌이 형성체(2c)에 형성된 규칙성 있는 형상이 위상제어체를 구성하고, 이 유인 부재에 의해 구획된 각 영역이 소용돌이 형성을 위한 존이 되고, 소용돌이 형성 우월존이 형성되어, 위상제어판(4)과 동일하게 셀 구조를 명확화할 수 있다.
이상의 설명은 풍력 발전 장치(1)에 한정되지 않고, 내외부를 흐르는 흐름 속에서 운전하는 소용돌이 열을 이용한 유체기계에 있어서도 동일하다. 최적의 셀(S, S') 수, 최적의 위상제어판(4)의 위치를 선택하는 것에 의해, 흐름은 안정화되고, 풍속을 증가시키고, 대형화가 가능하고, 고출력의 발전을 하는 것이 가능하게 된다.
여기서, 도 8은 풍동체(2) 내의 풍속분포를 계측한 것으로, 슬롯부(2a)의 지름(d)의 10%의 높이(h)를 갖는 플랜지(소용돌이 생성체(2c))가, 도 4(d)에 나타낸 곡률반경이 비교적 작은 단면 형상을 갖는 2차곡면 회전체 케이싱의 후단에 장착된 풍동체(2)로 측정한 것이다. 그리고, 이 풍동체(2)에 대하여 외부의 흐름으로서 풍속(U)이 4(m/sec)인 바람과, 8(m/sec)의 바람을 송풍하여 풍속분포를 계측하였다. 풍속분포의 Z(mm)는 도 8에 나타낸 바와 같이 슬롯부(2a)의 내주면에서 축 중심을 향하는 높이이다.
이 도 8에 의하면, 외부의 흐름이 4(m/sec)과 8(m/sec)의 두 겨우 모두에 있어서, 위상제어판(4)을 마련한 것이 슬롯부(2a)에 있어서 수% 증속되어 있고, 특히 내주면 최 근방에서의 풍속 증가가 현저하다. 이는 안정화되고 강화된 소용돌이에 의한 흡인 작용으로 고려된다. 그리고, 외부 흐름의 풍속(U)이 커질수록 평균 유속이 증가함과 함께 임펠러(3)의 선단 부근의 유속이 중앙보다 커져 있음을 알 수 있다.
다음으로, 위상제어판(4)의 장수 N이 미치는 영향, 즉 위상제어판(4)의 수 N을 증감시켰을 때, 평균 유속, 임펠러(3) 선단의 유속이 증감하여 출력계수 Cw가 증감하는지 여부에 대해 실험 결과를 설명한다. 도 7은 위상제어판(4)의 장수 N과 최대 출력계수 Cwmax의 관계를 나타낸다. 상술한 바와 같이, 출력계수 Cw는 무차원 량으로서, Cw=W/{(1/2)·πρU3r2}이다. 최대 출력계수 Cwmax는 이 Cw의 최대값이다(도 5의 λ=4 부근 참조). 실험은, 상기 10%의 높이(h)를 갖는 플랜지가, 도 4(d)에 나타낸 곡률반경이 비교적 작은 단면 형상의 회전면 케이싱에 장착된 풍동체(2)로 진행하고, 풍속은 모두 5(m/sec)로 진행하였다.
이 실험 결과를 보면, 위상제어판(4)의 장수 N이 12장일 때, 최대값Cwmax=0.723을 나타내고, N=6장일 때 Cwmax=0.72이다. 위상제어판(4)이 없을 경우와, N=24장일 때는 Cwmax=0.7이고, N=36장일 때 Cwmax=0.701이었다. 이 결과는, 상기 h/d=0.17로 h/d≪1의 관계를 만족하는 경우의 결과이지만, 자연 흐름에서 셀이 형성되는 12개에 상당하는 장수 N을 12장으로 하였을 때, 가장 고효율이고 고출력인 것을 나타낸다. 이것을 모식적으로 표시한 것이 도 7(c)이다. 이때, 내부의 흐름은 증속되고, 안정된 흐름으로 된다.
장수 N을 6장(1/2)로 한 경우, 셀을 1개의 존에 대하여 2개씩 조정하게 되고, 1개의 존 내에 복수의 셀이 존재하기 때문에 셀이 서로 작용하여 그만큼 불안정해지고, 소용돌이 형성 우월존은 장수 N이 12장인 경우와 비교하면, 다소 강약이 불명료하게 된다. 이것을 모식적으로 표시한 것이 도 7(b)이다. 그러나, 위상제어판(4)을 마련하지 않은 경우와 비교하면 이 경우도 상대적으로 고출력이다. 그리고, 1개의 존에 수용되는 셀의 개수가 2개 이상으로 되어, 1개의 존에 m개(m=3, 4, …)가 수용되는 경우, 즉 위상제어판(4)의 장수가 (1/m) 배의 장수(당연히 정수)가 되는 경우에는 출력이 더욱 저하한다. 소용돌이 형성 우월존은 점차 불명료하게 된다. 그리고, 자연 흐름에 따르는 것에 의해 셀의 수 m이 최대로 되어, 풍동체(2) 전체가 하나의 존이 될 때까지(즉, 도 7(a)와 같이 위상제어판(4)을 마련하지 않은 경우가 될 때까지) 출력은 감소한다.
반대로, 장수 N이 셀의 수보다 증가하면, 도 7(d)의 파선으로 나타낸 바와 같이 본래 자연적으로 형성되는 셀이 무리하게 복수로 분할하게 되어, 흐름은 원활해져도, 소용돌이 열을 제어하기 위한 소용돌이 형성 우월존의 존재, 기능을 매몰시키고, 출력은 증가하지 않는다. 이것이 N=24장, 36장인 경우에, N=0장과 거의 가까운 최대 출력계수 Cwmax를 나타낸 이유이다. 다시 말해, 셀이 부자연적이 되지않도록 하고, 소용돌이 형성 우월존이 위상제어판(4)에 의한 규제로 안정적으로 교대되도록 하면 된다. 위상제어판(4)을 마련하는 것에 의해 셀 구조를 명료화하고, 고정화할 수 있지만, 위상제어판(4)의 장수 N을 소정의 장수로 한정하거나, 또는 형상을 바꾸거나 하는 등에 의해, 명료화된 소용돌이 형성 우월존의 이동을 존 단위로 안정적으로 진행할 수 있다. 역설적으로 블러프 보디에 대하여, 소용돌이 형성 우월존의 이동을 존 단위로 안정적으로 진행하도록 위상제어판(4)을 마련하는 것이 바람직하다.
또, 이상의 실험 결과는 h/d≪1의 풍동체(2)로 진행한 것이지만, 정방형, 6각형, 8각형 등 다각형 링 플랜지의 경우 등도, 축대칭이면 기본적으로 동일하다. 이 경우에는 위상제어판(4)을 마련하지 않는 위상제어체가 된다. h/d를 선택함과 함께, 각 존을 형성하는 소용돌이 형성체(2c)의 둘레 방향으로 규칙성, 주기성을 부여하면, 이 경우도 셀을 명확화하고, 명료화한 소용돌이 형성 우월존의 이동을 존 단위로 안정적으로 진행할 수 있는다.
도 9는 주속비 λ와 출력계수 Cw의 관계를 위상제어판(4)의 유무로 비교한 것이다. 소용돌이 생성체(2c)는 슬롯부(2a)의 지름의 5% 높이를 갖는 플랜지(링)로서, 후술하는 통상 사이즈의 위상제어판(4)을 장착한 것과, 이를 장착하지 않은 것을 비교하였다. 풍속은 8(m/sec)이다. 이에 의하면, 위상제어판(4)이 없는 경우 λ=3.6 정도에서 출력계수 Cw가 대폭 저하하지만, 위상제어판(4)을 갖는 풍력 발전 장치(1)는 당해 위치에서 약간의 저하는 나타나지만 전체적으로 4% 정도의 출력계수 Cw의 증가를 나타내고, λ>4에서 그 효과가 현저하다.
이어서, 위상제어판(4)의 사이즈의 영향을 조사하였다. 도 10은 사이즈가 상이한 2종류의 위상제어판(4)을 5% 높이의 플랜지(링)에 장착한 것과, 5% 높이의 플랜지(링)만을 갖는 것을 비교한 것이다. 풍속은 8(m/sec)이다. 위상제어판(4)은 12장 등의 피치로 장착하였다.
이 위상제어판(4) 중 하나(이하, 통상 사이즈)는, 풍동체(2) 길이(Lt)의 1.46배 길이이고, 후류측에 0.36배의 길이만큼 연장된 길이를 구비하고, 링 높이(h)의 2.0배 정도의 높이로 형성된 단면이 무화과 모양의 형상을 갖고(도 1, 3 참조), 풍동체(2)의 후류측에서 소용돌이 생성체(2c)에 삽입 가능한 절삭부가 마련되어 있다. 실험한 다른 한 종류는 확대 사이즈로서, 풍동체(2) 길이(Lt)의 1.8배 길이이고, 후류측에 0.55배 길이만큼 연장된 길이를 구비하고, 링 높이(h)의 3.0배 정도의 높이로 형성된 단면이 무화과 모양의 형상이고, 마찬가지로 소용돌이 생성체(2c)에 삽입 가능한 절삭부가 마련되어 있다. 또, 이들 위상제어판(4)의 개략적인 형상은 도 1, 3에 나타내는 바와 같다.
여기서, 도 10은 슬롯부(2a) 지름(d)의 5% 높이(h)를 갖는 플랜지(링)를 구비한 풍동체(2)에 있어서, 통상 사이즈의 위상제어판(4), 확대 사이즈의 위상제어판(4)을 각각 12장 장착한 풍력 발전 장치(1)와, 위상제어판(4)을 장착하지 않은 풍력 발전 장치(1)를 비교한 실험 결과이다.
이에 의하면, 위상제어판(4)이 없는 경우, 도 9과 같이 λ=3.6 정도에서 출력계수 Cw가 대폭 저하하지만, 통상 사이즈의 위상제어판(4)을 마련한 풍력 발전 장치(1)는 당해 위치에서 저하가 없다. 또한, 도 9에서 실험한 경우와 비교하여 λ>5 이상에서는 출력계수 Cw에 큰 차이는 나타나지 않았다. 그러나, 최대 출력계수 Cwmax를 갖는 λ=4 부근에서 출력계수 Cw에 0.03에 가까운 차이가 발생하고 있다. 이것은 실용상 매우 중요하다. 그리고, 확대 사이즈 위상제어판(4)을 마련한 풍력 발전 장치(1)는 이 λ=3.6 부근에서 저하가 없을 뿐만 아니라, 통상 사이즈의 위상제어판(4)보다 출력계수 Cw가 0.02 정도 향상하고, 이는 통상 사이즈보다 2.2%의 출력이 향상한 것을 의미한다.
이상, 위상제어판(4)의 작용에 대해 실험 결과 등을 근거로 설명했지만, 도 11, 12는 위상제어판(4)을 마련한 비유선형을 이루는 풍동체(2)의 흐름을 실험적으로 가시화한 사진이다. 도 11(a)는 위상제어판(4)이 마련되어 있지 않은 경우의 소용돌이 생성체(2c)의 후류측에서 촬영한 유맥선(streak line)의 상태를 나타낸다. 깨끗하게 흘러 온 흐름이 소용돌이 생성체(2c)의 배후에 흘러들어, 소용돌이를 형성하고 있음을 알 수 있다. 그러나, 소용돌이의 상태는 명료하지 않다. 이에 대하여, 도 11(b)의 위상제어판(4)을 마련한 경우의 풍동체(2)는, 선명하게 유맥선이 갖추어지고, 상하 2장의 투명한 위상제어판(4) 사이의 우단측(후류측)에 소용돌이 집단이 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 또, 중앙의 막대기는 지지를 위한 기구로서 무관한 것이다.
도 12(a)는 위상제어판(4)이 마련되어 있지 않은 경우의 링으로 된 소용돌이 생성체(2c)의 측면에서 촬영한 유맥선의 상태를 나타낸다. 위상제어판(4)의 상하에서 흐름이 박리되고, 후류측에 소용돌이 열을 형성하고 있다. 그리고, 도 12(b)는 위상제어판(4)을 마련한 경우의 링으로 된 소용돌이 생성체(2c)의 측면에서 촬영한 유맥선의 상태를 나타낸다. 도 12(b)가 풍동체(2)의 배후에서 강한 소용돌이의 말려듬을 나타내고, 후류측에서 강하고 안정된 소용돌이 열을 형성하고 있는 것을 알 수 있다.
이상에서는 주로 풍력 터빈, 특히 풍력 발전 장치(1)의 유체역학적인 측면의 구성에 대해 설명했지만, 이하 발전 장치의 측면에 대해 설명한다. 도 14에 나타내는 바와 같이, 제 1 실시형태의 풍력 발전 장치(1)는 풍력 터빈의 임펠러(3)의 회전력이 발전기(11)에 전달되어, 발전기(11)를 구동하여 발전을 진행하고, 외부에 전기를 공급한다. 또, 풍력 터빈은 발전 장치가 달린 것에 한정되지 않는다. 회전력은 발전기(11)를 개재하지 않고 직접 출력되어도 좋다. 예를 들면, 여기서 도시하지 않지만, 원동기로서 회전축을 펌프의 구동축에 연결하여 물을 퍼올리는데 이용하거나, 가스를 압축/축압하여 축압기 내에 에너지를 축적하거나, 교반기를 구동하여 온수로 변환하여 제공하거나 할 수 있다. 이러한 것들도 풍력 터빈이며, 유체기계이다.
풍력 발전 장치(1)의 경우, 도 14에 나타내는 바와 같이 임펠러(3)의 회전력은 회전축, 전달 기구를 개재하여 발전 장치(10) 내의 발전기(11)에 전달되어, 발전기(11)에 의해 발전한다. 발전기(11)로서는 예를 들면 유도 발전기 등을 이용하면 된다. 발전기(11)로 발전한 전기는 교류 전원이기 때문에, AC/DC 컨버터(12)에 공급되어 직류 전력으로 변환된다. 변환된 직류 전력은 충전 장치(13)에 의해 배터리(14)에 충전된다. 이 배터리(14)는 비상용 전원으로서 이용할 수 있다. 또한, AC/DC 컨버터(12)로부터의 직류 전력은 DC/AC 변환기(15)에 의해 다시 소정의 전력이 되도록 전력조정되어 교류 전력으로 변환되어, 교류 전원으로서 전력 시스템(16)에 전송된다. 또, 이상에서 설명한 발전 장치(10)의 구성은 일례이며, 이에 한정되지 않는다.
다음으로, 제어 장치(17)의 동작에 대해 설명한다. 발전기 로터의 회전수를 검출하는 센서로 발전기(11)의 회전수를 검출함과 함께, 갭 검지기(20)로 임펠러(3)와 풍동체(2)의 내주면 사이의 간극을 검출한다. 제어 장치(17)는 이 회전수를 근거로 과 회전인지 여부를 판정하여, 과 회전으로 판단되면, 출력을 저하하기 위해 액추에이터(18)를 구동하고, 간극을 넓히는 방향으로 풍동체(2)를 움직여, 최적위치까지 축 방향으로 이동시킨다. 그래도 과 회전일 경우에는, 변속/클러치 기능을 갖는 전달 기구(19)로 회전수를 감소시킨다. 반대로, 임펠러(3)의 회전수가 낮을 경우, 그 간극을 액추에이터(18)에 의해 최대 출력을 얻을 수 있는 최적한 간극이 되도록 제어한다. 이 간극은 공기역학적으로 발생하는 소음에도 영향을 미쳐, 팁 보텍스(tip vortex)를 깨뜨리고 최대 출력이 얻어질 때에는 소음도 줄일 수 있다. 임펠러(3)를 가변 피치로 하여 강풍일 때에는 제어 장치(17)로 피치를 변경할 수도 있다.
또, 액추에이터(18)는 필수적인 부재가 아니다. 풍동체(2)를 이동시키지 않는 경우에는 제어 장치(17)에 의한 출력제어에 맡겨 출력을 전기적으로 처리할 수도 있다. 그리고 풍동체(2)는 지지대(22)의 지지 기둥에 마련된 계지부(18a)에, 임펠러(3)의 축 방향으로 슬라이드 가능하게 지지된다. 액추에이터(18)를 신축하는 것에 의해 풍동체(2)를 축 방향으로 슬라이드 시킨다. 풍동체(2)를 이동시키지 않는 경우에는 풍동체(2)를 지지 기둥에 고정하면 된다.
AC/DC 컨버터(12)로부터 DC/AC 변환기(15)로 유도되는 전압/전류는 도시하지 않는 전압/전류 센서에 의해 전압/전류가 검출되고, 이 신호가 제어 장치(17)에 입력된다. 제어 장치(17)는 이 검출 신호를 근거로 DC/AC 변환기(15)를 제어하고, 전압을 일정하게 하여 변동하지 않도록 제어한다. 이 조정 후의 전력은 전력 시스템(16)으로 공급된다.
제 1 실시형태의 풍력 발전 장치(1)는, 지지대(22)를 지면에 대하여 회동 자유롭게 설치하고 있다. 이 이유는, 풍력 터빈은 흐름의 작용으로 가능한 저항을 낮추는 방향으로 유체력이 작용하여, 항상 바람을 향하도록 회전한다. 이 때문에, 제 1 실시형태의 풍력 터빈에 있어서는, 이러한 단순한 구성이지만, 그 방향을 최대 출력을 얻을 수 있는 방향으로 자동으로 조정할 수 있다. 또, 미소한 흐름의 변동도 있으므로, 이에 대하여 과도하게 추종하지 않도록, 변동에 따른 회전의 기계적 억제 기구를 마련하거나, 제어 장치(17)에 의해 과도한 추종을 억제하는 억제 기능을 실행시키는 것도 좋다.
이와 같이 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서, 풍력 터빈은 풍력 발전 장치(1)이기 때문에, 임펠러(3)의 회전력이 발전기(11)에 전달되어, 발전기(11)를 구동하여 발전하고, 외부에 전기를 공급한다. 풍동체(2)의 내외를 흐르는 흐름을 이용하여 소용돌이 열을 형성하는 흐름을 형성하고, 이 흐름을 안정적인 것으로 컨트롤하여, 내부 흐름의 풍속을 증가시키고, 고출력의 발전을 할 수 있다. 또한, 디퓨저의 길이를 짧게 할 수 있고, 이에 의해 수m 이하의 마이크로 풍력 터빈, 미니 풍력 터빈뿐만 아니라, 발전 능력이 MW급의 대형 풍력 발전 장치용 풍력 터빈에 이르기까지 대형화가 가능하게 되고, 높은 에너지 변환율을 얻을 수 있다. 구조적으로도 보강이 된다. 그리고, 제 1 실시형태에 있어서, 유체기계의 내부 유속 증가 방법에 의하면, 소용돌이 열을 형성하는 흐름을 안정적인 것으로 할 수 있고, 유체기계의 외부 흐름에 의해 내부 흐름의 풍속을 증가시킬 수 있다.
(제 2 실시형태)
이하, 본 발명의 제 2 실시형태에 따른, 비정상류를 이용한 유체기계, 특히 수차(水車) 등의 수력기계, 그중에서도 조류에 의해 발전을 할 수 있는 조류 발전 장치에 대해 설명한다. 도 15는 본 발명의 제 2 실시형태에 있어서, 회전면과 플랜지로 구성된 플랜지가 장착된 케이싱을 구비하는 조류 발전 장치의 외관을 나타낸다.
도 15에 나타내는 바와 같이, 조류 발전 장치(31)는 해류의 흐름이 세찬 장소에 지지대(22)가 회동 자유롭게 해저에 설치된다. 복수 대를 주류에 대하여 직교방향으로 가로 일렬로 배열하여 설치한다. 임펠러의 높이는 해면의 영향을 그다지 받지 않는 높이로 설치하는 것이 바람직하다. 밀물과 썰물 때로 해류의 방향이 바뀌는 경우, 조류 발전 장치(31)는 회전에 의해 흐름의 작용으로 흐름의 방향을 향할 수 있다. 잦은 회전을 방지하기 위하여 제어 장치(17)로 회전에 록을 거는 것도 좋다. 이 조류 발전 장치(31)의 구성은 도 14의 풍력 발전 장치(1)의 구성과 기본적으로 동일하므로, 그 구성은 도 14를 참조하고, 상세한 설명은 도 13의 설명을 참조하여 생략한다. 단, 제 1 실시형태의 풍동체(2)의 설명은 케이싱(23)의 설명에 대응한다.
또한, 조류 발전 장치(31)는 해저에 설치하지 않고, 해면상에서 지지대(22)를 매다는 방식도 가능하다. 조류 발전 장치(31)에 있어서도 액추에이터(18)를 마련해도 좋고, 케이싱(23)을 발전기(11) 둘레 등으로 지지해도 좋다. 나아가, 발전 장치(10)의 주요부분이나 액추에이터(18) 등을 모두 해면 위로 설치할 수도 있다.
이와 같이 본 발명의 제 2 실시형태에 있어서, 유체기계는 조류 발전 장치(31)이기 때문에, 조류에 의한 임펠러(3)의 회전력이 발전 장치(10)를 구동하여 발전하고, 외부에 전기를 공급할 수 있다. 제 2 실시형태에 따른 유체기계도, 케이싱(23)의 내외를 흐르는 흐름을 이용하여 2차원적 또는 3차원적으로 소용돌이 열을 형성하고, 이 흐름을 안정된 흐름으로 컨트롤하여, 내부 유속을 증가시키고, 고출력의 발전을 할 수 있다. 나아가, 케이싱(23)은 구조적으로 보강하는 역할을 한다.
또, 이상 설명한 풍력 터빈, 수력기계 등 유체기계 이외에도, 본 발명의 비정상류를 이용한 유체기계의 내부 유속 증가 방법을 이용할 수 있다. 예를 들면, 대기중에서 제트엔진의 성능을 시험하는 성능 시험장치에 있어서, 나셀(nacelle) 주위에 케이싱을 마련하여 내부의 로터를 회전시키고, 제트엔진의 흡기구에 흡인되는 풍량을 증가시킬 수 있다. 이러한 경우에도, 이에 의해 고성능시험 장치를 얻을 수 있다.
< 산업상의 이용 가능성 >
본 발명은 풍력 발전 장치나 조류 발전 장치 등의 케이싱의 내외를 흐르는 흐름 속에서 운전하는 유체기계에 적용할 수 있다.
1 풍력 발전 장치
2 풍동체
2a 슬롯부
2b 유입구
2c 소용돌이 생성체
3 임펠러
4 위상제어판
10 발전 장치
11 발전기
12 AC/DC 컨버터
13 충전 장치
14 배터리
15 DC/AC 변환기
16 전력 시스템
17 제어 장치
18 액추에이터
18a 계지부
19 전달 기구
20 갭 검지기
22 지지대
23 케이싱
31 조류 발전 장치
H 소용돌이 생성체의 지름 방향의 높이
D 슬롯부 지름
dc 원기둥 지름
D 투영폭
S, S' 셀
Pn 소용돌이 형성 우월존

Claims (13)

  1. 내외의 흐름에 의해 안정된 소용돌이 열을 후류측에 형성할 수 있는 비유선형을 이루는 케이싱과, 상기 케이싱 내에 마련된 임펠러를 구비한 비정상류를 이용한 유체기계이고,
    상기 케이싱은 후류측에 상기 소용돌이 열을 형성하기 위한 소용돌이 생성체를 구비함과 함께, 당해 소용돌이 생성체에는 상기 케이싱 후단면에 있어서 소용돌이 형성이 상기 후단면 내에서 둘레 방향으로 파동하는 위상을 정합시키고, 상기 케이싱의 둘레 방향으로 형성되는 셀 구조를 명확화하여 각 셀의 위치를 상기 케이싱의 표면에서 상기 후단면 내에 복수로 배치된 구획 영역에 각각 고정화하는 위상제어체가 마련되고, 상기 위상제어체에 의해 내부 유속을 증가시키는 것을 특징으로 하는 비정상류를 이용한 유체기계.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 위상제어체가, 상기 케이싱 후단면에 있어서 소용돌이 형성이 상기 후단면 내에서 둘레 방향으로 파동하는 위상을 정합시키고, 상기 케이싱의 둘레 방향으로 형성되는 셀 구조를 명확화하여 각 셀의 위치를 상기 케이싱의 표면에서 상기 후단면 내에 복수로 배치된 구획 영역에 각각 고정화함과 함께, 셀이 고정화된 구획 영역 사이에서의 소용돌이 형성 우월 구획 영역의 이동을 구획 영역 단위로 진행하여, 내부 유속을 증가시키는 것을 특징으로 하는 비정상류를 이용한 유체기계.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 위상제어체가, 흐름에 따라 상기 케이싱에 자연적으로 형성되는 셀 구조의 셀 수와 동일 수 또는 당해 동일 수의 (1/정수) 배가 되는 장수만큼 마련된 위상제어판인 것을 특징으로 하는 비정상류를 이용한 유체기계.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 구획 영역이, 흐름에 따라 상기 케이싱에 자연적으로 형성되는 셀 구조의 셀 수와 동일 개수 또는 당해 동일 개수의 (1/정수) 배가 되는 개수만큼 상기 위상제어체에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 비정상류를 이용한 유체기계.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 임펠러에는, 당해 임펠러의 회전력을 전력으로 변환하는 발전 장치가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 비정상류를 이용한 유체기계.
  6. 내외의 대기의 흐름에 의해 안정된 소용돌이 열을 후류측에 형성할 수 있는 비유선형을 이루는 풍동체와, 상기 풍동체 내에 마련된 임펠러를 구비한 풍력 터빈이고,
    상기 풍동체는 후류측에 상기 소용돌이 열을 형성하기 위한 소용돌이 생성체를 구비함과 함께, 당해 소용돌이 생성체에는 상기 풍동체 후단면에 있어서 소용돌이 형성이 상기 후단면 내에서 둘레 방향으로 파동하는 위상을 정합시키고, 상기 풍동체의 둘레 방향으로 형성되는 셀 구조를 명확화하여 각 셀의 위치를 상기 풍동체의 표면에서 둘레 방향으로 복수로 배치된 구획 영역에 각각 고정화하는 위상제어체가 마련되고, 상기 위상제어체에 의해 내부 유속을 증가시키는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 위상제어체가, 상기 풍동체 후단면에 있어서 소용돌이 형성이 상기 후단면 내에서 둘레 방향으로 파동하는 위상을 정합시키고, 상기 풍동체의 둘레 방향으로 형성되는 셀 구조를 명확화하여 각 셀의 위치를 상기 풍동체의 표면에서 둘레 방향으로 복수로 배치된 구획 영역에 각각 고정화함과 함께, 셀이 고정화된 구획 영역 사이에서의 소용돌이 형성 우월 구획 영역의 이동을 구획 영역 단위로 진행하여, 내부 유속을 증가시키는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
  8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 위상제어체가, 흐름에 따라 상기 풍동체에 자연적으로 형성되는 셀 구조의 셀 수와 동일 수 또는 동일 수의 (1/정수) 배의 장수만큼 마련된 위상제어판인 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
  9. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 소용돌이 열을 형성하기 위한 소용돌이 생성체가 상기 풍동체의 후류측 단부에 마련된 링 형상의 플랜지인 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
  10. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 임펠러에는, 당해 임펠러의 회전력을 전력으로 변환하는 발전 장치가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
  11. 비유선형을 이루는 케이싱의 내외에 유체를 흐르게 하였을 때, 당해 내외의 흐름에 의해 안정된 소용돌이 열을 후류측에 형성하고, 상기 소용돌이 열의 형성에 의한 후류측의 저압화에 의해 상기 케이싱을 통과하는 내부 유속을 증가시키는 유체기계의 내부 유속 증가 방법이고,
    상기 비유선형을 이루는 케이싱 후단면에 있어서 소용돌이 형성이 상기 후단면 내에서 둘레 방향으로 파동하는 위상을 정합시키고, 상기 케이싱의 둘레 방향으로 형성되는 셀 구조를 명확화하여 각 셀의 위치를 상기 케이싱의 표면에서 상기 후단면 내에 복수로 배치된 구획 영역에 각각 고정화하고, 흐름을 안정화하여, 이 안정화에 의해 상기 내부 유속을 증가시키는 것을 특징으로 하는 유체기계의 내부 유속 증가 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    소용돌이를 형성하는 셀에 대응한 소용돌이 형성 우월 구획 영역의 이동을 상기 구획 영역 단위로 진행하여 안정화하고, 이 안정화에 의해 상기 내부 유속을 증가시키는 것을 특징으로 하는 유체기계의 내부 유속 증가 방법.
  13. 제 11항 또는 제 12항에 있어서,
    모든 구획 영역을 소용돌이 형성 우월 구획 영역으로 하기 위한 균등한 구획 영역으로 하는 것을 특징으로 하는 유체기계의 내부 유속 증가 방법.
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