KR20100104967A

KR20100104967A - 가변익 터빈

Info

Publication number: KR20100104967A
Application number: KR1020090023730A
Authority: KR
Inventors: 서홍석
Original assignee: 서홍석
Priority date: 2009-03-20
Filing date: 2009-03-20
Publication date: 2010-09-29

Abstract

본 발명은 풍력, 수력 등 유체의 유동하는 힘을 터빈 회전 동력으로 변환하는 항력식 터빈에 관한 것으로 동일한 터빈의 크기, 동일한 유속에서 날개가 받는 추진력을 극대화시키고, 동시에 날개가 회전하면서 필연적으로 발생하는 반력(反力)을 감소시켜서 터빈의 효율을 높이려는 목적을 달성하기 위해, 유체역학이나 물리학적 논리, 수학 산출식을 기초로 하여 통상적인 개념을 변환하여 터빈의 구조적 형태를 변경하여줌으로써 날개의 넓이를 최대한 확대시킬 수 있는 방법을 정립하였고 동시에 터빈 날개들이 각각 별도로 회전할 수 있도록 가변익 회전축(250)을 설치하여 필연적으로 발생하는 날개의 회전반력(回轉反力)을 감소하여 터빈의 축 동력 효율을 획기적으로 높일 수 있도록 발명한 본 가변익(可變翼) 터빈은 풍력이나 수력 에너지를 이용하는 발전(發電)분야에서 저렴하고 효율 높은 동력 발생 장치로 활용 분야가 넓을 것이다.

가변익(可變翼), 회전판, 가변익회전축, 스톱파(돌출부), 터빈축, 공전(公轉), 자전(自轉), 토크(Torque)

Description

가변익 터빈{Variable wings Turbine}

본 발명은 자연에서 생성되는 유체의 흐름이나 파도와 같은 에너지를 이용하는 터빈에 관한 것으로서 바람, 강물의 흐름, 해류, 조류, 파도 등과 같이 유체의 수평이나 수직 운동 에너지를 동력으로 변환하는 항력식 터빈에 속하는 기술이다.

종래에도 본 발명과 유사한 형태의 수직측, 개폐 도어식 터빈들의 사례가 있었으나 이들은 발명의 논리가 작동 방법론과 작동원리 설명에 치중하였을 뿐 터빈 능률에 대한 검토가 미흡하였고 구체적 요건을 부분적으로 노력한 것도 있었으나 이것 역시 구조물 자체의 지나친 복잡성을 해결하지 못하였으며 그로 인하여 날개가 받는 반력(反力)을 줄이는데 크게 성과를 거두지 못하여 항력과 반력(反力)의 편차를 이용해야 하는 항력식 터빈으로서 그 성능이 동력발생율 30～45％를 구현하는데 그치고 있다. 또한, 터빈 구조의 지나친 복잡성과 과도한 자중(自重) 등 물리적 취약점을 해결하기에 미흡한 점이 있어 현재까지 실용화하지 못하고 있는 실정이다.

종래 기술의 문헌 정보

[문헌1] 특허등록10-2005-0058195 등록일자 2006.9.4

[문헌2] 선행기술 조사

(문헌 1에 대한 선행기술 조사문헌)

JP 03063354B1 KR 102004002 0661A

KR 1020050021215A US 4684817A

US 6109863A 1020040101835-666668

첫째 : 종래의 항력식 터빈은 날개가 받는 항력의 크기를 조절할 수 있는 기능이 없어 일단 터빈의 규격이 결정되면 유속과 밀도가 동일한 경우에 날개가 생산하는 동력은 일정할 수 밖에 없다. 이를 보완하여 날개가 생산하는 동력을 높이려고 동력증가의 요소인 날개의 넓이를 확대할 수 있는 방법과 터빈 회전축(100)으로부터 날개 중심(重心)까지의 거리를 늘려줌으로서 동력을 증가시키는 구조로 터빈 형태를 변경해야 할 것이고

둘째 : 유체역학적 이론에 의하면 회전동력(Torque)=항력(추진력)-회전저항력이라는 원칙에 비추어 볼 때 기존 항력식 터빈에서는 회전 저항력을 감소시키는 방법이 별로 없거나 일부 연구한 점도 있으나 이런 경우에도 터빈 구조를 지나치게 복잡하게 할 수 밖에 없어서 오히려 터빈 날개의 무게를 과도하게 증가시키게 되고 이로 인하여 유체 저항력을 가증(加增)시키는 결과를 가져오게 되어 동력 발생 효율이 30～45％를 넘지 못하는 구조로 효율은 크게 호전되었다고 보기 어려웠던 면 이 있다.

이런 점을 보완하여 터빈 날개 자체의 단순화와 날개의 회전 저항력을 획기적으로 감소시킬 수 있는 구조적인 변화가 반드시 시행되어야 원래의 터빈이 지향하는 높은 효율의 터빈을 얻을 수 있는 것이다.

본 발명에서는 크게 이런 두 가지 과제를 해결하는데 주안점을 두었다. 먼저 도면에 의하여 설명하면, 도1(터빈 평면도), 도2(터빈 측면도)에서와 같이 터빈의 중심부에 터빈 회전축(100)을 두었고 터빈 회전축(100)과 수직을 이루면서 함께 회전하는 한쌍의 회전원판(120)을 견고히 고정시켰고, 회전원판(120) 끝단 둘레를 따라서 일정한 간격으로 가변익(날개)(200) 수 개를 연결하도록 가변익 회전축(250)을 설치하는데 이것은 터빈 회전축(100)과 평행을 이루도록 한다. 가변익 회전축(250)을 따라 자유롭게 회전할 수 있는 가변익(200)을 연결하였다. 또한 회전원판 일정 위치에 가변익 날개를 일시 회전(自轉)을 정지 시킬 수 있는 스톱파(돌출부)(220)을 설치하였고, 이는 일시적으로 유체가 흐를 때 터빈 반단면에서 만 자전(自轉)하는 가변익 날개를 자전만 정지시키는 구조로 하였다.

여기서 (도3. 유체가 흐를 때 날개의 변화 평면도, 도4. 유체가 흐를 때 측면도)를 보면 터빈이 회전할 때 가변익(200)은 터빈축(100)을 공전(公轉)하면서 자전(自轉)하도록 하였다. 이 때, 가변익(200)이 공전(公轉) 주기 중에서 일시적으로 즉 유체 유입 위치(A)에서 유체 유출 위치(B)까지 반단면에서 자전(自轉)을 일시 중단할 수 있도록 스톱파(돌출부)(220)를 회전원판(120) 위에 일정 간격으로 날개 수와 같게 설치한다.

이렇게 하여 유체가 흐를 때 유체 유입 위치(A)로부터 가변익은 스톱파(돌출부)(220)에 의하여 A위치로부터 자전(自轉)을 멈추고 수압을 받아 터빈축(100)에 회전력을 전달하면서 유체 유출 위치(B)에 이르기까지 동력을 발생시킨다. 이와 같은 방법으로 n개의 가변익200)은 순차 연속적으로 터빈 회전 동력을 생산할 수 있는 것이다.

그리하여 가변익(200)이 공전하여 유체 유출 위치(B)에 이르게 되면 유체 흐름에 의하여 가변익(200)의 익단이 스톱파(돌출부)(220)로부터 이탈하면서 가변익(200)은 180°자전(自轉)하여 유체의 흐르는 방향과 평행을 이루어 유체 반력을 안받게 유체 유입 위치(A)까지 공전을 하게 된다. 그러므로 이 때 날개(가변익)는 유체에 의한 회전 반력(反力)은 전혀 받지 않게 되고, 뿐만 아니라 터빈의 반단면(半斷面)은 거의 공동(空洞)으로 남게 되어 회전반력이 없는 것과 비슷한 결과를 만들어 낼 수 있게 된다.

이와 같이 가변익(200)이 동력을 발생할 수 있는 순기능(純機能)을 극대화하고 회전반력을 일으키는 역기능(逆機能)을 제거하여 날개 수가 8개～36개일 때 높은 효율(52％～70％)을 유지할 수 있게 된다.

여기서 유체 압력을 직접 수렴하여 터빈축에 전달하는 가변익(200)은 본 발명의 핵심 요소로서 회전동력(Torque)을 결정하는데에는 가변익의 넓이와 터빈축으로부터 가변익 중심(重心)까지의 거리로 결정되는 것임으로 가변익 넓이를 극대화하기 위하여서 가변익 회전축(250) 외측으로 가변익을 넓혀주었다. 넓혀준 폭의 기 준은 도5을 참작하여 살펴보면 가변익의 내부 폭은

를 유지해야 하고 (R=터빈의 반경,

, n:터빈 날개의 수, α:날개와 날개가 이루는 각) 가변익 외부 폭

일 때 가변익은 안정적이다. 따라서 가변익 전체 폭

,

이다. 그러므로 가변익 전체 폭

에서 결정되어야 하고, 터빈 축(100)에서 가변익의 중심(重心)까지의 거리

이 성립한다.

이를 다시 검토하여 보면

※가변익 날개(200)를 터빈 외부로 확장하지 않았을 경우에 가변익이 받는 항력은 d×H×ℓ (l:터빈 축에서 날개 중심까지의 거리, H:터빈의 높이) 여기서

따라서 항력

…①식.

※날개를 확장하였을 경우

가변익의 항력

…②식.

여기서

가 성립하므로 식①과 식②를 비교해 보인 여기서 d와 d'가 음수가 아닌 이상 ①식

＜ ②식

의 부등식이 성립함으로 날개를 확장하였을 경우인 ②식이 항상 날개가 받는 항력은 크다.

그리고 날개가 받는 회전 반력을 보면 도3, 도4에서와 같이 터빈의 날개 가 변익이 유체가 흘러 나가는 위치 B로부터 공전(公轉)하여 유체가 흘러 들어오는 A의 위치까지는 계속 날개가 유체와 평행을 이루게 되어 날개의 회전 반력은 구조상 전혀 발생하지 않는다. 이와 같이 터빈의 반단면 이상의 넓이가 공동(空洞)이 생겨 유체 반력이 모두 감소하게 된다. 이전 기준을 참작하여 터빈의 날개 수에 따른 최대 토크(Torque)를 산출하면 표 1과 같다.

표 1

이와 같이 날개 수가 4일 때 Torque 比는 24％로 효율이 낮으며, 날개 수 12개로부터 36개 까지는 토크(Torque)比 61～70％까지로 유사한 터빈의 토크(Torque) 比 30～45％보다 월등히 높은 것을 알 수 있다.

본 발명인 가변익 터빈은 종래에 유사한 항력식 터빈으로는 성취하기 어려웠던 터빈 날개의 회전반력(回轉反力)을 획기적으로 감소시켜서 터빈의 토크(Torque)를 극대화 시켰고 종래의 유사한 터빈 구조에서는 불가능에 가까웠던 터빈 날개의 확대와 터빈 축에서 날개 중심까지의 거리를 늘려줄 수 있는 방법은 종전의 유사 터빈 구조로는 가능하지 않았을 것이나 본 발명인 가변익 터빈에서는 이런 문제들을 해결할 수 있게 되었다. 또한 본 발명의 가변익 터빈은 터빈 축이 수직축, 수평축으로 자유롭게 설치 가능하고, 유체흐름의 방향에 무관하게 터빈은 동일(同一)한 방향으로 회전하는 특징이 있는 터빈이다.

.

도 1 : 가변익 터빈 전체 평면도

도 2 : 터빈의 측면도

도 3 : 터빈 가동 시 날개의 변화 평면도

도 4 : 터빈 가동 시 터빈 측면도

도 5 : 토크 비율 산출 약도

Claims

유체 운동 에너지를 터빈회전토크(Torque)로 변환하기 위하여 설치된 직접 에너지 흡수날개인 가변익(200)들에 각각 가변익 회전축(250)을 설치하여 가변이(200)이 터빈축(100)을 공전(公轉)하면서 자전(自轉)이 가능하도록 한 것을 구성요소로 가짐을 특징으로 하는 유체 가변익 터빈 장치.(독립항)
청구항1에 있어서 가변익(200)이 터빈축(100)을 공전(公轉)하면서 유체가 유입하는 위치(A)로부터 가변익의 자전(自轉)을 일시정지시키는 장치로 터빈회전판(120)에 가변익 스톱파(돌출장치)(220)을 설치하여 가변익이 수압을 받을 수 있도록 한 것을 구성요소로 가짐을 특징으로 하는 가변익 스톱파(돌출) 장치.(종속항)
가변익 회전축(250)의 외부측으로 가변익을 넓혀주어 전체 가변익의 크기를 확대 할 수 있고 동시에 터빈 축(100)에서 가변익 중심까지의 거리를 늘려줌을 구성요소로 하는 가변익 확장 장치.