KR20110093991A - 믹서와 이젝터를 구비한 터빈 - Google Patents

Abstract

믹서/이젝터 풍력/수력 터빈("MEWT") 시스템은 종래의 풍력/수력 터빈의 효율을 통상적으로 초과한다고 알려졌다. 독특한 이젝터 개념이 50% 이상의 잠재적인 파워 발생의 향상을 위해 종래의 풍력/수력 터빈의 많은 작동 특성을 유체역학적으로 향상시키도록 사용된다. 출원인의 바람직한 MEWT 실시예는: 입구를 구비한 공기 역학적으로 형성된 터빈 슈라우드; 고정자 베인의 링; 고정자 베인과 정렬된 회전하는 블레이드(즉, 임펠러)의 링; 및 저 에너지 터빈 출구 유동과 고 에너지 바이패스 유체 유동을 빠르게 혼합하면서 터빈을 통하는 유동 볼륨을 증가시키는 믹서/이젝터 펌프를 포함한다. MEWT는 동일한 정면 영역에 대해 언슈라우드식 MEWT의 3배 이상의 파워를 만들 수 있고, 2개 이상의 인자에 의해 풍력 발전 지역의 생산성을 증가시킬 수 있다. 동일한 MEWT가 보다 안전하고 보다 조용하여, 추진 영역에 대해 풍력 터빈이 향상하게 된다.

Description

믹서와 이젝터를 구비한 터빈{Turbine with Mixers and Ejectors}

본 발명은 전반적으로 축방향 유동 풍력 터빈 및 축방향 유동 수력 터빈과 같은 축방향 유동 터빈에 관한 것이다.

풍력 터빈과 조류 기반의 수력 터빈에 의한 전력 발전 기술이 화석 연료의 의존성을 감소시키기 위한 노력을 일부로서 전 세계적으로 향상되고 있다. 유럽 연합(EU)은 최근에 주된 환경친화적 에너지 프로젝트를 발표하였으며, 이러한 에너지 프로젝트는 풍력을 상당히 사용하며, EU는 미국에 이러한 프로젝트에 참여하도록 요청하였다.

이러한 시스템의 최대 잠재력을 완전하게 달성하기 위해, 여러 문제점/제한이 처리될 필요가 있다. 먼저, 현 풍력/수력 터빈의 구성요소는:

(1) 저속 바람에서의 성능 저하(이는, 대다수의 풍력에 적합한 곳(good-wind site)이 과제로 삼고 있고 산업계가 직면하고 있기 때문에 바람이 적은 곳(small wind site)에 기술을 반드시 집중하기 시작해야 함),

(2) 손상된 프로펠러의 격납 불량성에 따른 안정성과 회전부의 차폐성,

(3) 노이즈 발생원으로부터 멀리 나아갈 수 있는 자극적인 노이즈,

(4) 큰 새의 충돌과 죽음,

(5) (i) 고가의 내치 기어링(internal gearing), 및 (ⅱ) 고속의 바람과 돌풍에 의해 야기된 고가의 터빈 블레이드 교체에 따른 상당한 최우선 복구 비용, 그리고

(6) 도시 및 교외의 설치 불가 및/또는 적용불가능성과 같은 불리한 단점을 갖는다.

상기 기재한 바와 같은 문제점과 제한에 대한 중요 원인 중 하나는 대다수의 현 풍력/수력 터빈 시스템이 동일한 디자인 방법론에 따른다는 것이다. 이 결과, 현재 보여지는 모든 풍력 터빈은 언슈라우드식/언덕트식(슈라우드/덕트가 없는)이고, (매우 길고, 얇으며 구조적으로 취약한) 단지 수개의 블레이드를 구비하고, 그리고 매우 느린 블레이드-허브 속도(이에 따라 발전을 위해 광대한 내치 기어링을 필요로 함)로 회전하지만, (부수적으로 복잡한) 매우 빠른 블레이드-팁 속도를 갖는다. 상기와 같은 풍력 터빈은, 풍력 터빈에 대한 "Betz 이론(Betz Theory)"을 사용하여, 바람으로부터 이용가능한 최대량의 파워를 얻기 위한 동일한 공기 역학적 모델에 모두 기초하므로 모두 유사하며, 상기 Betz 이론은, 아래보다 상세하게 기재한 바와 같은, 유동 소용돌이 영향, 공기 역학적 프로파일 손실 및 팁 유동 손실에 대한 Schmitz 보정을 반영한다. 상기와 같은 Betz 이론에 의해 현재 디자인이 이루어지며, 상기 Betz 이론은 공기 역학적 성능을 향상시킬 여지가 매우 조금 있다. 따라서, 산업계의 노력은 생산 및 수명 비용, 구조적 완전성 등과 같은 풍력 터빈의 여러 모든 비-공기 역학적 측면에 기본적으로 촛점이 맞춰져 있다.

이와 관련하여, 풍력 터빈은 통상적으로 프로펠러-형 장치, 즉 "회전자"를 포함하며, 상기 회전자는 이동하는 공기 스트림과 마주한다. 공기가 회전자를 가격함에 따라, 공기는 회전자가 그 중심축을 중심으로 회전할 수 있는 방식으로 상기 회전자에 외력을 생성한다. 회전자는 기어, 벨트, 체인이나 또는 여러 수단과 같은 연동장치를 통해 발전기나 기계 장치 중 어느 하나에 연결된다. 이러한 터빈은 발전에 사용되고 배터리에 동력을 공급하는데 사용된다. 또한 터빈은 회전 펌프 및/또는 이동 기기 부품을 구동시키는데 사용된다. 대용량의 전기를 만드는 "풍력 발전 지역(wind farm)"에서 풍력 터빈이 발견되는 것은 매우 일반적이며, 서로에 및/또는 주변 환경에서 각각의 상기 터빈에 충격을 최소화하면서 최대 파워 추출이 가능하도록 디자인된 패턴의 다수의 상기 터빈이 상기 풍력 발전 지역에 포함된다.

직경에 비해 매우 큰 폭의 스트림에 회전자가 배치될 때, 유체 파워를 회전 파워로 변환하는 회전자의 성능은 1926년 A. Betz가 저술한 "Betz" 한계로 알려진, 접근하는 스트림의 파워의 59.3%의 이론적인 값으로 한정된다. 이러한 생산성 한계는 특히 도 1a에서 종래 기술로 표시된 전통적인 다수의-블레이드식 축방향 풍력/수력 터빈에 적용가능하다.

"Betz" 한계를 잠재적으로 넘어서는 풍력 터빈 성능을 증가시키려는 시도가 계속되어 오고 있다. 회전자를 둘러싸는 종래의 슈라우드나 덕트가 사용되고 있다. 즉, Hiel 등에게 허여된 미국특허문헌 제7,218,011호(도 1b 참조); de Geus에게 허여된 미국특허문헌 제4,204,799호(도 1c 참조); Oman 등에게 허여된 미국특허문헌 제4,075,500호(도 1d 참조); 및 Tocher에게 허여된 미국특허문헌 제6,887,031호를 참조하기 바란다. 적당하게 설계된 슈라우드에 의해 접근하는 유동이 덕트의 중심에 모여져 속도가 빨라지게 된다. 일반적으로, 적당하게 설계된 회전자에 대해, 이러한 유동 속도가 증가됨에 따라 회전자에 보다 큰 외력이 야기되고 이어서 고 레벨의 파워 추출이 초래된다. 회전자 블레이드가 종종 고속의 바람에 의한 전단력과 인장력 때문에 파괴되곤 한다.

이른바 Betz 한계의 2배의 값이 나타나게 되지만 지속되지는 않는다. AIAA 저널, 저자가 Igar, O이고, 1976년 12월 출판된, Shrouds for Aerogenerators의 1481-1483 페이지와; 저자가 Igar & Ozer이고, 1981년 출판된 Energy Cons. & Management, 21권, Research and Development for Shrouded Wind Turbines의 13-48 페이지와; 그리고 출원인이 작성하여 공개되어 입수가능하며, "덕트식 풍력/수력 터빈 및 프로펠러 재고(Ducted Wind/Water Turbines and Propellers Revisited)"를 명칭으로 하는 AIAA 기술 노트("출원인의 AIAA 기술 노트(AIAA Technical Note)")를 참조하기 바란다. 복사본을 출원인의 정보 공개서에서 살펴볼 수 있다. 그러나, 이러한 청구범위는 실제 적용불가능하고, 현 테스트 결과는 실제 풍력 터빈 분야에서의 상기 장점(gain)의 실현 가능성을 확인할 수 없다.

이러한 파워와 효율이 증가될 수 있도록, 때때로 크게 변하여 들어오는 유체 스트림 속도 레벨을 갖는 슈라우드 및 회전자의 공기 역학적 디자인을 주의깊게 조정할 필요가 있다. 이러한 공기 역학적 디자인은 유동 터빈의 그 주변 환경에서의 계속되는 충격과, 풍력 발전 지역 디자인의 생산성 레벨에 또한 중요한 역할을 한다.

기술 상태를 진보시키기 위한 시도로서, 덕트식(슈라우드식으로도 알려짐) 개념이 오랫동안 실행되고 있다. 전통적인 언덕트식 디자인의 개념에 비해 상당한 장점을 제공할 수 있다는 미약한 정보를 이러한 덕트식 개념이 꾸준히 제공하고 있다. 그러나, 아직까지는, 시장에 진입할 정도로 충분히 성공적이지 못하고 있다. 이는 현 디자인에 대한 수개의 주된 명백한 단점 때문이며, 상기 단점에는 (a) 현 디자인이 프로펠러 기반의 공기 역학 개념 대 터빈 공기 역학의 개념을 일반적으로 사용하고, (b) 현 디자인이 노이즈 개량과 유동 개량에 대한 개념을 사용하지 않고, 그리고 (c) 현 디자인이 언덕트식 구성에 대해 광범위하게 사용되고 있는 덕트식 풍력/수력 터빈 디자인 방법론과 같은 "Betz/Schmitz 이론"에 기초한 제 1 법칙을 사용하지 않는다는 것이 포함된다.

이젝터는, 유동을 시스템으로 끌어당기고, 이에 따라 상기 시스템을 통과하는 유동율을 증가시키는 유체 제트 펌프로 알려져 있다. 믹서/이젝터는 짧고 컴팩트한 버전의 이러한 제트 펌프이며, 상기 제트 펌프는 들어오는 유동 조건에 상대적으로 덜 민감하고 음속에 가까운 유동 속도나 상기 음속을 초과하는 유동 속도를 포함하는 고속 제트 추진 분야에 광범위하게 사용되고 있다. 스러스트를 증가시키면서 배출 노이즈를 감소시키는 믹서 다운스트림을 사용하는, 예를 들면, Dr. Walter M. Presz, Jr에게 허여된 미국특허문헌 제5,761,900호를 참조하기 바란다. 상기 Dr. Presz는 본 출원의 발명자이기도 하다.

가스 터빈 기술은 아직까지 축방향 유동 풍력 터빈에 매우 잘 적용된다. 이러한 단점에는 많은 이유가 있다. 현존 풍력 터빈은 풍력 에너지를 추출하기 위해 슈라우드가 없는 터빈 블레이드를 사용한다. 이 결과, 풍력 터빈 블레이드에 근접하는 상당량의 유동이 블레이드 주위를 유동하지만 상기 블레이드를 통과하지는 않는다. 또한, 공기가 현존 풍력 터빈에 접근함에 따라 공기 속도가 상당히 감소된다. 이러한 효과는 터빈을 통과하는 유동의 속도를 저하시키게 된다. 이러한 저 속도는 고정자/회전자 개념과 같은 가스 터빈 기술의 잠재적인 장점을 최소화시킨다. 이전 슈라우드식 풍력 터빈 접근법은 터빈 블레이드 속도를 증가시키기 위하여 출구 디퓨저에 촛점이 맞춰져 있다. 디퓨저는 성능이 우수하도록 그 길이가 길 필요가 있고, 접근하는 유동 변화에 매우 민감해야 한다. 이처럼 긴, 유동 민감형 디퓨저는 풍력 터빈 설치에 실용적이지 않다. 짧은 디퓨저는 멈춰서 실제 사용시 작동하지 않는다. 또한, 필요한 다운스트림 확산은 가속된 속도에서 필요한 터빈 에너지 추출에 의해 불가능할 수 있다. 이러한 영향은 가스 터빈 기술을 사용하는 보다 효율적인 풍력 터빈에 대한 이전 모든 시도에 나쁜 영향을 미친다.

따라서, 본 발명의 주요 목적은 향상된 유체 역학적 믹서/이젝터 펌프 원리를 사용하여 Betz 한계를 상당히 초과하는 파워 레벨을 연속으로 이송하는 축방향 유동 터빈을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 한 주요 목적은 풍력 발전 지역에서 알려진 바와 같은, 그 주변 근방에 위치한 주변 환경에서의 부수적인 유동장의 충격을 최소화하고 상기 유동장의 생산성을 증대시키는 제어 장치와, (풍력 터빈에 대한) 독특한 유동 혼합을 사용하는 개량된 축방향 유동 터빈을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 한 주요 목적은 회전자를 통해 보다 많은 유동을 펌프하고, 시스템을 빠져나가기 전에 저 에너지 터빈 출구 유동을 고 에너지 바이패스 송풍 유동과 빠르게 혼합하는 개량된 축방향 유동 풍력 터빈을 제공하는 것이다.

본 발명의 특정 목적은 상기 기재한 목적과 적합하며, 추진 영역에서 사용하는데 보다 조용하고 보다 안정적인 터빈을 제공하는 것이다.

동력을 만들기 위한 믹서/이젝터 풍력 또는 수력 터빈 시스템(본 발명에서 "MEWT"라고 함)이 개시되어 있고, 상기 터빈 시스템은 유체 역학적 이젝터 개념, 향상된 유동 혼합 및 제어 장치와, 그리고 조정가능한 파워 터빈을 포함한다.

여러 실시예에 있어서, MEWT는 축방향 유동 터빈이며, 상기 MEWT는 적당하게 나아가는 다운스트림: 입구를 구비한 공기 역학적으로 형성된 터빈 슈라우드; 상기 슈라우드 내의 고정자 링; 고정자와 "일렬로 늘어선(in line)" 임펠러 블레이드의 링을 구비한 임펠러; 상기 터빈 슈라우드에 부착되고, 상기 임펠러 블레이드를 넘어 아래로 뻗어있는 혼합 로브의 링을 구비한 믹서; 그리고 상기 혼합 로브의 상기 링과 상기 혼합 로브를 넘어 아래로 뻗어있는 혼합 슈라우드를 포함한 이젝터를 포함한다. 터빈 슈라우드, 믹서 및 이젝터가 설계되고 배치되어, 터빈을 통하는 최대량의 유체(즉, 바람이나 물)를 빼내고, 후류(wake)에서의 여러 파워 터빈과 주변 환경으로의 충격(즉, 노이즈)(즉, 구조적 손실이나 생산성 손실)을 최소화한다. 종래 기술과 달리, 바람직한 MEWT가 로브나 슬롯이 형성된 믹서 및/또는 하나 이상의 이젝터 펌프와 같은, 향상된 유동 혼합 및 제어 장치를 구비한 슈라우드를 포함한다. 고 에너지 공기가 이젝터 입구로 유동하고, 터빈 슈라우드를 빠져나오는 저 에너지 공기를 외측으로 둘러싸고, 펌프하고 혼합하기 때문에, 현재의 믹서/이젝터 펌프는 항공기 산업 분야에서 사용되는 것과 상당히 상이하다.

바람직한 제 1 실시예에 있어서, MEWT는 혼합 장치를 종단 구역(즉, 터빈 슈라우드의 끝 부분)에서 통합하는 공기 역학적으로 형성된 터빈 슈라우드에 의해 둘러싸인 축방향 유동 터빈과, 별도의 이젝터 덕트를 포함하며, 상기 이젝터 덕트는 개량된 혼합 장치를 그 종단 구역에서 통합하지만, 상기 터빈 슈라우드의 뒷부분에서 겹쳐진다.

선택적인 실시예에 있어서, MEWT는 혼합 장치를 종단 구역에서 통합하는 공기 역학적으로 형성된 터빈 슈라우드에 의해 둘러싸인 축방향 유동 터빈을 포함한다.

바람직한 MEWT의 제 1 원칙에 기초한 이론적인 분석은 상기 MEWT가 동일한 정면 영역에 대해 언슈라우드식 MEWT의 3배 이상의 파워를 발생하고, 풍력 터빈의 경우에, 2개 이상의 인자에 의해 풍력 발전 지역의 생산성을 증가시키는 것을 나타내고 있다.

또한, 유체 스트림으로부터 추가 에너지를 추출하거나 추가 동력을 발생시키는 방법이 개시되었다. 본 발명의 방법은 들어오는 유체를, 믹서 슈라우드 내측의 한 유체 스트림과 상기 믹서 슈라우드 외측의 한 유체 스트림으로 이루어진 2개의 유체 스트림으로 분할하는 믹서 슈라우드를 제공하는 단계를 포함한다. 에너지가 믹서 슈라우드 내측을 통과하고 터빈 스테이지를 통과하는 유체 스트림에서 추출되어, 감소된-에너지의 유체 스트림이 초래된다. 감소된-에너지의 유체 스트림은 다른 유체 스트림과 이후 혼합되어, 2개의 유체 스트림을 혼합하고 저-압력의 영역이 믹서 슈라우드의 다운스트림을 형성하게 하는 일련의 소용돌이를 형성한다. 이 결과 상기와 같은 구성에 의해 추가 유체가 터빈 스테이지를 통해 유동할 수 있다.

본 발명의 여러 목적과 장점이 첨부한 도면을 참조하여 아래 기재된 사항을 참고하면 보다 명확하게 파악될 수 있을 것이다.

도 1a, 도 1b, 도 1c 및 도 1d은 "종래 기술"이라 기재되어 있는, 종래 터빈의 실시예를 도시한 도면이고;
도 2는 본 발명에 따라 구성된, 출원인의 바람직한 실시예의 MEWT의 분해도이고;
도 3은 지지 타워에 부착된 바람직한 MEWT의 전방 사시도이고;
도 4는 임펠러에 부착된 휠-형 구조체 형태의 동력 취출 장치와 같은, 내부 구조를 나타내기 위해 일부가 절결된 상태의, 바람직한 MEWT의 전방 사시도이고;
도 5는 도 4의 고정자, 임펠러, 동력 취출장치 및 지지 샤프트를 개략적으로 도시한 전방 사시도이고;
도 6은 이젝터 슈라우드의 종단 구역(즉, 끝 부분)에 믹서 로브가 형성된, 믹서/이젝터 펌프를 구비한 선택적인 바람직한 실시예의 MEWT를 도시한 도면이고;
도 7은 도 6의 MEWT의 측단면도이고;
도 8은 MEWT를 지지 타워에 회전가능하도록 부착하기 위해, (도 7에서 원으로 둘러싸인) 회전가능한 커플링과 기계적으로 회전할 수 있는 고정자 블레이드 실시예를 확대한 도면이고;
도 9는 프로펠러형 회전자를 구비한 MEWT의 전방사시도이고;
도 10은 도 9의 MEWT의 후방 사시도이고;
도 11은 도 9의 MEWT의 후방 평면도이고;
도 12는 도 11의 선 12-12를 따라 취한 단면도이고;
도 13은 도 9의 MEWT의 전방 평면도이고;
도 14는 유동을 제어하기 위한 2개의 피벗가능한 차단부를 나타낸, 도 13의 선 14-14를 따라 취한 측단면도이고;
도 15는 도 14에서 원으로 둘러싸인 차단부를 확대한 도면이고;
도 16은 바람 정렬을 위해 2개의 선택적인 피벗가능한 윙-탭(wing-tab)을 구비한 MEWT의 선택적인 실시예를 도시한 도면이고;
도 17은 도 16의 MEWT의 측단면도이고;
도 18은 터빈 슈라우드(여기서, 혼합 로브)와 이젝터 슈라우드의 종단 구역에서 2개의 스테이지 이젝터와 혼합 장치(여기서, 슬롯의 링)를 통합하고 있는 선택적인 실시예의 MEWT의 정면도이고;
도 19는 도 18의 MEWT의 측단면도이고;
도 20은 도 18의 MEWT의 배면도이고;
도 21은 도 18의 MEWT의 전방 사시도이고;
도 22는 터빈 슈라우드와 이젝터 슈라우드의 종단 구역에서 2개의 스테이지 이젝터와 혼합 로브를 통합하는 선택적인 실시예의 MEWT의 전방 사시도이고 ;
도 23은 도 22의 MEWT의 후방 사시도이고;
도 24는 도 22의 터빈 슈라우드 내의 선택적인 음향 라이닝을 도시한 도면이고;
도 25는 원형이 아닌 슈라우드 구성요소를 구비한 MEWT의 도면이고; 및
도 26은 터빈 슈라우드의 종단 구역(즉, 끝 부분)에서 믹서 로브를 구비한 바람직한 선택적인 실시예의 MEWT를 도시한 도면이다.
도 27은 덕트 파워 시스템에 사용된 형상과 명칭을 도시한 도면이다.
도 28은 언덕트식 터빈에 대한 Schmitz 보정을 도시한 그래프이다.
도 29는 한 방정식에 대한 개략적인 솔루션과 정확한 솔루션 사이의 대응 정도를 나타낸 그래프이다.
도 30은 덕트식 풍력/수력 터빈의 최대 파워 방정식에 대한 정확한 솔루션과 개략적인 솔루션 사이의 대응 정도를 나타낸 그래프이다.
도 31(a), 도 31(b), 및 도 31(c)는 덕트식 풍력/수력 터빈과 관련된 결과를 도시한 도면이다.
도 32(a), 도 32(b), 도 32(c), 및 도 32(d)는 단일-스테이지와 복수-스테이지의 MEWT를 도시한 도면이다.
도 33은 단일-스테이지 MEWT에 사용된 형상과 명칭을 도시한 도면이다.
도 34는 믹서-이젝터 시스템, 덕트 시스템, 및 언덕트식 시스템에 의해 추출될 수 있는 예측가능한 Betz 등가의 최대 파워를 도시한 그래프이다.
도 35는 믹서 슈라우드를 통과하는 보다 저속의 공기 유동을 도시한 도면이다.
도 36은 믹서 슈라우드 주변에서의 보다 빠른 공기의 유동을 도시한 도면이다.
도 37은 보다 고속의 공기 스트림과 보다 저속의 공기 스트림이 만나는 것을 도시한 도면이다.
도 38은 보다 고속의 공기 스트림과 보다 저속의 공기 스트림이 만나서 형성되는 소용돌이를 도시한 도면이다.
도 39는 믹서 슈라우드에 의해 형성된 일련의 소용돌이를 도시한 도면이다.
도 40은 믹서 슈라우드의 단면도이다.

일차원 엑츄에이터 디스크 모델에 있어서, 터빈이나 프로펠러의 효과는 불연속성 추출이나 추가 파워로 얻어진다. 도 27에는 보다 일반적인 덕트 케이스에 대한 형상과 명칭이 나타나 있다. 덕트 크기와 부수적인 외력(Fs)이 0만큼 줄어들도록 허용될 때, 언덕트식 케이스가 복구된다. 터빈/프로펠러 블레이드와 관련하여 불연속일 뿐만 아니라 무한 업스트림과 다운스트림에서의 유입 및 유출을 포함한 제어 볼륨 분석을 사용하여, 저 속도 및/또는 비압축성 유체에 대한 질량, 운동량 및 에너지 보존은 아래 기재된 바와 같은 파워 및 스러스트에 대한 방정식을 야기한다:

방정식 (1): 파워

방정식 (2): 스러스트

이들 방정식은 먼저 차원 형태를 나타내고 이후 이들 방정식이 무차원 형태를 나타낼 것이다. 파워(P), 스러스트(T), 자유 스트림 속도(Va) 및 다운스트림 코어 속도(Vo)와 같은 4개의 변수가 있다는 것을 알 수 있다. 풍력/수력 터빈의 경우에, 단지 전방 속도(Va)가 알려졌고 이에 따라 다른 하나의 독립 방정식이 요구되어 설정값에 가깝게 된다. 이로써 최대 파워, 즉 P가 최대일 경우의 Vo의 값을 얻을 조건을 찾을 수 있게 된다. 이는 차분 방정식 (1)을 0으로 설정함으로써 얻어지며, 아래 기재된 바와 같은 "Betz" 한계가 얻어진다:

방정식 (3): Betz 최대 파워 한계

이러한 결과는 풍력/수력 터빈 디자인에 기본적으로 중요하다. 터빈 블레이드의 상세한 공기 역학적 디자인의 단면 형상의 코어 부재가 상기 터빈 블레이드의 반경 방향을 따라 사용되어, 상기 블레이드를 통과하는 총 유동으로부터 이용가능한 최대 파워가 얻어지는 것이 보장된다. 블레이드의 유동 뒷부분에서의 잔여 소용돌이에 의한 얻어진 파워의 감소, 블레이드 팁 손실, 및 공기 역학적 프로파일 손실을 고려하기 위해 추가적인 조정이 블레이드 디자인에 행해진다(이들 모두를 Schmitz 보정이라 함). Betz 파워 추출 한계 근처 어느 곳에서나 얻어지는 중요한 현상을 강조하기 위해, 이들 손실 효과가 도 28에 재연되고, 터빈 블레이드는 다수의 블레이드를 구비하거나 높은 팁 속도로 반드시 회전하여야 하고, 고 종횡비를 갖고, 계수를 유도하도록 고 양력을 갖는다. 도 1a의 종래 기술에 도시된 터빈을 예로 든 바와 같이, 현재 볼 수 있는 모든 터빈은 이러한 Betz-Schmitz 분석 모델의 공기 역학적 요구조건에 대응하고 있다.

프로펠러 추진 경우를 다시 살펴보면, 방정식 (1)은 아래 방정식과 같이 적용될 수 있다:

방정식 (4a)

본 발명에서 새로운 파워-기반의 특징적인 속도(Vp)(이러한 "파워" 속도는 달리 사용된 디스크 하중 계수와 밀접하게 관련됨)는 다음과 같이 정의된다:

방정식 (4b)

그리고 편리를 위해, 속도비가 아래 기재된 바와 같이 간단하게 나타내어졌다:

방정식 (4c)

방정식 (4d)

방정식 4a의 정확한 솔루션이 아래 기재된 바와 같이 주어지고:

방정식 (4e)

이는 테일러 급수를 사용하여 아래 기재된 바와 같이 근사치가 구해질 수 있다:

방정식 (4f)

도 29에 도시된 바와 같이, 이러한 근사 방정식 (4e)은 대단히 광범위한 Vap를 갖는다. 이는 프로펠러 스러스트에 대해 조차도 보다 잘 적용될 수 있고, 방정식 (4e)이나 방정식 (2)의 근사 방정식 (4f) 중 어느 한 방정식을 사용하여 산출될 수 있다. 또한, 결과값이 본 발명에서 아래 기재된 식으로 정의된 프로펠러 스러스트 계수(C_T)로써 도 29에 나타나 있다:

방정식 (4g)

다시 말하자면 도 29로부터 방정식 (4f)의 사용에 의해 정확한 솔루션의 개념(representation)이 다음과 같이 제공된다는 것을 알 수 있다:

방정식 (4h)

방정식 (1) 내지 방정식 (4)는 파워 발생 풍력/수력 터빈에 대한 완전한 개념을 제공한다. 이들 방정식은 덕트식 구성과 이후 믹서-이젝터 구성에 대해 먼저 일반화되었다.

덕트식 구성에 대해 방정식 (1) - 방정식 (4)에 나타난 엑츄에이터-디스크 기반의 분석 모델의 확장이 바로 아래 기재되었다. 도 27을 다시 살펴보면, 파워 방정식과 스러스트 방정식은 아래 기재된 바와 같다:

방정식 (5): 파워

방정식 (6): 스러스트

이들 방정식은 명백하게 슈라우드/덕트 외력(Fs)을 고려(retain)하고, 유동장에 영향을 미친다. 외력(Fs)은 슈라우드/덕트에 의해 형성된 링 에어포일에 대한 유도 순환을 통해 현 무점성 유동 모델로 만들어진다.

이들 방정식은 유동 경계 조건을 유도하고 종래 제시되고 사용되는 모델을 보정한다. 덕트식 풍력/수력 터빈에 대한 일차원 엑츄에이터 디스크 모델의 이전 모든 적용예에 있어서, 방정식은 덕트 출구면(Ad)에서의 다운스트림 경계 조건과 같은 압력 레벨을 부가함으로써 완성(close)된다.

이러한 주요 보정은 덕트식 구성에 대한 Betz 한계-파워를 만드는데 가장 중요하다. 방정식 5로부터 덕트식 풍력/수력 터빈에 대한 최대 파워가 다음과 같이 제시된다:

방정식 (7): 덕트식 풍력/수력 터빈 파워 한계

여기서 무차원 슈라우드/덕트 외력 계수가 다음과 같이 제시된다:

방정식 (7b)

도 30에 도시된 바와 같이, 이러한 모델은 언덕트식 케이스(Cs=0)를 채택하였지만 매우 다양한 덕트식 풍력/수력 터빈 중 하나를 채택할 수도 있다. 또한 테일러 급수 근사 방정식 (7a)이 아래와 같이 주어지고:

방정식 (7c)

이는 대단히 광범위하게 적용될 수 있다.

방정식 (7a) - 방정식 (7c)는 소용돌이 손실 및 공기 역학적 프로파일 손실에 대한 결과치를 보정하는 Schmitz형 분석에 대한 기초뿐만 아니라 블레이드를 통과하는 유동으로부터 이용가능한 최대 파워를 얻을 수 있도록, 터빈/프로펠러 블레이드의 상세한 디자인의 단면 형상에 미싱(missing) Betz형 코어 부재를 제공한다.

가장 중요한 것은, (a) 덕트식 프로펠러가 이론적으로 노출된 풍력/수력 터빈의 다수 배의 파워를 얻을 수 있고, 그리고 (b) 단일의 파라미터(Cs)가 덕트에 대한 순환과 관련하여, 유동으로부터 추출될 수 있는 최대 파워를 결정한다는 것이다. 블레이드 디자인과 상기 블레이드를 둘러싸는 덕트를 연결하는 이러한 현 명백한 관계는 파워 추출이 최적이 되도록 반드시 만족되어야 한다. 이러한 새로운 모델 제어로, 풍력/수력 터빈의 디자인에 대한 합리적인 접근법은 최대 파워의 출력이 이용가능하도록 잠재적으로 진행될 수 있다.

완전한 한 세트의 관련 결과가 도 31(a), 도 31(b), 및 도 31(c)과 아래 식에 제시되어 있다.

방정식 (7d)

방정식 (7e)

방정식 (7f)

방정식 (7g)

방정식 (7h)

도 27의 출구면(Ad)에서의 유동 조건은 파워 추출이 최대가 되기 위해, 덕트 출구 압력 계수 및 출구 영역 확산비는 다음과 같은 관계를 반드시 만족하도록, 베르누이 방정식을 사용하여 계산될 수 있다:

방정식 (7i)

여기서 면적비는 다음과 같이 간단한 식으로 제시된다:

방정식 (7j)

그리고 결과치가 2개의 덕트 영역 확산 비에 대해 도 31(c)에 도시되어 있다.

단일-스테이지 믹서-이젝터 및 복수-스테이지 믹서-이젝터에 대해 매우 복잡하고 독특한 디자인 시스템 및 방법론이 아음속의 덕트 파워 시스템을 향상시키도록 적용될 수 있다. 단일 스테이지 믹서-이젝터 풍력/수력 터빈 시스템의 케이스에 대해 도 33에서 도시된 유동 구성이 유도하는, 복수의-스테이지 믹서를 통해 도 27에 도시된 덕트식 구성의 유동장까지의 유동에 대한 방정식과 관련시킬 필요가 있다.

상기 언덕트식 케이스 및 덕트 케이스에 대한 동일한 절차가 주어지고, 이젝터 덕트 내부의 질량, 운동량 및 에너지 보전이 포함되어, 3개의 방정식이 다음과 같이 주어진다:

방정식 (8): 파워

방정식 (9): 총 운동량 균형

여기서 슈라우드/덕트 및 이젝터 외력(force) 계수가 다음과 같이 정의된다:

방정식 (9b)

방정식 (10a): 이젝터 유동

여기서 이젝터 입구 영역 파라미터(rs)가 다음과 같이 정의된다:

방정식 (10b)

풍력/수력 터빈의 경우에, 이러한 시스템 방정식이 방정식 (8)을 미분하고, 방정식 (9) 및 방정식 (10a)로부터 관련 항을 치환하고, 미분계수를 0으로 설정하고, 반복적으로 풀어서 믹서-이젝터에 의한 추출에 대한 Betz 등가 최대 파워를 결정하는데 사용될 수 있다. 결과치는 노출된 프로펠러 최대치에 대한 추출된 파워 비로, 즉 Betz 한계로 도 34에 나타나 있다:

방정식 (11)

믹서-이젝터가 언덕트식 케이스(Cse=0, Ae/A_D=1) 뿐만 아니라 덕트 케이스(0>Cse>0, Ae/A_D=1)의 최대 파워 추출을 잠재적으로 초과하는 최대 파워 추출을 상당히 증가시키는 것을 알 수 있다. 도 34는 노출된 터빈 케이스에 덕트 케이스에서 보다 70% 더 큰 2배 및 3배의 레벨이 얻어질 수 있다는 것을 나타낸다.

믹서-이젝터 파워 시스템(MEPS)은 공기나 물의 배출 제트를 사용하여, 바람이나 수류로부터 파워를 발생시키고 추진 스러스트를 발생시키는 독특하고 개량된 수단을 제공한다.

MEPS는:

· 파워를 추출하거나 파워를 주요 스트림에 부가하는 프로펠러 블레이드나 터빈을 포함하는 주요 덕트; 및

· 제 2의 유동을 일으키고 유동 혼합-길이를 이젝터 스테이지에 제공하기 위해 혼합 덕트를 포함한 각각의 믹서/이젝터 스테이지를 구비하고 유동을 빨아들이는 단일의-스테이지 믹서-이젝터 또는 복수의-스테이지 믹서-이젝터를 포함한다. 혼합 덕트 입구 외형은 유동 손실을 최소화하면서 우수한 이젝터 성능에 필요한 압력을 제공하도록 설계된다.

최종 믹서/이젝터는 (a) 파워 시스템을 통하는 유동량의 증가, (b) 터빈 블레이드에서의 배압력의 감소, 및 (c) 상기 파워 시스템에서 전달되는 노이즈의 감소에 의한 상기 파워 시스템의 작동 특성을 높인다.

MEPS는:

· 시스템으로의 유동량과 상기 시스템을 통하는 유동량을 증대시키기 위한 덕트 프로파일 캠버(camber);

· 유동 소용돌이 효과를 감소시키도록 형성된 유동 소용돌이 및/또는 믹서-로브 제어를 위해 주요 덕트 내의 노이즈 경감 유동 가이드 베인용 주요 덕트 및 혼합 덕트에서의 음향 처리부;

· 복수의 및/또는 반대로 회전하는 열의 블레이드를 구비한 짧고, 구조적으로 강성인 구성부를 개량시키기 위해 새로운 이론적 파워 한계에 기초한 터빈형 블레이드의 공기 역학적 디자인;

· 전반적인 시스템의 성능을 더욱 향상시키기 위해 혼합 덕트 상의 출구 디퓨저 또는 노즐;

· 설치 한계를 조정하도록 원형이 아닌 단면을 갖는 입구 영역과 출구 영역;

· 상기 시스템이 바람이나 수류로 회전할 수 있도록 수직형 스탠드/파이론(stand/pylon)에 장착하기 위한, 그 아래쪽 외측면 상의 스위블 조인트;

· 상기 시스템이 바람이나 수류를 향하도록 유지시키기 위해 탭을 구비한 덕트의 외측에 장착된 수직형 공기 역학적 안정기 베인; 또는

· 복수-스테이지 이젝터 시스템 중 단일 스테이지 상의 믹서 로브를 포함한다.

도면을 상세히 살펴보면, 도 2 - 도 25에는 본 출원인의, 믹서와 이젝터를 구비한 축방향 유동 풍력/수력 터빈("MEWT")의 선택적인 실시예가 도시되어 있다.

바람직한 실시예에 있어서(도 2, 도 3, 도 4, 도 5 참조), MEWT(100)는 축방향 유동 터빈이고, 이 축방향 유동 터빈은:

(a) 공기 역학적으로 형성된 터빈 슈라우드(102);

(b) 상기 터빈 슈라우드(102) 내에 위치되어 부착된, 공기 역학적으로 형성된 중앙 몸체(103);

(c) (i) 상기 고정자 베인(즉, 108a)이 상기 중앙 몸체(103)에 장착되고; 및

(ⅱ) 상기 임펠러 블레이드(즉, 112a)가 상기 중앙 몸체(103)에 장착된 테(hoop) 또는 내외측 링에 의해 함께 부착되어 유지되는 상태에서, 상기 중앙 몸체(103)를 둘러싸고, 고정자 베인과 일렬로 늘어서고(즉, 임펠러 블레이드의 리딩 에지는 고정자 베인의 트레일링 에지와 실질적으로 정렬됨) 그 아래쪽의 임펠러, 즉 회전자 블레이드(즉, 112a)를 구비한 임펠러 즉 회전자(110)와 고정자 베인(즉, 108a)의 고정자 링(106)을 포함한 터빈 스테이지(104);

(d) 믹서 로브(즉, 120a)가 임펠러 블레이드(즉, 12a)를 넘어 아래로 뻗어있는 상태에서, 터빈 슈라우드(102)의 종단 구역(즉, 끝 부분) 상의 믹서 로브(즉, 120a)의 링을 구비한 믹서(118); 그리고

(e) 믹서 로브(즉, 120a)가 이젝터 슈라우드(128)의 입구(129) 아래로 그리고 상기 입구 내로 뻗어있는 상태에서, 상기 터빈 슈라우드의 믹서 로브(즉, 120a)의 링을 둘러싸는 슈라우드(128)를 포함한 이젝터(122)를 포함하고 있다.

도 7에 도시된 바와 같은 MEWT(100)의 중앙 몸체(103)는 고정자 링(106)(또는 여러 수단)을 통해 터빈 슈라우드(102)와 바람직하게 연결되어, 터빈의 블레이드 후류가 지지 타워를 타격함에 따라 전통적인 풍력 터빈에 의해 만들어지고, 손상을 입히고, 부식시키며 긴 거리 전파되는 저-주파수 음향을 제거할 수 있다. 바람직하게 터빈 슈라우드(102)와 이젝터 슈라우드(128)의 공기 역학 프로파일은 터빈 회전자를 통하는 유동이 증가하도록 공기 역학적으로 캠버된다.

출원인은 바람직한 실시예(100)에 있어서, 최적의 효율을 산출하였으며, 이로서 이젝터 슈라우드(128) 출구 영역을 터빈 슈라우드(102) 출구 영역으로 나눈 이젝터 펌프(122)의 면적비가 1.5와 3.0 사이일 수 있다. 믹서 로브(즉, 120a)의 갯수는 6과 14 사이일 수 있다. 각각의 로브는 5도와 25도 사이의 내측 트레일링 에지 각도와 외측 트레일링 에지 각도를 갖는다. 주요 로브 출구 위치는 이젝터 슈라우드(128)의 입구(129)나 또는 입구 위치이며, 또는 이들 입구 근방일 수 있다. 로브 채널의 높이-대-폭의 비는 0.5와 4.5 사이일 수 있다. 믹서 통과율은 50%와 80% 사이일 수 있다. 중앙 몸체(103) 플러그 트레일링 에지 각도는 30도이거나 그 이하의 각도일 수 있다. 전체 MEWT(100)의 길이 대 직경비(L/D)는 0.5와 1.25 사이일 수 있다.

본 출원인에 의해 행해진 바람직한 MEWT(100)의 제 1 원칙 기반의 이론적인 분석은: MEWT가 동일한 정면 영역에 대해 그 언슈라우드식 대응물의 3배 이상의 파워를 만들 수 있고; 및 상기 MEWT는 2개 이상의 인자에 의해 풍력 발전 지역의 생산성을 증가시킬 수 있다는 것을 나타낸다. 이론적인 분석에 사용된 방법론과 방식에 대해, 상기 배경 기술에서 확인한 본 출원인의 AIAA 기술 노트(AIAA Technical Note)을 참조하기 바란다.

이러한 이론적인 분석에 기초하여, 바람직한 MEWT(100)의 실시예가 동일한 크기의 종래의 풍력 터빈(도 1a에 도시됨)의 현재 파워의 3배를 보장한다는 것을 알 수 있다.

간단하게 표현하자면, 바람직한 실시예의 MEWT(100)는 혼합 장치를 종단 구역(즉, 끝 부분)에서 통합하는 공기 역학적으로 형성된 터빈 슈라우드(102)에 의해 둘러싸인 축방향 유동 터빈(즉, 고정자 베인과 임펠러 블레이드); 및 상기 터빈 슈라우드(102)의 뒷부분에서 겹쳐지는 별도의 이젝터 슈라우드(즉, 128)를 포함하며, 상기 슈라우드 자체는 그 종단 구역에서 개량된 혼합 장치(즉, 믹서 로브)를 통합할 수 있다. 이젝터 슈라우드(128)와 결합된 믹서 로브(즉, 120a)의 본 출원인의 링(118)이 믹서/이젝터 펌프로 고려될 수 있다. 이러한 믹서/이젝터 펌프는 풍력 터빈의 작동 효율에 대한 Betz 한계를 연속으로 초과하는 수단을 제공한다.

또한 본 출원인은 도 2a, 도 2b에 도시된 MEWT(100)의 바람직한 실시예에 대한 부가 정보를 제공한다. 형성된 믹서 로브(즉, 120a)가 이젝터 슈라우드(128)의 입구면에 약간 삽입된 트레일링 에지를 구비한 상태에서, 상기 MEWT는 터빈 슈라우드(102)에 의해 둘러싸이고, 중앙 몸체(103) 상에 장착된 터빈 스테이지(104)를 포함한다(즉, 고정자 링(106)과 임펠러(110)를 구비). 터빈 스테이지(104)와 이젝터 슈라우드(128)는 터빈 슈라우드(102)와 구조적으로 연결되고, 이 슈라우드 자체는 주요 하중 이송 부재이다.

터빈 슈라우드(102)의 길이는 상기 터빈 슈라우드의 최외측 직경과 동일하거나 그보다 작다. 이젝터 슈라우드(128)의 길이는 상기 이젝터 슈라우드의 최외측 직경과 동일하거나 그보다 작다. 중앙 몸체(103)의 외측면은 MEWT(100)의 아래쪽 유동 분리 효과가 최소화되도록 공기 역학적으로 형성된다. 상기 중앙 몸체의 외측면은 터빈 슈라우드(102)나 이젝터 슈라우드(128), 또는 이들 슈라우드(102, 128)의 결합된 길이보다 더 길거나 더 짧을 수 있다.

터빈 슈라우드의 입구 영역과 출구 영역은 터빈 스테이지(104)에 의해 점유된 환형체의 영역과 동일하거나 그보다 더 크지만, 형상이 원형일 필요가 없으므로 유동 원(source)과 그 후류의 충격을 보다 잘 제어할 수 있다. 중앙 몸체(103)와 터빈 슈라우드(102)의 내측면 사이의 환형체에 의해 형성된 내측 유동 경로 단면 영역은 공기 역학적으로 형성되어, 터빈의 평면에서 최소 영역을 갖거나 그렇지 않으면 각각의 입구면에서 출구면까지 매끄럽게 변한다. 터빈과 이젝터 슈라우드의 외측면은 공기 역학적으로 형성되어, 유동을 터빈 슈라우드 입구로 가이드하는데 도움이 되고, 그 표면으로부터 유동 분리를 제거하는데 도움이 되고, 고요한 유동을 이젝터 입구(129)로 이송하는데 도움이 된다. 형상이 원형이 아닌 이젝터(128) 입구 영역(즉, 도 25 참조)은 믹서(118) 출구면 영역보다 더 크고, 이젝터의 출구 영역도 또한 그 형상이 원형이 아닐 수 있다.

바람직한 실시예(100)의 부가적인 특징은: 휠형 구조체의 형태로, 임펠러(110)의 외측 림(outer rim)에서 파워 제너레이터(도시 생략)에 기계적으로 결합된 동력 취출장치(130, power take-off)(도 4 및 도 5 참조); MEWT를 자가 정렬시키기 위해 상기 MEWT의 압력 중심 위치 전방에 위치되고, 상기 MEWT를 회전가능하게 지지하기 위한, 부재번호 134의 회전가능한 커플링을 구비한 수직 지지 샤프트(132)(도 5 참조); 및 상이한 바람의 스트림으로 정렬 방향을 안정화시키기 위하여, 이젝터 슈라우드(128)의 상부면과 하부면에 고정되는 자가 이동형 수직 안정기, 즉 "윙-탭(wing-tab, 136)"(도 4 참조)을 포함한다는 것이다.

MEWT(100)가 거주지 근방에 사용될 때, 상기 MEWT(100)는 그 슈라우드(102, 128)의 내측면에 부착된 음향 흡수 재료(138)를 구비하여(도 24 참조), 임펠러(110)와 고정자(106) 후류의 상호작용에 의해 발생된 비교적 고 주파수의 음파를 흡수하여 제거할 수 있다. MEWT는 안전한 블레이드 격납 구조체(도시 생략)를 또한 포함할 수 있다.

도 14, 도 15에는 선택적인 유동 차단 도어(140a, 140b)가 도시되어 있다. 이들 도어는 연동장치(도시 생략)를 통해 유동 스트림으로 회전하여, 고 유동 속도에 따른 제너레이터나 여러 구성요소에 대한 손상이 발생할 때, 터빈(100)을 통하는 유동을 감소시키거나 멈추게 할 수 있다.

도 8은 출원인의 바람직한 MEWT(100)의 다른 한 선택적인 실시예를 도시한 도면이다. 고정자 베인의 출구-입사각이 제 위치에서 기계적으로 변경되어(즉, 베인이 피벗되어) 회전자를 빠져나오는 유동에서의 잔여 소용돌이가 최소가 되도록 유체 스트림 속도의 변화를 조정할 수 있다.

도 9 - 도 23 및 도 26에 도시된, 본 출원인의 선택적인 실시예의 MEWT에 있어서, 이들 각각의 실시예는 임펠러 블레이드의 링을 구비한 터빈 회전자보다는 프로펠러형 회전자(즉, 도 9에서 부재번호 142)를 사용한다는 것을 알기 바란다. 이들 실시예는 효율적이지 않지만 공공연히 보다 더 적용될 수 있다.

본 출원인의 선택적인 실시예의 MEWT로서, 필요하다면 믹서가 이젝터 슈라우드의 종단 구역(즉, 끝 부분)에 통합된 상태로, 스테이지가 없는 이젝터(즉, 도 26 참조), 하나의-스테이지 이젝터와 2개의 스테이지 이젝터에 대한 변형예(200, 300, 400, 500)가 있다. 즉, 이젝터 슈라우드의 종단 구역에 통합된 믹서에 대한 도 18, 도 20 및 도 22를 살펴보기 바란다. 분석은 이러한 MEWT 실시예가 현존 풍력 터빈의 후류에서 발생하는 고유의 속도 결함을 보다 신속하게 제거하고 이에 따라 풍력 발전 지역에서 요구되는 이격 거리를 감소시켜서, 구조적 손상 및/또는 생산성 손실을 피할 수 있다는 것을 나타내고 있다.

도 6은 이젝터 슈라우드의 종단 구역에서 믹서를 구비한 도시된 실시예(100)에 대한 "2개의 스테이지" 이젝터 변형예(600)를 도시한 도면이다.

본 명세서에 기재된 이젝터 디자인 개념은 유체 동적 성능을 상당히 향상시킬 수 있다. 도 32(a) 내지 도 32(d)에는 기본적인 개념이 도시되어 있고 이러한 기본적인 개념은 와류형 로브-믹서의 사용을 포함하여 단일 스테이지 이젝터와 복수-스테이지 이젝터를 통하는 유동을 향상시킨다. 이들 믹서-이젝터 시스템은 이젝터를 구비하거나 구비하지 않는 종래의 시스템을 넘어서는, 아래 기재된 바와 같은 다수의 장점: 보다 짧은 이젝터 길이; 상기 시스템으로 그리고 상기 시스템을 통과하는 증가된 질량 유동; 입구 유동 차단에 대한 저 민감도 및/또는 주 유동 방향과의 오정렬; 감소된 공기 역학적 노이즈; 부가된 스러스트; 및 주 출구에서의 증가된 흡입 압력을 제공한다.

에너지나 파워가 만들어지는 방법이나, 유체 터빈의 에너지나 파워가 증가되는 방법이나, 또는 유체 스트림으로부터 에너지량이 추가로 추출되는 방법이 도 35 - 도 40에 도시되어 있다. 일반적으로, 유체 터빈은 (a) 상기 유체 터빈을 통과하는 제 1의 유체 스트림과, (b) 상기 유체 터빈을 바이패스하는 제 2의 유체 스트림을 형성하는 수단을 구비한다. 또한 유체 터빈은 제 1의 유체 스트림에서 에너지를 추출하는 수단을 구비한다. 터빈은 제 1의 유체 스트림과 제 2의 유체 스트림을 형성하는 유체 스트림과 접촉하여 배치된다. 감소된-에너지의 유체 스트림을 형성하기 위해 제 1의 유체 스트림으로부터 에너지가 추출된다. 감소된-에너지의 유체 스트림은 제 2의 유체 스트림으로부터 감소된-에너지의 유체 스트림까지 에너지를 이송시키기 위해 제 2의 유체 스트림과 혼합된다. 이러한 혼합에 의해 부가 유체가 제 1의 유체 스트림과 합쳐지고, 터빈을 통하는 유동 볼륨을 증대시키고 추출되는 에너지량을 증가시킨다. 또한 감소된-압력 영역은 2개의 유체 스트림의 혼합으로부터 초래된다.

도 35 및 도 36에 도시된 바와 같이, 믹서 슈라우드(800)는 터빈 스테이지(도시 생략)와 같은 파워 추출 유닛을 둘러싼다. 믹서 슈라우드(800)는 들어오는 유체(즉 바람이나 물)를, 믹서 슈라우드 내측을 통과하고 파워 추출 유닛을 통과하는 제 1 유체 스트림(810)과, 상기 믹서 슈라우드 외측을 통과하고 상기 파워 추출 유닛을 바이패스하는 제 2 유체 스트림(820)으로 분리시킨다. 믹서 슈라우드(800)는 출구(802)나 출구 단부를 구비한다. 복수의 믹서 로브(830)는 이러한 출구(802) 주변에 배치된다. 또한 믹서 슈라우드(800)는 불꽃형 입구(808)를 구비하고 있다. 이러한 믹서 슈라우드(800)는 제 1의 유체 스트림과 상기 형성된 제 2의 유체 스트림을 형성하는 수단에 대응한다. 감소된-에너지의 유체 스트림(812)이 파워 추출 유닛을 통과한 이후에, 출구(802)를 빠져나간다.

도 40의 단면도로부터 알 수 있는 바와 같이, 각각의 믹서 로브(830)는 외측 트레일링 에지 각도(α)와 내측 트레일링 에지 각도(β)를 갖는다. 믹서 슈라우드(800)는 중심 축선(804)을 갖는다. 각도(α 및 β)는 중심 축선에 평행하고, 믹서 슈라우드의 입구면(806)에 수직하고, 상기 믹서 슈라우드의 표면(805)을 따라, 평면(840)에 대해 측정된다. 각도는 믹서 로브를 형성하도록 분기가 시작되는 정점(842)으로부터 측정된다. 외측 트레일링 에지 각도(α)는 믹서 로브의 트레일링 에지 상의 최외측 지점(844)에서 측정되는 한편, 내측 트레일링 에지 각도(β)는 믹서 로브의 트레일링 에지 상의 최내측 지점(846)에서 측정된다. 여러 실시예에 있어서, 외측 트레일링 에지 각도(α)와 내측 트레일링 에지 각도(β)는 상이하고, 다른 여러 실시예에서 상기 각도(α및 β)는 동일하다. 특정 실시예에 있어서, 내측 트레일링 에지 각도(β)는 외측 트레일링 에지 각도(α)보다 더 크거나 더 작다. 상기 기재한 바와 같이, 이들 각각의 각도는 5도 내지 25도의 범위 내에서 독립적일 수 있다.

터빈 스테이지는 에너지나 파워를 만들거나 생성하도록 에너지를 제 1의 유체 스트림으로부터 추출한다. 터빈 스테이지 이후에, 제 1의 유체 스트림이 또한 포스트(post)-터빈 제 1의 유체 스트림이거나 감소된-에너지의 유체 스트림(812)일 수 있으며, 이는 터빈 스테이지에 들어오기 전보다 에너지를 덜 포함한다는 사실을 반영한다. 도 35에 도시된 바와 같이, 믹서 슈라우드(800)의 형상에 의해 제 1의 유체 스트림(810)이 터빈을 통과한 이후에 외측으로 불꽃형상처럼 나아간다. 달리 말하자면, 믹서 슈라우드(800)는 감소된-에너지의 유체 스트림(812)을 중심 축선(804)으로부터 멀리 나아가게 한다.

도 36에 도시된 바와 같이, 믹서 슈라우드(800)의 형상에 의해 제 2의 유체 스트림(820)이 내측 유동하게 된다. 달리 말하자면, 믹서 슈라우드(800)는 제 2의 유체 스트림(820)을 중심 축선(804) 쪽으로 나아가게 한다.

도 37에 도시된 바와 같이, 포스트-터빈 제 1의 유체 스트림(812)과 제 2의 유체 스트림(820)은 따라서 각도(ω)를 형성한다. 각도(ω)는 전형적으로 10도와 50도 사이이다. 믹서 슈라우드의 이러한 디자인은 유리하게도 축방향 소용돌이도(vorticity)를 갖도록 2개의 유체 스트림을 혼합한다.

도 38 및 도 39에 도시된 바와 같이, 2개의 유체 스트림(812, 820)이 만나 2개의 유체 스트림의 "능동형(active)" 혼합을 발생한다. 이러한 "능동형" 혼합은 2개의 평행한 유체 스트림의 경계를 따라서만 일반적으로 발생하는 "수동형(passive)" 혼합과 상이하다. 이와 달리, 능동형 혼합은 2개의 유체 스트림에서 실질적으로 보다 큰 에너지 전달을 초래한다. 더욱이, 감소된 압력, 즉 저 압력(860)의 볼륨은 믹서 슈라우드(800)의 하류나 뒤에서 초래된다. 믹서 슈라우드의 소용돌이와 감소된 압력의 다운스트림은 이 결과 제 1의 유체 스트림(810)으로의 보다 많은 유체를 끌어당기고 파워 추출 유닛/터빈 스테이지가 들어오는 유체로부터 보다 많은 에너지를 추출할 수 있다. 달리 말하자면, 소용돌이와 감소된 압력에 의해 터빈 스테이지의 주요 유체(810) 업스트림이 믹서 슈라우드로 가속될 수 있다. 상이하게 기재되었지만, 감소된 압력/저 압력에 의해 추가 유체가 믹서 슈라우드 외측을 통과하기 보다는 믹서 슈라우드를 통해 비말 동반(entrain)될 수 있다.

도 38은 하나의 믹서 로브 주위에서 감소된-에너지의 유체 스트림(812)과 제 2의 유체 스트림(820)이 만나서 형성된 소용돌이(850)를 도시한 도면이다. 도 39는 믹서 슈라우드의 출구(802)에서 복수의 믹서 로브(830)에 의해 형성된 일련의 소용돌이를 도시한 도면이다. 이들 소용돌이는 믹서 슈라우드(800) 뒤쪽에 형성된다. 또한 이러한 조합은 제 1 출구 스트림(870)이라 할 수 있다. 이러한 디자인의 다른 한 장점은 능동적 혼합에 의해 형성된 일련의 소용돌이가 난류를 발생시키는 터빈 아래쪽 거리를 감소시킨다는 것이다. 종래의 터빈에 의하면, 최종 다운스트림 난류는 다운스트림 터빈이 피로 파괴를 감소시키도록 업스트림 터빈의 직경의 10배의 거리만큼 반드시 멀리 배치되어야 한다는 것을 통상적으로 의미한다. 이와 달리, 현재 위치한 터빈이 함께 보다 가깝게 배치되어 유체로부터의 추가 에너지를 얻을 수 있다.

선택적으로, 믹서 슈라우드(800)는 제 1 고속 유체 스트림(810)과 제 2 고속 유체 스트림(820)에 들어가는 공기를 분리시키기 위한 것이다. 제 1 고속 유체 스트림은 터빈 스테이지를 통과하고 에너지가 상기 터빈 스테이지로부터 추출되어, 믹서 슈라우드의 내부를 빠져나오는 저속의 유체 스트림(812)을 초래하며, 상기 저속의 유체 스트림은 제 2 고속 유체 스트림보다 상대적으로 저속이다. 저속의 유체 스트림(812)은 제 2 고속 유체 스트림(820)과 혼합된다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 이젝터 슈라우드는 또한 믹서 슈라우드와 동축이고 상기 믹서 슈라우드 하류에 배치된다. 믹서 슈라우드의 출구는 이젝터 슈라우드의 입구로 뻗어있다. 또한 이젝터 슈라우드는 복수의 믹서 로브를 상기 슈라우드의 출구 단부나 또는 출구 주위에서 구비한다. 믹서 슈라우드를 빠져나오는 제 1 출구 스트림(870)은 이젝터 슈라우드의 입구로 나아갈 수 있다. 감소된-에너지의 유체 스트림 쪽으로 제 2의 유체 스트림을 나아가게 하는 믹서 슈라우드와 유사한 방식으로, 이젝터 슈라우드는 이젝터 슈라우드의 입구를 바이패스하는 제 3의 유체 스트림을 형성하고, 이러한 제 3의 유체 스트림을 제 1 출구 스트림 쪽으로 나아가게 한다. 이러한 혼합은 파워 추출 유닛을 통과하는 제 1의 유체 스트림의 유동을 강화시키고 추출되는 에너지 양을 증가시킨다.

본 발명에 사용된 터빈은 풍력이나 수력에 적용가능하다는 것을 알 수 있을 것이다. 더욱이, 당업자라면 본 발명에 대한 수정이 본 발명의 범주 내에서 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 슬롯이 믹서 로브나 이젝터 로브 대신 사용될 수 있다. 더욱이, 차단부 아암이 Betz 한계를 만족하거나 초과할 필요가 없다. 따라서, 상기 기재한 사항보다는 첨부된 청구범위를 먼저 참고하기 바란다.

Claims (20)

1. 유체 스트림의 에너지 추출을 증대시키는 방법으로서,
   (i) 유체 터빈을 통과하는 제 1의 유체 스트림과, 상기 유체 터빈을 바이패스하는 제 2의 유체 스트림을 형성하는 수단, 및 (ⅱ) 에너지를 상기 제 1의 유체 스트림에서 추출하는 수단을 구비한 상기 유체 터빈을 제공하는 단계;
   유체 스트림과 접촉하는 상기 유체 터빈을 배치시키는 단계;
   감소된-에너지의 유체 스트림을 형성하기 위해, 에너지를 상기 제 1의 유체 스트림에서 추출하는 단계; 및
   상기 유체 터빈을 통과하는 상기 제 1의 유체 스트림의 유동을 강화하고 에너지 추출량을 증대시키기 위하여, 에너지를 상기 제 2의 유체 스트림으로부터 상기 감소된-에너지의 유체 스트림까지 이송해, 상기 감소된-에너지의 유체 스트림을 상기 제 2의 유체 스트림과 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 스트림의 에너지 추출을 증대시키는 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 유체 터빈은 수평 축 풍력 터빈인 것을 특징으로 하는 유체 스트림의 에너지 추출을 증대시키는 방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   제 1의 유체 스트림을 형성하는 수단은 믹서 슈라우드이며, 상기 믹서 슈라우드는 불꽃형 입구를 구비하고 출구 주위에 배치된 복수의 믹서 로브를 구비한 것을 특징으로 하는 유체 스트림의 에너지 추출을 증대시키는 방법.
4. 청구항 3에 있어서,
   각각의 믹서 로브는 내측 트레일링 에지 각도와 외측 트레일링 에지 각도를 갖고, 상기 내측 트레일링 에지 각도는 상기 외측 트레일링 에지 각도와 상이한 것을 특징으로 하는 유체 스트림의 에너지 추출을 증대시키는 방법.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 내측 트레일링 에지 각도는 상기 외측 트레일링 에지 각도보다 더 큰 것을 특징으로 하는 유체 스트림의 에너지 추출을 증대시키는 방법.
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 내측 트레일링 에지 각도는 상기 외측 트레일링 에지 각도보다 작은 것을 특징으로 하는 유체 스트림의 에너지 추출을 증대시키는 방법.
7. 청구항 4에 있어서,
   상기 내측 트레일링 에지 각도와 상기 외측 트레일링 에지 각도는 5도 내지 25도의 범위에서 독립적인 것을 특징으로 하는 유체 스트림의 에너지 추출을 증대시키는 방법.
8. 청구항 3에 있어서,
   각각의 믹서 로브는 내측 트레일링 에지 각도와 외측 트레일링 에지 각도를 갖고, 상기 내측 트레일링 에지 각도는 상기 외측 트레일링 에지 각도와 동일한 것을 특징으로 하는 유체 스트림의 에너지 추출을 증대시키는 방법.
9. 청구항 3에 있어서,
   상기 감소된-에너지 제 1의 유체 스트림이 상기 중심 축선으로부터 멀리 나아가도록, 상기 슈라우드의 다운스트림 종단을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 스트림의 에너지 추출을 증대시키는 방법.
10. 청구항 1에 있어서,
    이젝터 슈라우드를 상기 유체 터빈 하류에 그리고 동축으로 배치시키는 단계; 및
    유체 터빈 출구를 이젝터 슈라우드 입구로 뻗어있게 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 스트림의 에너지 추출을 증대시키는 방법.
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 이젝터 슈라우드는 이젝터 슈라우드 출구 주위에서 믹서 로브의 링을 구비하는 것을 특징으로 하는 유체 스트림의 에너지 추출을 증대시키는 방법.
12. 청구항 1에 있어서,
    제 1의 유체 스트림을 형성하는 수단은 상기 감소된-에너지의 유체 스트림을 중심 축선에서 멀리 나아가게 하고 상기 제 2의 유체 스트림을 상기 중심 축선 쪽으로 나아가게 하는 것을 특징으로 하는 유체 스트림의 에너지 추출을 증대시키는 방법.
13. 유체 터빈에 의해 추출한 에너지량을 증대시키는 방법으로서,
    파워 추출 유닛을 통과하는 제 1 유체 스트림과 상기 파워 추출 유닛을 바이패스하는 제 2 유체 스트림을 형성하는 믹서 슈라우드와, 상기 파워 추출 유닛을 구비하고 있는 유체 터빈을 제공하는 단계;
    감소된-에너지의 유체 스트림을 만들기 위하여, 상기 파워 추출 유닛을 사용해 상기 제 1 유체 스트림에서 에너지를 추출하는 단계; 및
    상기 제 2 유체 스트림으로부터 상기 감소된-에너지의 유체 스트림까지 에너지를 전달하고 상기 파워 추출 유닛을 통과하는 상기 제 1의 유체 스트림 유동을 강화하고 추출된 에너지량을 증대시키기 위하여, 상기 감소된-에너지의 유체 스트림과 혼합하도록 상기 제 2 유체 스트림을 나아가게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 터빈에 의해 추출한 에너지량을 증대시키는 방법.
14. 청구항 13에 있어서,
    상기 믹서 슈라우드는 불꽃형 입구와 출구 주위에 배치된 복수의 믹서 로브를 구비하는 것을 특징으로 하는 유체 터빈에 의해 추출한 에너지량을 증대시키는 방법.
15. 청구항 14에 있어서,
    각각의 믹서 로브는 내측 트레일링 에지 각도와 외측 트레일링 에지 각도를 구비하고, 상기 내측 트레일링 각도는 상기 외측 트레일링 각도와 상이한 것을 특징으로 하는 유체 터빈에 의해 추출한 에너지량을 증대시키는 방법.
16. 청구항 15에 있어서,
    상기 내측 트레일링 에지 각도와 상기 외측 트레일링 에지 각도는 5도 내지 25도의 범위에서 독립적인 것을 특징으로 하는 유체 터빈에 의해 추출한 에너지량을 증대시키는 방법.
17. 청구항 13에 있어서,
    이젝터 슈라우드를 상기 믹서 슈라우드 하류에 그리고 동축으로 배치시키는 단계; 및
    믹서 슈라우드 출구를 이젝터 슈라우드 입구로 뻗어있게 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 터빈에 의해 추출한 에너지량을 증대시키는 방법.
18. 청구항 17에 있어서
    상기 이젝터 슈라우드는 믹서 로브의 링을 이젝터 슈라우드 출구 주위에서 구비하는 것을 특징으로 하는 유체 터빈에 의해 추출한 에너지량을 증대시키는 방법.
19. 청구항 13에 있어서,
    상기 믹서 슈라우드는 상기 감소된-에너지의 유체 스트림을 중심 축선으로부터 멀리 나아가게 하고 상기 제 2 유체 스트림을 상기 중심 축선 쪽으로 나아가게 하는 것을 특징으로 하는 유체 터빈에 의해 추출한 에너지량을 증대시키는 방법.
20. 유체 터빈에 의해 추출한 에너지량을 증대시키는 방법으로서,
    터빈 스테이지를 둘러싸는 제 1 슈라우드와 상기 제 1 슈라우드 아래쪽 제 2 슈라우드를 구비한 유체 터빈을 제공하는 단계;
    상기 터빈 스테이지를 사용하여 에너지를 제 1의 유체 스트림으로부터 추출하는 단계;
    제 1 출구 스트림을 형성하기 위해, 제 1 슈라우드로써 상기 터빈 스테이지를 빠져나오는 제 1의 유체 스트림을, 상기 터빈 스테이지를 바이패스하는 제 2의 유체 스트림과 혼합하는 단계;
    상기 제 1 출구 스트림을 상기 제 2 슈라우드로 나아가게 하는 단계;
    상기 제 2 슈라우드를 바이패스하는 제 3의 유체 스트림이 제 1 출구 스트림 쪽으로 나아가도록 상기 제 2 슈라우드를 형성하는 단계; 및
    상기 터빈 스테이지를 통과하는 제 1의 유체 스트림의 유동을 증대하고 추출된 에너지 량을 증가시키기 위하여, 에너지를 상기 제 3의 유체 스트림으로부터 상기 제 1 출구 스트림까지 이송시키도록 상기 제 1 출구 스트림을 상기 제 3의 유체 스트림과 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 터빈에 의해 추출한 에너지량을 증대시키는 방법.

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