KR20110134933A - 관내 수력 시스템 및 터빈 - Google Patents

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KR20110134933A
KR20110134933A KR1020117025804A KR20117025804A KR20110134933A KR 20110134933 A KR20110134933 A KR 20110134933A KR 1020117025804 A KR1020117025804 A KR 1020117025804A KR 20117025804 A KR20117025804 A KR 20117025804A KR 20110134933 A KR20110134933 A KR 20110134933A
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로데릭 에이. 스클라바치
마크 라이델 코스비
에드워드 쿠르트
이고르 팔레이
그레그 스미스
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루시드 에너지, 인코포레이티드
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Abstract

양방향으로 흐르는 유체의 동력 하에 있는 원통형 파이프 내에서 가로로 회전하도록 구성된 구형 터빈이 회전하는 기계 또는 전기를 생산하는 발전기에 작동 가능하게 결합된다. 일 실시예에서, 구형 터빈의 날개는 중심 샤프트의 회전축에 대해 경사진 각도로 있는 평면에서 약 180도 아크로 구부러진다. 다른 실시예에서, 디플렉터가 구형 터빈의 업스트림 및 원통형 파이프 내부에 제공되어 그 일부를 가림으로써 구형 터빈을 관통하는 흐름을 제어한다. 구형 터빈의 날개는 단면이 에어포일이어서 유체역학적 흐름을 최적화하고, 캐비테이션을 최소화하며, 축 에너지를 회전 에너지로 변환하는 것을 최대화한다.

Description

관내 수력 시스템 및 터빈{IN-PIPE HYDRO-ELECRTIC POWER SYSTEM AND TURBINE}
본 발명은 개괄적으로 수력 발전 분야에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은 터빈을 통과하는 유체 흐름을 통한 수력 발전에 관한 것이다.
Gorlov의 미국 특허 제5,451,137 B1호, 제5,642,984 B1호, 제6,036,443 B1호, 제6,155,892 B1호, 제6,253,700 B1호, 및 제6,293,835 B2호는 발전 시스템에 대한 다양한 원통형 터빈을 개시하고 있는데, 터빈의 날개(blade)는 나선형으로 연장되어 개방된 원통을 스위핑(sweep)한다. 상기 특허들은 터빈을 회전시켜 수력 발전을 하는 물을 전달할 수 있는 직사각형 및/또는 정사각형 단면을 갖는 수로(channel) 또는 관(duct)에 터빈을 장착하는 것을 개시한다. Gorlov의 원통형 터빈은 외견상 임의적 또는 적어도 에어포일이 아닌(non-airfoil), 예를 들어, 원형 단면의 방사형 받침대(radial struts) 또는 스포크(spoke)에 의해 중앙 샤프트에 장착된 나선형으로 굽은(curved)/트위스트된(twisted) 날개 또는 베인(vane)을 포함한다. Goldberg의 미국 특허 제5,405,246호는 트위스트된 날개 구조를 가진 수직축 풍력 터빈을 개시하고 있는데, 두 회전 날개는 끝에서 끝까지 구부러지고 트위스트되어 회전체를 규정하며, 회전체는 미식 축구공의 외부 표면이라고 설명되어 있다. 그 발명의 유일하게 도시된 실시예에서, Goldberg의 날개는 로터의 축에 수직하는 회전 폴 상의 가상 평면에 약 45도 각도로 중앙 로터에 방사상으로 돌출하고 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구형 터빈의 등축 확대 조립도이다.
도 2는 조립된 실시예의 정면도이다.
도 3은 도 1의 구형 터빈의 등축 확대 조립도이다.
도 4는 조립된 구형 터빈의 등축도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 업스트림 유체 디플렉터를 포함하는 조립된 구형 터빈의 등축도이다.
도 6a 및 6b는 도 1의 터빈을 내장한 파이프의 부분 측면도로서, 원판의 다른 두 실시예를 나란히 비교한 것을 도시한다. 상세하게는, 도 6a는 터빈 샤프트의 근접 단을 장착하기 위한 평평한 원판을 그리고 도 6b는 구형으로 오목한 원판을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 구형 터빈을 포함하는 관내 수력 발전 시스템(10)의 등축 확대 조립도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템(10)은 T-섹션 유체 (물과 같은 액체 또는 공기와 같은 기체 또는 유용한 유동 특성을 보이는 물질을 넓게 포함함) 파이프(12), 벌크헤드 또는 발전기 어셈블리(14), 및 구형 터빈 어셈블리(96)를 포함한다. 도 2를 참조하면, 터빈 어셈블리(96)가 조립되고 파이프(12)를 통한 유체 흐름에 의해 구동되면, 터빈 어셈블리(96)가 회전하고 시스템(10)은 저장되거나, 소비되거나, 전력 그리드에 제공될 수 있는 수력 전력을 생산한다는 것은 당업자에게는 당연할 것이다.
파이프(12)는 일반적으로 원통형이며, 대략 원형인 단면을 가지지만, 본 발명의 사상과 범위 내에서 단면이 약간 타원형일 수도 있다. 파이프(12)는 일반적으로 길고 복잡한 유체 전달 또는 파이프 시스템의 일부이며, 한 섹션을 절단하고 제거된 섹션을 전력 시스템(10)으로 교체함으로써 기존의 파이프 시스템은 본 발명의 전력 시스템(10)으로 용이하게 개조될 수 있음은 당연하다. 따라서 파이프(12)는 업스트림 및 다운스트림 파이프 단(미도시) 양쪽에 볼트로 체결할 수 있는 원형 플랜지(12a, 12b)를 구비한다. 파이프(12)는 측벽의 제1 영역에 작은 개구(12c) 및 180도 반대되는 영역에 큰 개구(12d)를 구비한다. 보여지듯이, 작은 개구(12c)에는 터빈의 샤프트가 관통하여 수용되는 반면, 큰 개구(12d)에는 터빈 어셈블리(96)가 관통하여 수용된다. 파이프(12)는 큰 개구(12d)를 파이프(12)의 장축에 수직하게 접속시키는 효과를 갖는 플랜지드 T-인터섹션 파이프 섹션(일명 "티")을 또한 구비한다.
발전기 캡 어셈블리(14)는 시스템(10)이 조립되었을 때 큰 개구(12d)를 덮거나 폐쇄하는 효과를 갖는 원형 아치판(arched plate)(18)을 포함한다. 아치판(18)은 유체가 흘러서 통과할 연속된 둥근 벽을 파이프(12) 내에 제공함으로써, 티 섹션 내에서 포켓 볼륨이 될 수도 있는 곳 내에서 캐비테이션 또는 다른 원활한 유동의 간섭을 방지한다. 환형 실(22a) 및 원판(22b)을 포함하는 커버판(22)이 플랜지(12e)에 볼트 체결되면, 3-베인 원통형 스페이서(20)는 아치판(18)을 티 섹션 내에 위치시킨다. 원판(22b)은 그 주위로 연장된 마운팅 블록(24)를 가진 개구(22ba)를 포함한다. 롤러 베어링 어셈블리를 포함하는 제1 마운트(26)는 제1 마운트(26)를 통한 원활한 회전을 위해 터빈 어셈블리(96)의 샤프트의 말단을 장착한다. 평평한 끼움쇠(22bb)가 마운팅 블록(24)과 원판(22b) 사이에 구비될 수 있다.
상술한 원판(22b)의 대안이 티 섹션(12e) 내부의 부분 절단 측면도인 도 6a 및 6b에 도시되어 있다. 도 6a 및 6b의 절대 및 상대 크기가 비율과 무관하며 일반적인 구조 비교의 목적이라는 것은 당업자에게 당연할 것이다.
상술한 평평한 원판(22b)을 특징으로 하는 도 6a 및 구형 오목 원판(22b')을 특징으로 하는 도 6b를 나란히 비교하면 대체판(22b')의 일부 중요한 장점을 알 수 있다. 평평한 원판(22b)는 상대적으로 두꺼운 소재로 형성되어야 하므로, 무거우며 다루기 어렵다. 한편 구형 오목 원판(22b')은 상대적으로 얇은 소재로 형성되었음을 알 수 있으므로, 무게가 상당히 가볍고 상당히 다루기 쉽다.
이것은 대체판(22b')의 만곡 때문이다.
또한, 평평한 원판(22b)의 중앙 영역은 터빈 어셈블리로부터 더 먼 것을 알 수 있으므로, 터빈의 샤프트의 길이를 바람직하지 않게 연장시킨다. 반대로, 구형 오목 원판(22b')의 중앙 영역은 터빈 어셈블리로부터 더 가까운 것을 알 수 있으므로, 터빈의 샤프트의 필요한 길이 또는 수직 거리를 바람직하게 줄일 수 있다.
이것 역시 대체판(22b')의 만곡 때문이다.
도 6b로부터, 오목판(22b')은 발전기 어셈블리(단순화 및 명확화를 위해 본 도면에서 미도시됨)로부터 내부로 연장되고 터빈 어셈블리(96')(이점쇄선에 의해 도 6b에서 개략적으로만 도시되며, 터빈 어셈블리(96)과의 차이는 더 짧은 샤프트(64')의 제공임)를 향해 오목한 형태를 갖는 대략 구형임을 이해할 수 있다. 이 내부 또는 아래쪽으로 배향된 오목 원판은 반전된 돔(또는 반전된 둥근 천장(cupola))으로 간주되고 설명될 수 있다. 구형 오목 형태가 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고서도 적합한 변경이 만들어질 수 있음은 당업자에게 당연하다. 예를 들어, 반원 단면보다는 포물선을 갖는 반전된 돔이 가능하듯이, 다양한 가로세로 비율(명확화를 위해서, 다양한 깊이 대 폭 비율 중 하나를 의도적으로 깊이를 과장해서 도시함)의 곡선 단면이 가능하다. 또한, 단면이 둥근 천장 형태인 판의 상부 숄더는 더욱 둥글기 때문에 복잡한 만곡으로 여겨질 수 있다. 이러한 모든 적합한 대체 구조는 본 발명의 사상과 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
당업자에게는 대체 실시예의 상세한 마운팅 방법이 간단하게 변형되어 반전된 둥근 천장 형태의 원판(22b') 및 파이프(12)의 스탠다드 플랜지(12e)에 환형 실(22a)을 통해 볼트 체결된 어셈블리를 수용한다는 것은 당연하다. 예를 들어, 마운팅 블록(24')은 구형적으로 볼록하게 구부러져서 반전된 둥근 천장 내부의 구형 오목 만곡을 일치시키고 밀폐시키는 끼움쇠(22bb')를 포함할 수 있다. 발전기(32)는 구형 오목 판(22b') 중앙 영역의 개구 직상부에 있는 터빈 샤프트의 말단에 회전하기 위해 장착된다. 대체 구형 오목 원판(22b')을 수용하기 위한 다른 컴포넌트 및 기술은 본 발명의 사상 및 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
발전기 서브 어셈블리(28)는 원판(22b) 내의 원형 홀 배열을 통해 볼트 체결된다. 발전기 서브 어셈블리(28)는 터빈 샤프트에 결합 가능한 발전기를 수용하는 환형 스페이서 또는 스탠드오프(30), 제1 기계적 리프트 탭(34a)을 가진 환형 림(34), 및 제2 기계적 리프트 탭(36a)를 가진 캡(36)을 포함한다. 탭(34a, 36a)이 조립, 분해, 또는 보수시 조립된 티 섹션 전력 발전 컴포넌트 전부 또는 일부를 리프팅하는데 편리한 탭을 제공함은 당업자에게 당연하다. 전력 그리드 요건에 따라 발전기가 직류 또는 교류이고 단상 또는3상, 동기된 120VAC 또는 240VAC, 등 일 수 있으며, 및/또는 서로 변환 가능함은 당업자에게 당연하다.
마운팅판(12f)은 파이프(12)의 작은 개구(12c) 주위 및 제2 마운트(38)에 용접되며, 제2 마운트(38)는 부드러운 회전을 위해 터빈 어셈블리(96)의 샤프트의 말단을 장착하는 롤러 베어링 어셈블리를 포함한다. 원통형 파이프(12)의 원형 단면을 수용하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 마운트(26)는 외부 평면(관련된 상세도에는 미도시 되어 있으나, 당업자에게는 본 설명으로부터 당연함) 및 파이프의 외부 원통면에 일치시키기 위한 내부 원통면을 가진 끼움쇠를 포함함은 당업자에게 당연하다. 이 끼움쇠는 기계에 의해 제작 또는 임의의 적합한 공정에 의해 형성될 수 있으며, 샤프트와 샤프트가 관통하여 연장되는 파이프 개구 사이의 밀폐 체결을 보장하는 임의의 적합한 물질로 제작 또는 형성될 수 있다. 여기에서 설명되고 예시된 끼움쇠는 대응하는 마운팅 블록 또는 판에 용이하게 도입될 수 있듯이 선택적인 것으로 이해될 수 있다.
제1 및 제2 마운트(26, 38)는 본 발명의 사상과 범위 내에서 대체 형태를 가질 수 있지만, 축 및 방사 트러스트 핸들링은, 예를 들어, 슬리브 베어링 또는 다른 슬라이딩 마찰 장치 보다는 롤링 마찰만 발생하는 구형 롤러 베어링을 이용하여 최적으로 달성된다. 여기서 설명된 롤러 베어링 마운트는 시스템(10)이 안전하고, 안정적이고 내구성 있게 작동하여 약 3-4 feet/second (fps) 정도의 작은 파이프(12) 내의 유체 흐름 속도로도 전기를 발생시킬 수 있다.
터빈 어셈블리(96)가 파이프(12)의 큰 개구(12d)를 통해 들어가고 샤프트의 말단은 제2 마운트(38)에 체결된다는 것은 당업자에게 당연하다. 발전기 어셈블리(14)가 파이프(12)의 플랜지(12e)에 볼트 체결되어 수력 전력 시스템(10)이 동작 가능해진다. 전력 시스템(10)은 파이프 시스템(미도시)에 끼워지거나 일부가 된다. 유체가 파이프(12)를 통해 흐르면, 전력 시스템(10)은 전기를 발생한다.
놀랍게도, 여기에 설명된 터빈 어셈블리는 약 3-4 feet per second (fps)의 느린 유체 흐름 속도에서도 회전함이 발견되었다.
의도적으로 넓은 용어 "회전 타원"이 용어 "구형" 대신에 사용될 수 있고, 또 그 반대로도 사용되되, 단면이 약간 또는 다소 완전한 원형이 아니거나 타원인 회전 타원 터빈은 대응하는 다소 완전한 원형이 아니거나 타원인 단면을 가진 원통형 파이프 내에서 생산적으로 이용될 수 있음은 당업자에게 당연하다. 본 발명에 대한 이러한 변형은 본 발명의 사상과 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
도 2는 조립된 시스템(10)의 측면도이다. 도 2는 대응하는 도 1을 참조하여 상술한 상세한 설명을 고려할 때 상당히 자명하다. 구형 터빈 어셈블리의 '체적'은, 날개의 개수 및 각각의 구조 및 피치에 따라, 약 15%에서 30% 사이인 것을 도 2로부터 알 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 구형 터빈 날개 각각과 샤프트의 중심축의 교차각은 약 30도이지만, 다른 각도도 본 발명의 사상과 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 예를 들어, 교차각은, 대체적으로 그러나 본 발명의 사상과 범위 내에서, 약 10도에서 45도 사이일 수 있으며, 더 바람직하게는 약 15도에서 35도 사이일 수 있으며, 가장 바람직하게는 약 25도에서 35도 사이일 수 있다. 임의의 유용한 범위 내에 있는 임의의 적합한 각도는 본 발명의 사상과 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
여기에 도시된 실시예는 4-날개 구형 터빈 어셈블리이지만, 최소 2개의 날개부터 최다 20개의 날개까지 본 발명의 사상과 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 더 바람직하게, 약 2개에서 11개까지의 날개로 구현할 수 있고, 가장 바람직하게는, 약 3개에서 7개까지의 날개로 구현할 수 있다. 다른 개수와 구조의 약 180도 아크(arced) 구형 터빈 날개는 본 발명의 사상과 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 구형 터빈 어셈블리의 날개는 전체 길이에 걸친 에어포일 단면이 특징임이 당업자에게는 도 3을 참조하면 가장 자명할 것이다. 이는 수력 전력을 생산할 때 터빈의 유체역학 및 효율을 제공한다. 본 발명의 구형 터빈 실시예에 따라, 터빈 스위프(sweep) 경계에서 유체의 과도한 압축을 피하기 위해서 회전하는 구형 터빈 어셈블리 주위 및 파이프 내부에 충분한 간격이 제공된다. (도 2 참조)
구형 터빈 날개는, 본 발명의 사상 및 범위 내에서, 임의의 적합한 소재 및 임의의 적합한 공정에 의해 제작될 수 있음은 당업자에게 당연하다. 예를 들어, 날개는 알루미늄, 적합한 합성물, 또는 적합한 강화 플라스틱 소재로 제작될 수 있다. 날개는 회전 또는 사출 성형, 압출, 인발, 벤딩, 또는 이용된 소재에 따른 다른 성형 방식 및 실질적으로 일정한 단면을 갖는 긴 몸체의 비용 효율적인 생산에 따른 다른 성형 방식에 의해 제조될 수 있다. 이것과 다른 유용한 소재 및 공정은 본 발명의 사상과 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
본 발명의 도시된 실시예에 따라서, 구형 터빈 날개의 에어포일 단면은 공인 NACA 20 표준에 따르되, 대체 에어포일 단면도 본 발명의 사상과 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
도 3은 구형 터빈(96)의 등축 확대 조립도이다. 구형 터빈(96)은 상부 및 하부 허브 어셈블리(98, 100)를 포함한다. 각 허브 어셈블리는 허브판(102) 및 4 개의 마운팅 브라켓(104, 106, 108, 110)(명확화를 위해, 상부 허브 어셈블리만 표시됨)을 포함한다. 허브판(102)은 평평하며 도시된 대로 마운팅 브라켓을 직선 부분에 장착하는 톱날 형태(또는 회전의 원형 단면 외곽선을 따른 곡선 및 날개 말단의 접합과 플러시 마운팅(flush mounting)을 위한 직선)의 주변 에지를 구비한다. 마운팅 브라켓은 차례로 4개의 구형 날개(112, 114, 116, 118)를 지정된 각도, 예를 들어, 각 굽은 날개에 의해 개략적으로 설명된 평면과 샤프트의 중심축 사이를 바람직하게 30도로 장착한다. 구형 날개(112, 114, 116, 118)도 예를 들면 NACA 20 또는 다른 적합한 표준의 에어포일 단면이라는 점은 당연하다. 상부 및 하부 스플릿 샤프트 커플러(120, 122)는 허브 어셈블리를 샤프트(64)에 단단하게 부착하는데 이용된다. 본 발명의 일 실시예에 따라서, 복수의 날개에 볼트 체결된 마운팅 브라켓은, 도시된 가이드 핀 및 홀을 이용한 정렬을 하여, 용접에 의해 허브판에 부착된다. 헥스 볼트(hex bolt), 락 와셔(lock washer) 및 세트 스크류와 같은 적합한 고정장치를 이용하여 도시된 바와 같이 구형 터빈 어셈블리(96)의 나머지 부속품을 조립한다.
도 4는 조립된 구형 터빈(96)의 등축도이다. 도 4는 대응하는 도 3을 참조하여 상술한 상세한 설명을 고려할 때 상당히 자명하다. 회전하는 구형 터빈 어셈블리의 동적 간격은 정적 간격보다 크며, 파이프의 내경에 대해 원통형 터빈을 약간 작게 함으로써, 예를 들어, 파이프(12)의 직경 및 다른 용도 특성에 따라, 약 0.5 cm에서 5 cm 사이 및 바람직하게는 약 1 cm 에서 3 cm 사이의 작지만 바람직하게 일정한 간격을 제공함으로써, 수용된다. 이 간격들은 단지 설명을 위한 것이며, 이 간격들로 제한하기 위한 것이 아니며, 대체 간격들도 본 발명의 사상과 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발명된 장치를 도시하고 있다. 대체 시스템(10')은 상술한 시스템(10)과 유사하므로 동일한 컴포넌트에는 동일한 참조 번호를 사용하고 유사한 컴포넌트에는 프라임 부호(')를 붙여서 사용한다. 시스템(10')은 업스트림 디플렉터(122) 를 더 포함함을 알 수 있다(명확성을 위해, 도 5는 터빈과 발전기 어셈블리를 생략함). 일 실시예에 따른 디플렉터(122)는 둘 이상의 평평한 확장면으로 이루어지며, 확장면은 파이프(12)의 내부 원형 단면에 곡선적으로 일치하는 덜 기울어진 제1 확장면(122a) 및 원형 단면인 구형 터빈쪽으로 연장되고 이에 대략적으로 일치하는 오목하게 굽은 내부 프리 에지(122ba)를 형성하는 더 기울어진 제2 확장면(122b)를 포함한다. 두 확장면은 파이프의 중심축에 대한 경사각의 틈을 규정하는 접속선을 따라 용접되거나 다른 방법으로 연결된다. 따라서 시스템(10')의 작동시 디플렉터(122)는 회전 아크 내에서 에너지를 가장 약하게 발생하고 이로 인해 느린 유속에서 바람직하지 않은 갑작스러운 정지를 발생시키는 구형 터빈의 회전하는 날개의 외부 회전 영역을 효과적으로 가린다.
놀랍게도, 터빈 어셈블리(96)의 업스트림 영역 근처에 있는 디플렉터(122)가 파이프 내에 업스트림 디플렉터가 없는 구형 터빈의 공칭 출력에 비해 전기 에너지 생산을 약 14% 내지 40% 그리고 더 가능성이 높게는 약 20% 내지 30% 증가시킬 수 있다는 것이 발견되었다.
디플렉터의 커버리지와 터빈의 스위프 사이 비율이 약 10% 내지 40% 그리고 더 가능성이 높게는 약 20% 내지 30%일 수 있음은 당업자에게 당연하다. 또한 디플렉터 커버리지의 양은 체적 흐름 속도와 헤드 감소(drop-off) 사이의 균형을 나타내므로, 디플렉터 커버리지의 양은 용도마다 다를 수 있음도 당연하다. 따라서 터빈 스위프에 관한 디플렉터 커버리지의 대체 범위는 본 발명의 사상과 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
디플렉터(122)가 임의의 적합한 소재, 예를 들어, 철로 이루어질 수 있으며, 구형 터빈 어셈블리(96)의 업스트림 영역에서 임의의 원하는 유체 흐름 조절을 위해 원하는 크기로 형성되고 배향될 수 있음은 당연하다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 디플렉터(122)는 프리 에지(122ba)에서 파이프의 긴 중심축에 대해 90도 이하의 각도로 기울어진다. 파이프(12)의 중심축에 대한 디플렉터의 프리 에지의 탈출각은 바람직하게 약 10도 내지 40도 사이이다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 파이프(12)의 중심축으로부터 확장면(122a)은 약 15도 기울어지며 확장면(122b)는 약 30도 기울어진다. 그러나 다른 기울어진 각도는도본 발명의 사상과 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
디플렉터(122)가 본 발명의 사상과 범위 내에서 다른 형태를 취할 수 있음은 당연하다. 예를 들어, 디플렉터(122)는 파이프(12)의 중심축을 향해 안쪽으로 방사됨에 따라 더 짧은 개별 평면 세그먼트를 2개 이상 가질 수 있으므로, 바람직하게는 중심축이 터빈의 회전축에 대략적으로 평행한(즉, 샤프트(64)의 장축에 대략 평행함) 원활하고, 바람직하게는 원형-원통형 커브와 더욱 가깝게 된다. 실제로, 본 발명의 사상과 범위 내에 있는 디플렉터(122)는 파이프 접속 에지와 프리 에지 사이에 평탄하게 원통형으로 구부러질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 디플렉터(122)의 프리 에지(122ba)는 오목하게 구부러져서 높이를 따라 안쪽으로 연장된 부위를 구형 터빈의 날개의 전체적인 곡면에 대략 일치한다. 임의의 적합한 직선 또는 매끈한 곡면 또는 곡률 반경은 본 발명의 사상과 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
구형 터빈이 전력 생산 외에 동력 변환 시스템에서 이용될 수 있음은 당연하다. 예를 들어, 유체의 축 운동 에너지는 전기 발전기 또는 적합한 대체물 등의 임의의 회전하는 기계(예를 들어, 컨베이어, 그라인더, 드릴, 톱, 분쇄기, 플라이휠 등)를 위한 회전하는 운동 에너지로 변환될 수 있다. 이러한 발명된 유체 터빈의 모든 용도는 본 발명의 사상과 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
많은 실시예에 따른 발명된 시스템의 배향은 예시에 불과하며 본 발명의 범위에 대한 제한으로 해석되어서는 안 됨은 당연하다. 따라서, 상부 및 하부와 같은 용어의 사용은 절대적인 것이 아니라 상대적인 것이며 서로 교체될 수 있음을 이해할 수 있다. 다시 말해, 시스템은, 본 발명의 사상과 범위 내에서, 발전기 및 파이프의 장축에 대해 위 또는 아래로 연장된 터빈 샤프트와 발전기를 수용하는 벌크헤드에 의해 수직 배향을 취할 수도 있다. 실제로, 시스템은 터빈의 샤프트가 유체 흐름 방향에 대략 수직하게 연장되는 임의의 다른 적합한 각도를 취할 수 있다.
본 발명에 따른 시스템의 부속품이 철과 알루미늄 등의 임의의 적합한 소재로 제작될 수 있음은 당연하다. 모든 부품은 예를 들어, 터빈 샤프트, 평판, 및 디플렉터와 같이 철로 제작될 수 있다. 허브, 커플링 블록, 및 날개 등의 나머지 부품들은 기계에 의해 제작되거나, 압출되거나, 인발된 알루미늄(날개는 이후 롤 성형되거나 및/또는 원하는 형태로 굽혀짐) 또는 사출 성형 또는 강화 플라스틱으로 제작될 수 있다. 임의의 대체 소재 및 임의의 대체 성형 공정은 본 발명의 사상과 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
본 발명에 따른 시스템의 크기를 용이하게 키우거나 줄일 수 있음은 당연하다. 따라서 본 명세서에는 크기를 특정하지 않았지만, 크기는 비례적으로 정확하게 도시된 것으로 이해하고 그 절대 크기는 본 발명의 사상과 범위 내에서 변경될 수 있음은 당연하다.
두 개 이상의 수력 전력 발전 시스템이 송수관 내에 송수관을 따라서 규정된 간격으로 (직렬로) 설치되어 전력 발전을 배증시킬 수 있음은 당업자에게 당연하다. 또한 두 개 이상의 수력 전력 발전 시스템의 병렬 배열이 송수관의 지관(branch)에 설치되어 대체적으로 또는 추가적으로 전력 발전을 배증시킬 수 있음도 당업자에게 당연하다. 수력 전력 발전 시스템이 조수(양방향, 진동) 흐름 용도에 사용될 때 필요하면 시동 메커니즘이 여기에서 설명되고 도시된 수력 전력 발전 시스템에 추가될 수 있음은 당연하다. 또한 베어링 고장 등과 같은 상황에서 자체 파괴를 방지하기 위해 안전 모드(fail-safe mode) 작동이 본 발명에 따른 관내 수력 전력 발전 시스템에 사용 가능함은 당연하다. 마지막으로, 여기에서 설명되고 도시된 수력 전력 발전 시스템이 전력 발전 시스템을 악천후로부터 보호 및/또는 전력 케이블 또는 다른 적합한 전달수단을 통해 가까운 저장 장치 또는 전력 그리드로 전력 분배를 가능하게 하는 외부 슬리브 도관 내에 위치될 수 있음은 당연하다.
본 발명은 여기에서 설명되고 도시된 구축, 제작, 소재, 용도 또는 사용의 방법 또는 상세한 내용에 한정되지 않음이 이해될 수 있다. 실제로, 제작, 사용, 또는 용도의 임의의 적합한 변형은 대체 실시예로 간주되며, 따라서 본 발명의 사상과 범위 내에 있다.
또한 용도 또는 사용 또는 작동의 방법, 구성, 제조 방법, 형태, 크기 또는 소재의 변경으로부터 발생한 본 발명의 임의의 다른 실시예는, 여기에 포함된 상세한 설명 또는 도시 안에 특정되지 않았더라도, 본 발명의 범위 내에 있음은 당업자에게 당연하다.
따라서, 전술한 실시예를 참조하여 본 발명을 도시하고 설명하였지만, 첨부된 청구항에 규정된 본 발명의 사상과 범위로부터 벗어나지 않고도 형태 또는 세부 사항의 다른 변경이 가능함은 당업자에게 자명하다.

Claims (28)

  1. 유체 흐름 방향에 수직하는 중심축에 장착되어 회전하는 중심 세로 샤프트; 및
    상기 샤프트에 결합되고 상기 샤프트로부터 방사적으로 바깥으로 연장되고, 상기 샤프트 주위에 실질적으로 균등하게 서로 이격되고, 약 180도 아크로 구부러지고, 실질적 길이를 따라 에어포일 단면을 포함하며, 상기 샤프트와 함께 회전할 때 스위프가 구형 형상을 형성하는 복수의 원형 아크 날개를 포함하는 구형 터빈.
  2. 제1항에 있어서, 허브판 및 상기 상응하는 복수의 날개의 반대단을 상기 샤프트에 부착하는 복수의 마운팅 브라켓을 포함하는 대향하는 허브 어셈블리들을 더 포함하는 구형 터빈.
  3. 제1항에 있어서, 각 허브판은 곡선 및 직선 에지 세그먼트를 구비으로 하는 원형 톱날 형상의 주변 에지를 포함하는 구형 터빈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 상응하는 허브 어셈블리를 상기 샤프트에 부착하는 대향하는 샤프트 커플러를 더 포함하는 구형 터빈.
  5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 날개는 약 15%에서 30% 사이의 공칭 체적을 형성하는 구형 터빈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 날개 각각은 상기 구형 터빈의 원주 주변에 약 180도 아크 형태로 연장되며, 상기 복수의 날개 각각이 형성하는 평면은 약 30도의 각도로 상기 샤프트의 중심축을 교차하는 구형 터빈.
  7. 유체의 움직임으로부터 전력을 발생하는 동력 발생 시스템에 있어서,
    지름의 정반대에 각각 위치한 마운트 내에서 회전하며, 유체 흐름 방향에 실질적으로 수직하게 연장되며, 일단은 회전하는 기계에 동작 가능하게 결합된 중심 세로 샤프트;
    제1 베어링은 발전기로부터 가장 먼 상기 샤프트의 상기 일단을 원 방향으로 회전하기 위해 지지대에 장착하며, 제2 베어링은 상기 샤프트의 중간 부분을 회전을 위한 지지대에 장착하며, 상기 샤프트는 상기 제2 베어링을 통해 연장되는, 복수의 베어링; 및
    상기 한 쌍의 베어링 사이의 샤프트에 결합되며, 상기 샤프트로부터 방사적으로 바깥으로 연장되며, 상기 샤프트 주위에 실질적으로 균등하게 이격된 복수의 날개를 포함하는 터빈을 포함하는 동력 발생 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 터빈의 상기 복수의 날개 각각은 약 180도 아크로 구부러진 동력 발생 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 터빈의 상기 복수의 날개 각각은 실질적으로 각 날개의 전체 길이를 따라 에어포일 단면을 포함하는 동력 발생 시스템.
  10. 제7항에 있어서, 상기 터빈의 전체 형상은 구형인 동력 발생 시스템.
  11. 제7항에 있어서, 상기 구형 터빈의 샤프트에 부착되며, 원주 주변으로 방사상으로 이격된 간격으로 부착된 복수의 마운팅 브라켓을 포함하는 한 쌍의 대향하는 원형 허브를 더 포함하며, 상기 복수의 브라켓은 상기 복수의 블레이드의 대향단을 장착하는 동력 발생 시스템.
  12. 제7항에 있어서, 상기 샤프트의 근접 단에 동작 가능하게 결합되어 유체 흐름에 반응한 상기 샤프트의 회전으로 전력을 발생하는 전기 발전기를 더 포함하는 동력 발생 시스템.
  13. 제7항에 있어서, 상기 터빈은 유체 흐름 방향에 상관 없이 동일한 방향으로 회전하는 동력 발생 시스템.
  14. 제7항에 있어서, 상기 터빈 샤프트를 체결하는 상기 마운트는 베어링을 포함하는 동력 발생 시스템.
  15. 파이프를 통한 유체의 움직임으로부터 전력을 생산하는 전력 발전 시스템에 있어서,
    원통형 파이프 내 지름의 정반대에 각각 위치한 마운트 내에서 회전하며, 상기 원통형 파이프의 장축에 실질적으로 수직하게 연장되며, 일단은 전기 발전기에 동작 가능하게 결합된 중심 세로 샤프트;
    제1 베어링은 발전기로부터 가장 먼 상기 샤프트의 상기 일단을 원 방향으로 회전하기 위해 원통형 파이프의 측벽에 장착하며, 제2 베어링은 원통형 파이프 내에서 회전하기 위해 상기 샤프트의 중간 부분을 장착하며, 상기 샤프트는 상기 제2 베어링을 통해 연장되는, 복수의 베어링; 및
    상기 베어링 사이의 샤프트에 결합되며, 상기 샤프트로부터 방사적으로 바깥으로 연장되며, 상기 샤프트 주위에 실질적으로 균등하게 이격된 복수의 날개를 포함하는 터빈을 포함하는 전력 발전 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 터빈의 상기 복수의 날개 각각은 약 180도 아크로 구부러진 전력 발전 시스템.
  17. 제15항에 있어서, 상기 터빈의 상기 복수의 날개 각각은 실질적으로 각 날개의 전체 길이를 따라 에어포일 단면을 포함하는 전력 발전 시스템.
  18. 제15항에 있어서, 상기 터빈의 전체 형상은 구형인 전력 발전 시스템.
  19. 제15항에 있어서, 상기 구형 터빈의 샤프트에 부착되며, 원주 주변으로 방사상으로 이격된 간격으로 부착된 복수의 마운팅 브라켓을 포함하는 한 쌍의 대향하는 원형 허브를 더 포함하며, 상기 복수의 브라켓은 상기 복수의 블레이드의 대향단을 장착하는 전력 발전 시스템.
  20. 제15항에 있어서, 상기 터빈 샤프트 상의 한 쌍의 허브 사이의 거리보다 약간 큰 지름을 가진 원통형 파이프를 더 포함하며, 상기 원통형 파이프는 상기 원통형 파이프를 통해서 흐르는 유체 흐름에 반응하여 회전하도록 내부에 터빈을 탑재하는 전력 발전 시스템.
  21. 제15항에 있어서, 상기 터빈 샤프트 상의 한 쌍의 허브 사이의 거리보다 약간 큰 지름을 가진 원통형 파이프를 더 포함하며, 상기 원통형 파이프는 상기 원통형 파이프를 통해서 흐르는 유체 흐름에 반응하여 회전하도록 내부에 터빈을 탑재하고, 상기 구형 터빈과 가장 가까운 업스트림에 위치한 상기 원통형 파이프의 측벽에 하나 이상의 디플렉터가 부착되며, 상기 하나 이상의 디플렉터는 터빈 회전 방향으로 상기 원통형 파이프의 장축에 수직하는 평면에 대해 90도 이하의 각도로 터빈을 향해 기울어져 있고, 상기 하나 이상의 디플렉터 각각은 상기 터빈의 형상을 대응하는 디플렉터가 상기 원통형 파이프의 상기 측벽에 부착된 지점으로부터 가장 먼 각 디플렉터의 측면에 가깝게 하는 안쪽으로 굽은 에지를 포함하며, 상기 하나 이상의 디플렉터는 상기 원통형 파이프의 단면적 일부를 커버하는 전력 발전 시스템.
  22. 제15항에 있어서, 상기 샤프트의 근접 단에 동작 가능하게 결합되어 상기 원통형 파이프를 통과하는 유체 흐름에 반응한 상기 샤프트의 회전으로 전력을 발생하는 전기 발전기를 더 포함하는 전력 발전 시스템.
  23. 제15항에 있어서, 상기 터빈은 유체 흐름 방향에 상관 없이 동일한 방향으로 회전하는 전력 발전 시스템.
  24. 제15항에 있어서, 상기 터빈 샤프트를 체결하는 상기 마운트는 베어링을 포함하는 전력 발전 시스템.
  25. 제25항에 있어서, 상기 원통형 파이프의 외부 측벽에 장착되며, 회전하도록 상기 터빈의 샤프트에 동작 가능하게 결합되어 상기 터빈이 회전할 때 전력을 발생하는 전기 발전기를 수용하는 원통형 티 섹션을 더 포함하는 전력 발전 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 상기 원통형 파이프의 출입구를 커버하여 상기 원통형 티 섹션으로 물이 유입되는 것을 방지하는 원통형 아치판을 더 포함하는 전력 발전 시스템.
  27. 제25항에 있어서, 상기 원통형 티 섹션으로의 출입구를 커버하는 원형 평판 또는 오목판을 더 포함하는 전력 발전 시스템.
  28. 제27항에 있어서, 상기 원형 평판 또는 오목판의 상부에 위치한 발전기를 더 포함하는 전력 발전 시스템.
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