KR20120103624A

KR20120103624A - 양방향으로 유입될 수 있는 수력 터빈용 터빈 블레이드

Info

Publication number: KR20120103624A
Application number: KR1020127014904A
Authority: KR
Inventors: 라파엘 알리트; 프란크 비스컵
Original assignee: 보이트 파텐트 게엠베하
Priority date: 2009-12-09
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2012-09-19
Also published as: US20120301294A1; WO2011069615A4; WO2011069615A1; EP2510224B1; EP2510224A1; CA2783997A1; DE102009057449B3

Abstract

본 발명은 프로파일 소자의 깊이가 절반일 때에 프로파일 소자의 현(chord) 상에 놓이는 대칭점에 대하여 점 대칭으로 형성되어 S자 모양의 곡선을 구현하는 중선(中線)을 갖는 구부러진 프로파일 소자를 적어도 세로 연장부의 한 부분 영역에 구비하는 수력 터빈용 터빈 블레이드와 관련이 있으며, 이 경우 상기 중선은 프로파일 소자를 제1 프로파일 측 및 제2 프로파일 측으로 구분한다. 본 발명은 터빈 블레이드가 제1 프로파일 측과 제2 프로파일 측 사이에 오버플로우 장치(overflow device)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

양방향으로 유입될 수 있는 수력 터빈용 터빈 블레이드{TURBINE BLADE FOR A WATER TURBINE WITH BI-DIRECTIONAL FLOW}

본 발명은 바람직하게 양방향 수류(水流)로부터 에너지를 획득하기 위한 잠수형 에너지 발생 장치에 사용되는 수력 터빈용의 양방향으로 유입되는 터빈 블레이드에 관한 것이다.

자체적으로 직립되는(self-standing) 프로펠러 모양으로 형성된 터빈을 이용하여 방향이 가변적인 흐름, 예를 들어 조류로부터 에너지를 획득하기 위해서는 통상적으로 곤돌라 및 상기 곤돌라에 설치된 터빈이 함께 흐름 안으로 회전 삽입되는 트랙킹(tracking) 메커니즘이 사용된다. 조류에서의 썰물 및 밀물과 같이 실제로 반대 방향으로 정해진 두 가지의 주(主) 흐름 방향이 존재하는 경우에, 상기와 같은 방향 트랙킹은 곤돌라를 제1 위치로부터 제2 위치로 선회시키는 플랩- 또는 회전 장치에 의해서 구현될 수 있다. 하지만, 이러한 플랩- 또는 회전 장치에서의 단점은 상기와 같은 트랙킹 메커니즘을 위해서 부피가 큰 회전- 또는 플랩 힌지 시스템이 사용되어야만 한다는 것이다. 더 나아가 수력 터빈이 발전기(electric generator)를 구동시키는 경우에는 상기 발전기로부터 뻗어 나오는 출력 케이블의 꼬임 현상(twisting)을 방지하는 장치도 제공되어야만 한다.

상기와 같은 문제점을 피하기 위하여, 허브(hub)에서 터빈 블레이드를 180°만큼 회전시키는 피치(pitch)-조정 장치를 이용한 수력 터빈의 전체 트랙킹 대신에 양방향으로 유입을 구현하기 위한 장치가 제작될 수 있다. 하지만, 이와 같은 개선 예도 단점들과 결부되어 있는데, 그 이유는 방사 방향 외부로 향하는 터빈 블레이드를 구비한 프로펠러 모양의 터빈을 위해서 통상적으로 적어도 한 가지 유입 방향으로는 곤돌라 고정 구조물을 바람이 불어오는 쪽(luv, windward)에 배치하게 됨으로써, 결과적으로 효율을 떨어뜨리는 흐름 장애물이 존재하기 때문이다. 더 나아가서는 피치-조정 메커니즘도 구조적으로 복잡하며, 그리고 해류로부터 에너지를 빼내기 위한 잠수형 에너지 발생 장치와 관련해서도 관리 및 감독이 반드시 필요하다는 조건으로 인해 단점이 존재한다.

양방향으로 유입될 수 있는 수력 터빈을 제작하기 위한 추가의 대안으로서, WO 2006/125959 A1호에서는 회전자 모양 수력 터빈의 터빈 블레이드를 위한 프로파일 소자의 컨투어(contour of profiled element)로서 이중 대칭의 프로파일을 선택하는 것이 제안되었다. 상기 간행물에서는 제1 대칭축이 시위선(chord line)이다. 추가로 상기 프로파일은 현 길이가 50%인 경우에는 프로파일 소자의 현(弦)상에서 수직 경계선(vertical boundary line)으로 규정된 중심선에 대하여 대칭이다. 그 결과 양방향 유입을 위해서 각각 동일한 프로파일 소자 컨투어를 보증해주는 렌즈 모양의 프로파일이 나타나게 된다. 하지만, 프로파일 소자 컨투어를 위해서 이중으로 선택된 대칭으로 인하여 한 측에서 유입이 이루어지는 구부러진 프로파일에 비해 더 적은 효율이 얻어진다는 것이 단점이다. 또한, 유출 측에서 흐름 분리 그리고 터빈 블레이드의 흐름 저항의 상승으로 인한 단점들도 나타난다.

또한, 간행물 US 2007/0231148 A1호에는 만곡부를 갖는 점 대칭의 프로파일이 공지되어 있다. 이와 같은 점 대칭의 프로파일은 프로파일 소자의 깊이가 절반일 때에 프로파일 소자의 현(chord) 상에 놓임으로써 점 대칭으로 형성된 중선(中線)이 S자 모양의 곡선을 구현하는 대칭점을 갖는 것을 특징으로 한다. 상기 프로파일의 두께 분포는 중심선에 대하여 대칭으로 선택되었다. 이 경우에는 상기 S자 곡선 형태의 프로파일이 출력 계수를 개선하고 전단 계수를 감소시킨다.

본 발명의 목적은 양방향 유입이 가능하도록 터빈 블레이드를 제작하는 것이다. 이와 같은 터빈 블레이드는 잠수형 에너지 발생 장치의 프로펠러 모양 터빈용으로 사용되기에 적합해야만 하며, 이 경우 상기 터빈 블레이드는 양방향으로부터의 유입을 위하여 세로 비틀림이 적고 효율이 높은 것을 특징으로 한다.

본 발명은 S자 곡선 모양의 중선을 가지며 그리고 프로파일의 중심선에 대하여 대칭인 두께 분포를 갖는 공지된 점 대칭의 프로파일을 토대로 한다. 이와 같은 프로파일은 프로파일 소자의 제1 프로파일 측으로부터 제2 프로파일 측으로 교체되는 오버플로우 장치(overflow device)가 제공되도록 개선된다.

점 대칭의 프로파일 형상으로 인해 S자-곡선-프로파일에 대해서는 유출 측 프로파일 부분에서 흐름 분리 현상이 나타날 수 있는 위험이 존재한다. 또한, 상기와 같은 프로파일을 갖는 터빈 블레이드에는 강한 비틀림 힘이 작용을 한다. 중간 부분 및/또는 프로파일의 유출 측 영역에서 발생하는 제1 프로파일 측으로부터 제2 프로파일 측으로의 오버플로우에 의해서는 흐름 분리 경향이 줄어들 수 있는 가능성 그리고 비틀림 힘을 줄임으로써 꼬임 현상을 방지하기 위한 터빈 블레이드의 보강 작업을 구조적으로 단순화할 수 있는 가능성이 얻어진다.

또한, 터빈 블레이드 프로파일은 실제로 터빈 블레이드 구조에서의 경쟁적인 구조 기계적인 요구 조건들을 따르지 않고서도 유동 기술적인 여러 가지 상황들에 적응될 수 있다. 이 경우에는 특히 높은 활공비(glide ratio)를 야기하는 가늘고 길게 늘어진 프로파일이 사용될 수 있다. 또한, 주변을 둘러싸는 유닛의 허브에 터빈 블레이드를 고정하는 것은 감소된 토크를 수용해야만 하고, 그에 상응하게 구조적으로 그리고 제조 기술적으로 단순하게 될 수 있다.

제1 실시예에 따르면 오버플로우 장치는 다수의 오버플로우 채널을 포함하며, 상기 오버플로우 채널들의 방위는 양방향의 유입 방향에 적응된다. 상기 오버플로우 채널의 대안으로서 또는 상기 오버플로우 채널에 추가로 적용할 수 있는 한 가지 추가의 변형 실시예에서는 오버플로우 장치가 분리된 블레이드 프로파일에 의해서 형성된다. 이 경우에 전체 프로파일의 중간 영역에는 적어도 하나의 부분 섹션이 존재하며, 상기 부분 섹션을 위해서 S-곡선-모양의 중선을 따라 형성되는 두께 분포는 0의 값을 취한다.

한 가지 개선예에서 오버플로우 장치는 적응성 벽 소자를 포함할 수 있으며, 상기 적응성 벽 소자는 유입 방향에 따라 제1 위치로부터 제2 위치로 교체되어 프로파일의 점 대칭에 대하여 편차를 야기한다. 이에 따라 심각한 효율 손실이 발생하지 않으면서 프로파일의 후방 유출 측 영역으로 의도한 오버플로우가 야기될 수 있다. 이때 상기 적응성 벽 소자는 해당 작동 장치(actuating system)에 의해서 액티브하게 조정될 수 있거나 또는 유입에 따라 자체 컨투어가 변경되는 탄성적인 패시브 소자로서 형성된다.

본 발명의 한 가지 추가의 대안적인 실시예에서 오버플로우 장치는 유입 방향에 따라서 폐쇄될 수 있는 오버플로우 채널들을 포함한다. 따라서 오버플로우 채널들은 프로파일의 중간 영역 외부에도 배치될 수 있다. 오버플로우 채널의 폐쇄는 수동적으로 또는 능동적으로 이루어질 수 있다. 채널의 폐쇄가 수동적으로 이루어지는 한 가지 실시예에서는 바람직하게 오버플로우 채널 안에 있는 채널 폐쇄 소자들이 탄성적인 프로파일 소자들과 결합되며, 이 경우 상기 탄성적인 프로파일 소자들은 흐름이 통과한 상기 프로파일의 외측을 따라 배치되어 있고, 유동력(flow force)에 의해서 변형된다. 탄성적인 프로파일 소자 내부에 유압식의 또는 압축 공기식의 작동 매체가 수용되면, 채널 폐쇄 소자를 작동시키기 위하여 압력이 발생할 수 있으며 그리고 그와 동시에 적응성 프로파일이 만들어질 수 있다.

본 발명의 특징들 및 기타 이점들은 상세한 설명 및 첨부된 도면들을 참조하여 다양한 실시예들을 상세하게 기술함으로써 더욱 명확하게 이해될 것이다.
도 1a는 제1 프로파일 측으로부터 제2 프로파일 측으로 교체되는 오버플로우 장치를 구비한 본 발명에 따른 점 대칭 프로파일을 도 1b의 선 A-A를 따라서 절단하여 도시한 프로파일 단면이다.
도 1b는 터빈 블레이드의 세로 방향으로 제한된 연장부를 갖고 프로파일의 중간 영역에 설치된 오버플로우 장치를 구비한 도 1a에 따른 프로파일의 터빈 블레이드의 한 부분 섹션에 대한 평면도이다.
도 2a는 다수의 오버플로우 채널을 구비한 본 발명에 따른 한 가지 대안적인 실시예를 나타내는 프로파일 단면이다.
도 2b는 도 2a에 따른 프로파일을 갖는 터빈 블레이드의 한 부분 섹션에 대한 평면도이다.
도 3a는 외부 중앙에 설치되어 있고 수동적으로 구동될 수 있는 오버플로우 채널을 구비한 본 발명에 따른 한 가지 추가 프로파일 단면이다.
도 3b는 도 3a에 따른 프로파일을 갖는 터빈 블레이드의 한 부분 섹션에 대한 평면도이다.
도 4a 및 도 4b는 프로파일에 영향을 미치는 탄성 소자들이 제1 프로파일 측으로부터 제2 프로파일 측으로 교체되는 오버플로우 장치 내부에 쌍으로 그리고 점 대칭으로 배치된 본 발명의 개선예이다.
도 5a 및 도 5b는 오버플로우 장치 내부에서 제1 및 제2 유입 방향을 위한 상이한 위치에 배치된 적응성 액티브 벽 소자들을 나타낸다.
도 6은 양방향으로 유입될 수 있는 터빈 블레이드를 형성하기 위하여 점 대칭으로 구부러진 선행 기술에 상응하는 한 가지 프로파일을 나타낸다.

아래에서 사용되는 추상적인 개념들을 설명하기 위하여 우선 선행 기술에 상응하고 도 6에 도시된 프로파일 단면이 관찰된다. 도면에는 대칭 점(27)에 대하여 점 대칭으로 형성된 프로파일이 도시되어 있다. 도면에서 대칭 점(27)은 프로파일 소자의 깊이가 절반일 때에 프로파일 소자의 현(20)(chord) 상에 배치되어 있고, 이에 따라 상기 프로파일 소자의 현(20)과 중심선(23)의 교차점에 대하여 일치(congruent)하며, 이 경우 상기 중심선은 프로파일 소자의 현(20)에 대하여 수직으로 연장하도록 규정되었다.

도면에 도시된 S-곡선-모양의 프로파일을 위해서 대칭 점(27)에 대하여 점 대칭으로 설치된 중선(32)은 만곡부(w)를 갖는다. 또한, 전술된 대칭 조건은 중심선(23)에 대하여 대칭으로 설정된 프로파일 두께 분포를 야기한다. 양방향으로 유입될 수 있는 점 대칭의 프로파일에 대한 다른 실시예들을 생각할 수 있는데(도면에 도시되어 있지 않음), 말하자면 중간 프로파일 섹션에서 그리고 서로 점 대칭으로 형성된 리딩 에지(30, 31)(leading edge)에서 적어도 하나의 섹션 방식의 선형 파형을 갖는 중선을 생각할 수 있다.

후속 설명을 위하여 제1 프로파일 측(21) 및 제2 프로파일 측(22)을 야기하는 중선(32)에 의한 프로파일의 분할로부터 설명이 시작된다. 또한, 상기 중심선(23)에 의해서는 프로파일이 제1 프로파일 절반(24) 및 제2 프로파일 절반(25)으로 분할되기도 한다. 이 경우 제1 프로파일 절반(24)은 제1 리딩 에지(30)로부터 중심선(23)까지 연장하고, 제2 프로파일 절반(25)은 중심선(23)으로부터 제2 리딩 에지(31)까지 연장한다.

또한, 도면에 개략적으로 도시된 제1 유입 방향(28)이 생성되며, 이 경우에는 효과적인 유입에 대한 설명으로부터 설명이 시작되는데, 적어도 제1 프로파일 절반(24)에서 제1 프로파일 측(21)에서는 흡입 작용이 생성되고 제2 프로파일 측(22)에서는 압축 작용이 생성된다. 하지만, 제2 프로파일 절반(25)의 유출 측 에지 영역에서의 S-곡선으로 인해 제1 프로파일 측(21)에서는, 다시 말해 제2 리딩 에지(31) 근처에서는 제1 유입 방향(28)을 위해서 압축 복부(pressure belly)가 생성되는 것이 관찰되며, 상기 압축 복부는 프로파일 소자의 효율을 감소시키고 S-곡선 프로파일에 작용을 하는 비틀림 힘을 더욱 증가시킨다. 제2 유입 방향(29)을 위해서는 압력 측 할당 및 흡입 측 할당이 상응하게 대칭 점(27)에서 반사되었다.

도 1a에 프로파일 단면으로서 도시된 본 발명에 따른 프로파일을 위해서 대칭 점(27)에 대하여 점 대칭으로 설치된 오버플로우 장치(1)가 존재한다. 도면에 도시된 실시예에서는 오버플로우 장치(1)가 프로파일 깊이의 3/8 내지 5/8에 달하는 바로 그 프로파일 부분으로서 규정된 프로파일을 중간 영역(26)에서 관통한다.

제1 실시예에 따라 오버플로우 장치(1)가 세로 방향으로 전체 터빈 블레이드(13)에 걸쳐 있음으로써, 결과적으로 전체 세로 연장부에 걸쳐서 분리된 프로파일이 나타나게 된다. 도면에 도시된 한 가지 대안적인 실시예에 따르면 오버플로우 장치(1)는 터빈 블레이드(13)의 세로 연장부의 제한된 섹션에 걸쳐 있다. 이와 같은 실시예는 도 1a에 도시된 본 발명에 따른 프로파일을 갖는 터빈 블레이드(13)에 대한 평면도를 도시하는 도 1b에 개략적으로 도시되어 있다. 이 경우에는 터빈 블레이드(13)를 따라서 다수의 오버플로우 장치(1)가 제공될 수 있으며, 상기 오버플로우 장치(1)는 구조적 안정성을 개선하는 크로스 브리지(cross bridge)에 의해서 각각 상호 분리되어 있다. 이와 같은 내용은 도면에는 상세하게 도시되어 있지 않다.

양방향으로 유입되는 점 대칭의 S-곡선 프로파일을 위해서 본 발명에 따라 제공된 오버플로우 장치(1)의 작용은 다음과 같다: 제1 유입 방향(28)을 위해서 주된 부력 작용은 전방 프로파일 부분에 의하여, 다시 말해 제1 프로파일 절반(24)에 의하여 야기된다. 그에 상응하게 반대 유입 방향을 위해서는, 다시 말해 제2 유입 방향(29)으로는 프로파일의 주된 작용이 추후에 상류에 배치되는 제2 프로파일 절반(25)에 의하여 나타난다. 본 발명에 따른 오버플로우 장치(1)에 의해서는 압력 측으로부터 마주 놓인 프로파일 측의 유출 측 영역으로 오버플로우가 야기된다. 그에 따라 제1 유입 방향(28)을 위해서는 프로파일 순환의 한 부분이 제2 프로파일 측(22)에 있는 제1 프로파일 절반(24)을 따라 오버플로우 장치(1)를 거쳐서 제1 프로파일 측(21)의 제2 프로파일 절반(25)까지 뻗으며, 그곳에서 한 편으로는 흐름 분리 위험을 줄여주고 그리고 다른 한 편으로는 터빈 블레이드(13)에 작용하는 비틀림 모멘트(torsional moment)를 줄여준다.

도 2b의 절단선 B-B를 따라 도 2a에 도시된 프로파일 단면으로부터는 본 발명의 한 가지 추가의 실시예를 볼 수 있다. 도면에는 오버플로우 개구(1)를 형성하기 위하여 다수의 오버플로우 채널(2, 2.1, 2.2, ..., 2.n)이 도시되어 있다. 도 2b에 따라 개별 오버플로우 채널(2, 2.1, 2.2, ..., 2.n)은 터빈 블레이드(13)의 세로 연장부에 걸쳐서 서로 평행하게 그리고 서로 변위된 상태로 배치되어 있다. 이 경우에는 이웃하는 채널들이 소정의 각 위치로 방향 설정되어 있거나 또는 상기 채널들에 분기가 제공된 실시예들도 생각할 수 있다. 그밖에 오버플로우 채널(2, 2.1, 2.2, ..., 2.n)의 횡단면들도 변경될 수 있다. 슬롯 모양의 오버플로우 채널(2, 2.1, 2.2, ..., 2.n)을 갖춘 대안적인 실시예가 바람직하다. 이와 같은 실시예들은 도면에는 상세하게 도시되어 있지 않다.

도 3a 및 도 3b에는 본 발명의 한 가지 개선예가 도시되어 있다. 도 3a의 프로파일 단면 C-C는 외부 중앙에 있는 제1 유동 채널(5) 및 외부 중앙에 있는 제2 유동 채널(6)을 보여주며, 상기 유동 채널들은 중간 영역(26) 외부에서 적어도 자체 연장 부분에 걸쳐 배치되어 있다. 외부 중앙에 있는 제1 오버플로우 채널(5)을 폐쇄하기 위하여 제1 채널 폐쇄 소자(7.1 및 7.2)가 제공된다. 도면에 도시된 제1 유입 방향(28)을 위해 상기 제1 채널 폐쇄 소자들이 폐쇄됨으로써, 결과적으로 외부 중앙에 있는 제1 오버플로우 채널(5)에 의하여 그리고 그와 더불어 제1 프로파일 절반(24) 영역에서는 제1 프로파일 측(21)으로부터 제2 프로파일 측(22)으로의 오버플로우가 발생하지 않게 된다. 외부 중앙에 있는 제2 오버플로우 채널(6)에 대한 경우는 다르다. 이 경우에는 도면에 도시된 제1 유입 방향(28)을 위해 관련 제2 채널 폐쇄 소자(10.1, 10.2)가 개방됨으로써, 결과적으로 제2 프로파일 절반(25)에서는 제1 프로파일 측(21)으로부터 제2 프로파일 측(22)으로의 원하는 오버플로우가 야기된다.

도면에 도시된 실시예를 위해서 제1 및 제2 채널 폐쇄 소자(7.1, 7.2, 10.1, 10.2)의 수동적인 트리거링이 야기된다. 이때 압력을 수용하는 작동 매체를 둘러싸는 제1 탄성 프로파일 소자(8)가 도면에 도시된 제1 유입 방향(28)을 위해서 압축되며, 이 경우에는 제1 커플링 채널(9)을 통해서 제1 채널 폐쇄 소자(7.1, 7.2)와 제1 탄성 프로파일 소자(8) 간에 결합이 이루어진다. 그에 상응하게 제1 탄성 프로파일 소자(8)의 압축은 제1 유입 방향(28)을 위한 상기 탄성 프로파일 소자의 압력 측 위치로 인하여 벨로우즈(bellows) 모양으로 설치된 제1 채널 폐쇄 소자(7.1. 7.2)가 펼쳐지도록 하고, 그와 더불어 외부 중앙에 있는 제1 오버플로우 채널(5) 내에서는 전술된 유동 중단을 야기한다. 대칭 점(27)에 대하여 상대적으로 배치되고, 제1 탄성 프로파일 소자(8)에 대하여 점 대칭으로 배치되며, 그리고 또한 제1 유입 방향(28)을 위해서 흡입 측에 배치되는 제2 탄성 프로파일 소자(11)의 경우에는 다르다. 그에 상응하게 제2 채널 폐쇄 소자(10.1, 10.2)는 제2 커플링 채널(12)을 통한 유동 결합으로 인하여 안으로 접히고, 외부 중앙에 있는 제2 유동 채널(6)을 개방한다. 도면에 도시되지 않은 제2 유동 방향(29)을 위해 제1 탄성 프로파일 소자(8)가 흡입 측에 배치되고 그리고 제2 탄성 프로파일 소자(11)가 압력 측에 배치됨으로써, 제1 채널 폐쇄 소자(7.1, 7.2)는 외부 중앙에 있는 제1 오버플로우 채널(5)을 개방하고 그리고 제2 채널 폐쇄 소자(10.1, 10.2)는 외부 중앙에 있는 제2 오버플로우 채널(6)을 폐쇄한다.

도 3b에는 도 3a에 따른 프로파일을 갖는 터빈 블레이드(13)에 대한 평면도가 도시되어 있다. 본 도면을 통해서는, 외부 중앙에 있는 제1 오버플로우 채널(5, 5.1, ..., 5.n)에 각각 할당된 제1 탄성 프로파일 소자(8, 8.1, ..., 8.n)가 원심력 작용하에서의 작동 매체의 약동(saltation)을 피하기 위하여 터빈 블레이드-세로 방향으로 제한된 연장부를 갖는다는 것을 알 수 있다.

유동력에 의해서 야기되는 탄성 프로파일 소자(8, 8.1, 8.n, 11)의 변형에 의하여 유입 방향에 따라서 프로파일의 적응성 조정이 이루어진다. "적응성 조정"이란 프로파일의 변형에 의해서 야기되는 점 대칭의 파괴(breaking)를 의미하며, 이 경우 유입 방향이 교체될 때에는 변형 방향이 반전된다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 추가의 한 가지 대안적인 실시예를 보여주며, 이 경우에는 도 1a의 개선예를 위한 제1 적응성 벽 소자(3) 및 제2 적응성 벽 소자(4)를 위해서 상응하는 오버플로우 장치(1)가 제공되었다. 이때 상기 제1 적응성 벽 소자(3)는 제1 프로파일 측(21)에 있는 제1 프로파일 절반(24)에 할당된 오버플로우 장치(1)의 부분 안에 배치되어 있다. 이 목적을 위하여 제2 프로파일 측(22)에 있는 제2 프로파일 절반(25)에 할당된 제2 적응성 벽 소자(4)는 대칭 점(27)에 대하여 점 대칭이다.

도 4a 및 도 4b에는 탄성 소자로서 형성되거나 또는 유동 가능한 혹은 압축 가능한 충전부를 갖는 제1 및 제2 적응성 벽 소자(3, 4)의 컨투어의 수동적인 조절이 도시되어 있다. 상기 적응성 벽 소자들의 변형으로 인해 프로파일로 유입이 이루어질 때에는 오버플로우 장치(1) 내에서의 유동 가이드를 개선하는 상기 오버플로우 장치(1) 컨투어의 대칭 파괴가 생성된다. 하지만, 프로파일의 기본 컨투어, 즉 유입이 없는 상태는 변동 없이 대칭 점(27)에 대하여 점 대칭이다.

도 5a 및 도 5b에는 제1의 적응성 액티브 벽 소자(16) 및 제2의 적응성 액티브 벽 소자(17)를 갖는 한 가지 대안적인 실시예가 도시되어 있다. 이 경우 상기 제1 적응성 액티브 벽 소자(16)는 제1 프로파일 측(21)의 제1 프로파일 절반(24)에 할당되어 있으며, 그리고 제2 적응성 액티브 벽 소자(17)는 제2 프로파일 측(22)에 있는 제2 프로파일 절반(25)의 부분이다. 오버플로우 장치(1)의 외부 에지 근처에 있는 제1 회전 점(14)을 중심으로 이루어지는 회전 동작을 실현하기 위하여, 제1 적응성 액티브 벽 소자(16)에는 예를 들어 유압 실린더를 포함할 수 있는 제1 액추에이터(18)가 할당되어 있다. 작은 조절 동작을 위해서는 피에조 소자도 액추에이터(18)로서 사용될 수 있다. 그에 상응하게 제2 적응성 벽 소자(17)에는 제2 액추에이터(19) 및 제2 회전 점(15)이 할당되어 있다.

도 5a에 도시된 제1 유입 방향(28)을 위해 제2 적응성 액티브 벽 소자(17)가 밖으로 펼쳐져서 제2 프로파일 절반(25)의 전체 컨투어를 보정한다. 제1 적응성 액티브 벽 소자(16)는 안으로 접힌 상태로 그대로 유지된다. 유입이 제2 유입 방향(29)으로 교체되는 경우에는 그에 상응하게 제1 적응성 액티브 벽 소자(16)가 밖으로 펼쳐져서 해당 프로파일 영역을 보정한다. 흡입 측에서는 제2 적응성 액티브 벽 소자(17)가 원래의 상태로 그대로 유지된다. 이와 같은 상황은 도 5b에 도시되어 있다.

도 5a 및 도 5b에 따른 실시예는 본 발명에 따른 오버플로우 장치(1)의 영역 안에서 능동적으로 트랙킹된 적응성 소자들을 사용하며, 이 경우 순전히 수동적인 시스템에 대해서는 트리거링을 위하여 증가된 장치 비용이 반드시 필요하다. 허브에 대한 인터페이스에 설치된 피치-조정 장치에 의한 터빈 블레이드(13)의 완전 회전을 이용해서 유입 방향 교체에 적응시키기 위하여 지금까지 적용된 액티브 장치들과 비교할 때, 별도로 전환될 수 있는 다수의 적응성 소자들에 의해서는 다수의 개별 소자로 유동력을 분배할 수 있는 프로파일 컨투어의 유입 방향-적응이 야기될 수 있다는 장점이 나타난다. 그밖에 개별 적응성 소자들의 고장도 터빈 블레이드(13) 전체의 기능적인 손실을 야기하지 않는다.

본 발명의 추가의 실시예들을 생각할 수 있다. 따라서 예를 들어 프로파일 내부에서 리딩 에지 영역에는 유입 개구를 갖는 채널 구조물이 설치될 수 있으며, 상기 채널 구조물은 프로파일 내부의 중선을 따라 유출 측 및 흡입 측의 프로파일 섹션 영역에 있는 배출 개구로 유동 성분들의 위치를 변동시킨다. 추가의 변형 실시예들은 이어지는 청구 범위로부터 드러난다.

1: 오버플로우 장치
2, 2.1, 2.2, 2.n: 오버플로우 채널
3: 제1 적응성 벽 소자
4: 제2 적응성 벽 소자
5, 5.1, ..., 5.n: 외부 중간에 있는 제1 오버플로우 채널
6, 6.1, ..., 6.n: 외부 중간에 있는 제2 오버플로우 채널
7.1, 7.2: 제1 채널 폐쇄 소자
8, 8.1, ..., 8.n: 제1 탄성 프로파일 소자
9: 제1 커플링 채널
10.1, 10.2: 제2 채널 폐쇄 소자
11: 제2 탄성 프로파일 소자
12: 제2 커플링 채널
13: 터빈 블레이드
14: 제1 회전 점
15: 제2 회전 점
16: 제1 적응성 액티브 벽 소자
17: 제2 적응성 액티브 벽 소자
18: 제1 액추에이터
19: 제2 액추에이터
20: 프로파일 소자의 현
21: 제1 프로파일 측
22: 제2 프로파일 측
23: 중심선
24: 제1 프로파일 절반
25: 제2 프로파일 절반
26: 중간 영역
27: 대칭점
28: 제1 유입 방향
29: 제2 유입 방향
30: 제1 리딩 에지(leading edge)
31: 제2 리딩 에지
32: 중선
w: 만곡부

Claims

프로파일 소자의 깊이가 절반일 때에 프로파일 소자의 현(20)(chord) 상에 놓이는 대칭 점(27)에 대하여 점 대칭으로 형성되어 S자 모양의 곡선을 구현하는 중선(32)(中線)을 갖는 구부러진 프로파일 소자를 적어도 세로 연장부의 한 부분 영역에 구비하며, 이때 상기 중선(32)이 프로파일 소자를 제1 프로파일 측(21) 및 제2 프로파일 측(22)으로 구분하는, 수력 터빈용 터빈 블레이드에 있어서,
상기 제1 프로파일 측(21)과 제2 프로파일 측(22) 간에 유체 결합을 만들어주는 오버플로우 장치(1)(overflow device)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 터빈용 터빈 블레이드.
제 1 항에 있어서,
상기 오버플로우 장치(1)가 적어도 하나의 오버플로우 채널(2, 2.1, ..., 2.n)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 터빈용 터빈 블레이드.
제 1 항에 있어서,
상기 프로파일이 분리된 프로파일로서 형성되고, 상기 분리된 프로파일을 위해서 오버플로우 장치(1)를 형성하기 위하여 프로파일 두께 분포가 적어도 한 부분 영역에서는 0의 값을 취하는 것을 특징으로 하는 수력 터빈용 터빈 블레이드.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 오버플로우 장치(1)가 프로파일 깊이의 3/8 내지 5/8에 달하는 프로파일의 중간 영역(26)에 형성된 것을 특징으로 하는 수력 터빈용 터빈 블레이드.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 터빈 블레이드(13)가 외부 중앙에 있는 제1 오버플로우 채널(5, 5.1, ..., 5.n) 및 외부 중앙에 있는 제2 오버플로우 채널(6, 6.1, ..., 6.n)을 포함하며, 이때 상기 외부 중앙에 있는 제1 오버플로우 채널은 제1 프로파일 절반(24)에서 제1 프로파일 측(21)과 제2 프로파일 측(22) 간에 유체 결합을 만들어주고, 그리고 상기 외부 중앙에 있는 제2 오버플로우 채널은 제2 프로파일 절반(25)에서 제1 프로파일 측(21)과 제2 프로파일 측(22) 간에 유체 결합을 만들어주는 것을 특징으로 하는 수력 터빈용 터빈 블레이드.
제 5 항에 있어서,
상기 외부 중앙에 있는 제1 오버플로우 채널(5, 5.1, ..., 5.n)에는 제1 채널 폐쇄 소자(7.1, 7.2)가 할당되어 있고, 그리고 외부 중앙에 있는 제2 오버플로우 채널(6, 6.1, ..., 6.n)에는 제2 채널 폐쇄 소자(10.1, 10.2)가 할당되어 있으며, 이때 상기 채널 폐쇄 소자들은 유입 방향에 따라서 외부 중앙에 있는 해당 오버플로우 채널들을 선택적으로 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 수력 터빈용 터빈 블레이드.
제 6 항에 있어서,
상기 외부 중앙에 있는 제1 오버플로우 채널(5, 5.1, ..., 5.n) 및 상기 외부 중앙에 있는 제2 오버플로우 채널(6, 6.1, ..., 6.n)의 선택적인 폐쇄 동작이 수동적으로 야기되는 것을 특징으로 하는 수력 터빈용 터빈 블레이드.
제 7 항에 있어서,
상기 제1 채널 폐쇄 소자(7, 7.1, 7.2)를 수동적으로 트리거링하기 위하여 제2 프로파일 측(22)에서는 제1 탄성 프로파일 소자(8, 8.1, ..., 8.n)가 사용되며, 그리고 상기 제2 채널 폐쇄 소자(10.1, 10.2)를 수동적으로 트리거링하기 위하여 제1 프로파일 측(21)에서는 제2 탄성 프로파일 소자(11)가 사용되는 것을 특징으로 하는 수력 터빈용 터빈 블레이드.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 오버플로우 장치(1)가 대칭 점(27)에 대하여 대칭으로 배치된 제1 적응성 벽 소자(3) 및 제2 적응성 벽 소자(4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 터빈용 터빈 블레이드.
제 9 항에 있어서,
상기 제1 적응성 벽 소자(3) 및 제2 적응성 벽 소자(4)는 유동력에 의해서 영향을 받는 컨투어를 갖는 패시브 소자로서 작용을 하는 것을 특징으로 하는 수력 터빈용 터빈 블레이드.
제 8 항에 있어서,
상기 제1 적응성 벽 소자(3)는 제1 적응성 액티브 벽 소자(16)를 포함하며, 그리고 상기 제2 적응성 벽 소자(4)는 제2 적응성 액티브 벽 소자(17)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 터빈용 터빈 블레이드.
프로파일 소자의 깊이가 절반일 때에 프로파일 소자의 현(20) 상에 놓이는 대칭 점(27)에 대하여 점 대칭으로 형성되어 S자 모양의 곡선을 구현하는 중선(32)을 갖는 구부러진 프로파일 소자를 적어도 세로 연장부의 한 부분 영역에 구비하는, 양방향으로 유입될 수 있는 수력 터빈용 터빈 블레이드를 작동시키기 위한 방법에 있어서,
상기 중선(32)은 프로파일 소자를 제1 프로파일 측(21) 및 제2 프로파일 측(22)으로 구분하며; 그리고
상기 터빈 블레이드는 외부 중앙에 있는 제1 오버플로우 채널(5, 5.1, ..., 5.n) 및 외부 중앙에 있는 제2 오버플로우 채널(6, 6.1, ..., 6.n)을 포함하며, 이때 상기 외부 중앙에 있는 제1 오버플로우 채널은 제1 프로파일 절반(24)에서 제1 프로파일 측(21)과 제2 프로파일 측(22) 간에 유체 결합을 만들어주고, 그리고 상기 외부 중앙에 있는 제2 오버플로우 채널은 제2 프로파일 절반(25)에서 제1 프로파일 측(21)과 제2 프로파일 측(22) 간에 유체 결합을 만들어주며; 그리고
상기 외부 중앙에 있는 제1 오버플로우 채널(5, 5.1, ..., 5.n)은 제1 채널 폐쇄 소자(7.1, 7.2)를 포함하고, 그리고 외부 중앙에 있는 제2 오버플로우 채널(6, 6.1, ..., 6.n)은 제2 채널 폐쇄 소자(10.1, 10.2)를 포함하며; 그리고
각각의 해당 채널 폐쇄 소자에 의하여 유입 방향에 따라서 상류에 있는 외부 중앙 오버플로우 채널이 폐쇄되고 그리고 하류에 있는 외부 중앙 오버플로우 채널이 개방되는 양방향으로 유입될 수 있는 수력 터빈용 터빈 블레이드를 작동시키기 위한 방법.