KR20130059606A - 개선된 블레이드 구조를 갖는 조류발전용 터빈 - Google Patents

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Abstract

개선된 블레이드 구조를 갖는 조류발전용 터빈이 개시된다. 본 발명의 개선된 블레이드 구조를 갖는 조류발전용 터빈은, 일정길이를 갖는 회전축; 상기 회전축의 길이방향과 직교하는 방향으로 흐르는 유체의 직진을 유도할 수 있는 다수의 유도공간을 형성하도록 상기 회전축의 길이방향을 따라 상호 일정간격 이격되어 결합되는 다수의 스포크; 및 유체의 흐름 에너지에 의해 상기 회전축을 회전시킬 수 있도록 상기 스포크 사이에 상호 일정간격 이격되어 마련되는 다수의 블레이드를 포함하되, 상기 블레이드는, 비행기 날개 형상의 단면을 갖도록 형성되어 상기 회전축과 평행하도록 상기 스포크에 양단부가 삽입 결합되되, 상기 각 스포크 사이에 대해 상호 엇갈리도록 배열되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 회전축의 길이방향을 따라 마련된 각 스포크 사이에 대해 상호 엇갈리도록 배열된 뒤 유체의 흐름 에너지가 작용하는 터빈의 일측영역에서 연속적으로 큰 양력을 발생시키는 블레이드에 의하여, 조류발전시 높은 토크로 회전축을 회전시키면서도 균일한 발전출력을 얻을 수 있게 된다.

Description

개선된 블레이드 구조를 갖는 조류발전용 터빈{TURBINE FOR TIDAL CURRENT POWER WITH ADVANCED BLADE STRUCTURE}
본 발명은 개선된 블레이드 구조를 갖는 조류발전용 터빈에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 조류발전시 다리우스 터빈의 높은 토크와 헬리컬 터빈의 균일한 발전출력을 함께 얻을 수 있는 개선된 블레이드 구조를 갖는 조류발전용 터빈에 관한 것이다.
일반적으로, 터빈은 물, 가스, 증기 등의 유체가 가지는 에너지를 유용한 기계적 일로 변화시키는 기계 또는 장치를 말하며, 유체의 흐름 에너지를 전기 에너지로 전환하기 위한 풍력발전, 조수 간만의 수위차를 이용한 조력발전 및 조류를 이용한 조류발전 등에 이용되고 있다.
특히 조류를 에너지원으로 이용하는 조류발전은 물살이 빠른 곳에 터빈을 설치하여 전기의 생산이 가능한 방식이다. 이러한 조류발전은 해상에서 선박의 이동이 자유로우면서도 어류의 이동을 방해하지 않고 주변 생태계에 영향을 주지 않는 환경친화적 대체에너지 시스템이라는 점에서 많은 연구와 개발이 진행되고 있으며, 일례로, 조류발전용 터빈은 수중에서 발전효율이 좋은 다리우스 터빈 및 헬리컬 터빈이 널리 사용되고 있다.
도 1은 종래의 다리우스 터빈의 개략적인 모식도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 다리우스 터빈(Darrieus turbine)(10)은 회전축(12)과, 회전축(12)의 둘레에 상호 일정간격 이격 배치되어 방사상으로 연장 형성되는 다수의 스포크(14) 및 스포크(14)의 단부를 회전축(12)과 평행하게 연결하도록 형성되는 다수의 블레이드(16)로 구성되어 있다. 이러한 다리우스 터빈(10)은 수중에서 조류의 흐름에 따른 양력을 이용하여 높은 토크를 얻을 수 있는 장점이 있다.
하지만, 종래의 다리우스 터빈(10)은, 조류로부터 양력을 발생시키는 블레이드(16)가 회전축(12)의 둘레에 상호 일정간격 이격 배치되도록 형성되는 구조를 채택하고 있기 때문에 조류의 흐름 에너지(화살표 방향)를 받는 해당 블레이드(16)의 일측영역에서 일시적으로 큰 양력을 발생시켜 높은 토크를 얻을 수 있지만 블레이드(16) 간의 간격에 의해 발전출력이 균일하지 않은 문제가 있다.
도 2는 종래의 헬리컬 터빈의 개략적인 모식도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 헬리컬 터빈(Helical turbine)(20)은 회전축(22)과, 회전축(22)의 둘레에 상호 일정간격 이격 배치되어 방사상으로 연장 형성되는 다수의 스포크(24) 및 스포크(24)의 단부를 나선형으로 연결하도록 형성되는 다수의 블레이드(26)로 구성되어 있다. 이러한 헬리컬 터빈(20)은 수중에서 조류의 흐름에 따라 기존의 조류발전용 터빈에 비하여 그 효율이 대략 50% 정도 상승하는 장점이 있다.
하지만, 종래의 헬리컬 터빈(20)은, 조류에 의해 양력을 발생시키는 블레이드(26)가 회전축(22)의 둘레에 나선형으로 배치되도록 형성되는 구조를 채택하고 있기 때문에 조류의 흐름 에너지(화살표 방향)를 받는 해당 블레이드(26)의 일측영역에서 지속적으로 양력을 발생시켜 균일한 발전출력을 얻을 수 있지만 블레이드(26)의 나선형 구조에 따라 토크가 작아지는 문제가 있다.
이에 조류발전시 높은 토크와 균일한 발전출력을 함께 얻을 수 있는 조류발전용 터빈에 관한 연구개발이 요구되고 있다.
본 발명의 기술적 과제는, 조류발전시 다리우스 터빈의 높은 토크와 헬리컬 터빈의 균일한 발전출력을 함께 얻을 수 있도록 블레이드의 구조를 개선하여 터빈의 효율을 향상시킬 수 있는 개량된 블레이드 구조를 갖는 조류발전용 터빈을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제는, 본 발명에 따라, 일정길이를 갖는 회전축; 상기 회전축의 길이방향과 직교하는 방향으로 흐르는 유체의 직진을 유도할 수 있는 다수의 유도공간을 형성하도록 상기 회전축의 길이방향을 따라 상호 일정간격 이격되어 결합되는 다수의 스포크; 및 유체의 흐름 에너지에 의해 상기 회전축을 회전시킬 수 있도록 상기 스포크 사이에 상호 일정간격 이격되어 마련되는 다수의 블레이드를 포함하되, 상기 블레이드는, 비행기 날개 형상의 단면을 갖도록 형성되어 상기 회전축과 평행하도록 상기 스포크에 양단부가 삽입 결합되되, 상기 각 스포크 사이에 대해 상호 엇갈리도록 배열되는 것을 특징으로 하는 개선된 블레이드 구조를 갖는 조류발전용 터빈에 의하여 달성된다.
상기 스포크는, 상기 회전축이 삽입되기 위한 삽입부를 중공 형성하며 둘레에 상기 삽입부로 관통하는 다수의 나사공을 갖는 허브; 및 상기 허브의 둘레로부터 연장되어 상기 유도공간의 측벽을 형성하는 원판 형상의 회전판을 포함할 수 있다.
상기 회전축은, 상기 삽입부에 삽입되도록 상기 스포크의 결합위치와 대응되는 위치에 고정 결합되는 슬리브를 포함하며, 상기 스포크는, 상기 허브를 통해 상기 슬리브에 결합된 뒤 상기 나사공으로 삽입되는 나사에 의해 상기 회전축에 일체로 고정될 수 있다.
상기 회전판의 둘레에는, 상기 스포크 사이에 대해 상호 엇갈리도록 배열되는 상기 블레이드의 양단부를 삽입 결합할 수 있도록 표면을 관통하는 다수의 결합홈이 형성될 수 있다.
상기 회전판에는, 상기 스포크의 전체 중량을 감소시킬 수 있도록 상기 회전축과 상기 결합홈 사이의 표면에 적어도 하나의 관통구멍이 관통 형성될 수 있다.
상기 적어도 하나의 관통구멍은, 상기 회전판의 표면에 상호 일정간격 이격되어 마련되는 다수의 관통구멍일 수 있다.
상기 회전판은, 상기 유체의 흐름 에너지에 의한 저항을 줄이기 위하여 외주면의 모서리부가 곡면으로 가공될 수 있다.
본 발명에 의하면, 회전축의 길이방향을 따라 마련된 각 스포크 사이에 대해 상호 엇갈리도록 배열된 뒤 유체의 흐름 에너지가 작용하는 터빈의 일측영역에서 연속적으로 큰 양력을 발생시키는 블레이드에 의하여, 조류발전시 높은 토크로 회전축을 회전시키면서도 균일한 발전출력을 얻을 수 있게 된다.
도 1은 종래의 다리우스 터빈의 개략적인 모식도이다.
도 2는 종래의 헬리컬 터빈의 개략적인 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 조류발전용 터빈의 사시도이다.
도 4는 도 3의 조류발전용 터빈의 정면도이다.
도 5는 도 4의 A-A선 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 조류발전용 터빈의 사시도이며, 도 4는 도 3의 조류발전용 터빈의 정면도이고, 도 5는 도 4의 A-A선 단면도이며, 도 6은 도 3의 조류발전용 터빈의 작동상태를 나타낸 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 개선된 블레이드 구조를 갖는 조류발전용 터빈(100)은, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 회전축(110)과, 조류발전시 회전축(110)의 길이방향과 직교하는 방향으로 흐르는 유체의 직진을 유도하도록 마련되는 다수의 스포크(120)와, 유체의 흐름 에너지에 의해 회전축(110)을 회전시킬 수 있도록 스포크(120) 사이에 마련되는 다수의 블레이드(130)를 포함한다.
회전축(110)은 일정길이로 형성되며 둘레에 다수의 슬리브(112)가 마련되는 구성이다. 이러한 회전축(110)은 조류의 흐름에 따라 발생하는 유체의 흐름 에너지를 회전력으로 변환시키는 블레이드(130)에 의해 회전하게 된다. 회전축(110)의 회전력은 발전기(미도시)에 전달되게 된다.
슬리브(112)는 회전축(110)에 마련되는 구성이다. 즉, 슬리브(112)는 중공 원통 형상으로 형성되며 회전축(110)의 길이방향을 따라 스포크(120)의 결합위치에 상호 일정간격 이격되도록 고정 결합된다. 이때, 슬리브(112)는 키, 볼트, 용접 등과 같은 공지된 결합수단을 매개로 회전축(110)에 일체로 고정 결합된다.
스포크(120)는 조류발전시 회전축(110)의 길이방향과 직교하는 방향으로 흐르는 유체의 직진을 유도할 수 있는 다수의 유도공간(126)을 형성하도록 마련되는 구성으로, 회전축(110)이 삽입되도록 마련되는 허브(122)와, 허브(122)의 둘레로부터 연장 형성되도록 마련되는 원판 형상의 회전판(124)을 포함한다.
여기서 다수의 유도공간(126)은 스포크(120) 사이에 형성되는 공간이며 조류에 따라 흐름을 발생하는 유체가 회전축(110)의 길이방향과 직교되는 방향으로 직진하여 통과할 수 있도록 유도하는 구성이다.
즉, 터빈(100)은 회전축(110)의 길이방향과 직교하는 방향으로 유체의 흐름을 유지하도록 설치되는데, 유체가 터빈(100)과 접촉하는 과정에서 간섭에 의해 직진성을 상실하여 블레이드(130)의 양력을 약화시키는 문제가 있다. 이에 따라 회전축(110)에 마련된 각 스포크(120) 사이에 유체의 직진통로인 유도공간(126)을 형성함으로써 유체의 흐름 에너지가 블레이드(130)에 집중적으로 작용할 수 있는 유체의 직진성 및 블레이드(130)의 양력 향상을 확보할 수 있게 되는 것이다.
허브(122)는 슬리브(112)에 결합되도록 형성되며 둘레에 다수의 나사공(122B)이 마련되는 구성이다. 즉, 허브(122)는 삽입부(122A)를 갖는 중공 원통 형상으로 형성되며 삽입부(122A)에는 슬리브(112)가 삽입 결합된다.
다수의 나사공(122B)은 회전축(110)에 스포크(120)를 결합할 수 있도록 허브(122)의 둘레에 마련되는 구성이다. 나사공(122B)은 허브(122)의 둘레를 따라 상호 일정간격 이격되어 삽입부(122A)로 관통 형성된다. 이에 따라 스포크(120)는 허브(122)를 통해 슬리브(112)에 결합된 뒤 나사공(122B)으로 삽입되는 나사(123)에 의해 회전축(110)에 일체로 고정되게 된다.
여기서 스포크(120)는 상기한 결합구조에 따라 회전축(110)에 대한 조립 및 분해가 수월하면서도 회전축(110)에 대해 임의의 각도로 회전시켜 후술하는 블레이드(130)의 양단부가 삽입 결합되도록 회전판(124)에 마련되는 결합홈(124A)의 위치를 용이하게 조절하게 된다.
회전판(124)은 허브(122)의 둘레에 형성되며 표면에 다수의 결합홈(124A) 및 관통구멍(124B)이 마련되는 구성이다. 즉, 회전판(124)은 허브(122)의 둘레로부터 원판 형상으로 연장 형성되며 이에 따라 회전판(124) 사이에는 유체의 직진을 유도하도록 마련되는 유도공간(126)이 형성되게 된다. 이러한 회전판(124)은 유도공간(126)의 측벽을 형성하는 것이다.
회전판(124)은 외주면의 모서리부가 일정한 곡률을 갖도록 마련되며 이에 따라 유체의 흐름 에너지에 의한 저항을 줄일 수 있게 된다. 즉, 회전판(124)은 외주면의 모서리부가 곡면(Round)으로 가공됨으로써 스포크(120)로 작용하는 유체의 흐름 에너지로부터 발생하는 저항을 줄일 수 있게 되는 것이다.
다수의 결합홈(124A)은 회전판(124)에 마련되는 구성이다. 결합홈(124A)은 회전판(124)의 둘레에 블레이드(130)의 양단부를 삽입 결합할 수 있도록 표면을 관통하여 형성된다. 이때, 결합홈(124A)은 후술하는 블레이드(130)가 각 스포크(120) 사이에 대해 상호 엇갈리게 배열되어 결합되도록 마련된다.
다수의 관통구멍(124B)은 회전판(124)에 마련되는 구성으로, 회전축(110)과 결합홈(124A) 사이의 표면영역에 다수가 관통하여 형성된다. 즉, 관통구멍(124B)은 회전판(124)의 표면에 상호 일정간격 이격되도록 관통 형성되며 이에 따라 스포크(120)를 경량화하게 된다.
블레이드(130)는 조류발전시 유체의 흐름 에너지에 의해 양력을 발생시키도록 스포크(120)에 결합되는 구성이다. 블레이드(130)는 비행기 날개 형상의 단면을 갖도록 형성되어 회전축(110)과 평행하도록 스포크(120)에 마련된 회전판(124)의 결합홈(124A)에 양단부가 삽입된 뒤 용접에 의해 고정된다. 이때, 블레이드(130)는 유체의 흐름 에너지로부터 높은 토크 및 균일한 발전출력을 얻을 수 있도록 각 스포크(120) 사이에 대해 상호 엇갈리도록 배열되게 된다.
즉, 블레이드(130)는 각 스포크(120) 사이에 대해 상호 엇갈리게 배열되도록 마련되어 유체의 흐름 에너지가 작용하는 터빈(100)의 일측영역에서 각 유도공간(126)을 통과하는 유체의 흐름 에너지를 골고루 받아 연속적으로 큰 양력을 발생시키며 이에 따라 회전축(110)에 대한 높은 토크 및 균일한 발전출력을 제공할 수 있게 된다.
여기서 블레이드(130)는 그 양단부가 회전판(124)의 결합홈(124A)에 삽입 결합되는 구조를 채택함에 따라 기존의 블레이드가 스포크의 단부에 결합되는 구조에 비해 상대적으로 구조적 안정성을 확보하면서도 설치 및 교체 등의 보수가 용이하게 된다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 개선된 블레이드 구조를 갖는 조류발전용 터빈의 작용을 설명한다.
본 실시예의 개선된 블레이드 구조를 갖는 조류발전용 터빈(100)은 유체의 흐름이 빠른 수로 또는 해상에 설치된다.
이러한 상태에서, 터빈(100)에 유체의 흐름 에너지가 작용하게 되면, 유체는 스포크(120) 사이에 마련된 각 유도공간(126)에 의해 유도되어 회전축(110)에 대해 직교하는 방향으로 직진성을 갖도록 흐름을 유지하면서 터빈(100)을 통과하며 이에 따라 블레이드(130)는 유체의 흐름 에너지에 의해 양력을 발생시키기 시작한다.
블레이드(130)에 의해 양력이 발생되면, 회전축(110)은 유체의 흐름 에너지를 회전력으로 변환시키는 블레이드(130)에 의해 회전하면서 이를 발전기에 전달한다.
이때, 블레이드(130)는 회전축(110)의 길이방향을 따라 마련되는 각 스포크(120) 사이에 대해 상호 엇갈리도록 배열됨에 따라 유체의 흐름 에너지가 작용하는 터빈(100)의 일측영역에서 연속적으로 큰 양력을 발생시킨다.
즉, 블레이드(130)는 유체의 흐름 에너지가 작용하는 터빈(100)의 일측영역에서 각 스포크(120)에 대해 상호 엇갈리도록 배열되는 블레이드(130)가 각 유도공간(126)을 통과하는 유체의 흐름 에너지를 순차적으로 골고루 받아 연속적으로 큰 양력을 발생시키며 이에 따라 회전축(110)에 대한 높은 토크 및 균일한 발전출력을 얻을 수 있게 된다.
본 실시예의 개선된 블레이드 구조를 갖는 조류발전용 터빈(100)은, 회전축(110)의 길이방향을 따라 마련된 각 스포크(120) 사이에 대해 상호 엇갈리도록 배열된 뒤 유체의 흐름 에너지가 작용하는 터빈(100)의 일측영역에서 연속적으로 큰 양력을 발생시키는 블레이드(130)에 의하여, 조류발전시 높은 토크로 회전축(110)을 회전시키면서도 균일한 발전출력을 얻을 수 있다.
아울러, 본 실시예의 개선된 블레이드 구조를 갖는 조류발전용 터빈(100)은, 스포크(120)가 회전축(110)에 나사결합되도록 형성됨으로써 회전축(110)에 대한 조립 및 분해가 수월하면서도 회전축(110)에 대해 스포크(120)를 임의의 각도로 회전시켜 블레이드(130)가 결합되는 회전판(124)의 위치를 용이하게 조절할 수 있다.
또한, 본 실시예의 개선된 블레이드 구조를 갖는 조류발전용 터빈(100)은, 스포크(120)에 마련된 회전판(124)의 결합홈(124A)에 블레이드(130)의 양단부가 삽입되어 결합되도록 형성됨으로써, 블레이드(130)의 구조적 안정성을 확보하면서도 설치 및 교체 등의 보수가 용이할 수 있다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
110: 회전축 112: 슬리브
120: 스포크 122: 허브
124: 회전판 126: 유도공간
130: 블레이드

Claims (7)

  1. 일정길이를 갖는 회전축;
    상기 회전축의 길이방향과 직교하는 방향으로 흐르는 유체의 직진을 유도할 수 있는 다수의 유도공간을 형성하도록 상기 회전축의 길이방향을 따라 상호 일정간격 이격되어 결합되는 다수의 스포크; 및
    유체의 흐름 에너지에 의해 상기 회전축을 회전시킬 수 있도록 상기 스포크 사이에 상호 일정간격 이격되어 마련되는 다수의 블레이드를 포함하되,
    상기 블레이드는, 비행기 날개 형상의 단면을 갖도록 형성되어 상기 회전축과 평행하도록 상기 스포크에 양단부가 삽입 결합되되, 상기 각 스포크 사이에 대해 상호 엇갈리도록 배열되는 것을 특징으로 하는,
    개선된 블레이드 구조를 갖는 조류발전용 터빈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스포크는,
    상기 회전축이 삽입되는 삽입부를 중공 형성하며 둘레에 상기 삽입부로 관통하는 다수의 나사공을 갖는 허브; 및
    상기 허브의 둘레로부터 연장되어 상기 유도공간의 측벽을 형성하는 원판 형상의 회전판을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    개선된 블레이드 구조를 갖는 조류발전용 터빈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 회전축은,
    상기 삽입부에 삽입되도록 상기 스포크의 결합위치와 대응되는 위치에 고정 결합되는 슬리브를 포함하며,
    상기 스포크는, 상기 허브를 통해 상기 슬리브에 결합된 뒤 상기 나사공으로 삽입되는 나사에 의해 상기 회전축에 일체로 고정되는 것을 특징으로 하는,
    개선된 블레이드 구조를 갖는 조류발전용 터빈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 회전판의 둘레에는, 상기 스포크 사이에 대해 상호 엇갈리도록 배열되는 상기 블레이드의 양단부를 삽입 결합할 수 있도록 표면을 관통하는 다수의 결합홈이 형성되는 것을 특징으로 하는,
    개선된 블레이드 구조를 갖는 조류발전용 터빈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 회전판에는, 상기 스포크의 전체 중량을 감소시킬 수 있도록 상기 회전축과 상기 결합홈 사이의 표면에 적어도 하나의 관통구멍이 관통 형성되는 것을 특징으로 하는,
    개선된 블레이드 구조를 갖는 조류발전용 터빈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 관통구멍은,
    상기 회전판의 표면에 상호 일정간격 이격되어 마련되는 다수의 관통구멍인 것을 특징으로 하는,
    개선된 블레이드 구조를 갖는 조류발전용 터빈.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 회전판은, 상기 유체의 흐름 에너지에 의한 저항을 줄이기 위하여 외주면의 모서리부가 곡면으로 가공되는 것을 특징으로 하는,
    개선된 블레이드 구조를 갖는 조류발전용 터빈.
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