KR20130125405A - 유체흐름의 운동에너지를 전력으로 변환하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에어로포일 병렬 캐스케이드나 거기에 위치된 하이드로포일을 사용하여 이동하는 유체 흐름의 운동 에너지를 유용한 일로 변환하는 방법 및 장치이다. 포일에는 2이상의 자유도가 제공되고 인접한 포일은 역위상으로 이동한다. 포일은 유체 흐름에 의해 발생되는 플러터로 알려진 공명 진동의 대상이 된다. 프로파일된 유입 및 유출 덕트는 상류 및 하류에 위치될 수 있고, 상기 장치는 유체 속도와 압력을 변경함으로써 효율성을 증가시키기 위해 프로파일된 덕트에 둘러싸여질 수 있다. 포일은 캔틸레버되고 수직 로드에 의해 지지되지만 비부착 상태이다. 포일, 동력 변환 모듈, 및 운동 제어 모듈을 각각 포함하는 독립적인 포일 모듈로 구성되는 캐스케이드는 (1)동력을 발생하기 위해 유체 흐름으로부터 에너지를 수용하거나, (2) 추진이나 펌핑을 생성하기 위해 유체 흐름으로 에너지를 전달하도록 프로그램될 수 있다.

Description

유체흐름의 운동에너지를 전력으로 변환하는 방법 및 장치{METHOD OF CONVERTING THE KINETIC ENERGY OF A FLUID STREAM INTO ELECTRIC POWER AND APPARATUS FOR THE SAME}

본 출원은 2005년 6월 1일에 출원된 미국 가출원 제60/658,891호의 이익을 청구한다.

본 발명은 LEE Arnold 박사의 미국 특허 제4,184,805호(1980. 1), 미국 특허 제4,347,036호(1982.8), 미국 특허 제6,273,680호(2001. 8)에 공지된 방법 및 장치의 개량을 포함한다.

본 발명은 유용한 힘을 생산하기 위해 이동하는 유체 흐름에 포함된 운동 에너지를 사용하는 기술 및 장치에 관한 것이며, 특히 캔틸레버 서스펜션바에 의해서만 이동하는 유체내에서 지지되는 포일 캐스케이드에 관한 것이다. 역위상으로 이동하는 포일 캐스케이드는 2이상의 자유도를 필요로 하는 플러터 현상을 이용하여, 발전하기 위해 유체의 에너지를 추출하도록 배열될 수 있다. 또는 포일을 외부 전원으로 구동시켜, 외부로부터 프로그램된 진동을 이용하여 2이상의 자유도를 필요로 하는 추진 또는 펌핑을 이용하여 유체로 에너지를 주입할 수 있다.

몇 세기 전에 인간 사회의 주요 힘의 근원이었던 재생가능한 자원은 태양력, 풍력, 수력, 파력, 및 조력을 포함한다. 모든 재생가능한 자원은 달의 만유인력으로부터 비롯된 조력을 제외한 태양 에너지로부터 비롯된다(엄밀히 말하자면, 지구 코어에 저장된 열로부터 비롯된 지열 에너지는 재생가능한 에너지가 아니다). 능동적으로 수동적인 태양, 풍력, 수력, 파력, 및 조력 모두는 차례로 태양 복사에 의해 기인된 지구 기상 평행의 결과이다.

유용한 일로 재생가능한 에너지원을 변환하기 위한 효율적인 수단의 탐색은 윈드의 운동 에너지를 기계적 에너지로 변환하며, 리프트 또는 드래그 힘을 사용하는 기계적 윈드 터빈 및 흐르는 물의 운동 에너지나 높이 저장된 물의 위치 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 기계적 워터 터빈을 포함한다. 대부분의 경우, 그렇게 변환된 에너지는 최종 분배와 사용을 위해 전기력으로 변환된다.

미국 특허 제1,486,040호(Schieferstein)는 싱글 프리돔도만으로가 아닌 기계적으로 구동된 진동하는 날개를 사용하는 추진력의 수단을 개시한다.

미국 특허 제2,783,022호(Salzer)는 상하 운동을 통해 수평축을 회전하는 일련의 플로트(float)를 포함하는 대양 파력 변환 장치를 설명한다. 이 장치는 진동하는 포일을 사용하지 않는다.

미국 특허 제3,040,976호(de Mattos)는 싱글 자유도만으로 다시 기계적으로 구동된 진동하는 날개의 병렬 그룹핑을 사용하는 에어 추진력의 수단을 개시한다.

미국 특허 제3,508,840호(Lederlin)는 자기 발생의 와동을 재평행시키도록 형성된 만곡과 에어포일 또는 일련의 플랩핑 에어포일을 개시한다. 그러한 에어포일 또는 에어포일들은 불규칙하게나 역위상으로 동작하지 않는다.

미국 특허 제3,783,858호(Ashikian)는 공기열로 공명 진동을 사용하는 액체를 가열하는 수단을 개시한다. 본 발명은 유체를 역위상 플러터에서 포일을 사용하는 기계적 에너지로 변환하지 않는다.

미국 특허 제3.883,750호(Uzell)는 프로펠러 형태의 윈드 터빈을 회전시키는 벤투리 동봉 수평축을 개시한다.

*미국 특허 제3,995,972호(Nassar)는 하나 이상의 에어포일이 각 진폭의 단부에서 에어포일 피치각을 역행하는 피치 변환 장치를 사용하여 왕복 운동시키도록 하는 진동 형태의 풍력 변환기를 개시한다. 이 장치는 2 이상의 자유도에서 플러터를 사용하지 않고, 설명된 에어포일의 스택이 역위상으로 동작하지 않는다.

미국 특허 제4,024,409호(Payne)는 와어어, 긴 실린더, 또는 바람을 입사하는 에어포일의 공명 반응을 사용하여 와동이 일면에 의해 발생되며, 힘이 레스트 위치로부터 멀어지도록 이동하는 그 면에 쓰이도록 하고 반대면에 새로운 와동을 생성하는 진동 유체 동력 변환 장치를 개시한다. 이 새로운 와동은 반대의 힘이 에너지가 제동력으로서 추출될 수 있는 공명 진동을 기인하는 본체에 쓰이게 된다. 본 발명에서, 그 에어포일 실시예를 사용하여 에어포일은 플러터가 아닌 와동 발산에 대한 반응으로 1 자유도로 진동한다.

미국 특허 제4,170,738호(Smith)는 왕복 운동 랙(rack)과 피니온 수단을 통해 그 운동을 양 방향 제너레이터로 전달하는 바다 밑 물의 운동으로부터 에너지를 추출하기 위한 드래그 동작된 장치(panemone)를 공지한다. 이 장치는 포일, 플러터, 또는 역위상 운동을 사용하지 않는다.

미국 특허 제4,184,805호(Arnold)는 공기나 물로 포일의 캐스케이드의 플러터에서 역위상 운동을 설명하는 제 1 기본 특허이다. 본 발명은 각 포일에 부착된 모든 기구와 링크 장치가 모듈 동력 전달 및 운동 제어 시스템에 결합된 싱글 켄틸레버 서스펜션바로 대체된 아놀드 특허에 기초적인 향상을 구성한다.

미국 특허 제4,347,036호(Arnold)는 미국 특허 제4,184,805호와 같이, 동일한 원 출원의 분할이고 동일한 장치를 설명한다.

미국 특허 제5,457,346호(Blumberg)는 벤투리가 터빈 회전자에 입사된 윈드를 모으는 상기 미국 특허 제3,883,750호에 유사한 수평축 프로펠러 형태 윈드 터빈을 설명한다. 이 장치는 포일, 플러터 현상, 또는 역위상 운동에서 포일 캐스케이드를 사용하지 않는다.

미국 특허 제6,273,680호(Arnold)는 특허 제4,184,805호에 먼저 공지된 바와 같이, 관성 질량 조정과 플랫 장벽의 유입 농도에 관한 추가적인 부재와 함께 진동하는 캐스케이드 동력 시스템의 원 기계적 실시예를 개발한다.

공력 탄성에 고려될 수 있는 문헌은 공기 포일에서 발생되도록 허용되고 불가피하게 분해되게 하는 높은 파괴력으로서 플러터를 통상 취급한다. 상기 언급된 아놀드 특허는 플러터가 흐르는 유체로부터 유용한 에너지를 추출하는데 어떻게 사용될 수 있는지를 도시한다. 아놀드 특허에 의거하여 개선된 본 발명은 이전 특허에 설명된 다수의 진동하는 기계부, 결합, 베어링, 로드, 축, 및 기어를 제거하여 가능한 플러터링 역위상 캐스케이드 동력 변환기를 상업적으로 적용한다.

플러터의 분석 취급이 모든 유체에 적용되며 공기 중의 플러터는 잘 알려져 있지만, 수중의 플러터는 널리 연구되거나 관찰되지 않았다. 아놀드 박사의 특허는 수중에서 플러터를 개시하고 유지하기 위한 수단을 설명한 최초이다.

본 발명은 진동하는 캐스케이드 동력 시스템(OCPS)의 내구성 있고 효율적인 실시예의 디자인 특징을 포함하고 바람과 같은 이동하는 유체나 스트림, 강, 해류, 조수, 또는 직접적인 흐름에서 이동하는 물로부터 추출된 운동 에너지에 의해 플러터에 진동되고 기인된 복수의 캔틸레버 포일을 포함한다. 동력 제너레이터 시스템은 복수의 포일의 플러터에 의해 구동된 새로운 모듈 동력 및 제어 모듈을 포함한다.

캔틸레버 포일의 사용으로 미국 특허 제4,184,805호, 제4,347,036호, 및 제6,273,680호에 기술된 이전 기술의 포일에 부착된 상당한 양의 물리적 장치가 필요 없게 된다. 포일은 워킹 유체나 전기를 사용하는 프로그램 제어 서보계에 의해 제어될 수 있다. 제어 프로그램은 역위상 플러터 모드에서 동작하는 포일의 운동의 균등화에 의거하여 알고리즘을 구성할 수 있다.

*또한, 본 장치는 널리 부착된 장치를 사용하지 않고 캔틸레버 포일의 병렬 캐스케이드를 사용하여 이동하는 유체 흐름으로부터 대량의 사용가능한 운동 에너지를 효율적으로 이용하기 위해 제공된다. 여기 사용된 일반적 용어 "포일"은 흐르는 물에 사용된 바와 같이, "하이드로포일"의 개념, 바람 에너지 변환에 사용된 바와 같이, "에어로포일"의 개념, 또는 추진에 사용된 바와 같이, "패들"의 개념을 포함한다. 에어크래프트를 위해 리프트를 발생시키는 데 사용된 고정되거나 회전하는 날개에 더 구체적으로 참조하는 용어 "에어포일"은 본 발명의 맥락에 적용되지 않는다.

본 발명의 실시형태는 역위상으로 작용하는 이동하는 유체 흐름에 포일의 캐스케이드에 독립적인 모듈 포일, 동력 및 제어 장치를 제공하여 각각 포일이 캐스케이드가 인접한 포일을 터치하거나 영향을 미치지 않고 동작하더라도 캐스케이드로부터 삽입되거나 제거될 수 있는 것이다.

플러터, 즉포일에서 발생하는 2이상의 자유도로 공진하는 진동을 위해 포일의 효과적인 관성 질량, 및 스트로크 단부 복원력의 존재는 중요하다. 본 발명의 실시형태는 시스템이 동작하면서 관성 질량 및 복원력을 순간적으로 조정하고 제어하여, 흐름 및 부하 상태를 변화시키는 도중에도 시스템을 계속적이고 자동적으로 동작시키는 것이 가능한 새로운 수단을 제공하는 것이다.

레스트 위치에서, 포일은 개시의 제로각에 있다. 포일이 이동하는 유체 흐름에 잠기더라도 진동이 발생하지 않는다. 이전 기술에서, 장치를 개시하고 플러터를 초기화하기 위해 포일을 물리적으로 "막을" 필요가 있다. 본 발명의 실시형태는 수동 간섭 없이 진동을 무선으로 시작하는 수단이다. 또한, 이전 기술에서, 유체 흐름을 막거나 최대 부하를 적용하여 장치를 스톨링하여 진동을 막는 것 이외 포일을 플러터링하는 것을 정지시키는 수단이 제공되지 않는다. 본 발명의 다른 실시형태는 개시의 제로각을 채택하여 유체 흐름이 여전히 흐르고 있는 동안 동력 출력을 차단함으로써, 포일 또는 관련된 장치에 심한 스트레스나 데미지 없이 진동하는 포일의 하나 또는 전부를 순간적으로 정지시키는 수단이다.

본 발명의 다른 실시형태는 복수의 독립적인 포일 모듈이 보장되는 이중 목적 지지 구조를 제공하는 것이고 동력을 전달하고 중앙 컨트롤러에 포일 모듈을 연결하는 매니폴드를 제어하는 것이다. 매니폴드는 일련의 다수 채널 셧오프 밸브와 리셉터클로 구비되어 각 포일 모듈에 다수 채널 커넥터가 접속되거나 제거될 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태는 특별한 제어 알고리즘에 의해 제어된 프로그램 로직 제어 장치에서 이 데이터를 프로세싱함으로써 유체 속도와 부하를 포함하는 모든 내부와 외부 시스템 파라미터를 전자 모니터링 하는 것이며, 결과적으로 관성 질량과 복원력을 연속적으로 조정하는 것이 가능하여, 항상 시스템 성능을 최적화할 뿐만 아니라 플러터의 개시에 대한 임계 유체 속도를 낮추고, 시스템이 안전하게 동작할 수 있는 최대 또는 셧다운 속도를 올림으로써 시스템의 동작 인벨럽(envelop)을 연장한다. 이전 기술에서, 그러한 향상은 진동하는 캐스케이드와 그 제어 시스템이 본래 전체적으로 기계적이고 관성 질량 또는 복원력에서 어느 조정에 영향을 미치는 셧다운이므로 이행되지 않을 수 있다.

포일의 캐스케이드의 추진 또는 펌핑 모드에 관련된 본 발명의 실시형태는 추진이나 펌핑 동작을 최적화하기 위해 2 자유도로 각 포일에 다양하게 다르게 프로그램된 연속적이거나 동시적인 운동을 부여하기 위해 독립적이고 외부적으로 제어가능한 포일 모듈로서이다. 예컨대, 캐스케이드는 이전 기술에 따라 불가능했던 캐스케이드를 따라 전진적인 스위밍 동작을 재생하도록 프로그램될 수 있다.

추진에 관련된 본 발명의 다른 실시형태는 싱글 포일이 추진 또는 펌핑 모드에 홀로 작용되도록 프로그램될 수 있는 것이고, 포일이 캐스케이드의 부재이면, 캐스케이드의 다른 부재는 강이나 홍수 제어에서 돕기 위해 다른 유체 흐름을 막는 횡단 위치로 도킹될 수 있다.

본 발명의 중요한 특징과 Lee Arnold 박사의 3개의 특허를 포함하는 이전 기술로부터의 중요한 식별은 다음의 상세한 설명이 더 잘 이해되고 본 기술에 공헌이 더 잘 이해될 수 있도록 넓게 아웃라인되어 있다. 본 발명의 추가적인 특징은 이하 설명될 것이며, 이는 여기 첨부된 청구항의 과제를 형성할 것이다. 당업자는 본 발명의 몇개의 목적을 수행하는 다른 수단을 고안하는 기초로서 사용될 수 있도록 이해될 것이다. 그러므로, 본 발명의 청구항이 본 발명의 전체 범위를 벗어나지 않는 그러한 상당하는 구조 및 방법을 포함하게 될 것이다.

본 발명은 유용한 힘을 생산하기 위해 이동하는 유체 흐름에 포함된 운동 에너지를 사용하는 기술 및 장치에 관한 것이며, 특히 캔틸레버 서스펜션바에 의해서만 이동하는 유체내에서 지지되는 포일 캐스케이드에 관한 것이다. 역위상으로 이동하는 포일 캐스케이드는 2이상의 자유도를 필요로 하는 플러터 현상을 이용하여, 발전하기 위해 유체의 에너지를 추출하도록 배열될 수 있다. 또는 포일을 외부 전원으로 구동시켜, 외부로부터 프로그램된 진동을 이용하여 2이상의 자유도를 필요로 하는 추진 또는 펌핑을 이용하여 유체로 에너지를 주입할 수 있다.

도 1은 단단한 서스펜션 구조(4)에 장착된 어느 각으로 맞춰질 수 있는 분리된 포일 모듈의 캐스케이드의 사시도이다. 각 포일 모듈은 포일(1), 서스펜션바(2), 동력 변환 모듈(3A), 및 제어 모듈(3B)로 구성된다.
도 2는 회전실(6) 내에서 이동하는 회전 임펠러(5, impeller)로 스플라인된 포일 서스펜션바(2)를 도시하고 제어 모듈의 부분 단면을 나타내는 평면도이며, 모든 것이 실린더(17) 내에서 이동하는 병진 운동 피스톤(7B) 내에 포함된다. 외부 오리피스(14, 15, 21, 및 22)는 제어 모듈에 및 제어 모듈로부터 워킹 유체를 전달한다.
도 3은 실린더(17) 내에서 이동하는 병진 운동 피스톤(7A)을 통과하는 포일 서스펜션바(2)를 도시하고 동력 모듈의 부분 단면을 나타내는 평면도이다. 외부 오리피스(21 및 23)는 동력 모듈에 및 동력 모듈로부터 워킹 유체를 전달한다.
도 4는 캐스케이드 방향 동력 및 제어 매니폴드로의 동력/제어 모듈의 캐스케이드의 유체 연결의 개략도이다.
도 5는 병진 운동과 회전 운동 제어 리저버(28 및 29), 및 동력 레저버(43)에 매니폴더의 연결을 도시하는 캐스케이드의 중심 유체 동력 및 제어 시스템의 요소의 개략도이다.
도 6은 동력 레저버(43)로부터 워킹 유체가 어큐뮬레이터(32)에 압력 하에 저장되고 유용 그리드로 동기화된 전기 동력을 공급하기 위해 종래 교류기(34)를 구동하는 유체 모터(33)의 전원을 켜는 동력 출력 수단의 개략도이다.
도 7은 와동 발생을 감소시키는 상세한 포일 디자인을 도시하는 포일 모듈의 사시도이며, 도 7A는 포일의 일부 측면도이고, 도 7B 및 도 7C는 트레일링 에지를 따라 플렉서블 부트(boot)의 비교를 도시하는 포일의 트레일링 에지의 단편부이다.
도 8은 전체 동력 수송 효율성을 증가시키는 유속과 압력을 변경하기 위해 디자인된 유입과 유출 도관과 함께 진동하는 캐스케이드 어셈블리의 사시도이다.
도 9는 복수의 흐름 방향을 도시하는 도 8의 유출 도관의 수직 단부의 개략도이다.

도 1은 원형 단면의 서스펜션바(2)에 의해 각각 매달린 4개의 수직 포일(1)을 도시한다. 바(2)는 장착된 동력/제어 모듈 어셈블리(3)의 동일하지만 독립된 일련 세트의 하부로부터 돌출된다. 짝수의 동력/제어 모듈(3)은 단단한 시스템 지지 구조(4)에 장착된다. 각 포일(1)의 중량은 동력/제어 모듈(3)에 의한다. 각 동력/제어 모듈 세트(3)는 동력 모듈(3A) 및 제어 모듈(3B)로 구성된다. 서스펜션바(2)는 동력 모듈(3A) 및/또는 제어 모듈(3B)에 의해 운반되는 2개의 수직, 동축 베어링을 통과해서 정확하게 수직 및 평행 유지된다. 포일(1)은 전체적으로 보이지 않게 될 수 있고, 서스펜션바(2) 이외 어느 것에도 기계적으로 접속되지 않는다. 바(2)는 제한된 범위 내에서 병진적으로(나란히) 이동하기에 자유롭고, 제한된 범위 내에서 수직축에 대해 회전하기 자유롭지만, 흐름(전후) 방향으로 이동하거나 병진적으로 회전하는(스윙하는) 것으로부터 제한된다. 따라서, 포일(1)은 계속 정밀하게 수직 유지되도록 캔틸레버되어 있지만, 제한된 거리에 대해 회전하며 병진적으로 운동할 수 있다. 특히, 포일(1)은 유체 드래그력의 결과로서 하류 방향으로 이동(또는, 스윙)될 수 없다.

이 배열에 의해 허용된 병진 및 수직 회전 포일 운동의 범위는 캐스케이드에서 플러터를 개시하고 유지하기 위해 필요한 포일 피치 및 병진의 어느 위치 또는 조합으로 해결가능하다. 인접한 포일(1)은 캐스케이드에서 플러터에 대한 필요 상태를 이행하기 위해 가로 운동 및 회전 운동(피치)으로 제어 모듈(3B)에 의해 정밀하게 역위상 운동으로 억제된다. 각 포일(1)로부터 동력 출력은 포일 운동 파형의 동력 스트로크 세그먼트 동안 가로 포일 운동에만 작용되는 각 동력 모듈(3A)에 의해 전송된다. 동력/제어 모듈(3)에 접속은 가압된 유체 전달(수력 또는 기체)을 통해서나 전기적 수단에 의해서이다. 싱글 어셈블리가 동작하는 동력 발생 시스템으로부터 제거되고 잔여 어셈블리의 동작을 중지시키거나 영향을 미치지 않고 대체될 수 있는 동력/제어 모듈의 고안된 특징이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 제어 모듈(3B)은 가로 운동(병진 운동) 및 독립적인 회전 운동을 각 포일(1)로 동시에 유도하는 수단을 제공한다. 분석적으로, 독립각과 z축 운동의 조합은 플러터를 개시하고 유지하기 위해 필요한 어느 가능한 포일 운동 또는 위치; 특히 (a) 리딩 및 트레일링 진동의 독립적인 페이싱; 및 (b) 플러터를 개시하고 유지하기 위해 필요한 외부적 차등의 리딩 및 트레일링 복원력과 관성 질량의 부과로 해결될 수 있다. 또한, 부착된 동력 모듈(3A)과 조합되어, 이 기계적 디자인은: (c) 흐름 방향, 포일 캐스케이드의 x축 이동(드래그 억제); 및 (d) 동작의 모든 상태에서 서스펜션바(2)의 정밀한 평행을 제공한다. 결국, 각 제어/동력 모듈 어셈블리(3)는 캐스케이드 병진 운동이나 회전 운동의 어느 동작축과 상호 작용 없이 포일(1)의 수직적 서스펜션을 제공한다. 포일 서스펜션바(2)의 상단부는 동력 및 제어 모듈을 통과하고, 회전력(토크)의 전달을 허용하기 위해 제어 모듈(3B)을 통과하는 곳에 스플라인(spline)된다. 수직 서스펜션바(2)는 2개의 베어링에 의해 지지될 수 있으며, 하나는 제어 모듈 어셈블리(3B)의 상부에 위치되고 다른 하나는 하부에 위치되고, 하나 이상은 스러스트 베어링이다. 따라서, 제어 모듈(3B)이 장착되며 각 포일 서스펜션바(2)는 회전실(6) 내에 방사 공간에 의해 제한된 정도로 모듈 내의 수직축 둘레를 독립적으로 회전할 수 있다.

회전: 제어 모듈(3B)에서, 스플라인드된 포일 서스펜션바(2)는 대응하는 스플라인드된 회전 임펠러(5)를 통과한다. 임펠러(5)는 병진 운동 피스톤(7B) 내에 위치된 회전실(6) 내부에 수직축 둘레를 회전할 수 있다. 임펠러(5)의 회전은 회전실(6)의 방사상으로 약 40도의 디자인으로 제한되어 있다. 임펠러(5)의 중심면은 작은 간극에 의해 실 내부벽을 접촉하는 것을 방지하고, 내부 및 외부 "피스톤-링" 형태 실(8 및 9)에 의해 수직으로 실되어 있다. 임펠러(5)의 상단부와 하단부는 유사한 실(이 중앙 단면에서는 도시되지 않음)으로 제공되어 회전실 세그먼트의 실내는 유체압의 대상이 될 수 있다. 유체 도관 채널(10 및 11)은 제어 모듈(3B)을 이끄는 외부 오리피스(14 및 15)로 유도된 병진 운동 피스톤(7B)에서 회전실(6) 및 길이 방향 둘레 오목부(12 및 13) 사이에서 연장된다. 그러므로, 오리피스(14)에 가해진 유체압은 회전 임펠러(5)의 대응하는 음의(반시계 방향) 회전을 기인한다. 유사하게, 오리피스(15)에 가해진 유체압은 양의 방향으로 임펠러(5)의 회전을 기인한다. 병진 운동 피스톤(7B)의 양단부에 피스톤 링(16)은 오리피스(14 및 15)에 가해진 유체압이 피스톤(7B) 내부의 임펠러(5)의 회전을 효율적으로 기인하며, 피스톤(7B)이 길이 방향 운동의 상술된 제한 내에서 독립적인 병진 운동 중임을 확실히 한다. 요약해서, 피스톤(7B)의 위치나 운동에 관계없이, 회전 운동 임펠러(5)는 어느 이동부, 호스, 또는 이동 접속부 없이 외부적으로 가해진 유체압의 결과로서 바(2) 및 포일(1)에 정밀하게 제어가능한 토크(회전 운동)을 부여할 것이다.

병진 운동: 병진 운동 피스톤(7B)은 실린더 벽과 실제 접촉으로부터 작은 간극을 갖고 실린더(17B) 내에 길이 방향으로 이동할 수 있지만 회전 운동 임펠러(5)에 작용하는 유체를 실하는 기능을 하는 동일한 피스톤 링(16)에 의해 실된다. 피스톤(7B)의 양단부로부터의 돌출은 대략 둥근 피스톤 지지 로드(18B)이며, 이는 실린더(17B)의 각 단부에 장착된 재평행하는 볼 형태의 일반적인 선형 베어링(19)에 의해 운반된다. 실린더 단부로의 피스톤 지지 로드의 길이와 대응하는 보어의 깊이는 피스톤(7B)의 의도된 병진 운동에 의해 제어된다. 게다가, 피스톤 링 형태 축실(20)은 실린더(17B)에서 오리피스(21 또는 22)에 가해진 유체압이 어느 이동부, 호스 또는 매니폴드에 이동 접속을 필요로 하지 않고 어느 하나의 방향의 길이 방향으로 이동하기 위해 피스톤(7B)을 효율적으로 유도하는 것을 확실하게 한다.

요약해서, 상기 수단에 의해 순간적인 병진 운동과 회전 운동 위치에 관계없이, 캐스케이드에서 모든 포일(1)은 정밀한 역위상 운동으로 맞물릴 수 있다.

포일 병렬성: 제어 및 동력 모듈 피스톤(7B 및 7A)을 통과하는 포일 서스펜션바(2)로서, 상부 및 하부 베어링에 의해 거의 회전 운동으로부터 억제되고, 선형 베어링(19B 및 19A)에서 행해지는 피스톤 지지 로드(18B 및 18A)의 2개의 수평 세트로서, 어느 각의 z축 운동(수평 스윙)으로부터 억제되며, 서스펜션바(2)에 부착된 모든 포일(1)이 항상 병렬로 유지되어야만 하고, 가로 및 회전 운동의 상태에 있다.

드래그 억제: 유사하게, 흐름 방향면으로, 포일 서스펜션바(2)는 가로로 왕복 운동[즉, 포일(1)에 작용하는 흐르는 물 또는 공기의 드래그로 인해 하류 방향으로 스윙, 포일의 순간적인 피치 각에 따라 변하는 힘 벡터]하기 위해 제한된 상부 피스톤(7B) 및 하부 피스톤(7A)을 통과하는 바(2)로서 어느 x축 운동으로부터 제한된다.

센터링 및 보충 복원력: 동력 및 제어 모듈(3A 및 3B)의 통합은 플러터를 유지하기 위해 필요한 순환 복원력을 부분적으로나 전체적으로 제공하고, 피스톤(7A 및 7B)는 레스트에 있을 동안 각 실린더(17A 및 17B)에 중심으로 유지되는 것을 확실히 하기 위한 내부 스프링(18A 및 18B)이다. 공기력 또는 수력 에너지 흡수/복귀 수단은 스프링(18A 및 18B) 대신 사용될 수 있다.

도 3은 동력 모듈(3A)의 중심 단면의 평면도이다. 피스톤(7A)의 병진 운동은 선형 베어링(19A 및 19B)에 의해 전달된 각 2개의 피스톤 지지 로드(18A 및 18B) 에 의해 가로 운동으로 가이드되어 병진 이동하는 양방향 자유 피스톤(7A 및 7B)의 각 경우에, 중심 회전 임펠러와 실린더를 통과하는 대신 포일 서스펜션바(2)는 피스톤(7A)의 중심으로 설정된 실된 싱글 또는 듀얼 로우 볼 베어링(23)만을 통과하는 제어 모듈(3B)의 피스톤(7B)의 병진 운동과 동일하다. 그러므로, 포일 서스펜션바(2)는 동력 모듈(3A) 내에 수직축 둘레를 회전하지만 매달린 포일(1)과 서스펜션바(2)의 어느 병진 운동은 피스톤(7A)의 대응하는 가로 운동을 기인한다. 그러한 가로 피스톤 운동은 외부 오리피스(21 및 22)를 통해 워킹 유체의 대응하는 배출이나 주입을 기인한다. 임의의 수의 독립적인 하이드로포일 모듈은 캐스케이드의 길이를 러닝하고, 도 5에 도시된 바와 같이, 컨트롤러에서 끝나는 6개의 커먼 유체 동력 전달 매니폴드(24, 25, 26, 27, 39, 및 40)에 접속될 수 있다.

도 4는 동력/제어 모듈(3)의 홀수의 캐스케이드를 6개의 캐스케이드 방향 동력 및 제어 매니폴드로의 유체 연결의 개략도이다. 연속적이고 계속적인 포일 모듈 중 3개만이 도 4에 도시되며, 포일 수의 각 상호 연결을 도시하기에 충분하다. 각 포일 모듈에 외부 오리피스가 항상 완전히 장착되므로 매니폴드 및 상호 접속은 종래 장착 압력 튜빙, 이음 및 커넥터로 이루어진다. 각 제어 모듈(14 및 15)의 회전 요소의 외부 오리피스는 +회전 제어 매니폴드(24)와 -회전 제어 매니폴드(25)에 접속되어 상호 접속된 제어 모듈 쌍의 센스는 연속적인 포일 모듈 사이에서 교차한다. 즉, 포일(A 및 C)의 오리피스(14)는 캐스케이드에서 모든 포일에 대해 매니폴드(24)와 모듈(B)의 오리피스(15)로 접속된다. 따라서, 모듈(A 및 C)의 오리피스(15)는 매니폴드(25)와 모듈(B)의 오리피스(14)로 접속된다. 이 2개의 회전 제어 매니폴드(24 및 25)는 도 5에 도시된 컨트롤러에 도시된 가압된 수력 레저버에서 그 말단에 함께 효율적으로 연결된다. 그 결과, 인접한 포일 제어 모듈의 회전 요소의 교체 상호 접속은 인접한 포일(1)의 모든 회전 운동이 기계적 접속에 의해 정확하게 역위상으로 정밀하게 함께 맞물리게 된다.

따라서, 모든 포일의 오리피스(21 및 22)는 z축 병진 운동 제어 매니폴드(26 및 27)로 대체적으로 접속되어 포일(1)의 가로 운동이 z축을 따라 발생되므로 고안되지만 캐스케이드로 흐르는 유체(공기나 물)는 +X 방향으로 이동함에 따라 규정된다. 인접한 포일의 모든 가로 운동은 상기 회전 운동 케이스에 대해 동일한 설명에 의해 정밀한 역위상으로 함께 맞물린다. 결국, 상기 회전 운동 및 병진 운동 제어 시스템의 결합된 효과는 캐스케이드에서 모든 포일(1)의 어느 운동이 아놀드 박사의 플러터 분석에 필요한 바와 같이, 항상 정밀한 역위상으로 발생되도록 강제되며 동시에 포일(1)의 전체 어셈블리가 역위상으로 회전하고 가로로 맞물려 이동되지만 강제되지 않는다. 적절하게 제어된 상기 회전 및 가로 수력 운동의 어느 결합의 결과는 아놀드 플러터 분석에 대해 불리는 운동 또는 위치를 마치 포일(1)이 아놀드 특허에 설명된 바와 같이, 선단과 후단의 상부와 하부 기계적 접속, 상호 접속된 레버 및 축에 의해 억제되는 것과 같이 모사될 수 있다. 각 포일(1)이 인접한 포일의 단부 사이에서 기계적 부착이나 연결 없이 모든 다른 포일의 물리적으로 독립적인 것이 차이이다.

도 5는 캐스케이드에 대한 중심 유체 동력 및 제어 시스템 중 1개 타입 요소의 개략도이다.

역위상 맞물림: 시스템 컨트롤러는 중앙 위치가 포일(1)[포일은 고르게 간격을 두고, 흐름 방향에 평행함]의 레스트 위치에 대응하는 이중 동작 피스톤을 포함하는 2개의 압력화된 수력 리저버(28 및 29)로서 여기에 도시된다. 동일한 제어 기능은 유체 압력 리저버나 유체 복귀 리저버에 균등하게 각 매니폴드를 연결하는 일련의 이중 균등 밸브의 직접 마이크로프로세서 프로그램 가능한 로직 제어에 의해 얻어질 수도 있다. 각 피스톤 로드에 선형 위치/속도 센서(30)는 컨트롤러에 병진 운동 및 회전 운동 포일 위치와 운동 피드백 신호를 제공한다. 더 포괄절인 위치 및 운동 피드백 시스템은 어느 포일에 특정 상세한 에러 정보를 제공하는 각 포일 모듈에 위치된 센서를 포함한다.

복원력: 유체 흐름에서 플러터를 유지하기 위해, 포일 변위가 최대가 되는 위치에 근접하여 효율적인 복원력을 제공하고 정밀한 힘이 동작 사이클을 통해 변하는 것이 필요하다. 복원력 모듈(41)은 내부 탄성, 제어가 가능한 압축가능 공기, 또는 탄성력의 전기적 시뮬레이션의 하나 또는 조합을 사용하는 필요한 엔드 오브 사이클 복원력을 제공한다. 또한, 부분 복원력은 피스톤 지지 로드(18A 및 18B)에 의해 에어 압축 및 스프링(18C)에 의해 제공된다.

관성 질량: 상기 주기적 복원력에 더해서, 플러터를 유지하기 위해 포일의 진동 질량에 대한 정량의 추가적 관성 질량을 제공할 필요도 있다. 관성 질량 모듈(42)(도 5)은 워킹 유체 연결을 통해 포일(1)에 제어가능한 추가적 질량을 부가하고, 물리적 질량에 결합된 워킹 유체의 균형 잡힌 제어(수력 레버)에 의해서나 동일한 힘의 전기적 시뮬레이션을 통해 추가된 관성 질량의 양을 제어한다.

개시: 고압 수력 어큐뮬레이터(32)(도 5) 및 수력 복귀 매니폴드에 연결된 다수 목적 전기적으로 작용된 가변 흐름 제어 밸브(31)는 포일(1)에 프로그램된 개시 회전과 병진 펄스의 외부 부여(유체 동력 저장 레저버로부터)가 흐르는 공기나 물에서 진동을 시작하도록 한다.

플러터의 제어 및 최적화: 포일(1)의 선단과 후단에 차등 복원력 및 보충 관성 질량의 적용은 플러터의 개시와 유지에 중요하다. 포일 회전 운동과 가로 위치 피드백, 주파수, 순간적인 유입 물 또는 공기 속도, 및 외부 부하와 다른 정보는 포일(1)에 필요한 복원력과 관성 질량의 순간적인 추가를 제어하고 프로그램된 동작 알고리즘의 대상이 된 프로그램 가능한 로직 컨트롤러에 입력을 제공한다.

개시되자마자 플러터는 입력 동력(물 또는 공기 흐름), 출력 부하(댐핑), 및 차등 복원력의 적절한 상태에 제공된 자기 유지 공명 현상이고, 질량은 모두 유지된다. 그러한 제어 조정은 상기 동작 상태의 계속적인 변화를 보상하기 위해 제어 시스템에 의해 계속적이고 순간적으로 이루어진다.

셧다운(중지): 포일 레스트 위치로 강제된 복귀를 외부적으로 프로그래밍함으로써 전체 캐스케이드나 싱글 포일은 긴급 또는 유지를 위해 즉각적으로 셧다운 될 수 있다. 매니폴드 투 포일 상호 접속으로 다수 채널 밸브를 도입함으로써 각 포일 모듈은 전체 캐스케이드를 정지시키지 않고 연결이 끊어지고 대체될 수 있다.

워킹 유체압 유지: 제 2 워킹 유체 루프 압력 유지 수단은 제어 시스템에 포함되지만 도시되거나 설명되지 않고, 표준 수력 디자인 기술이다.

도 6은 캐스케이드로부터 외부 부하로 동력을 전달하는 많은 대체 수단의 하나를 설명하는 대표적 유용한 서로 연결된 전기 동력 출력 수단의 개략도이다.

동력 리저버(43)로부터 워킹 유체는 어큐뮬레이터(32)에서 압력하에 저장되어 유용 그리드에 주파수 및 동위상화된 전기 동력을 공급하기 위해 종래 동기화 교류기(34)를 구동하는 유체 모터(33)를 전원한다. 이 도면에서, 플러터 제어 동안 동력 모듈(3A)에 의해 압력 하에 주기적으로 변위되고, 동력 매니폴드(39 및 40)를 통해 전달되는 워킹 유체는 한 방향 밸브를 통해 레저버(43)로 주입된다. 회전 수력 모터(33)는 제어된 비례하는 흐름 공급 밸브(37)를 통해 어큐뮬레이터(32)로부터 드로우된 수력 압력에 의해 차례로 구동된다.

수력 모터(33)는 적절한 고체 상태 개폐기(38)와 적절한 전기 보호 메인을 통해 유용 그리드에 서로 연결된 종래 3상 브러시리스 동시 교류기(34)를 직접 구동한다. 동력 출력 스위칭 장치의 폐쇄는 동기 정검기(35)에 의해 제어되어 완전히 동기화된 교류기(34)가 교류기(34)로서 그리드에 연결되고 그리드는 제로 전압 점을 통과한다. 흐름 공급 밸브는 동기화가 발생되자마자 물 또는 공기 흐름 상태, 제너레이터 용량, 및 온도에 의해 결정된 바와 같이 최대 동력 출력을 나타내기 위해 교류기 주파수 및 출력 전류에 의해 제어된다.

도 7은 와동 발생: (a) 도 7 및 7A에 도시된 포일 선단(61)(리딩 에지)의 라운딩; (b) 선단과 후단을 따라 도 7B 및 7C에 도시된 포일 후단(65)(트레일링 에지)에 포일릿(63)의 추가; (c) 변형가능한 플렉서블 부트(67)의 포함; 순간 피치 각에 의해 제어된(중앙 컨트롤러를 통해) 변형의 정도를 감소시키기 위해 상세한 포일 디자인을 도시하는 싱글 포일 모듈의 사시도이다. 플렉서블 부트(67)의 길이 변형은 포일 서스펜션바(2)를 통해 전달된 유체압에 의해 작용된다. 부트(67) 내부에 2개의 적절하게 형상된 공간 중 하나로 향한 유체압은 부트의 후단이 흐름 축의 왼쪽 또는 오른쪽에 각각 중심 레스트 위치로부터 길이 방향으로 트위스트하도록 한다. 따라서, 큰 피치 각에서 포일(1)의 가장자리는 실질적 하류 와동 흐름을 발생시키는 모난 가장자리(이전 기술의)를 더 이상 나타내지 않는다. 후단 부트(67)만이 도 7B 및 도 7C에 도시되지만, 변형가능한 부트는 포일(1)의 선단에 같은 방법으로 적용될 수 있다.

얇고, 평탄하며 스무스한 포일릿(63), 포일(1)의 각 단부 중 하나뿐만 아니라 도시된 바와 같이 한 쌍의 코너는 와동 발생을 최소화하기 위한 역할을 해서 효율적인 드래그를 감소하고 효율성을 증가시킨다. 포일릿(63) 형상의 정밀한 디자인은 포일의 형상에 특정한 공기 역학 분석에 의해 제어된다.

도 8은 숫자 68로 통상 나타내고 전체 동력 전송 효율성을 증가시키기 위해 유체 속도와 압력을 수정하도록 고안된 유입 도관(70) 및 유출 도관(72)이 제공된 완전한 진동 캐스케이드 어셈블리의 사시도이다. 도관의 평면도와 정면도의 프로파일은 유입 및 유출 도관 사이의 정션(74)에 위치된 캐스케이드의 특성과 형상에 명확한 공기 역학 분석에 따라 다를 수 있다. 가로 흐름 디렉터(76)는 정션(74)에서 네트 백(net back) 압력을 낮추는 수단으로서 유출 도관(72)에 삽입되거나 유출 도관(72)으로 형성되고, 도 9에 도시된다.

유입 및 유출 채널이나 도관의 디자인과 기능이 본 발명의 어느 특정 케이스나 적용을 위해 진동 캐스케이드와 포일(1)의 디자인의 통합부를 형성하는 것이 본 발명의 중요한 실시형태이다. 경계된 유체 흐름의 반대측으로부터 등거리의 포일 또는 일련의 포일은 무한 캐스케이드처럼 동작한다. 상술되고 도 1에서 도시된 포일의 캐스케이스가 도 8에 도시된 완전히 경계된 동봉 내에 위치되며 베츠(Betz) 제한된 비경계된 환경에서 그러한 캐스케이드 또는 포일을 사용하는 본 발명의 범위 내에 있다.

유체 동력 전송 수단(응용 유체 역학)을 사용하여 이행된 바와 같이, 여기 도시된 코어 개념은 기체 또는 전기적 수단에 의해서나 유체 및 전기적 수단의 결합에 의해서 이행될 수도 있다.

이 개선의 제 1 목적은 인접한 포일을 함께 부착하는 포일의 단부에 물리적으로 부착된 모든 기구를 제거하는 것이다.

본 발명과 바람직한 형태에 관한 특별한 참조의 개선을 설명하며 본 발명을 이해한 후에 본 발명은 각종 변화와 수정이 여기 첨부된 청구항에 의해 규정된 바와 같이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있음이 본 발명이 속하는 당업자에게 분명하게 될 것이다.

Claims (14)

1. 유체 흐름의 운동 에너지를 전력으로 변환하는 방법에 있어서:
   상기 유체 흐름 내에 복수의 포일이 평행으로 배치된 포일의 평행 어레이를 위치시키는 단계;
   적어도 회전 및 병진이 가능하도록 각 포일을 각 서스펜션바를 통하여 시스템 지지 구조에 캔틸레버 형태로 장착하는 단계;
   상기 유체 흐름이 포일의 어레이를 통해 이동하여 상기 포일이 플러터 진동을 받는 단계; 및
   상기 서스펜션바 전부가 서로 평행하도록 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 흐름의 운동 에너지를 전력으로 변환하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 포일의 수직성과 평행성을 유지하는 단계를 더 포함하며,
   상기 포일의 수직성과 평행성을 유지하는 단계는 각 포일의 2점 지지에 의해 상기 포일을 수직하고, 평행하도록 단단히 유지하면서 회전 및 병진 운동을 제공하는 수단을 장착하여 성취되는 것을 특징으로 하는 유체 흐름의 운동 에너지를 전력으로 변환하는 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 포일은 상기 서스펜션바를 통해 액압 액추에이터에 접속되고, 상기 액압 액추에이터를 통한 병진 및 피치에서의 상기 포일의 순간적인 위치 결정이 외부 컨트롤러에 의해 제어되어, 인접하는 포일의 반대방향으로의 회전 및 병진 운동을 보장하고, 유체 흐름에 의해 포일이 플러터로 진동함으로써 발생되는 에너지 출력을 어큐뮬레이터에 전달하는 것을 특징으로 하는 유체 흐름의 운동 에너지를 전력으로 변환하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 액압 액추에이터를 구동하기 위하여 상기 포일의 회전 및 병진을 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 흐름의 운동 에너지를 전력으로 변환하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 액압 액추에이터로부터 상기 어큐뮬레이터로 상기 에너지를 전달하는 유체 제어를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 흐름의 운동 에너지를 전력으로 변환하는 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 에너지를 전력으로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 흐름의 운동 에너지를 전력으로 변환하는 방법.
7. 제 3 항에 있어서,
   상기 외부 컨트롤러의 제어를 받아 상기 액압 액추에이터를 통하여 상기 포일에 주기적으로 복원력 및 관성 질량을 제공함으로써 상기 포일의 어레이를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 흐름의 운동 에너지를 전력으로 변환하는 방법.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 유체가 상기 포일의 어레이를 통과하기 전에 도관의 단면적을 좁혀 유체 흐름 속도를 증가시키는 단계, 및
   상기 유체가 상기 포일의 어레이를 통과한 후 도관의 단면적을 넓혀 포일에 대한 역압을 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 흐름의 운동 에너지를 전력으로 변환하는 방법.
9. 유체 흐름의 운동 에너지를 전력으로 변환하는 장치에 있어서:
   유체 흐름 내에 위치 가능한 포일의 어레이;
   상기 유체 흐름의 통로가 상기 포일의 어레이를 지나게 함으로써 상기 포일이 플러터 진동을 받게 하는 수단;
   상기 포일의 어레이에 있어서 각각의 포일을 적어도 회전 및 병진 가능하도록 캔틸레버의 형태로 시스템 지지 구조에 각각 장착하는 복수의 서스펜션바; 및
   상기 복수의 서스펜션바 전부를 서로 병렬로 유지하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 흐름의 운동 에너지를 전력으로 변환하는 장치.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 포일에 부착되고 상기 포일의 트레일링 에지를 따라 연장되는 플렉시블 부트를 포함하고, 상기 부트는 상기 유체 흐름에 의해 생성된 압력에 의해 변형가능한 것을 특징으로 하는 유체 흐름의 운동 에너지를 전력으로 변환하는 장치.
11. 제 9 항에 있어서,
    드래그 및 와동 발생을 최소화하기 위하여 상기 각 포일은 인접한 포일과 고정되지 않거나 혹은 연결되지 않은 것을 특징으로 하는 유체 흐름의 운동 에너지를 전력으로 변환하는 장치.
12. 제 9 항에 있어서,
    상기 포일과 일체화되며, 상기 시스템 지지 구조로부터 용이하게 분리 및 해제 가능한 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 흐름의 운동 에너지를 전력으로 변환하는 장치.
13. 제 9 항에 있어서,
    양방향 선형 액추에이터 및 펌프 내에 위치된 양방향 피치 제어 회전 액추에이터를 포함하는 통합된 다축 유체 액추에이터 및 펌프 모듈을 더 포함하여, 상기 서스펜션바 중 각 하나에 의해 상기 액추에이터 및 펌프 모듈에 접속된 포일 또는 상기 포일의 이동으로부터 횡축 및 회전축에서의 운동을 제공하는 것을 특징으로 하는 유체 흐름의 운동 에너지를 전력으로 변환하는 장치.
14. 제 9 항에 있어서,
    상기 포일은 선단에 형성된 원형 단부 부분, 상기 포일의 후단에 형성된 포일릿, 및 상기 유체 흐름에 의해 생성된 압력에 의해 변형가능한 플렉시블 부트 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 흐름의 운동 에너지를 전력으로 변환하는 장치.
    

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