KR20140006877A - 회전자 장치 - Google Patents

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KR20140006877A
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제이슨 다레
아아지 브조른 안데르센
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시-릭스 에이에스
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Abstract

양방향 유체 흐름으로부터 에너지를 추출하기 위한 회전자 장치는, 회전의 제1 방향으로 회전축(4)을 중심으로 회전하도록 장착되고, 회전축(4)을 따른 방향으로 감소되는 피치를 갖는 적어도 하나의 나선형 블레이드(2)를 구비하는 제1 회전자(7)와, 회전의 반대 방향으로 동일한 상기 회전축(4)을 중심으로 회전하도록 장착되고, 회전축(4)을 따른 동일한 방향으로 증가되는 피치를 갖는 적어도 하나의 나선형 블레이드(2)를 구비하는 제2 회전자(8)를 포함하고, 제1 회전자(7)로부터 배출되는 유체가 제2 회전자(8)로 전달된다.

Description

회전자 장치{ROTOR APPARATUS}
본 발명은 예를 들어 조류(tidal flow) 등의 흐르는 액체로부터 에너지를 추출하기 위한 회전자에 관한 것이다.
흐르는 유체는 그 움직임으로 인해 운동 에너지를 보유하고 있다. 자연스럽게 발생하는 유체 흐름은 조류, 연안류 또는 해류, 강물 흐름, 열 기류, 기류 등에서 찾을 수 있다. 유체 흐름은 또한 사람에 의해 직접적으로 또는 간접적으로 생성될 수 있다. 예를 들어, 자연스럽게 발생하는 유체 흐름에 위치하는, 강의 댐 등의 장애물의 상류 또는 하류에서 2차 유체 흐름이 발생할 수 있다. 유체 흐름은, 파이프라인의 유체 수송에 의해 또는 기차, 선박, 또는 자동차에 설치된 유체 시스템의 유체 흐름 등의 기계에 의해 생성될 수 있다.
기류 등의 가스 흐름으로부터의 에너지 변환, 즉, 풍력은 널리 개발된 기술이다. 바람으로부터 에너지를 추출하도록 특정하게 설계된 많은 터빈들을 제조해 왔다. 그러나, 잠재적인 에너지 레벨은, 유체 밀도가 일반적으로 더욱 높기 때문에 가스 흐름보다는 액체 흐름에서 훨씬 더 크다. 예를 들어, 조류에서, 더욱 통상적인 속도가 1.5 내지 2.5m/s 범위에 있을 수 있지만, 5m/s를 초과하는 유체 속도를 생성할 수 있다. 바닷물의 밀도를 약 1000kg/m3라고 하면, 조류의 에너지 밀도는 통상적으로 약 4000W/m2일 수 있다. 비교하자면, 공기의 밀도는 약 1.2kg/m3이고, 따라서, 이 속도에서의 바람의 에너지 밀도는 통상적으로 약 5W/m2이고, 이는 대응하는 조류에서 이용가능한 것보다 대략 800배 미만이다.
따라서, 조류 등의 액체 흐름으로부터 에너지를 추출하기 위한 개선된 장치가 필요하다.
제1 태양에 따르면, 본 발명은 양방향 유체 흐름으로부터 에너지를 추출하기 위한 회전자 장치를 제공하며, 이 회전자 장치는, 회전의 제1 방향으로 회전축을 중심으로 회전하도록 장착되고, 상기 회전축에 따른 방향으로 감소되는 피치를 갖는 적어도 하나의 나선형 블레이드를 구비하는 제1 회전자와; 상기 회전의 반대 방향으로 동일한 상기 회전축을 중심으로 회전하도록 장착되고, 상기 회전축에 따른 동일한 상기 방향으로 증가되는 피치를 갖는 적어도 하나의 나선형 블레이드를 구비하는 제2 회전자를 포함하고, 상기 제1 회전자로부터 배출되는 유체가 상기 제2 회전자로 전달된다.
나선형 블레이드의 나선형 피치는 한 방향으로 감소되므로, 각 회전자는 큰 피치 단부로부터 작은 피치 단부로 향하는 최적의 흐름 방향을 보유한다. 길이방향 축에 평행하게 유입되어 큰 나선형 피치 단부로 향하는 유체는 저항을 덜 겪고 회전자 내로 완만하게 유도된다. 유체가 나선형 블레이드를 따라 통과할 때, 감소되는 피치에 의해, 흐름으로부터 에너지를 효율적으로 추출하는 것을 보장하게 된다. 유체는 여전히 길이방향 축에 평행하게 바람직하지 않은 방향으로 바로 흐를 수 있지만, 경사진 회전자 블레이드로 흐르는 인입 유체의 초기 정렬시 많은 에너지가 손실되므로 전력 추출은 최적이 아니다. 따라서, 종래의 회전자를 바람직한 흐름 방향으로 설계한다. 흐름 방향이 역으로 되는 상황에서, 종래 기술의 구성에는, 소정의 수단에 의한 블레이드 각도의 변화 또는 흐름에서의 터릿 장착(turret mounting) 또는 테터 플로트(tethered float) 등의 새로운 흐름 방향과 재정렬하기 위한 수단이 제공될 수도 있다.
바람직하게, 회전자 장치는 발전기 회전자이며, 따라서, 바람직한 일 실시예는 회전자 장치를 포함하는 발전기, 예를 들어, 조류로부터 발전하기 위한 발전기를 포함한다.
상술한 2-스테이지 양방향 회전자는, 유체가 단방향 나선형 블레이드 회전자로부터 배출되는 경우에 유체가 길이방향 성분과 방사상 성분 모두를 보유하고, 피치가 감소되면 2개의 회전자가 동일한 방향으로 회전하는 블레이드들을 갖는 경우에(즉, 피치가 감소되면 양측 회전자가 시계 방향 블레이드를 갖거나 피치가 감소되면 양측 회전자가 반시계 방향 블레이드를 갖는 경우에), 이 방사상 성분이 다른 단방향 나선형 블레이드 회전자의 작은 나선형 피치 단부에 유입되는 데 적합하다는 점에서 비자명한 실현예이다. 따라서, 제2 회전자에서, 유체 흐름 방향은 작은 나선형 피치 단부로부터 큰 나선형 피치 단부로 향할 수 있다. 그 결과, 전력 추출이 초기 경우와 동일하지만 역으로 된 것이며, 유체는 길이 방향 성분만 회전자로부터 배출된다. 두 개의 회전자가 역회전하고 서로 대향하므로, 유체는 결과는 동일하면서 반대 방향으로 흐를 수 있다. 따라서, 본 태양의 2-스테이지 회전자는 전력 생산의 레벨을 타협하지 않고 에너지가 흐름으로부터 축을 따른 양 방향으로 추출될 수 있게 한다. 바람직한 실시예는, 바람직하게는, 발전에 의해, 조류로부터 에너지를 추출하기 위한 회전자 장치이고, 이에 의해 회전자 장치가 조류형 터빈으로서 기능한다. 따라서, 본 발명은 회전자 장치를 포함하는 조류형 터빈의 형태를 취할 수 있다. 선박 또는 자동차의 일정한 전후 또는 상하 이동으로 인해 적절한 양방향 액체 흐름을 생성할 수도 있다.
바람직한 실시예에서, 제1 회전자 및/또는 제2 회전자는 유체의 축 흐름을 위해 구성된 회전자 장치의 입구 단부 또는 출구 단부에서 개구부를 구비한다. 따라서, 개구부는 회전자 장치의 회전축에 수직이고, 블레이드들은, 바람직하게, 대략 축 방향으로, 선택 사항으로는 축 방향으로만, 흐르는 유체를 수용하거나 배출하도록 형성된다. 따라서, 입구 및 출구 단부에서 나선형 피치가 증가함에 따라 축 방향 흐름을 주로 또는 축 방향 흐름만을 수용하게 되며, 이는 효율을 증가시킨다.
바람직하게, 제1 및 제2 회전자는, 축 흐름만을 위해 구성되지 않은 대향 단부들에서 개구부들을 갖고, 대신에, 축 흐름에 맞도록 방사상 성분만을 갖는 흐르는 유체를 수용하거나 배출하도록 구성될 수 있다. 방사상 흐름 성분은, 2개의 대향 단부가 회전자 블레이드에 대하여 작은 피치를 갖기 때문에 유용하고, 따라서 2개의 회전자 간의 흐름 전달은, 흐름이 방사상 성분과 축 방향 성분을 모두 가질 때 가장 효율적이다.
바람직한 실시예는, 유체 흐름이 방사상 성분만을 갖고 축 방향 성분을 갖지 않으면 회전자의 개구부를 통한 유체 흐름을 허용하지 않는다.
바람직하게, 제1 및 제2 회전자는 동일한 직경의 대향 단부들을 갖는다. 제1 회전자 및/또는 제2 회전자는 원통형 나선에 의해 형성되는 블레이드를 갖는 원통형 회전자일 수 있다. 그러나, 바람직한 실시예들에서, 제1 회전자 및/또는 제2 회전자는, 내측 원뿔형 나선과 외측 원뿔형 나선 사이에서 연장되는 표면에 의해 형성되는 블레이드 또는 블레이드들을 갖고, 원뿔형 나선들 각각은 나선의 반경이 증가할 때 감소되는 피치를 갖는다. 회전자들은, 본 발명의 제4 태양에 관하여, 예를 들어, 원뿔형 나선들의 형상과 형태, 블레이드의 개수, 외연 림 및 내연면(inner peripheral surface), 발전기 특징부들 등에 관하여 후술하는 바와 같은 특징들을 가질 수 있다. 제1 회전자와 제2 회전자 모두가 원뿔형 나선들 사이에 형성되는 블레이드 또는 블레이드들을 포함하는 바람직한 실시예에서, 이 2개의 회전자는, 서로 대향하며 직경이 동일한 큰 직경 단부들을 갖는다.
제1 회전자와 제2 회전자는, 유체가 하나의 회전자로부터 나머지 하나의 회전자로 흐르도록 서로 대향하는 단부들을 갖는다. 바람직하게, 대향 단부들은 직접 대향하며, 즉, 2개의 회전자 사이의 갭이 최소로 된다. 이는 하나의 회전자로부터 배출되어 나머지 하나의 회전자로 유입되는 흐름의 방사상 성분을 가장 잘 사용한다. 그러나, 조류형 터빈 적용예에서, 수중 생물에 대한 위험을 감소시키기 위해서는, 2개의 회전자 간의 갭을 증가시켜 회전자들 간의 파괴 효과(chopping effect)를 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 수중 생물이 소용돌이 흐름에 의해 반송됨으로써 해를 입지 않고 장치를 통과할 수 있다.
바람직하게, 제1 회전자와 제2 회전자는 블레이드 또는 유사한 원뿔형 나선들에 의해 형성되는 동일한 형상의 블레이드들을 갖는다. 이는, 동일한 유체 흐름이 양 단부로부터 2-스테이지 회전자 장치에 유입될 수 있으므로 최대 양방향성을 보장하고, 그 결과 동일한 동력 인출 장치를 얻는다.
회전자 장치는 제1 회전자와 제2 회전자에 관한 하우징을 포함할 수 있다. 하우징은, 바람직하게, 회전축을 중심으로 한 회전을 위한 회전자들을 지지한다. 회전자 하우징은 다양한 기능들을 수행하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 회전자 하우징은, 오로지, 회전자들을 수용하고 기계적 베어링, 자기 베어링, 또는 회전자들이 작은 마찰로 자유롭게 회전할 수 있게 하는 능동 또는 수동 베어링 시스템의 다른 일부 유형에 의해 지지를 제공하도록 설계될 수 있다. 립 밀봉체(lip seal), 래비린드 밀봉체(labyrinth seal) 또는 다른 일부 유형의 밀봉 구성 등의 밀봉 구성도, 액체 흐름이 회전자 하우징의 베어링 또는 전기 부품에 도달하는 것을 방지하도록 제 위치에 있을 수 있다. 또는, 액체 흐름의 일부는 전기 부품들의 열 교환기와 베어링을 향할 수 있고, 필요한 적용예에서 냉각수로서 사용될 수 있다.
하우징은 또한 발전기 부품들, 제어 시스템 등을 포함할 수 있다. 임의의 적절한 하우징 형상을 이용할 수도 있다. 바람직한 실시예에서, 회전자 하우징은 입구 섹션과 출구 섹션을 갖는다. 회전자 하우징은 회전자들의 성능을 향상시키는 데 사용될 수 있다. 회전자 하우징의 입구 형상은, 수렴 섹션 또는 다른 소정의 형상을 사용함으로써 액체 흐름이 회전자 입구에 유입될 때 액체 흐름의 선형 속도를 증가시키도록 설계될 수 있다. 액체 흐름으로부터 이용가능한 전력은 액체 흐름 속도의 세제곱에 비례하므로, 이는 이용가능한 에너지의 양을 증가시키는 효과적인 수단을 제공한다. 회전자 하우징의 출구도, 수렴 섹션 또는 특정하게 설계된 출구 형상을 사용함으로써 제어 방식으로 액체 흐름을 느리게 하여 점성 및 난류 손실들이 최소화되고 유체가 최소한의 난류로 유체 흐름의 메인 벌크(main bulk)에 완만하게 복귀하도록 설계될 수 있다.
제2 태양에 따르면, 본 발명은, 유체 흐름으로부터 회전 운동 에너지를 생성하도록 전술한 바와 같은 2-스테이지 회전자 장치를 사용하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다. 바람직하게, 이 방법은, 2-스테이지 회전자 장치를 사용하여 조류로부터 에너지를 생성하는 단계, 더욱 바람직하게는, 회전자를 사용하여 조류로부터 전기 에너지를 생성하는 단계를 포함한다.
제3 태양에 따르면, 본 발명은, 2-스테이지 회전자 장치를 제조하는 방법을 제공하며, 이 방법은, 회전축을 중심으로 회전하도록 제1 회전자 - 제1 회전자는 회전축에 따른 방향으로 감소되는 피치를 갖는 적어도 하나의 나선형 블레이드를 구비함 - 를 장착하는 단계와, 회전의 반대 방향으로 동일한 회전축을 중심으로 회전하도록 제2 회전자 - 제2 회전자는 회전축에 따른 동일한 방향으로 증가되는 피치를 갖는 적어도 하나의 나선형 블레이드를 구비함 - 를 장착하는 단계를 포함한다.
이 방법은 제1 태양에 관하여 전술한 바와 같은 회전자 장치의 특징부들을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 회전자의 형상과 형태는 제6 태양의 방법에 관하여 후술하는 바와 같이 선택될 수 있다.
제4 태양에 따르면, 본 발명은 회전자를 제공하고, 회전자는 회전축을 중심으로 회전하도록 구성된 적어도 하나의 블레이드를 포함하고, 블레이드는 내측 원뿔형 나선과 외측 원뿔형 나선 간에 연장되는 표면에 의해 형성되고, 원뿔형 나선들의 각각은 나선의 반경이 증가할 때 감소되는 피치를 갖는다.
본 문맥에서, 원뿔형 나선은 대략 원뿔체의 표면 상에 형성된 3차원 곡선이다. 대략 원뿔체의 표면은 원뿔형, 절단된 원뿔형, 또는 반경이 대략 증가하거나 감소되는 회전 표면으로서 형성되는 다른 임의의 형상일 수 있다. 따라서, 표면은 스트레이트 사이드 원뿔(straight sided cone)로 특정하게 한정되지 않고, 대신에, 맞보 노즈 원뿔 형상이나 존(zone) 등의 볼록 사이드 원뿔 또는 절단된 원뿔일 수 있고, 또는, 대안으로, 원뿔은 오목 사이드 원뿔이나 절단된 원뿔일 수 있다. 본 발명의 회전자에서 중요한 것은, 각 원뿔형 나선이 회전자의 축을 따라 증가되는 반경 및 반경이 증가될 때 감소되는 피치를 갖고서 형성된다는 점이다. 내측 원뿔형 나선과 외측 원뿔형 나선에서는, 바람직하게, 피치가 동일하게 감소되지만, 내측 원뿔형 나선과 외측 원뿔형 나선에 대하여 서로 다른 피치 감소를 이용할 수 있는 적용예들도 가능하다.
"내측" 및 "외측"이라는 용어들은, 본 명세서에서, 회전자의 회전축으로부터 작은 반경에 또는 큰 반경에 있는 회전자의 부분들을 참조하는 데 사용된다.
회전자는 액체 유체 흐름의 운동 에너지를 회전력, 즉, 비틀림(torque)으로 변환함으로써 액체 유체 흐름 또는 액체 유체 흐름들의 시스템으로부터 운동 에너지를 추출하기 위한 것이며, 이에 따라 전기 에너지 등의 더욱 편리한 형태의 에너지로의 변환을 계속 진행할 수 있다. 바람직하게, 회전자는 조류로부터 발전하기 위한 것이다.
블레이드의 외측 가장자리에 대하여 위치하고 외측 원뿔형 나선이 형성되는 표면에 대응하는 외연 림이 있을 수 있다. 블레이드의 내측 가장자리에 대하여 위치하고 내측 원뿔형 나선이 형성되는 표면에 대응하는 내연면이 있을 수 있다. 따라서, 바람직하게, 회전자는 블레이드들을 둘러싸는 내면과 외면을 포함하고, 이는 원뿔형 나선의 경로에 대응하는 회전의 내측 및 외측 대략 원뿔면들일 수 있다. 따라서, 내부적으로, 회전자는 정면 및 후면 블레이드 표면들, 외연 림과 내면 간에 형성되는 하나 이상의 흐름 경로를 갖는다. 흐름 경로들은 흐르는 유체를 효과적으로 포함하며, 팁 손실(tip losses)로 인한 에너지 손실을 방지한다.
블레이드의 회전이 가능해지도록, 블레이드는 외연 림 및/또는 내연면 상에 장착될 수 있고, 이어서, 예를 들어, 회전 운동하도록 베어링과 고정 샤프트에 의해 장착될 수 있다. 바람직한 실시예들에서, 블레이드는 외연 림과 내면 간에 연장되고, 외연 림과 내면 모두에 장착된다. 이는 밀폐된 유체 흐름을 보장하고, 팁 손실을 최소화한다. 대안으로, 블레이드가 외연 림과 내면 중 하나에만 장착될 수 있고, 이때 외연 림과 내면 중 나머지 하나는 고정 상태로 유지된다. 이러한 후자의 구성은 더욱 큰 손실을 야기할 수 있지만 회전자의 제조를 간략화할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 회전자는 유체의 축 방향 흐름을 위해 구성된 회전자의 작은 반경 단부에서 개구부를 갖는다. 따라서, 개구부는 회전자의 회전축에 수직이며, 블레이드들은 바람직하게 대략 축 방향으로 흐르는 유체를 수용하거나 배출하도록 형성된다. 바람직하게, 회전자는, 회전자의 회전축에 또한 수직인 넓은 직경 단부에서 개구부를 갖는다. 그러나, 바람직한 실시예에서, 큰 직경 단부에서의 블레이드들은, 축 방향 흐름만을 위해 구성되지 않고, 대신에, 그 블레이드의 이동에 대하여 방사상 성분을 갖는 흐르는 유체를 수용하거나 배출하도록 구성될 수도 있다. 바람직한 실시예는, 유체 흐름이 방사상 성분만을 갖고 축 방향 성분을 갖지 않으면 회전자의 개구부를 통한 유체 흐름을 허용하지 않는다.
내측 원뿔형 나선과 외측 원뿔형 나선은, 바람직하게, 회전자의 회전축 방향을 따라 연장되기 전에 회전자의 회전축을 따라 동일한 길이방향 위치에서 시작된다. 바람직하게, 내측 원뿔형 나선과 외측 원뿔형 나선은 또한 회전자의 회전축 방향을 따라 대략 동일한 축 방향 길이만큼 연장된다. 이러한 구성에 의하면, 회전자의 외연 림이 존재하는 경우에, 개구부를 통한 유체 흐름의 축 방향 성분을 필요로 하는 그 개구부를 자연스럽게 밀폐한다.
원뿔형 나선은, 전술한 바와 같이 반경이 증가되고 피치가 감소되는 3차원 곡선을 허용하는 임의의 적절한 형상일 수 있다. 한 가지 바람직한 선택 사항은 반경이 선형 증가되는 아르키메데스의 나선을 사용하는 것이며, 이를 이용하여 회전자를 스트레이트 사이드 절단된 원뿔에 기초하는 간단한 형상으로 제조할 수 있다. 그러나, 대안으로, 원뿔형 나선은 오일러, 피보나치, 쌍곡 나선, 리투스 나선, 대수 나선, 데오도로스(Theodorus) 나선, 또는 극좌표 θ의 함수인 가변되는 반경 r과 또한 제3 변수인 극좌표 θ의 함수로서 가변되는 길이 l을 갖는 다른 임의의 알려져 있는 나선에 기초할 수 있다. 비선형 반경의 사용 및/또는 일부 곡선에 따라, 전술한 바와 같이 오목면 또는 볼록면이 있는 원뿔 형상에 기초하는 원뿔형 나선이 발생한다.
내측 원뿔형 나선과 외측 원뿔형 나선은, 초기 반경과 최종 반경이 다른 나선 또는 곡선의 동일한 형태에 기초할 수 있다. 대안으로, 내측 원뿔형 나선과 외측 원뿔형 나선에 대하여 곡선 또는 나선의 다른 형태를 사용하여 블레이드를 위한 더욱 복잡한 형상을 생성할 수 있다.
단일 블레이드를 사용할 수 있지만, 다수의 블레이드를 사용하는 것이 유리하다. 이는 다수의 흐름 경로를 생성하고, 또한, 회전자가 쉽게 균형을 취할 수 있게 한다. 회전자를 2개, 3개, 또는 그 이상을 선택하는 것은 회전자 강도, 제조의 용이성, 및 마찰로 인해 손실되는 에너지의 균형에 의존할 수 있다. 본 실시예에서는, 3개의 회전자 블레이드가, 마찰 손실이 최소이면서 강력하고도 균형잡힌 3개 지점 구성을 제공하므로, 선호되는 선택이다.
블레이드 또는 블레이드들은, 바람직하게, 회전자의 회전축 방향을 따라 동일한 길이방향 거리에서 내측 원뿔형 나선과 외측 원뿔형 나선 상의 지점들 간의 직선들에 의해 생성되는 표면들로서 형성된다. 따라서, 블레이드 표면은 방사상 방향으로 원뿔형 나선들의 쌍을 연결할 수 있다. 대안으로, 블레이드들은, 회전자의 회전축 방향을 따라 동일한 길이방향 거리에서 내측 원뿔형 나선과 외측 원뿔형 나선 상의 지점들 간의 곡선들에 의해 생성되는 표면들로서 형성될 수도 있다. 이러한 구성에 의하면, 블레이드 표면들은, 예를 들어, 회전자의 큰 직경 단부로부터 볼 때 오목할 수 있다.
내측 원뿔형 나선과 외측 원뿔형 나선 모두는, 원뿔면들이 대략 평행하도록 동일한 속도로 반경이 증가될 수 있다. 그러나, 내측 원뿔형 나선과 외측 원뿔형 나선에 대하여 서로 다른 직경 증가 속도를 가짐으로써 회전자의 성능을 조절하는 것이 유리할 수 있다. 내측 원뿔형 나선의 반경은, 회전자에 의해 생성되는 유체역학적 반작용력과 비틀림력을 감소시키거나 제한하도록 외측 원뿔형 나선의 반경 증가 속도보다 느린 속도로 증가될 수 있다. 대안으로, 내측 원뿔형 나선 반경은 유체역학적 반작용력과 비틀림력을 증가시키도록 외측 원뿔형 나선 반경보다 빠른 속도로 증가될 수 있다.
원뿔형 나선의 반경, 원뿔형 나선들의 피치, 및 내측 및 외측 원뿔형 나선들의 상대적 반경 증가를 비롯한 전술한 파라미터들은, 바람직하게, 회전자의 길이를 따라 선형으로 가변된다. 그러나, 반경, 피치, 및 상대적 반경의 비선형적 변동도 가능하다.
바람직한 실시예에서, 회전자는 외연 림 주위에 위치하는 하우징을 포함한다. 하우징은 회전자를 밀폐할 수 있고, 회전자의 회전을 가능하게 하는 샤프트나 베어링을 지지할 수 있다. 하우징은 유체 흐름이 회전자에 유입되기 전에 유체 흐름을 조절하도록 수렴 입구 및/또는 발산 출구를 포함할 수 있다.
회전자에는, 회전자의 회전 운동을 전기 에너지로 변환하기 위한 하나 이상의 발전기가 제공될 수 있다. 회전자의 외측 회전 림은, 정지형 하우징의 일부가 고정자인 발전기의 회전자로서 기능하도록 구성될 수 있다. 대안으로, 내연면은, 회전자의 회전축에 따른 정지형 부품들이 고정자를 제공하는 회전자로서 기능하도록 구성될 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 회전자와 고정자는, 회전력을 추가 장치에 전달할 필요 없이 액체 흐름에 의해 구동되고 회전자의 운동을 전기 에너지로 직접 변환하는 발전기 세트를 형성한다. 이를 위해, 영구 자석 또는 전자 자석이 회전자의 외연 림과 회전자 하우징의 내측 상에 장착될 수 있다. 형성된 고정자와 회전자는 교류(AC) 또는 직류(DC)를 효율적으로 생성하도록 임의의 적절한 방식으로 구성될 수 있다. 전자 기술 및 신호 처리를 회전자 하우징 또는 다른 곳에 통합하여 전기적 네트워크 또는 배터리 설치부 등의 저장 설비에 대한 연결을 용이하게 할 수 있다.
그러나, 저속 적용예에서 자석을 사용하는 것은 이상적으로 간주되지 않는다. 저속 적용예에서는, 저속 유체 흐름으로부터 비틀림의 고 레벨을 캡처할 수 있는 큰 직경의 회전자를 구비하는 것이 더욱 효율적이다. 그 결과, 회전자의 회전 속도가 비교적 저속으로 된다. 통상적인 전기적 그리드에 직접 연결하기 위한 정확한 빈도를 생성하는 데에는 많은 자석이 필요하다. 적은 개수의 자석을 사용한다면, 전기적 그리드와 매칭하도록 전기 신호를 조절하는 데 추가 전자 장비가 필요하다.
따라서, 가변 속도, 일정한 빈도 적용예에서는, 유익한 비동기식 발전기들 등의 다수의 저 비틀림 고속 고 효율 발전기들을 사용하는 것이 바람직하다. 회전의 저속 및 고 비틀림 레벨은 이러한 유형의 발전기에 유리하다. 비동기식 발전기들은, 정확한 빈도에서 그리드에 직접 공급될 수 있는 전력을 생성할 수 있다.
이 경우에, 회전자는 주변 내측 림과 외연 림이 회전하는 회전자일 수 있으므로, 다수의 고속 저 비틀림 발전기들에 대한 연결에 큰 표면적을 이용할 수 있다. 따라서, 바람직한 실시예들은, 중앙 회전 샤프트에 연결된 단일 발전기보다는 이러한 발전기들의 사용을 필요로 한다. 여러 발전기들은, 최대 전력을 추출하기 위해 회전하는 외연 림의 주변에 위치할 수 있으며 및/또는 회전자의 내측 중앙 공간에 위치하여 회전하는 내연면으로부터 전력을 추출할 수 있다. 발전기와 양측 림 간의 연결은 간단한 기어링으로 또는 러너 휠을 사용하여 이루어질 수 있다.
바람직한 실시예들에서 외연 림과 내연면은 회전자의 길이를 따라 가변되는 직경을 갖기에, 다수의 발전기들은 서로 다른 직경으로 외연 림 또는 내연면에 연결되어 회전자의 회전 속도에 대하여 서로 다른 회전 속도로 동작하도록 배열될 수 있다.
바람직한 일 실시예에서, 외연 림 및/또는 내연면은 대략 원뿔면을 갖고, 다수의 발전기들은, 원뿔면을 따른 이동에 의해 발전기들에 대한 입력 회전 속도의 변동을 허용하도록 원뿔면에 평행하게 이동가능하게 장착될 수 있다. 이러한 구성은 일부 연속적으로 가변적인 송신 장치와 마찬가지 방식으로 동작한다. 발전기들은 적절한 프레임과 스테퍼 모터에 의해 표면을 따라 이동될 수 있다. 발전기들은, 예를 들어, 회전자의 내측 원뿔의 내면 상에 또는 회전자의 외연 림의 외면 상에 장착될 수 있다.
대체 구성에서, 다수의 발전기들은, 내연면 또는 외연 림의 단차면에, 즉, 직경이 서로 다른 다수의 적층 실린더들로 이루어진 표면에 장착될 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 서로 다른 직경에서 단차면에 장착되는 발전기들의 다수의 링이 존재할 수 있다. 발전기들의 하나 이상의 링은, 바람직하게, 서로 다른 속도에 대하여 효율적으로 발전하기 위해 회전의 서로 다른 속도로 맞물리거나 맞물림 해제될 수 있다.
이러한 식으로, 회전자에 대한 가변 속도 연결을 가능하게 함으로써, 발전기들의 가변 범위 내의 비교적 일정한 발전기 속도를 유체 흐름들의 범위를 통해 달성할 수 있다.
특히 바람직한 일 실시예에서, 전술한 바와 같은 제1 회전자에는 전술한 바와 같은 제2 회전자가 결합되며, 제1 회전자와 제2 회전자의 큰 직경 단부들은 서로 대향하며, 유체는 하나의 회전자의 큰 직경 단부로부터 배출되어 나머지 하나의 회전자의 큰 직경 단부에 유입된다. 이러한 구성에 의하면, 회전자들은 단일 축을 중심으로 회전을 위해 장착되고, 바람직하게 역회전을 위해 배치되고 장착되며, 즉, 제1 회전자가 제2 회전자에 대한 축을 중심으로 반대 방향으로 회전한다. 이 경우에, 회전자들은, 반경이 증가할 때 동일한 의미로 회전하는 원뿔형 나선들로부터 형성되는 블레이드들을 가질 수 있고, 즉, 제1 회전자와 제2 회전자 모두는 원뿔형 나선 반경이 증가할 때 시계 방향으로 형성되는 블레이드들을 갖고, 또는, 대안으로, 양측 회전자들이 반시계 방향 블레이드들을 갖는다. 바람직한 2-스테이지 회전 장치의 가능한 추가 특징부들을 후술한다.
제5 태양에 따르면, 본 발명은 유체 흐름으로부터 회전 운동 에너지를 생성하도록 전술한 바와 같은 회전자를 사용하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다. 바람직하게, 이 방법은 회전자를 사용하여 조류로부터 에너지를 생성하는 단계를 포함하고, 더욱 바람직하게, 예를 들어, 발전기에서 회전자를 사용하여 조류로부터 전기 에너지를 생성하는 단계를 포함한다.
제6 태양에 따르면, 본 발명은 회전축을 중심으로 회전하도록 구성된 적어도 하나의 블레이드를 포함하는 회전자를 제조하는 방법을 제공하며, 이 방법은, 내측 원뿔형 나선과 외측 원뿔형 나선을 규정하는 단계 - 원뿔형 나선들 각각은 나선의 반경이 증가될 때 감소되는 피치를 가짐 - 와, 블레이드(들)를 내측 원뿔형 나선과 외측 원뿔형 나선 간에 연장되는 표면으로서 형성하는 단계를 포함한다.
이 방법은, 외연 림, 내연면, 샤프트, 원뿔형 나선의 시작 위치와 길이, 원뿔형 나선의 형상, 원뿔형 나선의 반경 변화, 내측 및 외측 원뿔형 나선들의 반경의 상대적 변화, 원뿔형 나선의 피치 변화, 블레이드, 하우징, 발전기, 제2 회전자 등의 개수 중 하나 이상을 포함하는, 전술한 바와 같은 원뿔형 나선들과 회전자의 특징부들을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직한 실시예들에서, 이 방법은, 회전자 성능의 소망 특성들에 기초하여 회전자의 특징부들을 선택하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 이 방법은, 소정의 흐름 상태에 대한 소망하는 비틀림력 출력에 기초하여 하나의 원뿔형 나선 또는 원뿔형 나선들 모두의 반경 변화율을 선택하는 단계를 포함할 수 있다. 소정의 흐름 상태는, 예를 들어, 의도한 설치 사이트에서의 평균 조류일 수 있고, 소망하는 비틀림력은, 발전기 또는 다수의 발전기들일 수 있는 의도한 출력 장치를 위한 입력 비틀림과 일치될 수 있다. 마찬가지로, 이 방법은, 소정의 흐름 상태에 대한 소망하는 비틀림력 출력에 기초하여 내측과 외측 원뿔형 나선들의 상대적 반경 변화를 선택하는 단계 또는 하나의 원뿔형 나선 또는 원뿔형 나선들 모두의 피치 변화를 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
회전자의 길이를 따라 가변되는 직경을 갖는 표면이 있는 회전자 상에 장착된 다수의 저 비틀림 고속 고 효율 발전기들을 사용하고, 여기서, 다수의 발전기들은 서로 다른 직경으로 표면에 연결되어 회전자의 회전 속도에 대하여 서로 다른 회전 속도로 동작하도록 배치하는 것은 고유한 권리에 있어서 신규하고도 진보성을 갖는 것이라 할 수 있으며, 따라서, 추가 태양에 따르면, 본 발명은, 유체 흐름으로부터 전력을 생성하기 위한 회전자를 제공하고, 이 회전자는, 회전자의 길이를 따라 가변되는 직경을 갖는 표면을 포함하고, 다수의 발전기들은 발전기들의 다양한 직경에서 표면의 이동으로부터 회전력을 수용하도록 장착된다. 표면은 전술한 바와 같이 대략 원뿔면 또는 단차면일 수 있다. 대략 원뿔이라는 용어는, 완벽한 원뿔뿐만 아니라 전술한 바와 같은 절단된 원뿔, 볼록 원뿔, 오목 원뿔도 참조하려는 것이다. 발전기들은 전술한 바와 같은 비동기식 발전기들 등의 저 비틀림 고속 고 효율 발전기들일 수 있다. 여러 발전기들은 최대 전력을 추출하도록 회전하는 외연 림의 주변에 위치할 수 있고, 및/또는 회전자의 내측 중앙 공간에 위치하여 회전하는 내측 림으로부터 전력을 추출할 수 있다. 발전기와 양측 림 간의 연결은 간단한 기어링으로 또는 러너 휠을 사용하여 또는 다른 일부 수단에 의해 이루어질 수 있다. 회전자는 회전자와 2-스테이지 회전자 장치에 관하여 전술한 바와 같은 특징부들을 가질 수 있다. 특히 바람직한 일 실시예에서, 발전기들은, 전술한 바와 같이 원뿔면을 따른 이동에 의해 발전기들에 대한 입력 회전 속도의 변동을 허용하도록 대략 원뿔면에 평행하게 이동가능하게 장착될 수 있다.
또한, 본 발명은 유체 흐름으로부터 전기를 생산하도록 전술한 회전자의 사용을 포함한다.
이하, 본 발명의 바람직한 일부 실시예들을 첨부 도면을 참조하여 예를 들어 설명한다.
도 1a와 도 1b는 회전자의 일 실시예를 도시하는 측면도와 단면도.
도 2a와 도 2b는, 외연 림이 부분적으로 절단되어 회전자 설계를 더욱 상세히 볼 수 있는 도 1의 회전자를 도시하는 도면.
도 3a와 도 3b는 외연 림이 부분적으로 생략되고 완전히 생략된 도 1과 도 2의 회전자의 사시도.
도 4a와 도 4b는 내측 원뿔형 나선 반경이 외측 원뿔형 나선 반경보다 느린 속도로 증가하는 회전자의 대체 실시예를 도시하는 도면.
도 5a와 도 5b는 내측 원뿔형 나선 반경이 외측 원뿔형 나선 반경보다 빠른 속도로 증가하는 추가 대체 예를 도시하는 도면.
도 6a와 도 6b는 나선형 피치가 도 1과 도 2의 회전자보다 느린 속도로 감소되는 대체 실시예를 도시하는 도면.
도 7a와 도 7b는 나선형 피치가 도 1과 도 2의 회전자보다 빠른 속도로 감소되는 대체 실시예를 도시하는 도면.
도 8a와 도 8b는 외연 림이 부분적으로 생략된 2-스테이지 회전자 장치 구성의 일 실시예를 도시하는 측면도와 단면도.
도 9a와 도 9b는 외연 림이 부분적으로 생략되고 완전히 생략된 도 8의 2-스테이지 회전자 장치의 사시도.
도 10은 외측 회전자 표면 상의 발전기와 함께 하우징에 설치된 2-스테이지 회전자 장치를 도시하는 도면.
도 11은 내측 원뿔 회전자 표면 상의 발전기와 함께 하우징에 설치된 2-스테이지 회전자 장치를 도시하는 도면.
도 12는 단차형 내측 회전자 표면 상에 발전기를 구비하는 대체 구성을 도시하는 도면.
도 13은 해저에서 사용하기 위한 구조의 타워형 상에 설치된 한 쌍의 2-스테이지 회전자 장치를 갖는 구성을 도시하는 도면.
도 14는 원뿔형 나선의 최대 반경 Do와 최소 반경 do의 비가 변할 때 2-스테이지 회전자 장치에 의해 발생하는 비틀림력의 변동을 도시하는 그래프.
도 15는 외측 원뿔형 나선 반경에 비해 내측 원뿔형 나선 반경이 증가하는 속도를 수정하여 2-스테이지 회전자 장치에 의해 발생하는 비틀림력의 변동을 도시하는 그래프.
도 16은 나선 빈도의 증가 속도를 변경함으로써 나선형 피치의 감소 속도가 조절되는 경우에 2-스테이지 회전자 장치에 의해 발생하는 비틀림력의 변동을 도시하는 그래프.
도 1a와 도 1b는 외연 림(1), 블레이드(2), 및 내연면(3)을 포함하는 회전자의 일 실시예를 도시한다. 회전자는 액체 흐름을 회전 운동으로 바꾸도록 사용될 수 있고 이러한 회전 운동을 이용하여 발전을 행할 수 있다. 예를 들어, 바람직한 일 실시예에서, 회전자는 조류로부터 발전하기 위한 터빈에서 사용된다. 블레이드들(2)은 내연면(3)과 외연 림(1) 사이에서 연장되고 이에 따라 밀폐된 흐름 경로를 형성한다. 본 실시예에서, 블레이드(2)의 형상을 형성하는 기본 나선은 아르키메데스 나선에 기초하며, 여기서, 극좌표 θ와 함께 반경 r이 선형 증가한다. 그 결과, 회전자의 형상은 원추대로 된다. 후술하는 바와 같이, 다른 유형의 곡선을 이용할 수 있다. 3개의 회전자 블레이드(2)는 회전자와 또한 내연면(3) 내에 있을 수 있다. 회전자의 길이방향 축(4)은 중앙선으로 도시되어 있다. 도면 전체에 걸쳐, 회전자의 최대 외경은 Do로 표시하고 최소 외경은 do로 표시한다. 회전자의 길이는 L로 표시하고, 국부 길이 l은 최소 외경 do를 갖는 회전자의 단부로부터 측정된다.
도 2a와 도 2b는 명료해지도록 외연 림(1)이 부분적으로 숨겨져 있는 도 1a와 도 1b의 회전자를 도시한다. 내연 림(3)도 강조되어 있다. 3개의 회전자 블레이드(2)는 원뿔형 나선들의 쌍에 의해 형성되는 형상을 갖는다. 외측 원뿔형 나선(5)은 외연 림(1)의 내면 상에 형성되는 나선이며, 블레이드(2)의 가변되는 외경 ro를 형성한다. 내측 원뿔형 나선(6)은 내측 원뿔(3)의 외측에 형성된 나선이며, 블레이드의 가변되는 내경 ri를 형성한다. 길이방향 축(4)을 따라 나선들 모두의 반경이 증가되고 나선형 피치는 감소된다. 블레이드들(2)은 증가되는 나선 빈도로부터 발생하는 감소되는 나선 피치를 갖는다. 원뿔 곡선들의 쌍(5, 6)은 시계 방향으로 생성되고, 동일한 속도로 증가하여 평행한 원뿔 곡선들의 쌍을 형성하도록 서로 다른 초기 반경을 갖는다.
도 3a와 도 3b는 블레이드들(2)의 형상의 추가 상세를 알 수 있는 도 1과 도 2의 회전자의 사시도이다.
도 4a와 도 4b는 회전자의 변동을 도시한다. 본 실시예에서, 원뿔형 나선들(5, 6)의 쌍은 시계 방향으로 생성되며, 전술한 방식으로 블레이드들(2)의 형상을 형성한다. 그러나, 내측 원뿔형 나선(6)의 반경 ri는 외측 원뿔형 나선(5)의 반경 ro보다 느린 속도로 증가되어, 회전자의 작은 직경 단부에서보다 회전자의 큰 직경 단부에서 더욱 이격된 비평행한 원뿔형 나선들의 쌍을 형성한다.
도 5a와 도 5b는, 내측 원뿔형 나선(6)의 반경 ri가 외측 원뿔 곡선(5)의 반경 ro보다 빠르게 증가하여 회전자의 작은 직경 단부에서보다 회전자의 큰 직경 단부에서 함께 더욱 가깝게 이격된 비평행한 원뿔형 나선들의 쌍을 형성하는 추가 변형을 도시한다.
도 6a와 도 6b는 도 1과 도 2와 같이 평행한 내측 원뿔과 외측 원뿔을 갖지만 나선형 피치가 전술한 실시예들보다 느린 속도로 감소되는 추가 변형을 도시한다. 그 결과, 나선 빈도의 증가속도가 느리게 된다. 도 7a와 도 7b는 나선형 피치가 더욱 빠른 속도로 감소되어 나선 빈도의 증가 속도가 더욱 빠르게 되는 대향하는 변형을 도시한다.
도 8a, 도 8b, 도 9a, 및 도 9b는 조류형 터빈으로서 기능할 수 있는 2-스테이지 회전자 장치의 회전자의 쌍을 도시한다. 도 8a와 도 8b는 외연 림(1)이 부분적으로 생략된 측면도 및 단면도이다. 도 9a와 루 9b는 외연 림(1)이 부분적으로 생략되고 완전히 생략된 동일한 회전자 쌍의 사시도이다. 도 8a에서 알 수 있듯이, 2개의 회전자는 공통 회전축(4) 상에서 단부끼리 장착되어 있다. 사용시, 회전자들은 전술한 바와 같이 역회전한다. 도면들에 도시한 회전자들은 본 명세서의 도 1, 도 2, 도 3에 도시한 회전자들과 마찬가지이지만, 2-스테이지 회전자 장치가 본 명세서에서 설명한 회전자들의 변형예들과 대체 실시예들 중 임의의 것 등의 나선형 블레이드 형상을 필요로 한 회전자들의 임의의 쌍을 포함할 수 있다는 점을 인식할 것이다.
도 10은 공통 길이방향 축(4)을 따라 하우징(9)에 설치된 역회전 회전자들(7, 8)의 한 쌍을 갖는 조류형 터빈으로서 기능할 수 있는 2-스테이지 회전자 장치의 일 실시예를 도시한다. 하우징(9)은 단면도로 도시되어 있고, 회전자들(7, 8)은 부분 단면도로 도시되어 있다. 회전자들(7, 8)은, 하우징(9)에 고정되어 있고 베어링(10)에 의해 지지되는 공통 고정 샤프트(11)를 중심으로 회전한다. 흐름이 회전자들(7, 8)만을 통과하는 것을 보장하도록, 래비린드 밀봉체(15)가 각 회전자(7, 8)의 림(1)의 외면과 하우징(9)의 내면 사이에서 회전자들(7, 8)의 양단부에 배치된다. 본 실시예에서, 하우징(9)의 양단부는 유속을 증가/감소시키고 2-스테이지 회전자 장치의 성능을 향상시키도록 설계된 수렴/발산 형상(16)을 갖는다.
2-스테이지 회전자 장치(1)는, 단방향 흐름을 수용하고 또한 2개의 회전자의 조합에 의한 역 또는 순환 흐름을 수용하도록 사용된다. 제1 스테이지 회전자, 길이방향 성분을 보유하며 근접하는 액체 유체 흐름을 수용하고, 그 흐름을 제1 스테이지 회전자가 회전하게 하는 회전력 또는 비틀림으로 변환함으로써 운동 에너지의 비율을 추출한다. 제2 스테이지 회전과는 제1 스테이지 회전자와 동일한 방식으로 구성된 형상을 갖고, 제1 스테이지 회전자와 동일한 길이방향 축을 중심으로 회전하지만 제1 스테이지 회전자에 대하여 180도를 거쳐 회전된다. 따라서, 제2 스테이지 회전자는 그 축을 중심으로 반대 방향으로 회전한다. 액체 흐름은 회전자 출구에서 나선형 피치에 의해 결정되는 각도로 제1 스테이지 회 전자에서 배출된 후에 제2 스테이지 회전자에 의해 수용되며, 제2 스테이지 회전자에 대한 입구는 마찬가지 각도와 나선형 피치로 되어 있다. 이 단계에서, 유체는 길이방향 성분과 방사상 성분 모두를 보유한다. 제2 스테이지 회전자를 액체 흐름으로부터 운동 에너지의 추가 비율을 추출한다. 유체가 제2 스테이지 회전자로부터 배출되면, 유체는 이상적으로는 길이방향 성분만을 보유하며, 최소한의 간섭을 겪으며 주 흐름으로 복귀될 수 있다.
도 10의 실시예에서, 하우징(9)은 회전자들(7, 8) 외부에 배치되는 다수의 저 비틀림 고속 고 효율 발전기들(13)을 위한 장착 영역을 제공하도록 설계된다. 발전기들(13)은 적절한 기어링에 의한 회전자들(7, 8)의 외부 회전 림(1)의 운동에 의해 구동된다.
도 11은 하우징(9)에 설치된 2-스테이지 회전자 장치의 대체 실시예의 단면도를 도시한다. 도 11에 도시한 실시예에서는, 도 10의 구성과는 대조적으로, 발전기들(13)이 외측 원뿔 대신에 내측 원뿔 내에 배치된다. 고정된 장착 블록들(12)은 회전자들(7, 8) 내의 고정 샤프트(11)에 부착된다. 이러한 블록들은 다수의 저 비틀림 고속 고 효율 발전기들(13)을 위할 장착 영역을 제공한다. 발전기들(13)은 적절한 기어링에 의한 회전자들(7, 8)의 내측 원뿔(3)의 내면에 의해 구동된다.
전술한 바와 같이, 기본 나선이 극좌표 θ와 함께 반경 r이 선형 증가하는 아르키메데스 나선에 기초하는 본 실시예에서, 회전자 자체는 원추대와 마찬가지의 형상을 형성한다. 이 형상의 특징은 림(3)의 선형 속도가 외경의 변동으로 인해 길이방향 축(4)을 따라 가변된다는 점이다. 본 실시예에서의 발전기들(13)은 내측 원뿔(3)의 내면에 평행한 면을 갖는 블록(12)에 장착되므로, 발전기들(13)은 적절한 프레임과 스테퍼 모터(14)에 의해 표면을 따라 이동될 수 있다. 발전기들(13)은 공통 이동가능 프레임 조립체에 고정될 수 있고, 또는 유선 또는 무선 모니터링 장비 및/또는 CPU에 의해 트리거되는 스테퍼 모터들에 의해 원추대면을 따라 개별적으로 이동될 수 있고, 이에 따라 2-스테이지 회전자 장치는 회전자들(7, 8)의 회전 속도의 변화에 응답할 수 있고 원추대를 따른 발전기들의 길이방향 위치를 조절할 수 있다. 이는 발전기들(13)이 회전자들(7, 8)의 회전 속도 변화에 응답하도록 회전자들(7, 8) 내에서 이동하게 할 수 있다. 이러한 방식으로, 발전기들(13)의 가변 범위 내에서의 비교적 일정한 발전기 속도를 유체 흐름의 범위를 통해 달성할 수 있다. 저속 유체 흐름에 대해서는, 발전기 연결점은 높은 선형 속도 단부에서 이루어질 수 있으며, 이는 회전자의 큰 직경 단부에 있다. 고속 유체 흐름에 대해서는, 발전기 연결점은 낮은 선형 속도 단부에 재위치할 수 있고, 이는 회전자의 작은 직경 단부에 있다. 이는, 복잡한 기어박스가 필요하지 않으므로, 비용과 복잡성을 상당히 세이브한다는 점에서 상당한 장점을 제시하는 것이다.
도 12는 하우징(9)에 설치된 2-스테이지 회전자 장치의 대체 실시예의 단면도를 도시한다. 도 12에 도시한 실시예에서는, 도 10의 구성과는 대조적으로, 발전기들(13)이 외측 원뿔 대신에 고정 모터 장착대(16) 상에 장착된다. 고정 모터 장착대(12)는 회전자들(7, 8) 내의 고정 샤프트(11)에 부착된다. 이는 다수의 저 비틀림 고속 고 효율 발전기들(13)을 위한 장착 영역을 제공한다. 발전기들(13)은 적절한 기어링에 의한 회전자들(7, 8)의 내측 원뿔(3)의 내부 회전면에 의해 구동된다.
전술한 바와 같이, 기본 나선이 극좌표 θ와 함께 반경 r이 선형 증가하는 아르키메데스 나선에 기초하는 본 실시예에서, 회전자 자체는 원추대와 마찬가지의 형상을 형성한다. 이 형상의 특징은 림(3)의 선형 속도가 외경의 변동으로 인해 길이방향 축(4)을 따라 가변된다는 점이다. 본 실시예에서의 발전기들(13)은 고정된 모터 장착대(16)에 장착되므로, 발전기들(13)은, 길이방향 축(4)을 따른 서로 다른 위치에서 필요에 따라 결합 또는 결합 해제될 수 있는 발전기들의 링들로서 설치될 수 있다. 발전기들(13)의 링들은, 유선 또는 무선 모니터링 장비 및/또는 CPU에 의해 트리거되는 스테퍼 모터들에 의해 결합 또는 결합 해제될 수 있고, 이에 따라 2-스테이지 회전자 장치는 회전자들(7, 8)의 회전 속도의 변화에 응답할 수 있고 어느 때라도 사용시 발전기들(13)의 링들의 개수를 조절할 수 있다.
이는 발전기들(13)의 링들이 회전자들(7, 8)의 회전 속도의 변화에 응답하도록 회전자들(7, 8) 내에서 선택적으로 결합 및 결합 해제되게 할 수 있다. 이러한 방식으로, 발전기들(13)의 링들의 가변 범위 내에서의 비교적 일정한 발전기 속도를 유체 흐름의 범위를 통해 달성할 수 있다. 또한, 발전기들의 동작 범위를 벗어난 발전기들(13)의 링들의 동작을 제어할 수 있고, 기이한 유체 흐름에 있어서 2-스테이지 터빈이 과부하로 되면 발전기들을 연결 해제할 수 있음은 물론이다.
일반적으로, 저속 유체 흐름에 대해서는, 발전기들(13)의 링들은 높은 선형 속도 단부에서 결합될 수 있으며, 이는 회전자의 큰 직경 단부에 있다. 고속 유체 흐름에 대해서는, 발전기들의 링들은 낮은 선형 속도 단부에서 결합될 수 있고, 이는 회전자의 작은 직경 단부에 있다. 다수의 링들의 결합도 가능하며, 예를 들어, 낮은 선형 속도 단부에서 발전기들의 2개 이상의 링들을 결합할 수 있고 또는 높은 선형 속도 단부에서 발전기들의 2개 이상의 링들을 결합할 수 있다. 이는, 복잡한 위치 설정 장치를 필요로 하지 않으므로, 비용과 복잡성을 상당히 세이브한다는 점에서 도 11에 비해 상당한 장점을 제시하는 것이다. 또한, 도 12에는, 2-스테이지 터빈이 수리 및 서비스를 위한 표면으로 안전하게 복귀할 수 있도록 부력 장치들 또는 발전기들을 위한 제어 기어를 포함할 수 있는 밀봉된 구획부들(17)이 도시되어 있다.
2-스테이지 회전자 장치는, 회전자들의 배향 및 입구와 출구의 배향을 가변 함으로써 수평 액체 유체 흐름 방향과 수직 액체 유체 흐름 방향에 그리고 이들 사이의 방향에 효과적으로 적용될 수 있다. 조류형 터빈 적용예에서, 회전자 하우징은 또한 액체 흐름이 회전자로 향하게 하여 작은 직교류 이탈(minor cross-flow deviations)을 보정하도록 기능한다. 큰 직교류 이탈에 대해서는, 회전자 하우징은 스티어링 및 서스펜션 시스템을 구비할 수 있고, 성능을 최적화하도록 흐름 범위 내에서 자신의 위치를 조절하기 위해 또는 액체 스트림에 잠기는 경우에 유지보수를 위해 표면으로 자신의 위치를 조절하기 위해 핀, 기어링, 및 부력 제어 장치를 포함할 수 있다. 스티어링 및 서스펜션 시스템은 흐름 방향 변화에 관한 소정의 자가 조절 기능을 제공한다.
회전자 하우징에 직렬로 배치되거나 설치되는 추가 2-스테이지 회전자 장치를 구비할 수 있다. 그러나, 제1 2-스테이지 터번으로부터 배출되는 액체 흐름에 남아 있는 전력량은 초기 액체 흐름에 포함된 전력량보다 적다. 따라서, 다수의 2-스테이지 회전자 장치를 병렬로 구비하는 것이 더욱 경제적으로 보인다.
동작시, 특히 조류형 터빈 적용예에서, 2-스테이지 회전자 장치는 바닥 상에서, 예를 들어, 해저 상에서 지지될 수 있고, 또는, 해저 또는 부유 래프트에 대한 테터링 또는 앵커링 장치에 의해 액체 흐름에서 현수될 수 있다. 또는, 2-스테이지 회전자 장치는, 수면의 선박에 의해 또는 타워의 망원식 연장 장치에 의해 유지보수를 위해 바다로부터 회수될 수 있도록 해저에 설치된 타워 상에 배치될 수 있다. 또는, 2-스테이지 회전자 장치는, 유닛의 부력을 수정함으로써 유체 흐름에서 현수되도록 중립적으로 부유 상태에 있는 것으로서 구성될 수 있고, 2-스테이지 터빈 장치를 수면으로 상승시키거나 해저로 하강시킬 수 있다. 또는, 전체 터빈 장치는, 그 장치의 작은 부분만이 유지보수를 위해 회수되도록 구성될 수 있다. 이 경우에, 회전자와 전기 부품들을 포함하는 그 장치의 서브 유닛만을 설치된 주요 구조로부터 분리하여 그 설치된 주요 구조를 제 위치에 남겨 둘 수 있다. 이는 더욱 간단한 유지보수 조작을 제공한다.
도 13은 2-스테이지 회전자 장치를 조류형 터빈으로서 이용할 수 있는 일례를 도시한다. 도 10, 도 11, 또는 도 12에 도시한 2개의 하우징(9)의 회전자들(7, 8)은 해저 상에 설치될 수 있는 타워 구조 상에 설치된다. 다수의 회전자 하우징은, 조류계 등의 역 또는 순환 흐름의 효과적인 조작이 가능하도록 주요 흐름 방향과 정렬될 수 있다. 2-스테이지 회전자 장치는 양 방향으로 흐름을 이용하여 효율적으로 동작할 수 있으므로, 조류가 방향을 변경하는 경우에 타워의 회전을 위한 메커니즘을 제공할 필요가 없다.
대체 장치(도시하지 않음)는 2-스테이지 회전자 장치를 유체가 흐르는 파이프 내의 하우징에 장착하는 것이다. 양방향 유체 흐름은 회전 운동으로 효율적으로 변환되고, 회전자의 바람직한 실시예에 따라, 발전기에 의해 전력으로 변환된다. 파이프는 댐 또는 수력 발전소 또는 조류 보의 수로 내에 설치될 수 있다. 대안으로, 파이프는, 한 저장소로부터 나머지 하나의 저장소로의 액체의 전달이 허용되는 방식으로 연결된 2개의 액체 저장소로 이루어지는 밀폐된 해류 시스템 내에 있을 수 있다. 액체 흐름은 외부에서 인가되는 자연스러운 힘 또는 사람에 의한 힘의 결과로서 2개의 저장소 간에 유도될 수 있다. 이러한 외부 힘은, 선박 갑판 또는 횡단 및/또는 길이방향 이동을 생성하는 기차나 자동차 등의 다른 일부 이동 물체 상에 횡단으로 또는 길이방향으로 설치되는 경우에 발생할 수 있다.
따라서, 본 명세서에서 설명하는 바와 같은 회 전자들은 바람직한 실시예들에서 회전자 하우징 내에 설치된 2-스테이지 회전자 장치에서 이용된다. 2-스테이지 회전자 장치가 다양한 조류 등의 액체 유체 흐름 상황을 겪는 경우에, 회전자들은, 액체 유체 흐름으로부터 운동 에너지를 추출하고, 이 운동 에너지를 특정하게 성형된 회전자들의 쌍이 회전하게 하는 회전력 또는 비틀림으로 변환한다.
바람직한 조류 실시예에서, 비틀림은 전술한 바와 같이 발전기를 구동하는 데 적용된다. 대안으로, 비틀림은 펌프, 컴프레서, 또는 인가될 회전력이나 비틀림을 필요로 하는 다른 임의의 장치를 구동하는 데 사용될 수 있다.
회전자들의 형상은 액체 유체 흐름의 운동 에너지를 회전력이나 비틀림으로 변환하는 것을 용이하게 한다. 회전자들의 형상은, 길이방향 축(4)을 따라 극좌표 θ와 함께 반경 r이 증가하는 원뿔형 나선들(5, 6)의 쌍에 기초하며, 각 나선(5, 6)은 다른 초기 반경을 보유하고 있다. 원뿔형 나선들(5, 6)의 쌍은 또한 반경이 증가할 때 극좌표 θ와 함께 감소되는 피치를 갖는다. 감소되는 나선형 피치는 증가되는 나선 빈도를 제공한다. 이러한 유형의 원뿔형 나선은, 극좌표 θ의 함수로서 가변되는 반경 r을 갖지만 극좌표 θ의 함수로서도 기능하는 제3 변수인 길이 l도 갖는 3차원 나선으로서 규정될 수 있다.
원뿔형 나선들의 쌍은 시계 방향으로 또는 반시계 방향으로 생성될 수 있고, 도 6a 내지 도 7b에 도시한 바와 같이, 나선 빈도를 증가시키게 하는 나선형 피치의 감소 속도를 가변하여 단위 길이당 나선형 피치의 최적의 감소를 얻을 수 있다. 추출 전력에 직접적인 영향을 끼치는 다른 변수들은 원뿔형 나선들의 쌍의 초기 반경 및 최종 반경(이에 따라 회전자의 최소 및 최대 내경과 외경) 및 회전자의 전체 길이이다. 이 변수들은 또한 소정의 흐름 상황에 대하여 최적화될 수 있다. 예를 들어, 파이프라인 적용예에서, 기존의 파이프라인 직경에 대한 공간을 한정하고 제한할 수 있으며, 따라서, 비교적 작은 최소 및 최대 외경들, 예를 들어, 각각 1m 및 2m 직경을 갖는 회전자가 바람직할 수 있다. 이 경우에, 회전자가 길수록 유리하며, 이는 전력 추출을 최적화하도록 원뿔형 나선들의 쌍을 연장할 여지를 허용할 수 있다. 조류형 터빈 적용예에서는, 공간이 고려 사항으로 되지 않을 수 있으며, 큰 직경, 예를 들어, 각각 10m와 20m을 이용하여 전력 추출을 크게 향상시킬 수 있다. 회전자를 짧게 할수록, 설치 비용과 풋프린트 비용을 감소시킬 수 있다.
회전자의 회전자 블레이드 표면들은 원뿔형 나선들의 쌍이 방사상 방향으로 함께 연결될 때 형성된다. 도면에 도시한 회전자들에서는, 3개의 동일한 회전자 블레이드(2)가 제시되어 있다. 대안으로, 회전자 주위로 균등하게 이격된 동일한 회전자 블레이드(2)가 더 많이 또는 더 적게 존재할 수 있다. 회전자 블레이드들(2)은, 내연면(3)과 외연 림(1) 사이에서 연장되며, 이들과 함께 회전하도록 내연면(3) 또는 외연 림(1)에 고정된다.
유체역학적 반작용력은 고체 표면 위로 흐르는 유체의 본체가 모멘텀 변화를 겪는 경우에 고체 표면 상에 생성된다. 특정한 방향으로 유체의 본체에 작용하는 순 유체역학력은, 뉴튼의 제2 법칙으로 알 수 있는 바와 같이 그 특정한 방향으로의 유체 본체의 모멘텀의 변화율과 동일하다. 뉴튼의 제3 법칙에 따르면, 동일하면서 대향되는 유체역학적 반작용력이 유체 본체를 튀어오르게 하는 고체 표면에 작용한다. 이러한 유체역학적 반작용력의 예로는, 수분류가 벽을 칠 때 발생하는 힘, 또는 유체가 굽은 곳을 강제로 돌 때 파이프 시스템에서 발생하는 힘, 또는 흐르는 유체에 배치되는 경우에 유체를 고체 본체 주위로 흘러가게 하는, 고체 본체에서 발생하는 힘이 있다.
본 명세서에서 설명하는 회전자들에 있어서, 흐르는 유체의 본체를 튀어오르게 하는 고체 표면은 회전자 블레이드들의 쌍의 앞뒤 및 회전자의 내측 및 외연 림들에 의해 형성된다. 유체의 본체가 특정하게 성형된 회전자 및 그 회전자의 복잡한 흐름 경로를 통해 흐르면, 이 유체 본체는, 입구로부터 출구로 감소되어 나선 빈도를 증가시키는 나선형 피치 및 블레이드들의 형상으로 인해 방향을 계속 변경하며, 이에 따라 모멘텀의 변화율이 연속적으로 발생한다. 이러한 모멘텀 변화율은 회전자의 고체 표면들에 작용하는 유체역학적 반작용력을 필수적으로 야기한다. 원뿔형 나선은 소정의 기하학적 방향, 예를 들어, 시계 방향 또는 반시계 방향을 갖기에, 유체역학적 반작용력은 반대 방향으로 작용하고, 유체역학적 반작용력의 중심은 길이방향 축으로부터 방사상 거리에 변위되므로, 회전자의 길이방향 축 주위로 작용하는 비틀림력이 생성되어 회전자를 회전시키는 경향이 있다.
원뿔형 나선의 기본적인 수학적 나선은 아르키메데스, 오일러, 피보나치, 쌍곡 나선, 리투스 나선, 대수 나선, 데오도로스 나선, 또는 극좌표 θ의 함수인 가변되는 반경 r과 또한 극좌표 θ의 함수로서 가변되는 제3 변수인 길이 l을 갖는 다른 임의의 알려져 있는 나선에 기초할 수 있다. 전술한 이유로 인해, 극좌표 θ와 함께 내경 및 외경 r이 더욱 빠르게 변하는 기본적인 나선은 모멘텀의 더욱 빠른 변화율을 유도하고 이에 따라 필수적으로 유체역학적 반작용력을 증가시킨다는 점이 명백하다. 이는 얕은 굴곡을 급격한 굴곡과 비교하는 것과 유사하다. 유체가 이러한 두 개의 굴곡을 더욱 급격하게 강제로 도는 경우에 파이프 시스템에서 발생하는 힘이 증가한다는 점은 널리 알려져 있다.
전술한 실시예들에서는, 간략화를 위해, 기본 나선이 반경 r이 극좌표 θ와 함께 선형 증가하는 아르키메데스 나선에 기초하고 있다. 그러나, 아르키메데스, 오일러, 피보나치, 쌍곡 나선, 리투스 나선, 대수 나선, 데오도로스 나선 또는 극좌표 θ의 함수인 가변되는 반경 r과 또한 극좌표 θ의 함수로서 가변되는 제3 변수인 길이 l을 갖는 다른 임의의 알려져 있는 나선 등의 다른 기본적인 수학적 나선을 사용함으로써 극좌표 θ와 함께 내경 및 외경 r의 비선형 증가에 의해 회전자를 동일하게 구축하는 것이 실현가능하다. 극좌표 θ와 함께 반경 r이 선형 증가하는 아르키메데스 나선을 사용함으로써, 도면에 도시한 바와 같은 스트레이트 사이드 절단된 원뿔 둘레로 원뿔형 나선이 형성된다. 역으로, 극좌표 θ와 함께 내경 및 외경 r이 비선형 증가함으로써, 다른 형상을 제공하게 되며, 예를 들어, 외측 및 내측 원뿔 표면들이 휘어질 수 있다.
본 명세서에서 예시하는 바람직한 실시예들에서, 원뿔형 나선들의 쌍은 극좌표 θ와 함께 반경 r이 길이방향 축을 따라 선형 증가하도록 선택되며, 여기서 반경 각각은 서로 다른 초기 반경을 갖는다. 일부 실시예들에서, 도 4a 내지 도 5b에 도시한 바와 같이, 원뿔형 나선의 반경이 증가함으로써, 더욱 빠른 속도로 또는 더욱 느린 속도로 비선형 원뿔형 나선들의 쌍을 형성할 수 있다. 다른 실시예들에서는, 도 1a 내지 도 3b에서와 같이, 원뿔형 나선의 반경이 동일한 속도로 증가하여 평행한 원뿔형 나선들의 쌍을 형성할 수 있다. 동시에, θ 함수인 l을 길이방향 축(4)을 따라 연속적으로 또는 이산적으로 가변함으로써 나선형 피치도 감소된다. 도면의 실시예들에서 나선형 피치의 감소 속도 또는 나선 빈도의 증가 속도는 선형이다. 대안으로, 비선형일 수도 있다.
나선 형상, 반경 증가, 및 피치 감소를 조합하여 회전자에 가해지는 전체적인 유체역학적 반작용력을 제공하고 이에 따라 비틀림과 전력 출력을 제공한다. 이러한 파라미터들은, 소정의 유체 흐름으로부터의 전력 추출을 최대화하도록 또는 필요하다면 소정의 유체 흐름으로부터의 전력 추출을 제한하도록 최적화될 수 있다. 다음에 따르는 식들의 집합은 발생하는 유체역학적 반작용력과 비틀림을 고려하고 있다.
Figure pct00001
Figure pct00002
식 (1)에 언급한 바와 같이, 회전자 내로의 질량 흐름
Figure pct00003
은 일정하다. 유체역학적 반작용력 Fx, Fy, Fz는, 연속적으로 감소되는 나선형 피치로 인해, 즉, 다시 말하면, 유체 흐름의 방향의 연속적 변화 및 이에 따른 회전자의 임의의 제1 및 제2 단면에서의 속도 성분들 간의 유체의 속도 성분 u, v, w의 변화로 인해 필수적으로 발생하며, 임의의 제1 및 제2 단면은 회전자 길이를 따라 서로 다른 거리에 있다. 그 결과, 유체역학적 반작용력과 모멘텀의 변화율이 식 [2.1] 내지 [2.3]과 같이 표현된다. 오른손 법칙에 따라, 회전자의 x, y, z 축 둘레의 비틀림 Τx, Τy, Τz는, 식 [3.1] 내지 [3.3]으로 표현한 바와 같이 작용하는 길이방향 축으로부터의 상대 거리들 x, y, z와 동유체력 성분들의 불균형 외적(out of balance cross product)에 의해 생성된다.
이러한 식들의 집합에 따르면, 나선형 피치의 감소 속도로 인해 비틀림력과 전력 출력이 증가 또는 감소된다는 것을 이해할 수 있다. 비틀림력의 감소는 나선형 피치의 더욱 느린 감소 속도에 의해 달성되고, 비틀림력의 증가는 나선형 피치의 더욱 빠른 감소 속도에 의해 달성된다.
유체역학적 반작용력이 작용하는 길이방향 축으로부터의 거리는 원뿔형 나선들의 쌍의 반경 변화만큼 연속적으로 증가 또는 감소된다. 각각의 복잡한 흐름 경로마다, 비틀림력의 개별적인 집합이 발생하고, 회전자의 길이방향 축을 중심으로 한 총 비틀림력은 회전자의 길이방향 축을 중심으로 작용하는 모든 비틀림력의 합이다.
원뿔형 나선들의 쌍의 반경이 동일한 속도로 증가하여 평행한 원뿔형 나선들의 쌍을 형성하는 경우에, 유체역학적 반작용력이 작용하는 길이방향 축으로부터의 거리가 동일하게 증가하고, 따라서, 식 [3.1] 내지 [3.3]에 의해 결정되는 바와 같이 비틀림력과 전력 출력이 확대된다. 이 경우에, 회전자의 임의의 제1 및 제2 단면에서의 단면적은 일정한 속도로 증가하고, 질량 흐름이 일정하므로, 속도 차 및 이에 따라 발생하는 유체역학적 반작용력이 일정하다. 비틀림력과 전력 출력의 확대는 원뿔형 나선들의 쌍의 반경이 증가하는 속도에만 의존한다.
원뿔형 나선들의 쌍의 반경이 더욱 빠른 속도로 또는 더욱 느린 속도로 증가하여 비평행 원뿔형 나선들의 쌍을 형성하면, 회전자의 임의의 제1 및 제2 단면에서의 단면적이 증가하는 속도를 변경하는 효과가 있다. 내측 원뿔형 나선의 반경이 외측 원뿔형 나선의 반경보다 느리게 증가하면, 임의의 단면적이 더욱 빠른 속도로 증가한다. 이는 속도 성분의 변화를 감소시키는 효과가 있으며, 질량 흐름이 일정하므로, 발생하는 유체역학적 반작용력이 작아진다. 내측 원뿔형 나선의 반경이 외측 원뿔형 나선의 반경보다 빠른 속도로 증가하면, 임의의 단면적이 더욱 느린 속도로 증가한다. 이는 속도 성분의 변화를 증가시키는 효과가 있으며, 질량 흐름이 일정하므로, 발생하는 유체역학적 반작용력이 커진다. 따라서, 회전자의 파라미터들을 조작함으로써, 추출되는 전력 출력을 조작할 수 있고, 그 전력 출력을 최적화하거나 필요시 제한할 수 있다.
또한, 원뿔형 나선들의 쌍 간의 연결은 직선으로 한정되지 않는다. 연결은 곡선으로 될 수 있고, 예를 들어, 넓은 면적에 걸쳐 동유체력을 확대하고 내부 응력을 감소시키도록 오목면을 사용하여 특정하게 성형된 회전자 블레이드의 표면적을 증가시킬 수 있다. 마찬가지로, 원뿔 곡선들의 쌍은 간략화를 위해 대략 축 방향으로 정렬되지만, 원뿔형 나선들의 표면 특성을 유익하게 변경하기 위해 약간 오정렬될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 블레이드 형상과 회전자의 다양한 파라미터들은 유속 등에 노출되는 회전자의 작동 조건의 목적에 따라 가변될 수 있다. 도 14 내지 도 16은 이러한 파라미터들의 변화가 회전자의 성능에 어떻게 영향을 끼치는지를 도시한다.
도 14는 최소 외경 do에 대한 회전자의 최대 외경 Do의 비를 가변하는 영향을 도시하는 그래프이다. 이 경우에, 원뿔형 나선들의 쌍의 반경은 평행한 원뿔형 나선들의 쌍을 형성하도록 동일한 속도로 증가된다. 직경이 증가함으로써, 유체역학적 반작용력이 작용하는 곳에서 길이방향 축으로부터의 거리가 증가하고, 이에 따라 비틀림력의 확대를 제공한다. 비틀림력의 확대는 원뿔형 나선들의 쌍의 반경이 증가하는 속도에 의존한다.
기준으로서, 도 14는, 직경의 변화가 없는, 즉, 최대 및 최소 반경의 비 [Do/do]가 1인 구성을 사용한다. 이것은, 원뿔형 나선들의 쌍의 반경이 증가하지 않는 회전자, 즉, 원뿔형 나선이 아니라 원통형 나선에 기초하는 회전자이다. 원뿔형 나선들에 의해 형성되는 블레이드들에 기초하는 본 명세서에서 설명하는 회전자들은 1보다 큰 비를 갖고, 이는 도면에 도시한 바와 같이 비틀림 승산 및 효율 증가를 제공한다.
전술한 변형예들 중 일부에 있어서, 내측 및 외측 원뿔형 나선들은 비평행 원뿔 표면들 상에 형성된다. 도 15는 비평행 원뿔형 나선들의 쌍을 형성하도록 원뿔형 나선들의 쌍의 상대적 반경을 증가 또는 감소시키는 영향을 도시하는 그래프이다. 내측 원뿔형 나선의 반경이 외측 원뿔형 나선의 반경보다 느린 증가 속도로 증가하면(즉, [Δri/L][Δro/L]<1), 회전자를 따른 제1 및 제2 길이방향 거리에서의 임의의 단면적이 더욱 빠른 속도로 증가한다. 이는 속도 성분의 변화를 감소시키는 효과가 있으며, 질량 흐름이 일정하므로, 생성되는 유체역학적 반작용력과 비틀림력이 작아진다. 내측 원뿔형 나선 반경이 외측 원뿔형 나선 반경보다 빠른 속도로 증가하면(즉, [Δri/L][Δro/L]>1), , 회전자 내의 임의의 단면적이 더욱 느린 속도로 증가한다. 이는 속도 성분의 변화를 증가시키는 효과가 있으며, 질량 흐름이 일정하므로, 생성되는 유체역학적 반작용력과 비틀림력이 커진다. [Δri/L][Δro/L]=1이 되는 것은, 평행한 원뿔형 나선들의 쌍을 형성하도록 원뿔형 나선들의 쌍의 반경이 동일한 속도로 증가하는 회전자이다.
전술한 다른 변형예들은 원뿔형 나선들의 감소되는 피치에 대하여 서로 다른 피치 변화의 사용을 포함한다. 도 16은 나선 빈도 Δf의 증가 속도 변화를 야기하는 나선형 피치의 감소 속도의 변화의 영향을 도시하는 그래프이다. 동 도에 도시한 바와 같이, 이러한 성질 변화에 따라, 비틀림력이 증가 또는 감소되고 이에 따라 전력 출력이 증가 또는 감소된다. 비틀림력의 감소는 나선형 피치의 느린 감소 속도 또는 나선 빈도의 느린 증가 속도에 의해 달성되고, 비틀림력의 증가는 나선형 피치의 빠른 감소 속도 또는 나선 빈도의 빠른 증가 속도에 의해 달성된다. 도 16에서, Δf=1로 표시된 회전자는 도 1a 내지 도 3b에 제시된 회전자에 기초한다. 비교하자면, Δf=0.05로 표시된 회전자는 도 6a와 도 6b에 제시된 회전자에 기초하는 한편 Δf=0.25로 표시된 회전자는 도 7a와 도 7b에 제시된 회전자에 기초한다.
요약하자면, 본 명세서에 설명하는 바람직한 실시예들은, 조류로부터 발전을 행하는 데 이상적인 컴팩트한 저 복잡성 2-스테이지 회전자 장치를 제공한다. 그러나, 2-스테이지 회전자 장치는, 단일, 역, 또는 순환 액체 흐름 특성을 가질 수 있는 임의의 액체 흐름 시스템에 효과적으로 적용될 수 있다. 회전자와 블레이드의 설계는 전술한 바와 같이 파라미터들의 변동을 통해 특정 적용예에 맞도록 조절될 수 있다. 파라미터들은 본 명세서에서 설명하는 값들 및 값들의 조합으로 한정되지 않는다. 대신에, 파라미터들은 소망하는 성능 특성을 달성하도록 필요시 단독으로 또는 조합하여 가변될 수 있다. 이러한 특징들은, 액체 유체 흐름에서 발견되는 상당히 가변적인 상태와 상황에서 2-스테이지 회전자 장치가 효율적으로 작동하는 것을 보장한다.

Claims (16)

  1. 양방향 유체 흐름으로부터 에너지를 추출하기 위한 회전자 장치로서,
    회전의 제1 방향으로 회전축을 중심으로 회전하도록 장착되고, 상기 회전축에 따른 방향으로 감소되는 피치를 갖는 적어도 하나의 나선형 블레이드를 구비하는 제1 회전자와,
    상기 회전의 반대 방향으로 동일한 상기 회전축을 중심으로 회전하도록 장착되고, 상기 회전축에 따른 동일한 상기 방향으로 증가되는 피치를 갖는 적어도 하나의 나선형 블레이드를 구비하는 제2 회전자를 포함하고,
    상기 제1 회전자로부터 배출되는 유체가 상기 제2 회전자로 전달되는 것을 특징으로 하는 회전자 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 회전자 장치는 조류로부터 에너지를 추출하기 위한 회전자 장치인 것을 특징으로 하는 회전자 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 회전자 및/또는 상기 제2 회전자는 대략 축 방향으로 흐르는 유체를 수용하거나 배출하도록 구성된 상기 회전자 장치의 입구 단부 또는 출구 단부에 개구부를 갖는 것을 특징으로 하는 회전자 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 회전자와 상기 제2 회전자는 축 방향 성분뿐만 아니라 방사상 성분도 갖는 흐르는 유체를 수용하거나 배출하도록 구성된 상기 제1 회전자와 상기 제2 회전자의 대향 단부들에서 개구부들을 갖는 것을 특징으로 하는 회전자 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 회전자와 상기 제2 회전자는 동일한 직경의 대향 단부들을 갖는 것을 특징으로 하는 회전자 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 회전자 및/또는 상기 제2 회전자는 내측 원뿔형 나선과 외측 원뿔형 나선 사이에서 연장되는 표면에 의해 형성되는 블레이드 또는 블레이드들을 갖고, 상기 내측 원뿔형 나선과 외측 원뿔형 나선의 각각은 해당 나선의 반경이 증가함에 따라 감소되는 피치를 갖는 것을 특징으로 하는 회전자 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 회전자와 상기 제2 회전자는 서로 대향하는 큰 직경의 단부들을 갖고, 동일한 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 회전자 장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 제1 회전자와 상기 제2 회전자는 블레이드 또는 유사한 원뿔형 나선들에 의해 형성되는 동일한 형상의 블레이드들을 갖는 것을 특징으로 하는 회전자 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 회전자와 상기 제2 회전자를 위한 하우징을 포함하고, 상기 하우징은 상기 회전축을 중심으로 회전하도록 상기 제1 회전자와 상기 제2 회전자를 지지하는 것을 특징으로 하는 회전자 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 회전자의 하우징은 입구 섹션과 출구 섹션을 갖고, 상기 회전자의 하우징의 입구 형상은 상기 액체 흐름이 회전자 입구에 들어올 때 상기 액체 흐름의 선형 속도를 증가시키도록 설계되고, 상기 회전자의 하우징의 출구는 상기 액체 흐름을 제어 방식으로 느리게 하도록 설계된 것을 특징으로 하는 회전자 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 회전자 장치를 포함하는 발전기.
  12. 유체 흐름으로부터 회전 운동 에너지를 생성하도록 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 회전자 장치 또는 발전기를 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 조류로부터 에너지를 생성하도록 2-스테이지 회전자 장치를 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 2-스테이지 회전자 장치를 제조하는 방법으로서,
    회전축을 중심으로 회전하도록 제1 회전자 - 상기 제1 회전자는 상기 회전축에 따른 방향으로 감소되는 피치를 갖는 적어도 하나의 나선형 블레이드를 구비함 - 를 장착하는 단계와,
    상기 회전의 반대 방향으로 동일한 상기 회전축을 중심으로 회전하도록 제2 회전자 - 상기 제2 회전자는 상기 회전축에 따른 동일한 상기 방향으로 증가되는 피치를 갖는 적어도 하나의 나선형 블레이드를 구비함 - 를 장착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2-스테이지 회전자 장치의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 회전자 장치의 특징부들을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2-스테이지 회전자 장치의 제조 방법.
  16. 도 1a 내지 도 3b, 도 4a와 도 4b, 도 5a와 도 5b, 도 6a와 도 6b, 도 7a와 도 7b, 도 8a 내지 도 9b, 도 10, 도 11, 또는 도 12를 참조하여 대략 전술한 바와 같은 것을 특징으로 하는 회전자 장치.
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