KR20140043699A - 자율형 스테이지들을 구비한 횡류 해양 터빈 - Google Patents

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KR20140043699A
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토마스 자퀴어
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Abstract

본 발명은 횡류 터빈 및 발전기를 각각 포함하는 스테이지들이 적층되어 구성된 터빈 엔진에 관한 것으로서, 각각의 터빈-발전기 스테이지는 독립적인 샤프트를 구비하고, 각각의 스테이지는 흐름에 대하여 방향을 맞추는 독립적인 페어링(31-32)과 결합하고, 각각의 페어링은 대칭적인 프로파일 날개들을 구비한 시라우드 형태이다.

Description

자율형 스테이지들을 구비한 횡류 해양 터빈{TRANSVERSE FLOW MARINE TURBINE WITH AUTONOMOUS STAGES}
본 발명은 터빈들이 적층되어 있는 적어도 하나의 칼럼으로 형성된 횡류 수력 터빈 엔진(hydraulic turbine engine)에 관한 것이다.
본 출원인은 횡류 수력 터빈 엔진에 대해 다수의 특허 출원을 하였으며, 이 출원들 중에는 이하에 설명하는 것이 있다.
- 각각의 터빈이 V자형-날개 형태의 블레이드로 이루어진, 터빈들의 칼럼을 포함하는 횡류 수력 터빈 엔진에 대하여 2004년 2월 4일에 출원한 프랑스 특허출원 제04/50209호(B6412);
- 터빈 칼럼을 보강하고 터빈 칼럼의 변형을 회피하기 위한 유지 구조물에 대하여 2005년 2월 14일에 출원한 프랑스 특허출원 제05/50420호(B6869); 및
- 반대 방향으로 회전하는 2개의 트윈 칼럼(twin column)의 조립체로 형성된 터빈 엔진에 대하여 2008년 10월 23일에 출원한 국제특허출원 PCT/FR2008/051917호(B8450)이다.
명세서에서 공지된 것으로 간주되는 이 특허 문헌들은 공통 샤프트에 견고하게 부착된 터빈들이 적층된 적어도 하나의 칼럼으로 형성된 터빈 엔진들을 개시하고 있다. 공통 샤프트는 각각의 칼럼과 결합된 단일 발전기에 회전력을 전달한다.
프랑스 특허출원 제05/50420호 및 국제특허출원 PCT/FR2008/051917호는 터빈을 향하여 입사하는 흐름을 집중시켜 효율을 증가시키기 위한 2개의 중공 프로파일 벽 또는 날개로 형성된 페어링을 사용하는 것을 제시한다. 개시된 모든 경우에서, 페어링은 원피스(one-pice), 즉 단일 페어링이 칼럼 또는 한 쌍의 칼럼들의 모든 터빈들과 결합한다. 공지된 바와 같이, 벽들이 날개 형상인 경우에 터빈과 페어링의 이러한 결합은 페어링이 흐름에 마주하여 대칭으로 유지될 때 각각의 날개의 현이 터빈 직경의 3배에 해당하는 길이를 갖는다면 효율을 실질적으로 2배 증가시킬 수 있다.
해류 또는 강물 흐름의 강도(intensity)는 항상 바뀔 수 있다. 이제, 터빈에 도달하는 유동 속도에 따른 구동 블레이드들의 회전 속도로 인해 터빈에 의해 전달되는 최대 파워가 얻어진다. 따라서, 칼럼의 각각의 터빈들의 회전 속도와 동일한 구동 샤프트의 회전 속도를 시간에 따라 제어하기 위한 속도 가변 시스템이 제공되었다. 칼럼에 도달하는 해류 또는 강물 흐름의 상류 속도의 측정이나 칼럼에 의해 제공되는 파워의 분석으로부터 속도 가변 시스템이 형성될 수 있다.
가변적인 강도 이외에, 흐름은 방향과 관련하여 시간에 따라 변할 수 있다. 이러한 변화들은 주기적으로 바뀌는 조류, 즉 단일 방향의 조류뿐만 아니라 대략 10미터를 초과하는 깊이에서 코리올리 힘(Coriolis force)의 영향 하에서 회전하는 조류에서 관측된다. 프랑스 특허출원 제05/50420호 및 국제특허출원 PCT/FR2008/051917호에서, 모터 지원 또는 베인 형태의 테일 유닛을 사용하는 것에 의한 자동 회전으로 조류의 방향에 따라 언제라도 전체적으로 이러한 터빈 엔진의 방향을 맞추기 위한 여러 가지 수단들이 제공되었다. 각각의 중공 프로파일 벽에 가해지며 각각의 스러스트 중심을 가로지르는 2개의 합성력들의 상류에 터빈 엔진의 회전축을 배치함으로써 자동 회전이 또한 보장될 수 있다.
대류를 제외하고, 바다 또는 강 바닥까지 걸쳐서 흐름의 전체 높이가 터빈 칼럼에 의해서 이용될 수 있다. 따라서 터빈 칼럼은 하부에서 불가피하게 나타나는 강도 변화를 받게 된다. 프랑스 특허출원 제05/50420호에서, 깊이에 따른 흐름 강도 변화와 관련하여 각각의 터빈의 허브와 관련 구동 샤프트 부분 사이에 구동 블레이드들의 회전 속도를 제어할 수 있는 기어 박스 또는 다른 시스템을 배열하는 것이 제시되었다. 각각의 터빈 높이에 이러한 시스템을 배열하는 것은 흐름의 소정 방향에 대한 최대 파워를 제공하도록 칼럼의 각 터빈을 작동할 수 있게 한다. 그러나, 강도 변화 이외에도 대규모 유동 시스템이 조류에 영향을 줄 수 있는 바람을 발생시키는 경우, 깊이 및 바다에서의 ?향과 관련하여 흐름이 변할 수 있다. 이제, 개시된 시스템에서 페어링들이 전체 칼럼과 결합된 블록을 형성하며 따라서 각각의 터빈을 위해 페어링 방향을 최적으로 적합하게 하는 것은 불가능하다. 결국, 이 시스템은 터빈의 블록화가 칼럼의 블록화를 초래하기 때문에, 구조상으로 그리고 작동에 있어서도 모듈 방식이 아니다.
풍력 터빈 분야에서 독일특허출원 제DE-A-10065548호는 각각의 스테이지가 터빈 및 다른 스테이지들과 무관한 샤프트에 조립된 발전기를 포함하는 단일 칼럼(single-column) 터빈 엔진을 제시하고 있다. 각각의 터빈의 블레이드 회전 속도를 제어할 수 있는 시스템의 설치는, 2개의 연속적인 스테이지들이 반대 방향으로 회전할 수 있기 때문에 효율 및 조립체의 유지와 관련하여 최적으로 각각의 터빈을 작동할 수 있다. 이 특허 출원은 풍력 터빈에 관한 것이며 페이링이 구비되지 않는다는 것은 분명하다.
이들 모든 터빈 엔진들은 하나 또는 여러 가지 다른 단점들을 갖고 있으며 최적 효율을 제공하지 못한다.
본 발명의 목적은 효율을 최적화시키기 위하여 여러 가지 종래의 구조물의 이론적으로 양립할 수 없는 장점들을 내포한 횡류 터빈 엔진을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 형성, 유지, 조립 및 분해하는 것이 특히 간단한 터빈 엔진을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 터빈의 블록화가 모든 칼럼을 블록화하는 것이 아닌 터빈 엔진을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 각각의 터빈이 터빈 높이에서 흐름 속도의 효과적인 강도에 항상 최적으로 조정된 속도로 회전할 수 있는 터빈 엔진을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 각각의 터빈이 터빈 높이에서 흐름의 유효 방향에 항상 최적으로 조정된 속도로 회전할 수 있는 터빈 엔진을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 발전기의 선택에 전혀 영향을 주지 않는, 높이 모듈방식 즉 다수의 적층된(stacked) 터빈 스테이지들을 구비하고, 따라서 모듈방식 제조를 허용하는 터빈 엔진을 제공하는 것이다.
이러한 목적 및 다른 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예는 횡류 터빈 및 발전기를 각각 포함하는 스테이지들이 적층되어 구성된 터빈 엔진을 제공하며, 각각의 터빈-발전기 스테이지는 독립적인 샤프트를 구비하고, 각각의 스테이지는 흐름에 대하여 방향을 맞추는 독립적인 페어링과 결합하고, 각각의 페어링은 대칭적인 프로파일 날개들을 구비한 시라우드 형태(shroud type)이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 스테이지들의 발전기들은 정류기를 통하여 서로 연결된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 각각의 정류기의 출력(output)은 연관된 발전기의 회전 속도를 제어하거나 차단하기 위한 독립적인 충전 수단에 연결된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 2개의 인접한 스테이지들은 터빈들이 반대 방향으로 회전하도록 설계된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 각각의 스테이지는 스테이지들의 상호간의 방향을 설정하는 제어 수단에 의해 이웃한 스테이지들과 결합한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 각각의 터빈-발전기-페어링 스테이지는 설치 현장(in situe)에서 다른 모듈에 적층할 수 있는 독립적인 모듈을 형성한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 각각의 모듈은 상부 플레이트 및 하부 플레이트와 결합되는 시라우드 형태인 페어링의 2개의 벽을 포함하는 프레임; 하부 플레이트에 부착되며 발전기를 수용하는 제1 하우징; 하우징 아래의 하부 플레이트에 대하여 회전 가능하게 조립된 제3 플레이트를 포함하며, 제3 플레이트는 하부 모듈에 대한 부착 수단을 구비한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 부착 수단은 하부 모듈 내로 삽입할 수 있는 핀들을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 각각의 스테이지는 한 쌍의 반대 회전하는 터빈들을 포함하며, 각각의 터빈은 하우징에 수용된 발전기와 결합하고, 각각의 터빈은 적어도 트레일링 에지(trailing edge)까지 하류로 연장된 대칭 프로파일에 의해서 다른 터빈과 분리되고, 각각의 스테이지는 프로파일로부터 페어링들까지 연장된 하부 플레이트 및 상부 플레이트에 의해서 이웃한 스테이지들과 분리된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 각각의 터빈의 블레이드들은 V자형-날개 형태이다.
도 1a는 단일 칼럼 터빈 엔진의 일례의 사시도이다.
도 1b는 도 1a의 터빈 엔진의 스테이지의 사시도이다.
도 1c는 단일 칼럼 터빈 엔진의 스테이지의 축선 방향 단면도이다.
도 2a는 단일 칼럼 터빈 엔진의 일례의 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 터빈의 단면으로 도시된 개략적인 평면도이다.
도 2c는 도 2a의 터빈 엔진의 스테이지의 실시예의 단면도이다.
도 2d는 도 2a의 터빈 엔진의 스테이지의 다른 실시예의 단면도이다.
도 3a는 트윈 칼럼 터빈 엔진의 일례의 사시도이다.
도 3b는 도 3a의 터빈 엔진의 스테이지의 사시도이다.
도 4는 트윈 칼럼 터빈 엔진의 일례의 사시도이다.
본 발명의 전술한 목적 및 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부한 도면들과 관련한 하기의 비제한적인 특정 실시예에서 더욱 상세히 논의될 것이다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 단일 칼럼 횡류 수력 터빈 엔진, 이러한 수력 터빈 엔진의 스테이지의 사시도 및 이러한 수력 터빈 엔진의 스테이지의 부분 단면도를 개략적으로 도시한 도면들이다. 이 도면들은 특히 터빈 엔진을 부착 또는 연결하기 위한 수단을 도시하고 있지 않다는 점에서 간략화되어 있다. 터빈 엔진(1)은 스테이지(3)들의 조립체로 형성되며, 각각의 스테이지는 횡류 터빈(5) 및 발전기(7)를 포함한다. 각각의 기본적인 터빈은 예를 들어 프랑스 특허 출원 제04/50209호(B6412)에 설명된 종류의 것이며 기둥(11)에 의해 연결된 상부 플랜지(9)와 하부 플랜지(10) 사이에 회전 가능하게 조립된 샤프트(8)에 견고하게 부착된다. 다양한 터빈-발전기 스테이지들의 샤프트들은 서로 독립적이다. 각각의 샤프트(8)가 발전기(7)의 회전자(12)를 구동시키고, 고정자(13) 안에서 회전하는 회전자가 도체(14)를 통하여 전력 공급을 제공한다.
다양한 발전기들의 도체(14)들은 터빈 엔진의 터빈들이 회전될 때 전력 공급을 제공할 수 있는 다른 연결 수단에 의해서 또는 직접 병렬로 상호 연결된다. 토크 및/또는 회전 속도와 관련하여 발전기들을 각각 독립하여 특별히 제어할 수 있도록 각각의 발전기의 출력에 정류기를 결합하여 제공될 수 있다. 그 다음에 다른 정류기들이 직류 버스(D.C. bus)에 병렬로 연결된다. 네트워크에 연결을 위하여, 단일 인버터가 필요하며 직류 버스 다음에 배치된다.
게다가, 해류나 강물이 칼럼에 작용할 때 바람직하게는 동일한 칼럼의 인접한 터빈들이 반대 방향으로 회전하도록 설계된다. 예를 들어, 도 1a의 실시예에서 블레이드(21, 23)들을 포함하는 터빈은 제1 방향으로 회전하고 블레이드(22, 24)들을 포함하는 터빈은 반대 방향으로 회전하도록 인접한 터빈들의 블레이드(21, 22, 23, 24)들은 상이하게 배향된다. 결과적으로, 칼럼이 수력학적 흐름의 작용을 받을 때 흐름 방향으로 굽는 항력을 받게 된다. 칼럼의 인접한 2개의 터빈들이 반대 방향으로 회전함으로써, 흐름 방향과 직교하는 양력은 서로 상쇄되거나 적어도 상당히 감소된다. 각각의 터빈의 양력과 관련한 모멘트들의 총합으로부터 야기되는 횡하중 침하 모멘트가 또한 감소된다.
도 2a 및 도 2b는 단일 칼럼 횡류 터빈 엔진의 예에 대한 사시도 및 터빈과 관련 페어링의 개략적인 평면도이다.
터빈 엔진은 도 1a 내지 도 1c와 동일한 요소들을 포함하고 있으며, 이들 요소들은 다시 설명하지 않는다. 게다가, 각각의 스테이지들은 터빈, 발전기 및 프레임을 포함하는 내장형 모듈을 형성한다. 이 프레임은 2개의 수직 또는 대칭 형상의 벽(또는 날개)(31, 32)들로 형성된 페어링, 상부 플레이트(41) 및 도 2a에 도시되지 않은 하부 플레이트를 포함한다. 하부 페어링 요소(33)는 발전기를 보호한다. 보호 요소(34)들은 터빈을 작동시키는 흐름에 의해 구동되는 몸체들과 터빈 블레이드들 사이에 충격을 회피하도록 의도된 것이다. 하부 스테이지가 수직 축선 주위로 자유롭게 회전하도록 터빈 엔진은 기초 구조물 상에 도시되지 않은 방식으로 조립된다.
도 2b의 평면도는 터빈의 3개의 블레이드(21A, 21B, 21C) 및 관련 페어링의 2개의 프로파일 날개(31, 32)들을 개략적으로 도시한다. 방향 A는 모듈의 대칭축에 해당하며 화살표 C는 흐름 방향을 나타낸다. 각각의 날개(31, 32)는 대칭축에 대해 각도 β로 정의된 경사를 갖는 현을 구비한다. 각도 β는 임계 입사각 αC에 가까운 입사값(분리)과 그 값의 1/3의 경사각 사이, 즉 실질적으로 10°와 25°사이의 범위이다. 여기에서 분리는 시라우드(shroud)에 터빈이 존재하는 것으로 간주되며 격리된 프로파일 또는 반대 프로파일의 쌍을 위한 분리와 다를 수 있다. 도시된 바와 같이, 각각의 스테이지에서 독립적인 이러한 페어링의 결합은 시스템 작동을 최적화하는 가능성을 부여한다.
따라서, 흐름 방향과 시스템의 대칭축 사이의 각도를 β-kβ라고 하고, 만약 터빈이 화살표 R로 표시된 방향으로 회전하면, 흐름에 따라 올라가는 날개의 현과 흐름의 방향 C 사이의 각도 αr은 kβ와 같고 흐름에 따라 내려가는 날개의 현과 흐름의 방향 C 사이의 각도 αd는 (2-k)β와 같다. 페어링의 최적 방향은 흐름에 대항하는 블레이트 동작에 해당하는 프로파일 벽이 β보다 작은 입사각 αr를 갖는 것이다(β의 kβ 부분에 대응하고, 값 k는 선택된 프로파일, 흐름의 입사 속도 및 장치의 회전 속도에 의존한다). 이러한 배향에서, 만약 αr=β이면 각각의 블레이드는 흐름에 대항하여 이동할 때보다 낮은 과속(또는 만약 k < 0 이면 입사 속도에 비해 감속)에 직면한다. 한편, 블레이드들의 하강 동작에 상응하는 프로파일 벽은 β보다 크지만 αC보다 작은 입사각 αd=(2-k)β를 가져야만 한다. 하강 동작 중에 과속은 따라서 αd=β인 경우보다 크다. 종래 기술에서 일정하지 않은 방향들을 갖는 유동에서 요동하는 원피스 페어링을 포함하는 타워(스테이지의 칼럼)의 경우에는 만약 입사각 αr이 β보다 5 내지 10도 만큼 크면 심한 효율 저하(50%에 이를 수 있음)를 나타낼 것이다.
독립적인 모듈의 페어링의 자연적인(수동적인) 방향은 대칭 상황에 가까우며, 흐름 속도에 대한 블레이드 선단의 속도의 비율인 진행비(advance ratio)의 일반적인 값(2와 5 사이)들을 위한 αr # αd < β 흐름과 마주한다. 이러한 자연적인 방향은 20% 이내보다 더욱 양호한 최적 방향에 상응하는 효율에 가까운 효율을 제공한다. 따라서 자유롭게 회전하는 독립적인 스테이지들의 장점을 보여주는 터빈의 최적 효율이 달성된다. 이 경우에 결국 β가 αC에 가까워지므로 유리하고, 시라우드가 개방될수록 그 안에 유체의 가속이 더욱 커지고 표본 파워가 더욱 높아진다.
서로에 대해 자유롭게 회전하는 스테이지들을 제공하는 대신에 본 발명의 변경예에 따르면, 2개의 스테이지들 사이에 각도 시프트를 부과하거나 조정할 수 있는 모터 구동식 시스템에 의해 각 스테이지를 인접한 스테이지에 결합하는 것이 제공될 수 있다. 따라서, 수동적인 방향(passive orientatoin) 상태는 항상 각 스테이지에 대한 최적 방향과 부합하는 강제적인 배향에 의해서 유리하게 변경될 수 있다. 그 후에 이러한 제어는 터빈 회전 속도의 제어와 조합된다.
터빈-발전기-페어링 스테이지의 사용은 특히 유리하고 효율 이득 이외에 이하에 설명하는 것을 포함하는 다수의 장점을 제공한다.
- 커다란 날개가 구조물의 응력을 견디어야 하는 종래 시스템에 비하여 각각의 페어링 날개가 경량화될 수 있다.
- 조류의 변화에서 항상 유지 구조물에 대한 응력을 원활하게 할 수 있고, 스테이지들은 서로에 대해 소정의 각도 시프트로 회전하여 재위치 결정 충격을 방지한다. 적층된 프레임들의 결합에 의해 형성된 칼럼을 유지하기 위한 구조물이 경량화될 수 있다. 게다가, 소정 방향에서만 굽힘 응력에 대항하고 이 방향과 직교하는 추가적인 가변 응력을 갖지 않는다.
- 동일한 칼럼의 인접한 터빈들은 해류나 강물이 칼럼에 작용할 때 반대 방향으로 회전하도록 설계될 수 있다. 칼럼의 인접한 2개의 터빈들이 반대로 회전하므로, 결합된 프레임들에 가해지는 흐름 방향에 직교하는 양력들은 서로 상쇄되거나 적어도 상당히 감소한다.
도 2c는 도 2a의 구조물에서 사용가능한 터빈-발전기-프레임 스테이지의 예를 도시한 단면도이다. 이 구조물은 도 2a의 단면도와 정확히 대응하지 않지만, 당업자에게 분명하게 일어날 수 있는 변형예들을 도시한다.
페어링의 2개의 날개(31, 32)들은 상부 플레이트(41)에 의해 연결된다. 플레이트는 이웃한 스테이지에 조립체의 스크류(44)들을 수용하도록 의도된 개구(42, 43)를 포함한다. 2개의 날개들은 또한 하부 플레이트(45)에 의해서 연결된다. 터빈(5)의 샤프트(8)는 상부 플레이트(41) 및 하부 플레이트(45)에 각각 견고하게 부착된 베어링(47, 48)에 선회가능하게 조립된다. 샤프트(8)는 터빈과 반대쪽 플레이트(45)의 측면에 배열된 발전기의 회전자(50)에 연결된다. 발전기의 회전자(52)는 예를 들어 하우징(53)을 통해서 플레이트(45)에 부착된다. 제2 플레이트(60)는 플레이트(45)의 평면과 평행한 평면에 자유롭게 회전하도록 조립된다. 플레이트(60)와 플레이트(45) 간의 관절부는 예를 들어 플레이트(45)의 저부와 하우징(53)의 측벽에 각각 조립된 2개의 원형 베어링(62, 63)으로 형성된다.
물론, 많은 대체 실시예들이 가능하며, 중요한 점은 스테이지의 페어링과 아래에 놓인 스테이지 간에 회전 자유도를 갖는 것이다.
도 2d는 도 2a에 도시된 구조물에서 사용될 수 있는 터빈-발전기-페어링 스테이지의 다른 예를 도시한 단면도이다. 도 2c의 구조물은 침지하기 전에 조립하도록 의도된 것(스크류 또는 볼트(44)들이 있기 때문에)인 반면에, 도 2c의 구조물은 단계적으로 설치 현장에서 조립하도록 의도된 것이다. 도 2d는 같은 도면 부호로 표시된 도 2c에서와 동일한 요소들을 보여준다. 조립 모드가 중요한 것이므로, 개구(42, 43) 및 조립 스크류(44)들은 개구(71, 72)와 핀(73, 74)들로 대체된다. 따라서, 구조물은 단계적으로 설치 현장에서 조립될 수 있다.
도 2c 및 도 2d의 실시예의 장점들 중에서, 2개의 인접한 스테이지들을 분리하는 플레이트들이 있다는 것을 유의해야 한다. 이것은 스테이지의 요소들의 회전에 의해 생성된 난류가 인접한 스테이지로 전파하는 것을 방지한다.
도 3a 및 도 3b는 트윈 칼럼을 구비한 터빈 엔진과 이러한 터빈 엔진의 스테이지를 도시한 사시도들이다. 이러한 구조물의 설계 및 다른 변경의 형성을 위해, 전술한 국제특허출원 PCT/FR2008/051917을 참조할 수 있다. 도시된 예에서, 페어링의 다양한 요소들은 서로에 대해 고정되고 조립체는 예를 들어 고정 기부에 회전 가능하게 조립된 파일(pile)(80) 주위로 회전 이동할 수 있다.
이 실시예에서, 칼럼의 요소들은 전체 구조물에 대한 양력을 억제하기 위하여 인접한 칼럼들의 요소들의 회전 방향과 반대의 방향으로 회전한다. 각각의 스테이지는 한 쌍의 발전기(43, 44)와 관련된 한 쌍의 터빈(41, 42)을 포함한다.
도 4는 도 3a의 구조물의 유리한 변경을 형성하는, 트윈 칼럼들을 구비한 다수의 터빈-발전기-페어링 스테이지들을 갖는 터빈 엔진을 도시한다. 각각의 스테이지들의 페어링은 다른 스테이지들의 페이링과 독립적이다. 각각의 스테이지는 중간 벽의 높이에서 모든 스테이지들을 가로지르며 기초부에 부착된 파일(도시 생략)에 의해 상부 스테이지와 관절 연결된다. 파일은 반경 방향 변위 및 축선 방향 변위를 차단한다. 회전의 자유도는 파일 주위의 스러스트 베어링에 의해서 스테이지들 간에 제공된다.
도 4는 흐름의 방향이 구조물의 저부와 상부 사이에서 변하는 일례를 도시한다. 흐름은 규칙적으로 변하는 것으로 가정하였다. 따라서, 각각의 스테이지들은 이전의 스테이지에 대하여 동일한 방향으로 각도 시프트된다. 단일 칼럼 터빈 엔진과 다른, 다수의 트윈 칼럼 터빈-발전기-페어링 스테이지를 구비한 터빈 엔진의 경우,
- 페어링의 자연적인(수동적인) 방향은 "흐름을 마주하는" 정확히 대칭적인 상태이며,
- 페어링의 최적 방향은 정확히 페어링의 자연적인 방향이다.
터빈, 발전기 및 페어링을 포함하는 각각의 스테이지들이 설명되었으며, 이 스테이지들은 다양한 방식으로 적층 및 조립될 수 있다. 터빈, 발전기 및 페어링의 특별한 실시예들이 설명되었다. 이러한 요소들을 각각 형성하는 것은 많은 변경이 있을 수 있고, 그러한 예들은 제한하는 것은 아니지만 특히 본원 출원인의 이전의 특허 출원들에서 찾아볼 수 있다는 것을 당업자는 이해할 것이다.
전술한 터빈-발전기-페어링 스테이지 적층 구조물은 이하에 설명하는 것과 같은 특징 및 장점을 조합한다.
1. 조립/분해의 용이함: 각각의 터빈 스테이지는 다른 스테이지에 결합함으로써 쉽게 적층될 수 있다. 게다가, 명세서에서 설명한 터빈-발전기-페어링 스테이지들은 분해 및 운반하기 용이한 터빈 엔진을 형성할 수 있고, 각각의 스테이지는 실제 실시에서 2 내지 5톤 범위의 무게를 초과하지 않는 상응하는 무게를 갖는다.
2. 최적 효율을 얻기 위하여 해당 스테이지(스테이지마다 하나의 제어 시스템)에서 입사 속도의 값에 따른 회전 속도의 구동 및 전기 변환(터빈마다 하나의 발전기) 모두의 관점에서 전기적인 자율성. 이러한 독립성은 속도의 강도에 대한 고도의 불균일함을 반영할 수 있도록 한다. 이러한 자율성의 결과로서, 예를 들어 전기적인 과충전에 의해 터빈이 멈추어야 하는 일이 발생하는 경우에 필요하다면 인접한 또는 이웃한 터빈의 발전기를 감속시킬 수 있다. 결국 발전기를 변경하지 않고 설치 장치에 따라 스테이지들의 수를 적절하게 할 수 있다.
3. 기계적인 자율성: 터빈이 차단되는 경우에 앞서 기준 2에서 설명한 안전 조치를 취할 수 있으므로 동일한 칼럼의 다른 터빈들이 작동 상태를 유지한다.
4. 유체 역학적인 작동 독립성: 이웃한 스테이지들을 분리하는 플레이트들로 인하여 각각의 스테이지의 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 2개의 적층된 터빈들 간에, 터빈과 터빈의 샤프트 간에, 발전기와 터빈 간에 상호 영향이 전혀 없다.
5. 단일 칼럼 장치의 경우에, 칼럼의 스테이지들 간에 회전 방향의 역전으로 인해, 일어날 수 있는 공명 현상 및 양력에 의해 유도되는 진동에 대한 스테이지 조립체의 동력학적 안정성.
6. 흐름 방향으로 칼럼을 구부리거나 흐름을 따라 터빈 엔진을 드래그시키는 항력에 대한 스테이지 조립체의 정력학적 안정성. 이러한 힘에 의해서 유도되는 침하 모멘트들은 양력에 의한 것보다 훨씬 크고, 앞서 설명한 기준 1, 3 및 이하에 설명하는 기준 7이 도입되는 것이 바람직한 경우 침하 모멘트는 균형을 이루기 어려울 수 있다.
7. 스테이지 방향의 최적화: 시라우드들이 흐름 방향에 대해 각각의 스테이지의 최적 방향을 야기한다면, 시라우드를 사용함으로써 중요한 성능 이득(적어도 두 배)이 달성된다.
본원 발명자들에 의한 종래 특허문헌에 설명된 다양한 변경을 적합하게 구성할 수 있는 당업자에게 일어날 수 있는 여러 가지 개량 및 변경이 본 발명에서 있을 수 있다.
터빈 엔진의 2개의 인접한 터빈들이 반대 방향으로 회전하는 경우가 설명되었다. 반대 방향으로 회전하는 터빈들의 다른 그룹들이 또한 제공될 수 있다.
최종적으로, 본 발명은 액체 흐름에서 작동하는 터빈 엔진(수력 터빈 엔진)의 경우로 설명되었다. 본 발명은 기체 흐름에서 작동하는 터빈 엔진(풍력 터빈 엔진)으로 구성될 수 있다.

Claims (10)

  1. 횡류 터빈(5) 및 발전기(7)를 각각 포함하는 스테이지(3)들이 적층되어 구성된 터빈 엔진에 있어서, 각각의 터빈-발전기 스테이지는 독립적인 샤프트(8)를 구비하고, 각각의 스테이지는 흐름에 대하여 방향을 맞추는 독립적인 페어링(31-32)과 결합하고, 각각의 페어링은 대칭적인 프로파일 날개들을 구비한 시라우드 형태인 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    스테이지들의 발전기들은 정류기를 통하여 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  3. 제2항에 있어서,
    각각의 정류기의 출력은 연관된 발전기의 회전 속도를 제어하거나 차단하기 위한 독립적인 충전 수단에 연결되는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 인접한 스테이지들은 터빈들이 반대 방향으로 회전하도록 설계된 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 스테이지는 스테이지들의 상호간의 방향을 설정하는 제어 수단에 의해 이웃한 스테이지들과 결합하는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 터빈-발전기-페어링 스테이지는 설치 현장에서 다른 모듈에 적층할 수 있는 독립적인 모듈을 형성하는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 모듈은
    상부 플레이트(41) 및 하부 플레이트(45)와 결합되는 시라우드 형태인 페어링(31, 32)의 2개의 벽을 포함하는 프레임,
    하부 플레이트에 부착되며 발전기를 수용하는 제1 하우징(53), 및
    하우징 아래의 하부 플레이트에 대하여 회전 가능하게 조립된 제3 플레이트(60)를 포함하며, 제3 플레이트는 하부 모듈에 대한 부착 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  8. 제7항에 있어서,
    부착 수단은 하부 모듈 내로 삽입할 수 있는 핀(65, 66)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 스테이지는 한 쌍의 반대 회전하는 터빈들을 포함하며, 각각의 터빈은 하우징에 수용된 발전기와 결합하고, 각각의 터빈은 적어도 트레일링 에지까지 하류로 연장된 대칭 프로파일에 의해서 다른 터빈과 분리되고, 각각의 스테이지는 프로파일로부터 페어링들까지 연장된 하부 플레이트 및 상부 플레이트에 의해서 이웃한 스테이지들과 분리된 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 터빈의 블레이드들은 V자형-날개 형태(21-24)인 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
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