KR20140067543A - 유체에서 동력을 얻는 날개의 구조 - Google Patents

유체에서 동력을 얻는 날개의 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바람 또는 물 등 유체가 흐를 때 생기는 운동에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 장치, 즉 풍차 또는 수차의 날개 구조 및 모양에 관한 것이다.
종래 기술의 풍차의 경우 대부분이 바람의 속도, 즉 양력을 이용하여 풍차를 회전시키는 방식이다. 따라서 약 5m/s 이상의 풍속에서 발전이 가능하나 우리나라의 경우 이 이상의 풍속일 확율이 매우 낮다. 또한 바람의 방향에 따라 풍차의 방향 또한 맞추어 주어야 하며, 회전시 큰 소음을 발생하여 주거지역에서 일정 거리를 유지해야 한다. 물의 힘을 이용하는 수력발전의 경우, 종래의 기술의 대부분인 물의 낙차를 이용한 발전은 물을 가둘 수 있는 댐 건설에 천문학적인 건설 비용이 소요되며, 그 외에도 환경파괴, 지역 주민들과의 갈등, 나아가 국제적인 분쟁으로까지 번지는 많은 문제점을 안고 있다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에 따른 유체에서 동력을 얻는 날개의 구조는 회전체(20)를 고정하는 기둥(10)과 장치에 동력을 전달하는 회전체(20)와 날개를 지지하는 샤프트(30)와 풍압을 받는 제1날개(40)와 제2날개(50)로 구성되며, 제1날개와 제2날개는 2개의 주면(51)과 제1경사면(52)과 제2경사면(53), 제3경사면(54)으로 구성되어, 2개의 주면(51)을 나란히 마주보게 두고 동일한 하나의 가장자리 끝선은 주면끼리 서로 접합되며, 나머지 가장자리 끝선은 제1경사면(52)과 제2경사면(53), 제3경사면(54)의 가장자리 끝선에 각각 연결된다. 제1경사면(51)과 제2경사면(52)은 두개의 주면(51)중 동일한 한개의 주면(51)의 중심 방향으로 경사를 주고 사프트(30)와 직각방향으로 연결되어 도5에 예시된 바와 같이 상기 제1날개와 제2날개의 단면 형상이 사다리꼴 모양을 하게 되며, 제3경사면(54)은 제1경사면과 제2경사면의 경사를 준 반대 방향으로 경사를 주어 다른 한 주면(51)과 샤프트(30)와 평행하게 연결된다.
제1날개(40) 및 제2날개(50)와 샤프트(30)는 연동되어 움질일 수 있게 고정되며 샤프트(30)의 한쪽 끝에서 바라보았을 때, 제1날개(40)와 제2날개(50)는 70도에서 110도의 각을 이루는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 유체에서 동력을 얻는 날개의 구조는 제1날개(40)와 제2날개(50)의 주면(51)의 면적이 샤프트를 기준으로 한쪽은 좁게 다른 한쪽은 넓게 하여 샤프트(30)에 제1날개(40)와 제2날개(50)를 고정하되, 샤프트(30)를 중심으로 좁은 쪽에 무게 중심을 주어 주면(51)의 면적이 샤프트(30)를 기준으로 중력방향과 반대인 쪽을 넓게 하고 중력 방향과 같은 쪽을 좁게 하여 샤프트(30)에 날개를 고정하는 것을 특징으로 한다.

Description

유체에서 동력을 얻는 날개의 구조 {The structure of the blade to get energy from the flowing fluid}
본 발명은 바람 또는 물 등 유체가 흐를 때 생기는 운동에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 장치, 즉 풍차 또는 수차의 날개 구조 및 모양에 관한 것이다.
본 발명은 지구상에 유체(흐르는 물 또는 바람)를 이용한 발전장치중 날개에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유체의 유속은 물론 유압을 이용함으로써 저속의 바람 또는 유속에서도 동력을 얻어 쓸 수 있는 날개의 구조에 관한 것이다.
일반적으로 풍차 또는 수차는 지구상에 무제한으로 발생 소멸하는 바람 또는 유속의 힘을 이용하여 필요한 동력을 발생시키는 장치로서, 2개 이상의 날개를 구비하고 있다.
일반적인 풍차의 경우, 바람의 속도에서 날개에 작용하는 양력으로 날개가 회전하는 힘을 얻게 된다. 날개는 약한 풍속에서도 양력을 발생시켜야 하며 강한 풍속에 파손되지 않아야 함과 동시에 발전기를 보호하기 위하여 너무 빠른 속도로 회전하지 않도록 하는 제동장치가 필요하다.
일반적인 수력발전의 경우, 물의 위치에너지를 이용하기 위해서 강을 막아 댐을 짓거나 방조제를 만들어 물을 가두었다가 수문을 열고 이를 하류로 떨어뜨려서 더 강한 물의 압력을 만들어 터빈을 돌린다.
종래 기술의 풍차의 경우 대부분이 바람의 속도, 즉 양력을 이용하여 풍차를 회전시키는 방식이다. 그러나 바람이 약한 경우 발전기 등의 부하로 인해 풍차를 돌릴 수 있을 정도의 양력이 발생하지 않는다. 발전을 위한 풍차의 경우 대부분의 종래 기술의 풍력발전기는 약 5m/s 이상의 바람이 불어야 발전이 가능하나 우리나라의 경우 고도 50미터 기준 최근 5년간 연평균 풍속이 5m/s 이상인 지역이 일부 해안가 및 섬을 제외하고는 거의 없다. 또한 종래의 풍차의 경우 바람이 부는 방향을 향해 풍차의 방향를 맞춰주어야 하는 문제점을 안고 있다. 그러나 고도 50미터 기준 최근 5년간 연평균 풍속이 가장 높은 우리나라 제주도 고산의 경우 평균 풍속이 7.9m/s이나, 풍속이 5m/s이상이면서 주풍향이 같을 확율은 29.5퍼센트로 발전효율이 약 30%도 채 되지 않는 문제점을 안고 있다.
또한 종래의 양력을 이용하는 풍차의 경우 회전시 큰 소음을 발생하여 유럽 등의 선진국에선 풍력발전기를 설치할 경우 주거지역에서 일정 거리를 유지하도록 규제하고 있다.
수력발전의 경우, 종래의 기술의 대부분인 물의 낙차를 이용한 발전은 물을 가둘 수 있는 댐을 건설해야한다. 댐 건설은 천문학적인 건설 비용 외에도 환경파괴, 지역 주민들과의 갈등, 나아가 국제적인 분쟁으로까지 번지는 많은 문제점을 안고 있다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에 따른 유체에서 동력을 얻는 날개의 구조는 샤프트(30)를 지지하는 기둥(10)과 동력을 전달하는 회전체(20)와 날개를 지지하는 샤프트(30)와 풍압을 받는 제1날개(40)와 제2날개(50)로 구성되며, 제1날개와 제2날개는 2개의 주면(51)과 제1경사면(52)와 제2경사면(53) 제3경사면(54)으로 구성되어 2개의 주면(51)을 나란히 마주보게 두고 동일한 하나의 가장자리 끝선은 주면끼리 서로 접합되며, 나머지 가장자리 끝선은 제1경사면(52)과 제2경사면(53), 제3경사면(54)의 가장자리 끝선에 각각 연결된다. 이 때, 제1경사면(52)과 제2경사면(53)은 샤프트(30)의 외주면에 직각방향으로 연결되며, 제3경사면은 샤프트(30)의 외주면에 평행한 방향으로 연결된다. 제1경사면(52)과 제2경사면(53)은 2개의 주면(51) 중 동일한 한개의 주면의 중심 방향으로 경사를 주어 주면(51)과 연결되어 도5에 예시된 바와 같이 제1날개와 제2날개의 단면 형상이 사다리꼴 모양을 갖게 된다. 제3경사면(54)은 제1경사면과 제2경사면의 경사를 준 반대 방향의 주면(51)의 중심방향으로 경사를 주어 주면(51)과 연결된다.
주면(51)의 가장자리 끝선은 제1경사면(52)과 제2경사면(53), 제3경사면(54)의 가장자리 끝선에 각각 연결되며, 제1경사면(51)과 제2경사면(52)은 두개의 주면(51)중 동일한 한개의 주면(51)의 중심 방향으로 경사를 주어 연결되어 도5에 예시된 바와 같이 상기 제1날개와 제2날개의 단면 형상이 사다리꼴 모양을 하게 되며, 제3경사면(54)은 제1경사면과 제2경사면의 경사를 준 반대 방향으로 경사를 주어 다른 한 주면(51)과 연결된다.
본 발명에 따른 유체에서 동력을 얻는 날개의 구조는 제1날개(40)와 제2날개(50)와 같은 날개의 갯수를 2개, 4개, 6개, 8개를 같는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 유체에서 동력을 얻는 날개의 구조는 제1날개(40) 및 제2날개(50)와 샤프트(30)는 연동되어 움질일 수 있게 고정되며 샤프트(30)의 한쪽 끝에서 바라보았을 때, 제1날개(40)와 제2날개(50)는 70도에서 110도의 각을 이루는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 유체에서 동력을 얻는 날개의 구조는 제1날개(40)와 제2날개(50)의 주면(51)의 면적이 샤프트를 기준으로 한쪽은 좁게 다른 한쪽은 넓게 하여 샤프트(30)에 제1날개(40)와 제2날개(50)를 고정하되, 샤프트(30)를 중심으로 좁은 쪽에 무게 중심을 주어 주면(51)의 면적이 샤프트(30)를 기준으로 중력방향과 반대인 쪽을 넓게 하고 중력 방향과 같은 쪽을 좁게 하여 샤프트(30)에 날개를 고정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 유체에서 동력을 얻는 날개의 구조는 풍력발전의 경우, 풍속은 물론 풍압을 이용하기 때문에 낮은 풍속에서도 날개가 회전할수 있고, 바람이 흐르는 방향, 즉 상.하.좌.우에 상관없이 날개가 회전하므로 바람이 흐르는 방향에 따라 날개의 방향을 맞출 필요가 없으며, 날개가 회전시에도 소음이 발생하지 않아 주거지역에 바로 근접하여 날개를 설치할 수도 있으며, 태풍과 같은 아주 빠른 풍속에서도 날개 자체가 속도를 제어 하기 때문에 회전체의 회전속도를 제어할 필요가 없다.
또한 수력발전의 경우, 댐이나 별도의 구조물 없이 흐르는 강물 또는 조류에 간단한 장치만으로도 발전이 가능하므로, 필요에 따라 다양한 크기로 설치가 가능하다. 댐 등의 구조물 건설이 필요치 않으므로 극히 적은 비용으로 설치가 가능하고 환경파괴에 대한 분쟁의 소지가 없으며, 양국 또는 다국가를 관통하여 흐르는 강물에서는 국가 간에 분쟁의 소지가 없다.
도1은 전체를 조립한 사시도이다.
도2는 제1날개와 제2날개를 샤프트의 한쪽 끝 방향에서 바라보았을 때 제1날개와 제2날개가 고정된 각도를 나타내는 평면도이다.
도3는 유체(공기 또는 물)가 제1날개(40)와 제2날개(50)의 주면(51)을 마주보고, 즉 주면에 정면으로 흐를 때 상기 제1날개와 제2날개가 받는 유체 압력에 의해 날개가 받는 힘의 방향을 나타낸 실시 예이다.
도4는 도3에서 제1날개와 제2날개의 주면(51)이 유압을 받아 제1날개(40)의 주면이 유체가 흐르는 직각방향에 위치하고, 제2날개(50)의 주면이 유체(50)가 흐르는 방향과 평행하여 위치할 경우, 제1날개(40)의 주면(51)이 유체가 흐르는 직각방향에서 유체압을 지속적으로 받을 수 있게 제1날개의 제3경사면(54)과 제2날개의 주면(51)에 작용하는 유체의 흐름과 날개가 받는 힘의 방향을 나타낸 실시 예이다.
도5는 제1날개(40)와 제2날개(50)의 주면(51)이 유체가 흐르는 방향에 평행하여 서 있을 경우, 다시 말해 제1날개(40)와 제2날개(50)의 제1경사면(52)과 제2경사면(53)에 마주보고 유체가 흐를 경우, 제1날개(50)의 제1경사면(52)과 제2날개(50)의 제2경사면(53)에 작용하는 유체의 흐름과 제1날개와 제2날개가 받는 힘의 방향을 나타낸 실시 예이다.
도6은 제1날개(40) 또는 제2날개(50)의 평면도와 측면도이다.
본 발명에 따른 유체에서 동력을 얻는 날개는 기둥(10)과 회전체(20)와 샤프트(30)와 제1날개(40)와 제2날개(50)로 구성된다. 제1날개(40)와 제2날개(50)는 2개의 주면(51)과 제1경사면(52)과 제2경사면(53)과 제3경사면(54)으로 구성된다.
본 발명에서 기둥(10)은 상기 샤프트(30)와 제1날개(40)와 제2날개(50)를 지지하여 고정하는 역할을 하나, 그 구체적인 실시 방법에 대해서는 잘 알려진 기술과 같기 때문에 따로 기술하지 않겠다.
본 발명에서 회전체(20)는 상기 기둥(10)과 베어링 방식으로 연결되고 상기 샤프트(30)의 운동에너지를 발전기 등의 장치를 작동시키는 동력으로써 기계장치에 전달하는 기능을 한다. 동력을 전달하는 방법 역시 잘 알려진 기술과 같기 때문에 따로 기술하지 않겠다.
본 발명에서 샤프트(30)는 상기 회전체(20)와 교차하여 베어링 방식으로 연결되어 상기 제1날개(40)와 제2날개(50)를 지지하는 기능을 한다.
본 발명에서 제1날개(40)와 제2날개(50)는 상기 샤프트(30)의 외주면에 제1날개 및 제2날개의 주면(51)이 평행하도록 상기 회전체(20)를 기준으로 좌.우 쪽에 날개의 형상이 대칭이 되도록 샤프트(30)에 각각 고정되며, 유체의 압력을 받아 회전체(20)를 중심으로 샤프트(30)를 회전시키는 기능을 한다. 상기 제1날개 및 제2날개와 샤프트는 연동되어 움질일 수 있게 고정되며 샤프트의 한쪽 끝에서 바라보았을 때, 제1날개와 제2날개는 도2에 예시한 바와 같이 70도에서 110도의 각을 이룬다. 제1날개와 제2날개에서 샤프트를 고정하는 위치는 제1날개(40)와 제2날개(50)의 주면(51)의 면적이 샤프트를 기준으로 한쪽은 좁게 다른 한쪽은 넓게 하여 샤프트(30)에 고정하되, 샤프트(30)를 기준으로 주면(51)의 면적이 좁은 쪽에 무게 중심을 주어, 샤프트(30)를 기준으로 중력방향과 반대인 쪽의 주면(51)의 면적을 넓게 하여 샤프트(30)에 날개를 고정한다. 무게중심을 주면(51)의 면적이 좁은 쪽에 두는 방법은 도6에서 예시한 바와 같이 제1날개와 제2날개에서 샤프트를 기준으로 주면(51)의 면적이 좁은 쪽을 두껍게하고 넓은 쪽을 얇게 하여 무게중심을 주면(51)의 면적이 좁은 쪽에 두거나, 웨이트 등의 중량물을 주면(51)의 면적이 좁은 쪽에 설치할 수 있다. 풍력을 이용한 발전일 경우, 이와 같이 설치하면 바람이 불어오는 방향에서 먼저 서 있는, 즉 풍압을 먼저 받는 날개의 주면(51)이 지면과 35도에서 55도의 각을 이루어 우리나라와 같은 지형의 영향으로 바람이 상승기류가 많은 곳에선 풍압을 더 많이 받을 수 있는 각을 갖게 된다.
본 발명에서 상기 제1날개(40)와 제2날개(50)는 2개의 주면(51)과 제1경사면(52)과 제2경사면(53)과 제3경사면(54)으로 구성된다.
상기 2개의 주면(51)을 샤프트(30)의 외주면에 평행하게 나란히 마주보게 두고 동일한 하나의 가장자리 끝선은 주면끼리 서로 접합되며, 나머지 가장자리 끝선은 제1경사면(52)과 제2경사면(53), 제3경사면(54)의 가장자리 끝선에 각각 연결된다. 이 때, 제1경사면(52)과 제2경사면(53)은 샤프트(30)의 외주면에 직각방향으로 연결되며, 제3경사면은 샤프트(30)의 외주면에 평행한 방향으로 연결된다. 제1경사면(52)과 제2경사면(53)은 2개의 주면(51) 중 동일한 한개의 주면의 중심 방향으로 경사를 주어 주면(51)과 연결되어 도5에 예시된 바와 같이 제1날개와 제2날개의 단면 형상이 사다리꼴 모양을 갖게 된다. 제3경사면(54)은 제1경사면과 제2경사면의 경사를 준 반대 방향의 주면(51)의 중심방향으로 경사를 주어 주면(51)과 연결된다.
본 발명에 있어 상기 제1날개와 제2날개가 상기 회전체(20)를 중심으로 회전하는 원리는 도3에서 예시한 바와 같이 유체가 흐르는 방향이 왼쪽에서 오른쪽으로 흐를 때 제1날개(40)의 한 주면(51)이 유압을 받아 유체가 흐르는 방향과 수직에 근접하게 되어 주압력을 받는 날개가 되고, 제2날개(50)의 주면(51)은 유체가 흐르는 방향과 평행에 근접하게 되어 받는 압력이 미미하다. 이때 압력이 크게 작용하는 제1날개가 유압을 받아 밀리는 방향으로 회전체(20)를 중심으로 회전하게 된다.
도3에서 예시한 것과 같은 경우, 제1날개(40)가 유체의 압력을 일정 이상 받을 수 있는 이유는 제1날개(40)와 제2날개(50)가 샤프트(30)의 한쪽 끝에서 바라보았을 때 70도에서 110도의 각을 이루고 사프트(30)에 고정되어 연동되므로, 제1날개가 샤프트를 중심으로 회전하려 할 때, 제2날개 또한 같은 방향으로 회전하려 한다. 이때 제2날개가 회전하려면 제2날개의 주면이 유체가 흐르는 방향에 직각방향으로 거슬러 올라야하나, 제2날개의 주면에 수평으로 유체의 압력이 이를 방해하여 제1날개의 주면이 유체가 흐르는 방향과 직각방향을 일정 이상 유지할 수 있게 한다. 또한 제2날개의 제3경사면(54)에 유체가 경사면을 지나가면서 방향이 꺽일 때, 제3경사면은 유체의 흐름이 바뀌는 반대방향으로 움직이려 하며 이는 제1날개의 주면이 유압을 받아 움직이려고 하는 힘과 반대 방향의 힘을 발생시켜 제1날개의 주면이 유체가 흐르는 방향과 직각방향을 일정 이상 유지할 수 있게 한다.
본 발명의 실시 예인 도4에서와 같이 제1날개(40)와 제2날개(50)의 주면(51)이 유체가 흐르는 방향과 평행하여 위치하고 있을 경우 상기 제1날개(40)의 제1경사면(53)과 제2날개의 제2경사면(54)에 유체가 경사면에 의해 방향이 바뀔 때 제1날개(40)와 제2날개(50)는 유체의 흐름이 바뀌는 방향의 반대 방향으로 움직이게 되며, 점차 제1날개와 제2날개의 주면(51)이 주 유압을 받게 됨으로써 전술한 바와 같이 제1날개와 제2날개가 회전체를 중심으로 회전하게 된다. 본 발명의 실시 예로 제시한 도4의 경우에는 회전체가 시계 반대방향으로 회전하게 된다.
10 : 기둥
20 : 회전체
30 : 샤프트
40 : 제1날개
50 : 제2날개
51 : 주면
52 : 제1경사면
53 : 제2경사면
54 : 제3경사면

Claims (4)

  1. 회전체(20)를 지지하는 기둥(10)과 동력을 전달하는 회전체(20)와 날개를 지지하는 샤프트(30)와 풍압을 받는 제1날개(40) 및 제2날개(50)로 구성된, 유체에서 동력을 얻는 날개의 구조에 있어,
    2개의 주면(51)을 샤프트(30)의 외주면에 평행하게 나란히 마주보게 두고, 2개의 주면(51)을 나란히 마주보게 두고 동일한 하나의 가장자리 끝선은 주면끼리 서로 접합되며, 나머지 가장자리 끝선은 제1경사면(52)과 제2경사면(53), 제3경사면(54)의 가장자리 끝선에 각각 연결되고, 제1경사면(52)과 제2경사면(53)은 샤프트(30)의 외주면에 직각방향으로 연결되며, 제3경사면은 샤프트(30)의 외주면에 평행한 방향으로 연결된다. 제1경사면(52)과 제2경사면(53)은 2개의 주면(51) 중 동일한 한개의 주면의 중심 방향으로 경사를 주어 주면(51)과 연결되고, 제3경사면(54)은 제1경사면과 제2경사면의 경사를 준 반대 방향의 주면(51)의 중심방향으로 경사를 주어 주면(51)과 연결되는, 제1날개(40)와 제2날개(50)를 갖는 것을 특징으로 하는 유체에서 동력을 얻는 날개의 구조.
  2. 청구항 1항에 있어서,
    제1날개(40)와 제2날개(50)와 같은 날개의 갯수를 2개, 4개, 6개, 8개 등과 같이 짝수의 갯수를 갖는 것을 특징으로 하는 유체에서 동력을 얻는 날개의 구조.
  3. 청구항 1항에 있어서,
    제1날개(40) 및 제2날개(50)와 샤프트(30)는 연동되어 움질일 수 있게 고정되며 샤프트(30)의 한쪽 끝에서 바라보았을 때, 제1날개(40)와 제2날개(50)는 70도에서 110도의 각을 이루는 것을 특징으로 하는 유체에서 동력을 얻는 날개의 구조.
  4. 회전체(20)와 샤프트(30)를 고정하는 기둥(10)과 장치에 동력을 전달하는 회전체(20)와 날개를 지지하는 샤프트(30)와 풍압을 받는 제1날개(40)와 제2날개(50)로 구성된 유체에서 동력을 얻는 날개의 구조에 있어,
    제1날개(40)와 제2날개(50)의 주면(51)의 면적이 샤프트를 기준으로 한쪽은 좁게 다른 한쪽은 넓게 하여 샤프트(30)에 고정하되, 샤프트(30)를 기준으로 주면(51)의 면적이 좁은 쪽에 무게 중심을 주어, 샤프트(30)를 기준으로 중력방향과 반대인 쪽의 주면(51)의 면적을 넓게 하여 샤프트(30)에 날개를 고정하는 것을 특징으로 하는 유체에서 동력을 얻는 날개의 구조.
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