KR20140120881A - 수력발전 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일종의 수력발전 터빈에 관한 것으로, 적어도 두 개의 환형 휠, 중심축 및 다수 개의 블레이드를 포함한다. 상기 중심축은 상기 환형 휠의 중심에 설치되고, 상기 중심축의 축선방향은 상기 환형 휠의 반경방향과 수직되며, 상기 다수 개의 블레이드는 환형 휠을 둘러싸면서 설치되고, 상기 블레이드의 수량은 최소 28편이며, 최대는 환형 휠 외주둘레의 센티미터수의 정수이다. 상기 블레이드는 호형으로 이루어지며, 모든 상기 블레이드의 한 호형 변의 호의 총 길이는 환형 휠 외주둘레의 0.85 내지 2배 사이이다. 상기 블레이드 호형 변의 중심점에서 두 개의 단점의 선분과 이루어지는 교각은 블레이드 교각이며, 상기 블레이드 교각은 100 내지 170도 사이이다. 상기 블레이드 호형 변의 최대 현장선과 블레이드 외단점을 지나가는 환형 휠의 반경선 교각은 블레이드의 안착각이고, 상기 블레이드 안착각은 15 내지 75도 사이이다. 본 발명의 수력발전 터빈에 대한 발전 장치의 효율은 종래의 수직축 발전장치 효율의 2배 이상에 달한다.

Description

수력발전 터빈{HYDRO TURBINE}

본 발명은 해양에너지 발전 분야에 속하며, 더 자세하게는 수력발전 터빈에 관한 것이다.

종래 기술의 조류 수력발전 터빈은 주로 풍력 발전을 바탕으로 한 기술이며, 다음과 같이 두 가지 유형으로 나누어진다. 한 유형은, 수평축 수력발전 터빈의 임펠러로 블레이드 3개 또는 2개로 이루어지고, 주로 속도 증가 및 발전기 등의 기계시스템은 수저에서 운영되며 일상적인 유지 및 보호가 매우 어렵고, 고가의 비용이 발생하여, 상업적 개발 가치가 없다. 다른 유형은, 수직축 풍력발전 임펠러이며, 상기 수력발전 터빈 임펠러의 블레이드 수량은 기본적으로 3개 내지 5개이고, 10여 개의 블레이드 임펠러를 갖기도 하며, 효율은 수평축의 블레이드 3개를 갖춘 수력발전 터빈 임펠러보다 약간 낮다.

그러나 종래의 조류 수력발전 터빈은 종래 기술의 문제점을 해결하지 못했고 기술적인 문제점이 여전히 존재한다. 종래의 조류 수력발전 터빈은 풍력에너지의 터빈을 모방하여 제조되었으나, 풍력의 터빈은 풍력에너지 자체의 비교적 높은 가동속도(적어도 6㎧)를 활용하여 비교적 적은 블레이드를 이용해 발전시킬 수 있지만, 해류의 속도는 풍속보다 훨씬 낮아(최적 상태 3㎧이고, 보통 유속은 매우 낮다) 종래의 조류 수력발전 터빈은 낮은 조류 속도에서 조류에너지를 전혀 확보할 수 없다.

현재 나날이 심각해지는 에너지 결핍과 온실효과로 인하여 에너지를 저탄소화시켜야하기 때문에, 풍력에너지, 해양에너지(조력에너지, 조류에너지, 파도에너지, 해류에너지) 등의 친환경에너지는 향후 에너지의 발전방향이다. 그러나 기존 친환경에너지의 발전설비로는 풍력에너지를 이용하는 방법만 상대적으로 발전해 있을 뿐, 해양에너지를 이용하는 방법은 아직 초기 단계로 통용되고 발전 된 설비는 없고, 설비는 대규모화될 수 없을 뿐만 아니라 효율도 낮아, 시장 수요를 여전히 만족시키지 못한다.

종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 일종의 다수 개의 블레이드를 구비한 고효율성 수력발전 터빈을 제공함에 있다.

본 발명은 일종의 수력발전 터빈에 관한 것이며, 적어도 두 개의 환형 휠, 중심축 및 다수 개의 블레이드를 포함한다. 상기 중심축은 상기 환형 휠의 중심에 설치되고, 상기 중심축의 축선방향은 상기 환형 휠의 반경방향과 수직되며, 상기 다수 개의 블레이드는 환형 휠을 둘러싸면서 설치되고, 상기 블레이드의 수량은 최소 28편이며, 최대는 환형 휠 외주둘레의 센티미터수의 정수이다. 상기 블레이드는 호형으로 이루어지며, 모든 상기 블레이드의 한 호형 변의 호의 총 길이는 환형 휠 외주둘레의 0.85 내지 2배 사이이다. 상기 블레이드 호형 변의 중심점에서 두 개의 단점의 선분과 이루어지는 교각은 블레이드 교각이며, 상기 블레이드 교각은 100 내지 170도 사이이다. 상기 블레이드 호형 변의 최대 현장선과 블레이드 외단점을 지나가는 환형 휠의 반경선 교각은 블레이드의 안착각이고, 상기 블레이드 안착각은 15 내지 75도 사이이다.

본 발명의 실시 예에 의하면, 상기 수력발전 터빈은 다수 개의 스포크 또한 포함하고, 상기 다수 개의 스포크는 상기 환형 휠의 방사방향에 따라 설치된다.

본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 상기 수력발전 터빈은 두 개의 커버판이 포함되고, 상기 두 개의 커버판은 각각 상기 두 개의 환형 휠이 상기 블레이드와 등을 맞대는 일측에 설치된다.

모든 기재된 문헌과 실시에 따르면, 종래의 수직축 수력발전 터빈은 낮은 수류에서(조류 속도 3㎧ 이하) 발전할 수 없다. 이로써 조류 확보 전환율이 10%를 초과하지 못하기 때문에 세계적으로 조류에너지를 상업화할 수 없는 것이다. 그러나 본 발명의 수력발전 터빈은 최소 28편의 블레이드와 특정 각도의 설치를 통하여, 조류 속도가 3㎧ 이하의 낮은 조류 속도에서 조류 확보 전환율이 20% 이상으로 종래기술의 문제점을 해결하고, 조류에너지 개발의 기초 기술을 제공했다. 실험 데이터에 따르면, 상기 수력발전

도 1은 본 발명의 수력발전 터빈의 정면도;
도 2는 본 발명의 수력발전 터빈의 평면도;
도 3은 본 발명의 블레이드 교각의 구조도;
도 4는 본 발명의 블레이드 안착각의 구조도이다.

본 발명은 본 기술분야의 당업자가 본 기술분야를 더 자세히 이해할 수 있도록 아래와 같이 실시 예 및 첨부 도면을 통해, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나 본 발명의 실시 예는 오직 본 발명에만 한정한다. 또한 본 기술분야의 당업자는 본 발명의 실시 예에 의하여, 본 발명의 기술에 대한 모든 변경, 변형 및 치환 등은 모두 본 발명의 보호 범위에 속한다.

아래와 같이 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 방법을 설명한다.

일종의 수력발전 터빈은 적어도 두 개의 환형 휠(2)과 다수 개의 블레이드(4)를 포함한다. 다수 개의 블레이드(4)는 환형 휠을 둘러싸면서 설치된다. 실제 사용과정에서 블레이드(4)의 길이방향은 환형 휠(2)에 수직되게 이루어진다. 본 실시 예에 따르면, 환형 휠(2)은 공심원으로 이루어진 환형이다. 그러나 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 다른 실시 예에 따르면 환형 휠(2)은 솔리드 원일 수 있다. 본 발명의 환형 휠(2)의 수량은 적어도 두 개이며, 각각 블레이드(4)의 양측에 위치하여 블레이드(4)를 두 개의 환형 휠(2) 사이에 위치하도록 고정시킨다. 본 실시 예에 따르면, 환형 휠(2)의 수량은 3개이고, 그 중 하나의 환형 휠(2)은 블레이드(4)의 가운데에 설치된다. 이러한 설치에 의해, 블레이드(4)의 길이를 효과적으로 감소시키고(실제 사용 과정에서, 상기 길이는 블레이드(4)가 수평면으로 수직되는 길이이다), 따라서 블레이드(4)로 수류의 충격에 대한 저항력을 증가시킨다. 만약 블레이드(4)가 수직방향을 따라 그 길이가 너무 길면, 수류 충격이 너무 크기 때문에 블레이드(4)는 변형되거나 심지어 단열 되기 쉽다. 그러나 본 발명에서는 환형 휠(2)의 구체적인 수량에 대하여 한정하지 않는다. 블레이드(4)의 길이가 증가하면, 환형 휠(2)의 수량 또한 상대적으로 증가한다.

본 발명의 블레이드(4)의 수량은 최소 28편이며, 최대는 환형 휠(2) 외주둘레의 센티미터수의 정수이다. 예를 들어, 환형 휠(2)의 외주둘레 길이가 98.3㎝ 또는 98.8㎝이면, 그 블레이드(4)의 수량은 모두 98편이라고 할 수 있다. 블레이드(4)는 호형으로 이루어지며, 모든 블레이드(4)의 한 호형 변의 호의 총 길이는 환형 휠 외주둘레의 0.85 내지 2배 사이이다. 블레이드 교각 A는 블레이드 호형 변의 중심점에서 두 개의 단점의 선분으로 이루어진 교각이며(도 4 참고), 블레이드 교각 A는 100도보다 크거나 같고, 170도보다 작거나 같다. 블레이드 안착각 B는 블라이드 호형 변의 최대 현장선과 블레이드 외단점을 지나가는 환형 휠 반경선 사이의 교각이며(도 4 참고), 그 중 블레이드 안착각 B는 15도보다 크거나 같으며, 75도보다 작거나 같다. 실시할 때, 블레이드 안착각 B는 15, 45, 60도 등으로 선택할 수 있다.

본 실시 예에 따르면, 수력발전 터빈은 중심축(1) 또한 포함하고, 중심축(1)은 환형 휠(2)의 중심에 설치되며, 중심축(1)의 축선 방향은 환형 휠(2)의 방사방향으로 수직되게 이루어진다. 본 발명의 수력발전 터빈을 해양에너지 발전장치에 사용할 경우, 중심축(1)의 일단은 발전기에 연결된다. 수류가 블레이드(4)에 영향을 주면 블레이드(4)는 회전하고, 블레이드(4)의 회전은 환형 휠(2)를 회전 연동시키고, 환형 휠(2)의 회전은 중심축(1)을 회전 연동시키며, 중심축(1)은 동력에너지를 발전기로 전달한다. 본 실시 예에 따르면, 중심축(1)의 수량은 하나이며, 상기 중심축(1)은 다수 개의 환형 휠(2)을 관통하여 설치된다. 다른 실시 예에 따르면, 중심축(1)의 수량은 두 개가 될 수도 있다. 두 개의 중심축(1)은 각각 블레이드(4) 일측을 등진 가장 외측의 환형 휠(2)의 중심 위치에 설치된다. 본 실시 예에 따르면, 수력발전 터빈은 다수 개의 스포크(3) 또한 포함하며, 스포크(3)는 환형 휠(2)의 방사방향을 따라 설치된다. 본 실시 예에 따르면, 스포크(3)는 환형 휠(2)과 중심축(1) 사이에 고정 설치된다. 스포크(3)를 설치함에 따라 환형 휠(2)과 중심축(1) 사이의 고정 연결을 강화시킨다. 그러나 본 발명은 이에 한정시키지 않는다. 다른 실시 예에 따르면, 수력발전 터빈은 스포크(3)를 구비하고 있지 않을 수도 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 수력발전 터빈은 두 개의 커버판(5)이 포함되고, 두 개의 커버판(5)은 각각 두 개의 환형 휠(2)이 블레이드(4)와 등을 맞대는 일측에 설치된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 커버판(5)은 각각 상부 환형 휠(2)의 상부 및 하부 환형 휠(2)의 하부에 위치한다, 커버판(5)을 설치함으므로 수류가 상부 및 하부부터 중심축(1)과 환형 휠(2)의 틈에 진입하는 것을 방지할 수 있고, 수력발전 터빈의 작업효율을 유지할 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 다른 실시예에서 커버판(5)이 설치되지 않을 수 있다.

해양 유속이 빠를 때, 수력발전 터빈의 블레이드 수량은 적을수록 발전 효율이 높고, 수력발전 터빈의 블레이드 수량이 너무 많으면 오히려 수류를 가로막아, 수력발전 터빈 내로 유효한 발전을 유입시킬 수 없다. 그러나 낮은 해양 유속의 경우, 수력발전 터빈 블레이드 수량의 증가는 발전 효율을 대폭 상승시킨다. 다시 말하자면, 수력발전 터빈 블레이드의 수량과 해양 유속은 반비례 관계이다. 실험 데이터에 따르면, 본 발명의 수력발전 터빈의 발전장치 효율은 종래의 수직축 수력발전 터빈의 발전장치 효율의 2배 이상에 달한다. 본 발명의 수력발전 터빈은 최소 28편의 블레이드와 특정한 블레이드 교각 및 블레이드 안착각을 이용하여, 종래기술의 수력발전 터빈이 낮은 해양 유속에서 가동 및 유효 발전을 못 하는 문제점을 해결했다. 본 발명의 수력발전 터빈은 특히 왕복 수류(예를 들어 조류)에 적합하며, 또한 각종 유속 하에서도 자가 가동 능력을 구비하고 있다.

결론적으로, 본 발명의 유익한 효과는 아래와 같다: 기재된 모든 문헌과 실제 실시에 따르면, 종래의 수직축 수력발전 터빈은 낮은 수류(조류 속도 3㎧ 이하)에서 발전시킬 수 없다. 조류 확보 전환율이 10% 미만이기 때문에 조류에너지를 세계적으로 상업화시킬 수 없다. 그러나 본 발명의 수력발전 터빈은 최소 28편의 블레이드를 이용하고 특정한 각도로 설치함으로써, 조류 속도가 3㎧ 이하의 낮은 유속일 때 조류 확보 전환율은 20% 이상으로, 조류에너지 개발에 기초적인 기술을 제공한다.

Claims (3)

1. 적어도 두 개의 환형 휠, 중심축과 다수 개의 블레이드를 포함하며;
   상기 중심축은 상기 환형 휠의 중심에 설치되고, 상기 중심축의 축선방향은 상기 환형 휠의 반경방향과 수직되고;
   상기 다수 개의 블레이드는 상기 환형 휠을 둘러싸면서 설치되고, 상기 블레이드의 수량은 최소 28편이며, 최대는 상기 환형 휠 외주둘레의 센티미터수의 정수이고;
   상기 블레이드는 호형으로 이루어지고, 모든 상기 블레이드의 한 호형 변의 호의 총 길이는 환형 휠 외주둘레의 0.85 내지 2배 사이이며, 상기 블레이드 호형 변의 중심점에서 두 개의 단점의 선분과 이루어지는 교각은 블레이드 교각이고, 상기 블레이드 교각은 100 내지 170도 사이이며;
   상기 블레이드 호형 변의 최대 현장선과 블레이드 외단점을 지나가는 환형 휠의 반경선 교각은 블레이드의 안착각이고, 상기 블레이드 안착각은 15 내지 75도 사이인 것을 특징으로 하는 수력발전 터빈.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 수력발전 터빈은 다수 개의 스포크 또한 포함하고, 상기 다수 개의 스포크는 상기 환형 휠의 방사방향에 따라 설치되는 것을 특징으로 하는 수력발전 터빈.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 수력발전 터빈은 두 개의 커버판이 포함되고, 상기 두 개의 커버판은 각각 상기 두 개의 환형 휠이 상기 블레이드와 등을 맞대는 일측에 설치되는 것을 특징으로 하는 수력발전 터빈.

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