KR20140126759A

KR20140126759A - 잠수형 발전기

Info

Publication number: KR20140126759A
Application number: KR1020147026549A
Authority: KR
Inventors: 도시아키 가네모토; 이사오 사무라
Original assignee: 가부시키가이샤 교와 컨설턴츠
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2014-10-31
Also published as: BR112015002710A2; US9506449B2; JP5518276B1; EP2896822B1; WO2014136203A1; CN104246211A; CN104246211B; EP2896822A4; KR101611839B1; US20150361949A1; EP2896822A1; JPWO2014136203A1

Abstract

[과제] 안정적으로 수중에 계류할 수 있고, 대형화를 초래하지 않고 고기전압, 고효율을 얻을 수 있는 잠수형 발전기를 제공한다.
[해결 수단] 잠수형 발전기로서, 외측 회전 전기자와, 외측 회전 전기자에 대치하고 외측 회전 전기자와는 역방향으로 회전하는 내측 회전 전기자를 포함하는 내외 이중 회전 전기자형 발전 기구; 및 축심을 일치시켜 설치되고 축심의 연장 방향에 대한 날개의 비틀림 방향이 서로 역방향인 1세트의 프로펠러를 포함하고, 상기 1세트의 프로펠러의 한쪽은 상기 내외측의 회전 전기자의 한쪽에, 상기 1세트의 프로펠러의 다른 쪽은 상기 내외측의 회전 전기자의 다른 쪽에, 각각 연결되어 있고, 상기 내외 이중 회전 전기자형 발전 기구를 외부 환경에 대하여 밀폐하여 수용하는 케이싱을 포함하고, 잠수 상태로 수류 중에 놓여 가동되며, 가동 시에 잠수형 발전기에 작용하는 중력(W)은 잠수형 발전기에 작용하는 부력(F)보다 크고, 자오면(子午面)(프로펠러 회전축을 포함하는 연직면(鉛直面)) 상에서 볼 때, 잠수형 발전기에 작용하는 상기 중력(W)과 상기 부력(F)과 수류 중에서 잠수형 발전기에 작용하는 항력(D)에 의한 회전 모멘트의 합이 영이 되는 회전 모멘트 중심이, 케이싱 상에 존재한다.

Description

잠수형 발전기 {SUBMERSIBLE GENERATOR}

본 발명은 잠수형 발전기에 관한 것이다.

상대 회전하는 내외(內外) 전기자, 내외 전기자를 상대 회전 구동하는 프로펠러, 및 전기자를 수용하는 케이싱을 구비하는 잠수형 발전기로서, 전후 2단의 외측(外側) 회전 전기자와 내측(內側) 고정 전기자를 가지는 발전 기구, 서로 역방향으로 회전하여 전후 2단의 외측 회전 전기자를 서로 역방향으로 회전 구동하는 전후 2단의 프로펠러, 및 전후 2단의 내측 고정 전기자를 외부 환경에 대하여 밀폐하여 수용하는 케이싱(casing)을 구비하고, 수저(水底)에 놓인 앵커(anchor)에 계류 로프를 개재시켜 연결되고, 잠수 상태로 수류 중에 놓여 가동되며, 잠수형 발전기에 작용하는 부력은 잠수형 발전기에 작용하는 중력보다 큰 것을 특징으로 하는 잠수형 발전기가, 특허 문헌 1에 개시되어 있다.

특허문헌 1의 잠수형 발전기에 작용하는 중력이 부력보다 큰 경우에는, 그 기 잠수형 발전기는, 수면 위 또는 수면보다 위쪽의 구조물로부터 연장되는 계류 로프 또는 지지 부재에 의해 수중에 계류되게 된다.

일본 공개특허공보 제2007-016786호

전술한 잠수형 발전기에 있어서는, 전단(前段) 프로펠러에 의해 회전 구동되는 전단 외측 회전 전기자와 ,후단 프로펠러에 의해 회전 구동되는 후단 외측 회전 전기자는 작동 결합하고 있지 않으므로, 발전 시에 전단 외측 회전 전기자가 대치하는 전단 내측 고정 전기자에 인가하는 회전 토크(torque)와, 발전 시에 후단 외측 회전 전기자가 대치하는 후단 내측 고정 전기자에 인가하는 회전 토크는, 서로 역학적 및 전자기학적으로 독립되어 있고, 양(兩) 회전 토크의 크기는 반드시 일치하지 않는다. 따라서, 전술한 잠수형 발전기는 안정적으로 수중에 계류할 수 없다.

발전 기구의 기전압(起電壓)은 회전 전기자가 자계를 자르는 속도에 비례한다. 잠수형 발전기에서는 프로펠러 캐비테이션(propeller cavitation)의 발생을 억제하는 관점에서 프로펠러 회전 속도의 상승을 억제할 필요가 있다. 따라서, 대치하는 외측 회전 전기자와 내측 고정 전기자의 세트(set)가 각각 독립적으로 설치되어 있는 상기 잠수형 발전기에 있어서 고(高)기전압을 얻기 위해서는, 또는 전기적인 고효율을 얻기 위해서는, 증속(增速) 기어나 풀리(pully) 기구를 장착하여, 프로펠러의 회전을 증속하여 외측 회전 전기자에 전달할 필요가 있어, 발전기의 대형화를 초래한다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것이며, 수중에 있어서 부력보다 큰 중력이 가해지는 잠수형 발전기로서, 안정적으로 수중에 계류할 수 있고, 대형화를 초래하지 않고 고기전압, 고효율을 얻을 수 있는 잠수형 발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 있어서는, 상대 회전하는 내외 전기자, 내외 전기자를 상대 회전 구동하는 프로펠러, 및 전기자를 수용하는 케이싱을 포함하는 잠수형 발전기로서, 외측 회전 전기자와, 외측 회전 전기자에 대치해 외측 회전 전기자와는 역방향으로 회전하는 내측 회전 전기자를 포함하는 내외 이중 회전 전기자형 발전 기구; 및 축심을 일치시켜 설치되고 축심의 연장 방향에 대한 날개의 비틀림 방향이 서로 역방향인 1세트의 프로펠러를 포함하고, 상기 1세트의 프로펠러의 한쪽은 상기 내외측의 회전 전기자의 한쪽에, 상기 1세트의 프로펠러의 다른 쪽은 상기 내외측의 회전 전기자의 다른 쪽에, 각각 연결되어 있고, 상기 내외 이중 회전 전기자형 발전 기구를 외부 환경에 대하여 밀폐하여 수용하는 케이싱을 포함하고, 잠수 상태로 수류 중에 놓여 가동되고, 가동 시에 잠수형 발전기에 작용하는 중력(W)은 잠수형 발전기에 작용하는 부력(F)보다 크고, 자오면(프로펠러 회전축을 포함하는 연직면(鉛直面)상에서 볼 때, 잠수형 발전기에 작용하는 상기 중력(W)과 상기 부력(F)과 수류 중에서 잠수형 발전기에 작용하는 항력(D)에 의한 회전 모멘트의 합이 영이 되는 회전 모멘트 중심이, 케이싱상에 존재하는 것을 특징으로 하는 잠수형 발전기를 제공한다.

본 발명에 따른 잠수형 발전기에 있어서는, 발전 중, 내외 이중 회전 전기자에 작용하는 상반(相反) 회전 토크의 크기는, 운동의 제3 법칙(작용 반작용)으로부터 역학적 및 전자기학적으로 일치하고, 나아가서는, 내측 회전 전기자와 그 전기자에 연결된 프로펠러가 형성하는 내측 회전계와, 외측 회전 전기자와 그 전기자에 연결된 프로펠러가 형성하는 외측 회전계에 작용하는 상반 토크는 일치하여, 상쇄되므로, 케이싱에는 반작용으로서의 회전 토크는 일체 발생하지 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 잠수형 발전기는 발전량이나 유속(速)에 관계없이, 케이싱의 프로펠러 축심 주위의 회전을 야기하지 않고, 안정적으로 수중에 계류할 수 있다.

본 발명에 따른 잠수형 발전기에 있어서는, 자오면상에서 볼 때, 회전 모멘트 중심이 케이싱상에 존재하므로, 회전 모멘트 중심을 지나고고 자오면과 직교하는 축선상에 케이싱을 어떤 수단으로 지지함으로써, 잠수형 발전기를 안정적으로 수중에 유지할 수 있다.

본 발명에 따른 잠수형 발전기에 있어서는, 축심을 일치시켜 설치되고 축심의 연장 방향에 대한 날개의 비틀림 방향이 서로 역방향인 1세트의 프로펠러가 서로 역방향으로 회전하여, 내외 회전 전기자를 서로 역방향으로 회전 구동하므로, 프로펠러의 회전 속도의 상승을 억제하면서 내외 회전 전기자의 상대 회전 속도를 상승시켜, 내외 회전 전기자가 자계를 자르는 속도를 증가시킬 수 있고, 그 결과, 증속 기어나 풀리 기구의 설치 등에 의한 대형화를 초래하지 않고 종래의 잠수형 발전기에 비해 고기전압, 고효율을 얻을 수 있다. 다른 한편, 내외 회전 전기자가 자계를 자르는 속도가 종래의 잠수형 발전기에 비해 크기 때문에, 기전압을 종래의 잠수형 발전기와 동등하게 하는 경우에는, 전기자의 권선수의 저감이나, 동기(同期) 발전기의 전기자를 형성하는 영구 자석의 소형화나, 전기자의 회전 반경의 저감 등에 의해, 종래의 잠수형 발전기에 비해 발전기를 소형화할 수 있다. 프로펠러의 회전 속도를 저하시켜 캐비테이션을 방지할 수 있다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 잠수형 발전기에 작용하는 항력(D)의 작용선상에 회전 모멘트 중심이 위치결정되고, 그 회전 모멘트 중심을 지나고고 자오면과 직교하는 축선상에 케이싱이 상기 축선 주위에 회전 가능하게 지지되어 있다.

상기 구성에 의해, 발전량이나 유속에 관계없이 잠수형 발전기를 수평 상태로 유지할 수 있다.

본 발명에 있어서는, 상기한 잠수형 발전기가, 회전 모멘트 중심을 지나고 자오면과 직교하는 축선 주위에 상대 회전 가능하게 케이싱에 장착된 하나 이상의 계류 로프를 개재시켜 수중에 계류되어 있는 것을 특징으로 하는 잠수형 발전 시스템을 제공한다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 상기 계류 로프는, 항력(D)의 작용선의 연장 방향에서 볼 때 항력(D)의 작용선에 대하여 좌우 대칭으로, 케이싱에 장착되어 있다.

상기 구성에 의해, 잠수형 발전기는 항력(D)에 의해 좌우 방향의 와블링(wobbling)을 야기하지 않고 안정적으로 수중에 유지된다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 두 갈래의 암(arm)이 회전 모멘트 중심을 지나고 자오면과 직교하는 축선 주위에 상대 회전 가능하게 케이싱에 장착되고, 상기 계류 로프가 상대 회전 가능하게 또는 상대 선회 가능하게(pivotally) 암에 장착된다.

두 갈래의 암을 회전 모멘트 중심을 지나고 자오면과 직교하는 축선 주위에 상대 회전 가능하게 케이싱에 장착하고, 상기 계류 로프를 상대 회전 가능하게 또는 상대 선회 가능하게 암에 장착함으로써, 한 개의 계류 로프로 안정적으로 발전기를 수중에 유지할 수 있다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 상기 계류 로프는, 항력(D)의 작용선의 연장 방향에서 볼 때, 항력(D)의 작용선에 대하여 좌우 대칭으로 암에 장착되어 있다.

상기 구성에 의해, 잠수형 발전기는 항력(D)에 의해 좌우 방향의 와블링을 야기하지 않고 안정적으로 수중에 유지된다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 두 갈래의 암의 자유단(自由端)의 프로펠러 방향으로의 요동을 규제하는 스토퍼가 케이싱에 장착되어 있다.

중력(W)과 부력(F)과 항력(D)에 의해 계류 로프는 유속에 관계없이 느슨해지지 않지만, 두 갈래의 암의 자유단의 프로펠러 방향으로의 요동을 규제하는 스토퍼를 케이싱에 장착함으로써, 그 자유단에 장착된 계류 로프가 프로펠러와 간섭하는 것을 확실히 방지할 수 있다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 두 갈래의 암은, 케이싱의 수류 방향 상류단을 돌아드는 길이를 가진다.

상기 구성에 의해, 두 갈래 암의 자유단과 케이싱과의 간섭을 방지하고, 계류 로프에 의한 잠수형 발전기의 유지를 더욱 안정화할 수 있다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 잠수형 발전기에 작용하는 상기 중력(W)의 작용선이 부력(F)의 작용선보다 상류 측에 위치한다.

중력(W)의 작용선이 부력(F)의 작용선보다 상류 측에 위치하면, 회전 모멘트 중심은 중력(W)의 작용선보다 더욱 상류 측에 위치하게 되므로, 계류 로프가 프로펠러로부터 멀어져, 계류 로프과 프로펠러와의 간섭이 더욱 효과적으로 방지된다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 잠수형 발전기에 작용하는 상기 중력(W)의 작용선이 부력(F)의 작용선보다 하류 측에 위치한다.

중력(W)의 작용선이 부력(F)의 작용선보다 하류 측에 위치하면, 회전 모멘트 중심은 중력(W)의 작용선보다 더욱 하류 측에 위치하게 되므로, 계류 로프가 프로펠러에 가까워지지만, 회전 모멘트 중심으로부터 프로펠러까지의 거리를 길게 설정하고, 또는 스토퍼 토우(stopper toe)의 위치를 적정화함으로써, 계류 로프와 프로펠러와의 간섭을 방지할 수 있다.

본 발명에 있어서는, 상기한 잠수형 발전기가, 회전 모멘트 중심을 지나고 자오면과 직교하는 축선상에서, 수저(水底)에 고정되어 위쪽으로 연장되는 지주에 의해 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 잠수형 발전 시스템을 제공한다.

본 발명에 있어서는, 상기한 잠수형 발전기가, 회전 모멘트 중심을 지나고 자오면과 직교하는 축선상에서, 수면 위 또는 수면보다 위쪽의 구조물로부터 아래쪽으로 연장되는 지주에 의해 지지(支持)되어 있는 것을 특징으로 하는 잠수형 발전 시스템을 제공한다.

상기 잠수형 발전 시스템에 있어서는, 지주에는, 잠수형 발전기의 중력과 부력의 차분의 아래 방향의 힘과, 그 힘과 직교하는 흐름 방향의 항력 이외에는 잠수형 발전기로부터는 힘이 인가되지 않고, 또한 흐름의 속도가 비교적 큰 경우에는, 상기 2개의 힘에 더해 항력에 비해 작은 것인 카르만 소용돌이(Karman's vortex)에 의한 흐름과 직교하는 수직 방향의 힘 이외에는 잠수형 발전기로부터는 힘이 인가되지 않고, 회전 토크(torque)가 2단의 프로펠러 사이에서 상쇄되어 지주에 작용하지 않으므로, 지주와 잠수형 발전기의 케이싱과의 연결부의 구성을 간소화할 수 있다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 지주의 단면(斷面)은 앞쪽 가장자리를 수류의 상류 측을 향하게 한 유선형이다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 높이 방향으로 나선형의 요철(凹凸)이 지주 외주에 설치되어 있다.

상기 구성에 의해, 카르만 소용돌이의 발생이 억제되고, 카르만 소용돌이로부터 받는 흐름과 직교하는 수직 방향의 힘을 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 잠수형 발전기의 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 잠수형 발전기에 가해지는 부력에 의한 회전 모멘트와 중력에 의한 회전 모멘트와 항력에 의한 회전 모멘트의 합이 영이 되는 회전 모멘트 중심을 나타내는 잠수형 발전기의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 잠수형 발전기를 구비하는 잠수형 발전 시스템의 구조도이다. (a)는 측면도이고, (b)는 (a)의 b-b 화살표를 따른 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 잠수형 발전기를 구비하는 잠수형 발전 시스템의 변형예의 정면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 잠수형 발전기를 구비하는 잠수형 발전 시스템의 다른 변형예의 정면도이다.

본 발명의 실시예에 따른 잠수형 발전기 및 잠수형 발전 시스템을 설명한다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 잠수형 발전기(A)는, 통형의 외축(1a), 축심을 일치시켜 외축(1a)에 내삽(內揷)된 내축(1b), 외축(1a)에 고정된 외측 회전 전기자(2a), 및 내축(1b)에 고정되어 외측 회전 전기자(2a)에 대치하는 내측 회전 전기자(2b)를 가지는 내외 이중 회전 전기자형 발전 기구(3); 외축(1a)에 고정되어 외축(1a) 나아가서는 외측 회전 전기자(2a)를 회전 구동시키는 전단 프로펠러(4a); 도 1에 흰색 화살표로 나타내는 수류의 방향에 대하여 전단(前段) 프로펠러(4a)의 후방에 또한 축심을 일치시켜 전단 프로펠러(4a)에 정렬하여 설치되고, 내축(1b)에 고정되어 내축(1b) 나아가서는 내측 회전 전기자(2b)를 회전 구동시키는 후단(後段) 프로펠러(4b); 및 내외 이중 회전 전기자형 발전 기구(3)를 외부 환경에 대하여 밀폐하여 수용하는 포탄 형상의 케이싱(5)을 구비하고 있다. 전단 프로펠러(4a)와 후단 프로펠러(4b)는, 축심의 연장 방향에 대한 날개의 비틀림 방향이 서로 역방향으로 설정되어 있다. 후단 프로펠러(4b)의 극관성 모멘트는 전단 프로펠러(4a)의 극관성 모멘트보다 작은 값으로 설정되어 있다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 잠수형 발전기(A)가 잠수하여, 도 2에 흰색 화살표로 나타내는 수류 중에 놓일 때, 잠수형 발전기(A)에 작용하는 중력을 W로 하고, 잠수형 발전기(A)에 작용하는 부력을 F로 하고, 잠수형 발전기(A)에 작용하는 항력을 D로 했을 때, W > F가 되도록 구성 기기의 치수 형상과 중량이 설정되어 있다. 또한, 자오면(프로펠러 회전축을 포함하는 연직면)상에서 볼 때, 연직 하방을 향하는 중력(W)과 연직 상방을 향하는 부력(F)과 흐름에 평행한 항력(D)에 의한, 회전 모멘트의 합을 영(零)으로 하는 점인 회전 모멘트 중심이, 케이싱(5)상에 존재하도록, 구성 기기의 치수 형상과 중량이 설정되어 있다. 그리고, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 각 힘(F, W, D)을 각각의 작용점을 지나는 벡터(작용선)로 표시하고, 전단 프로펠러(4a)의 중심으로부터 벡터 F, W까지의 거리를 SF, SW로 하고, 항력(D)의 작용선 상에 회전 모멘트 중심을 취하면, 프로펠러(4a)의 중심에서 축 방향으로 측정한 회전 모멘트 중심(C)까지의 거리(S)는 다음 식으로 부여된다.

S=(W·S_W-F·S_F)/(W-F)

그리고, 회전 모멘트 중심(C)의 위치는 상기 자오면과 평행한 면 상에서 보아도 상기 자오면 상에서 본 위치와 같다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 잠수형 발전기(A)는, 프로펠러 축심 연장 방향에서 볼 때, 좌우 대칭의 두 갈래의 암(6)을, 회전 모멘트 중심(C)을 지나고 자오면과 직교하는 축선(C') 주위에 상대 회전 가능하게 케이싱(5)의 양(兩) 측부에 장착하고, 포탄형 케이싱(5)의 정상부를 돌아드는 길이의 암(6)의 자유단에, 슬립 링(slip ling)(7)을 개재시켜 상대 회전 가능하게, 또한 도 3 (b)로부터 알 수 있는 바와 같이, 항력(D)의 작용선의 연장 방향에서 볼 때 항력(D)의 작용선에 대하여 좌우 대칭으로, 즉 항력(D)의 작용선을 포함하는 연직면과 암(6)의 교점에, 계류 로프(8)의 일단(一端)을 장착하고, 계류 로프(8)의 타단을 해면(海面) 또는 하천 수면 위 또는 해면이나 하천 수면보다 위쪽의 플로트(float)나 교각이나 다리 기둥 등의 구조물(200)에 연결함으로써, 항력(D)에 의해 프로펠러(4a, 4b)를 도 3 (a)에 흰색 화살표로 나타내는 수류의 하류 측으로 자동으로 향하게 하고, 그에 따라 케이싱(5)의 프로펠러(4a, 4b)로부터 이격되는 포탄 정상부 형상의 단부(端部)를 자동으로 수류의 상류 측으로 향하게 하여, 수평으로 수중에 계류되어, 잠수형 발전 시스템(B)을 형성하고 있다.

잠수형 발전기(A) 및 잠수형 발전 시스템(B)의 작동을 설명한다.

축심의 연장 방향에 대한 날개의 비틀림 방향이 서로 역방향으로 설정된 전후단의 프로펠러(4a, 4b)가, 도 3 (a)에 흰색 화살표로 나타내는 수류에 의해 서로 역방향으로 회전하고, 외내축(1a, 1b)을 통해 외내 회전 전기자(2a, 2b)를 서로 역방향으로 회전 구동하여, 발전한다. 발생한 전력은 암(6), 슬립 링(7), 계류 로프(8)와 일체화된 도시하지 않은 케이블을 통해 외부로 인출되고, 플로트 위나 육상의 전기 기기에 공급된다.

잠수형 발전기(A)에 있어서는, 발전 중, 내외 이중 회전 전기자(2b, 2a)에 작용하는 상반 회전 토크는 일치하고, 나아가서는, 내측 회전 전기자(2b)와 그 전기자에 연결된 내축(1b)과 후단 프로펠러(4b)가 형성하는 내측 회전계와, 외측 회전 전기자(2a)와 그 전기자에 연결된 외축(1a)과 전단 프로펠러(4a)가 형성하는 외측 회전계에 작용하는 상반 토크의 크기는, 운동의 제3 법칙으로부터 역학적 및 전자기학적으로 일치하고, 상쇄되므로, 케이싱(5)에는 반작용으로서의 회전 토크는 일체 발생하지 않는다. 그 결과, 본 발명에 따른 잠수형 발전기(A)는, 발전량이나 유속에 관계없이, 케이싱(5)의 프로펠러 축심 주위의 회전을 야기하지 않고, 안정적으로 수중에 계류할 수 있다.

잠수형 발전기(A)에 있어서는, 자오면상에서 볼 때, 수류 중에서 잠수형 발전기(A)에 작용하는 중력(W)과 부력(F)과 항력(D)에 의한 회전 모멘트의 합이 영이되는 회전 모멘트 중심이, 케이싱(5)상에 존재하므로, 회전 모멘트 중심을 지나고 자오면과 직교하는 축선상에서 케이싱(5)을 어떤 수단에 의해 지지함으로써, 잠수형 발전기(A)를 자오면상에서도 안정적으로 수중에 유지할 수 있다.

잠수형 발전기(A)에 있어서는, 발전 기구(3)는 외측 회전 전기자(2a)와 외측 회전 전기자와는 역방향으로 회전하는 내측 회전 전기자(2b)를 가지고, 서로 역방향으로 회전하는 전후 2단의 프로펠러(4a, 4b)가 대치하고 있는 외내(外內) 회전 전기자(2a, 2b)를 서로 역방향으로 회전 구동하므로, 프로펠러(4a, 4b)의 회전 속도의 상승을 억제하면서 외내 회전 전기자(2a, 2b)의 상대 회전 속도를 상승시켜, 회전 전기자(2a, 2b)가 자계를 자르는 속도를 상승시킬 수 있고, 그 결과, 증속 기어나 풀리 기구의 설치 등에 의한 대형화를 초래하지 않고 종래의 잠수형 발전기에 비해 고기전압, 고효율을 얻을 수 있다. 다른 한편, 회전 전기자(2a, 2b)가 자계를 자르는 속도가 종래의 잠수형 발전기에 비해 크기 때문에, 기전압을 종래의 잠수형 발전기와 동등하게 하는 경우에는, 전기자(2a, 2b)의 권선수의 저감이나, 동기 발전기의 전기자를 형성하는 영구 자석의 소형화나, 전기자의 회전 반경의 저감 등에 의해, 종래의 잠수형 발전기에 비해 발전기를 소형화할 수 있다. 프로펠러(4a, 4b)의 회전 속도를 저하시켜 캐비테이션을 방지할 수도 있다.

후단 프로펠러(4b)의 극관성 모멘트는 전단 프로펠러(4a)의 극관성 모멘트보다 작은 값으로 설정되어 있으므로, 수류 중에서의 후단 프로펠러(4b)의 기동이 촉진되고, 나아가서는 발전기(A)의 기동이 촉진된다.

잠수형 발전 시스템(B)에 있어서는, 항력(D)의 작용선 상에 회전 모멘트 중심을 취하여, 회전 모멘트 중심(C)을 지나고 자오면과 직교하는 축선(C') 주위에 회전 가능하게 케이싱(5)의 양 측부를 지지하였으므로, 발전량이나 유속에 의하지 않고 잠수형 발전기(A)를 수평 상태로 유지할 수 있다.

잠수형 발전 시스템(B)에 있어서는, 잠수형 발전기(A)는, 회전 모멘트 중심(C)을 지나고 자오면과 직교하는 축선(C') 주위에 상대 회전 가능하게 케이싱(5)에 장착된 계류 로프(8)를 개재시켜 수중에 계류되므로, 발전량이나 유속에 관계없이 안정적으로 수중에 유지된다. 계류 로프(8)는, 항력(D)의 작용선의 연장 방향에서 볼 때 항력(D)의 작용선에 대하여 좌우 대칭으로, 케이싱(5)에 장착되므로, 즉 하나의 계류 로프(8)와 항력(D)의 작용선이 동일 연직면에 포함되므로, 잠수형 발전기(A)는 항력(D)에 의해 좌우 방향의 와블링을 야기하지 않고 안정적으로 수중에 유지된다.

잠수형 발전 시스템(B)에 있어서는, 두 갈래의 암(6)을 회전 모멘트 중심(C)을 지나고 자오면과 직교하는 축선(C') 주위에 상대 회전 가능하게 케이싱(5)에 장착하고, 암(6)의 자유단에 슬립 링(7)을 개재시켜 상대 회전 가능하게 또한 항력(D)의 작용선의 연장 방향에서 볼 때 항력(D)의 작용선에 대하여 좌우 대칭으로, 즉, 항력(D)의 작용선을 포함하는 연직면과 암(6)의 교점에서, 계류 로프(8)를 장착함으로써, 발전량이나 유속에 관계없이 하나의 계류 로프(8)로 안정적으로 발전기(A)를 수중에 유지할 수 있다. 암(6)을 포탄형 케이싱(5)의 정상부를 돌아드는 길이로 하여, 슬립 링(7)과 케이싱(5)과의 간섭을 방지함으로써, 발전기(A)의 유지를 더욱 안정화할 수 있다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않는다.

회전 모멘트 중심(C)을 지나고 자오면과 직교하는 축선(C') 주위에 회전 가능하게, 케이싱(5)의 양 측부에, 또한 항력(D)의 작용선의 연장 방향에서 볼 때 항력(D)의 작용선에 대하여 좌우 대칭 위치에, 한 쌍의 계류 로프(8)를 장착하고, 상기 한 쌍의 계류 로프(8)를 개재시켜, 잠수형 발전기(A)를 수중에 계류해도 된다.

유니버설 조인트(universal joint)를 개재시켜 상대 선회 가능하게 암(6)의 자유단에 계류 로프(8)를 장착해도 된다.

복수의 계류 로프(8)를 암(6)에 장착해도 된다. 이 경우, 계류 로프(8)의 일단을 암(6)의 자유단에 장착하는 위치는, 항력(D)의 작용선의 연장 방향에서 볼 때 항력(D)의 작용선에 대하여 좌우 대칭으로 설치하는 것이 바람직하다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 두 갈래의 암(6)의 자유단의 프로펠러(4a, 4b) 방향으로의 요동을 규제하는 스토퍼(9)를 케이싱(5)에 장착해도 된다.

두 갈래의 암(6)의 자유단의 프로펠러(4a, 4b) 방향으로의 요동을 적정 값으로 규제함으로써, 그 자유단에 장착된 계류 로프(8)가 프로펠러(4a, 4b)와 간섭하는 것을 용이하게 방지할 수 있다.

도 2에 실선으로 나타낸 바와 같이, 중력(W)의 작용선이 부력(F)의 작용선보다 하류 측에 위치하는 경우에, 회전 모멘트 중심(C)은 중력(W)의 작용선보다 더욱 하류 측에 위치하게 되므로, 계류 로프(8)가 프로펠러(4a, 4b)로부터 가까워지지만, 회전 모멘트 중심(C)에서 프로펠러(4a, 4b)까지의 거리를 길게 설정하고, 또는 스토퍼(9)의 위치를 적정하게 함으로써, 계류 로프(8)와 프로펠러(4a, 4b)와의 간섭을 방지할 수 있다.

도 2에 이점 쇄선의 화살표로 표시한 바와 같이, 중력(W)의 작용선을 부력(F)의 작용선보다 상류 측에 위치시키면, 회전 모멘트 중심(C_L)은 중력(W)의 작용선보다 더욱 상류 측에 위치하므로, 계류 로프(8)가 프로펠러(4a, 4b)로부터 멀어져, 계류 로프(8)와 프로펠러(4a, 4b)와의 간섭이 유속에 관계없이 효과적으로 방지된다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 두 갈래의 암(6')을 회전 모멘트 중심(C)을 지나고 자오면과 직교하는 축선(C') 주위에 상대 회전 가능하게 케이싱(5)에 장착하고, 해저나 하저(100)에 고정되어 위쪽으로 연장되는 지주(10)에 의해, 상하 축선 주위에 회전 가능하게 암(6')의 기부(基部)를 지지해도 되고, 또는 도 5에 나타낸 바와 같이, 두 갈래의 암(6')을, 회전 모멘트 중심(C)을 지나고 자오면과 직교하는 축선(C') 주위에 상대 회전 가능하게 케이싱(5)에 장착하고, 수면 위 또는 수면보다 위쪽의 플로트(200)나 다리 기등 등의 구조물(200)로부터 아래쪽으로 연장되는 지주(10)에 의해, 상하 축선 주위에 회전 가능하게 암(6')의 기부를 지지해도 된다. 상기한 잠수형 발전 시스템에 있어서는, 잠수형 발전기(A)의 중력(W)과 부력(F)의 차분의 아래 방향의 힘과, 그 힘과 직교하는 흐름 방향의 항력(D) 이외에는, 잠수형 발전기(A)로부터 지주(10)에 힘이 인가되지 않고, 또 흐름의 속도가 비교적 큰 경우에는, 상기 두 개의 힘에 더해, 항력에 비해 작은 것인 카르만 소용돌이에 의한 흐름과 직교하는 수직 방향의 힘 이외에는 잠수형 발전기(A)로부터 지주(10)에 힘이 인가되지 않고, 회전 토크가 2단의 프로펠러(4a, 4b) 사이에서 상쇄되어 지주에 작용하지 않으므로, 지주(10)와 잠수형 발전기(A)의 케이싱(5)과의 연결부의 구성을 간소화할 수 있다. 또한, 구조물(200)이 플로트(200)인 경우, 그 플로트의 계류도 용이하다. 상하 축선 주위에 회전 가능하게 암(6')의 기부를 지지함으로써, 잠수형 발전기(A)를 수류에 따르게 할 수 있다.

지주(10)를 신축(伸縮) 가능하게 함으로써, 수심 방향의 최적 위치에 잠수형 발전기(A)를 위치 결정할 수 있다.

지주(10)의 단면(斷面)을, 앞 가장자리를 수류의 상류 측을 향하게 한 유선형으로 함으로써, 또는 높이 방향으로 나선형의 요철을 지주(10)의 외주에 설치함으로써, 카르만 소용돌이의 발생을 억제하고, 카르만 소용돌이로부터 받는 수직 방향의 힘을 감소시킬 수 있다.

[산업상의 이용 가능성]

본 발명은 해양, 하천을 불문하고 잠수형 발전기 및 잠수형 발전 시스템에 널리 이용 가능하다.

A: 잠수형 발전기
B: 잠수형 발전 시스템
C, C_L: 회전 모멘트 중심
C': 축선
1a: 외축
1b: 내축
2a: 외측 회전 전기자
2b: 내측 회전 전기자
3: 발전 기구
4a: 전단 프로펠러
4b: 후단 프로펠러
5: 케이싱
6, 6': 암
7: 슬립 링
8: 계류 로프
9: 스토퍼
10: 지주
100: 해저나 하저
200: 구조물

Claims

상대 회전하는 내외(內外) 전기자, 내외 전기자를 상대 회전 구동하는 프로펠러, 및 전기자를 수용하는 케이싱을 포함하는 잠수형 발전기로서,
외측 회전 전기자와, 상기 외측 회전 전기자에 대치하고 상기 외측 회전 전기자와는 역방향으로 회전하는 내측 회전 전기자를 포함하는 내외 이중 회전 전기자형 발전 기구; 및
축심을 일치시켜 설치되고 축심의 연장 방향에 대한 날개의 비틀림 방향이 서로 역방향인 1세트의 프로펠러
를 포함하고,
상기 1세트의 프로펠러의 한쪽은 상기 내외측의 회전 전기자의 한쪽에, 상기 1세트의 프로펠러의 다른 쪽은 상기 내외측의 회전 전기자의 다른 쪽에, 각각 연결되어 있고,
상기 내외 이중 회전 전기자형 발전 기구를 외부 환경에 대하여 밀폐하여 수용하는 케이싱을 포함하고,
잠수 상태로 수류 중에 놓여 가동되며,
가동 시에 잠수형 발전기에 작용하는 중력(W)은 잠수형 발전기에 작용하는 부력(F)보다 크고, 자오면(子午面)(프로펠러 회전축을 포함하는 연직면(鉛直面))상에서 볼 때, 잠수형 발전기에 작용하는 상기 중력(W)과 상기 부력(F)과 수류 중에서 잠수형 발전기에 작용하는 항력(D)에 의한 회전 모멘트의 합이 영이 되는 회전 모멘트 중심이, 케이싱상에 존재하는,
잠수형 발전기.
제1항에 있어서,
잠수형 발전기에 작용하는 항력(D)의 작용선상에 회전 모멘트 중심이 위치결정되고, 상기 회전 모멘트 중심을 지나고 자오면과 직교하는 축선상에 케이싱이 상기 축선 주위에 회전 가능하게 지지되어 있는, 잠수형 발진기.
제1항 또는 제2항에 기재된 잠수형 발전기가, 회전 모멘트 중심을 지나고 자오면과 직교하는 축선 주위에 상대 회전 가능하게 케이싱에 장착된 하나 이상의 계류 로프를 개재시켜 수중에 계류되어 있는 잠수형 발전 시스템.
제3항에 있어서,
상기 계류 로프는, 항력(D)의 작용선의 연장 방향에서 볼 때 항력(D)의 작용선에 대해 좌우 대칭으로, 케이싱에 장착되어 있는, 잠수형 발전 시스템.
제4항에 있어서,
두 갈래의 암(arm)이 회전 모멘트 중심을 지나고 자오면과 직교하는 축선 주위에 상대 회전 가능하게 케이싱에 장착되고,
상기 계류 로프가 상대 회전 가능하게 또는 상대 선회 가능하게(pivotally) 암에 장착되어 있는, 잠수형 발전 시스템.
제5항에 있어서,
상기 계류 로프는, 항력(D)의 작용선의 연장 방향에서 볼 때 항력(D)의 작용선에 대하여 좌우 대칭으로, 암에 장착되어 있는, 잠수형 발전 시스템.
제5항 또는 제6항에 있어서,
두 갈래의 암의 자유단(自由端)의 프로펠러 방향으로의 요동을 규제하는 스토퍼가 케이싱에 장착되어 있는, 잠수형 발전 시스템.
제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
두 갈래의 암은, 케이싱의 수류 방향 상류단을 돌아드는 길이를 가지는, 잠수형 발전 시스템.
제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
잠수형 발전기에 작용하는 상기 중력(W)이 부력(F)보다 상류 측에 위치하는, 잠수형 발전 시스템.
제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
잠수형 발전기에 작용하는 상기 중력(W)이 부력(F)보다 하류 측에 위치하는, 잠수형 발전 시스템.
제1항 또는 제2항에 기재된 잠수형 발전기가, 회전 모멘트 중심을 지나고 자오면과 직교하는 축선상에서, 해저(海底)나 하저(河底)에 고정되어 위쪽으로 연장되는 지주에 의해 지지되어 있는, 잠수형 발전 시스템.
제1항 또는 제2항에 기재된 잠수형 발전기가, 회전 모멘트 중심을 지나고 자오면과 직교하는 축선상에서, 수면 위 또는 수면보다 위쪽의 구조물로부터 아래쪽으로 연장되는 지주에 의해 지지되어 있는, 잠수형 발전 시스템.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 지주의 단면(斷面)은 앞쪽 가장자리를 수류의 상류 측을 향하게 한 유선형인, 잠수형 발전 시스템.
제11항 또는 제12항에 있어서,
높이 방향으로 나선형의 요철(凹凸)이 상기 지주의 외주에 설치되어 있는, 잠수형 발전 시스템.