KR20160147329A - 블레이드 가변형 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기나 조류 등과 같은 유동성을 갖는 유체에너지를 기계적 에너지로 변환시킬 수 있도록 하는 터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유속(流速)에 의해 회동이 가능하도록 하는 회동축의 원주방향을 따라 다수의 아암을 구비하고 상기 아암의 단부에 바람이나 조류 등의 유체에너지를 받아 회동축을 회전시키는 블레이드를 설치하되 유체에너지가 블레이드를 가압(부딪히는)하는 면적을 유체의 속도에 따라 가변시킬 수 있도록 구성하여, 유체의 속도가 저속에서는 물론 고속에서도 회동축의 작동이 가능하도록 함으로써 발전효율을 획기적으로 향상시킬 수 있도록 하는 블레이드 가변형 터빈에 관한 것이다.

Description

블레이드 가변형 터빈{A Blade Variable Turbine}

본 발명은 공기나 조류 등과 같은 유동성을 갖는 유체에너지를 기계적 에너지로 변환시킬 수 있도록 하는 터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유속(流速)에 의해 회동이 가능하도록 하는 회동축의 원주방향을 따라 다수의 아암을 구비하고 상기 아암의 단부에 조류 등의 유체에너지를 받아 회동축을 회전시키는 블레이드를 설치하되 유체에너지가 블레이드를 가압(부딪히는)하는 면적을 유체의 속도에 따라 가변시킬 수 있도록 구성하여, 유체의 속도가 저속에서는 물론 고속에서도 회동축의 작동이 가능하도록 함으로써 발전효율을 획기적으로 향상시킬 수 있도록 하는 블레이드 가변형 터빈에 관한 것이다.

일반적으로, 터빈은 공기나 물, 가스, 증기 등의 유체가 가지는 에너지를 유용한 기계적 일로 변환시키는 기계 또는 장치로, 본 발명의 기술 분야와 관련된 터빈은 바람, 조류(유수) 등과 같은 유체의 흐름 에너지를 전기 에너지로 전환시키기 위한 장치와 관련된다.

이와 관계된 터빈은 현재 풍력 발전뿐만 아니라 조수 간만의 차를 이용한 조력 발전, 조류를 이용한 조류 발전 등에 이용되고 있다.

그동안, 터빈은 소정의 유체 유량 및 속도에 대하여 최대한의 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 방향으로 연구되어 왔으며, 현재에도 이러한 방향으로 연구되고 있다.

종래의 터빈은 유체 흐름의 수직 축을 갖는 형태(cross-flow type)의 터빈이 개발되었다. 이러한 수직 축 형태의 터빈은 다리우스(Darrieus)에 의해 공기역학적 날개 단면을 갖는 터빈이 널리 공지되어 있다.

이와 같은 종래의 수직형 풍력 발전기의 개략적인 구성은 블레이드와 이를 연결하는 암(arm)형태의 블레이드 지지대, 상기 지지대를 고정하는 고정중심축 및 상기 중심축에 연결하는 마스트(mast) 형태의 회전축을 포함하여 구성되고, 상기 회전축에 벨트나 기어박스로 연결하여 설치되는 전기발전기로 이루어진다.

이와 같은 다리우스(Darrieus) 터빈은 수직축 터빈에서 효율이 가장 높으나 자기기동(self-starting)을 못하여 소형 모터를 기동하기 위해 장착하거나 사보니우스(Savonius) 터빈을 같이 부착해야 한다.

또한 종래의 조류(수류)를 이용한 발전장치는 크게 회전축의 방향에 따라 수직축과 수평축으로 분류하고 있으며 조류발전의 방식은 수차를 이용하여 조류의 운동에너지를 회전에너지로 변환하는 발전기에 의한 방식과 페러데이의 전자유도 법칙에 의해 기계적 가동부분 없이 유체의 에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 전자유체발전에 의한 방식이 있다.

이러한 조류(수류)를 이용한 발전 터빈은 풍력 터빈과 동일하며 밀도차만 공기와 물과의 차이가 있고 계산식이나 효율 등은 동일하므로 종래의 풍력 터빈에 의거하여 개발할 수 있다.

KR 10-2006-0014267 (공개번호) 2006.02.15. KR 10-1263957 (등록번호) 2013.05.07. KR 10-1104038 (등록번호) 2012.01.02.

상기와 같은 종래의 수직축 터빈인 다리우스터빈은 고속의 풍력이나 조류에서 작동할 수 있으며 프로펠러 타입이 가장 효율이 높으나 저속에서 작동하지 않는 단점이 있다.

반면에, 사보니우스 터빈은 저속에서 작동할 수 있으나 효율이 낮다는 단점이 있다.

즉, 다리우스터빈은 효율이 높으나 저유속에서 자기기동(self-starting)을 못하는 단점이 있고, 사보니우스터빈은 저유속에서 자기기동이 가능하나 고유속에서 효율이 급격히 떨어지는 단점이 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로,

유속에 의해 회동이 가능하도록 하는 회동중심축의 원주방향을 따라 다수의 아암을 구비하고 상기 아암의 단부에 조류 등의 유체에너지를 받아 회동중심축을 회전시키는 블레이드를 설치하되, 유체에너지가 블레이드를 가압(부딪히는)하는 면적을 유체의 속도에 따라 가변시킬 수 있도록 가변형 블레이드를 설치 구성하여, 유체의 속도가 저속에서는 물론 고속에서도 블레이드가 작동되면서 회동중심축의 구동이 가능하도록 하는 블레이드 가변형 터빈을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 저유속에서 자기기동이 가능하도록 하면서 고유속에서도 효율이 높은 가변형 터빈을 개발하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 수력으로 회전력을 일으키는 블레이드가 구비되는 터빈에 있어서,

양측 지지대의 사이에 수평으로 설치되어 고정되는 고정중심축과, 상기 고정중심축의 외측으로 삽입 설치되면서 회전 가능한 원통형상의 허브회동축, 상기 허브회동축의 내부에 구비되고 상기 고정중심축에 고정 설치되면서 그 내부면에 캠형통로가 형성된 디스크드럼, 상기 디스크드럼에 형성되는 상기 캠형통로를 따라 회전될 수 있도록 일단부가 삽설되는 작동아암, 상기 허브회동축의 고정 설치되어 상기 허브회동축과 함께 회동되는 허브회동지지대, 및 상기 작동아암 및 상기 허브회동지지대에 연결 설치되어 수력을 받아 상기 허브회동축을 회전시킬 수 있도록 하는 수류블레이드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

따라서 본 발명에 따른 블레이드 가변형 터빈은 수류나 조류 등의 유체 속도가 저속에서도 자기기동이 가능하고 고속에서도 높은 효율을 얻을 수 있어 발전 효율이 획기적으로 향상되는 효과가 있다.

또한 본 발명은 구성이 간단하고 설치가 쉬워 경제성이 높고 활용성이 크다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 블레이드 가변형 터빈의 수평형 수류터빈의 개략적인 사시상태도이고,
도 2는 본 발명에 따른 블레이드 가변형 터빈의 수평형 수류터빈의 개략적인 상태단면도이고,
도 3은 본 발명에 따른 수평형 수류터빈의 블레이드가 수중과 수상에서 가변되면서 작동되는 개략적인 상태단면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다.

본 발명에 따른 수류 블레이드 가변형 터빈(200)은 도 1 내지 도 3에 도시되어 있는 바와 같이,

양측 지지대(211)의 사이에 수평으로 설치되어 고정되는 고정중심축(210)과,

상기 고정중심축(210)의 외측으로 삽입 설치되면서 회전이 가능하도록 하는 원통형상의 허브회동축(220),

상기 허브회동축(220)의 중간 내부에 구비되고 상기 고정중심축(210)에 고정 설치되면서 그 내부면에 캠형통로(231)가 형성된 디스크드럼(230),

상기 디스크드럼(230)에 형성되는 상기 캠형통로(231)를 따라 회전될 수 있도록 일단부가 삽설되는 작동아암(240),

상기 허브회동축(220)의 양측에 고정 설치되어 상기 허브회동축(220)과 함께 회동되는 허브회동지지대(250), 및

상기 작동아암(240)가 일측 모서리부에 회동가능하도록 연결 설치되고 상기 허브회동지지대(250)가 양측 단면부에 회동가능하도록 연결 설치되어 수력을 받아 상기 허브회동축(220)을 회전시킬 수 있도록 하는 수류블레이드(260)를 포함하여 구성된다.

여기서 상기 수류블레이드(260)는 조류나 수류의 힘에 의해 회전되게 된다.

그리고 상기 수류블레이드(260)는 상기 작동아암(240)과 상기 허브회동지지대(250)의 길이방향을 따라 다단으로 연결 설치된다.

따라서 상기 수류블레이드(260)가 회전하게 되면 그 양측면에 연결된 상기 허브회동지지대(250)에 의해 상기 허브회동축(220)이 회전되게 된다.

그리고 상기 허브회동축(220)에는 전기를 생성할 수 있는 발전장치(G)가 연결 설치되어 있어 상기 허브회동축(220)이 회전함으로써 상기 발전장치(G)에 의해 발전이 이루어지게 된다.

여기서 상기 발전장치(G)는 증속기, 발전기, 배터리 등과 그 부속장치 등으로 구성되어 있고 이는 통상적인 기술자가 용이하게 설치 구성할 수 있는 것으로 상세 설명은 생략한다.

그리고 상기 디스크드럼(230)은 상기 고정중심축(210)에 고정되어 있고 그 내부의 양측면에 원주면을 따라 상기 캠형통로(231)가 형성되면서 상기 작동아암(240)이 삽설되어 회전되도록 구성되되, 상기 캠형통로(231)는 반경이 r1인 하반부통로(231a)와 반경이 r2인 상반부통로(231b)로 구획되어 형성되어 있고 상기 하반부통로(231a)는 수면하에 위치되도록 하면서 상기 상반부통로(231b)는 수면상으로 위치되도록 구성되어 있으며, 상기 하반부통로(231a)의 반경 r1은 상기 상반부통로(231b)의 반경 r2 보다 작게 형성되는 구조로 되어 있다.

따라서 상기 작동아암(240)이 수중에 있을 때에는 상기 고정중심축(210) 쪽으로 가깝게 접근하게 되고, 반대로 상기 작동아암(240)이 수중 밖에 있을 때에는 상기 고정중심축(210)으로부터 멀어지게 된다.

여기서 상기 하반부통로(231a)의 반경 r1이나 상기 상반부통로(231b)의 반경 r2는 각각 그 길이(반경)가 일정하지 않게 구성될 수 있다.

그리고 상기 수류블레이드(260)는 상기 작동아암(240)과 일측 모서리부에 아암힌지(261)로 연결되고 상기 허브회동지지대(250)와는 양측면에서 회동힌지(262)로 연결 설치되어 있다.

따라서 상기 수류블레이드(260)가 수력을 받으면서 상기 작동아암(240)이 수중에서 수상으로 360도 회전될 때 가변이 가능하게 된다.

그리고 상기 허브회동지지대(250)의 끝단부에는 이들의 지지력을 높일 수 있도록 서로 연결 고정되는 가로프레임(251)이 설치되어 있다.

이와 같이 구성된 상기 수류블레이드 가변형 터빈(200)은 수중에서는 상기 수류블레이드(260)가 가변되면서 수력을 받는 힘이 커지도록 함으로써 수력이 약한 곳에서도 회전이 가능하게 된다.

그리고 상기 수류블레이드 가변형 터빈(200)은 상기 허브회동축(220)이 회전하면서 하반부는 수중에 위치하게 되고 상반부는 수면위에 위치되도록 구성된다.

이는 상기 허브회동축(220)을 수평으로 하여 수면상이나 수면하 가까이 설치함으로써 이루어지게 된다.

이와 같이 구성된 수류블레이드 가변형 수류터빈(200)은 상기 수류블레이드(260)가 수면위에 위치하게 될 때에는 다단의 상기 수류블레이드(260)에 받는 풍력이 최소화가 될 수 있게 되고, 반대로 상기 수류블레이드(260)가 수면 아래에 위치하게 될 때에는 다단의 상기 수류블레이드(260)에 받는 수력이 최대화가 될 수 있게 된다.

따라서 수력에 의해 상기 허브회동축(210)의 회전 효율이 향상될 수 있게 된다.

그리고 상기 허브회동축(210)에는 상기 수류블레이드(260)가 원주 방향으로 다수 조(租)가 설치되는 것이 좋으며, 설치각은 120도 간격으로 설치되는 것이 바람직하다.

도 2와 3에 도시된 바와 같이, 상기 작동아암(240)이 상기 캠형통로(231)의 상기 하반부통로(231a)측에 오게 되면, 상기 작동아암(240)이 화살표 방향으로 당겨지면서 짧아지게 되고 이로 인해 상기 수류블레이드(260)가 회전되면서 수류의 유입방향에 대향되도록 가변되어 수력을 많이 받아 회전력이 커지게 된다.

반대로 상기 작동아암(240)이 상기 캠형통로(231)의 상반부통로(231b)측에 오게 되면, 즉 수면 위로 올라오게 되면, 상기 작동아암(240)이 화살표 방향으로 밀려지면서 길어지게 되고 이로 인해 상기 수류블레이드(260)가 회전되면서 풍력의 유입방향에 편승하게 되도록 가변되어 풍력을 최소한으로 받아 저항력이 작아지게 된다.

따라서 상기 수류블레이드(260)가 수중에 위치하게 되는 동안 수력을 많아 받으면서 회전됨으로써 발전효율이 향상되게 된다.

이상과 같이 본 발명에 다른 블레이드 가변형 터빈은 유속(流速)에 의해 회동이 가능하도록 하는 회동축의 원주방향을 따라 다수의 아암을 구비하고 상기 아암의 단부에 수류나 조류 등의 유체에너지를 받아 회동축을 회전시키는 블레이드를 설치하되 유체에너지가 블레이드를 가압(부딪히는)하는 면적을 유체의 속도에 따라 가변시킬 수 있도록 구성하여, 회동축이 유체의 속도가 저속에서는 물론 고속에서도 작동이 가능하도록 함으로써 발전효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

200:블레이드 가변형 터빈
210:고정중심축 211:지지대
220:허브회동축
230:디스크드럼
231:캠형통로 231a:하반부통로 231b:상반부통로
240:작동아암 250:허브회동지지대 251:가로프레임
260:수류블레이드 261:아암힌지 262:회동힌지

Claims (5)

1. 수력으로 회전력을 일으키는 블레이드가 구비되는 터빈에 있어서,
   양측 지지대의 사이에 수평으로 설치되어 고정되는 고정중심축과,
   상기 고정중심축의 외측으로 삽입 설치되면서 회전 가능한 원통형상의 허브회동축,
   상기 허브회동축의 내부에 구비되고 상기 고정중심축에 고정 설치되면서 그 내부면에 캠형통로가 형성된 디스크드럼,
   상기 디스크드럼에 형성되는 상기 캠형통로를 따라 회전될 수 있도록 일단부가 삽설되는 작동아암,
   상기 허브회동축의 고정 설치되어 상기 허브회동축과 함께 회동되는 허브회동지지대, 및
   상기 작동아암 및 상기 허브회동지지대에 연결 설치되어 수력을 받아 상기 허브회동축을 회전시킬 수 있도록 하는 수류블레이드를 포함하여 구성되는 블레이드 가변형 터빈.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 디스크드럼은 상기 고정중심축에 고정되어 있고 그 내부의 양측면에 원주면을 따라 상기 캠형통로가 형성되면서 상기 작동아암의 단부가 삽설되어 회전되도록 구성되되, 상기 캠형통로는 하반부통로의 반경과 상반부통로의 반경이 서로 다른 블레이드 가변형 터빈.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 수류블레이드는 상기 작동아암과 상기 허브회동지지대의 길이방향을 따라 다단으로 연결 설치되는 블레이드 가변형 터빈.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 수류블레이드는 일측 모서리부에 아암힌지가 구비되어 상기 작동아암과 결합되고, 양측면에 회동힌지가 구비되어 상기 허브회동지지대와 결합되는 블레이드 가변형 터빈.
   
5. 제2항에 있어서,
   상기 하반부통로의 반경이 상기 상반부통로의 반경보다 작게 형성되는 블레이드 가변형 터빈.

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