KR20170011063A - 윙팁을 포함하는 덕트형 수차 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원통 내지 다각형 기둥형상의 유체가 통과할 수 있는 덕트형의 몸체; 상기 몸체에서 상기 유체가 유출되는 출구 내부에 설치되어 유체의 흐름에 의해 회전하는 프로펠러;및 상기 몸체에서 상기 유체가 유입되는 입구 내부에 형성되는 복수개의 돌기로 이루어진 윙팁을 포함하는 덕트형 수차에 관한 것으로, 덕트형 수차의 내부에 흐르는 유체의 흐름에서 회전속도를 증가시켜, 수차의 효율이 증가하도록 하는 효과가 있다.

Description

윙팁을 포함하는 덕트형 수차{Duct type propeller water-turbine including a wing tip}

본 발명은 덕트형 수차에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 윙팁을 포함하여 성능을 향상시킨 덕트형 수차에 관한 것이다.

수차는 강물의 흐름이나 바다의 조류가 발생하는 지역 또는 너울등의 물의 흐름에 의한 에너지를 회전 운동에너지로 바꾸는 장치이다.

덕트형 수차는 원통형 내지 다각형상의 공기나 유체가 흐를수 있는 통로 및 구조물로 된 덕트의 내부에 회전 프로펠러를 설치하여, 유체의 흐름에 의한 에너지를 운동에너지로 변환하도록 한 장치이다.

도 1은 종래의 덕트형 수차의 형상을 나타낸 단면도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 종래의 덕트형 수차는 유속을 증가시키기 위해 입구에서 출구 쪽으로 갈수록 반경이 좁아지는 형상의 몸체(10)와, 몸체의 출구방향의 내부에 프로펠러(20)를 포함한다.

이러한 종래의 덕트형 수차는 몸체(10)의 반경을 달리하여 유속이 증가하도록 하였으며, 이러한 덕트형 수차를 유속이 느린 강물등에 설치하였다. 그러나, 이러한 덕트형 수차의 몸체(10)의 형상으로 인한 유속의 변화가 미비하여, 덕트형 수차를 이용한 발전 효율이 매우 낮은 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 덕트형 수차 내부를 지나는 유체의 유속을 증가시켜 성능을 향상시킬 수 있는 윙팁을 포함하는 덕트형 수차를 제공하는 것이다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 덕트형 수차는 원통 내지 다각형 기둥형상의 유체가 통과할 수 있는 덕트형의 몸체; 상기 몸체에서 상기 유체가 유출되는 출구 내부에 설치되어 유체의 흐름에 의해 회전하는 프로펠러;및 상기 몸체에서 상기 유체가 유입되는 입구 내부에 형성되는 복수개의 돌기로 이루어진 윙팁을 포함한다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 상기 윙팁은, 판 형상 또는 익형이며, 유체의 흐름 방향에 대해 5 내지 10°기울어지는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 상기 윙팁은, 4개의 돌기로 이루어지며, 상기 몸체의 내부에 일정 간격으로 형성된 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명은, 덕트형 수차의 내부에 흐르는 유체의 흐름에서 회전속도를 증가시켜, 수차의 효율이 증가하도록 하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 덕트형 수차의 형상을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 윙팁을 포함하는 덕트형 수차의 사시도이며, 도3은 본 발명의 일실시예에 따른 윙팁을 포함하는 덕트형 수차의 단면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 윙팁을 포함하는 덕트형 수차의 사시도와 단면도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 윙팁을 포함하는 덕트형 수차의 사시도와 단면도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나, 또는 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나, '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함한다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 윙팁을 포함하는 덕트형 수차의 사시도이며, 도3은 본 발명의 일실시예에 따른 윙팁을 포함하는 덕트형 수차의 단면도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 윙팁을 포함하는 덕트형 수차는 몸체(10), 프로펠러(20) 및 복수 개의 윙팁(30)을 포함한다.

몸체(10)는 원통형상 내지 다각형의 기둥형상일 수 있으며, 내부에 유체가 흐를 수 있는 형상이다. 몸체(10)는 내부를 흐르는 유체의 유속을 증가시키기 위해, 유체가 들어오는 입구부분이 유체가 나가는 출구 부분보다 넓게 형성한다.

즉, 몸체(10)는 입구부분에서 출구부분으로 갈수록 그 폭이 좁아지는 형상을 하기 때문에, 유체의 흐름이 빨라지며, 출구에 있는 프로펠러(20)를 지나갈 때 유체의 속도가 증가되었기 때문에 프로펠러(20)의 회전속도를 증가시킨다.

프로펠러(20)는 몸체 내부에 유체의 흐름에 대면할 수 있도록 유체의 흐름과 수직 형성된다. 프로펠러(20)는 유체의 흐름에 의해 회전하여 회전에너지를 발생시킨다.

윙팁(30)은 몸체(10)의 입구측 내부에 형성된다. 윙팁(30)은 몸체(10)의 입구측 내부에 형성된 돌기 형상으로, 판형 내지 익형(airfoil)일 수 있다. 윙팁(30)은 몸체(10) 내부에 일정 간격으로 복수 개로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 4개가 서로 대향되도록 형성될 수 있다.

윙팁(30)은 유체의 흐름 방향과 약 5°기울어지게 형성될 수 있으며, 이 경우 유체의 흐름을 가장 빠르게 할 수 있다.

덕트형수차의 성능은 아래의 Euler 식으로 표현이 될 수 있다.

즉, 수차의 성능은 회전 성분에 의해 결정된다. 본 발명의 윙팁을 포함하는 덕트형 수차는 윙팁(30)을 이용하여 입구에서 회전성분을 극대화할 수 있다.

수차의 몸체(10)는 물이 유입되는 유입부와 유출부의 반경이 상이하다. 일반적으로 수차는 입구의 반경이 출구보다 크다. 이때 수차를 지나는 유체의 속도는 각운동량 방정식에 의해 확인될 수 있으며, 입구와 출구를 제외하고 몸체(10)를 통한 유체의 유출입이 없으므로 유체의 운동량은 아래와 같은 식으로 확인될 수 있다.

위 식에서 첫 번째 벡터곱은 회전성분을 나타내며 두 번째 스칼라곱은 면을 통과하는 유량을 나타낸다. 그러므로 다음과 같이 회전성분과 평균유속으로 1차원적인 아래와 같은 식으로 표현이 가능하다.

물의 회전(일반적인 유체의 회전)은 회전중심에서 속도가 빠르며 외부로 갈수록 느려지는 자유와의 형식을 띄게 된다. 이를 수학적으로 표현하면 다음과 같이 된다.

수학식3을 수학식2에 대입하고 입구와 출구에 대해 적분하면 수학식4와 같다.

여기서,

는 시간당 입구와 출구를 통화하는 질량유량(

)을 나타낸다. 또한, 수차의 몸체(10)내에서는 질량이 생성되거나 없어지지 않기 때문에 입구에서와 출구에서의 질량유량은 서로 일치해야 한다. 그러므로 위의 식은 더욱 간단하게 변형이 가능하다.

즉 수학식 7은 입출구에서 C의 값이 서로 일치해야 함을 나타낸다. 입구에서 출구까지 나가는 스트림라인(stream line)은 아래에 나타난 바와 같으며, 스트림라인은 서로 얽히지 않기 때문에 입구의 r₁으로 들어온 물은 스트림을 따라서 r₂인 곳으로 빠져나가게 된다. 스트림을 따르는 물의 흐름에 대해서 수학식3과 수학식7을 적용하면 다음과 같이 된다.

여기서 r₁＞r₂가 되므로, 회전 성분이 증가하게 된다.

이때, 입구에서 회전성분이 없는 유체가 유입되면,

가 되어 회전의 증가가 전혀 없게 된다.

본 발명의 윙팁을 포함하는 덕트형 수차는 윙팁(30)을 포함하여, 유입되는 유체에 회전성분을 만들어줄 수 있다.

이 때, 윙팁(30)의 크기를 수차의 입구 반경에 대하여, 8 내지 10%의 크기로 하는 것이 바람직하며, 수차의 프로펠러(20) 회전방향에 따라 윙팁(30)의 각도를 결정할 수 있다. 윙팁(30)의 크기와 갯수는 몸체(10)의 크기에 따라 달리하며, 몸체(10)의 길이가 길면 윙팁(30)의 길이도 길게 형성하고 몸체(10)의 반경이 크면, 윙팁(30)의 크기가 크고 그 갯수를 증가시킬 수 있다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 윙팁을 포함하는 덕트형 수차의 사시도와 단면도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 윙팁을 포함하는 덕트형 수차에서, 윙팁(30)은 익형(airfoil)일 수 있다. 윙팁(30)을 익형으로 하여, 유체의 흐름에 있어 저항을 최소화하면서 회전성분을 증가시킬 수 있다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 윙팁을 포함하는 덕트형 수차의 사시도와 단면도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 윙팁(30)의 크기는 다양하게 변형될 수 있으며, 수차의 몸체(10)의 길이에 비례하여, 윙팁(30)의 길이를 달리할 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

10: 몸체 20: 프로펠러
30: 윙팁

Claims (3)

1. 원통 내지 다각형 기둥형상의 유체가 통과할 수 있는 덕트형의 몸체;
   상기 몸체에서 상기 유체가 유출되는 출구 내부에 설치되어 유체의 흐름에 의해 회전하는 프로펠러;및
   상기 몸체에서 상기 유체가 유입되는 입구 내부에 형성되는 복수개의 돌기로 이루어진 윙팁을 포함하는 덕트형 수차.
   
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 윙팁은,
   판 형상 또는 익형이며, 유체의 흐름 방향에 대해 5 내지 10°기울어지는 것을 특징으로 하는 덕트형 수차.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 윙팁은,
   4개의 돌기로 이루어지며, 상기 몸체의 내부에 일정 간격으로 형성된 것을 특징으로 하는 덕트형 수차.
   
   
   
   

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