KR20200022311A

KR20200022311A - 흐르는 유체로부터 에너지를 획득하는 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20200022311A
Application number: KR1020190037307A
Authority: KR
Inventors: 송세흠
Original assignee: 송세흠
Priority date: 2018-08-21
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2020-03-03

Abstract

흐르는 유체로부터 에너지를 획득하는 장치 및 방법이 개시된다. 개시된 장치는, 로터; 로터에 의해 지지되며, 로터의 회전축의 둘레를 따라 이격된 복수의 임펠러 블레이드 조립체; 각각의 임펠러 블레이드 조립체에 회전축에 평행한 회동축을 중심으로 회동 가능하게 결합된 적어도 하나의 베인; 적어도 하나의 베인이 회동축과 회전축 사이의 기설정된 위치를 넘어서 회동하는 것을 차단하는 제1 스토퍼; 및 적어도 하나의 베인이 적어도 하나의 베인이 회동축으로부터 외측의 기설정된 위치를 넘어서 회동하는 것을 차단하는 제2 스토퍼;를 포함하며, 로터는 유체의 흐름 방향이 변화하더라도 주어진 회전 방향을 유지한다.

Description

흐르는 유체로부터 에너지를 획득하는 장치 및 방법{Apparatus and method for deriving useful energy from a flowing fluid}

본 개시는 공기나 물과 같은 흐르는 유체의 운동 에너지로부터 사용가능한 에너지 풍력, 수력에 의한 운동에너지,를 획득하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

풍력 에너지는 통상적으로 수평 또는 수직의 회전축을 중심으로 회전하는 풍력 터빈에 의해서 수확된다. 수평축 풍력 터빈은 일반적으로 풍향에 맞게 터빈의 방향을 조정하기 위한 꼬리 핀(tail fin)을 필요로 한다. 꼬리 핀 반응 구조는 바람이 부는 방향으로 터빈 방향을 조정함으로써 바람의 운동 에너지로부터 사용가능한 에너지를 최대 효율로 끌어낼 수 있게 된다. 수평축 풍력 터빈이 풍력을 받으면, 풍력은 터빈의 회전력 (토크)와 미는 힘 (Thrust)으로 바뀌는 데, 미는 힘의 발생은 풍력의 일부를 잠식 하며, 수평축 풍력 터빈은 이힘을 견디어 낼 수 있을 만큼 견고하게 제작 되어야 하여, 효율 저하와 제작 비의 상승을 초래 한다. 수직축 풍력 터빈은 풍향에 무관하게 사용가능한 풍력 에너지를 수확하기 위해 개발되어, 풍향에 맞게 터빈의 방향을 재조정할 필요가 없다. 수직축 풍력 터빈은, 통상의 수평축 풍력 터빈에 비하여, 미적으로 좀 더 만족스럽고 좀 더 다양한 설치환경에 적합한 반면에, 덜 효율적이고 좀 더 많은 유지 보수를 필요로 한다. 수직축 풍력 터빈은, 터빈의 일측이 바람에 의해 구동력을 받는 반면에 터빈의 타측이 풍향을 거슬러 움직이기에, 효율성 측면에서 악영향을 받으며, 결과적으로 과도한 난류(turbulence)가 유발되고 효율성이 떨어지게 된다. 나아가, 작동 중에 풍력 터빈의 임펠러 요소를 들어 올리는 경향은, 과도한 마모를 초래하고 유지 보수에 대한 요구를 빈번하게 한다.

물 에너지는 통상적으로 충동형 수력 터빈이나 반동형의 수력 터빈에 의해 얻어진다. 충동형 수력 터빈은, 터빈의 회전에 영향을 미치는 임펠러 요소 부품만이 유수에 노출되기에 매우 효율적이다. 반동형 수력 터빈은 물속에 잠기어 유체 동력 에너지(hydro-kinetic energy)를 수확한다. 반동형 수력 터빈은 폭 넓은 활용이 제한 된다. 폭 넓은 활용의 제한은 터빈의 작동 중에 터빈이 유수 내에 잠기어 발생되는 매우 거친 수 추력(water thrust)에서 비롯된다.

발명자는, 수직축 풍력 터빈과 반동형 수력 터빈의 주요한 단점이, 풍력 터빈의 임펠러 요소가 바람의 흐름에 거슬러 움직이거나 수력 터빈이 작동 중에 거친 수 추력을 견디면서 발생되는 난류와 관련된다는 점에서, 유사하다고 보았으며, 본 개시는 이런한 문제점을 해결한 흐르는 유체로부터 에너지를 획득하는 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 한 측면에 따르는 흐르는 유체로부터 에너지를 획득하는 장치는, 회전축을 중심으로 주어진 회전 방향으로 회전하는 로터;

상기 로터에 의해 지지되며, 상기 회전축의 둘레를 따라 이격된 복수의 임펠러 블레이드 조립체;

각각의 임펠러 블레이드 조립체에 상기 회전축에 평행한 회동축을 중심으로 회동 가능하게 결합된 적어도 하나의 베인;

상기 적어도 하나의 베인이 상기 회동축과 상기 회전축 사이의 기설정된 제1 위치를 넘어서 회동하는 것을 차단하는 제1 스토퍼; 및

상기 적어도 하나의 베인이 상기 회동축으로부터 외측의 기설정된 제2 위치를 넘어서 회동하는 것을 차단하는 제2 스토퍼;를 포함하며,

상기 로터의 회전축이 유체의 흐름 방향에 가로지는 방향으로 배치될 때, 상기 로터의 회전에 따라 상기 적어도 하나의 베인은 상기 흐르는 유체의 흐름을 기준으로 근위점에서 원위점으로 움직이는 동안에 상기 제1 스토퍼와 접촉하고 있으며, 원위점에 도달하면 회동하여 상기 제2 스토퍼에 접촉하며, 상기 원위점에서 상기 근위점으로 움직이는 동안에 상기 제1 스토퍼와 상기 제2 스토퍼 사이에서 상기 흐르는 유체의 흐름 방향에 반응하여 자유로이 유체의 흐름 방향으로 정렬되도록 회동하고, 상기 근위점에서 상기 제1 스토퍼에 접촉하도록 배치된다.

상기 제1 위치는 상기 회동축으로부터 상기 회전축을 향해 연장되는 내측 방사 방향 선상 내지 상기 내측 방사 방향 선상의 근방이며, 상기 제2 위치는 상기 회동축으로부터 외측으로 연장되는 외측 방사 방향 선상 내지 상기 외측 방사 방향 선상의 근방일 수 있다.

상기 적어도 하나의 베인은 상기 제1 위치와 상기 제2 위치에서 방사 방향 평면에 병렬로 위치할 수 있다.

상기 각각의 임펠러 블레이드 조립체는 상기 로터의 상기 주어진 회전 방향을 기준으로 선행하는 선단측과, 상기 선단측에 후행하는 후단측을 포함하며, 상기 제1 및 제2 스토퍼는 각각 상기 제1 위치와 상기 제2 위치에서 대응되는 임펠러 블레이드 조립체의 후단측에 인접하여 위치할 수 있다.

상기 각각의 임펠러 블레이드 조립체는 상기 로터로부터 외곽 방사 방향으로 연장되며 상기 회전축의 길이 방향으로 상호 이격된 제1 아암과 제2 아암과, 상기 제1 아암과 상기 제2 아암 각각에 마련된 회동 연결부를 구비한 프레임을 포함하며, 상기 베인은 상기 회동 연결부에 회동 가능하게 연결될 수 있다.

상기 제1 스토퍼 및 상기 제2 스토퍼는 양단이 상기 제1 아암과 상기 제2 아암에 부착되고 상기 제1 아암과 상기 제2 아암 사이에 연장된 막대 형상을 지니는 제1 바 및 제2 바일 수 있다.

상기 복수의 임펠러 블레이드 조립체는 상기 로터의 외주면의 둘레를 따라 등간격으로 배치될 수 있다.

상기 적어도 하나의 베인은, 상기 제1 스토퍼와 접촉하고 있을 때에 유체 흐름을 마주하는 제1 면을 포함하며, 상기 제1 면은 실질적으로 평평한 형상을 가질 수 있다.

상기 적어도 하나의 베인은, 상기 제1 면에 대향되는 제2 면을 더 포함하며, 상기 제2 면은 실질적으로 평평한 형상을 가질 수 있다.

장치는 상기 로터에 결합하는 발전기를 더 포함할 수 있다.

상기 로터가 흐르는 유체 속에 잠길 때, 상기 회전축은 상기 유체 흐름의 방향을 가로지는 수직 방향으로 배치될 수 있다.

상기 로터가 흐르는 유체 속에 잠길 때, 상기 회전축은 상기 유체 흐름의 방향을 가로지는 수평 방향으로 배치될 수 있다.

상기 로터는 유체의 흐름 방향이 변화하더라도 주어진 회전 방향을 유지할 수 있다.

본 발명의 한 측면에 따르는 흐르는 유체로부터 에너지를 획득하는 방법은,

회전축을 중심으로 주어진 회전 방향으로 회전하는 로터를 마련하는 단계;

상기 로터에 의해 지지되며, 상기 회전축의 둘레를 따라 이격된 복수의 임펠러 블레이드 조립체를 마련하는 단계;

적어도 하나의 베인을 각각의 임펠러 블레이드 조립체에 상기 회전축에 평행한 회동축을 중심으로 회동 가능하게 결합시키는 단계;

상기 적어도 하나의 베인이 상기 회동축과 상기 회전축 사이의 기설정된 제1 위치를 넘어서 회동하는 것을 차단하는 단계; 및

상기 적어도 하나의 베인이 상기 회동축으로부터 외측의 기설정된 제2 위치를 넘어서 회동하는 것을 차단하는 단계; 및

상기 로터의 회전축을 흐르는 유체의 흐름 방향에 가로지는 방향으로 배치하는 단계;를 포함하며,

상기 로터의 회전축이 유체의 흐름 방향에 가로지는 방향으로 배치될 때, 상기 로터의 회전에 따라 상기 적어도 하나의 베인은, 상기 흐르는 유체의 흐름을 기준으로 근위점에서 원위점으로 움직이는 동안에 상기 제1 스토퍼와 접촉하고 있으며, 원위점에 도달하면 회동하여 상기 제2 스토퍼에 접촉하며, 상기 원위점에서 상기 근위점으로 움직이는 동안에 상기 제1 스토퍼와 상기 제2 스토퍼 사이에서 상기 흐르는 유체의 흐름 방향에 반응하여 자유로이 유체의 흐름 방향으로 정렬되도록 회동하고, 상기 근위점에서 상기 제1 스토퍼에 접촉한다.

상기 유체는 공기일 수 있다.

상기 유체는 물일 수 있다.

개시된 실시예에 장치 및 방법은, 공기나 물과 같은 유체에 잠긴 터빈의 작동 중에 발생될 수 있는 난류를 격감시킨다.

개시된 실시예에 장치 및 방법은, 임의의 방향의 유체 흐름에서도 사용가능한 에너지를 효과적으로 획득할 수 있다.

개시된 실시예에 장치 및 방법은, 터빈의 디자인과 구성을 간단하게 할 수 있다.

개시된 실시예에 장치 및 방법은, 유체 흐름 방향에 대응하여 터빈의 배치 방향을 변경할 필요없이, 유체 흐름의 방향에 무관하게 단일한 회전 방향으로 터빈을 회전시킨다.

개시된 실시예에 장치 및 방법은, 임의의 방향으로 흐르는 바람이나 물로 부터 사용가능한 에너지를 획득하는데 효율을 증대시킬 수 있다.

개시된 실시예에 장치 및 방법은, 바람과 수자원으로부터 사용가능한 에너지를 획득함에 있어서, 터빈의 신뢰성을 향상시키고 유지보수에 대한 요구를 경감시킬 수 있다.

개시된 실시예에 장치 및 방법은, 야생 조류나 야생의 수생 생물에 대한 잠재적인 생태 환경적 피해를 효과적으로 경감시킬 수 있다.

개시된 실시예에 장치 및 방법은, 연장 서비스 수명 동안에 안전하며, 효과적이며, 신뢰성있는 작동을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 개략적인 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 개략적인 부분 정면도이다.
도 3은 도 2에서 절개선 3-3을 따라 절개한 개략적인 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 동작 모드에서 일 단계를 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 동작 모드에서 다른 단계를 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 다른 동작 모드를 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 또 다른 동작 모드를 개략적으로 설명하는 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, 도면에서 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치(10)의 개략적인 평면도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치(10)의 개략적인 부분 정면도이며, 도 3은 도 2에서 절개선 3-3을 따라 절개한 개략적인 부분 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예의 장치(10)는 터빈(12)을 포함한다. 터빈(12)은 유체(22)의 흐름(stream)(20)속에 잠기는 것을 예정한다. 유체(22)는 공기나 물일 수 있다. 유체(22)가 공기인 경우, 유체(22)의 흐름(20)은 바람일 수 있다. 유체(22)가 물인 경우, 유체(22)의 흐름(20)은 강, 하천, 조류 또는 도관(미도시)을 통해 터빈(12)에 흐르는 물일 수 있다.

터빈(12)은 로터(14)를 구비한다. 로터(14)는 기설정된 회전축(16)을 중심으로 주어진 회전 방향(R)으로 회전하도록 설치된다. 회전축(16)은 유체(22)의 흐름 방향(F)을 가로지르는 방향(crosswise direction)으로 배치될 수 있다. 유체(22)의 스트림(20)이 강, 하천, 또는 조류와 같은 경우, 유체(22)의 흐름 방향(F)은 수평 방향으로 이루어지고 있다고 볼 수 있으며, 이러한 경우에 회전축(16)은 유체(22)의 흐름 방향(F)(즉, 수평 방향)을 가로지르는 수직 방향으로 배향될 수 있다.

터빈(12)은 중심부에 위치한 샤프트(24)를 포함한다. 샤프트(24)는 유체(22)의 흐름 방향(F)을 가로지르는 수직 배향으로 배치될 수 있다. 샤프트(24)는 회전축(16)을 중심으로 회전할 수 있도록 베이스(28) 내에 저널베어링(미도시)에 의해 지지될 수 있다.

복수의 임펠러 블레이드 조립체(30)는 로터(14)에 의해 지지된다. 복수의 임펠러 블레이드 조립체(30)는 샤프트(24)와 함께 회전할 수 있도록 로터(14)에 부착되며 회전축(16)을 중심으로 한 둘레를 따라 이격되어 배치된다. 로터(14)는 원통형 외주면을 가지며, 복수의 임펠러 블레이드 조립체(30)는 로터(14)의 외주면에 회전축(16)을 중심으로 한 둘레를 따라 등간격으로 이격되어 배치될 수 있다. 도 1에는 8개의 임펠러 블레이드 조립체(30)가 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것이며, 임펠러 블레이드 조립체(30)의 개수는 이에 제한되지 않는다.

바람직한 일 실시예에서, 각각의 임펠러 블레이드 조립체(30)는 프레임(32)을 포함한다.

적어도 하나의 베인(vane)(40)은 소정 구간(후술하는 제1 스토퍼(54)와 제2 스토퍼(56) 사이의 구간)에서 회동축(46)을 중심으로 자유롭게 회동 운동(pivot movement)을 할 수 있도록 프레임(32) 상의 회동 연결부(44)에 설치된다. 도 1 내지 도 3에는 하나의 임펠러 블레이드 조립체(30)에 하나의 베인(40)이 설치된 예가 도시되고 있으나, 당업자라면 하나의 임펠러 블레이드 조립체(30)에 복수의 베인(40)이 설치될 수 있을 이해할 수 있을 것이다.

각각의 베인(40)은 유체(22)의 흐름을 마주하는 전면(forward face)(60)을 포함하며, 전면(60)은 평평하게 형성될 수 있다. 나아가, 각각의 베인(40)은 평평한 배면(62)을 가지고 있을 수 있다. 전면(60) 및 배면(62)의 평평한 형상은 터빈(12)의 회전에 저항하는 방향으로 추력이 생성되는 것을 방지한다. 물론, 베인(40)의 전면(60) 및 배면(62)의 형상은 평평한 것에 제한되지 아니하며, 곡면 형상을 가질 수 있음은 물론이다.

베인(40)은 유체(22)의 흐름에 정렬될 때 저항이 최소한도로 억제되도록 전면(60) 및 배면(62) 사이의 두께가 얇게 형성될 수 있다.

회동축(46)은 회전축(16)으로부터 외측 방사 방향으로 이격되어 있으며 회전축(16)에 평행하다.

구체적으로, 액슬(axle)(42)이 프레임(32)상의 회동 연결부(44)에 저널베어링(미도시)에 의해 지지되어 있으며, 적어도 하나의 베인(40)이 액슬(42) 상에 회동축(46)을 중심으로 자유롭게 회동 운동을 할 수 있도록 설치될 수 있다. 각각의 프레임(32)은 개방형 구조를 지닌다. 예를 들어, 각각의 프레임(32)은 상부 아암(50)과 하부 아암(52)을 포함한다. 상부 아암(50)과 하부 아암(52)은 회전축(16)의 길이 방향으로 상호 이격되어 있다. 상부 아암(50)과 하부 아암(52)은 각각 회동 연결부(44)를 가지고 있다. 회동 연결부(44)는, 액슬(42)과 함께, 대응되는 프레임(32)에 대해 상대적으로 회동 운동을 하도록 베인(40)을 장착한다.

각각의 임펠러 블레이드 조립체(30)는 스톱 배치를 포함한다. 스톱 배치는 제1 바(bar) 형상의 제1 스토퍼(54)와 제2 바 형상의 제2 스토퍼(56)를 포함할 수 있다.

제1 스토퍼(54)는 양단이 상부 아암(50)과 하부 아암(52) 각각의 제1 위치에 부착되고 그 사이에 연장된 막대 형상을 지니며, 베인(40)이 제1 위치에 있을 때에 방사 방향 평면(RP)를 너머서 D 방향으로 회동하는 것을 차단한다. 제1 위치는, 도 3에 실선으로 도시되듯이, 회동축(46)으로부터 회전축(16)을 향해 내측 방사 방향으로 연장되어 있는 위치이다. 제1 위치는, 제1 스토퍼(54)에 의해 베인(40)의 회동이 저지된 상태의 위치로서, 회동축(46)으로부터 회전축(16)을 향해 연장되는 내측 방사 방향 선상 내지 내측 방사 방향 선상의 근방으로 이해될 수 있다. 베인(40)은 제1 위치에서 방사 방향 평면(radial plane; RP)에 병렬적으로 위치하며, 프레임(32)의 후단측(trailing side)(38)에 인접하게 위치한다. 방사 방향 평면(RP)은 회전축(16)을 지나는 평면이다. 선단측(leading side)(36) 및 후단측(38)은 각각 상기 주어진 회전 방향(R)을 기준으로 프레임(32) 또는 임펠러 블레이드 조립체(30)의 선행 및 후행하는 부위로 이해될 수 있다. D 방향은 주어진 회전 방향(R)에 대응되는 방향이다. D 방향은 프레임(32)의 후단측(38)에서 선단측(36)을 향하는 방향으로 이해될 수 있다. 제2 스토퍼(56)는 양단이 상부 아암(50)과 하부 아암(52) 각각의 제2 위치에 부착되고 그 사이에 연장된 막대 형상을 지니며, 베인(40)이 제2 위치에 있을 때에 방사 방향 평면(RP)를 넘어서 선단측(36)을 향해 D 방향으로 회동하는 것을 차단한다. 제2 위치는, 도 3에 숨은선으로 도시되듯이, 회동축(46)으로부터 외측 방사 방향으로 연장되어 있는 위치이다. 외측 방사 방향은 회동축(16)으로부터 외측으로 연장되는 방사 방향이다. 제2 위치는, 제2 스토퍼에 의해 베인(40)의 회동이 저지된 상태의 위치로서, 외측 방사 방향 선상 내지 외측 방사 방향 선상의 근방으로 이해될 수 있다. 베인(40)은 제2 위치에서 방사 방향 평면(RP)에 병렬로 위치하며, 프레임(32)의 후단측(38)에 인접하게 위치한다.

제1 및 제2 스토퍼(54, 56)의 바 형상은 프레임(32)의 강성을 보강하는 역할을 수행할 수도 있다. 물론, 제1 및 제2 스토퍼(54, 56)의 형상은 바 형상에 한정되지 아니하며, 제1 스토퍼(54)는 상부 아암(50)과 하부 아암(52)에 각각 부착되고, 제2 스토퍼(56)는 상부 아암(50)과 하부 아암(52)에 각각 부착될 수 있음은 물론이다.

다음으로, 본 실시예에 따른 장치(10)의 동작을 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치(10)의 동작 모드에서 일 단계를 개략적으로 설명하는 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치(10)의 동작 모드에서 다른 단계를 개략적으로 설명하는 도면이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 터빈(12)은 유체(22)의 흐름 내에 위치하며, 회전축(16)은 수직 방향으로 배향되어 있다. 유체(22)의 흐름 방향(F)은 수직 방향을 가로지르는 수평 방향이다. 도 4 및 도 5에서 참조번호 40-1는 유체(22)의 흐름 방향(F)을 기준으로 근위점(proximal point; PP)에 위치하는 베인(이하, 제1 베인)을 나타내며, 참조번호 40-1, 40-2, 40-3, 40-4, 40-5, 40-6, 40-7, 및 40-8은 제1 베인을 기준으로 반시계 방향의 순서대로 나머지 베인들(이하, 제2 내지 제8 베인)을 나타낸다. 유체(22)의 흐름에 따라 로터(14)가 회전하고, 이에 따라 베인(40)들은 근위점(PP)과 윈위점(distal point; DP)을 지나게 된다.

제1 베인(40-1)은, 유체(22)의 흐름에 의해 제1 위치로 편향되어, 대응되는 프레임(32)의 제1 스토퍼(54)에 맞물려 있다. 제2 내지 제4 베인(40-2, 40-3, 40-4) 역시, 유체(22)의 흐름에 의해 제1 위치로 편향되어, 각기 대응되는 프레임(32)의 제1 스토퍼(54)에 맞물려 있다. 달리 말하면, 제1 내지 제4 베인(40-1, 40-2, 40-3, 40-4)은 근위점(PP)에서 원위점(DP)으로 움직이고 있으며, 그 동안에 유체(22)의 흐름에 의해 제1 위치로 편향되어 있다.

터빈(12)은, 제2 내지 제4 베인(40-2, 40-3, 40-4)에 작용하는 유체(22)의 흐름에 의해 가해지는 회전력(force of rotation; RF)에 의해, 회전 방향(R)으로 회전한다. 제2 내지 제4 베인(40-2, 40-3, 40-4)은 각각 윈위점(DP)에 도달할 때까지, 로터(14)를 회전 방향(R)으로 구동시킨다. 원위점(DP)에 도달한 각각의 베인(즉, 제5 베인(40-5))은 유체(22)의 흐름에 의해 제2 위치로 편향된다. 제5 베인(40-5)은 유체(22)의 흐름에 대해 최소의 저항을 주도록 정렬되어 터빈(12)의 회전을 지연시킬 수 있는 힘의 발생을 방지한다.

터빈(12)의 회전이 회전 방향(R)을 따라 계속됨에 따라, 원위점(DP)을 지난 베인들(즉, 제6 내지 제8 베인(40-6, 40-7, 40-8))은 유체(22)의 흐름에 의한 정렬이 유지된다. 이는, 제6 내지 제8 베인(40-6, 40-7, 40-8)이 각각 회동축(46)을 중심으로 자유로운 회동을 할 수 있기 때문이다.

나아가, 각각의 베인(40)이 원위점(DP)에 도달할 때에 제2 스토퍼(56)와 맞물림에 따라 각각의 베인(40)의 회동 움직임이, 도 5의 점선으로 표시되듯이, 제2 위치를 벗어나는 것을 방지하도록 함으로써, 터빈(12)의 회전을 지연하는 추력의 발생을 막을 수 있다. 또한, 각각의 베인(40)의 얇고 평평한 형상은 제조 측면에서 좀 더 쉽고 경제적일 수 있도록 베인(40)을 단순하게 한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치(10)의 다른 동작 모드를 개략적으로 설명하는 도면이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치(10)의 또 다른 동작 모드를 개략적으로 설명하는 도면이다.

도 6을 참조하면, 유체(22)의 흐름 방향(RF)은 도 4 및 도 5에 도시된 유체(22)의 흐름 방향(F)과 반대이다. 이와 같은 환경에서, 장치(10)는 근위점은 이제 PP-2가 되고, 원위점은 이제 DP-2가 된다. 도 7을 참조하면, 유체(22)의 흐름 방향(HF)은 도 4 및 도 5에 도시된 유체(22)의 흐름 방향(F)이나 도 6에 도시된 유체(22)의 흐름 방향(RF)과 다르다. 도 6의 유체(22)의 흐름 방향(RF)이나 도 7의 유체(22)의 흐름 방향(HF)에서도, 터빈(12)은, 도 4 및 도 5를 참조하여 설명된 것과 동일한 회전 방향(R)로 지속적으로 구동된다. 따라서, 회전축(16)에 대해 가로지르는 임의의 방향으로 유체(22)의 흐름에 노출되게 되면, 터빈(12)의 최초에 선택된 배향 방향에 대한 변경 없이 동일한 회전 방향(R)으로 구동되며, 따라서 본 실시예의 장치(10)가 유체 흐름의 방향이 빈번히 변경되는 장소를 포함한 매우 다양한 장소에서 설치 가능하다는 점이 이해될 수 있을 것이다.

샤프트(24)에 에너지 회생 시스템을 결합함으로써 유체(22)의 흐름 속의 유용한 운동 에너지로부터 사용가능한 에너지를 획득할 수 있다. 예시적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 발전기(70)를 샤프트(24)에 결합함으로써 장치(10)가 작동하는 동안에 사용가능한 에너지를 전기 에너지로 회생시킬 수 있다.

강, 하천, 또는 조류에서, 또는 돌풍이 부는 동안에 만나게 되는 것과 같이 유체 흐름 방향의 상하방 변동에 대해, 장치(10)는 샤프트(24)(결과적으로 회전축(16))를, 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이 유체 흐름 방향(F, RF, HF)에 가로지르는 방향으로 설치하도록 할 수 있다. 이러한 방식으로, 장치(10)는, 유체 흐름의 상하방 변동 속에서도 유용한 에너지를 획득할 수 있는 유통성을 가지게 된다.

전술한 구성에서, 베인(40)은 전면(60) 및 배면(62)에서 단순하고 평평한 형상을 지니게 되므로, 최대 성능을 얻기 위해 정교한 외형 형상을 요구하지 않으며, 따라서 경제적으로 제조 및 설치를 할 수 있다. 나아가, 개방형 프레임 및 회동되는 베인 배열은 본 실시예의 터빈을 풍력 터빈에 적용할 때에 야생 조류에 대한 피해를 방지할 수 있으며, 본 실시예의 터빈을 수력 터빈에 적용할 때에 수생 생물에 대한 손상을 방지할 수 있다.

전술한 본 발명인 흐르는 유체로부터 에너지를 획득하는 장치 및 방법은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

10... 장치 12... 터빈
14... 로터 16... 회전축
20... 스트림 22... 유체
24... 샤프트 28... 베이스
30... 임펠러 블레이드 조립체 32... 프레임
36... 선단측 38... 후단측
40... 베인 42... 액슬
44... 회동 연결부 46... 회동축
50... 상부 아암 52... 하부 아암
54... 제1 스토퍼 56... 제2 스토퍼
60... 전면 62... 배면
70... 발전기 DP... 원위점
F, RF, HF... 유체 흐름 방향 R... 회전 방향
RP... 방사 방향 평면

Claims

회전축을 중심으로 주어진 회전 방향으로 회전하는 로터;
상기 로터에 의해 지지되며, 상기 회전축의 둘레를 따라 이격된 복수의 임펠러 블레이드 조립체;
각각의 임펠러 블레이드 조립체에 상기 회전축에 평행한 회동축을 중심으로 회동 가능하게 결합된 적어도 하나의 베인;
상기 적어도 하나의 베인이 상기 회동축과 상기 회전축 사이의 기설정된 제1 위치를 넘어서 회동하는 것을 차단하는 제1 스토퍼; 및
상기 적어도 하나의 베인이 상기 회동축으로부터 외측의 기설정된 제2 위치를 넘어서 회동하는 것을 차단하는 제2 스토퍼;를 포함하며,
상기 로터의 회전축이 유체의 흐름 방향에 가로지는 방향으로 배치될 때, 상기 로터의 회전에 따라 상기 적어도 하나의 베인은, 상기 흐르는 유체의 흐름을 기준으로 근위점에서 원위점으로 움직이는 동안에 상기 제1 스토퍼와 접촉하고 있으며, 원위점에 도달하면 회동하여 상기 제2 스토퍼에 접촉하며, 상기 원위점에서 상기 근위점으로 움직이는 동안에 상기 제1 스토퍼와 상기 제2 스토퍼 사이에서 상기 흐르는 유체의 흐름 방향에 반응하여 자유로이 상기 흐름 방향으로 정렬되도록 회동하고, 상기 근위점에서 상기 제1 스토퍼에 접촉하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 흐르는 유체로부터 에너지를 획득하는 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 위치는 상기 회동축으로부터 상기 회전축을 향해 연장되는 내측 방사 방향 선상 내지 상기 내측 방사 방향 선상의 근방이며,
상기 제2 위치는 상기 회동축으로부터 외측으로 연장되는 외측 방사 방향 선상 내지 상기 외측 방사 방향 선상의 근방인 것을 특징으로 하는 흐르는 유체로부터 에너지를 획득하는 장치.
제1 항에 있어서,
상기 각각의 임펠러 블레이드 조립체는 상기 로터의 상기 주어진 회전 방향을 기준으로 선행하는 선단측과, 상기 선단측에 후행하는 후단측을 포함하며,
상기 제1 및 제2 스토퍼는 각각 상기 제1 위치와 상기 제2 위치에서 대응되는 임펠러 블레이드 조립체의 후단측에 인접하여 위치하는 것을 특징으로 하는 흐르는 유체로부터 에너지를 획득하는 장치.
제1 항에 있어서,
상기 각각의 임펠러 블레이드 조립체는 상기 로터로부터 외곽 방사 방향으로 연장되며 상기 회전축의 길이 방향으로 상호 이격된 제1 아암과 제2 아암과, 상기 제1 아암과 상기 제2 아암 각각에 마련된 회동 연결부를 구비한 프레임을 포함하며,
상기 베인은 상기 회동 연결부에 회동 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 흐르는 유체로부터 에너지를 획득하는 장치.
제4 항에 있어서,
상기 제1 스토퍼 및 상기 제2 스토퍼는 양단이 상기 제1 아암과 상기 제2 아암에 부착되고 상기 제1 아암과 상기 제2 아암 사이에 연장된 막대 형상을 지니는 제1 바 및 제2 바인 것을 특징으로 하는 흐르는 유체로부터 에너지를 획득하는 장치.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 임펠러 블레이드 조립체는 상기 로터의 외주면의 둘레를 따라 등간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 흐르는 유체로부터 에너지를 획득하는 장치.
제1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 베인은, 상기 제1 스토퍼와 접촉하고 있을 때에 유체 흐름을 마주하는 제1 면을 포함하며, 상기 제1 면은 실질적으로 평평한 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 흐르는 유체로부터 에너지를 획득하는 장치.
제7 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 베인은, 상기 제1 면에 대향되는 제2 면을 더 포함하며, 상기 제2 면은 실질적으로 평평한 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 흐르는 유체로부터 에너지를 획득하는 장치.
제1 항에 있어서,
상기 로터에 결합하는 발전기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흐르는 유체로부터 에너지를 획득하는 장치.
제1 항에 있어서,
상기 로터가 흐르는 유체 속에 잠길 때, 상기 회전축은 상기 유체 흐름의 방향을 가로지는 수직 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 흐르는 유체로부터 에너지를 획득하는 장치.
제1 항에 있어서,
상기 로터가 흐르는 유체 속에 잠길 때, 상기 회전축은 상기 유체 흐름의 방향을 가로지는 수평 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 흐르는 유체로부터 에너지를 획득하는 장치.
제1 항에 있어서,
상기 로터는 유체의 흐름 방향이 변화하더라도 주어진 회전 방향을 유지하는 것을 특징으로 하는 흐르는 유체로부터 에너지를 획득하는 장치.
회전축을 중심으로 주어진 회전 방향으로 회전하는 로터를 마련하는 단계;
상기 로터에 의해 지지되며, 상기 회전축의 둘레를 따라 이격된 복수의 임펠러 블레이드 조립체를 마련하는 단계;
적어도 하나의 베인을 각각의 임펠러 블레이드 조립체에 상기 회전축에 평행한 회동축을 중심으로 회동 가능하게 결합시키는 단계;
상기 적어도 하나의 베인이 상기 회동축과 상기 회전축 사이의 기설정된 제1 위치를 넘어서 회동하는 것을 차단하는 단계; 및
상기 적어도 하나의 베인이 상기 회동축으로부터 외측의 기설정된 제2 위치를 넘어서 회동하는 것을 차단하는 단계;
상기 로터의 회전축을 흐르는 유체의 흐름 방향에 가로지는 방향으로 배치하는 단계;를 포함하며,
상기 로터의 회전축이 유체의 흐름 방향에 가로지는 방향으로 배치될 때, 상기 로터의 회전에 따라 상기 적어도 하나의 베인은, 상기 흐르는 유체의 흐름을 기준으로 근위점에서 원위점으로 움직이는 동안에 상기 제1 스토퍼와 접촉하고 있으며, 원위점에 도달하면 회동하여 상기 제2 스토퍼에 접촉하며, 상기 원위점에서 상기 근위점으로 움직이는 동안에 상기 제1 스토퍼와 상기 제2 스토퍼 사이에서 상기 흐르는 유체의 흐름 방향에 반응하여 자유로이 상기 흐름 방향으로 정렬되도록 회동하고, 상기 근위점에서 상기 제1 스토퍼에 접촉하는 것을 특징으로 하는 흐르는 유체로부터 에너지를 획득하는 방법.
제13 항에 있어서,
상기 제1 위치는 상기 회동축으로부터 상기 회전축을 향해 연장되는 내측 방사 방향 선상 내지 상기 내측 방사 방향 선상의 근방이며,
상기 제2 위치는 상기 회동축으로부터 외측으로 연장되는 외측 방사 방향 선상 내지 상기 외측 방사 방향 선상의 근방인 것을 특징으로 하는 흐르는 유체로부터 에너지를 획득하는 방법.
제13 항에 있어서,
상기 각각의 임펠러 블레이드 조립체는 상기 로터의 상기 주어진 회전 방향을 기준으로 선행하는 선단측과, 상기 선단측에 후행하는 후단측을 포함하며,
제1 및 제2 스토퍼를 각각 상기 제1 위치와 상기 제2 위치에서 대응되는 임펠러 블레이드 조립체의 후단측에 인접하게 배치시키는 것을 특징으로 하는 흐르는 유체로부터 에너지를 획득하는 방법.
제13 항에 있어서,
상기 로터의 회전축을 흐르는 유체의 흐름 방향에 가로지는 방향으로 배치하는 단계는, 상기 회전축을 상기 유체 흐름의 방향을 가로지는 수직 방향으로 위치시키는 것을 특징으로 하는 흐르는 유체로부터 에너지를 획득하는 방법.
제13 항에 있어서,
상기 로터의 회전축을 흐르는 유체의 흐름 방향에 가로지는 방향으로 배치하는 단계는, 상기 회전축을 상기 유체 흐름의 방향을 가로지는 수평 방향으로 위치시키는 것을 특징으로 하는 흐르는 유체로부터 에너지를 획득하는 방법.
제13 항에 있어서,
상기 로터에 발전기를 결합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흐르는 유체로부터 에너지를 획득하는 방법.
제13 항에 있어서,
상기 유체는 공기인 것을 특징으로 하는 흐르는 유체로부터 에너지를 획득하는 방법.
제13 항에 있어서,
상기 유체는 물인 것을 특징으로 하는 흐르는 유체로부터 에너지를 획득하는 방법.