KR20210138680A - 유체동력학적 터빈용 다중-스테이지형 카울 - Google Patents

유체동력학적 터빈용 다중-스테이지형 카울 Download PDF

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KR20210138680A
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Abstract

여기에 개시된 다중-스테이지형 카울은 얕은 수역, 예를 들어 유체동력학적 터빈이 잠겨지는 강에 의해 제공되는 치수 제약을 고려면서 생성된 파워 출력을 최대화하기 위해 유체동력학적 터빈의 런너 단면에서 물 질량 흐름 및 압력 강하를 증가 및 최대화하는 것을 허용한다. 따라서 여기에 개시된 다중-스테이지형 카울은 물이 실질적으로 안정적인 물 질량 흐름에서 유체동력학적 터빈을 통해 흐르도록 하여, 불안정성을 제거하고, 와류를 회피하고, 캐비테이션을 최소화하고, 유체 분리를 무시할 수 있는 수준으로 방지하도록 구성될 수 있으며, 물이 물 흐름 방향으로 흐를 수 있도록 입구, 출구 및 입구와 출구 사이에 연장될 수 있는 다중 스테이지를 포함할 수 있다.

Description

유체동력학적 터빈용 다중-스테이지형 카울
본 출원은 2019년 3월 14일에 출원되고, 발명의 명칭이 "터빈용 흡출관 어셈블리"인 미국 가특허출원 제 62/818,252 호를 주장하며, 그 개시 내용은 여기에 인용에 의해 본원에 포함된다.
기술 분야는 일반적으로 터빈에 관한 것이며, 특히 유체동력학적 터빈용 다중-스테이지형 카울(multi-staged cowl)에 관한 것이다.
댐이 없는 터빈으로서 또한 공지된 유체동력학적 터빈은 물이 물 흐름 방향으로 자연스럽게 흐를 수 있는 수역에 잠기도록 구성된다. 유체동력학적 터빈은 로터, 허브, 및 이로부터 반경방향으로 연장될 수 있는 블레이드를 포함하여, 예를 들어 런너 단면을 형성할 수 있다. 따라서, 물은 런너 단면에서 상류의 섹션으로부터 런너 단면에서 하류의 섹션을 향해 터빈을 통해 흐를 수 있으므로, 블레이드는 물 흐름에 포함된 운동 에너지를 포착할 수 있다. 이러한 운동 에너지는 파워 출력으로 변환되어 에너지를 생산할 수 있다.
터빈 전체 효율과 터빈 파워 출력 양자를 개선하기 위한 목적으로 터빈의 런너 단면에서 물 흐름과 압력 강하를 증가시키기 위해 유체동력학적 터빈으로부터 하류에 흡출관 어셈블리 또는 카울을 설치하는 것이 공지되어 있다. 그러나, 이들 흡출관 어셈블리 또는 카울은 강과 같은 얕은 수역에 잠길 수 있는 치수로 되어 있지 않다. 실제로, 그러한 어셈블리의 전체 높이를 줄이는 것은 길이 뿐만 아니라 터빈의 런너 단면에서 캐비테이션 부피로 이어질 수 있으며, 이는 작동 및 경제적으로 실행 가능하지 않다.
따라서, 생성된 파워 출력을 최대화하기 위해 유체동역학적 터빈의 런너 단면에서 물 흐름 및 압력 강하를 증가시킬 수 있는 동시에, 얕은 수역, 예를 들어 유체동역학적 터빈이 잠길 수 있는 강에 의해 제공되는 치수 제약을 고려하면서 개선된 흡출관 어셈블리 또는 카울이 필요하다.
일부 구현예에서, 허브 및 허브로부터 반경방향으로 연장되는 블레이드를 포함하는 유체동력학적 터빈(hydrokinetic turbine)의 적어도 일부를 수용하기 위한 다중-스테이지형 카울(multi-staged cowl)에 있어서,
입구;
출구; 및
유체동력학적 터빈을 내부에 수용하기 위해 입구와 출구 사이에 연장되는 다중 스테이지들 ― 상기 스테이지들은 입구로부터 출구를 향한 물 흐름 방향을 따라 물의 흐름이 통과하는 물 흐름 채널(water flow channel)을 규정함 ―을 포함하며,
상기 스테이지들은 물 흐름 방향을 따라 실질적으로 일정한 높이를 규정하며,
상기 스테이지들 중 적어도 하나는 물 흐름 방향을 따라 증가하는 폭을 규정하는 다중-스테이지형 카울이 제공된다.
일부 구현예에서, 적어도 2개의 스테이지는 입구 흡출관(inlet draft tube)을 포함하며,
상기 입구 흡출관은,
입구 흡출관 입구;
입구 흡출관 출구; 및
입구 흡출관 입구와 입구 흡출관 출구 사이에서 연장되고, 입구 흡출관 입구로부터 입구 흡출관 출구를 향한 물 흐름 방향을 따라 물의 흐름이 통과하는 입구 물 흐름 채널을 규정하는 입구 주변 벽 ― 상기 입구 주변 벽은 내부 표면과 외부 표면을 포함함 ―을 포함한다.
일부 구현예에서, 상기 다중 스테이지는 중간 흡출관을 더 포함하며,
상기 중간 흡출관은,
입구 흡출관 출구를 수용하도록 구성된 중간 흡출관 입구;
중간 흡출관 출구; 및
중간 흡출관 입구와 중간 흡출관 출구 사이에서 연장되고, 중간 흡출관 입구로부터 중간 흡출관 출구를 향한 물 흐름 방향을 따라 물의 흐름이 통과하는 중간 물 흐름 채널을 규정하는 중간 주변 벽 ― 상기 중간 주변 벽은 내부 표면 및 외부 표면을 포함함 ―을 포함한다.
일부 구현예에서, 상기 중간 흡출관 입구로부터 중간 흡출관 출구를 향한 물의 흐름이 통과하는, 입구 주변 벽의 외부 표면과 중간 주변 벽의 내부 표면 사이에 형성된 중간 흡출관 입구에 제 1 물 통로를 포함한다.
일부 구현예에서, 중간 흡출관 입구의 단면적이 입구 흡출관 출구의 단면적보다 크다.
일부 구현예에서, 상기 제 1 물 통로는 입구 흡출관 입구의 주변을 따라 연장된다.
일부 구현예에서, 상기 다중 스테이지는 출구 흡출관을 더 포함하며,
상기 출구 흡출관은,
중간 흡출관 출구를 수용하도록 구성된 출구 흡출관 입구;
출구 흡출관 출구; 및
출구 흡출관 입구와 출구 흡출관 출구 사이에서 연장되고, 출구 흡출관 입구로부터 출구 흡출관 출구를 향한 물 흐름 방향을 따라 물의 흐름이 통과하는 출구 물 흐름 채널을 규정하는 출구 주변 벽 ― 상기 출구 주변 벽은 내부 표면과 외부 표면을 포함함 ―을 포함한다.
일부 구현예에서, 상기 출구 흡출관 입구로부터 출구 흡출관 출구를 향한 물의 흐름이 통과하는, 중간 주변 벽의 외부 표면과 출구 주변 벽의 내부 표면 사이에 형성된 출구 흡출관 입구에 제 2 물 통로를 포함한다.
일부 구현예에서, 상기 출구 흡출관 입구의 단면적은 중간 흡출관 출구의 단면적보다 크다.
일부 구현예에서, 상기 제 2 물 통로는 중간 흡출관 입구의 주변을 따라 연장된다.
일부 구현예에서, 상기 중간 흡출관은 제 1 비선형 관계에 따른 물의 흐름 방향을 따라 증가하는 중간 흡출관 폭을 규정한다.
일부 구현예에서, 상기 출구 흡출관은 제 2 비선형 관계에 따른 물 흐름 방향을 따라 증가하는 출구 흡출관 폭을 규정한다.
일부 구현예에서, 상기 출구 흡출관 폭은 출구 흡출관 입구로부터 출구 흡출관 출구를 향해 증가한다.
일부 구현예에서, 상기 입구 흡출관은 입구 흡출관 길이와, 제 3 비선형 관계에 따른 입구 흡출관 길이의 세그먼트를 따라 증가하는 입구 흡출관 폭을 규정한다.
일부 구현예에서, 출구에서의 폭은 출구에서의 높이보다 크다.
일부 구현예에서, 상기 다중 스테이지를 그 위에 지지하는 베이스를 더 포함한다.
일부 구현예에서, 상기 베이스는 물이 다중 스테이지의 길이를 따라 물 흐름 방향에서 다중 스테이지 아래로 흐르도록 허용하기 위한 개방형 구성을 규정한다.
일부 구현예에서, 상기 베이스는 다중 스테이지를 지지하기 위한 메인 프레임과, 메인 프레임으로부터 하방으로 연장되는 복수의 지지 레그를 포함한다.
일부 구현예에서, 상기 베이스는 물 흐름 방향에 대해 다중 스테이지의 수평을 맞추도록 구성된 수평 메커니즘을 더 포함한다.
일부 구현예에서, 스테이지들에서 유체동력학적 터빈의 적어도 일부를 지지하기 위해 다중 스테이지로부터 연장되는 허브 지지 구조체를 더 포함하고, 상기 허브 지지 구조체는 복수의 이격된 허브 지지 부재를 포함하며, 지지 부재 각각은 입구 흡출관의 내부 표면과 허브 사이에서 연장된다.
일부 구현예에서, 다중 스테이지를 보강하고, 다중 스테이지로부터 연장되는 외부 보강 구조물을 더 포함하고, 상기 외부 보강 구조물은 복수의 이격된 상부 리브를 포함하며, 상부 리브 각각은 내부, 중간 및 출구 흡출관의 외부 표면으로 상방으로 연장된다.
일부 구현예에서, 다중 스테이지를 보강하기 위한 내부 보강 구조물을 더 포함하고, 상기 내부 보강 구조물은 복수의 이격된 스트럿을 포함하며, 스트럿 각각은 출구 흡출관의 내부 표면의 하부 부분과 상부 부분 사이로 연장된다.
도 1은 일 구현예에 따른 다중-스테이지형 카울의 정면 사시도이다.
도 2는 도 1의 다중-스테이지형 카울의 등각 측면 사시도이다.
도 3은 도 1의 다중-스테이지형 카울의 정면도이다.
도 4는 도 1의 다중-스테이지형 카울의 후방 입면도이다.
도 5는 도 1의 다중-스테이지형 카울의 측면도이다.
도 6은 도 7의 A-A선을 따라 취한 다중-스테이지형 카울의 단면도이다.
도 7은 도 1의 다중-스테이지형 카울의 평면도이다.
도 8은 도 5의 B-B선을 따라 취한 다중-스테이지형 카울의 단면도이다.
여기에 설명된 다중-스테이지형 카울(multi-staged cowl)은 생성된 파워 출력을 최대화하기 위해 유체동역학적 터빈의 런너 단면에서 물 흐름 및 압력 강하를 증가시키는 동시에, 얕은 수역, 예를 들어 유체동역학적 터빈이 잠길 수 있는 강에 의해 제공되는 치수 제약을 고려한다. 따라서, 여기에 설명된 다중-스테이지형 카울은 물이 실질적으로 안정적인 물 흐름에서 유체동력학적 터빈을 통해 흐르는 것을 허용하도록 구성될 수 있다.
일 구현예에서, 다중-스테이지형 카울은 내부에 유체동력학적 터빈을 적어도 부분적으로 수용하도록 구성되고, 물이 물 흐름 방향에서 관통 유동할 수 있도록, 입구, 출구, 및 입구와 출구 사이에서 연장될 수 있는 복수의 스테이지를 포함할 수 있다. 유체동역학적 터빈은 로터, 허브, 및 이로부터 반경방향으로 연장될 수 있는 블레이드를 포함하여, 런너 단면을 형성할 수 있다. 허브는 파워 출력이 최대화될 수 있도록 흐름 방향으로 적어도 부분적으로 연장될 수 있다. 다중-스테이지형 카울은 스테이지(및 터빈)가 수역에 완전히 잠길 수 있는 높이를 규정한다. 예를 들어, 다중-스테이지형 카울의 높이는 그 길이를 따라 또는 물 흐름 방향을 따라 실질적으로 일정하게 유지되어, 다중-스테이지형 카울 및 유체동력학적 터빈 배열체가 얕은 강에서 작동할 수 있다. 또한, 스테이지 또는 스테이지들의 일부는 그들 길이(또는 그 세그먼트)를 따라 증가할 수 있는 폭을 가질 수 있으므로, 실질적으로 안정적인 물 흐름이 이를 통해, 보다 구체적으로 유체동역학적 터빈의 런너 단면에서 흐를 수 있다. 따라서, 다중-스테이지형 카울의 이러한 구성은 물이 스테이지를 통해 흐를 때 유체 분리를 무시할 수 있는 수준으로 방지할 수 있으며, 유체동력학적 터빈에 대한 와류 생성을 무시할 수 있는 수준으로 최소화할 수 있다. 따라서, 터빈의 런너 단면에서 상당한 물의 흐름과 압력 강하가 생성될 수 있다.
일 구현예에서, 다중-스테이지형 카울은 예를 들어 2개 이상인 복수의 흡출관을 포함할 수 있으며, 이는 물이 물 흐름 방향으로 통과하도록 구성될 수 있다. 하나의 시나리오에서, 다중-스테이지형 카울은 입구 및 출구 흡출관을 포함할 수 있다. 다중-스테이지형 카울은 선택적으로 3-스테이지 카울일 수 있으며, 중간 흡출관, 내부 흡출관의 하류 및 출구 흡출관의 상류를 포함한다. 예를 들어, 유체동력학적 터빈의 허브 및 블레이드는 내부 흡출관에 적어도 부분적으로 수용될 수 있다. 아래에서 더 자세히 설명하는 바와 같이, 각 흡출관은 입구 뿐만 아니라, 대응하는 하류 흡출관의 입구에 수용될 수 있는 출구를 구비한다. 예를 들어, 내부 흡출관의 출구는 중간 흡출관의 입구에 수용되도록 구성될 수 있고, 유사하게 중간 흡출관의 출구는 출구 흡출관의 입구에 수용되도록 구성될 수 있고, 그 결과 다중-스테이지형 카울은 중간 흡출관의 입구에 제 1 물 통로 뿐만 아니라, 출구 흡출관의 입구에 제 2 물 통로를 추가로 포함할 수 있다. 하나의 시나리오에서, 제 1 물 통로는, 예를 들어 내부 흡출관의 주변에서, 입구 흡출관의 출구 표면과 중간 흡출관의 내부 표면 사이에 제공될 수 있는 반면에, 제 2 물 통로는, 예를 들어 중간 흡출관의 주변에서, 중간 흡출관의 외부 표면과 출구 흡출관의 내부 표면 사이에 제공될 수 있다. 따라서, 제 1 및 제 2 물 통로는 유체동력학적 터빈의 런너 단면에 공급되지 않은 물이 이를 통해 흐르게 하여, 다중-스테이지형 카울을 통해 흐르는 물과 예를 들어 물 흐름 방향으로 결합될 수 있게 한다. 카울의 이러한 특징은 흡출관을 통한 안정적인 물 흐름을 허용할 수 있으며, 따라서 터빈의 런너 단면에서 안정적이고 증가된 물 흐름을 허용할 수 있다. 다중-스테이지형 카울은 흡출관(주로, 400, 500)의 증가된 폭으로 인해 뿐만 아니라 제 1 및 제 2 물 통로를 통해서 입구 흡출관의 내부 표면에 대해 준층류(quasi-laminar flow)를 유지하는 능력을 갖고 있기 때문에, 효율적인 와류-없는 그리고 분리-없는 흐름이 흡출관을 통해 그리고 보다 중요하게 터빈의 런너 단면에서 유지될 수 있는 동시에, 카울은 작동 가능하고 그리고 경제적으로 실행 가능한 길이를 가질 수 있다. 캐비테이션 부피는 터빈의 런너 단면에서 또한 최소화될 수 있다.
이제 도면, 특히 도 1 내지 도 8의 구현예를 참조하면, 내부에 유체동력학적 터빈(200)을 수용하도록 구성된 다중-스테이지형 카울(100)이 제공된다. 다중-스테이지형 카울(100)은 터빈(200)과 배열체로 수역에 완전히 잠길 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 다중-스테이지형 카울(100)은 수역의 바닥에 고정될 수 있다. 유체동력학적 터빈(200)은 흡기 노즈(210), 외부 로터(220), 로터 내부의 내부 스테이터 및 이로부터 반경방향으로 연장될 수 있는 블레이드(230, 232, 234, 236)를 포함하여, 런너 단면을 형성할 수 있다. 유체동력학적 터빈(200)은, 런너 단면으로부터 하류로 흐르는 물이 카울(100)의 적어도 일부를 통해 흐를 수 있도록 적어도 부분적으로 다중-스테이지형 카울(100) 내로 도입될 수 있는 한 임의의 형상, 크기 또는 구성을 취할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 로터(220)의 형상, 크기 또는 구성 뿐만 아니라 흡기 노즈(210)의 형상, 크기 또는 구성, 로터(220) 및 블레이드(230, 232, 234, 236)의 크기 및 구성은 다양할 수 있다. 추가로, 유체동력학적 터빈(200)이 도 1 내지 도 4에서 4개의 블레이드(230, 232, 234, 236)를 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 허브(220)로부터 연장되는 블레이드의 개수는 다양할 수 있음에 유의해야 한다.
여전히 도 1 내지 도 8의 구현예를 참조하면, 다중-스테이지형 카울(100)은 입구(110)와, 입구(110)와 반대쪽에 있는 출구(120)를 포함한다. 다중-스테이지형 카울(100)은 입구(110)와 출구(120) 사이에서 연장될 수 있는 복수의 스테이지(130)를 더 포함한다. 위에서 언급한 바와 같이, 스테이지(130)는 내부에 유체동력학적 터빈(200)을 적어도 부분적으로 수용하도록 구성될 수 있으며, 이에 따라 물은 블레이드(230, 232, 234, 236)로부터 상류(즉, 런너 단면으로부터 상류)의 스테이지(130)의 섹션으로부터 블레이드(230, 232, 234, 236)로부터 하류(즉, 런너 단면으로부터 하류)의 스테이지(130)의 섹션을 향해 스테이지(130)를 통해 흐를 수 있고, 다음에 출구(120)를 통해 흐를 수 있다. 복수의 스테이지(130)는 물 흐름 방향(WF)을 규정하는 흐름 채널(135)을 함께 규정한다. 다중-스테이지형 카울(100)은 높이(H)와 길이(L)를 추가로 규정하는 반면, 스테이지(130)는 입구(110)에서의 폭(Wi) 뿐만 아니라 다중-스테이지형 카울(100)의 출구(120)에서의 폭(Wo)을 규정할 수 있다. 일 구현예에서, 카울(100)의 높이(H)는 스테이지(130)(및 터빈(200))가 실질적으로 얕은 수역에 완전히 잠길 수 있게 할 수 있다. 예를 들어, 카울(100)의 높이(H)는 그 길이(L)를 따라(또는 물 흐름 방향(WF)을 따라) 실질적으로 일정할 수 있는 반면, 카울(120)의 출구(120)에서의 폭(Wo)은 카울(100)은 카울(100)의 입구(110)에서의 폭(Wi)보다 클 수 있다. 보다 구체적으로, 하나 이상의 스테이지(들)(130)(또는 그 세그먼트)의 폭은 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이 그 입구로부터 그 출구를 향하는 물 흐름 방향(WF)을 따라 증가할 수 있다. 도 6 및 도 8에 잘 도시된 바와 같이, 로터(220)는 물 흐름 방향(WF)으로 연장될 수 있으며, 그 결과 물은 실질적으로 터빈(200)의 런너 단면으로 흐를 수 있으며, 이는 그로부터의 파워 출력을 증가시킬 수 있다.
여전히 도 1 내지 도 8의 구현예를 참조하면, 다중-스테이지형 카울(100)은 흡출관(300, 400, 500)(즉, 스테이지(130))과 같은 복수의 흡출관을 포함할 수 있다. 실제로, 다중-스테이지형 카울(100)은 입구 흡출관 또는 제 1 스테이지 흡출관(300)을 포함할 수 있다. 입구 흡출관(300)은 입구(320), 출구(330) 및 물 흐름 방향(WF)을 따라 이를 통한 물의 흐름을 위한 흐름 채널(310)을 규정하는 주변 벽(312)을 포함할 수 있다. 환언하면, 입구 흡출관(300)은 물의 흐름 방향(WF)을 따라 연장될 수 있고, 주변 벽(312)은 흐름 채널(310)을 한정할 수 있다. 도 6 및 도 8에 잘 도시한 바와 같이, 그에 따라 물(물 스트림(700))은 입구(320)로부터 주변 벽(312)에 의해 형성된 흐름 채널(310)을 통해, 입구 흡출관(300)의 상류 섹션(322)(즉, 블레이드(230, 232, 234, 236) 또는 런너 단면으로부터 상류)을 통해, 입구 흡출관(300)의 하류 섹션(324)(즉, 블레이드(230, 232, 234, 236) 또는 런너 단면으로부터 하류)을 통해, 다음에 출구(330)를 통해 흐를 수 있다. 입구 흡출관(300)의 주변 벽(312)은 내부 표면(332) 뿐만 아니라 내부 표면(332) 반대편의 외부 표면(334)을 포함한다. 입구 흡출관(300)은 전체 높이(H1), 길이(L1), 입구(320)에서의 폭(Wi1), 출구(330)에서의 폭(Wo1), 입구(320)에서의 높이(Hi1) 뿐만 아니라 출구(330)에서의 높이(Ho1)를 규정한다. 일 구현예에서, 입구 흡출관(300)은 얕은 수역에 완전히 잠길 수 있도록 높이(H1)를 규정할 수 있다. 보다 구체적으로, 입구 흡출관(300)은 그 길이(L1)를 따라(또는 물 흐름 방향(WF)을 따라) 실질적으로 일정할 수 있는 높이(H1)를 규정할 수 있다. 환언하면, 입구(320)에서의 높이(Hi1)는 출구(330)에서의 높이(Ho1)에 실질적으로 대응할 수 있다. 그러나, 출구(330)에서의 폭(Wo1)은 입구(320)에서의 폭(Wi1)보다 클 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 입구 흡출관(300)의 폭은 입구(320)로부터 출구(330)를 향하는 그 길이(L1)를 따라, 또는 대안적으로 그 길이(L1)의 세그먼트를 따라 증가할 수 있다. 그러나, 입구(320)에서의 폭(Wi1)은 출구(330)에서의 폭(Wo1)에 실질적으로 대응할 수 있거나, 또는 대안적으로 입구 흡출관(300)의 폭은 그 길이(L1)를 따라 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다. 일 구현예에서, 입구 흡출관(300)의 높이는 터빈 런너를 가로지르는 흐름을 안정화하고, 터빈 런너를 가로지르는 흐름 진동 및 유체 분리를 제거하도록 설계 및 최적화된 유압 프로파일에 따라 그 길이(L1)를 따라 증가하거나 감소할 수 있는 반면에, 출구 흡출관(500)의 폭은 입구 흡출관(300), 중간 흡출관(400) 및 출구 흡출관(500)의 흐름을 안정화하고, 동시에 터빈 런너를 가로지르는 진동 및 유체 분리를 제거하도록 설계 및 최적화된 다른 유압 프로파일을 따라 그 길이(L1)의 세그먼트를 따라 증가될 수 있다.
여전히 도 1 내지 도 8의 구현예를 참조하면, 다중-스테이지형 카울(100)은 축(X)을 따라 터빈(200)의 허브(220)를 지지하도록 구성될 수 있는 허브 지지 구조체(336)를 더 포함할 수 있으며, 그에 따라 일단 카울(100) 및 터빈(200) 배열체가 수역에 잠기면 물 흐름 방향(WF)으로 확장될 수 있다. 허브 지지 구조체(336)는 입구 흡출관(300)의 내부 표면(332)과 허브(220)의 정적 부분(즉, 내부 스테이터) 사이에서 연장될 수 있는 허브 지지 부재(338, 344, 350, 356)를 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 그리고 도 1에 잘 도시된 바와 같이, 허브 지지 부재(338)는 입구(320)에서 내부 표면(332)의 우측 및 하부 섹션과 허브(220)의 하부 부분의 우측 및 전방 섹션 사이에서 연장될 수 있다. 허브 지지 부재(344)는 입구(320)에서 내부 표면(332)의 좌측 및 하부 섹션과 허브(220)의 하부 부분의 좌측 및 전방 섹션 사이에서 연장될 수 있다. 허브 지지 부재(350)는 출구(330)에서 내부 표면(332)의 우측 및 하부 부분과 허브(220)의 하부 부분의 우측 및 후방 섹션 사이로 연장될 수 있다. 마지막으로, 허브 지지 부재(356)는 출구(330)에서 내부 표면(332)의 좌측 및 하부 섹션과 허브(220)의 하부 부분의 좌측 및 후방 섹션 사이에서 연장될 수 있다. 하나의 시나리오에서, 허브 지지 부재(338, 344, 350, 356)는 중심축(X)을 향해(즉, 입구 흡출관(300)의 중심을 향하여) 안쪽으로 기울어지는 각도일 수 있다. 도시된 바와 같이, 흡출관 단부(340, 346, 352, 358)는 내부 표면(332)의 하부 섹션에 고정될 수 있는 반면, 허브 단부(342, 348, 354, 360)는 허브(220)의 정적 섹션에 고정될 수 있다. 단부(340, 346, 352, 358)와 허브 지지 부재(338, 344, 350, 356)의 단부(342, 348, 354, 360)는 적절한 기계적 패스너를 사용하여 입구 흡출관(300) 및 허브(220)에 고정될 수 있다. 대안적으로, 단부(340, 346, 352, 358)와 허브 지지 부재(338, 344, 350, 356)의 단부(342, 348, 354, 360)는 패스너 또는 다른 공지된 기술(예를 들어, 용접에 의해)을 사용하여 입구 흡출관(300) 및 허브(220)에 고정될 수 있다. 허브(220)가 물 흐름 방향(WF)으로 적어도 부분적으로 연장되는 상태에서 터빈(200)을 지지할 수 있는 한 그리고 물이 길이방향 장애물이 가능한 한 적은 상태에서 입구 흡출관(300)을 통해 흘러서 물 흐름이 카울(100)을 통해 향상될 수 있는 한, 허브 지지 구조체(336)는 임의의 형상, 크기 또는 구성을 취할 수 있음에 또한 유의해야 한다. 예를 들어, 일 구현예에서, 허브 지지 구조체(336)는 물 흐름 방향(WF)을 따라 수력학적으로 프로파일링될 수 있다. 다른 시나리오(도시하지 않음)에서, 허브 지지 구조체는 예를 들어, 허브 지지 부재(338, 344, 350, 356)와 같은 구성요소에 의해 방해받지 않고 물이 유입구 흡출관(300)을 통해 흐를 수 있도록 강바닥에서 연장될 수 있다. 허브 지지 구조체(336)는 터빈 허브(220) 내부에 있는 터빈의 발전기(도시하지 않음)에 의해 생성된 전력을 배기하기 위한 전기 해저 케이블과, 유체동력학적 터빈(200)으로부터 연장되는 광섬유(도시하지 않음)를 포함하는 다른 전기 와이어를 수용하도록 구성된 통로를 추가로 포함할 수 있다.
여전히 도 1 내지 도 8의 구현예를 참조하면, 다중-스테이지형 카울(100)은 입구 흡출관(300)으로부터 하류에 위치될 수 있는 중간 흡출관 또는 제 2 스테이지 흡출관(400)을 더 포함할 수 있다. 중간 흡출관(400)은, 입구(420), 출구(430) 및 물 흐름 방향(WF)을 따라 이를 통한 물의 흐름을 위한 흐름 채널(410)을 규정하는 주변 벽(412)을 포함할 수 있다. 환언하면, 중간 흡출관(400)은 물 흐름 방향(WF)을 따라 연장될 수 있고, 주변 벽(412)은 흐름 채널(410)을 한정할 수 있다. 도 6 및 도 8에 잘 도시된 바와 같이, 그에 따라 물(물 스트림(700))은 주변 벽(412)에 의해 형성된 흐름 채널(410)을 통해 입구 흡출관(300)의 출구(330)로부터 중간 흡출관(400)의 출구(430)를 향해 흐를 수 있다. 중간 흡출관(400)은 또한 내부 표면(432) 뿐만 아니라 내부 표면(432) 반대편의 외부 표면(434)을 구비한다. 중간 흡출관(400)은 높이(H2), 길이(L2), 입구(420)에서의 폭(Wi2), 출구(430)에서의 폭(Wo2), 입구(420)에서의 높이(Hi2) 뿐만 아니라 출구(430)에서의 높이(Ho2)를 규정한다. 일 구현예에서, 중간 흡출관(400)은 얕은 수역에 완전히 잠길 수 있도록 높이(H2)를 규정할 수 있다. 보다 구체적으로, 중간 흡출관(400)은 그 길이(L2)를 따라(또는 물 흐름 방향(WF)을 따라) 실질적으로 일정할 수 있는 높이(H2)를 규정할 수 있다. 예를 들어, 입구(420)에서의 높이(Hi2)는 중간 흡출관(400)의 출구(430)에서의 높이(Ho2)에 실질적으로 대응할 수 있다. 도 5 및 도 6에 잘 도시된 바와 같이, 입구(420)에서의 높이(Hi2)는 출구(430)에서의 높이(Ho2)보다 약간 클 수 있다. 보다 구체적으로, 중간 흡출관 또는 제 2 스테이지 흡출관(400)의 높이(H2)는 입구(420)로부터 출구(430)를 향해 그 길이(L2)를 따라(또는 물 흐름 방향(WF)을 따라), 또는 대안적으로 길이(L2)의 세그먼트를 따라 감소될 수 있다. 중간 흡출관(400)의 다른 구성이 가능하다. 그러나, 도 7 및 도 8에 잘 도시된 바와 같이, 출구(430)에서의 폭(Wo2)은 입구(420)에서의 폭(Wi2)보다 클 수 있다는 것이 유의해야 한다. 보다 구체적으로, 중간 흡출관(400)의 폭은 입구(420)로부터 출구(430)를 향하여 그 길이(L2)를 따라(또는 물 흐름 방향(WF)을 따라), 또는 대안적으로 그 길이의 세그먼트(L2)를 따라 증가될 수 있다. 일 구현예에서, 중간 흡출관(400)의 높이는 흐름을 안정화하고 그리고 흡출관(300, 400, 500)의 내부의 유체 분리를 방지하도록 설계되고 최적화된 유압 프로파일에 따라 그 길이(L2)를 따라 증가 또는 감소할 수 있는 반면에, 중간 흡출관(400)의 폭은 흐름을 안정화하고 그리고 흡출관(300, 400, 500)의 내부와 런너에서 유체 분리를 방지하도록 설계되고 최적화된 다른 유압 프로파일에 따라 그 길이(L2)를 따라 증가할 수 있다.
여전히 도 1 내지 도 8의 구현예를 참조하면, 다중-스테이지형 카울(100)은 또한 중간 흡출관(400)으로부터 하류에 위치될 수 있는 출구 흡출관 또는 제 3 스테이지 흡출관(500)을 포함할 수 있다. 출구 흡출관(500)은 입구(520), 출구(530) 및 물 흐름 방향(WF)을 따라 이를 통한 물의 흐름을 위한 흐름 채널(510)을 규정하는 주변 벽(512)을 포함할 수 있다. 환언하면, 출구 흡출관(500)은 물 흐름 방향(WF)을 따라 연장될 수 있고, 주변 벽(512)은 흐름 채널(510)을 한정할 수 있다. 도 6 및 도 8에 잘 도시된 바와 같이, 그에 따라 물(물 스트림(700))은 중간 흡출관(400)의 출구(430)로부터 출구 흡출관(500)의 출구(530)를 향해 주변 벽(512)에 의해 형성된 흐름 채널(510)을 통해 흐를 수 있다. 출구 흡출관(500)은 또한 내부 표면(532) 뿐만 아니라 내부 표면(532) 반대편의 외부 표면(534)을 포함한다. 출구 흡출관(500)은 높이(H3), 길이(L3), 입구(520)에서의 폭(Wi3), 출구(530)에서의 폭(Wo3), 입구(520)에서의 높이(Hi3) 뿐만 아니라 출구(530)에서의 높이(Ho3)를 규정한다. 일 구현예에서, 그리고 도 5 및 도 6에 잘 도시된 바와 같이, 출구 흡출관(500)은 얕은 수위의 수역에 완전히 잠길 수 있도록 높이(H3)를 규정할 수 있다. 보다 구체적으로, 높이(H3)는 그 길이(L3)를 따라(또는 물 흐름 방향(WF)을 따라) 실질적으로 일정할 수 있다. 예를 들어, 입구(520)에서의 높이(Hi3)는 출구 흡출관(500)의 출구(530)에서의 높이(Ho3)에 실질적으로 대응할 수 있다. 특히 도 5 및 도 6을 참조하면, 출구(530)에서의 높이(Ho3)는 입구(520)에서의 높이(Hi3)보다 약간 더 클 수 있다. 보다 구체적으로, 출구 흡출관(500)의 높이는 입구(520)로부터 출구 흡출관(500)의 출구(530)를 향해 그 길이(L3)를 따라(또는 물 흐름 방향(WF)을 따라), 또는 길이(L3)의 섹션을 따라서 증가될 수 있다. 출구 흡출관(500)의 다른 구성이 가능하다. 그럼에도 불구하고, 도 7 및 도 8에 잘 도시된 바와 같이, 출구(530)에서의 폭(Wo3)은 입구(520)에서의 폭(Wi3)보다 클 수 있다는 것이 유의해야 한다. 보다 구체적으로, 출구 흡출관(500)의 폭은 입구(520)로부터 출구 흡출관(500)의 출구(530)를 향해 그 길이(L3)를 따라(또는 물 흐름 방향(WF)을 따라), 또는 대안적으로 그 길이(L3)의 세그먼트를 따라 증가될 수 있다. 일 구현예에서, 출구 흡출관(500)의 높이는 유동을 안정화하고 그리고 흡출관(300, 400, 500)의 내부 및 런너 단면에서 유체 분리를 무시할 수 있는 수준으로 방지하도록 설계되고 최적화된 유압 프로파일에 따라 그 길이(L3)를 따라 증가 또는 감소할 수 있는 반면에, 출구 흡출관(500)의 폭은 흐름을 안정화하고 그리고 흡출관(300, 400, 500)의 내부 및 런너 단면에서 유체 분리를 무시할 수 있는 수준으로 방지하도록 설계되고 최적화된 다른 유압 프로파일에 따라 그 길이(L3)를 따라 증가할 수 있다.
이제 보다 구체적으로 도 6 및 도 8을 참조하면, 일 구현예에서, 입구 흡출관(300)은 중간 흡출관(400)의 흐름 채널(410)에 적어도 부분적으로 결합될 수 있는 반면, 중간 흡출관(400)은 출구 흡출관(500)의 흐름 채널(520)에 적어도 부분적으로 결합될 수 있다. 실제로, 입구 흡출관(300)의 출구(330)는 중간 흡출관(400)의 입구(420)에 수용될 수 있는 반면, 중간 흡출관(400)의 출구(430)는 출구 흡출관(500)의 입구(520)에 수용될 수 있으며, 그 결과 다중-스테이지형 카울(100)은 중간 흡출관(400)의 입구(420)에 있는 제 1 물 통로(140)를 더 포함할 수 있도록 출구 흡출관(500)의 입구(520)에 제 1 물 통로(140)와, 출구 흡출관(500)의 입구(520)에 있는 제 2 물 통로(142)를 추가로 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 제 1 물 통로(140)는 입구 흡출관(300)의 출구(320) 주변에 마련될 수 있으며, 그 결과 그 출구(330)에서 입구 흡출관(300)의 외부 표면(334)과 그 입구(420)에서 중간 흡출관(400)의 내부 표면(432) 사이에 형성된 통로를 통해서 물(물 스트림(800))이 흐를 수 있다. 한편, 제 2 물 통로(142)가 중간 흡출관(400)의 출구(430) 주변에 마련될 수 있으며, 그 결과 그 출구(430)에서 중간 흡출관(400)의 외부 표면(434)과 그 입구(520)에서 출구 흡출관(500)의 내부 표면(532) 사이에 형성된 통로를 통해서 물(물 스트림(900))이 흐를 수 있다. 따라서, 하나의 시나리오에서, 입구(420)에서의 높이(Hi2)는 출구(330)에서의 높이(Ho1)보다 클 수 있고, 입구(520)에서의 높이(Hi3)는 출구(430)에서의 높이(Ho2)보다 클 수 있는 반면, 입구(420)에서의 폭(Wi2)은 출구(330)에서의 폭(Wo1)보다 클 수 있고, 입구(520)에서의 폭(Wi3)은 출구(430)에서의 폭(Wo2)보다 클 수 있다. 물이 흡출관(400, 500)의 입구(420, 520)를 통해 흐를 수 있는 한 흡출관(300, 400, 500)의 다른 구성이 가능하다.
이제 보다 구체적으로 도 8을 참조하면, 입구 흡출관(300)은 실질적으로 직선 부분(361)(즉, 좌측 및 우측 실질적으로 직선 부분(361))과, 출구(330) 주위에서, 직선 부분(361)(또는 물 흐름 방향(WF))으로부터 발산 각도(θ1)로 연장될 수 있는 발산 벽 부분(362)(즉, 좌측 및 우측 발산 벽 부분(362))을 포함할 수 있는 것에 유의한다. 예를 들어, 발산 각도(θ1)는 약 2°와 약 60° 사이, 약 10°와 약 40° 사이, 또는 약 25°와 약 35° 사이일 수 있다. 예를 들어, 입구 흡출관(300)의 폭은 흐름을 안정화하고 그리고 흡출관(300, 400, 500)의 내부 및 런너 단면에서 유체 분리를 무시할 수 있는 수준으로 방지하도록 설계 및 최적화된 유압 프로파일에 따라 길이(L1)의 세그먼트를 따라 증가될 수 있다. 그러나, 다른 시나리오에서, 입구 흡출관(300)의 폭은 유동을 안정화하고 그리고 흡출관(300, 400, 500)의 내부 및 런너 단면에서 유체 분리를 무시할 수 있는 수준으로 방지하도록 설계되고 최적화된 유압 프로파일에 따라 길이(L1)의 세그먼트를 따라 증가될 수 있다. 입구 흡출관(300)의 폭이 그 길이(L1)의 적어도 하나의 세그먼트를 따라 증가될 수 있는 한, 주변 벽(312)은 임의의 형상, 크기 또는 구성을 취할 수 있음을 추가로 유의해야 한다. 예를 들어, 이 세그먼트는 제 1 물 통로(140)에 인접한 출구(330) 주위에서 발견될 수 있다.
이제 보다 구체적으로 도 6을 참조하면, 입구 흡출관(300)은 실질적으로 직선 부분(363)(즉, 상부 및 하부 실질적으로 직선 부분(363))과, 런너 단면과 출구(330) 사이에서, 예를 들어 수렴 각도(θ2)로 직선 부분(363)으로부터 연장될 수 있는 수렴 벽 부분(364)(즉, 상부 및 하부 수렴 벽 부분(364))을 포함할 수 있음을 유의해야 한다. 예를 들어, 수렴 각도(θ2)는 약 1°와 약 20° 사이, 약 5°와 약 15° 사이, 또는 약 8°와 약 12° 사이일 수 있다. 예를 들어, 수렴 벽 부분(364)은 흐름을 안정화하고 그리고 흡출관(300, 400, 500)의 내부 및 런너 단면에서 유체 분리를 무시할 수 있는 수준으로 방지하도록 설계 및 최적화된 유압 프로파일을 구비할 수 있다. 따라서, 입구 흡출관(300)의 높이는 유동을 안정화하고 그리고 흡출관(300, 400, 500)의 내부 및 런너 단면에서 유체 분리를 무시할 수 있는 수준으로 방지하도록 설계되고 최적화된 유압 프로파일에 따라 그 길이(L1)의 세그먼트를 따라 감소될 수 있다. 그러나, 다른 시나리오에서, 입구 흡출관(300)의 높이는 흐름을 안정화하고 그리고 흡출관( 300, 400, 500)의 내부 및 런너 단면에서 유체 분리를 무시할 수 있는 수준으로 방지하도록 설계되고 최적화된 유압 프로파일을 따라 그 길이(L1)의 세그먼트를 따라 증가될 수 있다. 입구 흡출관(300)의 높이가 카울(100)이 수역에 완전히 잠길 수 있는 한 그리고 출구(330)가 입구(420)에 수용되어 물 통로(140)를 형성할 수 있는 한, 주변 벽(312)은 임의의 형상, 크기 또는 구성을 취할 수 있음을 유의해야 한다.
이제 보다 구체적으로 도 8을 참조하면, 중간 흡출관(400)은 입구(420) 주위에 입구 부분(461)(즉, 좌측 및 우측 입구 부분(461)) 뿐만 아니라 출구(430) 주위에 출구 부분(462)(즉, 좌측 및 우측 출구 부분(462))을 포함할 수 있음을 유의한다. 예를 들어, 출구 부분(462)은 물 흐름 방향(WF) 또는 축(X)으로부터 발산 각도(θ3)로 연장될 수 있다. 일부 구현예에서, 발산 각도(θ3)는 약 8°와 약 90° 사이, 약 10°와 약 60° 사이, 또는 약 45°와 약 55° 사이일 수 있다. 예를 들어, 출구 부분(462)은 흐름을 안정화하고 그리고 흡출관(300, 400, 500)의 내부 및 런너 단면에서 유체 분리를 방지하도록 설계되고 최적화된 유압 프로파일을 가질 수 있다. 따라서, 위에서 언급한 바와 같이, 중간 흡출관(400)의 폭은 흐름을 안정화하고 그리고 흡출관(300, 400, 500)의 내부 및 런너 단면에서 유체 분리를 무시할 수 있는 수준으로 방지하도록 설계되고 최적화된 유압 프로파일에 따라 그 길이(L2) 또는 그 길이(L2)의 세그먼트를 따라 증가될 수 있다. 중간 흡출관(400)의 폭이 그 길이(L2)의 적어도 하나의 세그먼트를 따라 증가될 수 있는 한, 주변 벽(412)은 임의의 형상, 크기 또는 구성을 취할 수 있음에 추가로 유의한다. 예를 들어, 그 세그먼트는 제 2 물 통로(142)에 인접한 출구(430) 주위에서 발견될 수 있다. 또한, 중간 흡출관(400)의 폭 증가율은 입구 부분(461)보다 출구 부분(462)에 대해 더 클 수 있다는 것에 유의한다.
이제 보다 구체적으로 도 6을 참조하면, 중간 흡출관(400)은 상부 및 하부 부분(463, 464)을 포함할 수 있음을 유의한다. 상부 및 하부 부분(463, 464) 각각은 물 흐름 방향(WF) 또는 축(X)으로부터 수렴 각도(θ4)로 연장될 수 있다. 예를 들어, 수렴 각도(θ4)는 약 1°와 약 20° 사이, 약 5°와 약 15° 사이, 또는 약 8°와 약 12° 사이일 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 상부 및 하부 부분(463, 464)은 실질적으로 직선 프로파일을 가질 수 있다. 따라서, 중간 흡출관(400)의 높이는 흐름을 안정화하고 그리고 흡출관(300, 400, 500)의 내부 및 런너 단면에서 유체 분리를 무시할 수 있는 수준으로 방지하도록 설계되고 최적화된 유압 프로파일에 따라 그 길이(L2)를 따라 직선으로 감소될 수 있다. 그러나, 다른 시나리오에서, 중간 흡출관(400)의 높이는 흐름을 안정화하고 그리고 흡출관(300, 400, 500)의 내부 및 런너 단면에서 유체 분리를 무시할 수 있는 수준으로 방지하도록 설계되고 최적화된 유압 프로파일에 따라 그 길이(L2) 또는 그 세그먼트를 따라 증가할 수 있다. 중간 흡출관(400)의 높이가 카울(100)이 수역에 완전히 잠길 수 있는 한 그리고 출구(430)가 입구(520)에 수용되어 물 통로(142)를 형성할 수 있는 한, 주변 벽(412)은 임의의 형상, 크기 또는 구성을 취할 수 있음에 유의해야 한다.
도 8을 다시 참조하면, 출구 흡출관(500)은 입구(520) 주변에 입구 부분(576)(즉, 좌측 및 우측 입구 부분(576))과, 출구(530) 주변에 출구 부분( 577)(즉, 좌측 및 우측 출구 부분(577))을 포함할 수 있음에 유의해야 한다. 예를 들어, 출구 부분(577)은 발산 각도(θ5)로 물 흐름 방향(WF) 또는 축(X)으로부터 연장될 수 있다. 일부 구현예에서, 발산 각도(θ5)는 약 8°와 약 90° 사이, 약 10°와 약 85° 사이, 또는 약 60°와 약 60° 사이일 수 있다. 예를 들어, 출구 부분(577)은 흐름을 안정화하고 그리고 흡출관(300, 400, 500)의 내부 및 런너 단면에서 유체 분리를 무시할 수 있는 수준으로 방지하도록 설계되고 최적화된 유압 프로파일을 가질 수 있다. 따라서, 위에서 언급한 바와 같이, 출구 흡출관(500)의 폭은 흐름을 안정화하고 그리고 흡출관(300, 400, 500)의 내부 및 런너 단면에서 유체 분리를 무시할 수 있는 수준으로 방지하도록 설계 및 최적화된 유압 프로파일에 따라 그 길이(L3) 또는 그 길이(L3)의 세그먼트를 따라 증가될 수 있다. 출구 흡출관(500)의 폭이 그 길이(L3)의 적어도 하나의 세그먼트를 따라 증가될 수 있는 한, 주변 벽(512)은 임의의 형상, 크기 또는 구성을 취할 수 있음을 추가로 유의해야 한다. 예를 들어, 이 세그먼트는 출구(530) 주위에서 발견될 수 있다. 출구 흡출관(500)의 폭 증가율은 입구 부분(576)보다 출구 부분(577)에 대해 더 클 수 있음에 유의해야 한다.
도 6을 다시 참조하면, 출구 흡출관(500)은 상부 및 하부 부분(578, 579)을 포함할 수 있음을 유의해야 한다. 상부 및 하부 부분(578, 579) 각각은 물 흐름 방향(WF) 또는 축(X)으로부터 발산 각도(θ6)로 연장될 수 있다. 예를 들어, 수렴 각도(θ6)는 약 1°와 약 85° 사이, 약 2°와 약 60° 사이, 또는 약 4°와 약 40° 사이일 수 있다. 상기 언급된 바와 같이, 상부 및 하부 부분(578, 579)은 실질적으로 직선 프로파일을 가질 수 있다. 따라서, 출구 흡출관(500)의 높이는 흐름을 안정화하고 그리고 흡출관(300, 400, 500)의 내부 및 런너 단면에서 유체 분리를 무시할 수 있는 수준으로 방지하도록 설계되고 최적화된 유압 프로파일에 따라 그 길이(L3)를 따라 약간 증가될 수 있다. 그러나, 다른 시나리오에서, 출구 흡출관(500)의 높이는 흐름을 안정화하고 흡출관(300, 400, 500)의 내부 및 런너 단면에서 유체 분리를 무시할 수 있는 수준으로 방지하도록 설계되고 최적화된 유압 프로파일에 따라 그 길이(L3) 또는 그 세그먼트를 따라 감소될 수 있다. 또한, 출구 흡출관(500)의 높이가 카울(100)이 수역에 완전히 잠길 수 있는 한, 주변 벽(512)은 임의의 형상, 크기 또는 구성을 취할 수 있음에 유의해야 한다. 입구, 중간 및/또는 출구 흡출관(300, 400, 500)의 폭은 실질적으로 선형 관계 및/또는 비선형 관계를 따라 그들 길이 또는 그 세그먼트(들)를 따라서 증가될 수 있다. 유사하게, 입구, 중간 및/또는 출구 흡출관(300, 400, 500)의 높이는 실질적으로 선형 관계 및/또는 비선형 관계를 따라 그들 길이 또는 그 세그먼트(들)를 따라서 증가 및/또는 감소될 수 있다.
따라서, 도 6 및 도 8에 잘 도시된 바와 같이, 일단 다중-스테이지형 카울(100) 및 터빈(200) 배열체가 수역에 완전히 잠기고 그리고 터빈(200)이 작동되면, 물(스트림(700))은 입구(320)를 통해, 상류 섹션(322)을 통해, 하류 섹션(324)을 통해, 그리고 다음에 입구 흡출관(300)의 출구(330)를 통해 흐를 수 있다. 출구(330)에서 배출되는 물이 그 출구(430)를 향해 중간 흡출관(400)을 통해 흐르는 동안, 입구 흡출관(300)에 유입되지 않은 물(즉, 스트림(800))은 입구 흡출관(300)의 주변에서 입구(420)에 마련된 제 1 물 통로(140)를 통해서 흐를 수 있으며, 물 흐름 방향(WF)을 따라 중간 흡출관(400)을 통해 흐르는 물 스트림(700)과 조합될 수 있다. 예를 들어, 물 흐름(800)은 주변 벽(412)의 내부 표면(432)의 입구 및 출구 부분(461, 462)을 따를 수 있다. 유사하게, 중간 흡출관(400)의 출구(430)로부터 배출되는 물(즉, 물 스트림(700, 800))이 출구(530)를 향해 출구 흡출관(500)을 통해 흐르는 동안, 입구 또는 중간 흡출관(300, 400)으로 유입되지 않은 물(스트림(900))은 중간 흡출관(400)의 주변에서 입구(520)에 구비된 제 2 물 통로(142)를 통해 흐를 수 있으며, 물 흐름 방향(WF)을 따라 출구 흡출관(500)을 통해 흐르는 물 스트림(700, 800)과 조합될 수 있다. 예를 들어, 물 흐름(900)은 주변 벽(512)의 내부 표면(532)의 입구 및 출구 부분(576, 577)을 따를 수 있다.
따라서 여기에 설명된 다중-스테이지형 카울(100)은 생성된 파워 출력을 최대화하기 위해 터빈(200)의 런너 단면에서 물 흐름 및 압력 강하를 증가시키는 동시에, 얕은 수역, 예를 들어 터빈(200)이 잠길 수 있는 강에 의해 제공되는 치수 제약을 고려한다. 따라서, 다중-스테이지형 카울(100)(출구(330, 430)의 주변에서)에 의해 제공되는 다중-스테이지형 효과는 물이 무시할 수 있는 와류 및 유체 분리로 진동에서 멀어지고 실질적으로 안정적인 물 흐름으로 터빈(200)을 통해 흐르게 허용할 수 있다. 다중-스테이지형 카울(100)의 높이(H)는 그 길이(L)를 따라 또는 물 흐름 방향(WF)을 따라 실질적으로 일정하게 유지될 수 있으며, 그 결과 다중-스테이지형 카울(100) 및 터빈(200) 배열체는 얕은 강에서 작동할 수 있다. 흡출관(300, 400, 500)은 그들 길이(L1, L2, L3)의 적어도 하나의 세그먼트를 따라 증가할 수 있는 폭을 가지며, 그 결과 최적화된 물 질량 흐름이 이를 통해, 보다 구체적으로 터빈(200)의 런너 단면에서 흐를 수 있다. 따라서, 다중-스테이지형 카울(100)의 이러한 구성은 물이 흡출관(300, 400, 500)을 통해 흐를 때 유체 분리를 방지하고 그리고 터빈(200) 주위의 와류 생성을 무시할 수 있는 수준으로 방지할 수 있다. 따라서 상당한 물 흐름 및 압력 강하는 터빈(200)의 런너 단면에서 생성될 수 있다. 물 통로(140, 142)는 추가로 터빈(200)의 런너 단면에 공급되지 않은 물이 흡출관(400, 500)을 통해 흐르는 물과 조합되는 것을 허용한다. 카울(100)의 이러한 특징은 흡출관(300, 400, 500)을 통한 안정적인 물 흐름을 허용할 수 있으며, 따라서 터빈(200)의 런너 단면에서 안정적이고 증가된 물 흐름을 허용하여, 그 파워 출력을 증가시킨다. 다중-스테이지형 카울(100)은 그들 길이(L2, L3)를 따른 증가된 폭으로 인해 뿐만 아니라 제 1 및 제 2 물 통로(140, 142)를 통해서 흡출관(400, 500)의 내부 표면(432, 532)에 대해 준층류를 유지하는 능력을 갖고 있기 때문에, 효율적인 와류-없는 그리고 분리-없는 흐름이 흡출관(300, 400, 500)을 통해 그리고 그에 따라 터빈(200)의 런너 단면에서 유지될 수 있는 동시에, 카울(100)은 작동 가능하고 그리고 경제적으로 실행 가능한 길이(L)를 가질 수 있다. 캐비테이션 부피는 터빈(200)의 런너 단면에서의 설계에 의해 무시할 수 있는 수준으로 최소화되었다.
상이한 스테이지(130)(예를 들어, 입구, 중간 및 출구 흡출관(300, 400, 500))를 갖는 다중-스테이지형 카울(100)의 구성은 당 업계에 존재하지 않는 가장 넓은 측방향 범위를 제공하며, 최적화된 다중-스테이지형 카울(100)의 이러한 짧은 길이의 경우, 터빈(200)의 런너 단면에서 상당한 압력 강하 및 물 유량을 생성할 수 있다. 특히 중간 및 출구 흡출관(400, 500)에서 적극적인 측면 구배 개구부를 갖지만, 입구(420, 520)에 형성된 제 1 및 제 2 물 통로(140, 142)는 와류 생성을 방지하고 그리고 유체 분리를 무시할 수 있는 수준으로 제거함으로써 터빈(200)의 런너 단면에서 실질적으로 안정적인 질량 흐름을 얻는 데 도움이 될 수 있다. 따라서, 다중-스테이지형 카울(100)을 통해 흐르는 물은, 중간 흡출관(400)의 내부 및 외부 표면(432, 434)에 인접하여 생성되는 고속 물 흐름 덕분에 그리고 출구 흡출관(500)의 내부 및 외부 표면(532, 534)에 인접하여 생성되는 고속 물 흐름 덕분에 실질적으로 분리가 없을 수 있고, 와류가 없을 수 있다. 따라서, 실질적으로 안정적인 물 흐름은 흡출관(300, 400, 500)(및 터빈(200))을 통해 순환할 수 있는 반면, 난류의 불안정한 물은 다중-스테이지형 카울(100)의 입구(110)에서 흐를 수 있다. 또한, 카울(100)은 출구(120)에서의 감압을 증가시킬 수 있고, 흐름 채널(310, 410, 510) 내에서 뿐만 아니라 블레이드(230, 232, 234, 236)의 팁에서 캐비테이션을 무시할 수 있는 수준으로 제한할 수 있다.
도 1 내지 도 8의 구현예를 다시 참조하면, 다중-스테이지형 카울(100)은 그 위에 및 수로의 바닥 위에 스테이지(130)(예를 들어, 흡출관(300, 400, 500))를 지지하기 위한 베이스(10)를 선택적으로 포함할 수 있다. 베이스(10)는 흡출관 수용 표면(14), 지면을 향한 표면(16), 및 측벽(30, 32)을 규정할 수 있는 메인 프레임(12)을 포함할 수 있다. 베이스(10)가 물의 흐름 방향(WF)을 따라 개방될 수 있도록(즉, 물은 또한 카울(100)의 전체 길이(L)를 따라 스테이지(130) 아래에서 순환할 수 있음), 베이스(10)는 메인 프레임(12)에서 하방으로 연장될 수 있는 복수의 지지 레그(22, 24, 26, 28)를 더 포함할 수 있다. 베이스(10)의 이러한 개방형 구성은 물이 흡출관(300, 400, 500) 주위로 모두 흐를 수 있게 한다. 터빈(200)의 바닥을 통한 흐름의 부족이 실제적으로 카울(100)의 출구(120)에서 그리고 그에 따라 터빈(200)의 출구에서 더 적은 음압 필드를 생성할 수 있고, 그 파워 출력을 감소시킬 수 있기 때문에, 예를 들어 좌측 및 우측 지지 레그(22, 24, 26, 28) 사이에서 카울(100)의 길이(L)를 따라 흡출관(300, 400, 500) 아래에서 물 방향으로 물이 흐르도록 허용하는 것은 터빈(200)을 통한 전체 물 흐름에 중요한 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 베이스(10)의 이러한 개방형 구성은 흡출관(400, 500)의 출구(430, 530)에서 이들 음의 필드가 생성되도록 할 수 있다.
수로의 바닥 위의 스테이지(130)(예를 들어, 흡출관(300, 400, 500))를 지지할 수 있고, 하부 흐름에 대한 최소한의 압력 강하를 야기할 수 있는 한, 베이스(10)는 임의의 형상, 크기 또는 구성을 취할 수 있다는 것에 유의해야 한다. 하나의 시나리오에서, 베이스(10)는 물 흐름 방향(WF)에서 흡출관(300, 400, 500) 아래로 흐르는 물에 길이방향 장애물이 가능한 한 적게 제공하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 지지 레그(22, 24, 26, 28)는 물 흐름 방향(WF)을 따라 수력학적으로 프로파일링될 수 있다.
또한, 일 구현예에서, 지지 레그(22, 24, 26, 28)는 독립적으로 조정될 수 있으며, 그 결과 베이스(10) 및 그에 따라 흡출관(300, 400, 500)은 터빈 파워 출력을 최대화하는 방식으로 적절한 3-축 위치에서 수평을 이룰 수 있다. 조정 가능한 레그 타입의 메카니즘을 갖는 지지 레그(22, 24, 26, 28)를 제공함으로써, 일단 터빈(200)과 카울(100) 배열체가 원하는 위치 및 배향으로 낮아지면, 잠금 메커니즘은 해제될 수 있고, 수로의 바닥에 대한 최적의 위치에 터빈(200)과 카울(100) 배열체를 잠글 수 있다. 때때로 강에 강한 조류가 존재할 뿐만 아니라 강 바닥의 깊이와 불균일성을 감안할 때, 종래의 터빈을 설치하는 것은 노동 집약적일 수 있고, 전문 기술이 필요할 수 있다. 실제로 경험 많은 다이버가 필요할 수 있으며, 이는 매우 비용이 많이 들고 위험할 수 있다. 이러한 조정 가능한 레그 타입의 메카니즘은 이러한 단점을 극복할 수 있다.
다시 도 1, 도 4, 도 6 및 도 8을 참조하면, 일 구현예에서, 다중-스테이지형 카울(100)은 흐름 안정성을 개선하고 및/또는 다중-스테이지형 카울(100), 보다 구체적으로는 출구 또는 제 3 스테이지 흡출관(500)에 구조적 안정성을 제공하기 위해 보강 구조물(562)을 선택적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 보강 구조물(562)은 또한 물 흐름 진동을 방지하는 데 도움이 될 수 있다. 보강 구조물(562)은 내부 표면(532)의 하부 부분과 상부 부분 사이에서 연장할 수 있는 이격된 스트럿(564, 570)을 포함할 수 있다. 도 1에 잘 도시된 바와 같이, 스트럿(564)은 내부 표면(532)의 우측 측면 및 하부 부분과, 입구(520)와 출구(520) 사이에서 출구 흡출관(500)의 내부 표면(532)의 우측 측면 및 상부 부분 사이에서 연장될 수 있다. 한편, 스트럿(570)은 내부 표면(532)의 좌측 측면 및 하부 부분과, 입구(520)와 출구(530) 사이에서 출구 흡출관(500)의 내부 표면(532)의 좌측 측면 및 상부 부분 사이로 연장될 수 있다. 예를 들어, 스트럿 하부 단부(566, 572)는 내부 표면(532)의 하부 부분에 고정될 수 있는 반면, 스트럿 상부 단부(568, 574)는 출구 흡출관(500)의 내부 표면(532)의 상부 부분에 고정될 수 있다. 하나의 시나리오에서, 스트럿(564, 570)은 중심축(X)을 향해(즉, 출구 흡출관(500)의 중심을 향하여) 내향으로 기울어진 각도로 있을 수 있다. 스트럿(564, 570)의 스트럿 하단부(566, 572) 및 스트럿 상부 단부(568, 574)는 임의의 적절한 기계적 패스너를 사용하여 출구 흡출관(500)의 내부 표면(532)의 하부 및 상부 부분에 고정될 수 있다. 대안적으로, 스트럿(564, 570)의 스트럿 하부 단부(566, 572) 및 스트럿 상부 단부(568, 574)는 다른 공지된 기술(예를 들어, 용접에 의해)을 이용하여 출구 흡출관(500)에 고정될 수 있다. 또한, 스트럿(564, 570)은 주변 벽(512)과 일체로 형성될 수 있음에 유의해야 한다. 카울(100)을 구조적으로 보강할 수 있고 및/또는 물 흐름 안정성의 향상에 적어도 부분적으로 도울 수 있는 한 그리고 물이 가능한 한 길이방향의 장애물을 최소화하면서 출구 흡출관(500)을 통해 흐를 수 있고, 그에 따라 다중-스테이지형 카울(100)을 통해 물 흐름이 향상될 수 있는 한, 보강 구조물(562)은 임의의 형상, 크기 또는 구성을 취할 수 있음에 추가로 유의해야 한다. 예를 들어, 일 구현예에서, 보강 구조물(562)은 물 흐름 방향(WF)을 따라 수력학적으로 프로파일링될 수 있다. 또한, 출구 흡출관(500) 상에 제공되는 대신에, 보강 구조물(562)이 입구 흡출관(300) 및/또는 중간 흡출관(400)에 결합될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 마지막으로, 스트럿(564, 570)은 유동 공진을 방지하고 그리고 흡출관(500)에서 특정 난류 유동 유도 주파수를 차단하도록 구성될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
여전히 도 1 내지 도 8의 구현예를 참조하면, 다중-스테이지형 카울(100)은, 다중-스테이지형 카울(100)의 길이(L)를 따라, 또는 대안적으로 길이(L)의 세그먼트를 따라 스테이지로부터 상방으로 연장될 수 있는 보강 구조물(155)을 선택적으로 포함할 수 있다. 하나의 시나리오에서, 보강 구조물(155)은 이격된 상부 리브(160, 170)를 포함할 수 있다. 흡출관(300, 400, 500)을 함께 연결하여 다중-스테이지형 카울(100)에 구조적 안정성을 제공하는 것 외에도, 리브(160, 170)는 그들 둘레에서, 흐름 채널(135) 위에서 그리고 그에 따라 다중-스테이지형 카울(100) 및 터빈(200)의 런너 단면을 통해 물 흐름을 더욱 향상시킬 수 있다. 따라서, 리브(160, 170)는 따라서 유체동력학적 터빈(200)의 파워 출력을 증가시키는 데 기여할 수 있다. 각 리브(160, 170)는 다중-스테이지형 카울(100) 입구(110)와 출구(120) 사이에서 흡출관(300, 400, 500)의 외부 표면(334, 434, 534)으로부터 상방으로 연장될 수 있다. 실제로, 리브(160, 170)의 상류 단부(172)는 입구 흡출관(300)의 입구(320) 주위에서 발견될 수 있는 반면, 리브(160, 170)의 하류 단부(174)는 출구 흡출관(500)의 출구(530) 주위에서 발견될 수 있다.
하나의 시나리오에서, 내부 흡출관(300)은 외부 표면(334)으로부터 상방으로 연장될 수 있는 연결 부재(370)를 포함할 수 있고, 중간 흡출관(400)은 외부 표면(434)으로부터 상방으로 연장될 수 있는 연결 부재(470)를 포함할 수 있는 동시에, 외부 흡출관(500)은 외부 표면(534)으로부터 상방으로 연장될 수 있는 연결 부재(580)를 포함할 수 있다. 연결 부재(370, 470, 580)는 적절한 기계적 패스너 또는 다른 공지된 기술(예를 들어, 용접에 의해)을 사용하여 흡출관(300, 400, 500)의 외부 표면(334, 434, 534)에 고정될 수 있다. 또한, 연결 부재(370, 470, 580)는 주변 벽(312, 412, 512)과 일체로 형성될 수 있음에 유의해야 한다.
도 7에 잘 도시된 바와 같이, 각각의 상부 리브(160, 170)는 입구 흡출관(300)의 입구(320)와 중간 흡출관(400) 사이에서 외부 표면(334, 434)으로부터 상방으로 연장될 수 있는 상류 세그먼트(176)와, 중간 흡출관(400)과 출구 흡출관(500)의 출구(530) 사이에서 외부 표면(434, 534)으로부터 상방으로 연장될 수 있는 하류 세그먼트(180)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 하류 세그먼트(180)는 발산 각도(θ7)로 상류 세그먼트(176)로부터 연장될 수 있다. 따라서, 하류 세그먼트(180)는 흡출관(300, 400, 500)의 중심축(X)으로부터 일정 각도로 외향으로 기울어질 수 있다. 하나의 시나리오에서, 각각의 상부 리브(160, 170)는 주변 벽(312)과 연결하기 위한 하부 섹션(182)과, 주변 벽(412)과 연결하기 위한 하부 섹션(184)과, 주변 벽(512)과 연결하기 위한 하부 섹션(186)을 포함할 수 있다. 실제로, 하부 섹션(182)은 주변 벽(312)으로부터 연장되는 연결 부재(370)에 고정될 수 있고, 하부 섹션(184)은 주변 벽(412)으로부터 연장되는 연결 부재(470)에 고정될 수 있고, 하부 섹션(186)은 주변 벽(512)으로부터 연장되는 연결 부재(580)에 고정될 수 있다. 상부 리브(160, 170)의 하부 섹션(182, 184, 186)은 적절한 기계적 패스너 또는 다른 공지된 기술(예를 들어, 용접에 의해)을 사용하여 연결 부재(370, 470, 580)에 고정될 수 있다. 또한, 상부 리브(160, 170)는 주변 벽(312, 412, 512)과 일체로 형성될 수 있음에 유의해야 한다. 스테이지 또는 흡출관의 적어도 일부를 함께 연결할 수 있어서, 흡출관 위의 물 흐름을 향상시킬 수 있는 한 및/또는 물이 길이방향 장애물이 가능한 한 적은 상태에서 흡출관 위로 흐를 수 있는 한, 상부 리브(160, 170)는 임의의 형상, 크기 또는 구성을 취할 수 있다. 예를 들어, 하나의 시나리오에서, 상부 리브(160, 170)는 적어도 부분적으로 물 흐름 방향(WF)을 따라 수력학적으로 프로파일링될 수 있다.
일 구현예에서, 다중-스테이지형 카울(100)의 높이(H)는 약 1미터와 약 10미터 사이, 약 2미터와 약 6미터 사이, 또는 약 3미터와 약 5미터 사이일 수 있다. 예를 들어, 입구 흡출관(300)의 전체 높이(H1)는 약 1미터와 약 10미터 사이, 약 2미터와 약 6미터 사이, 또는 약 3미터와 약 5미터 사이일 수 있으며, 중간 흡출관(400)의 전체 높이(H2)는 약 1미터 내지 약 10미터 사이, 약 2미터 내지 약 6미터 사이, 또는 약 3미터와 약 5미터 사이일 수 있으며, 출구 흡출관(500)의 전체 높이(H3)는 약 1미터와 약 10미터 사이, 약 2미터와 약 6미터 사이, 또는 약 3미터와 약 5미터 사이일 수 있다. 또한, 위에서 언급한 바와 같이, 입구(320)에서의 높이(Hi1)는 입구 흡출관(300)의 출구(330)에서의 높이(Ho1)보다 약간 클 수 있다. 예를 들어, 높이(Hi1)는 출구(330)에서의 높이(Ho1)보다 약 104% 이상, 약 108% 이상, 또는 약 112% 이상 더 클 수 있다. 또한, 중간 흡출관(400)의 높이는 그 길이(L2)를 따라 또는 물 흐름 방향(WF)을 따라 감소될 수 있다. 예를 들어, 입구(420)에서의 높이(Hi2)는 출구(430)에서의 높이(Ho2)보다 약 104% 이상, 약 108% 이상, 약 112% 이상, 또는 약 115% 이상 더 클 수 있다. 또한, 하나의 시나리오에서, 출구(530)에서의 높이(Ho3)는 출구(430)에서의 높이(Ho2)보다 클 수 있고, 중간 흡출관(400)의 입구(420)에서의 높이(Hi2)에 실질적으로 대응할 수 있다. 일 구현예에서, 중간 흡출관(400)의 입구(420)에서의 높이(Hi2)는 입구 흡출관(300)의 입구(320)에서의 높이(Hi1)에 실질적으로 대응할 수 있는 반면, 중간 흡출관(400)의 출구(430)에서의 높이(Ho2)는 입구 흡출관(300)의 출구(430)에서의 높이(Ho1)에 실질적으로 대응할 수 있다.
일 구현예에서, 입구(110)에서의 폭(Wi)은 약 1미터와 약 10미터 사이, 약 2미터와 약 6미터 사이, 또는 약 3미터와 약 5미터 사이일 수 있는 반면, 출구(120)에서의 폭(Wo) 출구(120)에서 약 2미터 내지 약 20미터, 약 8미터 내지 약 15미터, 또는 약 10미터 내지 약 13미터일 수 있다.
일 구현예에서, 입구(110)에서의 폭(Wi)은 다중-스테이지형 카울(100)의 높이(H)에 실질적으로 대응할 수 있는 반면, 출구(120)에서의 다중-스테이지형 카울(100)의 폭(Wo)은 다중-스테이지형 카울(100)의 높이(H)보다 클 수 있다. 예를 들어, 출구(120)에서의 폭(Wo)은 다중-스테이지형 카울(100)의 높이(H)보다 적어도 약 1.5배, 적어도 약 2배, 또는 적어도 약 3배 더 클 수 있다. 하나의 시나리오에서, 출구(120)에서의 폭(Wo)은 다중-스테이지형 카울(100)의 입구(110)에서의 폭(Wi)보다 적어도 1.5배, 적어도 약 2배, 또는 적어도 약 3배 더 클 수 있다.
일 구현예에서, 입구(320)에서의 폭(Wi1)은 입구(320)에서의 높이(Hi1)에 실질적으로 대응할 수 있는 반면, 출구(330)에서의 폭(Wo1)은 출구(320)에서의 높이(Hi1)보다 클 수 있다. 출구(330)에서의 폭(Wo1)은 입구(320)에서의 폭(Wi1)보다 클 수 있다. 예를 들어, 출구(330)에서의 폭(Wo1)은 입구(320)에서의 폭(Wi1)보다 적어도 약 105%, 적어도 약 110% 또는 적어도 약 115% 더 클 수 있다.
일 구현예에서, 입구(420)에서의 폭(Wi2)은 입구(420)에서의 높이(Hi2)보다 클 수 있는 반면, 입구(420)에서의 폭(Wi2)은 출구(300)에서의 폭(Wo1)보다 클 수 있다. 또한, 입구(420)에서의 높이(Hi2)는 출구(330)에서의 높이(Hi1)보다 클 수 있다. 또한, 출구(430)에서의 폭(Wo2)은 출구(430)에서의 높이(Ho2)보다 클 수 있다. 하나의 시나리오에서, 출구(430)에서의 폭(Wo2)은 입구(420)에서의 폭(Wi2)보다 적어도 약 108%, 적어도 약 115%, 적어도 약 120%, 적어도 약 130% 또는 적어도 약 140% 더 클 수 있다.
일 구현예에서, 입구(520)에서의 폭(Wi3)은 입구(520)에서의 높이(Hi3)보다 클 수 있는 반면, 입구(520)에서의 폭(Wi3)은 출구(430)에서의 폭(Wo2)보다 클 수 있다. 또한, 입구(520)에서의 높이(Hi3)는 출구(430)에서의 높이(Ho2)보다 클 수 있다. 또한, 출구(530)에서의 폭(Wo3)은 출구(530)에서의 높이(Ho3)보다 클 수 있다. 예를 들어, 출구(530)에서의 폭(Wo3)은 입구(520)에서의 폭(Wi3)보다 적어도 약 108%, 적어도 약 115%, 적어도 약 120%, 적어도 약 130%, 또는 적어도 약 140% 더 클 수 있다.
일 구현예에서, 다중-스테이지형 카울(100)의 길이(L)는 다중-스테이지형 카울(100)의 높이(H)보다 적어도 약 10배 미만, 적어도 약 6배 미만, 적어도 약 4배 미만 또는 적어도 약 2배 미만 클 수 있다. 다중-스테이지형 카울(100)의 특정 형상(즉, 흡출관(300, 400, 500)의 특정 형상)으로 인해서, 길이 대 터빈 직경 비율로서 또한 공지된, 다중-스테이지형 카울(100)의 길이(L)와 높이(H) 사이의 비율은 공지된 다중-스테이지형 카울 또는 흡출관 어셈블리와 관련하여 감소될 수 있다. 예를 들어, 다중-스테이지형 카울(100)의 길이(L)는 약 2미터와 약 4미터 사이, 약 3미터 내지 약 6미터 사이, 또는 약 4미터 내지 약 8미터 사이일 수 있다. 또한, 입구 흡출관(300)의 길이(L1)는 다중-스테이지형 카울(100)의 길이(L)의 적어도 약 15%, 적어도 약 20%, 또는 적어도 약 30%일 수 있고, 중간 흡출관(400)의 길이(L2)는 다중-스테이지형 카울(100)의 길이(L)의 적어도 약 5%, 적어도 약 15%, 또는 적어도 약 25%일 수 있고, 출구 흡출관(500)의 길이(L3)는 다중-스테이지형 카울(100)의 길이(L)의 적어도 약 5%, 적어도 약 15%, 또는 적어도 약 25%일 수 있다.
일 실시예에서, 중간 흡출관(400)의 길이(L2)는 입구 흡출관(100)의 길이(L1)보다 작을 수 있다. 예를 들어, 길이(L2)는 길이(L1)의 적어도 약 80% 미만, 적어도 약 70% 미만, 적어도 약 60% 미만, 적어도 약 50% 미만, 또는 적어도 약 40% 미만일 수 있다. 유사하게, 출구 흡출관(500)의 길이(L3)는 입구 흡출관(300)의 길이(L1)보다 작을 수 있다. 예를 들어, 길이(L3)는 길이(L1)의 적어도 약 80% 미만, 적어도 약 70% 미만, 적어도 약 60% 미만, 적어도 약 50% 미만, 또는 적어도 약 40% 미만일 수 있다. 하나의 시나리오에서, 출구 흡출관(500)의 길이(L3)는 중간 흡출관(400)의 길이(L2)에 실질적으로 대응할 수 있다.
따라서, 일 구현예에서, 그리고 도 1, 도 3 및 도 4에 잘 도시된 바와 같이, 스테이지(130) 중 상류 스테이지의 입구(110)는 실질적으로 원형 단면을 가질 수 있는 반면, 스테이지(130) 중 하류 스테이지의 출구(120)는 실질적으로 타원형 단면을 가질 수 있다. 실제로, 예를 들어, 입구 흡출관(300)의 입구(320)는 실질적으로 원형 단면을 가질 수 있고, 입구 흡출관(300)의 출구(330)는 실질적으로 타원형 단면을 가질 수 있고, 중간 흡출관(400)의 입구(420)는 실질적으로 타원형 단면을 가질 수 있고, 중간 흡출관(400)의 출구(430)는 실질적으로 타원형 단면을 가질 수 있고, 출구 흡출관(500)의 입구(520)는 실질적으로 타원형 단면을 가질 수 있고, 출구 흡출관(500)의 출구(530)는 실질적으로 타원형 단면을 가질 수 있다.
내부 흡출관(300)의 출구(330)에서의 단면적은 중간 흡출관(400)의 입구(420)에서의 단면적의 백분율로 나타낸 분수일 수 있음을 또한 유의해야 한다. 또한, 물이 그 입구(520)를 통해 흐를 수 있도록, 중간 흡출관(400)의 출구(430)에서의 단면적은 출구 흡출관(500)의 입구(520)에서의 단면적의 백분율로 나타낸 분수일 있다.
또한, 일 구현예에서, 주변 벽(312, 412, 512)의 두께는 그들 길이(L1, L2, L3)(또는 그 세그먼트)를 따라 변할 수 있거나, 또는 대안적으로 그들 길이(L1, L2, L3)를 따라 일정하게 유지될 수 있음에 유의해야 한다. 예를 들어, 입구 흡출관(300)을 형성하는 주변 벽(312)은 출구(330)에서보다 입구(320)에서 더 클 수 있는 두께를 가질 수 있다. 또한, 필요한 구조적 및 질량 흐름 안정성을 제공하고, 와류를 제거하고, 특히 다중-스테이지형 카울(100)의 런너 단면에서 유체 분리를 방지할 수 있는 한, 주변 벽(312, 412, 512)은 임의의 형상, 크기 또는 구성을 취할 수 있다는 것에 또한 유의해야 한다.
전술한 바와 같이, 도 1 내지 도 8에는 3개의 스테이지(300, 400, 500)가 도시되어 있지만, 2개 이상의 스테이지를 제공하여 다중-스테이지형 카울을 형성할 수 있음에 유의해야 한다. 예를 들어, 다중-스테이지형 카울은 단지 하나의 물 통로가 제 2 스테이지 흡출관의 입구에 형성되도록 제 1 스테이지 흡출관 및 제 2 스테이지 흡출관을 포함할 수 있다. 다른 시나리오에서, 3개 이상의 스테이지가 또한 제공할 수 있다. 예를 들어, (n) 스테이지는 (n) 스테이지 사이에 (n-1) 물 통로를 형성하도록 제공될 수 있다.
다음 설명에서 동일한 도면부호는 유사한 요소를 나타낸다. 또한, 단순성과 명확성을 위해, 즉 여러 도면부호가 있는 도면에 과도하게 부담을 주지 않도록, 모든 도면에 모든 구성요소 및 특징부에 대한 도면부호가 포함되어 있지 않으며, 일부 구성요소 및 특징부에 대한 도면부호는 단지 하나의 도면에서 찾을 수 있으며, 다른 도면에 도시된 본 발명의 구성요소 및 특징부는 그로부터 용이하게 유추될 수 있다. 실시예, 기하학적 구성, 언급된 재료 및/또는 도면에 도시된 치수는 선택 사항이며, 예시 목적으로만 제공된다.
또한, "위", "아래", "상류", "하류", "좌측", "우측" 등과 같은 위치 설명은 달리 명시되지 않는 단지 도면의 내용과 관련하여 취해진 것이며, 제한적인 것으로 간주되어서는 안된다. 또한, 도면은 흡출관 어셈블리의 특정 특성을 도시하기 위한 것이며, 반드시 일정한 비율을 표시되는 것은 아니다.
보다 간결한 설명을 제공하기 위해, 여기에 제공된 일부 정량적 표현은 "약"이라는 용어로 한정될 수 있다. "약"이라는 용어가 명시적으로 사용되는지 여부에 관계없이, 여기에 제공된 모든 양은 실제 주어진 값을 의미하고, 그것은 또한 주어진 값에 대한 실험 및/또는 측정 조건으로 인한 근사치를 포함하여, 당해 기술 분야의 통상의 기술자에 기초하여 합리적으로 추론될 수 있는 그러한 주어진 값에 대한 근사치를 지칭하는 것을 의미한다.
본 명세서에 사용된 어구 및 용어는 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 단지 설명의 목적을 위한 것임을 이해해야 한다. 본 개시의 교시의 원리 및 용도는 첨부된 설명, 도면 및 실시예를 참조하여 더 잘 이해될 수 있다. 본 명세서에 기재된 세부사항은 본 개시의 적용에 대한 제한을 해석하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 개시는 다양한 방식으로 수행되거나 실시될 수 있고, 본 개시는 상기 설명에서 개괄된 것들 이외의 실시예들에서 구현될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. "포함하는", "구성되는" 및 이들의 문법적 변형이라는 용어는 하나 이상의 구성요소, 특징부, 단계들 또는 정수 또는 이들의 그룹의 추가를 배제하지 않으며, 용어들은 구성 요소, 기능, 단계 또는 정수를 특정하는 것으로 해석되어야 함을 이해해야 한다. 명세서 또는 청구범위가 "추가적인" 요소를 언급하는 경우, 이는 하나 이상의 추가 요소가 있는 것을 배제하지 않는다. 청구항 또는 명세서가 "a" 또는 "an" 요소를 언급하는 경우, 그러한 참조는 그 요소 중 하나만 존재하는 것으로 해석되지 않아야 함을 이해해야 한다. 명세서에서 구성요소, 특징부, 구조 또는 특성이 "할 수 있다", "할 수가 있다", "가능하다" 또는 "가능할 수 있다"라고 명시되어 있는 경우, 그 특정 구성요소, 특징부, 구조 또는 특성은 포함되지 않는다는 것을 이해해야 한다.
청구범위 및 명세서에 제시된 설명, 실시예, 방법 및 재료는 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 단지 설명으로만 해석되어야 한다. 본 명세서에서 사용되는 기술 및 과학 용어의 의미는 달리 규정되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되어야 한다. 여기에 설명된 방법은 설명된 순서로, 또는 임의의 적절한 순서로 수행될 수 있음이 이해될 것이다.
몇몇 대안적인 실시예 및 예가 여기에서 설명되고 도시되었다. 위에서 설명된 본 발명의 실시예들은 단지 예시적인 것으로 의도된다. 당업자는 개별 실시예의 특징, 및 구성요소의 가능한 조합 및 변형을 이해할 것이다. 당업자는 임의의 실시예가 본 명세서에 개시된 다른 실시예와 임의의 조합으로 제공될 수 있음을 추가로 이해할 것이다. 본 발명은 그 중심 특성을 벗어나지 않고 다른 특정 형태로 구현될 수 있음이 이해된다. 따라서, 본 예 및 실시예는 모든 면에서 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 제한적이지 않으며, 본 발명은 여기에 주어진 세부사항으로 제한되어서는 안된다. 따라서, 특정 실시예가 도시되고 설명되었지만, 많은 수정이 이뤄질 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위의 범위에 의해 제한되는 것으로 의도된다.

Claims (22)

  1. 허브 및 허브로부터 반경방향으로 연장되는 블레이드를 포함하는 유체동력학적 터빈(hydrokinetic turbine)의 적어도 일부를 수용하기 위한 다중-스테이지형 카울(multi-staged cowl)에 있어서,
    입구;
    출구; 및
    유체동력학적 터빈을 내부에 수용하기 위해 입구와 출구 사이에 연장되는 다중 스테이지들 ― 상기 스테이지들은 입구로부터 출구를 향한 물 흐름 방향을 따라 물의 흐름이 통과하는 물 흐름 채널(water flow channel)을 규정함 ―을 포함하며,
    상기 스테이지들은 물 흐름 방향을 따라 실질적으로 일정한 높이를 규정하며,
    상기 스테이지들 중 적어도 하나는 물 흐름 방향을 따라 증가하는 폭을 규정하는
    다중-스테이지형 카울.
  2. 제 1 항에 있어서,
    적어도 2개의 스테이지는 입구 흡출관(inlet draft tube)을 포함하며,
    상기 입구 흡출관은,
    입구 흡출관 입구;
    입구 흡출관 출구; 및
    입구 흡출관 입구와 입구 흡출관 출구 사이에서 연장되고, 입구 흡출관 입구로부터 입구 흡출관 출구를 향한 물 흐름 방향을 따라 물의 흐름이 통과하는 입구 물 흐름 채널을 규정하는 입구 주변 벽 ― 상기 입구 주변 벽은 내부 표면과 외부 표면을 포함함 ―을 포함하는
    다중-스테이지형 카울.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 다중 스테이지는 중간 흡출관을 더 포함하며,
    상기 중간 흡출관은,
    입구 흡출관 출구를 수용하도록 구성된 중간 흡출관 입구;
    중간 흡출관 출구; 및
    중간 흡출관 입구와 중간 흡출관 출구 사이에서 연장되고, 중간 흡출관 입구로부터 중간 흡출관 출구를 향한 물 흐름 방향을 따라 물의 흐름이 통과하는 중간 물 흐름 채널을 규정하는 중간 주변 벽 ― 상기 중간 주변 벽은 내부 표면 및 외부 표면을 포함함 ―을 포함하는
    다중-스테이지형 카울.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 중간 흡출관 입구로부터 중간 흡출관 출구를 향한 물의 흐름이 통과하는, 입구 주변 벽의 외부 표면과 중간 주변 벽의 내부 표면 사이에 형성된 중간 흡출관 입구에 제 1 물 통로를 포함하는
    다중-스테이지형 카울.
  5. 제 4 항에 있어서,
    중간 흡출관 입구의 단면적이 입구 흡출관 출구의 단면적보다 큰
    다중-스테이지형 카울.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 물 통로는 입구 흡출관 입구의 주변을 따라 연장되는
    다중-스테이지형 카울.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다중 스테이지는 출구 흡출관을 더 포함하며,
    상기 출구 흡출관은,
    중간 흡출관 출구를 수용하도록 구성된 출구 흡출관 입구;
    출구 흡출관 출구; 및
    출구 흡출관 입구와 출구 흡출관 출구 사이에서 연장되고, 출구 흡출관 입구로부터 출구 흡출관 출구를 향한 물 흐름 방향을 따라 물의 흐름이 통과하는 출구 물 흐름 채널을 규정하는 출구 주변 벽 ― 상기 출구 주변 벽은 내부 표면과 외부 표면을 포함함 ―을 포함하는
    다중-스테이지형 카울.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 출구 흡출관 입구로부터 출구 흡출관 출구를 향한 물의 흐름이 통과하는, 중간 주변 벽의 외부 표면과 출구 주변 벽의 내부 표면 사이에 형성된 출구 흡출관 입구에 제 2 물 통로를 포함하는
    다중-스테이지형 카울.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 출구 흡출관 입구의 단면적은 중간 흡출관 출구의 단면적보다 큰
    다중-스테이지형 카울.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 물 통로는 중간 흡출관 입구의 주변을 따라 연장되는
    다중-스테이지형 카울.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간 흡출관은 제 1 비선형 관계에 따른 물의 흐름 방향을 따라 증가하는 중간 흡출관 폭을 규정하는
    다중-스테이지형 카울.
  12. 제 7 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출구 흡출관은 제 2 비선형 관계에 따른 물 흐름 방향을 따라 증가하는 출구 흡출관 폭을 규정하는
    다중-스테이지형 카울.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 출구 흡출관 폭은 출구 흡출관 입구로부터 출구 흡출관 출구를 향해 증가하는
    다중-스테이지형 카울.
  14. 제 7 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입구 흡출관은 입구 흡출관 길이와, 제 3 비선형 관계에 따른 입구 흡출관 길이의 세그먼트를 따라 증가하는 입구 흡출관 폭을 규정하는
    다중-스테이지형 카울.
  15. 제 7 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    출구에서의 폭은 출구에서의 높이보다 큰
    다중-스테이지형 카울.
  16. 제 7 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다중 스테이지를 그 위에 지지하는 베이스를 더 포함하는
    다중-스테이지형 카울.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 베이스는 물이 다중 스테이지의 길이를 따라 물 흐름 방향에서 다중 스테이지 아래로 흐르도록 허용하기 위한 개방형 구성을 규정하는
    다중-스테이지형 카울.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 베이스는 다중 스테이지를 지지하기 위한 메인 프레임과, 메인 프레임으로부터 하방으로 연장되는 복수의 지지 레그를 포함하는
    다중-스테이지형 카울.
  19. 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
    상기 베이스는 물 흐름 방향에 대해 다중 스테이지의 수평을 맞추도록 구성된 수평 메커니즘을 더 포함하는
    다중-스테이지형 카울.
  20. 제 7 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    스테이지들에서 유체동력학적 터빈의 적어도 일부를 지지하기 위해 다중 스테이지로부터 연장되는 허브 지지 구조체를 더 포함하고, 상기 허브 지지 구조체는 복수의 이격된 허브 지지 부재를 포함하며, 지지 부재 각각은 입구 흡출관의 내부 표면과 허브 사이에서 연장되는
    다중-스테이지형 카울.
  21. 제 7 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다중 스테이지를 보강하고, 다중 스테이지로부터 연장되는 외부 보강 구조물을 더 포함하고, 상기 외부 보강 구조물은 복수의 이격된 상부 리브를 포함하며, 상부 리브 각각은 내부, 중간 및 출구 흡출관의 외부 표면으로 상방으로 연장되는
    다중-스테이지형 카울.
  22. 제 7 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다중 스테이지를 보강하기 위한 내부 보강 구조물을 더 포함하고, 상기 내부 보강 구조물은 복수의 이격된 스트럿을 포함하며, 스트럿 각각은 출구 흡출관의 내부 표면의 하부 부분과 상부 부분 사이로 연장되는
    다중-스테이지형 카울.
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