KR20220084378A - 정수압 터빈 및 이를 위한 터빈 러너 - Google Patents

Abstract

본 개시 내용에 따른 정수압 터빈 러너는 흐름으로부터 운동 에너지의 추출을 최대화하기보다는 흐르는 유체의 정수압을 최대로 이용하도록 설계된다. 이 설계는 현재의 유입식 터빈 러너 기술과 비교하여 흐름의 운동 에너지를 수력 발전으로 덜 변환한다. 그러나, 본 개시 내용에 따른 정수압 터빈 러너는 실질적으로 더 많은 위치 에너지를 수력 발전으로 변환시킨다. 결국, 수력 발전으로 변환된 총 에너지 양은 기존의 유입식 터빈 러너 설계로부터 사용할 수 있는 수력 발전보다 훨씬 높으며, 임의의 특정 유용성을 보장하지 않고 Betz의 법칙에 의해 정의되는 변환된 에너지의 상한을 초과할 수 있다. 유입식의 맥락에서, 변환된 에너지의 총량(주로 변환된 위치 에너지)은 터빈 러너가 관여하는 흐름의 운동 에너지 양을 초과할 수 있다.

Description

정수압 터빈 및 이를 위한 터빈 러너

본 개시 내용은 평탄류 강(flat-flowing river)으로부터 수력 발전을 위한 터빈 및 기타 수력 발전 응용에 관한 것이다.

유입식(run-of-river) 수력 발전은 고대 이후 인류에게 알려져 왔으며, 현대에도 여전히 널리 사용되고 있다. "유입식 수력 발전"이라는 용어는 일반적으로 평탄류 강에서 사용되고 수류에 대한 간섭을 최소화하면서 수력 발전을 추출하는 데 사용되는 수력 발전 설비를 말한다. 유입식 수력 발전의 가장 간단한 방법은 터빈 러너(turbine runner)를 수류에 담그고 수류의 운동 에너지를 수력 발전으로 변환하는 것이다. 터빈 러너는 고대의 단순한 물레방아로부터 오늘날의 정교한 수력 발전 터빈에서 볼 수 있는 것까지 범위를 가진다. 유입식 수력 발전은 환경 친화적이고 비용 효율적인 것으로 알려져 있다. 지구 표면의 75% 이상이 평탄하기 때문에, 평탄류 강으로부터의 수력 발전의 잠재력은 상당하다.

평탄류 강은 강바닥을 따라 경사가 낮은 것을 특징으로 한다. 따라서, 평탄류 강은 에너지 추출을 위해 매우 제한된 "수두(head)"를 제공한다("수두"는 배출 표면 높이 이상으로 설비에 공급되는 액체의 상부 표면의 높이로 측정되는 유압 시스템의 정수압 측정치임). 현대 터빈 기술에서 현재 인정되는 작동 효율 상한은 터빈을 통과하는 수류의 운동 에너지의 60% 미만인 것으로 알려져 있다. 작동 효율 상한은 1919년 독일 물리학자 Alfred Betz에 의해 확립된 것이다. 이것은 이론 물리학과 실제 고려 사항 모두에 기반을 두고 있다. 저자의 이름을 딴 Betz의 법칙은 실험 결과에 의해 지지되는 이론적인 물리적 법칙으로, 수류로부터의 운동 에너지 추출의 상한을 에너지를 추출하는 장치를 통과하는 총 운동 에너지의 0.593(59.3%)로 설정한다. Betz의 법칙은 현재 새로운 수력 발전 터빈 설계를 평가하는 기준으로 간주된다. 수류의 에너지를 추출할 때 터빈의 효율성을 높이는 것은 터빈 설계의 주요 목표 중 하나이다.

본 개시 내용은 수류의 정수압과 그 운동 에너지의 보다 적은 부분을 주로 이용함으로써 수력을 광범위하게 추출하도록 설계된 정수압 터빈 러너에 관한 것이다. 이론에 제한되지 않고 그리고 임의의 특정 유용성을 보장하지 않으면서, 본 발명의 여러 양태에 따른 정수압 터빈 러너는 적어도 일부 경우에 Betz의 법칙에 의해 작동 효율 상한으로 설정된 수력의 양을 초과하는 양으로 수력을 추출할 수 있다고 믿어진다.

더 높은 에너지 추출률은 운동 에너지를 추출하는 데 집중하기 보다는 흐름의 위치 에너지를 활용함으로써 달성된다. Betz의 법칙이 흐름의 운동 에너지 추출의 상한을 결정하는 반면, 임의의 흐름은 해당 흐름에 의해 전달되는 운동 에너지의 양에 관계없이 추출될 수 있는 위치 에너지도 전달한다.

유체의 위치 에너지는 유체의 정수압에 의해 구현된다(예를 들어, 베르누이의 법칙). 유체의 정수압은 유동 방향에 수직인 방향으로 측정된 유체 압력인 반면, 유체 운동 압력은 유동의 동작 방향으로 측정된 흐름의 유체 압력이다.

본 개시 내용에 따른 정수압 터빈 러너는 유동으로부터 운동 에너지의 추출을 최대화하기보다는 유체의 정수압을 최대로 활용하도록 설계된다. 새로운 설계는 현재의 유입식 터빈 러너 기술과 비교하여 흐름의 운동 에너지를 수력 발전으로 덜 변환시킨다. 그러나, 본 개시 내용에 따른 정수압 터빈 러너는 실질적으로 더 많은 위치 에너지를 수력 발전으로 변환시킨다. 결국, 수력 발전으로 변환된 총 에너지 양은 기존의 유입식 터빈 러너 설계로부터 사용할 수 있는 수력 발전보다 훨씬 높으며, 임의의 특정 유용성을 보장하지 않고 Betz의 법칙에 의해 정의되는 변환된 에너지의 상한을 초과할 수 있다. 유입식의 맥락에서, 변환된 에너지의 총량(주로 변환된 위치 에너지)은 터빈 러너가 관여하는 흐름의 운동 에너지 양을 초과할 수 있다. 또한, 현재의 유입식 터빈 러너와 비교할 때, 본 개시 내용에 따른 정수압 터빈 러너는 에너지를 추출하기 위해 흐름의 속도를 실질적으로 늦추지 않는다. 현재의 터빈 러너는 운동 에너지를 추출하기 위해 물의 흐름을 늦춰야 한다.

일 양태에서, 흐르는 액체로부터 위치 에너지를 추출하는 방법이 설명된다. 방법은 각각의 정수압 블레이드가 액체의 흐름에 대한 상류면과 액체의 흐름에 대한 하류면을 가지되, 각 정수압 블레이드의 상류면과 하류면 사이에 상류면에서의 상류 압력이 하류면에서의 하류 압력을 초과하는 압력 구배가 생성되도록, 적어도 하나의 정수압 블레이드를 액체에 담그는 단계를 포함한다. 압력 구배는 액체의 흐름에 실질적으로 수직하게 각 정수압 블레이드의 상류면에 정수력(hydrostatic force)을 인가한다. 정수력 및 액체의 흐름은, 각각 액체의 흐름에 대해 실질적으로 수직하게 액체의 흐름을 가로지른 각 정수압 블레이드의 동작을 구동시켜 각 정수압 블레이드가 기계적으로 결합되는 동력 추출 메커니즘의 피동 샤프트를 회전시키도록 각각의 정수압 블레이드에 개별 힘을 인가한다. 액체의 흐름을 가로지른 각 정수압 블레이드의 동작을 구동시키는 총 힘에 대한 정수력의 기여는 액체의 흐름을 가로지른 각 정수압 블레이드의 동작을 구동시키는 총 힘의 10%를 초과한다.

바람직하게는, 흐름을 가로지른 각 정수압 블레이드의 동작을 구동시키는 총 힘에 대한 정수력의 기여는 흐름을 가로지른 각 정수압 블레이드의 동작을 구동시키는 총 힘의 15%를 초과하고, 보다 바람직하게는 총 힘에 대한 정수력의 기여는 20%를 초과하고, 훨씬 더 바람직하게는 30%, 훨씬 더 바람직하게는 40%, 훨씬 더 바람직하게는 50%, 훨씬 더 바람직하게는 60%, 훨씬 더 바람직하게는 70%를 초과한다. 총 힘에 대한 정수력의 기여도가 80%를 초과하는 것이 특히 바람직하고, 가장 바람직하게는 90%를 초과한다.

일부 실시예에서, 정수력과 액체의 흐름에 의해 구동되는 액체의 흐름을 가로지른 각각의 정수압 블레이드의 동작에 의해 액체로부터 추출되는 총 에너지는 액체의 흐름으로부터만 활용 가능한 운동 에너지의 60%에 대응하는 양을 초과한다.

다른 양태에서, 정수압 터빈 러너는 회전 가능한 샤프트 및 회전 가능한 샤프트에 의해 지지되는 적어도 하나의 정수압 블레이드를 포함하고, 각각의 정수압 블레이드는 정수압 터빈 러너에 대한 흐름 방향에 대한 상류면 및 정수압 터빈 러너에 대한 흐름 방향에 대한 하류면을 가진다. 각 정수압 블레이드는 상류면과 정수압 터빈 러너에 대한 흐름 방향 사이에서 측정된 받음각(θ)을 가지며, 여기서 받음각(θ)은 0이 아니고 35°이하(0 < θ ≤ 35°)이다.

바람직하게는, 받음각(θ)은 30°이하(0 < θ ≤ 30°), 더욱 더 바람직하게는 25°이하(0 < θ ≤ 25°), 또한 더욱 더 바람직하게는 20°이하(0 < θ ≤ 20°)이다.

정수압 터빈은 전술한 바와 같은 정수압 터빈 러너를 포함할 수 있다.

또 다른 양태에서, 정수압 터빈 러너는 회전 가능한 샤프트 및 회전 가능한 샤프트에 의해 지지되는 적어도 하나의 정수압 블레이드를 포함하고, 각각의 정수압 블레이드는 정수압 터빈 러너에 대한 흐름 방향에 대한 상류면 및 정수압 터빈 러너에 대한 흐름 방향에 대한 하류면을 가진다. 각 정수압 블레이드는 샤프트에 대한 정수압 블레이드의 최내측 엣지와 샤프트에 대한 정수압 블레이드의 최외측 엣지 사이의 스팬을 가지며, 해당 스팬은 정수압 터빈 러너에 대한 흐름 방향에 수직으로 측정된다. 각 정수압 블레이드는 정수압 터빈 러너에 대한 흐름 방향과 상류면 사이에서 측정된 받음각(θ)을 가진다. 각각의 정수압 블레이드는 정수압 터빈 러너에 대한 흐름 방향에 평행하게 측정된 거리로서 정수압 블레이드의 최전방 선도 엣지와 정수압 블레이드의 최후방 후미 엣지 사이의 거리로 정의된 코드 길이를 가진다. 각 정수압 블레이드는 코드 길이와 받음각(θ)의 사인의 곱으로 정의되는 종방향 결합 범위(longitudinal engagement extent: LEE)를 가지며, 각 정수압 블레이드에 대해 LEE를 스팬으로 나눈 값은 0.75보다 크다.

바람직하게는, LEE를 스팬으로 나눈 값은 0.85보다 크고, 더 바람직하게는 1보다 크다.

전술한 바와 같은 정수압 터빈 러너는 정수압 터빈에 통합될 수 있다.

또 다른 양태에서, 흐르는 액체로부터 위치 에너지를 추출하는 방법이 설명된다. 방법은 각각의 정수압 블레이드가 액체의 흐름에 대한 상류면과 액체의 흐름에 대한 하류면을 가지되, 각 정수압 블레이드의 상류면과 하류면 사이에 상류면에서의 상류 압력이 하류면에서의 하류 압력을 초과하는 압력 구배가 생성되도록, 적어도 하나의 정수압 블레이드를 액체에 담그는 단계를 포함한다. 압력 구배는 액체의 흐름에 실질적으로 수직하게 각 정수압 블레이드의 상류면에 정수력을 인가한다. 정수력 및 액체의 흐름은 각각 액체의 흐름에 대해 실질적으로 수직하게 액체의 흐름을 가로지른 각 정수압 블레이드의 동작을 구동시켜 각 정수압 블레이드가 기계적으로 결합되는 동력 추출 메커니즘의 피동 샤프트를 회전시키도록 각각의 정수압 블레이드에 개별 힘을 인가한다. 정수력과 액체의 흐름에 의해 구동되는 액체의 흐름을 가로지른 각 정수압 블레이드의 동작에 의해 액체로부터 추출되는 총 에너지는 액체의 흐름으로부터만 활용될 수 있는 운동 에너지의 60%에 해당하는 양을 초과한다.

바람직하게는, 정수력과 액체의 흐름에 의해 구동되는 액체의 흐름을 가로지른 각 정수압 블레이드의 동작에 의해 액체로부터 추출되는 총 에너지는 액체의 흐름으로부터만 활용될 수 있는 운동 에너지의 66%에 해당하는 양을 초과한다.

또 다른 양태에서, 정수압 터빈 러너는 회전 가능한 샤프트 및 회전 가능한 샤프트에 의해 지지되는 적어도 하나의 정수압 블레이드를 포함한다. 각각의 정수압 블레이드는 정수압 터빈 러너에 대한 흐름 방향에 대한 상류면 및 정수압 터빈 러너에 대한 흐름 방향에 대한 하류면을 가진다. 각 정수압 블레이드는 상류면과 정수압 터빈 러너에 대한 흐름 방향 사이에서 측정된 0이 아닌 받음각(θ)을 가지며, 해당 받음각(θ)은 35°이하(0 < θ ≤ 35°)이다. 각 정수압 블레이드는 샤프트에 대한 정수압 블레이드의 최내측 엣지와 샤프트에 대한 정수압 블레이드의 최외측 엣지 사이의 스팬을 가지며, 해당 스팬은 정수압 터빈 러너에 대한 흐름 방향에 수직으로 측정된다. 각각의 정수압 블레이드는 정수압 터빈 러너에 대한 흐름 방향에 평행하게 측정된 거리로서 정수압 블레이드의 최전방 선도 엣지와 정수압 블레이드의 최후방 후미 엣지 사이의 거리로 정의된 코드 길이를 가진다. 각 정수압 블레이드는 코드 길이와 받음각(θ)의 사인의 곱으로 정의되는 종방향 결합 범위(LEE)를 가진다. 각 정수압 블레이드에 대해 LEE를 스팬으로 나눈 값은 0.75보다 크다. 액체가 정수압 터빈 러너에 대한 흐름 방향으로 정수압 터빈 러너를 통과하여 흐를 때, 각 정수압 블레이드의 상류면과 하류면 사이에는 상류면에서의 상류 압력이 하류면에서의 하류 압력을 초과하는 압력 구배가 생성된다. 압력 구배는 액체의 흐름에 실질적으로 수직하게 각 정수압 블레이드의 상류면에 정수력을 인가한다. 정수력 및 액체의 흐름은 각각 회전 가능한 샤프트를 회전시키도록 액체의 흐름에 실질적으로 수직하게 액체의 흐름을 가로질러 각각의 정수압 블레이드의 동작을 구동시키도록 각각의 정수압 블레이드에 대해 개별 힘을 인가한다. 정수력과 액체의 흐름에 의해 구동되는 액체의 흐름을 가로지른 각 정수압 블레이드의 동작에 의해 액체로부터 추출되는 총 에너지는 액체의 흐름으로부터만 활용될 수 있는 운동 에너지의 66%에 해당하는 양을 초과한다.

이들 및 다른 특징은 첨부된 도면을 참조하는 다음의 설명으로부터 더욱 명백해질 것이며, 도면에서:
도 1a 및 도 1b는 각각 본 개시 내용의 양태에 따른 정수압 블레이드의 프로파일을 도시하는 개략도이고;
도 2a는 그 상류면이 오목하게 만곡되고 그 하류면이 볼록하게 만곡된 본 개시 내용의 일 양태에 따른 정수압 블레이드를 예시하며;
도 2b는 그 상류면이 오목하게 만곡되고 그 하류면이 볼록하게 만곡되고 그 후미 엣지에 플랩을 갖는 본 개시 내용의 일 양태에 따른 정수압 블레이드를 예시하며;
도 2c는 그 상류면이 오목하게 만곡되고 그 하류면이 볼록하게 만곡되고 그 선단 엣지에 플랩을 갖는 본 개시 내용의 일 양태에 따른 정수압 블레이드를 예시하며;
도 3a 및 도 3b는 각각 예시적인 정수압 블레이드의 사시도 및 프로파일 도면을 보여주며, 본 개시 내용에 따른 주어진 정수압 블레이드에 의해 생성된 수력 발전의 양에 영향을 미치는 파라미터를 요약한 개략도이고;
도 4는 본 개시 내용의 일 양태에 따른 예시적인 반잠수식 정수압 터빈 러너를 예시하며;
도 5는 본 개시 내용의 일 양태에 따른 예시적인 분할된 정수압 터빈 러너를 예시하며;
도 6a-6c는 본 개시 내용의 여러 양태에 따른 정수압 블레이드의 받음각을 변경하기 위한 특정 예시적인 접근법을 예시하며;
도 7은 본 개시 내용의 일 양태에 따른 예시적인 밀폐된 정수압 터빈 러너를 예시하며;
도 7a는 정수압 블레이드가 일련의 이격된 링에 의해 상대 위치에 고정되어 있는 예시적인 정수압 터빈 러너를 예시하며;
도 8a-8f는 본 개시 내용의 여러 양태에 따른 정수압 블레이드에 대한 다양한 변형례를 예시하며;
도 9a-9e는 본 개시 내용의 여러 양태에 따른 정수압 터빈 러너로부터 동력 추출 메커니즘으로 동력을 전달하기 위한 전달 장치를 예시하며;
도 10은 본 개시 내용의 일 양태에 따른 정수압 터빈 러너의 샤프트 내에 동력 추출 메커니즘이 배치된 자율 수중 정수압 터빈을 예시한다.

이제 본 개시 내용의 여러 양태와 관련된 특정 원리의 간략한 이론적인 검토를 제공할 목적으로 도 1a 및 도 1b를 참조한다. 도 1a 및 도 1b는 각각 좌우 화살표(104)로 표시된 흐름 방향을 갖는 유동 액체(102)(예를 들어, 평탄류 강)에 잠기는 전체적으로 참조 번호 100a 및 100b로 표시된 정수압 블레이드의 프로파일을 보여주는 개략도이다. 본 명세서에 사용된 "정압 블레이드"라는 용어는 흐름(104)을 가로지른 각 압력 블레이드(100a, 100b)의 동작을 구동시키는 총 힘의 상당 비율이 정수력에 의해 기여되도록 흐르는 액체의 정수압으로부터 동력을 추출하도록 특별히 구성된 터빈 러너용 블레이드를 의미한다. 잠긴 상태에서, 정수압 블레이드(100a, 100b)는 액체(102)의 흐름(104)에 대한 상류면(106a, 106b) 및 액체(102)의 흐름(104)에 대한 하류면(108a, 108b)을 가진다. 도 1a는 상류 면(106a) 및 하류면(108a)이 모두 실질적으로 평면인 정수압 블레이드(100a)를 도시하는 반면, 도 1b는 상류면(106b)은 실질적으로 평면이지만 하류면(108b)은 비대칭적인 볼록 형상을 갖는 정수압 블레이드(100b)를 도시한다.

도 1a 및 도 1b에서 알 수 있는 바와 같이, 정수압 블레이드(100a, 100b)는 상류면(106a, 106b)과 흐름 방향(104) 사이에서 측정된 0이 아닌 받음각(θ)을 가진다. 잘 알려진 물리학의 법칙에 따르면, 이들 조건하에서, 흐름(104)은 정수압 블레이드(100a, 100b)의 상류면(106a, 106b)과 하류면(108a, 108b) 사이에 압력 구배를 생성한다. 보다 구체적으로, 상류면(106a, 106b)에서의 상류 압력은 하류면(108a, 108b)에서의 하류 압력을 초과하여 정수압 블레이드(100a, 100b)의 상류면(106a, 106b)과 하류면(108a, 108b) 사이에 압력 구배가 생성된다. 해당 압력 구배는 정수압 블레이드(100a, 100b)의 표면적과 압력 구배의 곱에 해당하는 화살표(P)로 표시된 정수력을 인가한다. 따라서, 정수압 블레이드(300)의 표면적이 클수록, 인가되는 정수력(P)도 커진다. 정수력(P)은 강(102)의 흐름(104)에 실질적으로 수직하게 각 정수압 블레이드(100a, 100b)의 상류면(106a, 106b)에 인가된다. 정수압 블레이드(100a, 100b)가 그 회전축이 흐름(104)과 실질적으로 평행하고 정수압 블레이드(100a, 100b)가 흐름 방향(104)으로 이동하는 것을 방지하는 회전 가능한 서포트에 고정되면, 정수압 블레이드(100a, 100b)는 흐름을 가로질러, 즉, 흐름 방향(104)에 수직으로, 회전하도록 정수력(P)에 의해 푸싱된다. 예를 들어 정수압 블레이드(100a,100b)가 기계적으로 결합된 동력 추출 메커니즘의 피동 샤프트를 회전시키는 것에 의해 상기 배열에 의해 생성되는 이론적 수력 발전은 정수압 블레이드(100a,100b)에 인가되는 정수력(P)과 흐름(104)을 기로지른 정수압 블레이드(100a, 100b)의 속도의 곱이다.

위치 에너지 및 운동 에너지 모두는 임의의 수력 발전 장치에서 역할을 한다. 강(102)의 흐름(104)에 의해 정수압 블레이드(100a, 100b)에 인가되는 힘은 두 가지 서로 다른 별개의 물리적 현상인, 흐름(104)의 방향으로 수직으로 작용하는 유체의 정수압(즉, 정수력(P))과 흐름(104)의 방향으로 작용하는 유체의 유체 운동 압력에 의해 생성된다. 블레이드(106a, 106b)의 상류면(106a, 106b)에 실질적으로 수직하게 정수압 블레이드(100a, 100b)에 작용하는 결합된 힘은 강(102)의 흐름(104)을 가로지른 정수압 블레이드(106a, 106b)의 동작을 구동시킨다. 이 동작은 회전 가능한 서포트에 의해 정수압 블레이드(100a, 100b)가 임의의 다른 방향으로 이동되는 것이 방지되므로 강(102)의 흐름(104)에 실질적으로 수직이다.

종래의 유동 구동 터빈 러너는 일반적으로 최대 유효 운동 에너지를 추출하도록 설계된다. 그러나, 중요하게 그리고 사실 비판적으로, 본 개시 내용에 따른 정수압 터빈 러너는 흐름을 가로지른 각 정수압 블레이드의 동작을 구동시키는 총 힘의 상당 비율이 정수압에 의해 기여된다는 점에서 기존의 유동 구동 터빈 러너와 구별된다. 이것은 물의 위치 에너지를 광범위하게 활용될 수 있게 한다. 따라서 "정수압 터빈 러너"는 흐름을 가로지른 각 정수압 블레이드의 동작을 구동시키는 총 힘의 상당 비율이 정수압에 의해 기여되도록 흐르는 액체의 정수압으로부터 동력을 추출하도록 구성된 받음각에 위치된 정수압 블레이드를 통합하는 터빈 러너이다.

본 개시 내용에 따른 정수압 터빈 러너에서, 흐름을 가로지른 각 정수압 블레이드의 작동을 구동시키는 총 힘에 대한 정수력의 기여도는 흐름을 가로지른 각 정수압 블레이드의 작동을 구동시키는 총 힘의 10%를 초과한다. 바람직하게는, 흐름을 가로지른 각 정수압 블레이드의 작동을 구동시키는 총 힘에 대한 정수력의 기여도는 흐름을 가로지른 각 정수압 블레이드의 작동을 구동시키는 총 힘의 15%를 초과하고, 보다 바람직하게는 총 힘에 대한 정수력의 기여도는 20%, 더욱 더 바람직하게는 30%, 훨씬 더 바람직하게는 40%, 더욱 더 바람직하게는 50%, 훨씬 더 바람직하게는 60%, 훨씬 더 바람직하게는 70%를 초과한다. 총 힘에 대한 정수력의 기여도가 80%를 초과하는 것이 특히 바람직하고, 90%를 초과하는 것이 가장 바람직하다. 정수압 블레이드가 동력 추출 메커니즘의 피동 샤프트에 기계적으로 결합되는 경우, 일부 실시예에서, 정수력과 흐름으로부터의 운동 에너지의 조합에 의해 구동되는 흐름을 가로지른 각 정수압 블레이드의 동작에 의해 추출되는 총 에너지(예를 들어, 강(102)로부터의 추출 에너지)가 흐름으로부터만 활용 가능한 운동 에너지의 60%, 바람직하게는 66%에 대응하는 양을 초과한다. 따라서, 일부 실시예에서, 본 개시 내용의 여러 양태에 따른 정수압 터빈 러너에 의해 생성된 수력발전의 양은 Betz의 법칙에 의해 확립된 바와 같은 종래의 유동 구동 터빈 러너에 대한 작동 효율 상한을 초과할 수 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 도 1a는 상류면(106a)과 하류면(108a)이 모두 실질적으로 평면인 정수압 블레이드(100a)를 도시하는 반면, 도 1b는 상류면(106b)이 실질적으로 평면이지만 하류면(108b)이 비대칭 볼록 형상을 갖는 정수압 블레이드(100b)를 도시한다. 항공기 날개의 프로파일과 다소 유사한 후자의 형상은 흐름(104)으로부터 증가된 압력 구배를 가져온다. 따라서, 동일한 조건 하에서 도 1b의 정수압 블레이드(100b)는 도 1b에 도시된 더 큰 화살표(P)로 표시된 바와 같이, 도 1a의 정수압 블레이드(100a)보다 더 큰 정수력(P)를 받는다. 동일한 속도로 흐름(104)을 가로질러 이동하면서, 도 1b의 정수압 블레이드(100b)는 도 1a의 정수압 블레이드(100a)보다 더 많은 에너지를 생성한다.

본 개시 내용에 따른 정수압 블레이드의 성능은 그 프로파일에 대한 다양한 변형례 및 추가의 구조적 요소의 추가에 의해 더욱 향상될 수 있으며, 그 일부 예시적인 예가 도 2a-2c에 도시되어 있다.

도 2a는 만곡된 상류면(206a) 및 하류면(208a) 모두를 갖는 정수압 블레이드(200a)를 도시한다. 상류면(206a)은 오목하게 만곡된 반면, 하류면(208a)은 볼록하게 만곡된다. 도 2b 및 도 2c는 각각 그 상류면(206b, 206c)이 오목하게 만곡되고 그 하류면(208b, 208c)이 볼록하게 만곡된 정수압 블레이드(200b, 200c)를 나타내며, 블레이드 프로파일은 플랩(212, 214)에 의해 더욱 향상된다. 플랩(2412)은 예를 들어, 코드(B)를 증가시키거나(도 3a 참조) 곡률을 수정하는 등에 의해 정수압 블레이드(200b, 200c)의 프로파일을 선택적으로 수정할 수 있는 이동 가능한 기계적 장치이다. 플랩(212, 214)은 유동의 다양한 조건에 따라 적절한 기계적 장치에 의해 확장 또는 수축되고 상대 각도가 변경되도록 구성될 수 있다. 도 2b의 정수압 블레이드(200b)는 그 후미 엣지에 플랩(212)을 가지고, 도 2c의 정수압 블레이드(200c)는 그 전방 엣지에 플랩(214)을 가진다. 또한, 본 개시 내용에 따른 정수압 블레이드는 전방 및 후미 엣지 모두에 플랩을 포함할 수 있는 것이 고려된다.

정수압 블레이드에 필요한 최적의 곡률을 정의하는 것은 유동의 특성뿐만 아니라 많은 기술적 요인에 따라 달라지며, 이는 이제 본 개시 내용에 의해 정보를 받은 당업자의 능력 내에 있다.

정수압 블레이드의 성능은 도 8e 및 도 10에 도시된 바와 같이 그 엣지에 에일러론(aileron)을 추가하여 정수압 블레이드의 2개의 표면 사이의 압력 누출을 줄이거나 도 8a-8d 및 도 8f에 도시된 바와 같이 엣지를 특정 형상을 가지도록 형성하는 것에 의해 훨씬 더 향상될 수 있다. 도 2b 및 도 2c에 도시된 바와 같은 플랩도 사용될 수 있다. 따라서, 정수압 블레이드에는 형성된 에일러론, 성형된 엣지 및 기계적 플랩 또는 이들 중 임의의 조합 중 적어도 하나가 제공될 수 있다. 본 명세서에 사용된 "에일러론"이란 용어는 그 작동 유체 동역학적 특성을 변형(예를 들어, 향상)시키도록 구성된 정수압 블레이드의 엣지에 있는 유압 요소를 의미한다. 본 명세서에서 사용되는 "플랩(flap)"이란 용어는 작동 유체 동역학적 특성을 변형(예를 들어, 향상)시키도록 구성된 정수압 블레이드의 전방 엣지 또는 후미 엣지에 있는 가동 연장부를 지칭한다.

이제 정수압 블레이드가 흐름 방향에 대해 실질적으로 수직으로만 이동될 수 있게 하는 기계적 장치(예를 들어, 회전 가능한 샤프트)에 의해 지지되는 동안 액체 흐름(예를 들어, 평탄류 강)에 잠길 때 주어진 정수압 블레이드에 의해 정수압으로부터 생성되는 수력 발전의 양에 영향을 미치는 다양한 파라미터를 요약한 개략도를 제공하는 도 3a 및 도 3b를 참조한다.

도 3a 및 도 3b는 상류면(306)이 실질적으로 평면이고 하류면(308)이 비대칭 볼록 형상을 갖는 정수압 블레이드(300)를 도시한다. 도 3a는 사시도를 나타내고, 도 3b는 프로파일 도면을 나타낸다. 정수압 블레이드(300)는 통상적으로 정수압 터빈 러너의 일부로서 회전 가능한 샤프트로부터 연장되며; 도 3a 및 도 3b에서는 예시의 단순성을 위해 정수압 블레이드(300)만이 도시되어 있다. 도 3a 및 도 3b에서, 참조 기호 S는 흐름의 속도를 나타내며, 이는 흐름(304)의 방향을 나타내는 화살표(304)로 표시된다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 참조 기호 A는 정수압 블레이드(300)의 스팬(span)을 나타낸다. 정수압 블레이드(300)의 스팬(A)은 정수압 터빈 러너(도 3a 및 도 3b에 도시되지 않음)에 대한 흐름 방향(304)에 수직으로 측정된 치수로서, (도 3a 및 도 3b에 도시되지 않은) 샤프트에 대한 정수압 블레이드의 최내측 엣지(316)와 샤프트에 대한 정수압 블레이드(300)의 최외측 엣지(318) 사이에서 측정된 치수이다.

계속해서 도 3a를 참조하면, 참조 기호 B는 정수압 블레이드(300)의 코드(cord)를 나타낸다. 코드 길이는 정수압 터빈 러너에 대한 흐름 방향(304)에 실질적으로 평행하게 측정된 거리로, 정수압 블레이드(300)의 최전방 선도 엣지(320)와 최후방 후미 엣지(322) 사이의 거리로 정의된다.

여전히 도 3a를 참조하면, 화살표 P는 정수압 블레이드(300) 상의 흐름(304)의 총 압력 구배로부터 얻어지는 정수력을 나타낸다. 총 압력 구배는 정수압 블레이드(300)의 상류면(306)과 하류면(308) 상의 흐름 압력의 균형이다.

이제 도 3b를 참조하면, 정수압 블레이드(300)는 정수압 블레이드(300)의 상류면(306)과 정수압 터빈 러너(도 3b에는 도시되지 않음)에 대한 흐름 방향(304) 사이에서 측정된 0이 아닌 받음각(θ)을 가진다. 전술한 바와 같이, 본 개시 내용에 따른 정수압 터빈 러너는 이들 터빈 러너가 물 또는 다른 유체의 위치 에너지를 광범위하게 이용한다는 점에서 종래의 유동 구동 터빈 러너와 구별된다. 받음각(θ)의 적절한 선택은 흐름(304)을 가로지른 정수압 블레이드(300)의 동작을 구동시키는 총 힘(Fp)의 상당한 비율이 정수력(P)에 의해 기여되어 위치 에너지를 활용할 수 있게 하는 데 중요하게 기여한다. 이를 달성하기 위해, 받음각(θ)은 바람직하게는 35°이하(0 < θ ≤ 35°), 보다 바람직하게는 30°이하(0 < θ ≤ 30°), 더욱 더 바람직하게는 25°이하(0 < θ ≤ 25°), 더욱 더 바람직하게는 20°이하(0 < θ ≤ 20°)이다. 현재의 유입식 터빈 러너 설계는 통상적으로 물 흐름의 운동 에너지의 추출을 최대화하기 위해 비교적 큰 받음각을 적용한다. 본 개시 내용의 여러 양태에 따른 정수압 터빈 러너에서, 받음각(θ)은 종래의 유동 구동 터빈 러너에서보다 상당히 더 작다. 이러한 상대적으로 작은 받음각(θ)은 흐름(304)의 운동 에너지를 추출할 수 있는 이러한 터빈 러너의 능력을 감소시킬 것이지만, 동시에 그것은 이러한 터빈 러너가 압력 구배로 인한 정수력(P)을 통해 흐름(304)을 따라 더 많은 위치 에너지를 추출할 수 있게 한다. 상대적으로 작은 받음각(θ)은 각각의 정수압 블레이드(300)가 더 큰 받음각을 갖는 종래의 유동 구동 터빈 러너에서보다 상당히 더 긴 코드(B)를 가질 수 있게 한다. 전형적으로, 각 정수압 블레이드(300)의 스팬(A)은 강의 깊이에 의해 제한되지만, 각 정수압 블레이드(300)의 코드(A)의 길이 범위에 대한 제한은 더 적고, 코드(A)의 범위는 강의 길이와 강 경로의 곡률에 의해서만 제한된다. 이것은 결국 각각의 정수압 블레이드(300)가 상대적으로 큰 표면적을 가질 수 있게 한다.

상대적으로 작은 받음각(θ)은 또한 상대적으로 더 긴 종방향 결합 범위(LEE)를 가능하게 하고, 이는 흐름(304)을 따라 정수압(P)을 더 잘 활용할 수 있게 한다. 종방향 결합 범위는 받음각(θ)의 사인을 곱한 코드 길이(B)의 곱으로 정의된다:

(1) LEE = B * sin θ

종방향 결합 범위는 주어진 순간에 정수압 블레이드(300)에 의해 결합되는 흐름 방향으로 측정된 흐름(304)의 길이로서 개념화될 수 있다.

종래의 유입식 터빈 러너는 종방향 결합 범위가 짧다. 터빈 블레이드는 흐름의 운동 에너지를 더 잘 추출하기 위해 더 높은 받음각으로 위치되기 때문에 블레이드 코드와 받음각의 사인의 곱인 종방향 결합 범위는 전형적으로 상대적으로 짧다(받음각의 사인은 각도 증가시 감소함). 더 짧은 종방향 결합 범위는 블레이드의 전체 항력을 줄이고 터빈 러너가 더 많은 운동 에너지를 추출할 수 있도록 한다. 동시에, 더 짧은 종방향 결합 범위는 블레이드가 추출할 수 있는 모든 순간에 사용할 수 있는 위치 에너지의 양을 제한한다.

상당한 양의 유효 위치 에너지를 추출하는 것은 정수압 블레이드의 넓은 표면적과 조합된 작은 받음각(θ)을 사용함으로써 달성된다. 유입식 응용에서의 블레이드의 스팬은 통상적으로 강의 깊이에 의해 제한되기 때문에, 정수압 블레이드의 표면적의 증가는 코드 길이(B)를 증가시키는 것으로 달성될 수 있다. 작은 받음각(θ) 및 긴 코드 길이(B)의 조합은 정의상 더 긴 종방향 결합 범위를 의미하며, 이는 현재 정수압 터빈 러너 블레이드 설계의 중요한 특성이다. 주어진 스팬을 가진 블레이드의 경우 추출에 사용할 수 있는 모든 경우의 위치 에너지는 종방향 결합 범위에 비례한다. 본 개시 내용에 따른 정수압 블레이드의 경우, 종방향 결합 정도를 스팬으로 나눈 값(LEE/A)은 바람직하게는 0.75 초과, 보다 바람직하게는 0.85 초과, 더욱 더 바람직하게는 1 초과이다.

계속해서 도 3b를 참조하여, 정수압 블레이드(300)에 작용하는 중요 힘을 이제 설명한다.

Fp로 표시된 힘은 코드(B)에 수직으로 정수압 블레이드(300)의 표면에 작용하는 총 힘이다. 총 힘(Fp)은 정수력(P)과 정수압 블레이드(300)의 상류면(306)에 수직인 유체 운동력 성분의 벡터 합이다.

Fx로 표시된 힘은 정수압 블레이드(300)를 흐름 방향(304)에 실질적으로 수직인 동작으로 제한하는 서포트(예를 들어, 도 3b에 도시되지 않은 회전 가능한 터빈 러너 샤프트 - 그 회전축이 흐름 방향(304)에 실질적으로 평행하게 위치되어 정수압 블레이드(300)가 하류로 이동하는 것을 방지함)에 의해 인가된다. 이러한 힘 Fp 및 Fx의 벡터 합은 흐름 방향(304)에 실질적으로 수직인 F로 표시된 최종 벡터 힘이다. 그 결과, 정수압 블레이드(300)는 흐름 방향(304)에 실질적으로 수직인 화살표(V)로 표시된 주어진 속도로 흐름을 가로질러 푸싱된다. 사용 가능한 전력은 힘(F)과 속도(V)의 곱이다.

따라서, 본 개시 내용에 따른 정수압 터빈 러너는 작은 받음각(θ)으로 배열된 긴 코드(B)를 갖는 정수압 블레이드를 이용하여 종래의 유입식 터빈 러너 설계보다 상당히 긴 종방향 결합 범위(LEE)를 얻는다. 강의 지형이 허용하는 경우, 정수압 블레이드의 코드(B)는 100미터 이상 연장될 수 있으며, 이는 공기 발전 응용에서의 많은 기존 풍차 블레이드의 스팬과 유사하다.

이제 평탄류 강에서 사용되는 본 개시 내용의 일 양태에 따른 제1 예시적인 정수압 터빈 러너(440)를 도시하는 도 4를 참조한다. 정수압 터빈 러너(400)는 회전 가능한 샤프트(442) 및 샤프트(442)에 의해 지지되고 샤프트(442)로부터 반경방향 외측으로 연장되는 복수의 정수압 블레이드(400)를 포함한다. 도시된 바와 같은 정수압 블레이드(400) 각각은 흐름 방향(404)에 대해 실질적으로 평면인 상류면(406) 및 비대칭 볼록 형상을 갖지만 임의의 적절한 형상을 가질 수 있는 하류면(408)을 포함한다. 정수압 블레이드(400)는 중공형 또는 중실형일 수 있고 단면이 원형일 수 있거나 임의의 다른 적절한 단면 형상을 가질 수 있는 샤프트(442)에 직접 또는 간접적으로 장착될 수 있다. 샤프트(442)는 동력 추출 메커니즘(예를 들어, 발전기)의 일부를 형성하거나 그것에 기계적으로 결합될 수 있다. 따라서, 각각의 정수압 블레이드(400)는 동력 추출 메커니즘에 기계적으로 결합된다. 바람직하게는, 정수압 블레이드(400)는 샤프트(442)를 중심으로 원주방향으로 균등하게 이격된다.

도 4에 도시된 정수압 터빈 러너(440)는 정수압 터빈 러너(440)의 하부 부분만이 강(446)의 표면(444) 아래에 잠기고 샤프트(442)가 표면(444) 위에 있는 반 잠긴 실시예이다. 정수압 터빈 러너(440)는 정수압 블레이드(400)의 스팬(A)과 실질적으로 동일한 깊이로 잠기고 샤프트(442)와 정수압 블레이드(400) 사이에서 연장되는 기계적 커플링(예시의 단순화를 위해 도시되지 않음)에 의해 지지된다. 따라서, 정수압 블레이드(400)는 샤프트(442)로부터 반경방향 외측으로 이격된다. 기계적 커플링은 바람직하게는 강(446)의 표면(444) 위에 유지된다.

샤프트(442)는 그 축이 흐름 방향(404)에 실질적으로 평행하도록 위치된다. 정수압 블레이드(400)는 샤프트(442)에 의해 지지되기 때문에, 정수압 블레이드(400)는 흐름 방향(402)을 가로지르는, 즉 흐름 방향에 실질적으로 수직인 동작으로 제한되며, 다른 방향(예를 들어, 하류)으로의 동작이 금지된다. 동시에, 샤프트(442)는 회전 가능하기 때문에, 흐름 방향(402)을 가로지른 정수압 블레이드(400)의 동작은 샤프트(442)에 토크(450)를 전달하여 그 축을 중심으로 샤프트(442)를 회전시킨다. 토크(450)의 크기는 힘(F)(도 3b 참조)과 샤프트(442)의 축으로부터 토크 벡터의 수직 거리의 곱에 의해 결정된다. 도시된 실시예에서, 토크(450)는 도시된 바와 같이 시계 방향이다.

이제 본 개시 내용의 일 양태에 따른 분할된 정수압 터빈 러너(540)를 도시하는 도 5를 참조한다. 도 5에 도시된 정수압 터빈 러너(540)는 회전 가능한 샤프트(542) 및 샤프트(542)에 의해 지지되고 샤프트(542)로부터 반경방향 외측으로 연장되는 원주 방향으로 균등하게 이격된 복수의 정수압 블레이드(500)를 포함한다는 점에서 도 4에 도시된 것과 유사하다. 정수압 블레이드(500) 각각은 흐름 방향(504)에 대해 상류면(506) 및 하류면(508)을 갖는다. 상류면(506) 및 하류면(508)은 모두 예시의 편의를 위해 평면으로 도시되지만 임의의 적절한 형상을 가질 수 있다. 이전과 같이, 샤프트(542)는 동력 추출 메커니즘(예를 들어, 발전기)의 일부이거나 그것에 기계적으로 결합될 수 있다. 분할된 정수압 터빈 러너(540)에서, 정수압 블레이드(500)는 종방향으로 이격된 일련의 세그먼트 또는 모듈(548)로 배열되어, 정수압 블레이드(500)의 세트가 갭(552)만큼 이격된 샤프트(542) 상의 종방향 시리즈로 배열된다. 샤프트(542)는 모노리식(monolithic) 구성을 가질 수 있거나, 자체가 결합된 세그먼트로 형성될 수 있다. 도 5에 도시된 유형의 분할된 정수압 터빈 러너(540)는 예를 들어 강의 지리적 특징 또는 샤프트(542)에 대한 구조적 지지를 수용하면서 더 큰 누적 종방향 결합 범위를 제공할 수 있다. 도 5에 도시된 유형의 분할된 정수압 터빈 러너(540)의 경우, 분할된 저우압 터빈 러너(540)에 대한 전체 종방향 결합 범위는 개별 세그먼트(548)의 모든 종방향 결합 범위의 산술적 합이고; 갭(552)의 범위는 종방향 결합 범위에 포함되지 않는다. 정수압 터빈 러너(540)는 반잠수되거나 완전히 잠길 수 있다.

다양한 세그먼트(548)는 각각의 인접한 세그먼트(548)의 정수압 블레이드(500)가 서로에 대한 상대적인 반경방향 위치에서 오프셋되도록 배열될 수 있다. 세그먼트(548)는 또한 각각의 정수압 블레이드(500)에 대한 받음각이 상이할 수 있다. 각각의 개별 세그먼트(548)의 정수압 블레이드(500)의 성능은 동일할 필요는 없으며, 각각의 개별 세그먼트(548)의 정수압 블레이드(500)는 여기에 기술된 바와 같이 다양한 성능 향상을 적용함으로써 향상될 수 있다.

더욱이, 본 개시 내용에 따른 정수압 터빈 러너에서 받음각은 정적일 필요는 없지만, 그 대신 변할 수 있다. 이제 정수압 블레이드의 받음각을 변경하기 위한 특정 예시적인 접근 방식을 보여주는 도 6a-6c를 참조한다. 받음각을 변경하는 것은 예를 들어 계절적 변동과 같은 흐름 조건의 변동을 수용하는 데 유리할 수 있다.

먼저 도 6a를 참조하면, 예시적인 정수압 터빈 러너(640)에서 정수압 블레이드(600a) 각각은 회전 가능한 피봇 아암(652)에 의해 샤프트(642)에 장착된다. 피봇 아암(652)은 샤프트(642)의 축으로부터 실질적으로 수직으로 그리고 샤프트(542)의 스팬(A)에 실질적으로 평행하게 연장된다. 흐름 방향(604)에 대한 정수압 블레이드(600)의 받음각은 화살표(654a)로 나타낸 바와 같이 축을 중심으로 회전 아암(652)을 회전시킴으로써 조정될 수 있다.

이제 정수압 블레이드(600)를 비틀어서 받음각이 변할 수 있는 배열을 예시하는 도 6b 및 도 6c를 참조한다. 이 배열에서, 정수압 블레이드(600c)는 플렉시블 재료로 형성되고, 샤프트(642)에 의해 지지되는 한 쌍의 강성 방사상 장착 프레임(656)에 의해 샤프트(642)에 부착된다. 방사상 장착 프레임(656)은 각각 외측으로 연장되는 복수의 스파인(spine)(658)을 포함하고, 정수압 블레이드(600c)는 각각 대향된 쌍의 방사상 장착 프레임(656) 사이에서 연장된다. 방사상 장착 프레임(656) 중 적어도 하나는 화살표(654c)로 나타낸 바와 같이 샤프트(642)의 축을 중심으로 회전 가능하다. 방사상 장착 프레임(656) 중 하나를 다른 것에 대해 회전시킴으로써, 정수압 블레이드(600)를 형성하는 플렉시블 재료는 트위스트되어 받음각이 변경될 수 있다.

따라서, 정수압 블레이드의 받음각은 고정되거나 가변적일 수 있다. 러너의 정수압 블레이드는 예를 들어, 양측 평면형, 트위스트형(나선형), 일측이 만곡형이고 타측은 평면형, 또는 양측 만곡형일 수 있고, 이러한 곡선은 동일하거나 상이할 수 있습니다. 다른 구성도 가능하다.

도 7은 본 개시 내용의 일 양태에 따른 수중 정수압 터빈 러너(740)를 도시한다. 이 실시예에서, 정수압 터빈 러너(740)의 회전 가능한 샤프트(742)는 중공 튜브의 형태를 취하고, 복수의 정수압 블레이드(700)는 샤프트(742)에 의해 지지되고 관형 샤프트(742)의 내부 표면(758)으로부터 내측으로 연장된다. 따라서, 이 실시예에서, 샤프트(742)는 정수압 블레이드(700)를 완전히 둘러싸고, 정수압 블레이드(700)와 함께 회전하며, 액체가 정수압 블레이드(700)를 지나 샤프트(742)의 내부를 통해 흐를 수 있다.

대안적인 실시예에서, 샤프트는 정수압 블레이드에 의해 적어도 부분적으로 구조적 완결성이 제공되는, 연속 샤프트라기 보다는 단속형 샤프트이다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이 정수압 블레이드를 둘러싸는 연속 관형 샤프트 대신에, 도 7a는 정수압 블레이드(700a)가 정수압 블레이드(700a)와 함께 회전하는 일련의 이격된 링(759)에 의해 상대 위치에 고정되는 수중 정수압 터빈 러너(740a)를 도시한다. 도 7a는 한 쌍의 링(759)을 도시하지만, 다른 실시예에서는 더 많은 수의 링이 있을 수 있다. 도 7a에 도시된 정수압 블레이드(700A)는 도 4에 도시된 정수압 블레이드(400)와 형상이 유사하지만, 임의의 적절한 형상을 가질 수 있다. 정수압 블레이드(700a)의 외부 엣지(760a)는 링(759)에 결합되고, 정수압 블레이드(700a)의 내부 엣지(762a)는 서로 반경방향으로 이격된다.

다른 실시예에서, 정수압 블레이드가 중앙 샤프트로부터 외측으로 연장되는 정수압 터빈 러너는 샤프트의 직경과 정수압 블레이드의 스팬의 합보다 약간 더 큰 직경을 갖는 고정된 튜브에 의해 둘러싸여 환형 갭을 형성하고 정수압 터빈 러너가 고정된 튜브 내부에서 회전할 수 있도록 할 수 있다. 이것은 본 개시 내용의 여러 양태에 따른 정수압 터빈 러너가 파이프 또는 터널 내에 설치되어 그 안의 액체 흐름을 이용하도록 허용한다.

도 8a-8f는 본 개시 내용의 여러 양태에 따른 정수압 블레이드에 대한 다양한 변형례를 도시하고, 특정 조건 하에서 성능을 향상시키기 위한 잠재적인 최적화를 나타낸다. 변형례는 예시를 위해 개별적으로 표시되지만, 하나의 정수압 블레이드에 2개 이상의 변형례가 포함될 수 있다. 흐름 방향은 화살표(804)로 표시된다.

도 8a는 정수압 블레이드(800a)의 외부 엣지(860a)(중앙 샤프트(842a)로부터 가장 먼 엣지)가 내부 엣지(862a)(샤프트(842a)에 가장 가까운 엣지)보다 긴 정수압 터빈 러너(840a)를 도시한다. 이는 경사진 선도 엣지(864a)를 가져온다. 도 8b는 정수압 블레이드(800b)의 외부 엣지(860b)가 내부 엣지(862b)보다 길지만 중앙 샤프트(842b)로부터 외측으로 오목하게 만곡하는 선도 엣지(864b)를 갖는 유사한 정수압 터빈 러너(840b)를 도시한다. 도 8c는 정수압 블레이드(800c)의 외부 엣지(860c)가 내부 엣지(862c)보다 짧아서 경사진 선도 엣지(864c)를 가져오지만 도 8a에 도시된 것과 반대 방향인 정수압 터빈 러너(840c)를 도시한다. 도 8d는 선도 엣지(864d)가 정수압 블레이드(800d)의 외부 엣지(860d)를 향해 중앙 샤프트(842d)로부터 외측으로 볼록하게 만곡되는 정수압 터빈 러너(840d)를 도시한다. 각각의 경우에, 후미 엣지(866a, 866b, 866c, 866d)는 샤프트(842a, 842b, 842c, 842d)에 수직으로 유지된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 후미 엣지의 프로파일은 선도 엣지에 대해 도시된 것과 유사한 방식으로 동일하거나 상이한 각도 또는 곡률로 변경될 수 있다.

도 8e는 테이퍼진 관형 에일러론(870)이 정수압 블레이드(800e)의 외부 엣지(860e)에 부착되고 정수압 블레이드(800e)의 선도 엣지(864e) 및 후미 엣지(866e) 너머로 연장되는 정수압 터빈 러너(840e)를 도시한다.

도 8f는 정수압 블레이드(800f)의 후미 엣지(866f) 및 선도 엣지(864f)가 모두 샤프트(842f)에 실질적으로 수직이지만 후미 엣지(866f)가 선도 엣지(864f)보다 긴 정수압 터빈 러너(840f)를 도시한다. 이는 정수압 블레이드(800f)의 직선 외부 엣지(860f)가 샤프트(864f)에 대해 실질적으로 평행하기 보다는 오히려 경사지게 한다. 이 구성은 정수압 터빈 러너(840f)가 일단부가 타단부보다 높은 높이에 있도록 흐름에 잠겨 있는 경우에 유용하다(아래에 설명된 도 9c 참조).

위에서 언급한 바와 같이, 일부 실시예에서, 정수압 블레이드의 코드(B)는 100미터 이상 연장될 수 있고, 스팬(A)도 상당할 수 있다. 정수압 터빈 러너의 상당한 크기와 물 또는 기타 액체의 표면 아래에 적어도 부분적으로 잠겨 있다는 사실 때문에, 동력 추출 메커니즘(예를 들어, 발전기)는 표면 위에 배치될 수 있다. 예를 들어, 정수압 터빈 러너가 강에 배치되는 경우, 동력 추출 메커니즘은 부유 바지선(예를 들어, 강둑에 정박된)에 배치되거나, 강바닥 하부의 고정 서포트에 부착되거나 강둑에 배치될 수 있다. 고정 서포트의 경우, 수위의 계절적 변화를 수용하기 위해 정수압 터빈 러너의 높이를 조정하기 위해 기계적 장치를 사용할 수 있다.

정수압 터빈 러너의 회전에 의해 생성된 동력은 동력 추출 메커니즘으로 전달되어야 한다. 동력 추출 메커니즘의 바람직한 위치는 정수압 터빈 러너의 하류 측에 있지만 동력 추출 메커니즘의 상류 위치도 고려된다.

도 9a-9c는 정수압 터빈 러너로부터 발전기와 같은 동력 추출 메커니즘으로 동력을 전달하기 위한 전달 장치의 일부 비제한적인 예를 도시한다.

도 9a는 전달 기어박스(972)를 통해 동력 추출 메커니즘(970a)에 결합된 정수압 터빈 러너(940a)를 도시하며; 유사한 배열은 기어박스(972) 대신에 체인 또는 벨트 전달 케이스를 사용할 수 있다. 예시된 실시예에서, 기어박스(972)는 정수압 터빈 러너(940a)의 샤프트(942a) 및 흐름 방향(904a)에 실질적으로 수직이지만, 이것은 엄격하게 요구되는 것은 아니다.

도 9b는 경사진 연결 구동 샤프트(974)를 통한 직접 전달에 의해 동력 추출 메커니즘(970b)에 결합된 정수압 터빈 러너(940b)를 도시한다. 연결된 구동 샤프트가 2개의 직각 전달 변속 기어를 사용하는 다른 실시예에서, 동력 추출 메커니즘 장치는 정수압 터빈 러너의 단부 바로 위에 위치될 수 있다.

도 9c는 샤프트(942c)가 수면(944)에 대해 경사진 정수압 터빈 러너(940c)를 도시한다. 이러한 경사에도 불구하고, 샤프트(942c)는 수평면에서 측정된 흐름 방향(904)에 평행하게 유지된다(즉, 수면(944)에 대한 샤프트(942c)의 수직 돌출은 흐름 방향(904)에 평행함). 샤프트(942c)는 정수압 블레이드(900c)의 하류로 멀리 연장되고 수면(944) 위에 위치된 동력 추출 메커니즘(970c)에 직접 결합될 수 있다. 도 9c에 도시된 실시예에서, 정수압 블레이드(900)는 바람직하게는 가장 낮은 정수압 블레이드(900c)의 외부 엣지(960c)가 강바닥의 하부와 실질적으로 평행하도록 후미 엣지(966)가 선도 엣지(964)보다 긴 사다리꼴 형상을 가진다.

도 9d 및 도 9e는 각각 정수압 블레이드(700a)가 정수압 블레이드(700a)와 함께 회전하는 일련의 이격된 링(759)에 의해 상대 위치에 고정되는 도 7a에 도시된 유형의 정수압 터빈 러너(740a)로부터 토크를 전달하기 위한 구성을 도시한다. 도 9d에서, 링(759) 중 하류의 링은 동력 추출 메커니즘으로 토크를 전달하기 위해 다른 기어(982)와 맞물리는 기어 표면(980)을 형성한다. 도 9e에서, 벨트(984)가 토크의 전달에 사용되며; 체인이 유사하게 사용될 수 있다.

따라서, 정수압 터빈 러너는 임의의 적절한 토크 전달 장치를 통해 동력 추출 메커니즘 장치에 결합될 수 있으며, 따라서 도 9a-9e는 본 개시 내용의 양태에 따른 정수압 터빈 러너를 포함하는 터빈의 다양한 실시예를 도시한다. 정수압 터빈 러너로부터 동력 추출 메커니즘으로 동력을 유압으로 전달하는 것도 고려된다. 따라서, "정수압 터빈"이라는 용어는 흐름을 가로지른 각 정수압 블레이드의 동작을 구동시키는 총 힘의 상당 비율이 정수력에 의해 기여되도록 흐르는 액체의 정수압으로부터 동력을 추출하도록 구성된 정수압 터빈 러너를 통합하는 터빈을 의미한다.

위에서 설명된 도면에 도시된 예시적인 정수압 터빈 러너는 각각 6개의 정수압 블레이드를 포함하지만, 이는 단지 예시일 뿐이며 본 개시 내용에 따른 정수압 터빈 러너는 설비에 따라 더 많거나 더 적은 정수압 블레이드를 가질 수 있다. 블레이드의 수는 유체 흐름 속도와 정수압 블레이드의 스팬을 수용할 수 있는 유효 공간과 같은 설계 파라미터의 영향을 받는다.

도 10은 동력 추출 메커니즘(1070)이 정수압 터빈 러너(1040)의 샤프트(1042) 내에 배치된 자율 수중 정수압 터빈(1080)을 도시한다. 흐름 방향은 화살표(1004)로 표시된다. 샤프트(1042)는 유선형 단부 캡(1082)(예를 들어, 원추형 또는 유사한 것)으로 동력 추출 메커니즘(1070)을 수용하도록 확장된다. 단부 캡(1082)은 바지선 등에 따라 예를 들어, 강바닥의 서포트에 고정될 수 있다. 샤프트(1042)는 단부 캡(1082)에 대해 회전할 수 있고, 동력 추출 메커니즘(1070)은 로터 역할을 하는 샤프트(1042) 내에 배치된 고정자를 포함한다. 이 배열은 적절한 엔지니어링 변형례로 되돌릴 수 있다. 그런 다음, 전기 케이블링에 의해 동력 추출 메커니즘(1070)이 예를 들어 전력망에 연결될 수 있다. 도시된 실시예에서, 정수압 터빈 러너(1040)의 3개의 정수압 블레이드(1000)는 정수압 블레이드(1000)의 상류측(1006)과 하류측(1008) 사이의 정수압 누출을 제한하기 위해 외부 엣지(1060)에 에일러론(1084)을 포함한다. 에일러론은 조건에 따라 다양한 형상과 형태를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 동력 추출 메커니즘은 샤프트에 통합되기보다는 정수압 터빈 러너의 단부에 직접 결합될 수 있다.

따라서, 정수압 터빈 러너는 전체적으로 또는 부분적으로 유동 표면 아래에 잠겨져 있지만, 동력 추출 메커니즘은 유동 표면 위에 고정되거나 유동 표면 아래에 잠길 수 있다.

특정 예시적인 실시예가 예로서 설명되었다. 특허청구범위에 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 많은 변경 및 변형이 이루어질 수 있음은 당업자에게 분명할 것이다.

용어 사전

다음 용어집은 참조의 편의를 위해서만 제공된다.

"에일러론"은 작동 유체역학적 특성을 변형(예를 들어, 향상)시키도록 구성된 정수압 블레이드의 엣지에 있는 유압 요소를 나타낸다.

"받음각"(θ)은 정수압 블레이드의 상류면과 정수압 터빈 러너에 대한 흐름 방향 사이에서 측정된다.

Betz의 법칙은 에너지를 추출하는 장치를 통과하는 총 운동 에너지의 0.593(59.3%)으로의 흐름으로부터의 운동 에너지의 추출의 상한을 설정하는 실험 결과에 의해 지지되는 이론적인 물리 법칙이다.

"코드" 및 "코드 길이"는 정수압 터빈 러너에 대한 흐름 방향과 실질적으로 평행하게 측정된 정수압 블레이드의 최전방 선도 엣지와 정수압 블레이드의 최후방 후미 엣지 사이의 거리로 정의된다.

"플랩"은 작동 유체역학적 특성을 변형(예를 들어, 향상)시키도록 구성된 유압 블레이드의 선도 엣지 또는 후미 엣지에서의 가동 연장부를 나타낸다.

"수두"는 배출 표면 높이 이상으로 설비에 공급되는 액체의 상부 표면의 높이로 측정되는 유압 시스템의 정수압의 측정치이다.

흐름의 "유체 운동 압력"은 흐름의 동작 방향으로 측정된 흐름의 유체 압력이다.

흐름의 "정수압"은 흐름 방향에 수직인 방향으로 측정된 유체 압력이다.

"정수압 블레이드"는 흐름을 가로지른 각 정수압 블레이드의 동작을 구동시키는 총 힘의 상당한 비율이 정수력에 의해 기여되도록 흐르는 액체의 정수압으로부터 동력을 추출하도록 특별히 구성된 터빈 러너용 블레이드를 지칭한다.

"정수압 터빈"은 흐름을 가로지른 각 정수압 블레이드의 동작을 구동시키는 총 힘의 상당한 비율이 정수력에 의해 기여되도록 흐르는 액체의 정수압으로부터 동력을 추출하도록 구성된 정수압 터빈 러너를 통합하는 터빈을 지칭한다.

"정압 터빈 러너"는 흐름을 가로지른 각 정수압 블레이드의 동작을 구동시키는 총 힘의 상당한 비율이 정수력에 의해 기여되도록 흐르는 액체의 정수압으로부터 동력을 추출하도록 구성된 받음각으로 위치된 정수압 블레이드를 통합하는 터빈 러너이다.

"종방향 결합 범위" 또는 "LEE"는 코드 길이를 받음각의 사인을 곱한 곱으로 정의된다.

"유입식 수력 발전"은 일반적으로 평탄류 강에서 사용되는 물 흐름에 대한 간섭을 최소화하면서 수력 발전을 추출하는 데 사용되는 수력 발전 설비를 지칭한다.

정수압 블레이드의 "스팬"은 정수압 터빈 러너에 대한 흐름 방향에 수직으로 측정된, 샤프트에 대한 정수압 블레이드의 최내측 엣지와 샤프트에 대한 정수압 블레이드의 최외측 엣지 사이에서 측정된 치수이다.

Claims (5)

1. 정수압 터빈 러너로서:
   회전 가능한 샤프트;
   상기 회전 가능한 샤프트에 의해 지지되는 적어도 하나의 정수압 블레이드
   를 포함하고,
   상기 적어도 하나의 정수압 블레이드는 상기 정수압 터빈 러너에 대한 흐름 방향에 대한 상류면 및 상기 정수압 터빈 러너에 대한 흐름 방향에 대한 하류면을 구비하고,
   상기 적어도 하나의 정수압 블레이드는 상기 상류면과 상기 정수압 터빈 러너에 대한 상기 흐름 방향 사이에서 측정된 0 < θ ≤ 35°의 받음각(θ)을 가지며,
   상기 적어도 하나의 정수압 블레이드는 상기 샤프트에 대한 상기 정수압 블레이드의 최내측 엣지와 상기 샤프트에 대한 상기 정수압 블레이드의 최외측 엣지 사이의 스팬을 가지며, 해당 스팬은 상기 정수압 터빈 러너에 대한 흐름 방향에 수직으로 측정되며,
   상기 적어도 하나의 정수압 블레이드는 상기 정수압 터빈 러너에 대한 상기 흐름 방향에 평행하게 측정된 거리로서 상기 정수압 블레이드의 최전방 선도 엣지와 상기 정수압 블레이드의 최후방 후미 엣지 사이의 거리로 정의된 코드 길이(cord length)를 가지며,
   상기 적어도 하나의 정수압 블레이드는 상기 코드 길이와 상기 받음각(θ)의 사인의 곱으로 정의되는 종방향 결합 범위(longitudinal engagement extent: LEE)를 가지며,
   상기 적어도 하나의 정수압 블레이드에 대해 상기 LEE를 상기 스팬으로 나눈 값은 0.75보다 크며,
   액체가 상기 정수압 터빈 러너에 대한 상기 흐름 방향으로 상기 정수압 터빈 러너를 통과하여 흐를 때, 상기 적어도 하나의 정수압 블레이드의 상기 상류면과 상기 하류면 사이에는 상기 상류면에서의 상류 압력이 상기 하류면에서의 하류 압력을 초과하는 압력 구배가 생성되며,
   상기 압력 구배는 상기 액체의 흐름에 실질적으로 수직하게 상기 적어도 하나의 정수압 블레이드의 상기 상류면에 정수력(hydrostatic force)을 인가하며,
   상기 정수력 및 상기 액체의 흐름은 각각 상기 회전 가능한 샤프트를 회전시키도록 상기 액체의 흐름에 실질적으로 수직하게 상기 액체의 흐름을 가로질러 상기 적어도 하나의 정수압 블레이드의 동작을 구동시키도록 상기 적어도 하나의 정수압 블레이드에 대해 개별 힘을 인가하고,
   상기 정수력과 상기 액체의 흐름에 의해 구동되는 상기 액체의 흐름을 가로지른 상기 적어도 하나의 정수압 블레이드의 동작에 의해 상기 액체로부터 추출되는 총 에너지는 상기 액체의 흐름으로부터만 활용될 수 있는 운동 에너지의 66%에 해당하는 양을 초과하는, 정수압 터빈 러너.
2. 제1항에 있어서, 각각의 정수압 블레이드에 대해 상기 LEE를 상기 스팬으로 나눈 값은 0.85보다 큰, 정수압 터빈 러너.
3. 제1항에 있어서, 각각의 정수압 블레이드에 대해 상기 LEE를 상기 스팬으로 나눈 값이 1보다 큰, 정수압 터빈 러너.
4. 제1항에 있어서, 각각의 정수압 블레이드에 대해 상기 LEE를 상기 스팬으로 나눈 값이 1.5보다 큰, 정수압 터빈 러너.
5. 제1항의 정수압 터빈 러너를 포함하는 정수압 터빈.

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