KR20240029383A - 관성륜을 갖는 회전익을 결합한 회전력이 증대된 로터 블레이드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 관성륜을 갖는 회전익을 결합한 회전력이 증대된 로터 블레이드에 관한것으로, 더욱 상세하게는 풍력에너지를 이용하는 수평축 프로펠러형 풍차와 수직축 사보니우스형 풍차에 있어서,
한방향으로만 회전되도록 형성된 베인과 베인에 등간격으로 설치된 다수개의 원반형 플라이휠로 구성된 자이로 로터 유닛;
블레이드 일단에는 소정각도로 설치된 브래킷을 지지하여 상기 자이로 로터 유닛이 동시에 회전되도록 일체로 형성된 블레이드;
상기 로터 블레이드의 주된 양력과 일체로 형성된 상기 자이로 로터 유닛의 동시회전에 의한 양력을 추가하므로서 풍차의 회전추력을 증강시킬수있도록 구성됨을 특징으로 하는 관성륜을 갖는 회전익을 결합한 회전력이 증대된 로터 블레이드.

Description

관성륜을 갖는 회전익을 결합한 회전력이 증대된 로터 블레이드{omitted}

본 발명은 관성륜을 갖는 회전익(이하 자이로 로터 유닛)을 결합한 회전력이 증대된 로터 블레이드에 관한것으로, 더욱 상세하게는 수평축 프로펠러형 풍차와 수직축 사보니우스형 풍차의 블레이드에 자이로 로터 유닛을 결합하여 블레이드에 의한 양력에 자이로 로터 유닛에 의한 양력을 추가로 발생 시킴으로서 회전력을 더욱 증대 시킬수 있도록 하는 구조의 관성륜을 갖는 회전익을 결합한 회전력이 증대된 로터 블레이드에 관한 것이다.

화석연료 남용으로 인한 지구 온난화 문제가 기후재앙의 부메랑이 되고있는 오늘날 무한대의 자연청정에너지자원 중에서 바람을 이용하는 풍력 발전기는 프로펠러형을 비롯하여 다리우스형 사보니우스형 등 각종 풍차가 효율과 특장점 경쟁을 벌이고 있으나 가장 효율이 높은 수평축 프로펠러형 풍차의 경우도 '베츠의 한계'라고 알려진 바람이 가지고 있는 전 에너지의 최대 59% 밖에 얻어내지 못하고 있다.

상기 프로펠러형 풍차는 블레이드에서 발생되는 양력으로부터 회전력을 얻어 돌게되는데 이 양력이 곧 풍차회전의 원동력이 되고있다. 이 양력을 높히기 위해 최근의 프로펠러형 풍차는 고속 회전하도록 주속비를 높혀 설계되고있으나 빨리 돌면돌수록 공기저항이 커지고 항력도 증가하게되어 효율이 떨어진다. 또 바람을 가르는 소음발생도 심각한 문제가 되고있어 빨리도는 것만이 꼭 좋은것은 아니다.

KR 10-0747082 2007. 8. 1

본 발명은 바람을 이용하는 풍차에 있어서 종래의 블레이드만으로 회전력을 얻는 방식과 달리 자이로 로터 유닛을 블레이드에 결합설치하여 이것의 동시회전에 의한 양력발생을 추가로 이용하도록하는 관성륜을 갖는 회전익을 결합한 회전력이 증대된 로터 블레이드를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 기존의 수평축 프로펠러형 풍차와 수직축 사보니우스형 풍차의 블레이드의 회전 방향 선단에 도4, 도5에서 예시한바와같이 자이로 로터 유닛(2)의 회전축을 지지하는 브래킷(6)을 블레이드(1)에 소정각도로 설치하고 로터 블레이드의 회전과 함께 자이로 로터 유닛(2)을 동시에 회전시켜서 마그누스효과에 의한 양력을 발생(도1), 블레이드(1)의 주된 양력에 추가된 양력으로 회전토크를 최대한 높힐수 있도록 형성 되는것을 특징으로 한다.

본 발명은 풍차회전의 원동력인 양력을 주로 블레이드에서 얻고 이 블레이드에 나란히 결합 설치된 자이로 로터 유닛의 동시 회전에 의한 양력을 추가하여 큰 회전력을 발생하는 효과.

로터 블레이드의 저속회전으로 바람을 가르는 소음문제를 해소.

로터 블레이드의 저속회전 즉 주속비가 작으면 익현장을 크게 할수있어서 기동토크가 커져 낮은 풍속에서도 다익형 풍차처럼 저속회전으로 큰 회전토크발생.

블레이드의 영각은 0~15°사이에서 각도가 클수록 양력이 커지는데 주속비가 작아서 영각을 범위내 최대한 크게하여 양력을 높힐수 있다.

주속비가 작아서 공기저항과 항력을 크게 줄일수있어서 효율이 높아진다.

본 발명은 공기의 흐름인 바람에서 에너지를 얻는 풍차에만 국한하는것이 아니고 같은 유체인 강물의 흐름이나 해류발전에 이용할수있는 등의 효과가 있다.

도1은 본 발명의 원리를 설명하기 위해 단면으로 보인 원리도
도2는 본 발명의 구성부품 자이로 로터 유닛의 일 실시예에 따른 정면도
도3은 도2의 자이로 로터 유닛의 측면도
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수평축 프로펠러형 풍차에 자이로 로터 유닛을 결합한 실시예를 나타내는 정면도
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직축 사보니우스형 풍차에 자이로 로터 유닛을 결합한 실시예를 보인 평면도

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1의 단면으로 보인 원리도를 설명하면 로터 블레이드(1)가 바람의 방향(W)에 대하여 90°로 회전하고 있을때;

상대적인 바람의 방향(W') 블레이드(1)에 의한 양력(L) 자이로 로터 유닛(2)에 의한 양력(L') 로터 블레이드(1)의 회전방향(T)을 나타낸것으로 상기 회전방향(T)의 회전추력은 상기 두가지 양력의 합력에서 항력을 뺀값이 될것이다.

다음, 상기 자이로 로터 유닛(2)에 대하여 도2 내지 도3에 의해 설명한다.

풍력으로 한 방향으로만 돌게하는 베인(3)과 회전력을 비축하는 기능의 플라이휠(4)로 구성된 자이로 로터 유닛(2)에 회전을 주면 유체의 점성에 의해 자이로 로터 유닛(2)을 통과하는 유체의 유속에 차이가 발생해서 빠른 유속의 방향으로 힘(양력)이 발생된다.(마그누스 효과) 이와같이 블레이드(1)에 의한 양력과 자이로 로터 유닛(2)에 의한 양력의 합력으로 회전방향으로의 회전토크가 증강되는것이다. 상기 블레이드(1)의 길이에 맞추어 베인(3)의 길이도 길어지며 베인(3)의 길이방향에 등간격으로 원반형의 플라이휠(4)을 다수개 고정장착한다. 도2에서는 플라이휠(4) 네개짜리를 예시했으나 베인(3)이 길어지면 플라이휠(4)의 갯수도 증가된다. 실험에 의한 상기 베인(3)과 플라이휠(4)의 크기를 정의 하면;

동일한 재질 동일한 두께의 조건하에서 원반형 플라이휠(4)의 총면적(총갯수의 합계)은 베인(3) 면적의 1.4배이상(1.4~1.5)이 되도록 설계하는것이 좋다.

플라이휠(4)의 면적이 상기 1.4배 미만이면 역회전을 이르키기 쉽다는 사실을 발견하였다.

따라서, 베인(3)에 등간격으로 설치되는 플라이휠(4)의 갯수가 증가하면 원반형 플라이휠(4)의 지름은 작아지게 되는것이 자이로 로터 유닛(2) 설계의 요점이다.

다음, 도4 내지 도5에 의해 일 실시예에 대하여 설명한다.

도4는 수평축 프로펠러형 풍차에 자이로 로터 유닛(2)을 결합한 실시예의 정면도이고 도5는 수직축 사보니우스형 풍차에 자이로 로터 유닛(2)을 결합한 실시예의 평면도이다.

상기 수평축 프로펠러형 풍차의 블레이드(1)의 회전방향선단 또는 상기 수직축사보니우스형 풍차의 블레이드(1)의 회전방향후단에는 자이로 로터 유닛(2)의 회전축인 샤프트액슬(5)을 지지하는 브래킷(6)을 상기 블레이드(1)와 소정각도로 설치하고 블레이드(1)의 회전과 함께 자이로 로터 유닛(2)이 동시에 회전되도록 일체로 형성한다.

여기서, 주속비는 로터 블레이드 설계시 가장 중요한 성능지표인데 본 발명은 고속블레이드의 양력형 풍차가 아니고 블레이드 선단의 회전속도가 풍속이상 오르지 않는 저속회전토크에 주안점을 둔 항력형 풍차라고 볼수있다. 상기 자이로 로터 유닛(2)의 회전속도는 상기 로터 블레이드(1)의 회전속도 보다 커야한다. 로터 블레이드(1)의 회전속도가 더 크면 자이로 로터 유닛(2)의 회전은 원활하지 못하고 회전불능상태가 되기도 한다.

로터 블레이드(1)의 회전속도가 낮으면 블레이드(1)의 형상은 테이퍼가 없고 익현장이 큰 블레이드(1)로 설계할수있고 이는 토크가 가장크고 풍속이 낮은때의 기동성을 좋게한다. 또한, 상기 자이로 로터 유닛(2)의 회전은 풍력으로 회전이 가능하지만 별도의 모터로 기동하도록 장치를 구비한다면 가장 바람직하다. 모터에 의해 자이로 로터 유닛(2)을 로터 블레이드(1)보다 더 빠르게 고속 회전시킬경우 로터 블레이드(1)는 주속비에 제한을 받지 않을것이다.

본 발명 자이로 로터 유닛(2)을 결합한 로터 블레이드(1)는 바람을 이용하는 풍차에만 국한 하는것이 아니다. 물도 같은 유체이므로 동일한 기전으로 흐르는 강물이나 조력발전, 해류발전에도 이용할수있다.

일예로, 흐르는 강물이나 조력발전의 경우 수량은 풍부하나 저낙차이고 흐름의 방향이 일정하므로 도5에 도시한 수직축 사보니우스형 풍차의 회전축을 옆으로 ?또? 수평축으로한 사보니우스형 수차의 블레이드(1)에 자이로 로터 유닛(2)을 결합한 수차로 형성하면 블레이드(1)와 자이로 로터 유닛(2)을 횡방향으로 길게 연장하여 광폭의 물의 흐름에서 에너지를 획득할수있는 매우 큰 회전토크의 수차로 될수있을것이다.

또한, 도5와 같은 수직축 사보니우스형 풍차가 풍향에 상관없이 모든 방향의 바람을 이용할수있는 장점이 있는반면 낮은 효율 갖게되는 이유는 수직축을 중심으로 돌아오는쪽 블레이드(1)가 회전방향 운동에 저항작용을 하기 때문인데, 돌아오는쪽 블레이드(1) 주변은 가려주고 돌리려는 쪽 블레이드(1)로 흐름을 유도하도록 설계된 가림판(도시없음)을 설치한다면 수직축 로터 블레이드의 회전력을 높힐수 있다. 그러나, 효율은 수평축 프로펠러형 풍차가 가장크다.

1 : 블레이드
2 : 자이로 로터 유닛
3 : 베인
4 : 플라이 휠
5 : 샤프트 액슬
6 : 브래킷

Claims (2)

1. 유체의 흐름에서 에너지를 얻도록하는 수평축 프로펠러형 로터 블레이드와 수직축 사보니우스형 로터 블레이드에 관한것으로,
   단면이 S형으로 한 방향으로만 회전하도록 형성된 베인(3)과,
   상기 베인(3)에 등간격으로 설치되고 회전력을 비축하도록하는 다수개의 원반형 플라이휠(4)로 구성된 자이로 로터 유닛(2);
   상기 로터 블레이드의 블레이드(1) 일단에는 소정각도로 고정 설치되는 브래킷(6)을 지지수단으로하고 상기 자이로 로터 유닛(2)의 회전축인 샤프트 액슬(5)을 수용하도록 형성된 블레이드(1);
   유체의 흐르는 힘에 의해 상기 블레이드(1)와 상기 자이로 로터 유닛(2)이 동시에 회전하도록 일체로 형성됨을 특징으로 하는 관성륜을 갖는 회전익을 결합한 회전력이 증대된 로터 블레이드.
2. 제1항에 있어서,
   상기 자이로 로터 유닛(2)은 모터에 의해서 회전 되도록하는 장치를 구비한것을 특징으로하는 관성륜을 갖는 회전익을 결합한 회전력이 증대된 로터 블레이드.