WO2021080029A1 - 소수력 발전용 터빈 날개 및 이를 포함하는 터빈 - Google Patents

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blade
entry
turbine
fluid
power generation
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PCT/KR2019/013922
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English (en)
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송태호
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(주)에너지공작소
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/12—Blades; Blade-carrying rotors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B7/00—Water wheels
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the following description relates to a turbine blade for small hydroelectric power generation and a turbine including the same.
  • the present invention relates to a turbine suitable for small scale hydroelectric power generation.
  • the valley water flows down from the mountainous area with high elevation, losing the free fall that can be developed and flows to the middle and lower streams.
  • low-drop, large-flow hydroelectric power generation using large-scale dams and artificial lakes in the downstream, or high-drop power generation is being performed by utilizing a flow path-changing power generation site that is rarely found in the midstream.
  • An object of an embodiment is to provide a turbine blade for small power generation and a turbine including the same, which has high efficiency and is easy to install and operate.
  • the turbine blade for small-scale power generation includes: an entry blade inclined at an angle toward a fluid entering the upper portion; A guide part connected to the lower end of the entry blade, having a curved shape, and guiding the fluid entering the entry blade in a radial direction or downward; And a lower discharge blade extending rearward from the lower end of the guide part and discharging the fluid to the rear.
  • the turbine blade for small power generation has an inner discharge blade that is connected to an inner end of the entry blade and the guide part, has a curved shape extending rearward, and discharges a fluid guided in a direction toward the rotation axis of the turbine to the rear. It may contain more.
  • the turbine blade for small power generation is connected to the outer end of the turbine of the guide part, has a curved shape extending rearward, and an outer discharge blade for discharging a fluid guided in a direction away from the rotation axis of the turbine to the rear. It may further include.
  • the entry blade may include an entry body receiving power from the fluid; And an entry groove provided at an outer end of the entry body and disposed above the outer discharge blade.
  • the end of the entry groove may have a tip shape that becomes narrower toward the end.
  • the entry blade may be inclined at 60 degrees to 80 degrees with respect to an auxiliary line parallel to the axis of rotation of the turbine.
  • the turbine blade for small power generation may further include a discharge guide blade protruding from the lower discharge blade and having a narrower width as it approaches the guide part.
  • a plurality of discharge guide blades may be provided in the width direction of the lower discharge blade.
  • a turbine includes a body rotatable about a rotation axis; And a plurality of turbine blades for small power generation connected to the body in a circumferential direction, wherein the turbine blades for small power generation include: an entry blade inclined at a predetermined angle with respect to a plane including the rotation shaft; A guide part connected to the lower end of the entry blade, having a curved shape, and guiding the fluid entering the entry blade in a radial direction or downward; And a lower discharge blade extending rearward from the lower end of the guide part and discharging the fluid to the rear.
  • the turbine blade for small power generation further includes an inner discharge blade connected to the inner end of the entry blade and the guide part, having a curved shape extending rearward, and discharging a fluid guided in a direction toward the rotation axis to the rear. can do.
  • the turbine blade for hydrophobic power generation may further include an outer discharge blade connected to an outer end of the guide part, having a curved shape extending rearward, and discharging a fluid guided in a direction away from the rotation shaft to the rear. .
  • a turbine including a turbine blade for small power generation is an open type, has a large effective area of the nozzle, and has a large margin in an installation angle, so that installation and operation are easy.
  • a turbine including a turbine blade for small-scale power generation is a low-free paved hydraulic power suitable for small and ultra-small hydropower, and is distributed in large quantities in the natural world, so that hydropower resources can be efficiently harvested.
  • the turbine including the turbine blades for small power generation has a low internal pressure of the conduit due to the characteristics of the low free fall power generation method, so that the pipeline is simple and inexpensive, and the intake and drainage are also simple, so the power generation cost is also low and very economical. to be.
  • a turbine including a turbine blade for small power generation may be stopped and removed at any time as a flow path maintenance method rather than a flow path change method, thereby minimizing the impact on the ecosystem.
  • FIG. 1 is a perspective view of a turbine according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a front perspective view of a turbine blade for small power generation according to an embodiment.
  • FIG 3 is a front view of a turbine blade for small power generation according to an embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the cut line IV-IV of FIG. 3.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the cut line V-V of FIG. 3.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the cut line VI-VI of FIG. 3.
  • FIG. 7 is a front view of a turbine blade for small power generation according to an embodiment.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a turbine blade for small power generation according to an embodiment.
  • first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are for distinguishing the constituent element from other constituent elements, and the nature, order, or order of the constituent element is not limited by the term.
  • FIG. 1 is a perspective view of a turbine according to an embodiment
  • FIG. 2 is a front perspective view of a turbine blade for small power generation according to an embodiment.
  • the turbine 100 may include a body 90 and a plurality of turbine blades 1 for small power generation.
  • the turbine blade 1 for small power generation will be referred to as a turbine blade 1.
  • the body 90 may rotate around the rotation axis L1 of the turbine 100.
  • the body 90 may support a plurality of turbine blades 1.
  • the body 90 may rotate by impact on the plurality of turbine blades 1.
  • the body 90 may have a circular or polygonal plate shape.
  • the body 90 may be manufactured integrally with the plurality of turbine blades 1.
  • the plurality of turbine blades 1 may rotate in a circumferential direction by fluid injected from a nozzle.
  • a plurality of turbine blades 1 may be fixed to the body 90 and rotate clockwise based on FIG. 1.
  • the moving direction of the turbine blade 1 may be parallel to the ground.
  • the plurality of turbine blades 1 may be disposed on the body 90 in the circumferential direction.
  • a plurality of turbine blades 1 may be disposed at equal intervals.
  • the eight turbine blades 1 may be connected to the body 90 so as to form 45 degrees to each other around the rotation axis L1.
  • the turbine blade 1 may be formed of a metal such as stainless steel or a polymer material such as PCV or PE.
  • a nozzle for ejecting fluid into the turbine 100 may be installed on a circumferential surface of the turbine 100 at an angle that is oblique to the radial direction. Accordingly, the nozzle can deliver a large amount of fluid to the turbine 100 with a margin of a wide installation angle.
  • the upper part of the turbine blade 1 can allow the fluid ejected from the nozzle to enter smoothly without flowing back immediately after the collision.
  • the central portion of the turbine blade 1 may allow the introduced fluid to flow inward or outward along a radial direction, and in the process, a centrifugal force and a Coriolis force may be applied to transmit power to the turbine.
  • the inner and outer sides and lower portions of the turbine blades 1 allow water to be discharged in a direction opposite to the rotational direction of the turbine blades 1, so that more power can be transmitted to the turbine.
  • the turbine blade 1 may include an entry blade 11, a guide portion 12, a lower discharge blade 13, an inner discharge blade 14, an outer discharge blade 15 and a connecting member 18.
  • the entry blade 11 may be a portion where the fluid ejected from the nozzle directly collides.
  • the entry blade 11 may have a shape inclined toward the fluid ejected from the nozzle.
  • the entry blade 11 may be inclined at a predetermined angle with respect to the plane including the rotation axis L1 of the turbine 100. Due to this shape, the fluid impinging on the entry blade 11 does not immediately protrude out, and may flow along the entry blade 11 while transmitting power on the entry blade 11.
  • the fluid ejected from the nozzle can efficiently transmit power to the entry blade 11.
  • the entry feather 11 may include an entry body 111 and an entry groove 112.
  • the entry blade 11 may accept a classification inclined at an angle of about 30 to 60 degrees with the tangent of the turbine circumference.
  • the auxiliary line L2 parallel to the tangential direction of the turbine circumference and the angle ⁇ 1 between the jets may be 30 degrees to 60 degrees. Since the jet can enter the entry blade 11 at an angle of 30 to 60 degrees, the installation position of the nozzle may be relatively unrestricted, and the nozzle can eject a large amount of fluid into the entry blade 11 Do.
  • the entry body 111 may be a portion to which the fluid ejected from the nozzle directly contacts.
  • the entry body 111 may have a shape whose height decreases toward both ends. Through this shape, the entry body 111 efficiently accommodates the fluid ejected from the nozzle, while minimizing the area of the portion where the fluid does not contact or flow, thereby implementing the light weight of the turbine blade 1.
  • the entry groove 112 may be provided at an outer end of the entry body 111.
  • the entry groove 112 may be provided above the outer discharge blade 15 to be described later.
  • the entry groove 112 may assist the fluid ejected from the nozzle to efficiently enter the entry body 111.
  • the fluid ejected from the nozzle may pass through the entry groove 112 and collide with the entry body 111.
  • the guide part 12 is connected to the lower end of the entry blade 11, has a curved shape, and may guide the fluid entering the entry blade 11 in a radial direction or downward.
  • the fluid entering the entry blade 11 may flow to the lower discharge blade 13, the inner discharge blade 14 or the outer discharge blade 15 through the guide portion 12.
  • the guide portion 12 may have a plate shape that is convex toward the traveling direction.
  • the fluid entering the entry blade 11 flows in the same direction as the travel direction of the turbine blade 1, and the travel direction is changed in the guide part 12 to flow in a direction opposite to the travel direction of the turbine blade 1 . While the moving direction of the fluid is changed in the guide part 12, the momentum of the fluid can be efficiently transmitted to the guide part 12.
  • the lower discharge blade 13 may have a curved shape extending rearward from the lower end of the guide part 12.
  • the entry blade 11, the guide portion 12 and the lower discharge blade 13 may form a curved surface.
  • the fluid entering the entry blade 11 may flow along the guide portion 12 and then flow along the lower discharge blade 13 to be discharged to the rear.
  • “rear” means a direction opposite to the rotation direction of the turbine blade 1.
  • the end of the lower discharge blade 13 may be orthogonal to the axis of rotation (L1) of the turbine blade (1). Since the fluid discharged through the lower discharge blade 13 is discharged to the rear, the fluid can effectively transmit power to the turbine blade 1.
  • the inner discharge blade 14 is connected to the inner end of the entry blade 11 and the guide portion 12, and may have a curved shape extending rearward.
  • the "inner end” means an end that is close to the rotational shaft L1 with respect to the radial direction.
  • the entry blade 11 and the inner discharge blade 14 may form a curved surface, and the guide portion 12 and the inner discharge blade 14 may form a curved surface.
  • Some of the fluid entering the entry blade 11 may flow along the inner discharge blade 14 and be discharged to the rear, and another part of the fluid entering the entry blade 11 flows along the guide part 12 After that, it can be discharged to the rear by flowing along the inner discharge blade (14). Since the fluid discharged through the inner discharge blade 14 is discharged to the rear, the fluid can effectively transmit power to the turbine blade 1.
  • the outer discharge blade 15 is connected to the outer end of the guide portion 12 and may have a curved shape extending rearward.
  • the "outer end” means an end far from the rotational shaft L1 based on the radial direction.
  • the entry blade 11, the guide portion 12 and the outer discharge blade 15 may form a curved surface. Some of the fluid entering the entry blade 11 may flow along the guide portion 12 and then flow along the outer discharge blade 15 to be discharged to the rear. Since the fluid discharged through the outer discharge blade 15 is discharged to the rear, the fluid can effectively transmit power to the turbine blade 1.
  • the connecting member 18 may be formed to protrude from the inner end of the turbine blade 1 toward the rotation shaft L1.
  • the connection member 18 may be fixed to the body 90.
  • FIG. 3 is a front view of a turbine blade for small power generation according to an embodiment
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the cut line IV-IV of FIG. 3
  • FIG. 5 is a cutaway view taken along the cut line V-V of FIG. It is a cross-sectional view
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the cut line VI-VI of FIG. 3.
  • a target T against which the fluid ejected from the nozzle collides is shown.
  • the fluid hitting the target T may flow downward along the entry blade 11.
  • the entry blade 11 may be inclined at an angle with respect to the auxiliary line L3 parallel to the rotation axis of the turbine.
  • the entry blade 11 may be inclined at 60 degrees to 80 degrees with respect to the auxiliary line L3.
  • the angle ⁇ 2 formed between the plane including the target T and the auxiliary line L3 may be between 60 degrees and 80 degrees. In this case, the repelling flow of the fluid ejected from the nozzle toward the target T may be reduced or almost eliminated, and the power wasted due to the repelling flow may be minimized.
  • the first flow path F1 may be a curved path connected along the entry blade 11, the guide part 12, and the lower discharge blade 13.
  • the fluid may be discharged in a direction opposite to the rotational direction R of the turbine blade 1.
  • the fluid may be discharged from the turbine blade 1 after transmitting the power to the maximum on the turbine blade 1.
  • the second flow path F2 is a curved path (see Fig. 5) connected along the entry blade 11 and the inner discharge blade 14, or the guide portion 12 and the inner discharge blade 14. It may be a curved path (see FIG. 6).
  • the fluid has a property of going straight due to inertia, but since the turbine blade 1 has a shape extending in the radial direction, the fluid flows inward along the turbine blade 1, that is, along the second flow path F2. In view, the rotational speed of the turbine blade 1 relative to the radial speed of the fluid may be relatively reduced. In this case, the fluid may resist this and exert a force pushing the turbine blade 1 in the rotational direction.
  • the fluid flowing along the second flow path F2 may be discharged in a direction opposite to the rotational direction R of the turbine blade 1. The fluid may be discharged from the turbine blade 1 after transmitting the power to the maximum on the turbine blade 1.
  • the third flow path F3 may be a curved path connected along the entry blade 11, the guide portion 12 and the outer discharge blade 15.
  • the third flow path F3 may have a shape in which a gradient is formed in a direction opposite to the rotation direction of the turbine blade 1 toward the outside. Due to this shape, a centrifugal force may act on the fluid flowing along the third flow path F3, and the fluid may transmit a force in the direction of rotating the turbine blade 1.
  • the fluid may be discharged in a direction opposite to the rotational direction R of the turbine blade 1.
  • the fluid may be discharged from the turbine blade 1 after transmitting the power to the maximum on the turbine blade 1.
  • the end of the entry groove 112 may have a tip shape.
  • the edge portion of the entry groove 112 may have a pointed shape that becomes narrower toward the end. Due to this shape, when the fluid ejected from the nozzle hits the end of the entry groove 112, the fluid is bent so severely that it cannot hit the next wing, and thus the loss of splashing out of the turbine can be minimized.
  • the turbine blade in which the fluid ejected from the nozzle first collides is referred to as the first turbine blade, and the turbine blade disposed in front of the first turbine blade based on the rotation direction of the turbine blade
  • the second turbine blade some of the fluid ejected from the nozzle flows along the first turbine blade and transmits power to the first turbine blade, and the remainder is separated by the entry groove 112 to form the second turbine blade.
  • the shape of the tip of the entry groove 112 may minimize the power lost in the process of changing the turbine blades colliding with the fluid.
  • FIG. 7 is a front view of a turbine blade for small power generation according to an embodiment
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a turbine blade for small power generation according to an embodiment.
  • the turbine blade 2 includes an entry blade 11, a guide part 12, a lower discharge blade 13, an inner discharge blade 14, an outer discharge blade 15, and a connecting member. (18) and a discharge guide blade (16).
  • the discharge guide blade 16 may be formed to protrude from the lower discharge blade 13.
  • the discharge guide blade 16 may receive power once more while guiding the fluid flowing from the guide portion 12 toward the lower discharge blade 13.
  • the discharge guide blade 16 may have a shape whose width becomes narrower as it approaches the guide part 12. While the fluid flows along the left or right side of the discharge guide blade 16, a force may be applied to rotate the turbine blade 2 in the rotational direction.
  • a plurality of discharge guide blades 16 may be provided in the width direction of the lower discharge blade 13.

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Abstract

일 실시 예에 따른 소수력 발전용 터빈 날개는, 터빈의 회전축을 포함하는 평면에 대해 일정 각도로 기울어진 진입 깃; 상기 진입 깃의 하단에 연결되고, 만곡된 형상을 갖고, 상기 진입 깃으로 진입한 유체를 반경 방향 또는 하방으로 안내하는 가이드부; 및 상기 가이드부의 하단으로부터 후방으로 연장 형성되고, 유체를 후방으로 배출시키는 하부 배출 깃을 포함할 수 있다.

Description

소수력 발전용 터빈 날개 및 이를 포함하는 터빈
아래의 설명은 소수력 발전용 터빈 날개 및 이를 포함하는 터빈에 관한 것이다.
화석 연료 고갈에 따른 에너지 부족과 이산화탄소 배출에 의한 지구 온난화 현상은, 현재 대두되고 있는 인류의 큰 문제이다. 태양열, 풍력 또는 조력과 같은 대체 에너지 개발이 활발히 이루어지고 있으나, 전체 에너지 소비량에 대한 대체 에너지의 충당 비율은 매우 미미한 수준이다. 또한, 대체 에너지의 생산 단가는 기존 방식에 비해 지나치게 높다는 문제가 있다.
본 발명은 작은 규모의 수력 발전에 적합한 터빈에 관한 것이다. 비교적 강수량이 풍부한 대륙의 동쪽 지역, 특히 동남아시아와 같은 지역은 해발 고도가 높은 산간 지역에서 계곡수가 흘러내리면서 발전 가능한 낙차를 잃어버리고 중하류로 유동한다. 이 때문에, 하류에서 대규모 댐과 인공호를 이용한 저낙차 대유량 수력 발전을 하거나, 중류 정도에서 드물게 발견되는 유로 변경식 발전적지를 활용하여 고낙차 발전을 하고 있는 상황이다. 이에 반하여, 근래에 중국, 미국 및 히말라야 등 일부 지역에서, 100m 이하의 낙차와, 초당 수십 리터 이하의 유량을 가진 수력 자원을 이용한 소수력 또는 초소수력 발전을 하고 있다. 이러한 소수력 또는 초소수력 발전은 발전 단가가 화력 발전보다도 낮으며, 넓은 지역에 걸쳐서 에너지 수확을 할 경우 총 발전량이 기존의 수력 발전량보다 훨씬 더 커지는 장점이 있다.
소수력 발전은 대부분 중대형 수력 터빈을 소형으로 개조한 펠톤 수차나 터고 수차를 이용하고 있다. 펠톤 수차 및 터고 수차는, 중대형 발전 시설에서 경험상 80 내지 90%의 효율을 갖는다는 이유로 소수력 발전 시설에 채용된 것인데, 정작 펠톤 수차 및 터고 수차를 이용한 소수력 발전은 다음과 같은 이유로 실망스러운 효율을 갖는다. 노즐에서의 분류(奔流) 속도는 낙차의 1/2승에 비례하므로, 동일한 유량에서 낙차가 작아질수록 노즐의 직경이 커져야 한다. 이것은 낙차가 작을수록 터빈 날개에 분류가 부딪쳐야 할 면적이 커짐을 의미하고, 결국 낙차가 작을수록 터빈 날개는 되레 더 커져야 한다는 것을 의미한다. 이것은 실제에 있어서는 실현하기 어려우므로, 소수력 발전의 터빈 효율은 60% 정도까지 낮아진다. 이에 따라 소수력 발전용 터빈을 개발해야 필요성이 대두되고 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시 예의 목적은, 효율이 높고, 설치 및 운용이 용이한 소수력 발전용 터빈 날개 및 이를 포함하는 터빈을 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 소수력 발전용 터빈 날개는, 상부가 진입하는 유체를 향해 일정 각도로 기울어진 진입 깃; 상기 진입 깃의 하단에 연결되고, 만곡된 형상을 갖고, 상기 진입 깃으로 진입한 유체를 반경 방향 또는 하방으로 안내하는 가이드부; 및 상기 가이드부의 하단으로부터 후방으로 연장 형성되고, 유체를 후방으로 배출시키는 하부 배출 깃을 포함할 수 있다.
상기 소수력 발전용 터빈 날개는, 상기 진입 깃 및 가이드부의 내측 단부에 연결되고, 후방으로 연장되는 만곡된 형상을 갖고, 상기 터빈의 회전축을 향하는 방향으로 안내되는 유체를 후방으로 배출시키는 내측 배출 깃을 더 포함할 수 있다.
상기 소수력 발전용 터빈 날개는, 상기 가이드부 중 상기 터빈의 외측 단부에 연결되고, 후방으로 연장되는 만곡된 형상을 갖고, 상기 터빈의 회전축으로부터 멀어지는 방향으로 안내되는 유체를 후방으로 배출시키는 외측 배출 깃을 더 포함할 수 있다.
상기 진입 깃은, 상기 유체로부터 동력을 전달 받는 진입 바디; 및 상기 진입 바디의 외측 단부에 구비되고, 상기 외측 배출 깃의 위쪽에 구비되는 진입 홈을 포함할 수 있다.
상기 진입 홈의 끝단은 단부로 갈수록 좁아지는 첨단 형상일 수 있다.
상기 진입 깃은, 터빈의 회전축과 평행한 보조선에 대해 60도 내지 80도로 기울어질 수 있다.
상기 소수력 발전용 터빈 날개는, 상기 하부 배출 깃으로부터 돌출 형성되고, 상기 가이드부에 근접할수록 폭이 좁아지는 배출 안내 깃을 더 포함할 수 있다.
상기 배출 안내 깃은, 상기 하부 배출 깃의 너비 방향으로 복수 개가 구비될 수 있다.
일 실시 예에 따른 터빈은, 회전축을 중심으로 회전 가능한 바디; 및 상기 바디에 원주 방향으로 연결되는 복수 개의 소수력 발전용 터빈 날개를 포함하고, 상기 소수력 발전용 터빈 날개는, 상기 회전축을 포함하는 평면에 대해 일정 각도로 기울어진 진입 깃; 상기 진입 깃의 하단에 연결되고, 만곡된 형상을 갖고, 상기 진입 깃으로 진입한 유체를 반경 방향 또는 하방으로 안내하는 가이드부; 및 상기 가이드부의 하단으로부터 후방으로 연장 형성되고, 유체를 후방으로 배출시키는 하부 배출 깃을 포함할 수 있다.
상기 소수력 발전용 터빈 날개는, 상기 진입 깃 및 가이드부의 내측 단부에 연결되고, 후방으로 연장되는 만곡된 형상을 갖고, 상기 회전축을 향하는 방향으로 안내되는 유체를 후방으로 배출시키는 내측 배출 깃을 더 포함할 수 있다.
상기 소수력 발전용 터빈 날개는, 상기 가이드부의 외측 단부에 연결되고, 후방으로 연장되는 만곡된 형상을 갖고, 상기 회전축으로부터 멀어지는 방향으로 안내되는 유체를 후방으로 배출시키는 외측 배출 깃을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 소수력 발전용 터빈 날개를 포함하는 터빈은, 개방형으로 노즐의 유효 면적이 크며 설치각에 여유가 많아서, 설치 및 운용이 용이하다.
또한, 일 실시 예에 따른 소수력 발전용 터빈 날개를 포함하는 터빈은, 소수력 및 초소수력에 적합한 저낙차 포장 수력으로서 자연계에 대량으로 산포되어 수력 자원을 효율적으로 수확할 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따른 소수력 발전용 터빈 날개를 포함하는 터빈은, 저낙차 발전 방식의 특성상 도관의 내압이 낮아 파이프 라인이 간결하고 저렴하며, 취배수 또한 단순하므로, 그 발전 단가도 낮아 매우 경제적이다.
또한, 일 실시 예에 따른 소수력 발전용 터빈 날개를 포함하는 터빈은, 유로 변경 방식이 아닌, 유로 유지 방식으로서 언제든 정지 및 철거가 가능하여, 생태계에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 터빈의 사시도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 소수력 발전용 터빈 날개의 전방 사시도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 소수력 발전용 터빈 날개의 정면도이다.
도 4는 도 3의 절개선 Ⅳ-Ⅳ를 따라 절개한 단면도이다.
도 5는 도 3의 절개선 Ⅴ-Ⅴ를 따라 절개한 단면도이다.
도 6은 도 3의 절개선 Ⅵ-Ⅵ를 따라 절개한 단면도이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 소수력 발전용 터빈 날개의 정면도이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 소수력 발전용 터빈 날개의 단면도이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 터빈의 사시도이고, 도 2는 일 실시 예에 따른 소수력 발전용 터빈 날개의 전방 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 터빈(100)은 바디(90) 및 복수 개의 소수력 발전용 터빈 날개(1)를 포함할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해, 소수력 발전용 터빈 날개(1)를 터빈 날개(1)로 지칭하기로 한다.
바디(90)는 터빈(100)의 회전축(L1)을 중심으로 회전할 수 있다. 바디(90)는 복수 개의 터빈 날개(1)를 지지할 수 있다. 바디(90)는 복수 개의 터빈 날개(1)에 충격으로 회전할 수 있다. 예를 들어, 바디(90)는 원형 또는 다각형의 플레이트 형상일 수 있다. 예를 들어, 바디(90)는 복수의 터빈 날개(1)와 일체형으로 제작될 수 있다.
복수 개의 터빈 날개(1)는 노즐로부터 분사되는 유체에 의해 원주 방향으로 회전할 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 터빈 날개(1)는 바디(90)에 고정되어, 도 1을 기준으로 시계 방향으로 회전할 수 있다. 예를 들어, 회전축(L1)이 지면에 직교할 때, 터빈 날개(1)의 이동 방향은 지면에 평행할 수 있다. 복수 개의 터빈 날개(1)는 바디(90)에 원주 방향으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 터빈 날개(1)는 등 간격으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 8개의 터빈 날개(1)는 회전축(L1)을 중심으로 서로 45도를 이루도록 바디(90)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 터빈 날개(1)는 스테인레스와 같은 금속 또는 PCV, PE 등의 고분자 재료로 형성될 수 있다.
터빈(100)으로 유체를 분출하는 노즐은 터빈(100)의 원주면 상에서 반경 방향과 비스듬한 각도로 설치될 수 있다. 따라서, 노즐은 넓은 설치 각도의 여유를 갖고 많은 유량의 유체를 터빈(100)으로 전달할 수 있다.
터빈 날개(1)의 상부는, 노즐에서 분출된 유체가 충돌 직후 역류하지 않고 부드럽게 진입하게 할 수 있다. 터빈 날개(1)의 중앙부는, 도입된 유체가 반경 방향을 따라 내측 또는 외측으로 유동하게 하여 그 과정에서 원심력 및 코리올리 힘을 작용시켜 터빈에 동력을 전달하게 할 수 있다. 터빈 날개(1)의 내측 및 외측 측부와, 하부는 물이 터빈 날개(1)의 회전 방향과 반대 방향으로 배출되게 하여, 터빈에 보다 많은 동력을 전달하게 할 수 있다. 터빈 날개(1)는 진입 깃(11), 가이드부(12), 하부 배출 깃(13), 내측 배출 깃(14), 외측 배출 깃(15) 및 연결 부재(18)를 포함할 수 있다.
진입 깃(11)은 노즐에서 분출된 유체가 직접 충돌하는 부분일 수 있다. 진입 깃(11)은 노즐에서 분출된 유체를 향해 기울어진 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 진입 깃(11)은 터빈(100)의 회전축(L1)을 포함하는 평면에 대해 일정 각도로 기울어질 수 있다. 이와 같은 형상으로 인해, 진입 깃(11)에 충돌한 유체는 곧바로 밖으로 튀어나가지 않으며, 진입 깃(11) 상에 동력을 전달하면서 진입 깃(11)을 따라 유동할 수 있다. 노즐에서 분출된 유체는 효율적으로 진입 깃(11)에 동력을 전달할 수 있다. 진입 깃(11)은 진입 바디(111) 및 진입 홈(112)을 포함할 수 있다.
진입 깃(11)은 터빈 원주의 접선과 30도 내지 60도 가량의 각도로 기울어진 분류를 받아들일 수 있다. 예를 들어, 터빈 원주의 접선 방향과 평행한 보조선(L2) 및 분류 사이의 각도(θ1)는 30도 내지 60도일 수 있다. 분류가 진입 깃(11)으로 30도 내지 60도 각도로 진입할 수 있으므로, 노즐의 설치 위치는 상대적으로 제약이 없을 수 있을 뿐만 아니라, 노즐은 많은 양의 유체를 진입 깃(11)으로 분출 가능하다.
진입 바디(111)는 노즐에서 분출된 유체가 직접 닿는 부분일 수 있다. 진입 바디(111)는 양 단부로 갈수록 높이가 낮아지는 형상을 가질 수 있다. 이와 같은 형상을 통해, 진입 바디(111)는 노즐로부터 분출되는 유체를 효율적으로 수용하면서도, 유체가 닿지 않거나 유동하지 않는 부분의 면적을 최소화함으로써, 터빈 날개(1)의 경량화를 구현할 수 있다.
진입 홈(112)은 진입 바디(111)의 외측 단부에 구비될 수 있다. 진입 홈(112)은 후술하는 외측 배출 깃(15)의 위쪽에 구비될 수 있다. 진입 홈(112)은 노즐로부터 분출되는 유체가 진입 바디(111)에 효율적으로 진입할 수 있도록 보조할 수 있다. 노즐로부터 분출되는 유체는 진입 홈(112)을 통과하여 진입 바디(111)에 충돌할 수 있다.
가이드부(12)는 진입 깃(11)의 하단에 연결되고, 만곡된 형상을 갖고, 진입 깃(11)으로 진입한 유체를 반경 방향 또는 하방으로 안내할 수 있다. 진입 깃(11)으로 진입한 유체는, 가이드부(12)를 통해, 하부 배출 깃(13), 내측 배출 깃(14) 또는 외측 배출 깃(15)으로 유동할 수 있다. 터빈 날개(1)의 진행 방향을 기준으로, 가이드부(12)는 진행 방향을 향해 볼록한 플레이트 형상일 수 있다. 진입 깃(11)에 진입한 유체는 터빈 날개(1)의 진행 방향과 같은 방향으로 유동하고, 가이드부(12)에서 진행 방향이 변경되어 터빈 날개(1)의 진행 방향과 반대 방향으로 유동한다. 유체의 진행 방향이 가이드부(12)에서 변경되는 동안, 유체의 운동량은 가이드부(12)에 효율적으로 전달될 수 있다.
하부 배출 깃(13)은 가이드부(12)의 하단으로부터 후방으로 연장되는 만곡된 형상을 가질 수 있다. 진입 깃(11), 가이드부(12) 및 하부 배출 깃(13)은 곡면을 이룰 수 있다. 진입 깃(11)으로 진입한 유체는 가이드부(12)를 따라 유동하고, 뒤 이어 하부 배출 깃(13)을 따라 유동하여 후방으로 배출될 수 있다. 여기서, "후방"이란 터빈 날개(1)의 회전 방향과 반대되는 방향을 의미한다. 예를 들어, 하부 배출 깃(13)의 단부는 터빈 날개(1)의 회전축(L1)과 직교할 수 있다. 하부 배출 깃(13)을 통해 배출되는 유체가 후방으로 배출되므로, 유체는 터빈 날개(1)에 효과적으로 동력을 전달할 수 있다.
내측 배출 깃(14)은 진입 깃(11) 및 가이드부(12)의 내측 단부에 연결되고, 후방으로 연장되는 만곡된 형상을 가질 수 있다. 여기서, "내측 단부"란 반경 방향을 기준으로 회전축(L1)에 근접한 단부를 의미한다. 진입 깃(11) 및 내측 배출 깃(14)은 곡면을 이룰 수 있고, 가이드부(12) 및 내측 배출 깃(14)은 곡면을 이룰 수 있다. 진입 깃(11)으로 진입한 유체 중 일부는 내측 배출 깃(14)을 따라 유동하여 후방으로 배출될 수 있고, 진입 깃(11)으로 진입한 유체 중 다른 일부는 가이드부(12)를 따라 유동한 뒤, 내측 배출 깃(14)을 따라 유동하여 후방으로 배출될 수 있다. 내측 배출 깃(14)을 통해 배출되는 유체가 후방으로 배출되므로, 유체는 터빈 날개(1)에 효과적으로 동력을 전달할 수 있다.
외측 배출 깃(15)은 가이드부(12)의 외측 단부에 연결되고, 후방으로 연장되는 만곡된 형상을 가질 수 있다. 여기서, "외측 단부"란 반경 방향을 기준으로 회전축(L1)으로부터 멀리 떨어진 단부를 의미한다. 진입 깃(11), 가이드부(12) 및 외측 배출 깃(15)은 곡면을 이룰 수 있다. 진입 깃(11)으로 진입한 유체 중 일부는 가이드부(12)를 따라 유동한 뒤, 외측 배출 깃(15)을 따라 유동하여 후방으로 배출될 수 있다. 외측 배출 깃(15)을 통해 배출되는 유체가 후방으로 배출되므로, 유체는 터빈 날개(1)에 효과적으로 동력을 전달할 수 있다.
연결 부재(18)는 터빈 날개(1)의 내측 단부로부터 회전축(L1)을 향해 돌출 형성될 수 있다. 연결 부재(18)는 바디(90)에 고정될 수 있다.
도 3은 일 실시 예에 따른 소수력 발전용 터빈 날개의 정면도이고, 도 4는 도 3의 절개선 Ⅳ-Ⅳ를 따라 절개한 단면도이고, 도 5는 도 3의 절개선 Ⅴ-Ⅴ를 따라 절개한 단면도이고, 도 6은 도 3의 절개선 Ⅵ-Ⅵ를 따라 절개한 단면도이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 노즐로부터 분출된 유체가 부딪히는 타겟(T)이 도시된다. 타겟(T)에 부딪힌 유체는 진입 깃(11)을 따라 하방으로 유동할 수 있다. 진입 깃(11)은, 터빈의 회전축과 평행한 보조선(L3)에 대해 일정 각도로 기울어질 수 있다. 예를 들어, 진입 깃(11)은 보조선(L3)에 대해 60도 내지 80도로 기울어질 수 있다. 예를 들어, 타겟(T)을 포함하는 평면과 보조선(L3)이 이루는 각도(θ2)는 60도 내지 80도 일 수 있다. 이 경우, 진입 깃(11)은 노즐로부터 타겟(T)을 향해 분출되는 유체의 반발류는 감소하거나 거의 없어질 수 있고, 반발류로 인해 낭비되는 동력을 최소화할 수 있다.
타겟(T)을 향해 진입한 유체 중 일부는, 제 1 유동 경로(F1)를 따라 유동하여 외부로 배출될 수 있다. 제 1 유동 경로(F1)는 진입 깃(11), 가이드부(12) 및 하부 배출 깃(13)을 따라 연결되는 곡면의 경로일 수 있다. 유체는 터빈 날개(1)의 회전 방향(R)과 반대 방향으로 배출될 수 있다. 유체는 터빈 날개(1) 상에 동력을 최대한으로 전달한 뒤, 터빈 날개(1)로부터 배출될 수 있다.
타겟(T)을 향해 진입한 유체 중 다른 일부는, 제 2 유동 경로(F2)를 따라 유동하여 외부로 배출될 수 있다. 제 2 유동 경로(F2)는 진입 깃(11) 및 내측 배출 깃(14)을 따라 연결되는 곡면의 경로(도 5 참조), 또는 가이드부(12) 및 내측 배출 깃(14)을 따라 연결되는 곡면의 경로(도 6 참조)일 수 있다. 유체는 관성으로 인해 직진하려는 성질이 있는데, 터빈 날개(1)는 반경 방향으로 연장되는 형상이므로, 유체가 터빈 날개(1)를 따라 내측으로, 즉, 제 2 유동 경로(F2)를 따라 유동하다 보면, 유체의 반경 방향 속도에 대한 터빈 날개(1)의 회전 속도가 상대적으로 감소할 수 있다. 이 때, 유체는 이에 저항하여 터빈 날개(1)를 회전 방향으로 밀치는 힘을 작용할 수 있다. 제 2 유동 경로(F2)를 따라 유동하는 유체는, 터빈 날개(1)의 회전 방향(R)과 반대 방향으로 배출될 수 있다. 유체는 터빈 날개(1) 상에 동력을 최대한으로 전달한 뒤, 터빈 날개(1)로부터 배출될 수 있다.
타겟(T)을 향해 진입한 유체 중 또 다른 일부는, 제 3 유동 경로(F3)를 따라 유동하여 외부로 배출될 수 있다. 제 3 유동 경로(F3)는 진입 깃(11), 가이드부(12) 및 외측 배출 깃(15)을 따라 연결되는 곡면의 경로일 수 있다. 제 3 유동 경로(F3)는 외측으로 갈수록 터빈 날개(1)의 회전 방향과 반대 방향으로 구배가 형성된 형상을 가질 수 있다. 이러한 형상으로 인해, 제 3 유동 경로(F3)를 따라 유동하는 유체에는 원심력이 작용할 수 있고, 유체는 터빈 날개(1)를 회전 시키는 방향으로 힘을 전달할 수 있다. 유체는 터빈 날개(1)의 회전 방향(R)과 반대 방향으로 배출될 수 있다. 유체는 터빈 날개(1) 상에 동력을 최대한으로 전달한 뒤, 터빈 날개(1)로부터 배출될 수 있다.
진입 홈(112)의 끝단은 첨단 형상일 수 있다. 다시 말하면, 진입 홈(112)의 테두리부는 단부로 갈수록 좁아지는 뾰족한 형상을 가질 수 있다. 이러한 형상으로 인해, 노즐에서 분출된 유체가 진입 홈(112)의 끝단에 부딪힐 때, 유체가 다음 날개에 부딪히지 못할 만큼 심하게 꺾여서 터빈 밖으로 튀어나가는 손실을 최소화할 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 터빈 날개(1) 중 노즐에서 분출된 유체가 처음으로 부딪히는 터빈 날개를 제 1 터빈 날개라고 하고, 터빈 날개의 회전 방향을 기준으로 제 1 터빈 날개의 전방에 배치된 터빈 날개를 제 2 터빈 날개라고 할 때, 노즐에서 분출된 유체 중 일부는 제 1 터빈 날개를 따라 유동하며 제 1 터빈 날개에 동력을 전달하고, 나머지는 진입 홈(112)에 의해 분리되어 제 2 터빈 날개에 부딪힐 수 있다. 진입 홈(112)의 첨단 형상은, 유체에 충돌하는 터빈 날개가 변경되는 과정에서 손실되는 동력을 최소화할 수 있다.
도 7은 일 실시 예에 따른 소수력 발전용 터빈 날개의 정면도이고, 도 8은 일 실시 예에 따른 소수력 발전용 터빈 날개의 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 터빈 날개(2)는 진입 깃(11), 가이드부(12), 하부 배출 깃(13), 내측 배출 깃(14), 외측 배출 깃(15), 연결 부재(18) 및 배출 안내 깃(16)을 포함할 수 있다.
배출 안내 깃(16)은 하부 배출 깃(13)으로부터 돌출 형성될 수 있다. 배출 안내 깃(16)은 가이드부(12)로부터 하부 배출 깃(13)을 향해 유동하는 유체를 안내하면서 한번 더 동력을 전달받을 수 있다. 예를 들어, 배출 안내 깃(16)은 가이드부(12)에 근접할수록 폭이 좁아지는 형상을 가질 수 있다. 유체는 배출 안내 깃(16)의 좌측면 또는 우측면을 따라 유동하면서, 터빈 날개(2)를 회전 방향으로 회전 시키는 힘을 가할 수 있다. 배출 안내 깃(16)은 하부 배출 깃(13)의 너비 방향으로 복수 개가 구비될 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (4)

  1. 상부가 진입하는 유체를 향해 일정 각도로 기울어지고 상기 유체로부터 동력을 전달 받는 진입 바디와, 상기 진입 바디의 외측 단부에 함몰 형성되는 진입 홈을 포함하는 진입 깃;
    상기 진입 깃의 하단에 연결되고, 만곡된 형상을 갖고, 상기 진입 깃으로 진입한 유체를 반경 방향 또는 하방으로 안내하는 가이드부; 및
    상기 가이드부의 하단으로부터 후방으로 연장 형성되고, 유체를 후방으로 배출시키는 하부 배출 깃;
    상기 진입 깃 및 가이드부의 내측 단부에 연결되고, 후방으로 연장되는 만곡된 형상을 갖고, 터빈의 회전축을 향하는 방향으로 안내되는 유체를 후방으로 배출시키는 내측 배출 깃; 및
    상기 가이드부 중 상기 터빈의 외측 단부에 연결되고, 후방으로 연장되는 만곡된 형상을 갖고, 상기 터빈의 회전축으로부터 멀어지는 방향으로 안내되는 유체를 후방으로 배출시키는 외측 배출 깃을 포함하고,
    상기 진입 홈은 상기 외측 배출 깃의 위쪽에 구비되고,
    상기 진입 홈의 테두리부는 단부로 갈수록 좁아지는 뾰족한 형상을 갖고,
    상기 진입 깃은, 터빈의 회전축과 평행한 보조선에 대해 60도 내지 80도로 기울어진 소수력 발전용 터빈 날개.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 배출 깃으로부터 돌출 형성되고, 상기 가이드부에 근접할수록 폭이 좁아지는 배출 안내 깃을 더 포함하는 소수력 발전용 터빈 날개.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 배출 안내 깃은, 상기 하부 배출 깃의 너비 방향으로 복수 개가 구비되는 소수력 발전용 터빈 날개.
  4. 회전축을 중심으로 회전 가능한 바디; 및
    상기 바디에 원주 방향으로 연결되는 복수 개의 소수력 발전용 터빈 날개를 포함하고,
    상기 소수력 발전용 터빈 날개는,
    상기 회전축을 포함하는 평면에 대해 일정 각도로 기울어지고 유체로부터 동력을 전달 받는 진입 바디와, 상기 진입 바디의 외측 단부에 함몰 형성되는 진입 홈을 포함하는 진입 깃;
    상기 진입 깃의 하단에 연결되고, 만곡된 형상을 갖고, 상기 진입 깃으로 진입한 유체를 반경 방향 또는 하방으로 안내하는 가이드부;
    상기 가이드부의 하단으로부터 후방으로 연장 형성되고, 유체를 후방으로 배출시키는 하부 배출 깃;
    상기 진입 깃 및 가이드부의 내측 단부에 연결되고, 후방으로 연장되는 만곡된 형상을 갖고, 터빈의 회전축을 향하는 방향으로 안내되는 유체를 후방으로 배출시키는 내측 배출 깃; 및
    상기 가이드부 중 상기 터빈의 외측 단부에 연결되고, 후방으로 연장되는 만곡된 형상을 갖고, 상기 터빈의 회전축으로부터 멀어지는 방향으로 안내되는 유체를 후방으로 배출시키는 외측 배출 깃을 포함하고,
    상기 진입 홈은 상기 외측 배출 깃의 위쪽에 구비되고,
    상기 진입 홈의 테두리부는 단부로 갈수록 좁아지는 뾰족한 형상을 갖고,
    상기 진입 깃은, 터빈의 회전축과 평행한 보조선에 대해 60도 내지 80도로 기울어진 터빈.
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