KR20060014267A - 이중 블레이드 헬리컬 터빈 - Google Patents

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박진순
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Abstract

바람, 유수 등과 같은 유체의 일방향 또는 다방향 흐름에 대하여도 일방향으로 연속적으로 회전할 수 있는 이중 블레이드의 터빈이 개시된다. 이러한 터빈은 종래의 헬리컬 터빈의 내부에 대체로 동일하거나 유사한 구조의 헬리컬 터빈이 소정 각도로 부가되는 구조를 갖는다. 이러한 구조를 갖는 이중 블레이드 헬리컬 터빈은 바람, 유수 등과 같은 유체의 일방향 흐름 뿐만 아니라 다방향 흐름에 대하여도 일방향으로 회전하는 동시에 종래의 헬리컬 터빈 보다 훨씬 더 높은 출력을 제공한다.
헬리컬 터빈, 이중 블레이드 헬리컬 터빈, 이중 블레이드

Description

이중 블레이드 헬리컬 터빈 {A helical turbine with double blades}
도 1은 종래의 헬리컬 터빈의 사시도;
도 2는 본 발명에 따른 헬리컬 터빈의 사시도;
도 3은 본 발명에 따른 헬리컬 터빈의 평면도;
도 4는 본 발명에 따른 헬리컬 터빈의 성능을 평가하기 위한 실험 공정의 개략도;
도 5는 종래의 헬리컬 터빈(모형 I)의 성능을 나타내는 그래프;
도 6은 본 발명에 따른 헬리컬 터빈의 성능, 특히 내외부의 블레이드 각(α)이 60°일 때의 성능을 나타내는 그래프; 및
도 7은 본 발명에 따른 헬리컬 터빈의 성능, 특히 내외부의 블레이드 각(α)이 90°일 때의 성능을 나타내는 그래프이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : (회전 가능한) 샤프트 20 : (가상의) 제 1 평면
30 : (가상의) 제 2 평면 50 : 제 1 터빈 블레이드 지지 부재
60 : 제 2 터빈 블레이드 지지 부재 70 : 제 1 터빈 블레이드
80 : 제 2 터빈 블레이드
α: 샤프트를 중심으로 하여 제 1 터빈 블레이드의 전면과 제 2 터빈 블레이 드의 전면이 이루는 각
본 발명은 터빈에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 바람, 유수 등과 같은 유체의 일방향 또는 다방향 흐름에 대하여도 일방향으로 연속적으로 회전할 수 있는 터빈에 관한 것이다.
일반적으로, 터빈은 물, 가스, 증기 등의 유체가 가지는 에너지를 유용한 기계적 일로 변환시키는 기계 또는 장치를 의미한다. 특히, 본 발명의 기술 분야와 관련된 터빈은 바람, 유수 등과 같은 유체의 흐름 에너지를 전기 에너지로 전환시키기 위한 장치와 관련된다.
이와 관계된 터빈은 현재 풍력 발전 뿐만 아니라 조수 간만의 차를 이용한 조력 발전, 조류를 이용한 조류 발전 등에 이용되고 있다.
그 동안, 터빈은 소정의 유체 유량 및 속도에 대하여 최대한의 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 방향으로 연구되어 왔으며, 현재에도 이러한 방향으로 연구되고 있다.
최근에, 미국의 노쓰이스턴(Northeastern) 대학의 고를로프(Gorlov) 교수에 의해 유체의 일방향 흐름 뿐만 아니라 다중방향 흐름에 대해서도 일방향 회전을 제공할 수 있는 조류 발전용 헬리컬 터빈이 개발되었다(도 1 참조). 이러한 헬리컬 터빈은 도 1에 도시된 바와 같이 상부와 하부에 터빈 블레이드 지지 부재(50)가 제 공되고, 상부에 위치한 터빈 블레이드 지지 부재(50)의 말단 단부와 하부에 위치한 터빈 블레이드 지지 부재(50)의 말단 단부간에 유선형 단면의 터빈 블레이드(70)가 헬리컬 형상으로 연장된다. 이러한 구조의 헬리컬 터빈은 유체가 도면상 좌우측면 중 어느 한쪽으로부터 유동하여도 일방향으로 회전할 수 있다. 특히, 본 발명자들에 의해 수행된 실험에 따르면, 이러한 구조의 헬리컬 터빈은 기존의 조류 발전용 터빈에 비하여 효율이 약 50% 정도 높았다.
본 발명자들은 오랜 기간 동안 상기한 고를로프에 의해 개발된 헬리컬 터빈의 가동 효율을 높일 수 있는 방안을 찾던 중에 그 내부에 기존의 터빈 블레이드와 유사하거나 동일한 구조의 터빈 블레이드를 구비하게 되면 헬리컬 터빈의 가동 효율이 한층 더 증가됨을 발견하였다. 또한, 본 발명자들은 헬리컬 터빈의 내측에 부가되는 블레이와 외측에 구비되어 있는 터빈 블레이를 소정의 각도로 유지시키게 되면 헬리컬 터빈의 효율이 더욱 더 증가됨을 발견하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 바람, 유수 등과 같은 유체의 일방향 흐름 뿐만 아니라 다방향 흐름에 대하여도 일방향으로 빠르게 회전할 수 있는 종래 헬리컬 터빈의 회전 효율을 개선시키는 데에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은,
회전 가능한 샤프트(10);
상기 샤프트(10)의 길이 방향으로 복층 구조를 가지며, 상기 샤프트(10)와 함께 회전할 수 있도록 상기 샤프트(10)에 방사상 배향으로 견고하게 고정되는 다수의 제 1 터빈 블레이드 지지 부재(50);
상기 샤프트(10)의 길이 방향으로 복층 구조를 가지며, 상기 샤프트(10)와 함께 회전할 수 있도록 상기 샤프트(10)에 방사상 배향으로 견고하게 고정되되, 상기 제 1 터빈 블레이드 지지 부재(50)의 샤프트(10) 중심 회전에 의해 작도되는 원의 회전반경 보다 작은 반경을 갖는 다수의 제 2 터빈 블레이드 지지 부재(60);
층을 달리하는 상기 제 1 터빈 블레이드 지지 부재(50)의 말단 단부끼리 연장되는 제 1 터빈 블레이드(70); 및
층을 달리하는 상기 제 2 터빈 블레이드 지지 부재(50)의 말단 단부끼리 연장되는 제 2 터빈 블레이드(80)를 포함하며,
상기 제 1 터빈 블레이드(70) 및 제 2 터빈 블레이드(80)의 형상이 헬리컬 형상인 이중 블레이드 헬리컬 터빈을 제공한다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 상기 샤프트를 중심으로 하여 상기 제 1 터빈 블레이드의 전면과 상기 제 2 터빈 블레이드의 전면이 이루는 각(α)이 80° 내지 100°, 보다 바람직하게는 85° 내지 95°, 특히 약 90°인 이중 블레이드 헬리컬 터빈이 제공된다.
본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 상기 제 1 터빈 블레이드와 제 2 터빈 블레이드의 평면 형상이 유선형인 흐름 발전기용 헬리컬 터빈이 제공된다.
이하, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 더욱 더 상세하게 기술될 것이다. 이들 도면을 참조할 때, 본 발명에 따른 이중 블레이드 헬리컬 터빈의 전체적인 구 조는 도 1에 도시된 종래의 헬리컬 터빈과 기본적으로 유사하되, 특정의 블레이드들이 회전하여 작도되는 원의 반경이 다르다는 점과 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 도면 부호가 사용되었다는 점에 유의하여야 한다.
도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 하나의 구체예에 따른 이중 블레이드 헬리컬 터빈은 회전 가능한 샤프트(10); 상기 샤프트(10)의 길이 방향으로 복층 구조를 가지며, 상기 샤프트(10)와 함께 회전할 수 있도록 상기 샤프트(10)에 방사상 배향으로 견고하게 고정되는 다수의 제 1 터빈 블레이드 지지 부재(50); 상기 샤프트(10)의 길이 방향으로 복층 구조를 가지며, 상기 샤프트(10)와 함께 회전할 수 있도록 상기 샤프트(10)에 방사상 배향으로 견고하게 고정되되, 상기 제 1 터빈 블레이드 지지 부재(50)의 샤프트(10) 중심 회전에 의해 작도되는 원의 회전반경 보다 작은 반경을 갖는 다수의 제 2 터빈 블레이드 지지 부재(60); 층을 달리하는 상기 제 1 터빈 블레이드 지지 부재(50)의 말단 단부끼리 연장되는, 바람직하게는 헬리컬 형상의 제 1 터빈 블레이드(70); 및 층을 달리하는 상기 제 2 터빈 블레이드 지지 부재(50)의 말단 단부끼리 연장되는, 바람직하게는 헬리컬 형상의 제 2 터빈 블레이드(80)를 포함한다.
특히 바람직하게는, 본 발명의 특히 바람직한 구체예에 따른 이중 블레이드 헬리컬 터빈은 회전 가능한 샤프트(10); 일부 또는 전부가, 샤프트에 대하여 직각을 이루는 가상의 제 1 평면(20) 및 제 2 평면(30) 내에 배치되되, 샤프트(10)와 함께 회전할 수 있도록 샤프트(10)에 견고하게 고정되는 제 1 터빈 블레이드 지지 부재(50); 일부 또는 전부가, 샤프트에 대하여 직각을 이루는 가상의 제 1 평면 (20) 및 제 2 평면(30) 내에 배치되되, 샤프트(10)와 함께 회전할 수 있도록 샤프트(10)에 견고하게 고정되며, 제 1 터빈 블레이드 지지 부재(50)의 샤프트(10) 중심 회전에 의해 작도되는 원의 반경보다 작은 반경을 갖는 제 2 터빈 블레이드 지지 부재(60); 제 1 평면(20)에 제공되는 제 1 터빈 블레이드 지지 부재(50)의 말단 단부로부터 제 2 평면에 제공되는 제 1 터빈 블레이드 지지 부재(50)의 말단 단부까지 연장되는 제 1 터빈 블레이드(70); 및 제 1 평면(20)에 제공되는 제 2 터빈 블레이드 지지 부재(60)의 말단 단부로부터 제 2 평면(30)에 제공되는 제 2 터빈 블레이드 지지 부재(60)의 말단 단부까지 연장되는 제 2 터빈 블레이드(80)를 포함한다.
이러한 구체예에서, 각각의 터빈 블레이드(70) 및 (80)은 도 2에 도시된 바와 같이 제 1 평면 및 제 2 평면에 있는 제 1 터빈 블레이드 지지 부재(50)들의 말단 단부간 및 제 1 평면 및 제 2 평면에 있는 제 2 터빈 블레이드 지지 부재(50)(60)의 말단 단부간에 헬리컬 형상으로 각각 연장된다. 이들 터빈 블레이드(70)(80)는 도 3에 도시된 바와 같이 유선형 단면을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 유선형 단면은 유체의 흐름에 대한 저항을 최소화한다. 아울러, 터빈의 회전 속도를 최대화하기 위해서는, 샤프트(10)를 중심으로 하여 제 1 터빈 블레이드(70)의 전면과 제 2 터빈 블레이드(80)의 전면이 이루는 각(α)을 80° 내지 100°, 보다 바람직하게는 85° 내지 95°, 특히 약 90°로 조정하는 것이 바람직하다(도 3 참조). 또한, 제 1 터빈 블레이드(70)들 사이의 각(β)과 제 2 터빈 블레이드(80)들 사이의 각(β')은 약 120°가 되게 하는 것이 가장 바람직하다.
이하, 본 발명은 비제한적인 실험예에 의해 설명된다.
실험예 1 : 본 발명에 따른 이중 블레이드 헬리컬 터빈의 성능 평가
본 발명자들은 본 발명에 따른 이중 블레이드 헬리컬 터빈의 성능을 알아보기 위해 흐름 발생이 가능한 2차원 수로에서 모형 실험을 수행하였다. 실험의 규모는 순환 펌프의 용량, 수로의 제원 등을 고려하여 실제 규모의 1/20로 설정하였다. 본 발명의 이중 블레이드 헬리컬 터빈의 성능을 평가하기 위해, 토크센서(T), RPM 센서(R), 수위계 2개(W1, W2) 및 초음파식 유속계 2개(C1, C2)를 사용하였고(도 4 참조), 실험은 순환펌프의 속도를 조절하여 유량을 변화시키면서 수행하였다. 그 수리실험용 터빈 모형의 제원은 하기 표 1에 수록하였고, 그 결과는 하기 표 2와 도 5 내지 7에 나타내었다.
수리 실험용 터빈 모형 제원
모형 날개 반경(cm) 높이(cm) 블레이드 뒤틀림각(°) 블레이드 길이 L(cm) 비고
외부 내부 외부 내부
I 3익 5.5 - 25.0 120 - 1.525 종래
II* 6익 5.5 2.75 25.0 120 60 1.525 본 발명
*모형 II의 경우는 제 1 터빈 블레이드(외부)와 제 2 터빈 블레이드(내부)가 이루는 각(α)을 0°, 30°, 60° 및 90°로 변화시켜 실험을 수행하였다.
순환 펌프의 RPM이 1800일 때의 실험 결과
모형 최대출력 (N·m·rad/s) 최대출력 발생시 RPM 최대 RPM (토크=0) 유입유속 (m/s) 비고
I 0.100 51 106 1.8 종래
II 0.315 129 232 2.0 본 발명: α 60°
II 0.325 129 235 2.0 본 발명: α 90°
상기 표 2와 도 5 내지 도 7을 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 이중 블레이드 헬리컬 터빈은 종래의 헬리컬 터빈 보다 약 3배 이상의 성능을 보였다. 특히, 본 발명의 이중 블레이드 헬리컬 터빈은 외부와 내부 블레이드 사이각, 즉, 샤프트(10)를 중심으로 하여 제 1 터빈 블레이드(70)의 전면과 제 2 터빈 블레이드(80)의 전면이 이루는 각(α)이 약 90°일 때 가장 뛰어난 성능을 보였다.
이상에서와 같이, 본 발명의 이중 블레이드 헬리컬 터빈은 바람, 유수 등과 같은 유체의 일방향 흐름 뿐만 아니라 다방향 흐름에 대하여도 일방향으로 회전하는 동시에, 상기한 종래의 헬리컬 터빈 보다 3배 이상의 성능을 나타내며, 특히 상기한 각(α)이 약 90° 일 때 가장 뛰어난 성능을 나타낸다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

  1. 회전 가능한 샤프트(10);
    상기 샤프트(10)의 길이 방향으로 복층 구조를 가지며, 상기 샤프트(10)와 함께 회전할 수 있도록 상기 샤프트(10)에 방사상 배향으로 견고하게 고정되는 다수의 제 1 터빈 블레이드 지지 부재(50);
    상기 샤프트(10)의 길이 방향으로 복층 구조를 가지며, 상기 샤프트(10)와 함께 회전할 수 있도록 상기 샤프트(10)에 방사상 배향으로 견고하게 고정되되, 상기 제 1 터빈 블레이드 지지 부재(50)의 샤프트(10) 중심 회전에 의해 작도되는 원의 회전반경 보다 작은 반경을 갖는 다수의 제 2 터빈 블레이드 지지 부재(60);
    층을 달리하는 상기 제 1 터빈 블레이드 지지 부재(50)의 말단 단부끼리 연장되는 제 1 터빈 블레이드(70); 및
    층을 달리하는 상기 제 2 터빈 블레이드 지지 부재(50)의 말단 단부끼리 연장되는 제 2 터빈 블레이드(80)를 포함하며,
    상기 제 1 터빈 블레이드(70) 및 제 2 터빈 블레이드(80)의 형상이 헬리컬 형상인 이중 블레이드 헬리컬 터빈.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 샤프트(10)를 중심으로 하여 상기 제 1 터빈 블레이드(70)의 전면과 상기 제 2 터빈 블레이드(80)의 전면이 이루는 각(α)이 80° 내지 100° 임을 특징으로 하는 이중 블레이드 헬리컬 터빈.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 제 1 터빈 블레이드(70)와 제 2 터빈 블레이드(80)의 형상이 유선형임을 특징으로 하는 이중 블레이드 헬리컬 터빈.
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