KR20070015926A - 터널에서의 풍력 터빈 - Google Patents

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KR20070015926A KR1020067020173A KR20067020173A KR20070015926A KR 20070015926 A KR20070015926 A KR 20070015926A KR 1020067020173 A KR1020067020173 A KR 1020067020173A KR 20067020173 A KR20067020173 A KR 20067020173A KR 20070015926 A KR20070015926 A KR 20070015926A
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Abstract

풍력 터빈(30)은 도관(34)을 갖는다. 중간 도관부(46)는 입구 도관부 및 출구 도관부(44, 48) 사이에 배치되며, 도관의 주-입구(54) 및 출구(56)를 각각 포함한다. 블레이드(88)가 연장되는 축(82)을 갖는 회전자는 중간 도관부(46)에 배치된다. 상기 블레이드(88)는 중간 도관부(46)의 내부에 완전히 배치된다. 분할기(60)는 중간 도관부(46)의 내부로 공급되는 상부 및 하부 서브터널(61, 62)을 제공하기 위해 입구 도관부(44)에 배치된다. 중간 도관부(46)의 상부 및 하부 내벽(91, 92)은 축(82)의 회전축선(84)에 중심잡힌 원형의 평면 형상을 취한다. 클리어런스 간극(93, 94)은 블레이드(88)와 상부 및 하부 내벽(91, 92) 사이에 각각 배치된다.
풍류, 수류, 임펠러, 블레이드, 회전자, 분할기, 도관, 스탠드, 발전기, 항력

Description

터널에서의 풍력 터빈{WIND POWERED TURBINE IN A TUNNEL}
본 발명은 풍력 터빈에 관한 것으로서, 특히 전력 발생에 사용하기 위한 터널에서의 풍력 터빈에 관한 것이다.
수많은 사람들은 전기의 발생 등과 같이, 동력을 발생하기 위해 바람에 내재되어 있는 운동에너지를 포획하여 동력화하도록 여러가지 방법을 강구해왔다. 기원전 1700년 이후로, 기계를 구동시키거나 물을 펌핑/이동시키기 위하여 회전에너지를 제공하는 것처럼, 동력을 발생시키기 위하여 풍차가 사용되어 왔다. 최근 바람의 운동에너지로부터 전기를 발생시키기 위해 여러가지 발명품 및 디자인이 개발되어 테스트되었으며, 그중 일부는 실제로 사용되었다.
풍류(風流)의 단위 단면적에 내재되어 있는 운동에너지는 예를 들어 수류(水流)에 비해 다소 제한되고 있다. 풍력 전기발생기를 상용가능하게 채택하기 위해서는 전형적으로 매우 대형인 장치를 필요로 한다. 지금까지 오직 전기를 상용으로 생성하는데 상당히 성공적인 풍력 터빈으로는 윈드 임펠러가 있다. 예를 들어, 도1에는 전형적인 윈드 임펠러(20)가 도시되어 있다. 폴 가이프가 저술한 "가정용 및 사업용 풍력-1990년대 재생 에너지"라는 문헌은 예를 들어 풍력 발전기로서 임펠러를 이용하는 것에 상세히 서술하고 있다. 대부분의 풍력 발전기 디자인이나 다른 모든 풍력 발전기 디자인은 지나치게 복잡하거나 복합적인 구조로 인해, 상용으로는 사용할 수 없었다. 종래기술의 기타 다른 디자인의 복합적인 구조로 인해, 이러한 풍력 발전기는 일반적으로 대형으로 구축하기가 어려우며 및/또는 너무 고가이기 때문에 대형으로 구축할 수 없다.
대부분의 모든 풍력 발전기는 풍력 에너지를 포획하고 풍력 발전기를 구동시키는데 사용되는 공기 역학적인 관점에서 2가지 카테고리중 하나로 분류된다. 첫번째 카테고리는 풍력 발전기의 윈드 임펠러 형태를 포함한다[예를 들어, 도1의 임펠러(20) 참조]. 윈드 임펠러는 전형적으로 바람의 흐름 방향으로 정렬된 축선 주위로 회전하는 블레이드를 포함한다. 이러한 회전축선은 통상적으로 수평하다. 상기 블레이드는 일반적으로 바람의 흐름 방향에 수직한 수직면에 정렬되며, 각각의 블레이드는 바람을 향해 약간의 각도로 경사져 있다. 바람이 블레이드를 향해 흐르거나 블레이드를 가로질러 흐를 때, 바람은 헬리콥터 블레이드상의 상승력 성분과 유사한 힘성분으로 블레이드를 가압하며; 이러한 헬리콥터 블레이드상의 상승력 성분은 비행기 날개상의 상승력 성분과 비슷한, 및/또는 비행기 프로펠러상의 추진력 성분과 유사하지만, 그러나 힘의 방향이 반대이다. 풍속 이외에도, 각각의 블레이드상에 발휘된 "상승"력의 크기는 바람에 대한 블레이드의 각도와, 블레이드의 공기역학적 형태(단면 형태)와, 블레이드의 크기에 의존한다. 풍력 발전기를 위한 임펠러형 디자인에는 저효율, 높은 소음, 회전하는 블레이드에 대한 노출 위험(예를 들어 조류에 대한 위험성), 공간적 요구사항, 예를 들어 설정의 기후에 적절한 블레이드 물질의 선택에 대한 어려움 등을 포함하여, 여러가지 단점이 내포되 어 있다.
풍력 발전기의 두번째 카테고리는 일반적으로 바람의 흐름 방향에 수직한 회전축선을 갖는 윈드 터빈 형태를 포함한다. 이러한 윈드 터빈은 전형적으로 평탄한 블레이드와, 각진 블레이드와, 곡선형 블레이드를 포함한다. 상기 회전축선은 수평하거나(예를 들어, 미국 특허 제1.300.499호, 미국 특허 제1.935.097호, 미국 특허 제4.017.204호, 미국 특허 제4.127.356호, 미국 특허 제4.191.505호, 미국 특허 제4.357.130호, 미국 특허 제5.009.569호; 기타 다른 나라/국가 특허로는 프랑스 특허 제2.446.391호, 프랑스 특허 제2.4724093호, 독일 특허 제2.732.192호, 영국 특허 제2.185.786호, 러시아 특허 제1.268,792호 참조), 또는 수직하다(미국 특허 제2.335.817호, 미국 특허 제4.074.951호, 미국 특허 제4.076.448호, 미국 특허 제4.278.896호, 미국 특허 제4.350.900호, 미국 특허 제4.764.683호, 미국 특허 제5.038.049호, 미국 특허 제5.332.354호, 미국 특허 제6.158.953호, 미국 특허 제6.191.496호, 미국 특허 제6.270.308호, 미국 특허 제6.309.172호, 미국 특허 제6.538.340호; 기타 다른 나라/국가 특허로는 독일 특허 제2.505.954호, 일본 특허 제1251호 참조).
두번째 카테고리의 풍력 발전기는 터빈의 구동력에 기초하여 여러개의 그룹으로 분류된다. 제1그룹에서, 바람과 터빈 블레이드 사이의 항력은 회전을 유발시키기 위해, 터빈상에 구동력을 발휘한다. 이러한 항력은 하기에 서술되는 식으로 도시된 바와 같이, 블레이드를 통과하는 에어와 터빈 블레이드 자체 사이의 속도편차에 의존한다.
γ = ηρair(△u)2/2
여기서, γ 는 윈드 터빈의 구동력이고, η 는 터빈 블레이드와 에어 사이의 마찰계수이며, ρair 는 에어 밀도이고, △u 는 에어와 윈드 터빈 블레이드 사이의 속도편차이다. 상기 마찰계수는 매우 작은 크기이기 때문에, 이러한 윈드 터빈은 에어 상승력을 구동력으로 사용하는 윈드 터빈(예를 들어, 도1에 도시된 윈드 임펠러)에 비해 효과적이지 않다.
항력을 이용하는 이러한 윈드 터빈은 전형적으로 블레이드를 갖는데; 이러한 블레이드는 에어 도관의 내벽과 터빈 블레이드 단부 사이에 간극을 넓게 둔 상태로, 윈드 도관이나 윈드 터널 구조물에 설치되거나 이러한 구조물로 부분적으로 덮인, 완전노출되거나 대부분 노출된 블레이드이다(예를 들어, 미국 특허 제1.300.499호, 미국 특허 제2.335.817호, 미국 특허 제4.074.951호, 미국 특허 제4.191.505호, 미국 특허 제4.278.896호, 미국 특허 제4.357.130호, 미국 특허 제4.764.683호, 미국 특허 제6.191.496호, 미국 특허 제6.309.172호, 미국 특허 제6.538.340호; 기타 다른 나라/국가의 특허로는 독일 특허 제2.732.192호, 영국 특허 제2.185.786호, 러시아 특허 제1.268.792호 참조).
두번째 카테고리의 제2그룹은 바람의 운동에너지를 최대량으로 사용하기 위해 노력한다. 제2그룹에서의 주요한 구동력은 다음과 같이 표현된다.
γ = △p
여기서, △p 는 윈드 터빈 블레이드의 전방과 후방 사이의 압력편차이다. 제2그룹에 있어서, 윈드 터빈 블레이드는 도관이나 또는 형태를 갖춘 터널에 설치된다. 터빈을 통과하는 풍류의 경로를 따라, 터빈 블레이드 단부와 윈드 도관 내벽 사이의 간극이 최소화되며, 이에 따라 이러한 간극을 통과하는 풍류는 무시할 수 있게 된다. 바람은 윈드 도관을 빠져나가기 전에 회전자를 회전시키기 위해, 터빈 블레이드를 가압해야만 한다. 여러 특허명세서에는 이러한 풍력 발전기의 실시예가 도시 및 설명되어 있다(미국 특허 제1.935.097호, 미국 특허 제4.350.900호, 미국 특허 제5.009.569호, 미국 특허 제5.083.899호, 미국 특허 제5.332.354호; 기타 다른 나라/국가의 특허로 프랑스 특허 제2.446.391호, 프랑스 특허 제2.472.093호 참조).
이론적으로, 이러한 두번째 터빈 그룹에서의 구동력은 첫번째 터빈 카테고리에서의 상승력 보다 훨씬 크다. 터빈 회전자가 휴지중일 때, 구동력은 최대, 즉 윈드 도관 입구영역을 통해 흐르는 바람 운동에너지의 100%에 도달된다(설정의 블레이드 위치에서). 이러한 최대 구동력은 하기와 같은 식으로 설명된다.
γ = ρair(uw)2/2
여기서, uw 는 바람의 속도 이다.
터빈 블레이드와 윈드 도관 사이에서 최소한의 간극으로 윈드 터빈을 제조 및/또는 조립하기 위해서는 클리어런스 간극(clearance gap)을 최소화하는데 필요한 공차를 제어하기 위해 높은 표준도의 제조 품질을 필요로 한다. 이것은 두번째 카테고리의 제3그룹으로 나타난다. 간극을 최소화하는데 필요한 경비 및/또는 어 려움을 피하기 위하여, 제3그룹의 수많은 종래 윈드 터빈 디자인은 두번째 카테고리의 제1그룹과 제2그룹 사이에 속하거나, 제1그룹과 제2그룹을 조합한 것에 속한다(미국 특허 제4.017.204호, 미국 특허 제4.076.448호, 미국 특허 제4.127.356호, 미국 특허 제5.038.049호, 미국 특허 제6.159.953호, 미국 특허 제6.270.308호; 기타 다른 나라/국가의 특허로 독일 특허 제2.505.954호, 일본 특허 제1251호 참조). 제3그룹에 있어서, 많은 윈드 터빈은 간극이 변화되는(예를 들어, 경사진) 종류의 윈드 깔때기 구조물을 채택하고 있다. 이러한 깔때기 구조물에 있어서, 깔때기 구조물의 내벽과 터빈 블레이드 단부사이의 간극은 전형적으로 한 지점에서 또는 풍류 경로의 매우 짧은 거리를 따라 최소화된다. 따라서, 바람에 의한 터빈 블레이드상의 구동력은 항력과 압력편차의 조합이 된다.
윈드 터빈의 임펠러 형태의 블레이드(첫번째 카테고리)는 가능한한 바람을 많이 포획하기 위하여 바람과 완전히 대면하고 있다. 그러나, 두번째 카테고리의 윈드 터빈에서는 통상적으로 오직 터빈 블레이드의 절반만 바람과 대면하고 있다. 이러한 터빈의 나머지 절반의 블레이드는 바람에 대항하여 정상적으로 회전하게 된다. 따라서, 바람에 대항하여 이동하는 블레이드는 바람에 의해 자주 차단된다(예를 들어, 미국 특허 제1.300.499호, 미국 특허 제1.935.097호, 미국 특허 제2.335.817호, 미국 특허 제4.017.204호, 미국 특허 제4.074.951호, 미국 특허 제4.127.356호, 미국 특허 제4.278.896호, 미국 특허 제4.357.130호, 미국 특허 제4.764.683호, 미국 특허 제5.009.569호, 미국 특허 제6.270.308호; 기타 다른 나라/국가의 특허로는 프랑스 특허 제2.446.391호, 프랑스 특허 제2.472.093호, 독일 특허 제2.732.192호, 영국 특허 제2.185.786호, 러시아 특허 제1.268.792호 참조). 두번째 카테고리의 윈드 터빈의 효율을 개선하기 위하여, 수많은 디자인이 개발되었으며, 이러한 디자인은 터빈 블레이드의 절반 이상이 회전자의 설정의 회전위치에서 바람에 의해 가압될 수 있도록, 바람의 방향을 변화시켰다(예를 들어, 미국 특허 제4.076.448호, 미국 특허 제4.191.505호, 미국 특허 제4.350.900호, 미국 특허 제5.332.354호, 미국 특허 제6.158.953호, 미국 특허 제6.309.172호; 기타 다른 나라/국가의 특허로는 독일 특허 제2.505.954호, 일본 특허 제1251호 참조). 이러한 디자인들은 매우 복잡한 구조물을 자주 포함하기도 한다. 따라서, 이러한 디자인들을 생산하는 비용은 풍력 발전기에 의해 생성된 전기에 비해 매우 높으며, 및/또는 이러한 디자인은 대형인 기계에 대해서는 실현가능하지 않다.
풍류의 단위 단면적에 내재된 운동에너지는 매우 한정되어 있기 때문에, 많은 디자인들은 벤츄리 형태를 갖는 도관을 사용하므로써 바람 에너지를 집중시키고자 하였다(예를 들어, 미국 특허 제1.935.097호, 미국 특허 제4.017.204호, 미국 특허 제4.127.356호, 미국 특허 제4.076.448호, 미국 특허 제4.127.356호, 미국 특허 제4.508.973호, 미국 특허 제4.963.761호, 미국 특허 제5.009.569호, 미국 특허 제6.246.126호; 기타 다른 나라/국가 특허로는 프랑스 특허 제2.472.093호, 영국 특허 제2.185.786호, 러시아 특허 제1.268,792호 참조)
상술한 바와 같은 문제점 및 요망사항은 본 발명의 실시예에 의해 접근될 수 있다. 본 발명의 한가지 특징에 따르면, 도관과, 회전자와, 분할기를 포함하는 윈드 터빈 장치가 제공된다. 상기 도관은 일반적으로 수평인, 장치의 길이방향 축선을 따라 연장된다. 상기 도관은 입구부와, 출구부와, 중간부를 포함한다. 입구부는 길이방향 축선의 제1단부에 배치된다. 상기 입구부는 주-입구 개구를 갖는다. 상기 출구부는 길이방향 축선의 제2단부에 배치된다. 상기 출구부는 주-출구 개구를 갖는다. 상기 중간부는 입구부와 출구부 사이에 배치된다. 상기 입구부는 중간부를 통해 출구부에 유체연결된다. 상기 회전자는 도관의 중간부에 배치된다. 회전자는 축과 블레이드를 포함한다. 상기 축은 중간 도관부를 통해 회전축선을 따라 연장된다. 상기 회전자는 회전축선 주위로 회전한다. 길이방향 축선은 회전축선을 횡단한다. 길이방향 축선과 회전축선 사이에 형성된 회전자 각도는 약 45°내지 약 135°의 범위에 속한다. 장치가 풍류에 의해 작동될 때 도관을 통해 바람이 흐르는 전체 풍류 방향과 길이방향 축선 사이에 형성된 길이방향 각도는 약 45°이하이다. 상기 블레이드는 축으로부터 연장된다. 상기 블레이드는 도관의 중간부 내부에 완전히 배치된다. 상기 분할기는 도관의 입구부에 배치되므로, 도관의 입구부는 상부 서브터널(sub-tunnel)과 하부 서브터널을 포함하며, 이러한 서브터널은 분할기에 의해 분할된다. 상기 분할기는 일반적으로 작은 선단부를 갖는 쐐기 형태를 취하고 있으며, 상기 선단부는 대향의 말단부 보다 주-입구 개구에 더욱 인접하게 배치되어 있다. 상부 서브터널의 상부 입구를 위한 상부 입구 단면적은 상부 서브터널의 상부 출구를 위한 상부 출구 단면적 보다 넓다. 상부 서브터널의 상부 입구는 상부 서브터널의 상부 출구 보다 입구부의 주-입구 개구에 더욱 인접하게 배치되어 있다. 하부 서브터널의 하부 입구를 위한 하부 입구 단면적은 하부 서브터널의 하부 출구를 위한 하부 출구 단면적 보다 넓다. 하부 서브터널의 하부 입구는 하부 서브터널의 하부 출구 보다 입구부의 주-입구 개구에 더욱 인접하게 배치된다. 상부 및 하부 서브터널의 상부 및 하부 출구는 도관의 중간부의 중간부 입구로 공급된다. 중간부 입구는 길이방향 축선을 따라 중간부의 중간부 출구 보다 주-입구 개구에 더욱 인접하게 배치된다. 중간부 출구는 길이방향 축선을 따라 중간부 보다 주-출구 개구에 더욱 인접하게 배치된다. 중간 도관부의 상부 내벽은 회전축선에 중심잡힌 원형면 형태를 취하고 있다. 상부 클리어런스 간극은 블레이드를 통과할 때, 중간 도관부의 상부 내벽과 블레이드 사이에 배치된다. 중간 도관부의 하부 내벽은 회전축선에 중심잡힌 원형면 형태를 취하고 있다. 상기 중간 도관부의 하부 내벽은 중간 도관부의 상부 내벽과는 반대방향에서 대면하고 있다. 하부 클리어런스는 블레이드를 통과할 때, 중간 도관부의 하부 내벽과 블레이드 사이에 배치된다. 측부 클리어런스 간극은 중간 도관부와 블레이드의 측부 사이에 배치된다. 주-출구 개구를 위한 주-출구 단면적의 출구 중심은 회전축선 및 길이방향 축선에 대해, 주-입구 개구를 위한 주-입구 단면적의 입구 중심 보다 높게 배치된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면 도관과, 회전자와, 분할기를 포함하는 윈드 터빈 장치가 제공된다. 상기 도관은 장치의 길이방향 축선을 따라 연장된다. 도관은 입구부와, 출구부와, 중간부를 포함한다. 상기 입구부는 길이방향 축선의 제1단부에 배치된다. 입구부는 주-입구 개구를 갖는다. 출구부는 길이방향 축선의 제2단부에 배치된다. 상기 출구부는 주-출구 개구를 갖는다. 중간부는 입구부와 출구부 사이에 배치되며, 상기 입구부는 중간부를 통해 출구부에 유체연결된다. 회전자는 도관의 중간부에 배치된다. 상기 회전자는 축 및 블레이드(2개 이상)를 갖는다. 상기 축은 중간 도관부에서 회전축선을 따라 연장된다. 상기 회전자는 회전축선 주위로 회전한다. 길이방향 축선은 회전축선을 횡단한다. 길이방향 축선과 회전축선 사이에 형성된 회전자 각도는 약 45°내지 약 135°의 범위에 속한다. 장치가 풍류에 의해 작동될 때 도관을 통해 바람이 흐르는 전체 풍류 방향과 길이방향 축선 사이에 형성된 길이방향 각도는 약 45°이하이다. 상기 블레이드는 축으로부터 연장된다. 상기 블레이드는 도관의 중간부 내부에 완전히 배치된다. 상기 분할기는 도관의 입구부에 배치되므로, 도관의 입구부는 상부 서브터널과 하부 서브터널을 포함하며, 이러한 서브터널은 분할기에 의해 분할된다. 상부 및 하부 서브터널은 도관의 중간부의 중간부 입구내로 공급된다. 상기 중간부 입구는 길이방향 축선을 따라 중간부의 중간부 출구 보다 주-입구 개구에 더 가까우며, 중간부 출구는 길이방향 축선을 따라 중간부 입구 보다 주-출구 개구에 더욱 인접하게 배치된다. 중간 도관부의 상부 내벽은 회전축선에 중심잡힌 원형면 형태를 취한다. 상부 클리어런스 간극은 블레이드를 통과할 때, 중간 도관부의 상부 내벽과 블레이드 사이에 배치된다. 중간 도관부의 하부 내벽은 회전축선에 중심잡힌 원형면 형태를 취한다. 중간 도관부의 하부 내벽은 중간 도관부의 상부 내벽과 반대방향으로 대면하고 있다. 하부 클리어런스 간극은 블레이드를 통과할 때 중간 도관부의 하부 내벽과 블레이드 사이에 배치된다. 측부 클리어런스 간극은 블레이드의 측부와 중간 도관부 사이에 배치된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면 도관과, 회전자와, 분할기를 포함하는 윈드 터빈 장치가 제공된다. 상기 도관은 장치의 수평한 길이방향 축선을 따라 연장된다. 도관은 입구부와, 출구부와, 중간부를 포함한다. 상기 입구부는 길이방향 축선의 제1단부에 배치된다. 입구부는 주-입구 개구를 갖는다. 출구부는 길이방향 축선의 제2단부에 배치된다. 상기 출구부는 주-출구 개구를 갖는다. 중간부는 입구부와 출구부 사이에 배치되며, 상기 입구부는 중간부를 통해 출구부에 유체연결된다. 회전자는 도관의 중간부에 배치된다. 상기 회전자는 축 및 블레이드를 갖는다. 상기 축은 중간 도관부를 통해 회전축선을 따라 연장된다. 상기 회전자는 회전축선 주위로 회전한다. 길이방향 축선은 회전축선을 횡단한다. 길이방향 축선과 회전축선 사이에 형성된 회전자 각도는 약 45°내지 약 135°의 범위에 속한다. 장치가 풍류에 의해 작동될 때 도관을 통해 바람이 흐르는 전체 풍류 방향과 길이방향 축선 사이에 형성된 길이방향 각도는 약 45°이하이다. 상기 블레이드는 축으로부터 연장된다. 상기 블레이드는 도관의 중간부 내부에 완전히 배치된다. 상기 분할기는 도관의 입구부에 배치되므로, 도관의 입구부는 상부 서브터널과 하부 서브터널을 포함하며, 이러한 서브터널은 분할기에 의해 분할된다. 상기 분할기는 일반적으로 작은 선단부를 갖는 쐐기 형태를 취하고 있으며, 상기 선단부는 대향의 말단부 보다 주-입구 개구에 더욱 인접하게 배치되어 있다. 상부 서브터널의 상부 입구를 위한 상부 단면적은 상부 서브터널의 상부 출구를 위한 상부 출구 단면적 보다 넓다. 상부 서브터널의 상부 입구는 상부 서브터널의 상부 출구 보다 입구부의 주-입구 개구에 더욱 인접하게 배치되어 있다. 하부 서브터널의 하부 입구를 위한 하부 입구 단면적은 하부 서브터널의 하부 출구를 위한 하부 출구 단면적 보다 넓다. 하부 서브터널의 하부 입구는 하부 서브터널의 하부 출구 보다 입구부의 주-입구 개구에 더욱 인접하게 배치된다. 상부 및 하부 서브터널의 상부 및 하부 출구는 도관의 중간부의 중간부 입구로 공급된다. 중간부 입구는 길이방향 축선을 따라 중간부의 중간부 출구 보다 주-입구 개구에 더욱 인접하게 배치된다. 중간부 출구는 길이방향 축선을 따라 중간부 보다 주-출구 개구에 더욱 인접하게 배치된다. 중간 도관부의 상부 내벽은 회전축선에 중심잡힌 원형면 형태를 취하고 있다. 상부 클리어런스 간극은 블레이드를 통과할 때, 중간 도관부의 상부 내벽과 블레이드 사이에 배치된다. 중간 도관부의 하부 내벽은 회전축선에 중심잡힌 원형면 형태를 취하고 있다. 상기 중간 도관부의 하부 내벽은 중간 도관부의 상부 내벽과는 반대방향에서 대면하고 있다. 하부 클리어런스는 블레이드를 통과할 때, 중간 도관부의 하부 내벽과 블레이드 사이에 배치된다. 측부 클리어런스 간극은 중간 도관부와 블레이드의 측부 사이에 배치된다. 주-출구 개구를 위한 주-출구 단면적의 출구 중심은 회전축선 및 길이방향 축선에 대해, 주-입구 개구를 위한 주-입구 단면적의 입구 중심 보다 상부에 배치된다. 제1전력발생기는 도관의 제1측부의 외측에 배치되며, 축의 제1단부에 회전가능하게 결합된다. 제1전력발생기의 제1발생기 회전자는 회전축선 주위로 회전한다. 제2전력발생기는 도관의 제2측부의 외측에 배치되며, 축의 제2단부에 회전가능하게 결합된다. 제2전력발생기의 제2발생기 회전자는 회전축선 주위로 회전한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면 도관과, 회전자와, 제1전력발생기와, 제2전력발생기를 포함하는 윈드 터빈 장치가 제공된다. 상기 도관은 장치의 길이방향 축선을 따라 연장된다. 도관은 입구부와, 출구부와, 중간부를 포함한다. 상기 입구부는 길이방향 축선의 제1단부에 배치된다. 입구부는 주-입구 개구를 갖는다. 출구부는 길이방향 축선의 제2단부에 배치된다. 상기 출구부는 주-출구 개구를 갖는다. 중간부는 입구부와 출구부 사이에 배치되며, 상기 입구부는 중간부를 통해 출구부에 유체연결된다. 회전자는 도관의 중간부에 배치된다. 상기 회전자는 중간 도관부에서 회전축선을 따라 연장되는 축을 포함한다. 상기 회전자는 회전축선 주위로 회전한다. 길이방향 축선은 회전축선을 횡단한다. 길이방향 축선과 회전축선 사이에 형성된 회전자 각도는 약 45°내지 약 135°의 범위에 속한다. 장치가 풍류에 의해 작동될 때 도관을 통해 바람이 흐르는 전체 풍류 방향과 길이방향 축선 사이에 형성된 길이방향 각도는 약 45°이하이다. 상기 블레이드는 축으로부터 연장된다. 상기 블레이드는 도관의 중간부 내부에 완전히 배치된다. 중간 도관부의 상부 내벽은 회전축선에 중심잡힌 원형면 형태를 취하고 있다. 상부 클리어런스 간극은 블레이드를 통과할 때, 중간 도관부의 상부 내벽과 블레이드 사이에 배치된다. 중간 도관부의 하부 내벽은 회전축선에 중심잡힌 원형면 형태를 취하고 있다. 상기 중간 도관부의 하부 내벽은 중간 도관부의 상부 내벽과는 반대방향에서 대면하고 있다. 하부 클리어런스는 블레이드를 통과할 때, 중간 도관부의 하부 내벽과 블레이드 사이에 배치된다. 제1전력발생기는 도관의 제1측부의 외측에 배치되어, 축의 제1단부에 회전가능하게 결합된다. 제1전력발생기의 제1발생기 회전자는 회전축선 주위에서 회전한다. 제2전력발생기는 도관의 제2측부의 외측에 배치되어, 축의 제2단부에 회전가능하게 결합된다. 제2전력발생기의 제2발생기 회전자는 회전축선 주위에서 회전한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면 도관과, 회전자를 포함하는 윈드 터빈 장치가 제공된다. 상기 도관은 장치의 길이방향 축선을 따라 연장된다. 도관은 입구부와, 출구부와, 중간부를 포함한다. 상기 입구부는 길이방향 축선의 제1단부에 배치된다. 입구부는 주-입구 개구를 갖는다. 출구부는 길이방향 축선의 제2단부에 배치된다. 상기 출구부는 주-출구 개구를 갖는다. 중간부는 입구부와 출구부 사이에 배치되며, 상기 입구부는 중간부를 통해 출구부에 유체연결된다. 회전자는 도관의 중간부에 배치된다. 상기 회전자는 중간 도관부의 회전축선을 따라 연장되는 축을 포함한다. 상기 회전자는 회전축선 주위로 회전한다. 길이방향 축선은 회전축선을 횡단한다. 길이방향 축선과 회전축선 사이에 형성된 회전자 각도는 약 45°내지 약 135°의 범위에 속한다. 장치가 풍류에 의해 작동될 때 도관을 통해 바람이 흐르는 전체 풍류 방향과 길이방향 축선 사이에 형성된 길이방향 각도는 약 45°이하이다. 상기 블레이드는 축으로부터 연장된다. 상기 블레이드는 도관의 중간부 내부에 완전히 배치된다. 중간 도관부의 상부 내벽은 회전축선에 중심잡힌 원형면 형태를 취하고 있다. 상부 클리어런스 간극은 블레이드를 통과할 때, 중간 도관부의 상부 내벽과 블레이드 사이에 배치된다. 상부 클리어런스 간극은 약 10mm 이하 이다. 중간 도관부의 하부 내벽은 회전축선에 중심잡힌 원형면 형태를 취하고 있다. 상기 중간 도관부의 하부 내벽은 중간 도관부의 상부 내벽과는 반대방향에서 대면하고 있다. 하부 클리어런스는 블레이드를 통과할 때, 중간 도관부의 하부 내벽과 블레이드 사이에 배치된다. 하부 클리어런스 간극은 약 10mm 이하 이다. 약 10mm 이하의 측부 클리어런스 간극은 블레이드의 측부와 중간 도관부 사이에 배치된다. 또 다른 실시예에서(예를 들어, 10 미터 이상의 회전자 직경을 갖는), 이러한 클리어런스 간극은 10mm 이상일 수도 있다. 그러나, 상부 클리어런스 간극과 하부 클리어런스 간극 및 측부 클리어런스 간극은 최소화되는 것이 바람직하며, 가능한한 적은 것이 바람직하므로, 터빈을 통과하는 풍량에 대해 단지 무시할 수 있는 풍량만 이러한 클리어런스 간극을 통과할 수 있다.
상술한 바는 본 발명이 양호하게 이해될 수 있도록 본 발명의 특징을 광범위하게 설명하였다. 본 발명의 청구범위의 청구내용을 형성하는 본 발명의 다른 특징과 장점은 하기에 상세히 설명될 것이다. 본 기술분야의 숙련자라면 본 발명의 동일한 목적을 실행함에 있어서 기타 다른 구조물 또는 처리를 변경하거나 설계하기 위한 기초로서, 본 발명에 서술된 개념과 특정 실시예를 용이하게 사용할 수 있음을 인식할 수 있을 것이다. 또한, 본 기술분야의 숙련자라면 이와 같은 등가의 구조는 첨부의 청구범위에 설명된 본 발명의 정신 및 범주로부터 일탈하지 않음을 인식해야만 한다.
하기에 서술되는 바는 본 발명의 예시적인 실시예를 도시한 개략적인 도면이다.
도1은 종래기술의 전형적인 윈드 임펠러를 도시한 도면.
도2는 본 발명의 제1실시예를 도시한 사시도.
도3은 본 발명의 제1실시예를 도시한 측면도.
도4는 본 발명의 제1실시예를 도시한 정면도.
도5A는 측부 클리어런스 간극을 도시한, 본 발명의 제1실시예를 도시한 평면도.
도5B는 본 발명의 제1실시예를 도시한 평면도.
도6은 본 발명의 제2실시예를 도시한 측면도.
도7 및 도8은 본 발명의 제3실시예를 도시한 측면도.
도면에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예에서 유사한 구성요소에는 동일한 도면부호가 부여되었다. 도면은 크기대로 도시되지 않았으며, 일부 경우에는 단지 예시적인 목적을 위하여 확대되었거나 및/또는 간단하게 도시되었다. 본 기술분야의 숙련자라면 하기의 본 발명의 예시적인 실시예에 기초하여 본 발명의 변경이 가능함을 인식할 수 있을 것이다.
일반적으로, 본 발명의 실시예는 풍력 터빈을 제공한다. 도시된 풍력 터빈은 예를 들어 발전기가 연결되어 전기를 발생시키도록 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예는 본 기술분야의 숙련자라면 인식할 수 있는 바와 같이 다른 용도로도 사용될 수 있음을 인식할 수 있을 것이다. 도2 내지 도5B에는 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력 터빈(30)이 도시되어 있다. 도2는 터빈(30)의 사시도이고, 도3은 터빈(30)의 측면도이며, 도4는 터빈(30)의 정면도이다. 도5A 및 도5B는 터빈(30)의 평면도이다.
상기 터빈(30)은 터빈(30)의 수평한 길이방향 축선(38)을 따라 연장되는 도관(34)을 포함한다. 도3에는 임의로 가정된 길이방향 축선(38)이 도시되어 있으며, 이러한 축선은 제1실시예의 여러 특징을 서술하기 위한 기준점으로서 제공된다. 이러한 실시예에서, 길이방향 축선(38)은 풍류에 의해 터빈이 작동될 때, 도관(34)을 통과하는 풍류의 방향을 따라 수평으로 지향된다. 도5B에 도시된 평면도에 있어서, 터빈(30)이 풍류(40)에 의해 작동될 때 도관(34)을 통해 흐르는 바람의 전체적인 풍류 방향[예를 들어, 도5B의 화살표 40 은 풍류(40)를 나타낸다]과 길이방향 축선(38) 사이에 형성된 길이방향 각도는 45°이하인 것이 바람직하다. 도5B에 도시된 실시예에서, 길이방향 각도는 예를 들어 약 0°이다. 도2 및 도3에서는 간단한 도시를 위하여 도관(34)의 측부 패널이 제거되었다. 도관(34)의 측부(41, 42)는 하기에 서술되는 바와 같이 평탄한 평면 형태를 갖는다(예를 들어, 도4 및 도5 참조). 도2 및 도3에는 간단한 방식으로 터빈(30)을 통과하는 유체역학을 도시하기 위해 예시적인 풍류(40)가 도시되어 있다. 본 기술분야의 숙련자라면 인식할 수 있는 바와 같이, 실제 적용에서는 기타 다른 풍류 패턴을 경험하게 될 것이다.
도관(34)은 입구부(44)와, 중간부(46)와, 출구부(48)를 갖는다. 입구 도관부(44)는 길이방향 축선(38)의 제1단부(51)에 배치되며, 윈드 터빈(30)의 전방부에 주-입구 개구(54)를 갖는다[즉, 길이방향 축선(38)의 제1단부(51)는 터빈(30)의 전방부에 배치된다]. 역으로, 출구 도관부(48)는 길이방향 축선(38)의 제2단부(52)에 배치되며, 터빈(30)의 후방부에 주-출구 개구(56)를 갖는다. 입구부(44)는 중 간부(46)를 통해 출구부(48)에 유체연결된다. 따라서, 터빈(30)의 도관(34)을 통과하는 바람은 주-입구 개구(54)에 유입되어, 입구부(44)를 통해 중간부(46)로 흐르고, 중간부(46)를 통해 출구부(48)로 흐르고, 출구부(48)를 통과한 후 주-출구 개구(56)를 통해 도관(34)을 떠나게 된다. 그러나, 다른 실시예에서는 터빈(30)을 위해 제2의 또는 보조의 입구 및/또는 출구 개구가 제공된다(도시않음).
도2 및 도3에 있어서, 분할기(60)는 도관(34)의 입구부(44)에 배치된다. 상기 분할기(60)는 입구부(44)의 내부에서 한쪽 측부(41)로부터 다른쪽 측부(42)(측방향)로 연장된다. 따라서, 입구부(44)는 분할기(60)에 의해 분할되는 상부 서브터널(61)과 하부 서브터널(62)을 갖는다. 상기 분할기(60)는 작은 선단부(64)를 갖는 쐐기 형상을 취하고 있으며, 상기 선단부는 큰 말단부(66) 보다 주-입구 개구(54)에 더욱 인접하게 배치된다. 상부 서브터널(61)은 상부 서브터널(61)의 상부 출구(73)(상부 출구 단면적을 갖는) 보다 주-입구 개구(54)에 더욱 인접하게 배치된 상부 입구 단면적[즉, 길이방향 축선(38)에 수직한]을 갖는 상부 입구(71)를 포함한다. 이와 마찬가지로, 하부 서브터널(62)은 하부 서브터널(62)의 하부 출구(77)(하부 출구 단면적을 갖는) 보다 주-입구 개구(54)에 더욱 인접하게 배치된 하부 입구 단면적[즉, 길이방향 축선(38)에 수직한]을 갖는 하부 입구(72)를 포함한다. 예를 들어 도2 및 도3에 도시된 바와 같이, 상부 입구 단면적은 상부 출구 단면적 보다 넓으며, 하부 입구 단면적은 하부 출구 단면적 보다 넓다. 그러나, 다른 실시예에서 분할기(60)는 다른 형태 및 다른 크기를 가질 수도 있으며, 서브터널 출구(73, 74)에 대한 서브 터널 입구(71, 72)는 변화될 수도 있다. 제1실시 예에서, 상부 및 하부 서브터널 입구(71, 72)는 길이방향 축선(38)을 따라 주-입구 개구(54)와는 동일한 위치에 배치되지 않는다. 그러나, 또 다른 실시예에서(도시않음), 분할기(60)의 선단부(64)는 주-입구 개구(54)로 연장되거나 또는 입구부(44)를 벗어나서 연장된다. 이와 마찬가지로, 다른 실시예에서(도시않음) 분할기(60)의 말단부(66)는 중간 도관부(46)로 연장되지 않는다. 그 어떤 경우라도, 상부 및 하부 서브터널(61, 62)은 중간 도관부(46)의 중간부 입구(76)로 공급된다. 중간부 입구(76)는 길이방향 축선(38)을 따라 중간 도관부(46)의 중간부 출구(78) 보다 주-입구 개구(54)에 더욱 인접하게 배치된다. 이와 마찬가지로, 중간부 출구(78)는 길이방향 축선(38)을 따라 중간부 입구(76) 보다 주-출구 개구(56)에 더욱 인접하게 배치된다.
회전자(80)는 도관(34)의 중간부(46)에 배치된다. 회전자(80)의 축(82)은 중간 도관부(46)를 통해 회전축선(84)을 따라 연장된다. 상기 회전자(80)는 터빈(30)의 작동중에는 회전축선(84) 주위로 회전한다. 따라서, 축(82)은 양호하기로는 축(82)의 양단부에서, 일부 형태의 베어링(예를 들어, 롤러, 유압)(도시않음)에 의해 지지된다. 길이방향 축선(38)은 회전축선(84)을 횡단한다(예를 들어, 도3 및 도5B 참조). 도5B에 도시된 바와 같이, 길이방향 축선(38)과 회전축선(84) 사이에 형성된 회전자 각도는 약 45°내지 약 135°인 것이 바람직하다. 도5B에 도시된 실시예에서, 회전자 각도(86)는 예를 들어 약 90°이다.
블레이드(88)는 축(82)으로부터 연장된다. 상기 블레이드(88)는 도관(34)의 중간부(46) 내부에 완전하게 배치된다. 블레이드(88)의 갯수는 여러개로 제공될 수 있다(예를 들어, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개 등등). 현재, 블레이드(88)의 양호한 갯수는 제1실시예(예를 들어, 도2 및 도3 참조)에 도시된 바와 같이 3개이다. 3개의 블레이드(88)에 바람직한 그리고 기타 다른 블레이드 형태에 사용하기에 합리적인 면에 대해서는 하기에 상세히 서술될 것이다. 블레이드(88)의 형태는 실시예에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 상기 블레이드(88)는 평탄형의 멀티코드(multi-chord) 평판, 굴곡형 또는 이들의 조합일 수도 있다. 선택된 블레이드(88)의 형태는 블레이드(88)의 크기와, 블레이드(88)를 제조하는데 사용된 물질에 의해 나타난다. 상기 블레이드(88)는 금속, 알루미늄, 티타늄, 강철, 탄소섬유 복합물, 섬유유리 복합물, 나일론 복합물, 목재, 플라스틱, 이들의 화합물, 이들의 합금, 이들의 복합물, 또는 이들의 조합물을 포함하는 적절한 물질로 제조될 수 있지만; 이에 한정되지 않는다.
양호한 실시예에서, 상부 서브터널(61)의 상부 입구 단면적은 하부 서브터널(62)의 하부 입구 단면적 보다 적으므로, 대부분의 풍류(40)는 하부 서브터널(62)을 통과한다. 경험에 기초하면, 상부 입구 단면적이 하부 입구 단면적의 약 19% 내지 약 35% 사이의 범위에 속하는 최적의 범위를 발견할 수 있다. 양호한 실시예에서, 상부 입구 단면적은 하부 입구 단면적의 약 22% 내지 약 29% 범위에 속한다. 다른 실시예에서, 이러한 범위는 넓어질 수도 있으며, 실질적인 또는 최적의 범위 한계치는 사용된 회전자의 직경에 의존한다. 만일 회전자 직경이 크다면, 최적의 범위는 좁아진다(예를 들어, 13% 내지 약 18%). 이러한 최적의 범위는 회전자 관성과, 설정의 터빈 사용위치에서 예견되는 풍속에 의존한다. 회전자 직경 이 작다면, 하부의 최적 범위 한계치는 다른 실시예에서는 약 20%가 된다. 이러한 최적의 범위에 영향을 끼치는 또 다른 요소는 주-입구 개구(54)의 단면적 크기이다.
입구 도관부(44)에서는 하부 서브터널(62)을 위해 하부 입구 단면적 보다 작은 하부 출구 단면적을 갖는 것이 바람직하다(예를 들어, 도3 참조). 이에 의해, 하부 서브터널(62)에서 블레이드(88)를 향해 이동하는 에어는 중간 도관부(46)에 유입될 때 압축될 수 있으므로, 블레이드(88)에서의 압력을 증가시킨다. 에너지 보존에 의해, 중간 도관부(46)에서 블레이드(88)를 타격할 때의 풍류(40)의 실속(失速)은 블레이드(88)에 대한 압력으로 전환된다. 블레이드(88)에서의 압력을 최대로 하고 출구 압력[출구 도관부(48)에서의]을 최소화하므로써, 블레이드(88)에 대한 압력편차는 최대로 되어, 동력을 더 많이 생성할 수 있게 되고 터빈 효율을 더욱 양호하게 한다.
도2 및 도3에 있어서, 중간 도관부(46)의 상부 내벽(91)과 하부 내벽(92)은 각각 원형의 평면 형태를 취한다. 중간 도관부(46)의 상부 및 하부 내벽(91, 82)을 위한 이러한 원형 평면 형태는 회전축선(84)에 중심이 잡히므로, 상부 및 하부 내벽(91, 92)과 이를 통과하는 블레이드(88) 사이의 클리어런스 간극(93, 94)이 최소화된다. 따라서, 상부 클리어런스 간극(93)은 블레이드(88)를 통과할 때 중간 도관부(46)의 상부 내벽(91)과 블레이드(88) 사이에 배치된다. 이와 마찬가지로, 하부 클리어런스 간극(94)은 블레이드(88)를 통과할 때 중간 도관부(46)의 하부 내벽(92)과 블레이드(88) 사이에 형성된다. 바람이 중간 도관부(46)내로 흐를 때 블 레이드(88)에 발휘되는 압력을 최대화하기 위하여, 상부 및 하부 클리어런스 간극(93, 94)을 최소화하는 것이 바람직한데; 그 이유는 본 발명의 실시예를 위한 터빈(30)은 주로 풍속을 블레이드(88)상의 압력으로 변환시켜 작동되는 것이 바람직하기 때문이다(예를 들어, 블레이드를 횡단하는 항력에 비해).
제1실시예의 평면도인 도5A에 있어서, 회전자(80)는 가상선으로 도시되어 있다. 도5A에 도시된 바와 같이, 도관(34)의 측부(41, 42)와 블레이드(88)의 측부 사이에는 측부 클리어런스 간극(170)이 제공된다. 바람이 중간 도관부(46)를 통해 흐를 때 블레이드(88)상에 발휘된 압력을 최대화하기 위하여, 상기 측부 클리어런스 간극(170)을 최소화하는 것이 바람직한데; 그 이유는 본 발명의 실시예를 위한 터빈(30)은 주로 풍속을 블레이드(88)상의 압력으로의 변환에 의해 작동되는 것이 바람직하기 때문이다.
매우 유사한 실시예에 있어서(예를 들어, 약 10 미터 이하의 회전자 직경을 갖는), 상부 및 하부 클리어런스 간극(93, 94)은 약 10mm 이하이며, 측부 클리어런스 간극(170)은 약 10mm 이하이다. 실제로, 상부 하부 클리어런스 간극(93, 94) 및 측부 클리어런스 간극(170)의 크기는 전형적으로 다른 요소들 보다 회전자 직경의 함수가 될 것이다. 회전자 직경이 증가함에 따라, 상부 및 하부 클리어런스 간극 및/또는 측부 클리어런스 간극(170)의 크기는 증가될 것이 요구된다. 클리어런스 간극(93, 94, 170)에 대한 실제 크기의 한계값은 전형적으로 예를 들어 제조 정밀도, 사용될 물질의 가요도, 사용될 물질의 열팽창/열수축 등을 포함하는(그러나, 이에 한정되지 않는다) 여러가지 요소에 의존할 것이다. 역으로, 회전자 직경이 감소되면, 상부 및 하부 클리어런스 간극(93, 94) 및/또는 측부 클리어런스 간극(170)의 크기는 감소된다. 상부 클리어런스 간극(93), 하부 클리어런스 간극(94), 측부 클리어런스 간극(170)의 크기는 양호한 실시예에서는 동일할 것이다. 예를 들어, 만일 회전자(80)가 약 3 미터 이하의 직경을 갖는다면, 상부 클리어런스 간극(93), 하부 클리어런스 간극(94), 측부 클리어런스 간극(170)은 각각 5mm 이하가 될 것이다. 다른 실시예에서, 만일 회전자(80)가 약 2 미터 이하의 직경을 갖는다면, 상부 클리어런스 간극(93), 하부 클리어런스 간극(94), 측부 클리어런스 간극(170)은 각각 약 3mm 이하가 될 것이다. 따라서, 양호한 실시예에 있어서, 클리어런스 간극(93, 94, 170)을 통과할 수 있는 풍류의 양은 무시할 수 있다[터빈(30)을 통과하는 풍류에 비해]. 상기 클리어런스 간극(93, 94, 170)은 더 작아질 수도 있지만, 일부 지점에서는 터빈(30)을 위한 높은 제조공차를 제공하기에는 비용면에서 효과적이지 않다.
도2 내지 도5B에 있어서, 제1실시예는 전기를 발생시키기 위해 사용되는 풍력 터빈(30)의 적용을 도시하고 있다. 제1실시예에서, 2개의 전기 발생기(101, 102)는 회전자 축(82)에 결합된다. 도3에 있어서, 발생기(102)중 하나는 회전자 축(82)에 대해 발생기(102)의 양호한 배치를 도시하기 위해 가상선으로 도시되어 있다. 양호한 형태에 있어서, 각각의 발생기(101, 102)는 회전자 축(82)의 각각의 단부에 회전가능하게 결합된다. 특히, 제1전력발생기(101)는 도관(34)의 제1측부(41)의 외측에 배치되며, 회전자 축(82)의 제1단부에 회전가능하게 결합된다. 따라서, 제1전력발생기(101)에서 제1발생기 회전자(도시않음)는 회전자 축(82)에 의해 구동될 때, 회전축선(84) 주위로 회전한다. 이와 마찬가지로, 제2전력발생기(102)는 도관(34)의 제2측부(42)의 외측에 배치되고, 회전자 축(82)의 제2단부에 회전가능하게 결합된다. 따라서, 제2전력발생기(102)에서의 제2발생기 회전자(도시않음)는 회전자 축(82)에 의해 구동될 때 회전축선(84)의 주위로 회전한다. 상기 제1 및 제2전력발생기(101, 102)는 회전자 축(82)에 평형화된 토오크 부하를 제공하기 위해, 또한 기계적으로 평형화된 구조체를 제공하기 위해, 동일한 크기(예를 들어, 동일한 중량, 칫수적으로 동일한 크기, 및 동일한 와트 출력)를 갖는 것이 바람직하다. 회전자 축(82)의 각각의 단부에 대칭으로 배치된 2개의 발생기(101, 102)를 보유함에 따른 장점으로는, 축(82)의 한쪽 단부에만 부착되어 있는 하나의 발생기로 동일한 양의 전력(출력 전력의 2배)을 발생할 동안, 축(82)에 발휘된 최대 응력은 절반으로 나뉜다는 점이다. 축상의 응력을 감소시키므로써, 물질의 선택이 광범위해지고, 구조적으로 요구되는 축(82)을 위한 물질의 양[즉, 비용 및/또는 축(82)의 중량]이 감소된다. 간단명료한 도시를 위하여, 발생기(101, 102)를 지지하기 위한 지지체 및 브래킷은 도시되지 않았다. 발생기(101, 102)를 적절히 지지하는데 요구되는 이러한 지지체 및 브래킷과 기타 다른 구조체는 본 기술분야의 숙련자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이다. 또 다른 실시예에서 발생기의 갯수는 적을 수도 있고 많을 수도 있으며, 이러한 발생기는 제1실시예에 도시된 바와는 상이하게 장착 및 연결될 수 있다.
도2 내지 도5B에 도시된 제1실시예의 도관(34)에 있어서, 주-입구 개구(54)는 입구 중심(즉, 주-입구 단면적의 중심)을 갖는 주-입구 단면적[길이방향 축 선(38)에 수직한]을 포함한다. 이와 마찬가지로, 주-출구 개구(56)는 출구 중심을 갖는 주-출구 단면적[길이방향 축선(38)에 수직한]을 포함한다. 양호한 실시예에 있어서, 주-입구 단면적의 크기는 주-출구 단면적의 크기와 동일하다. 예를 들어 도3에 도시된 바와 같이, 출구 중심은 회전축선(84) 및 길이방향 축선(38)에 대해 입구 중심 보다 높게 위치되는 것이 바람직하다. 출구 중심이 입구 중심 보다 높은 이러한 형태는 에어를 중간 도관부(46)의 외부로 흐를 수 있게 하고, 또한 하기에 서술되는 바와 같이 출구 도관부(48)에서 난류성 와류 패턴을 방지하거나 억제할 수 있기 때문에 바람직하다. 또한, 도관(34)은 등가의 장치를 제공하기 위해 길이방향 축선(38) 주위로 90°회전하거나 180°절첩된다.
길이방향 축선(38)에 평행한 출구 도관부(48)의 외측 상부면 부분(108)은 평탄한 형태를 취하는 것이 바람직하며, 또한 도2 및 도3에 도시된 바와 같이 주-출구 개구(56)에 인접하여 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 형태에 있어서, 외측 상부면 부분(108)은 길이방향 축선(38)에 대해 평행한 주-출구 개구(56)에서 터빈(30)의 상부를 횡단하여 오는 풍류(40), 양호하기로는 층류를 제공한다. 또한, 이러한 경우에서는 내측 상부면 부분(110)이 길이방향 축선(38)에 평행한 주-출구 개구(56)에 인접하여 배치되는 것이 바람직하다. 이것은 주-출구 개구(54)의 상부에서 도관(34)을 빠져나가는 에어와 주-출구 개구(56)에서 터빈(30) 위를 통과하는 풍류(40)에 대해 매칭되거나 이와 유사한 에어 흐름방향을 제공할 것이다. 만일 터빈(30)의 상부 위를 흐르는 풍류(40)가 주-출구 개구(56)를 벗어나서 흐르는 에어 보다 속도가 높다면(즉, 에너지가 더 많다면), 벤츄리 효과를 생성하게 되어 출 구 도관부(48)의 내측의 주-출구 개구(56)에 낮은 압력을 제공하여 도관(34)의 외부로 에어를 뽑아내는데 도움을 준다(마치 진공펌프처럼). 주-출구 개구(56)에서의 낮은 압력은 중간 도관부(46)의 하부 내벽에 배치되어 있는 블레이드(88)를 횡단하여 높은 압력편차를 생성하게 되어, 블레이드(88)상에 발휘되는 힘을 증가시킨다(즉, 더 많은 힘이 발생된다).
도2 내지 도5B에 도시된 제1실시예에서, 도관(34)은 예를 들어 시트 금속으로 구성된다. 따라서 이러한 경우에 내측면의 일부는 외측면과 동일한 형태 및 동일한 형상을 취한다. 시트 금속을 사용하면 제조의 용이성과, 낮은 제조단가와, 형상에 대한 융통성, 확장성, 내구성 등과 같은 장점을 포함하여, 여러가지 장점을 발휘하게 된다. 그러나, 다른 실시예에서(도시않음), 상기 도관(34)은 다른 물질과 다른 제조방법을 사용하여 형성될 수도 있다. 상기 도관(34)은 예를 들어 금속, 목재, 유리, 아크릴, 플라스틱, PVC, 섬유유리 복합물, 탄소섬유 복합물, 나일론 복합물, 이들의 복합물 및 이들의 조합물 등을 포함하여(이에 한정되지 않는다), 현재 알려져 있거나 또는 미래에 개발될 광범위한 구조적 물질로 형성될 수 있다.
길이방향 축선(38)에 평행한 출구 도관부(48)의 외측 바닥면 부분(112)은 평탄항 형태를 취하는 것이 바람직하며, 또한 도2 및 도3에 도시된 바와 같이 주-출구 개구(56)에 인접하여 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 형태에 있어서, 외측 바닥면 부분(112)은 길이방향 축선(38)에 대해 평행한 주-출구 개구(56)에서 터빈(30)의 상부를 횡단하여 오는 풍류(40), 양호하기로는 층류를 제공한다. 또한, 이러한 경우에서는 내측 바닥면 부분(114)이 길이방향 축선(38)에 평행한 주-출구 개구(56)에 인접하여 배치되는 것이 바람직하다. 이것은 주-출구 개구(56)의 바닥에서 도관(34)을 빠져나가는 에어와 주-출구 개구(56)에서 터빈(30)의 하부를 통과하는 풍류(40)에 대해 매칭되거나 유사한 에어 흐름방향을 제공할 것이다(예를 들어, 도3 참조). 만일 터빈(30)의 바닥 아래를 흐르는 풍류(40)가 주-출구 개구(56)를 벗어나서 흐르는 에어 보다 속도가 높다면(즉, 에너지가 더 많다면), 벤츄리 효과를 생성하게 되어 출구 도관부(48)의 내측의 주-출구 개구(56)에 낮은 압력을 제공하여 도관(34)의 외부로 에어를 뽑아내는데 도움을 준다(마치 진공펌프처럼). 주-출구 개구(56)에서의 낮은 압력은 중간 도관부(46)의 하부 내벽에 배치되어 있는 블레이드(88)를 횡단하여 높은 압력편차를 생성하게 되어, 블레이드(88)상에 발휘되는 힘을 증가시킨다(즉, 더 많은 힘이 발생된다).
상술한 바와 같이, 도관(34)의 측부(41, 42)를 위한 외측면은 평탄하고, 평면 형태를 취하며, 길이방향 축선(38)에 평행하다(예를 들어, 도4 및 도5B 참조). 이렇게 하였을 경우, 도관(34)의 측부(41, 42)[도관(34)을 벗어나서] 위로의 풍류(40)는 층류가 되고 대부분 막히지 않는다[예를 들어, 발생기(101, 102) 및 이와 연관된 지지부재(도시않음)를 제외하고](예를 들어, 도5B 참조). 이러한 경우, 주-출구 개구(56)에서 도관(34)의 측부(41, 42)를 횡단하는 풍류(40)는 자신의 속도를 대부분 유지하게 된다. 만일 도관(34)의 측부(41, 42)를 횡단하여 흐르는 풍류(40)가 주-출구 개구(56)의 외부로 흐르는 에어 보다 더 높은 속도를 갖는다면(즉, 에너지가 더 많다면), 벤츄리 효과를 생성하거나 또는 벤츄리 효과에 부가적 으로 기여하게 되어, 출구 도관부(48)의 내부에서 주-출구 개구(56)에 낮은 압력을 제공하여, 도관(34)으로부터 에어를 빼내는데 도움을 준다. 따라서, 도관(34)을 벗어난 풍류(40)는 제1실시예의 디자인 및 형상에 있어서 고려 대상이 된다. 목적중의 한가지는 도관(34)의 외부 위로 풍류(40)를 속도 유지를 최대로 하면서, 터빈(30)을 빠져나가는 에어와 동일하거나 또는 일반적으로 동일한 에어 흐름방향으로 흐르는 풍류(40)를 제공하는 것이며; 이에 의해, 터빈(30)으로부터 더 큰 동력 출력 및 더 높은 효율을 제공하는 것이다. 이러한 목적을 위하여, 제1실시예에서는 도관의 많은 내벽 및 외측면이 선택되도록 설계되었음을 인식해야 한다.
입구 도관부(44)의 외측 상부면 부분(116)은 길이방향 축선(38)에 평행하고, 평탄한 평면 형상을 취하며, 주-입구 개구(54)에 인접하여 배치된다(예를 들어, 도2와 도3 및 도5B 참조). 제1실시예는 예를 들어 시트 금속으로 제조되었기 때문에, 입구 도관부(44)에는 대응의 내측 상부면 부분(118)이 제공되며; 이러한 상부면 부분은 길이방향 축선(38)에 평행하고, 평탄한 평면 형상을 취하며, 주-입구 개구(54)에 인접하여 배치된다(예를 들어, 도3 참조). 제1실시예에서, 상부 서브터널 상부면 부분(120)은 도3에 도시된 바와 같이 상부 서브터널(61)의 형상에 영향을 끼치도록 제공된다. 제1실시예에서, 상부 서브터널 상부면 부분(120)은 예를 들어 중간 도관부(46)의 상부 내벽(91)과 동일한 시트로 형성된다. 또 다른 실시예에서(도시않음), 상부 서브터널 상부면 부분(120)은 중간 도관부(46)의 상부 내벽(91)과는 상이한 부재로 형성될 수도 있다.
입구 도관부(44)의 내측 바닥면 부분(124)과 길이방향 축선(38) 사이에는 예 리한 내측 바닥면 입구각(122)이 형성된다(예를 들어, 도3 참조). 상기 내측 바닥면 부분(124)은 평탄한 평면 형상을 취하며, 주-입구 개구(54)에 인접하여 배치된다. 이러한 예리한 내측 바닥면 입구각(122)은 입구 도관부(44)로 유입되는 빗물이 도관(34)의 외부로 배출될 수 있게 하는 등과 같은 여러가지 특징을 제공한다. 또한, 상기 입구각(122)[분할기(60)의 형상 및/또는 상부 서브터널 상부면 부분(120)의 형상과 함께]은 주-입구 개구(54) 보다 작은 중간부 입구(76)를 제공하는데 기여하므로, 주-입구 개구(54)로 유입되는 풍류(40)의 속도는 하나이상의 블레이드(88)와 만나는 중간부(46)에 도달하기 전에 증가된다. 일반적으로, 블레이드(88)에서의 높은 풍류 속도는 블레이드(88)에 대해 높은 압력을 생성한다(즉, 힘이 많다). 제1실시예에서(예를 들어 도3 참조), 입구 도관부(44)의 외측 바닥면 부분(128)은 길이방향 축선(38)에 대해 내측 바닥면 입구각(22)에서 경사져 있다. 그러나 다른 실시예에서(도시않음), 입구 도관부(44)의 외측 바닥면 부분(122)은 입구 도관부(44)의 내측 바닥면 부분(124)과는 상이한 각도로 경사져 있다(예를 들어, 별도의 부재 또는 상이한 절첩 부분에 의해 형성되므로써). 예를 들어 다른 실시예에서(도시않음), 입구 도관부(44)의 외측 바닥면 부분(128)은 길이방향 축선(38)과 평행할 수도 있다.
풍류가 도관(34)내로 흐를 때는[주-입구 개구(54)를 통해] 전형적으로 수평 방향일 것이다. 풍류가 중간 도관부(46)를 벗어날 때, 풍류의 방향은 회전하는 회전자(80)에 의해 변화될 것이다(즉, 상향으로 경사져서). 이러한 이유로 인해, 출구 도관부(48)를 상향으로 경사지게 하여 중간 도관부(46)의 외부로 흐르는 풍류 효율을 증가시키는 것이 바람직하다. 도3에서 중간 도관부(46)의 하부 내벽(92)의 아크 중앙 주위에는 풍속 벡터 다이아그램(130)이 도시되어 있다. 이러한 풍속 다이아그램(130)에 있어서, V1 은 중간 도관부(46)에 들어오는 풍속을 나타내고, V2 는 이러한 지점에서의 회전자 속도를 나타내며, V 는 V1 과 V2 가 조합된 속도를 나타낸다. 출구 도관부(48)(중간부 출구에 인접한)의 내측 상부면 부분(134)과 길이방향 축선(38) 사이에 형성된 내측 상부면 출구각(132)은 도3에 도시된 바와 같이 상기 조합된 속도 벡터(V)[중간 도관부(46)의 하부 내벽(92)의 아크 중앙에서]와 평행하다. 이러한 출구각(132)에서 출구 도관부(48)의 내측 상부면 부분(134)을 중간부 출구(78)에 인접하여 배치하면, 더욱 효과적으로 풍류를 중간 도관부(46)를 벗어나게 하는데 도움을 주어, 이러한 형태에 유리하게 작용한다. 실험에 따르면, 내측 상부면 출구각(132)에 대한(또는 일반적으로 경사진 출구 도관부에 대한) 최적 범위는 약 26°내지 약 39°인 것으로 밝혀졌다. 최적의 각도는 주어진 용도에 대한 회전자 직경에 의존할 것이다. 그러나 다른 실시예에서(도시않음), 중간부 출구(78)에 인접한 출구 도관부(48)의 내측 상부면 부분(134)은 길이방향 축선(38)에 평행한 상태를 포함하여, 기타 다른 각도로 배치될 수도 있다.
도3에 있어서, 외측 바닥면(138)[중간 및 출구 도관부(46, 48)가 도관(34)의 바닥을 따라 만나는]과 길이방향 축선(38) 사이에 형성된 외측 바닥면 천이각(136)은 내측 상부면 출구각(132)과 거의 동일하다. 그러나 다른 실시예에서(도시않음), 외측 바닥면 천이각(136)은 내측 상부면 출구각(132)과는 상이하다. 또 다른 실시예에서, 외측 바닥면(138)[중간 및 출구 도관부(46, 48)가 도관(34)의 바닥을 따라 만나는]은 예를 들어 오목형이나 볼록형 또는 둥근 모서리를 갖는 평탄한 평면 형상 등을 취할 수도 있다. 이와 마찬가지로, 또 다른 실시예에서 다른 부분이 도관(34)(내측 및/또는 외측)에서 만나는 기타 다른 모서리나 엣지는 둥굴게 형성될 수도 있고 굴곡형으로 형성될 수도 있다.
제1실시예에서, 출구 도관부(48)의 내측 바닥면 부분(142)과 길이방향 축선(38) 사이에는 도3에 도시된 바와 같이 예리한 내측 바닥면 출구각(140)이 형성된다. 제1실시예의 내측 바닥면 부분(142)은 평탄한 평면 형상을 취하는 2개의 서브부분(sub-section)을 갖는다. 다른 실시예에서(도시않음), 내측 바닥면 부분(142)은 오직 하나의 균일한 부분일 수도 있으며 및/또는 예를 들어 오목형, 볼록형 또는 굴곡형 등과 같이 기타 다른 형태를 취할 수도 있다. 굴곡된 천이부분(144)은 중간부 출구(78)에 배치되어, 도3에 도시된 바와 같이 출구 도관부(48)의 내측 바닥면 부분(142)과 중간 도관부(46)의 하부 내벽(92) 사이를 연결한다. 출구 도관부(48)에서 난류성 와류의 발생을 감소시키거나 방지하기 위해서는 중간 도관부(46)와 출구부(48) 사이에서 완만한 천이가 중요한 사항이다. 이러한 난류성 와류는 도관(34)을 벗어난 풍류[주-출구 개구(56)를 통해]에 실질적인 저항을 생성하며, 이것은 터빈 효율을 상당히 감소시킨다. 또한, 완만한 천이는 풍류가 중간 도관부(46)로부터 해제될 때[블레이드(88)가 굴곡된 천이부분(144)을 지나 이동할 때] 점진적인 압력 감소를 제공한다. 다른 실시예에서는(도시않음) 굴곡형 천이부분(144)이 제공되지 않으며, 또는 이러한 굴곡형 천이부분(144)은 제1실시예 에 도시된 형태와는 상이한 형태(예를 들어 곡률반경이 상이한)를 갖는다. 또한, 만일 내측 바닥면 출구각(140)이 너무 크다면, 출구 도관부(48)의 바닥에는 터빈 효율을 유지하기 위해서는 피해야만 할 난류성 와류가 형성된다. 중간 도관부(46)를 빠져나가는 에어 흐름은 선회하는 것이 아니라(예를 들어 난류성 와류), 출구 도관부(48)(예를 들어 층류형태의 흐름을 제공하기 위해)의 내측 바닥면 부분(142)과 굴곡형 천이부분(144)에 고착되어 이를 따라 흐르는데, 그 이유는 이러한 형태의 흐름은 도관(34)을 빠져나온 바람에 대해 효과적인 흐름을 제공하기 때문이다.
제1실시예의 양호한 구조에 있어서, 중간 도관부(46)의 하부 내벽(92)과, 굴곡된 천이부분(144)과, 출구 도관부(48)의 내측 바닥면 부분(142)은 단일의 금속 시트로 형성된다. 그러나, 만일 윈드 터빈의 크기가 매우 크다면(예를 들어 직경이 10 미터, 20 미터, 또는 이 이상인 회전자), 단일의 시트로 이러한 부분(92, 144, 142)을 형성할 수는 없다(예를 들어, 사용할 수 있는 시트 금속의 크기에 대한 한계 및 /또는 제조장치에 대한 크기의 한계). 따라서, 일부 실시예에서 또는 일부 적용예에서, 상기 부분(92, 144, 142)은 별도의 부재로 형성될 수도 있다.
일부 실시예에서, 중간부 출구(78)의 중간부 출구 단면적은 주-출구 개구(56)에 대한 주-출구 단면적 보다 작다(예를 들어, 도3 참조).
입구 도관부(44)는 길이방향 축선(38)을 따라 제1길이(151)를 가지며(도3 참조), 출구 도관부(48)는 길이방향 축선(38)을 따라 제2길이(152)를 가지며, 중간부(46)는 길이방향 축선(38)을 따라 제3길이(153)를 갖는다. 여러 용도에 매우 유용한 제1실시예에서, 제1길이(151)[입구부(44)의]는 제2길이(152)[출구부(48)의]와 동일하며, 제3길이(153)[중간부(46)의]는 제1길이(151)의 약 2배 이다. 터빈(30)의 전체 길이를 가능한한 작게 하기 위하여(예를 들어, 공간적인 면을 고려하여, 바람과 대면한 용이한 피봇을 위하여, 저렴한 재료비를 위하여 등등) 일반적으로는 입구 도관부(44)의 길이[즉, 제1길이(151)]와 출구 도관부(48)의 길이[즉, 제2길이(152)]를 가능한한 짧게 할 것이 요망된다. 그러나, 터빈(30)을 통해 이동하는 바람의 양호한 유체역학을 위하여 제1길이 및 제2길이(151, 152)를 길게 할 것도 요망된다[예를 들어, 입구 도관부(44)에서 부드러운 수축 천이, 출구 도관부(48)에서 부드러운 팽창 천이]. 따라서, 상술한 제1 내지 제3길이(151, 152, 153)에 대한 양호한 비율은 실험을 통해 검사한 바와 같이, 이러한 상반된 디자인 요소들 사이에 양호한 평형을 제공한다. 그러나, 다른 실시예에서(도시않음), 이러한 비율은 상이할 수 있으며, 제1길이와 제2길이(151, 152)는 동일할 필요는 없다.
도4 및 도5B에 있어서, 터빈(30)[및 회전자 블레이드(55)의 폭(154)은 용도에 따라 변할 수 있다. 회전자 축(82)(예를 들어, 도4 및 도5B 참조)의 각각의 단부에 배치된 2개의 발생기(101, 102)가 사용되는 양호한 실시예에서, 터빈(30)에 대한 양호한 폭(154)은 회전자 직경의 약 1.5배 이다. 이러한 폭(154)은 스탠드(156)(예를 들어, 도5B 참조)의 직경내에서 발생기(101, 102)를 위한 공간을 제공하는 것이 바람직하다. 그러나, 다른 실시예에서 상기 터빈(30)은 제1실시예에 도시된 폭 보다 넓거나 좁을 수도 있다.
도2 내지 도5B에 도시된 바와 같이, 터빈(30)은 도관(34)을 지지하기 위하여[회전자(80) 및 발생기(101, 102)와 마찬가지로] 회전 스탠드(156)를 포함한다. 제1실시예에서, 제1지지스탠드 부분(157)은 도관(34)에 부착되어, 상기 도관(34)에 대해 고정된다. 제1지지스탠드 부분(157)은 제2지지부재(158)의 트랙내에 억제되어 있는 롤러 또는 휘일(159) 세트를 통해, 제2지지스탠드 부분(158)에 피봇가능하게 및/또는 회전가능하게 결합된다. 따라서, 제1지지스탠드 부분(157)[도관(34)과 회전자(80)와 발생기(101, 102)와 함께]은 제2지지스탠드 부분(158)에 대해 수직 축선 주위에서 피봇하거나 회전한다. 제2지지스탠드 부분(158)은 예를 들어 다른 목적물과, 다른 구조물과, 빌딩과, 또는 지면에 고정될 수 있다. 터빈(30)은 윈드 터빈(30)을 풍류(40)와 정렬시키는 자동제어 시스템(도시않음)에 의해 스탠드(156)에서 피봇/회전된다. 본 기술분야의 숙련자라면 터빈(30)을 지지하기 위해 스탠드(156) 또는 기타 다른 고정물(들)에 대한 변형이 가능함을 인식할 수 있을 것이다.
주-입구 개구(54)와 주-출구 개구(56)에는 안전 그릴(160)이 각각 장착되어 있다. 상기 안전 그릴(160)은 예를 들어 금속 와이어로 제조된 메시 스크린이다. 상기 그릴(160)은 예를 들어 금속, 알루미늄, 강철, 나일론 복합물, 이들의 조합물을 포함하여, 적절한 물질로 제조될 수 있지만; 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 블레이드(88)를 도관(34)내로 완전히 포위시키고, 그릴(160)을 개구(54, 56) 위에 배치하면 본 발명의 실시예에 대해 여러가지 장점을 제공하게 되는데, 이러한 장점으로는 터빈 근처에 있는 사람에 대한 안정성 증가, 사용중 터빈의 교체에 대한 다양성의 증가, 조류 또는 기타 다른 외부 이물질이 터빈내로 유입되는 것에 대한 방지 또는 억제 등이 포함되지만; 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 종래 디자인(예 를 들어 도1 참조)에 비해 본 발명의 실시예에 의해 제공된 안정성의 증가로 인해, 상기 터빈(30)은 전형적으로 터빈(30) 근처에 있을 동안 사람이나 동물을 위험에 빠뜨리지 않는다. 이것은 본 발명의 실시예의 설치 및 작동에 관한 광범위한 교체 옵션을 제공한다. 윈드 터빈을 사람이나 동물로부터 멀리 두기 위하여, 예를 들어 윈드 터빈을 높은 대좌(對坐) 또는 높은 포올 구조물에 장착하는 것이 아니라, 상기 터빈은 예를 들어 빌딩의 옥상 상부에, 지면에, 및/또는 시내의 빌딩들 사이에(예를 들어, 높은 빌딩들 사이에서 높은 바람이 발생되는) 설치될 수도 있다.
도6은 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력 터빈(30)을 도시한 측면도이다. 제2실시예는 기본적으로 제1실시예와 동일하지만, 회전자(80)가 4개의 블레이드(88)를 갖는다는 점이 다르다. 3개의 블레이드를 갖는 대신 4개의 블레이드를 가지므로써 발생되는 장점은 자동 시동이 더욱 용이하다는 점과, 자동 시동을 제공하기 위해 회전자의 정지 위치에 대한 주의가 적다는 점이다. 자동 시동은 터빈이 휴지위치에 있을 때 회전자(80)의 회전 위치에 관계없이, 단지 풍력만으로 자체시동될 수 있는 능력을 의미한다. 그러나, 3개의 블레이드를 사용하면 4개 또는 이러한 갯수 이상의 블레이드(88)를 사용하는 경우에 비해, 회전자(80)에 대한 중량이 가볍다는 점이다(즉, 시동을 위한 관성이 적다). 또한, 4개 이상의 블레이드를 사용하는 경우에 비해, 회전자의 제조 비용이 적게 소요된다. 또한, 회전자의 중량을 감소시키면, 베어링(도시않음)에서의 마찰이 적어지기 때문에 터빈 효율을 증가시킬 수 있다. 본 발명의 실시예는 주로 풍속을 항력이 아니라, 블레이드(예를 들어, 블레이드와 도관벽 사이의 최소 클리어런스 간극으로 인해)에 대한 압력으로 변환하는 것이기 때문에, 블레이드를 더 많이 사용하기 보다는(예를 들어, 8개, 10개, 12개, 30개), 블레이드를 적게 사용하는 것이 바람직하다(예를 들어, 2개, 3개, 4개, 5개).
제1실시예에서, 회전자 블레이드의 교체에 대한 대칭성과 중간 도관부(46)의 디자인 뿐만 아니라 상부 및 하부 서브터널(61, 62)을 제공하기 위한 분할기(60)의 사용 등과 같은 이 모든 사항은 회전자(80)의 정지 위치에 관계없이 자동 시동능력을 갖는 3개짜리 블레이드 회전자를 가질 수 있는 능력에 기여하게 된다. 이러한 특징은 터빈(30)의 자동 시동을 달성하는데 필요한 풍속의 레벨을 낮추는데 기여한다(예를 들어, 제1 및 제2실시예). 상부 서브터널(61)은 여분의 풍류(40)를 회전자 블레이드(88)에 접하는 방향으로 지향시키며, 이것은 터빈의 구동에 있어 상부 서브터널(61)에 의한 여분의 풍류에 대한 기여도를 최대화시킨다. 또한, 풍류(40)를 상부 서브터널(61)로부터 하방 방향으로 지향시키므로써(예를 들어, 도3 참조), 하부 서브터널(62)을 빠져나오는 바람의 흐름이 회전자(80)를 위한 정상 회전방향에 대해 상향으로 흐를 가능성을 감소시키거나 최소화시킨다. 이것은 낮은 풍속에서 윈드 터빈(30)의 시동에 상당한 도움을 제공한다. 다른 실시예에서(도시않음)는 입구 도관부(44)에 2개 이상의 서브터널이 제공될 수도 있음을 인식해야 한다.
도3 및 도6에서는 용이한 자동 시동을 제공하면서 회전자(80)가 정지되는 넓은 각범위를 제공하므로써(즉, 시동 개시에 필요한 풍속) 자동 시동을 제공하는데 도움을 주기 위해, 중간 도관부(46)(상부 및 하부)의 내벽의 연장된 평탄부(162)가 제공된다. 상기 연장된 평탄부(162)는 회전자(80)가 단지 3개의 블레이드(88)를 갖는 제1실시예의 경우에 특히 유리하다.
제1실시예의 전형적인 사용중, 주-입구 개구(54)내로 흐르는 바람은 분할기(60)(예를 들어, 도3 참조)에 의해 2개의 부분으로 분할된다. 도관(34)에 유입되는 바람의 대부분은 하부 서브터널(62)을 통해 중간 도관부(46)내로 지향되어 회전자(80)의 블레이드(88)에 대해 가압되므로써, 회전자(80)가 회전축선(84) 주위로 회전되게 한다. 도관(34)에 유입되는 바람의 또 다른 부분은 하부 서브터널(62)을 통해 흐르는 바람과는 상이한 각도로, 상부 서브터널(61)을 통해 중간 도관부(46)로 지향된다(예를 들어, 도3 참조). 상부 서브터널(61)로부터의 바람은 회전자를 회전시키기 위해, 회전자(80)의 블레이드(88)에 대해 가압된다. 회전자(80)가 회전축선(84) 주위로 회전함에 따라, 회전자 축(82)은 2개의 발생기(101, 102)를 구동시킨다. 상기 2개의 발생기(101, 102)는 제1실시예에서는 축(82)에 직접 결합되는 것으로 도시되었지만, 다른 실시예에서 상기 발생기(들)는 회전자 축에 간접적으로 결합될 수도 있다(예를 들어, 벨트 및 기어를 통해). 발생기 회전자가 터빈 회전자(80)에 의해 회전 및 구동됨에 따라, 발생기(101, 102)는 전력을 생성하며, 이러한 전력은 현재의 전기사용 또는 미래의 전기사용을 위해 전력 그리드, 저장 배터리, 또는 기타 다른 장치로 전송된다.
도7 및 도8은 본 발명의 제3실시예에 따른 풍력 터빈(30)의 측면도이다. 제3실시예에서는 2개의 블레이드(88)가 사용되었다. 이러한 형태는 상술한 바와 같은 조건하에서 작동되지만, 자체 시동(또는 자동 시동)에는 어려움이 있다. 예를 들어, 도7 및 도8에 도시된 정지된 회전자 위치를 비교해 보자. 만일 회전자(80) 가 도7에 도시된 위치에서 정지된다면, 회전자(80)는 회전자가 도8에 도시된 위치에서 정지했을 때 보다, 더욱 양호하게 바람에 의해 자체 시동될 것이다. 도8에 도시된 회전자 위치에서, 바람은 회전자 블레이드(88)의 상부 및 바닥을 지나 흐름도록 허용되므로써, 평형 효과(즉, 무회전)를 제공한다. 도8에 도시된 위치에서 자체 시동되기는 어렵거나(즉, 매우 높은 풍속을 요구하거나) 또는 불가능하다. 이러한 문제점은 도8에 도시된 위치가 발생되지 않도록, 회전자(80)의 정지위치를 제어하므로써(예를 들어, 기계적으로 또는 전기적으로) 극복될 수 있다. 따라서, 회전자(80)의 정지위치를 도7에 도시된 위치로 제어하는 것이 바람직하다. 제3실시예의 자체 시동에 관한 단점을 극복하는 또 다른 방법으로는 회전자 축(82)에 결합된 외부 전원공급부(예를 들어, 모터로서 발생기를 순간적으로 사용하는 전기모터)에 의해 터빈(30)의 시동을 도와주는 것이다. 낮은 관성과 낮은 제조경비 등으로 인해, 3개 이상의 블레이드를 갖는 회전자 보다 블레이드가 2개인 회전자가 바람직하다.
본 발명의 실시예는 종래의 디자인에 비해 기타 다른 장점을 내포하고 있다. 본 발명의 실시예는 회전자(80)가 느린 속도로 회전하기 때문에 및/또는 회전자(80)가 예를 들어 도관(34)의 내부에 배치되기 때문에, 종래 디자인(예를 들어, 도1 참조)에 비해 작동시 많은 방음장치(quieter)를 갖는다. 제1실시예와 같은 본 발명의 실시예는 간단한 구조를 제공하므로(종래의 많은 디자인에 비해), 합리적인 비용으로 상당히 대형인 크기로 구축할 수 있다. 따라서, 상세한 디자인 또는 실질적인 실시예에서는 매우 간단하며(예를 들어, 베어링이 적고, 시트 금속을 사용 한다), 이에 의해 기계적 신뢰성의 증가라는 장점을 제공한다. 따라서, 신뢰성이 높으면 유지보수가 적다(예를 들어, 유지보수 비용이 적으며, 정지시간이 적다). 또한, 각각의 측부에 발생기(101, 102)를 갖는 평형화된 디자인으로 인해, 구조적 안정에 필요한 재료의 소모가 적고 확장성이 용이하다는 장점을 제공한다.
본 발명의 실시예가 설치 및 작동되는 여러 장소로는 예를 들어 하기와 같은 실시예(그러나, 이에 한정되지 않는다)가 있으며; 이러한 실시예로는 야외에, 언덕 상부에, 산 정상에, 언덕의 중턱에, 산 중턱에, 빌딩의 옥상에, 빌딩의 측부에, 레벨에 관계없는(예를 들어, 높은 빌딩들 사이) 빌딩들 사이에, 선박에, 연안 오일 굴착장치에, 수면(예를 들어, 호수, 강, 대양)상의 플랫포옴에, 저수탑이나 이에 인접하여, 유틸리티 라인 구조물에, 유틸리티 라인에 인접하여, 유틸리티 플랜트 구조물의 상부에, 화학 플랜트 구조물의 상부에, 저장탱크의 상부에, 댐의 상부에, 댐의 측부에, 다리의 하부에, 다리상에 등이 포함된다. 본 기술분야의 숙련자라면 본 발명의 실시예에 대한 기타 다른 대체 및/또는 적용을 인식할 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예 및 그 장점의 적어도 일부만 상세히 설명되었지만, 첨부의 청구범위에 의해 한정된 본 발명의 정신 및 범주로부터의 일탈없이 다양한 변화, 치환, 변경이 가능함을 인식해야 한다. 또한, 본 발명의 범주는 본 발명에 개시된 처리과정, 장치, 제조, 복물질의 조성, 수단, 방법, 단계 등에 한정되지 않는다. 본 기술분야의 숙련자라면, 본 발명의 설명, 현재 존재하거나 미래에 개발될 처리과정, 장치, 제조, 복합물의 조성, 수단, 방법, 단계 등으로부터 본 발명에 개시된 대응의 실시예가 본 발명에 따라 이용되었을 때, 동일한 기능을 실행하거나 또는 동일한 결과를 달성할 수 있음을 용이하게 인식할 수 있을 것이다. 따라서, 첨부의 청구범위는 이러한 처리과정, 장치, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법, 또는 단계의 범주내에 포함되어야만 한다.

Claims (32)

  1. 윈드 터빈 장치에 있어서,
    입구부와 출구부와 중간부를 가지며 장치의 길이방향 축선을 따라 연장되는 도관과,
    축과 블레이드를 가지며 상기 도관의 중간부에 배치된 회전자와,
    도관의 입구부가 분할기에 의해 분할된 상부 서브터널 및 하부 서브터널을 포함할 수 있도록, 상기 도관의 입구부에 배치된 분할기와,
    회전축선에 중심잡힌 원형의 평면 형태를 갖는 중간 도관부의 상부 내벽과,
    회전축선에 중심잡힌 원형의 평면 형태를 갖는 중간 도관부의 하부 내벽을 포함하며,
    상기 입구부는 길이방향 축선의 제1단부에 배치되고, 주-입구 개구를 가지며; 상기 출구부는 길이방향 축선의 제2단부에 배치되고, 주-출구 개구를 가지며; 상기 중간부는 입구부와 출구부 사이에 배치되고; 상기 입구부는 중간부를 통해 출구부에 유체가능하게 연결되며;
    상기 축은 중간부를 통해 회전축선을 따라 연장되고; 상기 회전자는 회전축선의 주위로 회전하며; 상기 길이방향 축선은 회전축선을 횡단하며; 상기 길이방향 축선과 회전축선 사이에 형성된 회전자 각도는 약 45°내지 약 135°이며; 장치가 풍류에 의해 작동될 때, 도관을 통해 바람이 흐르는 전체 풍류 방향과 길이방향 축선 사이에 형성된 길이방향 각도는 약 45°이하이며,
    상기 블레이드는 축으로부터 연장되고, 상기 도관의 중간부의 내부에 완전히 배치되며; 상기 상부 서브터널 및 하부 서브터널은 도관의 중간부의 중간부 입구내로 공급되며; 상기 중간부 입구는 길이방향 축선을 따라 중간부의 중간부 출구 보다, 주-입구 개구에 더욱 인접하게 배치되며; 상기 중간부 출구는 길이방향 축선을 따라 중간부 입구 보다, 주-출구 개구에 더욱 인접하게 배치되며,
    블레이드를 통과할 때 중간 도관부의 상부 내벽과 블레이드 사이에는 상부 클리어런스 간극이 배치되며; 상기 중간 도관부의 하부 내벽은 중간 도관부의 상부 내벽과 반대방향으로 대면하며; 블레이드를 통과할 때 중간 도관부의 하부 내벽과 블레이드 사이에는 하부 클리어런스 간극이 배치되며; 중간 도관부와 블레이드의 측부 사이에는 측부 클리어런스 간극이 배치되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분할기는 작은 선단부를 갖는 쐐기 형태를 취하고 있으며, 상기 선단부는 대향의 말단부 보다 주-입구 개구에 더욱 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  3. 제2항에 있어서, 상부 서브터널의 상부 입구를 위한 상부 입구 단면적은 상부 서브터널의 상부 출구를 위한 상부 출구 단면적 보다 넓으며; 상부 서브터널의 상부 입구는 상부 서브터널의 상부 출구 보다 입구부의 주-입구 개구에 더욱 인접하게 배치되며; 하부 서브터널의 하부 입구를 위한 하부 입구 단면적은 하부 서브 터널의 하부 출구를 위한 하부 출구 단면적 보다 넓으며; 하부 서브터널의 하부 입구는 하부 서브터널의 하부 출구 보다 입구부의 주-입구 개구에 더욱 인접하게 배치되며; 상부 및 하부 서브터널의 상부 및 하부 출구는 도관의 중간부로 공급되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  4. 제3항에 있어서, 상부 입구 단면적의 크기는 하부 입구 단면적의 약 19% 내지 약 35% 사이의 범위에 속하는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 회전자는 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 블레이드 갯수를 갖는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  6. 제1항에 있어서, 상부 클리어런스 간극은 약 10mm 이하인 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  7. 제1항에 있어서, 하부 클리어런스 간극은 약 10mm 이하인 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  8. 제1항에 있어서, 주-출구 개구를 위한 주-출구 단면적의 출구 중심은 회전축선 및 길이방향 축선에 대해, 주-입구 개구를 위한 주-입구 단면적의 입구 중심 보 다 높게 배치되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 주-출구 단면적은 주-입구 단면적과 동일한 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  10. 제1항에 있어서, 도관의 제1측부의 외측에 배치되고 축의 제1단부에 회전가능하게 결합되는 제1전력발생기와, 도관의 제2측부의 외측에 배치되고 축의 제2단부에 회전가능하게 결합되는 제2전력발생기를 부가로 포함하며; 상기 제1전력발생기의 제1발생기 회전자는 회전축선 주위로 회전하고, 제2전력발생기의 제2발생기 회전자는 회전축선 주위로 회전하는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  11. 제1항에 있어서, 출구 도관부의 외측 상부면 부분은 길이방향 축선과 평행하며, 상기 외측 상부면 부분은 평탄한 평면 형태를 취하며, 상기 외측 상부면 부분은 주-출구 개구에 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  12. 제1항에 있어서, 출구 도관부의 외측 바닥면 부분은 길이방향 축선과 평행하며, 상기 외측 바닥면 부분은 평탄한 평면 형태를 취하며, 상기 외측 바닥면 부분은 주-출구 개구에 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  13. 제1항에 있어서, 도관의 외측면은 평탄한 평면 형상을 취하며 길이방향 축선 에 평행한 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  14. 제1항에 있어서, 입구 도관부의 외측 상부면 부분은 길이방향 축선과 평행하며, 상기 외측 상부면 부분은 평탄한 평면 형태를 취하며, 상기 외측 상부면 부분은 주-입구 개구에 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  15. 제1항에 있어서, 내측 바닥면 입구각은 입구 도관부의 내측 바닥면 부분과 길이방향 축선 사이에 형성되며, 상기 내측 바닥면 입구각은 예각이며, 상기 내측 바닥면 부분은 평탄한 평면 형태를 취하며, 상기 내측 바닥면 부분은 주-입구 개구에 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  16. 제1항에 있어서, 내측 상부면 출구각은 출구 도관부의 내측 상부면 부분과 길이방향 축선 사이에 형성되며, 상기 내측 상부면 출구각은 예각이며, 상기 내측 상부면 부분은 평탄한 평면 형태를 취하며, 상기 내측 상부면 부분은 중간 도관부에 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  17. 제16항에 있어서, 내측 상부면 출구각은 약 26°내지 약 39°사이에 속하는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  18. 제1항에 있어서, 중간 도관부의 중간부 출구를 위한 중간부 출구 단면적은 주-출구 개구를 위한 주-출구 단면적 보다 작은 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  19. 제18항에 있어서, 내측 바닥면 출구각은 출구 도관부의 내측 바닥면 부분과 길이방향 축선 사이에 형성되며, 내측 바닥면 출구각은 예각인 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  20. 제19항에 있어서, 굴곡된 천이부분은 중간부 출구에 배치되어, 출구 도관부의 내측 바닥면 부분과 중간 도관부의 하부 내벽을 연결하는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  21. 제1항에 있어서, 도관에 부착된 제1지지스탠드 부분과, 상기 제1지지스탠드 부분에 피봇가능하게 결합된 제2지지스탠드 부분을 부가로 포함하며; 상기 제1지지스탠드 부분은 제2지지스탠드 부분에 대해 수직 축선 주위에서 피봇되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  22. 제1항에 있어서, 입구 도관부는 길이방향 축선을 따라 제1길이를 가지며, 출구 도관부는 길이방향 축선을 따라 제2길이를 가지며, 중간 도관부는 길이방향 축선을 따라 제3길이를 가지며; 상기 제1길이는 제2길이와 동일하고, 제3길이는 제1길이의 약 2배인 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  23. 제1항에 있어서, 출구 도관부의 내측 상부면 부분은 길이방향 축선과 평행하고, 상기 내측 상부면 부분은 평탄한 평면 형상을 취하며, 상기 내측 상부면 부분은 주-출구 개구에 인접하여 배치되며; 출구 도관부의 내측 바닥면 부분은 길이방향 축선 및 내측 상부면 부분과 평행하고, 내측 바닥면 부분은 평탄한 평면 형상을 취하며, 상기 내측 바닥면 부분은 주-출구 개구에 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  24. 제1항에 있어서, 길이방향 축선은 약 0°이고, 회전자 각도는 약 90°인 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  25. 제1항에 있어서, 측부 클리어런스 간극과 상부 클리어런스 간극과 하부 클리어런스 간극은 동일한 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  26. 제1항에 있어서, 측부 클리어런스 간극은 약 10mm 이하인 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  27. 윈드 터빈 장치에 있어서,
    입구부와 출구부와 중간부를 가지며 장치의 길이방향 축선을 따라 연장되는 도관과,
    축과 블레이드를 가지며 상기 도관의 중간부에 배치된 회전자와,
    도관의 입구부가 분할기에 의해 분할된 상부 서브터널 및 하부 서브터널을 포함할 수 있도록, 상기 도관의 입구부에 배치된 분할기와,
    회전축선에 중심잡힌 원형의 평면 형태를 갖는 중간 도관부의 상부 내벽과,
    회전축선에 중심잡힌 원형의 평면 형태를 갖는 중간 도관부의 하부 내벽과,
    회전축선 및 길이방향 축선에 대해 주-입구 개구를 위한 주-입구 단면적의 입구 중심 보다 높이 배치된, 주-출구 개구를 위한 주-출구 단면적의 출구 중심을 포함하며,
    상기 입구부는 길이방향 축선의 제1단부에 배치되고, 주-입구 개구를 가지며; 상기 출구부는 길이방향 축선의 제2단부에 배치되고, 주-출구 개구를 가지며; 상기 중간부는 입구부와 출구부 사이에 배치되고; 상기 입구부는 중간부를 통해 출구부에 유체가능하게 연결되며;
    상기 축은 중간부를 통해 회전축선을 따라 연장되고; 상기 회전자는 회전축선의 주위로 회전하며; 상기 길이방향 축선은 회전축선을 횡단하며; 상기 길이방향 축선과 회전축선 사이에 형성된 회전자 각도는 약 45°내지 약 135°이며; 장치가 풍류에 의해 작동될 때, 도관을 통해 바람이 흐르는 전체 풍류 방향과 길이방향 축선 사이에 형성된 길이방향 각도는 약 45°이하이며,
    상기 블레이드는 축으로부터 연장되고, 상기 도관의 중간부의 내부에 완전히 배치되며; 상기 분할기는 큰 말단부 보다 주-입구 개구에 더욱 인접하게 배치된 작은 선단부를 갖는 쐐기 형태를 취하며;
    상부 서브터널의 상부 입구를 위한 상부 입구 단면적은 상부 서브터널의 상부 출구를 위한 상부 출구 단면적 보다 넓으며; 상부 서브터널의 상부 입구는 상부 서브터널의 상부 출구 보다 입구부의 주-입구 개구에 더욱 인접하게 배치되며;
    하부 서브터널의 하부 입구를 위한 하부 입구 단면적은 하부 서브터널의 하부 출구를 위한 하부 출구 단면적 보다 넓으며; 하부 서브터널의 하부 입구는 하부 서브터널의 하부 출구 보다 입구부의 주-입구 개구에 더욱 인접하게 배치되며;
    상부 및 하부 서브터널의 상부 및 하부 출구는 도관의 중간부의 중간부 입구로 공급되며; 상기 중간부 입구는 길이방향 축선을 따라 중간부의 중간부 출구 보다 주-입구 개구에 더욱 인접하게 배치되며; 중간부 출구는 길이방향 축선을 따라 중간부 입구 보다 주-출구 개구에 더욱 인접하게 배치되며,
    블레이드를 통과할 때 중간 도관부의 상부 내벽과 블레이드 사이에는 상부 클리어런스 간극이 배치되며; 상기 중간 도관부의 하부 내벽은 중간 도관부의 상부 내벽과 반대방향으로 대면하며; 블레이드를 통과할 때 중간 도관부의 하부 내벽과 블레이드 사이에는 하부 클리어런스 간극이 배치되며; 중간 도관부와 블레이드의 측부 사이에는 측부 클리어런스 간극이 배치되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  28. 윈드 터빈 장치에 있어서,
    입구부와 출구부와 중간부를 가지며 장치의 길이방향 축선을 따라 연장되는 도관과,
    축과 블레이드를 가지며 상기 도관의 중간부에 배치된 회전자와,
    도관의 입구부가 분할기에 의해 분할된 상부 서브터널 및 하부 서브터널을 포함할 수 있도록, 상기 도관의 입구부에 배치된 분할기와,
    회전축선에 중심잡힌 원형의 평면 형태를 갖는 중간 도관부의 상부 내벽과,
    회전축선에 중심잡힌 원형의 평면 형태를 갖는 중간 도관부의 하부 내벽과,
    회전축선 및 길이방향 축선에 대해 주-입구 개구를 위한 주-입구 단면적의 입구 중심 보다 높이 배치된, 주-출구 개구를 위한 주-출구 단면적의 출구 중심과,
    도관의 제1측부의 외측에 배치되어, 축의 제1단부에 회전가능하게 결합되는 제1전력발생기와,
    도관의 제2측부의 외측에 배치되어, 축의 제2단부에 회전가능하게 결합되는 제2전력발생기를 포함하며,
    상기 입구부는 길이방향 축선의 제1단부에 배치되고, 주-입구 개구를 가지며; 상기 출구부는 길이방향 축선의 제2단부에 배치되고, 주-출구 개구를 가지며; 상기 중간부는 입구부와 출구부 사이에 배치되고; 상기 입구부는 중간부를 통해 출구부에 유체가능하게 연결되며;
    상기 축은 중간부를 통해 회전축선을 따라 연장되고; 상기 회전자는 회전축선의 주위로 회전하며; 상기 길이방향 축선은 회전축선을 횡단하며; 상기 길이방향 축선과 회전축선 사이에 형성된 회전자 각도는 약 45°내지 약 135°이며; 장치가 풍류에 의해 작동될 때, 도관을 통해 바람이 흐르는 전체 풍류 방향과 길이방향 축선 사이에 형성된 길이방향 각도는 약 45°이하이며,
    상기 블레이드는 축으로부터 연장되고, 상기 도관의 중간부의 내부에 완전히 배치되며; 상기 분할기는 큰 말단부 보다 주-입구 개구에 더욱 인접하게 배치된 작은 선단부를 갖는 쐐기 형태를 취하며;
    상부 서브터널의 상부 입구를 위한 상부 입구 단면적은 상부 서브터널의 상부 출구를 위한 상부 출구 단면적 보다 넓으며; 상부 서브터널의 상부 입구는 상부 서브터널의 상부 출구 보다 입구부의 주-입구 개구에 더욱 인접하게 배치되며;
    하부 서브터널의 하부 입구를 위한 하부 입구 단면적은 하부 서브터널의 하부 출구를 위한 하부 출구 단면적 보다 넓으며; 하부 서브터널의 하부 입구는 하부 서브터널의 하부 출구 보다 입구부의 주-입구 개구에 더욱 인접하게 배치되며;
    상부 및 하부 서브터널의 상부 및 하부 출구는 도관의 중간부의 중간부 입구로 공급되며; 상기 중간부 입구는 길이방향 축선을 따라 중간부의 중간부 출구 보다 주-입구 개구에 더욱 인접하게 배치되며; 중간부 출구는 길이방향 축선을 따라 중간부 입구 보다 주-출구 개구에 더욱 인접하게 배치되며,
    블레이드를 통과할 때 중간 도관부의 상부 내벽과 블레이드 사이에는 상부 클리어런스 간극이 배치되며; 상기 중간 도관부의 하부 내벽은 중간 도관부의 상부 내벽과 반대방향으로 대면하며; 블레이드를 통과할 때 중간 도관부의 하부 내벽과 블레이드 사이에는 하부 클리어런스 간극이 배치되며; 중간 도관부와 블레이드의 측부 사이에는 측부 클리어런스 간극이 배치되며; 제1전력발생기의 제1발생기 회전자는 회전축선 주위로 회전하며, 상기 제2전력발생기의 제2발생기 회전자는 회전축선 주위로 회전하는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  29. 윈드 터빈 장치에 있어서,
    입구부와 출구부와 중간부를 가지며 장치의 길이방향 축선을 따라 연장되는 도관과,
    축과 블레이드를 가지며 상기 도관의 중간부에 배치된 회전자와,
    회전축선에 중심잡힌 원형의 평면 형태를 갖는 중간 도관부의 상부 내벽과,
    회전축선에 중심잡힌 원형의 평면 형태를 갖는 중간 도관부의 하부 내벽과,
    도관의 제1측부의 외측에 배치되어, 축의 제1단부에 회전가능하게 결합되는 제1전력발생기와,
    도관의 제2측부의 외측에 배치되어, 축의 제2단부에 회전가능하게 결합되는 제2전력발생기를 포함하며,
    상기 입구부는 길이방향 축선의 제1단부에 배치되고, 주-입구 개구를 가지며; 상기 출구부는 길이방향 축선의 제2단부에 배치되고, 주-출구 개구를 가지며; 상기 중간부는 입구부와 출구부 사이에 배치되고; 상기 입구부는 중간부를 통해 출구부에 유체가능하게 연결되며;
    상기 축은 중간부를 통해 회전축선을 따라 연장되고; 상기 회전자는 회전축선의 주위로 회전하며; 상기 길이방향 축선은 회전축선을 횡단하며; 상기 길이방향 축선과 회전축선 사이에 형성된 회전자 각도는 약 45°내지 약 135°이며; 장치가 풍류에 의해 작동될 때, 도관을 통해 바람이 흐르는 전체 풍류 방향과 길이방향 축선 사이에 형성된 길이방향 각도는 약 45°이하이며,
    상기 블레이드는 축으로부터 연장되고, 상기 도관의 중간부의 내부에 완전히 배치되며;
    블레이드를 통과할 때 중간 도관부의 상부 내벽과 블레이드 사이에는 상부 클리어런스 간극이 배치되며; 상기 중간 도관부의 하부 내벽은 중간 도관부의 상부 내벽과 반대방향으로 대면하며; 블레이드를 통과할 때 중간 도관부의 하부 내벽과 블레이드 사이에는 하부 클리어런스 간극이 배치되며; 제1전력발생기의 제1발생기 회전자는 회전축선 주위로 회전하며, 상기 제2전력발생기의 제2발생기 회전자는 회전축선 주위로 회전하는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  30. 윈드 터빈 장치에 있어서,
    입구부와 출구부와 중간부를 가지며 장치의 길이방향 축선을 따라 연장되는 도관과,
    축과 블레이드를 가지며 상기 도관의 중간부에 배치된 회전자와,
    회전축선에 중심잡힌 원형의 평면 형태를 갖는 중간 도관부의 상부 내벽과,
    회전축선에 중심잡힌 원형의 평면 형태를 갖는 중간 도관부의 하부 내벽을 포함하며,
    상기 입구부는 길이방향 축선의 제1단부에 배치되고, 주-입구 개구를 가지며; 상기 출구부는 길이방향 축선의 제2단부에 배치되고, 주-출구 개구를 가지며; 상기 중간부는 입구부와 출구부 사이에 배치되고; 상기 입구부는 중간부를 통해 출구부에 유체가능하게 연결되며;
    상기 축은 중간부를 통해 회전축선을 따라 연장되고; 상기 회전자는 회전축선의 주위로 회전하며; 상기 길이방향 축선은 회전축선을 횡단하며; 상기 길이방향 축선과 회전축선 사이에 형성된 회전자 각도는 약 45°내지 약 135°이며; 장치가 풍류에 의해 작동될 때, 도관을 통해 바람이 흐르는 전체 풍류 방향과 길이방향 축선 사이에 형성된 길이방향 각도는 약 45°이하이며,
    상기 블레이드는 축으로부터 연장되고, 상기 도관의 중간부의 내부에 완전히 배치되며;
    블레이드를 통과할 때 중간 도관부의 상부 내벽과 블레이드 사이에는 상부 클리어런스 간극이 배치되고, 상기 상부 클리어런스 간극은 약 10mm 이하이며; 상기 중간 도관부의 하부 내벽은 중간 도관부의 상부 내벽과 반대방향으로 대면하며; 블레이드를 통과할 때 중간 도관부의 하부 내벽과 블레이드 사이에는 하부 클리어런스 간극이 배치되고, 상기 하부 클리어런스 간극은 약 10mm 이하이며; 상기 블레이드의 측부와 중간 도관부 사이에는 약 10mm 이하의 측부 클리어런스 간극이 배치되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  31. 제30항에 있어서, 상기 회전자는 약 2 미터 이하의 직경을 가지며, 상부 클리어런스 간극은 약 3mm 이하이고, 하부 클리어런스 간극은 약 3mm 이하이며, 각각의 측부 클리어런스 간극은 약 3mm 이하인 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
  32. 제30항에 있어서, 상기 회전자는 약 3 미터 이하의 직경을 가지며, 상부 클 리어런스 간극은 약 5mm 이하이고, 하부 클리어런스 간극은 약 5mm 이하이며, 각각의 측부 클리어런스 간극은 약 5mm 이하인 것을 특징으로 하는 윈드 터빈장치.
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