KR20070024461A - 관절형 가상해저면 - Google Patents

Abstract

본 발명은 작동중에는 물살 안에 잠기는 수력 터빈(1)의 지지시스템에 관한 것으로, 물속에 잠겼을 때 터빈을 지지하기 위한 데크(3)를 포함하고, 이 데크는 고유 부력을 가져 터빈을 수면 위로 부상시키고자 할 때는 데크가 상승하는 것을 특징으로 한다.

Description

관절형 가상해저면{ARTICULATED FALSE SEABED}

본 발명은 물살 안에 잠겨서 물의 운동에너지로 구동되는 터빈을 지지하는 구조물에 관한 것이다.

본 출원인의 영국특허 GB2256011B, GB2311566B, GB2347976, GB2348250B, 영국특허출원 GB2396666, GB2400414에서 수력터빈에 관련된 구조에 대해 소개했는바: 로터는 바다나 강어귀의 물속에 설치되어 물살의 힘으로 터빈을 돌려 발전하곤 한다. 이런 목적으로 터빈을 어떻게 이용하고 이런 터빈을 지지하는 각종 구조물에 대해서는 이미 공지되었다.

특히, 본 발명은 물살에서 운동에너지를 추출하기 위한 터빈의 지지구조에 관한 것으로; 터빈을 하나만 지지하기도 하고 여러개 지지하기도 한다. 이들 터빈은 축류형이 바람직하지만, (다리우스 윈드터빈과 비슷한) 횡류터빈에도 적용할 수 있고, 터빈의 축은 수직으로나 수평으로 배치되되 물살 방향에 직각이고 모든 종류의 실용 운동에너지 변환장치이다.

본 발명의 터빈 지지체는 새로운 것은 아니지만 비용면에서 가장 경제적이고 효과적인 타입이 바람직하다.

터빈이나 운동에너지 변환장치는 수량에 의해 구동되고, 이런 수량으로부터 에너지를 추출하면 이곳을 통과하는 물살의 운동량이 감소되어 터빈에 큰 반작용 힘을 가하는데, 이것이 주로 물살 방향(수평방향)으로 작용하고 로터를 통과하는 평균속도의 제곱에 비례하는 추력으로 나타난다.

발명의 목적

본 발명의 주목적은 (바다나, 강이나 강어귀에 있는) 수력 터빈을 지지하기 위한 "관절식 가상해저면"이란 지지구조물을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 영국특허 GB2256011B, GB2311566B, GB2347976, GB2348250B, 영국특허출원 GB2396666, GB2400414에서 소개한 것과 같은 수력터빈을 지지할 수 있는 지지물을 제공하는데 있다. 그러나, 수력에 의해 동작하여 발전용 발전기나 펌프나 압축기 등으로 사용할 수 있는 모든 종류의 터빈에 본 발명을 적용할 수 있다. 이런 터빈의 종류는 아래와 같다:

- 축류형(축이 유속방향에 일치하는 터빈)

- 횡류형(축이 유속방향에 직각인 터빈)

어떤 종류이든 이런 터빈은 해상에 있든 강에 있든 완전히 물 밑으로 잠긴다. 요컨대, 모든 활동부품들이 정상 동작모드에서는 완전히 물에 잠긴다.

그러나, 본 발명의 중요한 목적은 회전날개와 기타 중요한 움직이는 부분(전동기 등)을 수면 위로 올려서 유지보수나 수리나 교환을 위해 안전하게 접근할 수 있도록 하는 수단을 제공하는데 있다. "전동기"란 발전, 펌핑, 기타 유용한 목적을 위해 회전날개에 의해 구동되는 부분을 말하고; 대부분 발전기에 연결되어 회전비를 변화시키는 변속기나 기어박스를 말한다.

본 발명의 다른 목적은, 에너지를 만드는 회전날개를 통과하는 물살의 단면적을 가능한한 크게 하는데 있다(전체 에너지량이 회전날개에 의한 물살 단면적에 비례하기 때문). 또다른 목적은 회전날개가 가장 빠른 물살과 접촉할 수 있도록 회전날개를 물살 안에서도 가능한 높이 설치하는 데 있는데, 이는 가장 빠른 물살이 위에 있기 때문이다. 따라서, 대부분의 경우 여러 대의 회전날개를 물살 방향에 직각으로 일렬로 배열한다. 그러나, 특수한 환경에서는 터빈이 하나만 있을 수도 있다.

또, 조류의 경우 간조와 만조시 서로 반대방향으로서 양방향이다. 따라서, 본 발명의 다른 목적은 강어귀 등 조류의 영향을 받는 곳에서는 양방향으로 흐르는 물살에 동일한 기능을 보일 수 있는 지지구조물과 터빈을 제공하는데 있다.

발명의 요약

본 발명에 의하면, 작동중에는 물살 안에 잠기는 수력 터빈 지지시스템에 있어서, 물살 안에 잠겼을 때 터빈을 지지하기 위한 데크를 포함하고, 이 데크는 고유 부력을 가져 터빈을 수면 위로 부상시키고자 할 때는 데크가 상승하는 것을 특징으로 하는 지지시스템을 제공한다.

본 발명의 두번째 특징에 의하면, 작동중에는 물살 안에 잠기는 수력 터빈의 지지시스템에 있어서, 물속에 잠겼을 때 터빈을 지지하기 위한 데크를 포함하고, 이 데크는 고유 부력을 가져 부력의 감소시 물속에서 데크를 상승시킬 수 있기 때문에, 터빈을 수면 위로 부상시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 지지시스템을 제공한다.

이 지지시스템의 데크의 위에서 본 단면은 직사각형이 바람직하다.

지지시스템에서, 데크의 표면이 위에서 보았을 때 평평하고 매끄러우며 직사각형이고 모서리는 라운드졌으며 가장자리는 약간 곡면형인 것이 바람직하다.

또, 데크에 설치된 터빈 바로 밑 부분의 데크 윗면이 평탄하고 매끄러워, 데크의 윗면을 흐르는 물은 강바닥이나 하저면의 굴곡지고 거친 표면을 흐르는 물에 비해 더 균일하게 흐르도록 하는 것이 바람직하다.

평평하고 매끄러운 표면은 지지구조물 기능을 하고, 터빈 바로 밑에 평평하고 매끄러운 표면을 제공하여 "가상 해저면"과 같은 기능을 하므로, 그 위를 흐르는 흐름을 자연 해저면 위를 흐르는 물에 비해 균일하게 하는 역할을 한다.

본 발명의 실시예를 자세히 설명하기 전에, 터빈이나 운동에너지 변환기를 수력으로 작동시켜 물에서 에너지를 뽑아내면 터빈을 지나는 물의 운동량은 감소하고, 이렇게 되면 터빈에 큰 반작용 힘이 가해져 결국 회전날개를 통과하는 수량의 평균속도의 제곱에 비례하는 추력이 생긴다는 사실을 알아두는 것이 좋다.

이 현상은 물에서 터빈으로 운동량이 전달되는데서 생기는 물리법칙의 결과이고, 사용되는 터빈의 종류에 상관없이 발생한다. 일반적으로, 터빈의 회전날개가 강력하고 효과적일수록 저항력도 크지만, 부하 손실로 인한 "런어웨이"와 같은 일정한 조건하에서는 터빈이 축에 많은 동력을 전달하지 않을 때에도 큰 추력이 생길 수 있다. 물론 이 상태는 회전날개를 제자리에 붙잡아두는 힘이 회전날개에 전달되어 이를 회전시키는 힘에 대한 반작용한다는 사실의 직접적인 결과인데, 회전력은 발전의 수단이 된다.

또, 이런 터빈은 난류, 파도, 전단속도(상하 속도변화), 와류 등의 현상에 의해 수많은 주기적인 부하에 노출되는데, 이런 현상 모두 지지구조물에 변동 피로하중을 부과한다. 이런 변동하중은 구조적으로 해결해야 한다. 따라서, 모든 터빈의 기본 조건은, 회전날개에 가해지는 정적인 힘과 동적인 힘 모두에 저항하는 강도를 갖는 구조물에 의해 에너지 추출 회전날개를 물살속에 단단히 제위치에 고정하는 것이다.

본 발명의 구조물은 다음과 같은 여러 조건을 만족해야 한다.

* 물살중에 지지구조물이 존재하여 생기는 흔적이 회전날개를 통과하는 물과 간섭하지 않거나 회전날개의 효율을 저하시키지 않아야 한다. 사실 구조물의 흔적이 회전날개를 완전히 피하는 구성을 취하는 것이 좋다.

* 이 구조물은 비용절감을 위해 가능한한 제작비용을 절감해야 한다.

* 지지구조물을 유속이 강한 곳에 설치할 때 실용적이고 경제적인 방법이 필요하다.

* 이 구조물 위에 터빈을 설치하는데 있어서는 물론 터빈과 관련 전동기에 쉽게 접근하여 필요할 때 수리나 교체를 쉽게 할 수 있는 실용적이고 경제적인 방법이 필요하다.

구조물의 수리나 교체나 해체를 위해 구조물을 분리하는 시설이 필요하다.

수력터빈용의 지지구조물에서 고려해야 할 사항은 다음과 같다:

첫째, 물의 속도는 깊이에 따라 변하고 수면 부근에서 속도가 최대이다. 반대로, 해저면이나 강바닥 근처의 물의 속도는 훨씬 느리다. 또, 바다, 강, 강어귀의 바닥면은 평탄하지가 않으므로 바닥면 부근에서는 물살이 끊어지고 난류가 많이 생기며; 바닥면이 불규칙하고 거칠수록 천천히 움직이는 난류층의 두께가 커진다.

둘째, 터빈의 회전날개를 이용해 물에서 운동에너지를 효과적이고 신뢰성 있게 추출하려면, 회전날개를 통과하는 물의 속도가 가능한한 일정하면서도 빠르고 가능한한 난류가 없어야 한다. 요컨대, 가장 빠르고 일정하면서 난류가 없는 물살중에 회전날개를 배치하고, 불규칙한 해저면이나 강바닥 위를 흐르는 물살에 회전날개를 배치하지 않도록 한다. 또, 극한적인 정적인 힘과 동적인 힘에 수년동안 버틸 수 있는 구조물에 터빈을 지지해야 한다.

셋째, (바다든 강이든) 물속에 잠긴 모든 장치는 보수, 수리, 교체 등을 위해 가끔 접근할 수 있어야 한다. 물살이 빠른 곳에서의 해저 작업은 다이빙 장비를 입은 인간이 하든 ROVs(Remotely Operated underwater vehicles)가 하든 아주 어렵고 불가능하기도 하다. 따라서, 본 발명이 해결해야 할 기본적인 문제는 유지관리가 필요한 모든 부품, 특히 터빈 회전날개와 이것에 의해 구동하는 전동기와 발전기에 접근하는 수단을 제공하는데, 이들 부품을 수면 위로 부상시키고 수면의 배에서 이곳에 접근하도록 함으로써 수중작업이 불필요하게 한다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대해 자세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 개념을 보여주고 터빈이 작동위치에 있을 때의 터빈 지지구조물의 측면도;

도 2는 도 1의 정면도;

도 3은 도 1, 2의 구조물의 터빈이 상승해 물에서 부상했을 때의 측면도;

도 4는 도 3의 정면도;

도 5는 본 발명의 개념을 구현하는 터빈설치 지지구조물의 두번째 실시예에서 터빈이 작동위치에 있을 때의 측면도;

도 6은 도 5의 구조물에서 터빈이 상승했을 때의 측면도;

도 7은 본 발명의 개념을 구현하는 터빈설치 지지구조물의 세번째 실시예에서 터빈이 작동위치에 있을 때의 측면도;

도 8은 도 7의 구조물에서 터빈이 상승했을 때의 측면도;

도 9는 본 발명의 개념을 구현하는 터빈설치 지지구조물의 네번째 실시예에서 터빈이 작동위치에 있을 때의 측면도;

도 10은 도 9의 구조물에서 터빈이 일부 상승했을 때의 측면도;

도 11은 도 9의 구조물에서 터빈이 완전히 상승했을 때의 측면도;

도 12는 본 발명의 개념을 구현하는 터빈설치 지지구조물의 다른 실시예에서 터빈이 작동위치에 있을 때의 측면도;

도 13은 도 12의 정면도;

도 14는 본 발명의 개념을 구현하는 터빈설치 지지구조물의 또다른 실시예에서 터빈이 작동위치에 있을 때의 측면도;

도 15는 도 14의 정면도.

도 1-4를 보면, 5개의 축류터빈이 각각 지지기둥(2)에 설치되어 있다. 5개의 기둥(2)은 평평한 날개모양의 가상해저면인 데크(3) 윗면에 나란히 설치된다.

본 발명에 관한한 이런 종류의 터빈은 중요치 않은데, 다리우스 횡류형 터빈 등과 같은 대체수단을 사용할 수 있기 때문이다. 평평한 날개형 플랫폼인 가상해저면인 데크(3)는 그 양단부 부근에 위치한 연결대(5)를 통해 해저의 고정대(6)에 연결된다. 이들 고정대(6)는 도시된 바와 같이 해저에 구멍을 뚫고 박은 말뚝이나 지반앵커 형태가 대부분이지만, 수평방향의 움직임을 충분히 방지하면서 해저에 고정될 수만 있으면 어떤 형태도 상관없다.

연결대(5)는 물살와 동일하거나 거의 비슷한 방향으로 배열되고 힌지조인트(7)를 통해 관련 고정대(6)에, 그리고 다른 힌지조인트(8)를 통해 가상해저면인 데크에 단단히 연결된다. 힌지조인트(7)는 연결대(5)를 해저(SB)에 대해 원호를 그리면서 수직으로 회전시킬 수 있기만 하면 핀이나 볼 형태 등 어떤 것도 가능하다. 조인트(8)는 경우에 따라 조인트(7)와 비슷하거나, 또는 후술하는 바와 같이 데크(3)에 연결대를 단단히 연결하는 구조일 수도 있다.

조인트(8)가 힌지, 핀 또는 볼 형태의 유연한 조인트일 때는 이것을 기계식으로 잠그도록 하여 잠금이 풀려야만 피봇할 수 있도록 한다. 조인트의 잠금에 대한 자세한 사항은 본 발명의 대상이 아니므로 더이상의 자세한 설명은 생략한다.

조인트(8)의 연결을 피봇 가능하게 하거나 잠글 수 있도록 하여 임시로 피봇 가능하게 하는 이유는 터빈(1)이 설치된 평평한 데크(3)가 물살와 회전날개의 상호작용에 의한 추력의 모멘트에 의해 연결대(5)에 대해 기울어지거나 회전하는 것을 방지하기 위해서이다.

가상해저면인 데크(3)와 터빈(1)을 위해 지지대(4)를 설치한다. 지지대는 해저(SB)에 일부가 파묻힐 수도 있고, 또는 해저에 단순히 얹힌 다음 마찰력 등으로 고정될 수도 있다. 도면에는 지지대가 하나만 도시되었지만, 2개 이상을 설치하는 것이 바람직하다.

관절식 조인트(7,8)를 이용하면 데크(3)를 도 1, 2의 위치에서 도 3, 4의 위치로 올릴 수 있다.

평평한 날개형 데크를 수면까지 올리는 방법이 도 1에 점선(10)으로 표시되었다. 도면을 보면 연결대(5)가 90도 회전함을 알 수 있다.

날개형 데크(3)의 전체 폭에 걸쳐 옆으로(즉, 물살 방향에 직각으로) 뻗어있는 지지대(4) 하나를 사용할 수도 있다. 이런 배열에서는 데크(3) 밑으로 물이 통과할 여지가 없어 그 위에 설치된 회전날개를 통과하는 물의 양은 증가시키는 장점이 있지만, 이런 구조물은 소형 말뚝형 지지대보다 설치하기가 훨씬 어렵다.

도 1, 2에 도시된 바와 같이, 도 1에 실선으로 표시된 작동위치로 데크(3)가 하강했을 때 데크를 해저 지지대(4)에 정확히 결합하기 위해 데크(3) 바닥에 쐐기형 키(9)를 설치한다.

도 2는 도 1의 시스템의 정면도로서, 5개의 양날형 축류터빈(1)을 설치했다. 터빈의 구조보강을 위해 터빈축과 같은 높이로 수평으로 연결대(1a)를 설치했지만, 이 연결대는 본 발명에서 필수적인 것은 아니다.

도 3, 4는 각각 도 1, 2와 동일한 측면도와 정면도이지만, 데크(3)가 수면으 로 상승한 위치를 나타낸다. 상승한 연결대(5)가 계선소 역할을 할 때, 관절 조인트(7,8)로 인해 파도에서 연결대(5)가 움직이면서도 시스템 전체가 물살의 영향에서 벗어나는 것은 방지한다.

터빈(1)이 설치된 평평한 날개모양 데크(3)를 올리는 방법은 부력을 이용하는 것이지만, 배에 설치된 크레인이나 윈치 등의 다른 수단을 이용할 수도 있다. 한편, 워터제트 등의 분사장치에서 나오는 작은 힘을 이용해 시스템의 터빈을 수면 바로 밑에 오도록 부력을 작용시킬 수 있으면, 수면의 배 위에 있는 크레인을 사용해 터빈을 수면 위로 올릴 수 있다.

데크(3)를 올리는데 부력을 이용하면, 부유구 안으로 물을 출입시켜 부력을 조절할 수 있고, 부력이 계속 작용할 경우에는 부력에 의한 상승력을 낮추는 수단이 필요한데, 이에 대해서는 뒤에 자세히 설명한다.

끝으로, 데크(3)에 연결된 관절형 연결대(5)는 시스템을 수면으로 상승시킬 때 물살의 항력을 최소화하도록 단면이 유선형인 것이 좋다.

도 5, 6은 지지대(4)를 강바닥이나 해저가 아니라 데크(3) 바닥면에 고정한 예를 보여준다. 이 경우, 지지대(4)는 도 5와 같이 하강했을 때는 해저면에 안착하도록 설계된다. 해저면은 대부분 표면이 불규칙하거나 거칠기 때문에, 데크(3)를 바닥에 안착시키기 위해 사용되는 지지대도 높이를 조정할 수 있도록 1-2m 정도 신축 가능하도록 하는 것이 좋다. 이렇게 조정하면 지지대를 2개 이상 사용할 경우 해저면의 굴곡면에 맞게 데크의 높이를 맞출 수 있다. 이런 조정장치가 도 5,6에는 도시되지 않았지만, 유압램, 기계식 스크루-잭, 스프링 등의 메커니즘을 이용해 쉽 게 구현할 수 있다.

데크(3)는 전술한 바와 같이 물을 채워서 가라앉고 물대신 공기를 채워서 상승하도록 할 수 있지만, 도 7, 8과 같은 다른 방법을 이용할 수도 있다. 여기서는 바닥에 박힌 지지대(4)에 케이블(10)을 연결한다. 케이블은 데크가 없거나 교체를 위해 철수했을 때 도 7과 같이 부표(11)에 매달린다. 데크(3)를 연결대(5)에 연결하면, 도 8과 같이 부유중의 데크(3) 안에 설치된 윈치(도시 안됨)에 케이블(10)을 연결하고 윈치를 돌려 시스템을 부력을 거슬러 해저로 당길 수 있다. 도 8에서 데크(3)는 해저(SB)까지 일부분만 당겨진 상태에 있고, 최종 위치는 점선으로 표시되어 있다.

도 8에 도시된 케이블을 연결대와 같은 단단한 부재나 체인으로 교체하여 사용할 수도 있다. 연결대를 사용할 경우, 랙-피니언이나 비슷한 장치를 이용해 연결대를 아래로 당겨 데크(3)를 상승시킨다.

도 9-11의 경우, 연결대(5) 끝을 데크(3)에 연결하고, 연결조인트(8)는 (앞에서 설명한) 핀이나 피봇 구조가 아니라 단단한 연결구조이고, 이 조인트는 분리될 수 있다.

도 9의 시스템은 도 1-4의 경우와 마찬가지로 해저나 강바닥에 박힌 지지대(4)에 얹혀져 작동위치에 있다. 도 10의 경우, 시스템이 각도를 이룬채 수면가지 상승했는데, 터빈은 수면 위로 나와있고 평평한 데크(3)는 수면에 나란히 연결대(5)에 연결되어 있다. 물살이 우측에서 좌측으로 흐르면 시스템의 상승을 돕지만, 반대의 경우 하강을 돕는다. 시스템의 부력이 중립 상태일 때는, 이 방법으로 시스템을 승강시키는데 필요한 힘을 만든다.

보수나 수리를 위해 시스템을 해체해야 할 경우, 연결대에서 시스템을 분리하는 수단을 이용한다(도 11 참조). 연결대(5)는 속이 비고 공기로 채워져 있어, 시스템을 재설치하거나 교체해야 할 때는 연결대를 위로 올려서 재연결하기가 쉽다. 한편, 연결대에 임시로 부표를 달아 해저나 강바닥으로 다시 하강시킬 수도 있다.

도 12, 13은 도 1-4와 비슷한 구조를 보여준다. 대부분 비슷하지만, 큰 차이점은 연결대(5)와 날개형 데크(3)가 대형 기초(12)에 연결되고, 기초는 해저면에 놓여있으므로, 해저면에 말뚝을 박거나 고정대를 설치할 필요가 없다. 기초는 콘크리트 등의 내구성은 좋으면서 저렴한 재료로 만들되, 그 중앙을 속이 비게 하여 현장까지 물에 띄워 견인할 수 있도록 한다. 속이 빈 중앙부는 제자리에 설치된 뒤 모래나 자갈(13)로 채워 안정성을 부여한다. 대형 기초를 제자리에 설치한 뒤, 연결대를 핀으로 데크(3)에 연결하면, 데크를 전술한 방법대로 수면으로 올릴 수 있다.

대형 기초는 단순히 중량과 마찰력만으로 해저면에 움직이지 않게 설치될 수도 있지만, 못 모양의 미늘(14)을 해저에 박거나 해저 고정물(도시 안됨)에 단단히 고정하는 것이 바람직하다.

끝으로, 도 14, 15의 경우는 말뚝 모양의 고정대(6)의 길이가 아주 길어 수면 위로 돌출한 경우이다. 이 경우는 시스템의 위치를 파악하기에 편하지만, 고정대를 다리나 부두의 일부분으로 만들면 수면 밑으로 두지 않고도 발전소를 설치할 가능성이 있다. 이 경우, 데크(3)가 하강 작동위치에 있을 때는 연결대(5)가 기울어져 있고, 시스템이 수면으로 올라갔을 때는 연결대가 수평이다. 전술한 다른 실시예와 마찬가지로, 지지대(4)는 해저면에 위치하거나 또는 데크(3)의 바닥면에 연결될 수 있다(도 5, 6 참조).

물론, 고정대(6)를 도 1과 14의 사이의 높이로 할 수도 있고, 이 경우도 본 발명의 범위에 속한다.

사실상 도면에 도시된 바와 같이, 대략 직사각형의 평평한 데크인 가상해저면의 길이가 길수록 더 많은 터빈을 윗면에 설치할 수 있다. 또, 물살 방향에 직각인 길이가 길수록 데크 윗면에 설치된 터빈을 가로지르는 수량이 많아진다. 사실상, 이 데크는 물살중에 떠있는 사각의 평평한 날개 모양을 닮고 그 위에 터빈이 일렬로 배열되어 있다. 터빈과 터빈이 작동시키는 전동기구는 직각으로 배치되어 데크(3)에 단단히 연결된 유선형 연결대에 의해 데크 위에 지지된다.

표면이 사각형인 데크의 단면(즉, 물살 방향에 평행한 단면)은 2가지 이유로, 즉 이곳을 지나는 물살에서 생기는 항력을 최소화하고 윗면을 지나 터빈을 통과하는 흐름에 난류를 최소화하기 위해 유선형이어야 한다. 표면이 유선형이려면, 물살 방향에 대해 표면의 전연부와 후연부를 날카롭게 하거나, 더 바람직하게는 잠수함이나 선박의 수중타나 비행기의 날개의 전연부처럼 좁으면서 라운드지게 하는 것이 좋다. (조류와 같이) 물살 방향이 주기적으로 뒤바뀌는 경우, 데크 표면은 어느 방향으로도 최소의 항력이 작용하도록 유선형으로 한다.

그러나, 앞에서 언급한 특허출원 GB2396666 "Water Turbine Support Structure"와 같은 방법으로, 데크 표면을 물살 방향에 평행한 단면으로 보았을 때 곡면형으로 하여, "전단속도"를 줄여 속도구배를 개선하고 또한 물살 방향을 데크 밑이 아닌 위로 흐르도록 하여 터빈을 통과하는 유량을 증가시키도록 이곳을 통과하는 물살을 가감속한다. 이런 개선을 위해, 직사각형 평탄면인 데크 단면을 경우에 따라서는 비대칭이나 캠버 형태로 한다(즉, 한쪽면은 볼록하게 하고 다른쪽 면은 오목하거나 평탄하거나 덜 볼록하게 한다). 이렇게 하면 항공기 날개나 선박 방향타와 마찬가지로 물살에 수직으로 상승력이 생긴다. 상승력이 생기므로, 유체역학자들이 직사각형 평탄면의 단면에 대한 "순환현상"으로 알고있는 현상이 생기고, 이를 이용해 데크 하부보다 상부를 흐르는 유량을 증가시킬 수 있고, 이때문에 터빈을 가로지르는 유속을 증가시켜 발전량을 늘릴 수 있다. 대부분의 경우 물살에 대한 입사각이 0도가 되는 익현선(전연과 후연을 연결하는 선)을 갖는 평평한 날개형 데크를 설치하지만, 그 입사각을 작은 각도로 하여 터빈을 통과하는 유량의 개선효과를 가져올 수도 있다.

이렇게 하여, 평평한 데크는 터빈을 지지하는 구조물의 기능은 물론, 터빈을 통과하는 유속을 증가시키고 균일하게 하여 성능과 효율을 종래에 비해 개선하는 효과도 갖는다.

본 발명의 모든 실시예에서 공통적인 것은, 데크를 지지대에 수평으로 설치하되 그 축선을 물살의 방향에 직각으로 하여 해저면 부근에 설치한다는 것이다. 이렇게 설치했을 때, 그 윗면을 따라 배열된 터빈 열은 회전날개가 물살방향에 직각이 되게 정렬되어 있어서 회전날개를 가장 효율적으로 작동시키도록 되어있다.

물살의 방향이 강에서와 같이 한방향이면, 일방향 터빈을 사용하지만, 물살이 조류와 같이 양방향이면 어느 방향의 흐름에도 작용하는 터빈을 사용해야 한다. 지금까지 효율이 가장 높다고 알려진 축류형 터빈에 대해 이를 구현할 가능성에 대해서는 전술한 GB2347976에서 소개한 것과 같이 180도로 블레이드 피치를 조절하면 된다.

윗면에 터빈이 배치된 날개모양의 데크는 터빈이 작동할 때 물살 방향으로 큰 추력을 받지만, 터빈이 멈춰있을 때에도 물살이 흐를 때마다 약간의 추력을 받는다. 이런 추력은 회전날개의 전체 표면적과 물살의 속도의 제곱에 비례한다. 따라서, 이들 추력에 의한 떨림이나 전복을 방지하는 수단이 필요하다. 해저면이나 강바닥의 고정대 사이를 연결하는 연결대를 하나 이상, 바람직하게는 2개, 경우에 따라서는 그 이상으로 설치하되, 물살 방향에 거의 평행하면서 날개형 평탄면의 긴 가장자리에 평행하게 배치하면 된다.

이를 위해, 평면에서 보아 날개형 데크의 축선이 물살 방향에 직각이 되게 설치하고 데크의 움직임이나 흔들림을 방지하는 연결대는 데크의 축선에 90도를 이루면서 수평하고 대칭으로 배열하여 물살 방향에 일치되게 한다. 각 연결대의 타단부는 해저면이나 강바닥에 박힌 고정대에 연결하거나, 또는 해저면에서 미끄러지지 않게 단단히 자리잡힌 대형 구조물에 연결한다.

또, 이런 연결대는 핀, 힌지, 볼 등에 의해 (데크의 가장자리와 고정대의 연결부에) 양단부가 연결되어 해저면의 고정대에 대해 최대 90도까지 회전할 수 있도록 한다.

윗면에 터빈이 분산되어 설치된 가상해저면인 데크를 실제해저면에 설치된 지지대에서 자유롭게 수면까지 상승시키는 것이 본 발명의 다른 특징인데; 상승시키는 방법은 데크의 부력을 이용하거나, 또는 크레인이나 윈치를 갖춘 선박에서 상승시키는 방법이 있다. 데크를 승강시키는 다른 방법은 부력이 거의 중립이 되도록 설계하여 비교적 작은 힘으로도 데크를 승강시킬 수 있도록 하는 것인데, 그 예를 들면 데크에 부착된 힌지식 플랩에서 생기는 인공 상승력을 이용하거나, 워터젯 등의 추진기를 이용해 승강시킨다. 워터젯 등의 추진기는 데크에 설치될 수도 있다. 부력이 중립이거나 충분한 중량을 갖는 경우, 데크에 잠금기구를 설치하여 터빈이 동작중인데도 데크가 불시에 상승하거나 움직이지 않도록 한다.

날개형 데크를 상승시킬 때, 전술한 연결대의 양단부에서 고정대에 대해 힌지운동이나 핀 운동이 일어난다. 연결대가 해저면에 고정된 고정대에 핀이나 힌지로 연결되어 있어서, 이들 힌지점이나 핀을 중심으로 고정대에 대해 연결대가 회전을 하게 되므로, 연결대가 수직일 때 연결대 타단부가 수면 위로 떠오르도록 연결대의 길이는 최대 수심보다 길어야 한다. 연결대가 회전하거나 상승할 때 물살에 의한 항력이 연결대에 작용하므로, 항력을 최소화하기 위해 연결대를 유선형으로 한다.

따라서, 날개형 데크는 이곳에 핀으로 연결된 연결대가 그리는 원호를 따라 상승하여 최종적으로는 수면 위로 부상한다. 이런 상태에서, 터빈이 수면 위에 있으므로 유지관리, 보수, 수리 또는 시스템 교체가 수중에 있을 때보다 훨씬 용이하다.

이상에서 알 수 있듯이, 본 발명은 다음과 같은 구성을 이룰 수 있다:

1. 강이나 바다의 물살 방향에 직각으로 일렬로 터빈을 배열하되 해저나 강바닥에 설치된 지지대에 얹혀져 지지 구조물을 이루는 수평 날개형 데크의 윗면에 터빈을 설치한다.

2. 터빈이 배치된 지지구조물인 데크는 물살 방향으로 배치된 하나, 바람직하게는 2개 (또는 그 이상의) 수평 연결대에 의해 흔들리거나 뒤집혀지지 않는데, 이들 연결대는 해저면이나 강바닥에 서치된 고정대에 연결된다.

3. 상기 연결대에 의해 데크가 회전하면서 상승하여 결국 수면에 도달할 수 있도록 연결대가 핀이나 힌지로 연결되는데, 데크가 수면 위로 떠오르면 터빈의 보수, 수리, 교체가 용이하다. 연결대는 상승했을 때 데크와 그 위의 터빈에 대한 계류장 역할도 하여, 조류가 흐를 때에도 이들을 제자리에 위치시킨다.

4. 전술한 데크의 물살 방향에 평행한 방향의 단면 형상은 (항력을 최소화하는) 유선형을 갖고 또 그 윗면을 흘러 터빈을 통과하는 유량을 증가시키는 형상을 갖는다. 이를 위해 데크 바로 위를 흐르는 유량을 가속시켜 전단속도를 줄이고 또한 그 밑을 흐르는 유량은 위로 흐르도록 방향전환시켜 터빈을 통과하는 유효속도를 증가시킨다.

Claims (19)

1. 작동중에는 물살 안에 잠기는 수력 터빈(1)의 지지시스템에 있어서:

   물속에 잠겼을 때 터빈을 지지하기 위한 데크(3)를 포함하고, 이 데크는 고유 부력을 가져 터빈을 수면 위로 부상시키고자 할 때는 데크가 상승하는 것을 특징으로 하는 지지시스템.
2. 작동중에는 물살 안에 잠기는 수력 터빈(1)의 지지시스템에 있어서:

   물속에 잠겼을 때 터빈을 지지하기 위한 데크(3)를 포함하고, 이 데크는 고유 부력을 가져 부력의 감소시 물속에서 데크를 상승시킬 수 있기 때문에, 터빈(1)을 수면 위로 부상시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 지지시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 데크(3)의 위에서 본 단면이 직사각형인 것을 특징으로 하는 지지시스템.
4. 제1항 내지 3항중의 어느 하나에 있어서, 상기 데크(3)의 표면이 위에서 보았을 때 평평하고 매끄러우며 직사각형이고 모서리는 라운드졌으며 가장자리는 약간 곡면형인 것을 특징으로 하는 지지시스템.
5. 제1항 내지 4항중의 어느 하나에 있어서, 상기 직사각형 데크(3)가 휘지 않 도록 구성된 것을 특징으로 하는 지지시스템.
6. 제1항 내지 5항중의 어느 하나에 있어서, 상기 데크(3)에 설치된 터빈(1) 바로 밑 부분의 데크 윗면이 평탄하고 매끄러워, 데크의 윗면을 흐르는 물은 강바닥이나 하저면의 굴곡지고 거친 표면을 흐르는 물에 비해 더 균일하게 흐르는 것을 특징으로 하는 지지시스템.
7. 제1항 내지 6항중의 어느 하나에 있어서, 상기 데크(3)의 일단부에 연결된 연결대(5)를 통해 해저면이나 강바닥에 박힌 고정대(6)에 데크가 피봇가능하게 연결되고, 터빈(1)을 물속에 잠기게 하기에 충분한 하강위치와 터빈을 수면 위로 부상시키는 상승위치 사이를 데크가 움직일 수 있을 정도의 길이를 연결대(5)가 갖는 것을 특징으로 하는 지지시스템.
8. 제7항에 있어서, 해저면이나 강바닥에 서있는 지지대(4)에 데크(3)를 얹어놓되, 데크(3)가 잠수했을 때는 강바닥이나 해저면 위로 적절한 높이에 고정되도록 하는 것을 특징으로 하는 지지시스템.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 데크(3)가 잠수된 위치에 있을 때 지지대(4)에 데크를 고정하기에 적합한 고정수단(9)이 데크 밑면에 형성된 것을 특징으로 하는 지지시스템.
10. 제7항 내지 9항중의 어느 하나에 있어서, 상기 연결대(6)용 고정대(6)가 강바닥이나 해저면에 박히는 말뚝이나 지반앵커를 포함하는 것을 특징으로 하는 지지시스템.
11. 제7항 내지 10항중의 어느 하나에 있어서, 상기 연결대(5)가 강바닥이나 해저면에 대해 수직으로 회전하는 관절운동을 할 수 있도록 연결대(5) 양단이 피봇조인트(7,8)를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 지지시스템.
12. 제7항 내지 11항중의 어느 하나에 있어서, 데크가 하강위치에 있을 때 작동중인 터빈에 대해 연결대가 물살 방향에 수평하게 배열되어 이런 물살에서 생기는 추력에 대항하도록 한 것을 특징으로 하는 지지시스템.
13. 제7항 내지 12항중의 어느 하나에 있어서, 상기 데크가 단면은 유선형이고 윗면은 볼록면이며 밑면은 평평하거나 오목하거나 볼록면이어서, 터빈의 회전날개를 통과하는 평균 유속을 증가시켜 결국 발전량을 개선하는 것을 특징으로 하는 지지시스템.
14. 제7항 내지 13항중의 어느 하나에 있어서, 터빈의 회전날개를 통과하는 난류를 줄이거나 상쇄하여 터빈의 에너지 효율을 개선하고 터빈의 회전날개에 걸리는 피로부하를 줄이기 위해 데크의 형태가 전단유속을 낮추도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 지지시스템.
15. 제7항 내지 14항중의 어느 하나에 있어서, 상기 지지대(4)의 높이를 조정할 수 있도록 하여 물속에 잠긴 데크(3)의 높이를 해저면 상태에 맞게 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 지지시스템.
16. 제7항 내지 15항중의 어느 하나에 있어서, 해저면 높이가 불균일할 때에도 지지대(4)의 높이를 조정하여 데크(3)의 높이를 일정하게 유지할 수 있도록 지지대를 2개 이상 배치하여 데크를 지지하는 것을 특징으로 하는 지지시스템.
17. 제7항 내지 16항중의 어느 하나에 있어서, 물에 잠긴 데크(3)를 지지하는 지지대(4)가 데크의 폭 전체를 가로질러 뻗어있어서, 데크(3) 밑으로는 물이 통과하지 못하고 데크를 향해 흐르는 물이 거의 다 데크 위를 흐르도록 함으로써, 터빈(1)을 통과하는 평균유속을 증가시키는 것을 특징으로 하는 지지시스템.
18. 제15항에 있어서, 상기 지지대가 안정성 향상을 위해 중량이 무거운 무게추 형태인 것을 특징으로 하는 지지시스템.
19. 제1항 내지 18항중의 어느 하나에 있어서, 상기 데크(3)가 중립의 부력을 갖 는 구조로 되어 있어서 해저면에 대해 승강되기 쉬운 것을 특징으로 하는 지지시스템.

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