KR20180022794A - 가이드 베인 조립체 - Google Patents

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Abstract

개시된 발명은 터빈과 함께 구성될 수 있고 내측 부분과 그 말단을 형성하는 외측 부분, 돛, 및 액추에이터 조립체를 구비하는 리그 구조체를 포함하는 가이드 베인 조립체이다. 돛은 리그 구조체에 결합되어, 충돌하는 유체의 흐름에 트로프를 제공하도록 형상화되며, 트로프는 리그 평면으로부터 형성된 깊이를 갖는다. 돛은 리그 구조체의 외측 부분으로부터 내측 부분을 향해 연장되고 배출구가 형성된 내측 단부에서 종료한다. 돛에 충돌하는 유체는 트로프에서 집중되어 배출구로부터 터빈을 향해 방향 전환된다.

Description

가이드 베인 조립체
본 발명은 일반적으로 수직 풍력 터빈을 포함하는 터빈과 함께 사용하기 위한 가이드 베인(guide vane) 조립체에 관한 것이다.
풍력 에너지는 고대부터 기계류에 전력을 공급하기 위해 사용되었다. 그 이후로 풍력과 같이 친환경적이고 재생 가능한 원천으로부터 전력을 생산할 필요성이 절실해지고 풍력 터빈이 전력 생산을 위해 개발되었다. 그렇지만, 풍력 발전은 시간과 지형에 따른 풍력 공급의 가변성으로 인해 상업적인 측면에서 좀처럼 성공하지 못했다. 일반적으로 풍속이 지속적으로 높은 지역에서 운영되는 풍력 터빈은 상업적으로 가장 실용적인 경향이 있지만 그러한 장소는 드물다.
다양한 풍력 터빈 설계가 다양한 시나리오 및 애플리케이션에서 사용하기 위해 개발되었다. 예를 들어, 풍력 설계는 풍력 베인의 블레이드(blades)가 수평 또는 수직으로 배치된 샤프트의 축선을 중심으로 회전하는지에 따라 분류될 수 있다. 수평축 풍력 터빈(HAWT)은 더 효율적이어서 더 일반적으로 배치되는 경향이 있는데, 이는 회전하는 동안 전체 사이클을 통해 에너지를 받도록 바람의 흐름 방향에 수직인 방향으로 블레이드가 회전하는 결과이다. 그러나 수평축 풍력 터빈은 타워 및 블레이드의 엄청난 높이, 크기, 무게 면에서 적어도 여러 가지 단점이 있으며, 이것은 설치, 운영 및 유지보수 비용이 매우 많이 든다. 또한, 바람에 대해 조심스럽게 위치 설정할 필요가 있으며 바람의 속도와 방향이 가변적인 조건에서는 잘 작동하지 않을 수 있다. 이러한 풍력 터빈은 또한 시각적인 면에서뿐만 아니라 야생 생물로부터 무선 신호의 전송에 이르기까지 잠재적으로 혼란을 일으킬 수 있다.
수직축 풍력 터빈(VAWT)은 본질적으로 덜 효율적인데, 이는 바람이 앞에서 불어올 때 블레이드가 회전 사이클의 일부분에서만 바람으로부터 에너지를 받기 때문이다. 사이클의 나머지 부분의 대부분 동안은, 블레이드는 실질적으로 바람의 흐름 방향에 대해 반대 방향으로 회전한다. VAWT의 효율을 향상시키기 위해 블레이드에 바람의 흐름을 보다 잘 안내하기 위한 가이드 베인의 사용이 공개되었다.
그러나 평평한 표면을 갖는 가이드 베인의 사용은 종종, 가이드 베인의 평평한 표면상에 충돌하는 바람의 일정한 양이 블레이드를 향한 의도된 흐름 방향으로부터 분산되는 결과를 초래한다. 따라서, 전술한 문제를 해결하기 위한 가이드 베인이 필요하다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 터빈과 구성 가능하고 그 말단을 형성하는 내측 부분 및 외측 부분을 갖는 리그 구조체, 돛, 및 액추에이터 조립체를 포함하는 가이드 베인 조립체가 개시된다. 상기 리그 구조체는 상기 내측 부분이 상기 외측 부분보다 상기 터빈에 더 근접하게 위치되는 리그 평면을 형성한다. 상기 돛은 상기 리그 구조체에 결합되고 충돌 유체의 흐름에 트로프를 제공하도록 형상화되며, 상기 트로프는 상기 리그 평면으로부터 형성된 깊이를 가진다. 상기 돛은 상기 리그 구조체의 외측 부분으로부터 상기 내측 부분을 향해 연장하고 배출구가 형성되는 내측 단부에서 끝난다. 상기 돛에 충돌하는 유체는 상기 트로프에서 집중되어 상기 배출구로부터 상기 터빈 쪽으로 다시 향한다. 상기 액추에이터 조립체는 상기 리그 구조체에 결합되고 상기 배출구에서 상기 돛의 부분이 고정된다. 상기 액추에이터 조립체는 상기 배출구에서 상기 트로프의 깊이를 변경하기 위해 상기 리그 평면 쪽으로 또는 상기 리그 평면으로부터 멀리 상기 돛의 내측 단부를 왕복 운동시키도록 작동 가능하다.
본 발명의 제2 측면에 의하면, 지지 구조체 및 복수의 가이드 베인 조립체를 포함하는 가이드 베인 구조체가 개시된다. 상기 지지 구조체는 구조체 축선이 그것의 길이 방향을 따라 연장하는 원통형 중공체를 형성한다. 상기 원통형 중공체는 내부에 복수의 회전자 블레이드를 포함하는 터빈을 수용하고, 상기 복수의 블레이드의 회전 축선은 상기 구조체 축선과 실질적으로 일치한다. 상기 복수의 가이드 베인 조립체는 상기 지지 구조체의 외측 부분을 따라 결합되고 상기 구조체 축선을 중심으로 공간적으로 분포된다. 상기 복수의 가이드 베인 조립체들 각각은 리그 구조체, 돛, 및 액추에이터 조립체를 포함한다. 상기 리그 구조체는 그 말단을 형성하는 외측 부분 및 내측 부분을 갖고, 상기 내측 부분이 상기 외측 부분보다 상기 터빈에 더 가깝게 위치된 리그 평면을 형성한다. 상기 돛은 상기 리그 구조체에 결합되고 충돌 유체의 흐름에 트로프를 제공하도록 형상화된다. 상기 트로프는 상기 리그 평면으로부터 형성된 깊이를 갖고, 상기 돛은 상기 리그 구조체의 상기 외측 부분으로부터 상기 내측 부분을 향해 연장하고 배출구가 형성되는 내측 단부에서 끝난다. 상기 돛에 충돌하는 유체는 상기 트로프에서 집중되고 상기 배출구로부터 상기 터빈 쪽으로 다시 향한다. 상기 액추에이터 조립체는 상기 리그 구조체에 결합되고 상기 배출구에서 상기 돛의 부분이 고정된다. 상기 액추에이터 조립체는 상기 배출구에서 상기 트로프의 깊이를 변경하기 위해 상기 리그 평면 쪽으로 또는 상기 리그 평면으로부터 멀리 위치 상기 돛의 상기 내측 단부를 위치 설정하도록 작동 가능하다.
도 1은 엔진과 함께 사용하기 위한 본 발명의 일 양태에 따른 가이드 베인 조립체의 예시적인 부분 정면도이고;
도 2는 도 1의 가이드 베인 조립체의 사시도이고;
도 3은 도 1의 가이드 베인 조립체를 A 측에서 본 경우의 부분 측 단면도이고;
도 4는 도 3의 가이드 베인 조립체의 상단 활대(top boom)에 결합된 돛(sail)의 부분 측단면도이다.
도 5는 도 3의 B-B 선에 따라 본 경우의 도 1의 가이드 베인 조립체의 부분 평면도이고;
도 6은 도 3의 B-B 선에 따라 본 경우의 도 1의 가이드 베인 조립체의 부분 평면도로서, 바람 흐름이 터빈의 회전자 블레이드 쪽으로 전환되는 것을 도시하며;
도 7은 터빈과 함께 사용하기 위한 가이드 베인 구조체를 형성하는 복수의 도 1의 가이드 베인 조립체의 사시도이고;
도 8은 도 7의 가이드 베인 구조체에서 복수의 가이드 베인 조립체를 지지하기 위한 지지 구조체를 도시하며;
도 9는 도 7의 가이드 베인 구조체와 함께 구성되는 케이지 내에 배치되는 회 전자 블레이드의 어레이를 도시하며;
도 10은 터빈과 함께 구성되는 경우의 도 7의 가이드 베인 구조체의 부분 평면도이며;
도 11은 도 7의 가이드 베인 구조체와 함께 구성된 경우의 복수의 가이드 베인 조립체 중 2개의 평면도이며, 터빈의 회전자 블레이드로 바람의 방향 전환을 도시한다.
본 발명의 예시적인 실시예인 가이드 베인 조립체(guide vane assembly)(20)가 도 1 내지 도 11을 참조하여 아래에서 설명된다. 가이드 베인 조립체(20)는 바람직하게는 유체 유동으로부터의 에너지를 기계적 운동으로 변환시키는 터빈(22)과 함께 사용된다. 터빈(22)은 유체 흐름, 예컨대 바람의 흐름으로부터 에너지를 얻기 위한 복수의 회전자 블레이드(24)를 포함한다. 유체 흐름으로부터의 에너지가 효율적으로 얻어지도록 하기 위해, 유체는 복수의 회전자 블레이드(24) 각각에 실질적으로 흐름의 직각 방향으로 제공될 필요가 있다.
바람직하게는, 가이드 베인 조립체(20)는 터빈(22)과 구성 가능한 리그(rig) 구조체(26) 및 돛(28)을 포함한다. 리그 구조체(26)는 그 말단을 형성하는 내측 부분(30) 및 외측 부분(32)을 구비한다. 리그 구조체(26)는 리그 평면(34)을 형성하고 내측 부분(30)이 외측 부분(32)보다 터빈(22)에 더 가깝게 위치한다. 돛(28)은 리그 구조체(26)에 결합되고, 충돌 유체의 흐름에 트로프(trough)(36)를 제공하도록 형상화된다. 충돌 유체는 바람, 물 또는 임의의 유형의 액체의 하나 또는 조합일 수 있다. 트로프(36)는 리그 평면(34)으로부터 정의된 깊이(40)를 갖는다. 돛(28)은 리그 구조체(26)의 외측 부분(32)에서 내측 부분(30)을 향해 연장되고 배출구(vent)(44)가 형성되는 내측 단부(inner edge)(42)에서 끝난다. 돛(28)에 충돌하는 유체는 트로프(36)에서 집중되어 배출구(44)로부터 터빈(22) 쪽으로 방향이 전환된다. 가이드 베인 조립체(20)는 리그 구조체(26)에 결합된 액추에이터 조립체를 더 포함하고 여기에 돛(22)의 배출구(44) 측 부분이 고정된다. 액추에이터 조립체는 배출구에서 트로프(36)의 깊이(40)를 변화시키기 위해 돛(22)의 내측 단부(42)를 리그 평면(34) 쪽으로 또는 리그 평면(34)으로부터 멀어지게 왕복운동 시키도록 작동 가능하다.
리그 구조체(26)는 리그 구조체(26)의 내측 부분(30)에 형성된 기둥(48) 및 기둥(48)으로부터 연장되는 한 쌍의 활대, 특히 제1 활대(boom)(50) 및 제2 활대(52)를 포함한다. 기둥(48)은 실질적으로 직립하고 실질적으로 수직인 배향을 가지며, 바람직하게는 적어도 하나의 단부에서 지지 구조체에 결합된다. 제1 활대(50) 및 제2 활대(52)는 기둥(48)을 따라 이격되어 있고, 각각은 기둥(48)에 거의 수직으로 리그 구조체(48)의 외측 부분을 향해 연장된다.
제1 활대(50) 및 제2 활대(52)의 각각은 서로 멀어지도록 각을 이루고, 각각은 기둥(48)과 제1 활대(50) 및 제2 활대(52)의 각각의 사이에서 연장되는 지지선들에 의해 지지되는 것이 바람직하다.
기둥(48), 제1 활대(50) 및 제2 활대(52)는 각각 트러스(truss) 구조물로 형성된다. 그러나 중실 코어(solid core), 중공 코어(hollow core) 또는 프레임 기반 구조를 갖는 다른 유형의 세장형 구조물이 기둥(48), 제1 활대(50) 및 제2 활대(52)를 형성 또는 구성하는데 사용되는 것을 배제하지 않는다. 예를 들어, 제1 활대(50)와 제2 활대(52)는 각각 삼각형 단면 형상을 갖는 트러스 구조물로부터 형성되며, 제1 활대(50) 및 제2 활대(52) 중 하나의 트러스 구조물의 삼각형 단면의 코너는 제1 활대(50) 및 제2 활대(52) 중 다른 하나의 트러스 구조물의 삼각형 단면의 코너를 향하여 내측으로 지향된다.
돛(28)은 제1 활대(50) 및 제2 활대(52)에 각각 결합된 상측 단부(56) 및 하측 단부(58)를 갖는다. 돛(28)은 제1 활대(50) 및 제2 활대(52)에 직접 결합될 수 있다. 대안으로, 리그 구조체(26)는 돛(28)의 상측 단부(56)가 슬라이딩 가능하게 결합되는 제1 돛대(mast)(60), 및 돛(28)의 하측 단부(58)가 슬라이딩 가능하게 결합되는 제2 돛대(62)를 더 포함한다. 이것은 돛(28)이 펼쳐진 상태에서 리그 구조체(26)의 내측 부분(30)을 향해 수축된 상태로 접힐 수 있게 한다. 바람직하게는, 제1 활대(50) 및 제2 활대(52) 각각은 굴곡을 허용하도록 구성된다. 따라서, 트러스 구조물에 대한 대안으로서, 제1 활대(50) 및 제2 활대는 제1 돛대(60) 및 제2 돛대(62)의 스윙(swing)을 허용하기 위해 금속 H/I 빔, 복합 세장형 부재(composite elongates) 또는 유사한 구조물로부터 구성될 수 있다.
상부 돛대(60) 및 하부 돛대(62) 각각은 펼쳐진 상태와 접힌 상태 사이에서 돛(28)의 전개를 제어하기 위해 풀리 라인(pulley-line) 조립체를 포함하거나 채용할 수 있다. 풀리 라인 조립체는, 각각의 풀리 라인 조립체에 운동을 전달 가능한 독립적인 상부 및 하부 크랭크에, 또는 공통 크랭크에 결합될 수 있다. 상기 크랭크는 수동 작동하거나 모터 작동될 수 있다.
상기 돛(28)은 가요성 재료, 예를 들어 직물, 데님(denim), 중합체, 셀룰로오스(cellulose), 금속 메쉬 또는 이들의 임의의 조합으로 형성된다. 돛(28)이 펼쳐진 상태에 있을 때, 트로프(36)의 깊이(40)는 리그 구조체(26)의 내측 부분(30)에 가까워질수록 증가한다.
액추에이터 조립체는 돛(28)의 내측 단부(42)가 결합되는 제어선(66) 및 윈치(winch)(64)를 포함한다. 윈치(64)는 제어선(66)에서 슬랙(slack)을 당기거나 풀어서 돛(28)의 내측 단부(42)를 리그 평면(34) 쪽으로 또는 멀어지게 변위시키는 것이다. 제어선(66)은 편조 케이블(braided cable), 테이프, 복합 케이블, 또는 높은 인장 강도를 갖는 유사한 선이 될 수 있다. 배출구(44)에서의 트로프 깊이(40)의 제어는 배출구(44)의 단면적을 제어할 뿐만 아니라, 리그 평면(34)에 대하여 돛(28)의 내측 단부(42)에 거의 수직으로 연장되는 중앙 축선(67b)을 따르는 돛(28)의 배출 각도(exhaust angle)(67a) 및 트로프(36)의 전개 가능한 체적을 변경시키는 역할을 한다.
가이드 베인 조립체(20)는 트로프(40)를 형상화하기 위해 돛(28)과 함께 형성된 복수의 보강재(stiffener)를 더 포함한다. 복수의 보강재 각각은 길쭉하며, 리그 구조체(26)의 외측 부분(32)으로부터 내측 부분(30) 쪽으로 돛(28)의 중앙부분(70)을 따라 공간적으로 상호 변위되며, 복수의 보강재 각각은 상기 한 쌍의 활대에 실질적으로 수직인 상태로 제공된다. 상기 복수의 보강재 각각은 돛(28)의 중앙부분(70)에 굴곡을 수용하고 굴곡을 부여하도록 탄성적으로 편향되어 형상화 및 형성된다.
제1 돛대(60) 및 제2 돛대(62) 각각은 리그 평면(34)에 비스듬하게 돛(28)의 일부 넘어 제1 돛대(60) 및 제2 돛대(62) 중 각각의 하나로부터 바깥쪽으로 연장되는 한 쌍의 플랜지(72)를 포함한다. 제1 돛대(60) 및 제2 돛대(62) 각각에서의 플랜지들(72)은 트로프(36)로부터 그쪽으로의 유체의 유출을 감소시키는 것이다.
제1 활대(50) 및 제2 활대(52)는 리그 구조체(26)의 내측 부분(30)에 인접하여 형성된 제1 축선(76) 주위로 터빈(22)에 관하여 리그 평면(34)의 베인 각도(74)의 변화를 가능하게 하도록 기둥(post)(48)과 회전 가능하게 결합된다. 특히, 베인 각도(74)는 터빈(22)의 외주를 에워싸는 기준 원의 접선으로부터 참조된다. 리그 구조체(26)는 예를 들어 리니어 모터 및 회전 모터와 같은 액추에이터, 및 제1 축선(76)을 중심으로 제1 활대(50) 및 제2 활대(52)에 변위를 전달하는 커플링 조립체를 포함한다. 커플링 조립체는 풀리 조립체, 병진운동 연결체(translational linkage), 그리고 상기 액추에이터와 제1 활대(50) 및 제2 활대(52) 사이에 개재하는 복수의 기어들 중 적어도 하나이다.
가이드 베인 조립체(20)는 기둥(48)이 결합되는 회전 가이드를 더 포함한다. 회전 가이드는 제2 축선을 중심으로 리그 구조체(26)를 선회 가능하게 안내하고 위치 설정하기 위한 것이다. 바람직하게는, 회전 가이드는 원형 액추에이터를 포함하며, 이것은 제2 축선을 중심으로 상기 회전 가이드를 따라 리그 구조체(26)를 변위시키기 위한 것이다.
가이드 베인 조립체(20)는 지지 구조체(102) 및 전술한 바와 같은 복수의 가이드 베인 조립체(20)를 포함하는 가이드 베인 구조체(100)를 구현하기 위한 것이다. 지지 구조체(102)는 길이 방향을 따라 연장되는 구조체 축선(106)을 갖는 원통형 공동(104)을 형성한다. 원통형 공동(104)은 복수의 회전자 블레이드(24)를 갖는 터빈(22)을 그 내부에 수용하기 위한 것이다. 복수의 회전자 블레이드(24)의 회전축은 구조체 축선(106)과 실질적으로 일치한다. 복수의 가이드 베인 조립체(20)는 지지 구조체(102)의 외측 부분(108)을 따라 그에 결합되고 구조체 축선(106)을 중심으로 공간적으로 분포된다.
지지 구조체(102)는 상부 환형 구조체(108), 하부 환형 구조체(110), 및 상부 환형 구조체(108)와 하부 환형 구조체(110) 사이에서 연장되고 이것들은 상호 결합하는 복수의 지주(112)를 포함한다. 일부 실시 예에서, 지지 구조체(102)는 원형 가이드 레일 상에 위치하여 구조체 축선(106)을 중심으로 지지 구조체(102)의 회전 변위를 가능하게 한다.
사용된 가이드 베인 조립체(20)의 수량 및 풍향에 기초한, 구조체 축선(106)을 중심으로 지지 구조체(102)의 변위는 돛(28)을 바람에 가장 잘 맞추어 흐름 사각지대를 회피하기 위해 미세 조정이 이루어질 수 있게 한다.
바람직하게는, 터빈(22)은 지지 구조체(102)와 일체로 형성되는 것이다. 터빈(22)은 복수의 회전자 블레이드(24)를 지지하기 위한 원통형 케이지(114)를 포함한다. 케이지(114)는 복수의 회전자 블레이드(24)의 각각이 그 길이방향을 기준으로 회전하는 것을 가능하게 하고 복수의 회전자 블레이드(24)의 각각의 배향을 제어하기 위해 개조된다. 케이지(114)는 지지 구조체(102)에 움직일 수 있게 결합되어 지지 구조체(102)와 캐로젤(carousel)로서 기능한다. 움직일 수 있는 결합은 지지 구조체(102)의 케이지(114)와 지지 구조체(102) 사이에 개재하는 마찰판을 포함하여 다양한 결합 장치를 통해 달성될 수 있다. 상기 마찰판은 케이지(114)에 결합된 휠(wheel) 쌍들의 어레이 각각의 사이에 배치된 환형 돌출부를 포함한다. 각각의 휠 쌍은 상기 마찰판의 환형 돌출부의 내부면 및 외부면 상에 탑재되어, 케이지(114)의 회전과 그에 따른 복수의 회전자 블레이드(24)의 이동을, 구조체 축선(106)을 중심으로 하는 특정 경로에 격리시키고, 또한 케이지(114)의 변위 이동에서의 워블(wobble)을 감소시킨다. 상기 휠 쌍들의 어레이의 각각의 휠은 바람직하게는 폴리머 재료로 형성되고 중실 코어 또는 공기로 채워진 코어를 갖는다. 케이지(114)는 터빈(22)으로부터 전달된 운동을 에너지(예를 들어 전기 에너지)로 변환하기 위해 유니버설 조인트를 통해 발전기에 연결된다.
바람직하게는 6개 내지 8개의 가이드 베인 조립체(20)의 어레이가 가이드 베인 구조체(100)에 채용될 수 있으며, 바람직하게는, 제1 축(76)이 구조체 축선에 실질적으로 평행한 상태로 구조체 축선(106)을 중심으로 등각도 간격으로 배열되어 터빈(22)에 대해 외측 가이드 베인(OGV: outer guide vane)으로 기능을 한다. 들어오는 바람의 방향에 기초하여, 가이드 베인 조립체들(20)의 어레이의 각각은 복수의 회전자 블레이드(24)에 배출하여 터빈(22)을 구동하기 위해 터빈의 바람이 불어오는 측에서 수용된 공기를 안내하고 형상화하는 역할을 할 수 있다.
복수의 회전자 블레이드(24) 각각은 바람 방향으로 돌출한 가이드 베인 조립체로부터 배출된 공기에 대해 최상의 블레이드 배향을 제공하기 위해 그 길이방향 축선을 중심으로 회전 가능하다. 터빈(22)의 바람이 불어 나가는 쪽에서는, 바람이 불어 나가는 쪽에 돌출한 가이드 베인 조립체(20)가 터빈(22)을 빠져 나가는 공기를 멀리 안내하여 회전자 블레이드(24) 상에 충돌하는 난류를 감소시킨다.
6개의 가이드 베인 조립체(20)를 이용하는 예시적인 구성에서, 가이드 베인 조립체들은 구조체 축선(106)을 중심으로 하는 지지 구조체(102) 상의 12시, 2시, 4시, 6시, 8시, 10시의 시계 각도 기준점에서 지지 구조체(102)로부터 밖으로 연장된다. 바람이 9시 방향에서 3시 방향으로 터빈의 방향으로 진행하면, 바람이 12시, 6시, 8시 및 10시 위치에서 가이드 베인 조립체(20)의 돛(28)에 충돌할 것이다. 평평한 표면을 갖는 통상적인 외측 가이드 베인의 사용시, 바람은 상기 외측 가이드 베인의 표면 상에 충돌할 때 저항이 가장 적은 경로를 취할 것이고 또한 회전자 블레이드(24)를 향하는 의도된 유동 방향으로부터 멀리 분산될 것이다. 그러나 가이드 베인 조립체(20)가 이용되는 경우, 바람은 모아져서 트로프(36)를 따라 그 안에 집중되며, 특정 실시예에서, 각각의 가이드 베인 조립체(20) 근위의 회전자 블레이드(24)의 선단부를 향하여 배출구(44)로부터 배출되는 동안 방향이 전환된다.
트로프(36)는 또한 그 내부의 공기 압력의 형성을 가능하게 하여 배출구(44)로부터 배출되는 공기의 질량 유량(mass flow rate)을 증가시킨다. 돛(28)의 상측 단부(56) 및 하측 단부(58)로부터 넘치는 공기를 감소시켜서 트로프(36)로부터의 압력 손실을 완화시키기 위해, 제1 돛대(60) 및 제2 돛대(62) 각각의 플랜지 쌍(72)에 의해 추가의 지원이 제공된다. 회전자 블레이드(24)들 각각은 그것의 선단부로부터 후단부로 그것의 줄을 따라 연장되는 고압 표면 및 저압 표면을 갖도록 형상화된다. 바람 또는 유체가 회전자 블레이드(24)의 선단부에서 후단부를 향해 지향될 때, 상기 저압 표면을 따라 저압 영역이 생성되며, 이것은 회전자 블레이드(24)에 양력을 제공한다.
따라서, 12시, 6시, 8시 및 10시 위치의 가이드 베인 조립체들에 의해 각각의 회전자 블레이드들(24)에서 지향된 공기의 질량 유량의 증가는 각각의 회전자 블레이드(24)에서 양력을 발생시키고, 이것은 이어서 터빈(22)을 회전시킬 것이다. 12시 및 6시 위치에서도, 거기에 위치된 가이드 베인 조립체들(20)은 리그 평면(34)에 수직으로 돛(28)에 충돌하는 바람을 터빈(22) 및 근위 회전자 블레이드들(24)의 선단부를 향하여 방향 전환을 할 수 있다. 이는 가이드 베인 조립체들(20)로부터 배출된 바람 또는 공기로부터 이익을 얻을 수 있는 회전자 블레이드(24)의 수를 증가시킨다.
배출구(44)에서의 트로프(36)의 홈 깊이(40)는 배출구(44)에서의 유출 영역을 변경시키기 위해 제어 가능하다. 유출 영역이 트로프(36) 내로의 공기 유입에 너무 작으면, 압력 형성이 배출구(44)로부터의 유출을 제한하고 차단할 것이다. 그러나 배출구(44)에서의 트로프(36)의 홈 깊이(40)가 너무 깊다면, 돛(28)의 내측 단부(42)는 그것에 인접하게 변위된 회전자 블레이드(24)와 충돌할 수 있다. 추가의 고려 사항은, 스톨(stalling)을 방지하기 위해 또한 최적의 가능한 양력 계수를 얻기 위해 회전자 블레이드(24)의 배향 및 터빈(22)을 기준으로 리그 평면(34)의 베인 각도(74)로 구성되어야 하는 배출구의 영역에서의 돛(28)의 배출 각도(66a)이다. 또한, 가이드 베인 조립체들(20) 각각의 베인 각도(74)에 대한 조정은 바람의 방향에서 인접한 가이드 베인 조립체들(20) 사이의 중첩을 감소시킬 것이다.
터빈(22)은 가이드 베인 조립체들(20)과 내측 가이드 베인들(120) 사이에 회전자 블레이드들(44)을 동심으로 개재시키기 위해 내측 가이드 베인들(120)을 더 포함한다. 바람이 12시, 6시, 8시 및 10시 위치의 가이드 베인 조립체들(20)로부터 각각의 회전자 블레이드들(44)을 통과하여 진행할 때, 바람은 먼저 내측 가이드 베인들(120)의 제1 부분에 의해 중심 공간으로 안내된 다음에, 내측 가이드 베인들(120)의 제2 부분을 가로질러 흘러서 2시와 4시 위치 사이에서 회전자 블레이드(44)를 향하도록 조향된다. 바람이 2시와 4시 위치의 가이드 베인 조립체들(20)을 향해 빠져나가기 전에 나머지 바람 에너지를 얻기 위해, 2시와 4시 위치 사이의 회전자 블레이드들의 선단부들이 내측 가이드 베인(120)에 제공된다.
2시 및 4시 위치의 가이드 베인 조립체들(20) 각각의 배출구(44)에서 트로프(36)의 홈 깊이(40)는 상당히 감소되어, 바람이 리그 구조체(26)의 내측 부분(30)으로부터 외측 부분(32)을 향해 돛(28)에 접근할 때 항력(drag)을 감소시킨다. 회전자 블레이드(44)에 항력을 초래할 수 있는 난류 또는 소용돌이를 감소시키기 위해, 2시 및 4시 위치의 각각의 가이드 베인 조립체(20)의 리그 평면(34)의 베인 각도(74)는 회전자 블레이드(44)를 빠져 나가는 바람의 흐름을 안내하도록 더욱 최적화될 수 있다.
본 개시의 특정 실시예는 기존 가이드 베인과 관련된 적어도 하나의 양태, 문제점, 제한, 및/또는 단점을 다룬다. 특정 실시예와 관련된 특징, 양태, 및/또는 장점이 본 개시에서 설명되었지만, 다른 실시예들도 그러한 특징, 양태, 및/또는 장점을 나타낼 수 있으며, 본 개시의 범위 내에 속하기 위해 모든 실시예가 반드시 그러한 특징, 양태, 및/또는 장점을 나타낼 필요는 없다. 상기 개시된 구조물들, 구성 요소들 또는 그 대안들 중 몇몇은 바람직하게는 대안적인 구조물들, 구성 요소들, 및/또는 응용들 내에 결합될 수 있음이 통상의 기술자에 의해 인식될 것이다. 또한, 본 개시의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 개시되는 다양한 실시예에 대해 다양한 수정, 변경 및/또는 개선이 이루어질 수 있으며, 본 개시의 범위는 다음의 청구 범위에 의해서만 제한된다.

Claims (21)

  1. 가이드 베인 조립체에 있어서,
    터빈과 구성 가능하고 그 말단을 형성하는 내측 부분 및 외측 부분을 가지며, 상기 내측 부분이 상기 외측 부분보다 상기 터빈에 더 근접하게 위치되는 리그 평면을 형성하는 리그 구조체;
    상기 리그 구조체에 결합되고 충돌 유체의 흐름에 트로프를 제공하도록 형상화되며, 상기 리그 구조체의 외측 부분으로부터 상기 내측 부분을 향해 연장하여 배출구가 형성되는 내측 단부에서 끝나는 돛; 및
    상기 리그 구조체에 결합되고 상기 배출구에서 상기 돛의 부분이 고정되며, 상기 배출구에서 상기 트로프의 깊이를 변경하기 위해 상기 리그 평면 쪽으로 또는 상기 리그 평면으로부터 멀리 상기 돛의 내측 단부를 위치 설정하도록 작동 가능한 액추에이터 조립체;
    를 포함하고,
    상기 트로프는 상기 리그 평면으로부터 형성된 깊이를 가지며,
    상기 돛에 충돌하는 유체는 상기 트로프에서 집중되어 상기 배출구로부터 상기 터빈 쪽으로 다시 향하는, 가이드 베인 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 충돌 유체에 의해 상기 트로프가 상기 리그 평면을 가로 질러 변위 가능하도록 상기 돛은 가요성 재료로 형성되는, 가이드 베인 조립체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 트로프의 깊이는 상기 돛이 상기 리그 구조체의 상기 외측 부분으로부터 상기 내측 부분을 향해 연장됨에 따라 증가하는, 가이드 베인 구조체.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액추에이터 조립체는 상기 돛의 내측 단부가 결합되는 제어선 및 윈치를 포함하고,
    상기 윈치는 상기 제어선에 슬랙을 느슨하게 하거나 당겨서 상기 돛의 내측 단부를 상기 리그 평면 쪽으로 또는 멀리 변위시키는, 가이드 베인 구조체.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 리그 구조체는:
    상기 리그 구조체의 내측 부분에 설치된 기둥; 및
    상기 기둥으로부터 연장되는 한 쌍의 활대;
    를 포함하는, 가이드 베인 구조체.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 돛이 상기 트로프를 형상화도록 형성된 복수의 보강재를 추가로 포함하는, 가이드 베인 구조체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 보강재들 각각은 세장형이고, 상기 리그 구조체의 외측 부분으로부터 내측 부분을 향해 상기 돛의 중앙 부분을 따라 공간적으로 상호 변위되고, 상기 한 쌍의 활대에 대해 실질적으로 수직인, 가이드 베인 구조체.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 활대들 각각은 돛대에 결합되고,
    상기 돛은 슬라이딩 변위되어 상기 리그 구조체의 내측 부분을 향해 접힐 수 있도록 상기 한 쌍의 활대들 각각의 돛대에 슬라이딩 가능하게 결합되는, 가이드 베인 구조체.
  9. 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 돛대 각각은 상기 리그 평면에 비스듬히 상기 돛대로부터 연장되는 한 쌍의 플랜지를 포함하여 상기 트로프로부터 상기 돛대 쪽으로의 유체의 배출을 감소시키는, 가이드 베인 구조체.
  10. 제 5 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 활대들 각각 및 상기 기둥은 트러스 구조물인, 가이드 베인 구조체.
  11. 제 5 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 활대는 상기 리그 구조체의 내측 부분에 인접하게 형성된 제1 축선을 중심으로 상기 터빈과 상기 리그 평면의 각도를 변경시킬 수 있도록 상기 기둥과 회전 가능하게 결합되는, 가이드 베인 구조체.
  12. 제 5 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 리그 구조체는 액추에이터와, 상기 액추에이터와 상기 한 쌍의 활대 사이에 개재되어 상기 제1 축선에 대한 변위를 전달하는 풀리, 병진운동 연결체 및 복수의 기어들 중 하나 이상을 포함하는, 가이드 베인 구조체.
  13. 제 5 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기둥이 결합되는 회전식 가이드를 추가로 포함하고,
    상기 회전식 가이드는 제2 축선을 중심으로 상기 리그 구조체를 선회시키는, 가이드 베인 구조체.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 회전식 가이드는 상기 제2 축선을 중심으로 상기 회전식 가이드를 따라 상기 리그 구조체를 변위시키는 원형 액추에이터를 포함하는, 가이드 베인 구조체.
  15. 가이드 베인 구조체에 있어서,
    구조체 축선이 길이 방향을 따라 연장하는 원통형 중공체를 형성하는 지지 구조체; 및
    상기 지지 구조체의 외측 부분을 따라 결합되고 상기 구조체 축선을 중심으로 공간적으로 분포된 복수의 가이드 베인 조립체;
    를 포함하고,
    상기 원통형 중공체는 내부에 복수의 회전자 블레이드를 포함하는 터빈을 수용하고, 상기 복수의 블레이드의 회전 축선은 상기 구조체 축선과 실질적으로 일치하며,
    상기 복수의 가이드 베인 조립체들 각각은,
    말단을 형성하는 외측 부분 및 내측 부분을 갖고, 상기 내측 부분이 상기 외측 부분보다 상기 터빈에 더 가깝게 위치되는 리그 평면을 형성하는 리그 구조체;
    상기 리그 구조체에 결합되고 충돌 유체의 흐름에 트로프를 제공하도록 형상화되는 돛; 및
    상기 리그 구조체에 결합되고 상기 배출구에서 상기 돛의 부분이 고정되며, 상기 배출구에서 상기 트로프의 깊이를 변경하기 위해 상기 리그 평면 쪽으로 또는 상기 리그 평면으로부터 멀리 상기 돛의 상기 내측 단부를 위치 설정하도록 작동 가능한 액추에이터 조립체;
    를 포함하고,
    상기 트로프는 상기 리그 평면으로부터 형성된 깊이를 가지며,
    상기 돛은 상기 리그 구조체의 상기 외측 부분으로부터 상기 내측 부분을 향해 연장하여 배출구가 형성되는 내측 단부에서 끝나고,
    상기 돛에 충돌하는 유체는 상기 트로프에서 집중되고 상기 배출구로부터 상기 터빈쪽으로 다시 향하는, 가이드 베인 구조체.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 터빈은 상기 지지 구조체와 일체로 형성되는, 가이드 베인 구조체.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 지지 구조체는:
    상부 환형 구조체;
    하부 환형 구조체; 및
    상기 상부 환형 구조체와 상기 하부 환형 구조체를 상호 결합하여 그 사이에서 연장되는 복수의 지주들;
    을 포함하는, 가이드 베인 구조체.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 상부 환형 구조체, 상기 하부 환형 구조체, 및 상기 복수의 지주들 중 하나 이상은 트러스 구조물로 형성되는, 가이드 베인 구조체.
  19. 제 15 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조체 축선을 중심으로 상기 지지 구조체의 회전 변위가 가능하도록 상기 지지 구조체가 설치되는 가이드 레일을 추가로 포함하는, 가이드 베인 구조체.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 지지 구조체와 케이지를 상호 결합하는 마찰판을 추가로 포함하고,
    상기 케이지는 상기 터빈 내에서 상기 구조체 축선을 중심으로 회전 변위를 위해 상기 복수의 회전자 블레이드를 지지하는, 가이드 베인 구조체.
  21. 제 15 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마찰판은 상기 케이지에 결합된 휠 쌍들의 어레이의 각각의 사이에 배치된 환형 돌출부를 포함하고,
    상기 케이지의 회전 및 상기 복수의 블레이드의 이동을 상기 구조체 축선을 중심으로 특정 경로에 격리시키고 또한 상기 케이지의 변위 이동에서 워블을 감소시키도록 상기 휠 쌍들 각각은 상기 마찰판의 상기 환형 돌출부의 내부면 및 외부면 상에서 움직이는, 가이드 베인 구조체.
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