KR102412684B1 - 에어포일 및 터빈 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주위 유체에서 상대 운동을 하기 위한 터빈 에어포일 및 적어도 하나의 에어포일을 포함하는 터빈 장치를 제공한다. 상기 에어포일은 2개의 언덕 형성부를 갖는 주 스파(main spar), 및 상기 주 스파 위로 흐르는 상기 주위 유체 내 외측으로 증발성 유체와 응축 유체를 방출하도록 동작 가능한 방출 수단을 포함한다. 상기 언덕 형성부들 중 제1 언덕 형성부는 주위 유체의 흐름이 음속에 도달할 때까지 상기 주위 유체의 흐름을 가속한다. 상기 제1 언덕 형성부 후 마하 수가 계속 증가하고 상기 증발성 유체가 주위로 방출된 후 공기가 냉각되어 주위 흐름을 더 가속시키고 압력을 감소시킨다. 상기 제2 언덕 형성부에서 낮은 압력은 추력을 유발한다. 흐름이 상기 제2 언덕 형성부에 대해 이동하면 마하 수는 감소하고, 제2 영역을 내려가면서 증가한다. 응축 유체는 방출되어 공기의 수분 함량이 응축되어 열을 방출하여 마하 수가 감소하고 압력이 증가한다. 상기 제2 언덕 형성부에서 증가된 압력은 회전자를 돌리는 데 사용될 수 있는 추력을 생성한다. 본 발명은 공기 중의 수분으로부터 직접 일과 전력을 생산하는 에어포일을 제공한다. 본 발명은 풍속에 의존하고 않고 에너지원은 항상 이용 가능한 주위 대기로부터 직접 파생된다.

Description

에어포일 및 터빈 장치

본 발명은 주위 유체에서 상대 운동을 하기 위한 에어포일(airfoil) 및 에어포일을 갖는 터빈 장치에 관한 것이다.

핵 공정 및 조수 공정과 달리 지구상의 모든 에너지는 직접적이든 또는 상당한 시간 기간에 걸쳐 축적된 것이든 상관없이 태양 자체로부터 파생된 것으로 설명될 수 있다. 태양이 지구를 비추면 에너지가 많은 공정을 유발하는데, 기후 효과가 가장 분명하고, 식물과 동물 모두 이 원천에 의해 생명이 유지된다는 것은 잘 알려져 있다. 대부분의 태양 에너지는 태양을 둘러싼 방대한 시스템을 가열하는 데 사용되지만, 태양 에너지의 상당 부분은 예를 들어 대부분의 수역(water body)으로부터 물을 증발시킨다. 이 증발은 강우를 제공하고 방대한 양의 수증기를 유지하며 이 수증기 중 작은 부분이 축적되어 응축 구름을 형성할 수 있다. 종래의 동력원은 태양 에너지의 1% 미만을 사용하는 엽록소 및 다른 유기 공정으로부터 파생된다.

재생 에너지 풍차는 증발 및 응축 공정을 이용하여 일과 전력을 생산하는 것으로 알려져 있다. 가장 최근의 개발은 바톤(Barton) 예열 확장 엔진 및 EOLA 풍력 터빈이다. 이들 기계는 제한된 환경에서 에너지(바톤 제조)와 물(EOLA 터빈)을 공급하는 데 사용된다. 바톤 엔진은 예열된 건조 공기와 증발수를 요구하여 특히 낮은 등급의 에너지 효율을 초래하여 터빈 배기 가스 또는 태양열 어레이와 같은 예열된 건조 공기로 제한된다. EOLA는 종래의 공기 조절 유닛에 부착된 종래의 공기 터빈이다.

알려진 디바이스는 간헐적인 풍속 및/또는 태양 에너지와 같은 2차 에너지원을 사용하여 전력을 생산하는데, 이는 대기 상태의 종래의 전력 발전기를 필요로 한다.

본 발명의 목적은 적어도 일부 방식이 상기 문제점을 극복하는 방향으로 나아가는 및/또는 대중 및/또는 산업계에 유용한 대안을 제공하는 에어포일 및 터빈 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 양태는 단지 예로서 주어진 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다.

본 발명에 따르면, 주위 유체에서 상대 운동을 하기 위한 터빈 에어포일(turbine airfoil)로서,

상부 측벽 및 하부 측벽, 선두 에지(leading edge), 후미 에지(trailing edge), 및 상기 선두 에지로부터 상기 후미 에지로 연장되는 캠버 라인(camber line)을 갖는 에어포일의 단면 형상을 포함하는 주 스파(main spar)로서, 상기 주위 유체가 상기 선두 에지로부터 상기 후단 에지로 하류 방향으로 상기 주 스파 위를 흐르도록 상기 에어포일은 상기 주위 유체에 대해 운동하는, 상기 주 스파; 및

상기 주 스파 위를 흐르는 상기 주위 유체 내 외측으로 유체를 방출하도록 동작 가능한 방출 수단을 포함하되;

상기 주 스판의 측벽은 상기 선두 에지로부터 상기 후미 에지로 가면서 순차적으로 제1 언덕 형성부(hill formation) 및 제2 언덕 형성부를 포함하고, 각각의 언덕 형성부는 상기 캠버 라인으로부터 점진적으로 증가하는 거리의 제1 영역, 상기 캠버 라인으로부터 점진적으로 감소하는 거리의 제2 영역, 및 상기 제1 영역과 제2 영역 사이의 계면에 있는 정상부(crest)를 포함하고,

상기 제1 언덕 형성부의 상기 제1 영역은 상기 주위 유체와 상호 작용하여 상기 제1 언덕 형성부의 상기 정상부에서 상기 주위 유체를 높은 아음속 상대 속도로부터 음속 상대 속도로 증가시키고 상기 제1 언덕 형성부의 상기 정상부 후에서는 초음속으로 가속시키도록 동작 가능하고,

상기 방출 수단은 상기 제1 언덕 형성부의 상기 제2 영역에서 응축이 개시되기 전에 상기 증발 유체를 방출하여 상기 주위 유체로 증발시키고, 상기 제1 언덕 형성부의 상기 제2 영역은 상기 주위 유체와 상호 작용하여 상기 주위 유체를 초음속 상대 속도로부터 더 높은 초음속 상대 속도로 가속시키고;

상기 제2 언덕 형성부의 상기 제1 영역은 상기 주위 유체와 상호 작용하여 상기 제2 언덕 형성부의 상기 정상부에서 상기 주위 유체를 초음속 상대 속도로 감속시켜 유지하도록 동작 가능하고,

상기 방출 수단은 응축 유체를 방출하여 상기 제2 언덕 형성부의 상기 제2 영역 위로 흐르는 상기 주위 유체에 응축 충격을 포착 또는 핵 형성하여 상기 주위 유체를 초음속 상대 속도로부터 아음속 상대 속도로 감속시키고 상기 측벽에 압력을 생성하여 상기 에어포일에 추력을 부여하도록 더 동작 가능한 것을 특징으로 하는 상기 터빈 에어포일이 제공된다.

본 발명은 공기 중의 수분으로부터 직접 일과 전력을 생산하는 에어포일을 제공한다. 본 발명은 풍속에 의존하지 않아서, 에너지원은 항상 이용 가능한 주위 대기로부터 직접 파생된다. 또한, 응축된 수분은 풍부한 수원(water source)이며, 사용 시 냉동, 공기 조화 및 극저온 초전도를 허용한다. 마지막으로, 잔류 열은 즉각 국부적인 요구조건을 위해 사용될 수 있다.

에어포일의 특성 디자인은 길이에 따라 장착된 2개의 언덕 형성부를 제공한다. 이들 언덕 형성부 중 제1 언덕 형성부는 주위 유체가 음속에 도달할 때까지 주위 유체의 흐름을 가속시킨다. 제1 언덕 형성부 후 마하 수(Mach number)는 면적이 증가함에 따라 초음속으로 계속 증가한다. 물 액적의 분무액과 같은 증발성 유체는 제1 언덕 형성부를 내려감에 따라 또는 그 바닥에서 주위로 방출된다. 이들 유체는 증발하여 공기를 냉각시킨다. 이것은 주위 흐름을 더 가속화시켜 압력을 감소시킨다. 제2 언덕 형성부에서 낮은 압력은 추력을 유발한다. 흐름이 제2 언덕 형성부에 대해 이동함에 따라 마하 수는 제1 영역을 따라 감소하고 이후 흐름이 제2 영역을 따라 내려가면서 마하 수는 증가한다. 이 제2 언덕 형성부를 따른 지점에서 마하 수는 응축 마하 수에 도달한다. 이 지점에서 또는 이 지점 전에 응축 유체가 방출되어 공기의 수분 함량이 응축되어 열을 방출한다. 이에 의해 마하 수가 감소하고 압력이 증가한다. 제2 언덕의 제2 영역에서 압력이 증가하면 회전자를 돌리는 데 사용될 수 있는 추력이 발생한다.

본 발명은 주위 공기의 응축 및 증발을 제어하여 방출되는 열을 이용하여 일을 생산할 수 있도록 동작 가능한 에어포일 및 터빈 장치에 관한 것이다. 따라서, 본 발명은 종래 기술의 상기 한계점으로 제한되지 않고, 1차 재생 에너지 및 물 포획 디바이스(water capturing device)를 제공한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 상기 증발 유체는 상기 제1 언덕 형성부 위로 흐르는 상기 주위 유체에 초기 응축 충격 전에 방출되어 응축 충격을 방지/보상한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 상기 응축 유체는 상기 제2 언덕 형성부 위로 흐르는 상기 주위 유체에 응축 충격이 발생하기 전에 방출된다.

본 발명의 다른 실시예에서, 상기 방출 수단은 적어도 하나의 노즐을 포함하고, 상기 증발 유체 및 응축 유체는 공급원으로부터 상기 에어포일 내 도관의 배열을 통해 상기 노즐 또는 각각의 노즐로 운반된다. 상기 노즐 또는 노즐들의 핀홀(pinhole) 크기는 가변적인 것에 의해 상기 방출 유체의 흐름률 및 액적 크기를 가변시킬 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 상기 주 스파는 작동 유체(working fluid)를 포함하는 중공 공동(hollow cavity)을 포함하고, 상기 공동은 복수의 상호 연결된 챔버로 분할된다.

본 발명의 다른 실시예에서, 각각의 챔버는 각각의 챔버 내 상기 작동 유체의 압력 및/또는 온도를 독립적으로 조절하기 위해 상기 챔버들 사이에 상기 작동 유체의 흐름을 제어하도록 동작 가능한 밸브 수단을 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 상기 증발 유체는 물, 액체 질소, 및 메탄올과 같은 탄화수소 중 하나이거나 또는 조합이다.

본 발명의 다른 실시예에서, 상기 증발 유체는 상기 터빈의 설계된 크기의 규모에서 증발하도록 동작 가능한 직경을 갖는 유체 입자를 포함한다. 이 주위 환경 요인 및 다른 주위 환경 요인을 고려하여 액적 크기는 출구 크기의 변화, 흐름률의 변화 및 압력 및 온도의 변화에 따라 달라질 수 있다. 이러한 조건은 덕트, 챔버 및 노즐 크기의 변화에 의해 결정된다. 회전 헤드 원심력 또는 외측 펌핑은 가스의 압축 및/또는 온도 관리를 위한 외부 대기와의 열 교환을 사용하여 이러한 조건을 관리한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 상기 응축 유체는 물 액적, 염수 또는 얼음 입자와 같이 냉각된 정적으로 대전된 유체 입자를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 상기 주위 유체는 습한 공기이다.

본 발명의 또 다른 양태에서, 상기 항 중 어느 한 항에 기재된 적어도 하나의 에어포일을 갖는 터빈 장치로서,

터빈 샤프트 및 상기 터빈 샤프트로부터 축 방향으로 연장되는 적어도 하나의 회전자로서, 각각의 회전자의 팁에서 에어포일이 운반되는, 상기 터빈 샤프트 및 적어도 하나의 회전자; 및

상기 샤프트 및 각각의 회전자 내에 있고, 상기 증발 유체와 응축 유체를 상기 에어포일에 공급하는 도관의 배열을 포함하되,

각각의 회전자는 상기 주위 유체와 상호 작용하여 회전하며, 상기 에어포일의 선두 에지가 상기 주위 유체를 통해 이동시켜 상기 터빈 샤프트를 회전시키도록 구성된, 상기 터빈 장치가 제공된다.

본 발명의 터빈 장치는 전기 에너지 형태 또는 다른 사용 가능한 에너지 형태로 변환될 수 있는 에너지를 제공하기 위해 증발 및 응축 공정에 의해 생산된 에너지 축적분을 이용한다. 이렇게 함으로써, 터빈 장치는 에너지원으로서 공기의 수분 함량을 사용하여 대기로부터 동력을 생산할 수 있다. 건조한 기후에서 동작할 때 출력으로 생성된 응축수를 포획하여 관개 목적으로 사용할 수 있다.

따라서, 본 발명은 대기 중의 수분으로부터 직접 일 및 전력을 생산한다. 본 발명은 풍속에 의존하지 않아서 에너지원은 항상 이용 가능한 주위 대기로부터 직접 파생된다. 응축된 수분은 풍부한 수원이며, 냉각 코어는 냉동, 공기 조화 및 극저온 초전도를 허용한다. 잔류 열은 즉각 국부적인 요구조건을 위해 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 유발된 응축 충격은 상기 주위 유체 내 유체 입자를 응축하도록 동작 가능하고, 상기 에어포일은 상기 응축된 유체를 상기 터빈 장치의 적어도 하나의 수집 수단으로 편향시키도록 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 상기 수집 수단은,

덕트 내에 형성되고, 응축된 유체 함량이 수집 챔버 내로 흐르는 채널;

응축된 유체 함량을 수집 챔버 내로 편향시키는, 상기 터빈을 둘러싸는 하우징, 그물(netting) 또는 다른 표면의 수집 표면; 및

상기 터빈 샤프트를 따라 응축된 유체 함량을 수집하기 위한 하나 이상의 사이클론(cyclone) 또는 와류(vortex) 튜브 및 수집 챔버

중 하나 이상을 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 상기 터빈은 회전하는 터빈 샤프트에 의해 생성된 에너지를 전기 에너지 및/또는 기계 에너지로 변환하는 에너지 변환 수단을 더 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 상기 에너지 변환 수단은 상기 터빈 장치의 하우징 내에 제공되고, 상기 샤프트는 상기 하우징에 결합되어, 전기 에너지를 생성하는, 상기 에너지 변환 수단의 전도성 권선은 상기 하우징 내에 제공된다.

본 발명은 선택적으로 천음속 에어포일(transonic airfoil) 또는 선택적으로 회전자 및 축 방향 허브를 포함하는 회전 몸체를 포함하는 동력을 생산할 수 있는 엔진을 제공한다. 상기 에어포일 또는 회전 몸체는 증발성 분무액 또는 냉각제 가스가 노즐을 통해 도입되는 초음속 포켓을 감축 단면부 부근에 및 최소 단면부에 또는 최소 단면부 전에 갖는다. 이것은 이후 증가하는 단면부에 가해지는 압력을 줄이기 위해 요구에 맞춰진다. 최대 단면부에 또는 최대 단면부 부근에 추가 분무액이 도입되어 후속 응축을 위한 핵을 생성시킬 수 있다. 최대 단면부 후에 감축 단면부는 응축 충격을 일으킨다. 이전에 도입된 액체 분무액은 이러한 임시 액적을 포획하기 위한 핵을 제공한다. 이러한 액체, 일반적으로 물 또는 가스는 적절한 내부 덕트를 통해 회전자에 의해 허브로부터 에어포일 또는 회전 몸체로 운반될 수 있다. 응축 충격은 초음속 포켓에서 종료하고 공기 흐름을 아음속으로 되돌려 디바이스의 후면을 가압한다.

상기 엔진은 동력을 생산하고, 허브로부터 축 방향 일을 추출하고, 상기 회전자의 회전을 유지하고, 응축수를 추출하고, 초저온 및 초전도를 위해 팁에서 매우 추운 조건에 이용할 수 있고, 또는 회전 디바이스의 원심 펌핑에 이용하는데 사용될 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 단지 예시적으로 제공된 일부 실시예에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 더 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 에어포일의 사시도;
도 2는 도 1의 에어포일의 단부도;
도 2a는 도 1 및 도 2의 에어포일의 회전 몸체의 개략도;
도 3은 도 1의 에어포일의 개략 측면도;
도 4는 도 1 내지 도 3에 따른 에어포일을 포함하는 터빈의 사시도;
도 5는 도 4의 터빈의 절개 부분의 상세 사시도;
도 6은 도 3의 터빈을 구현하는 집수 디바이스(water collection device)의 사시도;
도 7a 내지 도 7c는 도 3의 터빈 장치에서 물의 흐름을 나타내는 사시도;
도 8은 에어포일의 중심 구획에 걸쳐 초음속 흐름이 있는 안정된 시나리오에서 마하 수의 윤곽(contour)을 도시하는 그래프;
도 9는 에어포일의 중심 구획에 걸쳐 아음속 흐름이 있는 불안정한 시나리오에서 마하 수의 윤곽을 도시하는 그래프;
도 10은 상이한 출구 압력에 대해 노즐을 통한 압력 변화를 나타내는 그래프;
도 11은 도 3의 터빈에 사용된 에어포일의 기하학적 설계를 나타내는 개략도;
도 12는 10K 냉각에서 온도 및 습도의 변화에 따른 응축후 마하 수를 나타내는 표;
도 13은 10K 냉각에서 온도 및 습도의 변화에 따른 딥 깊이(dip depth)를 나타내는 표;
도 14는 터빈 장치에서 추력을 계산하기 위한 입력 파라미터를 나타내는 표;
도 15는 증발이 개시되기 전 마하 수의 윤곽을 나타내는 그래프;
도 16은 증발이 일어나는 영역을 보여주는, 증발 후 마하 수의 윤곽을 도시하는 그래프;
도 17은 응축이 일어나는 영역을 보여주는, 응축 후 마하 수의 윤곽을 나타내는 그래프;
도 18은 응축 후의 충격파를 보여주는, 출구 압력을 대기압으로 상승시킨 후 마하 수의 윤곽을 도시하는 그래프; 및
도 19는 브레이톤 사이클(Brayton cycle)의 작동 사이클(work cycle)을 도시하는 그래프.

도면, 먼저 도 1 및 도 2를 참조하면, 습한 공기와 같은 주위 유체에서 상대 운동을 하기 위해 일반적으로 참조 번호(1)로 표시된 터빈 에어포일이 도시되어 있다. 에어포일(1)은 일반적으로 참조 번호(3)로 표시된 상부 측벽 및 일반적으로 참조 번호(4)로 표시된 하부 측벽, 선두 에지(5) 및 후미 에지(6)를 갖는 에어포일의 단면 형상을 갖는 주 스파(2)를 포함한다. 캠버 라인(7)은 선두 에지(5)로부터 후미 에지(6)까지 연장된다. 에어포일(1)이 주위 유체에 대해 또는 주위 유체를 통해 화살표 'A'(도 1)의 방향으로 이동할 때 주위 유체는 선두 에지(5)로부터 후미 에지(6)로 하류 방향으로 주 스파(2) 위로 흐른다.

도 2는 에어포일의 단면도이고, 도 2a는 도 2의 에어포일의 회전 몸체를 도시하는데, 이 회전 몸체는 도시된 예에서 확장되고 나서 점점 가늘어지는 원통형 형상을 제공하고, 본 발명의 일반적인 설계 원리를 구현하는 에어포일 형상의 일례이다. 예를 들어 하우징이 팁 단부 와류를 관리하는데 사용되지 않는 경우 원통형 윤곽은 필요에 따라 또는 원하는 바에 따라 에어포일의 팁(5, 6)에도 적용될 수 있다.

주 스파(2)는 선두 에지(5)로부터 후미 에지(6)로 가면서 순차적으로 제1 언덕 형성부(8) 및 제2 언덕 형성부(9)를 포함한다. 각각의 언덕 형성부(8, 9)는 캠버 라인(6)으로부터 점진적으로 증가하는 거리의 제1 영역(8a, 9a), 캠버 라인으로부터 점진적으로 감소하는 거리의 제2 영역(8b, 9b), 및 제1 영역(8a, 9a)과 제2 영역(8b, 9b)의 계면에 있는 정상부(crest)(8c, 9c)를 포함한다. 언덕 형성부는 도 1 및 도 2에서 상부 측벽(3) 및 하부 측벽(4)에 모두 있는 것으로 도시되어 있지만, 언덕 형성부는 필요에 따라 또는 원하는 바에 따라 에어포일의 상부 측벽 및/또는 하부 측벽에 위치될 수 있는 것으로 이해된다. 다음의 설명에서 상부 측벽(3)에 제공되는 언덕 형성부에 대해서만 언급하지만, 본 발명은 이것으로 제한되는 것으로 보아서는 안 된다.

주 스파(2)는 작동 유체를 포함하는 중공 공동을 포함하고, 이 공동은 복수의 상호 연결된 챔버로 분할된다. 챔버들 사이에는 밸브 수단이 존재하고 이 밸브 수단은 각각의 챔버 내의 작동 유체의 압력 및/또는 온도가 독립적으로 조절될 수 있도록 챔버들 사이에 작동 유체의 흐름을 제어하도록 동작 가능하다.

도 3에 도시된 바와 같이, 에어포일(1)은 주 스파(2)로부터 외측으로 주 스파(2) 위로 흐르는 습한 공기로 증발성 유체(12) 또는 응축 유체(13)를 방출하도록 동작 가능한 일반적으로 참조 번호(10)로 표시된 방출 수단을 더 포함한다. 방출 수단은 적어도 하나의 노즐(도시되지 않음)을 포함하고, 에어포일(1)로부터 방출된 유체는 공급원으로부터 각각의 노즐로 에어포일(1)의 주 스파(2) 내에 또는 주 스파를 따라 배열된 도관 또는 도관(11)의 배열을 통해 운반된다.

증발성 유체(12)는 물, 액체 질소, 및 메탄올과 같은 탄화수소 중 하나이거나 또는 이들의 조합이고, 에어포일을 사용하여 터빈의 크기 및 규모에 따라 증발하도록 동작 가능한 직경을 갖는 유체 입자를 포함한다. 이 주위 환경 요인 및 다른 주위 환경 요인을 고려하여 액적 크기는 출구 크기의 변화, 흐름률의 변화, 및 압력 및 온도의 변화에 따라 변할 수 있다.

응축 유체(13)는 냉각되고 정적으로 충전되는 유체 입자를 포함한다. 적합한 응축 유체의 예로는 물 액적, 염수 또는 얼음 입자를 포함한다.

에어포일이 주위 유체에 대해 이동하고 있을 때, 제1 언덕 형성부(8)의 제1 영역(8a)은 주위 유체와 상호 작용하여 제1 언덕 형성부(8)의 정상부(8c)에서 주위 유체를 높은 아음속 상대 속도로부터 음속 상대 속도로 가속시키도록 동작 가능하다.

방출 수단(10)은 제1 언덕 형성부(8)의 제2 영역(8b)이 주위 유체와 상호 작용하여 주위 유체를 낮은 초음속 상대 속도로부터 높은 초음속 상대 속도로 가속시키도록 응축이 개시되기 전에 제1 언덕 형성부(8)의 제2 영역(8b)에서 증발성 유체(12)를 방출하여 주위 유체로 증발시킨다. 따라서, 증발성 분무액은 제1 언덕 형성부(8) 위를 흐르는 주위 유체에서 초기 응축 충격이 발생하기 전에 방출된다.

제2 언덕 형성부(9)의 제1 영역(9a)은 주위 유체와 상호 작용하여 제2 언덕 형성부(9)의 정상부(9c)에서 주위 유체를 초음속 상대 속도로 감속시켜 유지하도록 동작 가능하고, 방출 수단(10)은 응축 유체(13)를 방출하여 제2 언덕 형성부(9)의 제2 영역(9b) 위로 흐르는 주위 유체의 응축 충격을 포착 또는 핵 형성하도록 더 동작 가능하다. 따라서 응축 유체 또는 분무액은 제2 언덕 형성부(9) 위로 흐르는 주위 유체에서 응축 충격이 발생하기 전에 방출된다. 이것은 주위 유체를 초음속 상대 속도로부터 아음속 상대 속도로 감속시키는 효과를 가지며, 이는 주 스파(2)에 가해지는 압력을 발생시켜 에어포일(1)에 추력을 부여한다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 도 1 내지 도 3에서 사용된 것과 동일한 참조 번호를 사용하여, 도 1 내지 도 3에 따라 구성된 적어도 하나의 에어포일(1)을 포함하는, 일반적으로 참조 번호(20)로 표시된 터빈 장치가 도시되어 있다.

장치(20)는 터빈 샤프트(21) 및 이 샤프트(21)로부터 축 방향으로 연장되는 적어도 하나의 회전자(22)를 포함하고, 도 1 내지 도 3의 에어포일(1)은 각각의 회전자(22)의 일반적으로 참조 번호(23)로 표시된 팁 또는 단부에서 운반된다. 또한 샤프트(21) 및 각각의 회전자(22) 내에는 도관의 배열이 제공되고, 이 도관을 통해 증발성 유체 및 응축 유체가 에어포일(1)의 도관(11)에 공급된다.

사용 시, 터빈 장치(20)는 각각의 회전자(22)가 주위 유체와 상호 작용하여 회전하며, 각각의 에어포일(1)의 선두 에지(5)가 주위 유체를 통해 이동시켜 터빈 샤프트(21)를 회전시키도록 구성된다.

동작 시에, 에어포일(1)이 주위 유체에 대해 이동할 때, 제2 언덕 형성부(9)에 또는 제2 언덕 형성부에 인접하여 유발된 응축 충격이 주위 유체에 유체 입자를 응축하도록 동작 가능하고, 에어포일(1)은 응축된 유체를 터빈 장치(20)의 적어도 하나의 수집 수단으로 편향시키도록 구성된다. 일 실시예에서, 하나 이상의 사이클론 또는 와류 튜브 및 수집 챔버가 터빈 샤프트(21)를 따라 응축된 유체 성분을 수집하도록 제공될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 수집 수단은 응축된 유체 함량이 수집 챔버로 흐르게 하는 덕트(24)에 형성된 채널을 포함한다.

도 6은, 도 4 및 도 5의 터빈 장치(20)를 포함하고 다른 집수 수단을 구현하는 집수 디바이스(30)를 도시한다. 집수 디바이스(30)는 디바이스의 중심으로부터 불어 나오거나 또는 중심을 향해 불어 들어가는 회전하는 공기의 원기둥을 생성하도록 동작 가능하다. 집수 디바이스(30)는 샤프트(21)의 양 단부에 벤추리 튜브(31), 및 고정자(32)에 들어가는 고속 저압 유체 액적 공기흐름에 회전을 유발하도록 동작 가능한 각각의 벤추리 튜브(31)의 목부(throat) 앞에 고정자(32) 세트를 포함한다. 핀홀(33)의 수집 링이 덕트(24)를 따라 제공되고, 수집 탱크(35)로 배수되는 저압 챔버(34)에 의해 지지된다. 회전을 감소시키고 공기 흐름 에너지 및 압력을 회수하도록 동작 가능한 목부 및 핀홀(33) 후에 다른 고정자(36) 세트가 제공된다. 수집 탱크(35)는 물 액적을 포함하는 유출 공기 흐름을 둘러싸고, 탱크(35)의 표면은 탱크(35) 내에 수집되는 충돌하는 액적을 수집하도록 동작 가능하다.

터빈 장치(20)는 또한 회전하는 터빈 샤프트(21)에 의해 생산된 에너지를 전기 에너지 및/또는 기계 에너지로 변환시키는 에너지 변환 수단을 포함한다. 선택적으로, 에너지 변환 수단은 터빈 장치(20)의 하우징 내에 제공되고, 샤프트(21)는 하우징 내에 결합되고, 이에 의해 전기 에너지를 생산하는 에너지 변환 수단에 전도성 권선이 하우징 내에 제공된다.

본 발명의 작동 사이클은 본 발명의 터빈 장치는 변형된 것을 사용하는 브레이톤 사이클의 작동 사이클을 도시하는 도 19를 참조하여 설명될 수 있다. 본 발명의 터빈 장치는 최저 온도(3-4)를 감소시키려고 시도한다. 일반적으로 이것은 주위 공기인 방출 온도에 의해 제한된다. 이 기계에서 방출 온도는 영하 60℃ 또는 70℃만큼 높을 수 있다. 정적 온도 감소(3-4)는 등엔트로피(isentropic)로 속도가 증가하는 것에 의해 공기 역학적으로 야기된다. 방출 열(4-1)은 증발에 의해 영향을 받는다. 온도 증가(1-2)는 거의 등엔트로피로 속도가 감소하는 것에 의해 공기 역학적으로 야기된다. 열 추가(2-3)는 탄화수소가 응축되거나 또는 연소하는 것에 의해 제공된다. 증발과 응축 사이의 균형은 잘 설명되어 있으며 이 사이클로 계산될 수 있다는 것이 주목된다. 실제로 응축을 균형 맞추기 위해 증발의 흐름을 제어하는 것이 가장 쉽다. 이것은, 흐름량 및 액적 크기는 밸브 및 가변 핀홀 배열에 의해 관리되는 것이 필요하다는 것을 의미한다.

제안된 터빈 시스템은 수직축에 장착된 회전자이다. 실제 터빈은 회전자의 팁에 위치되고, 디바이스는 페어리 로터다인(Fairey Rotodyne) 헬리콥터와 같은 팁 제트와 유사한 원리로 동작한다. 터빈의 추진력은 회전자를 원으로 미는 추력을 생성한다. 헬리콥터와 달리, 목표는 운동을 사용하여 양력 힘을 생성하는 것이 아니라 전기 전력을 생성하는 것이다.

도 4 내지 도 6에 도시된 덕트 디자인에서, 천음속 팁은 매달린 덕트 내에 장착된다. 물 분무액은 중심 샤프트 위로 및 회전자 아래로 팁까지 흘러 들어가서 거기서 공기에 추가된다. 공기는 도 7에 도시된 바와 같이 디바이스를 통해 아래로 견인되고 디바이스로부터 물 분무액을 제거한다.

초음속 흐름은 유체가 파의 전파 속도(wave speed)보다 더 큰 속도로 이동하기 시작할 때 발생한다. 이러한 유형의 흐름을 가장 분명하게 적용하는 것은 소리 장벽(sound barrier)을 '깨뜨리는' 것이 일상적으로 요구되는 군용 항공기를 설계하는 것에 있다. 유체가 파의 전파 속도보다 더 빠르게 이동할 때에는 잠재적인 장애물에 대한 정보가 상류로 전달될 수 없다. 그 결과 초음속 흐름은 일상 시나리오에서 보다 일반적인 아음속 흐름과 크게 다르다.

초음속 영역에서 주 지배 방정식은 등엔트로피 흐름 방정식이다. 이들 방정식은 관찰된 압력, 온도, 밀도 및 면적 변화를 흐름의 마하 수와 관련시킨다.

이들 방정식은 다음과 같다:

마하 수 :

방정식 1

압력 :

방정식 2

온도 :

방정식 3

면적 :

방정식 4

기호

M = 마하 수, V = 속도, R = 기체 상수, T = 온도, P = 압력

A = 면적, γ = 비열의 비, ρ = 밀도, Φ = 상대 습도, Y = 목부

X = 길이방향 거리

아래첨자/윗첨자

0 = 정체 특성, * = 질식(choked) 특성

이들 방정식은 흐름의 마하 수가 증가함에 따라 정압과 온도가 떨어지는 것을 보여준다. 정체 특성은 열 전달이 없는 한 동일하게 유지된다. 초음속 영역에서 마하 수가 1에서 멀리 증가할 때 면적도 증가하는 것으로 보이지만, 아음속 영역에서도 마하 수가 1에서 이동할 때 면적이 또한 증가하는 것으로 보인다.

대기 중 응축 공정은 공기의 온도와 증기 함량에 의존한다. 임의의 주어진 온도에서, 공기 압력은 다음 방정식으로부터 계산될 수 있고:

P = ρRT 방정식 5

식에서, ρ는 밀도이고, R은 공기의 기체 상수이고, T는 켈빈 온도이다.

공기는 일정량의 수증기로 이루어지고, 응축에서 중요한 용어 중 하나는 이 증기의 분압이다. 분압은 공기 압력에 상대 습도를 곱한 것이다. 다른 중요한 항은 포화 압력이다. 이것은 물이 응축하는 압력이며, 다음 방정식으로부터 결정될 수 있다:

P = 133.322e^{(20.386-5132/T)}

분압이 포화 압력보다 더 크면 응축이 시작된다. 마찬가지로, 분압이 포화 압력보다 더 작으면 물은 증발한다.

마하 수, 온도 및 압력이 모두 상호 의존적이기 때문에 초음속 흐름에 대해 가열의 영향은 복잡하다. 하나의 단순화는 증발 또는 응축으로 인해 발생하는 온도 변화가 일정한 영역에서 발생한다고 가정하는 것이다. 이는 응축의 경우에 이러한 변화가 거의 즉각적으로 발생하는 것을 의미한다. 이러한 조건 하에서 가열의 효과는 각각의 특성이 질식 조건 하에서 그 값과 관련되어 있는 레일리 방정식(Rayleigh equation)으로부터 결정될 수 있다. 이들 방정식은 다음과 같다:

압력 :

방정식 7

밀도 :

방정식 8

온도 :

방정식 9

온도 변화의 효과는 마하 수와 관련되어서 가스의 압력과 밀도의 변화를 계산하는 데 사용될 수 있다.

본 발명의 터빈 장치를 설계하는데 관련된 주요 문제점 중 하나는 흐름의 안정성의 문제이다. 안정성이 손상될 수 있는 한 가지 방법은 2개의 언덕 사이의 단면부(중심 구획)에서 흐름이 아음속일 때이다. 이것이 일어나면 그 결과 제2 언덕의 전방을 향하는 구획에서 고압 영역이 발생된다. 이것은 내부 구조물의 항력을 증가시키고 디바이스의 잠재적인 추력을 감소시킨다.

도 8은 중심 구획에 걸쳐 초음속 흐름이 있는 안정된 시나리오에서 마하 수의 윤곽을 보여준다. 반대로, 도 9는 중심 구획에 걸쳐 아음속 흐름이 있는 불안정한 시나리오에서 마하 수의 윤곽을 보여준다.

이 구획이 어떻게 공기 흐름을 아음속으로 바꾸는지를 고려할 때 중심 구획을 로켓 엔진 노즐의 경우와 같이 잘 연구된 유사한 경우와 비교하는 것이 유용하다.

도 10은 적응된 상이한 출구 압력에 대해 노즐을 통한 압력의 변화를 나타내는 그래프이다(Courant & Friedrichs, 1999). 도 10은 로켓 엔진에서 상이한 출구 압력에 대해 챔버 압력과 노즐을 따른 압력 사이의 관계를 도시한다. 출구에서의 압력이 챔버 내 압력(P₁)에 가까울 경우 그 결과 전체적으로 아음속 흐름이 발생된다. 출구에서의 압력이 훨씬 더 낮은 값(P₃)으로 감소하면 전체적으로 초음속 흐름이 발생된다. 출구 압력이 이 두 점 사이의 값에 있을 때 문제가 발생한다. 이 영역에서 출구 압력에서 발생할 수 있는 현상 중 하나는 길이 노즐을 따른 지점에서 확장 동안 압력 증가를 초래하는 수직 충격파(normal shock)가 있는 것이다.

에어포일의 중심 구획에서 공기 흐름이 아음속으로 바뀔 때 일반적으로 이러한 유형의 현상이 관찰된다. 이 흐름은 에어포일의 제1 언덕 형성부 아래에서는 초음속이지만 이 언덕 아래 어느 지점에서는 수직 충격파가 발생하여 아음속 흐름이 발생된다. 도 9에서 제1 언덕의 단부에서 마하 수에 급격한 감소가 있고 윤곽에 변화가 있는 것으로 충격파가 발생된 것을 볼 수 있다. 이것을 멈추게 하는 핵심 파라미터는 제1 언덕 쪽 '출구'에서의 압력이다. 초음속 조건을 유지하기 위해서 이 압력이 너무 높으면 안 된다. 고려된 '출구' 압력은 흐름이 제2 언덕 형성부 위를 지나가며 느려질 때 압력이 증가하는 것이다. 이 제2 언덕 형성부가 너무 높으면 아음속 흐름이 관찰된다. 이 언덕의 최소 목부는 세트 방법을 사용하여 계산될 수 있다.

제2 언덕의 목부에 대한 계산 방법은 다음과 같다:

1) 주어진 마하 수에서 입구 조건을 고려하면, 정체 압력은 방정식 2를 사용하여 계산될 수 있다.

2) 언덕의 베이스(base)에서 원하는 마하 수를 알면, 제1 언덕의 베이스에서의 면적은 방정식 4로부터 계산될 수 있다.

3) 다음 단계는 언덕의 베이스에서 수직 충격파를 받고 그 결과 마하 수를 계산하는 것이다.

4) 충격후 마하 수와 언덕의 베이스에서의 면적으로부터 질식 조건에서 마하 수를 계산할 수 있다.

5) 동작 마진을 제공하기 위해 1.1의 마하 수에서 면적은 질식 조건에서 계산된다.

1.1의 마하 수에서 이 면적은 제2 언덕에서 목부의 최소 높이를 나타낸다. 이보다 더 큰 목부의 경우 시스템에 걸쳐 흐름이 초음속이 된다. 목부가 이것보다 더 작으면 중심 구획이 아음속 흐름으로 분해된다. 이것은 입구 마하 수, 제1 언덕에서의 목부 높이, 및 마하 수를 알고 있다면 제2 언덕의 높이를 계산할 수 있다는 점에서 터빈의 하나의 파라미터를 제공한다.

터빈의 동작을 방해할 수 있는 조건들 중 하나는 제1 및 제2 언덕 형성부들 사이의 계면인 것으로 이해되는 에어포일의 중심 구획에서 응축이 발생하는 것이다. 이것의 주된 이유는 이 영역에서 순 응축이 발생하면 디바이스에 동력을 공급하는 데 필요한 증발이 충분한 양으로 발생하지 않는다는 것이다. 증기의 분압이 주어진 온도에서 물의 포화 압력을 넘어 상승하면 응축이 일어나기 시작한다. 이를 방지하기 위해 증기의 분압은 포화 압력보다 더 낮게 유지되어야 한다.

계산을 진행할 수 있는 두 가지 방법이 있다. 각각의 방법에는 장점과 단점이 있다.

제1 방법은 응축이 발생하는 마하 수는 다음 관계에 의해 상대 정체 습도와 관련이 있다는 지. 스네르(G. Schnerr)의 논문(Schnerr, 1989)에서 제시된 유사성 법칙(similarity law)을 사용하고,

방정식 10

여기서,

그리고 α = 0.208 및 β = 0.59

주어진 상대 습도에 대해 결정된 응축의 개시 마하 수를 사용하여 중심 구획에서 최대 마하는 응축 개시 마하 수보다 더 작도록 선택될 수 있다. 선택된 마하 수로부터 디바이스의 최대 깊이는 방정식 4로부터 계산될 수 있다. 여기서 냉각을 고려할 때, 응축 개시를 위해 냉각 후의 마하를 여기서 고려해야 하며 결과 상류 마하 수는 면적을 얻기 전에 계산되어야 한다는 것이 주목된다. 이 방법의 장점은 응축 개시를 계산하는 더 간단한 방법을 제시하지만 변수(α 및 β)는 특정 노즐 군에서만 일정하다는 것이다.

또 다른 방법은 증기 압력으로부터 개시 마하 수를 계산하는 것이다. 마하 수가 증가할 때 압력 온도와 밀도가 감소하는 것으로 알려져 있다. 공기와 증기의 밀도로부터 각각의 분자 체적을 계산할 수 있다. 이들로부터 증기의 분자 분율(molecular fraction)이 또한 결정될 수 있다.

분압은 분자 분율과 정압의 곱이다. 이 분압이 주어진 지점에서 증기의 포화 압력보다 더 크면 응축이 발생한다. 이 값은 분압과 포화 압력이 동일한 곳에 의해 결정된 각각의 마하 수와 개시 마하 수에 대해 계산될 수 있다. 이로부터 이전의 경우에서와 같이 면적을 계산할 수 있다.

이 방법의 장점은 형상에 관계 없이 계산될 수 있지만, 응축 개시의 거동을 변경시킬 수 있는 곡률은 전혀 계산에 고려되지 않는다는 것이다.

상기 계산으로부터, 에어포일의 기하학적 형상을 계산하기 위한 방법이 수립되었다. 도 11은 일측이 언덕 형상부의 특징을 유지하는 반면, 타측은 편평한 표면일 때 덕트 시나리오에서 에어포일 설계의 기하 형상을 보여준다. 이 경우 전체 설계는 목부 직경(y^*)과 되 관련될 수 있다.

y^*와 입구 마하 수를 알면, y_입구를 계산하는 것은 방정식 4를 사용하여 수행될 수 있다. 습도 조건으로부터 중심 구획에서 깊이(Y_딥)와 마하 수는 증기압의 유사성 법칙으로부터 계산될 수 있다. 임의의 냉각 후 마하 수와 면적(Y_딥)을 사용하여 제2 목부(y^2*)의 높이를 계산할 수 있다. 출구 조건(y_출구)은 필요에 따라 응축이 구획에서 발생하는 것을 보장할 만큼 충분히 커야 한다.

이전에 식별된 설계 파라미터로부터 터빈에 대한 일련의 동작 조건이 수립될 수 있다. 이 경우, 응축 개시 마하 수가 먼저 계산된다. 이 숫자가 1 미만이면 응축은 천음속 영역에서 시작된다. 이것은 흐름이 제1 언덕 위를 지나기 전에 응축이 시작된다는 것을 의미한다. 이것은 터빈이 동작하는 것을 효과적으로 방지한다.

응축 개시 마하 수가 1을 초과하는 경우, 공기의 증기 함량을 고려하여 온도 상승이 더 계산될 수 있다. 온도가 상승하면 레일리 방정식에 따라 마하 수가 감소한다. 응축 후의 마하 수가 1 미만이면 흐름이 이 지점으로부터 아음속이 된다. 마하 수가 1 내지 1.12이면 흐름은 초음속일 수 있고 면적이 확장되면 마하 수는 1.12로 증가한다. 이 지점에 도달하면 수직 충격파가 발생하여 입구 마하 수와 일치하는 0.9의 출구 마하 수가 발생될 수 있다. 마하 수가 1.12를 넘으면 어떤 충격파에서도 마하 수가 0.9 미만으로 될 수 있어서 수직 충격파로 인해 문제가 발생하는 것을 방지하기 위해 출구에 일부 형태의 가변 형상 노즐이 필요하다.

도 12는 10K 냉각에서 온도 및 습도 변화에 따른 응축후 마하 수를 나타내는 표이다. 이 표에서, 화살표 B로 나타낸 영역은 제1 언덕의 전방에서 응축이 일어나는 곳을 나타내고, 화살표 C로 표시된 영역은 응축 후 아음속 마하 수를 나타내고, 화살표 D로 나타낸 영역은 마하 수가 1.12 미만인 곳을 나타내고, 화살표 E로 표시된 영역은 마하 수가 1.12를 초과하는 곳을 나타낸다.

이 표에서 주목해야 할 고려 사항 중 하나는 이러한 대부분의 경우에 딥과 제2 언덕 사이의 높이 차이가 충분히 낮아서 제1 언덕으로부터 내려갈 때 발생되는 경계층이 제2 언덕을 덮을 수 있다는 것이다. 10K 냉각에서 온도 및 습도 변화에 따른 딥 깊이의 표는 도 13에 나와 있다.

이것은 딥이 존재하는 것을 흐름이 알지 못하고 전단 층이 2개의 언덕의 피크 사이에 연장되는 쿠션 효과를 초래할 수 있다. 이러한 경우 마하 수는 필요에 따라 증가하지 않아서 흐름을 방해할 수 있다. 이 높이의 증가가 경계층보다 더 높아질 만큼 높이가 충분하다는 것을 보장하도록 조치가 이루어져야 한다.

본 발명의 터빈 장치의 추력을 계산하는 것은 잠재력(potential)을 나타내는 터빈 중 하나의 터빈의 CFD 분석을 사용하여 수행된다. 선택된 터빈은 온도가 30℃ 이고 상대 습도가 5%인 경우를 나타낸다. 이 터빈은 디바이스의 동작 포락선(operating envelope) 내에서 연결되며, 경계층이 흐름을 방해하지 않는 것을 보장하도록 중심 구획의 딥과 제2 목부 사이에 충분한 높이 차를 보여준다. 이 경우 응축을 피하기 위해 계산된 임계 기하 형상의 상세는 도 14에 나와 있다.

:

구성된 기하 형상은 0.5cm 두께였고 이 시뮬레이션에 적용된 초기 경계 조건은 다음과 같다:

입구 정압 = 101325Pa

입구 정체 온도 = 352K

공기 질량 흐름 = 0.092 kg/s (18.4 kg/ms)

증기 질량 흐름 = 0.000118602 kg/s (0.02372kg/ms)

출구 정압 = 20000Pa

괄호 안의 값은 디바이스의 미터 폭당 질량 흐름률이다. 시뮬레이션은 스페이트-알마라 난류 모델(Spairt-Allmaras turbulence model)을 사용하여 실행되었다. 솔루션은 흐름 파라미터의 추정치를 초기화했다. 이들은 수렴의 안정성을 보장하기 위해 의도적으로 과소평가되었다. 초기화에는 다음 설정이 사용되었다:

정압 = 101325Pa

x 속도 = 283 m/s

온도 = 303K

시뮬레이션이 안정된 방식으로 진행되기 위해 결과가 수렴에 도달될 때까지 먼저 증발이 0이고 응축이 0이라고 가정하고 흐름이 계산되었다. 이 시점에서 음의 에너지원을 사용하여 제1 언덕의 베이스 구역에 증발이 추가되었다. 수렴이 수립될 때까지 다시 시뮬레이션이 실행되었다. 이 시점에서, 분압과 포화 압력 사이의 차이에 의해 제안된 지점에서 에너지원으로서 응축이 추가되었다. 다시 수렴에 도달할 때까지 시뮬레이션이 실행되었다. 마지막 단계는 출력 압력을 20000Pa로부터 100800Pa로 증가시키는 것이었다. 이것은 터빈 출구 상의 거동을 정확하게 모델링하기 위해 출구를 대기 상태로 이동시키고 응축 직후에 출구 충격파가 일어나는 것으로 이동시켰다.

303K에서 5%의 습도의 경우 공기의 수분 함량은 1.25 g/kg이다. 추출된 증발 에너지는 16K의 온도 감소 또는 2.22 g/kg의 증발과 동등한 반면, 응축에 사용된 에너지원은 6.98K의 온도 상승 또는 3.47 g/kg의 응축과 동등했다.

도 15는 증발이 개시되기 전 마하 수의 윤곽을 나타내는 그래프이고, 도 16은 증발이 일어나는 영역을 보여주는, 증발 후 마하 수의 윤곽을 나타내는 그래프이고, 도 17은 응축이 일어나는 영역을 보여주는, 응축 후 마하 수의 윤곽을 나타내는 그래프이며, 도 18은 응축 후의 충격파를 보여주는, 출구 압력을 대기압으로 상승시킨 후 마하 수의 윤곽을 나타내는 그래프이다.

이 공정이 완료되면, 결과 추력이 벽 표면에 가해지는 힘의 리포트로부터 수립될 수 있다. 이 리포트는 응축 직후 입구와 출구 충격파 사이의 내부 영역으로 정의된 터빈의 작동 영역에 대해 수행되었다. 이것은 작동 영역에서 터빈 폭의 미터당 546N의 순 추력을 발생시켰다. 이 추력은 터빈의 작동 구획 내에서 항력 효과를 포함하지만, 회전자 시스템 덕트, 출구 형상 또는 입구와 출구 사이의 높이 차로 인한 외부 항력 효과를 포함하지는 않는다. 가변 형상 노즐을 사용하면 면적을 줄이고 대안적으로 314 m/s 쪽으로 다시 흐름을 가속시킬 수 있고, 출구 깊이를 줄이면 아음속으로 속도 확산되는 것을 방지할 수 있다. 이들 옵션 모두는 디바이스의 램 항력(ram drag)을 감소시키는 한편, 생성된 추력을 감소시킬 수 있어서 균형이 얻어질 수 있다.

양의 전체 추력을 얻기 위해서 디바이스는 외부 항력에서 생성하는 것보다 더 많은 내부 추력을 생산해야 한다. 여기서 고려해야 할 유용한 파라미터는 항력 계수이다. 이것은 방정식으로부터 계산된다:

방정식 11

여기서 D는 회전자 시스템의 항력이고, A는 회전자의 면적이다. 직경이 1m이고 익현(chord)이 5cm인 3개의 회전자 시스템을 가정하면 0.075m²의 면적이 생성된다. 이 계산에 사용된 속도는 팁 속도의 절반인 평균 속도이다. 이후 팁 깊이가 33cm이고 그리하여 182N의 추력과 정상 공기 밀도를 갖는 회전자의 경우 이것은 시스템이 양의 추력을 생성하기 위해 항력 계수가 0.14 미만이어야 한다는 것을 의미한다. 시스템의 항력 계수를 유선형 몸체에 일반적인 0.04의 값으로 다운시켜 설계할 수 있으면 50N의 항력이 생성된다. 베어링 손실과 함께 이것은 55.1N의 총 항력을 제공한다. 팁 깊이가 33cm인 회전자의 경우 이것은 이용 가능한 동력의 30%가 초기 동력 이득에 대해 설정되어야 한다는 것을 의미한다.

이동하는 물체의 경우, 동력은 힘과 속도의 곱과 같다. 팁 속도가 314 m/s로 회전하는 터빈의 경우, 이것은 디바이스의 작동 영역에서 생산된 총 동력이 171kW/rn(이것은 가변 노즐 비용이 포함된 경우 내부적으로 155kw로 더 감소함)인 것을 의미한다. 이것은 증발/응축 사이클에 의해 생산된 일이다. 즉각 손실은 이것을 외부적으로 133kw/rn으로 감소시킨다.

이 연구에 따르면 특정 조건 하에서 터빈이 응축으로 인한 에너지 방출 영향으로 추력이 증가하는 것을 보여주는 것으로 밝혀졌다. 외부 회전자/펌핑이 손실을 디바이스의 추력 미만으로 유지할 수 있는 방식으로 설계될 수 있다면 이것은 순 추력을 생성한다. 디바이스가 회전하는 속도가 주어지면 추력이 약간만 증가해도 이용 가능한 동력이 크게 증가한다.

이 일 동안 이 디바이스는 내부 구조물인 것으로 가정되었다. 이것은 외부 표면이 존재하는 것을 의미한다. 이러한 구조물의 공기 역학적 설계는 디바이스의 항력과 그리하여 순 동력을 생산하는데 근본적인 영향을 미치기 때문에 터빈의 동작에 중대한 영향을 미칠 수 있다.

디바이스의 동작 조건은 매우 민감하다. 주어진 습도의 경우 온도가 높을수록 공기 중에서 이용 가능한 물이 더 많이 응축될 수 있다. 이것은 이용 가능한 동력이 더 커진다는 것을 의미한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 임의의 주어진 온도에 대해, 중심 구획이 떨어질 수 있는 깊이는 더 높은 온도에서는 더 크다. 이것은 제조하기 쉬운 디바이스를 생산한다. 이러한 디자인은 또한 중심 구획과 제2 언덕 사이의 높이 차이가 더 커질 때 경계층의 영향에 덜 취약하다.

주어진 온도에서 습도가 증가하면 이용 가능한 동력이 증가하지만 분압이 더 높아지기 때문에 응축이 더 일찍 일어난다. 이것은 중심 구획이 떨어지는 깊이가 감소하고 디바이스가 흐름을 불안정하게 만드는 경계층 효과에 더 취약하다는 것을 의미한다. 사용된 냉각제의 양을 줄임으로써 온도 강하가 줄어들고 결과적으로 포화 압력이 증가한다. 습도에 사용된 냉각제의 양을 정확히 균형 맞추면 주어진 물리적 디자인의 동작 범위가 확장될 수 있다.

이 분석을 위해 디바이스는 대기 온도가 높고 상대 습도 레벨이 낮은 조건에서 동작하도록 설계된다. 습도의 증가는 흐름 안정성을 유지하기 위해 사용되는 냉각을 감소시킴으로써 다소 상쇄될 수 있다. 이러한 조건은 디바이스가 따뜻하고 건조한 기후 조건에서 더 쉽게 분석된다는 것을 암시한다. 이 풍부한 습도는 '건조한' 냉각제를 사용하는 것에 의해 및 제1 언덕의 후방 경사에서 여분의 응축이 일어나는 것에 의해 관리할 수 있다. 건조한 장소에서 디바이스의 부산물로 생성되는 응축물은 또한 매우 귀중하고 그래서 이것은 디바이스 전체의 가치를 증가시킨다.

주어진 조건 세트에서 중요한 형상은 순전히 수학적 방법으로부터 찾아낼 수 있다는 것이 주목할 만하다. 경계층의 영향을 조사하고 추력을 평가하기 위해 CFD가 최상의 이용 가능한 방법을 제시한다.

이러한 접근법의 조합은 터빈에 동작 포락선이 존재하는 것을 보여준다. 이 범위는 디바이스에 사용된 온도, 상대 습도 및 냉각량의 조합으로 설명된다. 고정된 온도 및 냉각의 경우 습도가 너무 높으면 흐름이 질식되어 전체 공정이 중단되기 전에 응축이 일어난다. 터빈 자체 내에서 이들 요인은 디바이스의 설계에 영향을 미칠 수 있지만 냉각량을 변경시키면 다른 인자의 일부 변동을 보상할 수 있다. 물 대신 질소와 같은 '건조한' 냉각제를 사용하면 물이 언덕들 사이에서 응축될 때 냉각제가 증발될 수 있어서 동작 범위가 확장된다.

디바이스가 포락선 내에서 동작되고 외부 특징부에서의 항력이 최소화되면 디바이스는 양의 추력을 생성한다. 디바이스가 회전하는 속도에서 추력이 조금만 증가해도 상당한 양의 동력을 생산할 수 있다.

CFD 계산으로부터 생성된 설계는 직경 1m인 3 회전자 시스템이다. 팁의 깊이는 33cm이고 시스템은 6000rpm으로 회전한다. 이것은 상대 습도 5% 및 30℃의 사막 조건에서 동작하도록 설계되었다. 이 디바이스는 133kW의 전력을 생산하며 시간당 81 리터(하루 1944 리터)의 물을 생산한다. 이 디바이스의 '연료'는 습한 신선한 공기이기 때문에 CO₂ 발생하지 않으며 공급 비용도 없다. 마지막으로, 공기 중에 충분한 습도가 있는 한 필요에 따라 디바이스를 켜고 끌 수 있다.

본 명세서에 개시된 다양한 실시예는 동일한 공통의 에너지원을 갖지만, 동력, 물, 열, 극저온 장치, 스폿 냉각/가열 또는 펌핑 요건에 따라 정확한 재료 및 규모 사양이 변할 수 있다. 이와 함께 기계가 동작해야 하는 일반적인 환경은 재료와 규모를 또한 결정한다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 높은 아음속에서 효과적으로 동작하기 위해 표면이 부드럽고 강성인 일반 요구 조건을 인식할 수 있을 것이다.

이러한 설계는 강풍에 저항하고, 지진, 쓰나미 및 다른 자연 재해에 명백한 취약성이 없다. 풍부한 물 공급과 공중에서 직접 끌어낸 펌핑 능력으로 실제 현지 상당한 화재(fire)를 관리할 수 있다.

본 발명은 실행 가능한 에너지 추출을 위해 주위 공기가 얼마나 차갑고 건조할 수 있는지에 관해 한계를 갖는다. 일반적으로 공기 1kg당 1g을 초과하는 수증기가 필요하다. 이것은 온도가 -20℃를 초과해야 하는 것을 의미한다. 중요한 유용성이 실패할 가능성이 있더라도 대안적인 방법에 의지할 필요가 있다. 그리하여 이 설계가 액체를 증발시키는 경우 이 액체는 일반적으로 물이지만 상당한 증발 잠열을 갖는 탄화수소, 예를 들어, 메탄올일 수 있다. 이 설계가 응축 잠열로 인해 열을 추가하는 경우 이것은 상기 탄화수소 공기 혼합물의 화학적인 연소열일 수 있다.

이것은 물론 재료, 펌핑 및 분무액 사양 및 또한 점화 시스템을 규정한다. 이 요구 사항의 가능성은 실제로 사용하지 않더라도 디자인의 특징을 나타낼 수 있다. 그러나 이것은 이러한 유용성을 제시할 때 백업 플랜트가 필요하지 않는다는 것을 의미한다. 이러한 상황에서 탄화수소를 연소시켜도 더 따뜻하고 더 습한 기간에 이용 가능한 과도한 동력으로 연료가 합성되어서 환경에 전혀 영향을 미치지 않는다. 이용 가능한 경우 초과 동력을 사용하여 CO₂ + H₂O → 탄화수소 + 0₂가 합성되면 이것이 연소될 때 탄화수소 + 0₂ → CO₂ + H₂O가 되어 원래 투자된 동력의 일부를 반환한다. CO₂의 순 생산량은 0이라는 것이 주목된다.

따라서, 동력 생산, 물 수집, 직접 전기 전력 생산, 극저온/초전도 환경 유지 보수, 펌핑, 가열 또는 냉각을 위한 전술한 기술 중 하나 이상을 조합하여 사양을 상술할 수 있다. 그 결과 유연성은 필요한 목적(들)을 위한 엔진을 구성하는데 폭 넓은 선택권을 설계자에게 제공한다.

다른 실시예

본 발명의 다른 실시예는 다음을 포함한다:

1. 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 설명된 및/또는 첨부된 도면에 도시된 바와 실질적으로 같은 터빈 에어포일.

2. 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 설명된 및/또는 첨부된 도면에 도시된 바와 실질적으로 같은 터빈 장치.

본 발명의 양태는 단지 예로서 설명되었고, 첨부된 청구 범위에서 한정된 범위를 벗어남이 없이 본 발명에 추가 및/또는 수정이 이루어질 수 있는 것으로 이해된다.

Claims (15)

1. 주위 유체에서 상대 운동을 하기 위한 터빈 에어포일(turbine airfoil)로서,
   상부 측벽 및 하부 측벽, 선두 에지(leading edge), 후미 에지(trailing edge), 및 상기 선두 에지로부터 상기 후미 에지로 연장되는 캠버 라인(camber line)을 갖는 에어포일의 단면 형상을 포함하는 주 스파(main spar)로서, 상기 주위 유체가 상기 선두 에지로부터 상기 후미 에지로 하류 방향으로 상기 주 스파 위를 흐르도록 상기 에어포일은 상기 주위 유체에 대해 운동하는, 상기 주 스파; 및
   상기 주 스파 위를 흐르는 상기 주위 유체 내 외측으로 유체를 방출하도록 동작 가능한 방출 수단을 포함하되;
   상기 주 스파의 측벽은 상기 선두 에지로부터 상기 후미 에지로 가면서 순차적으로 제1 언덕 형성부(hill formation) 및 제2 언덕 형성부를 포함하고, 각각의 언덕 형성부는 상기 캠버 라인으로부터 점진적으로 증가하는 거리의 제1 영역, 상기 캠버 라인으로부터 점진적으로 감소하는 거리의 제2 영역, 및 상기 제1 영역과 제2 영역 사이의 계면에 있는 정상부(crest)를 포함하고,
   상기 제1 언덕 형성부의 상기 제1 영역은 상기 주위 유체와 상호 작용하여 상기 제1 언덕 형성부의 상기 정상부에서 상기 주위 유체를 높은 아음속 상대 속도로부터 음속 상대 속도로 증가시키고 상기 제1 언덕 형성부의 상기 정상부 후에서는 초음속으로 가속시키도록 동작 가능하고,
   상기 방출 수단은 상기 제1 언덕 형성부의 상기 제2 영역에서 응축이 개시되기 전에 증발 유체를 방출하여 상기 주위 유체로 증발시키고, 상기 제1 언덕 형성부의 상기 제2 영역은 상기 주위 유체와 상호 작용하여 상기 주위 유체를 초음속 상대 속도로부터 더 높은 초음속 상대 속도로 가속시키고;
   상기 제2 언덕 형성부의 상기 제1 영역은 상기 주위 유체와 상호 작용하여 상기 제2 언덕 형성부의 상기 정상부에서 상기 주위 유체를 초음속 상대 속도로 감속시켜 유지하도록 동작 가능하고,
   상기 방출 수단은 응축 유체를 방출하여 상기 제2 언덕 형성부의 상기 제2 영역 위로 흐르는 상기 주위 유체에 응축 충격을 포착 또는 핵 형성하여 상기 주위 유체를 초음속 상대 속도로부터 아음속 상대 속도로 감속시키고 상기 측벽에 압력을 생성하여 상기 에어포일에 추력을 부여하도록 더 동작 가능한 것을 특징으로 하는 터빈 에어포일.
2. 제1항에 있어서, 상기 증발 유체는 상기 제1 언덕 형성부 위로 흐르는 상기 주위 유체에 초기 응축 충격 전에 방출되는, 터빈 에어포일.
3. 제1항에 있어서, 상기 응축 유체는 상기 제2 언덕 형성부 위로 흐르는 상기 주위 유체에 응축 충격이 발생하기 전에 방출되는, 터빈 에어포일.
4. 제1항에 있어서, 상기 방출 수단은 적어도 하나의 노즐을 포함하고, 상기 증발 유체 및 응축 유체는 공급원으로부터 상기 에어포일 내 도관의 배열을 통해 상기 노즐 또는 각각의 노즐로 운반되는, 터빈 에어포일.
5. 제1항에 있어서, 상기 주 스파는 작동 유체(working fluid)를 포함하는 중공 공동(hollow cavity)을 포함하고, 상기 공동은 복수의 상호 연결된 챔버로 분할되는, 터빈 에어포일.
6. 제5항에 있어서, 각각의 챔버는 각각의 챔버 내 상기 작동 유체의 압력 또는 온도를 독립적으로 조절하기 위해 상기 챔버들 사이에 상기 작동 유체의 흐름을 제어하도록 동작 가능한 밸브 수단을 포함하는, 터빈 에어포일.
7. 제1항에 있어서, 상기 증발 유체는 물, 액체 질소, 및 메탄올과 같은 탄화수소 중 하나이거나 또는 조합인, 터빈 에어포일.
8. 제7항에 있어서, 상기 증발 유체는 상기 터빈의 설계된 크기의 규모에서 증발하도록 동작 가능한 직경을 갖는 유체 입자를 포함하는, 터빈 에어포일.
9. 제1항에 있어서, 상기 응축 유체는 물 액적, 염수 또는 얼음 입자와 같이 냉각된 정적으로 대전된 유체 입자를 포함하는, 터빈 에어포일.
10. 제1항에 있어서, 상기 주위 유체는 습한 공기인, 터빈 에어포일.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 에어포일을 갖는 터빈 장치로서,
    터빈 샤프트 및 상기 터빈 샤프트로부터 축 방향으로 연장되는 적어도 하나의 회전자로서, 각각의 회전자의 팁에서 에어포일이 운반되는, 상기 터빈 샤프트 및 적어도 하나의 회전자; 및
    상기 샤프트 및 각각의 회전자 내에 있고, 상기 증발 유체와 응축 유체를 상기 에어포일에 공급하는 도관의 배열을 포함하되,
    각각의 회전자는 상기 주위 유체와 상호 작용하여 회전하며, 상기 에어포일의 선두 에지가 상기 주위 유체를 통해 이동시켜 상기 터빈 샤프트를 회전시키도록 구성된, 터빈 장치.
12. 제11항에 있어서, 유발된 응축 충격은 상기 주위 유체 내 유체 입자를 응축하도록 동작 가능하고, 상기 에어포일은 상기 응축된 유체를 상기 터빈 장치의 적어도 하나의 수집 수단으로 편향시키도록 구성될 수 있는, 터빈 장치.
13. 제12항에 있어서, 상기 수집 수단은,
    덕트 내에 형성되고, 응축된 유체 함량이 수집 챔버 내로 흐르는 채널;
    응축된 유체 함량을 수집 챔버 내로 편향시키는, 상기 터빈을 둘러싸는 하우징, 그물(netting) 또는 다른 표면의 수집 표면; 및
    상기 터빈 샤프트를 따라 응축된 유체 함량을 수집하기 위한 하나 이상의 사이클론(cyclone) 또는 와류(vortex) 튜브 및 수집 챔버
    중 하나 이상을 포함하는, 터빈 장치.
14. 제11항에 있어서, 회전하는 터빈 샤프트에 의해 생성된 에너지를 전기 에너지 또는 기계 에너지로 변환하는 에너지 변환 수단을 더 포함하는, 터빈 장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 에너지 변환 수단은 상기 터빈 장치의 하우징 내에 제공되고, 상기 샤프트는 상기 하우징에 결합되어, 전기 에너지를 생성하는, 상기 에너지 변환 수단의 전도성 권선은 상기 하우징 내에 제공되는, 터빈 장치.

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