KR20140015520A

KR20140015520A - 수평 다단 풍력 터빈

Info

Publication number: KR20140015520A
Application number: KR1020137031868A
Authority: KR
Inventors: 마리오 카지아노
Original assignee: 7142871 캐나다 인코포레이티드
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2014-02-06
Also published as: EP2729699A4; EP2729699A1; CA2835398C; WO2013005099A1; CA2835398A1; US20140112783A1; JP2014518355A; CN103827479A

Abstract

연속적인 케이지형 터빈 조립체로 구성된 HMSWT가 개시된다. 다중 터빈 조립체는 바람직하게는 커플링 효과로 서로 역 회전 운동이 야기된다. 제1 터빈 조립체는 접근하는 바람에 의해 추진되는 회전 운동으로 추진되고 가압되어 제2, 내부 터빈 조립체를 반대 및 역방향으로 회전하게 한다. 이 커플링 효과는 동일한 접근하는 바람 및 공기흐름으로 2개 이상의 터빈의 회전 운동을 가능하게 한다. 이들 다중 블레이드의 특정 설계는 회전 운동을 증가시키는 것에 의해 바람의 추진력을 개선함과 동시에, 동일한 공기흐름을 내부로 향하게 하여 공기흐름의 속도를 증가시켜 이 공기흐름으로 내부 터빈 조립체를 추진한다.

Description

수평 다단 풍력 터빈{HORIZONTAL MULTIPLE STAGES WIND TURBINE}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2011년 7월 7일에 출원된 미국 가특허 출원 제61/505,506호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 참조로 본 명세서에 병합된다.

풍차는 바람의 에너지를 돛 또는 블레이드(blade)라고 불리는 베인(vane)에 의하여 회전 에너지로 변환하는 기계이다. 이 풍차는 지구의 동력을 이용하여 이 기계적 움직임을 변환하여 일을 수행하는 방식으로 수 백년 동안 사용하여 왔다. 풍력은 사람이 돛을 바람에 두어 사용되어 왔다. 2000년 이상 풍력으로 동작하는 기계는 곡물을 빻고 물을 펌핑하였다. 역사적으로 풍차는 많은 다른 산업에 사용되었다. 중요한 비-제분(non-milling) 사용은 일반적으로 풍력 휠이라고 알려진 풍력 펌프로 지하수를 펌핑하는 것이다. 풍력으로 동작하는 펌프는 네덜란드의 간척지에, 및 미국 중서부 또는 오스트레일리아 오지와 같은 건조한 지역에서 물을 끌어올리고, 풍력 펌프는 가축과 증기 엔진을 위한 물을 제공하였다.

전기 전력이 개발되어, 풍력은 중앙 발전소로부터 원격에 있는 빌딩을 조명하는데 새로운 분야에 응용하고 있다. 20세기에 와서 농장 또는 거주에 적합한 소형 풍력 발전소가 개발되었으며, 대규모 실용적인 풍력 발전기가 또한 건설되어 전력망에 연결되어 전력을 원격에서 사용할 수 있게 되었다. 전기를 생산하는데 사용되는 풍차는 일반적으로 풍력 터빈이라고 알려져 있다. 현대에 바람은 기계적 동력을 이용하여 많은 보다 대안적인 응용으로 전기를 생산하였다. 풍차는 본질적으로 역으로 팬이다; 전기를 사용하여 환기를 위한 바람을 일으키는 대신, 이 풍차는 바람을 사용하여 기계적 동력을 이용하여 전기를 생산한다.

오늘날 풍력 발전기는 소형 유닛으로부터 전기를 국내 전력망에 제공하는 근 기가와트 사이즈의 연안 풍력 발전 지역에 이르는 모든 사이즈 범위에서 동작한다. 이 뒤에 있는 아이디어는 간단하고 시간 오랜 시간 입증되었다. 바람은 풍차의 블레이드를 회전시켜 샤프트를 회전시킨다. 샤프트는 기어박스를 회전시켜 발전기를 회전시킨다. 풍차가 크면 클수록, 풍차는 보다 효율적이고 보다 많은 에너지를 생산한다. 이들 풍력 터빈은 괜찮은 레벨의 바람이 있는 곳에서 작동하므로 매우 유용하다. 이것은 원격 기상 관측소, 물 펌프장, 원격 발전소 및 일부 응용을 명명하는 농장이 하나 또는 일련의 풍력 터빈에 의해 전력 공급받을 수 있다는 것을 의미한다. 하이브리드 시스템은 디젤 발전기, 태양 전지, 및 배터리 팩과 함께 풍력 터빈을 사용하여 더 많은 일관적인 전력원을 전달하기 위해 개발된 것이다.

그러나, 종래의 풍력 터빈 및 현재 건축 설계는 성능 용량 및 동력 출력 범위를 방해하는 심각한 동작 제한을 가지고 있다. 일부 단점은 종종 풍력이 일정치 않고 제로(0)인 경우로부터 폭풍의 힘으로까지 변하는 풍력의 동작 강도와 관련된다. 이것은 종래의 풍력 터빈이 동일한 양의 전기를 항상 생산하는 것은 아니라는 것을 의미한다. 일반적으로 대부분의 종래의 HWAT 또는 VWAT 풍력 터빈에서, 맞바람(head wind)은 블레이드를 회전시켜 에너지를 생산할 만큼 강한 적어도 17 mph이다. 이들은 전혀 전기를 생산하지 않는 때가 있을 수 있다. 대형 풍력 기계는 바람이 너무 강한 경우 셧다운(shutdown)되어 특정 회전 속력을 초과하지 않게 손상을 회피할 수 있다.

종래의 설계 및 현재 블레이드 건설은 비틀림과 같은 초과 회전력 및 높은 회전 속력과 직접 연관된 높은 인장력을 견딜 수 없다. 안타깝게도, 에너지 및 전기 생산의 증가는 높은 회전 속력과 직접 관련되고 이를 절대적으로 요구한다. 대량의 전력을 생산하는 유일한 실제적인 방식은 세계의 여러 지역에서 행해지는 바와 같이, 해양에서 먼 플랫폼 플로우팅과 같은 바람이 대부분 일정한 곳에 어레이로 배열된 수 백개의 풍차를 사용하는 것이다. 거대한 사이즈 및 날개(wing) 또는 블레이드 길이(span)는 이들 종래의 풍력 터빈 설계의 또 다른 큰 단점이다.

본 발명의 일 실시예는, 제1 터빈 조립체의 외주 주위에 길이방향으로 위치된 복수의 블레이드를 구비하는 제1 원통형 터빈 조립체; 및 제2 터빈 조립체의 외주 주위에 길이방향으로 위치된 복수의 블레이드를 구비하는 제2 원통형 터빈 조립체를 포함하되, 상기 내부 제2 원통형 터빈 조립체는 제1 원통형 터빈 조립체 내에 길이방향으로 연장되고; 제1 터빈 조립체의 블레이드는 공기흐름에 노출될 때 제1 방향으로 제1 터빈 조립체를 회전시켜 공기흐름을 제2 원통형 터빈 조립체 쪽 내부로 전달하도록 형성되어 위치되고 각져 있으며; 제2 터빈 조립체의 블레이드는 공기흐름에 노출될 때 제1 방향과 반대방향인 제2 방향으로 제2 터빈 조립체를 회전시키도록 형성되어 위치되고 각져 있는 것인, 다단 터빈을 포함한다.

본 발명의 일 실시예의 광의의 측면에 따라, 수평 다단 풍력 터빈(Horizontal Multiple Stages Wind Turbine: "HMSWT")이 제공된다. 본 발명의 일 실시예는 바람의 자연적인 운동 에너지를 사용하여 회전 운동을 생성하고 기계적 에너지로 변환하여 전기 전력을 생산하는 혁신적인 새로운 개념 및 설계에 관한 것이다. HMSWT는, 바람직하게는 HMSWT 내 다중 터빈 블레이드 조립체의 일부로서 블레이드 설계 및 커플링 효과에 항공 원리를 사용하여 혁신적인 터빈 조립체 블레이드 설계와 건설 및 혁신적인 시스템 기능를 포함한다.

그러나, 바람으로부터 오는 운동 에너지를 회전 운동 및 기계적 에너지를 생성하여 전기 에너지로 변환하는 것은 전력 생성 성분 및 부속품에 의하여 달성되는 것으로 설명되고 이해된다. 비제한적인 예로서, 이러한 부속품 및 성분은 3개의 위상 AC 또는 교류 전력을 생성하는 영구 자석 발전기 또는 발전기에 연결된 독립적인 샤프트에 연결된 다중 터빈 조립체를 포함할 수 있다. 이 전기 전력은 DC 또는 직류로 정류되어 대규모 전력 저장 배터리를 충전하거나 또는 전력망-동기 인버터에 공급될 수 있다.

HMSWT의 막대한 장점은 바람직하게는 커플링 효과로 서로 역회전 운동을 야기하는 터빈 블레이드 설계 및 다중 터빈 조립체이다. 이 새로운 혁신적인 시스템의 동작 성능 및 장점을 더 잘 설명하기 위하여 다중 터빈 조립체 사이에 관계 및 상호작용을 이해해야 한다. 외부 터빈 조립체는 제2 및 내부 터빈 조립체를 반대 및 역방향으로 회전하게 하는 접근하는 바람에 의해 추진되는 회전 운동으로 추진된다. 커플링 효과라고 불리는 이 효과는 동일한 접근하는 바람 및 공기흐름을 구비하는 2개 이상의 터빈의 회전 운동을 제공한다. 이 효과는 터빈 조립체 각각 내에 구성된 다중 블레이드에 의해 생성된다. 이들 다중 블레이드의 특정 설계는 회전 운동을 증가시키는 것에 의해 바람의 추진력을 개선시키는 것과 동시에 이들 블레이드는 동일한 공기흐름을 내부로 지향시켜 공기흐름의 속도를 증가시켜 내부 터빈 조립체를 추진시킨다.

내부 터빈 조립체의 다중 블레이드는 바람직하게는 후술되는 바와 같이 외부 터빈 조립체와는 역 구성으로 위치되어, 이들이 고속 공기흐름을 수용하도록 하여 역 및 반대 회전 운동을 야기하게 한다. 후속적으로, 터빈 조립체는 내부 또는 외부에 바로 위치된 터빈 조립체와 역 회전 방향으로 회전한다. 이 프로세스는 2개를 초과하는 터빈 조립체가 HMSWT 내에 구성되는 경우에 반복될 수 있다.

바람직한 실시예에서, HMSWT는 2개의 터빈 조립체, 즉 주(primary) 외부 터빈 조립체 및 부(secondary) 내부 터빈 조립체를 구비하게 구성될 수 있다. 대안적인 실시예에서, HMSWT는 3개 이상과 같은 다중 터빈 조립체로 구성될 수 있다. HMSWT는 출력 범위 및 전기 전력 생산에 직접 영향을 미치는 여러 사이즈로 구성될 수 있다. 따라서, HMSWT의 전체 사이즈는 또한 터빈 조립체의 수 및 사이즈에 따라 변할 수 있다.

이 혁신적인 새로운 설계 및 개선된 동작 개념은 전기 전력 생산 용량을 직접 증가시키는 증가된 회전 속력을 제공한다. 다중 블레이드 터빈 조립체 각각의 개선된 블레이드 설계 구성은 더 높은 속도로 내부로 접근하는 공기흐름을 추진하고 사이펀하면서 회전 운동을 강화(accentuate)하도록 설계된다. 각 터빈 조립체는 선행 및/또는 후속 터빈 조립체와 역 구성으로 구성된다. 그리하여, 하나의 터빈 조립체의 회전 운동이 다른 터빈 조립체의 역 회전 운동을 야기하고 이와 같이 계속되는 것으로 이해된다.

이 완전히 새로운 기술적 및 혁신적인 개념은 증가된 강도 및 강건함, 보다 컴팩트한 설계 및 구성을 제공함과 동시에 증가된 회전 속력을 달성하여 더 큰 전기 에너지의 생산 용량으로 직접 변환된다. 개선된 항공 블레이드 구성을 포함하는 이러한 새로운 설계는 전력 출력을 양보하지 않고 높은 맞바람을 가지는 악조건에서 동작하는 능력을 통해 동작 효율 및 전기 전력 생산을 크게 증가시켜 높은 회전 속력을 야기한다.

HMSWT 터빈 조립체의 블레이드 설계 및 커플링 효과 개념은 종래의 풍력 터빈에 비해 동일한 접근하는 바람으로 더 큰 전기 동력 출력을 생산할 수 있고, 바람이 없는 조건에서뿐만 아니라 가변하는, 강한, 또는 적당한 바람 조건에서도 동작할 수 있다. 다중 외부 및 내부 터빈의 구성 및 커플링 효과로 인해 높은 회전 속력을 달성하고 유지하는 HMSWT 동작 용량은 이 새로운 풍력 터빈 개념이 더 큰 전기 전력을 생산하고 출력할 수 있게 한다. 설계 혁신은 또한 역 자기 추진(reverse magnetic propulsion)을 포함하며 사용하여 최소 회전 운동으로 바람이 없는 경우에도 전기 전력 생산을 가능하게 할 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특징, 및 장점은 도면 및 이하 상세한 설명을 참조하여 보다 명백해질 것이다.

본 발명의 실시예는 이하 설명되는 이하 첨부 도면과 함께 참조되는 본 발명의 실시예의 이하 상세한 설명을 참조하여 보다 잘 이해될 수 있을 것이다;
도 1A는 본 발명의 일 실시예에 따라 2개의 터빈 조립체를 구비하는 HMSWT의 부분 분해 사시도;
도 1B는 본 발명의 일 실시예에 따라 3개의 터빈 조립체를 구비하는 HMSWT의 부분 분해 사시도;
도 2는 도 1A의 HMSWT의 단면도;
도 3은 베이스 조립체의 내부 성분을 더 도시하는 도 1A의 HMSWT의 부분 분해 사시도;
도 4는 대안적인 패턴으로 배열된 터빈 블레이드를 도시하는 개략 공기흐름 평면도;
도 5A는 슬롯(slot)이 없는 블레이드의 공기흐름 단면도;
도 5B는 선두 에지 슬랫(leading edge slat) 및 후미 에지 윙릿(trailing edge winglet)을 구비하는 터빈 블레이드의 공기흐름 단면도;
도 5C는 선두 에지 슬롯 및 후미 에지 윙릿을 구비하는 터빈 블레이드의 공기흐름 단면도;
도 6A는 본 발명의 일 실시예에 따라 배열된 주(primary) 및 부(secondary) 터빈 블레이드의 단면 공기흐름도;
도 6B는 터빈 블레이드의 일례의 단면도;
도 7은 블레이드 설계에 의해 사이펀될 때의 공기흐름과 상호작용을 포함하는 주(primary) 외부 터빈 조립체를 위한 HMSWT 대안적인 실시예의 내부 구성 단면도.
본 도면은 반드시 축척에 맞는 것이 아니며 본 명세서에 개시된 실시예는 종종 단편적인 시야로 도시되는 것으로 이해된다. 특정 경우에, 본 발명을 이해하는데 필요치 않거나 또는 다른 상세를 이해하는 것을 곤란하게 하는 상세는 생략될 수 있다. 또한 본 발명은 본 명세서에 도시된 특정 실시예로 제한되지 않는 것으로 더 이해된다. 여러 도면에 걸쳐 사용된 동일한 부호는 동일하거나 유사한 부분 또는 구조물을 나타낸다.

본 발명은 다단 풍력 터빈("HMSWT")의 수평 회전 설계에 관한 것이다. 이 혁신적인 개념 및 설계는 바람의 자연적인 운동 에너지를 사용하여 회전 운동을 생성하며 이 회전 운동은 기계적 에너지로 변환되어 전기 전력을 생성한다. 바람으로부터 오는 이 운동 에너지를 회전 운동 및 기계적 에너지를 야기하여 전기 에너지로 변환하는 것은 전력 생성 성분 및 부속품, 예를 들어 3개의 위상 AC 전력을 생성하는 영구 자석 교류 발전기(alternator)에 연결된 독립적인 샤프트에 연결된 다중 터빈 조립체에 의하여 달성되는 것으로 설명되고 이해된다. 이 전기 전력은 이후 바람직하게는 DC 또는 직류로 정류되어 대규모 전력 저장 배터리를 충전하거나 또는 전력망-동기 인버터에 공급된다.

바람직한 실시예에서, 터빈 블레이드 조립체는 기어박스의 사용을 제거하는 하나 또는 다수의 샤프트를 통해 하나 또는 수 개의 교류 발전기에 직접 연결될 수 있다. 그러나, 대안적인 실시예에서, HMSWT 설계는 매 터빈 조립체마다 하나씩 다중 기어박스를 포함하여, 터빈 조립체가 느리게 회전하는 경우에 교류 발전기의 속력을 증가시킬 수 있다.

도 1A, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 바람직한 실시예에서, HMSWT(1)은 2개의 터빈 조립체, 즉, 주(primary) 외부 터빈 조립체(2) 및 부(secondary) 내부 터빈 조립체(4)를 포함한다. 주(primary) 터빈 조립체(2)는 외부 블레이드(6)를 포함하는 반면, 부(secondary) 터빈 조립체(4)는 내부 블레이드(8)를 포함한다. 그러나, 도 1B에 도시된 바와 같이 대안적인 실시예에서, HMSWT(1a)는 중간 블레이드(12)를 구비하는 제3 중간 터빈 조립체(10)를 포함할 수 있다. 설명의 용이함을 위해, 달리 언급되지 않는 한, 단 2개의 터빈 조립체(2, 4)만을 구비하는 HMSWT(1)이 이후 설명된다.

도 1A에서 볼 수 있는 바와 같이, HMSWT(1)은 천장(14), 베이스(18) 및 회전 하우징(20)을 포함한다. 동작시에, 바람은 외부 터빈 조립체(2)로 들어가서, 이를 회전시킨다. 외부 터빈 조립체(2)의 블레이드(6)는 바람을 내부 터빈 조립체(4)로 전달(channel)하여, 이를 외부 터빈 조립체(2)의 반대 방향으로 회전시킨다. 도 1B의 HMSWT(1a)에서, 외부 터빈 조립체(2)는 바람을 중간 터빈 조립체(10)로 전달하여, 중간 터빈 조립체(10)를 외부 터빈 조립체(2)와 반대 방향으로 회전시킨다. 중간 터빈 조립체(10)의 블레이드(12)는 바람을 내부 터빈 조립체(4)로 전달하여, 내부 터빈 조립체(4)를 중간 터빈 조립체(10)와 반대 방향으로 회전시킨다. 따라서, HMSWT(1a)에서, 외부 터빈 조립체(2) 및 내부 터빈 조립체(4)는 중간 터빈 조립체(10)의 회전 방향과 반대 방향으로 동일한 방향으로 회전한다.

도 2는 외부 터빈 조립체(2)와 내부 터빈 조립체(4) 사이의 관계를 도시하는 HMSWT(1)의 단면도를 도시한다.

바람직하게는, 내부 터빈 조립체(4)는 내부 샤프트(22)에 연결되는 반면, 외부 터빈 조립체(2)는 외부 샤프트(24)에 연결된다. 외부 샤프트(24)는 바람직하게는 중공이어서, 내부 샤프트(22)는 내부에서 독립적으로 회전할 수 있다. 중간 터빈 조립체(10)를 포함하는 것은 바람직하게는 또한 샤프트(22, 24)를 독립적으로 회전시키는 제3, 중공 중간 샤프트(미도시)를 포함할 수 있다. 내부 샤프트(22)는 또한 중공일 수 있다.

외부 샤프트(24)는 바람직하게는 회전 하우징(20) 내에 존재하고, 바람직하게는 베이스(18)에 위치된 하부 커플링(26)으로 아래쪽으로 연장되며 이에 안착한다. 내부 샤프트(22)는 바람직하게는 외부 샤프트(24)의 중공 부분을 통해 연장되며, 베이스(18)로부터 상부쪽으로 HMSWT(1)의 탑으로 상부로 연장되며 여기서 탑 커플링(16)에 삽입되어 이에 결합된다. 이 탑 커플링(16)은 이후 HMSWT(1)의 천장(14)에 위치된 천장 커플링(17)으로 끼워맞춰진다. 이 천장 커플링(17)은 바람직하게는 탑 커플링(16)보다 직경이 더 넓다.

일 실시예에서, 탑 커플링(16)은 탑 커플링(17)의 측벽 내에 위치된 내부 롤러 베어링을 구비하게 구성되어 내부 샤프트(22)가 내부 길이방향 축에 대해 회전할 수 있게 하고 탑 커플링(16) 내 내부 샤프트(22) 및 롤러 베어링 사이에 타이트함 끼워맞춤(tight fit) 및 낮은 이격 공차(spacing tolerance)를 제공한다. 이 구성은 물질이 진동함이 없이 회전 동작 동안 안정성을 제공한다. 후속적으로, 타이트하게 끼워맞춰진 탑 커플링(16)은 더 넓은 천장 커플링(17)으로 삽입되어, 내부 터빈 조립체(4)에 대해서뿐만 아니라 외부 터빈 조립체(2)에 대해 및 전체 HMSWT(1) 구조물에 대해측방향 안정성과 강건함을 제공한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 천장 커플링(17)은 측벽에 롤러 베어링을 포함할 수 있다.

HMSWT(1)이 조립되고 부품들이 서로 끼워맞춰지면, 모든 성분의 이러한 결합은 전체 구조적 강도를 제공한다. HMSWT(1) 개념은 그리하여 그 설계로 인해 보다 강건하고 신뢰성이 있어서 비틀림, 응력, 및 변형과 같은 높은 인입 바람에 의해 부과되는 더 큰 전방 및 동작 힘에 견딜 수 있다. 이 설계는 훨씬 더 큰 공기흐름 압력을 견뎌서 표준 HAWT 수평 또는 VAWT 수직 공기 풍력 터빈에 비해 상당히 더 높은 동작 용량을 달성할 수 있다. 그 결과, HMSWT(1) 개념은 전기 출력에 직접 영향을 미치고 이를 증가시켜 전력 생산을 증가시키는 더 높은 회전 속력을 달성할 수 있다. 또 다른 대안적인 실시예에서, 외부 터빈 조립체(2) 및 내부 터빈 조립체(4)는 별도로 장착된다.

바람직한 실시예에서, 바람이 HMSWT(1)의 회전 운동을 제공하는 것에 더하여, 천장(14)(미도시) 및/또는 베이스(18)(도 3에 도시)에 또는 이에 근접하여 위치된 자기 조립체(magnetic assembly)를 더 포함할 수 있다. 산업용 자석(Industrial magnet)(28)이 역 자극 구성(reverse polarity configuration)으로 설치되어 접근하는 바람이 없거나 약한 경우에도 터빈 조립체(2, 4)의 회전을 지원할 수 있다. 대응하는 자기 모듈(magnetic module)(29)은 또한 바람직하게는 터빈 조립체(2, 4) 또는 그 주변 하우징의 상부(미도시) 및/또는 하부 부분에 장착된다. 바람 및 역 자성(reverse magnetism)의 조합에 의해 연속적인 추진력 및 운동을 생성하여 HMSWT(1)를 일정하게 회전시킬 수 있다.

동작 동안, 베이스(18) 내에 및 회전 터빈 조립체(2, 4)에 설치된 자기 모듈(28, 29)은 서로 가까이 근접하여 있고 역방향 극성이어서 강한 반발력(repulsion)을 생성하여 회전 힘을 생성한다. 이 자기 모듈(28, 29)을 설계 및 위치는 특정 터빈 조립체(2, 4)의 블레이드 구성에 따라 시계방향으로 및 반시계 방향으로 추진되는 터빈 조립체(2, 4)의 회전 운동을 나타낼 수 있다.

이들 터빈 조립체(2, 4 및 10) 각각은 회전 샤프트 및 기어 조립체에 의하여 별개의 자기 교류 발전기(magnetic alternator)에 독립적으로 연결되어, 회전 속력 및 사이클에 따라 동력 출력의 가변 세기(varied intensity)를 생성할 수 있다. 회전 터빈 조립체 및 고정된 HMSWT(1) 구조물 하우징 위에 위치된 이들 자기 리드(magnetic lead)를 설치하는 것으로 인해, 회전 운동은 이들이 가까이 근접할 때 전기를 생성한다. 회전 터빈 조립체(2, 4 및 10)에 있는 회전자 및 베이스(18)에 위치된 자기 발전기의 고정자 부분에 의해 생성된 자극은 전기 에너지 및 전력을 생성한다.

일 실시예에서, 외부 터빈 조립체(2)는 상부 및 하부 트랙 및 베어링 조립체(30, 32) 위에 지지되며 이 주위에서 회전한다. 이들 트랙 및 베어링 조립체(30, 32)는 회전 운동 및 속력을 제한함이 없이 측방향 안정성을 제공한다. 트랙 및 베어링 조립체는 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있는 바와 같이 구조화되고, 바람직하게는 트랙(미도시) 주위에 장착된 베어링을 포함한다. 샤프트(22)는 내부 터빈 조립체(4)가 회전하게 하는 반면, 트랙 및 베어링 조립체(30, 32)는 외부 터빈 조립체(2)가 자유로이 회전하게 한다. 대안적인 실시예에서, 터빈 조립체(2, 4) 중 둘 또는 모두는 트랙 및 베어링(30, 32)에 장착될 수 있다. 다른 대안으로, 터빈 조립체(2, 4, 10) 중 하나 이상은 자기 모듈(28, 29)에 의해 생성된 자기 에어 쿠션(magnetic air cushion) 위에 안착될 수 있다. 이것은 추진력을 제공할 뿐만 아니라, 동시에 전술한 에어 쿠션을 제공할 수 있다.

HMSWT(1)은 가변 블레이드 피치 설계를 구비하는 블레이드(6, 8)를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 외부 터빈 조립체(2)의 설계 및 회전 운동은 공기흐름을 내부로 유도하여 공기흐름 내부 터빈 조립체(4) 쪽으로 공기흐름을 추진하며 그 속도 및 압력을 증가시킨다. 이 공기흐름은 이후 내부 터빈 조립체(4)의 역 회전 운동을 야기한다. 이 역 회전을 야기하기 위하여, 바람직한 실시예에서 터빈 조립체(2, 4) 내 블레이드(6, 8)는 강화된 중요한 곡률(accentuated important curvature)을 구비하는 고정된 위치 블레이드이다.

블레이드(6, 8 및 12)의 예시적인 형상 및 배향은 도 4에 도시된다. 이해될 수 있는 바와 같이, 이 블레이드(6, 8 및 12)는 설명의 용이함을 위해 실질적으로 서로 선형인 것으로 도 4에 도시되어 있으나, 터빈 조립체(2, 4 및 10)에 설치될 때, 이 블레이드(6, 8 및 12)는 동심 링으로 구성될 수 있다. 이들 블레이드(6, 8 및 12)의 형상 및 배향은 회전 운동을 야기할 뿐만 아니라 공기흐름(40)을 후속 터빈 조립체 쪽 내부로 추진시켜 역 회전을 야기한다. 터빈 조립체(2, 4, 10) 다중 블레이드 설계는 강한 회전 운동을 생성하는 동시에 공기흐름을 내부로 이동시켜 그 속도 및 압력을 증가시키는 깔때기 효과(funneling effect)를 생성한다. 이 터빈 조립체(2, 4 및 10)의 블레이드(6, 8 및 12) 및 캠버 설계는 들어오는 공기흐름(40)을 수신할 때, 이 공기흐름(40)이 이후 내부쪽으로 가이드되고, 사이펀되어 지향되게 함과 동시에 공기흐름(40)의 속도 및 압력을 증가시킨다. 이 공기흐름(40)은 이후 내부쪽으로 진행하여 내부 터빈 조립체(4) 또는 대안적인 실시예에서 중간 터빈 조립체(10)의 블레이드(8)와 접촉하여, 반대 회전 추력 및 움직임을 야기한다.

도 5B 및 도 5C에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 블레이드(6, 8 및 12)는 가변 선두 에지 슬랫(46a) 또는 슬롯 윙릿(46b), 및/또는 후미 에지 윙릿(44)을 구비하게 설계될 수 있다. 이 슬랫(46a), 슬롯(46b) 및 윙릿(44)은 블레이드(6, 8 및 12)에 걸쳐 공기스트림의 층류 및 방향을 개선시켜 특히 높은 회전 속력에서, 난류, 진동 및 드래그(40a)를 감소시키며 각 터빈 조립체(2, 4 및 10)의 회전 추력 용량을 더 증가시켜 전력 생성을 증가시킨다.

그리하여, 적어도 3개의 터빈 조립체를 포함하는 실시예에서, 블레이드(6)의 설계 및 배향은 공기흐름(40)이 일 방향으로 회전하는 외부 터빈 조립체(2)에 의하여 내부쪽으로 높은 압력으로 추진될 수 있게 하여, 중간 터빈 조립체(10)를 반대 방향으로 회전하게 한다. 이어서, 중간 터빈 조립체(10)는 이후 이 프로세스를 반복하여, 공기흐름(40)을 내부 터빈 조립체(4)로 유도하고 이를 중간 터빈 조립체(10)와 반대 방향으로 및 외부 터빈 조립체(2)와 동일한 방향으로 회전하게 한다. 이러한 유도된 회전 프로세스 및 역전 커플링 효과는 터빈 조립체의 다단이 후속 및 선행 터빈 조립체로부터 반대 회전 방향으로 동시에 동작하게 하여, 막대한 힘 및 압력을 생성하여 운동 에너지로 변환되며 이는 에너지 및 전기 전력으로 변환될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 블레이드(6, 8 및 12) 및 터빈 조립체(2, 4 및 10)는 높은 인장 강도, 내구성, 경량 및 요소에의 저항성을 최상으로 제공하는, 알루미늄, 티타늄, 탄소 섬유, 또는 합금 및 물질의 조합으로 구성될 수 있다. 이것은 HMSWT(1)이 설치될 수 있는 동작 환경에 따라 성능 용량을 증가시킨다. 블레이드(6, 8 및 12) 및 터빈 조립체(2, 4 및 10)에 사용되는 구성 물질은 바람직하게는 유지되는 높은 인입 공기흐름 압력을 처리하여 증가된 회전 속력을 수용할 수 있다. 이해될 수 있는 바와 같이, 사용될 수 있는 구조물 사양 및 물질은 HMSWT(1)이 노출되어 기능하는 현지 환경 조건 및 동작에 의존할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 터빈 블레이드(6, 8 및 12) 및 조립체(2, 4 및 10)의 구성에 사용되는 금속은 강건함 및 경량 구성을 제공하기 위하여 알루미늄 합금 및/또는 복합 물질 및/또는 목재이다. 터빈 조립체(2, 4 및 10) 내 블레이드(6, 8 및 12)의 수, 그 사이즈, 두께, 캠버 및 깊이는 HMSWT(1)의 직경, 사이즈 및 동력 출력 범위 및 특정 동작 설계 요구조건에 따라 변할 수 있다.

HMSWT(1)이 적응하거나 기능하는 환경 조건 및 동작 위치는 또한 설계 파라미터 및 유닛 사양을 결정할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 다중 터빈 조립체의 블레이드 및 캠버 설계는 도 6B에 도시된 바와 같이 공기흐름 움직임을 개선시키고 후방으로 가속시키기 위하여 상부 및 하부 캠버의 스트림라인(streamlined)으로 강화된 곡률(streamlined yet accentuate) 및 날개의 두께를 구비하는 항공 날개 설계를 닮을 수 있다. 바람직하게는, 블레이드는 도 6B에 도시된 바와 같이 선두 에지에서 라운딩되고(rounded) 블레이드의 전방 부근에서 더 큰 캠버 두께를 구비하도록 확장되고 상대적으로 샤프한 후미 에지 아래로 좁아진다. 일반적으로, 블레이드는 바람직하게는 하부 캠버보다 두께가 더 큰 상부 캠버를 구비한다.

도 6A에 도시된 바와 같이, 각 터빈 조립체(2, 4 및 10)는 터빈 조립체의 탑 및 바텀 중 어느 하나 또는 둘 모두에 수평으로 위치된 선회 링(56 및 58)을 포함할 수 있다. 블레이드(6, 8 또는 12)의 선두 및/또는 후미 에지는 점(52 및 54)에서 각각 선회 링(56 및 58)에 연결될 수 있다.

추가적으로 또는 대안적으로, 블레이드(6, 8 또는 12)는 선회 베어링 조립체(48, 50)에 각각 연결될 수 있다. 선회 링(56, 58) 및/또는 선회 베어링 조립체(48, 50)는 블레이드(6, 8 및 12)를 선회시켜 그 피치를 조절하는데 사용될 수 있다. 선회 링(56, 58) 및/또는 선회 베어링 조립체(48, 50)는 블레이드(6 또는 8 또는 12)를 함께 링크하여 다른 터빈 조립체(2, 4 및 10)와는 분리하여 각 각 터빈 조립체(2, 4 및 10)의 블레이드 피치를 동시에 조절할 수 있다. 이 기술 분야에서 이해될 수 있는 바와 같이 모터(미도시)는 블레이드(6, 8 및 12)를 회전시키는데 사용될 수 있다.

블레이드 설계는 또한 난류 및 효율의 제한을 방지하기 위해 선형 공기흐름을 촉진하고 유지할 수 있다. 블레이드 설계(도 6B에 도시)의 상부 및 하부 캠버 부분 및 서로 동일한 터빈 조립체 내 블레이드의 위치 모두의 설계는 공기흐름이 후방으로 이동할 때 공기흐름을 압축하고 농축하여 더 빠른 속도 및 정적 압력을 야기한다.

도 7에 도시된 대안적인 실시예에서, 터빈 조립체는 임펠러와 유사할 수 있다. 임펠러 설계는 공기흐름을 수용하고 이후 이 공기흐름을 야기하여 이 공기흐름을 사이펀하는 진공을 생성하여 그 속도 및 압력을 증가시킨다. 이 대안적인 실시예에서, 블레이드(60)의 두께, 및 상부 및 하부 캠버 폭의 설계는 감소되어 매우 스트림라인으로 되어 이 구성을 훨씬 더 얇게 할 수 있다. 이 설계 구성에서, 터빈 조립체 내에서 서로에 대하여 블레이드(60)의 위치는 공기흐름이 수용되고 후방으로 진행함에 따라 속도가 증가되도록 구성된다.

상기 설명과 첨부 도면은 본 발명의 본 발명자에 의해 현재 고려되는 여러 날개 구성 및 설계 시스템 및 풍력 발전 및 재생 방법에 대한 특정 바람직한 및 대안적인 실시예에 관한 것이지만, 본 발명의 사상을 벗어남이 없이 여러 변형, 변화, 및 적응이 이루어질 수 있는 것으로 이해된다.

Claims

다단 터빈으로서,
제1 터빈 조립체의 외주 주위에 길이방향으로 위치된 복수의 블레이드를 구비하는 제1 원통형 터빈 조립체; 및
제2 터빈 조립체의 외주 주위에 길이방향으로 위치된 복수의 블레이드를 구비하는 제2 원통형 터빈 조립체를 포함하되,
상기 내부 제2 원통형 터빈 조립체는 상기 제1 원통형 터빈 조립체 내에 길이방향으로 연장되고;
상기 제1 터빈 조립체의 블레이드는 공기흐름에 노출될 때 제1 방향으로 상기 제1 터빈 조립체를 회전시켜 공기흐름을 상기 제2 원통형 터빈 조립체 쪽 내부로 전달하도록 형성되어 위치되고 각져 있으며;
상기 제2 터빈 조립체의 블레이드는 공기흐름에 노출될 때 상기 제1 방향과 반대방향인 제2 방향으로 상기 제2 터빈 조립체를 회전시키도록 형성되어 위치되고 각져 있는 것인 다단 터빈.
제1항에 있어서,
제3 터빈 조립체의 외주 주위에 길이방향으로 위치된 복수의 블레이드를 구비하는 제3 원통형 터빈 조립체를 더 포함하며, 상기 제3 원통형 터빈 조립체는 상기 제2 터빈 조립체 내에 연장되며;
상기 제2 터빈 조립체의 블레이드는 공기흐름을 상기 제3 원통형 터빈 조립체 쪽 내부로 더 전달하도록 형성되어 위치되고 각져 있고;
상기 제3 터빈 조립체의 블레이드는 공기흐름에 노출될 때 상기 제1 방향으로 상기 제3 터빈 조립체를 회전시키도록 형성되어 위치되고 각져 있는 것인 다단 터빈.
제1항에 있어서, 상기 터빈 조립체 중 적어도 하나의 터빈 조립체의 블레이드의 피치는 상기 블레이드를 회전시키는 것에 의해 조절가능한 것인 다단 터빈.
제3항에 있어서, 상기 블레이드를 선택적으로 회전시키는 모터를 더 포함하는 다단 터빈.
제3항에 있어서, 적어도 하나의 선회 베어링 조립체를 더 포함하되, 각 선회 베어링 조립체는 각 블레이드에 연결된 것인 다단 터빈.
제3항에 있어서, 상기 블레이드의 피치의 조절을 지원하는 적어도 하나의 선회 링을 더 포함하는 다단 터빈.
제6항에 있어서, 각 터빈 조립체에 있는 복수의 블레이드는 상기 터빈 조립체에 있는 블레이드를 동시에 조절하기 위해 상기 선회 링 중 적어도 하나에 선회가능하게 부착된 것인 다단 터빈.
제1항에 있어서, 상기 터빈 조립체 중 적어도 하나의 블레이드는 선두 에지 슬랫 또는 슬롯(leading edge slat or slot), 및 후미 에지 윙릿(trailing edge winglet)을 포함하는 것인 다단 터빈
제8항에 있어서, 상기 선두 에지 슬랫 또는 슬롯 및 상기 후미 에지 윙릿은 상기 블레이드에 대해 조절가능한 위치를 구비하는 것인 다단 터빈.
제1항에 있어서, 상기 제2 터빈 조립체는 샤프트에 연결되어 샤프트를 회전시키고, 상기 제1 터빈 조립체는 중공 실린더에 연결되어 중공 실린더를 회전시키며, 상기 샤프트는 상기 중공 실린더 내에서 길이방향으로 연장되는 것인 다단 터빈.
제10항에 있어서, 상기 중공 실린더 및 샤프트는 서로 독립적으로 회전하는 것인 다단 터빈.
제1항에 있어서, 상기 블레이드는 굴곡된 것인 다단 터빈.
제12항에 있어서, 상기 제1 터빈 조립체의 블레이드는 제1 방향으로 굴곡되고, 상기 제2 터빈 조립체의 블레이드는 상이한 방향으로 굴곡된 것인 다단 터빈.
제1항에 있어서, 블레이드가 선두 에지에서 라운딩되고 상기 블레이드의 전방 부근에서 더 큰 캠버 두께를 지니도록 확장되며 상대적으로 샤프한 후미 에지에 대해서 아래쪽으로 좁은 것인 다단 터빈.
제1항에 있어서, 상기 블레이드는 상부 캠버가 하부 캠버보다 두께가 더 큰 것을 제외하고는 실질적으로 균일한 두께인 것인 다단 터빈.