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KR101512116B1 - 감소된 전양력을 갖는 횡류 수력 터빈을 구비하는 터빈 엔진 - Google Patents

감소된 전양력을 갖는 횡류 수력 터빈을 구비하는 터빈 엔진 Download PDF

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KR101512116B1
KR101512116B1 KR1020107009944A KR20107009944A KR101512116B1 KR 101512116 B1 KR101512116 B1 KR 101512116B1 KR 1020107009944 A KR1020107009944 A KR 1020107009944A KR 20107009944 A KR20107009944 A KR 20107009944A KR 101512116 B1 KR101512116 B1 KR 101512116B1
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KR
South Korea
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turbine
wing
plane
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rotational axis
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쟝-룩 아샤르
디디예 앵볼
알리 투라비
Original Assignee
엥스띠뛰 뽈리떼끄니끄 드 그르노블
엘렉트리씨트 드 프랑스
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Abstract

본 발명은 적어도 제1 및 제2 양력형 횡류 터빈 적층체(53A, 53B)를 포함하는 터빈 엔진(55)에 관한 것이다. 제1 적층체 내의 인접 터빈들의 축들은 공간 오정렬을 보상하도록 구성된 제1 결합 장치에 의해 연결되며, 제1 적층체 내의 인접 터빈들의 축들은 공간 오정렬을 보상하도록 구성된 제2 결합 장치에 의해 연결된다. 터빈 엔진은, 제1 및 제2 터빈 적층체를 지지하기 위한 장치(46, 48)와, 평면에 대하여 제1 및 제2 터빈 적층체들 사이의 대칭을 영구 유지하도록 구성된 제어 장치(220A, 220B, 224)를 포함하며, 이 제어 장치는 제1 및 제2 터빈 적층체의 회전 속도를 반대 방향의 같은 크기로 유지하도록 구성된다.

Description

감소된 전양력을 갖는 횡류 수력 터빈을 구비하는 터빈 엔진{TURBINE ENGINE WITH TRANSVERSE-FLOW HYDRAULIC TURBINES HAVING REDUCED TOTAL LIFT FORCE}
본 발명은 수력 터빈 엔진에 관한 것으로, 구체적으로는 해류 또는 하천류의 운동 에너지를 회수하고 변환하여 특히 전기를 공급하기 위한 수력 터빈 엔진에 관한 것이다.
청정 천연 에너지원들 중에서, 공해의 해류, 조류(tidal current), 해협과 하구의 수류, 하천류 등과 같이 전세계에 걸쳐서 자연에 존재하는 수류는 현재 충분히 이용되고 있지 않은 에너지원에 해당한다. 실제로, 저수(예를 들면 하천의 댐)에 포함된 위치 에너지로부터 전력을 공급하는 수력 발전소는 널리 보급되어 있지만, 해류 또는 하천류의 운동 에너지로부터 직접 전력을 공급하는 장치는 일반적으로 아직도 설계 단계(stage of draft)에 있다.
해류 또는 하천류로부터 전력을 공급하기 위해서는, 일반적으로 0.5m/s 내지 6m/s의 저속 수류 속도에 해당하는 장소가 사용될 수 있지만, 가능한 장소가 상당히 많다는 점과 장소의 크기에 의하여, 그러한 에너지원이 특히 주목을 받고 있다. 실제로, 하천에서 대양의 수류에 이르기까지, 수류에 의해 교차되는 이용 가능 표면 면적은 전형적으로 100m2에서 100km2까지 다양한데, 속도가 2m/s인 경우에, 이 면적은 이론적으로 400 킬로와트 내지 400 기가와트 범위의 회수 전력에 해당한다.
해류 또는 하천류의 운동 에너지를 회수하고 변환하기 위한 장치는 일반적으로 수류 내에 침지되어 있을 때에 축(shaft)을 회전시키도록 구성된 날개들의 조립체를 구비하는 터빈을 포함한다. 여러 유형의 터빈들은, 유동 방향이 터빈의 회전 축선과 평행한 축류(axial flow) 터빈과, 유동 방향이 터빈의 회전 축선에 대해 경사지고 일반적으로는 수직인 횡류 터빈(cross-flow turbine)으로 구분될 수 있다.
일부 횡류 터빈들은 작동에 있어서 수류에 의해 날개 상에 작용하는 양력(lift force)을 이용하며, 이 날개는 예를 들면 회전 축을 구동하도록 포일 윤곽(foil profile)을 가진다. 유동에 의하여 터빈 날개 상에 작용하는 양력에 의하여 본질적으로 회전이 일어나는 터빈은 양력 터빈(lift turbine)이라고 지칭된다. 그와 같은 경우는, 특히 다리우스(Darrieus)형 또는 골로프(Gorlov)형 횡류 터빈, 또는 본 출원인이 출원한 유럽 공개 특허 공보 제EP 1 718 863호에 기재된 유형의 터빈의 경우이다.
수력 터빈의 일반적 특징은 터빈의 회전 축선(rotation axis) 및 상류 유동 방향에 수직인 전양력의 존재이다. 실제로, 전체적으로 고려되는 터빈의 회전 축선을 중심으로 하는 날개의 회전은 터빈 주위의 액체의 회전 운동을 일으키며, 이 운동은 회전 축선에 수직인 유입 운동(incident motion)에 중첩된다. 이는 통상적으로, 실린더 축선에 수직인 유입류 내에 침지된 회전 실린더의 경우와 마찬가지로, 궁극적으로는 회전 터빈 축선에 작용하고 그에 따라 유동 방향과 회전 축선에 수직인 전양력(total lift)이라고 지칭되는 양력을 발생시킨다. 전양력은 터빈 회전의 원인과는 무관하게, 다시 말하자면, 일부 횡류 터빈들의 경우에 터빈 축의 회전이 각 날개의 위치에서의 국소 양력에 기인한다는 사실과는 무관하게 항상 존재한다. 매우 매끄러운 표면을 가진 회전 실린더에서 관찰되는 바와는 달리, 일반적인 터빈에서 관찰되는 전양력은 평균값 근방에서 변화하는 경향이 있다. 이 평균값 근방에서 관찰되는 변동(fluctuation)은 터빈의 360° 회전마다 주기적으로 반복된다. 터빈을 유지하기 장치뿐만 아니라 가능하다면 터빈을 지반에 고정하기 위한 시스템은 전양력 및 항력(drag force)에 저항하도록 설계되어야 한다. 또한, 전체로서의 터빈 엔진, 즉 터빈 축에 의해 공급된 기계적 동력의 변환 시스템을 포함하는 터빈 엔진은 변동성 전양력에 기이하는 진동에 의해 발생하는 피로(fatigue)에 견뎌야 한다.
이러한 문제는, 회수 동력 증가를 위하여 여러 터빈들이 서로 연결될 경우에, 더욱 심각하게 된다.
국제 공개 특허 공보 제WO 2007/04581호에는 기둥(mast)에 연결된 다수의 풍력 터빈(wind turbine)을 포함하는 풍력 터빈 엔진이 기재되어 있다. 풍력 터빈은 서로 연결되어 있지 않고 독립적으로 작동한다. 이동 유체 내에서 양력이 더욱 강하다면, 수력 터빈 엔진을 구성함에 있어서 전술한 바와 같은 터빈 엔진은 사용이 불가하다.
본 발명의 실시 형태는, 작동 시에 터빈 엔진 유지 장치에 작용하는 일반적인 횡방향 양력이 실질적으로 존재하지 않는 횡류 터빈 엔진을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예는 적어도 제1, 제2, 제3 및 제4 양력형(lift-type) 횡류 수력 터빈을 포함하는 터빈 엔진을 제공하며, 제1 터빈은 제1 회전 축을 포함하고 제2 터빈은 제2 회전 축을 포함하고, 제1 및 제2 터빈은 평면(plane)에 대하여 서로 대칭이고, 제3 터빈은 제3 회전 축을 포함하고, 제3 회전 축은 제1 및 제3 회전 축들 사이의 공간 오정렬(spatial misalignment)을 보상할 수 있는 제1 결합 장치(coupling device)에 의해 제1 터빈에 연결되고, 제3 터빈은 제1 터빈과 함께 제1 터빈 적층체(stack)를 형성하고, 제4 터빈은 제4 회전 축을 포함하고, 제4 회전 축은 제2 및 제4 회전 축들 사이의 공간 오정렬을 보상할 수 있는 제2 결합 장치에 의해 제2 회전 축에 연결되고, 제3 및 제4 터빈은 상기 평면에 대하여 서로 대칭이고, 제4 터빈은 제2 터빈과 함께 제2 터빈 적층체를 형성한다. 제1 및 제2 터빈 적층체는 제1 및 제2 터빈 적층체를 유지하기 위한 유지 장치를 포함하며, 유지 장치는 상기 평면에 대해 대칭인 단일 수직 부재 또는 수직 부재들을 포함하고, 수직 부재들 각각은 상기 평면 및/또는 상기 평면에 대해 대칭으로 배치된 상기 수직 부재들에 대해 대칭이고, 유지 장치는 상기 평면에 대해 대칭인 제1 및 제2 판(plate)을 또한 포함하고, 제1 및 제2 판은 상기 평면에 적어도 부분적으로 수직이고 제1 및 제3 터빈들 사이와 제2 및 제4 터빈들 사이에 배치되고, 제1 및 제2 회전 축은 제1 판에 선회 가능하게 연결되고, 제3 및 제4 회전 축은 제2 판에 선회 가능하게 연결된다. 터빈 엔진은 제1 터빈 적층체와 제2 터빈 적층체가 상기 평면에 대하여 서로 대칭인 상태로 영구적으로 유지되도록 하고, 상기 제1 터빈 적층체와 제2 터빈 적층체가 이동 유체 내에 침지되는 경우에 제1 터빈 적층체의 회전 속도와 제2 터빈 적층체의 회전 속도가 서로 크기는 동일하고 방향은 반대인 상태로 유지되도록 하는 제어 장치를 또한 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 평면에 때해 대칭인 적어도 하나의 수직 부재는 액체 유동 방향에 대하여 제1 및 제2 터빈 적층체의 상류로 뻗어 있고 기간부(stem)를 형성한다. 제1 터빈은 제1 회전 축에 연결된 제1 날개를 포함한다. 제2 터빈은 제2 회전 축에 연결된 제2 날개를 포함한다. 제3 터빈은 제3 회전 축에 연결된 제3 날개를 포함한다. 제4 터빈은 제4 회전 축에 연결된 제4 날개를 포함한다. 제1, 제2, 제3 및 제4 날개가 상기 평면에 가장 근접하였을 때에 상기 액체의 유동을 상승시키도록, 제어 장치는 제1, 제2, 제3 및 제4 터빈을 회전시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 적어도 하나의 수직 부재는 액체 유동 방향에 대하여 제1 및 제2 터빈 적층체의 하류로 뻗어 있고 미익(tail vane)을 형성한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 및 제2 터빈 적층체는 전동 장치(transmission device)를 통하여 단일 동력 회수 시스템의 입력 축(input shaft)을 구동할 수 있거나, 제1 터빈 적층체는 제1 동력 회수 시스템의 입력 축을 구동할 수 있고 제2 터빈 적층체는 제2 동력 회수 시스템의 입력 축을 구동할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 터빈 엔진은 상기 평면에 대해 대칭으로 배치되고 유동 방향을 따라서 적어도 하나의 발산 구역(divergent section)을 형성하는 적어도 2개의 측방 수직 부재(lateral vertical member)를 포함하며, 제1 및 제2 터빈 적층체는 측방 수직 부재들 사이에 배치된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 및 제2 판은 제1 및 제3 터빈들 사이 및 제2 및 제4 터빈들 사이에서 이동 액체를 분리할 수 있다. 적어도 제1 터빈은 제1 회전 축에 연결된 제1 날개를 포함한다. 유지 장치는 제1 날개의 제1 선단의 앞에 배치된 적어도 일부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 터빈 엔진은 적어도 하나의 수직 부재에 연결되고 제1 및 제2 터빈 적층체를 적어도 부분적으로 둘러싸는 평행한 바(bar) 및/또는 봉(rod)을 포함하는 쇄설물 방지 장치(anti-debris device)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 터빈 엔진은 이동 액체 내에서 제1 및 제2 터빈 적층체를 선회시킬 수 있는 시스템을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 적어도 제1 터빈은 제1 회전 축에 연결된 제1 날개를 포함한다. 제1 날개의 선단들은 제1 날개와 함께 회전하는 제1 링에 의해 연결된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 터빈은 제1 회전 축에 연결된 제1 날개를 포함한다. 제2 터빈은 제2 회전 축에 연결된 제2 날개를 포함한다. 제3 터빈은 제3 회전 축에 연결된 제3 날개를 포함한다. 제4 터빈은 제4 회전 축에 연결된 제4 날개를 포함하며, 제1 날개는 상기 평면에 대하여 제2 날개에 대칭이고, 제3 날개는 상기 평면에 대하여 제4 날개에 대칭이다. 제1 날개는 상방에서 관찰될 경우에 제3 날개에 대하여 각도 편차(offset)를 가진다.
본 발명의 실시예에 따르면, 적어도 하나의 수직 부재는 중공형의 공동(hollow cavity)에 대응하고, 터빈 엔진은 중공을 적어도 부분적으로 액체로 채우거나 비우기 위한 수단을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 측방 수직 부재들 중 적어도 하나는 액체 유동 방향을 따라 뻗어 있는 적어도 하나의 슬롯(slot)을 포함한다.
본 발명에 따르면, 이동 액체 내에 침지된 유지 장치의 평면에 대한 대칭에 의하여, 그리고 서로 반대 방향으로 회전하는 터빈 유닛들의 동일 평면에 대한 대칭에 의하여, 유지 장치와 터빈 유닛 쌍으로 형성된 완전 대칭 터빈 엔진 쌍 내에서 액체 유동의 대칭이 얻어진다. 대칭 터빈 엔진 쌍 내에서 이와 같이 내측에 생성된 이동 액체의 유동 대칭은, 장치의 상류에서의 이동 액체의 방향에 수직으로, 강도가 동일하고 방향이 반대인 2개의 전양력을 동시에 터빈에 인가한다. 판 내측에 전달되어 일반적으로 각 터빈 유닛에 인가된 양력은 증대되고 판과 수직 부재의 결합부에서 상쇄된다.
첨부 도면과 함께 구체적인 실시예에 관한 이하의 비제한적 설명에서, 전술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점과 그 외의 사항들에 대하여 상세히 논의하기로 한다.
도 1은 종래의 터빈 유닛의 실시예의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 한 쌍의 터빈의 예의 사시도이다.
도 3은 트윈 타워의 예의 사시도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 터빈 엔진 쌍의 다른 실시에의 사시도이다.
도 7과 도 8은 터빈 엔진 쌍의 다른 예의 평면도이다.
도 9와 도 10은 2개의 인접 터빈 엔진들의 연결의 예의 개략적인 상세도이다.
도 11은, 도 2와 유사한 도면으로서, 기간부와 미익을 포함하는 터빈 엔진 쌍의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 12는 기간의 실시예의 일부를 나타내는 도면이다.
도 13과 도 14는 동력 생성 장치를 포함하는 트윈 타워의 실시예의 사시도이다.
도 15와 도 16은 동일 터빈 열의 인접 터빈 유닛들 사이의 상호 작용을 감소시키는 장치를 포함하는 터빈 엔진 쌍의 실시예의 개략적인 사시도이다.
도 17은 도 16의 터빈 엔진 쌍의 변형 실시예의 상세도이다.
도 18은, 도 2와 유사한 도면으로서, 기간부, 미익 및 측방 수직 부재를 포함하는 터빈 엔진 쌍의 실시예의 도면이다.
도 19와 도 20은 기간부, 미익 및 측방 수직 부재를 포함하는 터빈 엔진 쌍을 구비하는 트윈 타워의 실시예의 개략적인 사시도이다.
도 21 내지 도 23은, 쇄설물 장지 장치를 포함하고 한 쌍의 터빈 엔진의 상류 및/또는 하류에서 흐름을 조절하는 터빈 엔진 쌍의 실시예의 개략적인 사시도이다.
도 24는 지반에 대한 트윈 타워의 일반적인 배향 장치를 포함하는 트윈 타워의 실시예의 사시도이다.
도 25는 선단 와류의 형성을 방지하기 위한 장치를 포함하는 터빈 엔진 쌍의 실시예의 상세 사시도이다.
도 26은 수직 부재의 내부 구조의 예의 사시도이다.
도 27은 기간부와 미익을 포함하고 슬롯이 제공된 측방 수직 부재를 또한 포함하는 터빈 엔진 쌍의 실시예의 개략적인 사시도이다.
여러 도면에서 명료화를 위하여 동일 요소는 동일 도면 부호로 표시되어 있다.
나머지 설명에 있어서, 회전 축을 포함하고 회전 축의 축선에 대략 수직 방향으로 이동하는 액체 내에 침지되어 있을 때에 축을 회전시킬 수 있는 수단을 또한 포함하는 기본적인 횡류 터빈은 터빈 유닛으로 지칭된다.
도 1은 양력형 터빈 유닛(1)의 실시예를 나타내며, 본 출원인에 의해 출원된 유럽 공개 특허 공보 제EP 1 718 863호에 기재된 실시예들 중 하나에 대응한다. 일례로, 터빈 유닛(1)은 회전 축(2)과 회전 축(2)에 고정된 허브(3)를 포함하며, 허브로부터 암(arm)(4)이 연장된다. 각 암(4)은 허브(3)의 반대쪽의 단부에서 포일(5)(또는 블레이드)을 지지한다. 예를 들어 V형의 각 포일(5)은 그 단부에 윙릿(winglet)(6)을 포함할 수 있다.
서로 연결되어 실질적으로 정렬된 회전 축들을 구비하는 다수의 터빈 유닛의 적층체는 터빈 열(turbine column)이라고 지칭된다. 터빈 열 및 터빈 열을 유지하기 위한 장치로 형성된 조립체는 타워(tower)라고 지칭된다. 실질적으로 평행하고 분리된 회전 축들을 구비하는 2개의 인접 터빈 유닛들의 조립체는 터빈 유닛 쌍이라고 지칭된다. 터빈 유닛 쌍 및 관련 유지 장치에 의해 형성된 조립체는 터빈 엔진 쌍이라고 지칭된다.
한 쌍의 터빈 엔진이 노출되어 있는 액체 유동의 상류에서의 평균 속도 벡터에 평행하고 터빈 엔진 쌍의 터빈 유닛의 회전 축선으로부터 등거리에 있는 선을 L1이라고 하자. 선(L1)을 포함하고 터빈 유닛의 회전 축선에 평행한 평면을 P1이라고 하자. 따라서, 평면(P1)은 터빈 엔진 쌍의 터빈 유닛의 회전 축선으로부터 등거리에 위치한다. 터빈 엔진 쌍의 터빈 유닛의 회전 축선을 포함하는 평면을 P2라고 하자. 평면(P1)에 대한 대칭과 관련된 2개의 터빈 유닛의 조합은 대칭 터빈 유닛 쌍이라고 지칭되며, 따라서 상기 평면은 대칭 쌍의 중간 면(median plane)이라고 지칭된다. 대칭 터빈 유닛 쌍과 터빈 유닛 쌍의 터빈 유닛들을 유지하기 위한 장치에 의해 형성된 조립체는 대칭 터빈 엔진 쌍 또는 트윈 터빈 엔진이라고 지칭되며, 유지 장치 그 자체는 평면(P1)에 대하여 대칭이다. 다수의 터빈 엔진 쌍의 적층체로 형성되고 터빈 엔진 쌍의 터빈 유닛들이 서로 연결되어 2개의 터빈 열을 형성하는 조립체는 타워 쌍이라고 지칭된다. 터빈 엔진들의 다수의 대칭 쌍의 적층체로 형성된 조립체는 대칭 타워 쌍 또는 트윈 타워(twin tower)라고 지칭된다.
본 발명은 대칭 터빈 엔진 쌍의 적층체로 형성된 대칭 타워 쌍을 목표로 한다. 각 대칭 터빈 엔진 쌍은, 터빈 유닛들이 동일 회전 속도로 반대 방향으로 회전하는 적어도 하나의 양력형 횡류 터빈 유닛 쌍을 유지하기 위한 장치를 포함한다. 그 결과, 이 쌍을 형성하는 2개의 터빈 유닛이 이동 유체 내에 침지되어 있을 때에, 유지 장치들의 위치와 그 내측에서 부하 균형(load balance)의 부가에 의하여, 유동 방향에 수직으로 2개의 터빈 각각에 인가되는 2개의 전양력들은 크기가 같고 방향이 반대가 되어 서로 상쇄된다.
보다 구체적으로, 대칭 타워 쌍의 각 대칭 터빈 엔진 쌍에 있어서, 터빈 엔진 쌍을 유지하기 위한 장치는, 한편으로는, 평면(P1)에 대해 대칭으로 배치되고/되거나 평면(P1)에 대해 자체적으로 대칭인 하나 또는 다수의 수직 부재를 포함하고, 다른 한편으로는, 터빈 유닛의 회전 축선에 대략 수직이고 터빈 유닛의 회전 축선의 방향으로의 터빈 유닛의 양쪽에 배치되고, 터빈 유닛 쌍을 형성하는 각 터빈 유닛의 회전 보장을 가능하게 하는 핀 이음부(pin joint)를 지지하는 하나 또는 다수의 판(plate)을 포함한다.
본 발명은 모든 유형의 횡류 터빈에 적용된다. 보다 구체적으로, 본 발명은 양력의 작용 하에 축을 회전시키는 날개를 포함하는 횡류 터빈에 적용된다. 예를 들면, 본 발명은 다리우스형 횡류 터빈 또는 골로프형 횡류 터빈[예를 들면, "멕시코 만류용 나선형 터빈: 대규모 부유형 발전소 설계에 대한 개념적 접근(Helical Turbines for the Gulf Stream: Conceptual Approach to Design of a Large-Scale Floating Power Farm), 골로프, 마린 테크놀로지(Marine Technology), 45권, 3호, 1998년 7월, 175 페이지 ~ 182 페이지 등"의 간행물에 게재된 터빈], 또는 본 출원인이 출원한 유럽 공개 특허 공보 제EP 1 718 863호에 기재된 유형의 터빈에 적용된다.
도 2는 본 발명에 따라 트윈 타워를 형성하는 데에 이용되는 트윈 터빈 엔진의 실시예의 개략 사시도이다. 대칭 터빈 엔진 쌍(10)은 2개의 횡류 터빈 유닛(12A, 12B)을 포함한다. 각 터빈 유닛(12A, 12B)은 도면 부호 DA와 DB를 축선으로 하는 회전 축(14A, 14B) 및 축(14A, 14B)을 회전시킬 수 있는 구동 수단(16A, 16B)을 포함한다. 구동 수단(16A, 16B)은 도 2에 개략적으로 원통으로 도시되어 있다. 보다 구체적으로, 각 원통은 횡류 터빈 유닛의 구동 수단을 수용하는 포락면(envelope)을 나타내며, 터빈 유닛의 회전 축선은 원통의 회전 축선과 혼용된다. 축(14A, 14B)의 축선(DA, DB)은 실질적으로 평행하다. 화살표(18)는 터빈 유닛(12A, 12B)이 침지되어 있는 이동 액체의 유동의 상류에서의 평균 속도 벡터를 나타낸다. 예를 들면, 각 터빈 유닛(12A, 12B)은 1m 내지 10m 범위의 외측 직경을 가질 수 있다. 평면(P1, P2)과 선(L1)은 점선으로 도시되어 있다. 본 실시예에서, 터빈 유닛(12A, 12B)은 평면(P1)에 대하여 대칭으로 분배되어 있다.
대칭 터빈 엔진 쌍(10)은 터빈 유닛(12A, 12B)을 유지하기 위한 장치(20)를 포함한다. 유지 장치(20)는 축선(DA, DB)에 실질적으로 평행한 수직 부재(22, 24)를 구비한다. 유지 장치(20)는 실질적으로 평행한 2개의 판(46, 48)을 또한 포함하며, 각 판은 마름모 형상을 가지며 중앙이 개방 가공되어 있다. 각 판(46, 48)은 회전 축선(DA, DB)에 실질적으로 수직이고 2개의 대향 단부들에서 수직 부재(22, 24)에 부착되고 다른 대향 단부들에는 2개의 베어링(50A, 50B)을 포함하며, 베어링 내에 축(14A, 14B)의 단부가 선회 가능하게 조립됨으로써 이동 액체 내에 침지된 각 터빈 유닛(12A, 12B)이 회전할 수 있게 된다. 따라서 터빈 유닛(12A, 12B)은 도면 부호 22, 24, 46 및 38로 형성된 유지 장치(20) 내에 유지된다. 본 실시예에서, 수직 부재(22)는 평면(P1)에 대하여 대칭이고, 수직 부재(24)는 평면(P1)에 대하여 대칭이다. 그러나, 터빈 엔진(10)이 대칭이라고 지칭되기 위해서는, 수직 부재(22)가 평면(P2)을 기준으로 수직 부재(24)의 대칭이 될 필요는 없다. 수직 부재(22, 24)는 유동 방향에 대하여 평면(P2)의 상류와 하류에 각각 배치된다. 수직 부재(22, 24)는 삼각형 단면을 가지며, 수직 부재(22)의 경우에는 선단(tip)이 상류로 향하고 수직 부재(24)의 경우에는 선단이 하류로 향한다.
일례로서 상방에서 관찰 시에, 터빈 유닛(12A)은 시계 방향으로 회전하고 터빈 유닛(12B)은 반시계 방향으로 회전한다. 그러나, 터빈 유닛(12A)은 반시계 방향으로 회전하고 터빈 유닛(12B)은 시계 방향으로 회전할 수도 있다. 터빈 유닛(12A, 12B)의 회전 방향에 따르면, 터빈 유닛(12A, 12B)의 구동 수단(16A, 16B)은 중간 평면(P1)의 위치에서 유동을 상승 또는 하강시킨다.
이동하는 액체 내에 침지 시에 각 터빈 유닛(12A, 12B)에 의하여 인가되는 응력은 각 터빈 유닛(12A, 12B)의 규모에서 항력(drag force)과 전양력(total lift force)으로 이루어진다. 이동 액체 내에 침지된 유지 장치(20)의 평면(P1)에 대한 대칭에 의하여, 그리고 (서로 반대 방향으로 회전하는) 터빈 유닛(12A, 12B)들의 동일 평면(P1)에 대한 대칭에 의하여, 유지 장치(20)와 터빈 유닛 쌍(12A, 12B)으로 형성된 완전 대칭 터빈 엔진 쌍(10) 내에서 액체 유동의 대칭이 얻어진다. 대칭 터빈 엔진 쌍(10) 내에서 이와 같이 내측에 생성된 이동 액체의 유동 대칭은, 장치의 상류에서의 이동 액체의 방향에 수직으로, 강도가 동일하고 방향이 반대인 2개의 전양력을 동시에 터빈(12A, 12B)에 인가한다. 판(46, 48) 내측에 전달되어 일반적으로 각 터빈 유닛(12A, 12B)에 인가된 양력은 증대되고 판(46, 48)과 수직 부재(22, 24)의 결합부(junction)에서 상쇄된다.
도 3은 다수의 트윈 터빈 엔진(10)의 적층체에 해당하는 트윈 타워(52)의 실시예의 사시도이며, 인접하는 2개의 트윈 터빈 엔진의 연결부는 수직 부재(22, 24)에 의해 확보된다. 터빈 유닛들은 서로 연결되어 인접하는 2개의 터빈 열(53A, 53B)을 형성한다. 더욱 구체적으로, 적층 방향을 따라 인접하는 2개의 터빈 유닛의 회전 축은 서로 연결된다.
터빈 열들이 반대 방향으로 바람직하게는 동일 회전 속도로 회전하는 것을 확인하기 위하여, 터빈 열(53A, 53B)의 회전 축의 각도 위치가 서로 영구적으로 연결되도록, 예를 들면 터빈 열(53A)의 회전 축을 터빈 열(53B)의 회전 축에 연결하는 기어를 구비하는 기계적 시스템을 제공하는 것이 가능하다. 또 다른 방안으로서, 각 터빈 열(53A, 53B)이 각각에 특정된 발전기에 연결되어 있을 경우에, 해당 발전기에 의하여 제동 토크(braking torque)를 인가함으로써 각 터빈 열(53A, 53B)의 회전 속도를 제어할 수도 있다. 제동 토크는 터빈 열(53A, 53B)들이 영구적으로 동일 회전 속도로 반대 방향으로 회전하도록 결정된다.
도 4는 본 발명에 따른 트윈 터빈 엔진(30)의 또 다른 실시예의 개략적인 사시도이며, 판(46, 48)은 생략되어 있다. 트윈 터빈 엔진(10)과 비교하면, 수직 부재(22, 24)들은 2개의 터빈 유닛(12A, 12B)들 사이에 유체의 흐름을 방지함으로써 차폐 요소(screening element)의 역할을 할 뿐만 아니라 L1 방향의 전항력(total drag force)에 대하여 평면(P1) 내에 유지 장치(20)의 휨 강성(flexural rigidity)을 개선함으로써 강화 요소의 역할을 하는 요소(32)에 의해 서로 연결된다. 더욱 구체적으로, 요소(32)는 유지 장치(20)의 제1 정상 진동 모드(normal vibration mode)를 방지할 수 있게 한다. 또한, 요소(32)는 터빈 유닛들 중 하나에 의해 발생하는 기생 유동(parasitic flow)이 다른 터빈 유닛의 작동을 교란시키는 것을 피할 수 있게 한다. 트윈 터빈 엔진(30)의 형성을 위하여 사용되는 유지 장치(20)는, 도면 부호 20, 24 및 32의 요소들의 단면의 재조합으로 형성된 단면을 가진 하나의 동일 기계적 부품으로 이루어질 수도 있다.
도 5는 본 발명에 따른 대칭 터빈 엔진 쌍(36)의 또 다른 실시예의 개략적인 사시도이다. 대칭 터빈 엔진 쌍(30)과 비교하면, 수직 부재(22, 24)들은 터빈 유닛(12A)을 터빈 유닛(12B)으로부터 부분적으로 차폐하면서 유지 장치(20)의 강성을 향상시키는 십자형 강화 요소(37)에 의해 연결된다.
도 6은 본 발명에 따른 대칭 터빈 엔진 쌍(38)의 또 다른 실시예의 개략적인 사시도이다. 대칭 터빈 엔진 쌍(10)과 비교하면, 수직 부재(22, 24)는 원통형 단면을 가진다. 유지 장치(20)는, 예를 들면 평면(P1)과 평면(P2)의 교차선을 따라 배치되고 원통형 단면을 가진 추가 수직 부재(40)를 또한 포함한다. 원형 단면의 수직 부재를 이용할 경우에, 다른 단면 형상의 수직 부재에 비하여, 원형 단면의 수직 부재의 제조와 공급이 간단하다는 장점이 있다.
도 7과 도 8은 트윈 터빈 엔진(54)의 평면도로서, 터빈 유닛(12A, 12B)은 도 1에 도시된 터빈 유닛(1)에 대응하며, 도 1에서 터빈 유닛(1)의 회전 축을 나타내는 도면 부호 2는 이러한 유형의 터빈이 도시된 다른 도면들 내의 도면 부호 14A와 14B에 대응한다. 도 7과 도 8에서, 터빈 유닛(12A, 12B)은 평면(P1)에 대해 대칭으로 배치된다. 또한, 도 7에서, 유동이 화살표(18)로 표시된 방향을 가질 경우에, 터빈 유닛(12A)(평면 P1의 좌측)이 반시계 방향으로 회전하고 터빈 유닛(12B)(평면 P1의 우측)이 시계 방향으로 회전하도록, 터빈 유닛(12A, 12B)이 배치된다. 도 8에서, 유동이 화살표(18)로 표시된 방향을 가질 경우에, 터빈 유닛(12A)(평면 P1의 좌측)이 시계 방향으로 회전하고 터빈 유닛(12B)(평면 P1의 우측)이 반시계 방향으로 회전하도록, 터빈 유닛(12A, 12B)이 배치된다. 도 7과 도 8의 경우에, 회전 중에, 터빈(12A, 12B)은 평면(P1)에 대하여 서로 실질적으로 대칭으로 유지된다.
특정 조건에서는, 동일 터빈 열의 인접 터빈 유닛들의 축 부분들을 결합하기 위한 시스템의 사용이 필요할 수도 있다. 그러한 결합의 사용은 트윈 타워를 필요로 하며 이를 위하여 각 터빈 유닛이 그와 관련된 2개의 판(46, 48)들 사이에 배치된다.
도 9는 동일 터빈 열(53A)의 2개의 인접 터빈 유닛(12A)의 축(14A)들을 연결하는 가요성 결합 시스템(flexible coupling system)(29)의 실시예를 나타낸다. 가요성 결합 시스템(59)은 약간의 오정렬을 허용하면서 동일 터빈 열의 2개의 인접 터빈 유닛들 사이에 우력(couple)을 전달할 수 있게 한다. 도 9에서, 가요성 결합 시스템(59)은 판(46, 48)들 사이에 배치되어 있다.
유체 역학적인 이유에서, 동일 터빈 열(53A, 53B)의 2개의 인접 터빈 유닛(12A, 12B)의 허브(3)들 사이의 간격을 감소시킬 수 있다는 것이 장점일 수 있다.
도 10은 트윈 타워의 실시예의 상세 사시도로서, 동일 터빈 열(53A)의 2개의 인접 터빈 유닛의 허브(3)들 사이의 간격이 도 9에 도시된 바에 비하여 감소한다. 회전 축 결합 시스템(59)은 각 판(46, 48)에 독립적으로 부착된 2개의 셸(shell)(66, 67)로 형성된 하우징 내에 수용된다. 각 셸(66, 67)은 유동 방향으로 유선형을 가질 수 있다. 조립체의 불확정도(degree of indeterminateness)의 증가를 피하기 위하여, 본 변형 실시예는 판(46, 48)들이 전혀 접촉하지 않고 서로 더욱 근접할 수 있게 한다. 각 셸(66, 67)은 대응 터빈 유닛(12A)의 축(14A)의 회전을 보장할 수 있는 핀 이음부 또는 베어링 형태의 기계적 구성요소를 포함한다. 운동용 실(dynamic seal) 및 고정 실(static seal)을 배치함으로써, 도면 부호 59의 결합부를 이동 유체와 접촉으로부터 격리시키는 액밀성(tightness)이 제공된다. 변형 실시예로서, 결합 시스템(59)은 등속 이음부(constant-velocity joint)를 포함할 수 있다.
도 11은 도 2와 유사한 도면으로서, 트윈 터빈 엔진(70)의 또 다른 실시예를 나타낸다. 도 2에 도시된 실시예와 비교하면, 트윈 터빈 엔진(70)은 평면(P1)에 대하여 대칭이고 유동에 대하여 터빈 유닛(12A, 12B)의 상류에 배치된 수직 부재(72)를 포함한다. 수직 부재(72)는 비교적 첨두형의 형상부(76)가 상류를 향하여 연장되어 있는 몸체(body)(74)를 포함한다. 따라서 수직 부재(72)는 기간부(stem)로서 거동한다. 기간부(72)의 테이퍼 형상은 특히 기간부에 쇄설물이 축적되는 것을 피할 수 있게 한다. 또한, 기간부(72)의 형상은 기간부(72)의 위치에서 유동 분리를 방지할 수 있게 한다. 또한, 본체(74)는 평면(P1)의 위치에서 터빈 유닛(12A, 12B)의 보호를 제공한다. 특히, 포일(5)이 평면(P1)을 따라 흐름을 상승시키도록 터빈 유닛(12A, 12B)이 배치(도 11에 도시된 바와는 반전된 구성)된 경우에, 기간부(72)는 이러한 상류의 이동 과정 중에 포일을 차폐하는 스크린(screen)의 역할을 한다.
트윈 터빈 엔진(70)은 평면(P1)에 대하여 대칭이고 유동에 대하여 터빈(12A, 12B)의 하류에 배치된 수직 부재(80)를 또한 포함한다. 바람직하게는 수직 부재(80)는 작은 항력을 가진다. 수직 부재(80)는 상류로 향한 전연(leading edge)과 하류로 향한 후연(trailing edge)을 구비하는 포일 윤곽형 단면을 가진다. 수직 부재(80)는 미익(tail vane)의 역할을 한다. 수직 부재는, 이하에서 후술하는 바와 같이, 유동 방향으로의 트윈 터빈 엔진(70)의 방향이 용이하게 설정될 수 있게 한다. 또한, 수직 부재는 바람직하지 않게 상호 작용할 수도 있는 터빈 유닛(12A, 12B)의 반류(wake)를 분리할 수 있게 한다.
도 12는 원재(spar)(140)에 의해 기간부(72)에 연결된 전방 수직 부재(139)를 포함하는 장치(138)의 실시예를 나타낸다. 전방 수직 부재(139)는 쇄설물 방지 장치의 역할을 할 수 있다. 이하에서 더욱 상세히 후술하는 바와 같이, 전방 수직 부재(139)에 외측 쇄설물 방지 장치가 고정될 수도 있다. 도 12의 기간부(72)와 전방 수직 부재(139)의 조립체는, 상당한 항력을 일으킬 수도 있는 대형 치수의 기간부(72)의 사용을 피하면서 쇄설물 방지 장치의 역할을 한다.
도 13은 도 11에 도시된 트윈 터빈 엔진(86)과 유사한 구조를 가진 트윈 터빈 엔진의 적층체로 형성된 트윈 타워(218)의 실시예를 나타내며, 도면에는 발전기(220A, 220B)가 또한 도시되어 있다. 발전기(220A)는 터빈 열(53A)에 의해 구동되고 발전기(220B)는 터빈 열(53B)에 의해 구동된다. 각 발전기(220A, 220B)는 터빈 열에 도달하는 유동에 따라서 해당 터빈 열의 축의 회전 속도와 해당 발전기의 입력 축의 회전 속도 사이의 비를 변경할 수 있는 변속 시스템(speed variation system)을 포함한다.
도 14는 트윈 타워(218)와 유사한 구조를 가지나 2개의 터빈 열(53A, 53B)에 의해 구동되는 단일 발전기(224)만을 포함하는 트윈 타워(222)의 실시예를 나타낸다. 터빈 열(53A, 53B)의 회전 축의 단부는 예를 들면 발전기(224)의 입력 축을 구동하는 노치 벨트(notched belt) 또는 기어 형태의 동력 전동(power transmission) 시스템에 연결된다. 전동 시스템은 터빈 열(53B)에 대한 터빈 열(53A)의 상대 강도 위치의 영구 유지를 또한 제공할 수 있다. 발전기(224)는 터빈 열(53A, 53B)에 도달하는 유동에 따라서 터빈 열(53A, 53B)의 축의 회전 속도와 발전기(224)의 입력 축의 회전 속도 사이의 비를 변경할 수 있는 변속 시스템을 포함한다.
발전기(220A, 220B, 224)는, 횡류 터빈 유닛에 도달하는 액체 유동에 따라서, 터빈 열(53A, 53B)의 회전에 반동을 가하는 소정 진폭의 제동 토크를 또한 제공할 수 있다.
각 터빈 열(53A, 53B)에 의해 제공되는 기계적 동력의 변환 및 수집을 위하여 단일 발전기(224)가 사용될 경우에, 특히 베벨 기어를 구비한 기어형 동력 전동 시스템이 사용될 수 있으며, 이 시스템은 발전기(224)의 적절한 작동을 위해 필요하다면 터빈 열의 회전 속도와 발전기 입측에 위치한 기계적 축의 회전 속도 사이에 증배 계수(multiplication coefficient)를 적용할 수도 있다. 이러한 간단한 기어 시스템은, 예를 들면 기어 박스형 시스템과 같은 더욱 복잡한 차동형(differential type) 동력 전동 시스템으로 대체되는 것이 바람직할 수도 있다. 단일 발전기가 사용되는 경우에, 2개의 터빈 열이 약간 비칭적인 방식으로 작동되고 완전히 동기화되지 않은 회전 속도를 가진다면, 차동형 시스템이 특히 바람직할 수 있다.
도 13과 도 14에 도시된 실시예에서, 발전기(220A, 220B, 224)는 터빈 열(53A, 53B)의 상부에 배치된다. 변형 실시예로서, 발전기(220A, 220B, 224)는 터빈 열(53A, 53B)의 기부(base)에 배치될 수도 있다.
해류 또는 하천류의 운동 에너지를 전력으로 변환하기 위하여 트윈 타워의 예를 설명하였으나, 본 발명은 해류 또는 하천류의 운동 에너지를 다른 유형의 동력으로 변환하는 데에 적용될 수 있다는 점은 명백하다. 일례로, 본 발명에 따른 터빈 엔진은 압송 시스템(pumping system) 또는 수소 생성 시스템 등을 기동하기 위하여 사용될 수도 있다.
도 15는 도 11과 유사한 터빈 엔진(143)의 도면으로서, 본 실시예에서 각 판(46, 48)은 기간부(72)와 미익(80)에 연결된 미천공 판(full plate)으로 형성되고, 터빈 유닛(12A, 12B)의 회전 축(14A, 14B)을 수용하는 베어링(50A, 50B)을 포함한다. 그와 같은 실시예는 동일 터빈 열의 2개의 인접 터빈 유닛들 사이의 상호 작용을 완전히 방지한다.
도 16은 도 15와 유사한 트윈 터빈 엔진(144)의 도면으로서, 각 판(46, 48)은 2개의 링 형상부(145A, 145B, 146A, 146B)를 포함한다. 각 링 형상부는 터빈 유닛(12A, 12B)의 포일(5)의 단부들에 대향하게 배치됨으로써, 회전 중에, 윙릿(6)을 포함하는 각 포일 선단은 영구적으로 링 형상부(145A, 145B, 146A, 146B)의 근방에서 운동한다. 링 형상부(145A, 145B, 146A, 146B)는 동일 터빈 열의 2개의 인접 터빈 유닛들 사이의 상호 작용을 감소시킬 수 있고, 더욱 구체적으로는 포일 선단 와류(foil tip vortex)를 중단시키는 데에 일조하므로 윙릿과 같이 거동한다.
도 17은 링 형상부(146B)의 일부의 측단면도이다. 윙릿(6)이 생략된 터빈 유닛(12B)의 포일(5)의 선단이 또한 도시되어 있다. 링 형상부(146B)는 곡선부(curved portion)(148)에 의해 연결된 평면 표면(147)을 터빈 유닛의 포일 선단의 앞에 포함할 수 있다. 곡선부(148)는 유동 방향을 따라 링 형상부(146B)에 의한 항력을 감소시킬 수 있다.
도 18은 도 11과 유사한 도면으로서, 기간부(72)와 미익(80)뿐만 아니라 판(46, 48)에 부착된 2개의 측방 수직 부재(90A, 90B)를 포함하는 트윈 터빈 엔진(88)의 도면이다. 측방 수직 부재(90A, 90B)는 평면(P1)에 대하여 대칭으로 배치되고, 기간부(72)와 미익(80)과 함께 각 터빈 유닛(12A, 12B)의 위치에서 제한된 유동을 제공한다. 유동은 터빈 유닛(12A, 12B)까지 계속 제한된다. 유동은 각 터빈 유닛(12A, 12B)을 지나고, 평면(P1)부터의 측방 수직 부재(90A, 90B)의 거리를 후연(91A, 91b)까지 계속 증가시킴으로 얻어진 발산부(diverging portion) 내에 이른다. 일례로, 각 터빈 유닛(12A, 12B)에 있어서, 포일(5)의 선단은 링 형상부(145A, 145B, 146A, 146B)들 중 하나의 앞에 위치한다. 본 실시예에서 각 터빈 유닛(12A, 12B)에 있어서, 터빈 유닛(12A, 12B)의 상류의 수렴부(converging portion)는 측방 수직 부재(90A, 90B) 근방의 터빈 유닛(12A, 12B)의 소정 영역을 유입류로부터 부분적으로 차폐한다. 이러한 이유로, 터빈 유닛(12A, 12B)의 회전 방향은 도 18에 도시된 방향에 대하여 반전될 수 있다.
도 19는 트윈 터빈 엔진(88)과 유사한 트윈 터빈 엔진(56)의 적층체에 해당하는 트윈 타워(55)의 실시예를 나타내며, 터빈 유닛은 도 1에 도시된 터진 엔진(1)에 대응한다. 트윈 타워(55)에 있어서, 터빈 유닛(12A, 12B)의 포일(5)은 적층 방향을 따라 동일 터빈 열(53A, 53B)의 인접 터빈 유닛의 포일에 대하여 예를 들면 40°만큼의 각도 편차를 가진다. 일례로, 각 터빈 유닛(12A, 12B)에 있어서, 포일(5)의 선단은 도 15에 도시된 바와 같이 미천공 판으로 형성된 판(46, 48)의 앞에 위치한다. 수직 부재(90A, 90B)는 터빈 유닛(12A, 12B)에 접하며 평면(P2)에 대하여 대칭이지는 않다. 따라서 측방 수직 부재(90A, 90B)는 터빈 유닛(12A, 12B)을 차폐하지 않는다. 따라서 수직 부재(90A, 90B)의 내측 윤곽에 의한 공간의 폭은 내측 유동 방향을 따라서 터빈 유닛(12A, 12B)에 근접함에 따라 급격히 감소하며, 터빈 유닛의 근방에서 폭은 일정한 값으로 유지된 후에, 터빈 유닛(12A, 12B)의 하류에서 폭은 점증하여 발산 구역을 형성한다. 그와 같은 측방 수직 부재는 만곡(camber)이 심할 수도 있는 엔에이시에이(NACA), 에플러(Eppler), 워트만(Wortman) 유형 등의 포일 형상을 가질 수 있다. 터빈 유닛(12A, 12B)의 하류에서 수직 부재(90A, 90B)들이 서로 더욱 멀어진다는 사실은, 트윈 터빈 엔진(55)에 의하여 나타나는 액체 단면적을 증가시키는 것을 가능하게 한다. 이러한 구성은 도 18과 마찬가지로 일방향 흐름(one-way current)에 더욱 적합할 수 있다.
도 20은 트윈 터빈 엔진(96)들의 적층체로 형성된 트윈 타워(95)의 예를 나타내며, 수직 부재(22, 24)와 요소(element)(32)가 일체형이고, 트윈 터빈 엔진(96)은 도 18에 도시된 트윈 터진 엔진(88)과 마찬가지로 측방 수직 부재(90A, 90B)를 또한 포함한다. 또한, 측방 수직 부재(90A), 측방 수직 부재(90B) 및 수직 부재(24)는 평면(P2)에 대하여 각각 대칭이다. 따라서, 각 트윈 터빈 엔진(96)은 방향이 반대이고 실질적으로 일정한 방향을 유지하는 흐름[그와 같은 경우는 예를 들면 조류(tidal current)]들에 대하여 동일하여 작용할 수 있다. 도 20의 예에서, 수직 부재(22, 24)는 기간부와 미익의 역할을 하는 중공형 구조체(97)에 의해 연속된다. 또한, 측방 수직 부재(90A, 90B)와 요소(32)는 터빈 유닛(12A, 12B)에 실질적으로 접하면서 평면(P2)에 대해 대칭이다. 수직 부재(90A, 90B)의 내측 윤곽에 의한 공간의 폭은 터빈 유닛(12A, 12B)에 접근함에 따라 점감하고, 터빈 유닛의 근방에서 일정한 값을 유지한 후에, 터빈 유닛(12A, 12B)의 하류에서 앞서 설명한 바와 같이 폭이 증가하여 일종의 규칙적인 수렴-발산 경로를 형성한다.
도 21은 도 11과 유사한 도면으로서, 기간부(72)와 미익(80)뿐만 아니라, 각 터빈 유닛(12A, 12B)에 대하여 상류 쇄설물 방지 장치(160A, 106B)와 하류 쇄설물 방지 장치(118A, 118B)를 포함하는 트윈 터빈 엔진(116)의 도면이다. 각 상류 쇄설물 방지 장치(106A, 106B)는 터빈 유닛(12A, 12B)의 상류에 뻗어 있는 평행한 봉(rod)(108)들을 포함하며, 각 봉의 일단은 기간부(72)에 부착되고 타단은 수직 부재(110A, 110B)에 부착되고, 수직 부재(110A, 110B)는 판(46, 48)에 부착되어 있다. 봉은 쇄설물의 기울임이나 미끄러짐이 용이하도록 만곡 형상을 가지며 쇄설물 제거를 향상시킨다. 또한, 봉(108)은 유동을 조정할 수 있게 한다. 터빈 유닛(12A, 12B)에 예를 들어 어류가 접촉하는 것을 방지하기 위하여, 보호 격자(protection grid)가 상류 쇄설물 방지 장치(106A, 106B)에 부착될 수도 있다. 변형 실시예로서, 봉(108)은 만곡형 튜브로 대체될 수도 있다. 각 하류 쇄설물 방지 장치(118A, 118B)는 터빈 유닛(12A, 12B)의 하류에 뻗어 있는 평행한 봉(120)들을 포함하며, 각 봉의 일단은 미익(80)에 부착되고 타단은 수직 부재(122A, 122B)에 부착되고, 수직 부재(122A, 122B)는 판(46, 48)에 부착된다. 하류 쇄설물 방지 장치(118A, 118B)는, 특히 흐름이 느린 경우에, 하류에서 쇄설물이 터빈 유닛(12A, 12B)에 도달하는 것을 방지할 수 있다. 하류 쇄설물 방지 장치는 대칭 터빈 엔진 쌍(116)의 하류에서 흐름을 조절하는 것을 가능하게 하며, 이는 특히 또 다른 대칭 터빈 엔진 쌍이 하류에 배치될 경우에 바람직할 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이, 회전 축선(DA, DB)에 평행한 축선을 중심으로 대칭 터빈 엔진 쌍 전체를 회전시키는 것을 가능하게 하는 장치가 제공될 수도 있다. 이는 예를 들면 터빈 엔진을 수백 도 이상 회전시킴으로써 유동에 의해 상류 쇄설물 방지 장치(106A, 106B)를 직접 세정하는 데에 바람직할 수도 있다. 이 경우에, 하류 쇄설물 방지 장치(118A, 118B)는 세정 단계 중에 상류 쇄설물 방지 장치(106A, 106B)의 역할을 한다.
도 22는 도 21과 유사한 트윈 터빈 엔진(128)의 도면이며, 측방 수직 부재(110A, 110B, 122A, 122B)는 실질적으로 도 18에 도시된 터빈 엔진(88)의 측방 수직 부재(90A, 90B)의 형상을 가지는 수직 부재(130A, 130B)로 대체되어 있다. 도 21에 도시된 상류 쇄설물 방지 장치(106A, 106B)와 비교하면, 도 22에 도시된 상류 쇄설물 방지 장치(106A, 106B)는 기간부(72)의 위치에서 더욱 첨두형의 형상을 가진다. 이는 쇄설물이 포착될 위험성을 감소시키고 쇄설물 제거를 용이하게 한다. 변형 실시예로서, 측방 수직 부재(130A, 130B)가 판(46, 48)에 연결되지 않고 쇄설물 방지 장치(106A, 106B, 118A, 118B)에만 연결될 수 있다.
도 23은 도 21과 유사한 트윈 터빈 엔진(134)의 도면이며, 기간부(72)와 미익(80)은 도 2에 도시된 트윈 터빈 엔진(10)의 수직 부재(22, 24)의 형상을 가지는 수직 부재(135, 136)로 대체되어 있다. 상류 쇄설물 방지 장치(106A, 106B)의 봉(108)들은 서로 연결되고 그 단부에서 단지 수직 부재(130A, 130B)에 부착된다. 마찬가지로, 하류 쇄설물 장지 장치(118A, 118B)의 봉(120)들은 서로 연결되고 그 단부에서 단지 수직 부재(130A, 130B)에 부착된다. 변형 실시예로서, 수직 부재(135, 136)는 생략될 수도 있다. 이 때의 터빈 엔진의 기계적 유지는 측방 수직 부재(130A, 130B)에 의해 제공된다. 이는 터빈 유닛(12A, 12B)의 회전 방향과는 무관하게 트윈 타워를 사용할 수 있게 한다. 도 23에 있어서, 수직 부재(130A, 130B)는 도 22에 도시된 바와 마찬가지로 터빈 유닛(12A, 12B)을 차폐하지 않으며, 수직 부재(130A, 130B)들에 의한 공간의 폭이 터빈 유닛(12A, 12B)의 하류에서 점증하여 일종의 발산 구역을 형성하도록 배치된다. 수직 부재(130A, 130B)들이 터빈 유닛(12A, 12B)의 하류에서 서로 더욱 멀어진다는 사실은 트윈 터빈 엔진(134)에 의해 나타나는 액체 단면적을 증가시키는 것을 가능하게 한다. 따라서 측방 수직 부재들은 각각 도 19에 도시된 바와 같은 포일 형상을 가진다.
도 24는 도 19에 도시된 바와 같은 트윈 터빈 엔진(88)의 적층체에 대응하는 트윈 타워의 실시예의 사시도이며, 타워의 위치를 설정하기 위한 장치(198)가 도시되어 있다. 예를 들어, 트윈 타워(196)를 형성하는 각 쌍의 트윈 터빈 엔진에 있어서, 평면(P1)과 평면(P2)은 수직인 것으로 고려된다. 위치 설정 장치(positioning device)(198)는 본 실시예에서 원반 형상을 가진 상측 플랫폼(202)을 포함하며, 상측 플랫폼에는 트윈 타워의 상부에 위치하는 트윈 터빈 엔진을 유지하기 위한 장치가 부착된다. 트윈 타워(196)는 본 실시예에서 원반 형상을 가진 하측 플랫폼(204)을 포함하며, 하측 플랫폼에는 트윈 타워의 하부에 위치하는 트윈 터빈 엔진을 유지하기 위한 장치가 부착된다. 축선(E)의 축 부분(208)은 플랫폼(202)으로부터 상방으로 돌출하고, 축선(E')의 축 부분(210)은 플랫폼(204)으로부터 하방으로 돌출한다. 축 부분(210)은 지반에 대해 고정된 하측 컨테이너(도시 생략)의 위치에서 자유로이 회전하도록 조립될 수 있다. 또한, 축 부분(208)은 상측 컨테이너(도시 생략)의 위치에서 자유로이 회전하도록 배치될 수 있으며, 상측 컨테이너는 그 자체가 예를 들면 들보(beam)나 케이블(도시 생략)에 의해 지반에 연결된다. 축선(E, E')은 혼용될 수 있으며, 트윈 타워(196)의 조립체가 지반에 대해 회전할 수 있게 된다. 변형 실시예로서, 하측 플랫폼(204)만이 존재할 수도 있다.
트윈 타워(196)의 회전은 상류 흐름 방향에 평행한 선(L1)을 자연적으로 유지하는 경향이 있는 트윈 터빈 엔진의 미익(80)에 의하여 제공되어, 동력 보조 없이 제공될 수 있다. 따라서, 상류 흐름이 가변적일 경우에, 상류 흐름에 평행한 선(L1)을 유지시키기 위하여 트윈 타워(196)를 회전시키는 구성이 제공될 수 있다. 또한, 측방 수직 부재에 각각 작용하고 각각의 추력 중심(thrust center)을 통과하지 않는 2개의 힘의 합성력의 상류에 회전 축선(E 또는 E')을 배치함으로써, 자동 회전이 제공될 수도 있다. 트윈 타워를 형성하는 트윈 터빈 엔진에 상류 쇄설물 방지 장치(106A, 106B)가 제공된 경우에, 상류 쇄설물 방지 장치(106A, 106B)의 세정이 용이하도록 트윈 타워를 회전시키는 구성이 제공될 수도 있다.
도 25는 판(46, 48)을 구비하는 트윈 터빈 엔진(172)의 실시예의 상세 사시도이며, 판은 천공 가공될 수 있다는 점을 제외하면 도 15에 도시된 판과 동일 형태이다. 개구부(170)는 각 판(46, 48)에 예를 들면 고르게 분포한다. 터빈 유닛의 동일한 쪽에 위치하는 포일(5)들의 선단은 도 25에서 흑색으로 도시된 링(94)에 의해 연결될 수 있다. 링(94)은 일부 개구부들의 앞에 배치되며, 이러한 구성은 링(94)이 지나갈 때에 유체 역학적 마찰을 감소시키면서 동일 터빈 열의 2개의 인접 터빈 유닛들 사이의 상호 작용을 감소시키는 것을 가능하게 한다. 터빈 유닛(12B)의 링과 그에 대응하는 판(48) 사이에는 간격(173)이 제공된다. 그와 같은 링(94)의 단면은 링의 폭이 날개(5)의 두께를 단지 약간 초과하도록 작은 것이 바람직할 수 있다. 따라서 링(94)은 와이어 링이라고 지칭된다. 그와 같은 와이어 링에서는 포일(5)의 저부 선단에 윙릿을 부착하는 것이 또한 가능하며, 따라서 그와 같은 윙릿은 원래의 와이어 링의 국소 확장부를 형성한다. 링(94)은 주기적 굽힘 응력에 의한 피로에 대하여 터빈 유닛(12B)의 강도를 향상시킬 수 있게 한다. 일반적으로, 링(94)이 제공된 터빈 유닛(12A, 12B)은 모든 유형의 판(46, 48)과 함께, 즉 미천공 판, 천공 가공된 판, 마름모 형상의 판, 링 형상부를 포함하는 판 등과 함께 사용될 수 있다.
도 26은 기간부(72)의 실시예를 나타내며, 기간부(72)는 적어도 부분적으로 액체로 채워질 수 있는 중공형 탱크를 형성한다. 이는 트윈 타워의 장착/분리를 용이하게 한다. 터빈 엔진은, 탱크가 액체 내에 침지되어 있을 때에, 적어도 부분적으로 탱크를 액체로 채우거나 적어도 부분적으로 탱크를 비울 수 있는 원격 작동 수단을 포함한다. 중공형 기간부(72)와 관련된 실시예는 전술한 바와 다른 유형의 수직 부재[미익(80), 측방 수직 부재(90A, 90B, 130A, 130B)]에도 적용될 수 있다.
유입류가 트윈 터빈 엔진에 도달하면, 터빈 유닛을 구동하는 내측 흐름 또는 축류와, 트윈 터빈 엔진을 우회하는 외측 흐름으로 분할된다.
도 27은 본 발명에 따른 대칭 터빈 엔진 쌍(99)의 또 다른 실시예의 개략적인 사시도이다. 도 18에 도시된 트윈 터빈 엔진(88)과 비교하면, 트윈 터빈 엔진(99)의 측방 수직 부재(90A, 90B)는 슬롯(100)에 의해 각각 교차되어, 수직 부재(90A) 외측의 흐름과 각 터빈 유닛(12A, 12B)을 회전시키는 유입류의 내측 흐름 사이의 교차 유동(cross-flow)을 가능하게 한다. 그와 같은 교차 유동은 외측 흐름으로부터 유래하고 내측 흐름과 합류한다. 교차 유동은 슬롯(100)을 통하여 형성되고 각 터빈 유닛(12A, 12B)으로부터 슬롯(100)의 후방 가장자리까지의 범위 내에서 형성된다. 포일을 터빈 유닛 회전 축에 연결하기 위한 시스템이 위치하는 터빈 유닛 영역의 전방에는, 교차 유동이 그러한 연결 시스템에 미치는 항력을 증가시키는 것을 방지하기 위하여, 바람직하게는 슬롯이 존재하지 않아야 한다. 따라서, 터빈 유닛(12B)의 암(4)이 위치하는 부분을 차폐하는 수직 부재(90B)의 중앙 부분(101)을 분리하는 2개의 슬롯(100)을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 2개의 슬롯(100) 대신에, 더 많은 짝수의 슬롯(100)을 제공할 수도 있다.
따라서, 각 터빈 유닛(12A, 12B)에 있어서, 전술한 압력 차이는 슬롯(100)의 두께 변경에 의해 감소하고, 공동화(cavitation)의 위험성이 감소한다. 트윈 터빈 엔진(99)의 하류에서의 축류는 조절되며, 이는 특히 측방 수직 부재(90A, 90B)의 후연(91A, 91B)의 하류에서 내측 흐름과 외측 흐름의 교반 혼합을 감소시킨다. 마지막으로, 축류 근방의 수직 부재(90A, 90B)의 영역에서는, 슬롯(100)이 존재하지 않는 경우에, 날개(5)는 다소 구동성이거나 저항성인 토크를 터빈 유닛(12A, 12B)으로 전달하지만, 슬롯(100)의 존재는 내측 수직 부재 상에 발달하는 내측 경계 층에 영향을 미치는 추가 유동을 도입하며, 구동 토크를 국소적으로 생성할 수 있고 터빈 유닛(12A, 12B)의 전체 효율의 향상에 기여할 수 있다.
수류에 의해 교차되는 해양 또는 하천 영역이 매우 넓을 경우에, 여러 트윈 타워가 조립되어 집합군(flotilla)을 형성할 수 있다. 집합군의 트윈 타워의 양호한 분포는 각 대칭 타워 쌍의 위치에서 회수되는 동력을 최적화하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 특정 실시예들에 대하여 설명하였다. 당업자라면 다양한 변형 및 변경 실시예를 고려할 수 있을 것이다. 특히, 특정 실시예 내에서 전술한 소정의 특징들은 다른 실시예와 조합될 수도 있다. 일례로, 도 24에 도시된 플랫폼(202, 204)은 도 19와 도 20에 도시된 트윈 타워의 위치에 제공될 수도 있다. 또한, 평행한 별도의 축선들을 구비하고 반대 방향으로 회전하는 2개의 횡류 터빈을 포함하는 트윈 터빈 엔진에 대하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 단일 유지 장치에 의해 유지된 별도의 평행 축선들을 구비하는 짝수 개의 터빈들을 포함하고 터빈들의 반은 한 방향으로 회전하고 터빈들의 나머지 반은 반대 방향으로 회전하는 터빈 엔진에도 적용된다는 점은 자명하다.

Claims (12)

  1. 터빈 엔진(52; 55)으로서,
    제1, 제2, 제3 및 제4 양력형 횡류 수력 터빈(12A, 12B)을 포함하되, 제1 터빈(12A)은 제1 회전 축(14A)을 포함하고, 제2 터빈(12B)은 제2 회전 축(14B)을 포함하고, 제1 및 제2 터빈들은 평면(P1)에 대하여 서로 대칭이고, 제3 터빈은 제1 및 제3 회전 축들 사이의 공간 오정렬(spatial misalignment)을 보상할 수 있는 제1 결합 장치(59)에 의해 제1 회전 축에 연결된 제3 회전 축을 포함하고, 제3 터빈은 제1 터빈과 함께 제1 터빈 적층체(stack)(53A)를 형성하고, 제4 터빈은 제2 및 제4 회전 축들 사이의 공간 오정렬을 보상할 수 있는 제2 결합 장치(59)에 의해 제2 회전 축에 연결된 제4 회전 축을 포함하고, 제3 및 제4 터빈들은 상기 평면에 대하여 서로 대칭이고, 제4 터빈은 제2 터빈과 함께 제2 터빈 적층체(53B)를 형성하며,
    제1 및 제2 터빈 적층체를 유지하기 위한 유지 장치(20)를 또한 포함하되, 유지 장치(20)는 상기 평면(P1)에 대하여 대칭인 단일 수직 부재를 포함하거나 수직 부재(22, 24)들을 포함하고, 상기 수직 부재들은 상기 평면에 대해 대칭으로 배치되고, 상기 유지 장치는, 상기 평면에 대하여 대칭이고 적어도 부분적으로 상기 평면에 수직이고 제1 및 제3 터빈들 사이와 제2 및 제4 터빈 사이에 배치된 제1 및 제2 판(plate)(46, 48)들을 또한 포함하고, 제1 및 제2 회전 축은 제1 판에 선회 가능하게 연결되고, 제3 및 제4 회전 축은 제2 판에 선회 가능하게 연결되며,
    제1 터빈 적층체와 제2 터빈 적층체가 상기 평면에 대하여 서로 대칭인 상태로 영구적으로 유지되도록 하고, 상기 제1 터빈 적층체와 제2 터빈 적층체가 이동 유체 내에 침지되는 경우에 제1 터빈 적층체의 회전 속도와 제2 터빈 적층체의 회전 속도가 서로 크기는 동일하고 방향은 반대인 상태로 유지되도록 하는 제어 장치(220A, 220B, 224)를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 평면(P1)에 대하여 대칭인 적어도 하나의 수직 부재(72)는 액체 유동 방향에 대하여 제1 및 제2 터빈 적층체(53A, 53B)의 상류로 연장되고 기간부(stem)를 형성하며, 제1 터빈(12A)은 제1 회전 축(14A)에 연결된 제1 날개(blade)(5)를 포함하고, 제2 터빈(12B)은 제2 회전 축(14B)에 연결된 제2 날개(5)를 포함하고, 제3 터빈은 제3 회전 축에 연결된 제3 날개를 포함하고, 제4 터빈은 제4 회전 축에 연결된 제4 날개를 포함하고, 제어 장치(220A, 220B, 224)는 제1, 제2, 제3 및 제4 날개가 상기 평면에 가장 근접하였을 때에 상기 액체의 유동을 상승시키도록 제1, 제2, 제3 및 제4 날개를 회전시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  3. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 수직 부재(80)는 액체 유동 방향에 대하여 제1 및 제2 터빈 적층체의 하류로 연장되고 미익(tail vane)을 형성하는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 및 제2 터빈 적층체(53A, 53B)는 전동 장치(transmission device)를 통하여 단일 동력 회수 시스템(224)의 입력 축을 구동시킬 수 있거나, 제1 터빈 적층체(53A)는 제1 동력 회수 시스템(220A)의 입력 축을 구동시킬 수 있고, 제2 터빈 적층체(53B)는 제2 동력 회수 시스템(220B)의 입력 축을 구동시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평면(P1)에 대하여 대칭으로 배치되고 유동 방향을 따라서 적어도 하나의 발산 구역(divergent section)을 형성하는 적어도 2개의 측방 수직 부재(90A, 90B; 130A, 130B)를 또한 포함하며,
    제1 및 제2 터빈 적층체(53A, 53B)는 측방 수직 부재들 사이에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 및 제2 판(46, 48)은 제1 및 제3 터빈(12A)들 사이와 제2 및 제4 터빈(12B)들 사이에서 이동 액체를 분리할 수 있고, 제1 터빈(12A)은 제1 회전 축(14A)에 연결된 제1 날개(5)를 포함하고, 유지 장치(20)는 제1 날개(5)의 제1 선단의 앞에 배치된 적어도 하나의 링 형상부(145A, 145B)를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 수직 부재(72, 80)에 연결되고 제1 및 제2 터빈 적층체(53A, 53B)를 적어도 부분적으로 둘러싸는 평행한 바(bar) 및/또는 봉(108; 120)을 포함하는 쇄설물 방지(anti-debris) 장치(106A, 106B; 118A, 118B)를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 및 제2 터빈 적층체(53A, 53B)를 이동 액체 내에서 선회시킬 수 있는 시스템(198)을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 제1 터빈(12A)은 제1 회전 축(14A)에 연결된 제1 날개(5)를 포함하며, 제1 날개(5)의 단부는 제1 날개를 따라 회전하는 제1 링(94)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 터빈(12A)은 제1 회전 축(14A)에 연결된 제1 날개(5)를 포함하고, 제2 터빈(12B)은 제2 회전 축(14B)에 연결된 제2 날개(5)를 포함하고, 제3 터빈은 제3 회전 축에 연결된 제3 날개를 포함하고, 제4 터빈은 제4 회전 축에 연결된 제4 날개를 포함하며, 제1 날개는 상기 평면(P1)에 대해 제2 날개와 대칭이고, 제3 날개는 상기 평면(P1)에 대해 제4 날개와 대칭이고, 제1 날개는 상방에서 관찰될 경우에 제3 날개에 대하여 각도 편차가 있는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 수직 부재(72)는 중공형의 공동(hollow cavity)에 대응하고, 터빈 엔진은 공동을 적어도 부분적으로 액체로 채우거나 비우는 수단을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
  12. 제5항에 있어서,
    적어도 하나의 측방 수직 부재(90A, 90B)는 액체 유동 방향을 따라 뻗어 있는 적어도 하나의 슬롯(100)을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 엔진.
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