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KR20110025897A - 혼합기와 이젝터를 구비한 수력 터빈 - Google Patents

혼합기와 이젝터를 구비한 수력 터빈 Download PDF

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KR20110025897A
KR20110025897A KR1020107025561A KR20107025561A KR20110025897A KR 20110025897 A KR20110025897 A KR 20110025897A KR 1020107025561 A KR1020107025561 A KR 1020107025561A KR 20107025561 A KR20107025561 A KR 20107025561A KR 20110025897 A KR20110025897 A KR 20110025897A
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turbine
ejector
mixer
inlet
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월터 엠. 프레즈
마이클 제이. 워레
Original Assignee
프로디자인 윈드 터빈 코포레이션
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Abstract

터빈 시스템에 대해 이동하는 물로부터 에너지를 추출하기 위한 터빈 시스템은 에너지를 추출하기 위한 회전자 조립체, 적어도 일부의 회전자 조립체가 배치된 터빈 슈라우드 내부 볼륨을 구비한 터빈 슈라우드, 및 적어도 일부의 터빈 슈라우드가 배치된 이젝터 슈라우드 내부 볼륨을 구비한 이젝터 슈라우드를 포함한다. 터빈 슈라우드와 이젝터 슈라우드는 복수의 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소나 이젝터슈라우드 혼합기 구성요소를 개별적으로 포함한 말단을 각각 구비한다. 하나 이상의 혼합기 구성요소와 이젝터 슈라우드는 터빈 시스템의 잠재적인 에너지 추출을 증가시키는 혼합기/이젝터 펌프를 포함한다. 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소, 이젝터 슈라우드 혼합기 구성요소, 그리고 이젝터 슈라우드 및 터빈 슈라우드 입구 중 하나 이상이 회전자 조립체의 회전 축선을 통과하는 평면에 대해 비대칭이다. 이들 여러 특징과 관련된 제조 방법, 시스템, 장치 및 물품이 또한 개시되었다.

Description

혼합기와 이젝터를 구비한 수력 터빈{WATER TURBINES WITH MIXERS AND EJECTORS}
본 발명은 축방향 유동 터빈과 이젝터 시스템에 관한 것으로서, 예를 들면, 이들 유동 터빈과 이젝터 시스템은 해류, 조류, 하천류/지류 및 여러 유체 흐름과 같은 수류 속에 가라앉아 에너지를 추출하는데 사용된다.
유수로부터 에너지를 추출하는 축방향 유동 수력 터빈 시스템을 본 명세서에서 "수류 터빈(current turbine)"이라 한다. 수류 터빈은 통상적으로 이동하는 수류를 견디도록 지향된 프로펠러-형 장치, 즉 "회전자"를 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 회전자는 슈라우드에 포함되거나 상기 슈라우드가 장착되지 않을 수 있다. 수류가 회전자를 타격함에 따라, 회전자가 그 중심에 대해 회전할 수 있는 방식으로 수류는 회전자에 외력을 생성한다. 회전자는 기어, 벨트, 체인 또는 여러 장치와 같은 연동장치를 통해 발전기나 기계 장치에 연결될 수 있다. 이러한 터빈은 발전 및/또는 회전 펌프를 구동시키거나 기기 부품을 이동시키는데 사용될 수 있다. 또한, 이들 터빈은, 각각의 상기 터빈이 서로에 대해 및/또는 주변 환경에서 최소의 충격으로 최대 파워의 추출이 가능하도록 설계된 기하학적 패턴으로, 다수의 상기 터빈을 포함한 대용량 전기 발생 "수류 터빈 시설(farms)"(또한 "수류 터빈 배치(arrays)"라 함)에 사용될 수 있다.
유체력을 회전력으로 변환하는 개방형(unshrouded) 회전자의 능력은, 직경보다 큰 폭과 깊이를 갖는 스트림에 상기 회전자가 배치되었을 때, 1926년 A. Betz에 의해 증명된 "Betz" 한계로 알려진, 접근하는 스트림 파워의 적합하게 증명된 이론상의 값 59.3%로 한정된다. 이러한 생성 한계는 특히 도 1a에 도시된 전통적인 멀티-블레이드 축방향 수류 및 조류 터빈에 적용된다. "Betz" 한계를 잠재적으로 뛰어 넘는 수류 터빈의 성능을 향상시키려는 시도가 계속되고 있다. 적합하게 설계된 슈라우드에 의해, 개방형 회전자에 의한 것보다 유동이 회전자에 접근함에 따라, 접근하는 유동 속도가 빨라지게 된다. 따라서 접근하는 유동은 덕트의 중앙에 집중된다. 일반적으로, 적합하게 설계된 회전자에 대해, 개방형 회전자 속도 이상 증가된 유속은 회전자 상에서 보다 많은 외력을 야기시키고, 이어서 동일한 크기의 개방형 회전자보다 고 레벨의 파워 추출이 가능해진다. 도 1b에 도시된 것과 같은 종래의 슈라우드 수류 터빈은 입구 집중기와 출구 디퓨저를 사용하여 터빈 회전자에서의 유속을 증가시킨다. 파이프의 내외측 물의 느린 확산 혼합이 일반적으로 가능하도록, 개구가 축방향 길이방향으로 위치한 파이프-형 구조체를 전형적으로 포함한 디퓨저는 우수한 성능과 접근하는 유동 변화에 매우 민감하도록 그 길이가 길 필요가 있다.
이러한 긴, 유동 민감성 디퓨저는 현실적으로 대부분 설치 불가능하다. 짧은 디퓨저는 정지(stall)될 수 있고 이에 따라 시스템의 에너지 변환 효율을 감소시킨다.
제 1 실시예에 있어서, 들어오는 수류 유동 방향으로 터빈 시스템에 대해 이동하는 물로부터 에너지를 추출하는 터빈 시스템은 들어오는 수류 유동 방향을 향하는 입구 단부와 상기 입구 단부와 반대 방향의 출구 단부를 구비한다. 물은 터빈 시스템의 입구 단부를 가로지르는 일정하지 않은 유속 분포를 갖는다. 터빈 시스템은 회전자 조립체, 적어도 일부의 회전자 조립체가 배치되는 터빈 슈라우드 내부 볼륨을 갖는 터빈 슈라우드, 그리고 적어도 일부의 터빈 슈라우드가 배치된 이젝터 슈라우드 내부 볼륨을 갖는 이젝터 슈라우드를 포함한다. 회전자 조립체는 회전 축선을 중심으로 축방향으로 대칭이고, 입구 단부 쪽을 향한 상류 회전자 면을 갖는다. 터빈 슈라우드는 회전자 면보다 입구 단부에 가깝게 배치된 터빈 슈라우드 입구와, 회전자 조립체보다 출구 단부에 가깝게 배치된 터빈 슈라우드 말단을 포함한다. 터빈 슈라우드 말단은 복수의 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소를 포함한다. 저 에너지의 제 1 수량이 터빈 슈라우드로부터 터빈 슈라우드 말단을 통해 이젝터 슈라우드로 배출되기 전에, 상기 제 1 수량에 의해 회전자 조립체가 회전하고 상기 제 1 수량으로부터 에너지를 추출하도록, 터빈 슈라우드 입구는 들어오는 수류 유동 방향으로 이동하는 제 1 수량이 나아가게 한다. 이젝터 슈라우드는 이젝터 슈라우드 입구와 이젝터 슈라우드 말단을 포함한다. 이젝터 슈라우드 입구가 회전 축선을 통과하는 평면의 고속도 측보다는 상기 회전 축선을 통과하는 평면의 저속도 측의 단면적이 더 크도록, 상기 이젝터 슈라우드 입구는 회전 축선을 통과하는 평면에 대해 비대칭이다. 이젝터 슈라우드 말단은 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소를 넘어 수류 유동 방향으로 뻗어있다.
서로 밀접한 관계의 제 2 실시예에 있어서, 터빈 시스템은 회전 축선을 중심으로 축방향으로 대칭이고 입구 단부를 향한 상류 회전자 면을 구비한 회전자 조립체와, 상기 회전자 조립체의 적어도 일부가 배치되는 터빈 슈라우드 내부 볼륨을 구비한 터빈 슈라우드와, 그리고 상기 터빈 슈라우드의 적어도 일부가 배치되는 이젝터 슈라우드 내부 볼륨을 구비한 이젝터 슈라우드를 포함한다. 터빈 슈라우드는 회전자 면보다 입구 단부 근처에 배치된 터빈 슈라우드 입구와, 회전자 조립체보다 출구 단부 근처에 배치된 터빈 슈라우드 말단을 포함한다. 회전 축선을 통과하는 평면의 저속도 측에 위치한 적어도 하나의 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소가 상기 회전 축선을 통과하는 상기 평면의 고속도 측에 위치한 적어도 하나의 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소보다 더 크도록, 터빈 슈라우드 말단은 상기 회전 축선을 통과하는 평면에 대해 비대칭인 복수의 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소를 포함한다. 저 에너지의 제 1 수량이 터빈 슈라우드로부터 터빈 슈라우드 말단을 통해 배출되기 전에, 상기 제 1 수량에 의해 회전자 조립체가 회전하고 상기 제 1 수량으로부터 에너지를 추출하도록, 터빈 슈라우드 입구는 들어오는 수류 유동 방향으로 이동하는 상기 제 1 수량을 회전자 조립체로 나아가게 한다. 이젝터 슈라우드는 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소를 넘어 수류 유동 방향으로 뻗어있는 이젝터 슈라우드 말단과 이젝터 슈라우드 입구를 포함한다.
서로 밀접한 관계의 제 3 실시예에 있어서, 터빈 시스템에 대해 이동하는 물로부터 수류 유동 방향으로 에너지를 추출하는 방법은, 적어도 일부의 회전자 조립체가 배치된 터빈 슈라우드 내부 볼륨을 구비한 터빈 슈라우드로 제 1 수량을 포집하는 단계, 저 에너지의 제 1 수량이 터빈 슈라우드 말단을 통해 터빈 슈라우드로부터 배출되기 이전에 상기 회전자 조립체가 제 1 수량으로부터 에너지를 추출하도록 상기 회전자 조립체를 통해 제 1 수량을 나아가게 하는 단계, 적어도 일부의 터빈 슈라우드가 배치된 이젝터 슈라우드 내부 볼륨을 구비한 이젝터 슈라우드로 제 2 수량을 포집하는 단계, 및 이젝터 슈라우드 말단으로부터 혼합된 수량을 배출하기 전에 제 1 수량과 제 2 수량이 혼합되도록 수량을 혼합하는 단계를 포함한다. 터빈 슈라우드는 회전자 조립체보다 입구 단부에 가깝게 배치된 터빈 슈라우드 입구와, 회전자 조립체보다 출구 단부에 가깝게 배치된 터빈 슈라우드 말단을 포함한다. 터빈 슈라우드 말단은 복수의 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소를 포함한다. 이젝터 슈라우드는 이젝터 슈라우드 입구와 이젝터 슈라우드 말단을 포함한다. 이젝터 슈라우드 말단은 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소를 넘어 수류 유동 방향으로 뻗어있다.
하나 이상의 추가 변형예와 특징이 본 발명의 주어진 실시예에 포함될 수 있다. 이젝터 슈라우드 혼합기 구성요소와 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소는 혼합기/이젝터 펌프를 형성하도록 특별히 설계되며, 상기 혼합기/이젝터 펌프는 터빈 회전자를 통과하는 유동율을 증가시킴으로써 그리고 저 에너지 터빈 슈라우드 출구 유동을 터빈 회전자에 통과시키지 않으면서 이젝터 슈라우드 입구에 들어가는 바이패스 유동과 혼합시킴으로써, 시스템의 잠재적인 에너지 추출을 증대시킨다. 이젝터 슈라우드 입구는 수류 유동 방향으로 이동하는 제 2 수량이 이젝터 슈라우드 내부 볼륨으로 나아가게 하고, 상기 이젝터 슈라우드 내부 볼륨은 제 1 수량을 이젝터 슈라우드 말단을 통해 빠져나오기 전에 제 2 수량과 혼합시키는 복수의 이젝터 슈라우드 혼합기 구성요소를 포함한다. 터빈 슈라우드 형상과 이젝터 슈라우드 형상은 회전자 면에 나타난 속도 구배를 최소화시키고, 제 1 수량을 최대화시키고, 이젝터 슈라우드 말단으로부터 배출되기 전에 제 1 수량과 제 2 수량의 혼합을 최대화시킨다. 속도 구배가 회전자 면을 따라 측정된다.
회전자 조립체가 회전하는 중앙 몸체가 포함될 수 있다. 터빈 슈라우드는 고정자 조립체를 포함하고, 상기 고정자 조립체는 중앙 몸체를 중심으로 축방향으로 배열된 고정자 베인을 포함한다. 고정자 베인은 들어오는 수류 유동 방향에 나타난 개방 유동 영역을 증가시키거나 감소시킴으로써, 제 1 수량을 조정하도록 회전가능하다. 터빈 슈라우드 입구는 하나 이상의 이동가능한 도어 구성요소를 포함하며, 상기 도어 구성요소는 회전자 조립체를 통해 유동하는 제 1 수량을 증감시키도록 작동될 수 있다. 제 1 수량이 회전자 면과 충돌하기 전에 제 1 수량에서 부유하는 찌꺼기 및/또는 물속 찌꺼기를 관성적으로 분리하도록 형성된 디플렉터는 중앙 몸체의 전방에 위치할 수 있다. 중앙 몸체는 상기 중앙 몸체로부터 터빈 슈라우드 말단 쪽으로 그리고 이젝터 슈라우드 내로 뻗어있는 하류 단부를 포함한다. 중앙 몸체는 부유하는 물속 찌꺼기 및/또는 수중 생물이 회전자 블레이드와 충돌하지 않으면서 중앙 몸체를 통과하여 터빈 슈라우드 말단 쪽으로 나아갈 수 있도록 사용된 중앙의 속이 빈 공동을 포함한다. 혼합기 구성요소를 그 꼬리형(trailing) 에지에서 선택적으로 포함할 수 있는 중앙의 속이 빈 공동은, 이젝터 슈라우드의 혼합 성능을 향상시키기 위하여, 고 에너지 바이패스 유동을 이젝터 슈라우드로 통과시킨다. 하류 단부는 하나 이상 중앙 몸체 혼합기 구성요소를 포함한다. 하류 혼합기 구성요소를 구비한 상기 속이 빈 중앙 몸체를 통과하는 유동은 혼합기/이젝터 펌프 작동 성능을 향상시킨다.
터빈 슈라우드 입구는 비-원형 단면을 가지며, 이 단면은 회전 축선을 통과하는 평면의 고속도 측보다 상기 회전 축선을 통과하는 평면의 저속도 측에서 단면적이 더 크다. 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소는 하나 이상의 혼합기 로브와 혼합기 슬롯을 포함한다. 회전자 조립체는 회전자 허브, 외측 회전자 링, 및 상기 허브 사이에 배치된 제 1 복수의 반경방향을 향한 회전자 블레이드를 포함한다. 이젝터 슈라우드 말단 구역은 하나 이상의 혼합기 로브와 혼합기 슬롯을 포함하는 제 2 복수의 이젝터 슈라우드 혼합기 구성요소를 포함한다.
복수의 이젝터 슈라우드 혼합기 구성요소는 회전 축선을 통과하는 평면에 대해 비대칭일 수 있다. 예를 들면, 회전 축선을 통과하는 하나의 평면의 저속도 측에 위치한 하나 이상의 이젝터 슈라우드 혼합기 구성요소는 상기 회전 축선을 통과하는 평면의 저속도 측에 위치한 하나 이상의 이젝터 슈라우드 혼합기 구성요소보다 더 크다. 이와 유사하게, 복수의 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소는 회전 축선을 통과하는 평면에 대해 비대칭이며, 상기 회전 축선을 통과하는 평면의 저속도 측에 위치한 하나 이상의 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소가 상기 회전 축선을 통과하는 평면의 고속도 측에 위치한 하나 이상의 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소보다 더 크다.
이젝터 슈라우드의 적어도 일부가 배치된 제 2 이젝터 슈라우드 내부 볼륨을 구비한 제 2 이젝터 슈라우드가 포함된다. 제 2 이젝터 슈라우드는 제 2 이젝터 슈라우드 입구와 제 2 이젝터 슈라우드 말단 구역을 포함한다. 제 2 이젝터 슈라우드 입구가 회전 축선을 통과하는 평면의 고속도 측보다 상기 회전 축선을 통과하는 평면의 저속도 측에서 단면적이 더 크도록, 상기 제 2 이젝터 슈라우드 입구는 회전 축선을 통과하는 평면에 대해 비대칭이며, 상기 제 2 이젝터 슈라우드 말단은 이젝터 슈라우드 혼합기 구성요소를 넘어 수류 유동 방향으로 뻗어있다.
본 발명은 여러 장점을 제공한다. 예를 들면, 수류 터빈은 풍력 터빈과 개념적으로 유사하지만, 풍력 터빈에 의해 가해진 힘보다 대략 900배 더 큰 힘, 상당한 부력이 유도된 수직방향의 힘과 같은 물 관련 복잡한 문제점을 완화시키므로 상세하게는 상이하며, 선박의 집수부 바닥(basin floor)이나 벽부나 선체, 바지선, 또는 수류 터빈이 고정되는 여러 수상 수송 수단과 같은 고정면의 폐쇄 근접부에 의해 야기된 들어오는 속도장에서의 상당한 수직 방향 변화 때문에 비대칭/불안정 부하에 악영향을 미친다. 터빈을 빠져나오고 터빈 입구 즉 입구를 바이패스하는 수류 유동과 재-혼합하는 저 에너지에 의해 야기된 유속 프로파일 손상 때문에, 침전물 세정(scouring)이 또한 수류 터빈의 이물에서 고물까지 발생한다. 수중 생물 안전성, 물 부식과 부착물 방지 시스템(fouling avoidance system), 및 부유하는 찌꺼기 처리는 또한 수류 터빈의 효율적인 사용에 대한 중요한 문제점(challenges)을 사전에 야기시킬 수 있다. 이러한 문제점은 전형적으로 보다 강성의 재료, 보다 무거운 재료, 및 내수성 재료의 사용을 필요로 하고, 상이한 지지 기구와 내측 구조체, 상이한 공기역학적/유체역학적 형상과 물의 유동력과 수류 터빈 후미의 주의 깊은 조정을 필요로 한다. 이들 모든 인자가 상당히 부가되어 생성된 에너지 유닛마다 고가의 비용을 발생시킨다.
본 발명에 따른 수류 터빈의 여러 특징이 이들 많은 문제점을 유리하게 처리할 수 있다. 예를 들면, 이젝터 슈라우드는 회전자 조립체를 수용하는 터빈 슈라우드를 둘러싸도록 제공된다. 이젝터 슈라우드로 유동하는 제 2 수량은 터빈 슈라우드를 바이패스하고 이에 따라 추출된 에너지를 갖지 않는다. 이러한 제 2 수량은, 제 1 수량이 회전자 조립체를 통과하고 추출된 에너지를 구비한 이후에, 제 1 수량과 능동적으로 혼합된다. 이러한 혼합은, 이젝터 슈라우드의 말단 외측으로 배출되기 이전에, 상기 이젝터 슈라우드 내에서 발생한다.
본 명세서에 기재된 바와 같이, 제 1 원칙에 근거한 수류 터빈의 이론적인 분석에 의하면, 상기 수류 터빈은 동일한 회전자 정면 영역에 대해 현재 이용가능한 개방형 터빈의 파워를 3배 이상 증대시킬 수 있다. 현재 개시된 수류 터빈은 2개 이상의 인자로 수류 및 조류 설비의 생산성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 상세한 설명이 첨부한 도면을 참고하여 아래 상세하게 기재되어 있다. 본 발명의 여러 특징 및 장점이 발명의 상세한 설명과, 도면과, 청구범위로부터 명확하게 파악될 것이다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 수류 터빈 시스템을 개략적으로 도시한 도면이고;
도 2a, 도 2b, 도 2c 및 도 2d는 수류 터빈 시스템의 일 실시예를 다수의 시점으로 개략적으로 도시한 도면이고;
도 3a 및 도 3b는 한 덩어리의 6개의-블레이드 회전자를 구비한 수류 터빈 시스템의 개략적인 전방사시도;
도 4a 및 도 4b는 고정자-회전자 터빈을 구비한 수류 터빈 시스템, 그리고 회전자의 외측 림에 부착된 휠-형 구조체 형태의 동력 취출 장치 및 상기 회전자 내측 링에서 링 발전기에 부착된 동력 취출 장치와 같은 내부 구조를 도시한 부분을 개략적으로 도시한 도면이고;
도 5a, 도 5B, 도 5C 및 도 5d는 수류 터빈 시스템의 선택적인 설치를 개략적으로 도시한 도면이고;
도 6은 혼합기/이젝터 펌프를 구비한 수류 터빈 시스템의 다른 한 실시예를 개략적으로 도시한 도면이고(상기 혼합기/이젝터 펌프는 터빈 슈라우드와 이젝터 슈라우드의 말단 구역의 원주부 주위의 형상 및 크기가 변하는 혼합기 로브를 구비함);
도 7a, 도 7b, 도 7c 및 도 7d는 수류 터빈 시스템의 도어나 고정자 및 중앙 몸체를 통과하는 평면의 내외측으로 회전할 수 있는 수류 유동 정렬 및 이동용 2개의 선택적인 피벗 러더와 윙, 유동 차단/제어 도어, 및 고정자를 구비한 수류 터빈 시스템의 실시예를 개략적으로 각각 도시한 도면이고;
도 8a, 도 8b 및 도 8c는 개방 통로 중앙 몸체를 구비한 수류 터빈 시스템의 다른 한 실시예를 개략적으로 도시한 도면이고(상기 개방 통로 중앙 몸체는 슬롯 혼합기를 갖는 이젝터와 로브 혼합기를 구비함);
도 9a, 도 9b, 도 9c 및 도 9d는 입구 찌꺼기 차단 시스템을 구비한 수류 터빈 시스템의 다른 한 실시예를 개략적으로 도시한 도면이고;
도 10a 및 도 10b는 2개의 스테이지 혼합기/이젝터 시스템을 구비한 수류 터빈 시스템의 수력 터빈 시스템의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 도면이며;
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 방법을 도시한 프로세스 유동 차트이다.
가스 터빈과 이와 관련된 기술이 축방향 유동 수류 터빈에 상업적으로 적용되고 있다. 현재 대부분의 수류 터빈은 수류 에너지를 추출하는 추진식 프로펠러 개념에 기초한 단일의 멀티블레이드 회전자를 사용한다. 이 결과, 수류 터빈 블레이드를 통과하는 상당량의 유동이 상당한 유동 에너지를 축선을 중심으로 한 소용돌이 유동으로 변환한다. 이러한 소용돌이 구성요소는 발전기로 전달되지 않는 에너지를 흡수하고 이에 더하여 유동 회전을 시스템의 웨이크(wake)에서 야기하며, 상기 웨이크는 수류 바닥 세정, 침전물 교반 및 수중 생물의 방향상실(disorientation)을 야기할 수 있다. 이러한 효과는 가스 터빈 고정자/회전자 터빈 공기역학적/유체역학적 유동을 사용하여 완화되고 제거될 수도 있다. 가스 터빈 회전자/고정자 설계 접근법이 수류 터빈에 적용되어 터빈 후미 주변환경에서의 출구-유동 소용돌이의 불리한 효과를 필연적으로 제거할 수 있다.
부가적으로, 도 1a에 도시된 바와 같이, 국부의 축방향 속도 레벨이 충분히 높아서 회전자 날개 상에서의 공기역학적/유체역학적 양력과 토오크를 유도할 때까지, 전통적인 단일의 회전자 시스템이 회전 개시와 이에 따른 에너지 생산이 지연된다. 본 발명에 따라 적합하게 설계된 입구 고정자/회전자 시스템은 상기와 같은 제한이 없으므로 토오크를 회전자에 유도할 수 있고, 0 이상의 모든 국부 속도 레벨에 대한 파워를 생성할 수 있다. 또한, 종래의 슈라우드 수류 터빈은 슈라우드의 외측 주위, 특히 선박의 자유면, 집수부 바닥이나 측벽, 또는 선체에 나타나는 유동의 공기역학적/유체역학적 효율에 대해 설명할 수 없었다. 본 발명의 다른 한 특징은 입구에 접근하는 찌꺼기 및/또는 수중 생물을 조정하는 수류 터빈 입구의 사용이다. 입구의 전방에 위치한, 공기역학적이나 유체역학적인 꼬리형 벌브 형상은 들어오는 물과 임의의 부유하는 찌꺼기 내용물을 외측으로 먼저 편향시킨다. 수류 스트림은 부유하는 보다 큰 찌꺼기 및/또는 수중 생물보다 관성이 더 낮고, 이에 따라 구근 형상의 외곽을 따라 터빈 슈라우드나 이젝터 슈라우드에 들어간다. 수생 동물, 찌꺼기 등과 같은 보다 큰 관성의 부유하는 물체는 수류 라인을 벗어나고 이에 따라 터빈 슈라우드나 이젝터 슈라우드에 들어가지 않게 된다.
수류의 파워와 효율을 증대시키기 위하여, 일반적으로 슈라우드와 회전자를 터빈에 접근하는 수직방향으로 변하는 속도 프로파일과 유사하게 공기역학적/유체역학적으로 설계할 필요가 있다. 속도 프로파일은 일반적으로 최소 레벨과 최대 레벨 사이의 1/10th 제곱-법칙에 따라 결정되지만, 통상적으로, 수류 바닥과 자유면에서 항상 각각 발생하지 않는다. 풍력 터빈이 유사한 수직방향 변화를 겪게 되는 동안에, 상기 풍력 터빈이 지구의 대기 높이와 비교되었을 때, 수직방향 크기가 매우 작기 때문에 수류 터빈 케이스만큼 중요하지 않다. 물은 공기보다 대략 900배 더 고밀도다. 생성된 파워가 유체의 밀도와 국부 속도의 세제곱으로 결정되는 한편, 축방향 힘은 밀도와 속도의 제곱으로 결정되기 때문에, 이러한 레벨의 변화는 공기역학적/유체역학적 설계로 제어되지 않으면, 회전자뿐만 아니라 슈라우드 시스템에서 상당한 비대칭 파워 이송과 구조적 부하를 야기시킨다. 풍력 터빈이 그 중심 회전 축선을 중심으로 전반적으로 대칭인 반면에, 슈라우드 수류 터빈은 비대칭 특징부 사용 기회를 제공하여 들어오는 속도 프로파일 유도된 문제점을 제어하고 해소한다. 특히, 슈라우드의 내측면이 회전자를 둘러싸기 위해 반드시 원형과 유사할 필요가 있을지라도, 이러한 형상 한정은 슈라우드 형상의 나머지부에 내측이나 외측으로 적용되지 않는다. 따라서, 슈라우드의 원주부 주위의 공기역학적/유체역학적 외형 변화는 들어오는 유동이 회전자 면에 도달하는 시간까지 상기 들어오는 유동의 왜곡을 허용가능한 레벨로 감소시키는데 사용된다. 더욱이, 이러한 비대칭 또는 타원형의 공기역학적/유체역학적 외형은 수류 집수부와 벽부의 침전물 교반과 세정을 감소시킴으로써 유출 시스템의 충격을 주변 환경에서 감소시킬 수 있다.
이젝터는 시스템으로의 유동을 끌어당기고 이에 따라 시스템을 통과하는 유동율을 증가시킨다. 이젝터의 다수의 슈라우드의 설계로서 링 날개의 개념을 사용하여, 소정의 파워 출력 레벨에 필요한 회전자 크기는 개방형 회전자에 적용된 크기보다 작거나 그 절반 정도의 크기만큼 감소될 수 있다. 보다 짧은 회전자 블레이드가 비용이 덜 들고 구조적으로 보다 강하다. 더욱이, 수류에 의해 회전자에 가해진 축방향 힘은 절반 이상 감소되는 한편, 잔여 하중은 슈라우드 시스템의 비-회전 구성요소로 이동된다. 고정의, 비-회전 부품에 의해 이동하는 하중은 설계, 제조 및 유지보수를 매우 간단하게 하고 경제적이게 한다.
혼합기/이젝터는 들어오는 유동 왜곡에 대해 상대적으로 덜 민감한 짧고 작은 타입의 이젝터 제트 펌프이고, 음속에 가깝거나 초음속의 유속을 포함하는 고속도의 제트 추진에 과도하게 사용되고 있다. 예를 들어, 본 발명의 발명자 중 한 발명자인 Dr. Walter M. Presz, Jr의 미국특허문헌 제5,761,900호를 살펴보면, 상기 특허문헌은 또한 혼합기 하류를 사용하여 스러스트를 증가시키는 한편, 배출시 소음을 감소시킨다. 본 발명자에 의해 설계된 풍력 터빈을 포함한, 혼합기/이젝터 기술의 모든 종래의 동력 생산 분야에 있어서, 2개의 스트림(이후, 혼합 구성요소라 함) 사이에서 유도하는 멀티플 3차원 표면은 그 크기가 모두 동일하고, 슈라우드의 원주부 주위에서 반복되는 패턴으로 배치된다. 수류 터빈에 접근하는 유동에 형성된 속도 왜곡을 보상하고 부수적인 타원형 슈라우드 입구 내에서 효율적으로 작동하도록, 개량된 혼합 구성요소 설계가 시스템의 각각의 원주방향 섹터에 대한 최대 혼합 및 펌핑에 영향을 미치도록 사용될 수 있다.
풍력 터빈과 같은 수류 터빈은 발전기의 정격 출력 레벨과 맞춰지도록 파워 출력을 반드시 조정할 수 있어야 한다. 종래의 3개의 블레이드의 풍력 터빈은 그 평균 작동 풍속의 10배에 이르는 풍속을 겪게 되고, 발전기 및/또는 구조부가 손상되지 않도록 복잡한 기계적 셧 다운 시스템을 반드시 포함하여야만 한다. 수류 터빈은 극대의 속도 변화를 덜 겪게 되고, 이에 따라 상이하게 설계된 셧 다운 시스템을 전형적으로 통합한다. 고정자/회전자 시스템을 사용하는 다수의-슈라우드 혼합기/이젝터 수류 터빈은 셧 다운 시스템 외에도 표준 제동 시스템에 영향을 미치는 3개의 수단을 제공한다. 고정자는 입구 개구를 반드시 폐쇄하도록 유기적으로 연결될 수 있고, 슈라우드 내측면에 형성된 차폐판(blocker door)은 유동 통로를 차단하도록 유동장으로 회전할 수 있고, 및/또는 입구 찌꺼기 차단 벌브는 유동율을 감소시키기 위해 입구로 이동할 수 있다.
슈라우드 수류 터빈용 고정(Anchoring) 시스템은 풍력 터빈에 사용되는 높은 탑과 매우 상이하고, 밀폐 결합된 시스템의 공기역학적/유체역학적 효율의 저하를 피하도록 일체형으로 반드시 설계되어야만 한다. 도 1에 도시된 바와 같은 기둥이나 플랫폼의 시스템은 에너지의 효율적인 이송을 보장하도록 반드시 감소되어야만 하는 공기역학적/유체역학적 간섭원과 상이한 레벨에 직면할 것이다.
다수의-슈라우드 혼합기/이젝터 수류 터빈에 의해 회전자와 발전기 시스템의 독특한 통합이 가능하다. 예를 들면, 하루에 두번 방향이 바뀌는 조류에 대해 수류 터빈의 방향이 변경될 필요가 없기 때문에, 발전기는 효율 및/또는 보다 용이한 유지보수를 위해 보다 편리하게 배치될 수 있다. 가스 터빈에 종종 사용되는 바와 같이, 회전자 팁 슈라우드를 사용하면, 림 기어/구동 시스템의 사용이 가능하고 발전기를 상기 슈라우드 내에 또는 상기 슈라우드 상에 배치시킬 수 있다. 부가적으로, 중앙 몸체는 수생동물이 통과할 수 있는 개방 도관으로 설계될 수 있다.
도 2 내지 도 10은 수류에 관한 본 발명의 범주 내에 포함된 여러 특징이 도시된 다수의 실시예를 나타낸 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 수력 터빈 시스템은 공기역학적 또는 유체역학적으로 외형이 형성된 터빈 슈라우드(102)를 포함하고, 이 터빈 슈라우드는 그 축선방향 연장부를 따르는 수개의 지점에서 비원형이다. 공기역학적 또는 유체역학적으로 외형이 형성된 중앙 몸체(103)는 터빈 슈라우드 입구(105)를 구비한 터빈 슈라우드(102)로 둘러싸여 부착되고, 상기 입구를 통해 제 1 수량이 인출된다. 중앙 몸체(103)는 회전자 회전 축선을 중심으로 축방향으로 대칭이다. 터빈 스테이지(104)는 중앙 몸체(103)를 둘러싸고, 고정자 베인(108a)의 고정자 링(106)과, 임펠러나 회전자 블레이드(112a)를 구비한 임펠러나 회전자(110)를 포함한다. 회전자(110)는 회전자 블레이드(112a)의 리딩(leading) 에지에 의해 형성된 회전자 면을 포함한다. 회전자(110)가 고정자 베인(108a)의 아래쪽에 위치하여, 회전자 면이 고정자 베인(108a)의 꼬리형 에지와 실질적으로 정렬된다. 고정자 베인(108a)은 중앙 몸체(103) 상에 장착되고, 회전자 블레이드(112a)가 부착되고, 내측 링과 외측 링이나 후프(hoops)와 함께 유지되거나, 또는 허브(112b)와 외측 링(112c)에 의해 선택적으로 유지된다. 내측 링이나 허브는 중앙 몸체(103)를 둘러싸고 상기 중앙 몸체를 중심으로 회전가능하다. 터빈 슈라우드(102)의 말단 구역, 즉 단부를 포함한 혼합기 구성요소의 말단 구역은 터빈 슈라우드(102)와 이젝터 슈라우드(128) 사이의 갭을 충전하고 빨아들여진(ingested) 물을 중앙 몸체(103)의 부근으로 이송하는데 필요한 바와 같이, 회전자 블레이드(112a)를 넘어 아래쪽으로 뻗어있고 형상이나 크기가 변하는 혼합기 로브(120a)의 링을 포함한다. 이는 미국특허문헌 제5,761,900호에 개시된 이젝터 로브와 유사하며, 이 특허문헌에서 혼합기 로브(120a)는 이젝터 슈라우드(128)의 입구(129)로 그리고 그 아래로 뻗어있다. 이젝터(122)는 또한 축방향 부분에 대해 비원형이고 혼합기 로브(120a)의 링을 터빈 슈라우드 상에서 둘러싸는 슈라우드(128)를 포함한다. 이젝터 슈라우드(128)는 도 6에 도시된 바와 같이 말단 구역에서 크기와 형상이 변하는 혼합기 구성요소를 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 중앙 몸체(103)는 고정자 링(106)(또는 다른 수단)을 통해 터빈 슈라우드(102)에 연결되어, 터빈의 블레이드 웨이크가 지지 탑을 가격함에 따라 종래의 수류 및 조류 터빈에 의해 생성된 저-주파수 압력파를 전달시키는, 손상을 가하는 불리한 긴 거리를 제거한다. 터빈 슈라우드(102)와 이젝터 슈라우드(128)의 공기역학적 프로파일은, 상류 왜곡에 의해 야기된 회전자 면에서의 속도의 수직방향 변화를 감소시키는 방식으로, 터빈 회전자를 통과하는 유동을 증가시키기 위하여, 공기역학적으로 바람직하게 위로 휘게된다(camber).
본 발명의 출원인은 계산을 통해, 바람직한 실시예(100)에서 최적의 효율을 위해, 이젝터 슈라우드 말단의 단면적을 터빈 슈라우드 말단의 단면적으로 나눈 것으로 정의된 이젝터 펌프(122)의 면적비가 1.5에서 4.0 사이라는 것을 알았다. 혼합기 로브(120a)의 개수는 6에서 14 사이이다. 각각의 로브는 5도에서 25도 사이의 내외측 꼬리형 에지 각도를 갖는다. 제 1의 로브 출구는 이젝터 슈라우드(128)의 입구 위치나 입구(129)에 위치하거나 그 근방에 위치한다. 로브 채널의 높이 대 폭의 비는 0.5에서 4.5 사이이다. 혼합기 통과 정도는 30%에서 80% 사이이다. 중앙 몸체(103) 플러그 꼬리형 에지 각도는 30도 이하이다. 전체 시스템(100)의 길이 대 직경(L/D)은 0.5에서 1.25 사이이다.
일반적으로, 수류 터빈 에너지 변환 시스템은 고정자 베인(108a)과 임펠러, 즉 회전자 블레이드(112)를 포함하며 공기역학적으로 외형이 형성된 터빈 슈라우드(102)로 둘러싸이는 축방향 유동 수류 터빈(100)을 포함하고 있고, 상기 터빈 슈라우드(100)는 그 말단 구역, 즉 단부에서 혼합 구성요소(120a)를 통합하고 별도의 이젝터 슈라우드(128)가 터빈 슈라우드(102)의 후미에서 겹쳐진다. 이젝터 슈라우드(128)는 또한 예를 들면 혼합기 로브(119)나 혼합기 슬롯과 같은 개량된 혼합 부재를 그 말단 구역에서 통합할 수 있다. 이젝터 슈라우드(128)의 말단(117)에 위치한 로브나 슬롯(119)과 같은 혼합기 특징부의 링(118)이 수류 및 조류 터빈 시스템(100)의 작동 효율에 대한 Betz 한계를 일관되게 초과하는 수단을 제공하는 혼합기/이젝터 펌프와 같은 것에 고려될 수 있다.
도 2a에는 회전자 조립체(110)를 포함한 터빈 스테이지(104)가 도시되어 있고, 상기 회전자 조립체(110)는 중앙 몸체(103) 상에 회전가능하게 장착되고 터빈 슈라우드(102)로 둘러싸이며, 상기 터빈 슈라우드(102)는 이젝터 슈라우드(128)의 입구 평면에 약간 삽입된 꼬리형 에지를 구비한 형성된 혼합기 구성요소(120a)를 구비한다. 터빈 스테이지(104)와 이젝터 슈라우드(128)는 터빈 슈라우드(102)와 구조적으로 연결되고, 이 터빈 슈라우드 자체는 원칙적으로 하중 이송 부재이다.
터빈 슈라우드(102)의 길이는 여러 실시예에서 터빈 슈라우드(102)의 최대 외경과 동일하거나 그 이하이다. 이젝터 슈라우드(128)의 길이는 여러 실시예에서 이젝터 슈라우드의 최대 외경과 동일하거나 그 이하이다. 중앙 몸체(103)의 외측면은 수류 터빈 시스템(100)의 아래쪽 유동 분리 영향을 최소화하기 위해 공기역학적 또는 유체역학적으로 외형이 형성될 수 있다. 중앙 몸체(103)는 터빈 슈라우드(102)의 길이나, 이젝터 슈라우드(128)의 길이나, 또는 이들의 결합된 길이 보다 더 길거나 더 짧을 수 있다.
터빈 슈라우드 입구(105)와 터빈 슈라우드 말단(115)의 단면적은 터빈 스테이지(104)에 의해 점유된 환형부의 단면적과 동일하거나 더 클 수 있지만, 유동 공급원과 그 웨이크의 충격을 보다 잘 제어하기 위해 그 단면 형상이 원형일 필요는 없다. 터빈 슈라우드(102)의 내측면과 중앙 몸체(103) 사이의 환형부에 의해 형성된 내부 유동 경로 단면적은 회전자 조립체(110)의 평면에서 최소의 면적을 갖도록 공기역학적으로 형성되거나, 그렇지 않으면 각각의 입구 평면으로부터 그 출구 평면으로 매끈하게 변하도록 공기역학적으로 형성된다. 터빈 슈라우드(102)와 이젝터 슈라우드(128) 외측면은 유동을 터빈 슈라우드 입구(105)로의 가이드와, 그 표면으로부터 유동 분리의 제거와, 그리고 매끈한 유동을 이젝터 슈라우드 입구(129)로의 이송을 조력하도록 공기역학적으로 또는 유체역학적으로 형성된다. 비원형 형상인 이젝터(128) 입구 영역은 터빈 슈라우드 말단(115)의 단면적보다 더 크고, 상기 슈라우드 말단은 혼합기 특징부(118)를 터빈 슈라우드 말단에서 포함한다. 이젝터 슈라우드 말단(117)에서의 단면적은 또한 비원형 형상일 수 있다.
도 4a와 도 4b에 도시된 바와 같은 일례의 동력 취출 장치(130)가 회전자 조립체(110)의 외측 림이나 내측 림에서 회전자 조립체(110)의 상측이나 하측의 발전기(도시 생략)에 기계적으로 연결된 휠-형 구조체의 형태를 취할 수 있다. 도 4a와 도 5a에 도시된 바와 같은, 부재번호 134의 회전가능한 커플링을 구비한 수직 지지 샤프트(132)는 수류 터빈 시스템(100)을 회전가능하게 지지할 수 있고 유동하는 수류에 가라앉아 있는 수류 터빈 시스템의 자동-정렬을 위하여 수류 터빈 시스템(100)에 의해 압력 중심 위치의 전방에 위치될 수 있다. 자동 이동하는 수직 러더(136, rudder)와 일반적으로 수평의 윙(135)(도 7 참조)이, 상이한 수류 스트림과 조류 스트림으로 정렬 방향을 안정화시키고 수직 이동 동안에 나아가도록, 터빈 및/또는 이젝터 슈라우드(102 및 128)의 상부면과 하부면에 각각 고정된다.
수류 터빈 시스템(100)은 예를 들면 기둥(133), 고정된 기초부(137), 밧줄(138), 또는 바지선이나 부주(浮舟)와 같은 수상 수송 수단(139)과 같은, 예를 들면 도 5a, 도 5b, 도 5c, 및 도 5d에 도시된 바와 같은, 여러 시스템에 의해 구조적으로 지지될 수 있다.
가변 혼합기 구성요소 형상은 도 6에 도시된 바와 같은 바이패스 공기 유동으로부터 최대 에너지를 추출하도록 사용되고 최적화될 수 있다. 혼합기 구성요소(140)는 도 6에 도시된 바와 같이, 회전자 조립체(110) 회전 축선을 통과하는 평면에 대해 비대칭일 수 있다.
도 7에는 러더와 윙(135 및 136), 그리고 부가적인 유동 차단 도어(140a, 140b)의 제어가 도시되었다. 이들 구성요소가 연결장치(도시 생략)를 통해 유동 스트림으로 회전되어, 고 유속이 가능하기 때문에, 발전기나 여러 구성요소에 손상을 입힐 때, 터빈(100)을 통과하는 유동을 감소시키거나 멈출 수 있게 한다. 도 7d에는 수류 터빈 시스템(100)의 다른 한 변형예가 도시되었다. 고정자 베인의 출구 영각(迎角)은 예를 들면 142에 도시된 바와 같이 고정자 베인을 피벗시킴으로써, 원래의 위치에서 기계적으로 변할 수 있으므로, 회전자를 빠져나오는 유동에서의 최소 잔여 소용돌이를 보장하도록 유체 스트림의 속도 변화를 조정할 수 있다.
또 다른 변형예에는 중앙 몸체 혼합기 구성요소(145)를 포함하는, 도 8a와 도 8b에 도시된 바와 같은 개방 통로 중앙 몸체(144); 도 8c에 도시된 바와 같은 슬롯 타입의 혼합기(146); 도 9a, 도 9b, 도 9c 및 도 9d에 도시된 바와 같은 찌꺼기 디플렉터(147)를 포함한 중앙 몸체; 및 도 10a와 도 10b에 도시된 바와 같은 다수의 이젝터 슈라우드(148)가 포함될 수 있다.
도 11에는 본 발명의 일 실시예에 따라 도시된 프로세스가 도시되어 있다. 도 11의 1102에서 제 1 수량은 터빈 슈라우드 내부 볼륨을 구비한 터빈 슈라우드로 포집되고, 회전자 조립체의 적어도 일부가 상기 터빈 슈라우드 내부 볼륨 내에 배치된다. 터빈 슈라우드는 회전자 조립체보다 입구 단부 근방에 배치된 터빈 슈라우드 입구와, 상기 회전자 조립체보다 출구 단부 근처에 배치된 터빈 슈라우드 말단을 포함한다. 터빈 슈라우드 말단은 복수의 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소를 포함한다. 도 11의 1104에서, 제 1 수량이 회전자 조립체를 통해 나아가므로, 저 에너지의 상기 제 1 수량이 터빈 슈라우드 말단을 통해 터빈 슈라우드로부터 배출되기 전에 회전자 조립체가 회전하고 제 1 수량으로부터 에너지를 추출한다. 도 11의 1106에서, 제 2 수량이 이젝터 슈라우드 내부 볼륨을 구비한 이젝터 슈라우드로 포집되고, 터빈 슈라우드의 적어도 일부가 상기 이젝터 슈라우드 내부 볼륨 내에 배치된다. 이젝터 슈라우드는 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소를 넘어 수류 유동 방향으로 뻗어있는 이젝터 슈라우드 말단과 이젝터 슈라우드 입구를 포함한다. 도 11의 1110에서, 제 1 수량과 제 2 수량은 이젝터 슈라우드 말단으로부터 혼합된 수량의 배출 이전에 합쳐지거나 혼합되어 상기 혼합된 수량을 이룬다. 상기 기재한 바와 같은 여러 구조적인 특징이 본 발명에 따른 방법에 사용된 구조에 포함될 수 있다.
상기 실시예에 설명된 사항은 본 발명의 모든 실시예가 아니며, 본 발명과 관련된 수개의 실시예일 뿐이다. 가능하다면, 동일한 부재번호가 도면에서 동일하거나 유사한 부품을 지시하도록 사용되었다. 수개의 변형예가 상기 상세하게 기재되었지만, 여러 변형예가 추가 실시예로 또한 가능하다. 특히, 다른 특징 및/또는 변형예가 본 명세서에 기재된 사항에 부가하여 제공될 수 있다. 예를 들면, 상기 기재한 실시예는 상기 기재한 특징 및/또는 수개의 여러 특징의 조합을 포함한다. 더욱이, 첨부 도면에 도시된 및/또는 본 명세서에 기재된 로직 흐름은 특정 순서나 순차를 필요로 하지 않으므로, 바람직한 결과를 도출해 낼 수 있다. 여러 실시예가 아래 기재된 청구범위의 범주 내에 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims (26)

  1. 들어오는 수류 유동 방향을 향해 있는 입구 단부와 상기 입구 단부에 반대 방향으로 위치한 출구 단부를 구비한 터빈 시스템에 대해 들어오는 수류 유동 방향으로 이동하고, 상기 터빈 시스템의 상기 입구 단부에 대해 일정하지 않은 유속 분포를 갖는 물로부터 에너지를 추출하는 터빈 시스템으로서,
    회전 축선에 대해 축방향으로 대칭이고, 상기 입구 단부 쪽을 향한 상류 회전자 면을 구비하는 회전자 조립체;
    상기 회전자 조립체의 적어도 일부가 배치된 터빈 슈라우드 내부 볼륨을 구비하고, 회전자 면보다 입구 단부 근방에 배치된 터빈 슈라우드 입구와, 상기 회전자 조립체보다 상기 출구 단부 근방에 배치된 터빈 슈라우드 말단을 포함하는 터빈 슈라우드; 및
    상기 터빈 슈라우드의 적어도 일부가 배치되는 이젝터 슈라우드 내부 볼륨을 구비하고, 이젝터 슈라우드 입구와 이젝터 슈라우드 말단을 포함하는 이젝터 슈라우드를 포함하고 있고,
    상기 터빈 슈라우드 말단은 복수의 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소를 포함하고, 상기 터빈 슈라우드 입구는, 저 에너지의 제 1 수량이 상기 터빈 슈라우드 말단을 통해 상기 터빈 슈라우드로부터 배출되기 전에, 상기 제 1 수량에 의해 상기 회전자 조립체가 회전하고 상기 제 1 수량으로부터 에너지가 추출되도록, 들어오는 수류 유동 방향으로 이동하는 상기 제 1 수량을 상기 회전자 조립체로 나아가도록 사용되고,
    상기 이젝터 슈라우드 입구가 회전 축선을 통과하는 평면의 고속도 측보다는 상기 회전 축선을 통과하는 평면의 저속도 측에서 단면적이 더 크도록, 상기 회전 축선을 통과하는 평면에 대해 상기 이젝터 슈라우드 입구가 비대칭이고, 상기 이젝터 슈라우드 말단은 상기 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소를 넘어 수류 유동 방향으로 뻗어있는 것을 특징으로 하는 터빈 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이젝터 슈라우드 입구는 상기 수류 유동 방향으로 이동하는 제 2 수량을 상기 이젝터 슈라우드 내부 볼륨으로 나아가게 하도록 사용되고, 상기 이젝터 슈라우드 내부 볼륨은, 상기 제 1 수량이 상기 이젝터 슈라우드 말단을 통해 빠져나오기 전에, 상기 제 2 수량과 혼합되게 하는 복수의 이젝터 슈라우드 혼합기 구성요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 터빈 슈라우드와 상기 이젝터 슈라우드의 형상은 회전자 면에 나타난 속도 구배를 최소화하고, 상기 제 1 수량을 최대화하고, 상기 이젝터 슈라우드 말단으로부터 배출되기 전에 상기 제 1 수량과 상기 제 2 수량의 혼합을 최대화하고, 상기 속도 구배는 상기 회전자 면을 따라 측정되는 것을 특징으로 하는 터빈 시스템.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    중앙 몸체를 더 포함하고, 이 중앙 몸체에 대해 상기 회전자 조립체가 회전하는 것을 특징으로 하는 터빈 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 터빈 슈라우드는 고정자 조립체를 더 포함하고, 상기 고정자 조립체는 상기 중앙 몸체에 대해 축방향으로 배열된 고정자 베인을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 고정자 베인은 들어오는 수류 유동 방향에 나타난 개방 유동 영역을 증가시키거나 감소시킴으로써 상기 제 1 수량을 조정하도록 회전가능한 것을 특징으로 하는 터빈 시스템.
  7. 청구항 4 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중앙 몸체의 전방에 위치되고, 상기 제 1 수량이 회전자 면과 부딪치기 전에 상기 제 1 수량으로부터 부유 찌꺼기 및/또는 물속 찌꺼기를 관성 분리하도록 형성된 디플렉터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 시스템.
  8. 청구항 4 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중앙 몸체는 상기 중앙 몸체로부터 상기 터빈 슈라우드 말단 쪽으로 돌출한 하류 단부를 포함하고, 상기 하류 단부는 하나 이상 혼합기 구성요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 시스템.
  9. 청구항 4 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중앙 몸체는 중앙의 속이 빈 공동을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    중앙의 속이 빈 공동에 의해 부유하는 물속 찌꺼기 및/또는 수중 생물이 상기 회전자 조립체와 부딪치지 않고도 상기 중앙 몸체를 통해 상기 터빈 슈라우드 말단 쪽으로 통과할 수 있는 것을 특징으로 하는 터빈 시스템.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 이젝터 슈라우드의 혼합 성능을 향상시키기 위하여, 중앙의 속이 빈 공동은 고 에너지 바이패스 유동을 상기 이젝터 슈라우드로 통과시키는 것을 특징으로 하는 터빈 시스템.
  12. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터빈 슈라우드 입구는 회전 축선을 통과하는 평면의 고속도 측에서보다 상기 회전 축선을 통과하는 상기 평면의 저속도 측에서 단면이 더 큰, 원형이 아닌 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 터빈 시스템.
  13. 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소는 하나 이상의 혼합기 로브와 혼합기 슬롯을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 시스템.
  14. 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전자 조립체는 회전자 허브, 외측 회전자 링, 및 상기 허브 사이에 배치된 제 1 복수의 반경방향을 향한 회전자 블레이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 시스템.
  15. 청구항 1 내지 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이젝터 슈라우드 말단 구역은 제 2 복수의 이젝터 슈라우드 혼합기 구성요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 이젝터 슈라우드 혼합기 구성요소는 하나 이상의 혼합기 로브와 혼합기 슬롯을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 시스템.
  17. 청구항 15 또는 16에 있어서,
    복수의 상기 이젝터 슈라우드 혼합기 구성요소는 회전 축선을 통과하는 평면에 대해 대칭적이지 않고, 상기 회전 축선을 통과하는 평면의 저속도 측에서의 하나 이상의 이젝터 슈라우드 혼합기 구성요소는 상기 회전 축선을 통과하는 평면의 고속도 측에서의 하나 이상의 이젝터 슈라우드 혼합기 구성요소보다 더 큰 것을 특징으로 하는 터빈 시스템.
  18. 청구항 1 내지 17 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소는 상기 회전 축선을 통과하는 평면에 대해 대칭적이지 않고, 상기 회전 축선을 통과하는 상기 평면의 저속도 측에서의 하나 이상의 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소가 상기 회전 축선을 통과하는 상기 평면의 고속도 측에서의 하나 이상의 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소보다 더 큰 것을 특징으로 하는 터빈 시스템.
  19. 청구항 1 내지 17 중 어느 한 항에 있어서,
    제 2 이젝터 슈라우드 내부 볼륨을 구비한 제 2 이젝터 슈라우드를 더 포함하고, 상기 이젝터 슈라우드의 적어도 일부가 상기 제 2 이젝터 슈라우드 내부 볼륨 내에 배치되고,
    상기 제 2 이젝터 슈라우드는 제 2 이젝터 슈라우드 입구와 제 2 이젝터 슈라우드 말단 구역을 포함하고, 상기 제 2 이젝터 슈라우드 입구는, 회전 축선을 통과하는 평면의 고속도 측보다는 상기 회전 축선을 통과하는 평면의 저속도 측에서의 단면적이 더 크도록, 상기 회전 축선을 통과하는 상기 평면에 대해 비대칭이고, 상기 제 2 이젝터 슈라우드 말단은 상기 이젝터 슈라우드 혼합기 구성요소를 넘어 수류 유동 방향으로 뻗어있는 것을 특징으로 하는 터빈 시스템.
  20. 청구항 1 내지 19 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이젝터 슈라우드와 상기 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소는, 상기 제 1 수량이 상기 터빈 슈라우드를 통해 상기 회전자 조립체를 가로질러 유동하는 속도를 향상시키는 혼합기/이젝터 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 시스템.
  21. 청구항 1 내지 20 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터빈 슈라우드 입구는 상기 회전자 조립체를 통해 유동하는 상기 제 1 수량을 증가시키거나 감소시키도록 작동가능한 하나 이상의 이동가능한 도어 구성요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 시스템.
  22. 들어오는 수류 유동 방향을 향해 있는 입구 단부와 상기 입구 단부에 반대 방향으로 위치한 출구 단부를 구비한 터빈 시스템에 대해 수류 유동 방향으로 이동하고, 상기 터빈 시스템의 상기 입구 단부에 대해 일정하지 않은 유속 분포를 갖는 물로부터 에너지를 추출하는 방법으로서,
    제 1 수량을 회전자 조립체의 적어도 일부가 내측에 배치된 터빈 슈라우드 내부 볼륨을 갖는 터빈 슈라우드로 포집하는 단계;
    저 에너지의 상기 제 1 수량이 터빈 슈라우드 말단을 통해 상기 터빈 슈라우드로부터 배출되기 전에, 상기 회전자 조립체가 에너지를 상기 제 1 수량에서 추출하도록, 상기 제 1 수량을 상기 회전자 조립체를 통해 나아가게 하는 단계;
    상기 터빈 슈라우드의 적어도 일부가 내측에 배치된 이젝터 슈라우드 내부 볼륨을 갖는 이젝터 슈라우드로 포집하는 단계; 및
    혼합된 수량이 이젝터 슈라우드 말단으로부터 배출되기 전에, 상기 제 1 수량과 제 2 수량을 혼합된 수량으로 혼합하는 단계를 포함하고,
    상기 터빈 슈라우드는 상기 회전자 조립체보다 입구 단부에 보다 가깝게 배치된 터빈 슈라우드 입구와 상기 회전자 조립체보다 출구 단부에 보다 가깝게 배치된 터빈 슈라우드 말단을 포함하고, 상기 터빈 슈라우드 말단은 복수의 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소를 포함하고,
    상기 이젝터 슈라우드는 이젝터 슈라우드 입구와 이젝터 슈라우드 말단을 포함하고, 상기 이젝터 슈라우드 말단은 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소를 넘어 수류 유동 방향으로 뻗어있는 것을 특징으로 하는 터빈 시스템의 상기 입구 단부에 대해 일정하지 않은 유속 분포를 갖는 물로부터 에너지를 추출하는 방법.
  23. 청구항 22에 있어서,
    회전 축선을 통과하는 평면의 저속도 측에서의 적어도 하나의 이젝터 슈라우드 혼합기 구성요소가 상기 회전 축선을 통과하는 평면의 고속도 측에서의 적어도 하나의 이젝터 슈라우드 혼합기 구성요소보다 더 크도록, 상기 이젝터 슈라우드 말단은 상기 회전 축선을 통과하는 평면에 대해 비대칭인 이젝터 슈라우드 혼합기 구성요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 시스템의 상기 입구 단부에 대해 일정하지 않은 유속 분포를 갖는 물로부터 에너지를 추출하는 방법.
  24. 청구항 22 또는 23에 있어서,
    회전 축선을 통과하는 평면의 고속도 측에서보다 상기 회전 축선을 통과하는 평면의 저속도 측에서보다 큰 단면적을 갖도록, 상기 이젝터 슈라우드 입구는 상기 회전 축선을 통과하는 평면에 대해 비대칭인 것을 특징으로 하는 터빈 시스템의 상기 입구 단부에 대해 일정하지 않은 유속 분포를 갖는 물로부터 에너지를 추출하는 방법.
  25. 들어오는 수류 유동 방향을 향해 있는 입구 단부와 상기 입구 단부에 반대 방향으로 위치한 출구 단부를 구비한 터빈 시스템에 대해 들어오는 수류 유동 방향으로 이동하고, 상기 터빈 시스템의 상기 입구 단부에 대해 일정하지 않은 유속 분포를 갖는 물로부터 에너지를 추출하는 터빈 시스템으로서,
    회전 축선을 중심으로 축방향으로 대칭이고, 상기 입구 단부 쪽을 향한 상류 회전자 면을 구비한 회전자 조립체;
    상기 회전자 조립체의 적어도 일부가 내측에 배치된 터빈 슈라우드 내부 볼륨을 구비하고, 상기 회전자 면보다 상기 입구 단부에 보다 가깝게 배치된 터빈 슈라우드 입구와 상기 회전자 조립체보다 상기 출구 단부에 보다 가깝게 배치된 터빈 슈라우드 말단을 포함한 터빈 슈라우드; 및
    상기 터빈 슈라우드의 적어도 일부가 내측에 배치된 이젝터 슈라우드 내부 볼륨을 구비하고, 이젝터 슈라우드 입구와, 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소를 넘어 수류 유동 방향으로 뻗어있는 이젝터 슈라우드 말단을 포함한 이젝터 슈라우드를 포함하고 있고,
    상기 터빈 슈라우드 말단은 복수의 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소를 포함하고, 상기 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소는, 회전 축선을 통과하는 평면의 저속도 측에서의 적어도 하나의 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소가 상기 회전 축선을 통과하는 평면의 고속도 측에서의 적어도 하나의 터빈 슈라우드 혼합기 구성요소보다 더 크도록, 상기 회전 축선을 통과하는 평면에 대해 비대칭이고, 상기 터빈 슈라우드 입구는, 저 에너지의 제 1 수량이 터빈 슈라우드 말단을 통해 터빈 슈라우드로부터 배출되기 전에, 상기 제 1 볼륨에 의해 상기 회전자 조립체가 회전하고 에너지가 상기 제 1 수량으로부터 추출되도록, 들어오는 수류 유동 방향으로 이동하는 상기 제 1 수량을 상기 회전자 조립체로 나아가게 하는 것을 특징으로 하는 터빈 시스템.
  26. 청구항 25에 있어서,
    상기 회전 축선을 통과하는 평면의 저속도 측에서의 적어도 하나의 이젝터 슈라우드 혼합기 구성요소가 상기 회전 축선을 통과하는 상기 평면의 고속도 측에서의 적어도 하나의 이젝터 슈라우드 혼합기 구성요소보다 더 크도록, 상기 이젝터 슈라우드 말단은 상기 회전 축선을 통과하는 평면에 대해 비대칭인 이젝터 슈라우드 혼합기 구성요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 시스템.
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