KR100988237B1 - 유속증가형 구조를 가지는 회전 블레이드 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의하면, 유체와 충돌하는 충돌면을 가지며 상기 유체의 흐름에 의해 회전하는 회전 블레이드는 상기 충돌면으로부터 함몰된 하나 이상의 유로를 가지며, 상기 유로는 상기 회전방향에 대하여 전방에 위치하여 상기 유체가 유입되는 유입구와 상기 회전방향에 대하여 후방에 위치하여 상기 유체가 유출되는 유출구를 가지는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 유입구의 단면적은 상기 유출구의 단면적보다 클 수 있다. 또한, 상기 유입구의 단면적은 상기 유출구를 향하여 점진적으로 감소할 수 있다.

블레이드, 유로, 유입구, 유출구, 에어포일

Description

유속증가형 구조를 가지는 회전 블레이드{ROTATING BLADE HAVING STRUCTURE FOR INCREASING FLUID VELOCITY}

본 발명은 회전 블레이드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유체의 흐름에 따라 회전 또는 리프트하는 회전 블레이드에 관한 것이다.

풍력에너지(wind energy)는 오랜 시간 기계적인 동력(mechanical power)의 원천으로 사용되어 왔다. 바람의 흐름에 따라 발생하는 풍력은 바람이 블레이드의 충돌면과 충돌함에 따라 블레이드에 전달되며, 블레이드가 풍력에 의해 회전하면서 풍력에너지는 기계적인 에너지로 변환된다. 이와 같은 기계적 에너지는 터빈을 통해 전기에너지로 변환될 수 있으며, 에너지 변환이 순차적으로 이루어짐에 따라 변환효율이 문제된다.

블레이드는 높은 에너지 변환효율을 가지는 것이 바람직하다. 즉, 최초 풍력에너지가 블레이드를 통해 기계적 에너지로 변환될 때, 블레이드의 형상(또는 구조)에 따라 동일한 크기의 풍력에너지는 서로 다른 크기의 기계적 에너지로 변환될 수 있다.

한편, 바람이 에어포일의 상부면 및 하부면을 따라 흐르면, 바람의 흐름방향 과 대체로 수직한 양력(lifting force)이 발생하며, 이로 인해 에어포일 상에는 양력이 작용한다. 양력은 에어포일을 지면으로부터 상승시킨다. 즉, 풍력은 양력으로 변환되며, 앞서 설명한 바와 마찬가지로, 높은 에너지 변환효율을 가질 경우, 대부분의 풍력이 양력으로 변환될 수 있다.

본 발명의 목적은 유체의 흐름에 의해 이동하는 회전 블레이드를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 높은 에너지 변환효율을 제공할 수 있는 회전 블레이드를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 보다 명확해질 것이다.

본 발명에 의하면, 유체와 충돌하는 충돌면을 가지며 상기 유체의 흐름에 의해 회전하는 회전 블레이드는 상기 충돌면으로부터 함몰된 하나 이상의 유로를 가지며, 상기 유로는 상기 회전방향에 대하여 전방에 위치하여 상기 유체가 유입되는 유입구와 상기 회전방향에 대하여 후방에 위치하여 상기 유체가 유출되는 유출구를 가지는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 유입구의 단면적은 상기 유출구의 단면적보다 클 수 있다. 또한, 상기 유입구의 단면적은 상기 유출구를 향하여 점진적으로 감소할 수 있다.

상기 유로는 복수개이며, 상기 유로는 상기 회전 블레이드의 끝단으로부터 상기 회전 블레이드의 회전중심을 향하여 대체로 나란하게 배치될 수 있다.

상기 유로는 상기 회전 블레이드의 회전중심을 기준으로 원호 형상일 수 있다.

삭제

본 발명에 의하면 회전 블레이드는 높은 에너지 변환효율을 가진다. 즉, 회전 블레이드는 일정한 운동에너지를 가지는 유체 흐름에 의하여 높은 회전수를 나타내며, 이를 통해 유체 흐름에 의해 발생된 기계적 에너지가 증가했음을 알 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도 1 내지 도 8을 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.

도 1은 프로펠러를 풍동(wind tunnel) 내에 설치한 모습을 나타내는 도면이다. 풍동(10)은 가로 방향으로 배치되며, 풍동(10)의 우측단에는 팬(fan)이 설치되고, 풍동(10)의 좌측단에는 배기구가 형성된다. 팬을 통해 제공된 유체흐름(V1)은 프로펠러(20)를 통과(V)한 후, 배기구를 향한다(V2).

프로펠러(20)는 지지부재(30)에 회전가능하도록 설치된다. 프로펠러(20)는 풍동(10)과 대체로 수직하도록 배치되며, 풍동(10) 내부의 유체흐름(V)에 의해 프로펠러(20)는 회전한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러를 나타내는 도면이며, 도 3 및 도 4는 도 2에 도시한 프로펠러의 블레이드를 나타내는 부분도(sectional view)이다.

프로펠러(20)는 제1 및 제2 회전 블레이드(22,26)를 구비한다. 도 2(a)는 종래의 프로펠러(20)를 나타내며, 도 2(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러(20)를 나타낸다. 종래의 프로펠러(20)와 달리, 제1 및 제2 회전 블레이드(22,26)는 복수의 유로들(24,28)을 각각 가진다. 도 2(b)에 도시한 바와 같이, 유로들(24,28)은 회전 블레이드(22,26)의 길이방향과 대체로 수직하게 배치되며, 서로 나란하게 배치된다. 유로들(24,28)은 회전 블레이드(22,26)의 끝단에서부터 회전 블레이드(22,26)의 회전중심에 이르기까지 서로 이격되어 배치된다.

이때, 도 3에 도시한 바와 같이, 유로(24)는 유입구(24i) 및 유출구(24o)를 가진다. 유입구(24i)는 회전방향에 대해 전방에 위치하며, 유출구(24o)는 회전방향에 대해 후방에 위치한다. 즉, 도 2(b)를 기준으로 설명하면, 프로펠러(20)는 반시계방향으로 회전하며, 유입구(24i)는 유로(24)의 하부에 형성되고, 유출구(24o)는 유로(24)의 상부에 형성된다.

또한, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 유입구(24i)의 너비가 유출구(24o)의 너비보다 넓다. 즉, 유입구(24i)의 단면적이 유출구(24o)의 단면적보다 크다. 또한, 유입구(24i)는 유출구(24o)를 향하여 단면적이 점진적으로 감소한다.

한편, 제2 회전 블레이드(26)에 형성된 유로(28)는 제1 회전 블레이드(22)에 형성된 유로(24)와 180° 회전대칭관계에 있다. 즉, 제1 회전 블레이드(22)를 회전중심을 기준으로 180° 회전시키면 제2 회전블레이드(26)와 동일한 구조를 가진다.

앞서 살펴본 바와 같이, 풍동(10) 내에는 팬으로 인한 유체흐름(V)이 있으며, 유체흐름(V)은 프로펠러(20)와 충돌하면서 프로펠러(20)를 회전시킨다. 이때, 유체흐름(V)은 유입구(24i)를 통해 유로(24)에 유입되어 유로(24)를 따라 흐르며, 유출구(24o)를 통해 유로(24)로부터 이탈한다. 이때, 유입구(24i)의 단면적은 점진적으로 감소하므로, 유출구(24o)에서 측정된 유체흐름(V)의 속도(Vo)는 유입구(24i)에서 측정된 유체흐름(V)의 속도(Vi)에 비해 크다. 즉, 유체흐름(V)은 유입구(24i)에서 유출구(24o)를 향해 이동할수록 가속됨을 알 수 있다.

도 5 및 도 6은 도 2에 도시한 프로펠러를 이용한 실험결과를 나타내는 그래프이다. 먼저, 실험조건에 대해 설명하면, 풍동(10) 내에 설치된 팬의 회전속도는 1800rpm으로 설정되었으며, 테스트가 이루어지는 동안 일정한 회전속도를 유지하였다. 또한, 풍동(10) 내에 설치된 프로펠러(20)와 팬 사이의 이격거리는 대략 400mm로 유지되었다.

먼저, 도 5는 회전 블레이드(22,26)에 형성된 유로들(24,28)의 개수에 따른 프로펠러(20)의 회전수 변화를 나타내는 그래프이다. 도 2(b)에 도시한 바와 같이, 유로들(24,28)은 회전 블레이드(22,26)의 끝단으로부터 회전 블레이드(22,26)의 회전중심에 이르기까지 순서대로 형성되며, 예를 들어, 5개의 유로들(24,28)이 형성될 경우, 1번부터 5번까지의 유로들(24,28)이 형성되고, 6번부터 9번까지의 유로들(24,28)은 형성되지 않는다.

도 5를 살펴보면, 유로들(24,28)이 형성되지 않은 경우(N=0)에 비해 유로들(24,28)이 형성된 경우(N=1,2,...,9)에 회전수가 증가하는 것으로 나타나며, 특히, 유로들(24,28)이 복수개(N=2,3,...,9) 형성된 경우, 회전수가 급격하게 증가하는 것으로 나타나고 있다. 도 5의 ■는 측정된 회전수의 평균값을 의미한다.

즉, 유로들(24,28)이 형성된 경우, 프로펠러(20)의 회전효율이 증가함을 알 수 있다.

도 6은 회전 블레이드(22,26)에 형성된 유로들(24,28)의 개수에 따른 프로펠러(20)의 회전효율 변화를 나타내는 그래프이다. 마찬가지로, 도 2(b)에 도시한 바와 같이, 유로들(24,28)은 회전 블레이드(22,26)의 끝단으로부터 회전 블레이드(22,26)의 회전중심에 이르기까지 순서대로 형성되며, 예를 들어, 5개의 유로들(24,28)이 형성될 경우, 1번부터 5번까지의 유로들(24,28)이 형성되고, 6번부터 9번까지의 유로들(24,28)은 형성되지 않는다.

도 6을 살펴보면, 유로들(24,28)이 형성되지 않은 경우(N=0)에 비해 유로 들(24,28)이 형성된 경우(N=1,2,...,9)에 회전효율이 증가하는 것으로 나타나며, 특히, 유로들(24,28)이 복수개(N=2,3,...,9) 형성된 경우의 회전효율은 하나의 유로들(24,28)이 형성된 경우의 회전효율에 비해 5배-8배까지 나타나고 있다.

상술한 바에 의하면, 프로펠러(20)는 높은 에너지 변환효율을 가질 수 있다. 즉, 일정한 유체흐름(V)에 대하여 회전 블레이드(22,26)는 더 큰 회전속도를 가지므로, 일정한 에너지를 더 큰 기계적 에너지로 변환할 수 있음을 알 수 있으며, 높은 에너지 변환효율을 가짐을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 프로펠러를 나타내는 도면이다. 도 2(b)에 도시한 바와 달리, 유로(24,28)는 프로펠러(20)의 회전중심을 기준으로 호(arc) 형상일 수 있다.

상술한 바에 의하면, 유로들(24,28)로 인하여 회전효율성이 증가하는 것을 알 수 있으며, 특히, 유체가 너비가 넓은 유입구(24i)로부터 너비가 좁은 유출구(24o)를 향하여 흐르면서 유체흐름(V)의 속도가 증가함에 따라, 회전효율성이 증대되는 것을 알 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일(40)을 나타내는 도면이다. 도 8에 도시한 바와 같이, 에어포일(40)은 유체흐름(V)에 대하여 상류 측에 위치하는 전단(42)과 유체흐름(V)에 대하여 하류 측에 위치하는 후단(44)을 가진다. 유체흐 름(V)은 에어포일(40)의 전단(42)을 거쳐 에어포일(40)의 상부면(46) 및 하부면을 따라 흐르며, 에어포일(40)의 후단(44)을 통해 에어포일(40)로부터 벗어난다.

에어포일(40)은 상부면(46)으로부터 함몰된 유로(48)를 가지며, 유로(48)는 유입구(48i) 및 유출구(48o)를 가진다. 유입구(48i)는 에어포일(40)의 전단(42)에 위치하며, 유출구(48o)는 에어포일(40)의 후단(44)에 위치한다.

또한, 도 8에 도시한 바와 같이, 유입구(48i)의 너비가 유출구(48o)의 너비보다 넓다. 즉, 유입구(48i)의 단면적이 유출구(48o)의 단면적보다 크다. 또한, 유입구(48i)는 유출구(48o)를 향하여 단면적이 점진적으로 감소한다.

앞서 살펴본 바와 같이, 에어포일(40)의 상부면(46)을 따라 흐르는 유체흐름(V)은 유입구(48i)를 통해 유로(48)에 유입되어 유로(48)를 따라 흐르며, 유출구(48o)를 통해 유로(48)로부터 이탈한다. 이때, 유입구(48i)의 단면적은 점진적으로 감소하므로, 유출구(48o)에서 측정된 유체흐름(V)의 속도는 유입구(48i)에서 측정된 유체흐름(V)의 속도에 비해 크다. 즉, 유체흐름(V)은 유입구(48i)에서 유출구(48o)를 향해 이동할수록 가속됨을 알 수 있다.

이로 인해, 에어포일(40)의 상부면(46)을 따라 흐르는 유체흐름(V)의 속도와 에어포일(40)의 하부면을 따라 흐르는 유체흐름(V)의 속도 차이는 증가하며, 이로 인해 에어포일(40)의 상부면(46)과 에어포일(40)의 하부면 사이의 압력 차이는 증가한다. 따라서, 에어포일(V)에 작용하는 양력(lift force)(L)은 증가한다.

유로(48)로 인하여 에어포일(40)의 상부면을 따라 흐르는 유체흐름(V)의 속 도는 증가하며, 베르누이 방정식(Bernoulli's equation)에 의하면 속도와 압력은 반비례관계에 있으므로, 에어포일(40)의 상부면(46)과 에어포일(40)의 하부면 사이의 압력 차이는 증가하며, 에어포일(V)에 작용하는 양력(lift force)(L)은 증가한다. 따라서, 유로(48)로 인하여 동일한 유체흐름(V)에 대한 양력의 크기가 증가함을 알 수 있으며, 유로(48)로 인하여 에너지 변환효율이 증가함을 알 수 있다.

본 발명을 바람직한 실시예들을 통하여 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 바람직한 실시예들에 한정되지 않는다. 한편, 본 실시예에서 설명한 유체는 기체 및 액체를 포함한다.

도 1은 프로펠러를 풍동 내에 설치한 모습을 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러를 나타내는 도면이다.

도 3 및 도 4는 도 2에 도시한 프로펠러의 블레이드를 나타내는 부분도(sectional view)이다.

도 5 및 도 6은 도 2에 도시한 프로펠러를 이용한 실험결과를 나타내는 그래프이다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 프로펠러를 나타내는 도면이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어포일을 나타내는 도면이다.

Claims (8)

1. 삭제
2. 유체와 충돌하는 충돌면을 가지며, 상기 유체에 의해 일방향으로 회전하는 회전 블레이드에 있어서,

   상기 충돌면으로부터 함몰된 하나 이상의 유로를 가지며,

   상기 유로는 상기 일방향에 대하여 전방에 위치하여 상기 유체가 유입되는 유입구와 상기 일방향에 대하여 후방에 위치하여 상기 유체가 유출되는 유출구를 가지고, 상기 유입구의 단면적은 상기 유출구의 단면적보다 큰 것을 특징으로 하는 회전 블레이드.
3. 제2항에 있어서,

   상기 유입구의 단면적은 상기 유출구를 향하여 점진적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 회전 블레이드.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 유로는 복수개이며,

   상기 유로는 상기 회전 블레이드의 끝단으로부터 상기 회전 블레이드의 회전중심을 향하여 대체로 나란하게 배치되는 것을 특징으로 하는 회전 블레이드.
5. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 유로는 상기 회전 블레이드의 회전중심을 기준으로 원호 형상인 것을 특징으로 하는 회전 블레이드.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제

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