KR100316394B1 - 가스터빈엔진 - Google Patents

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마사히고 이즈미
켄 오야
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가와모토 노부히코
혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
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Abstract

가스터빈 엔진(E)은 회전축(8)에 고정된 콤프레서휠(9) 및 터빈휠(10)과 회전축(8)의 연장선상에 배치된 단관형 연소기(18)와, 단관형 연소기(18)의 반경방향 바깥쪽을 둘러싸도록 배치된 원환형상의 전열형 열교환기(12)를 구비하고 있다. 상기 콤프레서휠(9), 터빈휠(10), 단관형 연소기(18) 및 전열형 열교환기(12)는 회전축(8)의 축선(L)에 대하여 같은축에 배치되어 있으므로, 압축공기 및 연소가스의 흐름이 축선(L)에 대하여 축대칭이 되고, 또한 케이싱의 내부의 온도분포도 축선 (L)에 대하여 축대칭이 된다. 이에 의하여 가스터빈 엔진(E)의 내부에 있어서의 압축공기 및 연소가스의 흐름을 축대칭화함과 동시에, 열적인 비틀림이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

Description

가스터빈 엔진
이러한 가스터빈 엔진은, 예를들면 일본국 특공소 58-4172호 공보, 일본국 특공소 58-55331호 공보, 일본국 특개소 46-37520호 공보에 의하여 이미 알려져 있다.
그런데, 상기 종래의 가스터빈 엔진은 열교환기가 축둘레에 비대칭형상으로 배치되어 있거나 회전형이거나 하기 때문에, 또는 연소기가 축둘레에 비대칭형상으로 배치되어 있기 때문에 압축공기나 연소가스의 흐름이 원주방향으로 불균일하게 되어 압력손실이 발생하기 쉬운 문제점이 있다. 또 케이싱의 내부에 연소가스에 접
[발명의 개시]
본 발명은 전술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 가스터빈 엔진의 내부에 있어서의 압력손실이나 열적 비틀림의 발생을 최소한으로 억제하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1의 특징에 의하면, 단관형(第權型) 연소기와, 단관형 연소기에 압축공기를 공급하는 콤프레서휠과, 단관형 연소기에서 발생한 연소가스에 의하여 구동되어 콤프레서휠을 구동하는 터빈휠과, 터빈휠로부터 배출되는 연소가스와 단관형 연소기에 공급되는 압축공기와의 사이에서 열교환을 하는 원환상의 전열형 열교환기를 구비한 가스터빈 엔진에 있어서 콤프레서휠, 터빈휠, 단관형 연소기 및 전열형 열교환기를 동축에 배치함과 동시에, 단관형 연소기의 반경방향 바깥쪽이고 콤프레서휠 및 터빈휠로부터 축방향으로 치우친 위치에 전열형 열교환기를 배치하고, 또한 콤프레서휠 및 터빈휠의 반경방향 바깥쪽에 콤프레서휠로부터 전열형 열교환기에 압축공기를 유도하는 압축공기통로와, 터빈휠로부터 전열형 열교환기에 연소가스를 유도하는 연소가스통로를 배치한 가스터빈 엔진이 제안된다.
상기 구성에 의하면 콤프레서휠, 터빈휠, 단관형 연소기 및 전열형 열교환기를 같은축에 배치하였으므로, 엔진내부의 압축공기나 연소가스의 흐름을 축대칭화하여 압력손실을 감소시켜, 출력의 증가 및 연비의 저감을 달성할 수 있다. 또, 엔진내부의 온도분포를 축대칭으로 하여 열적인 비틀림의 발생을 최소한으로 억제하고, 콤프레서휠이나 터빈휠의 원활한 회전을 확보함과 동시에, 불균일한 열팽창에 의한 부품의 손상을 회피할 수 있으며, 또한 케이싱이나 덕트를 축대칭화하여 얇은재료로 제작할 수 있게 되어 경량화가 달성될 수 있을 뿐만 아니라, 히이트 매스의 감소에 의하여 냉간시동시의 열손실을 감소시켜 더욱 연비의 저감이 가능하게 된다. 또 단관형 연소기의 반경방향 바깥쪽이고 콤프레서휠 및 터빈휠로부터 축방향으로 치우친 위치에 전열형 열교환기를 배치하고, 또한 콤프레서휠 및 터빈휠의 반경방향 바깥쪽에 콤프레서휠로부터 전열형 열교환기에 압축공기를 유도하는 압축공기통로와, 터빈휠로부터 전열형 열교환기에 연소가스를 유도하는 연소가스통로를 배치하였으므로, 전열형 열교환기와, 거기에 압축공기 및 연소가스를 유도하는 압축공기통로 및 연소가스통로를 축방향으로 합리적으로 레이아웃하여, 엔진의 반경방향치수를 콤팩트화 할 수 있다.
또 발명의 제2의 특징에 의하면, 상기 제1의 특징에 더하여, 연소가스통로에 산화촉매를 개장한 가스터빈 엔진이 제안된다.
상기 구성에 의하면, 산화촉매의 장착에 의한 엔진의 반경방향치수의 증가를 최소한으로 억제하면서 연소가스를 정화시킬 수 있다.
또 발명의 제3의 특징에 의하면, 상기 제1의 특징에 더하여 전열형 열교환기의 내부를 압축공기 및 연소가스가 서로 반대방향으로 흐르는 가스터빈 엔진이 제안된다.
상기 구성에 의하면, 전열형 교환기의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
또 발명의 제4의 특징에 의하면, 상기 제1의 특징에 더하여 단관형 연소기는 상류로부터 하류쪽을 향하여 예비혼합부와 촉매연소부 및 기상(氣相)연소부를 순차구비한 가스터빈 엔진이 제안된다.
상기 구성에 의하면, 예비혼합부에서 연료와 압축공기를 균일하게 혼합한 혼합기를 촉매에 의하여 저온연소시켜, 연소가스 중의 유해성분을 감소시킬 수 있다.
또 발명의 제5의 특징에 의하면, 상기 제1의 특징에 더하여 단관형 연소기는상류로부터 하류쪽을 향하여 예비혼합부와 보염기부(保炎認部) 및 기상연소부를 순차 구비한 가스터빈 엔진이 제안된다.
상기 구성에 의하면, 예비혼합부에서 연료와 압축공기를 균일하게 혼합하여, 연소가스중의 유해성분을 감소시킬 수 있다.
또 발명의 제6의 특징에 의하면, 상기 제1의 특징에 더하여 전열형 열환기와 단관형 연소기를 접속하는 압축공기통로에 예열수단을 개장한 가스터빈 엔진이 제안된다.
상기 구성에 의하면, 시동시에 압축공기를 예열하여 시동성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 터빈휠에 의하여 구동되는 콤프레서휠로 압축되어 열교환기로 가열된 공기를 연료와 혼합하여 연소기로 연소시켜, 발생한 연소가스를 상기 터빈휠의 구동과 상기 열교환기에 있어서의 열교환에 제공하는 가스터빈 엔진에 관한 것이다.
도 1∼도 7은 본 발명의 제1실시예를 도시한 것인데, 도 1은 가스터빈 엔진의 종단면도, 도 2는 도 1의 2-2선 확대단면도, 도 3은 도 4∼도 6의 표시부분을 도시한 매프, 도 4는 도 3의 A부확대도, 도 5는 도 3의 B부확대도, 도 6은 도 3의 C부확대도, 도 7은 도 5의 요부확대도이다. 도 8 및 도 9는 본 발명의 제2실시예를 도시한 것인데, 도 8은 가스터빈 엔진의 종단면도, 도 9는 상기 도 6에 대응하는 도면이다.
[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]
먼저, 도 1 및 도 2에 의거하여 제1실시예의 가스터빈 엔진(I)의 구조의 개략을 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 가스터빈 엔진(E)은 대략 원통형으로 형성된 엔진케이싱(1)을 구비하고 있다. 엔진케이싱(1)의 외주에는 제1압축공기통로(4)가 형성되어 있고, 이 제1압축공기통로(4)의 상류쪽에는 도시하지 않은 에어클러너 및 사일렌서에 이어지는 흡기통로(5)가 접속된다.
흡기통로(5)의 중앙을 관통하여 한쌍의 베어링(6, 7)으로 지지된 회전축(8)에는 원심식의 콤프레서휠(9)과 원심력식의 터빈휠(10)이 인접하여 같은축에 고정된다. 후방쪽의 베어링(7)을 콤프레서휠(9)과 터빈휠(10)과의 사이에 배치하였으므로, 이 베어링(7)을 콤프레서휠(9)의 앞쪽에 배치하는 경우에 비하여, 그 베어링(7)으로 부터의 터빈휠(10)의 후방팽출량을 감소시켜 진동을 경감시킬 수 있다. 콤프레서휠(9)의 외주에 방사상으로 형성된 복수의 콤프레서 블레이드(91…)는 상기 흡기통로(5)에 임하고 있으며, 이들 콤프레서 블레이드(91…)의 바로 하류에 위치하는 제1압축공기통로(4)에 복수의 콤프레서 디퓨저(111…)가 설치된다. 회전축(8)의 전단에는 터빈휠(10)에 의하여 구동되는 발전기(2)가 설치된다.
엔진케이싱(1)의 후단에는 원환형상의 전열형 열교환기(12)가 배치된다. 전열형 열교환기(12)는 후단외주 가까이의 위치에 압축공기입구(13)를 구비함과 동시에, 전단내주 가까이의 위치에 압축공기출구(14)를 구비하고, 전단 외주가까이의 위치에 연소가스입구(15)를 구비함과 동시에, 후단내주 가까이의 위치에 연소가스출구(16)를 구비하고 있다.
도 2에서 명백한 바와 같이, 전열형 열교환기(12)는 직경이 큰 원통형상의 아우터하우징(28)과 작은 직경의 원통형상의 인너하우징(29)을 금속판을 꼬불꼬불하게 굽혀서 된 전열판(30)으로 결합한 것인데, 그 전열판(30)을 끼워 압축공기유로(31…)와 연소가스유로(32…)가 교대로 형성된다.
도 1에 도시한 바와 같이, 신선으로 표시한 비교적 저온의 압축공기와, 파선으로 표시한 비교적 고온의 연소가스를 서로 반대방향으로 흐르게 함으로써, 그 유로의 전길이에 걸쳐 압축공기 및 연소가스 사이의 온도차를 크게 유지하여, 열교환효율을 향상시킬 수 있다.
전열형 열교환기(12)의 반경방향 안쪽에는 원환형상의 프리히이터(17)가 같은축에 배치되고, 또한 그 반경방향 안쪽에는 촉매식의 단관형 연소기(18)가 같은 축에 배치된다, 단관형 연소기(18)는 상류쪽에서 하류쪽으로 향하여 예비혼합부(33)와 촉매연소부(19)와 기상연소부(20)를 차례로 구비하고 있다. 전열형 열교환기(12)의 압축공기출구(14)와 프리히이터(17)는 제2압축공기통로(21)에서 접속되고, 프리히이터(17)와 예비혼합부(33)는 제3압축공기통로(22)에서 접속된다. 제3압축공기통로(22)에는 연료분사노즐(23)이 설치된다. 연료분사노즐(23)로부터 분사된 연료는 예비혼합부(33)에 있어서 압축공기와 균일하게 혼합하여 유해배출물이 적은 연소가 행하여진다.
이와같이, 단관형 연소기(18)를 채용함으로써, 애뉼러(annular)형 연소기에서는 곤란한 촉매연소가 가능하게 될 뿐만 아니라, 연료분사노즐(23)등의 개수를 삭감하여 구조의 간략화를 꾀할 수 있다.
기상연소부(20)와 전열형 열교환기(12)의 연소가스입구(15)를 접속하는 연소가스통로(24)의 상류부분에는 터빈휠(10)의 외주에 방사상으로 형성된 복수의 터빈블레이드(101…)가 임함과 동시에, 그 더 상류에는 기상연소부(20)로 부터의 연소가스를 유도하는 차열판(25) 및 터빈노즐(261…)이 설치된다. 또, 연소가스통로(24)의 하류부분에는 연소가스중의 유해성분을 제거하기 위한 원환형상의 산화촉매(27)가 배치된다.
다음에, 도 3∼도 7을 함께 참조하면서 가스터빈 엔진(E)의 구조를 더 자세히 설명한다.
엔진케이싱(1)은, 가스터빈 엔진(E)의 앞쪽에서 뒤쪽으로 향하여 차례로 결합된 프론트커버(41), 프론트베어링케이싱(42), 발전기하우징(43), 프론트케이싱(44), 아우터케이싱(45), 리어케이싱(46) 및 리어커버(47)로 구성된다. 프론트커버(41)와 프론트베어링케이싱(42)은 볼트(48…)로 결합되고, 프론트베어링케이싱(42)과 발전기하우징(43)은 볼트(49…)로 결합되며, 발전기하우징(43)과 프론트케이싱(44)은 볼트(50…)로 결합된다.
프론트케이싱(44)와 아우터케이싱(45)은 각각의 단면에 형성한 플랜지(441, 451)를 탄성시일(51)을 통하여 맞닿게한 상태로 볼트(52…)에 의하여 결합된다. 또 아우터케이싱(45)과 리어케이싱(46)은 각각의 단면에 형성한 플랜지(452, 462)사이에 전열형 열교환기(12)의 외주에 고정시킨 환상의 부착브래킷(53)을 끼워지지한 상태로 볼트(54…)에 의하여 결합된다. 이때, 아우터케이싱(45)의 플랜지(452) 및 전열형 열교환기(12)의 부착브래킷(53) 사이에 탄성시일(55)이 개장된다.
리어케이싱(46)의 후단면과 리어커버(47)의 전단면에 형성한 플랜지(471)가 서로 맞닿아서 볼트(56…)에 의하여 결합된다. 이 때, 고압공기의 배기덕트로의 새나감을 방지하기 위하여 전열형 열교환기(12)에 부착하는 부재(57)의 플랜지(571)가 상기 볼트(56…)에 의하여 함께 죄어짐과 동시에, 프리히이터(17)에 일체로 형성한 플랜지(171)가 리어커버(47)의 플랜지(471)에 볼트(58…)로 결합된다. 고압공기의 배기덕트로의 새나감을 방지하기 위하여 전열형 열교환기(12)에 부착하는 부재(57)는 뱀의 배모양의 주름(572…)이 있고, 이들 주름(572…)의 변형에 의하여 전열형 열교환기(12)의 축방향의 열팽창이 허용된다.
리어커버(47)의 후단면에 형성된 플랜지(472)에 단관형 연소기(18)의 원통형상의 믹싱덕트(59)의 후단이 볼트(60…)로 결합됨과 동시에, 연료분사노즐(23)이 볼트(61…)로 결합된다.
도 4에서 명백한 바와 같이, 발전기하우징(43)의 후부에 일체로 형성한 상기 흡기통로(5)는 발전기하우징(43)에 볼트(62…)로 결합한 콤프레서 슈라우드(63)의 내부와, 프론트케이싱(44)의 내면에 볼트(64…)로 결합한 콤프레서 디퓨저하우징(11)의 내부를 거쳐, 프론트케이싱(44)의 외주에 형성한 상기 제1압축공기통로(4)에 연통한다. 도 5 및 도 6에서 명백한 바와 같이, 프론트케이싱(44)의 제1압축공기통로(4)는 아우터케이싱(45) 및 리어케이싱(46)의 외주에 형성한 제1압축공기통로(4)를 거쳐 전열형 열교환기(12)의 압축공기입구(13)에 연통한다. 아우터케이싱(45)의 제1압축공기통로(4)의 내주에는 내 좌굴강도를 높이기 위한 환상의보강부재(65, 65)가 장착된다. 또 리어케이싱(46)에는 배기덕트(66)가 설치된다.
도 5에서 명백한 바와 같이, 전열형 열교환기(12)의 압축공기출구(14)에 이어지는 제2압축공기통로(21)는 앞뒤로 분기되어 있고, 대부분의 압축공기를 뒤쪽으로 분기하여 프리히이터(17)에 공급되며, 일부의 압축공기는 앞쪽으로 분기하여 단관형 연소기(18)의 기상연소부(20)의 외벽을 구성하는 연소기덕트(67)에 형성한 관통구멍(671…)을 거쳐, 희석공기로서 기상연소부(20)에 공급된다.
도 7에서 명백한 바와 같이, 프론트케이싱(44)의 내면에 콤프레서 디퓨저하우징(11)을 결합하는 볼트(64…)에 의하여 리어베어링하우징(68)의 외주가 함께 죄어진다. 리어베어링하우징(68)의 후단에는 터빈슈라우드(69)가 맞닿아, 볼트(70)로 리어베어링하우징(68)에 체결한 고정부재(71)로 고정된다. 상기 터빈노즐(261…)을 일체로 구비한 터빈백 슈라우드(26)로부터 앞쪽으로 뻗은 부착다리부(262)가 상기 터빈슈라우드(26)의 뒷면에 클립(72)으로 결합된다.
터빈휠(10)의 후방을 덮는 차열판(25)은 터빈백 슈라우드(26)의 뒷면에 고정된 접시형상의 제1차열판(73)과, 제1차열판(73)을 덮도록 터빈백 슈라우드(26)의 뒷면에 고정된 접시형상의 제2차열판(74)과, 제2차열판(74)의 뒷면에 소정의 틈새를 사이에 두고 배치되고, 그 원주상의 복수개소에서 제2차열판(74)에 고정(751…)된 제3차열판(75)으로 구성된다. 전열형 열교환기(12)의 압축공기출구(14)로부터 앞쪽으로 분기한 제2압축공기통로(21)는 터빈백 슈라우드(26)에 형성한 터빈노즐(261…)의 내부를 관통하는 관통구멍(263…)을 통하여 제1차열판(73) 및제2차열판(74)사이에 형성된 제1냉각공간(76)에 연통한다. 이 제1냉각공간(76)은 제1차열판(73)에 형성한 관통구멍(731)을 통하여 그 제1차열판(73)과 터빈휠(10)과의 사이에 형성된 제2냉각공간(77)에 연통함과 동시에, 제2차열판(74)에 형성한 관통구멍(741)을 통하여 그 제2차열판(74)과 제3차열판(75)과의 사이에 형성된 제3냉각공간(78)에 연통한다.
가스터빈 엔진(E)의 운전중, 기상연소부(20)에 대향하는 차열판(25)은 고온을 받게되나, 전열형 열교환기(12)를 통과한 비교적 저온의 압축공기가 제2압축공기통로(21)를 앞쪽으로 분기하여, 도 7에서 터빈백 슈라우드(26)의 관통구멍(263…)으로부터 제1냉각공간(76)에 유입하여, 거기서부터 제2차열판(74)의 관통구멍(741), 제3냉각공간(78) 및 개구부(752…)를 거쳐 기상연소부(20)에 유입함과 동시에, 제1 냉각공간(76)으로부터 제1차열판(73)의 관통구멍(731) 및 제2냉각공간(77)을 거쳐 터빈휠(10)에 유입한다, 이렇게하여, 비교적 저온의 압축공기와의 접촉에 의하여 제1∼제3차열판(73, 74, 75)을 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
도 7에서 명백한 바와 같이, 터빈백 슈라우드(26)와 연소기덕트(67)는 시일부(79)에서 미끄럼 움직임이 자유롭게 맞닿아 있고, 시일부(79)에서의 양자의 미끄럼 움직임에 의하여 축방향의 열팽창이 흡수된다. 또, 터빈슈라우드(69)의 외주에 장착된 2개의 시일링(80, 80)이 제2압축공기통로(21)를 구획형성하는 제2압축공기 통로덕트(81)의 전단에 미끄럼 움직임이 자유롭게 맞닿아 있고, 시일링(80, 80)에의하여 압축공기의 새나감을 방지하면서 양자의 축방향의 열팽창을 흡수할 수 있다. 상기 각 시일링(80)은 1개의 합구를 가지며 직경이 확대되는 방향으로 팽창된 것인데, 휘발유 엔진의 퍼스톤링과 유사한 구조를 구비하고 있다.
도 6에서 명백한 바와 같이, 프리히이터(17)를 통과한 압축공기를 단관형 연소기(18)의 예비혼합부(33)로 유도할 때에, 그 압축공기에 소용돌이를 발생시켜 연료와의 혼합을 촉진시키기 위한 믹서(591…)가 믹싱덕트(59)의 입구에 형성된다. 단관형 연소기(18)의 촉매연소부(19)의 출구에는 혼합기에 소용돌이를 발생시키는 보염기구(34)와, 시동용의 착화히이터(82)가 설치된다. 착화히이터(82)에의 급전은 리어커버(47)쪽에서 믹서(591…) 및 믹싱덕트(59)의 내부로 뻗은 케이블(83)을 통하여 행하여진다. 또 프리히이터(17)에의 급전은 리어커버(47)쪽에서 부착부재(57)의 내면을 따라 뻗은 케이블(84)를 통하여 행하여진다. 상기 케이블(83, 84)은 절연피팅(85, 86)을 통하여 리어커버(47)의 외부에 접속된다.
도 7에서 명백한 바와 같이, 리어베어링하우징(68)의 내주에 베어링호울더(87)의 외주와 후부윤활실커버(88)의 외주가 끼워맞추어져 지지된다. 회전축(8)의 후단은 터빈휠(10)의 전단의 결합부(102)의 같은축에 나사결합됨과 동시에, 또한 그 외주에 콤프레서휠(9)의 후단의 결합부(92)가 같은축에 나사결합되어 있고, 이에 의하여 회전축(8)에 터빈휠(10) 및 콤프레서휠(9)이 결합된다. 베어링(7)의 인너레이스의 전단은 콤프레서휠(9)의 결합부(92)의 단부에 맞닿고, 후단은 칼라(89)를 통하여 터빈휠(10)의 결합부(102)의 단부에 맞닿아 지지된다. 한편, 베어링(7)의 아우터레이스의 전단은 칼라(90) 및 클립(91)을 통하여 베어링호울더(87)에 지지되고, 후단은 베어링호울더(87)의 단부에 지지된다. 이 베어링(7)은 진동을 감쇠시킬 목적으로 약간의 틈새를 가지게하여 플로우팅 지지된다. 리어베어링하우징(68)의 앞면이 볼트(92)로 고정된 앞부분 윤활실커버(93)와 상기 후부윤활실커버(88)에 의하여 윤활유실(35)이 구획 형성된다.
그리하여, 리어베어링하우징(68) 및 베어링호울더(87)의 내부에 형성된 유로 (681, 871)로부터 공급된 윤활유는 유로(872)를 통하여 베어링(7)의 아우터레이스를 반경방향 안쪽으로 가압함으로써, 플로우팅 지지된 상기 베어링(7)에 진동감쇠 기능을 갖게한다. 또 유로(871)로부터 분기하는 유료(873)는 상기 칼라(90)에 형성한 제트(901)에 연통함과 동시에, 유로(871)에는 제트(874)가 형성된다. 상기 제트(901, 874)는 베어링(7)을 지향하고 있으며, 거기에서 분출하는 윤활유에 의하여 베어링(7)이 윤활된다.
도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 발전기하우징(43)의 내부에 수납된 발전기 (2)는 철심(94)에 코일(95)을 감은 스테이터(97)와, 자석호울더(98)의 내부에 복수의 영구자석(99…)을 매립한 회전자(100)를 구비하고 있다. 콤프레서휠(9) 및 회전자(100)의 내부를 앞쪽으로 뻗은 회전축(8)은 텐션볼트로 구성되어 있고, 그 전단에 너트(101)를 나사 부착함으로써 회전축(8)과 회전자(100)가 결합된다. 즉, 너트(101)의 체결력은 베어링(6)의 인너레이스, 칼라(102) 및 회전자(100)의 자석호울더(98)를 뒤쪽으로 밀어, 이 자석호울더(98)의 후단을 콤프레서휠(9)의 전단에 압접하여 고정시킨다. 회전축(8)의 중간에 형성한 팽대부(81)를 자석호울더(98)의 내면에 맞닿게 함으로써, 회전축(8)이 흔들리지 않도록 고정시킨다.
회전축(8)의 전단을 지지하는 베어링(6)은 프론트커버(41) 및 베어링케이싱(42)에 의하여 구획형성된 윤활유실(104)내에 배치되어 있고, 베어링케이싱(42) 및 베어링호울더(105)에 형성된 유로(421, 1051)를 통하여 윤활된다.
그리하여, 흡기통로(5)로부터 흡입되어 콤프레서휠(9)에 의하여 압축된 공기는 제1압축공기통로(4)를 거쳐 전열형 열교환기(12)에 보내져, 거기서 고온의 연소가스와의 사이에서 열교환함으로써 가열된다. 전열형 열교환기(12)를 통과한 압축공기는 제2압축공기통로(21) 및 제3압축공기통로(22)를 거쳐 예비혼합부(33)에 달하고, 거기서 연료분사노즐(23)로부터 분사된 연료와 혼합된다. 그리고, 가스터빈엔진(E)의 시동시에는 연소가스가 흐르지 않기 때문에 전열형 열교환기(12)가 충분히 기능하지 않는다. 따라서, 시동시에는 제2, 제3압축공기통로(21, 22)사이에 설치된 프리히이터(17)에 통전하여 압축공기를 전기적으로 가열하여, 그 온도를 촉매활성화온도 이상으로 상승시킬 필요가 있다.
단관형 연소기(18)에 유입한 혼합기의 일부는 촉매연소부(19)에 합치한 촉매에 접촉하여 촉매반응에 의하여 연소하고, 그 연소가스의 열에 의하며 혼합기의 나머지 부분이 기상연소부(20)에서 기상연소된다. 연소가스는 연소가스통로(24)에 유입하여 터빈휠(10)을 구동하고, 또한 산화촉매(27)를 통과하여 유해성분이 제거된상태로 상기 전열형 열교환기(12)에 공급된다. 이와같이 하여 터빈휠(10)이 회전하면, 그 회전토오크는 회전축(8)을 통하여 콤플레서휠(9) 및 발전기(2)에 전달된다.
그런데, 도 1에서 명백한 바와 같이, 회전축(8)의 중심을 지나는 축선(L)에 대하여 콤프레서휠(9), 터빈휠(10), 전열형 열교환기(12), 단관형 연소기(18)를 포함한 각 부재가 축대칭으로 배치되어 있다. 그 결과, 가스터빈 엔진(E) 내부의 압축공기나 연소가스의 흐름이 축대칭으로 되어 원주방향으로 균일화되기 때문에, 압력손실이 감소되어 출력의 증가 및 연비의 저감이 가능하게 된다. 또, 가스터빈 엔진(E)내부의 온도분포도 축대칭으로 되어 각 부재의 열적인 비틀림이 최소한으로 억제되어 콤프레서휠(9)이나 터빈휠(10)의 원활한 회전이 확보됨과 동시에, 열응력에 의한 세라믹제 부품의 손상등이 효과적으로 방지된다. 또한, 케이싱이나 덕트도 축대칭화할 수 있으므로, 그들을 판금등의 얇은재료로 제작할 수 있게 되어 경량화가 달성될 뿐만 아니라, 히이트 매스의 감소에 의하여 냉간시동시의 열손실을 감소시켜 더욱 연비의 저감이 가능하게 된다.
또, 촉매연소부(19)의 입구에 있어서의 공연비의 균일화나 유속의 균일화는 연소가스중의 유해성분의 저감에 대하여 중요하나, 상기 축대칭 배치에 의하여 예비혼합부(33)에 유입하는 혼합기의 흐름을 축대칭화하여 상기 목표를 짧은 예비혼합부(33)길이로 달성할 수 있다.
또한, 전열형 열교환기(12)의 압축공기입구(13) 및 연소가스입구(15)에 있어서의 유속의 균일화는 열교환 효율의 향상이나 압력손실의 저감을 꾀하는데 있어서 중요하나, 상기 축대칭배치에 의하여 전열형 열교환기(12)에 유입하는 압축공기나연소가스의 흐름을 축대칭화하여 상기 목표를 달성할 수 있다.
또, 가스터빈 엔진(E)의 중심부에 고온의 단관형 연소기(18)를 배치하고, 그 바깥쪽에 중온의 전열형 열교환기(12), 제2압축공기통로(21), 제3압축공기통로(22), 터빈휠(10) 및 연소가스통로(24)를 배치하고, 또한 그 바깥쪽에 저온의 콤프레서휠(9) 및 제1압축공기통로(4)를 배치하였으므로, 세라믹등의 단열부재를 사용하지 않고도 외부방열을 감소시켜 연비의 저감을 꾀할 수 있다.
또, 축선(L)에 따라 앞쪽에서 후방으로 콤프레서휠(9), 터빈휠(10) 및 단관형 연소기(18)가 차례로 배치되어 있고, 그 단관형 연소기(18)의 반경방향 바깥쪽을 덮도록 링형상의 전열형 열교환기(12)가 배치되어 있다. 따라서, 콤프레서휠(9)및 터빈휠(10)의 반경방향 바깥쪽에는 공간이 형성되어, 이 공간을 이용하여 제1압축공기통로(4), 연소가스통로(24) 및 산화촉매(27)를 배치할 수 있다. 그리하여 전열형 열교환기(12)의 반경방향 안쪽에 상기 제1압축공기통로(4), 연소가스통로(24) 및 산화촉매(27)를 배치하는 경우에 비하여, 가스터빈 엔진(E)의 반경방향 치수를 콤팩트화 할 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 제2실시예를 도시한 것인데, 이 제2실시예는 프리히이터(17)를 구비하고 있지 않는점과, 단관형 연소기(18)의 구조에 있어서 제1실시예와 다르며, 기타의 구성은 제1실시예와 동일하다.
제2실시예의 단관형 연소기(18)는 예비혼합부(33)와, 혼합기에 소용돌이 흐름을 발생시키는 보염기부(34)와 기상연소부(20)로 구성되어 있고, 제1실시예의 촉매연소부(19)를 폐지한 것에 상당한다. 이 제2실시예에 의하면, 혼합기의 화염이보염기부(34)에서 유지됨으로써 가스터빈 엔진(E)의 운전이 계속된다.
그리하여, 이 제2실시예에 의해서도 회전축(8)의 중심을 지나는 축선(L)에 대하여 콤프레서휠(9), 터빈휠(10), 전열형 열교환기(12), 단관형 연소기(18)를 포함한 각 부재가 축대칭으로 배치되어 있기 때문에, 압축공기의 흐름, 연소가스의 흐름, 또는 온도분포를 축대칭화하여 제1실시예와 똑같은 작용효과를 나타낼 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예를 상세히 설명하였는데, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 설계변경을 하는 것이 가능하다.

Claims (6)

  1. 단관형 연소기와, 단관형 연소기에 압축공기를 공급하는 콤프레서휠과, 단관형 연소기에서 발생한 연소가스에 의하여 구동되어 콤프레서휠을 구동하는 터빈휠과, 터빈휠로부터 배출되는 연소가스와 단관형 연소기에 공급되는 압축공기와의 사이에서 열교환을 하는 원환형상의 전열형 열교환기를 구비한 가스터빈 엔진에 있어서, 콤프레서휠, 터빈휠, 단관형 연소기 및 전열형 열교환기를 같은촉에 배치함과 동시에, 단관형 연소기의 반경방향 바깥쪽이고 콤프레서휠 및 터빈휠로부터 축방향으로 치우진 위치에 전열형 열교환기를 배치하고, 또한 콤프레서휠 및 터빈휠의 반경방향 바깥쪽에 콤프레서휠로부터 전열형 열교환기에 압축공기를 유도하는 압축공기통로와, 터빈휠로부터 전열형 열교환기에 연소가스를 유도하는 연소가스통로를 배치한 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진.
  2. 제1항에 있어서, 연소가스통로에 산화촉매를 넣은 가스터빈 엔진.
  3. 제1항에 있어서, 전열형 열교환기의 내부를 압축공기 및 연소가스가 서로 반대방향으로 흐르는 가스터빈 엔진.
  4. 제1항에 있어서, 단관형 연소기는 상류로부터 하류쪽을 향하여 예비혼합부와 촉매연소부 및 기상연소부를 순차 구비한 가스터빈 엔진.
  5. 제1항에 있어서, 단관형 연소기는 상류로부터 하류쪽을 향하여 예비혼합부와 보염기부 및 기상연소부를 순차 구비한 가스터빈 엔진.
  6. 제1항에 있어서, 전열형 열교환기와 단관형 연소기를 접속하는 압축공기통로에 예열수단을 개장한 가스터빈 엔진.
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