KR100863076B1 - 액적혼합물 분사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액적 혼합물을 짧은 시간 내에 다량 생산할 수 있는 분사장치를 개시한다. 그 분사장치는 초기구동을 위한 시동모터와, 상기 시동모터에 작동적으로 연결되며 공기를 흡입하여 압축하기 위한 압축기와, 압축기로부터 압축된 공기를 받아 연료펌프로부터 공급된 연료를 연소시킴으로서 공기를 고온의 가스로 변환시킨 후 그 가스를 터빈 본체으로 보내는 연소기, 상기 압축기에 후방에 설치되며 동력을 발생시키기 위한 터빈 본체를 구비하는 가스터빈장치; 콜렉터에서 가스제너레이터 배기가스와 압축기로부터 방출되는 압축공기, 그리고 급수펌프로부터 공급되는 물을 고압스프레이노즐에 의하여 혼합함으로서 생성되는 액적 분무 혼합물을 화재지역으로 토출시키기 위한 배기노즐; 및 시동모터, 상기 연료펌프, 연소장치를 제어하기 위한 콘트롤러로 구성된다. 분사장치는 수송 기관에 탑재되어 다양한 지역에서 발생되는 화재를 신속하게 진압할 수 있다.

가스터빈장치, 콜렉터, 가스제너레이터, 배기노즐

Description

액적혼합물 분사장치{Water ejection system by APU gas turbine engine}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 액적혼합물 분사장치를 보여주는 구성도,

도 2는 도 1의 액적혼합물 분사장치가 이동수단에 탑재된 상태를 보여주는 사시도,

도 3는 도 1의 액적혼합물 분사장치에 적용되는 스프레이 노즐을 상세하게 보여주는 사시도,

도 4는 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 스프레이 노즐의 동작관계를 나타낸 도면이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 가스터빈장치 12: 시동모터

14: 압축기 16: 공기 흡입장치

18: 터빈본체 20: 연소기

22: 연료펌프 24: 연료탱크

30:급수탱크 32a,32b:방출밸브

34:스프레이 노즐 38:급수펌프

40: 콜렉터

52:배기노즐 54:콘트롤러

56: 크레인 58:붐

본 발명은 화재 진압 장치에 사용된 액적혼합물 분사장치 관한 것으로서, 보다 상세하게는 화재를 진압하기 위해 압축공기를 축소-확대 노즐 주위에 흐르게 함으로서 초음속 유동을 발생시켜 유동장 내에 공급되는 물을 액적화시키는 동시에 공기가 갖는 모멘텀으로 이동시켜 대상지역에 분사함으로서 신속하고 효과적으로 화재를 진압하기 위한 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 개방 공간에서 화재 발생시 이를 진압하기 위해 주로 헬리곱터에 수송에 의한 소방수를 화재지역에 살포하거나 Foam(폼) 등과 같은 화학 약제를 화재지역에 살포하여 화재를 진압하고 있다. 소방수는 화재 진압의 중요한 요건인 냉각효과와 질식효과를 동시에 지닌다는 점에서 매우 효과적인 소화제로서 인식되어 왔다.

그러나 소방수를 소화제로 사용하는 경우 화재지역의 표면 모두를 덮기 위하여 다량의 소방수를 사용하여야 하기 때문에 화재진압 시간이 길어지고, 또 화재가 발생한 공간내부의 시설을 파괴하기도 하는 단점이 있다.

또 소방차에 의하여 소방수가 화재지역에 분사되는 경우 소방수가 지나치게 집중되어 분사되기 때문에 많은 양의 물이 소비되는 뿐만아니라 결과적으로 진압에 요구되는 시간도 증가하는 단점이 있다. 산불이 발생한 지역에 헬리곱터에 의하여 소방수를 살포하는 경우 헬리곱터에 의하여 비행하는 속도에 의하여 물을 단순 투하함으로서 물이 자유 낙하하는 동안에 화재지역위에 6-12초 정도의 시간 안에 살포되는 방식을 택하고 있어 정확성이 떨어질 뿐 아니라 소방수 투하 후 다시 물을 보충하기 위하여 인근의 호수나 소방수를 보충 받을 수 있는 곳까지 비행했다가 돌아와야 하는 문제점으로 인하여 화재 진압에 요구되는 시간이 길어지는 반면에 실제적으로 진압을 수행하는 시간은 매우 짧을 수밖에 없다는 것이 단점이다. 이를 개선하기 위해서는 무엇보다도 물 분사를 보다 효과적으로 하여 보다 짧은 시간 내에 화재 지역의 표면을 덮어 주위의 산소와 차단할 수 있는 새로운 기술의 개발이 요구된다. 이같은 개념의 다양한 제안이 공지 되어있다.

예컨대, 미국 특허 제 4,113,019호에는 제트 엔진을 이용한 소방용 비활성가스 제너레이터가 개시되어 있다. 이 특허의 제너레이터에 의하면, 후방 연소실의 출구에 디퓨저(Diffuser)가 설치되어 있으며, 그 후방 연소실과 디퓨저 사이에는 감압실이 설치되어 있다. 도한, 감압실에는 외부로부터 질소와 같은 압축된 비활성가스가 유입될 수 있도록 매니폴드가 형성되어 있다. 따라서, 감압실로 유입된 압축 불활성 가스는 감압되어 화재 장소로 분출되며, 디퓨저는 배출되는 가스에 프레온을 공급하는 방식으로 화재에 대한 진압효율을 향상시키도록 구성되어 있다.

그러나, 그 특허 제4,113,019호는 화재 진압을 위한 소화제로서의 비활성가스를 생산하는 것이 아니고 이미 다른 경로를 통해 생성된 비활성 가스를 후방 연소실과 디퓨저사이로 유도하여 가스터빈으로부터 배출되는 많은 양의 가스의 운동에너지를 이용하여 단순히 분출하기 위한 장치로서 분사 시 화재 표면에 대한 질식효과가 작고, 질소 및 프레온가스를 비활성가스로 사용하므로 비용이 상승될 뿐 아니라 환경에 유해한 영향을 미치게 되는 단점이 있다.

그리고, 국제특허공개 WO-9318823호에는 화재 진압용 터보젯 가스터빈이 개시되어 있는 바, 그 터보젯 가스터빈은 노즐의 후방에 물을 분사하여 배기가스의 온도를 낮추고 동시에 터보젯 가스터빈 출구에서 발생하는 강력한 모멘텀을 이용하여 물을 화재지역에 분사하도록 구성되어 있다. 이 같은 화재진압용 터보젯 가스터빈은 주로 유전지역과 같은 특수지역에서의 화재발생 시 이용되고 있으나, 화재의 근원지를 물리적 방법으로 대기 중의 산소 유입을 일시적으로 차단하여 진압하는 방식을 취하며 역시 과도한 양의 물을 소비한다는 단점이 있다. 이 경우에는 가스터빈 배기가스내의 강력한 모멘텀을 이용한 것으로 일반적인 소방차에 의한 화재진압 개념과 구별되며 소방차보다 보다 짧은 시간 안에 다량의 물을 화재 발생지역에 송출할 수 있는 이점이 있다. 그러나 이러한 화재 진압 개념은 가옥이나 사무실과 같은 지역에 발생한 화재를 진압하기에는 과도한 물이 짧은 시간 안에 분사되므로 역시 비경제적일 뿐 아니라 내부 시설을 파괴할 수 있는 단점이 있다.

또한, 러시아 특허 SU-1724275호에는 압축기를 사용하여 고압, 고온 에너지를 가진 공기를 발생시켜, 이 고온 고압 공기에 파우더 또는 일종의 비활성가스를 투입하여 공항 등과 같은 특수지역의 화재를 진압하기 위한 장치가 개시되어 있다. 그러나, 압축기를 구동하기 위하여 별도의 전원이 필요하며, 이에 따라 장시간 구동이 어렵고 또한 비활성가스를 대량으로 발생시키기가 곤란한 문제점이 있다.

또 중국특허 CN-1110184호에는 가스터빈 구동형 제너레이터가 개시되어 있는 바, 이 제너레이터는 급수 펌프를 작동시켜 다량의 물을 화재지역으로 송출하여 화재를 진압하는 방식을 취하고 있는 바, 이는 일반적인 기존 소방차에 의한 소화 개념과 유사하며, 전술된 바와 같은 근본적인 문제점을 내포하고 있다.

독일특허 DE-19625559에는 기계실 또는 작은 규모의 빌딩 등과 같이 협소한 공간에 발생하는 화재를 진압하기 위한 소형의 가스터빈을 사용하는 화재 진압장비가 개시되어 있다. 이 화재진압 장비는 공기 중의 산소와 질산을 반응시켜 질소와 물을 만들어 화재지역에 투입하는 방식으로 화재를 진압하고 있다. 이는, 반응 물질에 이산화탄소 및 다른 유해물질이 포함되지 않으므로 환경적으로 친화하다는 장점이 있다. 그러나, 이 화재진압장치는 공정이 복잡하고 대량의 질소가스와 물을 생산하기가 곤란하여 대형화재를 진압하기 곤란한 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 터보젯 또는 보조동력엔진(APU: Auxiliary Power Unit)과 같은 동력기관으로부터 나오는 고압가스 또는 공기를 이용하여 수축-확산 노즐(CD Nozzle: Convergent-Divergent Nozzle 또는 Laval Nozzle) 내부에 흐르게 함으로서 초음속 유동을 형성한 후 유동 중심부에 평행하게 설치된 관을 통하여 분사되는 소방수와 함께 흐르게 함으로서 액적화된 소방수가 압축공기 또는 고압가스에 의하여 화재 지역에 분사되어 짧은 시간 내에 표면을 덮음으로서 사용되는 소방수를 감소시킬 뿐 아니라 진압 시간도 감소시키기 위한 액적혼합물 분사장치를 제공하는데 있다.

이 같은 목적은 초기구동을 위한 시동모터와, 상기 시동모터에 작동적으로 연결되며 공기를 흡입하여 압축하기 위한 동력기관 (APU 엔진이나 기타 압축공기 또는 압축가스 발생 장치), 연료공급 장치, 수축확산 노즐 내부로 물을 공급하기 위한 급수 펌프, 전체 제어시스템 그리고 부속품들을 탑재하여 이송하기 위한 수송기관으로 구성되어 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 액적혼합물 분사장치를 보여주는 구성도이고, 도 2는 도 1의 액적혼합물 분사장치가 이동수단에 탑재된 상태를 보여주는 사시도이며, 도 3는 도 1의 액적혼합물 분사장치에 적용되는 스프레이 노즐을 상세하게 보여주는 사시도이고, 도 4는 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 스프레이 노즐의 동작관계를 나타낸 도면으로써, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 초기구동을 위한 시동모터(12)와, 상기 시동모터(12)에 작동적으로 연결되며 공기를 흡입하여 압축하기 위한 압축기(14)와, 압축된 공기를 연소시키는 연소기(20)와, 상기 연소기(20) 하류측에 설치되며 팽창과정을 통하여 동력을 발생시키기 위한 터빈 본체(18)을 구비하는 가스터빈장치(10)와;

상기 압축기(14)에서 압축된 일부의 공기를 콜렉터(40)에 공급하는 방출밸브(32a)와,

가스터빈장치(10)의 압축공기와, 압축기(14)에서 추출(Bleed Off)된 일부의 공기를 방출밸브(32b)에 의해 방출되는 압축공기와, 스프레이 노즐(34)을 통과한 물과의 혼합에 의한 액적 혼합물을 발생시키되, 상기 터빈본체(18)의 하류측에 연결되어 설치된 콜렉터(40)와;

상기 콜렉터(40)에서 발생한 액적 혼합물을 토출시키기 위한 배기노즐(52);로 이루어진 액적혼합물 분사장치에 관한 것이다.

상기 콜렉터(40)의 중앙부에는 스프레이 노즐(34)이 장착되어, 고압의 물이 공급되어 토출되고, 상기 스프레이 노즐(34)의 외주연과 콜렉터(40)의 내부공간에서는 방출밸브(32a)와 터빈본체(18)로부터 방출된 배기가스가 공급되도록; 이루어진 것이다.

상기 콜렉터(40)의 선단 외주연에는 유체소음저감을 위하여 헬리칼 기어의 치와 같은 형상의 다수개의 가이드 벽판이 설치된다.

상기 압축기(14)로부터 일부의 공기를 추출하여, 스프레이 노즐을 통과하기 위한 물의 공급을 위하여 급수탱크(30)에 내부 공기압을 제공하도록; 이루어지며, 상기 급수탱크(30)의 토출단에 설치되어, 스프레이 노즐(34)에 고압의 물을 공급하도록 형성된 급수펌프(38)를 부가하도록 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 시동모터(12), 연료펌프(22), 연소기(20)를 제어하기 위한 콘트롤러를 포함한다.

상기 본 발명에 의한 응용예로서, 액적혼합물 분사장치를 차량의 적재하고, 상기 액적혼합물 분사장치의 회전 및 분사각도 조절을 가능하게 하기 위한 크레인(58)과, 상기 액적혼합물 분사장치의 배기노즐(52)의 길이를 조절하기 위해 수축 및 팽창 가능한 크레인 붐(56)을 포함하여 이루어진 차량에 탑재된 액적혼합물 분사장치에 관한 것이다.

이에 따른 작동원리를 상세히 설명하면, 다음과 같다.

도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 액적혼합물 분사장치는 가스터빈장치(10)를 포함한다. 가스터빈장치(10)는 초기에 그 가스터빈장치의 초기 구동을 위한 시동모터(12)를 구비하는 것이 바람직하다. 시동모터(12)는 가스터빈장치의 초기 작동 시 그 가스터빈장치가 포함하거나 그 가스터빈장치에 연계된 보조장치를 구동할 충분한 동력을 발생시키거나 일정회전수 이상으로 상승시키는 역할을 한다. 물론, 가스터빈장치가 자가 구동능력을 갖게되면, 시동모터(12)는 그로부터 분리되도록 구성된다.

시동모터(12)에는 압축기(14)가 작동적으로 연결되어 흡입되는 공기를 압축한다. 압축기(14)는 축류식 또는 원심식 모두 사용이 가능하다. 압축기(14)에는 그 압축기내로 공기를 효과적으로 안내하여 유입시키기 위해, 일명 벨마우스라 칭하는 공기 흡입장치(16)가 설치되는 것이 바람직하다.

상기 공기흡입장치(16)는 압축기에서의 압력손실이 최소화 되도록 구성되는 것이 바람직하다. 압축기(14)에는 그 압축기는 물론 주변의 보조장치를 작동시키기 위한 터빈본체(18)가 작동적으로 연결된다.

압축기(14)와 터빈본체(18)사이에는 연소기(20)가 설치된다. 이 연소기(20)는 압축기에서 압축된 후 터빈본체(18)로 유입되는 공기 중 일부를 연소시키는 역할을 한다. 물론, 그 연소기(20)에는 그 연소기에 연료를 공급하기 위한 연료펌프(22)가 연통된다. 연료펌프(22)는 연료탱크(24)의 연료를 가스터빈장치(10)에 공급한다.

상기 스프레이 노즐(34)에는 그 노즐에 고압의 물을 공급하거나 그 고압의 물의 공급량을 조절하기 위한 급수펌프(38), 급수탱크(30) 등이 차례로 연결되는 것이 바람직하다.

상기 콜렉터(40)의 후방에는, 콜렉터에서 액적분무를 외부로 토출시키기 위한 배기노즐(52)이 설치된다. 상기 배기노즐(52)은 그로부터 토출되는 액적 혼합물의 토출거리를 조절하기 위해 수축 및 팽창 가능한 망원경식으로 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 액적혼합물 분사장치는 그것을 자동으로 제어하기 위한 콘트롤러(54)를 포함한다. 그 콘트롤러(54)는 시동모터(12)에 연결되어 그것의 작동을 제어한다.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 액적혼합물 분사장치는, 그것의 기동성 및 야전성을 향상시키기 위해 트럭 또는 헬기와 같은 수송장치에 적합하게 탑재될 수 있다. 즉, 가스터빈장치(10), 시동모터(12), 급수장치(급수탱크(30), 급수펌프(38)), 콜렉터(40), 배기노즐(52) 등으로 구성되는 액적혼합물 분무장치가 예컨대, 2톤 이상의 트럭 또는 헬기 등의 수송 장치에 탑재된다.

선택적으로, 액적분무장치는 전후로 회동가능하고 좌우로 회전가능하게 작동되는 크레인(58)에 의해 차량에 설치되는 것이 바람직하다. 그 차량에는 전술된 바와 같이 소정의 용량을 갖는 급수탱크(30)가 설치되어 있으며, 상기 급수탱크(30)에는 스프레이노즐(34)로 고압의 물을 공급하기 위한 급수펌프(38)가 설치되어 있다. 또한, 차량에는 연소기(20)에 연료를 공급하기 위한 연료탱크(24)가 설치된다. 또한, 차량에는, 배기노즐(52)의 길이를 조절하기 위해 수축 및 팽창 가능한 크레인 붐(56)이 설치된다.

이하, 본 발명에 따른 화재 진압용 액적분무장치의 작동방식 및 그 작용모드에 대해 상세히 설명한다.

예컨대, 화재가 발생하여, 이를 진압하기 위해 작업자가 콘트롤러(54)를 이용하여, 가스터빈장치(10)의 터빈본체(18)가 압축기(14) 및 주변의 다른 보조장치를 정상적으로 구동시키기에 충분한 동력을 발생시킬 수 있도록 시동모터(12)를 작동시킨다. 이후, 터빈본체(18)가 일정 회전수 이상으로 구동되어 자가 구동능력을 갖게 되면, 시동모터(10)는 가스터빈장치(10)에 동력 공급을 중단한다.

한편, 압축기(14)가 작동되면서 공기흡입장치(16)를 통해 최소의 압력손실상태로 공기가 압축기(14)내로 흡입된다. 압축기(14)내로 공급된 공기는 압축기(14)를 지나면서 압력과 온도가 동시에 상승된다. 여기서 압축기(14)를 통과하는 기체의 일부는 압축공기 방출밸브(Bleed Off Valve)(32a)를 통해 연소기(20)와 터빈본체(18)를 우회하여 콜렉터(40)내로 유입된다. 동시에, 압축공기 방출밸브(Bleed Off Valve)(32a)를 통해 배출되지 않은 공기는 연소기(20)에 유입되어 연료펌프(22)를 통해 공급되는 연료에 의해 연소된다.

이후, 연소기(20)에서 연소된 가스는 터빈본체(18)로 유입되어 팽창됨으로서, 가스가 가지고 있는 운동에너지 및 열에너지가 기계적 에너지로 변환된다. 이때, 터빈본체(18)의 작동에 의해 발생되는 에너지의 일부는 압축기(14) 및 주변의 다른 보조장치들의 동력으로 사용된다. 터빈본체(18)를 빠져나온 가스는 콜렉터(40)를 지나면서 스프레이 노즐(34)을 통과하는 압축공기와 물과 혼합하게 된다.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이 액적혼합물 분무장치가 차량의 적재함에 탑재된 경우에는, 이를 지지하는 크레인(58)에 의해 액적혼합물의 분사각도가 조절될 수 있다. 즉, 작업자는 예컨대 차량의 크레인(58)을 조작하여 분사방향을 결정할 수 있다. 또한, 운전석에 배치된 콘트롤러(54)를 이용하여 크레인(58)을 조작하면, 상하 또는 좌우방향으로 회동되어 배기노즐(52)을 통한 분사혼합물의 분사 각을 조절할 수 있다. 또한, 크레인붐(56)를 제어하여 배기노즐(52)의 길이를 축 방향으로 조절함으로써 분사거리를 조절할 수 있다. 물론, 급수펌프(30), 연료펌프(22) 등을 구동하기 위한 동력은 별도의 배터리를 사용하거나 차량의 엔진구동 시 발생되는 동력을 이용할 수 있다.

상술된 바와 같이 본 발명에 따른 화재 진압용 스프레이 노즐에 의하여 분사되는 액적 혼합물을 이용하여 대형 구조물, 주거 지역, 선박, 산 등에서 발생되는 화재뿐 아니라 군사적 활동에 의해 발생되는 화재를 효과적으로 진압할 수 있으므로 적용성 및 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.

그리고, 대기 공기 및 물을 사용하여 가스를 생산하므로 비용이 절감되며 배기가스 내의 유해가스함량이 적어 환경 친화적인 장점이 있다.

또한, 화재 진압 중에도 액적 혼합물을 사용함으로서 구조물 내부에 설치되어 있는 전자 장비 등 고가장비가 손상되는 위험을 최소화 할 수 있는 이점이 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 본 기술분야의 당업자라면 첨부된 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.

Claims (8)

1. 초기구동을 위한 시동모터(12)와, 상기 시동모터(12)에 작동적으로 연결되며 공기를 흡입하여 압축하기 위한 압축기(14)와, 압축된 공기를 연소시키는 연소기(20)와, 상기 연소기(20) 하류측에 설치되며 팽창과정을 통하여 동력을 발생시키기 위한 터빈 본체(18)를 구비하는 가스터빈장치(10)와;

   상기 압축기(14)에서 압축된 일부의 공기를 콜렉터(40)에 공급하는 방출밸브(32a)와;

   압축기(14) 상부에 구비된 방출밸브(32b)에 의해 압축기(14)에서 추출(Bleed Off)된 일부의 압축공기를 급수탱크(30)에 공급하여 급수탱크(30)에 압력을 가하고 급수탱크(30)에 구비된 급수펌프(38)와 급수펌프(38)와 연결된 스프레이 노즐(34)에 의해 분사되는 물과, 가스터빈장치(10)에서 배출되는 배기가스와의 혼합에 의한 액적 혼합물을 발생하되, 상기 터빈본체(18)의 하류측에 연결되어 설치되는 콜렉터(40)와;

   상기 콜렉터(40)에서 발생한 액적 혼합물을 토출시키기 위한 배기노즐(52);로 이루어진 것을 특징으로 하는 액적혼합물 분사장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 콜렉터(40)의 중앙부에는 스프레이 노즐(34)이 장착되어, 고압의 물이 공급되어 토출되고, 상기 스프레이 노즐(34)의 외주연과 콜렉터(40)의 내부공간에서는 방출밸브(32a)와 터빈본체(18)로부터 방출된 배기가스가 공급되도록; 이루어진 것을 특징으로 하는 액적혼합물 분사장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 급수탱크(30)의 토출단에 설치되어, 스프레이 노즐(34)에 고압의 물을 공급하도록 형성된 급수펌프(38)를 부가하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 액적혼합물 분사장치.
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