KR101834475B1 - 과급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증기로 발생된 동력을 보조 동력으로 이용하여 터보차저의 구동을 돕는 과급장치에 관한 것이다. 이러한 과급장치는 엔진 배기관에 연결되어 압력으로 회전하는 구동터빈, 구동터빈과 축결합되어 회전하는 압축터빈 및 유체배관에 연결되어 유체배관을 이동하는 유체압력으로 회전하며, 구동터빈과 압축터빈 중 적어도 하나에 회전력을 전달하는 보조터빈을 포함한다.

Description

과급장치 {supercharger}

본 발명은 과급장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 증기로 발생된 동력을 보조 동력으로 이용하는 과급장치에 관한 것이다.

일반적으로 대형선박은 많은 화물을 싣고 운항한다. 통상, 대형선박에는 무거운 화물을 안정적으로 운반할 수 있도록, 고출력의 엔진이 설치된다. 그리고, 엔진에는 엔진의 출력을 높일 수 있는 터보차저 및 슈퍼차저 등과 같은 과급기가 장착된다.

과급기 가운데 터보차저는 슈퍼차저에 비해 상대적으로 구조와 설계가 간단하고, 출력 증가에 효과적이라는 점에서 선박용 엔진으로 많이 사용되고 있다. 하지만, 터보차저는 엔진이 저속으로 회전하는 경우, 충분한 양의 공기를 빨아드려 압축할 수 없는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하고자, 터보차저에 보조 동력을 공급하는 보조장치의 연구 개발이 진행되고 있다. 그러나, 개발된 상당수의 과급기는 연료로부터 발생된 전기로 구동되는 장치들이 대부분이다.

따라서, 이러한 과급기는 선박의 연료소비량 및 선박의 운항비용을 증가시키는 문제를 일으킬 수 있다.

미국공개특허 2049253A (1936.07.28)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 엔진이 저속으로 회전하는 경우 보조동력을 압축터빈에 전달하여, 엔진의 출력을 높이는 과급장치에 관한 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해 될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 과급장치는 엔진 배기관에 연결되어 압력으로 회전하는 구동터빈, 상기 구동터빈과 축 결합되어 회전하는 압축터빈 및 유체배관에 연결되어 상기 유체배관을 이동하는 유체압력으로 회전하며, 상기 구동터빈과 상기 압축터빈 중 적어도 하나에 회전력을 전달하는 보조터빈을 포함한다.

상기 유체배관을 개폐하여 상기 유체압력을 조정하고 상기 보조터빈의 회전력을 가감하는 조절밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 엔진의 회전속도 변화에 대응하여 상기 조절밸브의 개폐량을 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부는 상기 회전속도가 기준속도 미만 일 때, 상기 조절밸브를 개방하고, 상기 회전속도가 기준속도 이상일 때, 상기 조절밸브를 폐쇄 할 수 있다.

상기 조절밸브는 상기 엔진의 회전속도와 반비례하여 상기 유체배관을 개방할 수 있다.

상기 유체배관은 상기 배기가스와 열교환하여 생성된 증기가 유동하는 증기배관이고, 상기 보조터빈은 상기 증기의 압력으로 회전할 수 있다.

상기 보조터빈과 상기 구동터빈, 또는 상기 보조터빈과 상기 압축터빈의 사이에 설치되어 상기 회전력의 전달을 단속하는 클러치부를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 과급장치는 엔진에 충분한 공기가 과급되지 않는 상황에서 증기 압력으로부터 발생된 보조동력을 압축터빈에 전달하여, 엔진에 충분한 공기를 과급한다. 또한, 보조 동력을 증기 압력으로부터 발생시킨다는 점에서, 연료 소비를 통한 보조 동력의 발생을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 과급장치의 계통도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 과급장치의 작동도이다.
도 4는 도 1의 과급장치의 개략적인 작동 순서도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 과급장치의 계통도이다.

본 발명의 이점과 특징 그리고 그것들을 달성하는 방법들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 수 있다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 단지 청구항에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 과급장치의 계통도이다.

이하, 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 과급장치(1)는 엔진(E)이 운전되는 상황에 따라, 압축터빈(20)에 보조터빈(30)에서 발생된 보조동력을 전달하여, 압축터빈(20)이 엔진(E)에 충분한 공기를 과급한다. 다시 말해, 과급장치(1)는 엔진(E)의 구동속도가 느려, 구동터빈(10)이 충분한 동력을 발생 시킬 수 없는 경우, 보조터빈(30)이 구동터빈(10)에 보조동력을 전달하도록 하고, 엔진(E)의 구동속도가 빨라, 구동터빈(10)이 충분한 동력을 발생 시킬 경우, 보조터빈(30)의 동작을 정지시키도록 한다.

즉, 과급장치(1)는 엔진(E)의 회전 속도에 따라 보조터빈(30)에서 발생되는 보조동력을 압축터빈(20)에 공급하거나 차단할 수 있다.

이와 같은 과급장치(1)는 엔진(E)에 연결된 구동터빈(10), 구동터빈(10)과 축 결합되어 회전하는 압축터빈(20), 구동터빈(10)과 압축터빈(20) 중 적어도 하나에 회전력을 전달하는 보조터빈(30)을 포함한다. 또한 과급장치(1)는 전달되는 보조 동력을 단속하는 클러치부(60), 보조터빈(30)의 회전력 크기를 제어하는 조절밸브(42) 그리고, 조절밸브(42)에 개폐신호를 송신하는 제어부(50) 등을 포함한다. 이러한 과급장치(1)는 증기 압력으로 발생된 보조동력을 이용해 엔진(E)의 출력을 높일 수 있다.

이하, 과급장치(1)를 이루는 구성요소들에 대해 좀 더 구체적으로 설명하도록 한다.

구동터빈(10)은 엔진(E)에서 배출되는 배기가스의 통로가 되는 배기관(11) 사이에 개재된다. 이러한 구동터빈(10)은 배기가스의 압력에 의해 회전한다. 구동터빈(10)은 압축터빈(20)과 로터샤프트(15)로 축 결합되고, 보조터빈(30)과 보조샤프트(31)로 축 결합될 수 있다.

따라서, 구동터빈(10) 및 보조터빈(30)이 작동되면, 압축터빈(20)은 구동터빈(10)및 보조터빈(30)으로부터 전달되는 구동력을 전달받는다. 보조터빈(30)은 구동터빈(10) 또는 압축터빈(20) 중 어느 하나에 축 결합될 수 있다. 이러한 보조터빈(30)은 압축터빈(20)에 직접 연결되어 구동력을 전달하거나, 구동터빈(10)을 통하여 압축터빈(20)에 동력을 전달할 수 있다. 다만, 본 명세서 상에서는 설명의 편의를 위해, 보조터빈(30)이 구동터빈(10)과 축 결합되는 것을 예로 설명한다.

보조터빈(30)은 증기와 같은 유체의 힘으로 회전력을 발생시킨다. 보조터빈(30)은 증기보일러(40)에서 발생된 유체(증기)가 이동하는 유체배관(41)에 연결되어, 유체(증기)의 압력에 대응하는 회전력을 발생시킨다. 이때 발생된 회전력은 구동터빈(10) 및 압축터빈(20)에 전달되는 보조 동력이 될 수 있다.

증기보일러(40)는 별도의 연료를 연소시켜 증기를 발생시킬 수 있으며, 엔진(E)이 배출하는 배기가스의 열을 교환하여 증기를 발생시키는 기관일 수 있다. 즉, 본 명세서 상에서 증기보일러(40)는 증기를 발생시킬 수 있는 일반적인 장치를 모두 포함하는 용어로 사용하나, 이하에서는 엔진(E)의 배기가스와 열교환을 통하여 증기를 발생시키는 구조를 예로 설명한다.

증기보일러(40)는 배기관(11)과 연결되어, 구동터빈(10)에서 배출된 배기가스와 외부에서 공급된 유체를 열교환 시켜 증기로 기화시킨다. 발생된 증기는 일정 이상의 압력을 유지한 채, 유체배관(41)을 따라 이동한다.

유체배관(41)은 증기보일러(40)에서 열교환되어 배출되는 증기가 유동할 수 있는 증기배관이다. 이러한 유체배관(41)에는 유체의 유동량을 조절하여, 유체압력을 조정할 수 있는 조절밸브(42)가 설치될 수 있다. 조절밸브(42)는 유체배관(41)을 통해 흐르는 유체의 압력을 제어하여, 보조터빈(30)이 발생시키는 회전력을 높이거나 낮춘다.

조절밸브(42)는 엔진(E)의 회전속도에 대응하여 계폐량이 조절될 수 있다. 예를 들어, 엔진(E)의 회전속도 및 회전속도의 변화량이 기준값 미만일 경우, 조절밸브(42)는 개방되어 보조터빈(30)을 회전시킬 수 있다. 반면, 엔진(E)의 회전속도이 기준값 이상일 경우, 조절밸브(42)는 폐쇄되어 보조터빈(30)을 정지시킬 수 있다. 즉, 엔진(E)의 회전속도는 조절밸브(42)의 개폐량와 반비례되게 변화된다. 이러한 조절밸브(42)의 개폐량은 제어부(50)에서 전송되는 신호에 의해 조절될 수 있다.

제어부(50)는 마이크로 컨트롤 유닛(Micro Control Unit) 등으로 구성되어, 조절밸브(42)와 유선 또는 무선으로 연결될 수 있다. 이러한 제어부(50)는 조절밸브(42)에 신호를 전송하여, 조절밸브(42)의 개폐를 제어할 수 있다. 일 예로, 제어부(50)는 조절밸브(42)에 개방신호를 전송하여, 조절밸브(42)가 열리도록 함으로써, 보조터빈(30)이 작동되도록 할 수 있다. 반면, 조절밸브(42)에 폐쇄신호를 전송하여, 조절밸브(42)가 닫히도록 함으로써, 보조터빈(30)이 정지되도록 할 수 있다.

이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 과급장치의 작동에 대해 자세히 설명하도록 한다.

도 2는 구동터빈이 충분한 동력을 발생시켜, 엔진이 구동터빈과 압축터빈의 회전력만으로 구동될 수 있도록 하는 과급장치의 작동을 나타낸 도면이고, 도 3은 구동터빈이 충분한 동력을 발생시키지 못해, 엔진이 보조터빈에서 발생된 보조동력으로 구동될 수 있도록 하는 과급장치의 작동을 나타낸 도면이다. 그리고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 과급장치의 개략적인 작동순서도이다.

과급장치(1)는 엔진(E)의 회전속도에 따라 보조터빈(30)에서 발생된 보조동력을 구동터빈(10) 및 압축터빈(20)에 전달할 수 있다.

먼저, 엔진(E)이 작동되었을 때(S100), 엔진(E)의 회전속도와 기준속도를 대소 비교하여(S200), 회전속도가 기준속도 미만인 경우, 조절밸브(42)는 회전속도에 대응되게 개방된다(S210). 이때 보조터빈(30)은 조절밸브(42)의 개방량에 대응되어 작동하며(S220), 보조동력을 발생시킨다. 보조동력은 압축터빈(20)을 구동시켜, 엔진(E)에 충분한 양의 공기를 공급한다.

한편, 엔진(E)의 회전속도가 기준속도 이상인 경우, 조절밸브(42)는 닫히게 되어, 보조터빈(30)은 정지한다. 이 경우 엔진(E)이 기준속도 이상으로 회전하게 되면서, 엔진(E)에는 충분한 양의 공기가 공급된다.

즉, 과급장치(1)는 엔진(E)의 회전속도가 기준속도 미만인 경우 보조동력을 제공하고, 기준속도를 이상인 경우 보조동력을 차단하여, 어떠한 경우에도 엔진(E)에 적절한 양의 공기가 공급될 수 있도록 한다.

이하, 도 5를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 과급장치에 관하여 설명하도록 한다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 과급장치의 게통도이다.

먼저, 이러한 과급장치(1-1)의 구성요소는 전술한 과급장치(1)의 구성요소와 비교하여, 클러치부(60)를 제외하고 나머지는 동일하다. 따라서, 본 명세사상에서 간결한 설명이 이루어 질 수 있도록 동일한 구성요소의 설명은 생략하고, 차이가 있는 클러치부(60)에 대해서만 설명하도록 한다.

클러치부(60)는 보조터빈(30)에 연결된 a보조샤프트(31a)와 구동터빈(10)에 연결된 b보조샤프트(31b)사이에 설치될 수 있다. 클러치부(60)는 엔진(E)의 회전속도 또는 제어부(50)에서 전송되는 신호에 의해 a보조샤프트(31a)와 b보조샤프트(31b)를 연결 또는 단절 상태가 되게 할 수 있다. 예를 들어, 엔진(E)이 기준속도 미만으로 구동되는 경우, 클러치부(60)는 제어부(50)로부터 신호를 수신하여, a보조샤프트(31a)와 b보조샤프트(31b)가 연결되도록 한다. 연결된 a보조샤프트(31a)와 b보조샤프트(31b)는 보조터빈(30)에서 발생된 보조 동력이 압축터빈(20)에 전달하여, 엔진(E)에 충분한 공기가 과급 되도록 한다.

한편, 엔진(E)이 기준속도 이상으로 구동되는 경우, 클러치부(60)는 a보조샤프트(31a)와 b보조샤프트(31b)가 연결되지 않도록 하여, 구동터빈(10)과 보조터빈(30)간에 동력이 전달되지 않도록 한다. 그러나, 엔진(E)이 기준속도 이상으로 회전하여, 구동터빈(10) 및 압축터빈(20)이 원활하게 작동되면서, 엔진(E)에는 충분한 양의 공기가 과급 된다.

즉, 클러치부(60)는 보조터빈(30)과 구동터빈(10) 사이에 개재되어 엔진(E)의 회전속도와 제어부(50)에서 전송되는 신호를 이용해 보조터빈(30)에서 구동터빈(10) 및 압축터빈(20)으로 전달되는 보조동력을 용이하게 단속할 수 있다.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서도 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: 과급장치 10: 구동터빈
11: 배기관 15: 로터샤프트
20: 압축터빈 21: 흡기관
30: 보조터빈 31: 보조샤프트
31a: a보조샤프트 31b: b보조샤프트
40: 증기보일러 41: 유체배관
42: 제어밸브 50: 제어부
60: 클러치부 E: 엔진

Claims (7)

1. 엔진의 배기관에 연결되어 압력으로 회전하는 구동터빈;
   상기 구동터빈과 축 결합되어 회전하는 압축터빈;
   상기 엔진의 배기가스와 열교환하여 생성된 증기가 유동하는 유체배관에 연결되어 상기 유체배관을 이동하는 상기 증기의 압력으로 회전하며, 상기 압축터빈에 회전력을 전달하는 보조터빈; 및
   상기 유체배관을 개폐하여 상기 증기의 압력을 조정하고 상기 보조터빈의 회전력을 가감하는 조절밸브를 포함하되,
   상기 조절밸브는 상기 엔진의 회전속도와 반비례하여 상기 유체배관의 개방량을 조절하는 과급장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 엔진의 회전속도 변화에 대응하여 상기 조절밸브의 개폐량을 조절하는 제어부를 더 포함하는 과급장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 제어부는 상기 회전속도가 기준속도 미만 일 때, 상기 조절밸브를 개방하고, 상기 회전속도가 기준속도 이상일 때, 상기 조절밸브를 폐쇄하는 과급장치.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서, 상기 보조터빈과 상기 압축터빈의 사이에 설치되어 상기 회전력의 전달을 단속하는 클러치부를 더 포함하는 과급장치.

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