KR102567120B1 - 엔진 - Google Patents

Abstract

엔진은 압축기 및 이 압축기의 입력부 및 출력부에 연결되는 폐쇄형 유체 회로를 포함하며, 이에 따라 압축 가스는 압축기에 의해 유체 회로를 통해 구동될 수 있다. 압축기의 출력부는, 유체 회로를 통해, 터빈 구성요소에 연결되며, 상기 터빈 구성요소는, 사용 시에 엔진의 출력부로서 작용하는 회전 샤프트에 연결되는 터빈 블레이드의 적어도 하나의 세트를 포함한다. 상기 터빈 구성요소를 통과한, 유체 회로 내의 유체는 응축기에 수용되며, 상기 응축기는, 압축 가스의 온도 및 압력을 저하시키도록 구성되고, 응축기의 유출구는 압축기의 유입구에 연결된다.

Description

엔진

본 발명은 에너지 출력을 제공하기 위해 터빈을 구동시키는 압축 가스의 순환을 채용하는 엔진에 관한 것이다.

종래의 내연기관으로부터 압축 공기, 풍력, 수력 및 다른 소스(source)에 의해 구동되는 엔진에 이르기까지 다양하고 광범위한 엔진이 널리 알려져 있다.

이러한 엔진은 모두, 에너지 소비를 최소화하면서 에너지 출력을 제공하도록 그리고 또한 환경에 유해할 수 있는 배출물을 최소화하도록, 필요에 따라 구동된다. 더욱이, 이러한 엔진은 종종 엔진 출력의 간단한 제어가 가능해야 할 필요가 있을 뿐만 아니라, 최소한의 가동 구성요소를 이용하면서 그리고 최소한의 마모 및 인열을 나타내는 구성요소를 제공하여 유지보수 요건을 완화시킴으로써 긴 유효 수명을 제공하려는 의도를 갖는다.

본 발명은, 매우 효율적이고 그 출력 면에서 고도로 제어 가능하며 또한 유지가 간단하고 용이할 뿐만 아니라 최소한의 유지보수를 이용하여 긴 유효 수명을 나타내는 엔진을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명에 따르면, 압축기 및 이 압축기의 입력부 및 출력부에 연결되는 폐쇄형 유체 회로로서, 압축 가스는 압축기에 의해 폐쇄형 유체 회로를 통해 구동될 수 있으며, 압축기의 출력부는 유체 회로를 통해 터빈 구성요소에 연결되고, 상기 터빈 구성요소는, 사용 중에 엔진의 출력부로서 작용하는 회전 샤프트에 연결되는 터빈 블레이드들의 적어도 하나의 세트(set)를 포함하는 것인 압축기 및 폐쇄형 유체 회로, 그리고 상기 터빈 구성요소를 통과한, 유체 회로 내의 유체를 수용하기 위한 응축기로서, 압축 가스의 온도 및 압력을 저하시키도록 구성되고 응축기의 출력부는 압축기의 유입구에 연결되는 것인 응축기를 포함하는 엔진이 제공된다.

상기 터빈은 공통 축선을 따라 배치되는 복수 개의 세트의 블레이드를 포함할 수 있으며, 각각의 세트에서의 블레이드의 개수 및 블레이드의 상대 위치는, 터빈 구성요소를 통한 압축 가스의 유동을 제어하도록 그리고 엔진의 출력 파워를 제어하도록 구성된다.

주어진 부하에 대해 엔진의 효율을 개선시키고 엔진의 성능을 최적화시키기 위해 압축기의 입력부에 대한 팽창 순환 가스의 유동을 제어하기 위한 체크 밸브가 압축기에 대한 입력부에 위치할 수 있다.

엔진에서의 순환 가스는 암모니아일 수 있으며, 보다 바람직하게는 안전성 및 작동상 효율성의 이유로 이산화탄소일 수 있다.

응축기 구성요소는, 압축기를 구동시키기 위해 그리고 엔진의 효율을 개선시키기 위해, 전기 에너지로 변환될 수 있는 열 에너지를 회수하는 에너지 회수 수단에 부착될 수 있다.

터빈 샤프트는, 엔진의 전체 성능을 제어하기 위해 압축기의 작동에 요구되는 에너지의 일부를 제공하는 제너레이터에 연결될 수 있다.

첨부 도면을 참고하여 본 발명의 한 가지 예를 이하에 설명할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 엔진의 개략도이다.
도 2는 도 1의 엔진 내부에서의 순환 가스의 유동을 나타내는 개략도이다.

도 1을 참고하면, 엔진(1)은 압축 가스를 보유하는 가스 회로(2)를 갖는다. 상기 압축 가스는 이산화탄소, 암모니아, 또는 엔진에서 요구되는 출력뿐만 아니라 다른 요건, 예컨대 전체 중량, 바람직한 작동 압력, 및 가스 회로를 형성하는 구성요소와 엔진의 다른 부분의 온도 문턱값에 따라, 적절한 압축 압력에서 유지될 수 있는 임의의 다른 적절한 가스일 수 있다.

사용 중에 가스 회로 내의 가스를 압축시키고 이 가스를 압축기 유출구(4)로부터 터빈 구성요소(5)를 향해 구동시키는 압축기(3)가 마련된다. 이러한 예에서의 압축기는 전기적으로 동력을 공급받지만, 대안적인 동력원을 구비하고 있을 수도 있다. 압축기 유출구(4)의 직경은, 압축 가스 터빈(5)에 도달할 때의 압축 가스의 압력 및 유량을 제어한다. 상기 압축 가스의 압력 및 온도가 유체 회로의 전술한 섹션에서 압축 가스의 임계점에 해당하면, 높은 효율이 제공된다. 이를 달성하는 데 도움이 되도록 하기 위해 압축 가스를 가열하는 히터(도시되어 있지 않음)가 압축기(3)에 이웃하게 통합될 수 있다. 가스가 압축기 유출구(4)로부터 터빈 구성요소(5) 내로 진행할 때, 가스는 블레이드의 세트(6, 7, 8)를 가로질러, 블레이드를 가로지름에 따라 팽창하고, 일련의 블레이드 및 블레이드의 세트(6, 7, 8)가 부착되어 있는 중앙 샤프트(9)를 구동시킨다. 이러한 예에서는, 3개의 블레이드 세트(6, 7, 8)가 마련되어 있지만, 각각의 세트에서의 블레이드의 개수와 함께 세트의 개수, 그리고 블레이드의 구성 각도는, 터빈 구성요소(5)에서 가스가 체류하는 압력뿐만 아니라 유랑에 따라 선택될 수 있다. 중앙 샤프트(9)는 출력부로서 작용하며, 기어 박스를 통해, 구동될 기계적 구성요소에 연결될 수 있다.

이러한 예에 있어서, 상기 중앙 샤프트는, 제어 구성요소(11 및 12)에 링크(link)되어 있는 발전기(10)에 연결된 것으로 도시되어 있다. 이러한 제어 구성요소는 발전기(10)로부터 전기 동력을 받아들여 중앙 샤프트(9) 상에서의 출력 부하, 발전기(10)의 작동 출력을 제어할 수 있으며, 또한 잠재적으로 발전기(10)로부터 발생되는 전기의, 압축기(3)에 대한 피드백을 제어할 수 있고, 엔진의 에너지 효율을 극대화하기 위해 엔진의 전체적인 작동 출력을 역시 제어할 수 있다. 추가적으로 또는 대안으로, 발전기(10)는 압축기(3)에 기계적으로 연결될 수 있으며, 이에 따라 발전기는 압축기(3)을 기동시키기 위한 모터로서 작동할 수 있다. 또한, 발전기(10)로부터의 구성요소 및 터빈 구성요소는, 크기를 감소시키기 위해 그리고 이들 2가지 구성요소의 연결과 관련된 기계적인 손실을 감소시키기 위해 단일 유닛으로 통합될 수 있다.

일례에 있어서, 발전기는 400 Hz로 AC를 발생시켜 높은 효율을 제공하며, 또한 표준 전기 구성요소와 함께 사용할 때 AC를 50 Hz로 강하시키기 위한 스텝핑 구성요소(stepping component)를 갖는다.

터빈 블레이드 세트(6, 7, 8)를 가로지른 이후에, 이제 훨씬 더 낮은 압력이 된 상기 가스는 터빈 구성요소(5)로부터 응축기(13)를 통해 빠져나간다. 이러한 예에 있어서, 상기 응축기는 일련의 파이프이며, 가스의 팽창 이후에 남아있는 가스 내의 잔열을 소산시킨다. 일례에 있어서, 응축기(13)는 열 교환기로서 작용할 수 있으며, 이에 따라 열 에너지가 응축기에서 회수될 수 있고 잠재적으로 다른 형태의 에너지, 더 잠재적으로는 전기 에너지로 변환될 수 있으므로, 엔진의 전기적 출력의 효율을 개선시키거나 또는 실제로 제어 구성요소에 대한 혹은 압축기(3)에 대한 공급을 제공한다. 이후 응축기(13)의 출력물은 추가적인 압력 저감 구성요소(14)를 통해 공급되는데, 이는 선택적인 것이며, 응축기의 상기 출력물은 체크 밸브(15)를 통해 공급되는데, 이 역시 선택적인 것이며, 응축기의 상기 출력물은 다시 압축기(3)에 의해 한 번 더 압축된다. 체크 밸브(15)는 단일 방향으로의 가스 유동을 보장하며, 특히 시동 중에 시스템을 통한 가스의 정확한 유동을 보장하는 데 도움을 줄 수 있고, 가스의 유동을 통해 엔진의 출력을 조절하는 데 사용될 수 있으며, 이에 따라 엔진의 효율을 최적화시킨다.

체크 밸브(15)는 또한 그 작동 효율을 최적화시키기 위해 압축기(3)를 가로지르는 차압을 조절하는 데 사용될 수 있다.

릴리프 밸브(relief valve)(도시되어 있지 않음)는, 안정상의 이유로 필요한 경우, 원치 않는 압력 형성을 해제시키기 위해 유체 회로 내의 적절한 지점에 배치될 수 있다.

작동의 일례에 있어서, 압축기(3)를 가로지르는 차압은 피동 가스로서의 CO₂와 함께 대략 22 바아로 제어된다(압축기 입력부에서 30 바아이고 압축기 출력부에서 52 바아임).

도 2는, 개략적인 형태로, 엔진(1)을 통한 가스의 유동을 도시한 것이며, 여기서는, 대응하는 도면부호를 갖는 도 1에서 개괄된 바와 같이, 폐쇄형 회로에서의 가스의 위치가 관련 구성요소 내에 있다. 이로부터, 회로에서의 가스의 손실은 무조건 최저임을 알 수 있으며, 이는 회로 내에서 사용되는 가스를 소모시키지 않으면서 전체적으로 엔진에서의 가동 부품을 최소화하고 극히 낮은 환경 손상을 나타내는 상태에서 가스가 장기간에 걸쳐 순환될 수 있다는 것을 의미한다.

이상으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 압축기(3) 및 압축기 유출구(4)를 통한 압축기 출력의 간단한 제어에 의해, 발전기(10)는 높은 수준의 효율로 그리고 최소한의 개수의 가동 부품으로 엔진(1)의 출력을 최적화하도록 동력을 공급받을 수 있어서 유지보수를 완화시키고 작동을 개선시킨다. 이러한 구성은, 엔진을 작동시킬 때 엔진의 소음 출력이 최소가 되게 하는 것이며, 압축기(3)의 적절한 작동을 통해, 발생된 전기의 압축기(3)에 대한 피드백을 통해, 그리고 교환기(13)로부터의 적절한 에너지 회수뿐만 아니라 체크 밸브(15)의 적절한 제어를 통해, 최소한의 적응 상태에서 광범위하고 다양한 파워 출력을 나타내도록 엔진이 제어될 수 있게 하는 것이다.

Claims (7)

1. 압축기;
   압축 가스가 상기 압축기에 의해 유체 회로를 통해 구동될 수 있도록, 상기 압축기의 유입구 및 유출구에 연결되는 폐쇄형 유체 회로;
   상기 유체 회로를 통해 상기 압축기의 유출구와 연결되고, 사용 시에 엔진의 출력부로서 작용하는 회전 샤프트에 연결된 적어도 하나의 세트의 터빈 블레이드를 포함하는 터빈 구성요소;
   상기 터빈 구성요소를 통과한 유체 회로 내의 유체를 수용하고, 압축 가스의 온도 및 압력을 저하시키도록 구성되는 응축기로서, 상기 응축기의 유출구는 상기 압축기의 유입구에 연결되는 것인 응축기;
   상기 회전 샤프트에 연결되는 발전기로서, 상기 발전기에 의해 발생되는 전기의 적어도 일부는 상기 압축기에 동력을 공급하는 데 사용되는 것인, 발전기; 및
   상기 발전기에 연결되고, 상기 압축기에 대한 상기 발전기에 의해 발생된 전기의 피드백을 제어하는 제어 구성요소
   를 포함하는 엔진.
2. 제1항에 있어서,
   상기 응축기의 유출구와 상기 압축기의 유입구 사이에 위치하고, 가스를 오직 응축기로부터 압축기로 향하는 방향으로만 유동하도록 허용하게 구성되는 체크 밸브를 더 포함하는 엔진.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 터빈 구성요소는 복수 개의 세트의 터빈 블레이드를 포함하며, 각각의 터빈 블레이드는 상기 회전 샤프트에 부착되는 것인 엔진.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 압축 가스는 이산화탄소 또는 암모니아 중 하나인 것인 엔진.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   응축기로부터 열 에너지를 회수하기 위해 그리고 엔진으로부터의 추가적인 에너지 출력을 제공하기 위해 응축기와 관련되는 에너지 회수 수단
   을 더 포함하는 엔진.
6. 삭제
7. 삭제

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