KR200335489Y1 - 교호식 나선터널형 터빈을 가진 내연기관 - Google Patents

Abstract

본 고안은 내연기관의 개선에 관한 것으로, 특히 교호식 나선터널형의 기체 통로를 통해 압력을 가진 기체를 통과시켜 터빈의 고속회전을 이루어 내고 이로써 터빈 축을 회전시켜 작동되도록 구성된 내연기관으로서 기관의 구성이 매우 간단하면서 기계적 손실이 적어 고효율, 고출력을 제공하는 새로운 타입의 내연기관에 관한 것이다.

본 고안은 전후의 직경이 다른 원뿔대 형태의 몸통(11)을 가지고 그 몸통(11)의 표면측 영역에 교호식 나선터널형의 기체 통로(12)를 형성하여서 된 터빈(10)을 마련하여 이 터빈(10)을 장치한 축(20)을 기관동체(30)에 회전자재로 축설치하고, 상기 축(20)상의 일측에 상기 터빈(10) 앞쪽의 연소실(40)로 압축공기를 만들어 공급하는 압축기(50)를 배치하여서 된 구성을 특징으로 하는 교호식 나선터널형 터빈을 가진 내연기관을 제공한다.

Description

교호식 나선터널형 터빈을 가진 내연기관{IMPROVEMENT IN INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH TURBINE HAVING SPIRAL GAS PASSAGE}

본 고안은 내연기관의 개선에 관한 것으로, 특히 교호식 나선터널형 기체 통로를 가지고 이 통로를 통해 고압 기체를 통과시켜 고속회전되어지는 교호식 나선터널형 터빈을 가지는 경량, 고효율, 고출력의 내연기관에 관한 것이다.

종래에 널리 사용되고 있는 터빈 기관은 크게 두 종류로서, 첫째 연속연소가스터빈(continuous combustion turbin)과 폭발터빈(explosion turbin)의 두 종류가 있으나 후자인 폭발터빈은 작동이 연속적이지 못하여 효율이 낮고 복잡한 장치등으로 사용이 거의 없는 추세이며, 대부분의 터빈 기관은 전자인 연속연소가스터빈으로서 압축, 연소, 팽창이 왕복식 기관과는 달리 각각 이루어지고 고속회전 날개로 공기를 압축하여 연소실로 보내져 연속분사되는 연료에 의하여 연속연소가 일어나며 이 과정에서 얻어진 고온, 고압가스를 터빈에 보내서 회전일을 얻게 된다. 이러한 기존 터빈의 장점은 첫째 대용량 출력을 얻을 수 있으며, 둘째 비교적 저질연료사용이 가능하고, 셋째 진동과 연소성등에서의 운전의 안정성과, 넷째 왕복식 기관과 비교해 중량당 출력이 크다는 등의 이점이 있으나, 문제점 혹은 단점으로는 첫째 초고속 회전에 의한 기체 압축일에 에너지 소모가 너무 크고, 둘째 연소실의 온도를 터빈의 구조 때문에 일정이상 높일 수 없는 바, 이는 터빈에 들어가는 입구온도를 700℃ ~ 1000℃ 정도로 제한을 받기 때문이다. 또한, 셋째 대용량의 가스가 짧은 순간 터빈을 지나면서 일을 하므로 터빈의 출구온도가 높으며, 넷째 터빈의 구조상 냉각장치가 매우 어렵고, 다섯째 터빈의 날개가 고온, 고압 그리고 초고속회전등의 가혹한 응력 환경에서 구동되므로 최첨단 기술과 자재가 요구되고, 여섯째 회전수를 줄이면 효율이 급격히 떨어진다.

이상의 문제점들을 가진 기존의 터빈 기관은 결과적으로 디젤왕복 기관에 비하여 낮은 열효율을 낸다. 또한 소형화에도 어려움이 많으며 고속회전이어서 감속기등 부대장치를 요구하여 일반적 용도로 사용하기에는 우수한 장점들에도 불구하고 여러 제약이 따르는 문제점등이 있다.

본 고안은 이러한 배경에서 전술한 종래의 문제점 혹은 단점을 해소하는 것을 기술적 과제로 하여 연구고안된 새로운 타입의 내연기관으로서, 기존의 가스 터빈에 비하여, 첫째, 작은 가스 생산량으로 교호식 나선터널형의 충분히 긴 기체 통로를 통해 고온, 고압기체는 완전히 팽창하여 흡입때의 가까운 온도 상태로 배기하게 된다. 따라서 가스의 회전일효율이 매우 높고 상용속도의 운전이 가능하다. 둘째, 교호식 나선터널형 터빈의 구조조합은 매우 견고한 형태로서 비교적 저급한 기술과 재료로써 제작이 가능하며, 냉각작용 또한 냉각팬을 통하여 매우 용이하게 이루어진다. 이는 연소실의 연소 온도를 높이고 터빈의 입구온도를 상당히 높일 수 있어 열효율을 높이는 결정적 역할을 한다.

본 고안은 이러한 기술적 문제해결에 의해 종전의 기관보다 월등히 간단히 제작할 수 있으면서도 저속화, 소형화가 가능하고 높은 열효율을 얻을 수 있는 교호식 나선터널형 터빈을 가진 내연기관을 제공함에 그 목적이 있다.

도1의 (가)는 본 고안의 내연기관에 있어서 나선형 기체 통로를 가진 터빈의 측단면도, (나)는 정면도, (다)는 (가)의 A부분을 화살표방향으로 바라본 확대도,

도2의 (가)는 상기 터빈의 외주에 씌워져 설치되는 케이싱의 측면도, (나)는 정면도, (다)는 (가)의 B부분에 있어서의 터빈내 통로를 화살표방향으로 본 확대도, (라)는 (다)의 부분을 화살표방향으로 본 확대도,

도3은 상기 터빈을 사용하여 구성된 본 고안에 따른 내연기관의 전체 구성을 도식적인 방법으로 나타낸 측단면도,

도4는 본 고안의 내연기관에 있어서 터빈의 다른 가능한 설치구성례를 보인 도식적인 측면도,

도5는 본 고안의 내연기관에 있어서 터빈의 또 다른 가능한 설치구성례를 보인 도식적인 측면도.

* 도면중 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 터빈 11 : 터빈 몸통

12,12' : 나선형 기체 통로 13 : 기체 유입구

14 : 기체 배출구 15 : 안내벽부

16 : 케이싱 17 : 냉각 팬

20 : 축 30 : 기관동체

31 : 흡기구 32 : 배기구

33 : 급기통로 40 : 연소실

50 : 압축기 60 : 노즐

이하에서, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 고안을 첨부도면에 예시된 실시예를 참조하여 상세히 설명한다.

도1은 본 고안에 따른 내연기관에 있어서의 핵심적인 구성요소인 터빈(10)을나타낸 것인데, (가)는 터빈(10)의 측단면도이고, (나)는 터빈(10)의 정면도이며, (다)는 (가)의 A부를 화살표방향에서 바라본 확대도이다.

상기 터빈(10)은 전후의 직경이 서로 다른 원뿔대 형태의 몸통(11)을 가지고 그 몸통(11)의 표면측 영역에 예컨대 일반적인 볼트의 나사홈을 형성하는 것과 같은 방식으로 2줄 이상의 나선형 홈을 형성하여 이 홈이 나선상으로 연속된 기체 통로(12)를 이루도록 하여 구성된다.

상기와 같이 형성되는 나선형 기체 통로(12)의 앞쪽에는 압력을 가진 기체가 유입되는 유입구(13)가, 뒷쪽에는 상기 통로(12)를 거쳐 흐른 기체가 후방으로 배출되는 배출구(14)가 자리하게 되는데, 고속회전시 터빈(10) 전체의 무게중심이 맞도록 제작하고 터빈 몸통(11)의 직경이 큰 쪽으로 갈수록 상기 나선형 기체 통로(12)의 깊이와 폭이 점차 더 크게 되도록, 즉 기체 통로(12)의 단면적이 유입구(13)에서부터 점점 커져 배출구(14)쪽에서 가장 커지게 제작한다.

상기 통로(12)의 양측에는 이 통로(12)를 이루는 나선형의 안내벽부(15)가 존재하게 되는데, 이 안내벽부(15)는 도1 (다)의 확대도에서 보여지는 바와 같이 지그재그 형태로 교호로 굴곡지게 형성하되 가스의 진행방향에 따라 이 교호된 벽부(15)의 간격과 폭이 압력가스의 일량에 맞추어 함께 커져 가도록 제작 착설하고, 상기 통로(12)를 지나는 기체(G)가 상기 안내벽부(15)의 안내를 받아 교호적인 방향으로 나아가면서 터빈의 회전우력을 일으키게 만든다.

상기와 같이 구성된 터빈 몸통(11)의 외주에는 이 터빈 몸통(11)과 상응하는 원뿔대 형태의 케이싱(16)(도2 참조)을 씌워 고정시켜 터빈을 완성한다. 이렇게 제작된 터빈은 상대적으로 저급한 재료와 기술로 제작이 가능하며 고온, 고압에 응하는 매우 강한 구조(도2의 (다), (라)참조)로 되며, 터빈의 케이싱(16)에 착설된 냉각팬(17)에 의하여 강하게 냉각된다.

도3은 상기와 같이 나선형의 기체 통로(12)를 가지도록 구성된 터빈(10)을 사용하여 만든 본 고안에 따른 내연기관의 전체 구성을 도식적인 방법으로 나타내 보인 것인데, 여기에 예시된 바와 같이 본 고안의 내연기관은 기관동체(30)의 대략 중앙부를 가로질러 상기 터빈(10)을 장치한 축(20)을 회전자재로 축설치하고, 이 축(20)상의 일측에는 상기 터빈(10) 앞쪽의 연소실(40)로 압축공기를 만들어 공급하는 압축기(50)를 설치하여 구성된다.

상기 기관동체(30)의 적소에는 흡기구(31)와 배기구(32)가 형성구비되고, 또 압축기(50)로부터의 압축기류가 상기 연소실(40)의 적소로 공급되도록 하기 위한적정의 급기통로(33)가 마련된다. 또한, 상기 연소실(40)내의 적소에는 연료를 연속공급하여 연소시키는 노즐(60)이 배치된다.

작용에 있어서, 상기 본 고안에 따른 내연기관의 작동은 압축기(50)의 기동으로부터 개시되는데, 처음에 상기 압축기(50)를 예컨대 전기 모터나 압축공기와 같은 수단으로 회전작동시키면 이 압축기(50)로부터의 압축공기가 연소실(40)로 공급되고, 이때 상기 연소실(40)내의 노즐(60)을 통해 연료를 연속 분사하면서 착화 시키면 연료의 분사 및 압축기(50)로부터의 압축공기의 연속적 공급에 의한 연속적 연소가 진행되면서 고온, 고압의 기체가 지속적으로 생성되어지게 되며, 이와 같이 생성된 고온, 고압의 기체는 전술한 바와 같이 터빈(10)에 형성되어 있는 교호식 나선터널형 통로(12)를 따라 고속 진행된 후 배기구(32)쪽으로 배출되어진다.

상기와 같이 터빈(10)의 나선형 통로(12)내를 고속 진행하는 기체는 상기 통로(12) 양측에 지그재그 형태로 형성되어 있는 안내벽부(15)에 교호적인 방향으로 부딪치면서 나아가게 되면서 안내벽부(15)에 대한 충격력의 총합으로 터빈(10) 전체에 대한 회전우력을 일으키게 되고, 이러한 터빈(10)의 회전우력은 이 터빈(10)을 고정하고 있는 축(20)의 강력한 회전으로 나타나게 된다.

상기와 같이 터빈(10)을 회전시키면서 터빈(10)을 통과한 기체는 배기구(32)를 통해 외부로 방출되어진다.

상기 본 고안의 내연기관에 채용되는 압축기(50)는 본 고안자에 의한 특허출원 제2003-50194호에 소개되어 있는 바와 같은 회전형 가변익을 가진 압축기를 이에 적용하는 것이 특히 바람직하다.

도4는 본 고안에 있어서 상기 터빈(10)의 다른 가능한 설치구성례를 도식적인 방법으로 나타낸 것인데, 이는 한 축(20)상에 두개의 터빈(10)을 도시된 바처럼 서로 마주보게 설치하고 상기 두 터빈(10)의 중앙부에 전술한 바와 같은 기능을 하는 연소실(40)을 설치구비하도록 하는 것이다. 연소실(40)에서 연속적인 연소에 의하여 발생된 다량의 고온, 고압가스는 터빈(10)의 축(20) 방향으로 엄청난 압력을 가하게 되는데 이것은 기관의 수명과 고장의 원인이 된다. 따라서 축(20) 양쪽에 대칭이 되도록 터빈(10)을 착설함으로써 측압이 상쇄되도록 함과 동시에 이 경우는 연소실(40)로부터의 고온, 고압 기체가 연소실(40) 양쪽 터빈(10)으로 동시에 분배공급되어 터빈(10) 및 축(20)의 회전이 이루어지게 되기 때문에 기관의 출력이 배가될 수 있는 장점이 있다.

도 5는 본 고안에 있어서 상기 터빈(10)의 또 다른 가능한 설치구성례를 도식적인 방법으로 나타낸 것인데, 이 경우는 터빈 몸통(11)의 외측에 서로 다른 기체진행방향의 나선형 통로(12)(12')가 이중(또는 다중)으로 설치되어 터빈을 이루도록 한 것이다. 이 경우는 연소실로부터의 기체가 터빈의 가장 바깥쪽 나선형 통로(12’)를 지난 후 진행방향을 바꾸어 다시 그 안쪽 나선형 통로(12)를 지나가되 기체의 회전방향은 같으며 이것은 고온, 고압가스가 회전일을 하는데 가장 적합한 기체통로 길이를 착설하는데 필요한 터빈의 길이가 짧을 때 터빈(10) 전체의 전후길이(도면상 좌우길이)를 짧게 하여도 터빈을 통한 필요한 기체흐름 거리를 이루어 낼 수 있고, 이로써 기관을 좀더 콤팩트하게 설계구성할 수 있다.

상술한 바와 같이 구성, 작동되는 본 고안의 내연기관은 종래 일반의 피스톤 왕복운동식 내연기관에 비해 기관의 구성을 훨씬 더 간단하게 할 수 있으면서 기계적 손실이 매우 적은 작동구조로 높은 작동효율을 제공하는 장점이 있다. 또한, 종래의 가스 터빈에서의 결함 사항인 터빈의 입구온도와 출구온도의 차이가 적으며, 최첨단의 기술과 자재를 요구하고, 일반적으로 대형구조이며 고속회전등의 문제점들을 극복하여 본 고안의 기관은 구조적 견고성과 우수한 냉각능력을 제공할 뿐 아니라 일반적 기술로써 용이하게 제작사용될 수 있고 또 전체적으로 열효율이 높고 소형화할 수 있을 뿐만 아니라 훨씬 높은 온도로 연속 연소를 함으로써 보다 완전연소에 가까운 연소가 가능하며 다양한 연료를 사용할 수 있는 특징이 있다.

이러한 본 고안에 따른 내연기관의 장점을 요약해 보면, 본 고안은 터빈형 내연기관으로서 기관의 구성을 매우 소형으로 할 수 있으면서 고출력을 제공하고, 구성부품수가 적고, 고장률이 낮고, 연료량의 조절로 고속회전과 저속회전이 용이하며, 제작 또한 용이한 것등의 장점이 있는 것이다.

Claims (5)

1. 전후의 직경이 서로 다른 원뿔대 형태의 몸통(11)을 구비하여 이 몸통(11)의 표면측 영역에 두줄 이상의 나선형 기체 통로(12)를 형성하고, 상기 통로(12)를 통해 압력을 가진 기체를 통과시켜 몸통(11)의 회전력을 일으키고 이로써 몸통(11) 중심부의 축(20)의 회전이 이루어지도록 구성된 터빈(10)을 포함하는 구성을 특징으로 하는 교호식 나선터널형 터빈을 가진 내연기관.
2. 제1항에 있어서 상기 터빈(10)의 나선터널형 기체 통로(12)를 이루는 안내벽부(15)가 교호적인 방향으로 굴곡지게 형성되어 있고 또 터빈(10)의 가스입구부에서 배출구쪽으로 진행할수록 기체 통로(12)의 단면적이 일정한 규칙에 의하여 점진적으로 커지도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 교호식 나선터널형 터빈을 가진 내연기관.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 터빈(10)의 외주에 케이싱(16)이 결합고정되고,상기 케이싱(16)에 냉각팬(17)을 착설하여 구성된 것을 특징으로 하는 교호식 나선터널형 터빈을 가진 내연기관.
4. 제1항 또는 제2에 있어서, 상기 터빈(10)을 한 축(20)상에 두개를 서로 마주보게 설치하고, 상기 두 터빈(10)사이의 중앙부에 연소실(40)을 설치구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 교호식 나선터널형 터빈을 가진 내연기관.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 터빈(10)이 서로 다른 기체진행방향의 교호식 나선터널형 기체 통로(12)(12')를 다중으로 설치구비하되 기체회전방향을 같게하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 교호식 나선터널형 터빈을 가진 내연기관.