KR20040097968A - 로터와 함께 회전하는 세라믹 연소기와 분사 노즐이 있는가스터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스터빈 엔진의 구성과 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열효율을 높이기 위해 종래의 기술보다 더욱 고온의 연소가스로 작동할 수 있는 터빈 로터와 부속 장치에 관한 것이다.

본 발명은 터빈 로터의 동체 내부에 다수의 세라믹 연소기들과 세라믹 분사 노즐들을 장치하고 있고, 취약한 세라믹을 보호하는 구조물을 장치할 수 있고, 세라믹 연소기들과 세라믹 노즐들이 터빈 로터와 함께 회전하며 압축공기와 연료를 공급받는 장치가 있고, 터빈의 회전 반대 방향 혹은 비행 추력 방향과의 벡터 방향으로 2,000℃의 연소가스를 노즐로 분사할 수 있어, 분사 반동으로 회전 동력과 비행추력을 얻을 수 있고, 배기된 연소 가스를 노즐 회전 궤도에 장치한 유로를 흐르게 하여서 터빈을 회전 시킬 수도 있고, 비행 추진 에너지로 전환시킬 수도 있는 특징이 있다.

본 발명의 효과는 열효율이 높은 가스터빈 엔진을 만들 수 있어, 에너지 절약과 공해방지에 효과가 있으며 경제성이 우수하다.

Description

로터와 함께 회전하는 세라믹 연소기와 분사 노즐이 있는 가스터빈 {The gas turbine have ceramics combustors ＆ ceramics jet nozzles turning with rotor}

본 발명은 가스터빈 엔진의 회전 동력을 얻는 터빈 로터와 그 부속 장치에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 종래의 기술보다 더욱 고온의 작동 온도를 가진 연소가스를 분사하여 그 반동으로 회전동력을 얻는 열효율이 높은 터빈 로터에 관한 것이다. 종래의 기술에 있어 터빈 로터는 축류터빈과 원심터빈 2 종류로 구분하고 있으며, 터빈의 역할은 연소기와 노즐과 정익으로부터 연소가스를 공급받아 축류터빈의 블레이드와 원심터빈의 베인을 통과하는 연소가스의 팽창하는 반동력 또는 팽창된 가스의 운동력에 의한 충동력을 회전력으로 바꾸는 것이다.

종래의 기술에 있어서 가스터빈 엔진은 열효율을 높이기 위해 연소가스의 터빈 입구 온도를 높이려는 시도를 수십년 동안 진행하고 있으며. 초기에는 금속재료 터빈을 사용하여, 가스터빈의 입구 연소가스 온도는 강철의 내열 한계로 750℃ 수준에서 작동하였으나, 최근에는 소형 가스터빈 분야에서 세라믹 재료로 만든 터빈을 사용하여 터빈 입구의 온도를 1,350℃까지 상승시켜 열효율 42%를 달성하고 있으며, 만일 2,000℃로 터빈 입구의 온도를 높인다면 열효율은 더욱 높아질 수 있지만 종래의 기술로는 불가능한 상태이다.

종래의 기술에 있어, 연소가스의 작동 온도를 높이지 못하는 원인은 금속 재료의 터빈과 세라믹 재료의 터빈이 1,400℃ 이상 2,000℃ 의 고온의 연소가스에서 고속으로 회전하면, 고온과 회전하는 원심력과 응력에 동시에 노출됨으로 인해, 터빈의 금속 재료가 열화 되고, 용융되고, 피괴되며, 세라믹의 성분도 분해되거나, 파괴되는 문제점이 있기 때문이다.

세라믹의 종류 가운데는 2,000℃ 로 작동할 수 있는 연소기와 노즐로 만들어 사용할 수 있는 것이 있지만, 그런 세라믹 재료도 축류 터빈의 블레이드로 만들거나 원심터빈의 베인 로터로 만들면 마하 이상의 속도로 회전하기 때문에 원심력과 응력을 견디지 못하여 사용하지 못하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 가스터빈의 연소가스의 작동 온도를 높혀 효율을 증대하기 위한 여러가지 기술을 가지고 있다.

본 발명의 터빈로터는 종래 기술의 축류식 터빈이 아니며, 원심식 터빈도 아니며, 연소가스를 공급받아 터빈 블레이드가 회전하고 있지도 않다.

본 발명의 터빈 로터는 종래의 기술과 다른 구조와 방법으로 작동하고 있다.

본 발명은 고속으로 회전하는 터빈로터에 회전 접촉을 하며 압축공기와 연소에 필요한 연료를 공급하는 장치를 가지고 있다.

본 발명의 터빈 로터는 내부에 세라믹 연소기들과 세라믹 분사 노즐들을 장치하고 있어, 연소 가스를 생산하고 고온 고속으로 분사하여 반동으로 회전 동력을 얻고 있다.

본 발명의 터빈 로터는 종래 기술과 달리 터빈 로터의 내부와 외부가 고온에 노출되지 않도록 구성되어 내열성이 요구되지 않으므로, 티타늄 또는 강철 같이 내열성은 떨어지지만 강한 재료로 만들수 있으며, 이러한 구조를 통해 로터 내부에 장치되어 있는 세라믹 연소기들과 세라믹 노즐들을 원심력과 응력으로부터 보호할 수 있으므로, 세라믹 연소기들과 세라믹 노즐들은 2,000 ℃ 의 연소가스로 작동할수가 있다.

본 발명은 고속으로 분사된 배기가스를 유도하는 유로를 통하여 다른 터빈을 회전시킬 수도 있고, 비행 추력으로 전환할 수도 있는 장치가 있다.

도 1은 로터와 함께 회전하는 세라믹 연소기와 분사 노즐이 있는 가스터빈의 로터내부와 외부의 구성과 장치에 대한 개념도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1: 터빈로터 원주 2: 회전축 3: 세라믹 연소기의 연소실 4: 압축공기 유로

5: 압축공기 구멍 6: 세라믹 구조물 7: 가스연료 혹은 연료혼합기 주입로

8: 세라믹 연소기와 분사 노즐을 보호하는 마운트

9: 세라믹 연소기의 벽 구조물 10: 세라믹 분사 노즐 장치

11: 세라믹 분사노즐의 배기구 12 : 배기가스 유로

13: 배기가스 유로 장치 14: 압축공기 공급장치 15: 가스연료 혹은 연료혼합기 공급 장치 16: 에어 베어링 장치 17: 베어링 장치 마운트 겸, 연소에 필요한 물질을 공급하는 장치의 마운트 18: 오일 메탈 베어링 혹은 볼 베어링 장치

19: 열교환된 압축공기의 고온으로부터 회전축을 보호하는 세라믹과 연료용 유로

본 발명이 강구한 수단과 구성과 작용을 함께 상세히 기재한다면, 본 발명의 터빈 로터는 중심에 고정된 회전축이 있고, 회전축을 지지하는 에어베어링 혹은 오일 메탈베어링 혹은 볼베어링 장치가 있는 마운트가 있고, 마운트를 통과한 회전축은 압축기의 회전축 또는 동력의 출력축이 될 수 있다.

본 발명의 터빈로터의 외부와 내부는 내부의 세라믹 장치들을 견고하게 보호할 수 있는 재료로 제작하고 있다.

터빈 로터의 동체는 회전축을 고정할 수 있는 마운트가 있으며, 터빈 로터는 내부에 2 개 이상 다수의 세라믹 연소기들과 세라믹 노즐들을 장치할 수 있고, 소형 기관의 경우는 2 개의 세라믹 연소기와 세라믹 노즐 만을 장치할 수도 있으며, 대형 기관일수록 다수의 세라믹 연소기들과 다수의 세라믹 노즐들을 장치할 수 있다.

각각의 세라믹 연소기들은 세라믹 연소기들을 원심력과 응력으로부터 보호하는 마운트들에 장치할 수 있고, 세라믹 연소기의 원심 방향 쪽 끝부분에는 세라믹 분사노즐을 장치하고 있고, 세라믹 노즐들은 보호하는 마운트에 장치할 수 있다.

연소기들과 부속 장치들, 분사 노즐과 부속 장치들은 회전 밸런스를 맞추고 진동을 방지하기 위해 상호 대칭적인 짝수로 장치하고, 각각의 구조와 치수와 중량을 동일하게 제작하고, 연소기들이 균일한 압력하에서 연소하기 위해 연소기들의 사이에 연소가스가 순환할 수 있는 통로를 만드는 것이 바람직하다.

본 발명에는 로터와 함께 회전하는 연소기에 압축공기와 연료를 공급하는 장치가 있어, 회전 접촉을 하며 압축공기의 압력을 유지하도록 밀폐 시일을 하고 있고, 회전축 방향으로 일방향 혹은 양방향으로부터 공급하는 장치를 할 수도 있고, 압축공기와 열교환된 압축공기를 용도에 따라 공급 받을 수 있고, 연료 혼합기 또는 가스상의 연료 혹은 액체상의 연료를 공급 받을 수 있고, 금속 혹은 세라믹으로 만든 유로를 장치할 수 있으며,

회전접촉하며 압축공기와 연료를 공급하는 장치는 공급하는 유로를 다양한 형태로 장치할 수 있어, 회전축을 중심으로 한 유로를 장치하고 연료를 분사하여 혼합하는 방법, 압축공기와 연료를 별도의 유로를 통해 공급하는 방법, 압축공기와 열교환된 압축공기와 가스연료 혹은 액체연료, 혹은 연료 혼합기를 별도의 유로를 통해 공급하는 방법 등 다양할 수 있지만, 에어베어링 장치를 겸한 공급장치가 가장 바람직한 것은 압축공기의 유실이 작고 구조가 간단해질 수 있기 때문이다.

본 발명의 터빈 로터는 내부에 다수의 세라믹 연소기 장치들이 있어, 각각 연료 혹은 연료 혼합기와 연소용 압축공기의 유로가 있고, 연소가 이루어지는 공간이 있고, 연소기 내부로 연소용 공기가 진입하는 구멍들이 있고, 연료 혼합기의 유로가 끝나는 부위에서 연소공간이 시작하고 있고, 연소기들의 사이를 연결하는 연소가스 유로가 있고, 연소기의 끝 부분에는 필요한 경우 냉각용 공기를 연소기 내로 주입하여 냉각하는 장치를 할 수도 있고, 각각의 연소기의 끝 부분에는 터빈 로터의 회전원주의 회전 반대 방향 또는 비행 추력의 벡터의 방향으로 분사하는 세라믹으로 된 연소가스 분사 노즐을 장치할 수 있고, 노즐은 노즐 용 마운트에 장치할 수 있다.

본 발명에는 배기가스를 다른 터빈 또는 비행추력장치로 흐르게 하는 세라믹으로 만든 배기가스 유로 장치가 있다.

본 발명이 작동하는 방법을 기재한다면,

회전 접촉하며 압축공기와 연료를 공급하는 장치로부터 터빈 로터 내부로 들어간 연료 혹은 연료혼합기와 연소용 압축공기는 각각 세라믹 연소기로 들어가고 있고, 연소기로 들어간 연료 혹은 연료 혼합기는 연소용 압축공기와 혼합하고 점화하여 연소를 시작하고, 연소기의 끝부분으로 갈수록 연소기 벽면의 공기 구멍을 통해 들어가는 연소용 압축공기의 양이 증가하고, 완전연소가 이루어져서 2,000℃ 고온이 될 수도 있고, 연소기들 사이에는 연소가스가 출입할 수 있는 통로를 만들고 있어 각 연소기들이 균일한 압력하에서 연소를 할 수 있고, 완전 연소된 가스는 연소기 끝부분에 장치하고 있는 세라믹 분사 노즐로 들어가서 고속으로 분사하여 반동작용으로 터빈 로터를 회전시킬 수 있고, 배기된 배기가스는 분사노즐의 회전궤도에 있는 배기가스의 흐름을 유도하는 유로를 따라 흘러서 비행추력을 얻는 장치로 들어가서 배기가스 단독으로 비행 추력을 낼 수도 있고 공기와 원하는 비율로 혼합하여 비행 추력을 증가하여 배기 할 수도 있고, 혹은 다른 터빈을 구동 시키고 대기로 방출되든지 혹은 열교환기를 통과한 후에 대기 중으로 방출될 수도 있다.

세라믹 연소기의 상부는 연소용 압축공기에 의해 연소기의 고온으로부터 보호되며, 연소기의 하부는 필요에 따라 냉각용 압축공기에 의하여 고온으로부터 보호될 수도 있고, 세라믹 분사 노즐도 필요에 따라 냉각용 압축공기에 의해 고온으로부터 보호될 수 있으며, 분사 노즐은 크기가 작고 마운트 속에 안전하게 장착할 수 있으므로 2000℃ 이상의 고온에 견디는 특수한 세라믹으로 제조할 수도 있다.

본 발명은 하나의 가스터빈 엔진에 하나의 터빈로터 혹은 다수의 터빈 로터를 사용할 수도 있고, 본 발명의 터빈 로터는 압축기 구동용, 터빈 또는 팬 또는 프로펠러 구동용 터빈, 발전기용 터빈, 축 동력용 터빈 등 다양한 용도로 사용할 수 있다.

본 발명의 구성을 장치한 가스 터빈 엔진은 연소가스 작동온도가 높아서 열효율이 높고 따라서 연소가스의 배출량이 적으므로 공해 방지에 크게 도움이 되며, 에너지 자원이 절감 되며, 사용자에게 경제적인 이득이 크다.

Claims (3)

1. 가스터빈 엔진의 터빈 로터가 있어, 터빈 로터는 내부에 장치하여 함께 회전하는 2 개 이상 다수의 세라믹 연소기들과 2 개 이상 다수의 세라믹 분사 노즐들을 장치하고 있고, 회전 접촉하며 공급하는 장치를 통하여 연소기에 필요한 압축공기와 연료 혹은 연료 혼합기 등을 공급 받아 고온의 연소를 할 수 있고, 고온의 연소가스를 고속 분사할 수 있어, 회전력과 비행 추력을 발생시킬 수 있고, 분사 배기된 가스는 분사노즐의 회전 궤도에 장치된 배기가스 흐름을 유도하는 유로를 따라 흘러서 다른 터빈을 회전시킬 수도 있고, 배기 가스만으로 혹은 배기가스와 공기를 혼합하여 비행추력으로 전환할 수도 있는 구성과 장치.
2. 제 1항에 있어서, 연소기에 필요한 압축공기와 연료를 공급받으며 회전하며 접촉하장치가 있어 이 장치가 베어링의 역할까지 겸하는 것.
3. 제 1항에 있어서 터빈 로터의 내부에 세라믹 연소기들과 세라믹 분사노즐들을 세라구조물들을 원심력과 응력으로부터 보호하는 구조물과 마운트를 장치하는 것.