KR20050023336A - 궤도 연소 노즐 엔진 - Google Patents

Abstract

동시 회전 압축기와 비회정 압축기 외측 케이싱내에 감싸지는 노즐 윌을 포함하고 회전 연소실을 형성하는 회전 조립체를 갖는 궤도 연소 노즐(OCN) 엔진이 개시되어 있다. 연소는 회전 조립체와 동일한 각 속도로 회전하는 가스의 소용돌이 상태의 연소실에서 이루어 진다. 터빈 휠 또는 노즐 휠과 같은 회전 휠의 블래이드를 냉각시키는 방법이 개시되었는데, 블래이드와 함께 회전하는 노즐로부터 베인의 기저부에 냉각 공기를 분출 시킴으로써 이루어 진다. 그러한 냉각은 신규한 관상 연소기의 사용으로 OCN 엔진에서 용이하게 보완된다. 또한, 연소실 압축기의 사용으로 축 방향 후방 흐름에 대항하는 방법이 개시되어 있다.

Description

궤도 연소 노즐 엔진{ORBITING COMBUSTION NOZZLE ENGINE}

본 발명은 엔진에 관한 것으로, 특히 비회전 외측 케이싱 내에 감싸지는 동시회전 압축기와 압축기 구동 노즐 휠을 포함하고 따라서 회전하는 연소실을 형성하는 회전 조립체를 갖는 엔진에 관한 것이다.

도 1에 도시한 종래 터빈 엔진(10)에서, 하나 또는 그 이상의 비회전 연소실(12)은 압축기(14)와 터빈(16) 사이에 발견된다. 압축기 회전자(18)와 터빈 휠(20)은 공동 회전축(22)에 부착되어 있다. 엔진(10)의 작동 동안 압축기(14)는 공기를 엔진(10)내로 연소실(12)을 향하여 가압한다. 압축기(14)의 비회전 터미널 고정자 베인(24)은 고압의 공기를 일반적으로 디퓨저 또는 확산 장소라 불리우는 곳을 통해 연소실(12)로 정향한다. 연소실(12)에서 연료는 고압공기와 혼합된다. 연료-공기 혼합물은 연소하고 방출 열의 결과로서, 배출물은 터빈(16)을 통해 외부로 팽창한다. 터빈(16)의 연속하는 장소에서, 터빈(16)의 고정 노즐 가이드 베인(30)은 터빈 휠(20)의 터빈 블레이드(32)의 열(row)에서 배출가스를 가속하고 재지향한다. 고속배출가스가 터빈 블레이드(32)를 타격하고 압축기 회전자(18)를 구동하는 축(22)을 회전시키는 터빈 휠(20)에 토오크를 유발한다.

10과 같은 종래 터빈 엔진의 취약점은 터빈에 있다. 고효율과 고출력은 터빈 블레이드(32)에서 노즐 가이드 베인(30) 사이로부터 고온 고속 가스 제트를 정향함으로써 달성되고, 터빈 휠(20)의 빠른 회전에 의존한다. 터빈 블레이드(32)의 기계적 응력과 열응력은 크기 때문에 엔진 효율은 터빈 블레이드(32)의 물성치에 의해 제한된다. 따라서 고속 가스 제트가 용이하게 얻어지는 경우에도, 터빈 블레이드의 단축된 수명때문에 이것들이 효율적으로 이용될 수 없다. 적절한 온도와 속도만을 갖는 가스 제트를 발생하도록 배출물을 희석하고 터빈 휠의 회전 속도를 제한함으로써 오랜 수명이 얻어질 수 있다. 이것은 저효율의 제한된 출력을 초래한다.

터빈의 이용으로 부과되는 제약을 해결하는 다수의 터빈리스 엔진(turbineless engine)이 설계되었는데, 예컨대 미국 특허 제2,465,856호, 제2,499,863호, 제2,594, 629호, 제3,200,588호 및 제6,295.802호를 참조한다. 이들 모든 터빈리스 엔진은 동력축을 중심으로 견고하게 배열되고 동력축에 대해 대략 수직하게 정향된 노즐을 갖는 다수의 연소실을 갖는다. 연소실에서 노즐을 통해 배출하는 배출물은 동력축을 중심으로 연소실을 구동하고 헤로의 회전장치(Hero's Aeolipile)와 유사한 방식으로 토오크를 발생시킨다. 이들 터빈리스 엔진은 여러 이유 중, 연소실의 위치로부터 발생하는 과격한 후프 응력(hoop stress)과 과도한 관성모멘트에 의해 대중성을 얻는데 실패했다.

미국 특허 제3,557,551호는 회전하는 노즐로부터 나오는 가스가 터빈을 타격하는 곳에서의 속도가 감소되는 터빈 엔진을 개시한다. 이를 위해, 연소실과 노즐은 노즐을 통해 이탈하는 가스의 결과로서 회전할 수 있도록 한다. 동시에, 노즐에서 이탈하는 가스는 터빈 블레이드를 타격하고, 연소실과 노즐이 회전하는 방향과 반대 방향으로 터빈 휠을 회전시킨다. 토오크가 양 회전으로부터 추출된다. 이 설계의 주요 단점은 전술한 터빈리스 엔진의 단점과 유사한데, 연소실(연소기 바구니라 칭함)은 심각한 후프 응력을 경험한다. 이 설계의 추가적인 단점은, 램 효과(ram effect)를 이용하여 공기를 연소실로 공급하고 결과적으로 심각한 공기역학적 유입 손실을 경험한다.

다른 설계, 이른바 로토제트(rotojet)는 국립항공자문위원회의 레즈버그, 이.에이.; 블랙시어, 피.엘.; 및 레일, 더블유.디. 연구 기록 RM E55K16에 의한, "Weight-flow and thrust limitations due to the use of rotating combustors in turbojet engine"에 개시되어 있다. 로토제트에서, 압축기 단계, 터빈 및 오프축 반응 노즐을 갖는 복수의 램제트와 같은 연소실은 서로 회전한다. 상술한 터빈리스 엔진에 유사하게, 별개 연소실("램제트")은 심각한 후프 응력을 경험한다.

10과 같은 종래 터빈 엔진의 다른 취약점은, 엔진의 열역학에 있다. 연소실(12)로 들어가기 이전에 비회전 고정자 베인(24)을 통해 압축기(14)를 유출하는 가스의 제동과 의해 터빈 휠(20)을 구동하기 위해서 노즐 가이드 베인(30)을 통해 가스가 팽창할 때 가스의 팽장때문에, 상당한 압력강하가 발생하고 실제 열역한 사이클은 브레이튼 사이클이 되는 것과 거리가 멀다(부록 참고). 따라서, 10과 같은 종래 터빈 엔진은 본질적으로 비효율적이다. 전술한 대안의 터빈 엔진 어느 것도 터빈 엔진의 열역학적 비효율에 대한 해결을 제시하지 못한다.

서로 관련되어 있는 미국 특허 제6,272,844호 및 미국 특허 제6,460,343호에서, 입구 압력강하를 감소하기 위해 입구 터빈 고정자 없는 터빈 엔진을 개시하고 있다. 이들 엔진에서 압축기 출구에 선회류 고정자(swirler stator)를 추가함으로써 압축기 출구 흐름의 일부에서 소용돌이가 생성된다. 이 해결은 압축기에서의 공기가 먼저 회전자 출구에서 확산되고 다시 선회류에서 팽창할 때, 추가로 압력이 감소해도 비효율적이다. 게다가, 연소실은 고정되어 있고, 추가 압력 강하가 발생하고 각종 고정 외피를 유발한다. 게다가, 양 미국 특허 제6,272,844호 및 미국 특허 제6,460,343호에서, 연소기가 고정되는 사실은 소용돌이와 각종 고정 외피 사이의 마찰에 의한 압력 강하를 발생한다.

종래 엔진, 특히 종래 터빈 엔진의 전술한 단점을 해결하는 엔진에 대한 필요성이 있다.

도 1은 종래 터빈 엔진의 확대 단면도이다(종래기술).

도 2는 플레임 홀더의 일부인 회전 연료 분사기를 갖는 본 발명의 OCN 엔진의 터보제트 실시예의 확대 단면도이다.

도 2a는 본 발명의 OCN 엔진의 터보제트 실시예의 연소실의 확대 단면도이다.

도 2b는 본 발명의 OCN 엔진의 실시예의 회전 조립체의 종단면도이다.

도 3은 디퓨저/연소실 경계면에 위치하는 정척 연료 분사기를 갖는 OCN 엔진의 연소실의 확대 단면도이다.

도 4는 관상 플레임 홀더와 배출물 재분사체를 구비한 OCN 엔진의 연소실의 확대 단면도이다.

도 5는 연소실 압축기를 도시하는 OCN 엔진의 횡단면도이다.

도 6a는 세 개의 노즐 휠 블레이드와, 두 개의 노즐 및 본 발명의 블레이드 냉각 방법의 보완을 도시하는 압축기 구동 노즐 휠의 축단면도이다.

도 6b는 본 발명의 방법에 따른 압축기 구동 노즐 휠의 블레이드의 기저부의 냉각을 상세히 기술하는 OCN 엔진의 축과 동축인 원통면의 단면도이다.

도 7은 부하를 구동하기 위해 프리 노즐 휠을 갖는 OCN 엔진 터보축 실시예의 일 실시예를 도시하는 확대 단면도이다.

도 8은 부분적 허용을 위해 구성된 OCN 엔진의 회전 조립체의 개략적인 사시도이다.

도 9는 OCN 엔진의 터보팬 실시예의 일 실시예를 도시하는 확대 단면도이다.

도 10은 OCN 엔진의 터보프롭(turboprop) 실시예의 일 실시예를 도시하는 확대 단면도이다.

<도면의 주요부호에 대한 간단한 설명>

10 : 터빈 엔진 12 : 연소실

14 : 압축기 16 : 터빈

32 : 터빈 블래이드 40 : OCN 엔진

46 : 연소실 52 : 회전축

54 : 회전 조립체 74 : 회전 분사기

상기 및 다른 목적은 본 발명의 궤도 연소 노즐(OCN) 엔진으로 달성된다.

본 발명의 개시 내용에 따르면, (a)주 압축기와 내측 케이싱과 압축기 구동 노즐 휠을 포함하는 회전 조립체와,(b) 상기 회전 조립체를 감싸는 외측 케이싱을 포함하고, 상기 주 압축기와 내측 케이싱과 압축기 구동 노즐 휠과 외측 케이싱 사이의 공간에 적어도 하나의 연소실이 형성되는 엔진에 있어서, 상기 외측 케이싱이 상기 회전 조립체와 함께 회전하지 않는 것을 특징으로 하는 엔진이 제공된다.

본 발명의 특징에 따르면, 상기 적어도 하나의 연소실이 싱글 관상 연소실이다.

본 발명의 특징에 따르면, 상기 엔진이 상기 연소실에 연소실 압축기를 또한 포함한다. 하나의 실시예에서, 그러한 연소실 압축기는 내측 케이싱에 부착된 다수의 베인을 포함한다.

본 발명의 특징에 따르면, 상기 회전 조립체는 상기 연소실에 위치되는 관상 플레임 홀더를 또한 포함한다.

본 발명의 특징에 따르면, 엔진은 또한, 상기 내측 케이싱을 둘러싸는 관상 부재를 포함하고, 상기 관상 부재의 리딩 에지는 주 압축기로부터의 공기 흐름을 외측 공기 흐름과 내측 공기 흐름으로 분할하도록 주 압축기의 후미에 위치되고, 상기 외측 공기 흐름은 관상 부재와 비회전 외측 케이싱 사이에서, 그리고 내측 공기 흐름은 관상 부재와 내측 케이싱 사이에서 이루어 진다. 본 발명의 어떤 실시예에서, 관상 부재를 관통하는 구멍이 내측 흐름과 외측 흐름 사이에서 연통을 허용한다.

본 발명의 특징에 따르면, 엔진은 또한 주 압축기와 연소실 사이에 회전 디퓨저를 또한 포함한다. 본 발명의 특징에 따르면, 회전 디퓨저가 상기 주 압축기의 터미날 블래이드까지 연장되는 연장부를 포함한다.

본 발명의 특징에 따르면, 회전 조립체가 또한 적어도 하나의 연료 분사기를 포함한다.

미합중국 특허 제6,272,844호와 관련된 동제 6,460,343호에는, 어떤 입구 터빈 정지자도 갖지 않는 엔진이 개시 되어있다. 이것은 터빈 엔진에서 압력강하를 감소하기 위함이다. 압축기 출구에서 스월러 정지자를 사용하여 연소실에서 소용돌이를 만든다. 이 해법은 압축기 출구의 공기가 이미 회전자 출구에 확산되어 있기 때문에 불충분하다. 스월러에서 다시 공기를 다시 팽창시킴으로써 압력이 더욱 강하한다.

본 발명은 회전 연소실과 노즐 휠을 통하여 압축기에 의한 공기 흐름 소용돌이를 유지함으로써 유사한 압력 손실을 방지할 수 있다.

미합중국 특허 제6,272,844호와 제6,460,343호의 다른 문제점은, 압축기 공기 흐름의 일부에서 스월러에 의한 소용돌이가 만들어 진다는 점이다. 이것은 터빈 입구에서 비교적 낮은 각 속도를 초래하여 효율을 저하 시킨다.

반대로, 본 발명의 기술에 따르면, 압축기에서의 전체 공기 흐름이 공기 흐름 소용돌이를 만들고, 소용돌이의 각 속도는 노즐 휠의 각속도와 비슷하다.

미합중국 특허 제6,272,844호와 제6,460,343호의 다른 문제점은, 고정되는 연소기가 소용돌이/고정 덮개 마찰로 인하여 압력 강하를 만든다는 것이다.

어떠 조건하에서 본 발명의 엔진에서 축방향 후방 흐름이 발생한다. 축 방향 후방 흐름은 또한 다른 엔진, 예를들면 공기/연료 혼합 효율을 증가시키도록 소용돌이가 발생하는 가스 터빈엔진에서 발생한다는 것은 공지되어 있다. 축 방향 후방 흐름이 발생하면, 연소기 후미로부터의 고온 공기는 전방을 향하여 유동한다. 축 방향 후방 흐름에 맞서서, 본 발명의 기술에 따르면, 엔진은, a)축을 갖는 연소실과, b) 상기 연소실의 축방향 후방 흐름과 반작용하도록 구성된 연소실과 동축으로 그리고 연소실로부터 방사 방향 내측으로 위치되는 연소실 압축기를 포함한다.

본 발명의 특징에 따르면, 연소실 압축기가 (c) 적어도 한 사이클에서 연소실 축을 중심으로 배열된 적어도 두개의 연소실 압축기 블래이드와, (d) 연소실 압축기 블래이드를 감싸는 관상 연소실 압축기 몸체부를 포함한다.

본 발명의 특징에 따르면, (c) 연소실과 동축인 회전 연소실 내측 케이싱과, (d) 회전 연소실 내측 케이싱에 견고하게 부착되고 적어도 한 사이클에서 연소실의 축을 중심으로 배열된 적어도 두개의 연소실 압축기 블래이드와, (e) 연소실 압축기 불래이드를 감싸는 관상 연소실 압축기 몸체부를 또한 포함한다.

본 발명의 특징에 따르면, 연소실 압축기 블래이드가, 각 원이 적어도 두개의, 양호하게는 두 개 이상의 블래이드를 포함하는 축(양호하게는 각 원내에서 대칭으로 위치됨)을 중심으로 하나 또는 그 이상의 원에 배열된다.

고온에서 작동되는 연소엔진은 종종 바람직하지 않은 상당양의오염성 NOx 방출이 있다는 것이다. 그러한 방출을 감소시키는 한 방법은 종래기술에서 배기물 재분사로 공지된 방법으로서 배기물을 연소 혼합물에 혼합시킴으로써 연소 혼합물의 산소 함량을 감소시키는 것이다. 본 발명의 엔진의 배기물 재분사의 양호한 방법은, 엔지 축으로부터 먼 축에 인접하여 정적 압력 강하가 존재하는 엔진에서 방사 방향 압력 성분이 존재한다는 사실이다. 따라서, 연료와 공기가 연소되는 연소실을 갖는 엔진에서, NOx 방출을 감소시키는 방법, 즉, (a) 엔진의 제1 영역에서 배기물과 연료와 공기를 혼합함으로써 가연성 혼합물을 만드는 단계와, (b) 가연성 혼합물을 연소실에서 연소시키고, 상기 배기물이 제1 영역보다 높은 정적 압력을 갖는 엔진의 제2 영역으로부터 얻어지는 방법이 제공된다.

터빈 엔진의 블래이드가 높은 원심 응력에 노출되고, 그 결과로서 고온에서 크립때문에 기저부에서 파손이 있다. 특별한 냉각 채널을 구비한 터빈 블래이드를 관통하는 냉각 유체의 재분사에 대한 종래 기술의 양호한 방법은 비용이 많이 든다. 원심 응력은 또한 본 발명의 엔진의 노즐 휠이 문제가 있고, 사실, 불래이드를 구비한 회전부를 갖는 다른 장치(이하에서 블래이드 회전 휘이로서 참조됨)에서 봉착하는 일반적인 문제점도 있다. 따라서, 본 발명에 기술에 따라서, 블래이드 기저부를 관통하는 회전 축의 최종 단부에 부착된 블래이드 회전 휠의 블래이드를 냉각시키는 방법에 있어서, (a) 회전 축을 중심으로 회전하고 입구와 출구를 갖는 적어도 하나의 축 방향 채널을 제공하는 단계와, (b) 입구를 통하여 상기 적어도 하나의 채널내로 냉각 유체를 공급하는 단계와, (c) 채널을 나오는 냉각 유체를 블래이드 기저부의 출구를 관통하도록 정향하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.

입구에서의 압력이 너무 낮아서 출구에서의 냉각 유체의 충분한 유동을 보장할 수 없는 경우에 냉각 효율을 증가시키기 위해서, 출구를 나오는 냉각 유체의 압력이 채널내에 위치되는 압력 증가 장치, 예를들면, 전술된 바와 같은 연소실 압축기를 사용하여 증가된다. 본 발명의 특징에 따르면, 블래이드 회전 휠이 노즐 휠 또는 터빈이고, 블래이드는 노즐 휠 블래이드 또는 터빈 블래이드 각각 이다.

본 발명의 특징에 따르면, 원심력이 냉각되는 블래이드의 리딩 에지를 따라서 출구에서 나오는 냉각 유체를 운송하는데 사용된다.

미합중국 특허 제6,272,844호는 회전 블래이드 디스크가 회전 터빈 블래이드에 부착되는 터빈 블래이드 냉각 방법에 개시되었다. 압축기로부터의 냉각 공기의 일부는 각각의 터빈 블래이드의 전방에서 나오는 통로를 통하여 운송된다. 냉각 공기는 각각의 터빈 블래이드를 감싸고 냉각 시킨다. 본 발명과의 추상적인 유사성에도 불구하고, 미합중국 특허 제6,272, 844호에 개시된 기술은 설명된 기능을 수행하는 것이 매우 의심된다.

그러한 해법이 갖는 문제점은, 통로(미합중국 특허 제6, 272,884호에는 40으로 참조됨)의 입구로 들어가는 공기가 통로를 통해서 유동하고 냉각 출구(미합중국 특허 제6,272,844호에는 44로 참조됨)에서 나올수 없다는 것이다. 이것은 입구에서의 공기가 원심력이 없고, 입구 주위에서의 정적 압력이 출구에서의 정적 압력보다 낮다는 사실 때문이다. 사실, 그러한 조건에서, 고온의 공기는 터빈 주연으로부터 냉각 보다는 축방향 가열을 위해 터빈 블래이드를 향해서 방사 방향으로 유동할 것이다.

본 발명의 기술에 따라서 토오크 발생 방법이 제공되는데, (a) 축을 중심으로 제1 각속도로 회전하는 유체의 소용돌이를 제공하는 단계와, (b) 소용돌이의 유체를 축을 중심으로 제2 각속도로 축상에서 회전하는 적어도 하나의 노즐을 관통하도록 정향하는 단계와, (c) 축에서 토크를 추출하는 단계를 포함한다.

본 발명의 특징에 따르면, 제1각속도와 제2 각속도가 동일하다. 본 발명에 따르면, 비-회전 출구 케이싱내에서 소용돌이를 감싸진다.

본 발명에 따르면, (a) 축을 중심으로 제1각속도로 회전하는 압축된 공기의 소용돌이를 만드는 단계와, (b)가연성 연소를 상기 압축 공기와 혼합하는 단계와, (c) 상기 가연성 연소를 상기 소용돌이 내에서 연소시키는 단계와, (d) 연소에 의해 가열된 유체를 상기 축을 중심으로 제2 각속도로 축상에서 회전하는 적어도 하나의 노즐을 관통하도록 정향하는 단계와, (d) 상기 축에서 토크를 추출하는 단계를 포함하는 토오크 생성 방법이 제공된다. 본 발명의 특징에 따르면, 제1 관상속도와 제2 각속도가 동일하다. 본 발명의 특징에 따르면, 비-회전 외측 케이싱내에서 상기 소용돌이를 감싸진다. 본 발명의 다른 특징에 따르면, 소용돌이가 상기 제2 각속도로 축을 중심으로 회전하는 압축기에 의해 발생된다.

이곳에 예시적으로 설명된 본 발명이 하기의 첨부된 도면을 참고하여 기술된다.

본 발명의 엔진은, 비회전 외측 케이싱 내에 감싸지는 공동회전하는 압축기와 노즐 휠을 구비하고, 따라서 회전하는 연소실을 형성하는 회전 조립체를 갖는 것을 특징으로 한다. 종래 터빈과 달리, 본 발명의 엔진에서는 터빈 휠이 없으며 회전하는 노즐 휠을 이용하여 토오크가 발생되고, 회전 조립체와 함께 회전하는 공기의 소용돌이에서 연소가 발생하기 때문에, 본 발명의 엔진은 궤도 연소 노즐(OCN) 엔진으로 불리운다.

본 발명에 따른 OCN 엔진의 원리와 작동은 도면과 첨부하는 상세한 설명을 참조로 보다 용이하게 이해될 수 있다. 도면에서, 동일 참조번호는 동일 부품을 지시한다.

OCN 엔진(40)의 통상의 비한정 실시예가 도 2에 개략적으로 도시되었다. 이 도면과 다른 하기 도면은 기본적으로 단면도이다. 도시한 요소(예컨대 공기슬롯(82))은 하기 토의에서 단면도로 도시하지 않는 것이 명료하다. OCN 엔진(40)은 도 1에 도시한 터빈 엔진(10)과 같은 종래 터보제트 엔진과 유사하다. 종래 터보 엔진과 같이, OCN 엔진(40)은 압축기(42)와 연소실(46)을 갖고 있다. 그러나, 비회전 터미널 고정자 베인(24)이 압축기(14)에서의 압축공기를 연소실(12)로 지향하는 터빈 엔진(10)과 달리, 40과 같은 OCN 엔진에서, 공기는 디퓨저 블레이드(44)를 회전시킴으로써 압축기(42)에서 연소실(46)로 지향된다. 또, 터빈 엔진(10)의 연소실(12)과 달리, OCN 엔진(40)의 연소실(46)은 회전하는 연소실이다. OCN 엔진(40)의 연소실(46)은 도 2A에 상세히 도시한다. 또한, 터빈(16) 대신에, 압축기(42)를 구동하는 토오크는 압축기 구동 노즐 휠(50)을 이용하여 토오크 섹션(48)에서 발생된다.

엔진(40)의 축을 형성하는 것은 회전축(52)이다. OCN 엔진(40)은 축방향 장소 압축기 회전자(64), 압축기 임펠러(68), 플레임 홀더(58), 내측 케이싱(60) 및 압축기 구동 노즐 휠(50)로 연결되는 회전축(52)을 포함하는 회전 조립체(54)(도 2B 참조)를 갖고 있다. OCN 엔진의 일부 실시예에서, 회전 조립체(54)의 일부 요소는 회전축(52)에 직접 부착되지 않지만, 예컨대, 내측 케이싱(60)을 통해 간접적으로 부착된다. 두드러지게, OCN 엔진(40) 작동 동안, 회전 조립체(54)의 모든 부품은 엔진(40)의 축을 중심으로 동일한 각속도로 회전한다. OCN 엔진의 일부 실시예에서 다른 엔진 요소는 또한 대응하는 회전 조립체의 부분이다. 회전 조립체(54)는 비회전 외측 케이싱(62)에 수납되어 있다. 고정 외측 케이싱(62)의 내부면이 연소실(46)의 일부로서 고려될 수 있다는 점이 중요하다.

압축기

10과 같은 종래 터빈 엔진과 같이, 본 발명의 개시 내용으로 제조된 OCN 엔진은 압축기를 갖는다. OCN 엔진의 압축기는 종래 압축기와 대략 유사하고 터빈 엔진에 통상적으로 사용되는 형태, 예컨대 원심흐름 압축기, 축흐름 압축기 또는 듀얼축 원심흐름압축기이다. 각종 압축기 구성의 장점은 당분야의 당업자에게 잘 알려져 있고 본원에 추가적인 설명은 필요 없다.

그러나, 종래 터빈 엔진(10) 압축기와 OCN 엔진의 압축기(42) 사이의 중요한 차이점은 OCN 엔진에 정적 스테이터(24)가 없다는 점이다. 이 부족함은 디퓨저에 연관된 섹션에서 이후에 상세히 설명한다.

도 2의 OCN 엔진(40)은 두 개의 축방향 압축기 회전자(64), 고정자 베인(66) 및 원심 임펠러(68)를 갖는 듀얼축 원심압축기(42)가 구비되어 있다.

본 발명의 일부 실시예에서, 엔진은 하나 이상의 압축기를 구비하는 점이 중요하다. 따라서, 일부 경우에서 OCN 엔진(40)의 압축기(42)는 주 압축기로 언급된다.

회전 디퓨저

10과 같은 종래 터빈 엔진(10)은 연소실(12)을 통한 축방향 공기흐름을 갖는다. 고정 디퓨저 장소를 보충하는 비회전 터미널 고정자 베인(24)은 압축기 회전자(14)에서의 공기를 수렴하고, 기류를 축방향화하고 속력을 정압으로 변환한다. 종래 터빈 엔진(10)에서 공기는 통상적으로 400 m/sec의 속도로 확산 장소로 들어가고 비회전 터미널 고정자 베인(24)의 효과와 확산에 의해 약 70 m/sec의 속도까지 저하한다. 이 제동은 압축기 효율에서 5% 내지 10% 손실을 유발한다.

반대로, OCN 엔진에서 연소실로 유입하는 공기는 엔진 축을 중심으로 소용돌이로 이동한다. 따라서, OCN 엔진에서 회전 디퓨저는 압축기에서 유출하는 공기흐름을 연소실을 향해 지향하고 상대속도를 정압으로 변환한다. 그러나, 공기흐름 소용돌이는 감소하지 않지만, 다소 바람직하게 향상된다.

가장 간단한 실시예에서, OCN 엔진의 디퓨저 장소는 대략 터미널 압축기 회전자 또는 임펠러의 블레이드의 연장부로서 회전 디퓨저 블레이드를 포함한다. 디퓨저 블레이드가 회전하는 연소실 형상은 대응하는 압축기 임펠러에서 유출하는 공기의 소용돌이의 회전을 소용돌이로서, 연소실을 향해 지향하도록 이루어진다. 또, 임펠러에서 디퓨저를 통해 발생하는 공기흐름 속도의 감소에 의해, 공기흐름의 정압은 증가하는 반면 가스 소용돌이의 회전 운동량은 보정되거나 향상된다. OCN 엔진의 공기 속도가 회전 부품에 대해 측정될 때, 속도 감소는, 디퓨저를 통한 감속에 의해 예컨대 약 200 m/sec(상대속도)에서 100 m/sec까지 낮고, 압축기 효율의 단지 2% 손실을 유발한다.

도 2 및 도 2b에 도시한 바와 같이, OCN 엔진(40)의 회전 디퓨저 블레이드(44)는 원심 임펠러(68)의 블레이드의 간단한 물리적 연장부이다. 회전 디퓨저 블레이드(44)는 엔진(40)의 회전 연소실(46)로 유입하는 가스 소용돌이의 회전 운동량을 향상한다.

회전 연소실

종래 터빈 엔진에 대한 다양한 연소실 구성이 존재한다. OCN 엔진에서, 연소실은, 가스가 엔진 자체의 중심축을 중심으로 소용돌이로 이동하는 대략 소용돌이 흐름 관상 연소실이다. 그러나, 가스 소용돌이는 압축기, 디퓨저 및 압축기 구동 노즐 휠과 대략 동일한 각속도로 회전하기 때문에, 기준의 회전 조립체 프레임에서 연소실은 축방향 흐름형 연소실이고, 여기서 소용돌이 속도는 비교적 낮다(통상적으로 약 80 m/sec이 기대된다).

구조적으로 OCN 엔진의 연소실은, 예컨대 도 2A에 도시한 OCN 엔진(40)의 연소실(460은 회전 조립체(54)와 비회전 외측 케이싱(62)의 내측면으로 형성된 대략 단일 관상 연소실이다.

OCN 엔진(40)의 작동 동안, 회전 디퓨저 블레이드(44)에 의해 추진된 공기는 회전 플레임 홀더(58)의 일부를 보충하는 회전 분사기(74)로부터의 연료와 혼합된다. 연소의 주요 영역은 균일한 관상 플레임을 발생하는 회전 플레임 홀더(58)에 의해 생성된다.

연료 분사기의 배치

OCN 엔진에서 연료분사기를 배치하는 첫번째 바람직한 위치는 도 2, 도 2A 및 도 2B에 도시한 바와 같이 OCN 엔진(40)의 회전 분사기(74)가 회전 플레임 홀더(58)의 일부로서, 플레임 홀더와 함께 또는 인접하는 것이다.

OCN 엔진에서 연료분사기를 배치하는 두번째 바람직한 위치는 도 3에 도시한 바와 같이 연소실(47)에 대하여, 공기흐름 소용돌이가 연소실로 회전 디퓨저를 유출하는 영역에 놓인다. 디퓨저/연소실 경계면에서의 소용돌이는 균일한 연료/공기 혼합물의 생성을 허용하는 효과적인 사전 혼합 영역이다. 이런 균일한 분산은 비교적 낮은 NOx 방출로 희박한 혼합물의 연소를 허용한다.

회전 연료 분사기

도 2, 도 2a 및 도 2b에 도시한 OCN 엔진(40)에서 연료는, 회전 플레임 홀더(58)를 통해 연소실(46)으로 출현하는 동시에, 회전축(52)을 관통하는 연료채널(76)을 통해 회전 분사기(74)로 정향된다. 회전 분사기가 장착된 OCN 엔진은 정적 분사기가 장착된 OCN 엔진보다 일반적으로 소형이다. 또한, 회전 분사기 사용시, 원심력에 의해 분사기에서 연료가 분사될 때 고압 연료펌프는 불필요하다.

정적 연료 분사기

도 2, 도 2A 및 도 2B에 도시한 OCN 엔진(40)이 회전 분사기(40)를 갖는 것으로 도시하지만, OCN 엔진은 도 3에 도시한 바와 같이 정적 연료 분사기(74b)를 대신 구비할 수 있다.

도 3에서는 도 2A에 도시한 연소실(46)과 유사한 OCN 엔진의 연소실(47)을 도시하고, 한 가지 중요한 차이는 회전 연료 분사기가 정적 연료 분사기(74b)로 대치되는 점이다. 정적 분사기(74b)는 디퓨저/연소실 경계면에서 연소실(47)로 출현한다.

정적 분사기(74b)를 통해 분사된 연료와 공기의 혼합물은 정적 분사기(74b)에 대해 연소실 내측의 공기흐름 소용돌이에 의해 회전 분사기(74)를 통해 분사된 연료와 공기의 혼합물 보다 효율적이다. 따라서 정적 분사기(74b)는 큰 연소실을 갖는 정적 OCN 엔진에서의 사용에 바람직하다.

회전 플레임 홀더

도 2, 도 2A 및 도 2B에 도시한 OCN 엔진(40) 뿐만 아니라 도 3에 도시한 연소실(47)에서, 회전 플레임 홀더(58)를 이용하여 주 영역이 생성된다. 회전 플레임 홀더(58)는 회전 조립체(54)의 일부로 고려된다. OCN 엔진의 일부 실시예에서 외측 케이싱(62)에 부착된 비회전 플레임 홀더(도시생략)를 이용하여 주 영역은 생성된다. 회전 플레임 홀더(58) 또는 비회전 플레임 홀더의 설계와 배치는 당분야 당업자에게 알려져 있다. 플레임 홀더의 이용은 터빈 엔진의 연소실에서 보기 드물고 램제트 엔진에서만 또는 종래 터빈 엔진의 재연소장치에서 통상적으로 발견되는 점에 주목할 것이다.

OCN 엔진의 바람직한 실시예에서, 관상 플레임 홀더가 사용된다. 관상 플레임 홀더는 이하에 상세히 기술한다.

희석 및 열적 단열

OCN 엔진에서, 배출가스 희석의 바람직한 방법은 내측 케이싱 또는 내측케이싱과 외측 케이싱 모두를 통해 연소실로 분사된 공기에 의한다.

도 2A에 도시한 연소실(46) 및 도 3에 도시한 연소실(47)에서, 압축기(42)에서의 공기의 특정 분포가 내측 케이싱 공기 슬롯(80)을 통해 연소실(46)에 출현하도록 냉각 채널(78)을 통해 일어난다.

도 2A에서, 냉각 채널(78)은 압축기(42)에서 차가운 공기를 유발하는 내측 케이싱(60)을 통한 복수의 냉각 채널 중 하나이다.

반대로, 도 3에 도시한 연소실(47)의 냉각 채널(78)은 내측 케이싱(60)과 관상부재(79) 사이에 형성된 공간으로 형성된다. 관상부재(79)는 내측 케이싱(60)과 동축으로 에워싸도록 배치되며, 네 개의 링의 스트럿(86a, 86b, 86c, 86d)에 의해 이에 견고하게 연결되어 있다. 스트럿(86a, 86b, 86c, 86d)은 관상 부재(79)와 함께, 이하에 상세히 기술하는 "연소실 압축기"를 형성하기 위해서 위치된다.

내측 케이싱 공기 슬롯(80)을 통해 분사된 희석 공기의 장점은 두 부분이다. 첫째, 내측 케이싱 공기 슬롯(80)이 회전하기 때문에, 관사으로 분사된 공기는 각운동량을 갖고 공기 흐름 소용돌이를 방해하지 않는다. 둘째, 내측 케이싱 공기 슬롯(80)을 통해 분사된 보다 차갑고, 조밀한 공기는 외측 케이싱(62)을 향한 원심력에 의해 외부로 수행된다. 희석 공기는 배출물과 효과적으로 혼합된다.

외측 케이싱

상기 도입부에서 주목한 바와 같이, 회전 연소실을 갖는 종래 터빈 엔진은 회전 외측 케이싱을 갖는다. 결과로서, 이런 종래 터빈 엔진의 외측 케이싱은 최대의 획득 가능한 회전속도를 궁극적으로 제한하고, 출력을 줄이는 큰 후프 응력(hoop stress)의 영향을 받는다. 반대로 OCN 엔진은 회측 케이싱 후프 응력을 갖지 않는다. OCN 엔진의 외측 케이싱이 공기흐름 소용돌이와 함께 회전하지 않는 사실의 단점은 공기흐름 소용돌이의 약 2%의 압력 강하를 통상적으로 유도하는 흐름 마찰이 존재한다. 공기흐름 소용돌이/외측 케이싱 경계에서의 흐름을 난류로 변화하기 위해 흐름 마찰은 외측 케이싱의 개구부를 통해 연소실로 공기를 분사함으로써 OCN 엔진에서 감소될 수 있다. 게다가, 외측 케이싱을 통해 분사된 공기는 열적으로 절연하는 공기 단열(air blanket)을 유지하는 것을 돕는다. 또한, 외측 케이싱을 통해 분사된 공기는 배출가스를 희석한다.

도2A에 도시한 연소실(46)과 도 3에 도시한 연소실(47)에서, 공기는 외측 케이싱(62)의 외측 케이싱 공기 슬롯(82)을 통해 분사된다. 전술한 바와 같이, 이런 분사는 공기흐름 소용돌이와 외측 케이싱 사이의 흐름 마찰을 감소하고, 외측 케이싱을 보호하고 배출가스를 희석하기 위해 열적으로 절연하는 공기 단열 유지를 돕는다.

도3에 도시한 연소실(47)에서, 연소실(46)의 외측 경계를 형성하는 외측 케이싱(62)의 내측면 형상의 단면이 외향으로 볼록한 것을 볼 수 있다. 외향으로 볼록한 단면은 외측 케이싱(62)에 원심력에 의해 발생한 내측 케이싱 공기 슬롯(80)을 통해 분사된 차가운 공기 트랩핑에 효과적이다. 이런 방식으로, 외측 케이싱(62)의 과열을 방지하기 위하여 자기 충전 열적 절연 공기 블랜킷이 형성된다.

관상 플레임 홀더를 갖는 내측 케이싱

도4에는 도2A에 도시된 OCN 엔진(40)의 연소실(46)과 유사한 OCN 엔진의 연소실(49)이 도시 되었다. 하나의 중요한 차이는 도2A에 도시된 회전 플레임 홀더(58)와 냉각 채널(78)과, 내측 케이싱 슬롯(80)이 연소실(49)의 관상 플레임 홀더(84)로 대체된 것이다. 관상 플레임 홀더(84, 해치된 부분)는 하나의 단순한 구조이나 높은 효율적 성분으로서 플레임 홀더와 희석 효과 부재의 기능을 조합시킨다. 한편, 관상 플레임 홀더(84)는 이하에서 상세히 논의 되는 바와 같이 압축기 구동 노즐 휠(50)의 효율적 냉각을 이루게 한다. 관상 플레임 홀더(84)는 다수의 스트럿(86)에 의해 내측 케이싱(60)에 부착된 관상 구조이다. 관상 플레임 홀더(84)의 리딩 에지(88)는 공기 흐름 소용돌이에서 와류 또는 충격파를 야기시키지 않도록 공기 역학적이다. 리딩 에지(88)로부터 관상 플레임 홀더(84)의 단면은 스텝(92)에서 종료되는 제1 레그(90)를 포함한다. 스텝(92)으부터 관상 플레임 홀더(84)는 제2 레그(94)까지 연속된다. 간단히, 관상 플레임 홀더(84)는 개략적으로 작살(harpoon) 또는 Z 형상이다.

공기 흐름 소용돌이에서 관상 플레임 홀더(84)의 존재는 공기 흐름을, 관상 플레임 홀더(84)와 외측 케이싱(62)사이의 제1 공기 외측 흐름과, 관상 플레임 홀더(84)와 내측 케이싱(60) 사이의 제2 공기 흐름의 두 상이한 공기 흐름으로 분할 시킨다. 내측 공기 흐름과 외측 공기 흐름으로의 공기 흐름의 전환에 대한 이상적인 비율은 많은 요소에 의존하지만, 전체 공기 유동은 25 % 와 35 % 사이가 양호하게 외측 공기 유동으로 정향된다고 믿어진다.

공기 흐름에서 관상 플레임 홀더(84)에서의 스텝(92)의 존재는 축 방향에서 비교적 느리게 이동하고 따라서 연소실(46)에서 주요 영역 역할을 하는 공기의 한 부분을 만들어 낸다. 공기가 내측 공기 흐름부로부터 관상 플레임 홀더(84)를 통과하고 외측 공기 흐름, 특히, 주요 영역과 희석 영역에서 융합하도록 구성된 다수의 통로 또는 구멍(96)이 관상 플레임 홀더(84)를 관통하도록 위치된다. 통로 또는 구멍(96)의 크기와 모양과 배치는 연소 동안 주요 영역 및 제2 영역의 효율적인 혼합과 희석뿐 아니라 관상 플레임 홀더(84)의 효율적인 냉각을 하도록 선택된다. 양호한 실시예에서, 모든 내측 공기 흐름이 관상 플레임 홀더(84)를 통하여 외측 공기 흐름과 융합되는 것은 아니나, 상당 부분은 이하에서 상술되는 바와 같이, 압축기 구동 노즐 휠(50)의 효율적인 냉각을 위하여 관상 플레임 홀더(84)의 후단부를 지나 통과한다.

특히. 도4에는 관상 플레임 홀더(84)를 관통하는 두 형태의 구멍이 도시되었다.

첫번째 형태의 구멍(96a, 96b)은, 제2 레그(94)에 거의 평행한 내측 공기 흐름에서 공기를 유출시키도록 크기와 모양과 관상 플레임 홀더(84)를 관통하는 방향을 갖는다. 그러한 방향으로, 제2 레그(94)는, 구멍(96a, 96b)을 통하여 유동하는 공기의 막에 의하여 주용영역에서 연료 연소에 의해 발생한 열로부터 절연된다.

제2 형태의 구멍(96c, 96d)은, 외측 공기를 희석화하고 제2 레그(94)에 평행하게 유동하고 접촉하는 냉각 공기의 열적인 절연 막을 형성하기 위하여 내측 공기로부터 공기를 유출시키도록 크기와 모양과 관상 플레임 홀더(84)를 관통하는 방향을 갖는다. 중요하게는, 구멍(96c, 96d)의 위치는 외측 공기흐름으로 부터의 공기와 혼합되지 않은 내측 공기흐름으로 부터의 밀한 공기가 원심력에 의해 외측 케이싱(62)의 내부면까지 운반되도록 이루어 진다. 그러한 방법으로, 도2A 에 도시된 연소실(46)의 전술한 바와 같은 외측 케이싱(62)의 내부면을 따라 형성되는 연속으로 보충된 절연 냉각 공기층을 형성한다.

당업자는 전술된 바와 같은 관상 플레임 홀더를 사용하는 때에 엔진 축에 수직으로 발생한 열적 성분은 이상에 가깝다는 것을 이해할 것이다. 기계적 구조에 근접하여, 공기가 비교적 냉각된 곳은 관상 플레임 홀더(84)와 외측 케이싱(62)이다. 대조적으로, 주요 영역의 중심에서 공기는 뜨겁다.

스트럿(86)이 셋트로 방사 방향으로 배열되는데, 각 셋트는 내측 케이싱(60)을 중심으로 거의 평행한 스트럿의 링으로 배열된다. 스트럿(86)은 양호하게는, 압력 손실을 최소화하기 위하여 공기 포일 형상을 갖는다. 스트럿(86)은 네 개의 주요 목적으로 작용한다.

스트럿(86)의 제1 주요 목적은 관상 플레임 홀더(84)를 정위치에 유지하기 위한 구조 목적이다.

스트럿(86)의 제2 주요 목적은 주요 영역에세 내부 케이싱(60)으로 플레임의 침투를 방지하는 냉각 공기의 절연 블랜킷을 발생시키는 것이다.

OCN 엔진에서, 공기흐름 소용돌이는 외측 케이싱을 향해 증가되는 연소실 내부의 정적 압력 성분을 발생시킨다. 이 성분의 한 효과는 어떤 조건하에서, 내측 케이싱을 따라서 압축기 구동 노즐 휠의 인접부로부터의 뜨거운 배기 공기의 후방 흐름이 엔진의 전방을 향하게 된다. 따라서, 스트럿(86)의 제3 주요 목적은 OCN 엔진에서 공기 흐름 소용돌이에서 야기되는 압축기 구동 노즐 휠로부터의 후방 흐름을 방지하는 것이다. 이것을 달성하기 위한 양호한 방법은 스트럿(86)의 일부가 연소실(49)에서 압축기를 형성하도록 각이 진다는 것이다. 이 연소실 압축기는 내측 공기 흐름의 압력을 증가시키고 압축기 구동 노즐 휠(50)로부터의 후방 흐름을 방지한다.

스트럿(86)의 세 번째 주요 목적과 관련된 네 번째 주요 목적은, 주요 영역의 희석화를 개선하기 위해서 내측 공기 흐름의 압력을 증가시키는 것이다. 내측 공기 흐름으로부터의 희석화가 비록 원심력에 의해 지원되지만, 내측 공기 흐름을 이루는 냉각 공기의 밀도가 크면 클수록 희석화는 연소실 압축기의 결과로서 보다 효율적이다.

도4에 도시된 OCN 엔진의 연소실(49)에서, 스트럿(86)은 네 개의 링으로 배열된다. 제1링 스트럿(86a)은 베인(vane) 모양이고 엔진 축과 나란한 방향에서 약 30도 내지 약 50 도사이의 각으로 위치된다. 제2 링 스트럿(86b)은 베인 모양이고 엔진축과 나란한 방향에서 약 10 도 내지 약 20 도의 각으로 위치된다. 따라서, 스트럿(86a, 86b)은 연소실 압축기 개념을 충족시킨다. 주로 구조적 기능을 갖는 제3 링의 스트럿(86c)과 제4링의 스트럿(86d)은 베인 모양이고 거의 엔진 축에 나란하다.

도5에서, 스트럿(86b)을 관통하는 연소실(49) 축에 수직인 횡단부가 도시되었다. 스트럿(86b)이 관상 플레임 홀더(84)를 내측 케이싱(60)에 부착시키는 것을 볼수 있다. 또한, 스트럿(86b)dl 엔진축으로부터 비스듬히 위치되는 것이 보인다. 그러한 방법으로, 내측 케이싱(60)과 스트럿(86b)과 관상 플레임 홀더(84)는 연소실 압축기를 형성한다.

당업자는 OCN 엔진외의 다른 형태의 엔진이 축 방향 후방 흐름을 맞이한다는 것을 알수 있을 것이다. 당업자는 전술된 연소실 압축기에 대한 기술을 읽으면 다른 형태의 엔진의 후방흐름으로 야기되는 어려움을 적절한 변형 또는 기술을 보완함으로써 어떻게 극복할수 있는지가 명백할 것이다.

OCN 엔진에서 84 와 같은 관상 플레임 홀더를 보완할 때에 강조되어야 하는 구성 이슈는 관상 플레임 홀더가 거치게 되는 후프 응력이다. 먼저, 관상 프레임 홀더의 작은 반지름은 후프 응력이 본래부터 낮다는 것을 기억하는 것은 중요하다. 또한, 관상 플레임 홀더가 일반적으로 방사 방향 스트럿에 의해 내측 케이싱에 지지되는 작은 성분이기 때문에 후프 응력과 관련된 문제는 슈퍼 합금 또는 세라믹과 같은 견고한 물지로 강하게 만들어서 적당한 비용으로 방지할 수 있다.

배기 재분사

종래 기술에서, 산소 함량을 줄여서 NOx 방출을 감소시키기 위해 배기 가스의 주요 영역으로의 재분사는 잘 공지 되어 있다. OCN 엔진에서, 배기 재분사는 연소실 내부의 방사 방향 정적 압력이 외측 케이싱을 향해 증가된다는 사실에 의해 달성하는 것이 단순하다.

도4에서 배기 재분사가 OCN 엔진에 대해 도시 되었다. 외측 케이싱(62)에서 배기 재분사 입구(77)가 압축기 구도 노즐 후일(50)의 상류에서 볼 수 있다. 배기 재분사 출구(79)는 관상 플레임 홀더(84)에 의해 발생한 주요 영역 부근, 양호하게는 내측 케이싱(60)에 인접한 곳에서 볼 수 있다. 배기 재분사 입구(77)와 배기 재분사 출구(79)는, 가스가 배기 재분사 입구(77)에서 배기 재분사 출구(79)로 유동하도록 하는 배기 재분사 파이프(81)를 통하여 연통한다. 연소실(46)내로 연장하는 배기 재분사 파이프(81) 부분은 연소실(46)내부의 공기 흐름 소용돌이에서 와류가 형성되지 않도록 공가 역학적 모양을 갖는다. 배기 재분사 펌프(81)는 원하는 경우 배기 재분사를 조절할 수 있도록 구성된 밸브(83)을 통과한다.

배지 재분사를 원할 때에는 밸브(83)가 개방된다. 배기 재분사 입구(77)가 정적 압력이 높은 엔진 축에서 멀리 있고, 반면에 배기 재분사 출구(79)가 정적 압력이 낮은 엔진 축에 인접하다는 사실로 인하여 산소 부족 배기 가스는 배기 재분사 파이프(81)를 통하여 연소실(46)의 주요 영역내로 유동한다.

토크-섹션 : 압축기 구동 노즐 휠

10과 같은 종래의 터빈 엔진의 터빈은 하나 또는 그 이상의 부분을 포함한다. 각 부분은 다수의 방사 방향 배치 노즐 베인(30)을 갖는 비-회전 노즐 휠과 방사 방향 배치 터빈 블래이드(32)를 갖는 터빈 휠(20)을 포함한다. 노즐 안내 베인(30)은 연소실에서 나오는 공기를 예각, 일반적으로 엔진 축에 평행한 방향에서 25 도 내지 35 도 범위에서 유동하도록 한다. 터빈 블래이드(12)는 임펄스 또는 반응 또는 임펄스-반응 공기포일 단부를 갖는다. 이들 단부가 효율적인 터빈 작동을 위하여 필요하지만, 두 인접한 블래이드 사이에서 제2 유동을 초래한는 공기포일의 한 면에서 발생한 흡입과 공기포일의 다른 면에서 발생한 압력으로 인하여 에너지의 많은 양이 손실된다. 특히, 터빈 블래이드의 단부는, 베인을 따르는 공기흐름이 리딩 에지와 트래일링 에지에서 초음파 충격파의 발생을 방지하도록 아음속이 되도록 할 필요가 있다. 아음속 흐름의 요건은 터빈 압력 비율을 제한하고 다단 터빈이 필요할때에 엔진의 복잡성을 증가시킨다. 예를들면, 연소실에서 25 바아 압력을 갖는 종래 일반적인 터빈 엔진에서, 아음속 흐름을 피하기 위해서 터빈의 각 단은 약 2.5 내지 3.0 의 압력 제한 비율을 가져야만한다. 그러한 일반적인 엔진은 따라서 매우 복잡하고 비용이 많이 드는 3 개의 고정자와 3 개의 터빈을 가져야만 한다.

대조적으로, 도2에 도시된 OCN 엔진(40)과 같은 OCN 엔진은 터빈 휠과 비회전 노즐 휠을 갖지 않으나, 회전 조립체 일부인 압축기 구동 노즐 휠(50)을 갖는다. 압축기 구동 노즐 휠(50)은 회전축(52)에 부착된 축에서 외측으로 발산되는 다수의 노즐 휠블래이드(98)이다. 도6A는 세 개의 블래이드(98)와 두 개의 노즐(102)을 도시하는 압축기 구동 휠(50)의 축 방향 단부도이다. 도6A 도에 도시된 바와 같이, 두 인접한 노즐 휠블래이드(98)사이의 공간은 노즐(102)을 형성한다. 노즐(102)은 양호하게 수렴-발산 형상이다.

OCN 엔진(40)과 같은 하나의 OCN 엔진에서 터빈이 없이 토크를 생성하기 때문에, 노즐(104)의 출구각이 ㅇ도(엔진 축에 평행)근처 또는 90 도(엔진 축에 수직)근처 사이의 어떤 각일 수 있다. 종래 기술의 당업자에게 명백한 바와 같이, 보다 큰 트러스트 발새을 원하는 때에, 노즐(104)의 출구각은 일반적으로 작은데(엔진 축에 평행에 가까움), 노즐(104)에서 나오는 가스 제트의 속도는 큰 축방향 성분을 갖는다. 대조적으로, 보다 큰 토크의 발생을 원하는 때에는, 노즐(104)의 출구각이 양호하게는 큰데(엔진 축에 수직에 가까움), 기본적으로, 엔진 축에 수직으로 되는 것 까지 가능하다. 그러한 방법으로, 토크의 최대양이 발생한다.

도6A 도에서, 노즐 휠블래이드(98)는 노즐(102)을 나오는 가스 제트의 출구각이 엔진 축에 평행으로 부터 82 도이다. ( 도면은 명확화를 위해서 과장 되었음).

OCN 엔진 작동동안에, 공기 흐름 소용돌이는 압추기 구동 노즐 휠(50)과 노즐 휠블래이드(98)와 함께 회전하고, 노즐(102)을 통하여 팽창한다. 가스는 압축기 구동 노즐 휠(50) 후방 압력에 따르는 출구 속도까지 가속된다. 노즐(102)의 수렴-발산 형상때문에, 절대 출구 속도가 아음속으로 잔류하지만 상대적 유동에서의 속도는 초음속일 수 있다. 그러한 방법으로, 팽창 효율이 최대화되는 반면에 압력 손실이 최소화된다.

압축기 구동 노즐 휠의 냉각

10과 같은 종래 터빈 엔진의 약점중의 하나는 극단적인 열 및 기계적 응력으로 인해서, 터빈 블래이드는 종종 기저에서 파손된다는 것이다. 터빈 블래이드 응력을 감소시키는 양호한 하나의 해법은 블래이드 내부에서 시작하여 블래이드 표면의 구멍에서 나오는 냉각 채널을 통하여 냉각 공기를 통과 시키는 것을 포함한다. 그러한 냉각된 터빈 블래이드는, 터빈을 통하여 팽창에 사용되지 않고 블래이드를 냉각 시키는 공기 때문에 순 터빈 효율을 감소시킬 뿐아니라 터빈 엔진의 복잡성과 비용을 증가시킨다.

미합중국 특허 제6, 272, 844 호에는, 회전 터빈에 부착된 회전 블래이드 디스크가 압축기로부터의 공기를 각 터빈 블래이드에 접하는 다단 통로를 통하여 원심적으로 가압하여 각 블래이드를 냉각 공기로 감싸는 터빈 블래이드의 냉각 방법이 설명되어 있다.

OCN 엔진에서, 노즐 휠블래이드가 회전 조립체의 부분으로서 내측 케이싱과 함께 회전하는 한다는 사실 때문에 아래에 기술되는 바와 같이 노즐 휠블래이드의 효율적 냉각이 이루어 진다.

도3에 도시된 OCN 엔진에서, 노즐 휠블래이드(98)를 냉각하기 위한 공기는 냉각 채널(78)을 통하여 블래이드 냉각 노즐(104)로 유입된다. 도4에 도시된 관상 플래임 홀더를 갖는 OCN 엔진에서 노즐 휠블래이드(98) 냉각을 위한 공기는 내측 공기 흐름의 일부를 블래이드 냉각 노즐(104)에 정향시킴으로써 블래이드 냉각 노즐(104)로 유입된다.

도3과 도4에서, 도6A 및 도6B 에 도시된 바와 같이, 냉각 공기는 대응하는 노즐 휠블래이드(98)의 기저에서 각 블래이드 냉각 노즐(104)을 바로 나온다. 도6B는 본 발명 방법에 따라서 OCN 엔진과 동축인 원통형 평면의 단부에서 본 압축기 구동 노즐 휠(50)의 블래이드(98)의 기저부에 대한 냉각을 상세히 보여 주고 있다.

대응 노즐 휠블래이드(98)의 기저부에 대한 적정한 냉각외에, 블래이드 냉각 노즐(104)에서 나오는 밀한 냉각 공기는 박막으로서 노즐 휠블래이드(98)을 따라서 원심력에 의해 운반되고, 노즐 휠블래이드(98)의 충분한 길이를 따라서 효율적인 냉각을 이룬다. 따라서, 종래 냉각 터빈 블래이드에서 냉각 효율이 냉각 통로와 구멍 위치와 기하학적 구조와 같은 요소에 의해 제한 되는 반면에, 전술된 바와 같은 블래이드 냉각은 블래이드의 가장 고온부, 리딩 에지에서 시작하는 공기의 절연 블랜킷을 만든다. 또한, 블래이드 냉각이 본 발명의 방법에 따라서 수행되는 때에, 종래 냉각 터빈 블래이드가 사용될 때에 나타나는 바와같이, 냉각 공기는 터빈 디스크와 냉각 통로를 통과할 때에 가열되지 않는다.

전술된 바와 같이, 당업자는 어떤 OCN 엔진의 작동 조건하에서 공기 흐름 소용돌이는 내부 케이싱(60)의 표면을 따라서 토크부(48)의 부근에서 후방 흐름을 야기시키기에 충분한 축 방향 압력 성분을 발생시킨다. 도3에 도시된 47 또는 도4에 도시된 49와 같은 연소실에서, 그러한 후방 흐름은 냉각 공기가 냉각 노즐(104)을 통하여 나오는 것을 방지하여 냉각 효율을 감소시킨다. 따라서, 냉각 노즐(104)을 통하여 나오는 공기의 압력을 증가시킬 필요가 있다. 이 목적을 위해서 연소실 압축기가 제공된다.

도4에 도시된 연소실(44)에서, 스트럿(86a, 86b)은 전술된 바와 동일한 방법으로 위치되고, 관상 플레임(84)과 함께 연소실 압축기가 존재한다. 회전 조립체(54)로서의 내측 케이싱(60)의 회전은 또한, 관상 플레임 홀더(84)뿐 아니라 스트럿(86a, 86b)의 회전을 야기하고, 내측 공기 흐름의 압력과 블래이드 냉각 노즐(104)을 통하여 나오는 공기 압력을 증가시킨다.

비슷하게, 도3에 도시된 연소실(47)에서, 스트럿(86a, 86b)은 전술된 방법과 동일하게 위치되어, 스트럿(86a, 86b)은 관상 부재(79)와 내측 케이싱(60)과 함께 연소실 압축기를 형성한다. 회전 조립체 부분으로서의 내측 케이싱(60)의 회전은 또한 스트럿(86a, 86b)과 관상 부재(79)의 회전을 야기하고 블래이드 냉각 노즐(104)에서 나오는 공기 압력을 증가시킨다.

전술된 바와 같은 노즐 휠블래이드의 냉각이 OCN 엔진의 작동 온도를 종래의 엔진 터빈 보다 매우 높게 만든다. 고온의 작동 온도는 큰 엔진 효율을 얻게 한다.

당업자는 이곳에 설명된 냉각 OCN 엔진 노즐 휠블래이드가, 블래이드 회전 휠이 회전 축에 부착되는 종래 터빈 엔진 또는 장치에 적절한 변형에 의해 보완될 수 있음을 이해 할 수 있을 것이다. 보완은 축에 평행하고 축을 중심으로 회전하는 채널을 통하여 냉각 유체를 가압하고, 블래이드 회전 휠의 각 블래이드의 기저부 부근의 개구를 통하여 나오게 하는 것을 포함한다.

자유 노즐 휠

주어진 OCN 엔진의 사이클 압력 비율이 너무 높아서 싱글 압축기 구동 노즐 휠(6:1 의 상태에서 계산됨)을 사용하는 것이 효율적이 아닌 경우에, 제2 반대 회전 후리 노즐 휠( second contra-rotating free nozzle wheel)이 사용된다. 어떤 고정 안내 베인도 두 노즐 휠사이에 필요하지 않다. 기능적으로, 후리 노즐 휠은 비슷하게 종래 터빈 엔진에서는 후리 터빈으로서 작용한다. 그러나, OCN 엔진 후리 노즐 휠은 종래 터빈 엔진 후리 터빈보다 매우 효율적이라는 것을 아는 것이 중요하다. 큰 효율은 OCN 엔진의 압축기 구동 노즐 휠에 대해 언급된 것과 비슷한 이유인데, 후리 노즐 휠의 노즐 각이 비슷한 후리 터빈 블래이드의 그것보다 크기 때문이다.

도7에는 도2에 도시된 OCN 엔진(40)의 터보제트와 유사한 OCN 엔진(106)의 터보축 실시예를 도시하고 있다. 가장 다른 점은 OCN 엔진(106)의 토크부(48)에, 압축기 구동 휠(50)에 추가하여 후리 노즐 휠(108)이 있다는 것이다. 당업다에게 명백하듯이, 그러한 간결하고 효율적인 구성뿐 아니라 단지 두 팽창 단계에서 약 24:1 까지의 사이클 압력 비율을 얻을수 있다는 것이다.

두 노즐 휠(50, 108)의 반대 회전의 특징은 회전력이 감소된다는 것이다. 회전력 감소의 가능성은 두 노즐 휠OCN 엔진을 예외적으로 경비행기의 추진에 유용하게 만드는 것이다.

부분적 허용

종종 낮은 동력, 그러나 효율적 엔진이 요구된다. 그러한 엔진은 경계층의 상호 작용이 효율의 큰 손실을 야기하는 좁은 흐름 통로을 갖는 적은 질량 유량상태에서 높은 압력비를 요구한다.

종래 기술에서 대안으로서 흐름을 감소하기 위해서 터빈 노즐 베인의 일부를 블럭킹함으로써 큰 터빈 엔진의 동력 출력을 감소시키는 것이 있다. 동력 출력이 감소되지만, 효율은 사용되지 않는 터빈 블래이드로 야기되는 드래그 때문에 심각하게 나빠진다.

이와 대조적으로, 효율에 영향 없이 동력을 감소시키도록 OCN 엔진에 부분적 허용이 적용된다.

도8에는, 압축기 블래이드(108)과 노즐 휠블래이드(98)의 일부 사이의 공간을 차단하도록 예를들면, 덮개를 부착함으로써 차단되는 압축기 휠(56)과 압축기 구동 노즐 휠(50)의 양자의 갭 표면 영역이 있는 OCN 엔진의 회전 조립체(54)를 도시하고 있다(도8에서, 빗금친 부분). 각 단계에서 관통 흐름과 동력 출력이 감소되지만, OCN 엔진은 최대 효율로 기능한다.

실제적인 실시예

전술한 바로부터, 당업자는 본 발명의 기술이 많은 상이한 목적을 위해서 사용될 수 있음을 알수 있다. 도2에는 OCN 엔진의 터보제트가, 도7에는 OCN 엔진의 터보축 실시예(106)이 도시되었다. 도9에는 OCN 엔진의 터보팬 실시예(112)가 도시되었다. 도10에는 OCN 엔진의 터보프롭 실시예(114)가 도시되었다. 네 실시예의 비슷한 성분에는 동일한 참조 번호가 부여 되었다. OCN 엔진의 다양한 실시예 사이의 현저한 차이점은 적절한 도면의 연구로부터 당업자에게 명백하다.

다른 상세한 것중에서, 도2에 도시된 OCN 터보제트(40)는 트러스트를 최대화하기 위해서 수렴형 배기 덕트(110)를 구비한다는 것을 아는 것이 중요하다.

다른 상세한 것중에서, 도7에 도시된 OCN 터보제트(106)는 토크축(116)을 통하여 토오크생산을 최대화 하기 위해서 후리 노즐 휠(108)을 구비하는 것을 아는 것이 중요하다.

상세한 것중에서, 도9에 도시된 OCN 터보팬(112)이 트러스트를 최대화 하기 위해서 수렴형 배기 덕트(110)를 구비하는 것을 아는 것이 중요하다.

상세한 것중에서, 도10에 도시된 OCN 터보프롭(114)은 토크축(116)을 통하여 토오크생산을 최대화하기 위해서 후리 노즐 휠(108)을 구비하는 것을 아는 것이 중요하다. 키어(108)가 프로펠러 축(120)을 구동하기 위해 토크축(116)과 회전축(52)으로부터 토크를 조합하는데 사용된다. 전술한 바와 같이, 두 노즐 휠(50, 108)중의 반대 회전은 114 와 같은 두 노즐 OCN 엔진을 경비행기 추진에 예외적으로 유용하게 만들기 위해 회전력을 감소시킨다.

OCN 엔진의 효율성

일반적인 터보 엔진에 대한 OCN 엔진의 기계적 특성은 전술된 설명에서 당업자에게 명확하다. 그러나, 성분의 감소된 숫자와 성분의 간소화와 이들 성분의 효율적인 냉각에 추가하여, OCN 엔진의 열역하적 이론의 효율성이 주로 열역하적 사이클의 입구와 배기 레그를 따라서 종래의 터빈 엔진의 그것에 비해 크다. (압축기와 터빈에서 정지자의 제거로 인함). OCN 엔진의 열역학적 사이클에 대한 상세한 것은 이곳에 첨부된 추록에 있다.

OCN 엔진이 제한된 수에 대해 기술되었지만, OCN 엔진에 대한 많은 변형과 변화와다른 적용이 가능하다.

첨부물

OCN - 궤도 연소 노즐 엔진

목차

Ⅰ 요약

Ⅱ 전문어

1. 소개

2. 서술

3. 열역학 사이클 분석

4. 동작 분석

5. 결론

OCN 동작 계산

도1: OCN - 터보축의 횡단면

도2: T-S다이아그램

도3: OCN - 열효율 vs 압축기 압력 비율

도4: OCN - 고유 동력 vs 압축기 압력 비율

도5: OCN과 종래 가스 터빈 고유 동력 - 비교

도6: OCN과 종래 가스 터빈 효율 - 비교

도7: OCN 터보팬 - S.F.C. vs 터빈 온도

도8: OCN 터보팬 - 추력 vs 터빈 온도

도9: OCN - 열효율에서 부분 하중의 효과

도10: OCN - 동력에서 부분 하중의 효과

도11: OCN - 속도 삼극형틀

Ⅰ. 요약

궤도연소노즐(OCN)엔진의 새로운 개념은 회전하는 노즐로 회전하는 연소챔버의 확장에 의해 공급되는 동력, 연속되는 토크의 발생에 의해 공급되는 동력, 한단위로 회전하는 것에 의해 제공되는 동력으로 소개된다. 동일한 각속도로 연소실을 회전시키는 압축기, 종래의 정지된 압축 확산기를 제거하는 압축기와 터빈 노즐 가이드 날개에 공기가 충분히 제공된다. 콤팩트 엔진은 이런식으로 적은 오염과 좀더 적은 요소와 좋은 비용 효율을 가진 가스 터빈이 연속하여 연소한다는 이점에 의해 달성된다.

열역학적인 분석은 현재의 가스터빈보다 140°K 낮게 연소 정지온도를 사용할때 종래의 가스터빈보다 높은 열효율과 고유동력을 가진다는 결론에 이른다. 이러한 방출과 확실성의 표시는 자명하다.

또한 이 엔진의 부분 하중 동작은 종래의 사이클 가스 터빈보다 훨씬 우수하며, 많은 경우에 대단한 이점을 가지고 있다.

Ⅱ. 전문어

Cp - 일정압력에서 고유 열

Cp - 진행범위에서 평균값

C - 절대속도

Cv - 일정부피에서 고유 열

E - 공급에너지

Fr - 반발력

k - Cp / Cv

m - 질량

M - 마하 수

P - 압력

P.R - 압력비

R - 기체상수

T - 온도

u - 오비탈 속도

w - 관계속도

접미사 -

a - 주위의

c - 압축기

e - 출구

d - 확산기

is - 등엔트로피

n - 노즐

R - 관계의

s - 정지상태

th - 열역학의

t - 총침체상태

u - 접선속도

x - 노즐출구의 활동상태

2 - 압축기출구 상태

3 - 노즐 입구 상태

4 - 노즐 출구 상태

그리스문자 -

η - 효율

ρ - 가스밀도

△p - 연소챔버 압력 손실

1. 소개

종래의 가스터빈 사이클에서는 공기는 고정된 확산기에 의해 확산되는 압축기 출구에서 압축기회전자와 이것의 열에너지에 의해 압축되었다. 이 확산은 회전자 총압력의 10%정도의 압력손실을 가져오고 압력효율과 가스터빈작동의 감소를 가져온다.

게다가 확산기는 연소기내에 유입되는 공기를 동력을 발생시키는 터빈으로 확산시키기도 한다. 연소기는 고정되기 때문에, 가스는 회전하는 블레이드상태에 맞추어 정지된 날개를 통해 재활성화가 된다. 그렇게 이루어지면서, 날개와 블레이드사이에서 마모손실에 의한 총압력의 손실이 있고 터빈효율의 감소가 있다. 이런식으로 터빈효율은 오직 85%에 도달할 수 밖에 없도록 떨어진다.

터빈과 압축기효율의 손실은 이러한 손실을 제거하도록 고안된 OCN 동작과 비교하여 결국 35%의 감소(높은 앞력비율 사이클)까지 이르는 가스터빈의 동작감소에 이른다.

또한, 종래의 터빈은 쇼크 웨이브에 이르는 손실들을 피하기 위해 터빈마다 압력비율이 한정된 초음파 입구 날에서 작동하도록 고안되지 않았다. 결론적으로 종래의 높은 압력비 터빈에서는 정지와 회전의 단계가 있는데, 입구가이드를 가지지 않고 한단계에서 4:1까지 이르는 높은 효율로 좀더 높은 압력으로 진행되는데 한계가 없는 OCN과 비교하여 떨어진 진행을 가진다.

2. 서술 - 도1

주위의 공기가 압축기[1]에 유입된다. 그 공기는 축과 원심력이 있는 단계에서 적합한 압력과 회전하기 충분한 속력으로 압축된다.

압축회전자[2]로부터 나오는 공기는 고정된 상태로 배출되는 것이 아니라 회전하는 날개를 통해 회전하는 연소기[4]로 아래와 같이 비육된다.

· 종래의 확산기에 존재하던 압력손실을 제거하고, 좀더 높은 압축 효율에 이르도록한다(20:1의 압축비에서 약 5%의 이득)

· 종래의 압축기와 비교하여 같은 수의 압축기라 하더라도 좀더 높은 압력비에 도달하게 된다.-이는 압축기 퇴출기와 비교해 비교적 낮은 속도에 이른다. 보통 종래의 압축기에서의 압축비는 확산기의 입구에서 초음파의 흐름을 피하기 위해서 한정되어진다.

회전하는 연소기로 투입되는 공기는 연료와 혼합되고 그 혼합물은 종래의 사이클에서는 낮은 정지압력에서 연소된다. 소용돌이치는 공기는 연료를 증발시키는 것을 돕는다. 그것의 관계속도는 압축기외부 상태를 조심스럽게 선택함으로써 낮게 유지된다. 연소효율은 98~99.8%사이가 되도록 하고, 입구 상대압력의 6%보다 덜 떨어지도록 고안된다.

뜨거운 공기는 압축기가 작동할 수 있도록 에너지를 공급하는 회전하는 노즐[5]로 확산되고 상당히 떨어진 엔탈피는 종래의 터빈으로 하여금 회전하는 노즐에서 좀더 높은 확산 효율을 요구하게 된다. 정지된 날개는 침체상태로부터 회전하는 블레이드를 위해 뜨거운 공기를 확산하는 것이 필요하지 않다. 이 결과는 :

· 회전하는 노즐의 높은 단열효율이 90%에 이르도록

· 회전하는 노즐의 높은 압력비에 따라 한단계서 4:1의 압력비가 필요하다.

· 연소챔버 정지온도는 같은 동력의 출력에서 종래의 사이클(약125℃)보다 낮아진다.[도. 1]

배출속도는 사이클 파라미터과 엔진타입에 관계된다. 높은 압력비에서 터보젯과 터보팬은 회전하는 노즐에 적합한 압력에 맞게 추력을 더함으로써 2개의 바에 의해 지탱된다. 그리고, 퇴출구 마하수는 높은 압력비에서 아음속상태로 유지된다.

이경우 동력터빈[8]은 더해지고 OCN 엔진은 가스 발생기로 제공된다.

3. 열역학 사이클 분석

부록 A는 열역학분석으로 첨부된다. 유도된 공식은 다양한 동작커브에서 엔진의 동작을 계산하는데 사용된다.

도2는 T-S다이아그램에서 종래의 사이클과 비교하여 OCN사이클을 보여준다. 압축기의 총압력은 양쪽 사이클모두 동일하다[종래의 사이클에 대한 좀더 높은 총온도에서의 결과는 그것의 좀더 낮은 압축기 효율때문이다.]

분명히 축압축기 단계는 원심력단계의 앞에 더해지고 후에 기계적인 강도한계때문에 8:1의 압력비로 한계된다.

두개의 다른 OCN사이클은 종래의 사이클[A-B-C-D]와 비교하여 분석된다.

· A-B1-C1-E-D1- 동일한 총 온도[1300°K]에서 2개의 사이클[20의 동일한 압력비를 가지면서]에서 공기를 가열하는 것은 OCN 사이클에 있어서 좀 더 높은 동력분출의 결과가 나온다. 이것은 좀더 높은 압축기와 터빈효율의 T-S다이아그램에서 더큰 네트지역에서는 더욱 분명하다. 두개의 사이클에 투입되는 열이 이상적이라고 가정한다면 그 결과는 좀 더 높은 효율[34% 대 29%]과 좀 더 높은 고유동력[210kW 대 181kW]로 대비된다.

· A-B2-C2-F-D2- OCN 사이클에서는 이상적인 총 상대온도로 가스를 가열하고, 종래의 사이클에서는 침체 입구 터빈 온도로 가스를 가열하는 경우에 좀 더 높은 터빈 엔탈피 떨어짐이 OCN 사이클과 비교하여 분명하다. 이것은 그것의 높은 효율때문이다. 열입력이 좀더 높아짐에 따라 OCN 사이클의 경우에 훨씬 높은 효율을 가진다.[효율 35%와 고유동력 256kW]. 첨부된 분석은 좀더 분명하게 보여준다.

4. 동작 분석

도 3, 4는 1kg/sec의 공기흐름과 1000°K의 상대노즐 입구온도로 가스에 대한 OCN사이클의 중요한 동작을 나타낸다. 압축기효율은 종래의 압축기효율과 비교해 5%더 높다. 노즐 확산 효율 또한 5%더 높다. 다양한 파라미터들은 P.R -총압축기 압력비와 u-노즐 오비탈속도이다.

최대의 고유동력에서 최대의 효율을 가지도록 하는 고정된 P.R에서 u의 최적치가 존재한다. u=500m/sec(초합금의 경우 허용되는 수치), Cu=400m/sec, 1300°K의 노즐 입구 상대 오도와 20의 P.R의 경우 열효율은 35%이고 동력은 256kW/kg/sec이다.

회전속도가 600m/sec이고 압력비를 36까지 끌어올리면[앞서서 좀더 많은 압축기의 단계를 더할경우] 38.3%의 효율까지 이른다.

도 5, 6은 속도[그리고 압력비]는 일정하고 입구 온도가 변할 때 OCN사이클과 종래의 사이클 동작을 보여준다. OCN 사이클에서의 효율은 온도가 1300°K에서 1000°K로 떨어질때 미세하게 낮아지나[35에서 29%로], 종래의 사이클에서의 효율은 같은 조건의 경우 8%로 떨어진다.[E,F] 이것은 OCN 사이클의 분명한 이점이된다.

높은 압력비에서 터보젯이나 터보팬엔진[도 7, 8]을 분석함으로써 우리는 종래의 사이클과 비교하여 고유추력과 S.F.C값에 대해 상대적인 향상을 볼 수 있다. 이 우수한 동작은 종래의 가스 터빈과 비교하여 질량과 비용을 감소시킨다.

종래의 사이클과 비교하여 OCN 엔진의 이점은 1000°K - 1400°K사이의 노즐입구 온도에서 분명하다.[실제적으로 1600°K의 입구 온도에서의 효율 이득은 여전히 2.5%이다]

· 열효율은 4%-21%더 높다.[절대치]

·고유동력은 전체온도 범위에서 50-100%더 높다.

·낮은 온도에서의 동작은 종래의 사이클과 비교하여 좀 더 우수하다.

·정지터빈[노즐]입구온도는 같은 동력주입의 경우 140°K 더 낮다.

5. 부분 하중 작동

도 9, 10은 다음과 같은 조건일때 자유 터빈을 가진 OCN가스 터빈의 부분하중 동작을 나타낸다.

압축기 P.R =24

터빈 상대총입구 온도 = 1300°K

공기흐름 = 2.7kg/sec

터빈입구 온도를 감소시키는 경우 자유터빈속도가 일정할 때, 가스발생기 주요 세프트속도 또한 감소한다.

압축과 팽창의 높은 단열효율때문에, 1300°K에서 자체하중의 30%가 감소할 경우에 단지 열효율의 경미한 감소[35%에서 27%]가 있다. 종래의 사이클에서는 이경우 열효율이 17%로 떨어진다.

상기의 이점들은 좀 더 총온도와 압력비를 낮추게 한다. 이것은 OCN엔진이 장수요구가 낮은 터빈 입구 온도를 의미하는 전자 에너지 세대 산업분야에서 터빈의 상당히 유용하고, 부분 하중 요휼이 가장 중요한 무거운 탈 것사용에도 유용하며, 그리고 크기와 무게가 중요한 작고 효율적인 비행기 엔진에도 상당히 유용하다.

결론

1. OCN 엔진 사이클은 종래의 사이클에 비해 고유동력과 효율에서 1600K의 터빈[노즐]입구온도에 까지 우수하다. 이 이점은 좀더 높은 온도와 좀더 낮은 압력비를 감소시킨다.

2. OCN 엔진은 새로운 동력 추진력개념, 밀집된 배치를 제시하는 것, 종래의 가스 터빈보다 우수한 고유 동력과 열효율에 대한 해결책을 제시한다.

3. OCN 엔진의 높은 압력과 팽창효율때문에 OCN 엔진 열효율은 종래의 가스터빈과 비교해 30%하중만으로도 높은 효율을 유지할 수 있다는 것이 주목할 만한 이점이다.

4. OCN엔진은 약 140°K의 터빈[노즐]입구 온도만으로도 종래의 가스터빈과 같은 동력을 전달 할 수 있다.

5. 동일한 총압력비를 위해서도 OCN엔진은 좀더 적은 압축기와 터빈으로 좀 더 낮은 무게, 적은 부피, 낮은 비용으로 가증하다.

6. 이러한 OCN엔진은 다양한 상황에 맞추어 좀더 나은 비용효과가 있다. 특히 그것의 플랫 커브때문에, OCN엔진은 작은 비행기, 가스 터빈 그리고 자동차와 트럭같은 탈것에 대해서도 좀 더 나은 동력을 생산할 수 있다.

OCN 작동 계산

동력

동력은 Fr힘의 작용을 먼저 계산함으로써 유추된다.

Fr=m(W4u -W3u)

여기서

m - 노즐 소비율

u - 회전하는 노즐의 접선속도

W4u - 소비되는 가스의 접선속도

Cu - 노즐입구 절대접선속도

W3u = U3-C3u - 노즐입구 상대접선속도

터빈동력은 아래와 같다.

Fr x u

Pn=m(W4u -W3u)U

여기서 W3u = 0

Pn=mW4uU (1)

노즐안으로의 축입구의 경우-상대위치에서- W3u=0 이고 이 인수를 가지고 더 계산해 나가면 W3u값의 계산된 결과가 어떤 W3u값에 대해서도 이상적임을 볼 수 있다.

네트동력은 노즐동력 Pn으로부터 압축기 동력 Pc를 추리함으로써 유추된다.

Pnet = Pn-Pc

m=1kg/sec의 경우 압축기 동력 Pc는 압축기를 통하는 엔탈피 변화를 계산함으로써 유추된다.

(2)

여기서

ηc - 단열 압축기 효율

ηm - 기계적 압축기 효율

T1t - 압축기 입구 총 온도

T2t - 압축기 출구 총 온도

P1t - 압축기 입구 총 압력

P2t - 압축기 출구 총 압력

노즐 동력 Pn은 또한 아래오 같은 열역학식으로부터 유추된다.

Pn = Cp(T3t-T4t) (3)

여기서

T3t - 노즐 총입구 온도

T4t - 노즐 총출구 온도

또한 다음과 같이 표현될 수 있다.

여기서

T4S - 노즐 출구에서의 정지 온도

T3R - 노즐 입구에서의 상대총온도

식(1)과 (4)에 의해

만약 소비속도가 접선이라면, 아래와 같이

W4U = WT ;

그리고,

노즐 효율을 포함한 결과는

T4is = 노즐 출구에서 등엔트로피의 정지 온도를 말한다.

계산된 T4is 는 확산기 동작을 계산함으로써 유추된다. 확산기 출구에서 총 압력은 외부압력이다. 출구속도가 영으로 되는 값을 취하면 확산기 효율은 100%가 된다.

M4는 확산기 입궁서 일부 정지 마하 수이고 이 정의로 유추되어진다.

식(9)는 노즐을 지나는 압력비의 공식으로써 표현될 수 있다.

식(10), (11)과 (12)를 결합함으로써 노즐 출구속도의 간단한 식이 표현된다.

T3R의 값이 수학적으로 계산됨으로써 u는 선택되고 소개되어진다.

확산기 효율치는 계산된 노즐 출구 속도 w를 효율의 정의에 따라 감소시킨다.

미지수 Wx에 대해서 식을 다시 쓰면,

Wx의 값은 식(1)을 사용하는 네트 동력을 계산하는데 사용된다. 노즐 입구에서 총 상대 압력을 의미하는 P3R의 값은 P2R의 값으로부터 떨어진 연소 압력 △P를 통해서 계산된다. 압축기 출구에서 상대 총 압력의 계산식은 다음과 같다.

여기서,

P2t - 압축기 출구에서 총 압력이고 압력 X값에 따라 결정된다.

T2t - 압축기 출구에서 총 온도

C2u - 압축기 출구에서 접선속도

열효율 계산식

ηth = 네트 동력 출력 / 열적 동력 입력

열적 동력 입력은 연소 챔버가 T2R 에서 T3R로 온도를 올리는데 필요한 연료를 공급한다. T2R 은 식 (15)로부터 유추된다.

따라서 열적 동력 입력은

여기서 ηcom은 연소 효율이다.

식(1)로부터 네트동력출력을 계산함으로써 열효율은

계산결과

입력-

△P연소기 ;

Ⅰ Pc 식(2)로부터 유추

Ⅱ P2R과 P3R 식(15)로부터 유추

Ⅲ W4 식(13)으로부터 유추

Ⅳ Wx 식(14)로부터 유추

Ⅴ 네트 동력 식(1)로부터 유추

Ⅵ ηth 식(16)으로부터 유추

도 1 - OCN 터보 세프트 엔진 -실시예

네트동력=630kW ; n1=54,000rpm; n2=45,000rpm

G=2.7Kg/sec; 압축기 P.R=16; T연소기=1260˚K; 열효율=35%

도 2 - OCN T-S 다이아그램

도3. O.C.N 열효율

도4. O.C.N 고유동력

도 5. O.C.N연소가스 터빈 고유동력

P.R=20 U=500m/sec CU=400m/sec

도6. O.C.N 과 종래 가스터빈 효율

P.R=20 U=500m/sec Cu=400m/sec

도 7. O.C.N 터보팬 S.F.C.

U=600m/sec Cu=500m/sec P.R=16 추력 노즐압력비 -1.6 팬 압력비-1.8

도 8. O.C.N 터보팬 추력

U=600m/sec Cu=500m/sec P.R=16 팬P.R=18 추력노즐

도 9. 열효율에서 부분 하중의 효과

OCN 디자인 포인트: C.P.R=24; 터빈 입구 온도=1300°K; 공기속도=2.7kg/sec

도10. 동력에서 부분 하중의 효과

OCN 디자인 포인트 C.P.R=24; 터빈 입구 온도=1300°K; 공기속도=2.7kg/sec

도11. 속도 삼각관계

U=U2=U3=U4

압축기 출구

터빈 입구

터빈 출구

Claims (25)

1. (a)주 압축기와 내측 케이싱과 압축기 구동 노즐 휠을 포함하는 회전 조립체와,(b) 상기 회전 조립체를 감싸는 외측 케이싱을 포함하고, 상기 주 압축기와 내측 케이싱과 압축기 구동 노즐 휠과 외측 케이싱 사이의 공간에 적어도 하나의 연소실이 형성되는 엔진에 있어서, 상기 외측 케이싱이 상기 회전 조립체와 함께 회전하지 않는 것을 특징으로 하는 엔진.
2. 제1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 연소실이 싱글 관상 연소실인 것을 특징으로 하는 엔진.
3. 제1항에 있어서, (c) 상기 연소실에 연소실 압축기를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
4. 제3 항에 있어서, 상기 연소실 압축기가 상기 내측 케이싱에 부착된 다수의 연소실 압축기 블래이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
5. 제1항에 있어서, 상기 회전 조립체가 상기 연소실에 위치되는 관상 플레임 홀더를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
6. 제1항에 있어서, (c)상기 내측 케이싱을 둘러싸는 관상 부재를 또한 포함하고, 상기 관상 부재의 리딩 에지는 주 압축기로부터의 공기 흐름을 외측 공기 흐름과 내측 공기 흐름으로 분할하도록 주 압축기의 후미에 위치되고, 상기 외측 공기 흐름은 관상 부재와 외측 케이싱 사이에서, 그리고 내측 공기 흐름은 관상 부재와 내측 케이싱 사이에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 엔진.
7. 제6항에 있어서, 상기 내측 공기 흐름과 외측 공기 흐름사이의 연통을 허용하는 구멍이 상기 관상 부재를 관통하는 것을 특징으로 하는 엔진.
8. 제1항에 있어서, (c) 상기 주 압축기와 연소실 사이에 회전 디퓨저를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
9. 제8항에 있어서, 상기 회전 디퓨저가 상기 주 압축기의 터미날 블래이드까지 연장되는 연장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
10. 제1항에 있어서, 상기 회전 조립체가 또한 적어도 하나의 연료 분사기를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
11. (a) 축을 갖는 연소실과, (b) 상기 연소실의 축방향 후방 흐름과 반작용하도록 연소실과 동축으로 그리고 연소실로부터 방사 방향 내측으로 위치되는 연소실 압축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
12. 제11항에 있어서, 상기 연소실 압축기가 (c) 적어도 하나의 원주내에서 연소실 축을 중심으로 배열된 적어도 두개의 연소실 압축기 블래이드와, (d) 상기 연소실 압축기 블래이드를 감싸는 관상의 연소실 압축기 몸체부를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
13. 제11항에 있어서, (c) 상기 연소실과 동축인 회전 연소실 내측 케이싱과, (d) 상기 회전 연소실 내측 케이싱에 견고하게 부착되고 적어도 하나의 원주내에서 상기 연소실의 축을 중심으로 배열된 적어도 두개의 연소실 압축기 블래이드와, (e) 상기 연소실 압축기 불래이드를 감싸는 관상의 연소실 압축기 몸체부를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진.
14. 연료와 공기 혼합물이 연소되는 연소실을 갖는 엔진에서 NOx 방출 감소시키는 방법에 있어서, (a) 엔진의 제1 영역에서 배기가스와 연료와 공기를 혼합함으로써 가연성 혼합물을 만드는 단계와, (b) 상기 가연성 혼합물을 연소실에서 연소시키는 단계를 포함하고, 상기 배기가스는 제1 영역보다 높은 정적 압력을 갖는 엔진의 제2 영역으로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 블래이드 기저부를 관통하는 회전 축의 터미날 단부에 부착된 블래이드 회전 휠의 블래이드를 냉각시키는 방법에 있어서, (a) 회전 축을 중심으로 회전하고 입구와 출구를 갖는 적어도 하나의 축 방향 채널을 제공하는 단계와, (b) 상기 입구를 통하여 적어도 하나의 상기 채널내로 냉각 유체를 공급하는 단계와, (c) 상기 채널을 나오는 냉각 유체를 블래이드 기저부의 출구를 관통하도록 방향을 정열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제15항에 있어서, (d) 상기 출구를 나오는 냉각 유체의 압력을 적어도 하나의 상기 채널 내측에 위치된 압력 증가 장치를 사용하여 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제15항에 있어서, 상기 블래이드 회전 휠이 노즐 휠이고 상기 블래이드가 노즐 휠블래이드인 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제15 항에 있어서, 상기 블래이드 회전 휠이 터빈 휠이고 상기 블래이드가 터빈 블래이드인 것을 특징으로 하는 방법.
19. 토오크생성 방법에 있어서, (a) 축을 중심으로 제1 각속도로 회전하는 유체의 소용돌이를 제공하는 단계와, (b) 상기 소용돌이의 유체를 축을 중심으로 제2 각속도로 축상에서 회전하는 적어도 하나의 노즐을 관통하도록 방향을 정렬하는 단계와, (c) 상기 축에서 토크를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제19항에 있어서, 상기 제1각속도와 제2 각속도가 동일한 것을 특징으로 하는 방법.
21. 제19항에 있어서, (d) 비-회전 외측 케이싱내에서 소용돌이를 감싸는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
22. 토오크생성 방법에 있어서, (a) 축을 중심으로 제1각속도로 회전하는 압축된 공기의 소용돌이를 만드는 단계와, (b)가연성 연소를 상기 압축 공기와 혼합하는 단계와, (c) 상기 가연성 연소를 상기 소용돌이 내에서 연소시키는 단계와, (d) 연소에 의해 가열된 유체를 상기 축을 중심으로 제2 각속도로 축상에서 회전하는 적어도 하나의 노즐을 관통하도록 방향을 정열하는 단계와, (d) 상기 축에서 토크를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
23. 제22항에 있어서, 상기 제1 각속도와 제2 각속도가 동일한 것을 특징으로 하는 방법.
24. 제22 항에 있어서, (f) 비-회전 외측 케이싱내에서 상기 소용돌이를 감싸는 것을 특징으로 하는 방법.
25. 제22 항에 있어서, 상기 소용돌이를 만드는 단계는 상기 제2 각속도로 축을 중심으로 회전하는 압축기에 의해 이루어 지는 것을 특징으로 하는 방법.