KR20050077734A

KR20050077734A - 가스 터빈 냉각 시스템

Info

Publication number: KR20050077734A
Application number: KR1020050003573A
Authority: KR
Inventors: 스파다치니루이스제이.; 후앙헤; 베르투치올리루카; 베이트로버트엘.
Original assignee: 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2005-01-14
Publication date: 2005-08-03
Also published as: US20050166598A1; US7231769B2; CA2492566A1; EP1559883B1; EP1559883A2; EP1559883A3; CN1648428A; JP2005214202A

Abstract

가스 터빈용 냉각 시스템은 연료의 냉각 성능 증가를 위한 연료 산소제거기를 포함한다. 연료 산소제거기는 연료로부터 용해된 가스를 제거하여 불용성 침전물의 형성을 방지한다. 불용성 침전물의 방지는 연료의 사용가능한 냉각 성능을 증가시킨다. 산소가 제거된 연료의 증가된 냉각 성능은 엔진 구성요소를 보호하는 데에 사용된 공기를 냉각시키기 위한 보다 큰 열 싱크를 제공한다. 냉각 공기의 개선된 냉각 성능은 전체 엔진의 효율을 개선시키는 증가된 엔진 작동 온도를 제공한다.

Description

가스 터빈 냉각 시스템 {GAS TURBINE COOLING SYSTEM}

본 발명은 일반적으로 가스 터빈 엔진용 냉각 시스템에 관한 것이며, 특히 공기를 냉각시키는데 사용되는 연료의 유용한 열 흡수 성능을 증가시키기 위해 연료 산소제거기를 포함하는 냉각 시스템에 관한 것이다.

가스 터빈 엔진은 전형적으로 컴프레서, 연소장치 및 터빈을 포함한다. 컴프레서에 유입되는 공기는 압축되어 연소장치 쪽으로 지향된다. 연소장치에서, 연료는 고압의 공기와 결합하여 점화된다. 연소장치 내에서 생성된 연소 가스는 터빈을 구동한다. 높은 엔진의 온도는 항공기의 항속거리를 연장시키는 보다 나은 연료 연소율과 엔진 효율을 제공한다. 높은 엔진 및 연소가스의 온도는 보통 엔진의 금속 부품이 수용할 수 있는 온도보다 높다. 전형적으로, 컴프레서로부터의 공기 일부는 유출되어 엔진의 부품들 상으로 지향되어 고온의 연소 가스들로부터 노출된 표면을 단열하는 냉각 경계층을 형성한다.

컴프레서로부터의 유출 공기를 냉각시키는 것은 엔진이 엔진 구성요소에서 동일한 온도를 유지하면서, 증가된 연소 가스 온도에서 작동되는 것을 허용한다. 컴프레서로부터의 공기를 냉각시키는 냉각매질로서 연료를 사용하는 것이 공지되어있다. 연료의 유용한 냉각 성능은 연료 내에 용해된 산소와의 산화반응에 의해 야기되는 코크스 형성에 의해 제한된다. 이러한 반응들은 “코크스” 혹은 “코킹”으로 언급되는 불용성 재료의 형성을 발생시킨다. 코크스 침전물은 연료 이송 성능의 열화를 발생시킨다. 따라서, 연료의 유용한 냉각 성능은 연료 내에 용해된 산소의 양에 따라 제한된다. 또한, 연료의 유용한 냉각 성능은 엔진 냉각 공기로부터 전달될 수 있는 열의 양을 제한하며, 이로써 지속 가능한 엔진 작동 온도를 제한한다.

따라서, 냉각 공기로부터의 보다 큰 양의 열을 흡수하기 위한 증가된 연료 냉각 성능을 갖춘 엔진 냉각 시스템을 개발하는 것이 바람직하다.

본 발명은 엔진 냉각 공기를 냉각시키는 데에 사용되는 연료의 유용한 냉각 성능을 증가시키기 위하여 연료로부터 용해된 산소를 제거하는 연료 산소제거기를 포함하는 엔진 냉각 시스템이다.

가스 터빈 엔진은 공기를 고압으로 압축하는 컴프레서를 포함한다. 고압의 공기는 연소장치 내의 연료와 혼합되고 고온의 연소 가스를 생성하기 위해 점화된다. 고온의 연소 가스는 터빈을 구동한다. 터빈은 컴프레서로부터 유출된 공기에 의해 냉각된다. 컴프레서로부터의 냉각 공기는 연료/공기 열 교환기 내에서 냉각된다. 연료 산소제거기 내에서 모든 용해된 산소를 실질적으로 제거하는 것은 코크스 침전물이 생성되는 온도를 증가시킴으로써 연료의 유용한 냉각 성능을 증가시킨다.

연료의 증가된 냉각 성능은 냉각 공기로부터 흡수될 수 있는 열의 양을 증가시킬 수 있고, 이로써 증가된 엔진 작동 온도를 가능하게 한다. 알 수 있는 바와 같이, 보다 높은 엔진의 온도는 엔진의 효율을 보다 높게 하고, 이로써 양호한 성능의 개선을 이룰 수 있다.

따라서, 본 발명의 엔진 냉각 시스템은 엔진 냉각 공기를 냉각시키는 데에 사용되는 연료의 유용한 냉각 성능을 증가시킨다.

본 발명의 다양한 특징과 이점들은 통상의 양호한 실시예의 다음의 상세한 설명으로부터 해당 기술 분야의 숙련자들에게 명백해질 것이다.

도1을 참조하면, 가스 터빈 엔진 조립체(10)는 컴프레서(12), 연소장치(14) 및 터빈(16)을 포함한다. 컴프레서(12)로 유입된 공기유동(26)은 고압으로 압축되어 연소장치(14) 방향으로 지향된다. 연소장치(14) 내에서, 연료(22)는 고압 공기와 혼합되어 점화된다. 최종 고온 연소가스(15)는 터빈(16)을 구동하도록 배기된다.

터빈(16)을 구동하도록 배기된 고온 연소가스(15)는 전형적으로 엔진(10)의 금속 구성요소를 잠재적으로 손상시킬 수 있는 온도이다. 컴프레서(12)로부터 안내된 공기 통로(19)는 고압 공기(18)를 터빈(16)에 공급한다. 고압 공기(18)는 터빈(16)을 지나 유동하는 고온 연소가스로부터 금속 구성요소를 단열하는 경계층을 생성한다.

터빈(16)을 냉각시키는 공기 통로(19) 내의 공기(18)는 터빈(16)에 유익한 양호한 냉각을 제공하는 온도여야 한다. 터빈(16)을 지나 유동하는 공기의 온도가 클수록, 보다 많은 유동이 요구된다. 컴프레서(12)로부터의 많은 유동은 전체적인 엔진 효율성을 감소시킨다. 이러한 이유로 공기 통로(19) 내의 공기(18)는 우선 연료/공기 열 교환기(20)를 통한 경로를 따른다. 공기 통로(19) 내의 공기(18)는 연료/공기 열 교환기(20) 내의 연료(22)에의 가열을 차단하기 위해 열 접촉식으로 위치된다.

연료(22)의 유용한 냉각 성능은 용해된 산소를 제거함으로써 증가된다. 연료 내의 용해된 산소의 존재는 대부분의 항공기 연료가 약 250℉ 보다 높은 온도에서 손상되게 한다. 연료의 손상은 연료 통로(23)와 연소기(14) 내의 구성요소에 불용성 코크스 퇴적물을 형성하는 결과를 가져온다. 바람직하지 않은 코크스 퇴적물의 형성은 엔진 효율을 열화시키고 그리고/또는 추가적인 유지보수를 필요로 하게 된다. 연료 시스템은 연료(22)로부터 용해된 산소를 제거하기 위한 연료 산소 제거기(24)를 포함한다.

도2에는, 본 발명에 따른 연료 산소제거기(24′)의 개략도가 도시되고 하우징(36)에 배치된 복수의 튜브(34)를 포함한다. 연료(22)는 입구(38)로부터 출구(40)까지 튜브(34) 주위로 유동된다. 튜브(34)는 연료(22) 내에 용해된 산소 분자를 흡수하는 합성의 투과성 막(30)을 포함한다. 튜브(34)를 통해 유동하는 스트립 가스(32)는 연료(22)로부터 용해된 산소를 튜브(34) 안으로 그리고 스트립 가스(32)는 튜브 밖으로 추출하는 합성의 투과성 막(30)에 걸쳐 분압차를 생성한다. 이후, 산소는 스트립 가스(32)로부터 제거되어 시스템으로부터 배기된다. 이후, 스트립 가스(32)는 연료 산소제거기(24′)를 통하여 순환된다. 산소가 제거된 연료는 출구(40)를 통하여 냉각 공기(18)로부터 열을 흡수하는 연료/공기 열 교환기(20)로 배출된다.

도3에는, 연료 산소제거기(24″)의 또 다른 실시예가 도시되고 층층이 적층된 일련의 연료 판(42)을 포함한다. 합성의 투과성 막(30)은 연료 통로(46)의 일부를 형성하도록 각각의 연료 판(42)에 구비된다. 연료는 입구(48)를 통하여 진입하고 출구(50)를 통하여 배출된다. 개구(49)는 진공원(56)에 개방된다. 연료(22)는 적층된 연료 판(42)에 의해 형성된 연료 통로(46) 내부를 통과한다. 연료 판(42)은 입구(48) 및 출구(50)를 형성하는 하우징(44) 내에 배치된다. 연료 판(42)의 사용은 연료 판(42)을 부가하거나 제거함으로써 연료 산소제거기(24″)가 다양한 응용예에 적용되는 것을 허용한다. 비록 연료 산소제거기의 실시예를 도시하고 설명하였지만, 본 출원의 이점을 아는 해당 기술 분야의 숙련자는 본 발명의 의도 내에서 연료 산소제거기의 다른 구성이 가능하다는 것을 이해할 수 있다.

도4에는, 합성의 투과성 막(30)이 단면으로 도시되며, 바람직하게는 다공성 받침(backing;51) 상에 배치된 투과성 층(52)을 포함한다. 다공성 받침(51)은 연료로부터 최대의 산소 확산을 허용하면서 투과성 층(52)에 필요한 지지 구조를 제공한다. 투과성 층(52)은 다공성 받침(51)에 코팅되고 이 둘 사이에는 기계적 접합이 형성된다. 투과성 층(52)으로는 0.25㎛의 구멍 크기를 갖는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)로 된 두께 0.005 인치의 다공성 받침(51) 상에 0.5-20㎛ 두께의 테프론 AF 2400의 코팅이 바람직하다. 상이한 재료, 두께 및 구멍 크기인 다른 받침이 필요한 강도 및 개방성을 제공하도록 사용될 수 있다. 바람직하게는 투과성 층(52)은 듀폰 테프론 AF 비정질 플루오르 중합체이지만 솔베이 하이프론 AD 과불소화 유리질 중합체 및 아사이 글래스 CYTOP 폴리퍼플루오로부테닐 비닐 에테르와 같이 해당 기술 분야의 숙련자에게 공지된 다른 재료들이 본 발명의 의도에 포함될 수도 있다. 각각의 합성의 투과성 막(30)은 다공성 기판(54) 상에 지지된다. 다공성 기판(54)은 합성의 투과성 막(30)에 걸쳐 산소 분압차를 생성하기 위해 진공원(56)과 연통된다.

작동 중에 분압차는, 투과성 막(30)의 비연료측(55)과 연료측(57) 사이에서, 진공원(56)에 의해 생성된다. 화살표(58)에 지시된 산소는 연료(22)로부터 합성의 투과성 막(30)을 가로질러 다공성 기판(54) 내부로 확산된다. 다공성 기판(54)으로부터 산소(58)는 흡인되어 연료 시스템 밖으로 배출된다.

가스 터빈 엔진의 효율은 엔진이 달성할 수 있는 온도에 관련된다. 보다 높은 온도는 보다 나은 연료 연소성능을 가능하게 하여 항공기의 항속거리를 보다 길게 할 수 있다. 연료/공기 열 교환기(20)를 통과하는 경로를 갖는 컴프레서(12)로부터의 냉각 공기(18)에 의해 온도의 증가가 가능하다. 이해되는 바대로, 컴프레서(12)로부터 흘러나오는 공기는 엔진(10)의 효율을 감소시킨다. 산소가 제거된 연료의 증가된 열 감소 성능에 의해 용이해진 컴프레서(12)로부터 흘러나오는 공기의 감소는 전체 엔진 작동 효율을 증가시킨다.

상기 설명은 일례일 뿐 필수적인 설명은 아니다. 본 발명은 예시적 방식으로 설명한 것이고, 사용된 전문용어는 이에 제한되는 것은 아니며 설명에 사용한 단어의 속성을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명의 많은 수정과 변경이 상기 교시의 관점에서 가능하다. 본 발명의 양호한 실시예가 개시되었으나, 해당 기술의 통상의 기술을 가진 자는 본 발명의 범위 내에서 소정의 수정이 가능하다는 것을 알 수 있다. 본 발명은 첨부한 청구 범위 내에서 상세하게 설명된 바와 다르게 실행될 수 있다는 것을 알 수 있다. 이러한 이유로 다음의 청구 범위는 본 발명의 진정한 범위와 내용을 결정하기 위한 것으로 고려되어야 한다.

본 발명은 엔진 냉각 공기를 냉각시키는 데에 사용되는 연료의 유용한 냉각 성능을 증가시키기 위하여 연료로부터 용해된 산소를 제거하는 연료 산소제거기를 포함하는 엔진 냉각 시스템을 제공할 수 있다.

상세한 설명을 동반하는 도면은 다음과 같이 간단하게 설명될 수 있다.

도1은 본 발명에 따른 가스 터빈 엔진 및 냉각 공기 시스템의 개략도.

도2는 본 발명에 따른 연료 산소제거기의 개략도.

도3은 본 발명에 따른 다른 산소제거기의 개략도.

도4는 연료 산소제거기의 투과성 막 및 다공성 기판의 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

24, 24′, 24″ : 연료 산소제거기

20 : 연료/공기 열 교환기

30 : 합성의 투과성 막

54 : 다공성 기판

56 : 진공원

Claims

흡입 공기를 압축하는 컴프레서와,

압축된 흡입 공기와 함께 연료를 연소시키는 연소장치와,

상기 연소장치와 유동식 연동된 회전 터빈을 구비하는 터빈 섹션과,

상기 터빈에 냉각 공기를 공급하기 위한 컴프레서로부터 터빈으로의 공기 통로와,

상기 공기 통로 내의 공기로부터 연료 통로 내의 연료에 열을 전달하기 위한 연료 공기 열 교환기와,

상기 연료로부터 용해된 가스를 제거하기 위한 연료 산소제거기를 포함하는 가스 터빈 엔진 조립체.
제1항에 있어서, 상기 연료 산소제거기는 상기 연료 통로를 통해 유동하는 연료와 접촉하는 투과성 막을 포함하는 가스 터빈 엔진 조립체.
제2항에 있어서, 상기 투과성 막의 연료측에 배치된 폴리테트라플루오르에틸렌 코팅을 포함하는 가스 터빈 엔진 조립체.
제2항에 있어서, 비연료측 상의 상기 투과성 막을 지지하는 다공성 기판을 포함하는 가스 터빈 엔진 조립체.
제4항에 있어서, 연료 통로 내의 연료로부터 용해된 가스를 추출하기 위하여 상기 투과성 막의 연료측과 비연료측 사이에서 분압차를 생성시키기 위한 다공성 기판과 연통하는 진공원을 포함하는 가스 터빈 엔진 조립체.
제4항에 있어서, 연료 통로 내의 연료로부터 용해된 가스를 추출하기 위하여 상기 투과성 막의 연료측과 비연료측 사이의 분압차를 생성시키기 위한 다공성 기판과 연통하는 스트립 가스 통로를 포함하는 가스 터빈 엔진 조립체.
연료용 연료 통로와 열적 연통하는 냉각 공기용 공기 통로를 구비하는 열 교환기 조립체와,

연료의 열 흡수 성능을 증가시키기 위해 상기 연료로부터 용해된 가스를 제거하는 연료 산소제거기를 포함하는 가스 터빈 엔진용 냉각 시스템.
제7항에 있어서, 상기 공기 통로를 통해 공기 유동을 제공하는 컴프레서를 포함하는 가스 터빈 엔진용 냉각 시스템.
제7항에 있어서, 상기 연료 통로 내의 연료 온도가 화씨 325도 보다 큰 가스 터빈 엔진용 냉각 시스템.
제7항에 있어서, 연료 산소제거기는 상기 연료 통로를 통해 유동하는 연료와 접촉한 투과성 막을 포함하는 가스 터빈 엔진용 냉각 시스템.
제10항에 있어서, 상기 투과성 막의 연료측 상에 배치된 폴리테트라플루오르에틸렌 코팅을 포함하는 조립체.
제11항에 있어서, 비연료측 상의 투과성 막을 지지하는 다공성 기판을 포함하는 조립체.
제12항에 있어서, 연료 통로 내의 연료로부터 용해된 가스를 추출하기 위하여 상기 투과성 막의 연료측과 비연료측 사이에 분압차를 생성시키기 위한 다공성 기판과 연통하는 진공원을 포함하는 조립체.
제12항에 있어서, 연료 통로 내의 연료로부터 용해된 가스를 추출하기 위하여 상기 투과성 막의 연료측과 비연료측 사이에 분압차를 생성시키기 위한 다공성 기판과 연통하는 스트립 가스를 포함하는 조립체.
a) 컴프레서로부터 공기 통로를 통하여 공기의 방향을 지향하는 단계와,

b) 연료 통로를 통하여 연료 유동 내에 용해된 가스를 제거하는 단계와,

c) 냉각된 공기를 생성시키기 위하여 공기 통로 내의 공기로부터 연료 통로에서 유동하는 연료로의 열을 차단하는 단계와,

d) 엔진 상에 냉각된 공기를 유동시키는 단계를 포함하는 가스 터빈 엔진 냉각방법.
제15항에 있어서, 투과성 막에 인접하여 유동하는 연료를 포함하는 가스 터빈 엔진 냉각 방법.
제16항에 있어서, 투과성 막을 다공성 기판의 비연료측 상에 지지하고, 연료로부터의 가스 확산을 유도하기 위하여 투과성 막의 연료측과 비연료측 사이에 분압차를 생성시키는 단계를 포함하는 가스 터빈 엔진 냉각 방법.
제17항에 있어서, 상기 다공성 기판과 연통하는 진공원으로 분압차를 생성시키는 단계를 포함하는 가스 터빈 엔진 냉각 방법.
제17항에 있어서, 분압차를 생성시키기 위하여 다공성 기판과 연통하는 스트립 가스를 유동시키는 단계를 포함하는 가스 터빈 엔진 냉각 방법.