KR20060132297A - 가스터빈엔진 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저압 연료공급장치로 구동이 가능하고 부품과 연료공급라인의 구성이 간단하며 후연소실 내 화염온도를 균일하게 하기 위하여, 흡입공기를 압축하는 압축기; 연료를 공급하는 연료공급장치; 상기 압축기에서 공급된 압축공기와 상기 연료공급장치에서 공급된 연료가 혼합되어 연소가스를 발생시키는 주연소기; 상기 주연소기에서 발생되어 배출되는 연소가스에 의해 회전력을 얻어 상기 압축기를 구동시키는 구동축을 구비하며, 상기 주연소기에서 발생되는 연소가스가 배출되는 터빈; 상기 터빈의 연소가스가 배출되는 단부에 배치되며, 상기 터빈으로부터 배출된 연소가스와 상기 연료공급장치로부터 공급된 연료가 혼합되어 연소가스를 발생시키는 보조연소기; 및 상기 터빈의 구동축으로부터 연장되는 구동축에 의해 회전되며, 상기 보조연소기에 연료를 분사하는 연료분사장치를 구비하는 가스터빈엔진을 제공한다.

Description

가스터빈엔진{Gas turbine engine}

도 1은 종래의 가스터빈엔진을 도시하는 개략도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 가스터빈엔진을 도시하는 개략도이다.

도 3은 도 2의 회전식 연료분사장치를 나타내는 단면도이다.

도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 라인을 따라 절개한 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명 *

10, 100 : 압축기 20, 200 : 주연소기

30, 300 : 터빈 31 : 터빈축

40, 400 : 회전식 연료분사장치 41, 410, 411, 412 : 연료공급라인

42, 54, 420 : 연료량 제어장치 43, 430 : 저압 연료공급장치

50 : 압력식 연료분사장치 51 : 스프레이 바

51a : 분사노즐 52 : 연료공급라인

53 : 연료량공급밸브 55 : 고압연료공급장치

60, 600 : 화염안정기 310 : 연장된 터빈축

401 : 임펠러 440 : 연료유량분배기

700 : 보조연소기

본 발명은 가스터빈엔진에 관한 것으로서, 더 상세하게는 회전식 연료분사장치를 갖는 보조연소기를 구비한 가스터빈엔진에 관한 것이다.

가스터빈 엔진은 기존의 왕복동 엔진보다 가벼우면서도 훨씬 높은 파워를 낼 수 있고 대기 오염 물질의 배출량도 낮으므로 고출력 청정 엔진으로 각광을 받고 있다.

가스터빈엔진은 흡입공기를 압축하는 압축기, 압축기에서 압축된 공기와 연료가 혼합되어 연소가 일어나는 주연소기, 주연소기에서의 폭발로 고온 고압으로 급팽창된 제트가스에 의해 회전력을 얻어 상기 압축기를 구동시키고 배기 가스를 분출시키는 터빈을 구비한다. 압축기에 의해 압축된 공기는 연소실로 보내지고 연소실에서는 연료가 압축된 공기와 혼합돼 연소된다. 이때 연소된 제트가스는 고온 고압으로 급팽창하게 되는데 그 배기가스가 연소실 뒤에 위치한 터빈을 돌리면서 노즐을 통해 분사되고, 이때 추진력을 얻게 된다.

특히, 전투기와 같이 급속한 추력이 필요한 경우에 추력 증강을 위해 터빈 출구단에 주연소기에서의 폭발로 고온 고압으로 급팽창된 제트가스에 연료를 공급하여 점화시킬 때의 폭발력으로 추력을 얻는 보조연소기를 추가로 장착한다.

종래의 보조연소기는 터빈의 출구단에 있는 연소기내에 환형으로 다수 열 배치된 다수개의 연료분사노즐과 연료분사노즐에 연료를 공급해주는 연료공급라인 및 화염안정기를 구비한다.

도 1 은 종래의 가스터빈엔진을 도시하는 개략도이다. 도면을 참조하면, 터빈(30)의 출구단에 위치한 보조연소기(700)의 연소실 안에는 스프레이 바(spray bar)(51)가 연소실 내벽에 원둘레를 따라 일정간격으로 설치되어 있다. 스프레이 바(51)에는 연료가 분사되는 압력식 연료노즐(51a)이 다수 개 형성되어 있어서 전체적으로 보면 연료분사노즐(51a)이 환형으로 다수 열 배치되어 있게 된다. 연료노즐(51a)로 공급되는 연료의 조절을 위하여 연료공급밸브(53), 연료량 제어장치(54) 및 연료공급라인(52)이 주연소기(20)와 별도로 설치되어 있다. 급속한 추력 증강을 위하여 보조연소기(700)가 작동할 때에는 연료공급밸브(53)의 작동에 의하여 고압연료공급장치(55)로부터 나온 연료가 연료량 제어장치(54)를 거쳐 압력식 연료분사장치(50)의 분사노즐(51a)에 공급되어 분사된다. 환형으로 배치된 압력식 연료분사노즐(51a)의 배기가스 흐름방향에는 주연소기(20)에서 배출된 배기가스와 압력식 연료분사장치(50)에서 분사된 연료가 혼합되어 점화된 불꽃을 안정화시키는 화염안정기(60)가 설치되어 있다.

그런데, 위에서 설명한 스프레이 바를 사용하는 종래의 보조연소기는 첫째, 고압으로 구동되는 압력식 연료노즐로서 환형으로 다수열 배열되기 때문에 다수의 단일 노즐의 부품이 소요되고 복잡한 구성을 가지는 문제점이 있었다.

둘째, 주연소기에 사용되는 연료분사장치는 슬링거(slinger)등과 같은 회전연료분사장치로 터빈축의 원심력에 의하여 연료를 분사하므로 고압의 연료공급장치가 사용될 필요가 없지만, 보조연소기에 설치된 압력식 연료분사장치는 고압의 연 료공급장치로 구동하여야 하는바, 주연소기와는 별도로 고압의 연료공급장치와 이를 위한 배관 구성을 필요로 하는 문제점이 있었다.

셋째, 종래의 보조연소기에 의하면 압력식 연료노즐이 위치한 곳과 그렇지 않은 곳 사이의 연료분사밀도의 차이에 의하여 연소실내 화염온도가 균일하지 않은 문제점이 있었다.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 저압 연료공급장치로 구동이 가능한 회전식 연료분사장치를 갖는 보조연소기를 구비하는 가스터빈엔진을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 부품이 적게 들고 구성이 복잡하지 않은 회전식 연료분사장치를 갖는 보조연소기를 구비한 가스터빈엔진을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 연소실 내 화염온도가 균일하도록 하는 회전식 연료분사장치를 갖는 보조연소기를 구비하는 가스터빈엔진을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적 및 그 밖의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 흡입공기를 압축하는 압축기; 연료를 공급하는 연료공급장치; 상기 압축기에서 공급된 압축공기와 상기 연료공급장치에서 공급된 연료가 혼합되어 연소가스를 발생시키는 주연소기; 상기 주연소기에서 발생되어 배출되는 연소가스에 의해 회전력을 얻어 상 기 압축기를 구동시키는 구동축을 구비하며, 상기 주연소기에서 발생되는 연소가스가 배출되는 터빈; 상기 터빈의 연소가스가 배출되는 단부에 배치되며, 상기 터빈으로부터 배출된 연소가스와 상기 연료공급장치로부터 공급된 연료가 혼합되어 연소가스를 발생시키는 보조연소기; 및 상기 터빈의 구동축으로부터 연장되는 구동축에 의해 회전되며, 상기 보조연소기에 연료를 분사하는 연료분사장치를 구비하는 가스터빈엔진을 제공한다.

여기서, 상기 가스터빈엔진은 가스터빈 엔진출력을 조절하기 위해 상기 연료공급장치를 통해 공급된 연료의 흐름량을 제어하기 위한 연료량 제어장치; 상기 연료량 제어장치를 통해 공급된 연료를 주연소기와 보조연소기에 분배시키는 연료 유량분배기; 및 상기 주연소기에서 배출된 배출가스와 상기 연료분사장치에서 분사된 연료가 혼합되어 점화된 불꽃을 안정화시키는 화염안정기를 더 구비할 수 있다.

그리고 연료공급장치는 저압에서 구동가능 한 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 가스터빈엔진을 도시하는 개략도이고, 도 3은 도 2의 회전식 연료분사장치를 나타내는 단면도이고, 도 4는 도 3의 회전식 연료분사장치를 Ⅳ-Ⅳ 라인을 따라 절개한 단면도이다.

도면을 참조하면, 가스터빈엔진은 압축기(100), 주연소기(200), 터빈(300), 및 보조연소기(700)를 구비한다. 그리고 보조연소기(700)는 터빈(300)의 구동축으로부터 연장되는 구동축(310)에 의해 회전되며, 보조연소기(700)의 연료를 분사하 는 연료분사장치(400); 및 보조연소기(700)의 연소실에서 점화되는 불꽃을 안정화시키는 화염안정기(600)를 구비하며, 일 실시예로서 하나의 연료공급장치(430)로부터 연료량제어장치(420), 연료유량분배기(440)를 통해 주연소기(200)와 보조연소기(700)에 연료를 공급받는 것이 바람직하다.

가스터빈 엔진에서의 압축기(100), 주연소기(200), 터빈(300)에 관한 사항은 이미 잘 알려진 기술이므로 본 발명에서는 간략히 설명하기로 한다.

압축기(100)는 엔진의 앞쪽에 위치하며 엔진에 흡입되는 공기를 압축한다.

주연소기(200)는 압축기(100)의 후단에 위치하며, 압축기(100)에서 압축된 압축공기와 연소실로 공급된 연료가 혼합되어 연소가스를 발생시킨다. 주연소기(200)에 사용되는 연료분사장치(40)는 연료가 회전축의 회전으로 인한 원심력에 의해 균일하게 반경방향으로 미립화되어 분사되는 회전분사방식을 사용하는 컵 형(cup), 디스크 형(flat disk), 베인디스크 형(vane disk), 슬롯휠(slotted wheel) 연료분사장치가 있는데, 가스터빈엔진의 고속 회전력을 이용할 수 있는 슬링거(slinger)와 같은 회전식 연료분사장치가 주로 사용된다.

터빈(300)은 주연소기(200)에서 발생되어 배출되는 연소가스에 의해 회전력을 얻어 압축기(100)를 구동시키는 구동축을 구비하며, 주연소기(200)에서 발생되는 연소가스를 배출시키기 위하여 주연소기(200)의 연소실 후단부에 설치된다.

연료공급장치(430)는 주연소기(200)와 보조연소기(700)의 연소실에 연료를 공급하는 역할을 한다. 저압 또는 고압으로 구동가능한 연료펌프가 있으며, 압력식 연료분사장치에는 고압의 연료를 공급해주어야 하므로 고압연료펌프가 사용되어 야 하나, 본 발명에서와 같이 회전축의 원심력에 의하여 연료를 분사하는 회전식 연료분사장치에는 저압의 연료를 공급하는 저압연료펌프가 사용될 수 있다. 도 2에 도시된 것과 같은 구성외에, 주연소기(200)와 보조연소기(700)의 연소실에 연료를 공급하는 연료공급장치(430)가 각각 별도로 존재할 수 있음은 물론이다.

연료량제어장치(420)는 요구되는 엔진 출력에 맞추어 연료공급장치(430)로부터 공급되는 연료의 량을 조절하는 장치로서, 유량을 조절할 수 있는 유량조절밸브(flow metering valve)와 유사한 구성을 가진 어떠한 장치도 채용가능하다. 도면에는 연료량제어장치(420)가 연료량공급장치(430)와 연결된 연료공급라인(410)의 중간에 삽입 설치되는 경우만 도시되어 있으나, 연료공급장치(430)와 일체로 되는 구조일 수도 있음은 물론이다.

연료유량분배기(440)는 연료공급장치(430)로부터 공급되어 연료량제어장치(420)를 통해 나온 연료를 보조연소기(700)의 작동 모드에 따라 주연소기(200)와 보조연소기(700)로 적절히 분배하기 위한 것으로서, 하나의 입력포트와 2개의 출력포트를 구비하며, 제어신호에 의하여 각각의 출력포트의 개폐를 조절할 수 있는 구성을 갖추는 것이 바람직하다. 연료유량분배기(440)은 회전축(310)내부 뿐만 아니라 외부에 설치될 수 있다. 도 2에는 도시되지 않았지만, 주연소기(200)와 보조연소기(700)를 위한 연료공급장치(430)가 별도로 존재하는 경우에는 연료유량분배기가 반드시 필요한 것은 아니다.

터빈축(310)은 압축기(100)의 회전축(31)과 일체로 되어 회전하며, 보조연소기(700)의 연소실 전단부까지 연장되어 있다.

도 3과 도 4에 도시된 회전식 연료분사장치는 베인디스크 형이다. 도면을 참조하면, 회전식 연료분사장치(400)는 보조연소기(700)의 연소실까지 연장된 터빈축(310)의 내부로 연료가 흐를 수 있게 하는 연료공급라인(412)과 연장된 터빈축(310)의 말단부에 축의 반경방향으로 수직하게 부착된 임펠러(410)를 포함하여 이루어져 있다. 임펠러(410)의 내부에는 연료 분사 오리피스가 굴곡을 가진 곡선 형태로 여러 개 형성되어 있어서 회전에 의한 원심력을 연료에 최대한 잘 전달시키도록 해준다. 회전식 연료분사장치(700)를 연장된 터빈축(310)에 부착시키기 위한 여러 방법이 있을 수 있으나, 본 발명의 일 실시예로 제시된 도 3의 회전식 연료분사장치(400)의 경우에는 터빈축(310)에 스플라인을 내서 끼운 후 축으로부터 빠져나오지 않도록 고정수단으로 결합시키는 것이 바람직하다. 본 발명은 도 3과 도 4에 도시된 베인디스크 형에 한정되지 않고, 연료가 회전축의 회전으로 인한 원심력에 의해 균일하게 반경방향으로 미립화되어 분사되는 회전분사방식을 사용하는 컵 형(cup), 디스크 형(flat disk), 베인디스크 형(vane disk), 슬롯휠(slotted wheel) 회전연료분사장치 및 슬링거(slinger) 시스템등도 사용될 수 있다. 다만, 디스크 형(flat disk)은 회전속도가 고속일 때연료와 디스크 사이의 미끄러짐으로 인하여 디스크의 각속도보다 연료가 분사되는 속도가 더 낮게되는 단점이 있기 때문에 디스크 형이 아닌 다른 회전식 연료분사장치가 더 바람직할 것이다.

화염안정기(600)는 회전식 연료분사장치(400)의 후단에 설치되어 있으며 점화된 불꽃을 안정화시키는 것으로서 이미 알려진 기술이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다. 따라서 도 2에 도시된 일 실시예에 한정되지 않고, 종래의 보조연소 기에서 사용되던 화염안정기(600)라면 사용될 수 있을 것이다.

이와 같은 구성에 의한 가스터빈엔진에서의 회전식 연료분사장치(400)를 구비한 보조연소기의 기능 및 작용을 설명한다.

저압 연료공급장치(430)는 주연소기(200)와 보조연소기(700)에 있는 회전식 연료분사장치(400)에 연료를 공급하는 역할을 하는데, 저압으로 구동가능한 이유는 연료가 회전식 연료분사장치의 회전에 의한 원심력으로 분사되기 때문이다. 따라서 보조연소기(700)에 연료를 공급하기 위해 고압연료공급장치(55)를 사용해야만 했던 종래의 보조연소기와는 달리 저압연료공급장치(430)를 사용하기 때문에 하나의 저압연료공급장치(430)로 주연소기(200)와 보조연소기(700)를 모두 구동할 수 있게 된다. 또한 고압연료공급장치(55)를 사용하지 않아도 되므로 고압연료공급장치(55)를 위한 별도의 배관이 불필요하여 구성이 간단해진다. 도 2에서는 하나의 저압연료공급장치(430)로 주연소기(200)와 보조연소기(700)에 연료를 공급하고 있는 실시예를 도시하고 있으나, 본 발명은 이에 한하지 않고 각각의 저압연료공급장치(430)를 사용할 수 있음은 물론이다.

이하에서는 급속한 추력을 얻기 위하여 보조연소기가 작동할 때와 작동하지 않을 때의 각 구성요소의 기능 및 작용을 설명한다.

먼저 보조연소기(700)가 작동하지 않을 때를 설명하면, 연료공급장치(430)로부터 공급된 연료는 엔진의 출력조절을 위해 가스터빈엔진의 제어시스템에 입력된 신호들을 토대로 산정된 주연소기(200)에 공급할 연료량에 따라 연료량제어장치(420)에 의해 연료량이 조절된다. 이때 보조연소기(700)는 작동하지 않고, 주연소 기(200)에서 나온 배기가스를 안내하는 역할만 하므로 연료유량분배기(440)는 보조연소기(700)로 들어가는 연료는 차단하고 주연소기(200)로 통하는 연료공급라인(411)을 통해 주연소기(200)로만 연료를 공급하게 된다. 도 2에는 연료유량분배기(440)가 회전축의 내부에 설치되어 있는 것만 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 회전축의 외부에 설치되어 있는 것도 물론 포함한다.

다음으로 보조연소기(700)가 작동할 때를 설명하면, 연료공급장치(430)로부터 연료량제어장치(420)를 통해 나온 연료는 연료공급라인(410)을 통해 연료유량분배기(440)에 유입되고, 연료유량분배기(440)는 주연소기(200)에 통하는 연료공급라인(411)과 보조연소기(700)로 통하는 연료공급라인(412)에 의하여 주연소기(200)와 보조연소기(700)로 연료를 적절히 분배한다. 보조연소기의 연소실 전단부까지 연장되어 있는 터빈축(310)에는 회전식 연료분사장치(400)가 설치되어 있고, 연료공급라인(412)에 의해 연료가 공급된다. 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 공급된 연료는 회전식 연료분사장치(400)의 임펠러(410)의 오리피스에 들어가고 임펠러(410)의 회전에 의한 원심력에 의하여 임펠러의 오리피스를 따라 미립화되면서 반경방향으로 균일하게 분사된다. 균일하게 분사된 미립화 연료는 주연소기(200)의 폭발 배기가스 중 연소반응에 참가하지 않은 산소와 반응하여 추가적인 폭발이 연소실내 균일하게 일어나므로 분사노즐(51a)이 다수의 환형으로 배열된 종래의 압력식 연료분사장치와는 달리 화염온도가 균일하게 된다. 또한 폭발시의 점화불꽃을 화염안정기(600)로 안정시키면서 분출되는 배기가스에 의하여 가스터빈엔진의 추력을 얻게 된다.

본 발명에 따른 가스터빈엔진에 의하면, 터빈의 구동축으로부터 연장되는 구동축에 의해 회전되며, 보조연소기에 연료를 분사하는 회전식 연료분사장치를 갖는 보조연소기를 구비하고 있다.

따라서 첫째, 저압 연료공급장치로 보조연소기의 연료분사장치를 구동가능하게 함으로써 연료공급장치를 구동시키는 엔진의 부하를 적게하고 고압 연료공급장치의 개발비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

둘째, 회전식 연료분사장치는 부품수가 적고, 주연소기와 보조연소기 모두 회전식 연료분사장치를 사용함으로써 고압 연료공급장치를 위한 별도의 연료공급라인이 필요없다.

셋째, 회전식 연료분사장치의 원심력에 의해 연료가 미립화되어 반경방향으로 골고루 퍼져나가기 때문에 후연소실내 화염온도가 균일한 효과가 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

1. 흡입공기를 압축하는 압축기;

   연료를 공급하는 연료공급장치;

   상기 압축기에서 공급된 압축공기와 상기 연료공급장치에서 공급된 연료가 혼합되어 연소가스를 발생시키는 주연소기;

   상기 주연소기에서 발생되어 배출되는 연소가스에 의해 회전력을 얻어 상기 압축기를 구동시키는 구동축을 구비하며, 상기 주연소기에서 발생되는 연소가스가 배출되는 터빈;

   상기 터빈의 연소가스가 배출되는 단부에 배치되며, 상기 터빈으로부터 배출된 연소가스와 상기 연료공급장치로부터 공급된 연료가 혼합되어 연소가스를 발생시키는 보조연소기; 및

   상기 터빈의 구동축으로부터 연장되는 구동축에 의해 회전되며, 상기 보조연소기에 연료를 분사하는 연료분사장치를 구비하는 가스터빈엔진.
2. 제 1항에 있어서,

   가스터빈엔진출력을 조절하기 위해 상기 연료공급장치를 통해 공급된 연료의 흐름량을 제어하기 위한 연료량 제어장치;

   상기 연료량 제어장치를 통해 공급된 연료를 주연소기와 보조연소기에 분배시키는 연료 유량분배기; 및

   상기 주연소기에서 배출된 배출가스와 상기 연료분사장치에서 분사된 연료가 혼합되어 점화된 불꽃을 안정화시키는 화염안정기를 더 구비하는 가스터빈엔진.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 연료공급장치는 저압에서 구동가능 한 것을 특징으로 하는 가스터빈엔진.

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