KR20090100444A

KR20090100444A - 열재생엔진의 스팀발생기

Info

Publication number: KR20090100444A
Application number: KR1020097016688A
Authority: KR
Inventors: 해리 쇼엘
Original assignee: 사이클론 파워 테크놀로지스, 인크.
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2005-09-14
Publication date: 2009-09-23
Also published as: AU2005284864A1; ES2322322T3; DE602005022607D1; ES2322322T1; EP2253808A2; MX2007002944A; BRPI0515305A; US7856822B2; CA2577585A1; ATE475781T1; EP1809865B1; WO2006031907A3; JP2009197804A; US20060053793A1; JP4880605B2; KR100930435B1; US7080512B2; ZA200702947B; WO2006031907A2; US20060254278A1

Abstract

열재생 엔진내부의 스팀 발생기가 조밀하게 번들로 배열된 튜브들로 구성되고 원형으로 감긴 코일을 포함하는 원통형 연소챔버를 포함한다. 튜브번들이 각각 공기 블로워, 연료 분무기 및 점화기를 가지는 두 개의 노즐 조립체에 의해 가열된다. 상기 점화기가 분무기로부터 유출되고 예열된 공기와 혼합되는 분무상태의 연료를 연소시킨다. 연소 노즐 조립체로부터 형성된 화염 및 열이 원형 연소챔버내에서 원심작용을 받으며 향한다. 연소챔버내부에 형성된 연소가스의 사이클로닉 순환은 튜브의 코일에 대해 여러 번 열이 통과하여 소비된 연료량에 비해 상대적으로 높은 열 침투작용을 형성하여 상대적으로 높은 효율이 형성된다. 번들내의 튜브들이 상대적으로 작은 직경과 상대적으로 큰 표면영역을 가지면 튜브내부의 물과 스팀은 콤팩트한 공간내에서 상대적으로 높은 온도와 압력까지 가열되어 매우 효율적인 스팀 발생기가 제공될 수 있다.

열재생 엔진

Description

열재생엔진의 스팀발생기{STEAM GENERATOR IN A HEAT REGENERATIVE ENGINE}

본 발명은 스팀 엔진에 관한 것이며, 특히 윤활제뿐만 아니라 작동 유체로서 물을 이용하는 열 재생 엔진에 관한 것이고, 상기 엔진은 효율이 높으며, 환경 친화적이고 다수의 연료를 사용하기에 적합하다.

또한 본 발명은 스팀 발생기 및 특히 연소챔버내에서 물을 튜브 번들(tube bundle)로 향하게 하는 스팀 발생기에 관한 것이며, 상기 튜브번들은 고온 연소가스의 사이클로닉 순환에 노출된다.

환경에 대한 관심으로부터, 엔진 형상과 관련하여 상대적으로 많은 비용이 들고 복합적인 기술적 제안들이 제시되어 왔다. 예를 들어, 연료 전지 기술은 수소를 청정 연소시키는데 유리하다. 그러나 이러한 환경적으로 유리한 점에도 불구하고, 연료 그레이드 수소(fuel grade hydrogen)를 운반하고 저장하며 제조하는 비용뿐만 아니라 연료 전지 엔진의 크기와 비용 문제가 발생한다. 추가적으로, 청정 전기 자동차는 매우 짧은 이동 거리로 제한되고, 석탄, 디젤 및 원자력 발전소로부터 발생된 전기가 규칙적으로 재충전되어야 한다. 가스 터빈들은 청정함에도 불구하고 일정한 속도로 작동된다. 작은 크기의 가스 터빈들은, 제조하고 구동시키며 정비하 기 위한 많은 비용이 요구다. 디젤 및 가스 내연기관은 효율적이고 경량이며 제조하기에 상대적으로 적은 비용이 소요되지만, 사람들의 건강과 환경에 악영향을 미치는 상당한 정도의 오염물질을 발생시킨다.

초기의 랭킨 사이클 스팀 엔진(Rankin Cycle Steam Engine)은 150년 전에 제임스 와트에 의해 발명되었다. 현재의 랭킨 사이클 스팀 엔진은 과열 스팀을 엔진으로 전달하고 그 뒤 응축기로 전달하기 위한 튜브를 이용한다. 과열 스팀을 엔진으로 보내기 위해 사용된 단일 튜브는, 압력과 온도를 제한하는 상당히 노출된 표면 영역을 가진다. 물이 액체와 기체 상태로 용이하게 변할 수 있는 상대적으로 낮지 않은 온도와 압력이 복잡한 제어 시스템에서 요구된다. 스팀 엔진이 일반적으로 큰 부피를 가지고 비효율적이라 할지라도 이러한 스팀 엔진은 환경 친화적이다. 이러한 스팀 엔진은 상대적으로 오래된 스팀 기차에서 5%의 효율을 가지며 최신 발전소에서 45%의 효율을 가진다. 대조적으로 2-행정 내연기관은 대략 17%의 효율로 작동되는 반면에 4-행정 내연기관은 대략 25%의 효율로 작동된다. 한편 디젤엔진은 35%의 엔진 효율을 가진다.

본 발명의 목적은 높은 효율로 작동되는 콤팩트한 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 고온(1200℉)과 임계 압력(3200 lbs.)에서 또는 이 주변에서 작동되고, 열재생기능을 제공하며 콤팩트한 고효율 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 외연 연소, 사이클론 버너 및 물 윤활제를 이용하여 환경친화적이고 콤팩트한 고효율 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 엔진이 다양한 연료원 및 이들의 조합물을 연소시킬 수 있으며, 다중-연료 용량(multi-fuel capacity)을 가지고 콤팩트한 고효율 스팀 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 진동과 배출 소음이 발생되지 않고, 개별적인 물 냉각 시스템을 포함하지 않고, 경량이며 콤팩트한 고효율 스팀 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 트랜스미션이 요구되지 않고 콤팩트한 고효율 스팀 엔진을 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 목적 및 다른 목적은 첨부된 도면과 상세한 설명에 의해 이해된다.

본 발명의 주요 목적은, 연료를 효율적으로 연소시키고 오염물질을 적게 배출시키는 동시에 콤팩트한 연소챔버내에서 과열 스팀을 효율적으로 발생시키는 열 재생 엔진(heat regenerative engine)을 위한 연소챔버를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 연소가스의 사이클로닉 순환을 발생시키는 연소챔버를 포함한 스팀 발생기를 제공하고, 상기 사이클로닉 순환에 의해 상대적으로 무겁고 미연소된 입자들이 연소되어 상대적으로 청정한 배출가스가 형성되는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 다중 튜브 코일을 둘러싸는 연소챔버를 포함하는 스팀 발생기를 제공하는 것이고, 상기 연소챔버내에서 연소가스와 화염의 사이클로닉 순환을 발생시켜서 다중 튜브 코일에 고온가스가 여러 번 통과하기 위한 연소노즐 조립체가 상기 연소챔버에 제공된다.

본 발명의 또 다른 목적은, 다중 튜브 코일을 둘러싸는 연소챔버를 포함한 스팀 발생기를 제공하는 것이고, 상대적으로 효율적인 열전달과 스팀발생을 위해 상기 다중 튜브 코일은 감겨진 번들내에 작은 튜브들을 가진다.

본 발명의 또 다른 목적은, 스팀 라인의 다중 튜브 코일을 둘러싸는 원형 연소챔버를 포함한 스팀 발생기를 제공하는 것이고, 연소챔버와 다중튜브 코일은 다중 튜브 코일내부의 스팀을 상대적으로 높은 온도와 압력까지 가열시켜서 스팀발생기의 효율을 증가시킨다.

상기 목적들 및 다른 목적들과 장점들이 상세한 설명과 도면들을 참고하여 쉽게 이해된다.

본 발명은 윤활제뿐만 아니라 작동 유체로서 물을 이용하며 콤팩트한 고 효 율 엔진에 관한 것이다. 상기 엔진은 응축기, 스팀 발생기 및 주요 엔진 섹션으로 구성되며, 상기 주요 엔진 섹션은 밸브, 실린더, 피스톤, 푸시로드, 주요 베어링, 캠 및 캠샤프트를 포함한다. 주변 공기는 흡입 블로워에 의해 응축기로 유입된다. 공기 온도는 사이클론 노로 유입되기 전에 두 가지의 단계에서 증가된다. 제 1 단계에서, 공기는 스팀 발생기로 유입되기 전에 응축기로부터 열교환기로 안내되고, 열교환기에서 공기가 가열된다. 스팀 발생기에서, 예비가열된 공기는 연료 분무기(fuel atomizer)로부터 공급된 연료와 혼합된다. 버너가 원심작용(centrifuge)을 받으며 분무된 연료를 연소시키며, 이에 따라 연료성분들이 소모되는 노의 외측부를 향해 무거운 연료 성분들이 이동된다. 상대적으로 가볍고 뜨거운 가스들은 작은 튜브 번들을 통해 이동한다. 엔진의 실린더는 방사상 형상으로 배열되고, 밸브와 실린더 헤드가 사이클론 노로 연장된다. 튜브 번들 내의 온도는 1200 ℉로 유지된다. 스팀을 전달하는 튜브 번들은 노를 통하여 안내되고, 높은 온도에 노출된다. 노의 내부에서, 스팀은 과열되고 대략 3,200lbs의 압력으로 유지된다.

배출 스팀(exhaust steam)은, 스팀발생기 내에서 물을 예비 가열하기 위한 1차 코일을 통해 안내된다. 다음에, 가압응축기능의 원심 시스템내에서 배출스팀은 적층배열의 평평한 플레이트들로 구성된 응축기로 안내된다. 상기 평평한 플레이트를 통하여 순환되는 냉각 공기는 배출 열교환기 내에서 가열되고, 노로 배출된다. 공기의 상기 재가열 사이클은 엔진의 콤팩트한 구조와 효율에 상당히 기여한다.

엔진의 속도와 토크는, 엔진 헤드 내에서 니들 타입의 밸브를 개폐하기 위한 로커 및 캠 형상에 의해 제어된다. 밸브가 개방될 때, 고압 및 고온의 스팀이 실린 더로 주입되며, 고압 피스톤의 상측부에서 폭발에 의해 팽창된다. 3 개 이상의 피스톤에 의해 셀프-스타팅(self-starting)이 가능해 진다.

본 발명의 연소챔버는 조밀한 튜브번들로 형성되고 원형으로 감겨진 코일을 포함하는 실린더형태로 배열된다.

상기 튜브들은 각각 공기 블로워(blower), 연료 분무기(atomizer)와 점화기로 구성된 두 개의 연소 노즐 조립체들에 의해 가열된다. 상기 연소기들은 원형 연소챔버 벽의 마주보는 측부들에 장착되고 연소기들의 화염을 원형으로 향하도록 배열된다. 상기 연소챔버내에서 연소가스가 사이클로닉 순환(cyclonic circulation)하면, 튜브들의 코일에 고온가스를 여러 번 통과시키고 노출시켜서 엔진내에서 상대적으로 높은 효율이 형성되어, 소모된 연료량에 비해 상대적으로 큰 열침투(heat saturation)를 형성한다.

연소챔버내에 배열된 다중 튜브 코일은 추가로 스팀 발생기의 효율에 기여한다. 원형으로 감겨진 튜브 번들의 형상에 기인하여 콤팩트(compact)한 연소챔버내에서 상대적으로 긴 튜브가 수용될 수 있다. 또한 각각의 물 공급 라인을 연소챔버로 들어가고 상대적으로 작은 두 개의 라인들로 분할하면, 상대적으로 큰 튜브 표면영역이 연소가스에 노출되고 상대적으로 큰 열전도기능이 제공된다. 그 결과, 상대적으로 작은 라인내에 있는 상대적으로 작은 체적의 물이 상대적으로 신속하게 가열된다. 또한 상대적으로 작은 튜브들은 큰 직경의 단일 튜브보다 강하기 때문에, 상대적으로 작은 튜브내에 있는 스팀은 상대적으로 높은 온도와 압력까지 가열될 수 있다. 그 결과 엔진뿐만 아니라 스팀발생기의 효율이 개선된다.

본 발명은 도면에서 도면부호 10으로 도시된 방사형 스팀 엔진(radial steam engine)에 관한 것이다. 도 1 및 도 2를 설명하면, 상기 엔진(10)은 스팀 발생기(steam generator, 20), 응축기(condenser, 30) 및 주요 엔진 부분(50)을 포함하며, 상기 주요 엔진 부분은 실린더(52), 밸브(53), 피스톤(52), 푸시-로드(74), 크랭크 캠(61) 및 엔진 부분의 중앙을 통하여 축방향으로 연장된 크랭크샤프트(60)를 포함한다.

작동 시, 주위 공기(ambient air)는 흡입 블로워(intake blower, 38)에 의해 응축기(30)로 유입된다. 공기의 온도는 사이클론로(cyclone furnace, 22)(하기에서는 “연소 챔버”로 언급됨)로 유입되기 전에 2가지의 단계에 의해 증가된다. 응축기(30)는 내부 코어를 둘러싸는 평평한 플레이트(31)가 적층된 배열을 가지는 평평한 플레이트 다이나믹 응축기(flat plate dynamic condenser)이다. 다이나믹 응축기(30)의 구조적 형상에 의해 응축 기능을 강화하는 스팀의 경로가 형성된다. 제 1 단계에서, 공기는 블로워(38)로부터 응축기(30)로 유입되어 플레이트의 외측 표면을 냉각시키고 플레이트 내에서 순환하는 배출 스팀을 응축시키기 위하여 응축기 플레이트에 대해 순환한다. 특히, 실린더(52)의 배출 포트(55)로 배출되는 증기는 실린더를 둘러싸는 예비-가열 코일을 통과한다. 크랭크샤프트의 회전으로부터 발생된 원심력이 증기를 응축기 플레이트(31)의 내부 공동으로 이동시키는 응축기의 코어로 증기가 이동한다. 이러한 증기가 액체 상태로 변화되었을 때, 응축기 플레이 트주변의 밀봉된 포트로 유입된다. 응축된 액체는 수집 샤프트를 통해 응축기의 기저부에 위치된 섬프(sump, 34)로 이동된다. 고압펌프(92)는 액체를 응축기 섬프(34)로부터 연소 챔버 내의 코일(34)로 복귀시키며, 이에 따라 엔진의 유체 사이클이 완료된다. 응축기 플레이트(31)는 상대적으로 콤팩트한 체적 내에서 열전달을 최대화시키기 위한 넓은 표면 영역을 형성하도록 적층된 상태로 배열된다. 적층된 플레이트 형상과 조합하여, 응축 증기를 냉각 플레이트(31)로 반복적으로 이동시키는 크랭크샤프트 임펠러의 원심력으로 인해 다수-경로 시스템은 단일-경로 형상을 가진 종래의 응축기보다 효율적이다.

엔진 슈라우드(engine shrouding, 12)는 연소 챔버와 피스톤 조립체를 둘러싸는 절연성 커버이다. 상기 슈라우드(12)는, 공기를 예비 가열시키는 응축기(30)로부터 추가적으로 가열시키는 공기-대-공기 열교환기(air-to-air heat exchanger, 42)의 흡입 부분까지 흐르게 하는, 공기이송 덕트(32)와 일체 구성된다. 열교환기(42)로부터 배출되는 상기 가열된 흡입 공기는 연소 챔버 내에서 점화되는 버너(40) 내의 분무기(atomizer)/점화기 조립체로 유입된다. 또한 슈라우드는 연소 챔버의 상측 중앙부에서 연소 배출 가스를 수용하는 리턴 덕트를 포함하며, 공기-대-공기 열교환기(42)의 배출 부분을 통해 재차 상기 가스들을 안내한다(direct). 엔진 슈라우드는 자체적인 절연성에 의해 열이 보존되고, 엔진의 공기 흐름을 위해 필요한 덕트배관(ductwork)을 제공하며, 열을 배출하고 획득하는 열교환기와 일체로 구성됨에 따라 엔진의 효율과 콤팩트(compactness)한 구성에 기여한다.

응축기 섬프 펌프로부터 연소 챔버까지의 이송 경로에 위치된 물은 각각의 실린더에 대해 한 개 이상의 주요 스팀공급라인(21)을 통해 퍼올려진다(pump). 주요 스팀 라인(21)은 예비가열 코일(23)을 통과하여, 상기 예비가열 코일은 실린더의 배출 포트에 인접한 각각의 실린더 스커트(cylinder skirt) 둘레에 감겨진다. 배출 포트로부터 배출된 증기는 상기 코일로 열을 공급하여 연소 챔버를 향하여 코일을 통해 안내되는 물의 온도를 증가시킨다. 역으로 열이 예비가열 코일로 공급되어 배출 증기가 응축기로 유입되기 전에, 상기 코일을 통과하는 경로에서 냉각 과정이 개시된다. 상기 코일들을 실린더 배출 포트와 인접하게 배열시키면, 시스템에 대해 소실될 수 있는 열이 소기되며(scavenge), 이에 따라 엔진의 전체 효율에 도움이 된다.

다음 단계에서, 공기는 열교환기(42)를 통해 안내되고, 공기는 스팀 발생기(20)(도 2 및 도 3에 도시)로 유입되기 전에 가열된다. 스팀 발생기(20)에서, 예비 가열된 공기는 연료 분무기(fuel atomizer, 41)(도 8에 도시)로부터 공급된 연료와 혼합된다. 연료성분들이 소비되는 연소 챔버(22)의 외측부를 향해 무거운 연료 성분을 이동시키는 원심분리작용을 받으며 분무된 연료가 점화기(43)에 의해 연소된다. 연소 챔버(22)는, 조밀하게 뭉쳐진 튜브(24)들이 원형으로 감겨진 코일을 둘러싸는 실린더의 형태로 배열되며, 상기 조밀하게 뭉쳐진 튜브(24)들이 원형으로 감겨진 코일은, 각각의 실린더로 안내되는 스팀 공급라인의 일부분을 형성한다. 공기 블로워(38), 연료 분무기(41) 및 점화기(43)(도 4에 도시)를 포함하는 연소 노즐 버너 조립체(40)의 연료를 연소시킴으로써 상기 튜브(24)들이 가열된다. 버너(40)들이 원형 연소 챔버 벽의 마주보는 측부에 장착되고 버너의 화염을 나선 방 향으로 안내하도록 배열된다. 연소 챔버 둘레에서 화염 전방(flame front)을 스피닝(spinning)시키면, 튜브 번들(24)의 중심에 대해 순환하는 연소 가스의 열이 튜브(24)의 코일을 반복해서 지나가게 된다. 튜브 번들(24) 내의 온도는 대략 1200 ℉로 유지된다. 튜브 번들(24)은 스팀을 전달하며 연소가스의 고온에 노출되고, 이러한 스팀은 대략 3,200 psi의 압력으로 유지되며 과열된다. 고온 가스는 원통형 연소 챔버의 라운드 루프(round roof)의 상측 중앙부에 위치한 구멍을 통해 배출된다. 연소가스의 원심운동으로 인해 가스 내에 부유하며 상대적으로 무겁고 연소되지 않은 입자들이 연소 챔버의 외측벽에 축적되어 입자들이 연소되고 상대적으로 청정한 배출에 기여한다. 연소 챔버 내에서 연소 가스가 사이클로닉 순환을 함에 따라 엔진내에서 상대적으로 높은 효율이 형성된다. 특히, 튜브(24)들의 코일이 여러 번 통과함에 따라 소모된 연료량에 비해 상대적으로 큰 열 침투(heat saturation)가 허용된다. 게다가, 원형으로 감겨진 튜브번들의 형상에 기인하여, 종래기술을 따르는 보일러의 연소챔버보다 상대적으로 더 긴 튜브가 제한된 치수의 연소챔버내에 수용될 수 있다. 또한, 연소챔버의 유입부(즉 튜브번들)에서 각 실린더의 스팀공급라인을 2 개이상의 라인들로 분할시키면, 상대적으로 큰 튜브 표면 영역이 연소 가스에 노출되고, 상대적으로 큰 열전달이 이루어져서 유체는 상대적으로 높은 온도와 압력으로 가열되어 엔진 효율을 추가로 개선시킬 수 있다.

상기 설명과 같이, 물이 각 개별 실린더의 예비가열 코일의 단일 라인(21)을 유출하여 연소 챔버로 유동하면, 상기 물은 튜브 번들(24)의 일부분을 형성하는 실린더당 2 개이상의 라인(28)들내부로 분기되고, 상기 튜브번들은 모든 실린더를 위 한 모든 분기된 라인(28)의 코일 번들로 구성된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 다수의 라인(28)들의 횡단면 영역과 길이는 동일하다. 정적인 상태 하에서 분기된 라인(28)과 단일의 “피더(feeder)" 라인(21) 간의 용량과 부피의 균등성이 밸런스됨에도 불구하고 임계적인 높은 온도와 높은 압력의 동적 상태 하에서 분기 라인 내의 상대적인 흐름은 불균형상태가 되어 과열될 수 있으며 상대적으로 느린 흐름으로 인해 파이프 내의 벽에 고장이 발생될 수 있다. 다수의 라인(28)에 대한 단일의 라인(21)의 접합점에 위치된 스플리터 밸브(splitter valve, 26)는 분기 라인들(도 3, 12 및 13에 도시) 사이의 흐름을 동일하게 형성시킨다. 스플리터 밸브(26)는 수직 ‘T' 교차부가 아니라 좁은 선단을 가진 'Y' 교차부를 형성함으로써 접합점에서의 난류(turbulence)를 최소화시킨다. 이러한 ‘Y' 접합점의 바디는 흐름 제어 밸브(27)를 수용하고, 상기 흐름 제어 밸브로 인해 유체의 흐름이 각각의 분기 라인(28)을 통과하여 스팀 발생기(20)를 향하는 것이 방해되지 않지만 시스템이 과압되는 것을 방지하기 위해 한 라인에서 인크리멘털 과압이 과압 밸브(incremental over pressure valve, 46)(압력 조절기)로 재차 배출되는 것이(bleed) 허용된다.

도 5에 명확히 도시된 바와 같이, 엔진의 실린더(52)는 사이클론 노로 연장된 밸브(53)와 실린더 헤드(51)를 가진 방사상 형상으로 배열된다. 캠(70)은 스팀 인젝션 밸브(53)의 개구부를 조절하기 위하여 푸시-로드(74)(도 5에 도시)를 이동시킨다. 상대적으로 높은 엔진 속도에서 스팀 인젝션 밸브(53)는 완전히 개방되어 스팀이 실린더(52)로 주입되고 이에 따라 피스톤 헤드(54)는 반경방향의 내부를 향 해 가압된다. 피스톤 헤드(54)의 운동에 따라 연결 로드(56)는 반경방향의 내부를 향해 이동되어 크랭크 디스크(61)와 크랭크샤프트(60)가 회전한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 각각의 연결 로드(56)는 크랭크 디스크(61)에 연결된다. 특히, 연결 로드 링크의 내부 원형 표면은 크랭크 디스크(61) 상의 허브(63)에 대해 연결되기 위하여 베어링 링(59)과 끼워 맞춤된다. 선호되는 실시예에서, 크랭크 디스크(61)는 연결 로드 링크의 외측 표면을 둘러싸는 베어링 재료로 제조되어 피스톤 하중을 전달하는 더블-백 베어링(double-back bearing)이 제공된다. 연결 로드(56)는 상기 크랭크 디스크(61)에 의해 구동된다. 상기 로드는 균등한 간격으로 원형 베어링의 주변에 장착된다. 연결 로드를 크랭크 디스크(61)로 연결시키는 더블-백 베어링의 하부 부분은 연결 로드(56)의 각 편향(angular deflection)을 제한하도록 구성되어 크랭크샤프트(60)의 1회전 동안 6개의 연결 로드들 사이에 간격이 유지된다. 크랭크 디스크(61)의 중앙은 크랭크샤프트(60)의 중앙 축으로부터 오프셋 설정되는 단일의 크랭크샤프트 저널(crankshaft journal, 62)로 연결된다. 연결 로드(56)의 하측 단부들이 크랭크 디스크(61)에 대해 원형으로 회전하는 반면 크랭크 디스크(61)가 장착되는 크랭크 저널(62)의 오프셋은 상기 로드들의 결과 회전이 타원 경로를 따라 이동되는 형상을 형성한다. 이러한 특정 형상으로 인해 2가지의 장점에 따라 엔진이 작동된다. 2가지의 장점들 중 한 장점으로는, 각각의 피스톤의 폭발 행정 동안, 연결 로드는 구동 피스톤의 모션에 대해 수직하게 배열되어 행정의 최대 파워가 전달된다. 둘째로, 연결 로드(56)와 크랭크 디스크(61) 사이의 오프셋, 크랭크 디스크와 크랭크 저널(62) 사이의 오프셋 및 크랭크샤프트(60)에 대한 크랭크 저널(62)의 오프셋은 피스톤 이동 거리를 증가시킴 없이 각각의 개별적인 폭발 행정의 힘을 증가시키는 레버 암(lever arm)을 형성하도록 조합된다. 이러한 폭발 행정을 도시하는 다이어그램은 도 8에 도시된다. 따라서 기계적인 효율성이 증가된다. 또한 이러한 장치는 증기 인입과 배출에 대한 시간을 증가시킨다.

도 7에 관하여 언급하면, 상대적으로 낮은 엔진 속도에서 스팀 인젝션 밸브(53)는 부분적으로 밀폐되고, 클리어런스 부피 압축 릴리스 밸브(clearance volume compression release valve, 46)는 실린더(52)로부터 스팀을 릴리스시키기 위해 개방된다. 클리어런스 부피 밸브(46)는 엔진 RPM에 의해 제어된다. 클리어런스 부피 밸브(46)는 낮은 속도와 높은 속도에서 엔진의 효율을 개선시키는데 혁신적이다. 실린더(52) 내의 클리어런스 부피를 최소화시킴에 따라 부피를 채우는데 요구되는 과열된 스팀의 양을 줄어들고, 폭발 행정의 폭발성 팽창에 사용될 수 있는 열을 흡수하는 증기 접촉 영역이 감소되며, 상대적으로 작은 챔버 내에 상대적으로 큰 압축력(compression)을 형성함으로써 수용된 스팀의 온도를 추가적으로 상승시키는데 효율적이다. 그러나 상대적으로 작은 부피로 인한 상대적으로 큰 압축력에 따라 과열된 스팀의 유입되는 양에 대해 형성된 배압의 낮은 엔진 RPM에서 역효과가 발생된다. 클리어런스 부피 밸브(46)의 목적은 낮은 엔진 RPM에서 실린더 압축력을 감소시키는 동시에 배압 효과가 최소화되는 상대적으로 빠른 피스톤 속도에서 상대적으로 큰 압축력을 유지시키는데 있다. 클리어런스 볼륨 밸브(46)는 실린더로부터 연소 챔버(22)까지 연장된 튜브(47)에 대해 인렛(inlet)을 조절한다. 상기 클리어런스 볼륨 밸브(47)는 엔진-구동식 1차 다중-위상 물 펌프(engine- driven primary poly-phase water pump, 90)의 저압 펌프 시스템에 의해 수압식으로 작동된다. 상대적으로 낮은 RPM에서 클리어런스 부피 밸브(46)는 튜브(47)를 개방한다. 상기 튜브(47)의 인크리멘털 부피가 실린더(52)로 추가됨에 따라 전체 클리어런스 부피는 압축력이 결과적으로 떨어지면서 증가된다. 상기 튜브로 흐르는 증기량은 밀봉된 튜브(47)를 둘러싸는 연소 챔버(22)에 의해 추가적으로 가열되며, 이에 따라 상기 증기량은 저속 폭발 행정의 전체 증기 팽창에 기여하는 실린더(52)내에서 재차 증발된다. 상대적으로 높은 RPM에서 클리어런스 부피 밸브를 수압식으로 구동시키는 엔진-구동식 펌프(90)의 펌프 시스템은 클리어런스 부피 밸브(46)를 밀폐시키기 위하여 압력을 발생시키며, 이에 따라 전체 클리어런스 부피가 감소되고 엔진의 효율적인 상대적으로 높은 속도의 작동상태를 위해 실린더 압축력을 증가시킨다. 클리어런스 부피 밸브(46)는 낮은 속도의 작동상태와 높은 속도의 작동상태에서 엔진의 효율에 기여한다.

임계 압력 하에서 스팀은 스팀 인젝션 니들 밸브(53) 상에서 작동되는 기계적으로 링크 고정된 스로틀 메커니즘에 의해 엔진의 실린더(52)로 수용된다. 1200℉의 온도를 견디기 위하여, 니들 밸브(53)는 물 윤활 펌프(96)에 의해 물을 응축기(30)로부터 재차 응축기(30)로 흐르게 함으로써 스템의 하부에서 수냉각된다. 밸브 스템의 중간부를 따라서, 패킹 링과 하부 립 밀봉부와 공동으로 밸브 스템 내의 요홈 또는 일련의 래비린스 밀봉부(labyrinth seal)는 각각의 밸브 스템(valve stem)과 부싱 사이에 밀봉을 형성하며, 상기 부싱 내에서 밸브가 이동한다. 이에 따라 밸브 스템의 상측부를 지나 흐르는 냉각제가 분리되고 밀봉되며, 대략 3,200 lbs. psi 압력이 각각의 밸브의 시트와 헤드에서 형성된다. 상기 밸브(53)의 제거뿐만 아니라 시팅 클리어런스(seating clearance)의 조절은 밸브 조립체의 상부 바디에서 기계 가공된 나사에 의해 수행된다. 과열된 스팀을 수용하는 니들 밸브(53)는 엔진 케이싱의 주변에 장착된 각각의 밸브 롤커 암(valve rocker arm, 80) 내에서 스프링(82)에 의해 밀폐된다. 각각의 스프링은 정적 상태 동안에 밸브(53)를 밀폐된 상태로 유지시키기에 충분한 압력을 가한다.

각각의 밸브를 여는 모션은 크랭크샤프트-장착 캠 링(84)에 의해 개시된다. 캠 링상의 로브(lobe, 85)는 실린더(52)에 대해 단일의 푸시로드(74)를 범프시키기 위하여(bump) 스로틀 팔로어(throttle follower, 76)를 가압한다. 각각의 푸시로드(74)는 방사상으로 형성된 6개의 실린더 엔진의 중앙부 근처로부터 니들 밸브 로커(80)로 외측을 향하여 연장된다. 푸시로드(74) 상의 스로틀 팔로어(76)의 힘은 밸브(53)를 개방시키고 스프링 밀폐 압력을 극복한다. 팔로어, 로커 암(80) 및 푸시로드(74) 사이의 접촉은 각각의 니들 밸브 로커 암(80)상에 장착된 나사산 조절 소켓에 의해 형성된다. 엔진 상의 스로틀 조절은 각각의 푸시로드(74)가 연장되는 거리를 가변시킴으로써 구현되고, 보다 많은 과열된 유체를 수용하기 위하여 보다 많이 니들 밸브를 개방시킴으로써 추가적으로 연장된다. 6개의 로드(74)는 호의 형태로 회전하는 스로틀 제어 링(throttle control ring, 78)을 통과하고, 각각의 푸시 로드(74)의 내측 단부가 각각의 캠 팔로어의 암상에 위치되는 위치로 이동한다. 팔로어(76)가 캡 로브(85)에 의해 상승되지 않는다면 푸시로드(74)가 배치되는 팔로어를 따르는 모든 위치는 균일하게 밀폐된다. 스로틀 링(78)의 호가 이동됨에 따 라 푸시로드(74)의 정지 지점은 레버 암을 추가적으로 팔로어의 지주(fulcrum)로부터 이격되도록 이동시킨다. 팔로어(76)가 캠 로브(85)에 의해 범프될 때(bump), 암이 횡단하는 호 길이는 증가되고, 이에 따라 푸시로드(74)가 추가적으로 구동되어 니들 밸브(53)가 추가적으로 개방된다. 엔진 케이싱의 외측으로 연장되고 스로틀 링에 부착된 단일 레버는 스로틀 링의 호를 이동시키는데 사용되며, 이에 따라 엔진 스로틀에 적합하다.

도 9 내지 11에 관하여 언급하면, 엔진의 타이밍 제어(timing control)는 캠 링(84)을 이동시킴으로써 구현된다. 타이밍 제어는 과열된 유체가 각각의 피스톤으로 주입되는 순간을 앞당기며, 엔진 RPM이 증가됨에 따라 상기 주입의 듀레이션(duration)을 단축시킨다. 크랭크샤프트 저널(62)을 향하는 캠 링(84)의 상향 운동은 캠의 로브(85)의 프로파일을 점진적으로 감소시키는 캠 링(84)의 하부 부분으로 팔로어(76)를 노출시킴으로써 타이밍 듀레이션(timing duration)을 가변시킨다. 상기 동일한 캠 링(84)이 회전함에 따라서 캠 로브가 실린더로 스팀 주입을 유발시킬 때의 타이밍이 가변된다. 캠 링의 회전은 캠 슬리브(86)에 고정된 슬리브 캠 핀(88)에 의해 구현된다. 캠 핀(88)은 캠 링(86) 내의 곡선형 수직 슬롯을 통해 연장되어 캠 링(84)이 수압식 압력에 의해 상승됨에 따라 캠 링(84)과 캠 슬리브 피스톤(86) 사이에 트위스팅 액션(twisting action)이 발생되고, 캠 링(84)과 로브(85)는 부분적으로 회전한다. 캠 링의 이러한 2가지 운동은 크랭크샤프트(60)와 스핀 회전하고 이에 밀봉된 캠 슬리브 피스톤(86)에 의해 발생된다. 특히, 크랭크샤프트(60)에 고정된 크랭크샤프트 캠 핀(87)은 캠 슬리브 피스톤 상의 수직 슬롯 과 캠 링내의 개구부를 통과한다. 이에 따라 캠 링(84)과 캠 슬리브(86)는 크랭크샤프트에 대해 수직 운동이 가능하지만 캠 슬리브(86)와 크랭크샤프트(60) 사이에서 상대적인 회전이 방지되어 캠 슬리브(86)는 크랭크샤프트와 스핀 회전한다. 크랭크샤프트 구동식 물 펌프 시스템은 상기 캠 슬리브 피스톤(86)을 연장시키기 위한 수압식 압력을 제공한다. 엔진 RPM이 증가함에 따라 상기 수압식 압력이 상승된다. 이에 따라 캠 슬리브 피스톤(86)이 연장되고, 캠 링(84)은 상승되어 로브(85) 상의 보다 높은 RPM 프로파일이 캠 팔로어로 노출된다. 엔진 속도가 감소됨에 따라 캠 슬리브 피스톤(86) 상의 수압식 압력이 감소되며, 밀봉된 코일 스프링(100)은 캠 슬리브 피스톤(86)과 캠 링(84)을 자체적으로 후퇴시킨다.

스로틀 컨트롤러를 위한 정상 위치(normal position)는 전진 저속(forward slow speed)을 위함이다. 스로틀 링(78)이 스팀을 피스톤으로 유입시킴에 따라 크랭크는 전진 저속 회전 상태로 회전하기 시작한다. 캠 로브(85)가 오랜 시간 동안 지속됨에 따라 스팀은 오랜 시간 동안 실린더(52)로 유입될 수 있다. 상기 기술된 바와 같이, 연결 로드의 타원형 경로는 높은 토크를 발생시키는 동시에 오랜 시간동안 스팀이 실린더로 유입되고, 상대적으로 긴 레버 암 위에서 다음의 실린더의 상태로 유입되어 셀프 스타팅 운동(self-starting movement)이 허용된다.

스로틀 링(78)이 전진함에 따라 상대적으로 많은 스팀이 실린더로 유입되어 RPM이 증가한다. RPM이 증가할 때, 펌프(90)는 캠 링(84)을 고속의 전진 상태로 끌어올리기 위하여 수압식 압력을 공급한다. 캠 링(84)은 캠 타이밍을 앞당기고(advance) 캠 로브 듀레이션을 감소시키기 위하여 캠을 들어올리는 2가지의 위상 으로 이동된다. 이는 RPM이 미리 정해진 위치로 증가됨에 따라 점진적으로 발생된다. 쉬프트 레버(102)는 슬리브(86)를 캠 링(84)으로 끌어올릴 수 있는(lift) 쉬프팅 로드(104) 상에 장착된 스프링이다.

엔진을 역진(reverse)시키기 위하여, 스로틀을 밀폐시킴으로써 엔진을 정지시켜야 한다. 전동 기어를 선택함이 아니라 타이밍을 가변시킴으로써 수행된다. 특히 엔진의 역진은, 크랭크가 상측 데드 센터(top dead center)를 지나 캠을 이동시키도록 슬리브 캠 핀(88)이 캠 링내의 나선형 요홈 내에서 이동될 때, 캠 슬리브(86)를 상승시키기 위해(lift) 쉬프트 로드(104)를 크랭크샤프트(60)까지 가압시킴으로써 수행된다. 이에 따라 피스톤이 크랭크샤프트에 대해 일정한 각도를 형성하여 역회전 방향으로 크랭크 디스크를 가압함에 따라 엔진은 역진된다. 이러한 쉬프팅 운동에 따라 오직 타이밍만이 변화되며, 밸브 개구부에 대한 캠 로브의 듀레이션은 변화되지 않는다. 이에 따라 역진 시 최대 토크와 셀프-스타팅이 발생된다. 역진 시 높은 속도는 요구되지 않는다.

배출 스팀은 발생기(20) 내에서 물을 예비 가열시키도록 제공되는 1차 코일을 통해 안내된다. 그 뒤 배출 스팀은 압축 응축(compressive condensation)의 원심 시스템 내의 응축기(30)를 통해 안내된다. 상기 기술된 바와 같이, 평평한 플레이트를 통해 순환하는 냉각 공기는 배출 열교환기(42) 내에서 가열되고, 버너(40)로 안내된다. 이러한 공기의 재가열 사이클에 따라 엔진의 효율성과 콤팩트니스가 증가된다. 엔진의 물 이송 요구사항에 따라 3가지의 압력 펌프 시스템을 포함하는 다중-위상 펌프(poly-phase pump, 90)가 제공된다. 상기 펌프 시스템들 중 한 시스 템은 동일한 하우징 내에 인접하게 장착된 고압 펌프 시스템(92)이다. 중간 압력 펌프 시스템(94)은 캠 타이밍 메커니즘을 구동시키기 위하여 물 압력을 제공하고 클리어런스 부피 밸브를 구동시키기 위하여 물 압력을 제공한다. 낮은 압력 펌프 시스템(96)은 윤활제를 제공하여 엔진을 냉각시킨다. 고압 유닛은 응축기 섬프(34)로부터 6개의 개별적인 라인을 통과하고, 연소 챔버(22)의 코일을 지나 엔진의 파워 헤드로 과열된 유체를 제공하는 각각의 6개의 니들 밸브(53)까지 물을 퍼 올린다. 다중-위상 펌프(90)의 이러한 고압 섹션은 엔진의 상대적으로 큰 파워 헤드의 형상과 거의 흡사한 방사상으로 배열된 피스톤이다. 각각의 물 펌프 피스톤으로부터 형성되는 물 이송 라인은 레귤레이터에 연결되는 매니폴드(manifold, 98)에 의해 연결되고, 상기 레귤레이터는 물 이송 압력을 파워 헤드의 6개의 피스톤에 대해 조절하고 균일화시키는 기능을 하는 6개의 이송 라인과 연결된다. 이에 따라 파워 헤드의 6개의 피스톤에 대해 물 이송 압력이 조절된다. 다중-위상 펌프 내의 펌핑 서브 유닛(pumping sub unit)은 중앙 샤프트에 의해 구동된다. 이러한 펌프 구동 샤프트는 기계적인 커플러에 의해 주 엔진 크랭크샤프트(60)에 연결된다. 엔진이 정지되었을 때, 보조 전기 모터는 물을 퍼 올리고, 이에 따라 엔진을 재시동하기 위해 필요한 물 압력이 유지된다.

스팀발생기가 여러 도면들에서 일반적으로 도면부호 20으로 도시된다. 스팀 발생기(20)는 일반적으로 연소챔버(22)와 튜브 번들(24)로 구성된다. 튜브번들(24)은 연소노즐 연소기 조립체(40)를 가지며 연소연료에 의해 가열된다. 선호되는 실시예에서, 두 개의 버너(burner) 조립체들이 도시된다. 각각의 연소노즐 버너 조립 체(40)가 공기 블로워(38), 연료 분무기(41) 및 점화기(43)를 포함한다. 상기 튜브번들(24)은 스팀을 포함하며 연소가스의 고온에 노출되고, 스팀은 과열되며 원하는 고압으로 유지된다. 도 15내지 도 17의 화살표로 도시된 연소가스의 원심운동에 의해, 가스내에 부유하며 무거운 미연소상태의 입자들이 연소챔버(22)의 외측벽(27a)에 누적될 수 있고, 외측벽에서 입자들은 연소된다. 그 결과 오염물 배출이 상대적으로 작고 상대적으로 청정한 배출가스가 형성된다. 또한 원형으로 감긴 튜브번들의 배열에 의해 콤팩트한 연소챔버내에 상대적으로 긴 튜브가 수용될 수 있다.

본 발명은 본 발명의 선호되는 실시예에 따라 도시되고 설명되지만 본 발명은 본 발명의 범위와 사상으로부터 벗어남이 없이 변형될 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 따른 상세한 설명에 따라 구성된다.

도 1은 본 발명의 엔진을 통과하는 공기의 흐름을 도시하는 도면.

도 2는 엔진을 통과하는 물과 스팀의 흐름을 도시하는 도면.

도 3은 엔진의 주요 부품들의 횡단면을 도시하는 측면도.

도 4는 도 3의 선 4-4를 따라 절단한 횡단면도.

도 5는 도 3의 선 5-5를 따라 절단한 횡단면도.

도 6은 크랭크 디스크 조립체의 상측 평면도.

도 7은 압축 완화 밸브 조립체, 인젝션 밸브 조립체 및 실린더 헤드를 도시하는 횡단면도.

도 8은 폭발 행정을 도시한 다이어그램.

도 9는 저속에서 전진하는 스로틀 제어 및 엔진 타이밍 제어 조립체의 횡단면도.

도 10은 고속에서 전진하는 스로틀 제어 및 엔진 타이밍 제어 조립체의 횡단면도.

도 11은 후진 방향의 스로틀 제어 및 엔진 타이밍 제어 조립체의 횡단면도.

도 12는 스플리터 밸브의 평면도.

도 13은 도 12의 선 13-13을 따라 절단한 스플리터 밸브의 횡단면도.

도 14는 엔진의 고압 및 저압 펌프 시스템을 위한 다중-위상 1차 펌프와 매니폴드를 도시하는 부분적인 상면도.

도 15는 연소챔버에 의해 둘러싸인 다중 튜브 코일을 가진 본 발명의 스팀 발생기를 부분 단면도로 도시한 사시도.

도 16은 다중 튜브 코일에 대한 연소가스의 사이클로닉 순환을 도시하고 연소챔버의 내부로부터 본 평면도.

도 17은 연소챔버를 일반적으로 외관형상을 도시한 연소챔버의 사시도.

도 18은 스팀 발생기의 다중 튜브 코일을 도시한 사시도.

*도면 부호*

10: 엔진 12: 엔진 슈라우드

20: 스팀 발생기 21: 스팀 공급 라인(피더 라인)

22: 연소 챔버/사이클론 노 23: 각각의 실린더 주위의 예비-가열 코일

24: 모든 실린더를 위한 분리 라인으로 구성된 튜브 번들

26: 스플리터 밸브 27: 흐름 제어 밸브

28: 주요 피더 라인으로부터 사방으로 퍼진 분기 라인

30: 응축기 31: 평평한 플레이트

32: 공기 흡입 이송 덕트 34: 섬프/응축물 수집 팬

38: 블로워 40: 연소 노즐 연료 버너

41: 연료 분무기 42: 열교환기

43: 점화기 46: 압축 릴리스 클리어런스 부피 밸브

47: 클리어런스 부피 튜브 50: 주요 엔진 조립체

51: 실리더 헤드 52: 실린더

*53: 스팀 인젝션 밸브 54: 피스톤 헤드

55: 배출 포트 56: 연결 로드

59: 베어링 링 60: 크랭크샤프트

61: 크랭크 디스크 62: 크랭크샤프트 저널

63: 허브 76:스로틀 팔로워

78: 스로틀 제어 링 80: 로커 암

82: 스프링 84: 캠 링

85: 로브 86: 캠

87: 크랭크샤프트 88: 슬리브

90: 1차 다중-위상 펌프 92: 고압 펌프 시스템

94: 중간 압력 펌프 시스템 96: 저압 펌프 시스템

98: 펌프 매니폴드 100: 코일 스프링

102: 쉬프트 레버 104: 쉬프팅 로드

106: 쉬프팅 칼라

Claims

원통형 외벽과 상측벽에 의해 둘러싸이고 고온 연소가스의 사이클로닉 순환을 발생시키기 위한 한 개이상의 연소노즐 조립체를 포함하는 연소챔버를 포함하고,

번들형태로 감겨진 복수개의 개별 튜브들을 포함한 다중 튜브 코일을 포함하며, 각각의 튜브들은 물과 스팀이 튜브들을 통과하도록 배열되고,

튜브속의 물을 스팀으로 변환시키는 온도까지 복수개의 개별 튜브들을 가열하기 위하여, 상기 연소챔버내부에서 고온 연소가스의 사이클로닉 순환에 상기 다중 튜브 코일을 노출시키며, 상기 고온가스의 사이클로닉 순환이 상기 복수개의 튜브들내에서 스팀의 압력과 온도를 증가시키는 온도까지 튜브를 추가로 가열시키는 것을 특징으로 하는 엔진용 스팀 발생기.
제 1 항에 있어서, 상기 한 개이상의 연소노즐 조립체가

상기 연소챔버와 고온연소가스의 사이클로닉 순환내부를 향하는 공기 유동을 발생시키기 위한 공기 블로워,

분무상태의 연료 미스트(mist)를 발생시키기 위한 연료 분무기(atomizer),

고온 연소가스의 상기 사이클로닉 순환을 발생시키기 위해 상기 공기 유동내에서 분무상태의 연료미스트를 점화하기 위한 점화기를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진용 스팀 발생기.
제 1 항에 있어서, 상기 다중 튜브 코일이 상기 연소챔버와 고온 연소가스의 사이클로닉 순환에 의해 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 엔진용 스팀 발생기.
제 1 항에 있어서, 상기 연소챔버주위에 배열된 복수개의 연소노즐 조립체들이 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진용 스팀 발생기.
제 4 항에 있어서, 각각의 연소노즐 조립체들이,

상기 연소챔버와 고온연소가스의 사이클로닉 순환내부를 향하는 공기 유동을 발생시키기 위한 공기 블로워,

분무상태의 연료 미스트(mist)를 발생시키기 위한 연료 분무기(atomizer),

고온 연소가스의 상기 사이클로닉 순환을 발생시키기 위해 상기 공기 유동내에서 분무상태의 연료미스트를 점화하기 위한 점화기를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진용 스팀 발생기.