KR20100096116A - 회전 기계 왕복운동식 활주 금속 베인 공기 펌프 및 펄스 가스 터빈 엔진 시스템과 통합된 경계층 가스 터빈 - Google Patents

회전 기계 왕복운동식 활주 금속 베인 공기 펌프 및 펄스 가스 터빈 엔진 시스템과 통합된 경계층 가스 터빈 Download PDF

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Abstract

본 발명의 회전 기계식 왕복운동형 활주 베인 공기 펌프는 단일 샤프트 상의 펄스 구동식 경계층 가스 터빈들과 통합된다. 샤프트는 슬롯 형성되고, 왕복 운동하는 활주 금속 베인을 기계적으로 구동시키는 슬롯형 로터와 정렬된다. 하우징 내의 캐비티는 샤프트의 중심선으로부터 오프셋되어, 로터와 캐비티 벽 사이에 캐비티를 생성한다. 공기는 공동화된 하우징의 입구에서 능동적으로 도입되고 출구에서 능동적으로 배출된다. 공기 입구 및 출구 포트는 각각 90도 및 270도에서 공동화된 하우징으로 진입하고 나간다. 압축된 공기는 터빈 하우징의 측면 벽 상에 장착된 연소 챔버 내로 매니폴드를 통해 안내된다. 방전 전극은 고온을 발생시키는 연료 공기 혼합물과 경계층 가스 터빈의 베인 내로 노즐을 통해 배기되는 압력 펄스형 작동 유체를 폭발시킨다.

Description

회전 기계 왕복운동식 활주 금속 베인 공기 펌프 및 펄스 가스 터빈 엔진 시스템과 통합된 경계층 가스 터빈{ROTARY MECHANICALLY RECIPROCATED SLIDING METAL VANE AIR PUMP AND BOUNDARY LAYER GAS TURBINES INTEGRATED WITH A PULSE GAS TURBINE ENGINE SYSTEM}
본 발명은 회전 기계 왕복운동식 활주 금속 베인 공기 펌프 및 펄스 폭발 구동 가스 터빈 엔진 시스템에 통합된 경계층 터빈의 분야에 관한 것이다.
폭발-펄스 구동 가스 터빈의 분야에서, 미국 특허 제6,000,214호에서 개시된 바와 같이, 터빈은 동역학적 충격 및 팽창 가스에 의해 블레이드 레이스(blade race)를 통해 능동적으로 변위되는 블레이드를 갖는 폭발-구동 변형식 펠톤 수차이다. 압축 공기는 주 터빈 및 샤프트 조립체에 외부적으로 장착된 루츠형(roots-type) 로브 송풍기 또는 활주 베인 송풍기에 의해 생성된다.
로브 송풍기는 기어 박스를 통해 동기화되는 두 개의 로브들을 구동시키는 두 개의 샤프트들을 구비하므로, 펄스 구동 가스 터빈 엔진의 주 샤프트와 기계적으로 통합될 수 없다. 상업적인 용도에서의 활주 베인 송풍기는, 회전 동안 원심력에 의해 베인이 펌프 캐비티 내로 연장하게 하는 로터 내의 각진 슬롯(angle slot) 내에 위치설정되는, 흑연 베인, 전형적으로 로터당 네 개의 흑연 베인을 이용한다. 베인은 펌프 샤프트 및 로터 내의 슬롯을 통해 펌프 하우징의 직경을 가로질러 연장하지 않고 기계적으로 왕복 운동하지 않는다. 또한, 그들은 폭발적인 역압에 의한 파손 또는 깨짐이 발생한다.
경계층 현상 및 기술은 1906년 및 1913년에 특허 허여된 니콜라 테슬라 보텍스 터빈(Nikola Tesla vortex turbin)에서 시작하여 일세기에 걸쳐서 다양한 응용예에 이용되었다. 경계층 터빈은 원심분리기 및 축방향 유동 터빈과 동일하게 일정한 압력 및 유동을 유지하는 모든 형태의 작업 유체와 함께 사용된다.
본 발명은 고압 펄싱 작업 유체를 갖는 하이브리드 경계층 터빈을 이용한다.
본 발명에 따르면, 회전 왕복운동 활주 베인 공기 펌프 및 경계층 터빈은 폭발 구동 가스 터빈 엔진 시스템의 샤프트와 통합된다. 공기 펌프는 슬롯형 로터와 회전 왕복운동 활주 베인을 수용하는 두 개의 단부 플레이트를 갖는 공동화된 블록 하우징을 갖는다. 로터와 샤프트가 공동화된 하우징에서 회전할 때 왕복운동 활주 베인으로 하여금 캐비티 내에서 앞뒤로 이동하게 하는 슬롯형 터빈 샤프트의 중앙에서 그리고 그 위에 로터가 장착된다. 하우징 내의 캐비티는 샤프트의 중심선으로부터 오프셋되고, 로터와 하우징 벽 사이의 공간을 발생시킨다. 로터와 캐비티의 치수들은 회전당 배기량을 결정한다. 공기는 공동화된 하우징의 입구에서 능동적으로 변위되고 출구에서 능동적으로 배출된다. 공기 출구 및 출구 포트들은 로터와 베인이 시계방향으로 회전할 때 각각 90도 및 270도에서 공동화된 하우징에 진입하고 빠져나간다.
회전 기계 왕복운동식 금속 베인이 공동화된 하우징 벽의 공기 입구 포트를 지나서 회전할 때, 진공이 입구 오리피스로부터 공기의 충전물을 능동적으로 변위시키고 출구 오리피스로 캐비티 내의 공기를 능동적으로 변위시킨다. 공기 충전물은 회전당 2번 도입 및 배기된다. 배기된 공기는 체크 밸브를 통해 매니폴드로 진입한다. 매니폴드는 터빈 하우징 상에 장착된 무밸브 연소 챔버로 직접적으로 공기를 안내한다. 연료는 연소 챔버에서 벤튜어 오리피스 내로 주입되고, 연료 및 공기 혼합물은 방전 점화(arc ignition)에 의해 점화된다. 폭발 가스는 벤튜리 내의 역압을 생성하고 챔버로의 공기 유동을 감소시켜서, 매니폴드 내의 공기는 대향 연소 챔버로 일시적으로 전향된다. 1차 폭발 펄스는 경계층 가스 터빈의 베인에 대해 고온 고속/저질량 팽창 가스를 안내하여, 터빈, 샤프트 및 활주 베인 로터를 회전시키고, 연소 공기의 연속적인 충전물을 생성한다.
본 발명은 단일 회전 기계 왕복운동식 활주 금속 베인을 갖는 공기 압축기 도는 송풍기를 이용한다. 베인은 슬롯형 로터 및 슬롯형 샤프트 내에 활주가능하게 수납된다. 하우징 벽과의 접촉은 베인을 공동화된 하우징의 직경을 가로지르는 슬롯 내부에서 기계적으로 전후로 왕복 이동시켜서 회전당 2개 공기 펄스를 도입 및 배기한다.
본 발명은 연료와 혼합하여 방전 점화에 의해 연소 챔버 내에서 점화될 때 폭발을 생성하기 위해 펄스형 공기 충전물을 이용하고, 고속에서 노즐을 통해 연소 챔버로부터 배기되는 폭발적인 힘을 생성한다.
본 발명은 또한 고온, 고압 및 고속 작업 유체를 샤프트 마력으로 전환하는 수단으로서 하이브리드 경계층 가스 터빈 휠을 이용한다. 종래의 경계층 터빈은 디스크들 사이의 스페이서와 함께 볼트 결합된 일련의 하이브리드 디스크들로 구성한다. 본 발명의 하이브리드 경계층 터빈은 외부 표면에서 기계가공된 홈들을 갖는 고상 차륜을 사용한다.
본 발명의 원리는 양호한 실시예가 도시되어 있는 도면을 참조하여 추가로 기술될 것이다. 도면들에서 예시된 특정함은 본 발명의 태양을 제한하기보다는 예시하려는 의도이다.
도 1은 회전 왕복운동 활주 베인 공기 펌프, 공동화된 하우징, 슬롯형 로터, 슬롯형 샤프트 및 활주 베인의 단면도이다.
도 2는 휠의 외주의 홈에 의해 형성된 베인을 도시하는 경계층 가스 터빈 휠의 단부도이다.
도 3은 회전 왕복운동 활주 베인 공기 펌프와 연소 공기를 엔진 연소 챔버로 운반하는 매니폴드들에 의해 생성된 펄스형 연소 공기를 이용하는 폭발 구동 경계층 가스 터빈 엔진 시스템의 단면도이다.
도 4는 조립된 도 1 내지 도 3의 구성요소들의 측면도이다.
본 발명의 양호한 실시예에서, 도 1에 도시된 회전 왕복운동 활주 베인 공기 펌프와, 두 개의 경계층 가스 터빈들(이들 중 하나가 도 2에 도시됨)은 도 3 및 도 4에서 도시된 폭발 구동 터빈 엔진 시스템을 형성하도록 통합된다.
도 1을 참조하면, 회전 왕복운동 활주 베인 공기 펌프는 슬롯형 샤프트(13) 상에 장착된 슬롯형 로터(12)를 갖는 하우징(11)을 포함한다. 하우징(11)은 캐비티를 갖고, 캐비티의 중심은 샤프트(13)의 중심선으로부터 오프셋되어 있어서, 로터(12)와 캐비티 벽 사이의 편심 환상 공간을 형성한다. 단일의 기계적 왕복운동식 활주 금속 베인(14)은 하우징(11) 캐비티(15)의 직경을 가로질러 연장하도록 슬롯형 로터(12) 내에 위치설정된다. 베인은 로터가 회전할 때 베인의 양쪽 단부들이 캐비티의 벽과 접촉하도록 크기설정된다. 캐비티 벽은 대략 원통형이지만, 캐비티 벽은 필요하다면 모든 지점들에서 균일한 블레이드 접촉을 유지하도록 약간 비원통형일 수 있다.
입구 공기 채널(16)은 90도에서 캐비티(15) 벽을 통해 하우징(11)의 상부로부터 연장한다. 외부 공기 채널(17)은 270도에서 캐비티 벽(15)을 통해 하우징(11)의 상부로부터 연장한다. 슬롯형 샤프트(13) 및 슬롯형 로터(12)가 시계방향으로 회전할 때, 공기는 입구 채널(16)을 통해 기계적 왕복운동식 활주 금속 베인(14)에 의해 편심 공간으로 능동적으로 견인되고, 이어서 기계적 왕복운동식 활주 금속 베인(14)에 의해 입구 채널(17) 내로 능동적으로 이동된다. 이에 따라, 회전 왕복운동 활주 베인 공기 펌프는 회전당 두 번 공기 충전물을 생성한다.
도 2를 참조하면, 각각의 경계층 가스 터빈 조립체는 밀접 피팅 하우징 내부에 배치된 원형 디스크(23)를 포함한다. 디스크의 중앙 평면의 어느 한 측면 상의 중앙 부분들이 플라이휠을 형성하도록 밀링가공된다. 디스크는 그 중앙에서 보어를 갖고 슬롯형 샤프트(13) 상에 장착된다. 디스크(23)의 주연부는 주연방향 베인(24)들을 형성하는 일련의 깊은 주연방향 홈들을 갖고, 주연 베인들의 표면들은 반경방향 평면에서 놓인다. 홈들의 깊이 및 개수와, 디스크(23)의 주연부는 베인들의 전체 표면적을 결정한다.
높은 속도의 연소된 가스가 홈 내로 진입할 때, 베인 벽들에 대한 마찰 항력은 터빈 디스크(23)를 구동 및 가속시킨다. 터빈의 주연 속도가 고속 가스의 속도에 근접할 때, 경계층은 베인 표면들 상에 형성되고, 터빈 디스크(23)의 속도를 유지시킨다.
도 3에서 도시된 바와 같이, 경계층 가스 터빈(23)은 터빈 하우징(30) 내부에 위치된다. 터빈(23)은 주 샤프트(13) 상에 장착된다. 연소 챔버(20 및 21)는 하우징(20) 상에 장착되고, 아크 전극(31, 32)은 연소 챔버(20 및 21) 내에 위치설정된다. 기계 왕복운동식 활주 금속 배인 공기 펌프로부터의 출구는 중앙 매니폴드(22)에 연소 공기를 공급하고, 중앙 매니폴드는 연소 챔버(20 및 21)에 연소 공기를 안내한다. 연료 인젝터(18 및 19)는 연소 공기가 연소 챔버(20 및 21)들에 진입하는 벤튜리들을 통해 유동할 때 연소 공기와 연료를 혼합한다. 이어서, 아크 전극(31 및 32)은 연료-공기 혼합물을 폭발시켜서, 높은 압력 및 속도의 작업 유체를 생성한다. 경계층 가스 터빈의 베인(24)을 향하여 연소 챔버(20 및 21)로부터 연소된 높은 압력 및 속도의 가스를 안내하는 각도로 하우징(30) 내에 가스 노즐(25 및 28)이 천공된다. 가스는 베인(24)들 사이에서 유동하여, 베인 표면 상에 마찰 항력을 유발한다. 하우징(30) 내의 배기 가스 포트(26 및 27)는 노즐(25 및 28)로부터 하류에서 90도로 위치설정되고, 배기 매니폴드(33 및 33')는 터빈(24)으로부터 대기로 소모 가스를 배기한다.
도 4에서 도시된 바와 같이, 구성요소들은, 두 개의 경계층 가스 터빈 하우징(30 및 30A)들 사이에서, 중앙에서 공기 펌프 하우징(11)과 조립된다. 이들 구성요소들과 단부 베어링 플레이트(37 및 38)들은 공통의 주 샤프트(13) 상에 모두위치설정되고, 스페이서(36)들에 의해 분리되고 하우징(11, 30, 30A)의 모든 모서리부 및 단부 베어링 플레이트(37 및 38)에 위치설정된 4개의 타이 볼트(35)와 함께 유지된다. 전체 조립체는 강성을 유지하도록 기부 플레이트(34)와 같은 공통의 구조체 상에 장착된다.
본 발명에는 수정 및 변형이 이루어지기 때문에, 위에서의 기술 및 수반하는 도면들이 이하의 청구범위에 의해 한정된 단지 예시적인 본 발명으로서 해석되어야 한다는 것을 의도한다.

Claims (6)

  1. 내연 기관이며,
    회전 샤프트를 지지하는 하우징과,
    공기 입구 및 공기 출구를 갖는 공기 펌프와,
    회전당 두 개의 압축 공기 펄스를 생성하기 위해서 샤프트에 의해 구동되는 공기 펌프와,
    하나 이상의 터빈 조립체를 포함하고,
    각각의 터빈 조립체는 매니폴드에 의해 상기 공기 출구에 각각 연결된 한 쌍의 무밸브 연소 챔버와, 연소 챔버로부터 연소된 공기에 의해 구동되는 터빈을 포함하고,
    각각의 연소 챔버는 연소 챔버에 진입하는 압축 공기에 연료를 도입하기 위한 장치와, 연소 챔버 내의 연료-공기 혼합물을 점화시키기 위한 장치를 구비하며,
    상기 터빈은 상기 공기 펌프의 일 측면에 대해 상기 회전 샤프트 상에 장착되는
    내연 기관.
  2. 제1항에 있어서,
    공기 펌프는,
    벽에 의해 제한되고 샤프트의 중심선으로부터 오프셋되어 있는 중앙부를 갖는 캐비티를 형성하고, 벽을 통해 공기 입구 및 공기 출구가 형성되는 하우징과,
    캐비티 내에서 회전하도록 샤프트에 고정된 로터와,
    양쪽 단부들이 하우징 벽과 접촉하도록 크기설정되는 단일 금속 베인을 포함하고,
    상기 로터 및 상기 하우징 벽은 상기 로터 및 상기 하우징 벽 사이에서 편심 환상형 공간을 형성하고,
    로터 및 샤프트 양자 모두는 직경 방향으로 연장하는 정렬된 슬롯들을 갖고,
    상기 단일 금속 베인은 상기 정렬된 슬롯들 내에 배치되며,
    이에 의해, 로터가 캐비티 내에서 회전할 때, 베인은 상기 공기 입구를 통해 편심 환상형 공간 내로 공기를 견인하고 상기 공기 출구를 통해 편심 환상형 공간 밖으로 공기를 배출하는
    내연 기관.
  3. 제3항에 있어서,
    터빈은, 연소 가스가 터빈에 안내될 때 경계층을 형성하도록 충분한 표면적을 갖는 복수의 주연방향 베인을 형성하는 복수의 주연방향 홈을 내부에 갖는 주연부를 구비한 경계층 터빈인
    내연 기관.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 공기 펌프의 각 측면 상에 하나씩 두 개의 상기 터빈 조립체들을 포함하는
    내연 기관.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 공기 펌프의 각 측면 상에 하나씩 두 개의 상기 터빈 조립체들을 포함하는
    내연 기관.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 공기 펌프의 각 측면 상에 하나씩 두 개의 상기 터빈 조립체들을 포함하는
    내연 기관.
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