KR20120062300A - 가스터빈 엔진의 고공환경 시험을 위한 냉각 장치 및 냉각 튜브 - Google Patents

가스터빈 엔진의 고공환경 시험을 위한 냉각 장치 및 냉각 튜브 Download PDF

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KR20120062300A
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Abstract

별도의 저장식 냉각장치를 사용할 필요 없이 냉각 공기를 이용하여 연료를 저온으로 냉각할 수 있는 가스터빈 엔진의 고공환경 시험을 위한 냉각 장치 및 냉각 튜브가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 엔진의 고공환경 시험을 위한 냉각 장치는 저온의 공기를 안내하는 공기 안내유닛, 상기 공기 안내유닛의 공기의 흐름상에 구비되어, 상기 저온의 공기와의 열전달을 통해 상기 수용된 연료를 냉각시키는 연료 냉각유닛, 상기 연료를 상기 연료 냉각유닛으로 공급하는 연료 공급유닛, 상기 연료 공급유닛의 일단과 상기 연료 냉각유닛을 연통하도록 형성되어 상기 연료 냉각유닛에 상기 연료를 스프레이화 하여 제공할 수 있는 스프레이 분사유닛, 그리고 상기 냉각된 연료를 배출하는 연료 배출유닛을 포함한다. 이와 같은 구성에 의하면, 연료를 스프레이화 하여 최대한 많은 표면적이 외부로 노출되도록 하여 연료의 냉각 효율을 극대화 할 수 있다.

Description

가스터빈 엔진의 고공환경 시험을 위한 냉각 장치 및 냉각 튜브{COOLING DEVICE AND COOLING TUBES FOR HIGH ALTITUDE TEST OF GAS TURBINE ENGINE}
가스터빈 엔진의 고공환경 시험을 위한 냉각 장치 및 냉각 튜브가 개시된다. 보다 자세하게는 별도의 저장식 냉각장치를 사용할 필요 없이 냉각 공기를 이용하여 연료를 저온으로 냉각할 수 있는 가스터빈 엔진의 고공환경 시험을 위한 냉각 장치 및 냉각 튜브가 개시된다.
항공기용 엔진은 보통 고 고도에서 작동되므로, 고 고도에서도 원활한 작동 성능이 보장되어야 한다. 한편, 고 고도에서의 온도, 압력 및 밀도는 지상에 비해 매우 낮을 뿐만 아니라, 고 고도에서는 압력과 온도 변화에 따라 엔진의 공기역학적, 열역학적 특성이 달라지므로, 상기와 같은 고공환경하에서도 항공기용 엔진의 성능이 충분히 발휘되는가가 시험되어야 한다.
기와 같은 시험을 위해 일반적으로 지상에 설치된 고공모사 시험설비가 이용된다. 상기 고공모사 시험설비는 엔진의 운전 조건을 실제 고공환경과 유사하게 만들어 주고, 장착된 각종 센서로부터 힘, 압력, 온도, 진동, 유량 등을 측정 분석하여 엔진의 공기역학적, 열역학적, 구조역학적 성능을 해석하고 운용성, 내구성, 안전성 등을 파악하기 위해 사용되는 시험설비로서, 시험 시간과 비용의 절감 등 여러 가지 장점이 있어 실제 비행시험보다 널리 사용되고 있다.
상기와 같은 고공모사 시험을 수행하기 위해서는 가스터빈엔진 연소기에 고공환경과 유사하게 저온의 연료와 저온의 공기를 공급하여야 한다.
종래의 경우 가스터빈엔진에 사용되는 공기를 냉각시키는 장치가 구비되고 이와는 별도로 저장식 냉각 장치를 사용하여 연료를 냉각시켰다. 즉, 이중의 냉각시스템을 사용하여 구조적인 측면에서 효율이 낮고 비용이 많이 들어가는 문제점이 있었다.
뿐만 아니라, 연료의 경우 대부분 인화성 물질로 이루어지기 때문에 연료의 저장, 공급 및 온도조절설비가 옥외에 별도로 장치되어 있어 시험부까지 연료를 공급하는 과정에서 온도가 상온으로 변하는 문제점이 있었다.
따라서, 옥외의 연료설비 이외에 별도의 온도조절장치를 시험부 근처에서 운영을 하고, 이러한 온도조절장치를 통하여 연료를 냉각시키는 방법을 사용하였다. 그러나 이러한 방법은 연료의 냉각을 위한 장비가 추가적으로 설치되어야 하며, 이로 인해 냉각 장비의 대형화가 이루어져야 하므로 연료 냉각장비를 구성하는데 많은 비용이 소요되고 불필요한 공간을 차지한다는 문제점이 있었다. 결과적으로 이중의 에너지 소모를 야기하여 에너지 적인 측면 또는 공간적 측면에서 비효율적이었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 가스터빈엔진의 고공환경시험이 일어나는 시험부 근처에서 연료를 냉각하되, 보다 에너지 측면에서 효율적인 방법을 강구할 필요가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 기 냉각된 저온의 공기에 노출되어 상기 저온의 공기와의 열전달을 통해 연료를 연속적으로 냉각할 수 있는 가스터빈 엔진의 고공환경 시험을 위한 냉각 장치 및 냉각 튜브가 제공된다.
또한, 연료의 냉각을 위한 튜브가 저온의 공기에 노출되는 동안에도, 일방향으로 흐르는 저온의 공기의 흐름을 최대한 방해하지 않도록 설계되어 전체적인 시스템의 효율이 올라갈 수 있는 가스터빈 엔진의 고공환경 시험을 위한 냉각 장치 및 냉각 튜브가 제공된다.
또한, 연료를 스프레이화 하여 최대한 많은 표면적이 외부로 노출되도록 하여 연료의 냉각 효율을 극대화 할 수 있는 가스터빈 엔진의 고공환경 시험을 위한 냉각 장치 및 냉각 튜브가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 엔진의 고공환경 시험을 위한 냉각 장치는 저온의 공기를 안내하는 공기 안내유닛, 상기 공기 안내유닛의 공기의 흐름상에 구비되어, 상기 저온의 공기와의 열전달을 통해 상기 수용된 연료를 냉각시키는 연료 냉각유닛, 상기 연료를 상기 연료 냉각유닛으로 공급하는 연료 공급유닛, 상기 연료 공급유닛의 일단과 상기 연료 냉각유닛을 연통하도록 형성되어 상기 연료 냉각유닛에 상기 연료를 스프레이화 하여 제공할 수 있는 스프레이 분사유닛, 그리고 상기 냉각된 연료를 배출하는 연료 배출유닛을 포함한다.
일측에 따르면, 상기 스프레이 분사유닛은 적어도 하나의 노즐을 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 연료 냉각유닛은 기둥형상으로 형성되고, 상기 공기의 안내를 방해하지 않도록, 상기 안내되는 공기의 흐름과 마주하는 방향으로 갈수록 상기 연료 냉각유닛의 두께가 얇아질 수 있다.
일측에 따르면, 상기 연료 냉각유닛의 상기 공기 안내방향과 수평한 단면의 형상이 에어포일(airfoil)의 형상인 것이 바람직하다.
일측에 따르면, 상기 연료 냉각유닛은 상기 공기의 안내방향으로 순차적으로 복수개 구비될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 연료 냉각유닛의 상부에 위치한 연료가 하부에 위치한 연료보다 외부에 노출되는 표면적이 더 넓은 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각튜브는 연료를 공급받아 상기 연료를 냉각 후 배출하고, 일 방향으로 안내되는 저온 공기에 노출되고, 상기 공기의 안내를 방해하지 않도록 상기 공기의 안내 방향에 수평한 단면의 두께가 상기 공기의 흐름과 마주하는 방향으로 갈수록 얇아지고, 내부에 연료가 스프레이화되어 공급될 수 있도록 일측에 스프레이 분사유닛을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기 냉각된 저온의 공기에 연료를 냉각하기 위한 냉각 튜브가 노출되어 상기 저온의 공기와의 열전달을 통해 연료를 연속적으로 냉각할 수 있다.
또한, 연료의 냉각을 위한 튜브가 저온의 공기에 노출되는 동안에도, 일방향으로 흐르는 저온의 공기의 흐름을 최대한 방해하지 않도록 설계되어 전체적인 시스템의 효율이 올라갈 수 있다.
또한, 연료를 스프레이화 하여 최대한 많은 표면적이 외부로 노출되도록 하여 연료의 냉각 효율을 극대화 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 엔진의 고공환경 시험을 위한 냉각 장치를 설명하기 위한 도면,
도 2는 도 1의 가스터빈 엔진의 고공환경 시험을 위한 냉각 장치를 도시하고 있는 사시도,
도 3은 도 2의 단면을 개략적으로 도시한 도면,
도 4 및 도 5는 연료 냉각유닛의 다양한 형상을 설명하기 위해 도 3의 IV-IV 단면을 개략적으로 도시한 도면, 그리고
도 6은 연료 냉각유닛의 변형예를 설명하기 위해 냉각 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치 및 이의 냉각 튜브는 가스터빈 엔진의 고공환경 시험을 위하여 연료를 냉각하기 위하여 사용된다. 이러한 냉각 장치 및 냉각 튜브는 반드시 가스터빈 엔진의 고공환경 시험을 위한 장치에 한정되지 않는다. 즉, 다양한 분야에서 사용될 수 있으며, 저온 공기와 같은 제 1 저온 매체를 이용하여 연료와 같은 제 2 매체를 냉각하는 장치로 사용될 수 있다.
이러한 냉각 장치(100)는 공기 안내유닛(110), 연료 냉각유닛(120), 연료 공급유닛(121), 연료 배출유닛(122), 그리고 스프레이 분사유닛(130)을 포함한다. 보다 자세한 설명을 위해 도 1 내지 도 3을 제시한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 엔진의 고공환경 시험을 위한 냉각 장치를 설명하기 위한 도면, 도 2는 도 1의 가스터빈 엔진의 고공환경 시험을 위한 냉각 장치를 도시하고 있는 사시도, 그리고 도 3은 도 2의 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
공기 안내유닛(110)은 고공환경 시험을 위해 가스터빈 엔진 또는 가스터빈 엔진의 엔진흡입구(미도시)로 저온의 공기(A)를 안내하는 구성요소이다. 공기 안내유닛(110)을 통해 엔진흡입구로 공급되는 공기(A)의 압력 및 온도를 조절함으로써 높은 고도 환경하에서의 엔진 작동 상태를 모사할 수 있다. 이때 공기 안내유닛(110)을 통과하는 공기(A)의 온도 및 압력은 시험환경 및 필요에 따라서 다양하게 조절될 수 있다.
이러한, 공기 안내유닛(110)은 단면이 직사각형, 원형 또는 타원형으로 형성될 수 있다. 다만, 본 실시예에서는 단면이 원형을 갖는 파이프 형상을 갖는 것으로 예시한다.
한편, 저온의 공기(A)가 공기 안내유닛(110)을 통과하는 과정에서 외부와의 열전달로 인해 공기(A)의 온도가 상승하는 것을 방지할 수 있도록, 공기 안내유닛(110)의 외부에는 단열재(미도시)가 더 구비될 수 있다. 이로 인해 공기(A)의 온도가 저온 상태에서 일정하게 유지될 수 있다.
공기 안내유닛(110)은 복수개의 파트가 플랜지(111)를 통해 연결될 수 있다. 이에 따라 본 실시예에 따른 냉각 장치(100)가 용이하게 설치 및 분리될 수 있다.
연료 냉각유닛(120)은 연료 공급유닛(121)을 통하여 공급되는 연료(F1)를 냉각시키는 냉각튜브의 역할을 한다. 따라서, 냉각튜브로 예시되는 연료 냉각유닛(120)은 그 내부에 일정 공간이 형성되어 연료를 수용하게 된다. 이렇게 연료 공급유닛(121)을 통하여 연료가 연료 냉각유닛(120)에 공급되면, 저온의 공기(A)와의 열전달을 통하여 연료의 온도를 낮출 수 있다. 이렇게 연료의 냉각이 저온의 공기(A)와의 열전달을 통하여 일어날 수 있도록, 연료 냉각유닛(120)은 공기(A)의 흐름상에 구비된다. 따라서, 연료 냉각유닛(120)은 공기 안내유닛(110)의 내부에 위치하는 것으로 예시한다.
공기 안내유닛(110)의 내부에 위치하는 연료 냉각유닛(120)은 저온의 공기(A)를 이용하여 연료를 냉각시키는 것 이외에도, 저온의 공기(A)의 흐름을 방해하지 않아야 한다. 따라서, 연료 냉각유닛(120)은 저온의 공기(A)의 흐름방향에 수직하도록 기둥형상을 취하면서, 공기(A)의 흐름을 마주하는 방향으로 갈수록 연료 냉각유닛(120)의 두께가 얇아지는 구성을 갖는 것이 바람직하다.
도 4 및 도 5는 연료 냉각유닛(120)의 다양한 형상을 설명하기 위해 도 3의 IV-IV 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 연료 냉각유닛(120)에 있어서, 저온의 공기(A)의 흐름과 마주하는 쪽의 두께(W2)가 연료 냉각유닛(120)의 가운데 영역의 두께(W1)보다 얇게 형성된 것을 알 수 있다. 이러한 원리로, 연료 냉각유닛(120)의 공기(A) 안내방향과 수평한 단면의 형상이 마름모, 에어포일(airfoil) 등의 형상을 취할 수 있다. 또한, 바람직하게는 연료 냉각유닛(120)의 가운데 영역의 두께(W1)가 공기 안내유닛(110)의 직경의 1/10 ~ 1/5 의 수준으로 제한될 수 있다.
이러한 형상으로 인해 연료 냉각유닛(120)이 공기(A)의 흐름 한 가운데 위치한다 하더라도, 공기의 흐름을 최대한 방해하지 않을 수 있다.
부가적으로, 연료 냉각유닛(120)과 저온의 공기(A) 사이의 열전달 정도를 향상시키기 위하여, 연료 냉각유닛(120)은 열전달율이 높은 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 연료 냉각유닛(120)의 일부 또는 전체는 열전달율이 높은 구리 재질로 형성될 수 있다.
연료 공급유닛(121)은 일단부가 연료 냉각유닛(120)과 연결되고 타단부가 외부의 연료 저장탱크(미도시)에 연결되도록 구성될 수 있다. 이때, 연료 공급유닛(121)의 일단과 상기 연료 냉각유닛(120)을 연통하는 부분에 스프레이 분사유닛(130)이 구비된다.
스프레이 분사유닛(130)은 연료 공급유닛(121)으로부터 공급된 연료를 최종적으로 스프레이화 하여 연료 냉각유닛(120)에 제공하는 기능을 한다. 이러한 스프레이 분사유닛(130)은 적어도 하나의 노즐을 포함한다. 따라서, 기 설정된 분사 성능을 갖는 적어도 하나의 노즐을 통하여 원하는 정도의 연료의 분사를 얻을 수 있다.
스프레이 분사유닛(130)을 통하여 연료 냉각유닛(120)의 내부에 연료는 스프레이화 된다. 따라서, 액체로 공급되는 연료는 매우 작은 입자로 분사되고, 이렇게 분사된 연료는 외부에 노출되는 표면적이 넓어진다. 따라서, 저온의 공기(A)로부터 보다 효과적으로 열전달을 받아 연료의 급속 냉각이 가능해진다.
이러한 스프레이 분사유닛(130)으로 인해, 공기 안내유닛(110)의 내부에 연료 냉각유닛(120)이 공기 흐름의 수직한 방향으로 기둥형상으로 구비된 경우에, 연료 냉각유닛(120)의 상부에 위치한 연료가 하부에 위치한 연료보다 외부에 노출되는 표면적이 더 넓게 형성된다. 즉, 연료 냉각유닛(120)의 상부에 존재하는 표면적이 넓은 분사된 연료는 급속도로 냉각되어 하부로 이동하고, 냉각이 진행 되면서 다시 큰 방울로 합쳐지는 것이다.
결과적으로 스프레이 분사유닛(130)을 통해 원하는 분사 특성으로 연료를 분사시킬 수 있고, 원하는 양을 연속적으로 분사시킬 수 있으며, 연료의 표면적을 증가시켜 연료의 급속 냉각을 가능하게 한다. 그리고, 분사된 연료는 저온의 공기(A)로부터 열전달을 충분히 받아 연료 냉각유닛(120) 내의 연료가 저온 공기(A)와 유사한 온도까지 급속도로 냉각될 수 있다.
한편, 연료 배출유닛(122)은 일단부가 연료 냉각유닛(120)에 연결되고, 타단부가 연소기(미도시)에 연결됨으로써, 연료 냉각유닛(122)에 의해 냉각된 연료(F2)를 연소기로 공급할 수 있다. 이때, 연료 공급유닛(121), 연료 냉각유닛(120), 스프레이 분사유닛(130), 연료 배출유닛(122)은 일체로 형성될 수 있다. 또는 스프레이 분사유닛(130)만을 교체할 수 있도록 형성될 수 있다.
도 6을 참고하여 연료 냉각유닛(120)과 저온 공기 사이의 열전달 정도를 향상시키기 위하여 냉각 장치(100)의 변형예를 이하에서 설명하도록 한다. 도 6은 연료 냉각유닛(120)의 변형예를 설명하기 위해 냉각 장치(100)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료 냉각유닛(120)은 복수개 구비될 수 있다. 즉, 연료 냉각유닛(120)은 공기의 안내방향으로 순차적으로 복수개 구비될 수 있다. 그 개수는 한정하지 않으나 이하에서는 3개의 연료 냉각유닛으로 예시하여 설명한다.
연료 공급유닛(121)을 통해 공급된 연료(F1)는 제 1 연료 냉각유닛(120a), 제 2 연료 냉각유닛(120b), 그리고 제 3 연료 냉각유닛(120c)으로 공급될 수 있다. 이때 각각은 제 1 내지 제 3 스프레이 분사유닛(130a, 130b, 130c)과 연결될 수 있다. 이러한 구성으로 연료의 냉각을 보다 급속하게 효과적으로 할 수 있다. 그리고 각각의 스프레이 분사유닛의 분사 특성을 조절하여 연료의 분사 정도를 조절할 수 있다. 한편, 요구되는 냉각의 정도에 따라 연료 냉각유닛의 개수 및 스프레이 분사유닛의 개수는 선택적으로 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치(100)의 연료 공급유닛(121)에 공급되는 연료(F1)는 별도의 냉각유닛으로부터 냉각되지 않은 체 연료 공급유닛(121)을 통해 연료 냉각유닛(120)에 공급될 수 있다. 그러나 그 뿐만 아니라, 옥외에 별도로 설치되어 있는 온도조절장치(미도시)를 통하여 한번 냉각된 상태에서 연료 냉각유닛(120)에 공급되어 저온의 공기(A)로부터 다시 냉각되는 구성 또한 가능하다.
이러한 냉각 장치(100) 또는 냉각튜브의 역할을 하는 연료 냉각유닛(120)의 구성을 통해 단순한 구조로 가스터빈 엔진의 고공환경 시험을 위한 저온 연료를 효과적으로 공급할 수 있다. 이때에, 연료의 스프레이화를 통해 연료의 급속냉각, 연속냉각이 가능하고, 연료 냉각유닛(120)의 형상을 제한하여 저온의 공기의 흐름을 최대한 방해하지 않으면서 연료의 냉각이 가능하다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 냉각 장치 110: 공기 안내유닛
120: 연료 냉각유닛 121: 연료 공급유닛
122: 연료 배출유닛 130: 스프레이 분사유닛
A: 공기

Claims (8)

  1. 저온의 공기를 안내하는 공기 안내유닛;
    상기 공기 안내유닛의 공기의 흐름상에 구비되어, 상기 저온의 공기와의 열전달을 통해 상기 수용된 연료를 냉각시키는 연료 냉각유닛;
    상기 연료를 상기 연료 냉각유닛으로 공급하는 연료 공급유닛;
    상기 연료 공급유닛의 일단과 상기 연료 냉각유닛을 연통하도록 형성되어 상기 연료 냉각유닛에 상기 연료를 스프레이화 하여 제공할 수 있는 스프레이 분사유닛; 및
    상기 냉각된 연료를 배출하는 연료 배출유닛;
    을 포함하는 가스터빈 엔진의 고공환경 시험을 위한 냉각 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스프레이 분사유닛은 적어도 하나의 노즐을 포함하는 가스터빈 엔진의 고공환경 시험을 위한 냉각 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연료 냉각유닛은 기둥형상으로 형성되고, 상기 공기의 안내를 방해하지 않도록, 상기 안내되는 공기의 흐름과 마주하는 방향으로 갈수록 상기 연료 냉각유닛의 두께가 얇아지는 가스터빈 엔진의 고공환경 시험을 위한 냉각 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연료 냉각유닛의 상기 공기 안내방향과 수평한 단면의 형상이 에어포일(airfoil)의 형상인 가스터빈 엔진의 고공환경 시험을 위한 냉각 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료 냉각유닛은 상기 공기의 안내방향으로 순차적으로 복수개 구비되는 가스터빈 엔진의 고공환경 시험을 위한 냉각 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연료 냉각유닛의 상부에 위치한 연료가 하부에 위치한 연료보다 외부에 노출되는 표면적이 더 넓은 것을 특징으로 하는 가스터빈 엔진의 고공환경 시험을 위한 냉각 장치.
  7. 연료를 공급받아 상기 연료를 냉각 후 배출하는 연료의 냉각튜브에 있어서,
    일 방향으로 안내되는 저온 공기에 노출되고, 상기 공기의 안내를 방해하지 않도록 상기 공기의 안내 방향에 수평한 단면의 두께가 상기 공기의 흐름과 마주하는 방향으로 갈수록 얇아지고, 내부에 연료가 스프레이화되어 공급될 수 있도록 일측에 스프레이 분사유닛을 포함하는 냉각튜브.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스프레이 분사유닛은 적어도 하나의 노즐을 포함하는 냉각튜브.
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