KR20130113355A - 터빈엔진의 배기라인내에 설치된 열교환 구조체 - Google Patents

터빈엔진의 배기라인내에 설치된 열교환 구조체

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KR20130113355A
KR20130113355A KR1020127034443A KR20127034443A KR20130113355A KR 20130113355 A KR20130113355 A KR 20130113355A KR 1020127034443 A KR1020127034443 A KR 1020127034443A KR 20127034443 A KR20127034443 A KR 20127034443A KR 20130113355 A KR20130113355 A KR 20130113355A
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Abstract

본 발명의 목적은, 작동 비용, 생산비용, 중량 및 성능사이에 전체 보상을 최적화하기 위한 터빈엔진의 배기장치를 위한 열교환 구조체를 제공하는 것이다. 상기 목적을 위하여, 본 발명에 의하면 최적화된 열회수를 보장하기 위해 배기가스의 고온유동을 부분적으로 방해하는 열교환요소들이 제공된다. 터빈엔진의 가스유동(1)을 위한 배기라인(10)내부에 설치된 구조체의 예에서, 터빈엔진은 가스 발생기(22), 관통 축(28)을 통해 축(30)으로 동력을 제공하는 자유터빈(27) 및 상류의 감속기어(29)를 포함한 터보축 엔진(20)이다. 판형상을 가진 원형의 교환기(60)가 상기 배출기(16)의 축대칭부분내에 설치된다. 상기 교환기는, 원형 판(60)내에서 나선 또는 정현 곡선 형상으로 감기는 중심 채널(6)의 유입구와 유출구에 연결된 유입구 및 유출구 채널(61,62)로 구성된다. 상기 유입구 및 유출구 채널(61,62)은, 터빈엔진의 전체 성능을 향상시키기 위해, 한쪽 단부에서 에너지를 회수하고 재활용하기 위한 기계식 또는 전자기계식 수단과 연결된다. 잔류가스(1)로부터 열전달에 의해 상기 중심의 채널(6)내에서 가열되는 냉각 유체에 의해 에너지가 회수된다.

Description

터빈엔진의 배기라인내에 설치된 열교환 구조체{HEAT-EXCHANGE ARCHITECTURE BUILT INTO THE EXHAUST OF A TURBINE ENGINE}
본 발명은, 터빈 엔진의 배기 조립체내부에 최적상태로 설치할 수 있도록 설계된 열교환 구조체(heat exchange architecture)에 관한 것이다.
본 명세서에서 터빈 엔진은, 동력을 축에 공급할 수 있는 항공기용 가스엔진으로서 정의된다. 터보축(turboshaft)엔진( 헬리콥터 엔진, 보조동력 유닛(Auxiliary Power Units) 또는 APU 및 터보프로프(turboprops)( 항공기, 드론스(drones)가 일반적으로 상기 범주에 속한다.
전형적으로, 항공기용 터빈 엔진의 기본 구조는, 동일한 주요 라인을 따라 상류로부터 하류까지 연속으로 차례대로 배열되며 회전대칭 구조를 가진 필수 구성유닛으로서, 공기 유입구, 적어도 한 개의 공기 압축기, 가스 연소실, 고압축에 의해 상기 압축기를 구동하기 위한 적어도 한 개의 고압터빈, 상기 연소실로부터 발생한 에너지를 이용가능한 기계적 에너지로 변환하고- 부하구동을 위해 동력축과 연결된- 적어도 한 개의 자유 터빈(free turbine) 및 잔류가스를 배출하기 위한 조립체를 포함한다.
상기 배기 조립체를 구성하는 구성유닛의 형태는, 동력 분리장치(take- off)의 위치에 의존하는 터빈엔진의 구조에 의존한다. 하기 구조들이 제공된다.
- 관통하는 동력축(through- going power shaft) 및 전방의 동력 분리장치를 가진 터빈 엔진,
- 외부 축에 의해 후방의 동력축 및 동력분리장치가 장착된 터빈엔진.
잔류에너지를 회수하고 축에서 이용가능한 동력을 증가시키고 따라서 엔진효율을 증가시키기 위해 회수된 에너지를 터빈 엔진으로 다시 입력하기 위한 열교환 수단을 고온가스를 배출하기 위한 구성유닛속에 구성하는 것이 유리하다.
항공기용 엔진과 동일한 형태를 가지지만 중량의 제약(mass constraint)을 가지지 않는 지상용 가스터빈을 위한 열교환기가 존재한다. 또한, 상기 터빈과 관련하여, 부품들의 사용수명은 일반적으로, 구성부품들의 효율에 따른다.
지상용 터빈을 위한 상기 열교환기들은 일반적으로 방해형(obstructive- type)이며 배기 장치속에 배열되어, 모든 배기가스가 열교환기들을 통과한다. 상기 열교환기에 의해, 고온 가스 유동의 유출구에서 에너지 회수가 극대화될 수 있다. 그러나 상기 회수작용은, 배기장치에서 상당한 압력강하와 함께 중량증가에 의해 반감된다.
본 발명의 목적은, 상기 구조가 가지는 (소모 및 유지를 위한) 작동 비용, 생산비용, 중량 및 성능사이에 전체 보상을 최적화하기 위한 터빈엔진의 배기장치를 위한 열교환 구조체를 제공하는 것이다.
상기 목적을 위하여, 본 발명은 배기가스의 열에너지를 최적화하여 부분적으로 회수하도록 강한 교란없이 배기가스의 고온유동을 부분적으로 방해하는 열교환 구조체를 제공한다. 본 발명에 의하면, 전체 보상(compromise)기능을 최적화하기 위해 관련된 터빈엔진의 구조에 따라 교환 구조체(exchange architecture)의 매개변수(위치, 다공성, 공급, 압력, 공기역학적 특성 등)를 조절할 수 있다.
좀더 정확하게 설명하면, 본 발명의 대상은 터빈엔진의 고온가스 유동을 위한 배기 라인 내부에 열교환기가 설치된 터빈엔진의 구조체이며,
상기 배기 라인을 형성하는 유닛들 중 한 개내부에 설치된 열교환요소 들이 고온가스의 유동을 안내(channeling)할 수 있다. 가스유동을 사실상 교란하지 않고 터빈엔진의 축에서 구해지는 동력을 증가시키기 위해 배기가스로부터 일부 잔류 열에너지를 회수하도록, 상기 유동의 일부가 상기 열교환요소들을 가로질러 유동하는 동안 전체적으로 상기 고온가스를 확산시키는 환경에서 상기 고온가스의 유동을 부분적으로 방해하는 구조체가 형성된다.
특정 실시예에 의하면,
- 상기 열교환요소들은 연속적으로 형성된 단면을 가진 구조체를 포함하여, 가스유동은 교란없이 운동한다.
- 상기 열교환요소는, 배기 라인에 대해 국한되고 국소 단면을 가진 구조체를 포함하며, 상기 열교환요소들을 가로질러 유동하는 가스의 부분은 상대적으로 작고(minority), 배기가스의 유동에 대한 열교환요소들의 방해작용은 작다.
- 열교환요소는 배기라인에 대해 충분히 높은 다공성 또는 투과율을 가진 완전한 단면 구조체를 가져서, 배기가스의 유동은 부분적으로 방해되며, 완전한 구조체는 열교환 단면이 배기 라인의 전체 단면에 걸쳐 연장되는 것을 의미한다.
- 상기 열교환요소들이 설치되는 배기유닛들은, 구성 암들에 의해 지지되는 중심의 원추체를 가진 디퓨저, 배기 노즐, 연장부분/디플렉터 및 단부 배출기사이에서 상류로부터 하류 순서로 설치되고 선택된다.
- 유동을 동질화(homogenize)하기 위하여, 열교환 요소들의 구조체는, 원형의 중간 구조체, 반경 방향의 판들을 안내(channeling)하기 위한 베인 조립체/디플렉터의 구조체, 가스 유동의 유입구에서 다양한 다공성을 가진 특히 반경 방향의 유동 분리기의 구조체 중에서 선택된다. 중간에 배열되거나 분리되는 형상에 의해 배기 등안정성과 등길이을 유지하면서 유동의 확산작용이 증가되거나 등확산성(isodiffusion)을 가지며 배기장치가 단축되는
- 각각의 열교환요소는 냉각유체를 위한 한 개 또는 여러 개의 독립적인 채널을 포함하고, 채널들의 압력은 다중 회로(multiple circuit)들에서 서로 다를 수 있다.
- 열교환요소들의 구조 및 열교환요소들이 설치되는 배기유닛의 구조에 따라 열교환요소가 상기 배기 라인내에 배열되고 열교환요소들이 설치되는 유닛의 형상을 몰딩하거나 상기 열교환요소들이 상기 라인내부에 세워져(stand off) 형성된다.
- 노즐 또는 연장부분/디플렉터(deflector)와 연결부에서 벤추리(Venturi) 효과에 의해 배출기의 공기흡입 능력을 보존하기 위하여, 상기 세워지는(stand off) 위치는 상기 단부 배출기로부터 바로 상류위치에 설치되도록 선택되는 것이 유리하고, 상기 세워지는(stand off) 구성에 의해 열교환기 주위 및/또는 단부 배출기내에 교란없는 유동 층(sheet)이 형성될 수 있다.
- 상기 열교환요소들은 열교환요소의 구조와 배열에 의해 단열표면과 소음흡수재료로 구성되어, 유동저항(drag)과 공기역학적 소음이 실제로 감소된다.
본 발명의 다른 특징, 장점 및 특성들이, 첨부된 도면들을 참고하고 본 발명을 제한하지 않는 특정 실시예들에 관한 하기 설명으로부터 이해된다.
도 1은, 터빈엔진을 구성하는 배기조립체의 부품 유닛들을 개략적으로 도시한 단면도.
도 2는, 터빈 엔진내부에 원형의 열교환요소를 가지고 감속기어를 통해 터빈 관통축에 동력 분리(take-off)장치를 가지는 구조체를 개략적으로 도시한 단면도.
도 3은, 연장부분내에 형상 적응되고 터빈엔진의 배출기내부에 부분적으로 구성된 열교환요소를 가지며 감속기어를 통해 터빈축과 후방에서 연결되는 외측의 프로펠러 축에 전방의 동력 분리장치를 가지는 구조체를 개략적으로 도시한 단면도.
도 4는, 후방의 직접 동력 분리장치를 가진 터빈엔진의 배출기 또는 노즐내부에 형상 적응된 열교환요소를 가진 구조체를 개략적으로 도시한 단면도.
도 5는, 구부러진 배출기내부에서 열교환요소의 최적화된 위치를 가진 배기장치를 개략적으로 도시한 단면도.
도 6a 내지 도 6c는, 열교환요소와 상기 배기 유닛의 구조체가 확산작용을 증가시키기에 적합한 위치를 가지고 디퓨저/노즐내부에 열교환 요소를 포함한 구조체를 개략적으로 도시한 단면도.
도 7a 내지 도 7d는, 확산각(angle of diffusion)이 증가하거나 노즐이 짧아지는 디퓨저/노즐내부에 이중 판을 가진 원형의 열교환요소를 포함한 구조체를 개략적으로 도시한 두 개의 단면도 및 두 개의 투시도.
도 8은, 터빈엔진의 디퓨저/노즐내부에 반경방향의 판들을 가진 열교환 요소를 가진 구조체를 속이 보이게 도시한 투시도.
도 9는, 완전한 반경방향의 판으로서 형성되고 판의 곡률이 노즐의 제 1 라인을 따르며 열교환요소를 포함하고 구부러진 노즐의 구조체를 속이 보이게 도시한 투시도.
하기 설명에서, 상류 및 하류라는 용어들은 선형 주축(X',X)을 가진 터빈엔진의 가스유동 방향에 관해 - 각각 전방 및 후방인- 위치에 관련된다. 또한, 모든 도면들에서, 동일한 기능을 가진 동일하거나 유사한 부품들은 동일하거나 밀접한 관련성을 가진 참고 표시로 확인된다.
도 1을 참고할 때, 터빈엔진을 형성하는 배기라인(exhaust line)(10)의 개략 단면도는, 축(X',X)에 대해 상류부터 하류를 향해 서로 연속적으로 연결된 유닛들, 즉 가스(1)의 유동을 위한 확산 원추부(diffusion cone)(12)를 포함하고 도시된 실시예에서 반경방향으로 배열된 암(13)들에 의해 상기 축을 따라 장착된 디퓨저(11), 노즐(14), 일반적으로 가스(1)의 유동을 전체적으로 휘어지게 만드는- 연장 부분(15), 공기(2)를 흡인하기 위해 개방되는 원형 연결부(17)를 가진 가스 배출기(16)를 포함한다. 상기 디퓨저(11)와 노즐(14)은 단일 디퓨저-노즐 유닛(18)을 형성할 수 있다.
본 발명을 따르는 배기 구조체의 열교환 요소들이, 모든 형태의 터빈엔진 특히, 관통형(through- going) 구동축에 전방의 동력 분리장치(take-off)를 가지고 외부 구동축에서 후방 연결되는 전방의 동력 분리장치를 가지며 후방 터빈 축에서 직접 동력 분리장치를 가지는 터빈 엔진내에 설치될 수 있다. 도 2 및 도 4는, 상기 형태를 가진 터빈 엔진의 배기라인내에 열교환 요소들이 최적화된 배열을 도시한다.
도 2를 참고할 때 상기 터빈 엔진은, 전형적으로 상기 실시예에서 원심작동식인 압축기(23), 가스 연소실(24) 및 고압축(26)에 의해 상기 압축기(23)를 구동하기 위한 고압터빈(25)으로 구성되는 가스 발생기(22) 및 자유터빈(free turbine)(27)으로 구성된 터보샤프트(turboshaft) 엔진(20)이다. 상기 가스 발생기(22)는, 축(X',X) 주위에서 회전대칭구조를 가진다. 상기 자유터빈(27)은, 관통형 구동축(28)과 감속 기어(29)에 의해 (프로펠러 로터 및 부속장치의) 부하를 위해 이용될 수 있는 동력축(30)을 구동한다. 상기 관통형 축(28)과 동력축(30)은 기어(P1,P2)들에 의해 감속기어(29)와 연결된다.
공기유입 덕트(40)를 통과하는 공기(1)는 압축기(23)에 의해 압축되고 연소실(24)내에 주입되어, 공기는 연료와 혼합되고 연소된다. 상기 연소에 의해 연소실의 유출구에서 높은 운동에너지가 가스에 제공되고 상기 자유터빈(27)이 회전가능하게 구동된다. 잔류하는 가스(1)는 디퓨저/노즐(18)을 통해 배출되고 다음에 개방상태의 연결부(17)에 의해 디퓨저/노즐(18)과 연결되는 단부 가스배출기(16)로 배출된다.
원형판(60) 형태를 가진 열교환기가, 공지된 모든 설치수단(스페이서(spacers, 암(arm) 등)에 의해 상기 가스배출기(16)의 축대칭 구조의 상류 유입구 부분내에 설치된다. 상기 설치수단은 하기 예시적인 모든 구조체들내에서 이용된다. 열교환기는, 상기 원형판(60)내에서 나선 또는 정현(sine) 곡선 형태로 감기는 중앙채널(6)의 유입구와 유출구에 연결되는 유입구 채널(61) 및 유출구 채널(62)로 구성된다. 상기 채널(61,62)들은, 터빈엔진의 전체효율을 개선하기 위해 에너지를 회수하고 재활용(recycling)하기 위한 전자기계적 수단 또는 기계적 수단과 채널의 단부들에서 연결된다. 상기 에너지는, 상기 열교환 요소내에서 순환하는 냉각 유체를 통해 회수되고 고온의 잔류가스(1)가 배출될 때 상기 잔류 가스로부터 열전달에 의해 중심채널에서 가열된다.
상기 열전달작용은, (도 7b, 7d, 8 및 9에 개략적으로 도시된) 구멍(63)들을 형성하여 구해지는 판(60)이 가지는 투과율(permeability) 또는 다공성(porosity)에 의해 형성된다. 상기 구멍들은 상기 열교환 요소들의 위치와 구조에 적합한 일정하거나 가변적인 직경 및 밀도를 가진다.
도 3의 개략단면도를 참고할 때, 터보축 엔진(20a)의 구조체는 외부 동력축(31)에서 전방 동력 분리장치를 가지고, 상기 외부 동력축은 후방에서 감속기어(29)에 의해 터빈(27)의 축(32)과 기어연결된다. 상기 터보축 엔진(20a)의 배기 라인은, 디퓨저/노즐(18), 연장부분(15) 및 축대칭 배출기(16a)로 구성된다. 상기 열교환요소는, 상기 연장부분(15)의 비 축대칭 부분에 설치되고 유입구 및 유출구 채널(61,62)들과 연결되는 판(60a)으로 구성된다. 상기 판(60a)은 유사 원형(quasi- annular) 구조를 가지고 평행한 외부 및 내부의 면(6i,6e)들을 가지며, 상기 외부 및 내부의 면의 형상은 연장부분(15)의 마주보는 면과 평행하게 적응되는 것이 유리하다. 선택적으로 상기 열교환 요소의 판(60b)은 연장부분내에 부분적으로 설치되고 배출기내에 부분적으로 설치되며 주로 축대칭 배출기(16a)내에 설치되는 것이 유리하다. 이 경우, 상기 판(60b)은 원형이고 원형부분을 가진 면(6'e,6'i)들을 가진다.
도 4의 개략 단면도에 도시된 것과 같이 후방 축(32)에서 직접 동력 분리기능을 가진 터보축 엔진(20b)에 있어서, 배기 구조체는, 디퓨저(11), 비 축대칭 구조의 곡선형 노즐(14') 및 축대칭 배출기(16a)를 포함한다. 상기 열교환 요소는, 상기 노즐(14')의 하류부분내에 설치된 유사 원형체(60c)의 판으로 구성되고, 상기 면(6i,6e)들은 상기 노즐(14')과 평행한 형상을 가진다. 선택적으로, 상기 원형체의 판(60b)은 배출기(16a)내에 설치되고 상기 면(6'e,6'i)들은 원형단면을 가진다.
(도 2내지 도 4에 도시된) 모든 구조체들에 있어서, 상기 열교환 요소(60,60a,60b,60c)의 원형판 또는 유사 원형판은 배기 유닛들의 면들과 근접한 영역내에 배열된다. 상기 배열에 의해, 상기 판에 양호하게 공급되는 고온가스가, 상기 가스발생기로부터 발생되고 상기 판을 가로질러 층(layers) 형태로 유동하며 교란없는(non- disturbed) 가스 유동(1)의 주요 중심부분을 형성한다.
배기 유닛이 분리되거나 저 마하(Mach)(낮은 가스속도) 영역을 나타내는 경우에 있어서, 상기 열교환 요소는 비원형구조를 가지는 것이 유리하다. 따라서, 도 5에 개략적으로 도시된 단면도는 곡선의 배출기(16b)를 가진 배기라인과 관련된다. 상기 배출기는 축대칭 디퓨저/노즐(18a)과 연결된다. 상기 배출기는, 상기 디퓨저/노즐(18a)내에서 가스유동(1)이 축방향으로 유동하기 때문에 가스유동이 바이패스(by-passed)되며 곡률이 큰 분리된 영역(Z1)을 가진다. 가스유동(1)을 양호하게 공급받기 위하여 상기 열교환 요소는, 분리된 영역(Z1)과 마주보는 측부에서 상대적으로 작은 곡률을 가지는 배출기(16b)의 곡선부내에 설치된 관형 판(60d)으로 구성된다.
상기 열교환 요소는, 가스유동의 확산기능이 가지는 항공역학적 특성을 개선하여 상기 확산기능을 최적화하도록 제어하는 구조를 가질 수 있어서 유리하다.
도 6a 내지 도 6c의 개략 단면도들에 도시된 구조체는 디퓨저/노즐내에 원형의 열교환 요소가 포함하고 열교환기의 유출구에서 정압을 감소시킨다. 도 6a을 참고할 때, 열교환요소는 하류방향으로 개방된 축대칭 원추형 디퓨저/노즐(18a)내에 설치된 원형판(60e) 및 입력-출력 채널(61,62)들로 구성된다. 상기 판(60e)은 디퓨저/노즐의 내부면(18i)에 대해 국소적으로 형성된다. 선택적으로 (도 6b), 상기 디퓨저/노즐(18a)은, 유사 원통형상(quasi- cylinder) 즉 하류방향을 향해 경미하게 개방된 부분(18c)을 가지고, 상기 부분내에 원형판(60e)이 설치된다. 다음에, (예비 수정 부분들이 점선으로 도시된) 상기 디퓨저/노즐(18a)은, 상기 디퓨저/노즐(18a)의 수정되지 않은 부분을 추종하도록 상대적으로 더욱 개방된 부분(18d)을 가진다.
상기 두 개의 변형예들에 있어서, 압력의 정적 성분은 방해받지 않는 유동이 가지는 상대적으로 작은 확산작용에 의해 열교환기(60e)의 유출구에서 감소된다. 따라서, 상기 판(60e)을 통과하는 가스 유동(1)의 확산이 선호된다. 도 6c에 도시된 실시예에 있어서, 디퓨저/노즐(18a)이 설치되는 열교환판(60f)의 일부분(18e)이 하류방향으로 수렴하는(downstream convergence) 원추형상을 가진다. 상기 디퓨저/노즐(18a)의 상기 부분(18e)이 좁아지기 때문에, 방해받지 않는 상태의 가스유동(1)은 가속된다. 상기 방해받지 않는 상태의 가스유동이 형성하는 가속작용에 의해 상기 열교환판(60f)을 위한 공급유동(feed- stream)에 연료가 공급된다.
확산(diffusion) 특성을 개선하기 위하여, 열교환요소는 동일한 형상을 가진 노즐과 관련된 원추형 원형판(annular plate)들로 구성된다. 단면도( 도 7a 및 도 7c) 및 속이 보이는 투시도(도 7b 및 도 7d)를 포함한 도 7a 내지 도 7d에 도시된 구조체는, 디퓨저/노즐(18)내부에서 동심구조를 이루는 두 개의 원형 판(60g,60h)들을 가진 소위 삽입형(intercalary- type)의 열교환요소를 포함한다. 상기 노즐 부분(14a)은, 예를 들어 13°의 디퓨저 부분(11,12)보다 상대적으로 큰 예를 들어 25°의 각도를 가진 원추체를 가지며 수정되지 않은 (점선으로 도시한) 노즐(14)의 원추체에 해당한다. 동심구조를 가진 원형 판(60g,60h)들은 원추체를 가지고, 원추체의 각은 각각 예를 들어 21°및 15°와 같이 약간 더 작다.
전체적으로, 노즐(14a)은 수정되지 않은 (도 7a의) 노즐과 동일한 크기를 가진다. 따라서 확산작용이 증가되고, 터보축 엔진은 상대적으로 높은 정적 회수 율(coefficient of static recovery) 및 효율을 가진다. 선택적으로 (도 7c를 참고할 때) 노즐(14b)은 수정되지 않은 노즐(14)과 비교하여 짧아져서 초기수준의 확산작용이 형성된다. 상기 조건에서, 동일한 확산이 형성될 때 노즐이 짧아지면 중량이 감소되고 체적이 감소된다.
도 7c 및 도 7d의 투시도에 도시된 구조체는, 확산작용을 증가시키기 위해 동심구조를 가지는 두 개의 원형 판(60g,60h)들을 가지고 짧아진 노즐(14b)을 각각 가진 원형의 열교환요소를 포함한다. 상기 판들은 원통형의 반경방향 암(7)에 의해 노즐(14a,14b)들내에 설치된다. 상기 암은, 상기 원형 판(60g,60h)들의 유입구 및 유출구 채널(61,62)들을 포함할 수 있다. 상기 반경방향 암(13)에 의해 유지되는 확산 원추체(12)를 포함하는 디퓨저 부분(11), 잔류하는 고온가스가 확산되어 통과하는 자유터빈(free turbine)(27) 및상기 원형판의 하류부분에서 볼 수 있는 공기유동 구멍(63)들이 도 7b 및 도 7d (및 하기 도 8 및 도 9)에 도시된다.
열교환요소는 또한, 유동을 안내하기 위한 베인(vane) 조립체 형태의 열교환기를 형성하기 위하여, 다수의 반경방향 판들로 구성될 수 있다. 도 8의 투시도에 도시된 배기 구조체는, 디퓨저/노즐(18)의 노즐부분(14)내부에서 공지기술의 고정수단( 용접, 나사체결, 리벳팅, 탭(tab), 암(arm), 스페이서(spacer)들을 이용한 고정구)에 의해 상기 노즐의 내측부분(14i)에 설치되고 평평한 8 개의 반경방향 판(9)들을 포함한다. 상기 반경방향 판(9)들에 의해 터빈 유출구에서 가스유동(1)을 안내하여 노즐(14)의 압력회수 계수가 증가된다.
유입구 및 유출구 채널(61,62)들은 한 개의 판으로부터 다른 한 개의 판까지 직렬로 연결되고 에너지 회수수단과 연결된다. 선택적으로, 상기 판들이 개별 입력- 출력 채널들과 공통의 공급 및 귀환 모듈(feed and return modules)을 통해 병렬로 공급될 수 있다. 도면에 상기 다른 유닛들, 확산 원추체(12)를 가진 디퓨저 부분(11), 반경방향의 암(13), 자유터빈(27)이 설명된다.
유동분리기(stream splitter)의 구조체를 가진 열교환 요소가, 도 9에 도시된 곡선 노즐을 가진 배기 구조체의 투시도에 도시된다. 상기 구조체는, 완전한 반경방향의 판(60i) 형상을 가지고, 상기 판의 곡률은 상기 노즐(18)과 배출기(16)의 평균 곡률을 따른다. 상기 유닛들(입력- 출력 채널(61,62)들, 디퓨저(11) 및 확산 원추체(12), 반경방향 암(13), 자유터빈(27))이 상기 도면에 도시된다. 노즐이 직선 또는 (도 9에 도시된 것처럼) 곡선인 경우, 상기 분리-판(splitting- plate) 구조체는 확산 특성에 영향을 준다: 삽입판(intercalary plate)과 같이 분리판 구조체에 의해 배기장치의 등안정성(isostability) 및 등길이(isolength)를 가지며 유동의 확산작용이 증가되거나 등확산성(isodiffusion)을 가지며 배기장치가 단축될 수 있다. 또한, 터빈 유출구에서 가스 유동(1)을 안내하여 상기 노즐(18)의 압력회수 계수가 증가될 수 있다.
(도 9를 참고할 때) 제트 휨(jet deflection) 기능을 보장하는 곡선의 노즐에 있어서, 상기 분리-판 구조체는 상기 제트의 안내기능을 향상시켜서 휨 기능을 형성한다.
본 발명은 상기 도시된 실시예들에 국한되지 않는다. 예를 들어 분리기(splitter)를 형성하기 위해 횡방향 또는 별모양의 구조체와 열교환하기 위한 판들을 제공할 수 있다. 이외에, 배기라인은 노즐에 국한되지 않고 조립된 추가 배기 유닛들 즉, 디퓨저, 연장부분, 디플렉터(deflector) 및/또는 배출기의 일부 또는 전부에 의해 구성될 수 있다. 또한, 각각의 열교환 요소는 한 개 또는 여러 개의 독립적인 냉각- 유체- 순환 채널들을 포함할 수 있고, 채널의 압력은 다중 회로들에서 서로 다를 수 있다.
1...고온가스
10...배기 라인
11,14a,14b, 15, 16, 16a, 16b, 18a, 18c...유닛
60,60a 내지 60i,9....열교환요소
20,20a,20b....터빈엔진
30,31...축

Claims (10)

  1. 터빈엔진의 고온가스(1) 유동을 위한 배기 라인 내부에 열교환기가 설치된 터빈엔진의 구조체에 있어서, 상기 배기 라인(10)을 형성하는 유닛(11,14a,14b, 15, 16, 16a, 16b, 18a, 18c)들 중 한 개내부에 설치된 열교환요소 (60,60a 내지 60i,9)들이, 상기 유동의 일부가 상기 열교환요소들을 가로질러 유동하는 동안 전체적으로 상기 고온가스를 확산시키는 환경에서 고온가스(1)의 유동을 안내(channeling)하고 상기 고온가스의 유동을 부분적으로 방해하는 구조체를 가지며 상기 가스(1,1a)의 유동을 교란시키지 않고 터빈엔진(20,20a,20b)의 축(30,31)에서 구해지는 동력을 증가시키기 위해 상기 배기가스(1)의 잔류 열에너지를 회수하고 재활용하는 기계식 또는 전자기계식 수단과 연결되는 것을 특징으로 하는 열교환기가 설치된 터빈엔진의 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 열교환요소(60g,60h,60e,60f)들은 연속적으로 형성된 단면을 가진 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기가 설치된 터빈엔진의 구조체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 열교환요소 (60,60a 내지 60i,9)는, 열교환요소들이 설치되는 배기 라인(1)에 대해 국한되고 국소 단면을 가진 구조체를 포함하며, 상기 열교환요소들을 가로질러 유동하는 가스(1)의 부분은 상대적으로 작고(minority), 배기가스(1,1a)의 유동에 대한 열교환요소들의 방해작용은 작은 것을 특징으로 하는 열교환기가 설치된 터빈엔진의 구조체.
  4. 제 1 항에 있어서, 열교환요소(60i)는 배기라인(10)에 대해 충분히 높은 다공성 또는 투과율을 가진 완전한 단면 구조체를 가져서, 배기가스의 유동은 부분적으로 방해되는 것을 특징으로 하는 열교환기가 설치된 터빈엔진의 구조체.
  5. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열교환요소(60,60a 내지 60i,9)들이 설치되는 배기유닛들은, 암(13)들에 의해 지지되는 중심의 원추체(12)를 가진 디퓨저(11), 배기 노즐(14,14a,14b), 연장부분/디플렉터(15) 및 단부 배출기(16,16a,16b)사이에서 상류로부터 하류 순서로 설치되고 선택되는 것을 특징으로 하는 열교환기가 설치된 터빈엔진의 구조체.
  6. 제 1 항에 있어서, 열교환 요소들의 구조체는, 원형의 중간 구조체(60g,60h), 반경 방향의 판(9)들을 안내(channeling)하기 위한 베인 조립체/디플렉터의 구조체, 가스 유동(1)의 유입구에서 다양한 다공성을 가진 특히 반경 방향의 유동 분리기(60i)의 구조체 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 열교환기가 설치된 터빈엔진의 구조체.
  7. 제 6 항에 있어서, 중간에 배열되거나 분리되는 형상(60i)에 의해 배기 등안정성과 등길이(14a)을 유지하면서 유동의 확산작용이 증가되거나 등확산성(isodiffusion)을 가지며 배기장치가 단축되는 것을 특징으로 하는 열교환기가 설치된 터빈엔진의 구조체.
  8. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 열교환요소(60,60a 내지 60i,9)는 냉각유체를 위한 한 개 또는 여러 개의 독립적인 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기가 설치된 터빈엔진의 구조체.
  9. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 열교환요소(9,60e,60f)가 상기 배기라인(10)내에 배열되고 열교환요소들이 설치되는 유닛의 형상을 몰딩하거나 상기 열교환요소들(60,60a 내지 60d, 60g 내지 60i,9)이 세워져(stand off) 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기가 설치된 터빈엔진의 구조체.
  10. 전항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열교환요소(60,60a 내지 60i,9)들은 열교환요소의 구조와 배열에 의해 단열표면과 소음흡수재료로 구성되어, 유동저항(drag)과 공기역학적 소음이 감소되는 것을 특징으로 하는 열교환기가 설치된 터빈엔진의 구조체.
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