KR20190006407A - 대기열과 연료가 혼합 이용되며 공기 압축압력과 연소압력이 다른 초고효율 가스터빈 기관 - Google Patents

Abstract

가스터빈 기관의 배기압력 및 손실 열량 대폭감소(약 30%), 공기 압축 소요동력의 대폭 감소 (약 50~80 %), 대기의 열량을 연료로 이용하여 기관의 효율증대(약 20%)를 이루어내는 대기의 열량과 연료가 혼합 이용되는 초고효율 가스터빈 연소기를 채용한 가스터빈 기관이다.

Description

대기열과 연료가 혼합 이용되며 공기 압축압력과 연소압력이 다른 초고효율 가스터빈 기관{super-high-efficiency gas turbine engine used atmospheric heat and fuel that air compressing press and combustion pressure are not equal}

내연기관 (가스터빈)

내연기관의 연료 절감을 위해 여러 가지 방안이 강구되어 왔었다.

본 발명은 가스터빈 기관의 구조적 문제 사항을 개선하여 기관의 흡기계통 및 배기 계통에서 동시에 에너지의 낭비를 없애며 특히 흡기 계통에서 기관의 압축 소요 동력을 줄임으로써 기관의 효율을 상승시킴과 동시에 기관의 흡기 과정에서 대기의 열량을 연료로 이용되어지게 하는 방법임과 함께 내연기관의 작동에 따른 유해 배기가스 배출의 대폭적 감소, 대기온도 상승 방지 등의 효과를 동시에 나타내어지게 하는 기술 방법이다.

지금까지의 내연기관의 효율은 40 %를 초과하기 못하고 있다.

그렇지만 본 발명의 실시에 따른 내연기관의 효율은 약 80 % (근사적 계산치) 이상이 이루어지도록 하는 가스터빈 기관의 연소방법을 개선한 기술이다.

가스터빈 기관의 대폭적 효율 상승 및 유해 배기가스의 현저히 감소.

현재의 가스터빈 및 왕복동형 내연기관은 열효율이 매우 낮다.

그 주된 요소의 이유는 공기 압축 소요 동력이 기관 출력의 약 40 %를 차지함에 따른 가장 큰 요소이며 또한 배기 열량의 낭비가 매우 크다.

그렇지만 현재까지의 내연기관의 구조로써는 이의 문제점 해결이 근본적으로 불가하다. (그 이유는 이하 내용 계속 참조)

본 발명은 근본적 이유의 문제가 되고 있는 문제점을 개선하여 가스터빈에서의 공기압축 압력과 연소폭발 압력을 달리하도록 연소기를 구조 변경하여 배기 열량을 회수함께 또한 추가적으로 대기가 가진 열량을 출력으로 이용이 가능하도록 하는 방법의 구성이다.

이의 과제를 해결하기 위하여 다음과 같은 자연 현상적 원리와 더불어 지금까지의 가스터빈의 문제점 등의 나열과 함께 본 발명 사항을 제시하면 아래와 같다.

1> 현재의 가스터빈에서의 공기압축 압력과 연소폭발압력은 구조적으로 동일할 수밖에 없다. (왕복동형 내연기관에서는 다르다.)

이는 연소폭발 압력을 일반적 왕복동형 내연기관의 폭발압력과 동일한 수준으로 상승시키지 못하는 주된 요인이다.

(가스터빈 압력: 20~45 kgf/cm^2, 디젤기관 폭발압력: 80~90 kgf/cm^ 2) 즉, 가스터빈에서는 디젤기관에서의 공기압축 압력 이상으로 연소압력을 상승시키지 못하며 이는 폭발압력 대비 압축기의 소요동력이 더욱 증가되는 요인이다.

(그렇지만 왕복동형 내연기관의 경우 공기 압축압력과 연소압력이 다른데도 불구하고 효율이 낮은 이유는 실린더내의 연소과정에서 배기 행정시 배기밸브가 폭발행정 중에 열려야 하므로 고압의 배기가스가 연소 중 배출되어 배기압력 손실이 약 30~40 %에 달하기 때문이다.)

따라서 만약 가스터빈의 경우에 공기압축압력과 연소압력을 달리 할 수 있다면 왕복동형 내연기관에서 30~40% 의 배기압력 손실을 없애는 효과가 달성되어 매우 높은 가스터빈 효율을 달성 할 수 있으며 추가적으로 배기 열량손실을 크게 줄일 수 있고 또한 지구가 가진 대기의 열량을 연료로 이용하는 효과를 달성시킬 수 있다. (그 이유는 이하 내용 참조)

본 발명에서는 이의 과제를 해결하기 위하여 도1,도2 와 같이 연소기의 구조를 변경시켜 가스터빈에서의 연소과정을 왕복동형 내연기관과 같이 공기 압축과정을 연소 전에 별도로 수행하도록 하는 방법을 택하고 연소기의 크기를 매우 크게 한다.(현재 연소기 체적의 약 1.3 배) 이의 방식을 채택하였을 경우 다음과 같은 추가적인 잇점이 있을 수 있다.

- 공기압축 소요동력을 크게 낮추고 대신에 연소폭발 압력은 매우 높힐 수 있다. 그러므로 압축기 소요동력의 비율이 매우 감소된다.

- 낮은 공기압축 압력을 이용하여 가스터빈의 배기열을 이용한 흡입공기의 등압 가열이 가능하여 배기열의 상당부분 회수가 가능하다. (일반적인 가스터빈의 경우에는 공기압축 압력과 연소압력이 같아야 하기 때문에 고압의 공기압축은 소요동력의 과다와 더불어 높은 압축온도 또한 동반하므로 배기열을 이용한 흡입공기의 가열 필요가 없어지며, 만약 압축공기를 가열하여 주입시는 과다한 연소압력과 온도의 상승으로 공기압축 소요동력이 매우 증가하며 또한 연소기의 체적한계로 인하여 부피가 커진 공기로 인해 연소공기량 부족 현상이 나타난다. 따라서 배기열의 회수가 불가하다.

하지만 공기압축 압력과 연소압력을 달리 했을 경우는 첫째, 공기압축 소요동력이 크게 감소하며 압축공기의 온도가 과다하게 상승되지 않기 때문에 배기열을 이용한 추가적인 등압 가열이 가능하므로 배기열을 상당 부분 회수할 수 있게 된다. -도3,도4 참조.

배기열의 회수에 따른 고온 공기의 주입은 연소온도와 압력 상승으로 나타나고 이는 결과적으로 연료량 주입 감소로 이어져 과도한 압력 상승과 온도의 증가 현상으로 이어지지 않는다. )

- 낮은 공기압축 압력을 이용하여 가스터빈의 흡기관을 진공 흡입하여 흡입하여 대기의 열량을 이용한 추가적인 흡입공기의 가열이 가능하다. (도3,도4 참조)

{연소기에서의 연소체적 증가는 연소압력 감소로 이어진다.

그렇지만 가스량의 증가로 인하여 동일한 출력으로 이어진다.}

{소량의 연료에 의한 완전연소, 가열공기에 의한 저과잉공기 연소, 연료량의 감소에 따른 저온연소-주입공기 가열에 따른 연소온도 상승은 연료량 증가에 따른 연소온도 상승과 불완전 연소에 따른 유해 배기가스량 증가보다는 영향이 적다.-를 실현하여 유해 배기가스의 배출이 현저히 줄어든다. }

{ 흡입관 진공 열교환의 결과는 대기의 열량을 연료로 이용하는 효과가 되어지며 내연기관 가동으로 인한 대기온도 상승의 지연효과가 이루어진다.-도3,도4 참조.}

2> 상기에서와 같이 가스터빈에서의 공기압축압력과 연소압력을 달리함에 따른 잇점을 달성하기 하기 위하여 본 발명에서 두 가지 형태의 연소기 구성방법{단속밸브 연소기(8), 연속 벤츄리 연소기(14)}과 두 가지 방법의 연소기 운전 방법{부분 단속 운전, 전체 단속운전}을 제안하며 그것은 다음과 같다.

1) 단속 밸브 연소기(8, 도1)를 이용한 연소방식

- 도1과 같이 연소실과 압축공기 가압실을 별도로 구성한 후에 중간에 단속밸브(8-2) 및 보조장치(8-1,3,4,5,6,7,8)를 설치하여 연소기를 형성한 다음 연소압력이 높을 때는 단속밸브(8-2)가 닫혀 압축공기통(8-3)과 분리되도록 기본적 형태를 갖추며 기본적인 작동원리와 방식은 다음과 같다.

① 압축기에서 저압(5~10 kgf/cm^2)으로 압축한 공기를 압축공기통(8-3)에 유입시킨다.

② 압축공기통(8-3)에 유입된 압축공기는 단속밸브(8-2)를 연소통(8-7)쪽으로 밀어 내리고 연소통에 충진된다.

[이때 연소통 출구의 연소가스 분사노즐(8-5)의 분사구인 직경 d의 크기를 미리 설정 및 설계하여 가압 공기에 의한 압력이 "5~10 kgf/cm^2" 유지되도록 구성한다. 즉, 가압 압축공기량 대비 노즐(8-5)을 통해 배출되는 량이 적도록 설계하여 가압 공기압이 적정치(5~10 kgf/cm^2)에 달하도록 한다.]

③ 연소기에 부착된 연료분사기(8-8)를 통해 연료를 분사시킨다.

[낮은 압력으로 가압된 공기는 대기의 열량과 배기가스 열량을 받아 고온의 상태{도2,3 참조}이므로 착화가 이루어진다.]

[저압 고온의 공기에 의한 연소공기량 부족현상을 막기 위하여 연소기의 크기를 비교적 크게 설계한다.

-약 1.5~2 배 증가(계산생략)-동일 출력에서 연료량이 훨씬 적어질 수 있으므로 너무 커질 필요가 없다. ]

④ 연료분사에 의해 점화 및 발화된 연소가스는 부피의 팽창에 따른 연소압력 상승되므로 단속밸브(8-2)를 닫아 압축공기를 유입되지 않게 하고 부피가 커지기 전 압축공기만의 분사 시에 5~10 kgf/cm^2 가 맞춰지도록 설계된 d 의 구경에 의해 부피가 증가된 연소가스는 연소통(8-7)의 압력을 매우 증가시키면서 분사된다.

⑤ 연소가스가 배출되어 연소통(8-7) 내의 압력이 압축공기 압력보다 낮아졌을 시는 연료분사를 중단시키며 단속밸브(8-2)가 다시 열리고 압축공기만이 노즐(8-5)을 통해 분사된다.

[연소가스에 의해 연소통(8-7)이 고온으로 가열된 상태이기 때문에 압축공기만의 분사상태에서도 연소통 내에서 추가로 압축공기가 가열되어 이미 배기열 및 대기의 열량에 의해 가열된 상태를 합하여 공기압축 소요동력 대비 수배의 출력이 가스터빈에서 발생된다.]

⑥ 압축공기에 의해서 연소통 내부가 충분히 purge 가 된 상태가 되면 다시 연료를 분사하여 같은 사항을 반복한다.

- 도2,도3 과 같이 가스터빈의 입구에 원주방향으로 다수개의 단속 밸브 연소기(8)가 설치된 상태에서 두 가지 형태{부분 단속 운전, 전체 단속운전} 의 운전 방식을 선택할 수 있다.

① 부분 단속 운전 : 도3과 같이 다수개의 연소기 중 일부의 단속 밸브 연소기(8)에 연속적으로 순환하여 연소압력보다 높은 압축공기압을 가압하고 나머지 단속 밸브 연소기들은 낮은 공기압력을 가하여 가스터빈의 첫단 압력은 중간 압력(약 40 kgf/cm^2)의 연소가 지속적으로 유지되면서 운전되게 한다.

[즉, 다수개의 단속밸브 연소기가 순환되어 일부만 연소압력보다 높은 공기압력으로 가압하고 나머지는 연소압력보다 훨씬 낮은 공기압력으로 가압하는 상태로써 가스터빈의 첫단 압력은 지속적으로 일정한 압력이 유지되게 하는 방법이다. 이는 가스터빈에서의 공기압축 소요 동력을 반으로 줄이는 효과가 있다.]

② 전체 단속운전 : 도4와 같이 다수개의 단속밸브 연소기(8)가 전체적으로 같이 단속밸브 연소 형태를 취함으로써 공기만의 분사 상태와 연소가스의 분사상태가 반복되는 형태의 연소방법이다.

[ 이는 가스터빈에의 공기 압축 소요동력을 매우 낮추는 효과가 있다. 그렇지만 가스터빈의 첫단 압력은 고압과 저압이 반복되는 형태로 운전이 이루어진다 ]

2) 연속 벤츄리 연소기(도2)를 이용한 연소방식

- 도3과 같이 연소기의 형태를 불완전 연소기(14-1)와 완전 연소기(14-7)의 두 가지 연소실 형태로 근본적으로 양분하고 그 중간에 벤츄리 효과에 의한 공기 유입이 용이하도록 압축공기 벤츄리(14-5)와 축소확대관(14-6)을 설치한 형태로써 작동 방식은 다음과 같다.

① 불완전 연소기(14-1)에 고압의 공기를 공기압축기의 고압단으로 부터 받아 연소압력보다 높은 압력으로 일부의 공기만을 주입시킨다.

[이때 주입되는 고압의 공기는 대기의 열량과 배기열량에 의한 가열을 거쳐 부피가 매우 팽창되게 한 상태로 주입시킨다.]

② 일부의 공기(약 5~15% 압축공기)만이 주입되는 불완전 연소기에 연료를 분사(8-8)하여 연소시킨다.

[ 공기량이 부족한 상태에서 연소가 일어나므로 불완전한 연소가 이루어지는 상태에서 가스부피가 증가된다. 이미 가열된 고온의 공기에 의해 연소가스의 부피 증가는 확대된다. ]

③ 불완전 연소기에서 불완전 연소 부피 증가된 연소가스는 노즐을 통해 완전 연소기 쪽으로 분출되고 이때 완전 연소에 필요한 저압의 공기가 냉각이 된 상태로써, 즉 냉각에 의해 부피를 줄인 상태에서 압축공기 벤츄리(14-5)를 통해 유입되어 완전 연소기 쪽으로 유입되게 한다.

[참고 : v(분사속도) = (2*형성압력/가스밀도)^0.5 ]

④ 완전 연소기(14-7)에서 완전한 연소가 이루어져 가스터빈으로 지속적으로 유입되어지게 한다.

[ 이의 형태는 상기 단밸브 형태와 같은 완전한 공기 압축 소요동력의 경감 형태는 이루어 낼 수 없으나 현재의 연소기 형태보다는 약 20~30 % 의 공기 압축 소요동력을 경감 할 수 있다.] - 도5 참조.

- 가스터빈의 대폭적 효율 상승.

- 연료 소비율의 대폭적 감소 (약 40 %)

- 유해 배기가스의 현저한 감소

- 지구온난화 지연에 기여 등을 실제로 이루어낼 수 있다.

도1은 단속 밸브 연소기(8)의 상세도
도2는 연속 벤츄리 연소기(14)의 상세도
도3은 단속 밸브 연소기(8)를 이용한 가스터빈 압축공기 감압 부분 연소방식의 개략도
도4는 단속 밸브 연소기(8)를 이용한 가스터빈 압축공기 감압 가열 혼합 연소방식의 개략도
도5는 연속 벤츄리 연소기(14)를 이용한 가스터빈 압축공기 감압 연속 연소방식의 개략도

1) 원리를 근간으로 한 가스터빈의 연소기의 형태는 연소실 체적을 매우 크게 한(일반적 연소기 체적의 약 1.3 배 - 계산 생략)

단속 밸브 연소기(8)와 연속 벤츄리 연소기(14)가 주 핵심 요소이므로 이를 이용한 연소 방법의 형태는 기관의 흡기관에서 대기의 열량을 이용하여 압축 공기 온도를 더욱 올리며 또한 배기의 열량을 이용한 압축공기 온도를 더욱 상승시켜 가스터빈의 효율을 매우 증가시키는 형태의 구성이며, 연소가스 압력과 공기 압축압력을 달리하여 연소시키는 주요 형태로 구성되어진다.

[ 일반적 가스터빈에서의 연소기의 경우는 공기 압축압력과 연소압력이 같아야 하는 관계로 이의 모든 사항이 불가하다. - 과제해결수단 참조 ]

2) 도3,도4 는 단속 밸브 연소기(8)를 이용한 가스터빈 운전 방법의 부분 단속 모드와 전체단속 모드의 열역학적 산출에 따른 구성의 실시 예이며 도5는 연속 벤츄리 연소기(14)를 이용한 가스터빈 운전 방법의 열역학적 산출에 따른 구성의 실시예이다.

3) 가스터빈은 연소기가 한 개뿐인 초소형의 크기로부터 다수개의 연소기로 구성된 초대형의 크기 등 다양하므로 만약 연소기가 한 개 뿐인 초소형의 경우(손바닥 크기의 경우도 있음.) 한 개의 단속 밸브 연소기 또는 연속 벤츄리 연소기를 선택하여 더욱 운전 방식의 구성에 유리한 점이 있다. 반면 연소기가 여러개인 초대형의 경우에는 도3,도4,도5 와 같이 구성되어 전체 단속 또는 부분 단속 모드가 되어 운전 방법을 구성할 수 있다.

대형의 가스터빈 및 소형의 가스터빈 기관 등에 유용하게 이용되어질 수 있다.

1: 흡입동력회수터빈 2: 팬 3: 대기열 열교환기 4: 무대기열 선택밸브
5: 공기 압축기 6: 압축공기관 7: 가스터빈 배기열 교환기
8: 단속 연소기 8-1: 스프링 8-2: 단속밸브 8-3: 압축공기통
8-4: 단속연소기 몸체 8-5: 연소가스분사노즐 8-6: 압축공기입구
8-7: 연소통 8-8: 연료분사기
9: 가스터빈 10: 연료분배 밸브 11: 연료관 12: 연료공급 밸브
13: 압축공기 냉각기 14: 연속 벤츄리 연소기 14-1: 불완전 연소기
14-2: 압축가열공기입구 14-3: 압축냉각공기해드 14-4: 압축냉각공기입구
14-5: 압축공기벤츄리 14-6: 축소확대관 14-7: 완전연소기
14-8: 완전연소가스분사노즐

Claims (4)

1. 공기압축 압력과 연소압력을 달리하여 공기압축압력을 매우 낮추고 연소압력은 매우 증가시켜 압축기의 소요동력을 줄이며 배기열과 대기열과의 열교환(3,7)을 통한 등압 가열된 공기에 의한 가스터빈 구동동력으로부터 수배로 회수 가능하도록 단속 밸브 연소기(8) 및 대기열 열교환기(3), 가스터빈 배기열 열교환기(7)의 구성으로 이루어진 대기열과 연료가 혼합 이용되며 공기 압축압력과 연소 압력이 다른 초고효율 가스터빈 기관.
2. 공기압축 압력과 연소압력을 달리하여 공기압축압력을 매우 낮추고 연소압력은 매우 증가시켜 압축기의 소요동력을 줄이며 배기열과 대기열과의 열교환(3,7)을 통한 등압 가열된 공기에 의한 가스터빈 구동동력으로부터 수배로 회수 가능하도록 연속 벤츄리 연소기(8) 및 대기열 열교환기(3), 가스터빈 배기열 열교환기(7)의 구성으로 이루어진 대기열과 연료가 혼합 이용되며 공기 압축압력과 연소 압력이 다른 초고효율 가스터빈 기관.
3. 제1항에 있어서 단속 밸브 연소기(8).
4. 제2항에 있어서 연속 벤츄리 연소기(14).

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