KR20210114283A - 가스터빈 엔진 - Google Patents

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KR20210114283A
KR20210114283A KR1020200029804A KR20200029804A KR20210114283A KR 20210114283 A KR20210114283 A KR 20210114283A KR 1020200029804 A KR1020200029804 A KR 1020200029804A KR 20200029804 A KR20200029804 A KR 20200029804A KR 20210114283 A KR20210114283 A KR 20210114283A
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KR1020200029804A
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박수열
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한화에어로스페이스 주식회사
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Abstract

본 발명은 가스터빈 엔진을 개시한다. 본 발명은, 압축기와, 상기 압축기와 회전축을 공유하며, 상기 압축기에서 공급된 기체와 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기와, 상기 연소기에 배치되어 상기 연소기를 시동하는 시동기와, 상기 연소기의 회전축에 연결되며, 상기 연소기 내부의 상태에 따라 상기 연소기의 회전축의 속도를 조절하는 속도조절부를 포함한다.

Description

가스터빈 엔진{Gas turbine engine}
본 발명은 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가스터빈 엔진에 관한 것이다.
근래에는 자유롭게 이동하는 이동체, 특히 비행하는 개인형 이동체의 개발이 활발하다. 이러한 이동체에는 프로펠러를 구비하여 자유롭게 이동할 수 있다. 이때, 프로펠러를 회전시키기 위하여 가스터빈 엔진을 사용하는 경우가 있다. 이러한 가스터빈 엔진은 외기를 압축하여 연소기에 공급하고, 연소기에서 화염을 발생시킬 수 있다.
상기와 같은 가스터빈 엔진의 사용 시 연소기 내부에서 화염이 없어지는 경우가 발생할 수 있다. 이러한 경우 사용자는 가스터빈 엔진을 다시 재시동하거나 비상 착륙하여야 한다.
그러나 상기와 같이 가스터빈 엔진을 재시동하기 위해서는 일정한 값을 만족하여야 하나 이러한 값을 만족하기 위해서는 시간이 많이 소요될 수 있다. 이러한 시간에 가스터빈 엔진이 탑재된 이동체의 주행 안정성이 확보되지 않거나 이동체의 조향이 불가능한 경우가 발생할 수 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하려면 가스터빈 엔진의 재시동을 최대한 빠르게 수행하는 것이 필요하다.
본 발명의 실시예들은 가스터빈 엔진을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예들은 압축기와, 상기 압축기와 회전축을 공유하며, 상기 압축기에서 공급된 기체와 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기와, 상기 연소기에 배치되어 상기 연소기를 시동하는 시동기와, 상기 연소기의 회전축에 연결되며, 상기 연소기 내부의 상태에 따라 상기 연소기의 회전축의 속도를 조절하는 속도조절부를 포함하는 가스터빈 엔진을 제공할 수 있다.
또한, 상기 연소기 내부의 상태는 상기 연소가스의 온도와 상기 회전축의 속도일 수 있다.
또한, 상기 연소기에서 연소된 연소가스의 온도를 측정하는 온도측정부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 연소기의 회전축의 속도를 측정하는 속도측정부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 연소기의 상태가 기 설정된 상태이면 상기 속도조절부는 상기 연소기의 회전속도를 저감시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들은 연소기 부분이 작동하지 않는 경우 빠르게 재시동이 가능할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시에에 따른 가스터빈 엔진을 보여주는 단면도이다.
도 2는 도 1의 A부분을 확대하여 보여주는 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 가스터빈 엔진의 제어 흐름을 보여주는 순서도이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시에에 따른 가스터빈 엔진을 보여주는 단면도이다. 도 2는 도 1의 A부분을 확대하여 보여주는 단면도이다. 도 3은 도 1에 도시된 가스터빈 엔진의 제어 흐름을 보여주는 순서도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 가스터빈 엔진(100)은 하우징(110), 압축기(120), 연소기(130), 터빈(140), 속도조절부(150), 온도센서부(161), 회전센서부(162), 연결기어부(170) 및 출력부(180)를 포함할 수 있다.
하우징(110)은 내부에 공간을 형성할 수 있으며, 내부에 압축기(120), 연소기(130), 터빈(140), 연결기어부(170)를 수납할 수 있다. 이때, 하우징(110)는 압축된 기체, 연료 및 연소가스 등을 이동하는 다양한 유로를 포함할 수 있다. 또한, 하우징(110)은 외부와 일부가 연통함으로써 외부의 기체 및 연료 등이 내부로 진입하는 유로를 제공할 수 있다.
압축기(120)는 외부에서 공급되는 기체를 압축하여 연소기(130)로 공급할 수 있다. 이때, 압축기(120)는 축류압축기(121)와 원심형압축기(122)를 포함할 수 있다.
축류압축기(121)와 원심형압축기(122)는 제1회전축(164)을 공유할 수 있다. 또한, 제1회전축(164)은 압축기(120) 및 연소기(130)에 연결될 수 있다.
연소기(130)는 압축기(120)와 터빈(140) 사이에 배치될 수 있다. 이때, 연소기(130)는 제1회전축(164)의 중심으로부터 제1회전축(164)의 외측으로 분사되는 연료와 하우징(110)의 내부에서 연소기(130) 내부로 공급되는 압축된 기체를 혼합하여 연소시킬 수 있다. 이러한 경우 연소기(130)는 하우징(110) 내부에 배치되는 연소실(131)을 포함할 수 있다. 이러한 연소실(131)은 내부에 공간을 형성할 수 있으며, 연료와 기체가 혼합되는 공간을 제공할 수 있다. 또한, 연소실(131)은 압축된 기체가 내부로 진입하도록 분사홀(131a)이 형성될 수 있다.
상기와 같은 연소기(130)는 제1회전축(164)에 구비되어 연료를 분사하는 연료분사부(132)를 포함할 수 있다. 이때, 연료분사부(132)는 연소기(130)의 제1회전축(164) 외면으로부터 제1회전축(164)의 내면으로 관통하는 홀 형태일 수 있다. 이러한 연료분사부(132)는 제1회전축(164)의 외면에서 서로 이격되도록 복수개 구비될 수 있다.
연소기(130)는 연소실(131)에 삽입되는 점화기(134)를 포함할 수 있다. 또한, 연소기(130)는 연소실(131)에 삽입되어 연소실(131) 내부로 연료를 공급하는 연료공급노즐(133)을 포함할 수 있다. 이러한 점화기(134)와 연료공급노즐(133)은 가스터빈 엔진(100)을 시동하기 위하여 사용될 수 있다. 즉, 연료공급노즐(133)은 가스터빈 엔진(100)이 작동하기 시작하면 연료를 연소실(131)로 공급할 수 있다. 이때, 점화기(134)가 스파크를 연소실(131) 내부로 제공함으로써 연료의 연소를 시작시킬 수 있다.
터빈(140)은 연소기(130) 내부에서 연소로 인하여 발생하는 연소가스가 통과할 수 있다. 이러한 연소가스는 터빈(140)을 통과하면서 터빈(140)을 작동시킬 수 있다. 이때, 터빈(140)은 압축기(120), 연소기(130)와 연결되는 제1터빈(141) 및 제1터빈(141)과 이격되며, 연결기어부(170)와 연결되는 제2터빈(142)을 포함할 수 있다. 이러한 경우 압축기(120), 연소기(130) 및 제1터빈(141)은 제1회전축(164)을 공유할 수 있으며, 제2터빈(142)은 제1회전축(164)과 분리된 제2회전축(165)과 연결될 수 있다.
속도조절부(150)는 제1회전축(164) 및 제2회전축(165) 중 적어도 하나에 연결되어 제1회전축(164) 및 제2회전축(165) 중 적어도 하나의 회전 속도를 제어할 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 속도조절부(150)가 제1회전축(164)과 연결되는 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.
속도조절부(150)는 제1회전축(164)과 비접촉 방식으로 회전을 저감시킬 수 있다. 이러한 경우 속도조절부(150)는 맴돌이블레이크(eddy current brake)를 포함할 수 있다. 이때, 속도조절부(150)는 제1회전축(164)에 연결되는 디스크(151) 및 디스크(151)에 대향하도록 배치되며, 하우징(110) 내부에 고정되며 전자기장이 발생되는 전자기장부(152)를 포함할 수 있다.
온도센서부(161)는 연소기(130)에서 제1터빈(141) 및 제2터빈(142) 중 적어도 하나로 이동하는 연소가스의 온도를 측정할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 제1터빈(141)을 통과한 연소가스의 온도를 측정하는 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.
회전센서부(162)는 제1회전축(164) 및 제2회전축(165) 중 적어도 하나에 배치되거나 대향하도록 배치되어 제1회전축(164) 및 제2회전축(165) 중 적어도 하나의 회전속도를 측정할 수 있다. 다른 실시예로써 회전센서부(162)는 출력부(180)에 배치되거나 출력부(180)로부터 이격되도록 배치되어 출력부(180)의 회전속도를 측정할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 회전센서부(162)는 제1회전축(164)에 배치되어 제1회전축(164)의 회전속도를 측정하는 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.
연결기어부(170)는 제2회전축(165)과 출력부(180)를 연결하여 제2회전축(165)의 회전을 출력부(180)로 전달할 수 있다. 이때, 연결기어부(170)는 서로 연결되는 복수개의 기어와 복수개의 기어 중 일부와 연결되는 샤프트 등을 포함할 수 있다.
출력부(180)는 연결기어부(170)에 연결되어 회전할 수 있다. 이때, 출력부(180)는 제2회전축(165)의 회전에 의하여 회전할 수 있다. 이러한 경우 출력부(180)는 비행체 등에 사용되는 프로펠러를 포함할 수 있다.
한편, 상기와 같은 가스터빈 엔진(100)의 작동을 살펴보면, 출력부(180)를 회전시키기 위하여 연료공급노즐(133)로 연소실(131) 내부로 연료를 공급하고, 점화기(134)를 통하여 연료의 연소를 시작할 수 있다. 이때, 압축기(120)는 제1회전축(164)에 별도로 연결된 기어부(191)를 통하여 구동부(미도시)에 연결됨으로써 회전할 수 있다. 특히 상기 구동부는 모터 등을 포함할 수 있으며, 상기와 같이 점화기(134) 및 연료공급노즐(133)의 작동 시 상기 구동부가 작동하여 제1회전축(164)을 회전시킴으로써 압축기(120)로 공기를 압축하여 연소실(131) 내부로 공급할 수 있다.
상기와 같이 연소실(131) 내부에서 연소가 시작되는 경우 연소가스는 제1터빈(141)으로 이동하여 제1터빈(141)을 작동시키고 제1터빈(141)의 작동에 따라 제1회전축(164)이 회전할 수 있다. 제1회전축(164)이 회전하는 경우 압축기(120)가 기체를 압축하여 연소기(130)로 보낼 수 있다.
연료분사부(132)는 연료를 연소실(131) 내부로 공급될 수 있다. 특히 연료분사부(132)는 제1회전축(164)과 함께 회전함으로써 연료를 연소실(131) 내부의 다양한 부분으로 공급할 수 있다.
상기와 같이 연소실(131) 내부에 압축된 공기와 연료가 공급되는 경우 연소실(131) 내부에서 지속적으로 연소가 발생할 수 있다. 이때, 발생한 연소가스는 상기에서 설명한 바와 같이 제1터빈(141)으로 공급되며, 제1터빈(141)의 작동으로 인하여 상기와 같은 과정이 지속될 수 있다.
상기와 같이 연소기(130) 내부에서 연소가 지속되는 경우 연소가스는 제1터빈(141)을 작동시킨 후 제2터빈(142)으로 유입되어 제2터빈(142)을 작동시킬 수 있다. 이때, 제2터빈(142)의 블레이드가 회전하면서 제2회전축(165)을 회전시킬 수 있다. 또한, 제2회전축(165)에 연결된 연결기어부(170)를 통하여 회전이 출력부(180)로 전달될 수 있다. 이러한 경우 연결기어부(170)에는 출력부(180)와 연결되는 모터를 포함하는 메인구동부(192)를 더 구비하는 것도 가능하다. 이러한 경우 메인구동부(192)는 연소기(130)에서 발생하는 화염으로 인하여 제1터빈(141) 및 제2터빈(142) 중 적어도 하나가 회전할 때 제1터빈(141) 및 제2터빈(142) 중 적어도 하나의 회전력이 약하거나 엔진 부분의 한계치에 도달하는 경우 엔진의 출력을 도와줄 수 있다.
한편, 상기와 같이 작동하는 가스터빈 엔진(100)은 경우에 따라서 연소기(130)에서 연소가 갑자기 종료되는 플레임아웃(Flameout)이 발생할 수 있다. 이러한 경우 제1회전축(164)은 기존의 연소가스의 이동으로 인하여 터빈(140)이 작동하므로 지속적으로 회전할 수 있다.
특히 이러한 경우 연소기(130)를 상기에서와 같이 다시 시동하여야 한다. 이를 위해서는 연료공급노즐(133)을 통하여 연료를 공급하면서 연료를 연소실(131) 내부에 공급하고 점화기(134)를 통하여 연료를 연소시키야 한다.
그러나 상기와 같은 경우 제1회전축(164)의 회전이 너무 빠름으로써 연소실(131) 내부에서 기체 및 연료의 속도가 너무 빨라지고, 이로 인하여 점화기(134)를 통하여 연소실(131) 내부에서 화염을 다시 발생시키는 것이 어려울 수 있다.
상기와 같이 플레임아웃이 발생하는 경우 제1회전축(164)의 회전속도가 초기보다 떨어질 수 있다. 뿐만 아니라 연소기(130)에서 제1터빈(141)으로 이동하는 연소가스가 압축된 기체 및 연료 등에 혼합됨으로써 온도가 하강할 수 있다. 이때, 회전센서부(162)와 온도센서부(161)는 각각 제1회전축(164)의 회전속도와 제1터빈(141)과 제2터빈(142) 사이의 유로에서의 온도를 측정할 수 있다.
상기와 같은 측정값을 기준값과 비교할 수 있다. 예를 들면, 외부에서 출력부(180)의 회전을 조정하기 위하여 신호가 입력되는 경우 제1회전축(164)의 회전속도 및 제1터빈(141)과 제2터빈(142) 사이의 유로 내부의 온도가 기 설정된 설정값을 갖도록 조정할 수 있다. 이때, 상기와 같이 조정되는 동안 제1회전축(164)의 회전속도 및 제1터빈(141)과 제2터빈(142) 사이의 유로 내부의 온도가 기 설정된 설정값에 도달하지 못하고 계속해서 떨어지는 경우 플레임아웃이 발생한 것으로 판단할 수 있다. 특히 상기와 같은 경우 측정된 제1회전축(164)의 회전속도가 기준 회전속도 이하로 내려가는지 판단할 수 있다. 또한, 측정된 제1터빈(141)과 제2터빈(142) 사이의 유로 내부의 온도가 기준 온도 이하로 내려가는지 판단할 수 있다.(S110단계 및 S130단계)
이때, 제1회전축(164)의 회전속도가 기준 회전속도를 초과하거나 제1터빈(141)과 제2터빈(142) 사이의 유로 내부의 온도(또는 제1터빈(141)에서 제2터빈(142)으로 이동하는 연소가스의 온도)가 기준 온도를 초과한 것으로 판단되면, 기존의 상태를 그대로 유지할 수 있다.(S120단계)
상기와 같이 제1회전축(164)의 회전속도 및 측정된 제1터빈(141)과 제2터빈(142) 사이의 유로 내부의 온도가 모두 기준값 이하인 것으로 판단되면, 플레임아웃으로 판단하고 가스터빈 엔진(100)이 장착한 이동체에 탑승한 사용자에게 이를 알릴 수 있다. 예를 들면, 소리, 음성, 이미지 등을 통하여 사용자에게 플레임아웃 여부에 대해서 인지시킬 수 있다.
사용자는 이동체에 배치된 별도의 입력부(미도시)를 통하여 재시동 여부를 요청할 수 있다.(S140단계) 예를 들면, 사용자가 상기 입력부를 통하여 재시동을 하지 않는 경우 제2회전축(165)의 남아 있는 회전을 사용하여 사용자는 이동체를 안전한 곳으로 이동시킬 수 있다.(S150단계)
반면, 사용자가 상기 입력부를 통하여 재시동을 시도하는 경우 사용자는 상기 입력부를 통하여 재시동 신호를 입력할 수 있다.
재시동 신호가 입력되면, 속도조절부(150)는 제1회전축(164)의 회전을 저감시킬 수 있다. 구체적으로 속도조절부(150)는 제1회전축(164)에 배치된 디스크(151)와 디스크(151)와 대향하도록 배치되거나 디스크를 감싸도록 배치된 전자기장부(152)를 통하여 전자석의 작동 시 디스크(151)에 발생하는 와전류로 제1회전축(164)의 회전을 감속시킬 수 있다.(S160단계)
상기와 같이 속도조절부(150)가 작동하는 경우 제1회전축(164)의 회전속도는 급속도로 저감될 수 있다. 이러한 경우 제1회전축(164)의 회전속도가 저감함으로써 압축기(120)의 임펠러 및 제1터빈(141)의 블레이드의 속도가 저감됨으로써 연소기(130) 내부로 유입되는 공기의 양이 저감되며, 공기의 속도도 저감될 수 있다. 이러한 경우 연소기(130) 내부에서는 재시동할 수 있는 상태가 될 수 있다.
상기와 같은 경우 속도조절부(150)는 제1회전축(164)의 회전속도를 기 설정된 재시동 회전속도가 도달할 때까지 저감시킬 수 있다. 이때, 제1회전축(164)의 회전속도가 기 설정된 재시동 회전속도에 도달하였는지 판단할 수 있다. 예를 들면, 제1회전축(164)의 회전속도가 기 설정된 재시동 회전속도 이하인지 판단할 수 있다. 이러한 경우 제1회전축(164)의 회전속도가 기 설정된 재시동 회전속도 이하인 것으로 판단되면, 재시동이 가능한 것으로 판단할 수 있다.(S170단계) 제1회전축(164)의 회전속도가 기 설정된 재시동 회전속도에 도달하면, 속도조절부(150)는 작동이 중지될 수 있다.
상기와 같은 환경이 되면, 연료공급노즐(133)을 통하여 연료를 연소기(130) 내부로 공급하고, 점화기(134)를 통하여 연소기(130) 내부에서 연소를 다시 발생시킬 수 있다. 이후 연료분사부(132)를 통하여 연료를 연소실(131) 내부로 공급하면서 가스터빈 엔진(100)을 다시 사용할 수 있다.(S180단계)
따라서 가스터빈 엔진(100)은 플레임아웃이 발생하였을 때 신속하게 재시동하는 것이 가능하다. 가스터빈 엔진(100)은 플레임아웃 시 정지함으로써 이동체의 제어가 어려워지는 것을 방지할 수 있다. 가스터빈 엔진(100)은 사용자의 제어에 따라 자유롭게 제어하는 것이 가능하다.
한편, 상기와 관련하여서 가스터빈 엔진(100)은 기재되어 있지는 않지만 상기와 같은 제어를 수행하기 위하여 별도로 제어부를 갖는 것도 가능하다. 이러한 경우 제어부는 회로기판, 별도로 구비된 단말기, 퍼스널 컴퓨터, 이동체에 구비된 제어부 등을 포함할 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
100: 가스터빈 엔진
110: 하우징
120: 압축기
130: 연소기
131: 연소실
132: 연료분사부
133: 연료공급노즐
134: 점화기
140: 터빈
150: 속도조절부
161: 온도센서부
162: 회전센서부
164: 제1회전축
165: 제2회전축
170: 연결기어부
180: 출력부
191: 기어부
192: 메인구동부

Claims (5)

  1. 압축기;
    상기 압축기와 회전축을 공유하며, 상기 압축기에서 공급된 기체와 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기;
    상기 연소기에 배치되어 상기 연소기를 시동하는 시동기; 및
    상기 연소기의 회전축에 연결되며, 상기 연소기 내부의 상태에 따라 상기 연소기의 회전축의 속도를 조절하는 속도조절부;를 포함하는 가스터빈 엔진.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소기 내부의 상태는 연소가스의 온도와 상기 회전축의 속도인 가스터빈 엔진.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 연소기에서 연소된 연소가스의 온도를 측정하는 온도측정부;를 더 포함하는 가스터빈 엔진.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 연소기의 회전축의 속도를 측정하는 속도측정부;를 더 포함하는 가스터빈 엔진.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소기의 상태가 기 설정된 상태이면 상기 속도조절부는 상기 연소기의 회전속도를 저감시키는 가스터빈 엔진.
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