KR890002660B1 - Plural gas-turbine engine system - Google Patents
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Abstract
Description
제1도는 본 발명에 따른 복합가스터어빈엔진 시스템의 전체 계통도.1 is a schematic diagram of a combined gas turbine engine system according to the present invention.
제2도는 본 발명의 제1 및 제2헬륨가스 팽창장치와 기어박스와 제1 및 제2헬륨가스 압축기와 터어빈의 구조와 연결관계를 나타낸 계통도.2 is a schematic diagram showing the connection and structure of the first and second helium gas expansion device, the gear box, the first and second helium gas compressor and the turbine of the present invention.
제3도는 본 발명이 연소장치와 제1헬륨가스 팽창장치의 상세를 나타낸 일부절단사시도.3 is a partially cut perspective view of the present invention showing the details of the combustion device and the first helium gas expansion device.
제4도는 본 발명의 원심압축기와 2단 동력터어빈의 연결관계를 나타낸 일부절단 단면도.Figure 4 is a partially cut cross-sectional view showing the connection between the centrifugal compressor and the two-stage power turbine of the present invention.
제5도는 제1도의 선 V-V에 따른 공기열교환기의 단면도이다.5 is a cross-sectional view of the air heat exchanger along the line V-V in FIG.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
100 : 연소장치 101 : 연료분사노즐100: combustion device 101: fuel injection nozzle
102 : 점화장치 109 : 배기가스파이프102: ignition device 109: exhaust gas pipe
110 : 제1헬륨가스팽창장치 111 : 팽창커버블럭110: first helium gas expansion device 111: expansion cover block
120 : 연소블럭 121 : 연소커버블럭120: combustion block 121: combustion cover block
130 : 공기열교환기 150 : 제1헬륨가스팽창장치130: air heat exchanger 150: first helium gas expansion device
155 : 헬륨가스열교환기 160 : 제1중공원통형헬륨가스 팽창탱크155: helium gas heat exchanger 160: the first hollow park cylindrical helium gas expansion tank
161 : 가열핀 162 : 가스도입관161: heating fin 162: gas introduction pipe
163 : 가스배출관 164 : 냉각파이프163: gas discharge pipe 164: cooling pipe
165 : 냉각핀 170 : 제1헬륨가스팽창파이프165: cooling fin 170: first helium gas expansion pipe
200 : 제2헬륨가스팽창장치 205 : 제2헬륨가스팽창블럭200: second helium gas expansion device 205: second helium gas expansion block
210 : 제2헬륨가스팽창탱크 220 : 제2중공원통형헬륨가스팽창탱크210: second helium gas expansion tank 220: second hollow park cylindrical helium gas expansion tank
230 : 제2헬륨가스팽창파이프 240 : 2단 동력 터어빈230: second helium gas expansion pipe 240: two-stage power turbine
242 : 동력전달축 245 : 원심압축기242: power transmission shaft 245: centrifugal compressor
250, 251 : 제1 및 제2헬륨가스터어빈250 and 251: first and second helium gas turbines
256 : 동력전달축 260 : 기어박스256: power transmission shaft 260: gearbox
261 : 중심기어 262, 263 : 회전력전달축261:
264, 265 : 터어빈동력기어 266, 267 : 전달기어264, 265:
280, 281 : 제1 및 제2헬륨가스압축기280, 281: first and second helium gas compressors
300 : 출력기어 301 : 시동모터300: output gear 301: starting motor
302 : 발전기 303 : 압축공기발생기302: generator 303: compressed air generator
304 : 압축공기구동모터 305 : 출력측304: compressed air driven motor 305: output side
308 : 전달기어 309 : 회전기어308: transmission gear 309: rotary gear
310 : 감속기어박스310: reduction gear box
본 발명은 가스터어빈 엔진의 열효율을 향상시키는 새로운 복합가스 터어빈 엔진시스템에 관한 것으로, 특히 터어빈 엔진의 연소블럭의 내측 및 외측에서 연소된 배기가스의 열에 의해 팽창된 고온고압의 헬륨가스와, 동력터어빈 날개를 고속으로 구동시킨 배기가스의 열에 의해 팽창된 고온고압의 헬륨가스로 구동되는 헬륨가스터어빈의 출력을 동력터어빈의출력에 부가하여 열효율을 증가시키며 고출력을 낼 수 있도록한 복합가스터어빈 엔진 시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a new multi-gas turbine engine system that improves the thermal efficiency of a gas turbine engine. In particular, a high-temperature, high-pressure helium gas expanded by the heat of exhaust gas burned inside and outside a combustion block of a turbine engine, and a power turbine In the multi-gas turbine engine system, the output of a helium gas turbine driven by high-temperature, high-pressure helium gas expanded by the heat of exhaust gas that drives the blade at high speed is added to the output of the power turbine to increase thermal efficiency and produce high power. It is about.
종래에의 가스터어빈 엔진은 대개 하나의 개방사이클로 구성되어 압축기에서 공기를 압축하고 압축된 공기에 연료를 분사하여 연소실에서 고온고압의 배기가스를 폭발팽창시키고, 여기에서 배출되는 배기가스에 의해 동력터어빈을 회전시켜서 동력을 얻는 것이었다. 그러나 종래 가스터어빈 엔진은 연료소모가 큰 반면에 열효율이 낮으며 저속회전에 부분부하율이 극히 나쁘고, 공기를 압축하기 위해 동력터어빈의 출력의 일부를 사용하므로 유료 출력이 저하되었다.Conventional gas turbine engines usually consist of one open cycle, compressing air in a compressor and injecting fuel into the compressed air to explode and expand the high-temperature and high-pressure exhaust gas in the combustion chamber, and the power turbine is discharged from the exhaust gas. It was to get power by rotating. However, the conventional gas turbine engine has a high fuel consumption, low thermal efficiency, extremely low partial load rate at low speed rotation, and uses a portion of the power turbine's output to compress air, thereby reducing the pay output.
또한 가스터어빈엔진의 열효율을 향상시키려면 압력비와 동력터어빈의 입구온도를 높여야하지만, 압력비와 터어빈 입구 온도를 높이면 터어빈이 너무 가열되어 터어빈의 냉각이나 금속재질 면에서의 문제점이 생긴다. 따라서 이러한 문제점을 종합적이며 근본적으로 해결하기가 어려우며, 출력의 증가도 매우 어렵다. 특히 차량을 터어빈 엔진에서는 전부하(total load) 운전시간보다 부분부하(partial load) 운전시간이 더 많으며, 부분부하시에 연료소모율을 저감하는 것이 큰 문제점이 있다.In addition, in order to improve the thermal efficiency of the gas turbine engine, the pressure ratio and the inlet temperature of the power turbine must be increased. However, if the pressure ratio and the turbine inlet temperature are increased, the turbine is too heated, causing problems in cooling or metal materials of the turbine. Therefore, it is difficult to solve these problems comprehensively and fundamentally, and the output increase is very difficult. Particularly, in a turbine engine of a vehicle, a partial load operation time is longer than a total load operation time, and there is a big problem in reducing fuel consumption rate at a partial load.
상기와 같은 문제점에 기인하여 본 발명의 목적은 연소하는 고온고압의 연소실에서 외부로 쓸모없이 손실되는 연소가스의 열에너지를 가지고 헬륨가스를 팽창시켜 쓸모없이 손실되는 열에너지를 회수하고, 또 연소된 고온고압의 배기가스로 동력터어빈 날개를 고속으로 회전시킨후 대기로 방출하기 전에 아직도 고온고압인 배기가스로 헬륨가스를 다시 팽창시켜 배기가스의 열에너지를 회수하여, 이 회수된 열에너지들로 엔진의 출력향상과 연료절약 및 열효율향상을 기하는 것이며, 또한 배기가스의 열로 흡입공기를 고온으로 예열하고, 이 고온의 흡입공기를 동력터어빈과 동축으로 연결된 원심압축기에 의해 고압으로 만들어 연소실로 보내는 것으로서, 연료분사노즐과 점화장치와 연소블럭 및 연소커버블럭들로 구성된 연소장치와, 연소장치를 감싸듯이 장착되는 제1헬륨가스 팽창파이프와 제1중공 원통형 헬륨가스 팽창탱크와 제1헬륨가스 팽창블럭 및 팽창커버 블록들로 구성된 제1헬륨가스팽창장치와, 연속블럭내의 연소실에서 연소된 배기가스로 구동되는 2단 동력터어빈과, 2단 동력터어빈과 동축상에서 연결된 원심압축기와, 2단 동력터어빈을 구동시킨 후의 배기가스로 헬륨가스를 팽창시키게 하는 제2헬륨가스 팽창장치와, 제1헬륨가스 팽창장치에서 고온고압으로 팽창된 헬륨가스에 의해 고속으로 구동되는 제1헬륨가스터어빈과, 제1헬륨가스터어빈과 동축상에 있으며 열교환되어 냉각된 헬륨가스를 압축하여 제1헬륨가스팽창장치로 보내는 제1헬륨가스압축기와, 제2헬륨가스팽창장치에서 고온고압으로 팽창된 헬륨가스로 구동되는 제2헬륨가스터어빈과, 제2헬륨가스터어빈과 동축상에 있으며 열교환되어 냉각된 헬륨가스를 압축하여 제2헬륨가스팽창장치로 보내는 제2헬륨가스압축기 등으로 이루어진 복합가스 터어빈엔진 시스템을 제공하는 것이다.Due to the above problems, an object of the present invention is to recover the useless heat energy lost by expanding the helium gas with the heat energy of the combustion gas lost to the outside in the high temperature and high pressure combustion chamber to burn, and burned high temperature and high pressure After rotating the power turbine blades at high speed with exhaust gas, the helium gas is expanded again with high temperature and high pressure exhaust gas to recover the heat energy of exhaust gas before it is released into the atmosphere. It is to save fuel and improve thermal efficiency, and to preheat the intake air to high temperature by the heat of exhaust gas, and to make the high-temperature intake air to high pressure by centrifugal compressor connected coaxially with the power turbine and send it to the combustion chamber. And a combustion device composed of an ignition device, a combustion block and a combustion cover block. A first helium gas expansion device comprising a first helium gas expansion pipe, a first hollow cylindrical helium gas expansion tank, a first helium gas expansion block, and an expansion cover block that are enclosed as a wrap, and exhaust gas burned in a combustion chamber in a continuous block; A second stage turbine and a centrifugal compressor coaxially connected to the second stage turbine, a second helium gas expansion device for expanding the helium gas with the exhaust gas after driving the second stage power turbine, and the first helium gas. The first helium gas turbine, which is driven at a high speed by the helium gas expanded at a high temperature and high pressure in the expansion device, is coaxial with the first helium gas turbine and heat-exchanged and cooled to send the first helium gas expansion device to the first helium gas expansion device. Coaxial with a first helium gas compressor, a second helium gas turbine driven by helium gas expanded at high temperature and high pressure in a second helium gas expansion device, and a second helium gas turbine On and to provide a composite gas turbine engine system of the second helium gas compressor, such as sending to the second helium gas expansion device by compressing the cooled helium gas is a heat exchanger.
본 발명의 특징은 연소블럭의 내측 및 외측에 제1헬륨가스 팽창장치를 설치하여 연소실에서 연소된 배기가스의 열에너지중 연소블럭을 통해 대기중으로 방출되는 열에너지를 회수하게하며, 동시에 2단 동력터어빈 날개를 회전시킨후 배기가스를 대기중으로 배출하기전에 다시 제2헬륨가스 팽창장치에서 배기가스의 열에너지를 회수하여 엔진의 출력을 향상시키는 것이다.A feature of the present invention is to install the first helium gas expansion device on the inside and outside of the combustion block to recover the heat energy released into the atmosphere through the combustion block of the heat energy of the exhaust gas burned in the combustion chamber, at the same time two-stage power turbine wing After the rotation of the exhaust gas before the exhaust gas is discharged into the atmosphere, the second helium gas expansion device recovers the thermal energy of the exhaust gas to improve the output of the engine.
본 발명의 다른 특징은 제1 및 제2헬륨가스 팽창장치에서 헬륨가스를 통하여 회수된 열에너지로 제1 및 제2헬륨가스 터어빈을 구동하며, 이 터어빈의 고속회전력을 엔진의 동력전달축에 전달하는 동시에 제1 및 제2헬륨가스터어빈과 동축상에 있는 제1 및 제2헬륨가스 압축기에서 제1 및 제2헬륨가스 터어빈을 회전시킨 헬륨가스를 압축하여 다시 제1 및 제2헬륨가스팽창장치로 보내는 것이다.Another feature of the present invention is to drive the first and second helium gas turbines with the heat energy recovered through the helium gas in the first and second helium gas expansion device, and transmits the high-speed rotational power of the turbine to the power transmission shaft of the engine At the same time, the first and second helium gas compressors, which are coaxial with the first and second helium gas turbines, compress the helium gas rotated by the first and second helium gas turbines and then return to the first and second helium gas expansion devices. To send.
본 발명의 또 다른 특징은 본 발명이 하나의 개방사이클과 두개의 밀폐순환사이클로 이루어진 것이다. 다시 말하면 본 발명은 공기열교환기를 통해 새로운 흡입공기를 고온으로 만들어서 원심압축기로 보내고, 압축기에서 고압으로 압축하여 연소장치의 연소실로 보내며, 고온고압으로 폭발팽창된 배기가스로 2단 동력터이빈을 회전시킨후에 공기열교환기의 배기가스 파아프를 통해 대기중으로 배출하는 하나의 개방사이클과 : 연소장치의 연소실에서 공기와 연료가 혼합하여 고온고압으로 팽창되어 제1헬륨가스터어빈의 터어빈날개를 고속으로 회전시킨후에 헬륨가스열교환기에서 냉각되며, 냉각된 헬륨가스가 제1헬륨가스 압축기에서 압축되어 다시 제1헬륨가스팽창장치로 보내지는 제1헬륨가스밀폐순환사이클과 : 연소장치의 연소실에서 고온고압으로 폭발 팽창된 배기가스가 2단 동력터어빈을 고속으로 회전시키고 대기중으로 방출되기전의 배기가스의 열에너지로 인해 제2헬륨가스팽창장치내의 헬륨가스가 고온고압으로 팽창되어 제2헬륨가스 터어빈의 터어빈날개를 고속으로 회전시킨 후에 헬륨가스 열교환기에서 냉각되며, 냉각된 헬륨가스가 제2헬륨가스압축기에서 압축되어 다시 제2헬륨가스 팽창장치로 보내지는 제2헬륨가스 밀폐순환사이클로 구성되어 있다.Another feature of the invention is that the invention consists of one open cycle and two closed cycles. In other words, the present invention makes a new intake air at a high temperature through an air heat exchanger and sends it to a centrifugal compressor, compresses it at a high pressure from a compressor and sends it to a combustion chamber of a combustion device, and rotates a two-stage power turbine with explosive expansion gas at high temperature and high pressure. One open cycle, which is discharged to the atmosphere through exhaust gas pape of air heat exchanger, is mixed with air and fuel in the combustion chamber of the combustion device and expanded at high temperature and high pressure to rotate the turbine blade of the first helium gas turbine at high speed. The first helium gas closed-circulation cycle, which is later cooled in a helium gas heat exchanger, and the cooled helium gas is compressed in the first helium gas compressor and sent back to the first helium gas expansion device: explodes at high temperature and high pressure in the combustion chamber of the combustion device. Exhaust before the expanded exhaust gas rotates the two-stage power turbine at high speed and is released into the atmosphere Due to the heat energy of the gas, the helium gas in the second helium gas expansion device expands at high temperature and high pressure, rotates the turbine blade of the second helium gas turbine at high speed, and then cools in the helium gas heat exchanger. The cooled helium gas is cooled in the second helium. Composed of a second helium gas closed circulation cycle is compressed in the gas compressor and sent back to the second helium gas expansion device.
본 발명의 장점은 동력터어빈의 출력과 헬륨가스로 회전되는 헬륨가스터어빈의 출력을 가지고 차량이나 소형선박을 구동하고, 여유출력은 발전기나 압축공기발생기를 통해서 이를 저장가능하게 하여 시동시와 재가동시 및 고출력의 필요시에 사용할 수 있게 하며, 특히 차량용 터어빈 원동기에서는 전부하운전시간보다 부분부하운전시간이 많으므로 열효율을 최대한으로 향상시키므로서 부분부하 특성이 우수한 엔진을 제공하는 것이다.An advantage of the present invention is to drive a vehicle or a small ship with the output of the power turbine and the output of helium gas turbine rotated with helium gas, the marginal output can be stored through the generator or compressed air generator to start and restart And it can be used when the need of high power, and in particular, in the turbine turbine prime mover for the vehicle has more partial load operation time than full load operation time to provide an engine with excellent partial load characteristics while improving the thermal efficiency to the maximum.
본 발명의 기타 목적, 특징 및 장점은 이하의 설명으로 명백할 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following description.
제1도는 본 발명에 따른 복합가스터어빈 엔진시스템의 전체계통도를 나타낸 것이다. 본 발명의 복합가스터어빈 엔진시스템은 연소장치(100), 제1헬륨가스 팽창장치(150), 원심압축기(245) 및 2단 동력터어빈(240), 제2헬륨가스팽창장치(200), 제1 및 제2헬륨가스터어빈(250), (251), 기어박스(260), 제1 및 제2헬륨가스 압축기(280), (281), 감속기어박스(310)등으로 이루어진다.1 shows the overall system diagram of the combined gas turbine engine system according to the present invention. The composite gas turbine engine system of the present invention includes a combustion device 100, a first helium
제1도 및 제3도에 도시된 바와같이 제1헬륨가스 팽창장치(150)내에 연소장치(100)가 형성되어 있고, 연소장치(100)에는 공기와 연료가 혼합되어 연소되는 연소블럭(120)과, 연소블럭(120)의 상부를 덮으며 연료를 분사하는 연료분사노즐(101)을 중심에 갖고 있는 지지부(103)가 돌출된 연소커버블럭(121)이 구성되어 있다. 연소블럭(120)에는 압축된 새로운 흡입공기를 연소실(105)내로 흡입하기 위한 다수의 공기 흡입구멍(104)이 연소블럭(120)의 상부에서 하부에 이르기까지 골고루 뚫려있어 완전연소를 할 수 있게 한다.As shown in FIGS. 1 and 3, a combustion device 100 is formed in the first helium
제1헬륨가스 팽창장치(150)에는 연소블럭(120)어느 정도의 간격을 두고 연소블럭을 감싸듯이 장착된 제1헬륨가스 팽창블럭(110)과, 제1헬륨가스 팽창블럭의 상부를 밀봉하여 덮는 팽창커버블럭(111)과, 연소블럭(120)과 제1헬륨가스팽창블럭(110)사이의 공간에서 헬륨가스를 팽창시키는 제1중공원통형 헬륨가스팽창탱크(160)와, 연소블럭(120)과 제1중공원통형 헬륨가스팽창탱크(160)사이의 공간을 지나 연소블럭(120)의 하부에서 연소실(105)로 들어가고 다시 상부로 올라와서 연소커버블럭(121)과 팽창커버블럭(111)을 통과하여 나오면서 헬륨가스를 팽창시키는 제1헬륨가스 팽창파이프(170)가 구성되어 있다. 연료분사노즐(101)은 팽창커버블럭(11)의 중심구멍과 연소커버블럭(121)의 상부중심에 있는 지지부(103)의 중심구멍을 통하여 삽입되어 있고 연소실(105)내부로 연료를 분사할 수 있도록 되어 있다.The first helium
연소커버블럭(121)의 상부중앙에 형성된 지지부(103)는 팽창커버블럭(111)의 하부중앙에 형성된 요부에 정확히 삽입되어 엔진의 가동시에나 운전중에 흔들림과 진동에 견디도록 되어 있고, 연료분사노즐(101)을 안전하게 지지한다. 공기흡입구멍(104)은 연소블럭(120)에 많이 뚫려 있지만, 연소커버블럭(121)의 지지부(103) 둘레에도 뚫려있어 연료와 공기의 혼합가스가 연소실(105)의 상부로부터 하부까지 연소하면서 팽창한다. 또한 연소블럭(120)과 제1헬륨가스팽창블럭(110)의 상부를 통하여 삽입된 점화장치(102)는 연소실(105)내의 혼합가스를 한번 점화하여 혼합가스가 계속 폭발팽창하게 한다. 제3도에 도시된 바와같이 제1중공 원통형 헬륨가스 팽창탱크를 지나는 헬륨가스는 두개의 가스도입관(162)을 통하여 제1중공원통형 헬륨가스팽창탱크(160)의 하부로 도입되며 팽창탱크(160)내에서 고온으로 팽창된 헬륨가스는 두개의 가스 도입관(162)과 직각으로 팽창탱크의 상부에 있는 두개의 가스배출관(163)을 통하여 나오도록 되어 있다. 또한 제1중공원통형 헬륨가스 팽창탱크(160)의 내측에는 축방향으로 돌출된 다수의 가열핀(161)이 형성되어있으며, 연소실(105)에서 외부로 방출되는 열에너지를 최대한으로 흡수하도록 되어 있다.The
이와같이 폭발팽창된 배기가스는 배기가스로(107)을 거쳐 2단 동력터어빈(240)의 2단 동력터어빈 날개(241)를 고속으로 회전시킨다. 이 2단 동력터어빈(240)은 동력전달축(242)상에 장착되며, 연소실(105)로 새로운 힙입공기를 공급하는 원심압축기(245)도 동력전달축(242)상에 장착되어 있으므로 2단 동력터어빈(240)과 원심압축기(245)는 같은 회전수로 회전한다.In this way, the explosion-expanded exhaust gas rotates the two-stage
2단 동력터어빈(240)의 하류에는 제2헬륨가스 팽창장치(200)가 설치되어 있다. 제2헬륨가스 팽창장치(200)는 제2헬륨가스팽창블럭(205)과, 제2헬륨가스팽창블럭(205)내의 중심에 위치한 제2헬륨가스팽창탱크(210)와, 제2헬륨가스 팽창블럭(205)과 약간의 간격을 두고 위치한 제2중공원통형 헬륨가스 팽창탱크(200)와 제2헤ㄹ륨가스팽창블럭(205)과 제2중공원통형 헬륨가스팽창탱크(220)사이의 공간을 지나 제2중공원통형 헬륨가스 팽창탱크(220)의 내측에서 축방향으로돌출된 가열핀(223)사이를 통하여 나오는 제2헬륨가스팽창파이프(230)로 구성되어 있다.A second helium
제1도 및 제3도에 도시된 바와같이 제1헬륨가스 팽창블럭(205)내의 중심에 위치한 제2헬륨가스 팽창탱크(210)에서 팽창되는 헬륨가스는 팽창탱크(210)의 하류끝에서 가스도입관(211)을 통하여 팽창탱크(210)에 근접하여 오면서 어느정도 팽창되고, 팽창탱크(210)의 상류끝에서 팽창탱크(210)내로 들어간다. 팽창탱크(210)는 외측원주면에 방사상로 다수의 가열핀(213)을 구비하여 배기가스의 열에너지를 최대한으로 흡수하고 헬륨가스에 열을 전달하여 팽창시킨후 가스 배출관(212)을 통하여 배출된다.As shown in FIGS. 1 and 3, helium gas expanded in the second helium gas expansion tank 210 located in the center of the first helium
또한 제2헬륨가스 팽창블럭(205)의 내측에 있는 제2중공원통형 헬륨가스팽창탱크(220)는 축방향으로 돌출되어 배기가스의 열에너지를 흡수하는 다수의 가열핀(223)을 갖고 있다. 따라서 제2중공 원통형 헬륨가스팽창탱크(220)내의 헬륨가스는 두개의 가스도입관(221)을 통해 도입되며, 팽창탱크(220)내에서 팽창된후 두개의 가스도입관(221)과 직각방향으로 장착된 두개의 가스배출관(222)을 통해 배출된다.In addition, the second helium
그리고 제2헬륨가스팽창블럭(205)과 제2중공원통형 헬륨가스팽창탱크(220)사이를 통해 하류측에서 상류측으로 도입된 제2헬륨가스 팽창파이프(230)는 팽창탱크(220)의 내측에 있는 가열핀(223)사이를 지나 하류측으로 지나면서 팽창파이프(230) 내의 헬륨가스를 팽창시킨다.The second helium
이와같이 제2헬륨가스 팽창장치(200)에 열에너지를 전달한 배기가스는 아직도 어느정도의 압력과 온도를 갖고 있어 배기가스로(108)를 지나 공기열교환기(130)에서 열교환된 뒤에 대기중으로 방출된다. 제1도 및 제5도에 도시된 바와같이 공기열교환기(130)는 공기열교환기블럭(133)과, 이 블록내에 길이방향(축방향)으로 설치된 다수의 배기가스파이프(109)와, 이 파이프에 배기가스를 도입하고 배출하는 배기가스입구(112) 및 배기가스출구(113)와, 원심압축기(245)로 보낼 새로운 흡입공기를 도입하고 배출하는 공기도입구(131) 및 공기배출구(132)로 구성되어 있다. 이 배기가스파이프(109)의 단면적은 배기가스로(108)를 통해서 나오는 배기가스가 큰 저항없이 배출될 정도로 크다.As described above, the exhaust gas that delivers thermal energy to the second helium
제1도 및 제4도에 도시된 바와같이 공기열교환기(130)에서 열교환되어 고온으로 된 새로운 흡입공기를 압축하는 원심압축기(245)는 압축기날개(246)와 압축기입구(247) 및 압축공기로(106) 등으로 구성되어 있다. 더우기 동력전달축(242)에는 원심압축기(245)와 2단 동력터어빈(240)이 장착되어 있어 같은 회전수로 회전하도록 되어 있으므로 원심압축기는 연소장치(100)내의 연소실(105)로 충분한 흡입공기를 공급하게 된다.As shown in FIG. 1 and FIG. 4, the
제1도 및 제2도에 도시된 바와같이 동력전달축(242)과 일체로 결합된 동력전달축(256)에는 기어박스(260)을 통해 제1 및 제2헬륨가스터어빈(250), (251)과 제1 및 제2헬륨가스압축기(280), (281)들이 장착되어 있다. 기어박스(260)내의 동력전달축(256)의 원주둘레에는 중심기어(261)가 장착되어 있으며 전달기어(266), (267)를 경유하여 터어빈동력기어(264), (265)와 연결된다. 터어빈동력기어(264), (265)가 장착된 회전력전달축(262), (263)의 양단에는 각각 제1헬륨가스터어빈(250) 및 압축기(280)와 제2헬륨가스터어빈(251) 및 압축기(281)와 가 설치되어 있으므로 동일한 회전수로 회전되도록 되어 있다. 한편 전달기어(266)가 장착된 축에 시동모터(301)의 회전축이 접속될 수 있도록 되어 있어서 시동시에는 시동모터의 회전축과 전달기어(266)의 중심축이 접속되고, 시동된 후에는 시동모터(301)의 회전축과 전달기어(266)의 중심축이 서로 분리된다.As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the
동력전달축(256)의 한단은 동력전달축(242)과 연결되며, 동력전달축(256)의 다른 한단에는 압축공기 구동모터(304)와 감속기어박스(310)가 장착되며 감속기어박스를 거쳐서 출력축(305)과 압축공기발생기(303) 및 발전기(302)등이 장착되어 있다. 동력전달축(256)에 작용되는 헬륨가스터어빈의 회전력과 2단 동력터어빈의 회전력은 감속기어 박스(310)에서 감속되어 출력축(305)으로 출력되도록 되어 있다. 출력축(305)의 출력기어(300)는 전달기어(308)를 통하여 회전기어(309)에 연결되어 있으며, 회전기어(309)가 장착되어 회전축의 양단에는 압축공기발생기(303)와 발전기(302)가 설치되어 있다. 따라서 출력기어(300)의 회전에 따라 회전기어(309)가 회전하게 되어 회전기어(309)의 한측단에 있는 발전기(302)는 전력을 생성하여 비축하도록 되어 있고, 다른 축단에 있는 압축공기발생기(303)는 압축공기를 만들도록 되어 있다. 압축공기발생기(303)에서 만들어진 압축공기는 압축공기 탱크(306) 및 압축공기보조탱크(307)에 계속 저장되며, 제가동시에나 고출력의 필요시에 저장된 압축공기로 동력전달축(256)의 한단에 설치된 압축공기구동모터(304)를 구동하도록 되어 있다.One end of the
지금까지 연소장치(100), 제1헬륨가스팽창장치(150), 원심압축기(245) 및 2단 동력터어빈(240), 제2헬륨가스팽창장치(200), 공기열교환기(130)등으로 형성되는 개방사이클의 구조와 구성 및 작용등에 대하여 설명하였다.The combustion device 100, the first helium
이하에서는 제1헬륨가스팽창장치(150), 제2헬륨가스팽창장치(200), 제1 및 제2헬륨가스터어빈(250), (251), 제1 및 제2헬륨가스압축기(280), (281), 헬륨가스열교환기(155)등으로 형성되는 두개의 밀폐순환사이클의 구조와 구성 및 작용등에 대하여 설명한다.Hereinafter, the first helium
하나의 밀폐순환사이클, 즉 제1헬륨가스 밀폐순환사이클은 제1헬륨가스 팽창장치(150), 제1헬륨가스터어빈(250), 제1 및 제2헬륨가스압축기(280), 분류기(251), 합류기(152), 헬륨가스탱크(153), 헬륨가스보조탱크(154)등으로 이루어지고, 제2헬륨가스 밀폐순환사이클은 제2헬륨가스 팽창장치(200), 제2헬륨가스터어빈(251), 제2헬륨가스(281), 분류기(201), 합류기(202), 헬륨가스탱크(203), 헬륨가스보조탱크(204)등으로 이루어진다. 또한 헬륨가스열교환기(155)는 제1 및 제2헬륨가스 밀폐순환사이클을 지나는 헬륨가스를 냉각시키며, 헬륨가스를 냉각시키는 헬륨가스열교환기(155)내의 냉각수는 라디에이터(315)에서 전기모터(316)와 냉각팬(317)으로 냉각되며, 물펌프(318)로 강제공급된다.One hermetic circulation cycle, that is, the first helium gas hermetic circulation cycle, includes the first helium
제1도 및 제2도에 도시된 바와같이 우선 제1헬륨가스 밀폐순환사이클에 있어서, 연소장치(100)의 연소실(105)에서 공기와 연교의 혼합가스가 폭발팽창할 때 배기가스의 열에너지중 연소블럭(120)을 통하여 주위로 방출되는 배기가스의 열에너지는 제1헬륨가스팽창장치(150)의 제1중공원통형 헬륨가스팽창탱크(160)와 제1헬륨가스팽창파이프(170)내에 있는 헬륨가스를 고압으로 팽창시킨다. 이와같이 고압으로 팽창된 헬륨가스는 합류기(152)에서 모아져서 제1헬륨가스 터어빈(250)의 헬륨가스 입구(252)로 보내진다. 헬륨가스입구(252)를 통해 들어온 헬륨가스는 2단으로 된 터어빈날개를 고속으로 회전시킨후 헬륨가스출구(254)를 통해 헬륨가스열교환기(155)의 가스도입구(158)로 보내진다. 헬륨가스열교환기(155)의 냉각핀(165)에 의해 냉각되어 가스배출구(159)를 통해나온 헬륨가스는 제1헬륨가스터어빈(250)과 동축상에 설치된 제1헬륨가스압축기(280)의 헬륨가스입구(282)로 보내진다. 제1헬륨가스압축기(280)에서 저온고압으로 압축되어 헬륨가스출구(284)를 통해 나온 헬륨가스는 분류기(151)에 의해 제1헬륨가스팽창장치(150)의 제1중공원통형헬륨가스 팽창탱크(160)와 제1헬륨가스팽창파이프(170)로 보내진다. 이와같이 순환하면서 자연손실되는 헬륨가스가 헬륨가스탱크(153) 및 헬륨가스보조탱크(154)에서 보충되어 제1헬륨가스 밀폐순환사이클내의 헬륨가스는 어느 일정압력으로 항상 유지된다.As shown in FIG. 1 and FIG. 2, first, in the first helium gas closed-circulation cycle, when the mixed gas of air and bridge is exploded and expanded in the
제2헬륨가스 밀폐순환사이클에 있어서, 연소장치(100)의 연소실(105)에서 공기와 연료의 혼합가스가 폭발팽창되어 고온고압의 배기가스로 되며, 이 배기가스는 2단 동력터어빈(240)을 고속으로 구동시킨후 제2헬륨가스팽창장치(200)로 보내진다. 제2헬륨가스팽창장치(200)의 제2헬륨가스 팽창탱크(210)와 제2중공원통형 헬륨가스 팽창탱크(220)와 제2헬륨가스 팽창파이프(230)내에 있는 헬륨가스는 배기가스의 열에 의해 고압으로 팽창된다. 제2헬륨가스 팽창장치(200)에서 고압으로 팽창된 헬륨가스는 합류기(202)에서 모아져 제2헬륨가스터어빈(251)의 헬륨가스입구(253)로 보내진다. 헬륨가스입구(253)를 통해 들어온 헬륨가스는 2단으로 된 터어빈날개를 고속으로 구동시킨후 헬륨가스출구(255)를 통해 헬륨가스 열교환기(155)의 가스도입구(158)로 보낸다. 헬륨가스열교환기(155)의 가스배출구(158)를 통해 도입된 헬륨가스는 다수의 냉각핀(165)에 의해 냉각된 다음 가스배출구(159)를 통해 배출되어 제2헬륨가스터어빈(251)과 동축상에 설치된 제2헬륨가스압축기(281)의 헬륨가스입구(283)로 보내진다. 제2헬륨가스압축기(281)에서 저온고압으로 압축되어 헬륨가스출구(285)를 통해 나온 헬륨가스는 분류기(201)에 의해 제2헬륨가스 팽창장치(200)의 제2헬륨가스 팽창탱크(210)와 제2중공원통형 헬륨가스 팽창탱크(220)와 제2헬륨가스 팽창파이프(230)로 보내진다. 이와같이 순환하면서 자연손실되는 헬륨가스가 헬륨가스탱크(203) 및 헬륨가스보조탱크(204)에서 보충되어 제2헬륨가스 밀폐순환사이클내의 헬륨가스는 어느 일정압력으로 항상 유지된다.In the second helium gas closed circulation cycle, the mixed gas of air and fuel is exploded and expanded into a high temperature and high pressure exhaust gas in the
한편 제1 및 제2헬륨가스 밀폐순환사이클내의 헬륨가스를 냉각시키는 헬륨가스열교환기(155)는 냉각시키기 위해 헬륨가스를 도입하는 두 개의 헬륨가스도입구(158)와 냉각시킨 헬륨가스를 배출하는 두 개의 헬륨가스 배출구(1759)와, 헬륨가스도입구(158)를 통해 도입된 헬륨가스를 냉각시키는 냉각파이프(164)와 냉각파이프의 원주둘레에서 냉각파이프의 길이방향과 직각으로 장착된 다수의 냉각핀(165)과, 냉각수를 도입하고 배출하는 물유입구(156) 및 물유출구(157)등으로 형성되어 있다. 냉각된 냉각수를 헬륨가스열교환기(155)에 공급하는 장치들은 라디에이터(315), 전기모터(316), 냉각팬(317) 및 물펌프(318)들이며, 이 장치들에 의해서 냉각된 냉각수는 물유입구(156)를 통해 헬륨가스열교환기(155)내로 유입되어 냉각핀(165)을 냉각시키고 물유출구(157)를 통해 라디에이터(315)로 되돌아가도록 되어 있다.Meanwhile, the helium gas heat exchanger 155 for cooling the helium gas in the first and second helium gas closed circulation cycles discharges the two
이상 설명한 바와같은 본 발명의 구조와 구성 및 작용을 갖는 복합가스터어빈 엔진시스템의 작동에 대해 이하에서 설명한다.The operation of the combined gas turbine engine system having the structure, construction, and operation of the present invention as described above will be described below.
우선 시동시에는 시동모터(301)에 전원을 공급하여 시동모터(301)를 구동시킨다. 시동모터에 접속된 기어박스(260)의 전달기어(266)를 경유하여 시동모터(301)의 회전력이 중심기어(261)의 동력전달축(256)에 전달되며, 동력전달축(256)과 이 축에 일체로 결합된 동력전달축(242)은 함께 회전한다. 따라서 동력전달축(242)상에 장착된 2단 동력터어빈(240)과 원심압축기(245)가 회전하여 연소장치(100)의 연소실(105)내로 압축공기가 공급되며 동시에 연료분사노즐(101)이 연료를 분사하기 시작한다. 이때 점화장치(102)에서 연료와 공기의 혼합가스를 점화시키고, 이 점화에 의해 고온고압의 배기가스는 2단 동력터어빈(240)의 2단 동력 터어빈 날개(241)를 회전시킨후 제2헬륨가스 팽창장치(200)를 지나간다.First, at start-up, power is supplied to the
이와같은 초기시동상태에서 시동모터(301)에 의해 제1 및 제2헬륨가스 터어빈(250), (251)과 제1 및 제2헬륨가스압축기(280), (281)가 계속회전된다. 엔진이 시동된후 10내지 15초내에 연소장치(100)의 연소블럭(120)의 내측 및 외측에 있는 제1헬륨가스팽창장치(150)는 정상적으로 헬륨가스를 팽창시킨다.In this initial starting state, the first and second
이와같이 헬륨가스가 정상적으로 팽창하여 순환하며 제1헬륨가스터어빈(250) 및 압축기(280)도 계속회전하여 동력전달축(242), (256)은 고속으로 회전하게 된다. 또한 연소실에서 발생하는 고온고압의 배기가스는 2단 동력터어빈날개(241)를 고속으로 회전시킨 후 제2헬륨가스 팽창장치(200)에 배기가스의 열에너지를 충분히 전달하고 공기열교환기(130)를 지나 대기중으로 배출된다. 따라서 제2헬륨가스 팽창장치(200)내의 헬륨가스가 팽창하여 순환하며, 제2헬륨가스 터어빈(251) 및 압축기(281)도 계속회전하여 동력전달축(242), (256)은 더욱 고속으로 회전하게 된다.In this manner, the helium gas expands and circulates normally, and the first
이상과 같이 본 발명의 복합가스 터어빈 엔진시스템이 정상작동되면 시동모터(301)와 전달기어(266)의 접속은 분리되며 시동모터에 전원공급을 차단한다. 공기 및 연료의 혼합가스를 점화시켜 고온고압으로 폭발팽창된 배기가스가 2단 동력터어빈 날개를 회전시키며 동시에 제1 및 제2헬륨가스팽창장치에 배기가스의 열에너지를 전달한 후에 공기열교환기를 지나 대기중으로 방출되는 하나의 개방사이클과 제1 및 제2헬륨가스 팽창장치내에서 팽창된 헬륨가스가 제1 및 제2헬륨가스압축기와 터어빈을 지나는 두 개의 헬륨가스 밀폐순환사이클은 정상작동되며, 동력전달축(256)과 감속기어박스(310)를 통해서 나오는 출력은 출력축(305)으로 나온다. 또 출력기어(300)에 전달기어(308)를 통해 연결된 회전기어(309)의 양단에 있는 압축공기 발생기(303)와 발전기(302)는 압축공기와 전기를 만들어 저장하며, 압축공기 발생기는 압축공기 구동모터를 구동하여 동력전달축(256)에 회전력을 부가하고 발전기는 시동시에 시동모터에 전원을 공급한다.As described above, when the multi-gas turbine engine system of the present invention operates normally, the connection between the starting
이상과 같이 상술한 본 발명의 복합가스터어빈 엔진시스템은 개방사이클인 가스터어빈엔진에 밀폐순환사이클인 헬륨가스 팽장장치와 터어빈 및 압축기를 설치하여 동력터어빈의 회전력을 높이며 열효율을 극대화시키고, 부분부하시에 엔진의 출력저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.As described above, the composite gas turbine engine system of the present invention installs a closed circulation cycle helium gas expansion device, a turbine, and a compressor in an open cycle gas turbine engine to increase the rotational force of the power turbine, maximize thermal efficiency, and partially load This has the effect of preventing the engine from falling.
더욱이 부분부하시에는 압축공기발생기에서 만들어진 압축공기로 압축공기 구동모터를 구동하여 동력전달축에 회전력을 부가하도록 하였으므로 출력감소를 최대로 억제할 수 있고 동력터어빈의 회전력을 계속 유지할 수 있다.In addition, under partial load, the compressed air made by the compressed air generator is used to drive the compressed air drive motor to add rotational force to the power transmission shaft, thereby reducing the maximum power reduction and maintaining the rotational force of the power turbine.
이 엔진시스템은 무부하운전이나 저속운전중에도 압력이 180 내지 200㎏/㎠ 정도인 헬륨가스의 헬륨가스 밀폐사이클에 의해 큰 회전력이 계속 유지되며 여유있는 출력은 발전기나 압축공기로 저장하였다가 큰 부하의 필요시에나 재운전시 사용할 수 있다. 또 헬륨가스는 마찰손실이 적으며 작동압력이 매우 높고, 밀도가 크므로 밀폐사이클의 엔진크기가 작아도 큰 출력을 낼 수 있다.This engine system maintains a large rotational force by a helium gas sealed cycle of helium gas with a pressure of 180 to 200㎏ / ㎠ during no load operation or low speed operation. It can be used when needed or when restarting. In addition, helium gas has a low friction loss, a high operating pressure, and a high density, so that a large output can be produced even if the engine size of the closed cycle is small.
본 발명읜 복합가스터어빈 엔진시스템의 엔진은 토오크 변동이 작고 진동이 적으며 고속운전이 가능하고 큰 회전력을 얻을 수 있다.The engine of the present invention-combined gas turbine engine system has a small torque variation, low vibration, high speed operation, and large torque.
이상 설명한 바와같이 본 발명은 발명의 상세한 설명과 첨부도면을 참고로 하여 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 여러 가지 변형과 변경이 이루어질 수 있다는 것이 명백하다.As described above, it will be apparent that the present invention can be variously modified and changed without departing from the spirit of the present invention with reference to the detailed description and the accompanying drawings.
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