KR890007809Y1 - 동력 발생장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

동력 발생장치

제1도는 본 고안의 외형도.

제2도는 본 고안의 횡단면도.

제3도는 본 고안의 로우터의 외형도.

제4도는 제3도의 정면 및 측면도.

제5도는 제4도의 A-A선 단면도.

제6도는 제4도의 B-B선 계단 단면도.

제7도는 제4도의 C-C선 계단 단면도.

제8도는 제4도의 D-D선 계단 단면도.

제9도는 제4도의 E-E선 계단 단면도.

제10도는 본 고안의 동력발생 과정에 대한 작업유체의 흐름도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 가스공급로우터 2 : 동력 로우터

5, 6 : 허브 7 : 가스입구

8, 8' : 가스통로 9 : 배기구

20 : 가스운반 포켓 21 : 팽창포켓

44 : 가스공급실 55 : 팽창실

본 고안은 고압의 압축 가스로 부터 동력을 발생시키는 동력발생장치에 관한 것이다.

본 고안의 목적은 가스터빈과 같이 고속운전이 가능하고 피스톤 왕복 엔진과 같이 열효율이 좋고, 또한 배기소음이 없고 소형으로 고출력이 가능한 이상적인 동력변환장치를 공급함에 있다.

피스톤 왕복엔진은 작업유체의 온도/압력이 고온/고압이기 때문에 그 열효율이 상당히 높다. 그러나, 피스톤엔진은 그 구조상 개선할 길이 없는 단점들, 즉, 무겁고, 진동이 심하며, 에너지 배기손실과 배기소음을 유발하는 단점들을 지니고 있다.

판현. 가스터빈은 그 작업유체의 온도/압력이 낮아 비록 그 열효율이 낮지만 반면에 가볍고, 진동이 없고, 동력이 연속적으로 발생하며, 또 고출력을 내는 장점을 가지고 있다.

만약, 가스터빈과 예를들어, 디젤엔진이 모두 같은 압축비로 작동한다면 가스터빈의 열효율은 디젤엔진의 그것보다 더 높을 것이다.

그러나, 가스터빈은 고온의 작업유체와 접촉하는 모든 요소들을 냉각하는 것이 용이하지 아니하여 디젤엔진과 같은 정도의 고압축비에서는 작동할수 없다.

내연기관에서는 압축비가 높으면 높을수록 작업유체의 온도도 높아지고 또, 열효율도 높아진다.

그리고 엔진은 고속으로 작동할수록 그만큼 더 고출력을 낸다. 따라서 엔진은 높은 열효율로 고출력을 내기 위하여서는 고압축비로 또 고속으로 작동하여야 한다.

그런데, 압축비가 높으면 작업유체의 온도도 높다.

따라서, 고온의 작업유체와 접촉하게 되는 모든 요소들은 그들이 과열되지 아니하도록 또, 그들의 미끄럼면(예를들면, 시린더 벽면)에 유막이 유지되도록 적절히 냉각되어야 한다.

그리고 엔진이 고속으로 운전되기 위해서는 모든 로우터들은 고속회전이 가능하도록 그 회전축에 대한 관성 모멘트의 균형이 잡혀 있어야 한다.

압력이 있는 가스가 시린더 내에서 피스톤의 후진에 의하여 팽창할 때는 동력이 발생한다. 그러나, 어떤 주어진 공간으로 흘러들면서 비가역과정으로 한순간에 확 팽창할때는 동력은 발생하지 아니하고, 대신 가스의 엔트로피가 증가한다.

열역학적으로 내연기관에서 엔트로피가 증가하면 대응하여 엔진의 열효율이 그만큼 감소하게 된다.

그러므로, 내연기관에서는 가스가 한순간에 확 팽창하는 비가역 팽창과정이 존재하지 아니하거나, 또는 존재한다면 이 비가역 과정은 최소화 되어야 한다.

즉, 가스는 동엔트로피 과정으로 팽창되어야 한다.

유성 회전형 반켈 로터리 엔진이 하나의 내연기관으로 실현된 이래 지금까지 다수의 다른 형태의 로터리 엔진이 발명되어 왔다.

그러나, 그들중 어느것도 위에서 기술한 고압축비에 관련한 적절한 냉각, 고속운전을 위한 로우터의 관성 모멘트의 균형, 그리고 가스의 등엔트로피 과정에서의 팽창의 문제를 모두 다 해결하지 못하였다.

그리하여 그 발명들은 어느것도 내연기관으로 실현되지 못하였다.

이러한 문제들은 본 고안에 의하여 모두 다 해결된다.

더군다나 본 고안은, 가스터빈 또는 스팀터번과 같이 브레이톤 싸이클 또는 랜킨 싸이클에서 작동하도록 되어 있으나, 같은 압축비에서 작동하는 가스터빈 또는 스팀터빈의 열효율보다 더 높은 열효율을 갖는다.

왜냐하면, 가스터빈 및 스팀터빈에서는 고압의 작업유체가 지닌 에너지가 노즐을 통한 팽창에 의하여 운동에너지로 변환되고 다음 이 운동 에너지로 부터 유용한 동력이 얻어지므로 작업유체의 엔트로피가 크게 증가하며, 더군다나 터빈 맨 마지막 스테이지로 떠나는 작업유체의 운동에너지는 이용이 불가능하지만, 본 고안에서는 고압의 작업유체가 지닌 에너지가 엔트로피 증가의 요인이 되는 운동에너지로 변환되지 아니하고, 유용한 동력으로 직접 변환되기 때문이다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 고안은 중앙이 비어있는 한쌍의 로우터가 각각 내설되어 있는 가스 공급실과 가스팽창실(가스공급보다는 그 규모가 더 크다)을 나란히 설치하고, 이들을 두개의 통로로 연결하여 로우터의 회전에 의하여 일정량의 고압가스가 가스 공급실로 부터 팽창실로 유입되어 팽창실의 로우터를 회전시키면, 팽창(동력발생)하도록 안출한 것으로 다음과 같이 구성된 것이다.

본 고안은 서로 가까이 인접하는 2개의 크고 작은 작업실로 구성된다. 그리고 각 작업실은 중앙에 시린더처럼 생긴 고정축 허브(5, 6)가 각각 장치되어 있는 2개의 원통형 용기가 부분적으로 겹쳐진 형상을 하고 있다.

이러한 각 작업실에 원주 피스톤 펌프의 로우터와 유사한 한쌍의 피스톤 로우터가 원주 피스톤 펌프에서와 같이 각 고정축 허브에 지지되도록 장치된다.

즉, 로우터들은 작업실 내에서 고정축 허브를 축으로 원운동을 하도록 되어 있다.

본 고안은 이들 로우터들의 원운동에 의하여, 고압의 연소가스가 작은 작업실로 부터 큰 작업실로 옮겨져, 팽창, 동력을 생산하도록 되어 있다.

앞으로는 이 작은 작업실을 가스공급실(44) 또 큰 작업실을 팽창실(55)이라 칭한다.

제2도에 도시한 바와같이, 가스공급실(44)에는 가스입구(7), 또 팽창실(55)에는 배기구(9)가 있으며, 이들 가스공급실(44)과 팽찰실(55)은 연소가스가 가스공급실에서 팽창실로 흘러 들어갈수 있도록 비교적 그 구멍이 작은 두개의 통로로 연결되어 있다.

이 통로를 앞으로는 가스통로(8)(8')라 칭한다.

이 가스통로(8)(8')는 내열재로 라이닝(LINING)된다.

가스공급실이 한쌍의 로우터들은 회전하면서 일정량의 연소가스를 가스입구(7)로 부터 가스통로(8)를 통하여 팽창실에 공급하게 된다.

이 로우터들은 앞으로는 가스공급로우터(1)라 칭한다.

한편, 팽창실의 로우터들은 고압의 연소가스에 의하여 회전하게 되는바, 앞으로 이들을 동력로우터(2)라 칭한다. 이들 가스공급로우터(1) 및 동력로우터(2)들은 모두 회전축에 대한 관성 모멘트가 완전히 균형이 잡혀있기 때문에 진동없이 고속으로 회전하는 것이 가능하다.

모든 로우터들은 대칭적으로 두곳이 돌출되어 있다.

따라서, 모든 로우터들에는 돌출부 사이의 요부공간이 형성된다.

그런데, 이 요부공간은 로우터가 회전할때 가스공급실 벽면(3) 또는 팽창실 벽면(4)에 의하여 완전히 둘러싸여 밀폐되기도 하고, 또 부분적으로 둘러싸여 열린 상태가 되기도 한다.

앞으로는 가스공급실 및 팽창실에 형성된 각 요부공간을 각각 가스운반 포켓(20) 및 팽창포켓(21)이라 칭한다.

따라서, 가스공급실(44)에도 모두 4개의 가스운반포켓(20)이 있고, 팽창실(55)에도 역시 4개의 팽창포켓(21)이 있다.

로우터들의 내부에는 제5도에 도시한 바와 같이 그 몸통 내부에 대칭적으로 배열된 통로(10-16)가 있다. 이 통로를 통하여 냉매(공기, 물 또는 오일)가 고온의 작업유체로 부터 로우터에 흡수된 열을 제거하기 위하여 순환하게 된다.

앞으로는 이 통로를 냉매통로라 칭한다.

본 고안의 로우터들은 타이밍 기어박스(25)내의 타이밍 기어에 의하여 모두 같은 회전속도로, 고정축 허브(5, 6)에 지지된 상태에서 원운동을 하도록 되어 있다. 이 로우터들은 회전하면서 서로 맞물리지도 또 접촉하지도 아니한다.

더군다나, 이들은 베어링 부분을 제외하고는, 관련되는 가스공급실 및 팽창실의 벽면(3, 4)과 직접 접촉하지 아니하도록 되어 있다.

팽창실의 하우징에는 팽창실 내의 압력이 1기압 이하로 떨어짐을 방지하기 위하여 한쌍의 밸브노즐들(22)이 제2도에 도시한 바와같이 배열되고, 여기에 압력차에 따라 자동적으로 열리고 닫히는 첵크밸브(23)가 장치되거나, 또는 도시하지는 아니하였으나 피스톤 왕복엔진의 흡입밸브와 같이 캠과 테버에 의하여 작동하는 적어도 한쌍 이상의 포핏형 밸브가 장치된다.

이 밸브를 앞으로는 브리이싱 밸브라 칭한다. 또한 이 팽창실의 하우징에는 팽창과정 후의 팽창실 내의 압력을 감지하기 위하여 계기노즐(19)이 있고, 여기에 압력감지용계기(PI)가 장치된다.

앞으로는 이 계기를 배기압 감지기라 칭한다.

도면중 미설명 부호 S, S'는 각 로우터의 축이며, 5', 6'는 허브(5)(6) 플랜지이고, C는 본 고안의 동력 방생장치, D는 발전기, F는 연료공급펌프, G는 연료탱크, H는 레디에이터, K는 냉강수(냉매)순환펌프이다.

이와같이 구성된 본 고안에 제10도에 상징적으로 도시한 바와같이 압축기(A), 연소기(B), 냉강에 필요한 주변장치등이 갖추어지면 본 고안은 터보축 엔진과 같이 브레이톤 싸이클에서 작동하게 된다.

즉, 터부축 엔진에서 터빈 대신에 본 고안을 연결한 것과 같다.

따라서, 터빈과 같이 본 고안도 역시 고압의 가스에 의하여 동력을 생산한다.

그러나, 본 고안의 동력생산 방법은 터빈의 그것과도 다르다.

터빈에서는 고압가스의 노즐을 통한 팽창에 의하여 가스가 갖는 압력이 가스의 고속운동으로 변환되고, 다음 이 가스가 터빈 깃(BLADE)에 충돌함에 의하여 동력이 발생하지만, 본 고안에서는 피스톤 엔진에서와 같이 압력으로 부터 직접 동력이 발생한다.

본 고안에 제10도에 보인 바와같이 그 주변장치가 갖추어져 있다고 보면, 연소실로 부터 고온/고압의 연소가스가 본 고안의 가스입구(7)로 흘러들어 열려있는 가스운반 포켓(20)내로 진입하게 된다.

다음, 로우터의 회전에 따라 또하나의 가스운반 포켓이 열리면 이미 열려있던 가스운반 포켓은 밀폐되고, 이 밀폐된 포켓내의 고온 고압의 연소가스는 팽창실로 옮겨져 팽차하게 된다.

즉, 이 가스운반 포켓이 가스입구(7)로 부터 가스를 공급받고 밀폐된후 약 1/2회전을 하면 이 가스운반 포켓(20)은 가스통로(8)를 통하여 팽창실의 팽창 포켓(21)의 앞쪽 구석과 연결되고, 따라서 이 포켓내의 고압의 연소가스가 가스통로를 통하여 막 연결된 팽창포켓(21)의 앞쪽 구석으로 흘러들어 대기압으로 팽창할때 까지 동력로우터(2)를 회전시킨다.

동력은 이때 발생하며 이 팽창포켓의 앞쪽 공간은 성장하여 완전한 팽창포켓 형태가 된다. 다음, 팽창을 다한 연소가스의 대부분을 담고 있는 팽창 포켓이 밀폐되며, 따라서 팽창을 다한 연소가스는 이 팽창 포켓 밖에 존재한 소량의 연소가스로 분리된다. 그리고 나서, 대부분의 연소가스가 대기로 배출되도록 배기구(9)로 옮겨지는 동안에 또하나의 가스 운반포켓(20)으로 부터 고압의 연소가스가 다음 팽창과정을 수행하기 위하여 팽창을 다한 소량의 연소가스가 순간 머물러 있는 팽창포켓의 앞쪽 구석으로 또 흘러들어가서 그들과 혼합된 후 앞서 기술한 바와같이 동력을 생산하며 팽창하게 된다.

이 팽창과정에서 고압 연소가스가 팽창 포켓 앞쪽 구석으로 진입하기 바로 직전에 이 팽창포켓의 앞쪽 구석의 공간을 앞으로는 대드스페이스(24)라 칭한다.

이 대드 스페이스(24)에 미팽창 과정마다 팽창을 다한 소량의 연소가스가 남겨지며 또 고압의 연소가스가 진입하게 된다.

그러므로 고압가스는 대드스페이스에 진입하면서 동력을 생산함이 없이 순간적으로 얼마간 확 팽창하게 되며, 따라서 가스의 엔트로피가 대드 스페이스는 작으면 작을수록 좋다.

다음, 가스가 대드스페이스에서 팽창을 다한 후에는 동력을 생산하면서 로우터가 회전함에 따라 팽창하게 된다.

본 고안과 유사한 구조, 즉 본 고안의 피스톤 로우터(1, 2)와 고정측 허브(5, 6)대신에 서로 맞물려 돌아가는 로우터, 예를들어 잘알려진 로터리 로베펌프(LOBE PUMP)의 로우터가 장치되어 있다고 가정한 구조에서, 앞서 기술한 대드스페이스는 매우 커진다.

그러나, 서로 맞물려 돌지 아니하도록 고정축 허브에 장치되어 있는 피스톤 형태의 로우터로 구성된 본 고안은 비록 대드스페이스(24)를 아니 만들지는 못하나, 어떠한 다른 형태의 로우터로 구성된 것보다도 대드스페이스를 작게 만드는 것이 특징이다.

따라서, 본 고안에서는 연소가스가 대부분 동력을 생산하면서 팽창하게 되고, 또 앞서의 팽창과정에서 팽창을 다한 대부분의 연소가스가 다음 팽창과정의 고압의 연소가스와는 혼합되지 아니하고 배기되는 것이 가능하다.

본 고안에서는 작업듀체의 흐름은 가스입구(7) 및 배기구(9)에서 한결같고, 앞서 기술한 팽창 및 배기의 과정들은 로우터의 매회전마다 4번 발생한다.

따라서, 로우터 1회전에 대하여 4번 맥동적인 동력이 2개의 동력로우터(2)로 부터 번갈아 가며 발생한다.

팽창실에 밀폐된 팽창포켓(21)내의 압력을 앞으로는 폐포켓 압력이라 칭한다.

이 폐포켓 압력은 언제나 1기압으로 유지된다.

만약, 폐포켓 압력이 1기압 이하이거나 또는 이상이면 이대기압과의 압력차는 에너지 손실일뿐만 아니라, 배기과정에서 피스톤 엔진에서와 같이 배기소음을 유발한다.

본 고안은 최고 출력에서 폐포켓 압력이 1기압이 되도록 동력로우터가 충분히 큰 규모(SIZE)로 되어 있다. 바꾸어 말하면, 본 고안은 연소실에 분사되는 최대 연료량에 대하여 폐포켓 압력이 1기압 이상이 되지 아니하도록 가스공급로우터에 비하여 동력 로우터는 충분히 큰 규모로 되어 있다.

따라서, 본 고안은 정상운전중에는 폐포켓 압력이 1기압 이상으로 되지 않는다.

한편, 팽창실에 압력이 1기압 이하로 되면, 첵크밸브(23)가 압력차에 따라 자동적으로 열리게 되므로 대기가 즉시 이 첵크밸브를 통하여 팽창실내로 흘러 들어간다.

그리하여 폐포켓 압력이 1기압 이하로 떨어짐이 방진된다.

이 첵크밸브 대신에 피스톤 왕복 엔진에서 사용되는 흡입밸브와 같은 밸브(브리이싱 밸브)가 사용될 수도 있다.

이 브리이싱 밸브는 연소실에 분사된 연료의 양에 따라 보통 사용되는 캠 및 레버에 의하여 작동될수 있다.

즉, 연소실에 분사되는 연료량이 작아지면 브리이싱 밸브가 빨리 열리고 분사 열료량이 많아지면 브리이싱 밸브가 늦게 열리도록 하여 결국 폐포켓 압력이 1기압 이하로 떨어지기 바로 직전에 브리이싱 밸브가 열리게할수 있다.

그런데 대기가 팽창실로 흘러들어 폐포켓 압력은 언제나 1기압으로 유지된다. 제10도에는 위에서 기술한 첵크밸브 및 브리이싱 밸브의 출구가 대기로 열려 있는 것으로 되어 있다.

이렇게 하는 것이 본 고안의 설명 및 이해하는데 더 도움이 된다.

그러나, 도시하지는 아히하였으나 이 첵크밸브 또는 브리이싱 밸브의 출구를 어느것이 사용될지라도 모두 배관으로 배기구(9)에 연결하는 것이 보다 더좋다.

따라서, 이들 밸브가 연결되어 작동할 경우에는 배기가스의 일부가 배기구(9)로 부터 되돌아와 팽창실로 흘러들어가게 된다.

그래도 폐포켓 압력은 여전히 1기압으로 유지된다.

이리하여 본 고안에서는 정압배기 과정이 성취되며, 따라서 배기소음이 제거된다.

본 고안의 모든 로우터들(1, 2)에는 가스운반실 벽면(3) 또는 팽창실 벽면(4)에 밀접한 그들의 돌출부의 원주면이 매우 넓으며 그리고 제5-9도에 도시한 바와같이 그들의 몸통 내부를 통하여 냉매가 순환될수 있도록 냉매통로들(10-16)이 갖추어져 있다.

그러므로 고온의 연소가스로 부터 이 로우터에 흡수된 일은 그 넓은 원주면을 통하여 또 냉매통로(10-16)를 통한 냉매의 순환에 의하여 외부로 방출된다.

제2도에는 본 고안의 하우징에 대하여 이것의 냉각을 위한 어떠한 수단도 고려되어 있지 아니하나 역시 적절히 냉각되어야 한다.

이 하우징의 냉각은 공지의 기술에 의하여 가능하다.

즉, 본 고안의 하우징에 몰재킷(WATER JACKET) 또는 냉각핀(COOLING FIN)을 형성하면, 이 하우징은 적절히 냉각될수 있다.

피스톤 왕복 엔진에서는 피스톤의 원주면은 시린더 벽면과 유막접촉을 하여 미끄러진다. 따라서 만약 시린더 벽면의 온도가 고온으로 되면 그 미끄럼면에 유막이 파괴되므로 그들은 금속접촉을 하게 된다.

이러한 이유로, 피스톤 엔진의 냉각방식이 공냉식을 경우, 이 엔진은 미끄럼에 유막을 유지하기 위하여 수냉식의 엔진보다 더 낮은 압축비(즉, 더 낮은 온도)에서 작동되어야 한다.

따라서, 그 냉각손실이 줄어들기는 하지만, 결과적으로 그 열효율은 보다 낮다.

그러나, 본 고안에서는 로우터의 모든 포면은 관련되는 가스운반실(44) 및 팽창실(55)의 벽면과 직접 접촉하지 아니한다. 즉, 로우터의 모든 미끄럼면은 관련되는 연소실 및 팽창실 벽면(3, 4)과 매우 밀접한 틈새를 유지하며, 접할수도 있고 또 유막접촉을 할수도 있다.

더군다나, 가스운반실에서는 기밀이 다소 불충분할지라도, 이것이 열효율에는 고안의 구조상 큰 영향을 미치지 않는다.

그위에 또 고정축 허브(5)(6)가 있어 로우터와 로우터 사이에는 가스의 씰링(SEALING)이 요구되지 아니하므로 본 고안을 더 높은 고온으로 작동시키기 위하여 포켓(20)(21)들을 형성하는 로우터의 돌출부 곡면을 단열성이 좋은 내열재로 라이닝 하는 것이 가능하다.

이러한 이유로 본 고안은 공냉색으로 고압축비로 작동이 가능하다.

이때는 공기가 로우터 몸통 내부의 냉매통로(10-16)를 통과하게 된다.

엔진이 공냉식으로 고압축비로 작동하면 냉각손실이 줄어들어 열효율이 얼마간 향상된다.

이상에서 설명한 바와같이 본 고안은 터보측 엔진과 같이 브레이톤 싸이클로 동력을 생산함에 있어서, 터빈과는 달리 엔진의 열효율 저하의 원인이 되는 앤트로피의 증가가 최소가 되도록 회전하는 피스톤(로우터)에 고압의 작업유체가 작용하여 동력을 생산하도록 되어 있다.

바꾸어 말하면, 본 고안은 대드스페이스가 작기 때문에 작업유체가 피스톤 왕복 엔진에서 팽창하듯이 동력을 발생하며, 점진적으로 팽창하나, 피스톤 엔진과는 달리 동력은 정압배기 과정을 갖는 브레이톤 싸이클에서 발생하도록 되어 있다.

또한, 본 고안은 터빈과 같이 고속으로 운전될수도 있으며, 작업유체의 온도를 본 고안에서는 피스톤 왕복 엔진에서와 같이 높일수도 있어 열효율이 좋고 소형으로 고출력이 가능하다.

더군다나, 본 고안에서는 정압배기 과정이 만족되므로 배기소음이 제거된다.

따라서, 본 고안은 소음기로서도 이용이 가능하다.

Claims (1)

1. 가스공급실(44)과 이것보다 규모가 더큰 팽창실(55)내에 중앙이 비어있는 가스공급 로우터(1)와 동력로우터(2)가 각각 허브(5)(6)를 축으로 회전하도록 장치되고, 상기 가스공급실(44)과 팽창실(55)이 가스통로(8)(8')로 서로 연통되도록 이루어진 동력발생장치.