[논문]가스터빈 결합, 분리실린더, 등적.등압.등온 혼합사이클 엔진성능의 변수 분석

김동호; 배종욱

가스터빈 결합, 분리실린더, 등적.등압.등온 혼합사이클 엔진성능의 변수 분석
A Parametric Analysis of Performance of Gas Turbine Combined, Split Cylinder, Constant Volume, Pressure, Temperature, Mixed Cycle Engine 원문보기

韓國舶用機關學會誌 = Journal of the Korean Society of Marine Engineers, v.28 no.7 = no.114, 2004년, pp.1082 - 1091

김동호 (국군수송사령부 항만운영단) , 배종욱 (한국해양대학교 기관시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Analyzed Parametrically was an internal combustion engine combined with gas turbine the cycle of which is splitted into compression side cylinder and expansion side one, and heat adding of which is during constant volume pressure, temperature process. The advantages of each measures were analyzed by means of thermal cycle diagram. The thermal efficiency of partial load cutting off firstly isothermal heat adding and secondly isobaric heat adding also was analyzed The authors suggested some potentials about the performance as for thermal efficiency, mean effective pressure and reducing emissions and noise supposed were the operating parameter of the engine set to some values and were some problems solved.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 그 동작원리상 선박용 대출력 엔진을 지향하면서, 고온에서의 열교환기에 의한 열 수수 과정이 없으며, NOx의 생성율을 근본적으로 억제하고. 열효율의 향상에 있어서도 매우 큰 잠재력을 가진 열기관 사이클을 고안하여 제시한다.
열효율의 향상에 있어서도 매우 큰 잠재력을 가진 열기관 사이클을 고안하여 제시한다.

가설 설정

1. 연소최고온도를 NOx의 생성이 급증하는 점이 하로 제한하면 이의 배출량을 근원적으로 억제할 수 있게 된다.
2. 이론평균유효압력은 가스터빈 결합 분리 실린더 등적 . 등압 혼합사이클 엔진보다 L35 MPa 정도 높aL 가스터빈 결합 단일실린더 등적 .
4. 배기 분출에 의한 소음이 없어지고 그만큼 정숙 운전이 가능하게 된다.
각 상태변화과정에서 기초 열역학의 상태 방정식들이 사용되었고, 압축과정과 팽창과정의 기체는 각각의 비열비가 1.4 및 1.33의 이상기체로 가정하여 계산하였다.

제안 방법

그러기 위하여 제안되는 열기관은 최근 고도로 발달한 가스터빈의 기술과 고온 내열재료의 기술을 채용하는 것을 전제로 하며, 터빈의 재료의 한계를 고려하여, 허용되는 최고 실린더 배기 온도를 유지하는 것으로 한다.
여기에서 부하%란 연소 최고온도 1800K의 등온연소를 적절한 시기에 차단하고 단열팽창하여, 실린더에서 유출 시에는 터빈의 내열 한계로서 상정한 1300K가 되도록 한 경우의 이론평균유효압력을 최대부하로 하고, 이에 대한 부분 부하에서 출력축의 이론 평균유효압력의 백분율을 말한다. 그리고 부분 부하를 얻기 위하여서 1차로 등온연소의 차단비 (Qt ratio)# 조절하여, 등온 수열량이 0으로 된 때로부터는 등 압연 소의 차단비 (Qp ratio)를 조절하는 방법을 채용하였다.
GTSCVP, GTUCVP 및 정압 과급기 결합 단일실린더 등적 . 등압 혼합 사이클엔진(Turbo-charged, unitary cylinder, constant volume, pressure, mixed cycle engine:이하 약하여 TCUCVP라 명명함)의 계산에 의한 이론 열효율을 비교하여 나타낸다.
혼합사이클 엔진(Gas turbine combined, split cylinder, constant volume, pressure, mixed cycle engine- 이하 GTSCVP라 명명함)의 열역학 사이클과 가스터빈 결합 단일 실린더 등적 . 등압 혼합사이클엔진(Gas turbine combined, unitary cylinder constant volume, pressure, mixed cycle engine: 이하 GTUCVP라 명명함)의 열역학 사이클을 비교하여 나타낸다.
등압. 등온 혼합 사이클 엔진(Gas turbine combined split cylinder constant volume, pressure, temperature, mixed cycle engine: 이하 GTSCVPT라 명명한다)과 GTSCVP의 경우를 비교하여 나타낸다. 상태 1-2-3-4-5-6-까지는 GTSCVPT에서와 GTSCVP에서 서로 동일하다.
등압 . 등온 혼합사이클 엔진에서는 각각 33% 및 80%정도에 이르며, 이 유효출력을 전기적인 방법으로 출력축에 전달하는 것이 제안되었다.
또한, 가스터빈 결합 왕복동 피스톤식 내연기관을 채용하고. 결합된 가스터빈의 유효출력은 발전기와 전동기를 사용하여 전기적 방법으로 출력축으로 전달하는 방식을 채택하는 것으로 한다.
압축용 실린더와 팽창용 실린더를 별도로 갖는 스플릿 실린더엔진을 채용하여, 터빈 입구 압력을 가스터빈 압축기 출구 압력보다 높이는 것을 가능하게 함으로써 결합된 가스터빈의 유효출력을 증대시키어 이론 열효율을 향상시킨다. 수열 과정은 기존의 등적 등압 혼합사이클인 사바데 사이클로부터 등적 등압 등온 혼합사이클로 변경시킨다.
수열 과정은 기존의 등적 등압 혼합사이클인 사바데 사이클로부터 등적 등압 등온 혼합사이클로 변경시킨다. 이렇게 구성되는 가상의 기관의 열효율과 평균유효압력을 변수적으로 분석 평가한다.

대상 데이터

본 연구에서 고안된 실린더들은 각각 2개의 대 실린더와 소실린더로 구성되며, 대실린더는 상부 실린더와 하부 실린더로 이용된다. 하부 대 실린더는 흡입 및 압축용이며, 상부 대실린더는 작동 및 배출용으로 사용된다.

성능/효과

2. 충분한 과잉공기를 확보하고 있는 경우 실린더에서 유출한 가스는 배기 리시버 내에서 1300K의 높은 온도 상태로 상당시간 체류하게 되고, 이때 CO, HC 및 PM의 재연소가 이루어져서, 청정한 배기를 얻을 수 있다.
3. 상 하부로 구성되는 대실린더는 압축력과 작 동력이 피스톤에 대하여 동시에 반대 방향으로 작용하여 축 토크의 균일화를 향상시킨다.
4. 부하의 변동 중에 터보압축기의 압력비와 연소 최고압력을 일정히 유지하는 경우, 부하율 25%정도의 부분부하에 이르기까지의 비교적 일정하고 높은 이론열효율을 유지한다.
한다. 6) 그러므로 터빈과 블로워의 요소효율도 단 단의 원심 블로워 및 단 단의 레이디얼 터빈만으로 충분하다.
매우 유효할 것이다.7)전절에서는 상용의 디젤기관 사이클과 비교를 위하여 연소최고온도로서 평균온도 2200K를 사용하였으나, 이것을 1800K 수준으로 낮추어도 이론 열효율과 이론 평균유효압력을 충분히 높게 유지할 수 있다면 바람직한 방안이 될 것이라 생각된다.
7. 배기가 흡기에 혼합되지 않기 때문에 원리상 압축과정의 공기에 잔류가스가 존재하지 않으며, 하부 대실린더의 공극용적이 매우 적으므로 압축시의 펌프효율이 높다.
GTSCVPT의 이론평균유효압력은 다른 사이클의 경우에 비교하여 현저히 높은 값을 나타내어, GTSCVP보다 약 1.35MPa정도 높으며, 상용 디젤기관인 TCUCVP와 비교할 때 거의 2배에 이른다. 이는 이론열효율의 증대와 더불어 등온연소에 의한 수열량 증가에 기인하는 것으로 해석된다.

후속연구

관의 내측에 세라믹 내벽 시공을 하고, 관 자체에 대하여서는 수냉식의 자켓을 설계하는 방식이 바람직 할 것으로 생각된다.
세째는 실린더 열부하의 증가에 대한 냉각 방식과 강도의 설계가 해결되어야 하며, 실린더 내면의 윤활에 있어서도 새로운 대책이 필요하다.
증대시키고. 이것을 전기적인 방법 등으로 출력축에 연결한다면, 요소효율의 상승에 의한 가스터빈의 열효율 상승 분 만큼 디젤엔진의 이론 열효율과 평균유효압력을 상승시킬 수 있을 것이 기대된다.

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