KR100911310B1 - 레이크 및 이를 사용하는 가스터빈 연소기의 성능측정장치 - Google Patents

Abstract

레이크가 3중관으로 구성되어 공냉되며, 레이크가 배기가스를 측정하는 부분에서 회전하게 되어, 레이크에 장착된 센서에 의하여 배기가스의 온도나 압력 등 그 성분 요소를 측정하게 된다. 이와 같이 구성되어, 가스터빈 연소기의 성능측정 장치는 연소기의 성능 및 연소 특성 등을 안정적으로 계측하며, 보다 높은 해상도 및 내구성을 구비하게 된다.

가스터빈, 레이크, 배기가스측정, 성능측정

Description

레이크 및 이를 사용하는 가스터빈 연소기의 성능측정장치{RAKE AND PERFORMANCE MEASUREMENT SYSTEM FOR GAS TURBINE COMBUSTORS USING THE SAME}

본 발명은 가스터빈 연소기의 성능측정장치에 관한 것으로서, 보다 자세히 설명하면 연소기의 성능 및 연소 특성 등을 안정적으로 계측하며, 보다 높은 해상도 및 내구성을 구비한 가스터빈 연소기의 성능측정장치에 관한 것이다.

가스터빈이란 공기를 압축하여 밀폐된 용기내로 공급한 후, 연료를 분사시켜 연소시킴으로써 나오는 고온. 고압의 연소가스를 이용하여 회전체인 터어빈의 날개에 분사시켜 회전력을 얻는 장치이다. 이러한 가스터빈의 장점으로는 설치가 용이하고, 소형경량으로 할 수 있으며, 부하변동에 쉽게 대응할 수 있을 뿐만 아니라, 발생 단위동력당 초기단가가 싸서 광범위하게 이용되고 있다.

보다 자세한 설명을 위하여, 도 1을 제시한다. 도 1은 일반적인 가스터빈의 모습을 도시한 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 가스터빈 엔진(10)은 일종의 회전식 내연기관이며, 고온고압의 연소가스를 팽창시키며 터빈(13)을 돌려 회전력을 얻는 기관이다. 즉, 동압에 의해서 압력이 상승한 공기를 다시 압축기(11)로 압력을 높이고 이것을 연 소실(12)에서 약 800 ~ 1200 ℃의 고온가스로 만든 다음, 압축기(11)의 소요출력을 얻을 수 있는 압력비까지 터빈(13)에서 팽창시키고 나머지 압력으로 가스를 제트노즐(14)을 통해 고속으로 분출시켜 추진력을 얻는다.

이러한 가스터빈 엔진을 개발할 때에는 엔진이 요구하는 성능과 내구성을 확인하기 위한 많은 엔진 시험들이 행해진다. 이러한 엔진 시험들 중에는 가스터빈의 연소가스의 성분 등을 측정하기 위하여, 연소가스의 후류에 설치하여 베인과 유사한 모양의 측정 레이크(rake)를 장착하여 시험하는 후류시험장치가 제시되어 있다. 하지만, 이러한 종래의 후류시험장치는 특정 부위에만 센서가 부착되어 있으므로, 해상도가 떨어져서 센서가 장착되지 못한 공간의 가스성분을 정확하게 측정할 수 없는 문제점이 있다.

만약, 배기가스의 측정 포트를 따로 장착하면 해상도를 일부 높일 수는 있으나, 측정 포트의 장착부에 공기누설 등의 우려가 있으며, 관련 제작비용이 추가로 소요되게 되므로, 바람직한 해결방안은 아니다.

또한, 가스터빈의 배기가스는 고온이므로, 이러한 고온의 연소가스에 지속적으로 노출되기 때문에 후류시험장치의 내구성이 매우 낮은 문제점이 있다.

따라서, 높은 해상도와 높은 내구성을 구비하여, 가스터빈의 배기가스의 측정을 안정적으로 수행할 수 있는 배기가스의 성분측정을 위한 시험장치의 연구가 시급한 실정이라 하겠다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은 가스터빈의 배기가스의 성분을 높은 해상도로 측정할 수 있는 가스터빈 연소기의 성능측정장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 가스터빈의 배기가스의 고온에도 잘 견딜 수 있는 내구성을 지닌 가스터빈 연소기의 성능측정장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 안정적이면서도 장치의 간소화와 효율적인 시험을 구현할 수 있는 가스터빈 연소기의 성능측정장치를 제공함에 있다.

상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명의 가스터빈 연소기의 성능측정장치는 가스터빈 연소기의 배기가스를 측정하는 가스터빈 연소기의 성능측정장치에 있어서, 상기 연소기 출구와 결합되어 상기 배기가스를 받아들이는 측정부, 상기 측정부에서 회전하는 레이크를 구비한 레이크 모듈, 및 상기 레이크에 장착되어 상기 배기가스를 측정하는 복수의 센서를 포함한다.

상기 레이크 모듈은 구동모터, 상기 구동모터와 연결축으로 연결되어 회전비를 조절하는 기어박스, 및 상기 기어박스와 회전축으로 연결되어 상기 회전축을 중심으로 회전하는 레이크를 포함한다.

상기 센서는 온도센서와 압력센서를 교번적으로 배치하는 것이 바람직하며, 상기 레이크는 최외곽의 제1관, 상기 제1관과 연결되며, 상기 제1관의 내부에 배치된 제2관, 및 상기 제2관의 내부에 배치되며, 센서의 신호를 외부로 전달하는 센서케이블로 구성된 공기냉각 센서케이블을 수용한 제3관을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 제1관은 흡입구를 구비하고, 제2관은 배수구를 구비하여 상기 흡입구를 통해 물이 유입되어 제1관 및 제2관을 경유한 후 상기 배수구로 배기되는 것이 좋다.

또한, 본 발명에 따른 가스터빈 연소기의 성능측정장치의 레이크는 가스터빈 연소기의 배기가스를 측정하기 위하여 복수개의 센서가 구비되어 일정 영역을 회전하며, 관 내부에 수납되되 관 내부로 공기가 유동되어 공냉되는 것이 바람직하다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따르면 가스터빈의 배기가스의 성분을 높은 해상도로 측정할 수 있는 효과가 있다.

또한, 가스터빈의 배기가스의 고온에도 잘 견딜 수 있는 내구성을 구비하는 효과가 있다.

또한, 안정적이면서도 장치의 간소화와 효율적인 시험을 구현할 수 있는 효과가 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서는 가스터빈 연소기를 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 기타 연소기 등의 배기가스 흡입시험 장비들에도 적용할 수 있음은 물론이다. 또한 본 발명은 배기가스를 예로 들었으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 각종 고온가스의 시험에도 적용될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 가스터빈 연소기의 성능시험장치를 도시한 개략도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 연소기 출구(201)와 결합되는 측정부(101)를 구비한 성능시험장치(100)가 제공된다.

성능시험장치(100)는 대략 측정부(101), 레이크 모듈(110)로 구성된다.

측정부(101)는 배기가스(202)가 배출되는 연소기 출구(201)과 결합 가능하다. 연소기 출구(201)가 대략 도우넛 모양이며, 측정부(101)는 이에 상응하는 도우넛 모양으로 형성된다. 연소기 출구(201)는 연소기(200)와 연결되어 배기가스(202)가 배출되며, 연소기(200)는 가스터빈일 수 있다.

레이크 모듈(110)은 레이크(111), 회전축(112), 기어박스(113), 연결축(114), 구동모터(115)로 구성된다.

레이크 모듈(110)을 하나씩 설명하면, 레이크(111)는 'ㄱ' 자 모양으로 형성되며, 측정부(101)에서 회전축(112)을 중심으로 회전가능하다. 레이크(111)에는 센서들이 구비되어 있는데, 압력 센서나 온도센서 등이 부착되어 있다. 센서의 배치는 가장 가장자리부터 온도센서-압력센서-온도센서-... 순으로 교번적으로 배치하는 것이 좋으며, 이는 후류덕트의 경계층 온도를 충분히 측정할 수 있기 위함이다. 센서의 개수는 연소기 출구(201)의 높이와 상관있으며, 이에 따라 센서의 개수를 조절할 것이지만, 대략 1~2mm 당 1개의 압력 또는 온도센서의 배치가 가능하다.

회전축(112)은 기어박스(113)와 레이크(111)를 연결하며, 레이크(111)는 회전축(112)을 중심으로 회전하게 된다.

기어박스(113)는 회전 속도 및 모멘트를 조절하게 되며, 이는 연결축(114)에 의하여 구동력을 발생시키는 구동모터(115)와 연결된다. 구동모터(115)에서 발생된 구동력은 연결축(114)을 통해 기어박스(113)로 전달된다.

공기냉각 센서케이블(120)은 공기로 냉각되는데, 공기냉각 센서케이블(120)에는 센서로부터 수신된 신호를 외부로 송신하는 센서케이블이 피복되어 구성된다. 레이크(111)의 냉각에 대한 자세한 설명은 도 4를 참조하여 후술하기로 한다.

도 3는 본 발명에 따른 가스터빈 연소기의 성능시험장치에서 레이크의 회전 모습을 도시한 개략도로서, 이를 토대로 작동을 설명하면 다음과 같다.

구동모터(115)에서 발생된 회전력은 연결축(114), 기어박스(113), 회전축(112)을 통하여 레이크(111)로 전달된다. 레이크(111)는 연결축(114)을 중심으로 측정부(101)에서 회전하게 되는데, 측정부(101)는 연소기 출구(201)와 결합되어 있다. 회전하는 레이크(111)는 시계방향 또는 반시계방향으로 360도 구간만 저속(0.1~1 rpm)으로 왕복 회전하며, 케이블은 회전축(112)에 충분히 감길 수 있도록 여유를 주어 장착되어 측정상 회전축에 케이블이 감겨서 케이블의 파손이 일어나는 일은 없다.

연소기(200)가 구동하면, 연소기 출구(201)를 통해 배기가스(202)가 배출된다. 이때, 레이크(111)가 회전하면서, 레이크(111) 상에 구비된 센서들이 배기가스의 성분 및 상태를 측정하게 된다. 즉, 레이크(111)가 회전하면서 연소기 출구(201)의 각 위치별 배기가스를 측정하게 되므로, 높은 해상도로 배기가스를 측정할 수 있는 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 가스터빈 연소기의 성능시험장치에서 레이크의 냉각 과정을 도시한 단면도이다.

레이크(111)는 3중관으로 형성되어 있다. 맨 바깥쪽에서 안쪽으로 제1관(124), 제2관(125), 제3관(126)이 형성되어 있다. 제1관(124)과 제2관(125)은 도우넛 모양으로서, 수냉방식을 위하여 물이 순환하도록 구성되어 있다. 즉, 제1관(124)과 연결된 흡입구(129)를 통하여 물이 유입되어 제1관(124) 및 제2관(125)을 순환한 후에, 배수구(127)를 통해 외부로 배출된다. 순환 흐름은 화살표로 도 4에 표시하였다.

제3관(126)은 원통 모양으로서, 그 내부에 공기냉각 센서케이블(120)이 구비되어 있으며, 상기 공기냉각 센서케이블(120)은 피복(123)되어 상기 제3관(126) 내부에 수납된다. 공기(121)가 유입되면, 상기 피복(123)된 공기냉각 센서케이블(120)을 냉각시키고, 레이크(111) 상단에 위치한 배기구멍(128)을 통해 외부로 배출되게 된다.

이와 같이, 비교적 간단한 구성만으로 공기냉각을 수행할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 일반적인 가스터빈의 모습을 도시한 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 가스터빈 연소기의 성능시험장치를 도시한 개략도이다.

도 3는 본 발명에 따른 가스터빈 연소기의 성능시험장치에서 레이크의 회전 모습을 도시한 개략도이다.

도 4는 본 발명에 따른 가스터빈 연소기의 성능시험장치에서 레이크의 냉각 과정을 도시한 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 성능시험장치 101: 측정부

110: 레이크 모듈 111: 레이크

112: 회전축 113: 기어박스

114: 연결축 115: 구동모터

120: 공기냉각 센서케이블 200: 연소기

201: 연소기 출구

Claims (11)

1. 가스터빈 연소기의 배기가스를 측정하는 가스터빈 연소기의 성능측정장치에 있어서,

   상기 연소기 출구와 결합되어 상기 배기가스를 받아들이는 측정부;

   상기 측정부에서 회전하며 냉각을 위해 복수의 관으로 구성되는 레이크를 구비한 레이크 모듈; 및

   상기 레이크에 장착되어 상기 배기가스를 측정하는 복수의 센서;

   를 포함하는 가스터빈 연소기의 성능측정장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 레이크 모듈은

   구동모터;

   상기 구동모터와 연결축으로 연결되어 회전비를 조절하는 기어박스; 및

   상기 기어박스와 회전축으로 연결되어 상기 회전축을 중심으로 회전하는 레이크;

   를 포함하는 가스터빈 연소기의 성능측정장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 센서는 온도센서와 압력센서를 교번적으로 배치하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기의 성능측정장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 레이크는

   최외곽의 제1관;

   상기 제1관과 연결되며, 상기 제1관의 내부에 배치된 제2관; 및

   상기 제2관의 내부에 배치되며, 센서의 신호를 외부로 전달하는 센서케이블로 구성된 공기냉각 센서케이블을 수용한 제3관;

   를 포함하는 가스터빈 연소기의 성능측정장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제1관은 흡입구를 구비하고, 제2관은 배수구를 구비하여 상기 흡입구를 통해 물이 유입되어 제1관 및 제2관을 경유한 후 상기 배수구로 배기되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기의 성능측정장치.
6. 제4항에 있어서,

   상기 공기냉각 센서케이블은 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기의 성능측정장치.
7. 가스터빈 연소기의 배기가스를 측정하기 위하여 복수개의 센서가 구비되어 일정 영역을 회전하며, 측정부 내부에 수납되되 내부로 공기가 유동됨과 아울러 복수의 관으로 구성되어 공냉되는 가스터빈 연소기의 성능측정장치의 레이크.
8. 제7항에 있어서,

   상기 센서는 온도센서와 압력센서를 교번적으로 배치하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기의 성능측정장치의 레이크.
9. 제7항에 있어서,

   상기 레이크는

   최외곽의 제1관;

   상기 제1관과 연결되며, 상기 제1관의 내부에 배치된 제2관; 및

   상기 제2관의 내부에 배치되며, 센서의 신호를 외부로 전달하는 센서케이블로 구성된 공기냉각 센서케이블을 수용한 제3관;

   를 포함하는 가스터빈 연소기의 성능측정장치의 레이크.
10. 제9항에 있어서,

    상기 제1관은 흡입구를 구비하고, 제2관은 배수구를 구비하여 상기 흡입구를 통해 물이 유입되어 제1관 및 제2관을 경유한 후 상기 배수구로 배기되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 연소기의 성능측정장치의 레이크.
11. 삭제

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