KR101465049B1 - 터빈용 압축공기 추기장치 및 그의 제어방법 - Google Patents

Abstract

터빈용 압축공기 추기장치 및 그의 제어방법에 관한 것으로, 가스터빈 엔진에 마련된 압축기 내부의 압축공기를 추기하는 추기밸브부 및 상기 추기밸브부의 개방 및 폐쇄 동작을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 압축공기는 압축기의 후단에서 추기되어 상기 추기밸브부의 구동원으로 공급되는 구성을 마련한다.
상기와 같은 터빈용 압축공기 추기장치 및 그의 제어방법을 이용하는 것에 의해, 가스터빈 엔진의 시동시 및 비상 정지동작시 압축기의 각 인터스테이지 및 최종단에 설치된 제1 및 제2 추기밸브부를 이용해서 압축기 내부의 압축공기를 미리 설정된 양만큼 추기하여 순간적으로 압축기 외부로 배출함으로써, 압축기 내부에서 발생하는 서지를 방지할 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

터빈용 압축공기 추기장치 및 그의 제어방법{BLEED AIR EXTRACTION APPARATUS FOR TURBINE AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 가스터빈 엔진의 시동시 및 비상정지시 압축기에서 발생하는 서지를 회피해서 안정적인 운전상태를 확보하는 터빈용 압축공기 추기장치 및 그의 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 전력 생산을 위한 발전 분야에서는 발전기를 구동하기 위한 가스터빈 엔진을 사용하고 있다.

가스터빈 엔진은 압축기와 연소기를 거쳐 발생한 고온 고압의 연소가스를 이용해서 터빈을 구동하는 시스템으로, 증기터빈 시스템에 비해 가동 시간 및 정지 시간이 짧고, 소형 경량이어서 제작이 용이하다는 장점이 있다.

이러한 가스터빈 엔진에 적용되는 압축기는 제한된 체적의 연소실에서 가열되어 터빈을 통과하면서 팽창하게 될 공기에 최대한의 압력을 가하기 위해, 터빈에서 공급되는 기계적 에너지를 공기의 압력에너지로 전환시켜 공기의 위치에너지를 높이는 역할을 한다.

가스터빈에 적용되는 압축기는 원심형 압축기과 축류형 압축기로 구분되는데, 축류형 압축기는 압축기 케이싱 내면에 설치되는 다수의 베인과 케이싱 내부에 설치되는 로터에 설치되는 다수의 블레이드를 포함한다.

여기서, 다수의 베인으로 이루어진 한 열과 다수의 블레이드로 이루어진 한 열을 압축기 단(stage)이라 하고, 최근에 제작되는 압축기에는 압축비를 높이기 위해 10 내지 20단을 사용한다.

한편, 가스터빈 엔진을 급격히 가속시키게 되면, 압축기 내부에서는 서지(surge)와 실속(stall)이라는 현상이 발생할 수 있다.

서지는 압축기 전체의 불안정한 상태를 나타내는 것이고, 실속은 압축기 내의 제1단 또는 몇 단에서의 공기의 흐름이 불안정한 상태를 나타내는 것을 말한다.

결과적으로 서지와 실속은 엔진의 불안정성을 나타내는 것으로, 엔진 전체에 치명적인 손상을 가져올 수 있다.

즉, 압축기 내부에서 서지가 발생하면 폭음과 함께 압축기 입구로부터 화염이 역류해 나올 수 있고, 실속이 발생하면 약간의 진동이 발생하여 엔진의 가속성 및 감속성이 저하된다.

서지는 일반적으로 주압축기 내의 회전익 또는 고정익에서의 실속으로부터 유발된다.

이에 따라, 종래기술에 따른 가스터빈 엔진의 서지 및 실속을 방지하는 기술의 일 예가 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 개시되어 있다.

특허문헌 1에는 가스터빈 엔진용 압축기에 고정익 측에 형성된 포트와 보조 압축기 사이에 설치되어 공기의 유로를 개폐하는 밸브를 포함하는 실속방지수단을 마련하여 고정익에서의 실속을 방지하는 구성이 기재되어 있다.

특허문헌 2에는 단순 및 복합 사이클 터빈 시스템에서 잠재적인 압축기 서지 상황 동안 압축기 방출 추출 공기 회로를 마련하여 압축기 방출 추출 공기의 일부가 연소기를 우회하게 하고, 추출 공기를 유선과 교축 밸브를 통해 가스 터빈 배기 연통에 직접 지향시키며, 가스 터빈 배기 연통 내로 도입된 추출 공기의 양을 조절하는 밸브를 설치하여 충분한 압축기 방출 추출 공기를 추출하고 가스 터빈 배기 연통에 직접 이송시킴으로써, 압축기 압력비 한계를 보호하는 구성이 기재되어 있습니다.

대한민국 특허 등록번호 제10-0673945호(2007년 1월 24일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-0818830호(2008년 4월 1일 공고)

그러나, 특허문헌 1 및 특허문헌 2를 포함하는 종래기술에 따른 압축기 서지 방지 장치에는 동일한 타입의 밸브를 적용함에 따라 밸브 구동을 위한 추가적인 에너지원을 필요로 한다.

예를 들어, 공압 밸브인 경우에는 공압 밸브를 구동하기 위한 외부 압축공기가 필요하고, 모터 구동밸브인 경우에는 외부 전원공급장치가 마련되어야 한다.

이에 따라, 종래기술에 따른 압축기 서지 방지 장치는 추가적인 에너지원을 공급하는 장치로 인해 구성이 복잡해지고, 제작 비용이 상승하는 문제점이 있었다.

또한 종래기술에 따른 압축기 서지 방지 장치에 외부 에너지원만을 이용해서 구동되는 밸브를 적용하는 경우에는 엔진 응급(emergency) 상황에서 상시 개방 타입의 밸브만을 필수적으로 사용함에 따라 가스터빈 엔진의 운전 상태에 따라 추출되는 압축공기를 정밀하게 제어할 수 없어, 압축기 서지로 인한 손상을 완벽하게 방지하는데 한계가 있었다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 가스터빈 엔진의 시동과 비상정지시 압축기에서 발생하는 서지를 회피하여 안정적인 운전상태를 확보할 수 있는 터빈용 압축공기 추기장치 및 그의 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 압축기의 인터스테이지와 최종단에 서로 다른 타입의 추기밸브를 적용하여 압축공기를 추기하는 터빈용 압축공기 추기장치 및 그의 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 압축기 후단에서 추기한 압축공기를 이용해서 추기밸브를 구동할 수 있는 터빈용 압축공기 추기장치 및 그의 제어방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 터빈용 압축공기 추기장치는 가스터빈 엔진에 마련된 압축기 내부의 압축공기를 추기하는 추기밸브부 및 상기 추기밸브부의 개방 및 폐쇄 동작을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 압축공기는 압축기의 후단에서 추기되어 상기 추기밸브부의 구동원으로 공급되는 것을 특징으로 한다.

상기 추기밸브부는 압축기의 각 인터스테이지에 설치되는 제1 추기밸브부 및 상기 압축기의 최종단에 설치되는 제2 추기밸브부를 포함하고, 상기 제어부는 가스터빈 엔진의 시동구간 및 비상 정지 동작시 압축기 내부의 압축공기를 미리 설정된 양만큼 추기하도록 상기 제1 및 제2 추기밸브부에 마련된 각 밸브의 개폐 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 추기된 압축공기를 이용해서 상기 제1 및 제2 추기밸브부에 마련되는 밸브를 개폐 동작시키는 구동부, 압축기의 최종단과 상기 구동부 사이에 설치되어 추기된 압축공기를 구동부로 전달하는 추기라인 및 상기 구동부에 공급된 압축공기를 상기 제1 및 제2 추기밸브부로 공급하는 공급라인을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 추기라인 상에 설치되어 상기 추기라인을 통해 상기 구동부로 공급되는 압축공기를 미리 설정된 기준온도 이하로 냉각하는 냉각모듈 및 압축공기에 포함된 이물질 등을 필터링하는 필터모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 압축기는 다수의 단으로 구성되는 멀티 타입의 압축기이고, 상기 제1 추기밸브부는 압축기의 각 인터스테이지별로 설치되는 복수의 상시개방밸브를 포함하며, 상기 제2 추기밸브부는 압축기의 최종단에 설치되는 복수의 상시폐쇄밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 한다.

상기 상시개방밸브는 제1 하우징 내부에 설치되어 상기 구동부로부터 공급되는 압축공기의 압력에 따라 승강 동작하는 제1 피스톤, 상기 제1 피스톤의 하면과 제1 하우징의 상단 사이에 설치되어 제1 피스톤에 복원력을 제공하는 제1 스프링 및 상기 제1 피스톤의 승강 동작에 따라 압축기의 각 인터스테이지에 형성된 배출공을 개폐하는 제1 밸브시트를 포함하고, 가스터빈 엔진의 시동구간에서는 개방 상태를 유지하며, 가스터빈 엔진의 회전수가 미리 설정된 기준회전수 이상이면 폐쇄 동작하는 것을 특징으로 한다.

상기 상시폐쇄밸브는 제2 하우징 내부에 설치되어 상기 구동부로부터 공급되는 압축공기의 압력에 따라 승강 동작하는 제2 피스톤, 상기 제2 피스톤의 하면과 제2 하우징의 하단 사이에 설치되어 제2 피스톤에 복원력을 제공하는 제2 스프링 및 상기 제2 피스톤의 승강 동작에 따라 압축기의 최종단에 형성된 배기공을 개폐하는 제2 밸브시트를 포함하고, 상기 제어부는 가스터빈 엔진의 비상 정지 동작시 상기 상시개방밸브 및 상시폐쇄밸브 전체를 개방하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 구동부는 상기 제어부의 제어신호에 따라 온, 오프 구동되는 다수의 솔레노이드 밸브를 포함하고, 상기 솔레노이드 밸브는 상기 상시개방밸브 및 상시폐쇄밸브의 개수에 대응되는 개수로 마련되는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 터빈용 압축공기 추기장치는 가스터빈 엔진에 마련된 싱글 타입 압축기의 최종단에 설치되어 압축공기를 추기하는 추기밸브부 및 상기 추기밸브부의 개방 및 폐쇄 동작을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 압축공기는 압축기의 후단에서 추기되어 상기 추기밸브부의 구동원으로 공급되며, 상기 제어부는 가스터빈 엔진의 비상 정지 동작시 상기 추기밸브부에 마련된 복수의 상시폐쇄밸브를 개방 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 터빈용 압축공기 추기장치의 제어방법은 (a) 가스터빈 엔진을 시동시켜 미리 설정된 기준회전수 이상으로 구동하는 단계 및 (b) 가스터빈 엔진의 비상 정지동작시 가스터빈 엔진의 압축기에 설치된 추기밸브부를 개방동작시켜 압축공기를 추기하는 단계를 포함하고, 상기 추기밸브부는 압축기의 후단에서 추기된 압축공기의 압력에 의해 개방 동작하는 것을 특징으로 한다.

상기 (a)단계는 (a1) 가스터빈 엔진의 시동구간에서 압축기의 각 인터스테이지에 설치되는 제1 추기밸브부의 각 상시개방밸브를 개방 상태로 유지하여 압축공기를 추기하는 단계, (a2) 가스터빈 엔진의 회전수가 미리 설정된 기준회전수 이상인지 여부를 검사하는 단계 및 (a3) 상기 (a2)단계의 검사결과 가스터빈 엔진의 회전수가 미리 설정된 기준회전수 이상이면, 상기 제1 추기밸브부의 각 상시개방밸브를 폐쇄 동작시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 (b)단계는 상기 각 상시개방밸브와 압축기의 후단에 설치된 제2 추기밸브부의 각 상시폐쇄밸브 전체를 개방시켜 순간적으로 미리 설정된 양의 압축공기를 추기하여 외부로 배출하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 터빈용 압축공기 추기장치 및 그의 제어방법에 의하면, 가스터빈 엔진의 시동시 및 비상 정지동작시 압축기의 각 인터스테이지 및 최종단에 설치된 제1 및 제2 추기밸브부를 이용해서 압축기 내부의 압축공기를 미리 설정된 양만큼 추기하여 순간적으로 압축기 외부로 배출할 수 있다.

이에 따라, 본 발명에 따른 터빈용 압축공기 추기장치 및 그의 제어방법에 의하면, 압축기 내부에서 발생하는 서지를 방지하여 가스터빈 엔진의 운전상태를 안정적으로 유지할 수 있다는 효과가 얻어진다.

그리고 본 발명에 따른 터빈용 압축공기 추기장치 및 그의 제어방법에 의하면, 제1 및 제2 추기밸브부를 서로 다른 타입의 추기밸브로 마련하고, 가스터빈 엔진의 운전상태에 따라 제1 및 제2 추기밸브부를 선택적으로 개폐 동작시켜 압축공기의 추기 동작을 정밀하게 제어할 수 있다.

또 본 발명에 따른 터빈용 압축공기 추기장치 및 그의 제어방법에 의하면, 압축기 후단에서 추기된 압축공기를 이용해서 제1 및 제2 추기밸브부에 마련되는 추기밸브를 구동함에 따라, 추기밸브에 구동원을 제공하기 위한 별도의 구동장치를 제거하여 제품의 구성을 간단하게 하고, 제작비용을 절감할 수 있다는 효과가 얻어진다.

또한 본 발명에 따른 터빈용 압축공기 추기장치 및 그의 제어방법에 의하면, 추기라인에 냉각모듈을 설치하여 압축기에서 추기된 고온의 압축공기를 미리 설정된 기준온도 이하로 냉각함으로써, 밸브의 열적 손상을 방지할 수 있다는 효과가 얻어진다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 터빈용 압축공기 추기장치가 적용되는 가스터빈 엔진의 구성도,
도 2는 제1 및 제2 추기밸브부의 동작시점을 보인 가스터빈 엔진의 운전선도,
도 3 및 도 4는 상시개방밸브의 개방 및 폐쇄 동작 상태를 보인 동작 상태도,
도 5 및 도 6은 상시폐쇄밸브의 폐쇄 및 개방 동작 상태를 보인 동작 상태도,
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 터빈용 압축공기 추기장치의 제어방법을 단계별로 설명하는 흐름도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 터빈용 압축공기 추기장치 및 그의 제어방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 실시 예에서는 다수의 단(stage)으로 구성되는 멀티 타입의 압축기와 터빈을 이용해서 설명하지만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것을 아니며, 단일 단으로 구성되는 싱글 타입의 압축기와 터빈에도 적용될 수 있음에 유의하여야 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 터빈용 압축공기 추기장치가 적용되는 가스터빈 엔진의 구성도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 터빈용 압축공기 추기장치가 적용되는 가스터빈 엔진은 도 1에 도시된 바와 같이, 외부의 공기를 흡입해서 고압으로 압축하는 압축기(10), 압축공기와 혼합된 연료를 연소시켜 고온, 고압의 가스를 발생하는 연소기(11) 및 연소기(11)에서 발생한 가스를 이용해서 회전력을 발생하는 터빈(12)을 포함한다.

압축기(10)와 터빈(12)은 하나의 샤프트를 이용해 연결되어, 터빈(12)에서 발생한 회전력을 압축기(10)의 로터 어셈블리에 전달하여 압축기(10)를 구동할 수 있다.

본 실시 예에서 압축기(10)는 다수의 베인 및 블레이드가 다수의 열을 이루어 다수의 단(stage)으로 구성되는 멀티 타입 압축기로 마련된다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 터빈용 압축공기 추기장치는 가스터빈 엔진에 마련된 압축기(10) 내부의 압축공기를 추기하는 추기밸브부 및 상기 추기밸브부의 개방 및 폐쇄 동작을 제어하는 제어부(50)를 포함한다.

상기 추기밸브부는 압축기(10)의 각 단 사이(interstage, 이하 '인터스테이지'라 함)에 설치되는 제1 추기밸브부(20) 및 압축기(10)의 최종단에 설치되는 제2 추기밸브부(30)를 포함할 수 있다.

그리고 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 터빈용 압축공기 추기장치는 제어부(50)의 제어신호에 따라 제1 및 제2 추기밸브부(20,30)를 개폐 동작시키는 구동부(40)를 더 포함할 수 있다.

이와 함께, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 터빈용 압축공기 추기장치는 압축기(10)의 최종단에서 추기되는 압축공기를 제1 및 제2 추기밸브부(20)의 구동원으로 사용하기 위해, 압축기(10)의 최종단과 구동부(40) 사이에 설치되어 추기된 압축공기를 구동부(40)로 전달하는 추기라인(E) 및 구동부(40)에 공급된 압축공기를 제1 및 제2 추기밸브부(20,30)로 공급하는 공급라인(S)을 더 포함할 수 있다.

제1 추기밸브부(20)는 구동부(40)로부터 압축공기의 공급 여부에 따라 개폐 동작하여 압축기(10)의 각 인터스테이지에서 압축공기를 추기해서 대기 중으로 배출하는 역할을 한다.

이를 위해, 제1 추기밸브부(20)는 압축기(10)의 각 인터스테이지에 설치될 수 있도록 복수 개의 상시 개방 타입 밸브(normal open type valve, 이하 '상시개방밸브'라 함)(21)를 포함할 수 있다.

각 상시개방밸브(21)는 가스터빈 엔진의 시동구간에서 미리 설정된 양의 압축공기를 추기할 수 있도록 구동부(40)로부터 공급라인(S)을 통해 공급되는 압축공기에 의해 개방 동작 상태를 유지한다.

그리고 각 상시개방밸브(21)는 가스터빈 엔진의 회전수가 미리 설정된 기준회전수에 도달하면, 구동부(40)로부터 압축공기의 공급이 중지됨에 따라 폐쇄 동작한다.

제2 추기밸브부(30)는 구동부(40)로부터 압축공기의 공급 여부에 따라 개폐동작하여 압축기(10)의 비상 정지동작시 압축기(10)의 후단에서 미리 설정된 양의 압축공기를 추기하여 순간적으로 대기로 방출함으로써, 엔진 급속정지에 의해 발생하는 압축기 서지를 방지하는 역할을 한다.

이를 위해, 제2 추기밸브부(30)는 압축기(10)의 최종단에 설치되는 복수 개의 상시 폐쇄 타입 밸브(normal closed type valve, 이하 '상시폐쇄밸브'라 함)(31)를 포함할 수 있다.

각 상시폐쇄밸브(31)는 가스터빈 엔진의 정상 운전상태에서 공급라인(S)을 통해 공급되는 압축공기에 의해 폐쇄 동작 상태를 유지한다.

그리고 각 상시폐쇄밸브(31)는 가스터빈 엔진의 비상 정지 동작시 구동부(40)로부터 공급라인(S)을 통해 공급되는 압축공기의 압력에 의해 개방 동작하여 압축기(10)의 최종단에서 압축공기를 추기해서 대기 중으로 방출한다.

한편, 상시개방밸브(21)는 압축기(10)의 단 수에 대응되는 개수로 마련되고, 상시폐쇄밸브(31)는 임의의 개수로 마련되는 것으로, 반드시 동일한 개수로 마련되어야만 하는 것은 아니다.

상시개방밸브(21) 및 상시폐쇄밸브(31)의 구성 및 동작원리는 아래에서 도 3 내지 도 6을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

구동부(40)는 제어부(50)의 제어신호에 따라 온, 오프 구동되는 다수의 솔레노이드 밸브(41)를 포함할 수 있다.

솔레노이드 밸브(41)는 제1 추기밸브부(20)의 각 상시개방밸브(21) 및 제2 추기밸브부(30)의 각 상시폐쇄밸브(31) 개수에 대응되는 개수로 마련될 수 있다.

각 솔레노이드 밸브(41)는 공급라인(S) 상에 설치되고, 제어부(50)의 제어신호에 따라 개폐 동작해서 제1 추기밸브부(20)의 각 상시개방밸브(21) 및 제2 추기밸브부(30)의 각 상시폐쇄밸브(31)에 압축공기를 공급 또는 차단한다.

제어부(50)는 미리 설정된 제어로직에 따라 가스터빈 엔진의 구동을 제어하고, 가스터빈 엔진의 구동시 회전수감지부를 이용해서 이상 발생 여부를 검사한다.

검사 결과, 가스터빈 엔진에 이상 발생이 발생하거나 시동구간에서, 제어부(50)는 압축기(10) 내부의 압축공기를 미리 설정된 양만큼 신속하게 추기해서 압축기(10)에서 발생하는 서지를 방지하도록 제1 및 제2 추기밸브부(20,30)의 동작을 제어할 수 있다.

특히, 제어부(50)는 가스터빈 엔진의 운전 상태에 따라 제1 추기밸브부(20)의 상시개방밸브(21) 및 제2 추기밸브부(30)의 상시폐쇄밸브(31)를 개폐 동작시키도록 제어신호를 발생하여 구동부(40)의 각 솔레노이드 밸브(41) 구동을 제어한다.

예를 들어, 도 2는 제1 및 제2 추기밸브부의 동작시점을 보인 가스터빈 엔진의 운전선도이다.

제어부(50)는 도 2에 도시된 바와 같이, 가스터빈 엔진의 시동구간(A점과 B점 사이 구간)에서 제1 추기밸브부(20)의 각 상시개방밸브(21)를 개방 상태로 유지하고, 제2 추기밸브부(30)의 각 상시폐쇄밸브(31)를 폐쇄 상태로 유지하도록 제어할 수 있다.

그리고 제어부(50)는 가스터빈 엔진의 시동구간이 종료되면 미리 설정된 제어로직에 따라 가스터빈 엔진을 구동하고, 가스터빈 엔진이 미리 설정된 기준회전수(B점)에 도달하면, 제1 추기밸브부(20)의 각 상시개방밸브(21)를 폐쇄 동작하도록 제어할 수 있다.

또 제어부(50)는 가스터빈 엔진의 정상 동작시에는 제2 추기밸브부(30)의 각 상시폐쇄밸브(31)를 폐쇄 상태로 유지하고, 가스터빈 엔진의 비상 정지동작시에는 미리 설정된 양의 압축공기를 순간적으로 배출하도록 제1 추기밸브부(20)의 상시개방밸브(21) 및 제2 추기밸브부(30)의 상시폐쇄밸브(31)를 개방 동작시키도록 제어할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 별도의 외부 구동원을 마련하지 않고, 압축기의 후단에서 추기된 압축공기를 이용해서 제1 및 제2 추기밸브부를 개폐동작시킬 수 있다.

그리고 본 발명은 가스터빈 엔진의 비상 정지동작시 하나의 제어신호를 이용해서 제1 및 제2 추기밸브부를 모두 개방동작하도록 제어할 수 있다.

한편, 구동부(40)를 통해 제1 및 제2 추기밸브부(20,30)의 구동원으로 공급되는 압축공기는 압축기(10)의 최종단에서 추기됨에 따라 고온, 고압 상태이다.

그래서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 터빈용 압축공기 추기장치는 추기라인(E)을 통해 구동부(40)로 공급되는 압축공기를 미리 설정된 기준온도 이하로 냉각하는 냉각모듈(60) 및 압축공기에 포함된 이물질 등을 필터링하는 필터모듈(70)을 더 포함할 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 제1 및 제2 추기밸브부에 마련된 각 밸브에 냉각된 압축공기를 공급해서 밸브의 열적 손상을 방지할 수도 있다.

다음, 도 3 내지 도 6을 참조하여 상시개방밸브 및 상시폐쇄밸브의 구성 및 작동원리를 상세하게 설명한다.

도 3 및 도 4는 상시개방밸브의 개방 및 폐쇄 동작 상태를 보인 동작 상태도이고, 도 5 및 도 6은 상시폐쇄밸브의 폐쇄 및 개방 동작 상태를 보인 동작 상태도이다.

상시개방밸브(21)는 구동부(40)에 마련된 각 솔레노이드 밸브(41)의 온/오프 동작 여부에 따라 공급라인(S)을 통해 전달되는 압축공기의 압력에 의해 개방 또는 폐쇄 동작한다.

이를 위해, 상시개방밸브(21)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 하우징(22) 내부에 설치되어 압축공기의 압력에 따라 승강 동작하는 제1 피스톤(23), 제1 피스톤(23)의 하면과 제1 하우징(22)의 상단 사이에 설치되어 제1 피스톤(23)에 복원력을 제공하는 제1 스프링(24) 및 제1 피스톤(23)의 승강 동작에 따라 압축기(10)의 각 인터스테이지에 형성된 배출공(13)을 개폐하는 제1 밸브시트(25)를 포함할 수 있다.

압축공기의 압력에 의해 제1 피스톤(23)이 하강 동작할 수 있도록, 제1 피스톤(23)의 단면적은 제1 밸브시트(25)의 단면적보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.

상시개방밸브(21)는 가스터빈 엔진의 시동구간 및 비상 정지 동작시, 도 3에 도시된 바와 같이 솔레노이드 밸브(41)가 온 구동됨에 따라 공급라인(S)을 통해서 전달되는 압축공기의 압력에 의해 제1 피스톤(23) 및 밸브시트(25)가 하강 동작하여 배출공(13)을 개방한다.

반면, 상시개방밸브(21)는 가스터빈 엔진의 회전수가 미리 설정된 기준회전수 이상이면, 도 4에 도시된 바와 같이 솔레노이드 밸브(41)가 오프 구동되어 압축공기의 공급이 중지됨에 따라 제1 스프링(24)의 복원력에 의해 제1 피스톤(23) 및 제1 밸브시트(25)가 상승 동작하여 배출공(13)을 폐쇄한다.

상시폐쇄밸브(31)는 구동부(40)에 마련된 솔레노이드 밸브(41)의 온/오프 동작 여부에 따라 공급라인(S)을 통해 전달되는 압축공기에 의해 개방 또는 폐쇄 동작한다.

이를 위해, 상시폐쇄밸브(31)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 제2 하우징(32) 내부에 설치되어 압축공기의 압력에 따라 승강 동작하는 제2 피스톤(33), 제2 피스톤(33)의 하면과 제2 하우징(32)의 하단 사이에 설치되어 제2 피스톤(33)에 복원력을 제공하는 제2 스프링(34) 및 제2 피스톤(33)의 승강 동작에 따라 압축기(10)의 최종단에 형성된 배기공(14)을 개폐하는 제2 밸브시트(35)를 포함할 수 있다.

압축공기의 압력에 의해 제2 피스톤(33)이 하강 동작할 수 있도록, 제2 피스톤(33)의 단면적은 제2 밸브시트(35)의 단면적보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.

상시폐쇄밸브(31)는 가스터빈 엔진의 정상 운전상태에서는 도 5에 도시된 바와 같이 솔레노이드 밸브(41)가 오프 구동되어 압축공기의 공급이 중지됨에 따라 제2 스프링(34)의 복원력에 의해 제2 피스톤(33) 및 제2 밸브시트(35)가 상승 동작하여 배기공(14)을 폐쇄한다.

반면, 상시폐쇄밸브(31)는 가스터빈 엔진의 비상 정지동작시에는 도 6에 도시된 바와 같이 솔레노이드 밸브(41)가 온 구동됨에 따라 공급라인(S)을 통해서 전달되는 압축공기의 압력에 의해 제2 피스톤(33) 및 제2 밸브시트(35)가 하강 동작하여 배기공(14)을 개방한다.

다음, 도 7을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 터빈용 압축공기 추기장치의 제어방법을 상세하게 설명한다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 터빈용 압축공기 추기장치의 제어방법을 단계별로 설명하는 흐름도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 가스터빈 엔진이 시동되면(S10), 하나의 축으로 연결된 터빈(12)과 압축기(10)의 로터 어셈블리가 회전한다.

이와 같은 가스터빈 엔진의 시동구간에서 제어부(50)는 압축기(10)의 각 인터스테이지에 설치된 제1 추기밸브부(20)의 각 상시개방밸브(21)를 개방 상태로 유지하고, 압축기(10)의 최종단에 설치된 제2 추기밸브부(30)의 각 상시폐쇄밸브(31)를 폐쇄 상태로 유지하도록 제어신호를 발생한다(S11).

이때, 압축기(10)의 최종단과 구동부(40) 사이에 마련되는 추기라인(E)은 압축기(10)의 최종단에서 추기된 압축공기를 구동부(40)로 전달한다.

그리고 냉각모듈(60)은 추기된 압축공기의 온도를 미리 설정된 기준온도 이하로 냉각하고, 필터모듈(70)은 압축공기에 포함된 이물질을 필터링한다.

그러면, 구동부(40)는 제어부(50)의 제어신호에 따라 각 상시개방밸브(21)와 대응되는 솔레노이드 밸브(41)를 온 구동시켜 압축공기의 압력을 이용해서 각 상시개방밸브(21)를 개방 상태로 유지한다.

그리고 구동부(40)는 각 상시폐쇄밸브(31)와 대응되는 솔레노이드 밸브(41)를 오프 구동시켜 각 상시폐쇄밸브(41)를 폐쇄 상태로 유지한다.

이에 따라, 본 발명은 가스터빈 엔진의 시동구간에서 압축기의 각 인터스테이지로부터 미리 설정된 양만큼의 압축공기를 추기함으로써, 압축기 내부에서 발생하는 서지를 방지할 수 있다.

가스터빈 엔진의 시동구간이 종료되면, 제어부(50)는 미리 설정된 제어로직에 따라 가스터빈 엔진의 구동을 제어하고, 회전수감지부(도면 미도시)로부터 감지된 가스터빈 엔진의 회전수가 상승하여 미리 설정된 기준회전수에 도달하는지 여부를 검사한다(S12).

S12단계의 검사결과 가스터빈 엔진의 회전수가 기준회전수에 도달하면, 제어부(50)는 제1 추기밸브부(20)의 각 상시개방밸브(21)를 폐쇄하도록 제어신호를 발생한다(S13).

그러면, 구동부(40)는 각 상시개방밸브(21)에 대응되는 솔레노이드 밸브(41)를 오프 구동시켜 압축공기의 공급을 중지시킴으로써, 각 상시개방밸브(21)를 폐쇄 동작시킨다.

이와 같은 과정을 통해 가스터빈 엔진을 구동하는 도중에, 제어부(50)는 가스터빈 엔진의 이상발생 여부를 검사한다(S14).

S14단계의 검사 결과 가스터빈 엔진에 이상이 발생한 경우, 제어부(50)는 압축기(10) 내부의 압축공기를 미리 설정된 양만큼 추기해서 순간적으로 압축기(10) 외부로 배출하도록 상시개방밸브(21) 및 상시폐쇄밸브(31) 전체를 개방하도록 제어신호를 발생한다(S15).

구동부(40)는 제어부(50)의 제어신호에 따라 솔레노이드 밸브(41) 전체를 온 구동시켜 상시개방밸브(21) 및 상시폐쇄밸브(31) 전체를 개방시킨다.

이에 따라, 본 발명은 가스터빈 엔진의 비상 정지 동작시 압축기 내부의 압축공기를 미리 설정된 양만큼 순간적으로 배출하여 압축기 내부에서 발생하는 서지를 방지함으로써, 가스터빈 엔진의 안정적인 운전상태를 확보할 수 있다.

한편, S14단계의 검사 결과 가스터빈 엔진이 정상 운전하는 경우, S16단계에 제어부는 운전 정지 명령이 입력되는지 여부를 검사하고, 운전정지 명령이 입력될 때까지 S12단계 내지 S15단계를 반복 수행하도록 제어한다.

반면, S16단계의 검사 결과 운전 정지 명령이 입력되면, 제어부(50)는 가스터빈 엔진 및 추기장치의 동작을 중지하도록 제어하고 종료한다.

상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 가스터빈 엔진의 시동시 및 비상 정지동작시 압축기의 각 인터스테이지 및 최종단에 설치된 제1 및 제2 추기밸브부를 이용해서 압축기 내부의 압축공기를 미리 설정된 양만큼 추기하여 순간적으로 압축기 외부로 배출함으로써, 압축기 내부에서 발생하는 서지를 방지할 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

상기의 실시 예에서는 멀티 타입의 압축기를 이용해서 설명하였지만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

즉, 본 발명은 싱글 타입의 압축기에도 적용될 수 있으며, 싱글 타입 압축기에 적용되는 경우에는 압축기의 최종단에 제2 추기밸브부만을 마련하여 압축기 최종단에서 압축공기를 추기하여 서지를 방지하도록 변경될 수 있다.

상기의 실시 예에서는 가스터빈 엔진을 이용해서 설명하지만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 가스터빈 엔진뿐만 아니라 증기터빈 엔진에도 적용되도록 변경될 수 있다.

본 발명은 가스터빈 엔진의 시동시 및 비상 정지동작시 압축기의 각 인터스테이지 및 최종단에 설치되는 제1 및 제2 추기밸브부를 이용해서 압축기 내부의 압축공기를 미리 설정된 양만큼 추기하여 순간적으로 압축기 외부로 배출함으로써, 압축기 내부에서 발생하는 서지를 방지하는 기술에 적용된다.

10: 압축기 11: 연소기
12: 터빈 13: 배출공
14: 배기공 20: 제1 추기밸브부
21: 상시개방밸브 22: 제1 하우징
23: 제1 피스톤 24: 제1 스프링
25: 제1 밸브시트 30: 제2 추기밸브부
31: 상시폐쇄밸브 32: 제2 하우징
33: 제2 피스톤 34: 제2 스프링
35: 제2 밸브시트 40: 구동부
41: 솔레노이드 밸브 50: 제어부
60: 냉각모듈 70: 필터모듈
E: 추기라인 S: 공급라인

Claims (12)

1. 가스터빈 엔진에 마련된 압축기의 각 인터스테이지에 설치되는 제1 추기밸브부와 상기 압축기의 최종단에 설치되는 제2 추기밸브부를 포함하여 압축기 내부의 압축공기를 추기하는 추기밸브부 및
   상기 추기밸브부의 개방 및 폐쇄 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,
   상기 제1 및 제2 추기밸브부는 압축기의 후단에서 추기된 압축공기를 구동원으로 공급받아 개방 동작하는 것을 특징으로 하는 터빈용 압축기 추기장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는 가스터빈 엔진의 시동구간 및 비상 정지 동작시 압축기 내부의 압축공기를 미리 설정된 양만큼 추기하도록 상기 제1 및 제2 추기밸브부에 마련된 각 밸브의 개폐 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 터빈용 압축공기 추가장치.
3. 제2항에 있어서,
   추기된 압축공기를 이용해서 상기 제1 및 제2 추기밸브부에 마련되는 밸브를 개폐 동작시키는 구동부,
   압축기의 최종단과 상기 구동부 사이에 설치되어 추기된 압축공기를 구동부로 전달하는 추기라인 및
   상기 구동부에 공급된 압축공기를 상기 제1 및 제2 추기밸브부로 공급하는 공급라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈용 압축공기 추기장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 추기라인 상에 설치되어 상기 추기라인을 통해 상기 구동부로 공급되는 압축공기를 미리 설정된 기준온도 이하로 냉각하는 냉각모듈 및
   압축공기에 포함된 이물질 등을 필터링하는 필터모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈용 압축공기 추기장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 압축기는 다수의 단(stage)으로 구성되는 멀티 타입의 압축기이고,
   상기 제1 추기밸브부는 압축기의 각 인터스테이지별로 설치되는 복수의 상시개방밸브를 포함하며,
   상기 제2 추기밸브부는 압축기의 최종단에 설치되는 복수의 상시폐쇄밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈용 압축공기 추기장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 상시개방밸브는
   제1 하우징 내부에 설치되어 상기 구동부로부터 공급되는 압축공기의 압력에 따라 승강 동작하는 제1 피스톤,
   상기 제1 피스톤의 하면과 제1 하우징의 상단 사이에 설치되어 제1 피스톤에 복원력을 제공하는 제1 스프링 및
   상기 제1 피스톤의 승강 동작에 따라 압축기의 각 인터스테이지에 형성된 배출공을 개폐하는 제1 밸브시트를 포함하고,
   가스터빈 엔진의 시동구간에서는 개방 상태를 유지하며,
   가스터빈 엔진의 회전수가 미리 설정된 기준회전수 이상이면 폐쇄 동작하는 것을 특징으로 하는 터빈용 압축공기 추기장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 상시폐쇄밸브는 제2 하우징 내부에 설치되어 상기 구동부로부터 공급되는 압축공기의 압력에 따라 승강 동작하는 제2 피스톤,
   상기 제2 피스톤의 하면과 제2 하우징의 하단 사이에 설치되어 제2 피스톤에 복원력을 제공하는 제2 스프링 및
   상기 제2 피스톤의 승강 동작에 따라 압축기의 최종단에 형성된 배기공을 개폐하는 제2 밸브시트를 포함하고,
   상기 제어부는 가스터빈 엔진의 비상 정지 동작시 상기 상시개방밸브 및 상시폐쇄밸브 전체를 개방하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 터빈용 압축공기 추기장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 구동부는 상기 제어부의 제어신호에 따라 온, 오프 구동되는 다수의 솔레노이드 밸브를 포함하고,
   상기 솔레노이드 밸브는 상기 상시개방밸브 및 상시폐쇄밸브의 개수에 대응되는 개수로 마련되는 것을 특징으로 하는 터빈용 압축공기 추기장치.
9. 가스터빈 엔진에 마련된 싱글 타입 압축기의 최종단에 설치되어 압축공기를 추기하는 추기밸브부 및
   상기 추기밸브부의 개방 및 폐쇄 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,
   상기 압축공기는 압축기의 후단에서 추기되어 상기 추기밸브부의 구동원으로 공급되며,
   상기 제어부는 가스터빈 엔진의 비상 정지 동작시 상기 추기밸브부에 마련된 복수의 상시폐쇄밸브를 개방 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 터빈용 압축공기 추기장치.
10. (a) 가스터빈 엔진을 시동시켜 미리 설정된 기준회전수 이상으로 구동하는 단계 및
    (b) 가스터빈 엔진의 비상 정지동작시 가스터빈 엔진의 압축기의 각 인터스테이지에 설치되는 제1 추기밸브부와 상기 압축기의 최종단에 설치되는 제2 추기밸브부를 포함하는 추기밸브부를 개방동작시켜 압축공기를 추기하는 단계를 포함하고,
    상기 추기밸브부는 압축기의 후단에서 추기된 압축공기의 압력에 의해 개방 동작하는 것을 특징으로 하는 터빈용 압축공기 추기장치의 제어방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 (a)단계는
    (a1) 가스터빈 엔진의 시동구간에서 압축기의 각 인터스테이지에 설치되는 제1 추기밸브부의 각 상시개방밸브를 개방 상태로 유지하여 압축공기를 추기하는 단계,
    (a2) 가스터빈 엔진의 회전수가 미리 설정된 기준회전수 이상인지 여부를 검사하는 단계 및
    (a3) 상기 (a2)단계의 검사결과 가스터빈 엔진의 회전수가 미리 설정된 기준회전수 이상이면, 상기 제1 추기밸브부의 각 상시개방밸브를 폐쇄 동작시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈용 압축공기 추기장치의 제어방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 (b)단계는 상기 각 상시개방밸브와 압축기의 후단에 설치된 제2 추기밸브부의 각 상시폐쇄밸브 전체를 개방시켜 순간적으로 미리 설정된 양의 압축공기를 추기하여 외부로 배출하는 것을 특징으로 하는 터빈용 압축공기 추기장치의 제어방법.

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