KR101742030B1 - 다목적 터빈 성능시험 시스템 - Google Patents

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KR101742030B1 KR1020160027446A KR20160027446A KR101742030B1 KR 101742030 B1 KR101742030 B1 KR 101742030B1 KR 1020160027446 A KR1020160027446 A KR 1020160027446A KR 20160027446 A KR20160027446 A KR 20160027446A KR 101742030 B1 KR101742030 B1 KR 101742030B1
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김관서
양장식
김창희
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Abstract

본 발명은 다목적 터빈 성능시험 시스템에 관한 것으로, 실제 엔진을 상사하고 상사된 모델을 회전상태에서 베인과 블레이드의 외부 냉각특성과 공력특성을 시험하는 장치로 짧은 시간에 시험을 완료하는 다목적 터빈 시스템다목적 터빈 성능시험 시스템에 관한 기술이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 고압공기를 생성하는 공기공급부; 상기 공기공급부와 연결되어 상기 고압공기를 전달받아 터빈 연소기 출구에서 형성되는 공기의 흐름과 유사한 선회류를 가진 작동유체를 생성하는 선회류생성부; 상기 선회류생성부와 연결되고, 블레이드와 베인이 포함된 터빈 엔진이 모델링된 테스트 리그(Test rig)가 설치되며, 상기 작동유체의 온도 및 압력과, 작동유체에 의해 작동되는 테스트 리그의 베인 및 블레이드의 열전달 특성을 측정하는 성능시험부; 및 상기 성능시험부에 연결되어 상기 성능시험부에에서 배출되는 작동유체의 유량을 측정하는 유량측정부;가 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

다목적 터빈 성능시험 시스템{Generic turbine test system}
본 발명은 다목적 터빈 성능시험 시스템에 관한 것으로, 실제 엔진을 상사하고 상사된 모델을 회전상태에서 베인과 블레이드의 외부 냉각특성과 공력특성을 시험하는 장치로 짧은 시간에 시험을 완료하는 다목적 터빈 시스템다목적 터빈 성능시험 시스템에 관한 기술이다.
산업용, 발전용 및 항공용 가스터빈의 효율을 증대시키기 위해 터빈 입구의 온도를 증대시키는 방법과, 터빈 입구의 압력을 고압으로 유지하는 방법으로 가스터빈을 개발하고 있다. 최근에 발전용 가스터빈의 경우 가스터빈의 입구온도를 1700℃ 이상으로 고온으로 유지하는 기술들이 개발되고 있다.
이와 같이 고온의 연소가스로부터 베인과 블레이드를 보호하기 위해 내부냉각과 외부냉각 방식을 택하고 있다. 외부냉각의 경우, 주유로(외부유로)를 냉각하기 위해 베인 또는 블레이드에 실린더형(Cylinderical type)의 막냉각 홀(Film cooling hole) 또는 팬형의(Fan-shaped type)의 막냉각 홀을 설치하여 베인과 블레이드 표면에 냉각막을 형성시켜 고온의 연소가스로부터 베인과 블레이드의 표면을 보호하는 방식을 택하고 있다. 또한 공기역학적 성능을 개선하기 위해서 블레이드의 압력면과 흡입면의 공력특성을 고려하여 터빈의 베인과 블레이드를 설계하고 있다.
종래에는 가스터빈 엔진을 개발하기 위해 블레이드의 경우 외부냉각 특성을 시험하기 위해 정지 상태에서 블레이드의 주유동과 막냉각의 상호간섭효과를 액정(Thermochromic liquid crystal)을 이용한 과도 열전달측정법, IR 카메라를 이용한 과도 열전달측정법 그리고 PSP(Pressure Sensitivity Paint)를 활용해서 막냉각 효율을 측정하였다. 또한 공력특성 측정의 경우도 정지상태에서 블레이드의 압력면과 흡입면의 압력을 측정해 개발 단계에 있는 터빈의 공력특성을 평가하였다.
실제 가스터빈 블레이드는 고온 고압의 연소가스에 의해 회전을 하고 있지만 가스터빈 엔진개발 시 블레이드를 정지한 상태에서 열전달 특성 및 공력특성을 시험하고 있는 실정이다. 이와 같은 시험장치에서 개발단계의 가스터빈을 시험할 경우 회전효과를 고려하고 있지 않기 때문에 실제 엔진의 운전상황과 다르기 때문에 측정된 엔진의 성능시험 결과를 실제 엔진설계에 적용하기에는 한계가 있다.
KR 10-1130295 B1 KR 10-1482575 B1
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 실제 엔진을 상사하고 상사된 모델을 회전상태에서 베인과 블레이드의 외부 냉각특성과 공력특성을 시험하는 장치로 짧은 시간에 시험을 완료할 수 있는 다목적 터빈 성능시험 시스템을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 고압공기를 생성하는 공기공급부; 상기 공기공급부와 연결되어 상기 고압공기를 전달받아 터빈 연소기 출구에서 형성되는 공기의 흐름과 유사한 선회류를 가진 작동유체를 생성하는 선회류생성부; 상기 선회류생성부와 연결되고, 블레이드와 베인이 포함된 터빈 엔진이 모델링된 테스트 리그(Test rig)가 설치되며, 상기 작동유체의 온도 및 압력과, 작동유체에 의해 작동되는 테스트 리그의 베인 및 블레이드의 열전달 특성을 측정하는 성능시험부; 및 상기 성능시험부에 연결되어 상기 성능시험부에에서 배출되는 작동유체의 유량을 측정하는 유량측정부;가 포함되어 이루어지되,
상기 성능시험부는, 상기 테스트 리그와, 상기 테스트 리그 후측에 설치되어 상기 테스트 리그의 회전축의 회전수를 조절되게 하는 터보브레이크와, 상기 테스트 리그와 상기 터보브레이크 사이에 설치되어 작동유체의 압력을 조절할 수 있는 압력조절기와, 상기 테스트 리그의 회전축의 회전수를 측정하는 엔코더와, 상기 테스트 리그와 연결되어 상기 테스트 리그를 가동하는 에어모터와, 상기 테스트 리그의 입구측과 출구측에 형성되어 상기 작동유체의 압력과 온도를 측정하는 압력 및 온도센서와 전기적으로 연결되어 작동유체의 압력과 온도가 측정되고, 상기 테스트 리그의 베인과 블레이드의 열전달계수를 측정하기 위해 설치된 박막필름게이지와 연결되어 상기 테스트 리그의 베인과 블레이드의 열전달계수가 측정되는 데이터측정기로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 기대할 수 있을 것이다.
본 발명은 실제 엔진을 상사하고 상사 조건에서의 회전수로 블레이드를 회전시켜 블레이드의 공력특성과 열전달특성을 시험할 수 있다.
본 발명은 연속운전으로 엔진시험을 하지 않고 약 1초 내외에서 시험을 수행하기 때문에 비용이 저렴하다.
본 발명은 엔진시험을 1초 내외에서 수행하기 때문에 블레이드 구동부의 수명이 상대적으로 오랜 기간 사용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다목적 터빈 성능시험 시스템의 개념도를 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다목적 터빈 성능시험 시스템의 개념도를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명인 다목적 터빈 성능시험 시스템은 크게 공기공급부(100), 선회류생성부(200), 성능시험(300) 및 유량측정부(400)로 구성되어 이루어진다.
상기 공기공급부(100)는 고압공기를 생성하여 일정압력과 온도를 유지하여 공급할 수 있는 부분이다.
상기 공기공급부(100)는 고압공기를 생성하는 컴프레셔(120, Air compressor)와 상기 컴프레셔(120)와 연결되어 상기 고압공기를 저장하여 작동압력을 유지할 수 있는 저장탱크(140, Tank)와, 상기 컴프레셔(120)와 상기 저장탱크(140) 사이에 연결되어 상기 고압공기의 온도를 제어하는 온도조절기(160, Heater)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 온도조절기(160)는 도면에서 Heater로 표시하였으며 일반적인 열교환기로 생각할 수 있다. 필요에 따라 히터나 내부에 벽돌 가열 후 송풍하여 열교환하여 고압공기의 온도를 조절할 수 있다.
삭제
상기 선회류생성부(200)는 상기 공기공급부(100)로부터 전달받은 고압공기를 터빈 연소기 출구에서 형성되는 공기의 흐름과 유사한 선회류를 가진 작동유체를 생성하는 부분이다.
상기 선회류생성부(200)는 상기 공기공급부(100)와 연결되어 엔진의 상사(여기서 엔진의 상사는 유체역학적 상사를 의미하며 레이놀즈수와 Ma 수를 상사변수로 사용함)조건에서 구해진 기설정된 압력과 온도범위에 따라 개폐되게 하는 급속개폐밸브(220, Fast acting valve)와, 상기 급속개폐밸브(220)와 연결되어 선회류를 가진 고압공기를 생성하는 스윌러(240, Swirler)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 급속개폐밸브(220)는 상기 저장탱크(140)의 압력과 온도가 시험조건에 부합되면 공압실린더에 의해 순간적으로 열리게 되도록 구성하여 성능시험부(300)의 테스트 리그에 작동유체를 공급하는 역할을 한다
그리고 상기 스윌러(240)는 실제 엔진의 연소기 출구에서의 유동조건을 모사하기 위해 설치되는 선회기이다.
삭제
상기 성능시험부(300)는 모델링된 터빈 엔진을 상기 작동유체에 의한 성능을 평가하는 부분이다.
상기 선회류생성부와 연결되고, 블레이드와 베인이 포함된 터빈 엔진이 모델링된 테스트 리그(320, Test Rig)가 설치되며, 상기 작동유체의 온도 및 압력과, 작동유체에 의해 작동되는 테스트 리그의 베인 및 블레이드의 열전달 특성을 측정하는 부분이다.
상기 성능시험부(300)는 그 구성을 상기 테스트 리그(320)와, 터보브레이크(340, Turbo-brake), 압력조절기(360, Pressure controller), 엔코더(380,Encoder), 에어모터(390, Air motor), 데이터측정기(370, DAQ), 슬립링(330, Slip ring)을 포함한다.
여기서, 상기 테스트 리그(320)는 터빈 엔진을 상사한 것으로 터빈 엔진 특성상 다단으로 구성되며 각단에는 통상적으로 베인과 블레이드 구성된다. 본 발명에서는 순차적으로 1단 베인, 1단 블레이드, 2단 베인으로 구성되게 하여 1.5단 시험부로 지칭할 수 있으며 작동유체를 공급하는 것을 특징으로 한다. 여기서 상기 테스트 리그(320)는 단기간(Short duration)에 약 1초 내외에서 1단 시험부(1단 베인, 1단 블레이드)의 공력 및 열전달 시험데이터를 획득하기 위해 실제 엔진을 상사한 모델이다.
상기 터보브레이크(340)는 상기 테스트 리그 후측에 설치되어 상기 테스트 리그의 회전축의 회전수를 조절되게 한다.
터보브레이크(340)는 터빈의 회전축의 회전수를 상사조건과 동일한 회전수로 조절하기 위해 1단 블레이드와 반대 방향으로 회전할 수 있도록 터보브레이크에 블레이드를 설치하고 터보브레이크(340)에 설치된 블레이드를 통과하는 작동유체의 유량을 조절하는 밸브로 상사조건의 회전수를 유지할 수 있도록 하는 설비이다.
상기 압력조절기(360)는 상기 테스트 리그(320)와 상기 터보브레이크(340) 사이에 설치되어 작동유체의 압력을 조절할 수 있다. 여기서, 상기 압력조절기(360)는 스로트밸브(Throat valve)로 실시하며 1.5단 시험부의 압력비를 조절하기 위해 설치된 설비로 케이싱(Casing)의 원주방향으로 12개의 환형 밸브를 설치해 유로의 개도를 조절하여 원하는 압력비로 조정할 수 있도록 하는 설비이다.
상기 엔코더(380)는 상기 테스트 리그의 회전축의 회전수를 측정한다.
상기 에어모터(390)는 상기 테스트 리그의 회전축과 연결되어 상기 테스트 리그(320)를 가동할 수 있다.
여기서, 상기 에어모터(390)는 짧은 시간 동안 시험이 이루어져야 하기 때문에 급속개폐밸브(220)가 열리기 전에 테스트 리그인 1.5단의 터빈을 에어모터(390)로 기동시키는 역할을 하고 급속개폐밸브(220)가 열리면 작동을 중지한다.
상기 데이터측정기(370)는 상기 테스트 리그의 입구측과 출구측에 형성되어 상기 작동유체의 압력과 온도를 측정하는 압력 및 압력센서와 전기적으로 연결되어 작동유체의 압력과 온도가 측정되고, 상기 테스트 리그의 베인과 블레이드의 열전달계수를 측정하기 위해 설치된 박막필름게이지(Thin film gauge)와 연결되어 상기 테스트 리그의 베인과 블레이드의 열전달계수가 측정된다.
상기 컨트롤러(350)는 상기 데이터측정기(370)의 신호를 전달받아 설정된 압력비와 일치하지 않는 경우, 상기 압력조절기를 제어하고, 상기 엔코더의 회전수 수치를 전달받아 설정된 회전수보다 작은 경우 상기 에어모터를 구동하여 상기 회전축의 회전수를 높이게 된다.
그리고, 슬립링(330)은 테스트 리그인 1.5단 베인/블레이드의 상류와 하류에서의 유동장 측정을 위한 압력센서 및 온도센서(Total pressure 및 Total temperature 측정용), 블레이드 냉각익 외부열전달 측정을 위한 박막필름게이지의 전기적 신호를 상기 데이터측정기에 전달하는 역할을 한다.
단기간(Short duration)에 시험이 종료되면 데이터측정기(370)에서 압력, 온도센서 및 박막필름게이지의 전기적 신호를 분석해서 테스트 리그인 1.5단 베인/블레이드의 유동장 및 열전달 특성을 해석한다.
삭제
상기 유량측정부(400)는 상기 성능시험부에 연결되어 상기 성능시험부(300)에에서 배출되는 작동유체의 유량을 측정하는 부분이다.
상기 유량측정부(400)는, 상기 작동유체의 질량유량을 측정하는 벤츄리노즐(420, Venturi nozzle)과, 상기 벤츄리노즐(420)을 통과한 작동유체를 저장하는 덤프탱크(440)와, 상기 덤프탱크(440)와 연결되어 작동유체의 소음을 완화하는 소음기(460)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 벤츄리노즐(420)은 시험 시 작동유체의 질량유량을 측정하기 위한 장치이며, 그리고, 상기 덤프탱크(440)는 벤츄리 노즐을 통과한 유동을 토출 챔버형상의 덤프탱크로 유출하여 유동의 안정화를 유지한기 위한 설비이다.
삭제
따라서 본 발명인 다목적 터빈 성능시험 시스템에서 실제 엔진의 상사는 기존의 방법과 동일하지만, 기존의 엔진시험은 정지상태에서 블레이드의 공력특성과 열전달특성을 시험할 수 있는 반면에 본 발명은 실제 엔진을 상사하고 상사 조건에서의 회전수로 블레이드를 회전시켜 블레이드의 공력특성과 열전달특성을 시험할 수 있으며, 연속운전으로 엔진시험을 하지 않고 약 1초 내외에서 시험을 수행하기 때문에 비용이 저렴하다. 또한 엔진시험을 1초 내외에서 수행하기 때문에 블레이드 구동부의 수명이 상대적으로 오랜 기간 사용이 가능하다.
삭제
이상과 같이 본 발명은 다목적 터빈 성능시험 시스템을 제공하는 것을 기본적인 기술적인 사상으로 하고 있음을 알 수 있으며, 이와 같은 본 발명의 기본적인 사상의 범주내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이다.
100: 공기공급부 120: 컴프레셔
140: 저장탱크 160: 온도조절기
200: 선회류생성부 220: 급속개폐밸브
240: 스윌러 300: 성능시험부
320: 테스트 리그 330: 슬립링
340: 터보브레이크 350: 컨트롤러
360: 압력조절기 370: 데이터측정기
380: 엔코더 390: 에어모터
400: 유량측정부 420: 벤츄리노즐
440: 덤프탱크 460: 소음기

Claims (7)

  1. 고압공기를 생성하는 공기공급부(100);
    상기 공기공급부와 연결되어 상기 고압공기를 전달받아 터빈 연소기 출구에서 형성되는 공기의 흐름과 유사한 선회류를 가진 작동유체를 생성하는 선회류생성부(200);
    상기 선회류생성부와 연결되고, 블레이드와 베인이 포함된 터빈 엔진이 모델링된 테스트 리그(320, Test rig)가 설치되며, 상기 작동유체의 온도 및 압력과, 작동유체에 의해 작동되는 테스트 리그의 베인 및 블레이드의 열전달 특성을 측정하는 성능시험부(300); 및
    상기 성능시험부에 연결되어 상기 성능시험부에에서 배출되는 작동유체의 유량을 측정하는 유량측정부(400);가 포함되어 이루어지되,
    상기 성능시험부(300)는,
    상기 테스트 리그(320)와,
    상기 테스트 리그 후측에 설치되어 상기 테스트 리그의 회전축의 회전수를 조절되게 하는 터보브레이크(340)와,
    상기 테스트 리그와 상기 터보브레이크 사이에 설치되어 작동유체의 압력을 조절할 수 있는 압력조절기(360)와,
    상기 테스트 리그의 회전축의 회전수를 측정하는 엔코더(380)와,
    상기 테스트 리그와 연결되어 상기 테스트 리그를 가동하는 에어모터(390)와,
    상기 테스트 리그의 입구측과 출구측에 형성되어 상기 작동유체의 압력과 온도를 측정하는 압력 및 온도센서와 전기적으로 연결되어 작동유체의 압력과 온도가 측정되고, 상기 테스트 리그의 베인과 블레이드의 열전달계수를 측정하기 위해 설치된 박막필름게이지와 연결되어 상기 테스트 리그의 베인과 블레이드의 열전달계수가 측정되는 데이터측정기(370)로 구성되는 것을 특징으로 하는 다목적 터빈 성능시험 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공기공급부(100)는,
    고압 공기를 생성하는 컴프레셔(120)와,
    상기 컴프레셔와 연결되어 상기 고압 공기를 저장하는 저장탱크(140)와,
    상기 컴프레셔와 상기 저장탱크 사이에 연결되어 상기 고압공기의 온도를 제어하는 온도조절기(160)로 구성되는 것을 특징으로 하는 다목적 터빈 성능시험 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 선회류생성부(200)는,
    상기 공기공급부와 연결되어 설정된 압력과 온도범위에 따라 개폐되게 하는 급속개폐밸브(220)와, 상기 급속개폐밸브와 연결되어 선회류를 가진 고압공기를 생성하는 스윌러(240)로 구성되는 것을 특징으로 하는 다목적 터빈 성능시험 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 테스트 리그(320)는,
    순차적으로 1단 베인, 1단 블레이드, 2단 베인으로 구성되어 작동유체를 공급하는 것을 특징으로 하는 다목적 터빈 성능시험 시스템.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 성능시험부(300)는,
    상기 데이터측정기의 신호를 전달받아 설정된 압력비와 일치하지 않는 경우, 상기 압력조절기를 제어하고, 상기 엔코더의 회전수 수치를 전달받아 설정된 회전수보다 작은 경우 상기 에어모터를 구동하게 하는 컨트롤러(350)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 다목적 터빈 성능시험 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유량측정부(400)는,
    상기 작동유체의 질량유량을 측정하는 벤츄리노즐(420)과,
    상기 벤츄리노즐을 통과한 작동유체를 저장하는 덤프탱크(440)와,
    상기 덤프탱크와 연결되어 작동유체의 소음을 완화하는 소음기(460)로 구성되는 것을 특징으로 하는 다목적 터빈 성능시험 시스템.
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