KR101874208B1 - 결빙 방지 수단을 갖는 가스 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 결빙 방지 수단을 갖는 가스 터빈에 관한 것으로서, 본 발명의 일 측면에 의하면, 외부의 공기가 유입되는 흡입구를 갖는 하우징; 상기 하우징 내에 배치되며, 유입된 공기를 압축하는 압축기; 상기 압축기에 의해 생성된 압축공기와 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기; 상기 연소기에 의해 생성된 배기 가스를 도입하여 회전력을 생성하는 터빈; 및 상기 터빈을 통과한 배기 가스를 하우징 외부로 배출하는 디퓨저;를 포함하는 가스 터빈으로서, 상기 압축공기의 일부를 상기 흡입구 측으로 유도하는 추기관; 상기 추기관을 개폐하는 제어 밸브; 및 상기 제어 밸브의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는 외기 온도, 외기 습도, 가스 터빈의 출력 및 회전속도 중 적어도 하나 이상에 근거하여 상기 제어 밸브의 개도를 조절하는 것을 특징으로 하는 결빙 방지 수단을 갖는 가스 터빈이 제공된다.

Description

결빙 방지 수단을 갖는 가스 터빈 {GAS TURBINE WITH AN DE-ICING MEANS}

본 발명은 결빙 방지 수단을 갖는 가스 터빈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 가스 터빈 내부로 유입되는 공기에 의해서 흡입구 또는 압축기 측에 결빙이 생기는 것을 방지하기 위한 수단을 구비한 가스 터빈에 관한 것이다.

가스 터빈은 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시켜 발생된 고온고압의 연소가스를 터빈 측에 분사하여 회전력을 얻는 동력기기의 일종이다. 이러한 가스 터빈은 열교환기·중간냉각기·재열기를 첨가하거나, 압축기 또는 터빈을 여러 개 조합함으로써 발전용·차량용 등 목적에 따라 다양한 성능을 가진 기관을 설계하기가 쉽고, 병진운동하는 부분이 없고 회전운동을 위한 부분만 있으므로 진동이 적으며, 고속 회전(5000 내지 수만 rpm)이므로 출력 당 중량이 가벼우며, 넓은 범위의 출력을 낼 수 있고, 다양한 종류의 연료를 활용할 수 있으며, 증기 터빈에 비해서 보일러·복수기(復水器) 및 냉각을 위한 물이 필요하지 않다. 또한, 시동에서 전력운전까지의 시간이 매우 짧은 등의 장점을 갖기에, 항공기 및 발전 설비 등에 널리 활용되고 있다.

상술한 바와 같이, 가스 터빈은 외부 공기를 흡입구를 통해 흡입한 후 압축기 측으로 이송하여 압축공기를 형성하고, 이를 연료와 혼합하여 연소함으로써 터빈을 회전시키는 동력을 얻도록 하고 있다.

이 중 항공기에 사용되는 가스 터빈의 경우, 높은 고도에서는 지상에 비해서 상대적으로 낮은 온도를 갖는 공기를 작동유체로 이용하므로, 경우에 따라서는 흡입구 측으로 유입되는 공기의 온도가 지나치게 낮을 수 있고, 이렇게 유입되는 낮은 온도의 공기는 압축기 블레이드 또는 흡입구 주변에 결빙을 야기할 수 있게 된다.

아울러, 발전용도의 가스 터빈의 경우에도 예기치 않은 이상 한파 등이 발생되거나, 극지방과 같이 보다 낮은 평균 온도를 갖는 지역에서도 중단 없는 연속적인 운전을 보장하기 위해서 상술한 바와 같은 결빙 방지 수단을 필요로 하게 된다.

이러한 결빙 방지 장치의 일 예로서 흡입구 주변에 유입되는 공기를 가열하기 위한 히팅 수단을 구비한 가스 터빈이 제안된 바 있다. 이러한 히팅 수단으로는 병설된 증기 터빈으로부터 배출되는 고온의 증기와 유입되는 공기를 열교환시켜서 공기를 가열하는 방식과, 전기 에너지를 이용하여 공기를 직접 가열하는 전기 히터를 이용하는 방식이 있다.

그러나, 이러한 방식은 별도의 설비, 즉 증기 터빈 또는 전열 히터를 추가로 설치하여야 하므로 설치 비용이 고가이고 유지 보수도 어려운 문제점이 있다.

다른 방안으로서, 가스 터빈의 압축기에 의해 압축된 공기의 일부를 추기하여 흡입구 측으로 재순환시키는 방안도 소개된 바 있다. 이러한 방식은 가스 터빈 내에서 자체적으로 생성된 압축 공기를 이용하는 점에서 별도의 설비를 필요로 하는 종래 방식에 비해 유리한 점이 있으나, 오퍼레이터가 본인의 지식 및 경험에 의해 수동으로 밸브를 조작하여 추기되는 공기의 양을 결정하도록 하고 있어, 결빙에 대해서 신속하고 효과적인 대응이 어려운 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 종래에 비해서 보다 신속하고 용이하게 결빙을 방지할 수 있는 결빙 방지 수단을 갖는 가스 터빈을 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 외부의 공기가 유입되는 흡입구를 갖는 하우징; 상기 하우징 내에 배치되며, 유입된 공기를 압축하는 압축기; 상기 압축기에 의해 생성된 압축공기와 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기; 상기 연소기에 의해 생성된 배기 가스를 도입하여 회전력을 생성하는 터빈; 및 상기 터빈을 통과한 배기 가스를 하우징 외부로 배출하는 디퓨저;를 포함하는 가스 터빈으로서, 상기 압축공기의 일부를 상기 흡입구 측으로 유도하는 추기관; 상기 추기관을 개폐하는 제어 밸브; 및 상기 제어 밸브의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는 외기 온도, 외기 습도, 가스 터빈의 출력 및 회전속도 중 적어도 하나 이상에 근거하여 상기 제어 밸브의 개도를 조절하는 것을 특징으로 하는 결빙 방지 수단을 갖는 가스 터빈이 제공된다.

본 발명의 상기 측면에서는 종래에 오퍼레이터의 지식 또는 경험 등에 근거하여 수동으로 추기 공기의 양을 조절하던 것을 대신하여, 제어부 및 상기 제어부의 제어 하에 있는 제어 밸브를 이용하여 자동으로 제어 밸브의 개도가 조절되도록 함으로써, 추기 공기의 유량 조절을 신속하고 용이하게 수행할 수 있도록 하고 있다.

여기서, 상기 제어부는 외기 온도가 기준 온도 보다 높은 경우에는 상기 제어 밸브의 개도를 감소시키고, 낮은 경우에는 개도를 증가시킬 수 있다.

또한, 상기 제어부는 외기 습도가 기준 습도 보다 낮은 경우에는 상기 제어 밸브의 개도를 감소시키고, 높은 경우에는 개도를 증가시킬 수 있다.

또한, 상기 제어부는 터빈 출력이 기준 출력 보다 낮은 경우에는 상기 제어 밸브의 개도를 감소시키고, 높은 경우에는 개도를 증가시킬 수 있다.

또한, 상기 제어부는 터빈 회전속도가 기준 속도 보다 낮은 경우에는 상기 제어 밸브의 개도를 감소시키고, 높은 경우에는 개도를 증가시킬 수 있다.

또한, 외부 온도, 습도, 터빈 출력 및 회전속도를 각각 Ta, Ha, Pt, Vt라 하고, 기준 온도, 습도, 출력 및 회전속도를 각각 Ts, Hs, Ps, Vs라 할 때, 상기 제어부는 하기 식(1)에 의해 계산된 값이 양의 값인 경우에는 제어 밸브의 개도를 감소시키고, 음의 값인 경우에는 제어 밸브의 개도를 증가시킬 수 있다.

F = K1·(Ta-Ts) - K2· (Ha-Hs) - K3· (Pt-Ps) - K4· (Vt-Vs) … 식(1)

여기서, K1, K2, K3, K4는 사전에 결정된 임의의 상수

또한, 상기 제어 밸브는 솔레노이드 밸브일 수 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 측면들에 의하면, 종래에 오퍼레이터의 지식 또는 경험 등에 근거하여 수동으로 추기 공기의 양을 조절하던 것을 대신하여, 제어부 및 상기 제어부의 제어 하에 있는 제어 밸브를 이용하여 자동으로 제어 밸브의 개도가 조절되도록 함으로써, 추기 공기의 유량 조절을 신속하고 용이하게 수행할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 결빙 방지 수단이 구비된 가스 터빈의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 제어 밸브의 제어 계통을 개략적으로 도시한 블럭도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 가스 터빈의 밸브 모니터링 장치의 실시예에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 결빙 방지 수단을 구비한 가스 터빈의 일 실시예(100)의 내부 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 상기 실시예는 하우징(102)를 구비하고 있고, 상기 하우징(102)의 후측에는 터빈을 통과한 연소가스가 배출되는 디퓨저(106)가 구비되어 있다. 그리고, 상기 디퓨저(106)의 앞쪽으로 압축된 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(104)가 배치된다.

공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 상기 하우징(102)의 선단부에 개구되는 흡입구와 인접한 위치에 압축기 섹션(110)이 위치하고, 디퓨저(106)와 인접한 위치에 터빈 섹션(120)이 배치된다. 그리고, 상기 압축기 섹션(110)과 상기 터빈 섹션(120)의 사이에는 터빈 섹션에서 발생된 회전토크를 상기 압축기 섹션으로 전달하는 토크 전달부재로서의 디스크 어셈블리(200)가 배치되어 있다. 상기 압축기 섹션(110)에는 총 14매의 압축기 로터 디스크(140)가 구비되고, 상기 각각의 압축기 로터 디스크(140)들은 하나의 타이 로드(150)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결되어 있다.

구체적으로, 상기 각각의 압축기 로터 디스크(140)는 대략 중앙을 상기 타이 로드가 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 아울러, 상기 압축기 로터 디스크(140)의 외주부 부근에는 복수 개의 돌기부(미도시)가 형성되고, 이웃한 로터 디스크에 상대 회전이 불가능하도록 결합되는 플랜지(142)가 축 방향으로 돌출되게 형성된다.

상기 압축기 로터 디스크(140)의 외주면에는 복수 개의 블레이드(144)가 방사상으로 결합되어 있다. 상기 각각의 블레이드(144)는 도브 테일부(146)를 구비하여 상기 압축기 로터 디스크(140)에 체결되는데, 상기 블레이드와 상기 압축기 로터 디스크(140) 사이의 결합방식은 반드시 도브테일에 한정되는 것은 아니다.

한편, 상기 터빈 섹션(120)에는 4매의 터빈 로터 디스크(180)가 구비된다. 상기 각각의 터빈 로터 디스크(180)는 기본적으로는 상기 압축기 로터 디스크와 유사한 형태를 갖는다. 따라서, 상기 터빈 로터 디스크(180) 역시, 이웃한 터빈 로터 디스크와 결합되기 위한 결합돌기를 구비한 플랜지(182)를 구비하고, 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(184)도 포함한다. 상기 터빈 블레이드(184) 역시 도브테일 방식으로 상기 터빈 로터 디스크(180)에 결합될 수 있다.

상기 타이 로드(150)는 상기 복수 개의 압축기 로터 디스크(140)들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 일측 단부는 최상류측에 위치한 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 타측 단부는 최하류측에 위치한 터빈 로터 디스크의 하류측에 배치되는 고정 너트(190)와 체결된다. 구체적으로, 상기 타이 로드(150)의 타측 단부는 상기 고정 너트(190)와 나사 결합되고, 그에 의해서 상기 고정 너트는 최하류에 배치된 터빈측 로터 디스크를 축방향으로 가압하게 된다. 이로 인해서, 상기 타이 로드(150)에 배치되는 복수 매의 디스크들이 서로 밀착된 상태에서, 축방향 이동이 불가능하도록 고정된다.

여기서, 상기 디스크 어셈블리(200)는 양단이 각각 상기 압축기 섹션(110) 및 터빈 섹션(120)과 맞닿은 상태로 고정되어 있다. 즉, 상기 디스크 어셈블리의 압축기 섹션측 단부는 상기 최하류측 압축기 로터 디스크와 접하게 되고, 상기 디스크 어셈블리의 터빈 섹션측 단부는 상기 최상류측 터빈 로터 디스크와 접하게 된다.

한편, 상기 압축기 섹션(110)의 대략 중앙과 연결되며, 상기 하우징을 관통하여 연장되는 추기관(130)이 추가적으로 구비된다. 상기 추기관(130)은 압축 도중의 압축 공기의 일부를 하우징 외부로 추기하기 위한 것으로서, 상기 하우징의 선단부에 위치하는 흡입구 보다 상류측까지 연장된다. 그리고, 상기 추기관(130)의 도중에는 추기관 내부를 흐르는 압축 공기의 유량을 제어하기 위한 솔레노이드 밸브(132)가 설치되어 있다.

상기 솔레노이드 밸브(132)는 인가된 전류의 크기에 따라서 밸브 개도를 임의로 조절할 수 있다. 그리고, 상기 추기관(130)의 말단부에는 상기 흡입구 내부로 추기된 압축 공기를 공급하기 위한 노즐(134)이 구비된다. 상기 추기관(130)에 구비된 제어 밸브가 개방되면, 상대적으로 높은 압력을 갖는 압축기 섹션 측의 압축 공기 일부가 상기 추기관 내부로 유입된 후, 상대적으로 낮은 압력을 갖는 상기 노즐(134)로 이동하여 배출되게 된다.

아울러, 상기 압축 공기는 외부 공기에 비해 높은 온도를 가지며, 압축 공기의 온도는 공기의 압축 정도에 비례하므로, 추기관의 위치를 달리하면, 추기되는 공기의 온도도 달라지게 된다. 이렇게 추기된 높은 온도를 갖는 압축 공기를 상기 노즐(134)을 통해서 흡입구 내부로 공급하면, 유입되는 외기와 혼합되면서, 흡기 온도를 상승시키게 되고, 그에 따라 압축기의 블레이드에 결빙이 야기되는 것을 방지할 수 있다.

경우에 따라서는, 이미 압축기 블레이드에 생긴 결빙을 제거하기 위한 용도로도 상기 추기 공기가 이용될 수 잇다.

다만, 추기 공기의 양이 증가할수록 터빈의 효율이 낮아질 뿐만 아니라, 상기 터빈 섹션의 냉각 성능도 저하되는 문제점이 있으므로, 추기되는 공기의 양은 필요한 만큼만 정확하게 결정되어야 한다.

이를 위해서, 상기 솔레노이드 밸브(132)를 제어하기 위한 제어부(160)가 구비된다. 도 2를 참조하면, 상기 제어부(160)는 상기 솔레노이드 밸브(132)와 전기적으로 연결되어 있어, 솔레노이드 밸브에 인가되는 전류를 제어함으로써 밸브 개도를 임의로 조절할 수 있도록 구성되어 있다.

한편, 상기 제어부(160)는 외기 온도(Ta)를 측정하기 위한 온도 센서(162), 외기 습도(Ha)를 측정하기 위한 습도 센서(164), 운전 중인 가스 터빈의 현재 출력(Pt)을 측정하기 위한 출력 측정 수단(166) 및 운전 중인 가스 터빈의 회전수(Vt)를 측정하기 위한 회전수 측정 수단(168)과 각각 전기적으로 연결되어 있다.

아울러, 상기 제어부에는 기준 온도, 습도, 출력 및 회전수(Ts, Hs, Ps, Vt)를 감안하여 추기되는 공기의 양을 최적화할 수 있다. 구체적으로, 외기 온도(Ta)가 기준 온도(Ts) 보다 낮은 경우에는 결빙이 생길 가능성이 높기 대문에 솔레노이드 밸브의 개도를 증가시켜 흡입구를 통해서 고온의 추기 공기가 공급될 수 있도록 해야 한다.

반대로, 외기 온도가 기준 온도 보다 높은 경우에는 결빙이 생길 가능성이 낮으므로, 솔레노이드 밸브의 개도를 감소시키거나 페쇄하여 추기되는 공기의 양을 최소화하여야 한다. 즉, 온도와 밸브 개도는 서로 반비례 관계에 있다.

한편, 외기 습도(Ha)가 기준 습도(hs) 보다 높으면 공기 중에 수분이 많아 결빙이 생길 가능성이 높아지므로 밸브 개도를 늘려야 한다. 반대로, 외기 습도가 기준 습도 보다 낮으면 밸브 개도를 줄여야 한다. 결국, 습도와 밸브 개도는 서로 비례 관계에 있다.

터빈의 출력이 높은 경우에는 보다 많은 양의 공기를 필요로 하게 되므로, 외기 온도의 변화가 없다면 온도가 저하되는 것을 방지하기 위해서는 보다 많은 양의 추기 공기가 필요하게 된다. 마찬가지로, 터빈의 회전 속도가 높은 경우에도 보다 많은 양의 공기를 필요로 하게 되므로, 외기 온도의 변화가 없다면 온도가 저하되는 것을 방지하기 위해서는 보다 많은 양의 추기 공기가 필요하게 된다. 결국, 터빈의 출력 및 회전수는 밸브 개도와 각각 비례 관계에 있다.

따라서, 상기 제어부는 상기 4가지 파라미터를 함께 고려하여야만, 보다 정확한 추기 공기량을 결정할 수 있게 된다. 이를 위해, 상기 제어부는 아래의 식 (1)로 기재된 수식을 사용할 수 잇다.

F = K1·(Ta-Ts) - K2· (Ha-Hs) - K3· (Pt-Ps) - K4· (Vt-Vs) … 식(1)

여기서, K1, K2, K3, K4는 사전에 결정된 임의의 상수이며, 가스 터빈을 현장에 설치하는 과정에서 복수 회의 실험을 거쳐서 결정될 수 있는 상수이다. 이들은, 상기 온도, 습도, 출력, 회전수의 단위에 따라서도 달라지며, 가스 터빈의 사양에 따라서도 달라지기 때문에, 본 발명에서는 상기 상수들을 특정 값 또는 범위로 한정하지 않는다.

여기서, 각 상수의 앞에 기재된 부호는 상술한 바와 같은, 각각의 파라미터와 밸브 개도와의 관계에 따라 정해지는 것이다. 즉, 외기 온도는 밸브 개도와 반비례 관계에 있어 K1의 앞에는 (+) 부호가 적용되었고, 비례 관계에 있는 다른 파라미터에 대한 상수들의 앞에는 (-) 부호가 적용되었다.

가령, 외부 온도는 높지만, 습도도 높은 경우를 가정하면, 외부 온도에 대비하기 위해서는 제어 밸브를 닫아야 하지만, 습도에 대비하기 위해서는 제어 밸브를 개방해야 하는 모순이 생긴다. 이러한 경우에는 온도와 습도의 면에서 기준값과의 차이가 어느 정도인지를 먼저 판별한 후 보다 우세한 영향을 주는 인자에 맞게 밸브 개도를 제어하여야 한다.

상기 F 값이 (-)이면 결빙이 일어날 가능성이 있는 것이고, F값이 작아질수록 그 확률은 더욱 커진다. 반대로 F 값이 (+) 이면 결빙이 일어날 가능성이 낮은 것이고, F 값이 커질수록 그 확률은 낮아진다. 상기와 같은 수식을 이용하면, 상술한 4가지 파라미터가 결빙에 미치는 영향을 객관적이고 신속하게 판단할 수 있으므로, 그에 따른 정확한 밸브 개도 제어가 이루어 질 수 있다.

여기서, 상기 제어부는 별도로 구비될 수도 있고, 기 존재하는 가스 터빈 제어 시스템의 일부로서 구성될 수도 있다.

Claims (7)

1. 외부의 공기가 유입되는 흡입구를 갖는 하우징;
   상기 하우징 내에 배치되며, 유입된 공기를 압축하는 압축기;
   상기 압축기에 의해 생성된 압축공기와 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기;
   상기 연소기에 의해 생성된 배기 가스를 도입하여 회전력을 생성하는 터빈; 및
   상기 터빈을 통과한 배기 가스를 하우징 외부로 배출하는 디퓨저;를 포함하는 가스 터빈으로서,
   상기 압축공기의 일부를 상기 흡입구 측으로 유도하는 추기관;
   상기 추기관을 개폐하는 제어 밸브; 및
   상기 제어 밸브의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하고,
   외부 온도, 습도, 터빈 출력 및 회전속도를 각각 Ta, Ha, Pt, Vt라 하고, 기준 온도, 습도, 출력 및 회전속도를 각각 Ts, Hs, Ps, Vs라 할 때, 상기 제어부는 하기 식(1)에 의해 계산된 값이 양의 값인 경우에는 제어 밸브의 개도를 감소시키고, 음의 값인 경우에는 제어 밸브의 개도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 결빙 방지 수단을 갖는 가스 터빈.
   F = K1·(Ta-Ts) - K2· (Ha-Hs) - K3· (Pt-Ps) - K4· (Vt-Vs) … 식(1)
   여기서, K1, K2, K3, K4는 사전에 결정된 임의의 상수.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 제어 밸브는 솔레노이드 밸브인 것을 특징으로 하는 결빙 방지 수단을 갖는 가스 터빈.

Images