KR101985108B1 - 부분부하 성능 개선이 가능한 가스터빈 및 이의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 IGV의 각도를 배기가스 온도(EGT)와 동시에 목표부하 도달 후 엔진 효율에 따라 조절함으로써 동일한 출력 지점에서 효율 최적화가 가능한 가스터빈 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 본 발명은, 케이싱과, 상기 케이싱 내에 배치되며, 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기와, 상기 압축기에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 복수의 연소기와, 상기 연소기에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 복수의 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈과, 상기 압축기의 입구에 구비되며 상기 케이싱에 각도 조절 가능하게 결합되는 IGV(Inlet Guide Vane)를 포함하는 가스터빈을 제어하는 방법에 있어서, 목표부하를 지령하는 부하 지령 단계와, 상기 목표부하에 도달하기 위해 상기 연소기에 공급되는 연료의 공급량과 상기 IGV의 각도를 제어하는 목표부하 도달 단계와, 목표부하 도달 후 NOx와 CO의 농도를 판단하는 농도 판단 단계 및 상기 농도 판단 단계에 의해 판단된 농도가 제한값을 넘지 않는 경우 엔진 효율에 따라 상기 IGV의 각도를 제어하는 제2 각도 제어단계를 포함하는 가스터빈의 제어방법을 제공한다.

Description

부분부하 성능 개선이 가능한 가스터빈 및 이의 제어방법{GAS TURBINE FOR IMPROVING PERFORMANCE AT PART-LOAD AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 부분부하 성능 개선이 가능한 가스터빈 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 IGV(Inlet Guide Vane)의 각도를 배기가스 온도(Exhaust Gas Temperature; EGT)와 동시에 목표부하 도달 후 엔진 효율에 따라 조절함으로써 동일한 출력 지점에서 효율 최적화가 가능한 가스터빈 및 이의 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 터빈은 물, 가스, 증기 등과 같은 유체가 가지는 에너지를 기계적 일로 변환시키는 기계로서, 보통 회전체의 원주에 여러 개의 깃 또는 날개를 심고 거기에 증기 또는 가스를 내뿜어 충동력 또는 반동력으로 고속회전시키는 터보형의 기계를 터빈이라고 한다.

이러한 터빈의 종류로는, 높은 곳의 물이 가지는 에너지를 이용하는 수력 터빈, 증기가 가지는 에너지를 이용하는 증기 터빈, 고압의 압축공기가 가지는 에너지를 이용하는 공기 터빈, 고온 고압의 가스가 가지는 에너지를 이용하는 가스 터빈 등이 있다.

일반적으로 가스 터빈은 압축기에서 고압으로 압축된 공기에 연료를 혼합시킨 후 연소시켜 생성되는 고온, 고압의 연소 가스를 터빈에 분사시켜 회전시킴으로써 열에너지를 역학적 에너지로 변환하는 내연기관의 일종이다.

이러한 가스 터빈은 4 행정 기관의 피스톤과 같은 왕복운동 기구가 없기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적으며 왕복 운동기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되고, 고속운동이 가능한 장점이 있다.

상기 압축기는 외부 공기의 유입량을 조절하기 위해 케이싱에 다수의 가변 베인(Variable Guide Vanes)을 각도 조절 가능하게 구비하고 있다. 상기 가변 베인은 유입 공기량을 정밀조절하여 시동 안정성을 부여하고 시동 및 정지시 압축기의 맥동을 보호하여 터빈 효율을 향상시키게 된다.

이때, 터빈 출구 온도, 즉 배기가스 온도는 가스 터빈의 작동을 제어하고 작동 중에 가스 터빈을 보호하기 위해 사용될 수 있는 하나의 파라미터로, 상기 가변 베인, 특히 상기 압축기의 입구에 위치하는 가변 입구 베인(IGV)은 배기가스 온도에 의해 각도가 조절될 수 있다.

즉, 종래에는 상기 IGV의 각도가 유입 공기량을 조절하여 최대 터빈 출구 온도를 넘지 않도록 하기 위하여 배기가스 온도에 따라 조절되었다.

하지만, 배기가스 온도에 따라 정해진 IGV 각도로만 운전하여 최대 효율운전이 어려우며, 부분부하 성능을 높일 수 있는 방법이 제한적이라는 문제점이 있다.

본 발명은 IGV의 각도를 배기가스 온도(EGT)와 동시에 목표부하 도달 후 엔진 효율에 따라 조절함으로써 동일한 출력 지점에서 효율 최적화가 가능한 가스터빈 및 이의 제어방법을 제공하는 것에 목적이 있다.

상기의 과제를 해결하기 위해 본 발명은 배기가스 온도(EGT)에 따라, 즉 최대 EGT를 제한하며 목표부하까지 IGV의 각도를 조절할 뿐만 아니라, 목표부하 도달 후에도 엔진효율에 따라 IGV의 각도를 추가로 조절함으로써 목표부하에서의 최대 효율을 얻을 수 있도록 한다.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 케이싱과, 상기 케이싱 내에 배치되며, 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기와, 상기 압축기에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 연소기와, 상기 연소기에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 복수의 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈과, 상기 압축기의 입구에 구비되며 상기 케이싱에 각도 조절 가능하게 결합되는 IGV(Inlet Guide Vane) 및 상기 IGV의 각도를 제어하기 위한 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 목표부하 도달까지 최대 배기가스 온도(EGT)를 넘지 않도록 상기 IGV의 각도를 제어하는 제1 각도 제어부와, 목표부하 도달 후 질소산화물(NOx)과 일산화탄소(CO)의 농도를 판단하는 농도 판단부 및 상기 농도 판단부에 의해 판단된 농도가 제한값을 넘지 않는 경우 엔진 효율에 따라 상기 IGV의 각도를 제어하는 제2 각도 제어부를 포함하는 가스터빈을 제공한다.

상기 제1 각도 제어부는, 최대 배기가스 온도에 도달하지 않은 경우에는 상기 IGV의 각도를 최소 각도로 유지하며, 최대 배기가스 온도에 도달한 경우에는 상기 압축기로 유입되는 공기량을 증가시키기 위해 상기 IGV의 각도를 조절할 수 있다.

이때, 상기 IGV의 최소 각도는 -50°일 수 있다.

또한, 상기 NOx와 CO의 제한값은 각각 15ppm과 10ppm일 수 있다.

또한, 상기 제2 각도 제어부는, 상기 IGV의 각도를 일정 각도씩 변경하는 각도 변경부 및 상기 각도 변경부에 의한 변경시마다 엔진 효율을 평가하는 효율 평가부를 포함할 수 있다.

이때, 상기 각도 변경부는, 상기 IGV의 각도를 1°씩 변경할 수 있다.

또한, 상기 각도 변경부는, 상기 IGV의 각도를 서로 다른 방향으로 1°만큼 변경하여 평가된 효율을 비교한 후 효율이 높아지는 방향으로 1°씩 추가로 변경할 수 있다.

상기 제2 각도 제어부는, 상기 각도 변경부에 의해 상기 IGV의 각도가 변경된 이후 상기 효율 평가부에 의해 평가된 효율이 변경 전 효율보다 높아지면 상기 각도 변경부에 의해 상기 IGV의 각도가 추가로 변경되도록 하며, 변경 전 효율보다 낮아지면 상기 IGV의 각도가 변경 전 각도로 복원되도록 할 수 있다.

상기 최대 배기가스 온도(EGT)는 640℃일 수 있다.

또한, 상기 연소기로 공급되는 연료의 공급량을 조절하기 위한 연료 조절부를 더 포함하며, 상기 연료 조절부는, 상기 제1 각도 제어부 및 제2 각도 제어부에 의해 상기 IGV의 각도가 제어될 때, 목표부하에 도달 및 유지할 수 있도록 연료의 공급량을 조절할 수 있다.

또한, 본 발명은, 케이싱과, 상기 케이싱 내에 배치되며, 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기와, 상기 압축기에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 연소기와, 상기 연소기에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 복수의 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈과, 상기 압축기의 입구에 구비되며 상기 케이싱에 각도 조절 가능하게 결합되는 IGV(Inlet Guide Vane)를 포함하는 가스터빈을 제어하는 방법에 있어서, 목표부하를 지령하는 부하 지령 단계와, 상기 목표부하에 도달하기 위해 상기 연소기에 공급되는 연료의 공급량과 상기 IGV의 각도를 제어하는 목표부하 도달 단계와, 목표부하 도달 후 질소산화물(NOx)과 일산화탄소(CO)의 농도를 판단하는 농도 판단 단계 및 상기 농도 판단 단계에 의해 판단된 농도가 제한값을 넘지 않는 경우 엔진 효율에 따라 상기 IGV의 각도를 제어하는 제2 각도 제어단계를 포함하는 가스터빈의 제어방법을 제공한다.

이때, 상기 목표부하 도달 단계는, 목표부하 도달까지 최대 배기가스 온도(EGT)를 넘지 않도록 상기 IGV의 각도를 제어하는 제1 각도 제어단계를 포함할 수 있다.

상기 제1 각도 제어단계는, 최대 배기가스 온도에 도달하지 않은 경우에는 상기 IGV의 각도를 최소 각도로 유지하며, 최대 배기가스 온도에 도달한 경우에는 상기 압축기로 유입되는 공기량을 증가시키기 위해 상기 IGV의 각도를 조절하도록 제어할 수 있다.

이때, 상기 IGV의 최소 각도는 -50°일 수 있다.

또한, 상기 NOx와 CO의 제한값은 각각 15ppm과 10ppm일 수 있다.

또한, 상기 제2 각도 제어단계는, 상기 IGV의 각도를 일정 각도씩 변경하며, 변경 시마다 엔진 효율을 평가하여 효율이 가장 높은 상기 IGV의 각도로 제어할 수 있다.

이때, 상기 제2 각도 제어단계는, 상기 IGV의 각도를 1°씩 변경할 수 있다.

상기 제2 각도 제어단계는, 상기 IGV의 각도를 서로 다른 방향으로 1°만큼 변경하여 평가된 효율을 비교한 후 효율이 높아지는 방향으로 1°씩 추가로 변경할 수 있다.

상기 최대 배기가스 온도(EGT)는 640℃일 수 있다.

또한, 상기 제2 각도 제어단계에 의해 상기 IGV의 각도가 변경됨에 따라 부하가 변동되는 경우 목표부하를 유지할 수 있도록 연료의 공급량을 조절하기 위한 연료 공급 조절단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 최대 EGT를 제한하며 목표부하까지 IGV의 각도를 조절할 뿐만 아니라, 목표부하 도달 후에도 엔진효율에 따라 IGV의 각도를 추가로 조절함으로써 목표부하에서의 최대 효율을 얻을 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈의 개략적인 구조를 도시한 단면도.
도 2는 도 1의 압축기 일부분을 간략하게 도시한 단면도.
도 3은 도 2의 A-A에서의 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈의 제어방법을 순차적으로 도시한 순서도.

이하, 본 발명의 부분부하 성능 개선이 가능한 가스터빈 및 이의 제어방법에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도 1 내지 4를 참조하여 설명하도록 한다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으며, 아래의 실시 예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구 범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈의 개략적인 구조를 도시한 단면도, 도 2는 도 1의 압축기 일부분을 간략하게 도시한 단면도, 도 3은 도 2의 A-A에서의 단면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈의 제어방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.

이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈에 관하여, 도 1을 참조하여 설명하도록 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 터빈(1)은, 크게 케이싱(100)과, 상기 케이싱(100) 내에 배치되며, 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기(200)와, 상기 압축기(200)에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 복수의 연소기(300)와, 상기 연소기(300)에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 복수의 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈(400)을 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 케이싱(100)은, 상기 압축기(200)가 수용되는 압축기 케이싱(102), 상기 연소기(300)가 수용되는 연소기 케이싱(103) 및 상기 터빈(400)이 수용되는 터빈 케이싱(104)을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 압축기 케이싱, 연소기 케이싱 및 터빈 케이싱이 일체로 형성될 수도 있다.

여기서, 상기 압축기 케이싱(102), 상기 연소기 케이싱(103) 및 상기 터빈 케이싱(104)은 유체 흐름 방향 상 상류 측으로부터 하류 측으로 순차적으로 배열될 수 있다.

상기 케이싱(100)의 내부에는 로터(중심축; 500)가 회전 가능하게 구비되며, 발전을 위해 상기 로터(500)에는 발전기(미도시)가 연동되고, 상기 케이싱(100)의 하류 측에는 상기 터빈(400)을 통과한 연소 가스를 배출하는 디퓨저가 구비될 수 있다.

상기 로터(500)는, 상기 압축기 케이싱(102)에 수용되는 압축기 로터 디스크(520), 상기 터빈 케이싱(104)에 수용되는 터빈 로터 디스크(540) 및 상기 연소기 케이싱(103)에 수용되고 상기 압축기 로터 디스크(520)와 상기 터빈 로터 디스크(540)를 연결하는 토크 튜브(530), 상기 압축기 로터 디스크(520), 상기 토크 튜브(530) 및 상기 터빈 로터 디스크(540)를 체결하는 타이 로드(550)와 고정 너트(560)를 포함할 수 있다.

상기 압축기 로터 디스크(520)는 복수(예를 들어 14매)로 형성되고, 복수의 상기 압축기 로터 디스크(520)는 상기 로터(500)의 축 방향을 따라 배열될 수 있다. 즉, 상기 압축기 로터 디스크(520)는 다단으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 각 압축기 로터 디스크(520)는 대략 원판형으로 형성되고, 외주부에는 후술할 압축기 블레이드(220)와 결합되는 압축기 블레이드 결합 슬롯이 형성될 수 있다.

상기 터빈 로터 디스크(540)는 상기 압축기 로터 디스크(520)와 유사하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 터빈 로터 디스크(540)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 로터 디스크(540)는 상기 로터(500)의 축 방향을 따라 배열될 수 있다. 즉, 상기 터빈 로터 디스크(540)는 다단으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 각 터빈 로터 디스크(540)는 대략 원판형으로 형성되고, 외주부에는 후술할 터빈 블레이드(420)와 결합되는 터빈 블레이드 결합 슬롯이 형성될 수 있다.

상기 토크 튜브(530)는 상기 터빈 로터 디스크(540)의 회전력을 상기 압축기 로터 디스크(520)로 전달하는 토크 전달 부재로서, 일단부가 복수의 상기 압축기 로터 디스크(520) 중 공기의 유동 방향 상 최하류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크와 체결되고, 타단부가 복수의 상기 터빈 로터 디스크(540) 중 연소 가스의 유동 방향 상 최상류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크와 체결될 수 있다. 여기서, 상기 토크 튜브(530)의 일단부와 타단부 각각에는 돌기가 형성되고, 상기 압축기 로터 디스크(520)와 상기 터빈 로터 디스크(540) 각각에는 상기 돌기와 치합되는 홈이 형성되어, 상기 토크 튜브(530)가 상기 압축기 로터 디스크(520) 및 상기 터빈 로터 디스크(540)에 대해 상대 회전이 방지될 수 있다.

또한, 상기 토크 튜브(530)는, 상기 압축기(200)로부터 공급되는 공기가 그 토크 튜브(530)를 통과하여 상기 터빈(400)으로 유동 가능하도록, 중공형의 실린더 형태로 형성될 수 있다.

이때, 상기 토크 튜브(530)는 장기간 지속적으로 운전되는 가스 터빈의 특성상 변형 및 뒤틀림 등에 강하게 형성되고, 용이한 유지 보수를 위해 조립 및 해체가 용이하게 형성될 수 있다.

상기 타이 로드(550)는 복수의 상기 압축기 로터 디스크(520), 상기 토크 튜브(530) 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크(540)를 관통하도록 형성되고, 일단부가 복수의 상기 압축기 로터 디스크(520) 중 공기의 유동 방향 상 최상류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 타단부가 복수의 상기 터빈 로터 디스크(540) 중 연소 가스의 유동 방향 상 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크를 기준으로 상기 압축기(200)의 반대측으로 돌출되고 상기 고정 너트(560)와 체결될 수 있다.

여기서, 상기 고정 너트(560)는 상기 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크(540)를 상기 압축기(200) 측으로 가압하고, 상기 최상류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크(520)와 상기 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크(540) 사이 간격이 감소됨에 따라, 복수의 상기 압축기 로터 디스크(520), 상기 토크 튜브(530) 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크(540)가 상기 로터(500)의 축 방향으로 압축될 수 있다. 이에 따라, 복수의 상기 압축기 로터 디스크(520), 상기 토크 튜브(530) 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크(540)의 축 방향 이동 및 상대 회전이 방지될 수 있다.

한편, 본 실시예의 경우 하나의 상기 타이 로드가 복수의 상기 압축기 로터 디스크, 상기 토크 튜브 및 복수의 상기 터빈 로터 디스크의 중심부를 관통하도록 형성되나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 압축기 측과 터빈 측에 각각 별도의 타이 로드가 구비될 수도 있고, 복수의 타이 로드가 원주 방향을 따라 방사상으로 배치될 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.

이러한 구성에 따른 상기 로터(500)는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되고, 일단부가 상기 발전기의 구동축에 연결될 수 있다.

상기 압축기(200)는, 상기 로터(500)와 함께 회전되는 압축기 블레이드(220) 및 상기 압축기 블레이드(220)로 유입되는 공기의 흐름을 정렬하도록 상기 케이싱(100)에 설치되는 압축기 베인(240)을 포함할 수 있다.

상기 압축기 블레이드(220)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 압축기 블레이드(220)는 상기 로터(500)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성되고, 복수의 상기 압축기 블레이드(220)는 각 단마다 상기 로터(500)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.

즉, 상기 압축기 블레이드(220)의 루트부(220a)는 상기 압축기 로터 디스크(520)의 압축기 블레이드 결합 슬롯에 결합되며, 상기 루트부(220a)는 상기 압축기 블레이드(220)가 그 압축기 블레이드 결합 슬롯으로부터 상기 로터(500)의 회전 반경 방향으로 이탈되는 것을 방지하도록, 전나무(fir-tree) 형태로 형성될 수 있다.

이때, 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯은 마찬가지로, 상기 압축기 블레이드의 루트부(220a)에 대응되도록 전나무 형태로 형성될 수 있다.

본 실시 예의 경우, 상기 압축기 블레이드 루트부(220a)와 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯은 전나무 형태로 형성되나, 이에 한정되는 것은 아니고 도브 테일 형태 등으로 형성될 수도 있다. 또는, 상기 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 상기 압축기 블레이드를 상기 압축기 로터 디스크에 체결할 수 있다.

여기서, 상기 압축기 로터 디스크(520)와 상기 압축기 블레이드(220)는 통상적으로 탄젠셜 타입(tangential type) 또는 액셜 타입(axial type)으로 결합되는데, 본 실시예의 경우에는, 상기 압축기 블레이드 루트부(220a)가 전술한 바와 같이 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯에 상기 로터(500)의 축 방향을 따라 삽입되는 소위 액셜 타입 형태로 형성되고 있다. 이에 따라, 본 실시 예에 따른 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯은 복수로 형성되고, 복수의 상기 압축기 블레이드 결합 슬롯은 상기 압축기 로터 디스크(520)의 원주 방향을 따라 방사상으로 배열될 수 있다.

상기 압축기 베인(240)은 복수로 형성되고, 복수의 상기 압축기 베인(240)은 상기 로터(500)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 압축기 베인(240)과 상기 압축기 블레이드(220)는 공기 유동 방향을 따라 서로 번갈아 배열될 수 있다.

또한, 복수의 상기 압축기 베인(240)은 각 단마다 상기 로터(500)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.

이때, 상기 복수의 압축기 베인(240)의 일부는 상기 압축기(200)로 유입되는 공기의 유입량을 조절하기 위해 상기 케이싱(100)에 각도 조절이 가능하게 결합되는 가변 베인(Variable Guide Vanes)에 해당할 수 있다.

상기 가변 베인은 다양한 작동 조건에서, 예를 들어 가스터빈의 시동 및 정지 시 열린 상태와 닫힌 상태 사이에서 각도가 조절되어 상기 압축기(200)로 유입되는 공기의 유입량을 증가 또는 감소시킬 수 있도록 하며, 상기 공기의 유입량을 정밀조절하여 시동 안정성을 부여하고 시동 및 정지시 상기 압축기(200)의 맥동을 보호하여 터빈 효율을 향상시킬 수 있다.

구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에서 상기 가변 베인은 상기 복수의 압축기 베인(240) 중 1단 내지 4단의 압축기 베인에 해당하며, 5단 이후의 압축기 베인은 상기 케이싱(100)에 고정 설치될 수 있다. 이하, 1단에 위치하는, 즉 상기 압축기(200)의 입구에 구비되는 압축기 베인을 IGV(Inlet Guide Vane; 241)라고 명명하며, 2단 내지 4단에 위치하는 압축기 베인을 각각 2단 가변 베인(242), 3단 가변 베인(243) 및 4단 가변 베인(244)이라고 명명하기로 한다.

하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 4단 초과 또는 미만의 가변 베인이 형성될 수 있음은 물론이다.

이에 따라, 상기 압축기(200)의 입구에서 상기 터빈(400) 측으로 가면서 상기 IGV(241), 1단 압축기 블레이드(221), 상기 2단 가변 베인(242), 2단 압축기 블레이드(222), 상기 3단 가변 베인(243), 3단 압축기 블레이드(223) 및 상기 4단 가변 베인(244)이 차례로 배치되고 있다.

상기 IGV(241) 및 2단 내지 4단 가변 베인(242, 243, 244)은 상기 케이싱(100)에 각각 스핀들(261, 262, 263, 264)로 연결되며, 이를 구동하기 위한 구동부(281, 282, 283, 284)가 상기 스핀들(261, 262, 263, 264)에 연결되어 스핀들을 회전시킴에 따라 상기 IGV(241) 및 2단 내지 4단 가변 베인(242, 243, 244)의 각도가 조절될 수 있다.

하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 IGV(241) 및 2단 내지 4단 가변 베인(242, 243, 244)이 상기 케이싱(100)에 각도 조절 가능하게 결합되는 구조라면 어느 것이든 무관하다.

상기 구동부(281, 282, 283, 284)는 전기, 유압, 압축 공기 등을 사용하는 액추에이터를 포함하여 구동을 위한 것이라면 다양하게 형성될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 IGV(241) 및 2단 내지 4단 가변 베인(242, 243, 244)은 리딩 에지(leading edge)와 트레일링 에지(trailing edge)를 포함하는 일반적인 에어포일의 형상을 갖도록 형성될 수 있으며, 상기 각 스핀들(261, 262, 263, 264)의 축을 중심으로 회전되며 각도 조절이 가능하도록 형성된다.

도 3에서, 상기 IGV(241)는 상기 압축기(200)로 유입되는 공기량을 최소화할 수 있는 최소 각도 상태, 즉 클로즈 상태에 있는 것으로 도시되어 있다. 이때, 상기 IGV(241)는 상기 압축기(200)로 공기가 유동되는 방향, 즉 상기 로터(500)의 축 방향을 기준으로 -50°를 이루고 있다.

상기 IGV(241)는 상기 구동부(281)에 의해 상기 스핀들(261)의 축을 중심으로 회전 가능하며, 이에 따라 상기 IGV(241)는 상기 압축기(200)로 유입되는 공기량을 최대화할 수 있는 오픈 상태로 조절될 수 있다. 오픈 상태에서, 상기 IGV(241)는 상기 압축기(200)로 공기가 유동되는 방향, 즉 상기 로터(500)의 축 방향을 따라 나란하게 배치된다.

상기 IGV(241)는 상기의 클로즈 상태와 오픈 상태 사이에서 임의의 각도로 조절될 수 있으며, 상기 2단 내지 4단 가변 베인(242, 243, 244)도 마찬가지로 조절될 수 있다.

또한, 본 발명의 가스터빈은, 상기 IGV(241)의 각도를 제어하기 위한 제어부(600)를 포함하며, 상기 제어부(600)는 상기 구동부(281)를 제어함으로써 상기 IGV(241)의 각도를 조절할 수 있다.

상기 제어부(600)는, 배기가스 온도(EGT)에 따라, 즉 최대 배기가스 온도(EGT)를 제한하며 목표부하까지 상기 IGV(241)의 각도를 조절할 뿐만 아니라, 목표부하 도달 후에도 엔진효율에 따라 상기 IGV(241)의 각도를 추가로 조절함으로써 목표부하에서의 최대 효율을 얻을 수 있도록 한다.

상기 제어부(600) 및 이의 제어방법에 관하여는 아래에서 상세히 살펴보도록 한다.

상기 연소기(300)는 상기 압축기(200)로부터 유입되는 공기를 연료와 혼합 및 연소시켜 높은 에너지의 고온 고압 연소 가스를 만들어 내며, 등압 연소 과정으로 그 연소기 및 상기 터빈이 견딜 수 있는 내열 한도까지 연소 가스 온도를 높이도록 형성될 수 있다.

구체적으로, 상기 연소기(300)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 연소기(300)는 상기 연소기 케이싱에 상기 로터(500)의 회전 방향을 따라 배열될 수 있다.

또한, 상기 각 연소기(300)는, 상기 압축기(200)에서 압축된 공기가 유입되는 라이너, 상기 라이너에 유입되는 공기에 연료를 분사하고 연소시키는 버너 및 상기 버너에서 생성되는 연소 가스를 상기 터빈으로 안내하는 트랜지션 피스를 포함할 수 있다.

상기 라이너는, 연소실을 형성하는 화염통 및 상기 화염통을 감싸면서 환형 공간을 형성하는 플로우 슬리브를 포함할 수 있다.

상기 버너는, 상기 연소실로 유입되는 공기에 연료를 분사하도록 상기 라이너의 전단 측에 형성되는 연료 분사 노즐 및 상기 연소실에서 혼합된 공기와 연료가 착화되도록 상기 라이너의 벽부에 형성되는 점화 플러그를 포함할 수 있다.

상기 트랜지션 피스는 연소 가스의 높은 온도에 의해 손상되지 않도록 그 트랜지션 피스의 외벽부가 상기 압축기로부터 공급되는 공기에 의해 냉각되도록 형성될 수 있다.

즉, 상기 트랜지션 피스에는 공기를 내부로 분사하기 위한 냉각 홀이 형성되고, 공기가 그 냉각 홀을 통해 내부에 있는 본체를 냉각시킬 수 있다.

한편, 상기 트랜지션 피스를 냉각시킨 공기는 상기 라이너의 환형 공간으로 유동되고, 상기 라이너의 외벽에는 상기 플로우 슬리브의 외부에서 공기가 상기 플로우 슬리브에 마련되는 냉각 홀을 통해 냉각 공기로 제공되어 충돌할 수 있다.

여기서, 별도로 도시하지는 않았으나, 상기 압축기(200)와 상기 연소기(300) 사이에는 상기 연소기(300)로 유입되는 공기의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위해 안내깃 역할을 하는 디스월러(desworler)가 형성될 수 있다.

다음으로, 상기 터빈(400)은 상기 압축기(200)와 유사하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 터빈(400)은, 상기 로터(500)와 함께 회전되는 터빈 블레이드(420) 및 상기 터빈 블레이드(420)로 유입되는 공기의 흐름을 정렬하도록 상기 케이싱(100)에 고정 설치되는 터빈 베인(440)을 포함할 수 있다.

상기 터빈 블레이드(420)는 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 블레이드(420)는 상기 로터(500)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성되고, 복수의 상기 터빈 블레이드(420)는 각 단마다 상기 로터(500)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.

즉, 상기 터빈 블레이드(420)의 루트부(420a)는 상기 터빈 로터 디스크(540)의 터빈 블레이드 결합 슬롯에 결합되며, 상기 루트부(420a)는 상기 터빈 블레이드(420)가 그 터빈 블레이드 결합 슬롯으로부터 상기 로터(500)의 회전 반경 방향으로 이탈되는 것을 방지하도록, 전나무(fir-tree) 형태로 형성될 수 있다.

이때, 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯은 마찬가지로, 상기 터빈 블레이드의 루트부(420a)에 대응되도록 전나무 형태로 형성될 수 있다.

본 실시 예의 경우, 상기 터빈 블레이드 루트부(420a)와 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯은 전나무 형태로 형성되나, 이에 한정되는 것은 아니고 도브 테일 형태 등으로 형성될 수도 있다. 또는, 상기 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 상기 터빈 블레이드를 상기 터빈 로터 디스크에 체결할 수 있다.

여기서, 상기 터빈 로터 디스크(540)와 상기 터빈 블레이드(420)는 통상적으로 탄젠셜 타입(tangential type) 또는 액셜 타입(axial type)으로 결합되는데, 본 실시예의 경우에는, 상기 터빈 블레이드 루트부(420a)가 전술한 바와 같이 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯에 상기 로터(500)의 축 방향을 따라 삽입되는 소위 액셜 타입 형태로 형성되고 있다. 이에 따라, 본 실시 예에 따른 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯은 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 블레이드 결합 슬롯은 상기 터빈 로터 디스크(540)의 원주 방향을 따라 방사상으로 배열될 수 있다.

상기 터빈 베인(440)은 복수로 형성되고, 복수의 상기 터빈 베인(440)은 상기 로터(500)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 터빈 베인(440)과 상기 터빈 블레이드(420)는 공기 유동 방향을 따라 서로 번갈아 배열될 수 있다.

또한, 복수의 상기 터빈 베인(440)은 각 단마다 상기 로터(500)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.

여기서, 상기 터빈(400)은 상기 압축기(200)와 달리 고온 고압의 연소 가스와 접촉하므로, 열화 등의 손상을 방지하기 위한 냉각 수단을 필요로 한다.

이에 따라, 본 실시 예에 따른 가스 터빈은, 상기 압축기(200)의 일부 개소에서 압축된 공기를 추기하여 상기 터빈(400)으로 공급하는 냉각 유로를 더 포함할 수 있다.

상기 냉각 유로는 실시 예에 따라, 상기 케이싱(100)의 외부에서 연장되거나(외부 유로), 상기 로터(500)의 내부를 관통하여 연장될 수 있고(내부 유로), 외부 유로 및 내부 유로를 모두 사용할 수도 있다.

이때, 상기 냉각 유로는 상기 터빈 블레이드(420)의 내부에 형성되는 터빈 블레이드 쿨링 유로와 연통되어, 상기 터빈 블레이드(420)가 냉각 공기에 의해 냉각될 수 있다.

또한, 상기 터빈 블레이드 쿨링 유로는 상기 터빈 블레이드(420)의 표면에 형성되는 터빈 블레이드 필름 쿨링 홀과 연통되어, 냉각 공기가 상기 터빈 블레이드(420)의 표면에 공급됨으로써, 상기 터빈 블레이드(420)가 냉각 공기에 의해 소위 막 냉각될 수 있다.

이외에도, 상기 터빈 베인(440) 역시 상기 터빈 블레이드(420)와 유사하게 상기 냉각 유로로부터 냉각 공기를 공급받아 냉각될 수 있도록 형성될 수 있다.

이러한 구성에 따른 가스 터빈(1)은, 상기 케이싱(100)으로 유입되는 공기가 상기 압축기(200)에 의해 압축되고, 상기 압축기에 의해 압축된 공기가 상기 연소기(300)에 의해 연료와 혼합된 뒤 연소되어 연소 가스가 되고, 상기 연소기에서 생성된 연소 가스가 상기 터빈(400)으로 유입되고, 상기 터빈(400)으로 유입된 연소 가스가 상기 터빈 블레이드(420)를 통해 상기 로터(500)를 회전시킨 후 상기 디퓨저를 통해 대기로 배출되며, 연소 가스에 의해 회전되는 상기 로터(500)가 상기 압축기(200) 및 상기 발전기를 구동할 수 있다. 즉, 상기 터빈에서 얻은 기계적 에너지 중 일부는 상기 압축기에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되고, 나머지는 상기 발전기로 전력을 생산하는데 이용될 수 있다.

여기서, 상기의 가스터빈은 본 발명의 일 실시 예에 불과하며, 아래에서 자세히 설명할 본 발명의 IGV의 각도를 제어하기 위한 제어부 및 이의 제어방법은 일반적인 가스터빈에 모두 적용될 수 있다.

이하, 상기 제어부(600) 및 이의 제어방법에 관하여 자세히 설명하도록 한다.

본 실시 예에서, 상기 제어부(600)는, 목표부하 도달까지 최대 배기가스 온도(EGT)를 넘지 않도록 상기 IGV(241)의 각도를 제어하는 제1 각도 제어부(620)와, 목표부하 도달 후 NOx와 CO의 농도를 판단하는 농도 판단부(640) 및 상기 농도 판단부에 의해 판단된 농도가 제한값을 넘지 않는 경우 엔진 효율에 따라 상기 IGV(241)의 각도를 제어하는 제2 각도 제어부(660)를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 제1 각도 제어부(620)는, 최대 배기가스 온도에 도달하지 않은 경우에는 상기 IGV(241)의 각도를 최소 각도로 유지하며, 최대 배기가스 온도에 도달한 경우에는 상기 압축기(200)로 유입되는 공기량을 증가시키기 위해 상기 IGV(241)의 각도를 조절할 수 있다.

즉, 배기가스의 온도가 최대 제한치를 넘지 않는 경우에는 상기 IGV(241)의 각도를 도 3에 도시된 바와 같이 최소 각도로(클로즈 상태) 유지하여 상기 압축기(200)로 유입되는 공기량이 최소가 될 수 있도록 한다.

이때, 상기 IGV(241)의 최소 각도는 상기에서 살펴본 바와 같이 -50°에 해당할 수 있으며, 상기 최대 배기가스 온도(EGT)는 640℃로 설정할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 다른 각도 및 온도로 설정할 수 있음은 물론이다.

또한, 배기가스의 온도가 최대 제한치에 도달한 경우에는 상기 IGV(241)의 각도를 조절하여 상기 압축기(200)로 유입되는 공기량이 증가될 수 있도록 한다. 즉, 상기 IGV(241)의 각도를 상기 압축기(200)로 유입되는 공기의 유동 방향과 나란하게 배치되는 오픈 상태에 가까워지도록 조절함으로써 상기 압축기(200)로 유입되는 공기량을 늘려 배기가스 온도(EGT)가 낮아질 수 있도록 한다.

이때, 목표부하에 도달할 수 있도록 상기 연소기(300)로 공급되는 연료의 공급량은 연료 조절부(320)에 의해 조절될 수 있으며, 이는 아래의 제어방법에서 자세히 살펴보도록 한다.

상기 농도 판단부(640)는 상기 제1 각도 제어부(620)에 의해 상기 IGV(241)의 각도가 제어되며 목표부하에 도달한 후에 NOx와 CO의 농도를 판단하기 위한 것이다.

상기 농도 판단부(640)는 배기가스 중 NOx와 CO의 농도를 측정하고, 각각의 제한값과 비교하여 제한값을 넘는지 혹은 넘지 않는지를 판단하게 된다.

이때, 본 실시 예에서 상기 NOx와 CO의 제한값은 각각 15ppm과 10ppm로 설정할 수 있다.

상기 제2 각도 제어부(660)는 상기 농도 판단부(640)에 의해 판단된 NOx와 CO의 농도가 제한값을 넘지 않는 경우 엔진 효율에 따라 상기 IGV(241)의 각도를 제어하도록 한다.

상기 제2 각도 제어부(660)는, 상기 IGV(241)의 각도를 일정 각도씩 변경하는 각도 변경부(662) 및 상기 각도 변경부(662)에 의한 변경 시마다 엔진 효율을 평가하는 효율 평가부(664)를 포함한다.

즉, 상기 각도 변경부(662)는 상기 IGV(241)의 각도를 일정 각도씩, 본 실시 예에서는 1°씩 변경하며, 상기 효율 평가부(664)는 상기 각도 변경부(662)에 의해 각도가 변경될 때마다 엔진 효율을 평가함으로써 목표부하에서의 최대 효율을 위한 상기 IGV(241)의 각도를 찾기 위함이다.

이때, 상기 각도 변경부(662)는 상기 IGV(241)의 각도를 1°씩 변경하되, 서로 다른 방향으로 1°만큼 변경하여 평가된 효율을 비교한 후 효율이 높아지는 방향으로 1°씩 추가로 변경할 수 있다.

즉, 상기 IGV(241)의 각도를 현재 각도에서 +1°만큼 변경 후 상기 효율 평가부(664)에 의해 평가된 효율과 -1°만큼 변경 후 상기 효율 평가부(664)에 의해 평가된 효율을 비교하여, 효율이 더 높아지는 방향으로 1°씩 추가로 변경하도록 함으로써 최대 효율이 나타나는 IGV의 각도를 찾는 것이다.

이와 같이, 상기 제2 각도 제어부(660)는, 상기 각도 변경부(662)에 의해 상기 IGV(241)의 각도가 변경된 이후 상기 효율 평가부(664)에 의해 평가된 효율이 변경 전 효율보다 높아지면 상기 각도 변경부(662)에 의해 상기 IGV(241)의 각도가 추가로 변경되도록 하며, 변경 전 효율보다 낮아지면 상기 IGV(241)의 각도가 변경 전 각도로 복원되도록 함으로써 목표부하에서의 최대 효율을 얻기 위해 상기 IGV(241)의 각도를 제어할 수 있다.

또한, 상기 연료 조절부(320)는 상기 제2 각도 제어부(660)에 의해 상기 IGV(241)의 각도가 변경됨에 따라 부하가 변동되는 경우 목표부하를 유지할 수 있도록 연료의 공급량을 조절할 수 있다.

이하, 상기 제어부(600)를 통해 상기 가스터빈(1), 구체적으로 상기 IGV(241)의 각도가 제어되는 작동과정에 대하여 상세히 살펴보도록 한다.

우선, 상기 가스터빈(1)에 목표부하를 지령하면(부하 지령 단계), 상기 목표부하에 도달하기 위해 상기 연소기(300)에 공급되는 연료의 공급량과 상기 IGV(241)의 각도가 제어된다(목표부하 도달 단계).

즉, 상기 연료 조절부(320)에 의해 목표부하에 도달할 수 있도록 상기 연소기(300)로 공급되는 연료량은 증가하게 되며, 상기 제1 각도 제어부(620)에 의해 상기 IGV(241)의 각도가 제어된다.

상기 연소기(300)로 공급되는 연료량을 증가시킴에 따라 부하가 증가하며, 배기가스 온도(EGT) 또한 증가한다.

이때, 상기 IGV(241)의 각도는 목표부하 도달까지 최대 배기가스 온도(EGT)를 넘지 않도록 배기가스 온도에 따라 제어될 수 있다(제1 각도 제어단계).

구체적으로, 배기가스의 온도가 최대 제한치에 도달하지 않은 경우에는 상기 IGV(241)의 각도를 최소 각도로 유지하며 상기 압축기(200)로 유입되는 공기량이 최소가 될 수 있도록 하며, 배기가스의 온도가 최대 제한치에 도달한 경우에는 상기 압축기(200)로 유입되는 공기량을 증가시키기 위해 상기 IGV(241)의 각도를 조절하도록 제어한다. 즉, 최대 배기가스 온도에 도달한 경우에는 상기 IGV(241)의 각도를 상기 압축기(200)로 유입되는 공기의 유동 방향과 나란하게 배치되는 오픈 상태에 가까워지도록 조절함으로써 상기 압축기(200)로 유입되는 공기량을 늘려 배기가스 온도(EGT)가 낮아질 수 있도록 한다.

이때, 상기 IGV(241)의 최소 각도는 상기에서 살펴본 바와 같이 -50°에 해당할 수 있으며, 상기 최대 배기가스 온도(EGT)는 640℃로 설정할 수 있다.

이에 따라, 배기가스 온도가 최대 제한치, 본 실시 예에서는 640℃에 도달하기 전에 목표부하에 도달된다면 그 상태로 부하운전이 유지될 수 있으며, 목표부하에 도달하기 전 배기가스 온도가 640℃에 도달하게 되더라도 상기 IGV(241)의 각도를 조절 제어함으로써 최대 배기가스 온도(EGT)를 제한하며 목표부하까지 도달할 수 있다.

이때, 가스터빈의 설계에 따라 달라질 수 있으나, 일반적으로 상기 최대 EGT가 나타나는 목표부하는 30-40%일 수 있다.

상기와 같이 목표도달 후에는, NOx와 CO의 농도를 판단하게 된다(농도 판단 단계).

즉, 상기 농도 판단부(640)에 의해 배기가스 중 NOx와 CO의 농도가 측정되며, 각각의 제한값과 비교하여 제한값을 넘는지 혹은 넘지 않는지를 판단하게 된다.

이때, 본 실시 예에서 상기 NOx와 CO의 제한값은 각각 15ppm과 10ppm로 설정할 수 있다.

이에 따라, 만약 상기 농도 판단부(640)에 의해 판단된 NOx와 CO의 농도가 제한값을 넘는 경우에는 그 상태로 부하운전을 유지하며, 농도가 제한값을 넘지 않는 경우 상기 IGV(241)의 각도를 아래와 같이 추가로 조절하여 최대의 효율을 얻도록 한다.

다음, 상기 농도 판단 단계에 의해 판단된 농도가 제한값을 넘지 않는 경우 엔진 효율에 따라 상기 IGV(241)의 각도가 제어될 수 있다(제2 각도 제어단계).

즉, 상기 제2 각도 제어부(660)에 의해 상기 IGV(241)의 각도가 제어될 수 있으며, 구체적으로, 상기 각도 변경부(662)에 의해 상기 IGV(241)의 각도가 일정 각도씩 변경될 수 있고, 상기 효율 평가부(664)에 의해 변경 시마다 엔진 효율이 평가될 수 있다.

상기 제2 각도 제어단계는, 상기에서 살펴본 바와 같이, 상기 각도 변경부(662)가 상기 IGV(241)의 각도를 일정 각도씩, 본 실시 예에서는 1°씩 변경하도록 하며, 상기 효율 평가부(664)가 각도가 변경될 때마다 엔진 효율을 평가하도록 함으로써 목표부하에서의 최대 효율을 위한 상기 IGV(241)의 각도로 제어할 수 있다.

이때, 상기 각도 변경부(662)는 상기 IGV(241)의 각도를 1°씩 변경하되, 서로 다른 방향으로 1°만큼 변경하여 평가된 효율을 비교한 후 효율이 높아지는 방향으로 1°씩 추가로 변경할 수 있다.

또한, 상기 제2 각도 제어 단계는, 상기 각도 변경부(662)에 의해 상기 IGV(241)의 각도가 변경된 이후 상기 효율 평가부(664)에 의해 평가된 효율이 변경 전 효율보다 높아지면 상기 각도 변경부(662)에 의해 상기 IGV(241)의 각도가 추가로 변경되도록 하며, 추가 변경 전 상기 농도 판단 단계에 의해 먼저 농도 판단이 이루어지도록 할 수 있다.

반대로, 변경 전 효율보다 낮아지면 상기 IGV(241)의 각도가 변경 전 각도로 복원되도록 함으로써 목표부하에서의 최대 효율을 얻기 위한 상기 IGV(241)의 각도로 제어할 수 있다.

또한, 상기 제2 각도 제어단계에 의해 상기 IGV(241)의 각도가 변경됨에 따라 부하가 변동되는 경우 목표부하를 유지할 수 있도록 연료의 공급량이 조절될 수 있다(연료 공급 조절단계). 이는 상기 연료 조절부(320)에 의해 조절될 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 최대 EGT를 제한하며 목표부하까지 IGV의 각도를 조절할 뿐만 아니라, 목표부하 도달 후에도 엔진효율에 따라 IGV의 각도를 추가로 조절함으로써 목표부하에서의 최대 효율을 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 NOx와 CO의 농도를 판단함으로써 Emission 만족이 가능하다.

본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

1: 가스터빈 100: 케이싱
102: 압축기 케이싱 103: 연소기 케이싱
104: 터빈 케이싱 200: 압축기
220: 압축기 블레이드 220a: 압축기 블레이드 루트부
221, 222, 223: 1단 내지 3단 압축기 블레이드
240: 압축기 베인 241: IGV(Inlet Guide Vane)
242, 243, 244: 2단 내지 4단 가변 베인
261, 262, 263, 264: 스핀들 281, 282, 283, 284: 구동부
300: 연소기 320: 연료 조절부
400: 터빈 420: 터빈 블레이드
420a: 터빈 블레이드 루트부 440: 터빈 베인
500: 로터 520: 압축기 로터 디스크
530: 토크 튜브 540: 터빈 로터 디스크
550: 타이로드 560: 고정 너트
600: 제어부 620: 제1 각도 제어부
640: 농도 판단부 660: 제2 각도 제어부
662: 각도 변경부 664: 효율 평가부

Claims (20)

1. 케이싱;
   상기 케이싱 내에 배치되며, 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기;
   상기 압축기에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 연소기;
   상기 연소기에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 복수의 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈;
   상기 압축기의 입구에 구비되며 상기 케이싱에 각도 조절 가능하게 결합되는 IGV(Inlet Guide Vane); 및
   상기 IGV의 각도를 제어하기 위한 제어부;를 포함하며,
   상기 제어부는,
   목표부하 도달까지 최대 배기가스 온도(EGT)를 넘지 않도록 상기 IGV의 각도를 제어하는 제1 각도 제어부;
   목표부하 도달 후 질소산화물(NOx)과 일산화탄소(CO)의 농도를 판단하는 농도 판단부; 및
   상기 농도 판단부에 의해 판단된 농도가 제한값을 넘지 않는 경우 엔진 효율에 따라 상기 IGV의 각도를 제어하는 제2 각도 제어부;를 포함하며,
   상기 제2 각도 제어부는,
   상기 IGV의 각도를 일정 각도씩 변경하는 각도 변경부; 및
   상기 각도 변경부에 의한 변경시마다 엔진 효율을 평가하는 효율 평가부;
   를 포함하는 가스터빈.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 각도 제어부는,
   최대 배기가스 온도에 도달하지 않은 경우에는 상기 IGV의 각도를 최소 각도로 유지하며, 최대 배기가스 온도에 도달한 경우에는 상기 압축기로 유입되는 공기량을 증가시키기 위해 상기 IGV의 각도를 조절하는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
3. 제2항에 있어서,
   상기 IGV의 최소 각도는 -50°인 것을 특징으로 하는 가스터빈.
4. 제1항에 있어서,
   상기 NOx와 CO의 제한값은 각각 15ppm과 10ppm인 것을 특징으로 하는 가스터빈.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 각도 변경부는, 상기 IGV의 각도를 1°씩 변경하는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
7. 제6항에 있어서,
   상기 각도 변경부는, 상기 IGV의 각도를 서로 다른 방향으로 1°만큼 변경하여 평가된 효율을 비교한 후 효율이 높아지는 방향으로 1°씩 추가로 변경하는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
8. 제1항에 있어서,
   상기 제2 각도 제어부는,
   상기 각도 변경부에 의해 상기 IGV의 각도가 변경된 이후 상기 효율 평가부에 의해 평가된 효율이 변경 전 효율보다 높아지면 상기 각도 변경부에 의해 상기 IGV의 각도가 추가로 변경되도록 하며, 변경 전 효율보다 낮아지면 상기 IGV의 각도가 변경 전 각도로 복원되도록 하는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
9. 제1항에 있어서,
   상기 최대 배기가스 온도(EGT)는 640℃인 것을 특징으로 하는 가스터빈.
10. 제1항에 있어서,
    상기 연소기로 공급되는 연료의 공급량을 조절하기 위한 연료 조절부;를 더 포함하며,
    상기 연료 조절부는, 상기 제1 각도 제어부 및 제2 각도 제어부에 의해 상기 IGV의 각도가 제어될 때, 목표부하에 도달 및 유지할 수 있도록 연료의 공급량을 조절하는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
11. 케이싱과, 상기 케이싱 내에 배치되며, 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기와, 상기 압축기에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 연소기와, 상기 연소기에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 복수의 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈과, 상기 압축기의 입구에 구비되며 상기 케이싱에 각도 조절 가능하게 결합되는 IGV(Inlet Guide Vane)를 포함하는 가스터빈을 제어하는 방법에 있어서,
    목표부하를 지령하는 부하 지령 단계;
    상기 목표부하에 도달하기 위해 상기 연소기에 공급되는 연료의 공급량과 상기 IGV의 각도를 제어하는 목표부하 도달 단계;
    목표부하 도달 후 질소산화물(NOx)과 일산화탄소(CO)의 농도를 판단하는 농도 판단 단계; 및
    상기 농도 판단 단계에 의해 판단된 농도가 제한값을 넘지 않는 경우 엔진 효율에 따라 상기 IGV의 각도를 제어하는 제2 각도 제어단계;를 포함하며,
    상기 제2 각도 제어단계는,
    상기 IGV의 각도를 일정 각도씩 변경하며, 변경 시마다 엔진 효율을 평가하여 효율이 가장 높은 상기 IGV의 각도로 제어하는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 제어방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 목표부하 도달 단계는,
    목표부하 도달까지 최대 배기가스 온도(EGT)를 넘지 않도록 상기 IGV의 각도를 제어하는 제1 각도 제어단계;를 포함하는 가스터빈의 제어방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 각도 제어단계는,
    최대 배기가스 온도에 도달하지 않은 경우에는 상기 IGV의 각도를 최소 각도로 유지하며, 최대 배기가스 온도에 도달한 경우에는 상기 압축기로 유입되는 공기량을 증가시키기 위해 상기 IGV의 각도를 조절하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 제어방법.
14. 제13항에 있어서,
    상기 IGV의 최소 각도는 -50°인 것을 특징으로 하는 가스터빈의 제어방법.
15. 제11항에 있어서,
    상기 NOx와 CO의 제한값은 각각 15ppm과 10ppm인 것을 특징으로 하는 가스터빈의 제어방법.
16. 삭제
17. 제11항에 있어서,
    상기 제2 각도 제어단계는, 상기 IGV의 각도를 1°씩 변경하는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 제어방법.
18. 제17항에 있어서,
    상기 제2 각도 제어단계는, 상기 IGV의 각도를 서로 다른 방향으로 1°만큼 변경하여 평가된 효율을 비교한 후 효율이 높아지는 방향으로 1°씩 추가로 변경하는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 제어방법.
19. 제12항에 있어서,
    상기 최대 배기가스 온도(EGT)는 640℃인 것을 특징으로 하는 가스터빈의 제어방법.
20. 제11항에 있어서,
    상기 제2 각도 제어단계에 의해 상기 IGV의 각도가 변경됨에 따라 부하가 변동되는 경우 목표부하를 유지할 수 있도록 연료의 공급량을 조절하기 위한 연료 공급 조절단계;
    를 더 포함하는 가스터빈의 제어방법.
    

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