KR102067103B1 - 터빈의 온도 추정 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 터빈의 온도 추정 시스템을 제공한다. 터빈의 온도 추정 시스템은 가스 터빈의 일 구성의 표면에 배치되는 코팅층, 상기 코팅층에 전류를 인가하여 상기 코팅층의 저항값의 변화를 측정하는 측정부 및 상기 저항값을 기초로 상기 코팅층의 온도를 유추하는 제어부를 포함하고, 상기 코팅층은 열 차폐 코팅 물질 및 온도에 따라 저항값이 변화하는 저항 물질을 포함한다.

Description

터빈의 온도 추정 시스템{System for estimating turbine temperature}
본 발명은 코팅층의 저항을 측정하여 터빈의 일 구성의 온도를 유추하는 터빈의 온도 추정 시스템에 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.
터빈의 종류 중 하나인 가스 터빈은 압축기, 연소기, 터빈 및 로터를 포함하며, 연료를 압축공기를 통해 연소시켜 강력한 에너지를 생성, 이를 이용하여 터빈을 가동시키는 원리로 작동하게 된다.
이 과정에서, 하나의 발전장치에는 여러 개의 연소기가 마련되며, 복수 개의 연소기에는 복수 개의 연료공급노즐이 마련되게 된다. 하나의 연료 공급노즐에서 각각 연료 및 공기의 혼합물을 분사하여 고온의 화염이 발생하게 되며, 상기 화염의 열기 및 온도는 고스란히 터빈 블레이드 및 기타 발전장치의 구성품으로 전달되게 된다.
이때, 내열성이 우수한 소재로 각 부품을 구성하더라도, 지나친 고온에 장기간 노출된다면 기계장치의 기대수명이 절감되므로, 이를 방지하기 위해서, 압축기에서 압축하는 공기 중 일부를 터빈 블레이드 및 발전장치에 마련되는 기타 구성들에 공급하여, 온도가 급상승하는 것을 방지한다.
다만, 터빈의 구성들은 고온의 환경에 노출되는 것이 일반적이므로 구성들의 온도를 직접적으로 측정하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 어떤 구성들의 온도가 높아지는지 판단하지 못하는 경우, 냉각 시스템을 효율적으로 운용하지 못하는 문제점이 있다.
본 발명의 기술적 과제는 터빈의 일 구성의 표면에 제공되는 코팅층의 저항값을 기초로 터빈의 일 구성의 온도를 유추하는 터빈의 온도 추정 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 터빈의 일 구성의 온도를 기초로 터빈의 일 구성에 제공되는 냉각 공기를 제어하기 위해 냉각 유로의 밸브를 제어하는 터빈의 온도 추정 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 터빈의 온도 추정 시스템을 제공한다. 터빈의 온도 추정 시스템은 가스 터빈의 일 구성의 표면에 배치되는 코팅층, 상기 코팅층에 전류를 인가하여 상기 코팅층의 저항값의 변화를 측정하는 측정부 및 상기 저항값을 기초로 상기 코팅층의 온도를 유추하는 제어부를 포함하고, 상기 코팅층은 열 차폐 코팅 물질 및 온도에 따라 저항값이 변화하는 저항 물질을 포함한다.
일 예에 의하여, 상기 가스 터빈의 일 구성을 냉각하는 냉각 유로를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 코팅층의 전압값에 따라 상기 냉각 유로의 개폐를 제어한다.
일 예에 의하여, 상기 가스 터빈의 일 구성은 블레이드이고, 상기 냉각 유로는 상기 블레이드로 냉각된 공기를 주입하고, 상기 측정부는 상기 블레이드의 외면에 배치된 상기 코팅층의 저항값을 측정한다.
일 예에 의하여, 상기 가스 터빈의 일 구성은 베인이고, 상기 냉각 유로는 상기 베인으로 냉각된 공기를 주입하고, 상기 측정부는 상기 베인의 외면에 배치된 상기 코팅층의 저항값을 측정한다.
일 예에 의하여, 상기 가스 터빈의 일 구성은 케이싱이고, 상기 냉각 유로는 상기 케이싱 내부로 냉각된 공기를 주입하고, 상기 측정부는 상기 케이싱의 내면 상에 배치된 상기 코팅층의 저항값을 측정한다.
일 예에 의하여, 상기 제어부는 상기 가스 터빈의 일 구성의 온도가 설계값보다 높은 경우 상기 냉각 유로의 밸브가 개방된 정도를 증가시키고, 상기 가스 터빈의 일 구성의 온도가 설계값보다 낮은 경우 상기 냉각 유로의 밸브가 개방된 정도를 감소시킨다.
일 예에 의하여, 상기 코팅층의 저항값과 매칭되는 상기 가스 터빈의 일 구성의 온도에 관한 데이터가 저장된 온도 테이블을 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 온도 테이블을 기초로 상기 코팅층의 전압값과 매칭되는 온도를 통해 상기 가스 터빈의 일 구성의 온도를 유추한다.
일 예에 의하여, 상기 저항 물질은 백금, 백금-로듐, 백금-이리듐, 니켈 또는 산화 텅스텐 중 어느 하나이다.
일 예에 의하여, 상기 저항 물질은 상기 코팅층 내에 와이어 형태로 삽입되고, 상기 측정부는 상기 저항 물질에 전류를 인가하여 상기 코팅층의 온도에 따라 변화하는 상기 저항 물질의 저항값을 측정한다.
본 발명의 실시예에 따른 터빈의 온도 추정 시스템을 제공한다. 터빈의 온도 추정 시스템은 터빈의 일 구성의 표면에 배치되는 코팅층, 상기 코팅층에 전류를 인가하여 상기 코팅층의 저항값의 변화를 측정하는 측정부, 상기 저항값을 기초로 상기 코팅층의 온도를 유추하는 제어부 및 상기 터빈의 일 구성을 냉각하는 냉각 유로를 포함하고, 상기 코팅층은 열 차폐 코팅 물질 및 온도에 따라 저항값이 변화하는 저항 물질을 포함하고, 상기 제어부는 상기 코팅층의 전압값에 따라 상기 냉각 유로의 개폐를 제어한다.
일 예에 의하여, 상기 냉각 유로는 압축기의 케이싱의 외부로 공기를 추기하여 상기 터빈으로 공급하기 위한 복수의 외부 냉각유로, 상기 압축기의 출구에서 공기를 추기하여 상기 터빈으로 공급하기 위한 출구 냉각유로, 같은 단에 위치하는 터빈 블레이드와 터빈 베인을 연결하여 냉각유로가 연통 가능하도록 형성되는 연결 냉각유로 및 상기 터빈 내부로 공기를 공급하는 터빈 냉각 유로를 포함한다.
일 예에 의하여, 상기 코팅층은 상기 터빈의 1단 터빈 베인의 표면에 배치되고, 상기 제어부는 상기 측정부를 통해 획득한 상기 코팅층의 저항값을 기초로 상기 출구 냉각 유로 중 상기 1단 터빈 베인을 냉각하기 위한 출구 내측 냉각 유로의 개폐를 제어한다.
일 예에 의하여, 상기 코팅층은 상기 터빈의 1단 터빈 블레이드의 표면에 배치되고, 상기 제어부는 상기 측정부를 통해 획득한 상기 코팅층의 저항값을 기초로 상기 출구 냉각 유로 중 상기 1단 터빈 블레이드를 냉각하기 위한 출구 외측 냉각 유로의 개폐를 제어한다.
일 예에 의하여, 상기 코팅층은 상기 터빈의 1단 터빈 블레이드 및 1단 터빈 베인을 제외한 터빈 블레이드 및 터빈 베인의 표면에 배치되고, 상기 제어부는 상기 측정부를 통해 획득한 상기 코팅층의 저항값을 기초로 상기 외부 냉각유로 및 상기 연결 냉각유로의 개폐를 제어한다.
일 예에 의하여, 상기 코팅층은 상기 터빈의 케이싱의 표면에 배치되고, 상기 제어부는 상기 측정부를 통해 획득한 상기 코팅층의 저항값을 기초로 상기 터빈 냉각유로의 개폐를 제어한다.
일 예에 의하여, 상기 코팅층은 상기 터빈의 터빈 블레이드, 터빈 베인 및 케이싱 중 적어도 하나 이상의 구성의 표면에 배치되고, 상기 제어부는 상기 터빈의 터빈 블레이드, 터빈 베인 및 케이싱 중 적어도 하나 이상의 구성의 표면에 배치되는 상기 코팅층의 저항값을 상기 측정부를 통해 획득하고, 상기 제어부는 상기 코팅층의 저항값을 기초로 상기 터빈의 터빈 블레이드, 터빈 베인 및 케이싱 중 적어도 하나 이상의 구성을 냉각하기 위해 상기 외부 냉각유로, 상기 출구 냉각유로, 상기 연결 냉각유로 및 상기 터빈 냉각유로 중 적어도 하나 이상의 냉각유로를 제어한다.
일 예에 의하여, 상기 저항 물질은 상기 코팅층 내에 와이어 형태로 삽입되고, 상기 측정부는 상기 저항 물질에 전류를 인가하여 상기 코팅층의 온도에 따라 변화하는 상기 저항 물질의 저항값을 측정하고, 상기 저항 물질은 백금, 백금-로듐, 백금-이리듐, 니켈 또는 산화 텅스텐 중 어느 하나이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 터빈의 일 구성의 표면에 제공되는 코팅층의 저항값을 측정하여 터빈의 일 구성의 온도를 유추할 수 있다. 이를 통해, 작업자는 고온의 환경에서 동작하는 터빈의 일 구성에 대한 온도를 효과적으로 획득할 수 있다. 또한, 제어부는 터빈의 일 구성에 대한 온도를 기초로 터빈의 일 구성을 효과적으로 냉각시키기 위해 냉각 유로의 밸브를 제어할 수 있다. 따라서, 설계값보다 높은 온도를 가지는 터빈의 일 구성을 냉각할 수 있는 시스템이 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 가스터빈의 개략적인 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 가스터빈의 냉각시스템을 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2의 케이싱 내부의 일 영역을 확대한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 터빈의 온도 추정 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 터빈의 온도 추정 방법을 설명하는 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함되는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 가스터빈의 개략적인 구조를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 가스 터빈(1)은 케이싱(100), 압축기(200), 연소기(300) 및 터빈(400)을 포함할 수 있다. 케이싱(100)은 압축기(200), 연소기(300) 및 터빈(400)을 둘러싸는 구성일 수 있다. 압축기(200)는 공기를 흡입하여 고압으로 압축하고, 압축된 공기를 연소기(300)로 공급하는 역할을 할 수 있다. 연소기(300)는 압축된 공기와 연료를 혼합하여 이를 연소시키는 역할을 할 수 있고, 연소로 인해 발생하는 고압의 연소가스를 터빈(400)에 공급할 수 있다. 터빈(400)은 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 복수의 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산할 수 있다.
케이싱(100)은 압축기(200)가 수용되는 압축기 케이싱(102), 연소기(300)가 수용되는 연소기 케이싱(103) 및 터빈(400)이 수용되는 터빈 케이싱(104)을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 압축기 케이싱, 연소기 케이싱 및 터빈 케이싱이 일체로 형성될 수도 있다. 압축기 케이싱(102), 연소기 케이싱(103) 및 터빈 케이싱(104)은 유체 흐름 방향 상류 측으로부터 하류 측으로 순차적으로 배열될 수 있다.
케이싱(100)의 내부에는 로터(중심축; 50)가 회전 가능하게 구비되며, 발전을 위해 로터(50)에는 발전기(미도시)가 연동되고, 케이싱(100)의 하류 측에는 터빈(400)을 통과한 연소 가스를 배출하는 디퓨저가 구비될 수 있다.
로터(50)는 압축기 로터 디스크(52), 토크 튜브(53) 및 터빈 로터 디스크(54)를 포함할 수 있다. 로터 디스크(52)는 압축기 케이싱(102)에 수용될 수 있고, 터빈 로터 디스크(54)는 터빈 케이싱(104)에 수용될 수 있다. 토크 튜브(53)는 연소키 케이싱(103)에 수용되어 압축기 로터 디스크(52)와 터빈 로터 디스크(54)를 연결할 수 있다. 압축기 로터 디스크(52), 토크 튜브(53) 및 터빈 로터 디스크(54)는 타이 로드(55)와 고정 너트(56)에 의해 체결될 수 있다.
압축기 로터 디스크(52)는 복수(예를 들어 14매)로 형성되고, 복수의 압축기 로터 디스크들(52)은 로터(50)의 축 방향을 따라 배열될 수 있다. 즉, 압축기 로터 디스크(52)는 다단으로 형성될 수 있다. 압축기 로터 디스크(52) 각각은 대략 원판형으로 형성될 수 있다. 압축기 로터 디스크(52)의 외주부에는 후술할 압축기 블레이드(220)와 결합되는 압축기 블레이드 결합 슬롯이 형성될 수 있다.
터빈 로터 디스크(54)는 압축기 로터 디스크(52)와 유사하게 형성될 수 있다. 즉, 터빈 로터 디스크(54)는 복수로 형성되고, 복수의 터빈 로터 디스크들(54)은 로터(50)의 축 방향을 따라 배열될 수 있다. 즉, 터빈 로터 디스크(54)는 다단으로 형성될 수 있다. 터빈 로터 디스크(54) 각각은 대략 원판형으로 형성될 수 있다. 터빈 로터 디스크(54)의 외주부에는 후술할 터빈 블레이드(420)와 결합되는 터빈 블레이드 결합 슬롯이 형성될 수 있다.
토크 튜브(53)는 터빈 로터 디스크(54)의 회전력을 압축기 로터 디스크(52)로 전달하는 토크 전달 부재이다. 토크 튜브(53)의 일단부는 복수의 압축기 로터 디스크들(52) 중 공기의 유동 방향 상 최하류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크(52)와 체결되고, 토크 튜브(53)의 타단부는 복수의 터빈 로터 디스크들(54) 중 연소 가스의 유동 방향 상 최상류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크(54)와 체결될 수 있다. 토크 튜브(53)의 일단부와 타단부 각각에는 돌기가 형성되고, 압축기 로터 디스크(52)와 터빈 로터 디스크(54) 각각에는 돌기와 치합되는 홈이 형성되어, 토크 튜브(53)가 압축기 로터 디스크(52) 및 터빈 로터 디스크(54)에 대해 상대 회전이 방지될 수 있다.
또한, 토크 튜브(53)는 압축기(200)로부터 공급되는 공기가 토크 튜브(53)를 통과하여 터빈(400)으로 유동 가능하도록, 중공형의 실린더 형태로 형성될 수 있다. 토크 튜브(53)는 장기간 지속적으로 운전되는 가스 터빈의 특성상 변형 및 뒤틀림 등에 강하게 형성되고, 용이한 유지 보수를 위해 조립 및 해체가 용이하게 형성될 수 있다.
타이 로드(55)는 복수의 압축기 로터 디스크들(52), 토크 튜브(53) 및 복수의 터빈 로터 디스크들(54)을 관통하도록 형성될 수 있다. 타이 로드(55)의 일단부는 복수의 압축기 로터 디스크들(52) 중 공기의 유동 방향으로 최상류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크(52) 내에 체결될 수 있다. 타이 로드(55)의 타단부는 복수의 터빈 로터 디스크들(54) 중 연소 가스의 유동 방향으로 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크(54)를 기준으로 압축기(200)의 반대측으로 돌출될 수 있다. 타이 로드(55)의 타단부는 고정 너트(56)와 체결될 수 있다.
고정 너트(56)는 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크(54)를 압축기(200) 측으로 가압할 수 있다. 고정 너트(56)에 의해 최상류 단에 위치되는 압축기 로터 디스크(52)와 최하류 단에 위치되는 터빈 로터 디스크(54) 사이 간격이 감소됨에 따라, 복수의 압축기 로터 디스크들(52), 토크 튜브(53) 및 복수의 터빈 로터 디스크들(54)이 로터(50)의 축 방향으로 압축될 수 있다. 이에 따라, 복수의 압축기 로터 디스크들(52), 토크 튜브(53) 및 복수의 터빈 로터 디스크들(54)의 축 방향 이동 및 상대 회전이 방지될 수 있다.
한편, 본 실시예의 경우 하나의 타이 로드가 복수의 압축기 로터 디스크, 토크 튜브 및 복수의 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 로터(50)는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되고, 일단부가 발전기의 구동축에 연결될 수 있다.
압축기(200)는 로터(50)와 함께 회전되는 압축기 블레이드(220) 및 압축기 블레이드(220)로 유입되는 공기의 흐름을 정렬하도록 케이싱(100)에 고정 설치되는 압축기 베인(240)을 포함할 수 있다.
압축기 블레이드(220)는 복수로 형성되고, 복수의 압축기 블레이드들(220)은 로터(50)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성되고, 복수의 압축기 블레이드들(220)은 각 단마다 로터(50)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다. 구체적으로, 압축기 블레이드(220)의 루트부(222)는 압축기 로터 디스크(52)의 압축기 블레이드 결합 슬롯에 결합되며, 루트부(222)는 압축기 블레이드(220)가 압축기 블레이드 결합 슬롯으로부터 로터(50)의 회전 반경 방향으로 이탈되는 것을 방지하도록, 전나무(fir-tree) 형태로 형성될 수 있다. 이때, 압축기 블레이드 결합 슬롯은 압축기 블레이드의 루트부(222)에 대응되도록 전나무 형태로 형성될 수 있다.
본 실시 예의 경우, 압축기 블레이드 루트부(222)와 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 압축기 블레이드를 압축기 로터 디스크(52)에 체결할 수 있다.
압축기 로터 디스크(52)와 압축기 블레이드(220)는 통상적으로 탄젠셜 타입(tangential type) 또는 액셜 타입(axial type)으로 결합되는데, 본 실시예의 경우에는, 압축기 블레이드 루트부(222)가 전술한 바와 같이 압축기 블레이드 결합 슬롯에 로터(50)의 축 방향을 따라 삽입되는 소위 액셜 타입 형태로 형성되고 있다. 이에 따라, 본 실시 예에 따른 압축기 블레이드 결합 슬롯은 복수로 형성되고, 복수의 압축기 블레이드 결합 슬롯들은 압축기 로터 디스크(52)의 원주 방향을 따라 방사상으로 배열될 수 있다.
압축기 베인(240)은 복수로 형성되고, 복수의 압축기 베인들(240)은 로터(50)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성될 수 있다. 여기서, 압축기 베인들(240)과 압축기 블레이드들(220)는 공기 유동 방향을 따라 서로 번갈아 배열될 수 있다.
또한, 복수의 압축기 베인(240)은 각 단마다 로터(50)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.
연소기(300)는 압축기(200)로부터 유입되는 공기를 연료와 혼합 및 연소시켜 높은 에너지의 고온 고압 연소 가스를 만들어 낼 수 있다. 구체적으로, 연소기(300)는 복수로 형성되고, 복수의 연소기들(300)은 연소기 케이싱(103)에 로터(50)의 회전 방향을 따라 배열될 수 있다.
또한, 연소기들(300) 각각은 압축기(200)에서 압축된 공기가 유입되는 라이너, 라이너에 유입되는 공기에 연료를 분사하고 연소시키는 버너 및 버너에서 생성되는 연소 가스를 터빈(400)으로 안내하는 트랜지션 피스를 포함할 수 있다.
라이너는 연소실을 형성하는 화염통 및 화염통을 감싸면서 환형 공간을 형성하는 플로우 슬리브를 포함할 수 있다.
버너는 연소실로 유입되는 공기에 연료를 분사하도록 라이너의 전단 측에 형성되는 연료 분사 노즐 및 소실에서 혼합된 공기와 연료가 착화되도록 라이너의 벽부에 형성되는 점화 플러그를 포함할 수 있다.
트랜지션 피스는 외벽부가 압축기(200)로부터 공급되는 공기에 의해 냉각되도록 형성될 수 있다. 트랜지션 피스의 외벽부는 공급되는 냉각 공기에 의해 연소 가스의 높은 온도에 의해 손상되지 않을 수 있다. 즉, 트랜지션 피스에는 공기를 내부로 분사하기 위한 냉각 홀이 형성되고, 공기가 그 냉각 홀을 통해 내부에 있는 본체를 냉각시킬 수 있다.
한편, 트랜지션 피스를 냉각시킨 공기는 라이너의 환형 공간으로 유동될 수 있다. 플로우 슬리브에 형성된 냉각 홀을 통해 냉각 공기는 라이너의 외벽을 냉각시킬 수 있다.
여기서, 별도로 도시하지는 않았으나, 압축기(200)와 연소기(300) 사이에는 연소기(300)로 유입되는 공기의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위해 안내깃 역할을 하는 디스월러(desworler)가 형성될 수 있다.
터빈(400)은 압축기(200)와 유사하게 형성될 수 있다. 터빈(400)은 로터(50)와 함께 회전되는 터빈 블레이드(420) 및 터빈 블레이드(420)로 유입되는 공기의 흐름을 정렬하도록 케이싱(100)에 고정 설치되는 터빈 베인(440)을 포함할 수 있다.
터빈 블레이드(420)는 복수로 형성되고, 복수의 터빈 블레이드들(420)은 로터(50)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성된다. 본 일 실시 예에서는 터빈 블레이드(420)가 4단으로 구성되며, 로터(50)의 축 방향을 따라 상류 측에서 하류 측으로 가면서 차례로 1단 터빈 블레이드(424), 2단 터빈 블레이드(425), 3단 터빈 블레이드(426) 및 4단 터빈 블레이드(427)가 배치되고 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 4단 미만 또는 초과의 터빈 블레이드가 배치될 수 있음은 물론이다. 또한, 복수의 터빈 블레이드들(420)은 각 단마다 로터(50)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.
터빈 블레이드(420)의 루트부(422)는 터빈 로터 디스크(54)의 터빈 블레이드 결합 슬롯에 결합되며, 루트부(422)는 터빈 블레이드(420)가 그 터빈 블레이드 결합 슬롯으로부터 로터(50)의 회전 반경 방향으로 이탈되는 것을 방지하도록, 전나무(fir-tree) 형태로 형성될 수 있다. 이때, 터빈 블레이드 결합 슬롯은 마찬가지로, 터빈 블레이드의 루트부(422)에 대응되도록 전나무 형태로 형성될 수 있다.
본 실시 예의 경우, 터빈 블레이드 루트부(422)와 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 터빈 블레이드(420)를 터빈 로터 디스크(54)에 체결할 수 있다.
여기서, 터빈 로터 디스크(54)와 터빈 블레이드(420)는 통상적으로 탄젠셜 타입(tangential type) 또는 액셜 타입(axial type)으로 결합되는데, 본 실시예의 경우에는, 터빈 블레이드 루트부(422)는 전술한 바와 같이 터빈 블레이드 결합 슬롯에 로터(50)의 축 방향을 따라 삽입되는 소위 액셜 타입 형태로 형성되고 있다. 이에 따라, 본 실시 예에 따른 터빈 블레이드 결합 슬롯은 복수로 형성되고, 복수의 터빈 블레이드 결합 슬롯들은 터빈 로터 디스크(54)의 원주 방향을 따라 방사상으로 배열될 수 있다.
터빈 베인(440)은 복수로 형성되고, 복수의 터빈 베인들(440)은 로터(50)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성될 수 있다. 여기서, 터빈 베인들(440)과 터빈 블레이드들(420)은 공기 유동 방향을 따라 서로 번갈아 배열될 수 있다.
본 일 실시 예에서는, 터빈 블레이드(420)가 4단으로 구성되고 있으므로 터빈 베인(440) 또한 4단으로 구성되며, 로터(50)의 축 방향을 따라 상류 측에서 하류 측으로 가면서 차례로 1단 터빈 베인(444), 2단 터빈 베인(445), 3단 터빈 베인(446) 및 4단 터빈 베인(447)이 각 단의 터빈 블레이드의 전단(상류 측)에 배치되고 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 4단 미만 또는 초과의 터빈 베인이 배치될 수 있음은 물론이다. 복수의 터빈 베인들(440)은 각 단마다 로터(50)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.
여기서, 터빈(400)은 압축기(200)와 달리 고온 고압의 연소 가스와 접촉하므로, 열화 등의 손상을 방지하기 위한 냉각 수단을 필요로 한다. 본 실시 예에 따른 가스 터빈(1)은 외부 냉각시스템을 포함하여 압축기(200)의 일부 개소에서 압축된 공기를 케이싱(100)의 외부로 추기하여 터빈(400)으로 공급할 수 있다.
가스 터빈(1)은 케이싱(100)으로 유입되는 공기가 압축기(200)에 의해 압축되고, 압축기(200)에 의해 압축된 공기가 연소기(300)에 의해 연료와 혼합된 뒤 연소되어 연소 가스가 되고, 연소기(300)에서 생성된 연소 가스가 터빈(400)으로 유입된다. 터빈(400)으로 유입된 연소 가스는 터빈 블레이드(420)를 통해 로터(50)를 회전시킨 후 디퓨저를 통해 대기로 배출되며, 연소 가스에 의해 회전되는 로터(50)가 압축기(200) 및 발전기를 구동할 수 있다. 즉, 터빈(400)에서 얻은 기계적 에너지 중 일부는 압축기(200)에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되고, 나머지는 발전기로 전력을 생산하는데 이용될 수 있다.
도 2는 도 1의 가스터빈의 냉각시스템을 나타내는 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 가스터빈의 냉각시스템은 압축기(200)의 서로 다른 위치에서 케이싱(100)의 외부로 공기를 추기하여 터빈(400)으로 공급하기 위한 복수의 외부 냉각유로(500), 압축기(200)의 출구에서 공기를 추기하여 터빈(400)으로 공급하기 위한 출구 냉각유로(600) 및 같은 단에 위치하는 터빈 블레이드(420)와 터빈 베인(440)을 연결하여 냉각유로가 연통 가능하도록 형성되는 연결 냉각유로(700)를 포함할 수 있다.
이하에서는, 상기에서 살펴본 바와 같이 4단의 터빈 베인(440) 및 터빈 블레이드(420)를 냉각시키는 것을 기준으로 설명하도록 한다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 4단 미만 또는 초과의 터빈 베인 및 터빈 블레이드를 냉각시키기 위해 적용될 수 있음은 물론이다.
출구 냉각유로(600)는 복수의 터빈 베인(440) 중 1단 터빈 베인(444)과, 복수의 터빈 블레이드(420) 중 1단 터빈 블레이드(424)에 공기를 공급한다. 즉, 출구 냉각유로(600)는 1단 터빈 베인(444)에 공기를 공급하기 위한 출구 외측 냉각유로(620) 및 1단 터빈 블레이드(424)에 공기를 공급하기 위한 출구 내측 냉각유로(640)를 포함한다.
구체적으로, 출구 외측 냉각유로(620)는 압축기(200)의 출구에서 압축공기를 케이싱(100)의 외부로 추기하여 1단 터빈 베인(444)으로 직접 공급할 수 있다. 출구 내측 냉각유로(640)는 압축기(200)의 출구에서 압축공기를 케이싱(100)의 내측으로 추기하여 1단 터빈 블레이드(424)의 하측 내부로 공기가 진입되도록 1단 터빈 블레이드(424)의 하단부에 형성될 수 있다. 이에 따라, 압축기(200) 출구에서의 압축공기가 1단 터빈 베인(444) 및 1단 터빈 블레이드(424)로 공급됨으로써 1단 터빈 베인(444) 및 1단 터빈 블레이드(424)를 냉각시킬 수 있다.
이때, 출구 외측 냉각유로(620)를 통해 공급되는 공기는 별도의 열교환 없이 그대로 1단 터빈 베인(444)으로 공급되고 있으나, 출구 내측 냉각유로(640) 상에는 별도의 제4 쿨러(840)가 배치됨으로써, 출구 내측 냉각유로(640)를 통해 공급되는 공기를 냉각시켜 보다 효율적으로 1단 터빈 블레이드(424)를 냉각시킬 수 있다.
또한, 출구 외측 냉각유로(620) 및 출구 내측 냉각유로(640)의 입구 또는 유로 상에는 냉각공기 조절밸브가 적어도 하나 이상 마련될 수 있으며, 본 실시 예에서는 출구 외측 냉각유로(620)와 출구 내측 냉각유로(640) 상에 각각 하나의 냉각공기 조절밸브(622, 642)가 설치될 수 있다.
이에 따라, 1단 터빈 베인(444) 및 1단 터빈 블레이드(424)로 공급되는 냉각공기의 유량을 용이하게 조절 가능하다.
복수의 외부 냉각유로들(500)은 1단 터빈 베인(444)을 제외한 복수의 터빈 베인들(440) 중 적어도 하나의 터빈 베인과, 1단 터빈 블레이드(424)를 제외한 복수의 터빈 블레이드들(420) 중 연결 냉각유로(700)가 형성되지 않은 단의 터빈 블레이드 중 적어도 하나의 터빈 블레이드에 공기를 공급할 수 있다. 구체적으로, 복수의 외부 냉각유로들(500) 1단 터빈 베인(444)을 제외한 2단 터빈 베인(445), 3단 터빈 베인(446) 및 4단 터빈 베인(447)에 공기를 공급할 수 있다. 또한, 연결 냉각유로(700)는 후술할 바와 같이 2단과 3단의 상기 터빈 블레이드와 터빈 베인 쌍에 각각 형성되고 있으므로, 복수의 외부 냉각유로들(500)은 1단 터빈 블레이드(424)를 제외한 터빈 블레이드 중 연결 냉각유로(700)가 형성되지 않은 4단 터빈 블레이드(427)에 공기를 공급할 수 있다. 즉, 복수의 외부 냉각유로들(500)은 4단 터빈 베인(447) 및 4단 터빈 블레이드(427)에 공기를 공급하기 위한 제1 외부 냉각유로(510)와, 3단 터빈 베인(446)에 공기를 공급하기 위한 제2 외부 냉각유로(520)와, 2단 터빈 베인(445)에 공기를 공급하기 위한 제3 외부 냉각유로(530)를 포함할 수 있다.
이때, 제1 내지 제3 외부 냉각유로들(510, 520, 530)은 압축기(200)의 서로 다른 위치에서 공기를 추기하되, 터빈(400)과 먼 위치에서부터 가까운 위치로 차례로 추기될 수 있다. 즉, 압축기(200)는 터빈(400)과 먼 순서로 전단, 중단 및 후단 압축기로 구분될 수 있으며, 제1 내지 제3 외부 냉각유로들(510, 520, 530)은 각각 전단, 중단 및 후단 압축기로부터 공기를 추기할 수 있다.
또한, 본 실시 예에서는, 4단 터빈 베인(447) 및 4단 터빈 블레이드(427)에 공기를 공급하기 위한 냉각유로가 하나의 제1 외부 냉각유로(510)에서 분기하여 공급하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기와 같이 복수의 외부 냉각유로들(500) 및 출구 냉각유로(600)는 냉각공기를 공급할 터빈 블레이드 또는 터빈 베인의 내부 냉각유로에 연결되어 이를 통해 표면에 형성되는 필름 쿨링 홀과 연통될 수 있고, 냉각유로에 의해 공급되는 냉각공기가 터빈 블레이드 또는 터빈 베인의 표면까지 공급됨으로 터빈 블레이드 또는 터빈 베인 내부 및 표면까지 냉각될 수 있다.
이때, 터빈 베인(440)으로 공급되는 냉각공기를 통해 같은 단에 위치하는, 터빈 블레이드(420)까지 냉각시키기 위해 상기 연결 냉각유로(700)가 형성될 수 있다. 연결 냉각유로(700)는 같은 단에 위치하는 터빈 블레이드(420)와 터빈 베인(440)의 내부 냉각유로를 서로 연결하여 하나의 냉각유로(cooling circuit)를 형성할 수 있다. 연결 냉각유로(700)는 터빈 블레이드(420)의 하측 내부로 공기가 진입되도록 같은 단에 위치하는 터빈 블레이드(420)의 하단부 및 터빈 베인(440)의 하단부를 통해 연결될 수 있다. 구체적으로, 연결 냉각유로(700)는 터빈 베인(440)으로 공급된 냉각공기가 터빈 베인(440)의 하단부로 유동되어 터빈 베인(440)의 하단부에 배치되는 U-ring의 공간 내부 또는 터빈 로터 디스크(54) 사이의 공간 내부 등에 저장되었다가, 같은 단에 위치하는 터빈 블레이드(420)의 하단부, 즉 터빈 블레이드의 루트부(422)를 통해 터빈 블레이드(420)의 상단부로 유동되도록 형성될 수 있다.
본 실시 예에서, 연결 냉각유로(700)는 2단과 3단에 각각 형성되어, 2단 터빈 베인(445)과 2단 터빈 블레이드(425)의 냉각유로를 하나로 연결하는 제1 연결 냉각유로(710)와, 3단 터빈 베인(446)과 3단 터빈 블레이드(426)의 냉각유로를 하나로 연결하는 제2 연결 냉각유로(720)를 포함할 수 있다.
이에 따라, 제2 외부 냉각유로(520) 및 제3 외부 냉각유로(530)를 통해 각각 3단 터빈 베인(446) 및 2단 터빈 베인(445)에만 냉각공기가 공급되더라도, 제2 연결 냉각유로(720) 및 제1 연결 냉각유로(710)를 통해 3단 터빈 블레이드(426) 및 2단 터빈 블레이드(425)까지 한번에 냉각이 가능할 수 있다.
또한, 제2 외부 냉각유로(520)와 제3 외부 냉각유로(530) 상에는 별도의 제2 쿨러(820) 및 제3 쿨러(830)가 각각 배치됨으로써, 냉각유로를 통해 공급되는 공기를 냉각시켜 보다 효율적으로 상기 터빈 블레이드 및 터빈 베인을 냉각시킬 수 있다.
또한, 제1 외부 냉각유로(510) 상에도 별도의 제1 쿨러(810)가 배치됨으로써, 냉각유로를 통해 공급되는 공기를 냉각시켜 보다 효율적으로 상기 터빈 베인 및 터빈 블레이드를 냉각시킬 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 제1 쿨러는 생략 가능하다.
제1 내지 제4 쿨러(810, 820, 830, 840)는 각 냉각유로에 유동되는 공기를 서로 다른 온도로 냉각시킬 수 있다. 즉, 각 냉각유로를 통해 냉각공기를 공급할 터빈 블레이드(420) 또는 터빈 베인(440)의 온도에 따라 냉각공기를 적당한 온도로 냉각시켜 공급함으로써 효율을 높일 수 있다.
또한, 상기 제1 내지 제3 외부 냉각유로(510, 520, 530)의 입구 또는 유로 상에는 냉각공기 조절밸브가 적어도 하나 이상 마련될 수 있으며, 본 실시 예에서는 제1 내지 제3 외부 냉각유로(510, 520, 530) 상에 각각 하나의 냉각공기 조절밸브(512, 522, 532)가 설치되고 있다.
이에 따라, 각 단의 터빈 블레이드 및 터빈 베인으로 공급되는 냉각공기의 유량을 용이하게 조절할 수 있으며, 발전장치 내부에 마련된 센서를 이용, 각 장치의 온도를 파악하여 냉각공기의 공급량에 대한 제어가 가능하다.
또한, 출구 내측 냉각유로(640) 중 1단 터빈 블레이드(424)의 하측 내부로 공기가 진입되는 위치와, 연결 냉각유로(700) 중 2단 터빈 블레이드(425) 및 3단 터빈 블레이드(426)의 하측 내부로 공기가 진입되는 위치에는 프리스월러(pre-swirler; 미도시)가 각각 구비될 수 있다.
하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 1단 터빈 블레이드(424) 내지 3단 터빈 블레이드(426)의 하측 내부로 공기가 진입되는 위치들 중 적어도 어느 하나에만 구비되어도 무관하다.
상술한 예에 추가하여, 터빈(400) 내부로 냉각 공기를 제공하는 터빈 냉각 유로(미도시)가 추가적으로 배치될 수 있다. 터빈 냉각 유로(미도시)는 터빈(400)으로 냉각 공기를 공급하여 터빈 케이싱(104), 블레이드(420) 및 베인(440)의 표면을 냉각할 수 있다.
도 3은 도 2의 케이싱 내부의 일 영역을 확대한 도면이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 가스 터빈(1)의 일 구성의 표면에 코팅층들(108, 425, 445)이 배치될 수 있다. 코팅층들(108, 425, 445)은 가스 터빈(1)의 구성들 중 압축기(200) 및 터빈(400)에 제공될 수 있다. 바람직하게, 코팅층들(108, 425, 445)은 터빈(400)에 제공될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 터빈(400)에 배치되는 코팅층들(108, 425, 445)에 대해 기술하도록 한다.
코팅층들(108, 425, 445)은 터빈(400)의 케이싱(104) 내면 상에 배치된 케이싱 코팅층(108), 터빈(400)의 블레이드(420)의 외면에 배치된 블레이드 코팅층(430) 및 터빈(400)의 베인(440)의 외면에 배치된 베인 코팅층(450)을 포함할 수 있다. 터빈(400) 내에는 케이싱 코팅층(108), 블레이드 코팅층(430) 및 베인 코팅층(450) 중 적어도 하나 이상의 코팅층이 제공될 수 있다.
코팅층들(108, 425, 445)은 온도의 변화에 따라 저항값이 변하는 성질을 가지고 있다. 코팅층들(108, 425, 445)은 열 차폐 코팅 물질 및 온도에 따라 저항값이 변하는 저항 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 열 차폐 코팅 물질은 몰리브덴, 스테인리스 스틸, 또는 석영 등 중 하나일 수 있다. 예를 들어, 저항 물질은 백금, 백금-로듐, 백금-이리듐, 니켈 또는 산화 텅스텐 중 어느 하나일 수 있다. 일 예로, 코팅층들(108, 415, 445)은 열 차폐 물질과 저항 물질이 혼합되어 이루어질 수 있고, 터빈(400)의 일 구성에 도포되는 방식으로 형성될 수 있다. 다른 예로, 코팅층들(108, 415, 445)은 열 차폐 물질과 저항 물질이 서로 분리되도록 이루어질 수 있고, 저항 물질은 열 차폐 물질 내에 배치될 수 있다. 이 때, 저항 물질은 와이어 형태로 열 차폐 물질 내에 삽입될 수 있다. 저항 물질은 온도가 증가하면 저항이 증가하는 양의 온도계수(PTC: positive temperature coefficient) 특성을 가지고 있다. 저항 물질은 온도가 증가하면 자유전자가 증가하게 되고, 자유전자 간의 충돌이 일어날 확률이 증가되어 저항이 증가될 수 있다. 따라서, 코팅층들(108, 425, 445)의 온도가 증가되면 저항 물질의 온도가 증가되고, 저항 물질의 온도가 증가함에 따라 저항 물질 또는 코팅층들(108, 415, 445)의 저항이 증가될 수 있다.
코팅층들(108, 415, 445) 각각은 후술하는 측정부(미도시)와 전기적으로 연결될 수 있고, 측정부(미도시)는 코팅층들(108, 415, 445) 각각의 온도 변화에 따른 저항값을 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 온도의 변화에 따라 저항값이 변화하는 물질로 코팅층을 형성함에 따라, 터빈(400)의 일 구성의 저항값을 측정하여 터빈(400)의 일 구성의 온도를 유추할 수 있다. 일반적으로, 터빈(400) 내부에 배치되는 구성들은 고온의 환경에 노출되어 있고, 일반적인 온도 센서들은 고온의 환경에서 사용되기 힘들었다. 다만, 본 발명의 실시예에 따르면, 코팅층의 저항값을 측정하여 터빈(400)의 일 구성의 온도를 유추할 수 있다. 터빈(400)의 일 구성의 온도를 유추함으로써 터빈(400)의 일 구성을 냉각하기 위한 냉각 시스템을 효율적으로 운용할 수 있고, 터빈(400) 내의 구성들 중 냉각이 필요한 구성이 명확하게 파악될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 터빈의 온도 추정 시스템을 나타내는 블록도이다. 설명의 간략을 위해 중복되는 내용의 기재는 생략한다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 터빈의 온도 추정 시스템(10)은 코팅층들(108, 425, 445), 냉각 유로들(500, 600, 700), 측정부(1000), 제어부(2000) 및 온도 테이블(2500)을 포함할 수 있다. 코팅층들(108, 425, 445)은 터빈(400)의 블레이드(420), 베인(440) 및 케이싱(104) 중 적어도 하나 이상의 구성의 표면에 배치될 수 있다. 코팅층들(108, 425, 445)은 케이싱 코팅층(108), 블레이드 코팅층(430) 및 베인 코팅층(450)을 포함할 수 있고, 터빈(400) 내에는 케이싱 코팅층(108), 블레이드 코팅층(430) 및 베인 코팅층(450) 중 적어도 하나 이상의 코팅층이 제공될 수 있다. 블레이드(420) 및 베인(440)은 각각 복수개의 단으로 구성될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 블레이드(420) 및 베인(440)은 각각 4개의 단으로 구성될 수 있다.
냉각 유로들(500, 600, 700)은 외부 냉각유로(500), 출구 냉각유로(600), 연결 냉각유로(700) 및 터빈 냉각유로(미도시)를 포함할 수 있고, 외부 냉각유로(500), 출구 냉각유로(600) 및 연결 냉각유로(700)는 각각 복수개로 제공될 수 있다.
측정부(1000)는 터빈(400)의 일 구성의 표면에 배치된 코팅층들(108, 425, 445)의 저항값의 변화를 측정할 수 있다. 일 예로, 측정부(1000)는 코팅층들(108, 425, 445)에 전류를 인가하고 전압값을 측정하여 코팅층들(108, 425, 445)의 저항값을 도출할 수 있다. 다른 예로, 측정부(100)는 코팅층들(108, 425, 445) 내에 배치된 저항 물질에 전류를 인가하고 전압값을 측정하여 저항 물질의 저항값을 도출할 수 있다.
제어부(2000)는 측정부(1000)가 측정한 저항값을 기초로 코팅층들(108, 425, 445)의 온도를 유추할 수 있다. 구체적으로, 제어부(2000)는 온도 테이블(2500)에 저장된 데이터를 기초로 코팅층들(108, 425, 445)의 전압값과 매칭되는 온도를 통해 터빈(400)의 일 구성의 온도를 유추할 수 있다. 즉, 제어부(2000)는 코팅층들(108, 425, 445)의 온도를 터빈(400)의 일 구성의 온도라고 판단할 수 있다. 예를 들어, 제어부(2000)는 케이싱 코팅층(108)의 저항값을 온도 테이블(2500)의 데이터와 비교하고, 케이싱 코팅층(108)의 온도를 터빈 케이싱(104)의 온도라고 판단할 수 있다. 또한, 제어부(2000)는 블레이드 코팅층(430)의 저항값을 온도 테이블(2500)의 데이터와 비교하고, 블레이드 코팅층(430)의 온도를 블레이드(420)의 온도라고 판단할 수 있다. 제어부(2000)는 베인 코팅층(450)의 저항값을 온도 테이블(2500)의 데이터와 비교하고, 베인 코팅층(450)의 온도를 베인(440)의 온도라고 판단할 수 있다.
온도 테이블(2500)은 코팅층들(108, 425, 445)의 저항값과 매칭되는 터빈(400)의 일 구성의 온도에 관한 데이터를 저장하고 있다. 즉, 온도 테이블(2500)은 케이싱 코팅층(108)의 저항값의 변화에 따른 온도, 블레이드 코팅층(430)의 저항값의 변화에 따른 온도 및 베인 코팅층(450)의 저항값의 변화에 따른 온도를 저장할 수 있다.
제어부(2000)는 터빈(400)의 일 구성에 대한 온도를 기초로 냉각 유로들(500, 600, 700)의 개폐를 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부(200)는 코팅층들(108, 425, 445)의 저항값을 기초로 터빈(400)의 블레이드(420), 베인(440) 및 케이싱(104) 중 적어도 하나 이상의 구성을 냉각하기 위해 외부 냉각유로(500), 출구 냉각유로(600), 연결 냉각유로(700) 및 터빈 냉각유로(미도시) 중 적어도 하나 이상의 냉각유로를 제어할 수 있다.
제어부(2000)는 터빈(400)의 일 구성에 대한 온도를 유추하고, 유추한 온도와 터빈(400)의 일 구성의 온도 설계값과 비교할 수 있다. 제어부(2000)는 터빈(400)의 일 구성의 온도가 설계값보다 높은 경우 터빈(400)의 일 구성에 냉각 공기를 제공하는 어느 하나의 냉각 유로의 밸브가 개방된 정도를 증가시킬 수 있다. 또한, 제어부(2000)는 터빈(400)의 일 구성의 온도가 설계값보다 낮은 경우 터빈(400)의 일 구성에 냉각 공기를 제공하는 어느 하나의 냉각 유로의 밸브가 개방된 정도를 감소시킬 수 있다. 이 때, 밸브의 개방도의 증가 또는 감소는 현재의 밸브의 개방도를 기준으로 결정될 수 있다. 여기서, 터빈(400)의 일 구성은 내부 케이싱(104), 블레이드(420) 및 베인(440) 중 적어도 하나 이상일 수 있다. 제어부(2000)는 케이싱 코팅층(108), 블레이드 코팅층(430) 및 베인 코팅층(450) 중 적어도 하나 이상의 구성의 온도를 유추하여 케이싱 코팅층(108), 블레이드 코팅층(430) 및 베인 코팅층(450) 중 적어도 하나 이상의 구성에 냉각 공기를 제공하는 적어도 하나 이상의 냉각 유로들(500, 600, 700)의 밸브를 제어할 수 있다.
일 예로, 제어부(2000)는 케이싱 코팅층(108)의 온도를 유추하여 터빈 냉각 유로(미도시)의 밸브를 제어할 수 있다. 즉, 케이싱 코팅층(108)의 온도가 설계값보다 높은 경우 제어부(2000)는 터빈 냉각 유로(미도시)의 밸브의 개방도를 증가시킬 수 있고, 케이싱 코팅층(108)의 온도가 설계값보다 낮은 경우 제어부(2000)는 터빈 냉각 유로(미도시)의 밸브의 개방도를 감소시킬 수 있다.
다른 예로, 제어부(2000)는 블레이드 코팅층(430) 및 베인 코팅층(450)의 온도를 유추하여 외부 냉각유로(500), 출구 냉각유로(600) 및 연결 냉각유로(700)의 밸브를 제어할 수 있다. 즉, 블레이드 코팅층(430) 및 베인 코팅층(450)의 온도가 설계값보다 높은 경우 제어부(2000)는 외부 냉각유로(500), 출구 냉각유로(600) 및 연결 냉각유로(700)의 밸브의 개방도를 증가시킬 수 있고, 블레이드 코팅층(430) 및 베인 코팅층(450)의 온도가 설계값보다 낮은 경우 제어부(2000)는 외부 냉각유로(500), 출구 냉각유로(600) 및 연결 냉각유로(700)의 밸브의 개방도를 감소시킬 수 있다.
또 다른 예로, 제어부(200)는 복수개의 단으로 구성되는 블레이드들(420) 및 베인들(440) 중 적어도 하나 이상의 블레이드(420) 및 베인(440)의 표면에 배치된 코팅층들(425, 445)의 온도를 유추하여 외부 냉각유로(500) 및 출구 냉각유로(600)를 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부(200)는 터빈(400)의 1단 블레이드(424)의 표면에 배치된 코팅층(430)의 저항값을 기초로 출구 냉각유로(600) 중 1단 블레이드(424)를 냉각하기 위한 출구 내측 냉각유로(640)의 밸브를 제어할 수 있다. 즉, 제어부(200)는 1단 블레이드(424)의 표면에 배치된 코팅층(430)의 온도를 유추하여 출구 내측 냉각유로(640)의 개폐 정도를 제어할 수 있다. 또한, 제어부(200)는 터빈(400)의 1단 베인(444)의 표면에 배치된 코팅층(450)의 저항값을 기초로 출구 냉각유로(600) 중 1단 베인(454)를 냉각하기 위한 출구 외측 냉각유로(620)의 밸브를 제어할 수 있다. 즉, 제어부(200)는 1단 베인(424)의 표면에 배치된 코팅층(450)의 온도를 유추하여 출구 외측 냉각유로(620)의 개폐 정도를 제어할 수 있다. 또한, 제어부(200)는 터빈(400)의 1단 블레이드(424) 및 1단 베인(444)을 제외한 블레이드들(425, 426, 427) 및 베인들(445, 446, 447)의 표면에 배치된 코팅층들(430, 450)의 저항값을 기초로 외부 냉각유로(500) 및 연결 냉각유로(700) 각각의 밸브를 제어할 수 있다. 즉, 제어부(200)는 2단 내지 4단 블레이드들(425, 426, 427) 및 2단 내지 4단 베인들(445, 446, 447)의 표면에 배치된 코팅층들(430, 450)의 온도를 유추하여 외부 냉각유로(500) 및 연결 냉각유로(700)의 개폐 정도를 제어할 수 있다.
상술한 예와 달리, 냉각 유로는 블레이드(420)만 냉각시키는 제1 냉각 유로, 베인(440)만 냉각시키는 제2 냉각 유로 및 터빈 케이싱(104)을 냉각시키는 제3 냉각 유로로 구성될 수 있다. 냉각 유로의 구성은 상술한 예에 한정되지 않을 수 있다. 본 발명의 실시예는 케이싱 코팅층(108), 블레이드 코팅층(430) 및 베인 코팅층(450)의 온도에 기초하여 코팅층 각각을 냉각시키는 방법에 대한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 터빈의 온도 추정 방법을 설명하는 순서도이다.
도 5를 참조하면, 측정부는 가스 터빈의 일 구성에 제공된 코팅층들의 저항값을 측정할 수 있다. 가스 터빈의 일 구성은 터빈을 구성하는 터빈 케이싱, 블레이드 및 베인 중 어느 하나일 수 있다. 측정부는 온도 변화에 따른 코팅층들의 저항값을 측정하거나 온도 변화에 따른 코팅층들 내부에 삽입된 저항 물질의 저항값을 측정할 수 있다(S100).
제어부는 측정부가 측정한 저항값과 온도 테이블에 저장된 온도를 매칭시킬 수 있다. 이를 통해, 제어부는 가스 터빈의 일 구성의 현재 온도를 유추할 수 있다. 온도 테이블은 가스 터빈의 구성들에 제공되는 코팅층들의 저항값과 이에 매칭되는 온도에 대한 데이터를 저장하고 있을 수 있다. 또한, 제어부는 온도 테이블을 기초로 코팅층들의 온도를 유추하고, 코팅층들의 온도를 코팅층들이 제공된 가스 터빈의 구성들의 온도로 판단할 수 있다(S200).
제어부는 코팅층들의 온도와 설계값을 비교할 수 있다. 설계값은 가스 터빈의 구성들이 효율적으로 운용될 수 있는 온도값을 의미하는 것일 수 있다. 즉, 설계값은 가스 터빈의 구성들의 내구성을 현저히 하락시키지 않는 온도값을 의미할 수 있다. 다만, 설계값은 미리 설정된 온도값이지 상술한 예에 특별히 한정되지 않고, 작업자에 의해 설계값은 변경될 수 있다(S300).
제어부는 코팅층들의 온도와 설계값을 비교하여 냉각 유로의 밸브를 제어할 수 있다. 제어부는 터빈의 일 구성의 온도가 설계값보다 높은 경우 터빈의 일 구성에 냉각 공기를 제공하는 어느 하나의 냉각 유로의 밸브가 개방된 정도를 증가시킬 수 있다. 또한, 제어부는 터빈의 일 구성의 온도가 설계값보다 낮은 경우 터빈의 일 구성에 냉각 공기를 제공하는 어느 하나의 냉각 유로의 밸브가 개방된 정도를 감소시킬 수 있다(S400).
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (17)

  1. 가스 터빈의 일 구성의 표면에 배치되는 코팅층;
    상기 코팅층에 전류를 인가하여 상기 코팅층의 저항값의 변화를 측정하는 측정부;
    상기 저항값을 기초로 상기 코팅층의 온도를 유추하는 제어부; 및
    상기 가스 터빈의 일 구성을 냉각하는 냉각 유로를 포함하고,
    상기 코팅층은 열 차폐 코팅 물질 및 온도에 따라 저항값이 변화하는 저항 물질을 포함하고,
    상기 냉각 유로는
    압축기의 케이싱의 외부로 공기를 추기하여 상기 가스 터빈으로 공급하기 위한 복수의 외부 냉각유로;
    상기 압축기의 출구에서 공기를 추기하여 상기 가스 터빈으로 공급하기 위한 출구 냉각유로;
    같은 단에 위치하는 터빈 블레이드와 터빈 베인을 연결하여 냉각유로가 연통 가능하도록 형성되는 연결 냉각유로; 및
    상기 가스 터빈 내부로 공기를 공급하는 터빈 냉각 유로를 포함하는,
    터빈의 온도 추정 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 코팅층의 전압값에 따라 상기 냉각 유로의 개폐를 제어하는,
    터빈의 온도 추정 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 가스 터빈의 일 구성은 블레이드이고,
    상기 냉각 유로는 상기 블레이드로 냉각된 공기를 주입하고,
    상기 측정부는 상기 블레이드의 외면에 배치된 상기 코팅층의 저항값을 측정하는,
    터빈의 온도 추정 시스템.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 가스 터빈의 일 구성은 베인이고,
    상기 냉각 유로는 상기 베인으로 냉각된 공기를 주입하고,
    상기 측정부는 상기 베인의 외면에 배치된 상기 코팅층의 저항값을 측정하는,
    터빈의 온도 추정 시스템.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 가스 터빈의 일 구성은 케이싱이고,
    상기 냉각 유로는 상기 케이싱 내부로 냉각된 공기를 주입하고,
    상기 측정부는 상기 케이싱의 내면 상에 배치된 상기 코팅층의 저항값을 측정하는,
    터빈의 온도 추정 시스템.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 가스 터빈의 일 구성의 온도가 설계값보다 높은 경우 상기 냉각 유로의 밸브가 개방된 정도를 증가시키고,
    상기 가스 터빈의 일 구성의 온도가 설계값보다 낮은 경우 상기 냉각 유로의 밸브가 개방된 정도를 감소시키는,
    터빈의 온도 추정 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 코팅층의 저항값과 매칭되는 상기 가스 터빈의 일 구성의 온도에 관한 데이터가 저장된 온도 테이블을 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 온도 테이블을 기초로 상기 코팅층의 전압값과 매칭되는 온도를 통해 상기 가스 터빈의 일 구성의 온도를 유추하는,
    터빈의 온도 추정 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 저항 물질은 백금, 백금-로듐, 백금-이리듐, 니켈 또는 산화 텅스텐 중 어느 하나인,
    터빈의 온도 추정 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 저항 물질은 상기 코팅층 내에 와이어 형태로 삽입되고,
    상기 측정부는 상기 저항 물질에 전류를 인가하여 상기 코팅층의 온도에 따라 변화하는 상기 저항 물질의 저항값을 측정하는,
    터빈의 온도 추정 시스템.
  10. 터빈의 일 구성의 표면에 배치되는 코팅층;
    상기 코팅층에 전류를 인가하여 상기 코팅층의 저항값의 변화를 측정하는 측정부;
    상기 저항값을 기초로 상기 코팅층의 온도를 유추하는 제어부; 및
    상기 터빈의 일 구성을 냉각하는 냉각 유로를 포함하고,
    상기 코팅층은 열 차폐 코팅 물질 및 온도에 따라 저항값이 변화하는 저항 물질을 포함하고,
    상기 제어부는 상기 코팅층의 전압값에 따라 상기 냉각 유로의 개폐를 제어하고,
    상기 냉각 유로는
    압축기의 케이싱의 외부로 공기를 추기하여 상기 터빈으로 공급하기 위한 복수의 외부 냉각유로;
    상기 압축기의 출구에서 공기를 추기하여 상기 터빈으로 공급하기 위한 출구 냉각유로;
    같은 단에 위치하는 터빈 블레이드와 터빈 베인을 연결하여 냉각유로가 연통 가능하도록 형성되는 연결 냉각유로; 및
    상기 터빈 내부로 공기를 공급하는 터빈 냉각 유로를 포함하는,
    터빈의 온도 추정 시스템.
  11. 삭제
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 코팅층은 상기 터빈의 1단 터빈 베인의 표면에 배치되고,
    상기 제어부는 상기 측정부를 통해 획득한 상기 코팅층의 저항값을 기초로 상기 출구 냉각 유로 중 상기 1단 터빈 베인을 냉각하기 위한 출구 외측 냉각 유로의 개폐를 제어하는,
    터빈의 온도 추정 시스템.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 코팅층은 상기 터빈의 1단 터빈 블레이드의 표면에 배치되고,
    상기 제어부는 상기 측정부를 통해 획득한 상기 코팅층의 저항값을 기초로 상기 출구 냉각 유로 중 상기 1단 터빈 블레이드를 냉각하기 위한 출구 내측 냉각 유로의 개폐를 제어하는,
    터빈의 온도 추정 시스템.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 코팅층은 상기 터빈의 1단 터빈 블레이드 및 1단 터빈 베인을 제외한 터빈 블레이드 및 터빈 베인의 표면에 배치되고,
    상기 제어부는 상기 측정부를 통해 획득한 상기 코팅층의 저항값을 기초로 상기 외부 냉각유로 및 상기 연결 냉각유로의 개폐를 제어하는
    터빈의 온도 추정 시스템.
  15. 제10 항에 있어서,
    상기 코팅층은 상기 터빈의 케이싱의 표면에 배치되고,
    상기 제어부는 상기 측정부를 통해 획득한 상기 코팅층의 저항값을 기초로 상기 터빈 냉각유로의 개폐를 제어하는
    터빈의 온도 추정 시스템.
  16. 제10 항에 있어서,
    상기 코팅층은 상기 터빈의 터빈 블레이드, 터빈 베인 및 케이싱 중 적어도 하나 이상의 구성의 표면에 배치되고,
    상기 제어부는 상기 터빈의 터빈 블레이드, 터빈 베인 및 케이싱 중 적어도 하나 이상의 구성의 표면에 배치되는 상기 코팅층의 저항값을 상기 측정부를 통해 획득하고,
    상기 제어부는 상기 코팅층의 저항값을 기초로 상기 터빈의 터빈 블레이드, 터빈 베인 및 케이싱 중 적어도 하나 이상의 구성을 냉각하기 위해 상기 외부 냉각유로, 상기 출구 냉각유로, 상기 연결 냉각유로 및 상기 터빈 냉각유로 중 적어도 하나 이상의 냉각유로를 제어하는,
    터빈의 온도 추정 시스템.
  17. 제10 항에 있어서,
    상기 저항 물질은 상기 코팅층 내에 와이어 형태로 삽입되고,
    상기 측정부는 상기 저항 물질에 전류를 인가하여 상기 코팅층의 온도에 따라 변화하는 상기 저항 물질의 저항값을 측정하고,
    상기 저항 물질은 백금, 백금-로듐, 백금-이리듐, 니켈 또는 산화 텅스텐 중 어느 하나인,
    터빈의 온도 추정 시스템.

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