KR102072349B1 - 가스 터빈용 자동 테스팅 시스템 - Google Patents

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마이클 스미스
앤드류 야우드
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Abstract

본 발명은 파워를 발생하기 위한 가스 터빈 엔진(101), 가스 터빈 엔진(101)을 제어하기 위한 제어 유닛(102), 열역학적 모델 유닛(104) 및 테스트 시퀀스 유닛(105)을 포함하는 데이터 획득 시스템(108), 가스 터빈 엔진(101)의 성능 파라미터(115)를 측정하기 위한 가스 터빈 엔진(101)에 커플링되는 센서 장치(103) 및 비교 유닛(109)을 포함하는 가스 터빈 시스템에 관한 것이다. 열역학적 모델 유닛(104)은 가스 터빈 엔진(101)의 기계적 모델(106)을 기본으로 하여 그리고 가스 터빈 엔진(101)의 열역학적 모델(107)을 기본으로 하여 연산된 성능 파라미터(113)를 발생한다. 테스트 시퀀스 유닛(105)은 가스 터빈 엔진(101)의 테스트 사이클이 그에 따라 운행 가능할 수 있는 세트 포인트 작동 데이터 및 시간 스케쥴 데이터를 포함하는 테스트 시퀀스 데이터(114)를 발생한다. 데이터 획득 시스템(108)은 테스트 시퀀스 데이터(114)를 기본으로 하여 테스트 제어 데이터(112)를 발생하고, 데이터 획득 시스템(108)은 가스 터빈 엔진(101)이 테스트 제어 데이터(112)를 기본으로 하여 제어 가능하도록 제어 유닛(102)에 테스트 제어 데이터(112)를 제공하기 위해 제어 유닛(102)에 커플링된다. 비교 유닛(109)은 센서 장치(103)에 의해 측정되는 측정된 성능 파라미터(115)가 연산된 성능 파라미터(113)와 비교 가능하도록 데이터 획득 시스템(108)에 커플링된다.

Description

가스 터빈용 자동 테스팅 시스템 {AUTO TESTING SYSTEM FOR A GAS TURBINE}
본 발명은 테스트 시스템(test system)을 포함하는 가스 터빈(gas turbine) 및 테스트 과정에 따른 가스 터빈 시스템의 작동 방법에 관한 것이다.
산업 가스 터빈 엔진(engine)들은 기계적 파워(power) 또는 파워를 발생하기 위해 디자인된다(designed). 특정한 작동 시간 후에, 예컨대 수리 또는 오버홀(overhaul) 후에, 산업 가스 터빈 엔진이 여전히 정확하게 운행되는지를 체크(check)하기 위해 가스 터빈 엔진들이 미리 정해진 작동 포인트(operating point)들에 따라 운행되는지에 관한 테스트 시퀀스(sequence)들이 시행되어야만 한다. 각각의 작동 포인트는 엔진이 운행되어야 하는 상태를 나타내는 세트 포인트(set point)들의 세트를 명시한다.
종래의 산업 가스 터빈 엔진들에서, 가스 터빈 엔진의 테스트 시퀀스는 수동으로 개시된다. 작동자는 가스 터빈 엔진이 테스트 사이클(cycle)에 따라 미리 정해진 미리 결정된 세트 포인트들에 따라 운행되도록 제어 장치에 의해 수동으로 산업 가스 터빈 엔진을 제어한다. 미리 정해진 테스트 사이클은 예컨대 산업 가스 터빈 엔진에 대한 확인 또는 성능 테스트들에서 발생된다.
그리하여, 산업 가스 터빈 엔진의 테스트 시퀀스를 시행하기 위해, 작동자들은 테스트 사이클들을 수동으로 개시하고 제어하는 것이 필요하다. 또한, 확인 테스트들 하에서 미리 결정된 테스트 시퀀스는 가스 터빈 엔진이 실제로 노출되는 측정된 작동 파라미터(parameter) 값들 및 환경 파라미터들과 종종 일치하지 않는다. 이러한 편차에 대한 이유들 중 일부는 산업 가스 터빈이 어디서 테스트 되었는지와 매일 사용되었는지에서의 기후(예컨대 온도 또는 고도) 및 연료 조성의 차이들에서 발견될 수 있다.
US 4,821,217 은 제트기(jet aircraft) 엔진들의 전기 및 공압 시스템들의 정적 테스트들을 자동으로 수행하는 프로그램 가능한(programmable) 테스트 스테이션(station)을 개시한다. 테스트 스테이션은 각각의 엔진에서 테스트될 시스템들을 자동으로 활성화시키고 이들의 반응을 측정한다. 프로그램 가능한 데이터 획득 컴퓨터(data acquisition computer)는 자극들 및 측정들 모두를 제어하고 데이터를 발생한다. 스테이션은 복수의 엔진들에 동시에 작동식으로 연결되고 스테이션 사용자 명령들에 따라 각각 특정 시스템들을 테스트한다.
US 4,389,710 은 항공기 제동 시스템의 미끄럼 방지 및 자동 제동 제어 회로들의 작동성을 테스팅(testing)하고 훈련하기 위한 테스트 회로를 개시한다. 디지털 프로세서(digital processor)는 각각의 미끄럼 방지 제어 회로 및 자동 제동 시스템 밸브(valve) 구동기들과 연관된 인터페이스(interface) 회로와 통신한다. 각각의 이러한 인터페이스 회로는 프로세서로부터 전기 자극을 수신하고 연관된 미끄럼 방지 제어 회로 또는 자동 제동 시스템 밸브 구동기들의 다양한 테스트 포인트들에 이 전기 자극을 가하는 아날로그 스위치(analog switch)를 포함한다. 아날로그 선택기가 전기 자극에 대한 반응을 감지하고 미끄럼 방지 및 자동 제동 제어 시스템들의 작동성을 판정하기 위하여 이러한 반응들을 프로세서로 전달하기 위해 미끄럼 방지 제어 회로들 및 자동 제동 시스템 밸브 구동기들의 다양한 테스트 포인트들에 연결된다.
US 5,521,824 는 리드-래그(lead-lag) 제어를 사용하는 엔진 테스트 장치를 개시한다. 작동 인터페이스는 제어 모드(mode) 신호 및 복수의 세트 포인트들을 발생한다. 작동자들은 또한 제어 모드 신호 및 복수의 세트 포인트들을 수신하고 엔진 테스트 장치를 반응적으로 작동시키기 위한 테스트 제어기를 포함한다. 테스트 제어기는 엔진 테스트 장치의 작동 특징을 감지한다. 테스트 제어기는 또한 제어 모드 신호에 따라 엔진 테스트 장치 파라미터들을 선택적으로 작동시킨다.
US 8,161,806 은 항공기의 가스 터빈 엔진의 작동 동안 그의 엔진 성능 파라미터들을 감시하기 위한 방법을 개시한다. 이 방법은 성능 파라미터들을 감지하는 단계, 아날로그 센서(sensor) 출력들을 발생하는 단계 및 엔진에 가깝게 장착되는 하나 이상의 허브 유닛(hub unit)에 의해 아날로그 센서 출력들을 조정함으로써(conditioning) 디지털 데이터를 발생하는 단계를 포함한다.
US 4,215,412 는 항공기의 가스 터빈 엔진들의 실시간 성능 감시를 개시한다. 감시 시스템은 엔진 성능 파라미터들의 세트의 현재 값을 예상하기 위해 스칼라(scalar) 계수들 및 다양한 엔진 작동 파라미터들의 현재 값의 세트를 이용하는 디지털 프로세서를 포함한다. 이러한 성능 파라미터들의 실제 값들은 디지털 프로세서에 고장들의 표시를 제공하는 감시 로직(logic)에 항공 신호들의 편차를 공급하기 위해 감시되고 예상된 값들과 비교된다.
EP 1 288 644 는 터빈 엔진들을 위한 진단 방법 및 진단 시스템을 개시한다. 이 시스템은 가스 터빈 엔진의 테스팅 동안 검출된 고장들이 엔진의 성능 문제들과 연관되는지 또는 엔진 성능과 무관한 어떠한 다른 이상(abnormality)과 연관되는지를 평가한다. 엔진의 하나의 성능 파라미터는 이상이 있는가를 판정하기 위해 이전의 엔진 데이터의 제 1 세트에 비교되는 현재의 엔진 데이터의 제 1 세트를 발생하기 위해 하나의 성능 조건 하에서 평가된다.
EP 2 175 336 A1 은 일정 기간에 걸친 가스 터빈 엔진의 성능의 감시 방법 및 가장 만족스러운 성능을 유지하기 위해 그 연장된 작동 동안 겪는 열화를 보상하는 방법을 설명한다.
EP 2 249 004 A2 는 시간에 걸쳐 발생할 수 있는 열화를 보상하기 위해 가스 터빈 엔진의 추력 출력을 자동으로 제어하기 위한 방법 및 시스템들을 설명한다.
EP 2 175 336 A1 및 EP 2 249 004 A2 는 엔진 입구 조건들 그리고 연료 입력과 같은 기준 파라미터를 기본으로 하여, 공칭 또는 기준 엔진에 의해 달성될 성능을 계산하는 예상 모델(model)들을 각각 개시한다. 작동 엔진으로부터의 측정들은 그 후 모델들로부터의 동등한 예상된 파라미터들에 비교되고 연료 시스템 이득들 또는 압력 비율 제한들 등과 같은 하나 또는 그 초과의 제어 파라미터들을 조정하기 위한 기본으로서 사용된다.
실시간 조건들 하에서 산업 가스 터빈 엔진의 자동 테스팅을 제공하는 것이 본 발명의 목적일 수 있다.
본 발명은, 통상적으로 고객에게 전달되기 전의 가스 터빈 엔진의 테스팅 방법이며, 파워 출력, 연료 소비 또는 배출물들과 같은 목표 성능 파라미터들을 달성하기 위해 폐루프(closed loop) 제어에 의해 자동으로 실행될 수 있다. 본 방법은, 작동시 엔진으로부터 주어진 측정들에서, 연소기 출구 온도 또는 정상화된 속도(N/루트(root)(입구 온도))와 같이, 직접 측정될 수 없는 열역학적 파라미터들을 계산하는 분석적인 모델이다. 이러한 파라미터들은 제어기 또는 제어 장치로 피드백(feed back)되고 여기서 상기 파라미터들은, 미리 정해진 테스트 시퀀스에서 명시된(specified) 값에 대응하는 그러한 파라미터들의 값을 제공하기 위해 엔진 테스트 작동 포인트를 설정하도록 폐루프 내에서 사용된다.
이러한 목적은 독립 청구항들에 따른 가스 터빈 시스템 및 가스 터빈 시스템의 작동 방법에 의해 해결될 수 있다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 가스 터빈 시스템이 존재한다. 가스 터빈 시스템은 파워를 발생하기 위한 가스 터빈 엔진, 가스 터빈 엔진을 제어하기 위한 제어 유닛, 센서 장치, 비교 유닛 그리고 열역학적 모델 유닛 및 테스트 시퀀스 유닛을 포함하는 데이터 획득 시스템을 포함한다.
센서 장치는 가스 터빈 엔진의 성능 파라미터를 측정하기 위해 가스 터빈 엔진에 커플링된다(coupled).
열역학적 모델 유닛은 가스 터빈 엔진의 기계적 모델 및 가스 터빈 엔진의 열역학적 모델을 기본으로 하여 연산된 성능 파라미터를 발생한다.
테스트 시퀀스 그 자체는 자격을 갖춘 사람에 의해 디자인되거나 자격을 갖춘 사람에 의해 테스트 시퀀스 유닛 및 입력이 제어 유닛으로 디자인될 수 있다. 테스트 시퀀스 데이터는 가스 터빈 엔진의 테스트 사이클이 운행될 수 있는 세트 포인트 작동 데이터 및 시간 스케쥴(schedule) 데이터를 포함한다.
데이터 획득 시스템은 테스트 시퀀스 데이터를 기본으로 하여 테스트 제어 데이터를 발생한다. 데이터 획득 시스템은 가스 터빈 엔진이 테스트 제어 데이터를 기본으로 하여 제어 가능하도록 제어 유닛에 테스트 제어 데이터를 제공하기 위한 제어 유닛에 커플링된다.
비교 유닛은 테스트 사이클 동안 또는 테스트 사이클이 종료된 후에 센서 장치에 의해 측정되는 측정된 성능 파라미터가 연산된 성능 파라미터와 비교 가능하도록 데이터 획득 시스템에 커플링된다.
가스 터빈 엔진은 예컨대 압축기 섹션(compressor section), 연소 섹션 및 터빈 섹션을 포함한다. 가스 터빈 엔진을 작동시킴으로써, (기계적)파워가 발생되며 이는 예컨대 파워를 발생하기 위해 발전기를 작동시키는데 사용될 수 있다.
가스 터빈 엔진을 제어하기 위해, 제어 유닛이 설치된다. 제어 유닛은 예컨대 가스 터빈 엔진의 연소 섹션 안으로의 연료 분사를 제어하기 위한 연료 밸브들을 제어할 수 있다.
또한, 가스 터빈 엔진의 샤프트(shaft)를 제동하기 위한 브레이크(brake) 유닛이, 예컨대 가스 터빈으로부터의 파워를 흡수하기 위해 가스 터빈 엔진에 커플링될 수 있다. 제어 유닛은 가스 터빈 엔진의 샤프트의 회전 속도를 제어하기 위해 브레이크 유닛을 제어할 수 있고 그리하여 예컨대 직접 또는 간접적으로 유체 매스(fluid mass)가 가스 터빈 엔진을 통하여 유동한다. 제어 유닛은 가스 터빈 엔진의 작동 포인트를 설정하기 위해 샤프트의 회전 속도 외에 제동 로드(load)를 제어할 수 있다.
데이터 획득 시스템은 가스 터빈 엔진을 정확하게 작동시키고 가스 터빈 엔진을 제어하고 테스트하기 위해 특정 파라미터들의 모든 필요한 데이터를 수집하는데 사용된다. 데이터 획득 시스템은 예컨대 열역학적 모델 유닛 및 테스트 시퀀스 유닛을 포함한다.
센서 장치는 작동 파라미터의 측정을 위해 또는 성능 파라미터의 측정을 위해 가스 터빈 엔진에 커플링된다. 센서 장치는 예컨대 온도 센서, 압력 센서, 산소 센서, 속도 센서 또는 바람직한 파라미터를 측정하기 위한 임의의 다른 적절한 센서들을 포함한다.
작동 파라미터는 가스 터빈 엔진을 작동시키기 위해 가스 터빈 엔진에 입력되는 파라미터를 정의한다. 작동 파라미터는 예컨대, 연료 양, 기류 체적의 질량 유동 또는 가스 터빈 엔진으로부터 빼내어지는 블리드(bleed) 공기의 양이다.
측정된 성능 파라미터는 가스 터빈 엔진이 작동 파라미터 하에서 운행되는 동안 가스 터빈 엔진에 의해 출력되는 파라미터를 정의한다. 측정된 성능 파라미터는 각각, 예컨대 (예컨대 연소 섹션 또는 터빈 섹션과 같은 가스 터빈 엔진의 미리 정해진 위치에서의) 가스 터빈 엔진의 온도, 가스 터빈 엔진의 특정 위치에서의 압력, 가스 터빈 엔진의 배출물들, 가스 터빈 엔진의 연료 소비 및/또는 로드이다.
열역학적 모델 유닛은 예컨대 저장소를 포함하며 여기에 가스 터빈 엔진들의 기계적 모델(시뮬레이션(simulation)) 및 가스 터빈 엔진의 열역학적 모델(시뮬레이션)의 데이터가 저장된다.
가스 터빈 엔진의 기계적 모델은 예컨대 기계적 모델의 시뮬레이션이 가능하도록 가스 터빈 엔진들의 동일한 치수들 및 기하학적 제약들을 포함하는 모델이다.
따라서, 열역학적 모델은 특정 가스 터빈 엔진의 특정 작동 조건들의 데이터를 포함한다. 예컨대, 열역학적 모델은 가스 터빈 엔진이 시뮬레이트되도록(simulated) 특정 입력(즉, 작동) 파라미터들을 기본으로 하여 특정 출력(성능) 파라미터들을 계산한다. 예컨대, 입력 값으로서, 연료의 양, 분사된 공기의 양 및 블리드 공기의 양이 미리 정해져서, 그리하여 (예컨대 기계적 모델의 고려하에서)열역학적 모델은, 예컨대 터빈 스테이지(stage)의 출구에서 가스 터빈 엔진들의 온도, 압력 또는 배출물과 같은 이론적으로 시뮬레이트된 성능 파라미터를 계산할 수 있다.
기계적 모델 및 열역학적 모델을 기본으로 하여, 열역학적 모델 유닛은 연산된 성능 파라미터를 발생한다.
연산된 성능 파라미터는 가스 터빈 엔진의 시뮬레이트된 작동의 시뮬레이트된 작동 조건을 정의한다. 연산된 성능 파라미터는 연산된 및 계산된 파라미터이며 이는 측정된 또는 미리 정해진 작동 파라미터를 기본으로 하여 열역학적 모델 유닛에 의해 연산된다. 특히, 연산된 성능 파라미터는 연산된(시뮬레이트된) 로드, 연산된(시뮬레이트된) 효율, 연산된 배출물, 가스 터빈 엔진을 통하는 유체의 연산된 유동 특징, 연산된 연료 소비, 연산된 람다(Lambda) 값 및/또는 연산된 파워 곡선을 나타낸다.
그리하여, 연산된 로드와 같은 연산된 성능 파라미터는 시뮬레이트된 및 이론적인 표시를 제공하며 이들 하에서, 즉 공칭 조건들 하에서 및/또는 시뮬레이션 조건들 하에서 (연료 질량 유동, 등과 같은)작동 파라미터들을 입력하고 이론적으로 가스 터빈 엔진에 의해 달성되어야 하는 연산된 성능 파라미터들을 출력한다.
테스트 시퀀스 유닛은 가스 터빈 엔진의 테스트 사이클이 그에 따라 운행될 수 있는 세트 포인트 작동 데이터 및 시간 스케쥴 데이터를 포함하는 테스트 시퀀스 데이터를 발생한다. 다시 말하면, 테스트 시퀀스 유닛에서, 미리 정해진 테스트 진행들 및 테스트 사이클들이 저장되며, 이는 가스 터빈 엔진의 정확하고 고장이 없는 운행을 보장하기 위해 가스 터빈 엔진들의 특정 작동 시간들 후에 달성되어야만 한다.
테스트 시퀀스 데이터는 예컨대 가스 터빈 엔진의 세트 포인트 가속 데이터, 가스 터빈 엔진의 세트 포인트 속도 및 가스 터빈 엔진에 의해 사용되는 미리 정해진 연료 타입(type)을 나타내는 세트 포인트 작동 데이터를 포함한다. 다시 말하면, 세트 포인트 작동 데이터는 테스트 사이클을 운행할 때 가스 터빈 엔진에 의해 달성되어야 하는 세트 포인트를 정의하는 제어 데이터이다.
시간 스케쥴 데이터는 가스 터빈 엔진이 테스트 사이클 동안 미리 정해진 세트 포인트 작동 데이터에 의해 운행되어야 하는 시간 프레임(time frame)들을 설명한다.
데이터 획득 시스템은 구체적으로는 (측정된 또는 미리 정해진)작동 파라미터들, 연산된 성능 파라미터들 및 테스트 시퀀스를 수집하고 이러한 파라미터들을 기본으로 하여 테스트 제어 데이터를 발생한다.
비교 유닛은 테스트 사이클 후에 또는 그동안 센서 시스템에 의해 측정되는 측정된 성능 파라미터가 연산된 성능 파라미터들과 비교 가능하도록 데이터 획득 시스템에 커플링된다. 측정된 성능 파라미터가 연산된 성능 파라미터와 유사하다면, 가스 터빈 엔진의 적절한 작동이 보장될 수 있다.
그리하여, 비교 유닛은 테스트 사이클을 시행한 후에 측정된 성능 파라미터들이 열역학적 모델에 의해 연산되고 계산된 연산된 성능 파라미터들과 일치하는지 여부를 체크한다. 그리하여, 연산된 성능 파라미터와 측정된 성능 파라미터 사이에 큰 차이가 발생한다면, 가스 터빈 엔진은 아마도 정확하게 작업되지 않는 것이다.
그리하여, 본 발명에 의해, 단지 실험적 및 이론적 조건들 하에서 미리 정해진 테스트 시퀀스 데이터를 포함할 뿐만 아니라 가스 터빈 엔진의 열역학적 모델로부터의 연산된 성능 파라미터들을 또한 고려한 테스트 제어 데이터가 발생된다. 그리하여, 테스트 제어 데이터는 특정하게 적응된 테스트 사이클들이 가스 터빈 엔진에 의해 시행될 수 있도록 가스 터빈 엔진의 환경적 조건들 및 실제 작동 상태에 더욱 정확하게 적응될 수 있다.
예컨대, 가스 터빈 엔진이 최대 파워 발생으로 작동한다면, 각각의 최대 파워 테스트가 자동으로 시행될 수 있다. 예컨대, 센서 장치는 최대 파워 발생을 측정하고 이러한 정보를 데이터 획득 시스템에 제공한다. 다음에, 데이터 획득 시스템은 열역학적 모델 유닛으로부터 최대 파워 발생 하에서 운행되는 가스 터빈 엔진의 열역학적 모델을 나타내는 연산된 성능 파라미터들을 수신한다. 부가적으로, 테스트 시퀀스 유닛은 최대 파워 발생 하에서 가스 터빈 엔진을 테스팅하는데 필요한 시간 스케쥴 데이터 및 세트 포인트 작동 데이터를 포함하는 테스트 시퀀스 데이터를 제공한다.
그리하여, 테스트 제어 데이터는, 예컨대 최대 파워 테스트를 위한 미리 정해진 테스트 시퀀스 데이터만을 포함할 뿐만 아니라, 예컨대 최대 파워 하에서 운행되는 동안 달성되어야 하는 가스 터빈 엔진의 연산된 성능 파라미터들을 또한 포함한다.
부가적으로, 다른 예시적인 실시예에 따르면, 열역학적 모델 유닛은 이 열역학적 모델 유닛이 측정된 작동 파라미터를 기본으로 하여 부가적으로 연산된 성능 파라미터를 발생하도록 센서 장치에 커플링된다. 그리하여, 열역학적 모델 유닛은 연료 분사 체적에 관한 정보를 수신하고, 열역학적 모델 유닛은, 측정된 연료 분사 체적이 분사된다면 가스 터빈 엔진에 의해 이론적으로 달성 가능한 연산된 성능 파라미터들, 예컨대 연산된 로드를 발생할 수 있다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 테스트 시퀀스 유닛은 테스트 사이클이 자동으로 측정 가능하도록 제어 유닛에 커플링된다.
상기 설명된 바와 같이, 제어 유닛이 최대 파워 발생 하에서 가스 터빈 엔진을 운행한다면, 테스트 시퀀스 유닛은 가스 터빈 엔진의 최대 파워 테스트를 자동으로 개시할 수 있다. 작동자가 테스트 사이클을 수동으로 개시하는 것이 더 이상 필수적이지 않다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 테스트 시퀀스 유닛은 테스트 사이클이 작동자에 의해 수동으로 개시되도록 제어 유닛에 커플링된다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 제어 장치는 제어 유닛에 커플링되고 여기서 제어 장치는 가스 터빈 엔진이 테스트 제어 데이터에 따라 조정 가능하도록 제어 유닛에 의해 제어 가능하다. 상기 설명된 바와 같이, 제어 장치는 예컨대 가스 터빈 엔진 출력 샤프트에 제어된 로드를 가하기 위한 제어 브레이크일 수 있어서, 예컨대 가스 터빈 출력 샤프트 회전 속도의 제어와 함께, 가스 터빈 작동 포인트의 미리 정해진 값이 설정되고 제어될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 제어 장치는 가스 터빈 엔진으로의 연료 공급을 제어하기 위한 연료 밸브를 포함할 수 있다. 그리하여, 연료의 양은 예컨대 테스트 제어 데이터에 따라 정확하게 조정될 수 있다.
이후에, 본 발명의 다른 양태에 따른 가스 터빈 시스템의 작동 방법이 설명된다. 가스 터빈 엔진은 파워를 발생하고, 여기서 가스 터빈 엔진은 제어 유닛에 의해 제어된다. 가스 터빈 엔진의 성능 파라미터가 데이터 획득 시스템의 센서 장치에 의해 측정된다. 다음에, 연산된 성능 파라미터는 열역학적 모델 유닛에 의해 가스 터빈 엔진의 기계적 모델 및 가스 터빈 엔진의 열역학적 모델을 기본으로 하여 발생된다. 테스트 시퀀스 데이터가 발생되고, 여기서 테스트 시퀀스 데이터는 가스 터빈 엔진의 테스트 사이클이 그에 따라 테스트 시퀀스 유닛에 의해 운행될 수 있는 세트 포인트 작동 데이터 및 시간 스케쥴 데이터를 포함한다. 다음에, 테스트 제어 데이터는 테스트 시퀀스 데이터를 기본으로 하여 데이터 획득 시스템에 의해 발생된다. 테스트 제어 데이터는 가스 터빈 엔진이 테스트 제어 데이터를 기본으로 하여 제어 유닛에 의해 제어 가능하도록 제어 유닛에 제공된다. 센서 장치에 의해 측정되는 측정된 성능 파라미터는 비교 유닛에 의해서 연산된 성능 파라미터와 비교된다.
요약하면, 본 발명에 의해, 테스트 제어 데이터는 단지 미리 정해진 테스트 데이터를 포함할 뿐만 아니라 가스 터빈 엔진의 열역학적 모델로부터의(연산된 성능 및/또는 연산된 작동 파라미터인) 출력들을 또한 포함한다.
열역학적 모델은 측정된 작동 조건들의 고려하에 열역학적 모델 유닛에 의해 가스 터빈 엔진의 작동 동안 연속적으로 이행될 수 있다. 열역학적 모델 유닛의 운행은 가스 터빈 엔진을 제어하는 제어 유닛과는 독립적이다.
열역학적 모델 유닛으로부터의 (연산된 성능 파라미터인)출력들은 가스 터빈 엔진의 기계적 모델, 가스 터빈 엔진의 열역학적 모델 및 가스 터빈 엔진의 측정된 또는 미리 정해진 작동 파라미터들을 기본으로 한다.
예컨대 작동 포인트들의 세트를 포함하는 테스트 제어 데이터는 제어 유닛에 업로드된다(uploaded). (세트 포인트 작동 데이터인)작동 포인트들의 세트는 예컨대 가스 터빈 엔진의 특정 작동 모드 하에서 달성되어야 하는 가스 터빈 엔진의 바람직한 로드(파워)를 포함한다. 바람직한 로드는 예컨대 센서 장치 또는 열역학적 모델의 (연산된 성능 파라미터인)출력들 중 하나로부터의 선택의 하나로서 명시될 수 있다. 또한 경사율(ramp rate)이 가스 터빈 엔진의 2 개의 명시된 작동 상태들 사이에서의 교차(crossover) 작동을 제어하는 것을 가능하게 하기 위해 명시될 수 있다. 테스트 제어 데이터는 가스 터빈 엔진이 테스트 사이클 동안 달성해야 하는 예컨대 세트 포인트 작동 데이터로서 바람직한 속도에 관한 정보를 또한 포함할 수 있다. 바람직한 속도는 센서 장치에 의해 측정되는 (측정된 작동 파라미터인)실제 속도로부터 또는 열역학적 모델로부터 출력되는 연산된 작동 파라미터인 (연산된 성능 파라미터인)교정된 속도로부터 취해질 수 있다.
또한, 테스트 제어 데이터는 가스 터빈 엔진이 테스트 사이클 하에서 운행되어야 하는 연료의 타입, 즉 가스 터빈 엔진이 가스 연료 또는 액체 연료에 의해 운행되어야 하는지의 정보를 또한 포함할 수 있다.
테스트 시퀀스 데이터는 가스 터빈 엔진이 (세트 포인트 작동 데이터인)명시된 작동 포인트에서 얼마나 길게 유지되어야 하는지의 시간을 정의하는 시간 스케쥴에 관한 정보를 또한 포함한다. 또한, 테스트 제어 데이터는 가스 터빈의 작동 조건들을 정의하며 유지 기간의 작동 상태의 증가, 감소 또는 제거를 정의한다.
또한, 데이터 획득 시스템은 분산된 폐루프 제어기의 일부로서 기능할 수 있으며 여기서 주기적으로 테스트 제어 데이터는 테스트 사이클들을 시행하기 위해 발생된다. 그리하여, 데이터 획득 시스템 및 제어 유닛은 함께 작업함으로써 폐루프 제어기로서 작용한다. 이 방법은 폐루프이며 목표 성능 파라미터들이 가스 터빈에 대하여 달성될 때까지 작동 가능하다. 따라서 바람직한 성능 파라미터들이 고객에게 전달되기에 앞서 달성된다.
데이터 획득 시스템은 그 후 제어기 또는 제어 장치/유닛으로 피드백되는 테스트 제어 데이터 또는 파라미터들을 발생하거나 수집하고 여기서 이들은 미리 정해진 테스트 시퀀스에서 명시된 값에 대응하는 그러한 파라미터들의 값을 제공하기 위해 엔진 테스트 작동 포인트를 설정하도록 폐루프 내에서 사용된다.
본 발명의 실시예들은 상이한 요지들을 참조하여 설명된 것에 주의해야만 한다. 특히, 일부 실시예들은 장치 타입 청구항들을 참조하여 설명되는 반면 다른 실시예들은 방법 타입 청구항들을 참조하여 설명되었다. 하지만, 당업자는 상기 및 이후의 설명으로부터, 달리 나타내지 않는다면, 요지의 하나의 타입에 속하는 특징들의 임의의 조합 외에 상이한 요지들에 관한 특징들 사이의, 특히 장치 타입 청구항들의 특징들과 방법 타입 청구항들의 특징들 사이의 임의의 조합이 또한 본 출원에 따라 개시되는 것으로서 고려된다는 것을 이해할 것이다.
본 발명의 상기 정의된 양태들 및 다른 양태들은 이후에 설명될 실시예의 예들로부터 자명해지고 실시예의 예들을 참조하여 설명된다. 본 발명은 본 발명이 이에 제한되지 않는 실시예의 예들을 참조하여 이후에 더 상세하게 설명될 것이다.
도면은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 가스 터빈 시스템의 개략도를 도시한다.
도면의 예시는 개략적이다. 유사한 또는 동일한 요소들에는 동일한 참조 부호들이 제공된다.
도면은 파워(power)를 발생하기 위한 가스 터빈 엔진(gas turbine engine)(101)을 포함하는 가스 터빈 시스템을 도시한다. 또한, 가스 터빈 엔진(101)을 제어하기 위한 제어 유닛(control unit)(102)이 도시된다. 부가적으로, 열역학적 모델 유닛(thermodynamic model unit)(104) 및 테스트 시퀀스 유닛(test sequence unit)(105)을 포함하는 데이터 획득 시스템(data acquisition system)(108)이 도시된다.
센서 장치(sensor device)(103)가 가스 터빈 엔진(101)의 측정된 작동 파라미터(111)를 측정하기 위해 가스 터빈 엔진(101)에 커플링된다(coupled).
열역학적 모델 유닛(104)은 가스 터빈 엔진(101)의 기계적 모델(106) 및 가스 터빈 엔진(101)의 열역학적 모델(107)을 기본으로 하여 연산된 성능 파라미터(performance parameter)(113)들을 발생한다. 테스트 시퀀스 유닛(105)은 가스 터빈 엔진(101)의 테스트 사이클(test cycle)이 그에 따라 운행될 수 있는 세트 포인트 작동 데이터(set point operating data) 및 시간 스케쥴 데이터(time schedule data)를 포함하는 테스트 시퀀스 데이터(114)를 발생한다.
데이터 획득 시스템(108)은 측정된 작동 파라미터(111), 연산된 성능 파라미터(113) 및 테스트 시퀀스 데이터(114)를 기본으로 하여 테스트 제어 데이터(112)를 발생한다. 데이터 획득 시스템(108)은 가스 터빈 엔진(101)이 테스트 제어 데이터(112)를 기본으로 하여 제어 가능할 수 있도록 제어 유닛(102)에 테스트 제어 데이터(112)를 제공하기 위해 제어 유닛(102)에 커플링된다.
도면에서 도시된 바와 같이, 열역학적 모델 유닛(104)은 이 열역학적 모델 유닛(104)이 측정된 작동 파라미터(111)를 기본으로 하여 부가적으로 연산된 성능 파라미터(113)를 발생하도록 센서 장치(103)에 커플링된다.
또한, 비교 유닛(109)이 테스트 사이클 동안 또는 이 테스트 사이클이 종료된 후에 센서 장치(103)에 의해 측정되는 측정된 성능 파라미터(115)가 연산된 성능 파라미터(113)와 비교 가능하도록 데이터 획득 시스템(108)에 커플링된다.
또한, 가스 터빈 엔진(101)으로의 연료 공급을 제어하기 위한 연료 밸브(fuel valve) 또는 가스 터빈 엔진(101)을 제어 가능하게 제동하기 위한 제어 브레이크(control brake)와 같은 제어 장치(110)가 가스 터빈 엔진(101)에 커플링된다. 제어 유닛(102)은 가스 터빈 엔진 작동 포인트가 데이터 획득 시스템(108)에 의해 전송된 테스트 제어 데이터(112)에 따라 조정 가능하도록 제어 장치(110)를 제어한다.
용어 "포함하는(comprising)" 은 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않으며 단수형("a" 또는 "an")은 복수형을 배제하지 않는 것에 주의해야 한다. 또한 상이한 실시예들과 관련하여 설명된 요소들은 조합될 수 있다. 청구항들의 참조 부호들은 청구항들의 범주를 제한하는 것으로서 이해되어서는 안 되는 것에 또한 주의해야 한다.

Claims (12)

  1. 파워(power)를 발생시키기 위한 가스 터빈 엔진(gas turbine engine)(101),
    상기 가스 터빈 엔진(101)을 제어하기 위한 제어 유닛(control unit)(102),
    열역학적 모델 유닛(thermodynamic model unit)(104) 및 테스트 시퀀스 유닛(test sequence unit)(105)을 포함하는 데이터 획득 시스템(data acquisition system)(108),
    상기 가스 터빈 엔진(101)의 성능 파라미터(performance parameter)(115)를 측정하기 위해 상기 가스 터빈 엔진(101)에 커플링된(coupled) 센서 장치(sensor device)(103), 및
    비교 유닛(109)을 포함하는 가스 터빈 시스템으로서,
    상기 열역학적 모델 유닛(104)은 상기 가스 터빈 엔진(101)의 기계적 모델(106)을 기초로 그리고 상기 가스 터빈 엔진(101)의 열역학적 모델(107)을 기초로 연산된 성능 파라미터(113)를 생성하고,
    상기 테스트 시퀀스 유닛(105)은 세트 포인트 작동 데이터(set point operating data) 및 시간 스케쥴 데이터(time schedule data)를 포함하는 테스트 시퀀스 데이터(114)를 생성하고, 상기 세트 포인트 작동 데이터 및 시간 스케쥴 데이터에 의해 상기 가스 터빈 엔진(101)의 테스트 사이클(test cycle)이 운행될 수 있고,
    상기 데이터 획득 시스템(108)은 상기 테스트 시퀀스 데이터(114) 및 상기 연산된 성능 파라미터(113)를 기초로 테스트 제어 데이터(112)를 생성하며,
    상기 데이터 획득 시스템(108)은, 상기 가스 터빈 엔진(101)이 상기 테스트 제어 데이터(112)를 기초로 제어 가능하도록, 상기 제어 유닛(102)에 상기 테스트 제어 데이터(112)를 제공하기 위해 상기 제어 유닛(102)에 커플링되고,
    상기 비교 유닛(109)은 상기 센서 장치(103)에 의해 측정되는 측정된 성능 파라미터(115)가 상기 연산된 성능 파라미터(113)와 비교 가능하도록 상기 데이터 획득 시스템(108)에 커플링되는,
    가스 터빈 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열역학적 모델 유닛(104)은, 상기 열역학적 모델 유닛(104)이 측정된 작동 파라미터(111)를 추가적으로 기초하여 상기 연산된 성능 파라미터(113)를 생성하도록, 상기 센서 장치(103)에 커플링되는,
    가스 터빈 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연산된 성능 파라미터(113)는 연산된 로드(load), 연산된 효율, 연산된 배출물, 가스 터빈 엔진(101)을 통하는 유체의 연산된 유동 특징, 연산된 연료 소비, 연산된 람다(lambda) 값 및 연산된 파워 곡선 중 하나 이상을 나타내는,
    가스 터빈 시스템.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 측정된 성능 파라미터(115)는 측정된 온도, 측정된 압력, 측정된 속도, 측정된 배출물들, 측정된 연료 소비 및 측정된 로드 중 하나 이상을 나타내는,
    가스 터빈 시스템.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 세트 포인트 작동 데이터는 상기 가스 터빈 엔진(101)의 세트 포인트 가속 데이터, 상기 가스 터빈 엔진(101)의 세트 포인트 속도 및 상기 가스 터빈 엔진(101)에 의해 사용되는 연료 타입(type) 중 하나 이상을 포함하는,
    가스 터빈 시스템.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 테스트 시퀀스 유닛(105)은 테스트 사이클이 자동으로 개시될 수 있도록 상기 제어 유닛(102)에 커플링되는,
    가스 터빈 시스템.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 테스트 시퀀스 유닛(105)은 테스트 사이클이 작업자에 의해 수동으로 개시될 수 있도록 상기 제어 유닛(102)에 커플링되는,
    가스 터빈 시스템.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(102)에 커플링되는 제어 장치(110)를 더 포함하고,
    상기 제어 장치(110)는, 상기 가스 터빈 엔진(101)이 테스트 제어 데이터(112)에 따라 조정 가능하도록, 상기 제어 유닛(102)에 의해 제어 가능한,
    가스 터빈 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제어 장치(110)는:
    상기 가스 터빈 엔진(101)을 제어 가능하게 제동하기 위한 제어 브레이크(control brake); 및
    상기 가스 터빈 엔진(101)으로의 연료 공급을 제어하기 위한 연료 밸브(fuel valve);
    중 하나 이상을 포함하는,
    가스 터빈 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 데이터 획득 시스템(108)은 제어 장치(110)로 피드백(feed back)되는 테스트 제어 데이터를 생성하고, 상기 테스트 제어 데이터는 미리 정해진 테스트 시퀀스에 명시된(specified) 값에 대응하는 그러한 파라미터들의 값을 제공하기 위해 엔진 테스트 작동 포인트를 설정하도록 폐루프(closed loop) 내에서 사용되는
    가스 터빈 시스템.
  11. 가스 터빈 시스템의 작동 방법으로서,
    가스 터빈 엔진(101)에 의해 파워를 발생시키는 단계,
    제어 유닛(102)에 의해 상기 가스 터빈 엔진(101)을 제어하는 단계,
    데이터 획득 시스템(108)의 센서 장치(103)에 의해 상기 가스 터빈 엔진(101)의 성능 파라미터(115)를 측정하는 단계,
    상기 가스 터빈 엔진(101)의 기계적 모델(106) 및 가스 터빈 엔진(101)의 열역학적 모델(107)을 기초로 열역학적 모델 유닛(104)에 의해 연산된 성능 파라미터(113)를 생성하는 단계,
    세트 포인트 작동 데이터 및 시간 스케쥴 데이터를 포함하는 테스트 시퀀스 데이터(114)를 테스트 시퀀스 유닛(105)에 의해 생성하는 단계 - 상기 세트 포인트 작동 데이터 및 시간 스케쥴 데이터에 의해 상기 가스 터빈 엔진(101)의 테스트 사이클이 운행될 수 있음 - ,
    상기 테스트 시퀀스 데이터(114) 및 상기 연산된 성능 파라미터(113)를 기초로 상기 데이터 획득 시스템(108)에 의해 테스트 제어 데이터(112)를 생성하는 단계,
    상기 가스 터빈 엔진(101)이 테스트 제어 데이터(112)를 기초로 제어 유닛(102)에 의해 제어 가능하도록 제어 유닛(102)에 테스트 제어 데이터(112)를 제공하는 단계, 및
    상기 센서 장치(103)에 의해 측정되는 측정된 성능 파라미터(115)를 상기 연산된 성능 파라미터(113)와 비교 유닛(109)에 의해 비교하는 단계를 포함하는,
    가스 터빈 시스템의 작동 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 가스 터빈 시스템의 작동 방법은 폐루프이고 상기 가스 터빈을 위한 목표 성능 파라미터들이 달성될 때까지 작동 가능한,
    가스 터빈 시스템의 작동 방법.
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