KR102079565B1 - 터빈 입구 온도 계측 시스템 및 계측 방법 - Google Patents

터빈 입구 온도 계측 시스템 및 계측 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102079565B1
KR102079565B1 KR1020180138470A KR20180138470A KR102079565B1 KR 102079565 B1 KR102079565 B1 KR 102079565B1 KR 1020180138470 A KR1020180138470 A KR 1020180138470A KR 20180138470 A KR20180138470 A KR 20180138470A KR 102079565 B1 KR102079565 B1 KR 102079565B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
combustion gas
turbine inlet
inlet temperature
turbine
temperature information
Prior art date
Application number
KR1020180138470A
Other languages
English (en)
Inventor
박세익
신주곤
주용진
서동균
Original Assignee
한국전력공사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전력공사 filed Critical 한국전력공사
Priority to KR1020180138470A priority Critical patent/KR102079565B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102079565B1 publication Critical patent/KR102079565B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K13/00—Thermometers specially adapted for specific purposes
    • G01K13/02—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving fluids or granular materials capable of flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/04—Air intakes for gas-turbine plants or jet-propulsion plants
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K13/00—Thermometers specially adapted for specific purposes
    • G01K13/02—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving fluids or granular materials capable of flow
    • G01K13/024—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving fluids or granular materials capable of flow of moving gases
    • G01K2013/024—

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Abstract

터빈 입구 온도 계측 시스템 및 계측 방법이 개시된다. 본 발명에 따르면 복사 열전달로 손실되는 에너지를 반영하여 터빈 입구 온도를 계측할 수 있으므로, 터빈 입구 온도 계측의 정확도가 향상될 수 있다.

Description

터빈 입구 온도 계측 시스템 및 계측 방법{Turbine inlet temperature measurement system and measurement method}
본 발명은 온도 계측 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 열전달을 이용한 보정을 통해 보다 정확한 터빈 입구 온도를 계측할 수 있는 시스템 및 그 계측 방법에 관한 것이다.
가스 터빈은 공기를 압축기로 압축해서 연소기로 보내고 그것에 연료를 가해 등압 연소시켜 고온, 고압의 연소가스를 만들고 터빈을 구동해서 출력을 얻는 원동기(prime mover)의 일종이다.
이 때, 가스 터빈의 출력 및 효율은 연소기 후단에 인접한 가스 터빈의 입구 온도와 밀접한 관련이 있다. 그런데, 가스 터빈의 입구 근처에서 유동하는 가스는 절대온도 1,300K 내지 1,700K 정도의 고온이며, 유동 속도가 매우 빨라 가스 온도를 직접 측정하기가 어렵다.
따라서, 가스 터빈 제작시 터빈 입구 온도(Turbine Inlet Temperature, TIT)을 도출하기 위해 간접적인 방법이 사용됨이 일반적이다.
구체적으로, 열 감지 페인트(thermal indicating paint)를 이용한 실험적 방법 또는 연소기에서의 연소 후 가스가 터빈 블레이드(blade) 및 베인(vane)에 형성된 냉각 홀을 통해 공급되는 냉각용 공기와 혼합되어 냉각된 가스 온도를 기준으로 역산을 통해 추정하는 방법이 사용된다.
그런데, 이러한 방법들은 연소가스의 온도를 직접 측정하지 못하므로 정밀도가 낮아서, 가스 터빈이 사용되는 대형 설비의 신뢰도 제고에 도움이 되기 어렵다.
또한, 연소 후 연소가스 온도의 측정을 위한 센서로서 열전쌍(thermocouple)을 설치할 경우, 고속으로 유동하는 고온, 고압의 연소가스로 인한 손상 위험이 있다. 더 나아가, 센서의 과열로 인해 측정값이 왜곡될 위험도 존재한다.
일본 공개특허공보 제2001-329855호는 가스 터빈 출구 온도, 흡입 공기 온도, 회전 수를 파라미터로 구성하고, 터빈 입구 온도를 파라미터의 함수로 표현함으로써 터빈 입구 온도를 산출하는 방법을 개시한다.
그런데 이러한 유형의 터빈 입구 온도 예측 방법은 센서에서 손실되는 열량이 반영되지 못하므로, 정확도 제고에 한계가 있다.
일본 공개특허공보 제2003-065081호는 터빈의 배기가스 온도, 압축기의 출구 압력, 대기 압력 특성 및 가스 터빈의 압축기의 흡기 온도를 파라미터로 구성하고, 복수 개의 흡기 온도를 이용하여 가스 터빈의 배기가스 온도를 보정하는 가스 터빈 입구 온도의 제어 방법 및 추정 방법을 개시한다.
그런데, 이러한 유형의 가스 터빈 입구 온도 제어 방법 및 추정 방법 또한 센서에서 손실되는 열량이 반영되지 못하므로, 정확도 제고에 한계가 있다는 문제점을 여전히 포함한다.
일본 공개특허공보 제2001-329855호 (2001.11.30.) 일본 공개특허공보 제2003-065081호 (2003.03.05.)
본 발명의 목적은, 상술한 문제점을 해결할 수 있는 터빈 입구 온도 계측 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 목적은 고온, 고압의 연소가스가 고속으로 유동하는 조건에서도 센서의 손상 위험 없이 터빈 입구 온도를 측정할 수 있는 터빈 입구 온도 계측 시스템 및 계측 방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 일 목적은 센서로부터 주변부로의 열전달에 의한 열량을 반영하여 보다 정확한 터빈 입구 온도 계측이 가능한 터빈 입구 온도 계측 시스템을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 연소기에서 발생되는 연소가스에 의해 작동되는 터빈의 입구 온도를 계측하는 시스템으로서, 상기 터빈에는, 상기 터빈 내에서 상기 연소가스의 유로를 형성하는 격벽부가 구비되고, 상기 시스템은, 상기 연소가스의 유로 상에 구비되며, 상기 격벽부에 인접하게 위치되는 연소가스 온도 센서를 포함하고, 상기 연소가스 온도 센서에서 감지된 연소가스 온도 정보 및 상기 연소가스 온도 센서로부터 상기 격벽부로 전달되는 복사 열량값을 이용하여 상기 터빈의 터빈 입구 온도 정보가 연산되는 터빈 입구 온도 계측 시스템을 제공한다.
또한, 상기 터빈 입구 온도 계측 시스템은 제어부를 더 포함하며, 상기 제어부는, 상기 연소가스 온도 정보를 전달받는 온도 정보 수신 모듈; 및 상기 온도 정보 수신 모듈에 전달된 상기 연소가스 온도 정보를 이용하여 상기 복사 열량값을 연산하는 복사 열량 연산 모듈을 포함할 수 있다.
또한, 상기 터빈 입구 온도 계측 시스템은, 상기 연소가스 온도 정보 및 상기 복사 열량값을 이용하여 터빈 입구 온도 정보를 연산하는 터빈 입구 온도 연산 모듈을 포함할 수 있다.
또한, 상기 복사 열량값은 하기 [수학식 1]에 의해 연산되며,
Figure 112018113326908-pat00034
상기 QRadiation은 상기 복사 열량값이고, 상기 ε은 복사율이며, 상기 σ는 스테판-볼츠만(Stefan-Boltzmann) 상수이고, 상기 F는 형상 계수(shape factor)이며, 상기 Tc는 상기 연소가스 온도 정보이고, 상기 Tw는 상기 격벽부의 표면 온도 정보일 수 있다.
또한, 상기 터빈 입구 온도 정보는 하기 [수학식 2] 및 [수학식 3]에 의해 연산되며,
Figure 112018112281424-pat00002
Figure 112018113326908-pat00035
상기 QConvenction은 상기 대류 열량값이며, 상기 QRadiation은 상기 복사 열량값이고, 상기 Nu는 누셀트 수(Nusselt number)이며, 상기 K는 상기 격벽부의 열전도율이고, 상기 d는 상기 격벽부의 두께이며, 상기 Tg는 상기 터빈 입구 온도 정보이고, 상기 Tc는 상기 연소가스 온도 정보일 수 있다.
또한, 상기 Nu는 하기 [수학식 4]에 의해 연산되며,
Figure 112018113326908-pat00036
상기 Re는 레이놀즈 수(Reynolds number)이다.
또한, 상기 터빈은 그 외측에 베인(vane)을 포함하며, 상기 연소가스 온도 센서는 상기 베인에 위치될 수 있다.
또한, 상기 연소가스 온도 센서는 상기 유로의 상류 측에 위치될 수 있다.
또한, 상기 연소가스 온도 센서는 복수 개 구비되어 상기 터빈의 방사상 외측 방향으로 상기 베인에 순차적으로 배열될 수 있다.
또한, 상기 연소가스 온도 센서의 상기 유로에 위치되는 단부에는 온도 센서 냉각 자켓이 구비되며, 상기 온도 센서 냉각 자켓은 상기 연소가스 온도 센서의 상기 단부를 외측에서 감쌀 수 있다.
또한, 본 발명은, 연소기에서 발생되는 연소가스에 의해 작동되는 터빈의 입구 온도를 계측하는 방법으로서, (a) 연소가스 온도 센서가 상기 터빈에 유입된 상기 연소가스의 연소가스 온도 정보를 감지하는 단계; (b) 온도 정보 수신 모듈이 상기 연소가스 온도 정보를 전달받는 단계; 및 (c) 복사 열량 연산 모듈이 상기 연소가스 온도 정보를 이용하여 복사 열량값을 연산하는 단계를 포함하며, 상기 연소가스 온도 센서에서 감지된 상기 연소가스 온도 정보 및 상기 연소가스 온도 센서로부터 격벽부로 전달되는 상기 복사 열량값을 이용하여 터빈 입구 온도 정보가 연산되는 터빈 입구 온도 계측 방법을 제공한다.
또한, 상기 터빈 입구 온도 계측 방법은, 상기 (c) 단계 이후에, (d) 터빈 입구 온도 연산 모듈이 상기 연소가스 온도 정보 및 상기 복사 열량값을 이용하여 터빈 입구 온도 정보를 연산하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 복사 열량 연산 모듈은 하기 [수학식 5]에 의해 상기 복사 열량값을 연산하며,
Figure 112018113326908-pat00037
상기 QRadiation은 상기 복사 열량값이고, 상기 ε은 복사율이며, 상기 σ는 스테판-볼츠만(Stefan-Boltzmann) 상수이고, 상기 F는 형상 계수(shape factor)이며, 상기 Tc는 상기 연소가스 온도 정보이고, 상기 Tw는 상기 격벽부의 표면 온도 정보일 수 있다.
또한, 상기 터빈 입구 온도 연산 모듈은 하기 [수학식 6] 및 [수학식 7]에 의해 상기 터빈 입구 온도 정보를 연산하며,
Figure 112018113326908-pat00038
Figure 112018113326908-pat00039
상기 QConvection은 상기 대류 열량값이며, 상기 QRadiation은 상기 복사 열량값이고, 상기 Nu는 누셀트 수(Nusselt number)이며, 상기 K는 상기 격벽부의 열전도율이고, 상기 d는 상기 격벽부의 두께이며, 상기 Tg는 상기 터빈 입구 온도 정보이고, 상기 Tc는 상기 연소가스 온도 정보일 수 있다.
또한, 상기 Nu는 하기 [수학식 8]에 의해 연산되며,
Figure 112018113326908-pat00040
상기 Re는 레이놀즈 수이다.
본 발명에 따르면, 연소가스 온도 센서의 단부 측에 별도의 냉각 자켓이 구비된다. 따라서, 고온, 고압의 연소가스가 고속으로 유동하는 조건에서도 연소가스 온도 센서의 손상이 방지될 수 있다.
또한, 터빈 입구 온도의 계측을 위해 연소가스 온도 센서로부터 격벽부 등으로 전달되는 복사 열량값을 반영할 수 있다. 따라서, 터빈 입구 온도 계측의 정확도가 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 터빈 입구 온도 계측 시스템의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 2는 도 1의 터빈 입구 온도 계측 시스템의 연소가스 온도 센서가 구비되는 일 실시 예를 도시하는 개략도이다.
도 3은 도 1의 터빈 입구 온도 계측 시스템의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 4는 도 3의 터빈 입구 온도 계측 시스템이 터빈의 베인에 구비된 예를 도시하는 도면이다.
도 5는 도 4의 베인을 a 방향에서 바라본 도면이다.
도 6은 도 4의 베인을 b 방향에서 바라본 도면이다.
도 7은 도 1의 터빈 입구 온도 계측 시스템의 제어 방법의 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 터빈 입구 온도 계측 시스템에 의해 계측된 터빈 입구 온도의 결과값을 도시하는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 터빈 입구 온도 계측 시스템에 의해 계측된 터빈 입구 온도의 결과값을 도시하는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 터빈 입구 온도 계측 시스템 및 그 제어 방법을 상세하게 설명한다.
1. 용어의 정의
이하의 설명에서 사용되는 "연소기"라는 용어는 그 내부에서 연소 가능한 물질이 연소되어 열과 연소가스가 발생될 수 있는 모든 장치를 의미한다.
이하의 설명에서 사용되는 "터빈"이라는 용어는 공기, 또는 공기와 연소가스의 혼합물 등 임의의 유체를 작동 유체로서 이용하여 출력을 생산하는 모든 장치를 의미한다.
이하의 설명에서 사용되는 "터빈 입구"라는 용어는 상기 작동 유체가 가스 터빈에 유입되는 임의의 지점 또는 공간을 의미한다.
이하의 설명에서 사용되는 "온도 센서"라는 용어는 고체 또는 유체의 온도 정보를 감지하고 감지한 온도 정보를 송신할 수 있는 수단을 갖춘 장치를 의미한다.
이하의 설명에서 사용되는 "연소가스 온도 정보"라는 용어는 후술될 연소가스 온도 센서(300)에 의해 감지된 연소가스의 온도를 의미한다.
이하의 설명에서 사용되는 "냉각수 유동부(100)"라는 용어는 제1 냉각수 유동부(100a) 및 제2 냉각수 유동부(100b)를 통칭하는 의미로 사용될 수 있다.
이하의 설명에서 사용되는 "격벽부(200)"라는 용어는 제1 격벽부(200a) 및 제2 격벽부(200b)를 통칭하는 의미로 사용될 수 있다.
이하의 설명에서 사용되는 "격벽부 표면(210)"이라는 용어는 제1 격벽부 표면(210a) 및 제2 격벽부 표면(210b)를 통칭하는 의미로 사용될 수 있다.
2. 연소가스가 발생되는 구성의 설명
도 1의 (a)을 참조하면, 도시된 실시 예에 따른 터빈 입구 온도 계측 시스템은 연소기(10) 및 터빈(20)으로 구성된 일반적인 터빈 시스템에 구비된다.
후술될 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 터빈 입구 온도 계측 시스템은 연소기(10) 및 터빈(20)과 별도로 구비되어, 터빈(20)의 입구 측에 위치될 수 있다.
다른 실시 예에서, 터빈 입구 온도 계측 시스템은 터빈(20)과 일체로서 구비될 수도 있다.
(1) 연소기(10)의 설명
연소기(10)는 터빈(20)을 구동하기 위한 연소가스를 생성한다. 이를 위해, 연소기(10) 내부에서는 공급받은 연료(미도시) 등의 연소가 수행된다.
연소기(10)의 작동 원리는 잘 알려진 기술이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
연소기(10)와 터빈(20)은 연소가스 공급부(30)에 의해 유체 소통 가능하게 연결되어, 연소기(10)에서 발생한 연소가스가 터빈(20)으로 이동될 수 있다.
(2) 터빈(20)의 설명
터빈(20)은 연소기(10)에서 생성된 연소가스를 전달받고, 연소가스의 유동에 의해 회전되어 출력을 생성한다.
연소가스를 전달받기 위해, 터빈(20)이 연소가스 공급부(30)에 의해 연소기(10)와 유체 소통 가능하게 연결됨은 상술한 바와 같다.
연소가스에 의해 터빈(20)이 회전되어 출력이 생성되는 과정은 잘 알려진 기술이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2를 참조하면, 터빈(20)은 연소기(10)로부터 연소가스가 유입되는 입구 측에 냉각수 유동부(100) 및 격벽부(200)를 포함한다.
냉각수 유동부(100)는 터빈(20)의 입구 측에 구비되며, 그 내측에서 냉각수가 유동하는 공간으로 형성된다.
도시된 실시 예에서, 냉각수 유동부(100)는 제1 냉각수 유동부(100a) 및 제2 냉각수 유동부(100b)의 한 쌍으로 구비된다. 제1 냉각수 유동부(100a) 및 제2 냉각수 유동부(100b) 사이에는 공간이 형성된다. 터빈(20)에 유입되는 연소가스는 이 공간을 통과하여 터빈(20) 내측으로 유입될 수 있다.
냉각수 유동부(100) 내측을 유동하는 냉각수는 고온의 연소가스로부터 열을 전달받을 수 있는 여타 유체로서 구비될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 제1 냉각수 유동부(100a)에서 유동하는 냉각수는 제1 냉각수 유동부(100a)의 상측으로 유입되어 시계 방향으로 회전한 후 상측으로 유출된다(도 2의 a).
또한, 제2 냉각수 유동부(100b)에서 유동하는 냉각수는 제2 냉각수 유동부(100b)의 하측으로 유입되어 시계 방향으로 회전한 후 제2 냉각수 유동부(100b)의 하측으로 유출된다(도 2의 a').
냉각수 유동부(100) 내에서 유동하는 냉각수의 유입 방향, 유출 방향 및 회전 방향은 변경될 수 있다.
연소기(10)에서 발생된 연소가스는 냉각수 유동부(100)를 통과하며 냉각되어 터빈(20)에 유입되므로(도 2의 g), 고온의 연소가스에 의한 터빈(20)의 손상이 방지될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 냉각수 유동부(100)는 터빈(20)에 포함되어 구성될 수 있다. 다른 실시 예에서, 냉각수 유동부(100)는 후술될 터빈 입구 온도 계측 시스템(40)에 포함되어 구성될 수도 있다.
격벽부(200)는 각 냉각수 유동부(100)가 마주하는 단부 측에 위치되어, 고온의 연소가스가 냉각수 유동부(100)에 직접 접촉되지 않게 한다.
도시된 실시 예에서, 격벽부(200)는 제1 격벽부(200a) 및 제2 격벽부(200b)의 한 쌍으로 구비되나, 격벽부(200)의 개수는 냉각수 유동부(100)의 개수에 상응하게 변경될 수 있다.
격벽부(200)는 고온의 연소가스로부터 전달받은 열을 냉각수 유동부(100) 내측을 유동하는 냉각수에 전달한다. 이를 위해, 격벽부(200)는 열전도율이 높은 물질로 형성되는 것이 바람직하다.
격벽부 표면(210)은 각 격벽부(200)가 서로 마주하는 표면이다. 도시된 실시 예에서, 격벽부 표면(210)은 제1 격벽부 표면(210a) 및 제2 격벽부 표면(210b)의 한 쌍으로 구비되나, 그 개수는 격벽부(200)의 개수에 상응하게 변경될 수 있다.
격벽부 표면(210)에는 후술될 연소가스 온도 센서(300)로부터 복사 열전달을 통해 열이 전달된다. 격벽부 표면(210)에 전달된 열은 격벽부(200)를 거쳐 냉각수 유동부(100)로 전달된다.
도시된 실시 예에서, 격벽부(200)는 터빈(20)에 포함되어 구성될 수 있다. 다른 실시 예에서, 격벽부(200)는 후술될 터빈 입구 온도 계측 시스템(40)에 포함되어 구성될 수도 있다.
3. 터빈 입구 온도 계측 시스템(40)의 구성의 설명
도 1의 (b)를 참조하면, 도시된 실시 예에 따른 터빈 입구 온도 계측 시스템(40)은 연소가스 온도 센서(300), 제어부(400) 및 데이터베이스부(500)를 포함한다.
터빈 입구 온도 계측 시스템(40)은 터빈 입구에서 감지된 연소가스 온도 정보를 이용하여 터빈 입구 온도를 연산하고 계측한다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 도시된 실시 예에 따른 터빈 입구 온도 계측 시스템(40)을 상세하게 설명한다.
(1) 연소가스 온도 센서(300)의 설명
도 2를 참조하면, 도시된 실시 예에 따른 터빈 입구 온도 계측 시스템은 연소가스 온도 센서(300)를 포함한다.
연소가스 온도 센서(300)는 연소기(10)에서 생성되어 터빈(20)에 유입되는 연소가스 온도 정보를 감지한다.
감지된 연소가스 온도 정보는 후술될 제어부(400)로 전달되어 터빈 입구 온도 계측을 위한 자료로 활용된다. 이 과정에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
도시된 실시 예에서, 연소가스 온도 센서(300)는 연소가스 유로의 하류 측에 제1 냉각수 유동부(100a)의 측면 상에 구비된다.
또한, 연소가스 온도 센서(300)는 각 격벽부(200)의 격벽부 표면(210) 사이에 위치된다. 다만, 그 위치는 배기가스의 온도를 측정할 수 있는 여타 위치로 변경될 수 있다.
연소가스 온도 센서(300)는 유동하는 유체의 온도를 측정할 수 있는 임의의 구조로 구비될 수 있다.
일 실시 예에서, 연소가스 온도 센서(300)는 써모미터(thermometer), 써모커플(thermocouple), RTD(Resistance temperature detector) 또는 집적 반도체 등으로 구비될 수 있다.
연소가스 온도 센서(300)에서 감지된 연소가스 온도 정보를 후술될 제어부(400)에 전달하기 위해, 별도의 통신 수단(미도시)이 구비될 수 있다.
연소가스 온도 센서(300)는 온도 센서 냉각 자켓(310)을 포함한다.
온도 센서 냉각 자켓(310)은 냉각수 유동부(100) 또는 별도의 냉매 공급부(미도시)와 유체 소통 가능하게 연결된다. 따라서, 온도 센서 냉각 자켓(310)의 내부에는 냉각을 위한 유체가 유동될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 온도 센서 냉각 자켓(310)은 연소가스 온도 센서(300)의 끝 단부의 외측을 감싸는 형태로 구비된다.
온도 센서 냉각 자켓(310)의 위치 및 형상은 고온의 연소가스로부터 연소가스 온도 센서(300)를 보호할 수 있는 여타 위치 및 형상으로 변경될 수 있다.
후술될 바와 같이, 온도 센서 냉각 자켓(310)으로부터 복사열의 형태로 열전달되는 열량은 격벽부(200)로 전달될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 터빈 입구 온도 계측 시스템은 격벽부(200)가 전달받은 복사 열량값을 이용하여 터빈 입구 온도를 계측하는데, 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
(4) 제어부(400)의 설명
도 3을 참조하면, 도시된 실시 예에 따른 터빈 입구 온도 계측 시스템은 제어부(400)를 포함한다.
제어부(400)는 연소가스 온도 센서(300)에서 감지된 연소가스 온도 정보 및 후술될 데이터베이스부(500)에 저장된 정보를 전달받는다. 또한, 제어부(400)는 전달받은 정보들을 이용하여 터빈 입구 온도 정보를 연산한다.
제어부(400)는 연소가스 온도 센서(300) 및 후술될 데이터데이스부(500)와 유, 무선 통신을 통해 정보 전달이 가능한 수단(미도시)에 의해 연결된다.
제어부(400)는 마이크로프로세서, CPU 등 정보의 입력, 출력 및 연산이 가능한 임의의 장치로 구비될 수 있다.
제어부(400)는 온도 정보 수신 모듈(410), 복사 열량 연산 모듈(420) 및 터빈 입구 온도 연산 모듈(430)을 포함한다. 상기 각 모듈(410, 420, 430)은 서로 정보 통신 가능하게 연결될 수 있다.
온도 정보 수신 모듈(410)은 연소가스 온도 센서(300)가 감지한 연소가스 온도 정보를 전달받는다. 이를 위해, 온도 정보 수신 모듈(410)은 연소가스 온도 센서(300)와 정보 통신 가능하게 연결될 수 있다.
온도 정보 수신 모듈(410)이 전달받은 연소가스 온도 정보는 복사 열량 연산 모듈(420) 및 터빈 입구 온도 연산 모듈(430)로 전달된다.
복사 열량 연산 모듈(420)은 온도 정보 수신 모듈(410)로부터 전달받은 연소가스 온도 정보를 이용하여 복사 열량값을 연산한다.
구체적으로, 복사 열량 연산 모듈(420)은 연소가스 온도 센서(300) 또는 연소가스 온도 센서(300)의 끝 단부에 구비되는 온도 센서 냉각 자켓(310)으로부터 격벽부(200)로 전달된 복사 열량값을 연산한다.
복사 열량 연산 모듈(420)이 복사 열량값을 연산하는 과정을 수학식으로 표현하면 다음과 같다.
Figure 112018113326908-pat00041
여기서, QRadiation은 복사 열량값이고, ε은 복사율이며, σ는 스테판-볼츠만(Stefan-Boltzmann) 상수이고, F는 형상 계수(shape factor)이며, Tc는 연소가스 온도 정보이고, Tw는 격벽부(220)의 표면 온도 정보이다.
ε, σ는 기 결정된 상수에 해당하며, F, Tw는 격벽부(220)의 물리적 형상 및 재질 등에 의해 결정될 수 있다. 이 상수들에 대한 정보는 후술될 데이터베이스부(500)에 기 저장되어, 제어부(400)에 전달될 수 있다.
따라서, 온도 정보 수신 모듈(410)로부터 전달받은 Tc를 이용하여 QRadiation의 연산이 가능하다.
연산된 복사 열량값은 후술될 터빈 입구 온도 연산 모듈(430)로 전달된다.
터빈 입구 온도 연산 모듈(430)은 복사 열량 연산 모듈(420)이 연산한 복사 열량값을 이용하여 터빈 입구 온도 정보를 연산한다.
본 발명의 실시 예에 따른 터빈 입구 온도 계측 시스템(40)은 터빈 입구 온도 정보의 계측을 위해 연소가스의 유동에 따라 발생되는 각 열전달에 의한 열량의 이동이 동일함을 전제한다.
구체적으로, 연소가스 온도 센서(300) 또는 연소가스 온도 센서(300)의 끝 단부에 구비되는 온도 센서 냉각 자켓(310)(이하, "열전달 매개부"라 한다.)으로부터 격벽부(200)로 전달된 복사 열량값과 유동 중인 연소가스로부터 열전달 매개부로 전달되는 대류 열량값의 관계를 이용하여 터빈 입구 온도를 계측한다.
따라서, 복사 열량 연산 모듈(420)에서 연산된 복사 열량값이 대류 열량값과 동일함을 전제로 터빈 입구 온도 연산 모듈(430)에서 터빈 입구 온도 정보의 연산이 가능하다.
터빈 입구 온도 연산 모듈(430)이 터빈 입구 온도 정보를 연산하는 과정을 수학식으로 표현하면 다음과 같다.
Figure 112018113326908-pat00042
Figure 112018113326908-pat00043
Figure 112018113326908-pat00044
여기서, QConvection은 대류 열량값이며, QRadiation은 상기 복사 열량값이고, Nu는 누셀트 수(Nusselt number)이며, K는 격벽부의 열전도율이고, d는 상기 격벽부의 두께이며, Tg는 터빈 입구 온도 정보이고, Tc는 연소가스 온도 정보이다.
또한, Nu를 연산하기 위한 상기 [수학식 12]의 Re는 레이놀즈 수(Reynolds number)이다. 또한, 상기 Re의 승수는 연소 조건 및 유동 조건 등에 따라 변경될 수 있다.
Nu, Re는 연소가스의 유동 조건에 따라 결정되는 상수이며, K, d는 격벽부(200)의 물리적 형상 및 재질 등에 의해 결정될 수 있다.
이 상수들에 대한 정보는 후술될 데이터베이스부(500)에 기 저장되어, 제어부(400)에 전달될 수 있다.
QRadiation는 복사 열량 연산 모듈(420)에 의해 연산된 값이고, Tc는 온도 정보 수신 모듈(410)로부터 전달받는다.
따라서, 상기 [수학식 10] 내지 [수학식 12]에 따라 대류 열량값 및 터빈 입구 온도 정보가 연산될 수 있다.
(5) 데이터베이스부(500)의 설명
도 3을 참조하면, 도시된 실시 예에 따른 터빈 입구 온도 계측 시스템은 데이터베이스부(500)를 포함한다.
데이터베이스부(500)는 제어부(400)가 복사 열량값, 대류 열량값 및 터빈 입구 온도 정보 등을 연산하기 위한 상수값들을 저장한다. 또한, 데이터베이스부(500)는 필요한 상수값들을 제어부(400)에 전달할 수 있다.
데이터베이스부(500)는 유, 무선 통신 등과 같이 정보 전달이 가능한 수단에 의해 제어부(400)와 연결된다.
데이터베이스부(500)는 RAM, ROM, Micro SD 카드 등 정보의 입력, 저장 및 출력이 가능한 임의의 장치로 구비될 수 있다.
데이터베이스부(500)는 조건 데이터베이스 모듈(510) 및 상수 데이터베이스 모듈(520)을 포함한다.
조건 데이터베이스 모듈(510)은 연소가스가 연소기(10)로부터 터빈(20)으로 유동하구체적으로, 격벽부(220)의 물리적 형상 및 재질 등에 종속적인 상수인 F, Tw, K, d와 관련된 정보, 연소가스의 유동 조건에 종속적인 상수인 Nu, Re 등과 관련된 정보를 저장한다.
보다 효율적인 정보의 입력, 저장 및 출력을 위해, F, Tw, K, d 등과 관련된 정보는 격벽부(220)의 물리적 형상 및 재질과, Nu, Re 등과 관련된 정보는 연소가스의 유동 조건과 각각 매핑(mapping)되어 저장된다.
상수 데이터베이스 모듈(520)은 제어부(400)에서 필요한 상수와 관련된 정보를 저장한다.
구체적으로, 연소조건 또는 연소가스의 유동 조건 등과 무관한 ε, σ 등과 관련된 정보를 저장한다.
조건 데이터베이스 모듈(510) 및 상수 데이터베이스 모듈(520)에 저장된 각 정보는 제어부(400)로 전달되어 제어부(400)의 각 연산 모듈(420, 430)에서 활용된다.
4. 터빈 입구 온도 계측 시스템(40)이 구비되는 예시의 설명
이하, 도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 터빈 입구 온도 계측 시스템(40)이 터빈(20)의 베인(21)에 구비된 실시 예를 예시로서 설명한다.
베인(21)은 터빈(20)에 결합되어, 연소가스 유동에 따라 터빈(20)이 회전할 수 있게 한다.
도시된 실시 예에서, 베인(21)은 에어포일(airfoil)의 형상이나 유체의 유동에 의해 회전력을 발생시킬 수 있는 여타 형상으로 형성될 수 있다.
베인(21)은 고온, 고압의 연소가스에 의한 손상이 방지될 수 있도록 충분한 내열 및 내마모성을 갖는 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
베인(21) 상에는 다수 개의 관통공(미도시)이 형성되어, 연소가스 및 냉각 유체가 유동할 수 있는 유로가 형성될 수 있다.
베인(21)은 베인 측부(21a), 베인 상부(21b) 및 베인 전방부(21c)을 포함한다.
베인 측부(21a)은 베인(21)의 양 측을 형성한다. 후술될 바와 같이, 베인 측부(21a)는 리딩 에지(leading edge), 흡입부(suction side), 트레일링 에지(trailing edge), 압력부(pressure side)로 구획될 수 있다.
리딩 에지는 베인 측부(21a)의 가장 전방 측에 형성된다. 즉, 연소가스가 유입될 경우, 연소가스는 리딩 에지에 가장 먼저 접촉된다.
흡입부는 음압(negative pressure)를 형성하여, 터빈(20)의 원활한 회전을 돕는다.
구체적으로, 베인(21)의 에어포일 형상에 의해 압력부로 흐르는 유체의 속도와 흡입부로 흐르는 유체의 속도 사이에 차이가 발생한다. 따라서 베르누이 법칙에 의해 흡입부에는 음압이 형성되어 베인(21)의 회전이 강화될 수 있다.
트레일링 에지는 베인(21)이 터빈(20)의 본체(미도시)와 연결되는 부분이다.
압력부는 상술한 흡입부와 반대로 양압(positive pressure)를 형성하여, 터빈(20)의 원활한 회전을 돕는다. 양압의 형성 원리는 상술한 음압의 형성 과정과 같이 베르누이 법칙에 기인한다.
흡입부와 압력부의 압력의 차이에 기인한 연소가스의 유동에 의해, 터빈(20)의 회전이 원활하게 수행될 수 있다.
베인 상부(21b)는 베인(21)의 상측을 형성한다. 도시된 실시 예에서, 베인(21)이 에어포일 형상인 바 베인 상부(21b)은 곡면으로 구비되나, 베인 상부(21b)의 형상은 베인(21)의 형상에 따라 변경될 수 있다.
베인 전방부(21c)은 베인(21)의 전방 측면을 형성한다. 도시된 실시 예에서, 베인(21)이 에어포일 형상인 바 베인 전방부(21c)은 곡면으로 구비되나, 베인 전방부(21c)의 형상은 베인(21)의 형상에 따라 변경될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 터빈 입구 온도 계측 시스템(40)은 복수 개로 구비되어 베인(21)의 베인 상부(21b) 및 베인 전방부(21c)에 걸쳐지도록 위치된다.
즉, 터빈 입구 온도 계측 시스템(40)은 리딩 에지와 흡입부 사이에 위치될 수 있다(도 4의 (b) 참조).
터빈 입구 온도 계측 시스템(40)의 위치는 변경될 수 있다. 다만, 터빈 입구 온도 계측 시스템(40)은 고온의 연소가스가 각 냉각수 유동부(100)와 열 교환하여 냉각되기 전에 연소가스 온도 정보를 감지할 수 있게 위치되는 것이 바람직하다.
또한, 복수 개의 각 터빈 입구 온도 계측 시스템(40)은 어느 하나의 베인 측부(21a)으로부터 다른 하나의 베인 측부(21a)을 향하는 방향으로 순차적으로 배열된다.
대안적으로, 터빈 입구 온도 계측 시스템(40) 중 연소가스 온도 센서(300)만이 베인(21)에 구비될 수도 있다.
5. 터빈 입구 온도 계측 시스템의 제어 방법의 설명
본 발명의 실시 예에 따른 터빈 입구 온도 계측 시스템은 연소가스로부터 열전달 매개부로 전달된 대류 열량값과 열전달 매개부로부터 격벽부(200)로 전달된 복사 열량값이 동일한 값임을 전제하여 터빈 입구 온도 정보를 계측한다.
이하의 설명에서 사용되는 [수학식 13] 내지 [수학식 16]에서 사용되는 인자가 의미하는 바는 상술한 바와 동일하므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하, 도 7을 참조하여 도시된 실시 예에 따른 터빈 입구 온도 계측 시스템의 제어 방법을 상세하게 설명한다.
(1) 연소가스 온도 센서(300)가 터빈(20)에 유입된 연소가스의 연소가스 온도 정보를 감지하는 단계(S100)의 설명
연소기(10)에서 연소가 수행된 결과 발생된 연소가스가 연소가스 공급부(30)를 통해 터빈(20)으로 유입된다. 이 때, 연소가스 온도 센서(300)는 유입된 연소가스의 연소가스 온도 정보를 감지한다(S100).
연소가스는 연소가스 온도 센서(300)에 대류의 형태로 열을 전달한다.
이 때, 온도 센서 냉각 자켓(310)이 연소가스 온도 센서(300)의 끝 단부를 감싸고 있으므로, 연소가스로부터 전달된 열이 온도 센서 냉각 자켓(310)에 전달되는 것으로 볼 수도 있을 것이다.
대안적으로, 연소가스 온도 센서(300)가 터빈(20)에 유입된 연소가스의 연소가스 온도 정보를 감지하지 않고, 별도의 입력부(미도시)를 통해 사용자가 연소가스 온도 정보를 입력할 수 있다.
이 경우, 별도의 입력부(미도시)가 제어부(400)와 정보 통신 가능하게 연결되어야 함은 자명할 것이다.
(2) 온도 정보 수신 모듈(410)이 연소가스 온도 정보를 전달받는 단계(S200)의 설명
연소가스 온도 센서(300)가 감지한 연소가스 온도 정보가 온도 정보 수신 모듈(410)에 전달된다(S200).
연소가스 온도 정보의 전달을 위해, 연소가스 온도 센서(300)와 제어부(400)가 정보 통신 가능한 수단(미도시)으로 연결될 수 있음은 상술한 바와 같다.
온도 정보 수신 모듈(410)이 전달받은 연소가스 온도 정보는 복사 열량 연산 모듈(420) 및 터빈 입구 온도 연산 모듈(430)에 전달된다.
(3) 복사 열량 연산 모듈(420)이 연소가스 온도 정보를 이용하여 복사 열량값을 연산하는 단계(S300)의 설명
복사 열량 연산 모듈(420)이 온도 정보 수신 모듈(410)로부터 전달받은 연소가스 온도 정보를 이용하여 복사 열량값을 연산한다(S300).
이 때, 복사 열량 연산 모듈(420)이 연산하는 복사 열량값은 연소가스 온도 센서(300) 또는 온도 센서 냉각 자켓(310)으로부터 격벽부(200)로 복사 전달되는 열량값이다.
복사 열량 전달 모듈(420)은 하기 [수학식 13]에 근거하여 복사 열량값을 연산한다.
Figure 112018113326908-pat00045
또한, 온도 정보 수신 모듈(410)로부터 전달받은 연소가스 온도 정보를 제외한 나머지 인자들에 대한 정보는 데이터베이스부(500)로부터 전달받아 복사 열량값의 연산이 수행될 수 있다.
연산된 QRadiation, 즉 복사 열량값은 터빈 입구 온도 연산 모듈(430)로 전달된다.
(4) 터빈 입구 온도 연산 모듈(430)이 연소가스 온도 정보 및 복사 열량값을 이용하여 터빈 입구 온도 정보를 연산하는 단계(S400)의 설명
터빈 입구 온도 연산 모듈(430)이 온도 정보 수신 모듈(410)로부터 전달받은 연소가스 온도 정보 및 복사 열량 연산 모듈(420)이 연산한 복사 열량값을 이용하여 대류 열량값을 연산하고, 이를 이용하여 터빈 입구 온도 정보를 연산한다(S400).
이 때, 터빈 입구 온도 연산 모듈(430)이 연산하는 대류 열량값은 연소가스로부터 연소가스 온도 센서(300) 또는 온도 센서 냉각 자켓(310)로 대류 전달되는 열량값이다.
먼저, 터빈 입구 온도 연산 모듈(430)은 하기 [수학식 14]에 근거하여 대류 열량값을 연산한다.
Figure 112018113326908-pat00046
즉, 터빈 입구 온도 연산 모듈(430)은 대류 열량값과 복사 열량 연산 모듈(420)이 연산한 복사 열량값이 동일한 것으로 연산한다.
다음으로, 터빈 입구 온도 연산 모듈(430)은 하기 [수학식 15]에 근거하여 터빈 입구 온도 정보를 연산한다.
Figure 112018113326908-pat00047
상술한 바와 같이, 터빈 입구 온도 정보인 Tg를 제외한 나머지 인자들의 값이 모두 입력되었으므로, 터빈 입구 온도 정보의 연산이 가능하다.
이 때, 터빈 입구 온도 연산 모듈(430)은 하기 [수학식 16]에 근거하여 누셀트 수를 연산한다.
Figure 112018113326908-pat00048
터빈 입구 온도 연산 모듈(430)에 의해 연산된 터빈 입구 온도는 터빈(20)의 출력과 효율 등을 연산하기 위해 활용될 수 있다.
6. 본 발명의 실시 예에 따른 터빈 입구 온도 계측 시스템의 효과의 설명
본 발명의 실시 예에 따른 터빈 입구 온도 계측 시스템은 복사 열전달에 의한 복사 열량값과 대류 열전달에 의한 대류 열량값이 동일함을 전제로 터빈 입구 온도를 계측할 수 있다.
이하, 도 8 및 도 9를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 터빈 입구 온도 계측 시스템의 효과를 상세하게 설명한다.
도 8을 참조하면, 터빈 입구 온도 정보를 연산하기 위한 여러 가지 방법의 연산 결과가 도시된다. 도 8의 가로축은 F/A ratio(Fuel/Air Ratio, 연공비)이고, 세로축은 터빈 입구 온도(Turbine inlet temperature)이다.
도 8의 ⓐ는 단열 화염 온도 정보, 즉 단열 상태를 고려하여 연산된 터빈 입구 온도 정보를 도시한다.
단열 화염 온도 정보는 연소기(10) 주변이 단열 상태라는 이상적인 전제 하에 연산된 값이므로 실제 연소 진행시의 터빈 입구 온도 정보에 비해 매우 높게 연산된다.
도 8의 ⓑ는 열 해리(thermal dissociation)의 발생을 고려하여 연산된 터빈 입구 온도 정보를 도시한다.
다시 말하면, 연소 중에 발생될 수 있는 흡열반응 화학종(chemical species)의 열 해리에 의한 열 손실량을 도 8의 ⓐ의 연산 결과에 반영한 것이다.
터빈 입구 온도 정보의 연산 결과는, 낮은 F/A Ratio에서는 도 8의 ⓐ와 유사한 수치 및 경향을 보이며, 높은 F/A Ratio에서만 도 8의 ⓐ에 비해 상당히 낮게 나타남을 알 수 있다.
도 8의 ⓒ는 열 손실의 발생을 고려하여 연산된 터빈 입구 온도 정보를 도시한다.
이는 연소가스 온도 센서(300)의 온도 센서 냉각 자켓(310)에 공급된 냉각수 또는 냉매의 온도 변화량(즉, 온도 증가량)을 열 손실량으로 산정하여 도 8의 ⓑ의 연산 결과에 반영한 것이다.
즉, 본 그래프는 단열 상태(도 8의 ⓐ)에 열 해리(도 8의 ⓑ)이 반영되고, 열 손실량이 추가로 반영되어 실제 연소 진행시와 가장 근접한 경향을 도시하는 참값이라 할 수 있다.
도 8의 ⓓ는 본 발명의 실시 예에 따른 터빈 입구 온도 계측 시스템에 의해 연소가스 온도 센서(300)로의 대류 열전달 및 연소가스 온도 센서(300)로부터의 복사 열전달을 고려하여 연산된 터빈 입구 온도 정보를 도시한다.
다시 말하면, 실측 가능한 복사 열량값을 대류 열량값과 동일한 것으로 가정하여 터빈 입구 온도 정보를 연산한 것으로, 참값에 해당하는 도 8의 ⓒ의 그래프와 가장 유사한 경향을 보임을 확인할 수 있다.
이 때, 도 8의 ⓒ의 그래프와 도 8의 ⓓ의 그래프 간의 오차 범위는 2 내지 3%에 불과할 정도로 높은 신뢰성을 갖는다.
도 8의 ⓔ는 연소가스 온도 센서(300)에서 감지된 연소가스 온도 정보를 도시한다.
즉, 연소가스 온도 정보에 대한 별도의 보정 과정을 거치지 않고, 연소가스 온도 센서(300)에서 감지된 연소가스 온도 정보를 터빈 입구 온도 정보로 연산한 것으로, 상술한 열 해리 또는 열 손실이 반영되지 않아 가장 낮은 값으로 연산된다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 터빈 입구 온도 계측 시스템을 이용하여 터빈 입구 온도를 연산할 경우, 연소가스 온도 센서(300)에서 감지된 온도 정보를 터빈 입구 온도 정보로 활용할 경우에 비해 매우 높은 신뢰도를 얻을 수 있다.
도 9를 참조하면, 열 해리를 포함한 터빈 입구 온도 정보의 보상값과 측정값의 차이가 도시된다. 도 9의 가로축은 F/A Ratio이고, 좌측 세로축은 터빈 입구 온도 정보이며, 우측 세로축은 후술될 도 9의 △ 및 도 9의 ○의 터빈 입구 온도 정보의 차이이다.
도 9의 △는 열 해리가 없음을 가정한, 단열 상태임을 전제하여 연산된 터빈 입구 온도 정보를 도시한다.
도 8의 ⓐ와 유사하게, 연산된 터빈 입구 온도 정보가 가장 높게 연산됨을 알 수 있다.
도 9의 ○는 열 해리의 발생을 고려하여 연산된 터빈 입구 온도 정보를 도시한다.
도 8의 ⓑ와 유사하게, 연산된 터빈 입구 온도 정보는 대체로 도 9의 △와 유사한 경향을 보이나 높은 F/A Ratio에서는 그 차이가 증가함을 알 수 있다(후술될 도 9의 ● 참조).
도 9의 ■는 본 발명의 실시 예에 따른 터빈 입구 온도 계측 시스템에 의해 연소가스 온도 센서(300)로의 대류 열전달 및 연소가스 온도 센서(300)로부터의 복사 열전달을 고려하여 연산된 터빈 입구 온도 정보를 도시한다.
도 8의 ⓒ와 유사하게, 연산된 터빈 입구 온도 정보는 열 해리만 반영된 경우(도 9의 ○)에 비해서는 낮되, 후술될 연소가스 온도 정보(도 9의 ◇)에 비해 높은 경향을 보인다.
도 9의 ◇는 연소가스 온도 센서(300)에서 감지된 연소가스 온도 정보를 도시한다. 도 8의 ⓔ와 유사하게, 연산된 터빈 입구 온도 정보는 가장 낮은 경향을 보인다.
도 9의 ●는 열 해리의 발생을 고려한 결과 도 9의 △의 연산 결과 및 ○의 연산 결과 사이에 발생하는 터빈 입구 온도 정보의 차이(△T)를 도시한다.
낮은 F/A Ratio에서는 도 9의 △와 도 9의 ○ 간의 차이가 0에 가까우나, F/A Ratio가 증가할수록 연산된 터빈 입구 온도 정보의 차이(△T)가 점차 증가하는 경향을 보인다.
즉, 높은 F/A에서는 열 해리만을 고려하여 터빈 입구 온도 정보를 연산하더라도, 단열 상태임을 전제하여 연산된 터빈 입구 온도 정보에 비해 참값에 보다 근접한 결과를 얻을 수 있다.
그러나, 낮은 F/A에서는 열 해리만을 고려하여 터빈 입구 온도 정보를 연산할 경우, 단열 상태임을 전제하여 연산된 터빈 입구 온도 정보와 거의 차이가 없어 산출된 결과의 신뢰성이 그다지 높지 않을 것이라는 어렵다는 결론을 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면, 연소가스 온도 센서(300)에서 감지된 연소가스 온도 정보를 그대로 터빈 입구 온도 정보로 활용하지 않고, 추가 보정 과정을 통하여 터빈 입구 온도 정보를 연산하므로, 터빈 입구 온도 정보 계측의 신뢰성이 향상된다.
또한, 정확한 측정이 어려운 열 해리 또는 냉각수의 온도 변화량을 이용하지 않고, 연소가스로부터 연소가스 온도 센서(300)로의 복사 열량값과 연소가스 온도 센서(300)로부터 격벽부(200)로의 대류 열량값이 동일하다고 가정하여 보정 과정이 수행되므로, 보정의 정확도가 향상될 수 있다.
또한, 연소가스 온도 센서(300)의 끝 단부에 온도 센서 냉각 자켓(310)이 구비되어, 고속으로 유동하는 고온, 고압의 연소가스에 의한 연소가스 온도 센서(300)의 손상이 감소될 수 있다.
또한, 복수 개의 연소가스 온도 센서(300)가 베인(21)의 복수 개의 위치에 구비되므로, 베인(21)의 각 위치에서의 터빈 입구 온도 정보의 계측이 가능하며, 필요한 부분에서만 터빈 입구 온도 정보의 계측을 수행하여 원하는 결과값을 얻을 수 있다.
뿐만 아니라, 계측된 터빈 입구 온도 정보를 이용하여 고가의 가스 터빈의 고온 부품 수명 평가를 통해 내구 연한이 증대될 수 있으며, 가스 터빈의 최대 출력의 보정을 위한 F/A Ratio 조정이 가능하다.
이상 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 연소기
20: 터빈
21: 베인(vane)
21a: 베인 측부
21b: 베인 상부
21c: 베인 전방부
30: 연소가스 공급부
40: 터빈 입구 온도 계측 시스템
100: 냉각수 유동부
100a: 제1 냉각수 유동부
100b: 제2 냉각수 유동부
200: 격벽부
200a: 제1 격벽부
200b: 제2 격벽부
210: 격벽부 표면
210a: 제1 격벽부 표면
210b: 제2 격벽부 표면
300: 연소가스 온도 센서
310: 온도 센서 냉각 자켓
300: 연소가스 온도 센서
310: 온도 센서 냉각 자켓
400: 제어부
410: 온도 정보 수신 모듈
420: 복사 열량 연산 모듈
430: 터빈 입구 온도 연산 모듈
500: 데이터베이스부
510: 조건 데이터베이스 모듈
520: 상수 데이터베이스 모듈

Claims (15)

  1. 연소기에서 발생되는 연소가스에 의해 작동되는 터빈의 입구 온도를 계측하는 시스템으로서,
    상기 터빈에는,
    제1 격벽부 및 상기 제1 격벽부와 이격 배치되어 상기 터빈 내에서 상기 연소가스의 유로를 형성하는 제2 격벽부를 포함하는 격벽부가 구비되고,
    상기 시스템은,
    상기 연소가스의 유로 상에 구비되며, 상기 제1 격벽부 및 상기 제2 격벽부 사이에 위치되는 연소가스 온도 센서를 포함하고,
    상기 연소가스 온도 센서에서 감지된 연소가스 온도 정보, 상기 유로를 유동하는 상기 연소가스에서 상기 연소가스 온도 센서로 전달되는 대류 열량값 및 상기 연소가스 온도 센서로부터 상기 격벽부로 전달되는 복사 열량값을 이용하여 터빈 입구 온도 정보가 연산되는,
    터빈 입구 온도 계측 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 터빈 입구 온도 계측 시스템은 제어부를 더 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 연소가스 온도 정보를 전달받는 온도 정보 수신 모듈; 및
    상기 온도 정보 수신 모듈에 전달된 상기 연소가스 온도 정보를 이용하여 상기 복사 열량값을 연산하는 복사 열량 연산 모듈을 포함하는,
    터빈 입구 온도 계측 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 터빈 입구 온도 계측 시스템은,
    상기 연소가스 온도 정보 및 상기 복사 열량값을 이용하여 터빈 입구 온도 정보를 연산하는 터빈 입구 온도 연산 모듈을 포함하는,
    터빈 입구 온도 계측 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복사 열량값은 하기 [수학식 1]에 의해 연산되며,
    [수학식 1]
    Figure 112018113326908-pat00049

    상기 QRadiation은 상기 복사 열량값이고,
    상기 ε은 복사율이며,
    상기 σ는 스테판-볼츠만(Stefan-Boltzmann) 상수이고,
    상기 F는 형상 계수(shape factor)이며,
    상기 Tc는 상기 연소가스 온도 정보이고,
    상기 Tw는 상기 격벽부의 표면 온도 정보인,
    터빈 입구 온도 계측 시스템.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 터빈 입구 온도 정보는 하기 [수학식 2] 및 [수학식 3]에 의해 연산되며,
    [수학식 2]
    Figure 112018113326908-pat00050

    [수학식 3]
    Figure 112018113326908-pat00051

    상기 QConvection은 상기 대류 열량값이며,
    상기 QRadiation은 상기 복사 열량값이고,
    상기 Nu는 누셀트 수(Nusselt number)이며,
    상기 K는 상기 격벽부의 열전도율이고,
    상기 d는 상기 격벽부의 두께이며,
    상기 Tg는 상기 터빈 입구 온도 정보이고,
    상기 Tc는 상기 연소가스 온도 정보인,
    터빈 입구 온도 계측 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 Nu는 하기 [수학식 4]에 의해 연산되며,
    [수학식 4]
    Figure 112018113326908-pat00052

    상기 Re는 레이놀즈 수(Reynolds number)인,
    터빈 입구 온도 계측 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 터빈은 그 외측에 베인(vane)을 포함하며,
    상기 연소가스 온도 센서는 상기 베인에 위치되는,
    터빈 입구 온도 계측 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연소가스 온도 센서는 상기 유로의 상류 측에 위치되는,
    터빈 입구 온도 계측 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 연소가스 온도 센서는 복수 개 구비되어 상기 터빈의 방사상 외측 방향으로 상기 베인에 순차적으로 배열되는,
    터빈 입구 온도 계측 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 연소가스 온도 센서의 상기 유로에 위치되는 단부에는 온도 센서 냉각 자켓이 구비되며,
    상기 온도 센서 냉각 자켓은 상기 연소가스 온도 센서의 상기 단부를 외측에서 감싸는,
    터빈 입구 온도 계측 시스템.
  11. 연소기에서 발생되는 연소가스에 의해 작동되는 터빈의 입구 온도를 계측하는 방법으로서,
    (a) 연소가스 온도 센서가 상기 터빈에 유입된 상기 연소가스의 연소가스 온도 정보를 감지하는 단계;
    (b) 온도 정보 수신 모듈이 상기 연소가스 온도 정보를 전달받는 단계; 및
    (c) 복사 열량 연산 모듈이 상기 연소가스 온도 정보를 이용하여 복사 열량값을 연산하는 단계를 포함하며,
    상기 연소가스 온도 센서는,
    서로 이격 배치되어, 상기 터빈 내에서 상기 연소가스가 유동되는 유로를 형성하는 제1 격벽부 및 제2 격벽부 사이에 위치되고,
    상기 연소가스 온도 센서에서 감지된 상기 연소가스 온도 정보, 상기 연소가스에서 상기 연소가스 온도 센서로 전달되는 대류 열량값 및 상기 연소가스 온도 센서로부터 격벽부로 전달되는 상기 복사 열량값을 이용하여 터빈 입구 온도 정보가 연산되는,
    터빈 입구 온도 계측 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 터빈 입구 온도 계측 방법은,
    상기 (c) 단계 이후에,
    (d) 터빈 입구 온도 연산 모듈이 상기 연소가스 온도 정보 및 상기 복사 열량값을 이용하여 터빈 입구 온도 정보를 연산하는 단계를 포함하는,
    터빈 입구 온도 계측 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복사 열량 연산 모듈은 하기 [수학식 5]에 의해 상기 복사 열량값을 연산하며,
    [수학식 5]
    Figure 112018113326908-pat00053

    상기 QRadiation은 상기 복사 열량값이고,
    상기 ε은 복사율이며,
    상기 σ는 스테판-볼츠만(Stefan-Boltzmann) 상수이고,
    상기 F는 형상 계수(shape factor)이며,
    상기 Tc는 상기 연소가스 온도 정보이고,
    상기 Tw는 상기 격벽부의 표면 온도 정보인,
    터빈 입구 온도 계측 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 터빈 입구 온도 연산 모듈은 하기 [수학식 6] 및 [수학식 7]에 의해 상기 터빈 입구 온도 정보를 연산하며,
    [수학식 6]
    Figure 112018113326908-pat00054

    [수학식 7]
    Figure 112018113326908-pat00055

    상기 QConvection은 상기 대류 열량값이며,
    상기 QRadiation은 상기 복사 열량값이고,
    상기 Nu는 누셀트 수(Nusselt number)이며,
    상기 K는 상기 격벽부의 열전도율이고,
    상기 d는 상기 격벽부의 두께이며,
    상기 Tg는 상기 터빈 입구 온도 정보이고,
    상기 Tc는 상기 연소가스 온도 정보인,
    터빈 입구 온도 계측 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 Nu는 하기 [수학식 8]에 의해 연산되며,
    [수학식 8]
    Figure 112018113326908-pat00056

    상기 Re는 레이놀즈 수인,
    터빈 입구 온도 계측 방법.
KR1020180138470A 2018-11-12 2018-11-12 터빈 입구 온도 계측 시스템 및 계측 방법 KR102079565B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180138470A KR102079565B1 (ko) 2018-11-12 2018-11-12 터빈 입구 온도 계측 시스템 및 계측 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180138470A KR102079565B1 (ko) 2018-11-12 2018-11-12 터빈 입구 온도 계측 시스템 및 계측 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102079565B1 true KR102079565B1 (ko) 2020-02-20

Family

ID=69647586

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180138470A KR102079565B1 (ko) 2018-11-12 2018-11-12 터빈 입구 온도 계측 시스템 및 계측 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102079565B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220041302A (ko) * 2020-09-24 2022-04-01 성균관대학교산학협력단 가스 온도장 측정장치

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09329503A (ja) * 1996-06-07 1997-12-22 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 伝熱補正を行う温度計測器
JP2001329855A (ja) 2000-05-19 2001-11-30 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd ガスタービンのタービン入口温度予測方法
JP2003065081A (ja) 2001-08-24 2003-03-05 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ガスタービン入口温度の制御方法および推定方法
JP2010031372A (ja) * 2008-07-25 2010-02-12 Alstom Technology Ltd 熱電素子のための保護管
KR101520759B1 (ko) * 2013-09-27 2015-05-19 한국전력공사 보일러 튜브의 온도분포를 측정하기 위한 시스템 및 방법
JP2017050284A (ja) * 2015-09-04 2017-03-09 セレス インテレクチュアル プロパティー カンパニー リミテッド 温度測定方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09329503A (ja) * 1996-06-07 1997-12-22 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 伝熱補正を行う温度計測器
JP2001329855A (ja) 2000-05-19 2001-11-30 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd ガスタービンのタービン入口温度予測方法
JP2003065081A (ja) 2001-08-24 2003-03-05 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ガスタービン入口温度の制御方法および推定方法
JP2010031372A (ja) * 2008-07-25 2010-02-12 Alstom Technology Ltd 熱電素子のための保護管
KR101520759B1 (ko) * 2013-09-27 2015-05-19 한국전력공사 보일러 튜브의 온도분포를 측정하기 위한 시스템 및 방법
JP2017050284A (ja) * 2015-09-04 2017-03-09 セレス インテレクチュアル プロパティー カンパニー リミテッド 温度測定方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220041302A (ko) * 2020-09-24 2022-04-01 성균관대학교산학협력단 가스 온도장 측정장치
KR102421450B1 (ko) * 2020-09-24 2022-07-18 성균관대학교산학협력단 가스 온도장 측정장치

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Serrano et al. An experimental procedure to determine heat transfer properties of turbochargers
US10533899B2 (en) Cooled thermocouple
EP2818839B1 (en) Thermocouple probe
JP4466232B2 (ja) ボイラの劣化診断方法，装置，システム及びプログラムを記録した記録媒体
US20060096292A1 (en) Method for determination of the temperature, mass-averaged over a flow cross-section, of a gas flow in a gas turbine
JP2010510426A (ja) 燃焼機関のｅｇｒ回路の出力における排気ガス温度の推定方法
US9528880B2 (en) Method and system for gas temperature measurement
US20170184432A1 (en) Flow speed measurement method and flow speed measurement system
KR102079565B1 (ko) 터빈 입구 온도 계측 시스템 및 계측 방법
CN106441472A (zh) 一种恒功率型热式气体流量计温度漂移抑制方法
JP6889008B2 (ja) 較正された性能モデルによる機械の制御
JP2006208309A (ja) 被検査体内部流路毎の流量配分比率測定方法及びそれを利用した被検査体間の個体差判別方法並びに装置
JP2004138425A (ja) 圧力式流量制御装置の温度測定装置
Chavez et al. Experimentally Determined External Heat Transfer Coefficient of a New Turbine Airfoil Design at Varying Incidence Angles
Prévost et al. An analytical user-friendly methodology to transform compressor and turbine supplier characterization maps dedicated to 1D engine simulation: Modelling of turbocharger heat transfer and friction losses
Tsikonis et al. The error in gas temperature measurements with thermocouples: Application on an SOFC system heat exchanger
JP4852654B2 (ja) 圧力式流量制御装置
Mansour A 48kHz bandwidth, 1.8 mm diameter entropy probe for aerothermal loss measurements in turbomachinery flows
Hurda et al. Uncertainty analysis of thermal quantities measurement in a centrifugal compressor
Ji et al. Error of measuring surface temperature of turbine blades with the influence of reflection by monochromatic method
Haldeman et al. Fully-Cooled Single Stage HP Transonic Turbine: Part II—Influence of Cooling Mass Flow Changes and Inlet Temperature Profiles on Blade and Shroud Heat-Transfer
Kolesova et al. The experimental study of heat transfer in the channels of the vortex matrices of gas turbine blades
Greiner et al. Effect of Variable Properties and Radiation on Convective Heat Transfer Measurements at Engine Conditions
Lüscher et al. Internal Heat Transfer Measurement on Metal-Based Additively Manufactured Channels Using a Transient Technique
KR100606735B1 (ko) 공랭식 냉각 시스템

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant