KR102610207B1 - 터보차저 시스템을 이용한 고고도 압력조건 모사 시험 장치 - Google Patents

터보차저 시스템을 이용한 고고도 압력조건 모사 시험 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고고도 압력조건을 모사한 가스터빈 엔진의 지상 시험 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터보차저 시스템을 이용하여 가스터빈 엔진의 고고도 압력조건을 모사한 시험 장치에 관한 것이다.

Description

터보차저 시스템을 이용한 고고도 압력조건 모사 시험 장치{Device for Simulating High-altitude Pressure Conditions using Turbo-Charger System}
본 발명은 고고도 압력조건을 모사한 가스터빈 엔진의 지상 시험 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터보차저 시스템을 이용하여 가스터빈 엔진의 고고도 압력조건을 모사한 시험 장치에 관한 것이다.
항공기 엔진 고도시험은 엔진이 지상조건이 아닌 고도조건에서 운용될 경우 항공기 엔진의 성능을 평가하기 위한 설비이며, 항공기 엔진 개발 중에 반드시 진행해야 하는 시험 중 하나이다. 해당 시험을 위해서는 고도시험설비라는 별도의 시험설비에서 필요한 고도에서의 압력 및 온도를 모사하여 시험을 진행한다.
종래의 일반적인 고도시험설비는 엔진 흡입구에 밸브를 달아 압력을 감압하며, 엔진의 출구에는 대형 압축기가 설치되어 테스트 셀 내의 압력을 감압하여 특정 고도에서의 압력을 모사하는 기술이 사용되고 있다. 위와 같은 종래의 고도시험설비는 그 규모가 매우 크고 운용비용이 많이 소요되는 설비이다.
특히 마이크로 가스터빈의 경우 1000N급 이하의 추력을 발생시키는 엔진으로 공기 흡입량이 수백 g/s 정도로 일반적인 항공기 엔진보다 공기 흡입량이 적다. 이에 일반적인 고도시험설비에서 마이크로 가스터빈 엔진의 고도시험을 진행하는 것은 시험 대상 엔진에 비해 과도한 자원을 소모하는 문제가 있다.
마이크로 가스터빈의 개발 시 최고 시동고도, 최고 운용고도 등의 성능이 제시되어야 하기 때문에 고도시험 혹은 이에 준하는 시험은 필수적이며, 이에 따라 마이크로 가스터빈의 고도시험을 위해 기존 고도시험설비에 비해 단순하고 작은 고도시험설비를 구축하기 위한 기술의 개발이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 터보차저를 터보 팽창기로 이용하여 특정 고도에서의 압력을 모사하도록 한 터보차저 시스템을 이용한 고고도 압력조건 모사 시험 장치를 제공함에 있다.
또한, 별도의 압축기로부터 공급되는 고압의 공기를 1단 이상의 다단 터보차저를 이용해 팽창시켜, 터보차저의 터빈을 터보 팽창기로 활용함에 따라 테스트 공간에 공급되는 유체의 압력 및 온도를 하강시켜 특정 고도에서의 압력을 모사하도록 한 터보차저 시스템을 이용한 고고도 압력조건 모사 시험 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 일실시 예에 따른 터보차저 시스템을 이용한 고고도 압력조건 모사 시험 장치는, 고고도 압력조건 모사를 위한 모사공기를 시험 대상인 가스터빈엔진의 입구 측에 공급하기 위한 모사공기공급라인; 상기 모사공기공급라인 상에 배치되는 터빈과, 상기 터빈과 연동하여 회전하도록 스풀을 통해 연결된 압축기를 포함하는, 터보차저; 상기 압축기가 배치되며, 내부에 유동하는 공기가 상기 압축기의 회전에 의해 압축되어 외부로 배출되도록 상류단과 하류단이 대기와 연통된 압축공기유동라인; 및 상기 모사공기공급라인으로 모사공기를 일정 압력으로 공급하는 모사공기공급부;를 포함하며, 상기 모사공기공급라인으로 공급된 모사공기는, 상기 터빈을 회전시키면서 팽창되어 압력과 온도가 낮아진 상태로 상기 가스터빈엔진에 공급된다.
또한, 상기 시험 장치는, 상기 압축공기유동라인의 상류단에 구비되어 상기 압축공기유동라인으로 공급되는 공기의 유량을 조절하는 제1-1 제어밸브; 및 상기 압축공기유동라인의 하류단에 구비되어 상기 압축공기유동라인에서 배출되는 공기의 유량을 조절하는 제1-2 제어밸브를 포함한다.
또한, 상기 시험 장치는, 상류단이 대기와 연통되고, 하류단이 상기 가스터빈엔진의 입구 측에 연통되어 상기 가스터빈엔진의 입구 측에 대기압의 공기를 공급하는, 조절공기공급라인; 및 상기 조절공기공급라인 상에 구비되어 상기 조절공기공급라인을 유동하는 공기의 유량을 제어하는 조절공기 제어밸브; 를 포함하고, 상기 조절공기 제어밸브의 유량 제어를 통해 상기 모사공기의 압력이나 온도를 미세 조절한다.
또한, 상기 시험 장치는, 상기 모사공기공급라인 상의 상기 터빈의 하류측에 구비되며, 상기 모사공기의 온도를 추가적으로 낮추기 위한 모사공기쿨러;를 더 포함한다.
또한, 상기 모사공기공급부는, 전기 또는 유압에 의해 회전하는 모터; 및 상기 모사공기공급라인의 상류단에 구비되며, 상기 모터와 연동하여 회전하여 압축 공기를 상기 모사공기공급라인에 공급하는 구동압축기; 를 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 터보차저 시스템을 이용한 고고도 압력조건 모사 시험 장치는, 고고도 압력조건 모사를 위한 모사공기를 시험 대상인 가스터빈엔진의 입구 측에 공급하기 위한 모사공기공급라인; 상기 모사공기공급라인 상에 배치되는 고압터빈과, 상기 고압터빈과 연동하여 회전하도록 고압스풀을 통해 연결된 고압압축기를 포함하는, 고압터보차저; 상기 모사공기공급라인 상의 상기 고압터빈의 하류측에 배치되는 저압터빈과, 상기 저압터빈과 연동하여 회전하도록 저압스풀을 통해 연결되는 저압압축기를 포함하는, 저압터보차저; 상기 저압압축기 및 고압압축기가 배치되며, 내부에 유동하는 공기가 상기 저압압축기 및 고압압축기의 회전에 의해 압축되어 외부로 배출되도록 상류단과 하류단이 대기와 연통되되 상류측에 저압압축기가 배치되고, 하류측에 고압압축기가 배치되는 압축공기유동라인; 및 상기 모사공기공급라인으로 모사공기를 일정 압력으로 공급하는 모사공기공급부;를 포함하며, 상기 모사공기공급라인으로 공급된 모사공기는, 상기 고압터빈을 회전시키면서 팽창되어 압력과 온도가 1차적으로 낮아지며, 상기 저압터빈을 회전시키면서 압력과 온도가 2차적으로 낮아진 상태로 상기 가스터빈엔진에 공급된다.
또한, 상기 시험 장치는, 상기 압축공기유동라인 상의 상기 저압압축기와 고압압축기 사이에 구비되며, 상기 저압압축기를 경유한 공기를 냉각시키는 인터쿨러;를 더 포함한다.
또한, 상기 시험 장치는, 상류단이 상기 모사공기공급라인 상의 상기 고압터빈과 저압터빈 사이에 연결되고, 하류단이 상기 모사공기공급라인 상의 상기 저압터빈의 하류측에 연결되는 터빈바이패스라인; 상기 터빈바이패스라인 상에 구비되어 상기 터빈바이패스라인의 개폐를 위한 터빈바이패스밸브; 상류단이 상기 압축공기유동라인 상의 상기 저압압축기의 상류측에 연결되고, 하류단이 상기 압축공기유동라인 상의 상기 저압압축기와 고압압축기 사이에 연결되는 압축기바이패스라인; 및 상기 압축기바이패스라인 상에 구비되어 상기 압축기바이패스라인의 개폐를 위한 압축기바이패스밸브;를 포함하고, 일정 고도 이하의 고도를 모사할 경우에는, 상기 터빈바이패스밸브 및 압축기바이패스밸브를 개방하고, 상기 일정 고도를 초과하는 고도를 모사할 경우에는, 상기 터빈바이패스밸브 및 압축기바이패스밸브를 밀폐한다.
또한, 상기 시험 장치는, 상기 모사공기공급라인 상의 상기 고압터빈과 저압터빈 사이에 구비되며, 3방향 밸브로 이루어진 제1 분기밸브; 상류단이 상기 제1 분기밸브에 연결되고, 하류단이 상기 모사공기공급라인 상의 상기 저압터빈의 하류측에 연결되는, 터빈바이패스라인; 상기 압축공기유동라인 상의 상기 저압압축기의 상류측에 구비되며, 3방향 밸브로 이루어진 제2 분기밸브; 상류단이 상기 제2 분기밸브에 연결되고, 하류단이 상기 압축공기유동라인 상의 상기 고압압축기의 상류측에 연결되는, 압축기바이패스라인;을 포함하고, 일정 고도 이하의 고도를 모사할 경우에는, 상기 제1 분기밸브는 고압터빈을 경유한 모사공기를 상기 터빈바이패스라인에 공급하며, 상기 제2 분기밸브는 압축공기공급라인에서 유입된 공기를 상기 압축기바이패스라인에 공급하고, 상기 일정 고도를 초과하는 고도를 모사할 경우에는, 상기 제1 분기밸브는 고압터빈을 경유한 모사공기를 상기 저압터빈에 공급하며, 상기 제2 분기밸브는 압축공기공급라인에서 유입된 공기를 상기 저압압축기에 공급한다.
아울러, 상기 시험 장치는, 상기 모사공기공급라인 상의 상기 모사공기공급부와 터빈 사이에 구비되며, 모사공기공급부에서 공급되는 모사공기를 가열하기 위한 히터를 더 포함한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 터보차저 시스템을 이용한 고고도 압력조건 모사 시험 장치는 터보차저를 이용해 특정 고도에서의 압력을 모사하기 때문에 규모가 작고, 운용비용이 저렴한 효과가 있다.
특히 일반적인 항공기 엔진 대비 공기 흡입량이 적은 마이크로 가스 터빈 엔진의 고도 시험에 최적화 되어 마이크로 카스 터빈 엔진의 고도 시험 시 발생될 수 있는 과도한 자원 소모를 방지한 효과가 있다.
또한, 터보차저를 다단으로 구성하여 다양한 모사 고도 조건을 만족시킬 수 있어, 다양한 고도에서 시험 결과를 정밀하게 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 고도 시험 장비의 개념도
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 고도 시험 장비의 개념도
도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 고도 시험 장비의 개념도
도 4는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 고도 시험 장비의 개념도
이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
- 제1 실시 예 (싱글 타입)
도 1에는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 터보차저 시스템을 이용한 고고도 압력조건 모사 시험 장치(1000)(이하, "시험 장치")의 개략도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 본 발명의 시험 장치(1000)는, 시험 대상인 가스터빈엔진(10)의 입구 측에 고고도 압력조건 환경 모사를 위해 모사공기를 가스터빈엔진(10)에 공급하기 위한 모사공기공급라인(L1)과, 모사공기공급라인(L1)에 배치되는 터빈(110)을 포함하며 모사공기공급라인(L1)으로 공급되는 고압의 공기가 터빈(110)을 회전시키면서 팽창하도록 하여 모사공기의 압력을 낮추기 위한 터보차저(100)와, 터빈(110)과 스풀(150)을 통해 연결되어 터빈(110)의 회전에 의해 연동하여 회전하는 압축기(120)와, 압축기(120)가 배치되며 내부에 유동하는 공기가 압축기(120)의 회전에 의해 압축되도록 압축공기가 유동하는 압축공기유동라인(L2)과, 모사공기공급라인(L1)에 모사공기를 공급하기 위한 모사공기공급부(300)와, 가스터빈엔진(10)의 입구 측에 대기압의 공기를 공급하여 모사공기의 압력이나 온도를 미세 조절하기 위한 조절공기공급라인(L3)을 포함하여 구성된다.
터보차저(100)는, 모사공기공급라인(L1)상에 구비되어 회전에 의해 모사공기를 팽창시켜 모사공기의 압력과 온도를 낮추기 위한 터빈(110)과, 상기 터빈(110)과 스풀(150)을 통해 연결되며 압축공기공급라인(L2)상에 구비되어 압축공기공급라인(L2) 상의 공기를 압축시켜 터빈(110)의 회전속도를 조절하기 위한 압축기(120)를 포함하여 구성된다.
모사공기공급라인(L1)은 상류단이 모사공기공급부(300)에 연결되어 모사공기를 공급받고, 하류단이 가스터빈엔진(10)의 입구 측에 연결되어 모사공기를 가스터빈엔진(10)의 입구 측에 전달한다. 모사공기공급라인(L1) 상에는 터보차저(100)의 터빈(110)이 구비되어 터빈(110)의 회전에 의해 모사공기를 팽창시켜 모사공기의 압력과 온도를 낮추도록 구성된다. 또한 모사공기공급라인(L1) 상에는, 모사공기의 온도를 추가적으로 낮추도록 모사공기쿨러(400)가 구비될 수 있다. 모사공기쿨러(400)는 열교환을 통해 모사공기의 온도를 낮출 수 있는 통상의 공랭 또는 수랭식 인터쿨러가 적용될 수 있다.
모사공기공급부(300)는 구동모터(310)와, 구동압축기(320)를 포함하며, 전기나 공압에 의해 회전하는 모터(310)와 연동하여 회전하는 구동압축기(320)에 의해 대기를 압축하여 모사공기공급라인(L1)에 공급하도록 구성된다. 구동압축기(320)와 터빈(110) 사이의 모사공기공급라인(L1) 상에는, 히터(500)가 구비되어 터빈(110)으로 공급되는 모사공기를 가열하도록 구성된다. 히터(500)는, 가스터빈엔진(10)으로 공급되는 공기가 과 팽창되어 요구 조건 이상으로 온도가 하강하는 것을 방지하기 위해 구비될 수 있다.
압축공기유동라인(L2)은 상류단이 대기와 연결되어 공기를 유입 받고, 상기 공기는 압축기(120)의 회전에 의해 압축되어 하류단으로 배출시키도록 구성된다. 압축공기유동라인(L2)은 상류단에 제1-1 제어밸브(V11)가 구비되어 압축공기유동라인(L2)으로 공급되는 공기의 유량을 조절하고, 하류단에 제1-2 제어밸브(V12)가 구비되어 압축공기유동라인(L2)에서 배출되는 압축공기의 유량을 조절하도록 구성된다. 즉 제1-1 제어밸브(V11) 및 제1-2 제어밸브(V12)의 제어를 통해 압축기(120)로 공급되는 공기의 유량 및 압축기(120)에서 압축된 압축공기의 배출 유량이 조절됨에 따라 압축기(120)와 연동하여 회전하는 터빈(110)의 회전속도를 제어하도록 구성된다. 따라서 모사공기의 압력과 온도를 조절할 수 있도록 구성된다. 또한 모사공기의 압력과 온도 조절에 따라 특정 고도에서의 가스터빈엔진(10)의 입구 측 환경 모사가 가능하다.
조절공기공급라인(L3)은 모사공기만으로 정밀한 가스터빈엔진(10)의 입구 측 환경 모사가 어렵기 때문에 모사공기에 대기를 공급하여 모사공기의 압력과 온도를 미세하게 조절할 수 있도록 구비된다. 따라서 조절공기공급라인(L3)은 상류측이 대기와 연통되고, 하류측이 가스터빈엔진(10)의 입구 측에 연결되어 대기를 가스터빈엔진(10)의 입구 측에 공급하도록 구성된다. 이때 조절공기공급라인(L3)상에는, 유동하는 조절공기의 온도를 제어하도록 조절공기 제어밸브(V2)가 구비될 수 있다. 따라서 조절공기 제어밸브(V2)의 제어에 의해 조절공기의 온도를 조절하도록 구성된다. 즉, 조절공기 제어밸브(V2)를 통해 저온의 압축공기를 공급하여 엔진으로 공급되는 공기의 온도를 미세하게 조정 가능하도록 구성될 수 있다. 조절공기공급라인(L3) 상에는 유동하는 공기의 온도를 제어하기 위한 쿨러 및 히터가 추가 구비될 수 있다.
상기와 같은 구성의 터보차저 시스템을 이용한 고고도 압력조건 모사 시험 장치(1000)는, 모사공기공급부(300)를 이용하여 가스터빈엔진(10)에 모사공기를 공급함에 있어서, 터보차저(100)의 터빈(110)의 회전을 통해 모사공기가 팽창함에 따라 모사공기의 압력과 온도를 낮추어 가스터빈엔진(10)에 공급할 수 있고, 이에 따라 고고도에서의 환경을 모사할 수 있도록 구성된다. 또한, 터빈(110)과 연동하여 회전하는 압축기(120)가 배치된 압축공기유동라인(L2)을 유동하는 공기의 유량을 조절함으로써 터빈(110)의 회전속도를 제어함에 따라, 특정 고도의 환경을 모사한 모사공기를 가스터빈엔진(10)에 공급할 수 있도록 구성된다.
도 2에는, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 고고도 압력조건 모사 시험 장치(2000)(이하, "시험 장치")의 개념도가 도시되어 있다.
상술된 제1 실시 예의 시험 장치(1000)와 같이 터보차저(100)가 단일로 배치되는 경우 모사할 수 있는 고도에 한계가 있기 때문에 본 실시 예의 시험 장치(2000)는 터보차저를 복수 개 배치하여 보다 높은 고고도의 환경을 모사할 수 있도록 구성된다.
이를 위해 본 발명의 시험 장치(2000)는, 모사공기공급라인(L1)과, 복수의 터보차저(210)(220)와, 압축공기유동라인(L2)과, 모사공기공급부(300)와, 조절공기공급라인(L3)을 포함하여 구성되며, 터보차저(210)(220)를 제외한 나머지 구성은 상술된 제1 실시 예의 시험 장치(1000)와 동일하므로 이하, 터보차저(210)(220)의 구성에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도시된 바와 같이 모사공기공급라인(L1)에는, 고압터빈(211)과, 고압터빈(211)의 하류측에 배치되는 저압터빈(221)을 포함하며, 모사공기공급라인(L1)으로 공급되는 고압의 공기가 고압터빈(211)을 회전시키면서 팽창하도록 하여 모사공기의 압력과 온도를 1차적으로 낮추고, 고압터빈(211)을 경유한 공기가 저압터빈(221)을 회전시키면서 추가 팽창하도록 하여 모사공기의 압력과 온도를 2차적으로 낮춤에 따라 모사공기를 통해 고고도 환경을 모사할 수 있도록 구성된다. 일예로 단수의 터보차저의 경우 대략 만 피트 정도 고도의 모사가 가능하지만, 복수의 터보차저를 이용하는 경우 만 피트를 초과한 고도의 모사가 가능하다.
고압터빈(211)을 포함하는 고압터보차저(210)는, 고압터빈(211)과 고압스풀(215)을 통해 연결되며 압축공기공급라인(L2)상에 구비되어 압축공기공급라인(L2) 상의 공기를 압축시켜 고압터빈(211)의 회전속도를 조절하기 위한 고압압축기(212)를 포함하고, 저압터빈(221)을 포함하는, 저압터보차저(220)는, 저압터빈(221)과 저압스풀(225)을 통해 연결되며, 압축공기공급라인(L2)상의 고압압축기(212)의 상류측에 구비되어 압축공기공급라인(L2) 상의 공기를 압축시켜 저압터빈(221)의 회전속도를 조절하기 위한 저압압축기(222)를 포함한다. 따라서 압축공기공급라인(L2)에 유입되는 공기는, 저압압축기(222)의 회전을 통해 1차 압축되며, 저압압축기(222)를 경유한 공기가 고압압축기(212)의 회전을 통해 2차 압축되어 외부로 배출되도록 구성된다. 이때 저압압축기(222)와 고압압축기(212) 사이에는 인터쿨러(600)가 구비되어 저압압축기(222)를 경유한 공기를 인터쿨러(600)를 통해 냉각하여 고압압축기(212)로 공급하도록 구성될 수 있다. 인터쿨러(600)를 통해 저압압축기(222)에서 압축된 공기의 온도를 하강시켜 고압압축기(212)에 공급함에 따라 대기로 배출되는 공기의 온도를 하강시켜 배출하도록 구성될 수 있다.
도 3에는, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 고고도 압력조건 모사 시험 장치(3000)(이하, "시험 장치")의 개념도가 도시되어 있다.
상술된 제2 실시 예의 시험 장치(2000)와 같이 터보차저(100)(200)가 복수 개 배치되는 경우 고고도의 모사가 가능하나, 단일로 배치되는 터보차저를 구비한 시험 장치에 비해 만 피트 이하의 고도를 모사할 경우 자원 소비 효율이 떨어진다. 따라서 본 실시 예에 따른 시험 장치(3000)는 일정 고도 이하의 고도를 모사할 경우에는, 단일의 터보차저(210)만을 사용하고, 일정 고도를 초과하는 고도를 모사할 경우에는, 복수의 터보차저(210)(220)를 모두 사용할 수 있도록 한 시험 장치(3000)를 제공하여 자원 소비 효율을 높이고자 한다.
이를 위해 본 발명의 시험 장치(3000)는, 모사공기공급라인(L1)과, 복수의 터보차저(210)(220)와, 압축공기유동라인(L2)과, 모사공기공급부(300)와, 조절공기공급라인(L3)을 포함하여 구성되며, 필요 시 터보차저(210)(220) 중 어느 하나의 터보차저를 바이패스 시키기 위한 구성을 제외한 나머지 구성은 상술된 제2 실시 예의 시험 장치(2000)와 동일하므로 이하, 필요 시 터보차저(210)(220) 중 어느 하나의 터보차저를 바이패스 시키기 위한 구성에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도시된 바와 같이 모사공기공급라인(L1)에는, 고압터빈(211)과, 고압터빈(211)의 하류측에 배치되는 저압터빈(221)을 포함하며, 모사공기공급라인(L1)으로 공급되는 고압의 공기가 고압터빈(211)을 회전시키면서 팽창하도록 하여 모사공기의 압력과 온도를 1차적으로 낮추고, 고압터빈(211)을 경유한 공기가 저압터빈(221)을 회전시키면서 추가 팽창하도록 하여 모사공기의 압력과 온도를 2차적으로 낮춤에 따라 모사공기를 통해 고고도 환경을 모사할 수 있도록 구성된다.
이때 시험 장치(3000)는, 고압터빈(211)을 경유한 모사공기가 저압터빈(221)을 경유하지 않고, 가스터빈엔진(10)에 공급되도록 상류단이 고압터빈(211)과 저압터빈(221) 사이의 모사공기공급라인(L1)상에 연결되고 하류단이 저압터빈(221)의 하류측에 연결되는 터빈바이패스라인(L11)을 더 포함한다. 또한, 터빈바이패스라인(L11) 상에는 터빈바이패스라인(L11)의 개폐를 위한 터빈바이패스밸브(V15)를 포함한다. 따라서 일정 고도 이하의 고도를 모사할 경우에는, 터빈바이패스밸브(V15)를 개방하여 고압터빈(211)을 경유한 모사공기가 터빈바이패스라인(L11)을 통해 가스터빈엔진(10)에 공급되도록 하여 단일의 고압 터보차저(210)만을 사용하고, 일정 고도를 초과하는 고도를 모사할 경우에는, 터빈바이패스밸브(V15)를 밀폐하여 고압터빈(211)을 경유한 모사공기가 저압터빈(221)도 경유한 후 가스터빈엔진(10)에 공급되도록 하여 복수의 터보차저(210)(220)를 모두 사용할 수 있도록 구성된다.
고압터보차저(210)는, 고압터빈(211)과 스풀을 통해 연결되는 고압압축기(212)를 포함하고, 고압압축기(212)는 압축공기공급라인(L2)상에 구비되어 압축공기공급라인(L2) 상의 공기를 압축시켜 고압터빈(211)의 회전속도를 조절하도록 구성된다. 저압터보차저(220)는, 저압터빈(221)과 스풀을 통해 연결되는 저압압축기(222)를 포함하고, 저압압축기(222)는 압축공기공급라인(L2)상의 고압압축기(212)의 상류측에 구비되어 압축공기공급라인(L2) 상의 공기를 압축시켜 저압터빈(221)의 회전속도를 조절하도록 구성된다. 따라서 압축공기공급라인(L2)에 유입되는 공기는, 저압압축기(222)의 회전을 통해 1차 압축되며, 저압압축기(222)를 경유한 공기가 고압압축기(212)의 회전을 통해 2차 압축되어 외부로 배출되도록 구성된다.
이때 시험 장치(3000)는, 압축공기유동라인(L2)으로 유입된 공기가 저압압축기(222)를 경유하지 않고, 고압압축기(212)에 공급되도록 상류단이 저압압축기(222)의 상류측의 압축공기유동라인(L2) 상에 연결되고, 하류단이 저압압축기(222)와 고압압축기(212) 사이의 압축공기유동라인(L2) 상에 연결되는 압축기바이패스라인(L21)을 더 포함한다. 또한, 압축기바이패스라인(L21) 상에는 압축기바이패스라인(L21)의 개폐를 위한 압축기바이패스밸브(V16)를 포함한다. 따라서 일정 고도 이하의 고도를 모사할 경우에는, 압축기바이패스밸브(V16)를 개방하여 압축공기유동라인(L2)으로 유입된 공기가 압축기바이패스라인(L21)을 통해 고압압축기(212)에 공급되도록 하여 단일의 터보차저(210)만을 사용하고, 일정 고도를 초과하는 고도를 모사할 경우에는, 압축기바이패스밸브(V16)를 밀폐하여 압축공기유동라인(L2)으로 유입된 공기가 저압압축기(222)와 고압압축기(212) 모두를 경유하도록 하여 복수의 터보차저(210)(220)를 모두 사용할 수 있도록 구성된다.
도 4에는, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 고고도 압력조건 모사 시험 장치(4000)(이하, "시험 장치")의 개념도가 도시되어 있다.
본 실시 예의 시험 장치(4000)는, 상술된 제3 실시 예의 시험 장치(3000)와 동일한 목적을 갖고, 이를 실시하기 위한 세부 구성에 차이가 있는바 필요 시 터보차저(210)(220) 중 어느 하나의 터보차저를 바이패스 시키기 위한 다른 실시 예의 구성에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도시된 바와 같이 시험 장치(4000)는, 고압터빈(211)을 경유한 모사공기가 저압터빈(221)을 경유하지 않고, 가스터빈엔진(10)에 공급되도록 고압터빈(211)과 저압터빈(221) 사이의 모사공기공급라인(L1) 상에 제1 분기밸브(V5)가 구비되며, 상류단이 제1 분기밸브(V5)에 연결되고, 하류단이 저압터빈(221)의 하류측에 연결되는 터빈바이패스라인(L11)을 더 포함한다. 제1 분기밸브(V5) 밸브는, 3방향 밸브로 이루어지며, 제1 방향에서 유입되는 유체를 제2 방향 또는 제3 방향으로 전환하여 전달하도록 구성된다. 따라서 제1 분기밸브(V5)는 고압터빈(211)을 경유한 모사공기를 유입 받아 저압터빈(221)으로 공급 또는 터빈바이패스라인(L11)으로 선택하여 공급하도록 구성된다. 따라서 일정 고도 이하의 고도를 모사할 경우에는, 고압터빈(211)을 경유한 모사공기가 터빈바이패스라인(L11)을 통해 가스터빈엔진(10)에 공급되도록 하여 단일의 터보차저(210)만을 사용하고, 일정 고도를 초과하는 고도를 모사할 경우에는, 고압터빈(211)을 경유한 모사공기가 저압터빈(221)도 경유한 후 가스터빈엔진(10)에 공급되도록 하여 복수의 터보차저(210)(220)를 모두 사용할 수 있도록 구성된다.
또한, 시험 장치(4000)는, 압축공기유동라인(L2)으로 유입된 공기가 저압압축기(222)를 경유하지 않고, 고압압축기(212)에 공급되도록 저압압축기(222)의 상류측 압축공기유동라인(L2) 상에는, 제2 분기밸브(V6)가 구비되며, 상류단이 제2 분기밸브(V6)에 연결되고, 하류단이 인터쿨러(600)와 고압압축기(212) 사이의 압축공기유동라인(L2) 상에 연결되는, 압축기바이패스라인(L21)을 더 포함한다. 제2 분기밸브(V6) 밸브는, 3방향 밸브로 이루어지며, 제1 방향에서 유입되는 유체를 제2 방향 또는 제3 방향으로 전환하여 전달하도록 구성된다. 또한 공급되는 유량의 제어가 가능하도록 구성된다. 따라서 제2 분기밸브(V6)는 압축공기유동라인(L2)으로 유입된 공기를 유입 받아 저압압축기(222)로 공급 또는 압축기바이패스라인(L21)을 통해 고압압축기(212)로 선택하여 공급하도록 구성된다.
따라서 일정 고도 이하의 고도를 모사할 경우에는, 압축공기유동라인(L2)으로 유입된 공기가 압축기바이패스라인(L21)을 통해 고압압축기(212)에 공급되도록 하여 단일의 터보차저(210)만을 사용하고, 일정 고도를 초과하는 고도를 모사할 경우에는, 압축공기유동라인(L2)으로 유입된 공기가 저압압축기(222)와 고압압축기(212) 모두를 경유하도록 하여 복수의 터보차저(210)(220)를 모두 사용할 수 있도록 구성된다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
1000, 2000, 3000, 4000 : 고고도 압력조건 모사 시험 장치
10 : 가스터빈엔진
L1 : 모사공기공급라인
L2 : 압축공기유동라인
L3 : 조절공기공급라인
V11 : 제1-1 제어밸브
V12 : 제1-2 제어밸브
V2 : 조절공기 제어밸브
100 : 터보차저
110 : 터빈
120 : 압축기
150 : 스풀
200 : 고압 터보차저
211 : 고압 터빈
212 : 고압 압축기
215 : 고압 스풀
221 : 저압 터빈
222 : 저압 압축기
225 : 저압 스풀
300 : 모사공기공급부
310 : 구동모터
320 : 구동압축기
400 : 모사공기쿨러
500 : 히터
L11 : 터빈바이패스라인
L21 : 압축기바이패스라인
V15 : 터빈바이패스밸브
V16 : 압축기바이패스밸브
V5 : 제1 분기밸브
V6 : 제2 분기밸브

Claims (10)

  1. 고고도 압력조건 모사를 위한 모사공기를 시험 대상인 가스터빈엔진의 입구 측에 공급하기 위한 모사공기공급라인;
    상기 모사공기공급라인 상에 배치되는 터빈과, 상기 터빈과 연동하여 회전하도록 스풀을 통해 연결된 압축기를 포함하는, 터보차저;
    상기 압축기가 배치되며, 내부에 유동하는 공기가 상기 압축기의 회전에 의해 압축되어 외부로 배출되도록 상류단과 하류단이 대기와 연통된 압축공기유동라인; 및
    상기 모사공기공급라인으로 모사공기를 일정 압력으로 공급하는 모사공기공급부;를 포함하며,
    상기 모사공기공급라인으로 공급된 모사공기는, 상기 터빈을 회전시키면서 팽창되어 압력과 온도가 낮아진 상태로 상기 가스터빈엔진에 공급되고,
    상류단이 대기와 연통되고, 하류단이 상기 가스터빈엔진의 입구 측에 연통되어 상기 가스터빈엔진의 입구 측에 대기압의 공기를 공급하는, 조절공기공급라인; 및
    상기 조절공기공급라인 상에 구비되어 상기 조절공기공급라인을 유동하는 공기의 유량을 제어하는 조절공기 제어밸브; 를 더 포함하고,
    상기 조절공기 제어밸브의 유량 제어를 통해 상기 모사공기의 압력이나 온도를 미세 조절하는, 터보차저 시스템을 이용한 고고도 압력조건 모사 시험 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 시험 장치는,
    상기 압축공기유동라인의 상류단에 구비되어 상기 압축공기유동라인으로 공급되는 공기의 유량을 조절하는 제1-1 제어밸브; 및
    상기 압축공기유동라인의 하류단에 구비되어 상기 압축공기유동라인에서 배출되는 공기의 유량을 조절하는 제1-2 제어밸브;
    를 포함하는, 터보차저 시스템을 이용한 고고도 압력조건 모사 시험 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 시험 장치는,
    상기 모사공기공급라인 상의 상기 터빈의 하류측에 구비되며, 상기 모사공기의 온도를 추가적으로 낮추기 위한 모사공기쿨러; 를 더 포함하는, 터보차저 시스템을 이용한 고고도 압력조건 모사 시험 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 모사공기공급부는,
    전기 또는 유압에 의해 회전하는 모터; 및
    상기 모사공기공급라인의 상류단에 구비되며, 상기 모터와 연동하여 회전하여 압축 공기를 상기 모사공기공급라인에 공급하는 구동압축기;
    를 포함하는, 터보차저 시스템을 이용한 고고도 압력조건 모사 시험 장치.
  6. 고고도 압력조건 모사를 위한 모사공기를 시험 대상인 가스터빈엔진의 입구 측에 공급하기 위한 모사공기공급라인;
    상기 모사공기공급라인 상에 배치되는 고압터빈과, 상기 고압터빈과 연동하여 회전하도록 고압스풀을 통해 연결된 고압압축기를 포함하는, 고압터보차저;
    상기 모사공기공급라인 상의 상기 고압터빈의 하류측에 배치되는 저압터빈과, 상기 저압터빈과 연동하여 회전하도록 저압스풀을 통해 연결되는 저압압축기를 포함하는, 저압터보차저;
    상기 저압압축기 및 고압압축기가 배치되며, 내부에 유동하는 공기가 상기 저압압축기 및 고압압축기의 회전에 의해 압축되어 외부로 배출되도록 상류단과 하류단이 대기와 연통되되 상류측에 저압압축기가 배치되고, 하류측에 고압압축기가 배치되는 압축공기유동라인;
    상기 모사공기공급라인으로 모사공기를 일정 압력으로 공급하는 모사공기공급부;를 포함하며,
    상기 모사공기공급라인으로 공급된 모사공기는, 상기 고압터빈을 회전시키면서 팽창되어 압력과 온도가 1차적으로 낮아지며, 상기 저압터빈을 회전시키면서 압력과 온도가 2차적으로 낮아진 상태로 상기 가스터빈엔진에 공급되고,
    상류단이 대기와 연통되고, 하류단이 상기 가스터빈엔진의 입구 측에 연통되어 상기 가스터빈엔진의 입구 측에 대기압의 공기를 공급하는, 조절공기공급라인; 및
    상기 조절공기공급라인 상에 구비되어 상기 조절공기공급라인을 유동하는 공기의 유량을 제어하는 조절공기 제어밸브; 를 더 포함하고,
    상기 조절공기 제어밸브의 유량 제어를 통해 상기 모사공기의 압력이나 온도를 미세 조절하는, 터보차저 시스템을 이용한 고고도 압력조건 모사 시험 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 시험 장치는,
    상기 압축공기유동라인 상의 상기 저압압축기와 고압압축기 사이에 구비되며, 상기 저압압축기를 경유한 공기를 냉각시키는 인터쿨러;를 더 포함하는, 터보차저 시스템을 이용한 고고도 압력조건 모사 시험 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 시험 장치는,
    상류단이 상기 모사공기공급라인 상의 상기 고압터빈과 저압터빈 사이에 연결되고, 하류단이 상기 모사공기공급라인 상의 상기 저압터빈의 하류측에 연결되는 터빈바이패스라인;
    상기 터빈바이패스라인 상에 구비되어 상기 터빈바이패스라인의 개폐를 위한 터빈바이패스밸브;
    상류단이 상기 압축공기유동라인 상의 상기 저압압축기의 상류측에 연결되고, 하류단이 상기 압축공기유동라인 상의 상기 저압압축기와 고압압축기 사이에 연결되는 압축기바이패스라인; 및
    상기 압축기바이패스라인 상에 구비되어 상기 압축기바이패스라인의 개폐를 위한 압축기바이패스밸브;를 포함하고,
    일정 고도 이하의 고도를 모사할 경우에는, 상기 터빈바이패스밸브 및 압축기바이패스밸브를 개방하고, 상기 일정 고도를 초과하는 고도를 모사할 경우에는, 상기 터빈바이패스밸브 및 압축기바이패스밸브를 밀폐하는, 터보차저 시스템을 이용한 고고도 압력조건 모사 시험 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 시험 장치는,
    상기 모사공기공급라인 상의 상기 고압터빈과 저압터빈 사이에 구비되며, 3방향 밸브로 이루어진 제1 분기밸브;
    상류단이 상기 제1 분기밸브에 연결되고, 하류단이 상기 모사공기공급라인 상의 상기 저압터빈의 하류측에 연결되는, 터빈바이패스라인;
    상기 압축공기유동라인 상의 상기 저압압축기의 상류측에 구비되며, 3방향 밸브로 이루어진 제2 분기밸브;
    상류단이 상기 제2 분기밸브에 연결되고, 하류단이 상기 압축공기유동라인 상의 상기 고압압축기의 상류측에 연결되는, 압축기바이패스라인;을 포함하고,
    일정 고도 이하의 고도를 모사할 경우에는, 상기 제1 분기밸브는 고압터빈을 경유한 모사공기를 상기 터빈바이패스라인에 공급하며, 상기 제2 분기밸브는 압축공기공급라인에서 유입된 공기를 상기 압축기바이패스라인에 공급하고,
    상기 일정 고도를 초과하는 고도를 모사할 경우에는, 상기 제1 분기밸브는 고압터빈을 경유한 모사공기를 상기 저압터빈에 공급하며, 상기 제2 분기밸브는 압축공기공급라인에서 유입된 공기를 상기 저압압축기에 공급하는, 터보차저 시스템을 이용한 고고도 압력조건 모사 시험 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 시험 장치는,
    상기 모사공기공급라인 상의 상기 모사공기공급부와 터빈 사이에 구비되며, 모사공기공급부에서 공급되는 모사공기를 가열하기 위한 히터;
    를 더 포함하는, 터보차저 시스템을 이용한 고고도 압력조건 모사 시험 장치.
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