KR20150041854A - 가스터빈과 연계된 공기 사이클 시스템의 유량 제어방법 - Google Patents

가스터빈과 연계된 공기 사이클 시스템의 유량 제어방법 Download PDF

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Abstract

가스터빈 조립체와 공기 사이클 시스템을 통합하여, 공기 사이클 시스템에서 배출되는 냉각 공기의 유량을 조절하는 유량제어방법을 제공한다. 통합장치는, 가변디퓨져를 포함한 가스터빈 조립체, 가변노즐을 포함한 공기 사이클 터빈 조립체, 냉각 공기의 유량 측정을 위한 유량계, 그리고 가변디퓨져와 가변노즐을 연동하여 제어하기 위한 유량제어장치를 포함한다.

Description

가스터빈과 연계된 공기 사이클 시스템의 유량 제어방법 {METHOD OF FLOW RATE CONTROL FOR AIR CYCLE SYSTEM COMBINED WITH GAS TURBINE}
본 발명은 항공기 지상점검용 가스터빈 발전기 및 이와 연계된 공기 사이클 시스템의 통합 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가스터빈 압축기의 가변디퓨져와 공기 사이클 터빈의 가변노즐을 연동시켜 제어함으로써 유량을 조절하는 유량 제어방법에 관한 것이다.
항공기 지상점검용 가스터빈 발전기는 GPU(Ground Power Unit) 또는 GTG(Gas Turbine Generator, 이하 GTG)라 불리며, 항공기 시동시 필요한 압축공기, 또는 항공기 지상점검 과정에서 요구되는 전력을 공급하기 위해 사용되고 있다. 특히 항공기 지상점검 과정에서 항공기의 전자장치의 과열을 막기 위해 냉각 공기를 공급해야 하는데, 주로 GTG로부터 출력되는 압축공기를 별개의 ACU(Air Conditioning Unit)에 연결하여 공기 사이클 시스템에 의해 냉각 공기를 생성시켜 항공기로 공급하고 있다.
이때, GTG와 ACU의 연결은 단순히 공압호스에 의하므로 별도의 전력선이나 제어선이 GTG와 ACU를 연결하고 있지 않다. 따라서 ACU는 주로 공급받는 공압에 의한 제어를 하게 되고 이로 인하여 GTG의 제어와는 상관없이 단순히 압축공기의 공급 유무에 따라 장비의 가동과 정지가 결정되므로 두 개 장비의 효율적인 연동이 어렵다. 특히, ACU에서 최종 사용처, 즉 항공기로 공급되는 냉각 공기의 유량제어에 있어서, GTG에서 공급되는 압축공기의 양을 ACU에서는 임의로 제어할 수 없는데, ACU에서 공기 사이클 시스템 터빈으로 공급되는 압축공기를 임의로 차단하면 GTG 가스터빈 압축기에서 서징이 발생할 수 있으므로, 냉각 공기의 유량제어는 주로 잉여 냉각 공기를 대기로 방출시키는 방법에 의존하고 있어 가스터빈의 연료 손실이 막대하다고 할 수 있다.
한편, 역 브레이튼 사이클(Reverse Brayton Cycle)이라 불리는 시스템 원리를 바탕으로 하는 공기 사이클 시스템은 압축 공기를 대기와 열교환 시켜 압축 공기의 온도를 낮춘 후 팽창 터빈을 통과시키면서 팽창에 의한 냉각 효과를 얻는 시스템을 통칭한다.
본 발명은 두 개의 독립적인 장비로 운용되는 GTG와 ACU를 하나의 장비로 통합시키고 이를 통해 두 개 장비의 제어를 연동시킴에 있어, 가스터빈 압축기에서 공기 사이클 시스템 터빈으로 공급되는 압축공기의 유량을 조절하여 최종 공기 사이클 터빈에서 배출되는 냉각공기의 유량을 조절하고 잉여 냉각 공기의 생성을 방지함으로써 가스터빈의 연료소모량을 줄일 수 있는, 가스터빈과 연계된 공기 사이클 시스템의 유량 제어방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 유량 제어방법은, 1) 가스터빈 압축기에서 배출되는 압축공기 유량을 조절할 수 있도록 압축기 임펠러의 원주상에 배열된 가변디퓨져 및 이를 조정하기 위한 액츄에이터, 2) 공기 사이클 터빈에 분사되는 압축공기의 유량 및 유속을 조절할 수 있도록 공기 사이클 터빈의 원주상에 배열된 가변노즐 및 이를 조정하기 위한 액츄에이터, 3) 최종 사용처로 공급되는 냉각 공기의 유량을 측정하기 위한 유량계, 4) 유량계로부터 유량값을 받아들여 지정된 유량값을 맞추기 위하여 상기 가변디퓨져 조정용 액츄에이터 및 상기 가변노즐 조정용 액츄에이터를 제어하는 제어장치로 구성된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 종래 개별 장치로 사용되던 GTG와 ACU를 통합장비로 만들고, 이에 따라 연동된 유량제어가 가능해짐에 따라 기존에 대기로 방출시키는 방법으로 냉각 공기의 공급유량을 조절하는 방식에서 벗어나, 가스터빈 압축기에서 배출되는 압축공기의 유량을 조절하여 공기 사이클 터빈으로 공급되는 압축공기의 유량을 조절함으로써 불필요한 압축공기의 소모를 막아 가스터빈의 연료소모량을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 대한 가스터빈과 공기 사이클 시스템 통합 개요도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 대한 가스터빈 조립체 장치단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 대한 가스터빈 압축기 및 가변디퓨져 장치단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 대한 공기 사이클 터빈 조립체 장치단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 대한 공기 사이클 터빈 및 가변노즐 장치단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
먼저 일반적인 공기 사이클 시스템을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 외부로부터 유입된 압축공기는 대기 공기와의 열교환기를 통과하면서 열을 뺏긴 후 공기 사이클 터빈으로 유입된다. 공기 사이클 터빈으로 유입된 압축공기는 공기 사이클 터빈을 회전시키며 급격히 팽창하면서 냉각되어 최종 사용처로 배출된다. 한편, 압축공기에 의해 회전되는 터빈의 동축에 부착된 팬은 터빈에서 얻은 회전력으로 회전되며 압축공기를 대기 공기와 열교환 할 수 있도록 대기 공기를 흡입한다. 팬에 의해 열교환기를 통과한 공기는 다시 대기로 배출된다. 이때, 대기 공기와의 열교환을 거친 압축공기는 그 압력이나 열교환 용량, 대기 공기의 온도 및 습도에 따라 차이가 날 수 있지만, 대부분 응축수를 함유하게 되며, 터빈을 통과하여 냉각된 공기 역시 낮아진 온도에 의해 추가적으로 응축수가 발생하게 되므로 응축수분리기를 포함한다.
종래 기술의 공기 사이클 시스템의 유량 조절 방법은, 공기 사이클 터빈에서 배출된 냉각 공기를 대기로 방출시키는 방법으로 최종 사용처에 공급되는 냉각 공기 유량을 조절한다. 즉, 최종 사용처에 공급되는 냉각 공기 유량을 줄여도 외부에서 공급되는 압축공기의 유량이 줄어들지는 않는다. 결과적으로 대기로 방출되는 냉각 공기의 양만큼 외부 압축공기 공급원의 에너지가 불필요하게 버려지게 되는 것이다. 이러한 낭비를 막기 위하여 공기 사이클 터빈으로 공급되는 압축공기 공급배관에 밸브를 부착하여 공급되는 유량을 조절할 수도 있으나, 외부 압축공기 공급원이 가스터빈일 경우 가스터빈 압축기에 서징이 발생할 우려가 있다. 즉, 별도의 보호조치 없이 가스터빈 압축기에서 배출되는 압축공기의 유량을 밸브로 제한할 경우 압축기 출구의 저항 증가로 인한 서징 발생 가능성이 높은 것이다. 또한, 서징 발생 없이 밸브로 공기 사이클 터빈으로 공급되는 압축공기의 유량을 제한하였다 할지라도 공기 사이클 터빈으로 분사되는 압축공기의 유속 등을 결정짓는 공기 사이클 터빈 노즐이 고정되어 있거나 공급된 유량에 따라 적정하게 유로 단면적을 조절해 주지 못하면 공기 사이클 터빈의 효율이 급격히 떨어지고 요구되는 공기 사이클 터빈 축동력을 충분히 생성시키지 못하게 된다는 문제점이 있다. 즉, 공기 사이클 터빈의 효율이 떨어져 동축으로 연결된 열교환용 대기 공기 흡입 팬을 요구되는 회전수만큼 회전시키기 못하면 공기 사이클 시스템의 압축공기 대기열교환 용량이 부족하여 압축공기의 온도를 떨어뜨릴 수 없고, 결과적으로는 공기 사이클 터빈에서 배출되는 냉각 공기의 온도를 충분히 낮출 수 없게 된다. 따라서, 가스터빈 압축기의 서징을 방지하면서 압축기에서 배출되는 유량을 조절할 수 있는 수단과, 유량 변화에 따라 공기 사이클 터빈이 충분한 효율을 낼 수 있도록 터빈에 분사되는 압축공기의 유속 등을 조절할 수 있는 수단, 그리고 이 두 가지 수단을 연동하여 제어할 수 있는 수단이 요구되는 것이다.
도1을 참고하여, 본 발명의 가스터빈과 공기 사이클 시스템 통합 개요도를 설명하면 다음과 같다. 가스터빈 압축기(11)는 대기로부터 공기를 흡입한다. 압축기(11)와 가변디퓨져(12)를 통과하면서, 예를 들어, 공기의 압력은 3.5bar(A), 온도는 200도씨까지 상승할 수 있다. 가변디퓨져(12)를 통과한 압축공기는 압축기 스크롤(19)을 통하여 연소실(14)로 공급되어 도시되지 않은 연료공급장치에 의해서 연소실(14) 내에서 연소를 일으킨 후 도시되지 않은 가스터빈 노즐을 통하여 터빈(15)으로 분사 및 팽창되며 터빈(15)을 회전시킨 후 배기가스로서 대기로 방출된다. 이때, 압축기 스크롤(19)을 통과한 공기 중 일부를 별도의 배관으로 빼내어 압축공기를 사용할 수 있다. 즉, 가스터빈에 필요한 출력을 생성하기 위한 연소에 필요한 압축공기 유량을 초과하는 압축공기를 공기 사이클 시스템으로 공급하여 냉각 공기를 만들어 낼 수 있다.
압축기 스크롤(19)에서 분기된 별도의 배관을 통해 압축공기는 공기 사이클 시스템으로 공급되어 압축공기 대기열교환기(20)를 통과하며 대기로부터 흡입된 공기와 열교환을 하여 온도를 떨어뜨리게 된다. 이때 압축공기 대기열교환기(20)을 통과한 압축공기는, 열교환 압력손실을 무시하고 대기 공기 온도를 35도씨라 가정할 때, 압력은 3.5bar(A), 온도는 50도씨일 수 있다. 최초 가스터빈 압축기에서 흡입한 대기공기 습도 조건에 따라 차이가 날 수 있지만, 압축공기 대기열교환기(20)를 통과한 압축공기에는 응축수가 생성되고 이를 분리하기 위하여 고압공기 응축수분리기(30)를 통과하게 된다. 응축수를 분리한 압축공기는 공기 사이클 터빈 조립체(40)의 가변노즐(42)로 유입된다. 가변노즐(42)은 복수개의 베인으로 구성되어 공기 사이클 터빈(41)을 원주상에서 감싸고 있으며, 공기 사이클 터빈(41)으로 유입되는 압축공기의 유속 및 분사각도를 조정하여 공기 사이클 터빈(41)이 최적의 효율을 낼 수 있도록 한다.
가변노즐을 통과하며 고속으로 공기 사이클 터빈(41)에 분사된 압축공기는 공기 사이클 터빈 블레이드(411)를 따라 형성된 유로를 통과하며 공기 사이클 터빈(41)을 회전시키며 팽창된 후 배출된다. 배출된 공기의 압력은 1.3bar(A), 온도는 5도씨일 수 있다. 팽창된 공기에는 응축수가 발생할 수 있으며, 이를 분리하기 위해 저압공기 응축수분리기(50)을 통과하며 응축수를 분리하게 된다. 응축수가 분리된 냉각 공기는 유량계(60)를 통과 후 최종 냉각 공기 사용처로 공급된다.
이하, 상기 가스터빈과 공기 사이클 시스템 통합 개요도 설명을 토대로, 도2에서 도5를 참고하여 본 발명의 유량 제어방법을 설명하면 다음과 같다.
상기한 바와 같이, 고속회전에 의한 원심식 압축기는 정해진 유량과 압력 범위를 벗어날 경우 실속, 서징 등의 문제가 발생한다. 즉 적정 설계점에서 압축기 후단에 걸리는 저항이 일정 수준 이상 높아지면 서징이 발생하게 된다. 이를 방지하기 위하여 가변디퓨져를 주로 적용하는데, 압축기 후단에 걸리는 저항, 즉 압력이 높아지면 압축기 출구 유로를 감소시켜 압축기가 보다 높은 압력에서 운전될 수 있도록 한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 적용된 가스터빈 조립체의 압축기(11)와 가변디퓨져(12)를 도시하고 있다. 도 3(a)는 압축기(11)가 설계점(정격 운전 영역)에서 운전되고 있을 때 복수의 가변디퓨져 베인이 일정 각도로 압축기(11) 주위로 배열되어 압축기(11)에서 고속으로 배출되는 공기가 적정한 각도로 확산하면서 속력이 압력에너지로 변환될 수 있도록 한다. 이때, 가변디퓨져 베인들 간의 거리(D1)가 충분히 떨어져 있어 유로 단면적이 적정하게 유지되고 있음을 볼 수 있다. 도 3(b)를 보면, 압축기(11) 후단에 걸리는 저항이 상승하거나 압축기(11)에서 배출되는 유량을 감소시킬 필요가 있을 때 가변디퓨져 베인들 간의 거리(D2)를 좁혀 유로 단면적을 축소시킴으로써 압축기(11)에서 배출되는 유량을 줄일 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 적용된 공기 사이클 터빈(41) 및 가변노즐(42)을 도시하고 있다. 도 5(a)는 공기 사이클 터빈(41)이 설계점(정격 운전 영역)에서 운전되고 있을 때 복수의 가변노즐 베인들이 일정 각도로 터빈(41) 주위로 배열되어 공기 사이클 터빈조립체 터빈스크롤(47)로부터 공급되는 압축공기의 유속을 증가시켜 적정한 각도로 터빈블레이드(411)로 분사시킴으로써 터빈을 회전되게 한다. 이때, 노즐베인들 간 거리(d1)은 정격 유량이 충분히 통과할 수 있는 유로 단면적을 가지도록 조정되어 있다. 한편, 도 5(b)는 공급되는 압축공기의 유량이 줄어들었을 때, 노즐(42)을 통과하는 압축공기가 터빈을 회전시키기에 효율적인 유속을 가지도록 노즐베인들 간의 거리(d2)가 좁혀진 상태를 도시하고 있다. 이렇게 공기 사이클 터빈(41)으로 분사되는 가변노즐(42)의 유로 단면적을 조정함으로써 터빈(41)에 공급되는 유량에 맞춰 효율적으로 회전력을 발생시킬 수 있도록 할 수 있다.
따라서, 도 1에서 도시된 바와 같이, 유량계(60)에서 측정된 유량값에 따라, 사용자가 지정한 유량을 맞추기 위해 유량제어장치(70)에서는 가스터빈 조립체 가변디퓨져 액츄에이터(13)와 공기 사이클 터빈 조립체 가변노즐 액츄에이터(43)를 연동하여 조정함으로써 서징이나 공기 사이클 터빈(41) 효율의 급격한 저하 없이 최종 사용처로 배출되는 냉각 공기 유량을 조절할 수 있다. 즉, 사용자가 최종 사용처로 공급되는 냉각 공기의 유량을 줄이도록 유량을 지정하면, 유량제어장치(70)에서는 유량계(60)에서 측정된 값을 확인하고 지정된 유량보다 높은 값일 경우, 다음과 같은 방법에 의해 유량을 줄일 수 있다. 먼저, 가스터빈 조립체 가변디퓨져 액츄에이터(13)를 조절하여 미리 유량제어장치(70)에 내장된 조건에 따른 가변디퓨져 각도를 조정한다. 이와 연동하여 공기 사이클 터빈 조립체 가변노즐 액츄에이터(43)를 조절하여 미리 유량제어장치(70)에 내장된 조건에 따른 가변노즐 각도를 조정한다. 이를 통하여, 가스터빈 압축기(11)에서 배출되는 압축공기의 유량이 먼저 줄어들고, 줄어든 유량에 따라 최적의 분사 속도를 가질 수 있도록 공기 사이클 가변노즐(42)이 조정되어 공기 사이클 터빈(41)이 최적 효율을 유지할 수 있게 된다. 따라서, 사용자가 최종 사용처로 공급되는 압축공기의 유량을 줄이면, 냉각 공기를 대기로 방출하지 않고, 가스터빈 압축기에서 배출되는 압축공기의 유량을 줄임으로써 가스터빈의 일을 감소시키고 결과적으로는 가스터빈 연료 소모량을 줄일 수 있는 것이다. 한편, 다시 냉각 공기 유량을 정격 운전 영역으로 늘리려면, 먼저 가스터빈 압축기(11)가 갑작스런 저항을 받아 서징이 생기지 않도록 공기 사이클 가변노즐 액츄에이터(43)를 유량제어장치(70)에서 미리 지정된 조건에 맞춰 유로 단면적이 늘어나도록 조정하고, 동시에 가스터빈 조립체 가변디퓨져 엑츄에이터(13)를 조정하여 가변디퓨져(12)가 충분한 유로 단면적을 가지도록 하면 유량이 다시 증가될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 가스터빈 조립체
11: 가스터빈 조립체 압축기
12: 가스터빈 조립체 가변디퓨져
13: 가스터빈 조립체 가변디퓨져 액츄에이터
14: 가스터빈 조립체 연소실
15: 가스터빈 조립체 터빈
16: 가스터빈 조립체 발전기
17: 가스터빈 조립체 회전축
18: 가스터빈 조립체 베어링
19: 가스터빈 조립체 압축기 스크롤
20: 압축공기 대기열교환기
30: 압축공기 응축수분리기
40: 공기 사이클 터빈 조립체
41: 공기 사이클 터빈 조립체 터빈
411: 공기 사이클 터빈 조립체 터빈블레이드
42: 공기 사이클 터빈 조립체 가변노즐
43: 공기 사이클 터빈 조립체 가변노즐 액츄에이터
44: 공기 사이클 터빈 조립체 팬
45: 공기 사이클 터빈 조립체 회전축
46: 공기 사이클 터빈 조립체 베어링
47: 공기 사이클 터빈 조립체 터빈스크롤
50: 저압공기 응축수분리기
60: 유량계
70: 유량제어장치

Claims (3)

  1. 가변디퓨져를 구비하는 가스터빈 조립체, 가변노즐을 구비하는 공기 사이클 터빈 조립체, 외부로 공급되는 냉각 공기의 유량 측정을 위한 유량계; 및
    상기 가스터빈 조립체와 공기 사이클 터빈 조립체를 연동하여 유량제어를 하기 위한 유량제어장치
    를 포함하는 가스터빈 및 공기 사이클 시스템 통합장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공기 사이클 시스템에서 배출되는 냉각 공기 유량을 줄이기 위해서는 상기 가변디퓨져와 가변노즐의 유로 단면적을 각각 상기 유량제어장치에 내장된 조건에 따라 지정된 순서, 속도, 각도에 맞춰 감소시키는 제어방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공기 사이클 시스템에서 배출되는 냉각 공기 유량을 늘리기 위해서는 상기 가변디퓨져와 가변노즐의 유로 단면적을 각각 상기 유량제어장치에 내장된 조건에 따라 지정된 순서, 속도, 각도에 맞춰 증가시키는 제어방법.
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