KR20190129243A - 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 장치 및 방법에 관한 것으로, 가상 엔진 모델의 출력값 및 효율을 최적화시키는 입력 파라미터를 도출하고, 도출한 입력 파라미터를 터빈에 적용하여 터빈이 최적화된 출력값 및 효율을 출력하도록 하는 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 장치는 상기 터빈이 목표 출력값을 출력할 때의 상기 터빈의 유량, 온도 및 압력 중 적어도 하나를 측정하는 측정부와, 상기 측정부에서 측정한 측정값을 기초로 가상 엔진 모델을 생성하는 모델 생성부와, 상기 가상 엔진 모델의 입력 파라미터를 설정하는 설정부와, 상기 입력 파라미터에 따른 가상 엔진 모델의 출력값 및 효율을 계산하는 계산부와, 상기 계산부에서 계산한 상기 출력값 및 효율을 기초로 상기 출력값 및 효율이 최적화되는 입력 파라미터를 도출하는 도출부를 포함한다.

Description

가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 장치 및 방법{Apparatus and method for optimizing turbine efficiency through virtual engine model}

본 발명은 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 장치 및 방법에 관한 것으로, 가상 엔진 모델의 출력값 및 효율을 최적화시키는 입력 파라미터를 도출하고, 도출한 입력 파라미터를 가스터빈에 적용하여 가스터빈이 최적화된 출력값 및 효율을 출력하도록 하는 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 화학발전소는 연료의 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 에너지 변환 시설로서, 크게 보일러와 터빈 및 발전기로 구성되어 있다. 이 중 터빈은 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충동력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 장치이며, 증기를 이용하면 증기터빈이고 가스를 이용하면 가스터빈이라 한다. 이러한 터빈의 효율은 연료 유량, 다수의 압축기 가변 안내익 각도, 냉각유량의 값에 따라 달라지게 된다. 터빈의 효율을 높이기 위해서는 연료 유량, 다수의 압축기 가변 안내익 각도, 냉각유량의 값을 조정을 해야하는데, 각 값들을 조정하여 터빈을 구동시키기에는 오랜 시간이 걸리는 문제가 있다. 또한, 터빈의 효율을 최적화시키는 연료 유량, 다수의 압축기 가변 안내익 각도, 냉각유량의 값을 도출하기 위해서는 터빈을 여러 번 구동시켜야 하므로, 터빈이 노후되는 문제가 있다.

본 발명은 앞에서 설명한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 가상 엔진 모델의 출력값 및 효율을 최적화시키는 입력 파라미터를 도출하고, 도출한 입력 파라미터를 터빈에 적용하여 가스터빈이 최적화된 출력값 및 효율을 출력하도록 하는 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

위에서 언급된 본 발명의 기술적 과제 외에도, 본 발명의 다른 특징 및 이점들이 이하에서 기술되거나, 그러한 기술 및 설명으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

앞에서 설명한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 장치에 있어서, 가스터빈이 목표 출력값을 출력할 때의 가스터빈의 유량, 온도 및 압력 중 적어도 하나를 측정하는 측정부와, 측정부에서 측정한 측정값을 기초로 가상 엔진 모델을 생성하는 모델 생성부와, 가상 엔진 모델의 입력 파라미터를 설정하는 설정부와, 입력 파라미터에 따른 가상 엔진 모델의 출력값 및 효율을 계산하는 계산부와, 계산부에서 계산한 출력값 및 효율을 기초로 출력값 및 효율이 최적화되는 입력 파라미터를 도출하는 도출부를 포함한다.

여기서, 입력 파라미터는 연료 유량, 다수의 압축기 가변 안내익 각도, 냉각유량 중 적어도 하나를 포함한다.

또한, 설정부는 출력값 및 효율이 최적화된 값이 아닌 경우 입력 파라미터를 재조정한다.

또한, 설정부는 입력 파라미터에 따른 가상 엔진 모델의 출력값 및 효율을 기초로 입력 파라미터를 조정한다.

또한, 도출부는 입력 파라미터들에 대한 함수인 목적함수에서 기울기가 '0'이 되는 지점의 입력 파라미터 값을 가상 엔진 모델의 출력값 및 효율을 최적화시키는 입력 파라미터로 도출한다.

또한, 도출된 입력 파라미터들을 가스터빈에 적용하여 가스터빈이 최적의 효율로 구동하도록 제어하는 제어부를 더 포함한다.

반면, 앞에서 설명한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 방법은 측정부에서 가스터빈이 목표 출력값을 출력할 때의 가스터빈의 유량, 온도 및 압력 중 적어도 하나를 측정하는 단계와, 측정부에서 측정한 측정값을 기초로 가상 엔진 모델을 생성하는 단계와, 가상 엔진 모델의 입력 파라미터를 설정하는 단계와, 입력 파라미터에 따른 가상 엔진 모델의 출력값 및 효율을 계산하는 단계와, 계산한 출력값 및 효율을 기초로 출력값 및 효율이 최적화되는 입력 파라미터를 도출하는 단계를 포함한다.

여기서, 입력 파라미터는 연료 유량, 다수의 압축기 가변 안내익 각도, 냉각유량 중 적어도 하나를 포함한다.

또한, 입력 파라미터를 설정하는 단계에 있어서, 출력값 및 효율이 최적화된 값이 아닌 경우 입력 파라미터를 재조정한다.

또한, 입력 파라미터를 설정하는 단계에 있어서, 입력 파라미터에 따른 가상 엔진 모델의 출력값 및 효율을 기초로 입력 파라미터를 조정한다.

또한, 입력 파라미터를 도출하는 단계에 있어서, 입력 파라미터들에 대한 함수인 목적함수에서 기울기가 '0'이 되는 지점의 입력 파라미터 값을 가상 엔진 모델의 출력값 및 효율을 최적화시키는 입력 파라미터로 도출한다.

또한, 도출된 입력 파라미터들을 가스터빈에 적용하여 가스터빈이 최적의 효율로 구동하도록 제어하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따른 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 장치 및 방법은 터빈을 직접 구동시키지 않더라도 가스터빈의 출력값 및 효율이 최적화되도록 하는 입력 파라미터를 조정할 수 있다.

또한, 가스터빈을 직접 구동하지 않으므로, 가스터빈의 출력값 및 효율이 최적화되는 입력 파라미터를 도출하기 위해 여러 번 구동됨으로써 노후되는 것을 방지할 수 있다.

이 밖에도, 본 발명의 실시 예들을 통해 본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 새롭게 파악될 수도 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 가스가스터빈의 개략적인 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2를 구체화한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 방법을 나타내는 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 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 실시 예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.

제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.

여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시 예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용 중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면 중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90˚ 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 가스가스터빈의 개략적인 구조를 도시한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 가스 가스터빈(1)은 케이싱(100), 압축기(200), 연소기(300) 및 가스터빈(400)을 포함할 수 있다. 케이싱(100)은 압축기(200), 연소기(300) 및 가스터빈(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 가스터빈(400)에 공급할 수 있다. 가스터빈(400)은 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 복수의 가스터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산할 수 있다.

케이싱(100)은 압축기(200)가 수용되는 압축기 케이싱(102), 연소기(300)가 수용되는 연소기 케이싱(103) 및 가스터빈(400)이 수용되는 가스터빈 케이싱(104)을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 압축기 케이싱, 연소기 케이싱 및 가스터빈 케이싱이 일체로 형성될 수도 있다. 압축기 케이싱(102), 연소기 케이싱(103) 및 가스터빈 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 가스터빈(400)을 통과한 연소 가스를 배출하는 디퓨저(미도시)가 구비될 수 있다. 디퓨저(미도시)는 배기실(450) 내에 배치될 수 있다.

로터(50)는 압축기 로터 디스크(52), 토크 튜브(53) 및 가스터빈 로터 디스크(54)를 포함할 수 있다. 로터 디스크(52)는 압축기 케이싱(102)에 수용될 수 있고, 가스터빈 로터 디스크(54)는 가스터빈 케이싱(104)에 수용될 수 있다. 토크 튜브(53)는 연소키 케이싱(103)에 수용되어 압축기 로터 디스크(52)와 가스터빈 로터 디스크(54)를 연결할 수 있다. 압축기 로터 디스크(52), 토크 튜브(53) 및 가스터빈 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.

가스터빈 로터 디스크(54)는 압축기 로터 디스크(52)와 유사하게 형성될 수 있다. 즉, 가스터빈 로터 디스크(54)는 복수로 형성되고, 복수의 가스터빈 로터 디스크들(54)은 로터(50)의 축 방향을 따라 배열될 수 있다. 즉, 가스터빈 로터 디스크(54)는 다단으로 형성될 수 있다. 가스터빈 로터 디스크(54) 각각은 대략 원판형으로 형성될 수 있다. 가스터빈 로터 디스크(54)의 외주부에는 후술할 가스터빈 블레이드(420)와 결합되는 가스터빈 블레이드 결합 슬롯이 형성될 수 있다.

토크 튜브(53)는 가스터빈 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 가스터빈 로터 디스크들(54) 중 연소 가스의 유동 방향 상 최상류 단에 위치되는 가스터빈 로터 디스크(54)와 체결될 수 있다. 토크 튜브(53)의 일단부와 타단부 각각에는 돌기가 형성되고, 압축기 로터 디스크(52)와 가스터빈 로터 디스크(54) 각각에는 돌기와 치합되는 홈이 형성되어, 토크 튜브(53)가 압축기 로터 디스크(52) 및 가스터빈 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 가스터빈(400)으로 유동 가능하도록, 중공형의 실린더 형태로 형성될 수 있다. 토크 튜브(53)는 장기간 지속적으로 운전되는 가스 가스터빈의 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 가스터빈 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 가스터빈 로터 디스크들(54) 중 연소 가스의 유동 방향으로 최하류 단에 위치되는 가스터빈 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 가스터빈 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 가스터빈 로터 디스크(54) 사이 간격이 감소됨에 따라, 복수의 압축기 로터 디스크들(52), 토크 튜브(53) 및 복수의 가스터빈 로터 디스크들(54)이 로터(50)의 축 방향으로 압축될 수 있다. 이에 따라, 복수의 압축기 로터 디스크들(52), 토크 튜브(53) 및 복수의 가스터빈 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 가스터빈 로터 디스크의 중심부를 관통하도록 형성되나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 압축기 측과 가스터빈 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 복수의 캔(Can)들로 구성되고, 복수의 캔들은 연소기 케이싱(103)에 로터(50)의 회전 방향을 따라 배열될 수 있다.

또한, 캔들 각각은 압축기(200)에서 압축된 공기가 유입되는 라이너, 라이너에 유입되는 공기에 연료를 분사하고 연소시키는 버너 및 버너에서 생성되는 연소 가스를 가스터빈(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.

가스터빈(400)은 압축기(200)와 유사하게 형성될 수 있다. 가스터빈(400)은 로터(50)와 함께 회전되는 가스터빈 블레이드(420) 및 가스터빈 블레이드(420)로 유입되는 공기의 흐름을 정렬하도록 케이싱(100)에 고정 설치되는 가스터빈 베인(440)을 포함할 수 있다.

가스터빈 블레이드(420)는 복수로 형성되고, 복수의 가스터빈 블레이드들(420)은 로터(50)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성된다. 본 일 실시 예에서는 가스터빈 블레이드(420)가 4단으로 구성되며, 로터(50)의 축 방향을 따라 상류 측에서 하류 측으로 가면서 차례로 1단 가스터빈 블레이드(424), 2단 가스터빈 블레이드(425), 3단 가스터빈 블레이드(426) 및 4단 가스터빈 블레이드(427)가 배치되고 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 4단 미만 또는 초과의 가스터빈 블레이드가 배치될 수 있음은 물론이다. 또한, 복수의 가스터빈 블레이드들(420)은 각 단마다 로터(50)의 회전 방향을 따라 방사상으로 형성될 수 있다.

가스터빈 블레이드(420)의 루트부(422)는 가스터빈 로터 디스크(54)의 가스터빈 블레이드 결합 슬롯에 결합되며, 루트부(422)는 가스터빈 블레이드(420)가 그 가스터빈 블레이드 결합 슬롯으로부터 로터(50)의 회전 반경 방향으로 이탈되는 것을 방지하도록, 전나무(fir-tree) 형태로 형성될 수 있다. 이때, 가스터빈 블레이드 결합 슬롯은 마찬가지로, 가스터빈 블레이드의 루트부(422)에 대응되도록 전나무 형태로 형성될 수 있다.

본 실시 예의 경우, 가스터빈 블레이드 루트부(422)와 가스터빈 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 가스터빈 블레이드(420)를 가스터빈 로터 디스크(54)에 체결할 수 있다.

여기서, 가스터빈 로터 디스크(54)와 가스터빈 블레이드(420)는 통상적으로 탄젠셜 타입(tangential type) 또는 액셜 타입(axial type)으로 결합되는데, 본 실시예의 경우에는, 가스터빈 블레이드 루트부(422)는 전술한 바와 같이 가스터빈 블레이드 결합 슬롯에 로터(50)의 축 방향을 따라 삽입되는 소위 액셜 타입 형태로 형성되고 있다. 이에 따라, 본 실시 예에 따른 가스터빈 블레이드 결합 슬롯은 복수로 형성되고, 복수의 가스터빈 블레이드 결합 슬롯들은 가스터빈 로터 디스크(54)의 원주 방향을 따라 방사상으로 배열될 수 있다.

가스터빈 베인(440)은 복수로 형성되고, 복수의 가스터빈 베인들(440)은 로터(50)의 축 방향을 따라 복수 단으로 형성될 수 있다. 여기서, 가스터빈 베인들(440)과 가스터빈 블레이드들(420)은 공기 유동 방향을 따라 서로 번갈아 배열될 수 있다.

본 일 실시 예에서는, 가스터빈 블레이드(420)가 4단으로 구성되고 있으므로 가스터빈 베인(440) 또한 4단으로 구성되며, 로터(50)의 축 방향을 따라 상류 측에서 하류 측으로 가면서 차례로 1단 가스터빈 베인(444), 2단 가스터빈 베인(445), 3단 가스터빈 베인(446) 및 4단 가스터빈 베인(447)이 각 단의 가스터빈 블레이드의 전단(상류 측)에 배치되고 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 4단 미만 또는 초과의 가스터빈 베인이 배치될 수 있음은 물론이다. 복수의 가스터빈 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 가스터빈(1)은 외부 냉각시스템을 포함하여 압축기(200)의 일부 개소에서 압축된 공기를 케이싱(100)의 외부로 추기하여 터빈(400)으로 공급할 수 있다.

가스터빈(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 가스터빈(400)으로 유입된다. 가스터빈(400)으로 유입된 연소 가스는 가스터빈 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, 가스터빈(400)에서 얻은 기계적 에너지 중 일부는 압축기(200)에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되고, 나머지는 발전기로 전력을 생산하는데 이용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 장치의 구성을 나타내는 도면이고, 도 3은 도2를 구체화한 도면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 장치(1000)는 가스터빈(1) 및 가상 엔진 모델(500)을 포함할 수 있다. 또한, 가스터빈(1)은 측정부(510) 및 제어부(560)를 포함하고, 가상 엔진 모델(500)은 모델 생성부(520), 설정부(530), 계산부(540) 및 도출부(550)를 포함할 수 있다.

측정부(510)는 가스터빈(1)이 목표 출력값을 출력할 때의 가스터빈(1)의 유량, 온도 및 압력 중 적어도 하나를 측정할 수 있다. 구체적으로, 가스터빈(1)의 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축함으로써, 고압의 공기를 생성하는 기능을 수행할 수 있다. 압축된 공기는 공급기에 의해서 연소기로 전달될 수 있으며, 일부의 압축 공기는 가스터빈(1)으로 전달되어 가스터빈(1)을 냉각시키기 위하여 사용될 수 있다. 이때, 가스터빈(1)으로 가는 압축 공기는 공기의 온도를 낮추기 위하여 냉각기를 거치면서 온도가 낮아진 이후에 가스터빈(1)으로 전달될 수 있다.

연소기는 압축기로부터 들어오는 압축공기에 연료를 주입하여 연소시켜 고압, 고온의 연소 가스를 생성하여 가스터빈(1)에 제공할 수 있다. 가스터빈(1)으로 공급된 고온, 고압의 연소가스는 가스터빈(1)의 회전익을 구동시켜 가스터빈(1)의 로터를 회전시키게 된다. 이때, 로터가 회전함으로써 발생하는 출력은 발전기를 회전시킬 수 있다. 여기서, 측정부(510)는 가스터빈(1)이 회전함으로써 발생하는 출력이 목표 출력값인 경우 가스터빈(1)의 유량, 온도 및 압력 중 적어도 하나를 측정할 수 있다. 목표 출력값은 발전기를 회전시키기 위해 필요한 출력값일 수 있다. 일 예로, 원하는 양만큼의 발전을 위해 발전기를 구동시켜야 하는데 발전기를 구동시키기 위해서는 가스터빈(1)의 회전에 의해 발생하는 출력을 필요로 할 수 있다. 즉, 목표 출력값은 원하는 양만큼의 발전을 위해 발전기를 구동시킬 정도의 가스터빈(1)의 출력값일 수 있다.

모델 생성부(520)는 측정부(510)에서 측정한 측정값을 기초로 가상 엔진 모델(500)을 생성할 수 있다. 여기서, 가상 엔진 모델(500)은 가스터빈(1)을 직접 구동하지 않더라고 가스터빈(1)의 측정값 및 효율을 판단할 수 있다. 여기서, 가스터빈(1)을 직접 구동하여 가스터빈(1)의 출력값 및 효율을 측정하는 경우 가스터빈(1)의 구동에 따라 출력값 및 효율이 출력될 때까지 오랜 시간을 기다려야만 한다. 또한, 가스터빈(1)의 측정값 및 효율이 최적화되는 값을 도출하기 위해 입력 파라미터를 조정하면서 가스터빈(1)을 구동 시 최적화된 값을 도출하기 위해 가스터빈(1)을 여러 번 구동시켜야만 한다. 이러한 과정에서 가스터빈(1)의 수명이 감소할 수 있다. 따라서, 가스터빈(1)을 직접 구동하지 않고, 가상 엔진 모델(500)을 이용함으로써, 가스터빈(1)의 수명을 감소시키지 않으면서 비교적 짧은 시간 내에 가스터빈(1)의 측정값 및 효율이 최적화되는 입력 파라미터들의 값을 도출할 수 있다.

설정부(530)는 가상 엔진 모델(500)의 입력 파라미터를 설정할 수 있다. 여기서, 입력 파라미터는 연료 유량, 다수의 압축기 가변 안내익 각도, 냉각유량 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 설정부(530)는 입력 파라미터를 조합하여 가상 엔진 모델(500)에 적용시킬 수 있다. 또한, 설정부(530)에서 설정한 입력 파라미터가 적용된 가상 엔진 모델(500)의 출력값 및 효율이 최적화된 값이 아닌 경우, 설정부(530)는 입력 파라미터를 조정할 수 있다. 이때, 설정부(530)는 최적화 알고리즘을 통해 입력 파라미터를 조정할 수 있다. 여기서, 최적화 알고리즘은 목적함수의 최적점(최대값 또는 최저값)을 만족하는 값을 도출하는 것일 수 있다. 본 발명에 따른 목적함수는 가상 엔진 모델(500)의 출력값 및 효율을 최적화시키는 값일 수 있다. 목적함수가 각 입력 파라미터들에 대한 함수형태이면 최적화 알고리즘은 목적함수의 최적점의 값을 산출하는 방법에 대한 것일 수 있다. 여기서, 최적화 알고리즘은 Random search method 또는 Gradient search method를 통해 수행될 수 있다. 구제적으로, Random search method는 랜덤하게 정의된 입력 파라미터들을 조합하여 출력값을 정의하고, 정의된 출력값을 통해 입력 파라미터들을 보정하여 새로운 출력값을 정의할 수 있다. 이러한 과정을 통해 가장 최적화된 값을 도출할 수 있다. 일 예로, 입력 파라미터들을 조합하여 가상 엔진 모델(500)에 적용하고, 입력 파라미터에 따른 가상 엔진 모델(500)의 출력값 및 효율을 1차로 계산할 수 있다. 또한, 1차로 계산된 출력값 및 효율에 대한 입력 파라미터를 보정하여 가상 엔진 모델(500)에 적용하고, 보정된 입력 파라미터들에 따른 가상 엔진 모델(500)의 출력값 및 효율을 2차로 계산할 수 있다. 이러한 단계를 거쳐, 가상 엔진 모델(500)의 출력값 및 효율이 최적화되는 값을 도출할 수 있다.

또한, Gradient search method는 입력 파라미터들에 따른 목적함수의 변화 기울기를 통해 최적화된 값을 도출할 수 있다. 즉, 입력 파라미터들에 대한 함수형태로 표현되는 목적함수에서 기울기가 '0'이 되는 지점이 최적점(최대값 또는 최저값)이며, 최적점에서의 입력 파라미터의 값이 출력값 및 효율을 최적화시키는 값일 수 있다. 일 예로, 입력 파라미터를 조합하여 가상 엔진 모델(500)에 적용하고, 입력 파라미터들에 대한 함수형태로 표현되는 목적함수에서 기울기가 '0'이 되는 지점을 도출할 수 있다. 여기서, 기울기가 '0'이 되는 지점에서의 입력 파라미터 값을 가상 엔진 모델(500)의 출력값 및 효율을 최적화시키는 입력 파라미터 값으로 도출할 수 있다.

계산부(540)는 입력 파라미터에 따른 가상 엔진 모델(500)의 출력값 및 효율을 계산할 수 있다. 계산부(540)는 설정부(530)에서 입력 파라미터를 설정하여 가상 엔진 모델(500)에 적용하면, 계산부(540)는 입력 파라미터에 따른 가상 엔진 모델(500)의 출력값 및 효율을 계산할 수 있다. 계산부(540)에서 입력 파라미터에 따른 가상 엔진 모델(500)의 출력값 및 효율을 계산한 결과, 계산한 출력값 및 효율이 최적화된 값이 아닌 경우, 설정부(530)는 입력 파라미터를 재조정할 수 있고, 계산부(540)는 재조정된 입력 파라미터에 따른 가상 엔진 모델(500)의 출력값 및 효율을 계산할 수 있다.

도출부(550)는 계산부(540)에서 계산한 출력값 및 효율을 기초로 출력값 및 효율이 최적화되는 입력 파라미터를 도출할 수 있다. 도출부(550)는 계산부(540)에서 계산한 출력값 및 효율이 최적화되는 값인 경우, 설정부(530)에서 설정한 각 입력 파라미터들의 값을 확인할 수 있다. 여기서, 설정부(530)는 확인된 입력 파라미터들의 값을 가상 엔진 모델(500)의 출력값 및 효율을 최적화하는 입력 파라미터의 값으로 도출할 수 있다. 또한, 도출부(550)는 입력 파라미터들의 함수인 목적함수에서 기울기가 '0'이 되는 지점의 입력 파라미터 값을 가상 엔진 모델(500)의 출력값 및 효율을 최적화하는 입력 파라미터의 값으로 도출할 수 있다.

제어부(560)는 가상 엔진 모델(500)의 출력값 및 효율이 최적화되는 입력 파라미터 값을 가스터빈(1)에 적용하여 가스터빈(1)이 최적의 출력값 및 효율로 구동하도록 제어할 수 있다. 즉, 특정 입력 파라미터들을 가상 엔진 모델(500)에 적용하여 가상 엔진 모델(500)의 출력값 및 효율이 최적화되는 경우, 제어부(560)는 가상 엔진 모델(500)에 적용한 특정 파라미터들을 가스터빈(1)에 적용할 수 있다. 가스터빈(1)에는 가상 엔진 모델(500)을 통해 최적의 출력값 및 효율이 출력되는 입력 파라미터 값을 적용함으로써, 가스터빈(1)의 출력값 및 효율은 최적화될 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 방법을 나타내는 도면이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 가스터빈(1)이 목표 출력값을 출력할 때의 가스터빈(1)의 유량, 온도 및 압력을 측정할 수 있다(S10). 측정부(510)는 가스터빈(1)이 회전함으로써 발생하는 출력이 목표 출력값인 경우 가스터빈(1)의 유량, 온도 및 압력 중 적어도 하나를 측정할 수 있다.

측정값을 기초로 가상 엔진 모델을 생성할 수 있다(S20). 모델 생성부(520)는 측정값을 기초로 가상 엔진 모델(500)을 생성하고, 가상 엔진 모델(500)은 가스터빈(1)을 직접 구동하지 않더라고 가스터빈(1)의 측정값 및 효율을 판단할 수 있다. 가스터빈(1)을 직접 구동하여 가스터빈(1)의 출력값 및 효율을 측정하는 경우 가스터빈(1)의 구동에 따라 출력값 및 효율이 출력될 때까지 오랜 시간을 기다려야 하고, 가스터빈(1)을 여러 번 구동시켜야 하므로, 가스터빈(1)의 수명이 감소될 수 있다. 따라서, 가스터빈(1)을 직접 구동시키지 않고, 가상 엔진 모델(110)을 이용함으로써, 비교적 짧은 시간 내에 가스터빈(1)의 측정값 및 효율이 최적화되는 입력 파라미터들의 값을 도출할 수 있다.

가상 엔진 모델의 입력 파라미터를 설정할 수 있다(S30). 설정부(530)는 가상 엔진 모델(500)의 입력 파라미터를 설정할 수 있다. 여기서, 입력 파라미터는 연료 유량, 다수의 압축기 가변 안내익 각도, 냉각유량 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 설정부(530)에서 설정한 입력 파라미터가 적용된 가상 엔진 모델(500)의 출력값 및 효율이 최적화된 값이 아닌 경우, 설정부(530)는 입력 파라미터를 재조정할 수 있다.

가상 엔진 모델의 출력값 및 효율을 계산할 수 있다(S40). 계산부(540)는 입력 파라미터에 따른 가상 엔진 모델(500)의 출력값 및 효율을 계산할 수 있다. 계산부(540)는 설정부(530)에서 입력 파라미터를 설정하여 가상 엔진 모델(500)에 적용하면, 계산부(540)는 입력 파라미터에 따른 가상 엔진 모델(500)의 출력값 및 효율을 계산할 수 있다.

계산한 출력값 및 효율이 최적화된 값이지 판단할 수 있다(S50). 계산한 출력값 및 효율이 최적화된 값이 아니면, 설정부(530)는 입력 파라미터를 재조정하여 가상 엔진 모델(500)에 적용시킬 수 있다.

계산한 출력값 및 효율이 최적화된 값이면, 출력값 및 효율을 최적화시킨 입력 파라미터를 도출할 수 있다(S60). 도출부(550)는 계산부(540)에서 계산한 출력값 및 효율이 최적화되는 값인 경우, 설정부(530)에서 설정한 각 입력 파라미터들의 값을 확인할 수 있다.

도출된 입력 파라미터를 터빈에 적용시킬 수 있다(S70). 제어부(560)는 가상 엔진 모델(500)의 출력값 및 효율을 최적화시키는 입력 파라미터 값을 가스터빈(1)에 적용하여 가스터빈(1)이 최적의 출력값 및 효율로 구동하도록 제어할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 가상 엔진 모델의 출력값 및 효율을 최적화시키는 입력 파라미터를 도출하고, 도출한 입력 파라미터를 가스터빈에 적용하여 가스터빈이 최적화된 출력값 및 효율을 출력하도록 하는 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 장치 및 방법을 실현할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 가스터빈
500: 가상 엔진 모델
510: 측정부
520: 모델 생성부
530: 설정부
540: 계산부
550: 도출부
560: 제어부

Claims (12)

1. 가상 엔진 모델을 통한 가스터빈 효율 최적화 장치에 있어서,
   상기 가스터빈이 목표 출력값을 출력할 때의 상기 가스터빈의 유량, 온도 및 압력 중 적어도 하나를 측정하는 측정부;
   상기 측정부에서 측정한 측정값을 기초로 가상 엔진 모델을 생성하는 모델 생성부;
   상기 가상 엔진 모델의 입력 파라미터를 설정하는 설정부;
   상기 입력 파라미터에 따른 가상 엔진 모델의 출력값 및 효율을 계산하는 계산부;
   상기 계산부에서 계산한 상기 출력값 및 효율을 기초로 상기 출력값 및 효율이 최적화되는 입력 파라미터를 도출하는 도출부;를 포함하는 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 입력 파라미터는 연료 유량, 다수의 압축기 가변 안내익 각도, 냉각유량 중 적어도 하나를 포함하는 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 설정부는 상기 출력값 및 효율이 최적화된 값이 아닌 경우 상기 입력 파라미터를 재조정하는 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 설정부는 상기 입력 파라미터에 따른 상기 가상 엔진 모델의 출력값 및 효율을 기초로 상기 입력 파라미터를 조정하는 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 도출부는 상기 입력 파라미터들에 대한 함수인 목적함수에서 기울기가 '0'이 되는 지점의 입력 파라미터 값을 상기 가상 엔진 모델의 출력값 및 효율을 최적화시키는 입력 파라미터로 도출하는 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 도출된 입력 파라미터들을 상기 가스터빈에 적용하여 상기 가스터빈이 최적의 효율로 구동하도록 제어하는 제어부를 더 포함하는 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 장치.
7. 측정부에서 가스터빈이 목표 출력값을 출력할 때의 상기 가스터빈의 유량, 온도 및 압력 중 적어도 하나를 측정하는 단계;
   상기 측정부에서 측정한 측정값을 기초로 가상 엔진 모델을 생성하는 단계;
   상기 가상 엔진 모델의 입력 파라미터를 설정하는 단계;
   상기 입력 파라미터에 따른 가상 엔진 모델의 출력값 및 효율을 계산하는 단계;
   상기 계산한 상기 출력값 및 효율을 기초로 상기 출력값 및 효율이 최적화되는 입력 파라미터를 도출하는 단계;를 포함하는 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 입력 파라미터는 연료 유량, 다수의 압축기 가변 안내익 각도, 냉각유량 중 적어도 하나를 포함하는 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 방법.
9. 제7항에 있어서, 상기 입력 파라미터를 설정하는 단계에 있어서,
   상기 출력값 및 효율이 최적화된 값이 아닌 경우 상기 입력 파라미터를 재조정하는 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 방법.
10. 제7항에 있어서, 상기 입력 파라미터를 설정하는 단계에 있어서,
    상기 입력 파라미터에 따른 상기 가상 엔진 모델의 출력값 및 효율을 기초로 상기 입력 파라미터를 조정하는 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 방법.
11. 제7항에 있어서, 상기 입력 파라미터를 도출하는 단계에 있어서,
    상기 입력 파라미터들에 대한 함수인 목적함수에서 기울기가 '0'이 되는 지점의 입력 파라미터 값을 상기 가상 엔진 모델의 출력값 및 효율을 최적화시키는 입력 파라미터로 도출하는 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 방법.
12. 제7항에 있어서,
    상기 도출된 입력 파라미터들을 상기 가스터빈에 적용하여 상기 가스터빈이 최적의 효율로 구동하도록 제어하는 단계를 더 포함하는 가상 엔진 모델을 통한 터빈 효율 최적화 방법.

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