KR102130839B1 - 가스터빈 및 이의 제어방법 - Google Patents

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Abstract

가스터빈 및 이의 제어방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈은 압축기에 구비된 압축기 블레이드에서 발생하는 진동을 감지하고, 스톨 발생 이전 또는 이후에 진동 제어를 실시하여 안정적인 가스터빈을 작동을 도모하고자 한다.

Description

가스터빈 및 이의 제어방법{Control method of gas turbine and gas turbine}
본 발명은 가스터빈의 압축기에 구비된 압축기 블레이드에서 발생되는 진동을 제어하기 위한 것으로서, 보다 상세하게는 압축기 블레이드의 스톨 발생을 제어하기 위한 가스터빈 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 터빈(turbine)은 가스(gas) 또는 스팀(steam)과같은 유체의 열에너지를 기계에너지인 회전력으로 변환하는 동력발생 장치로서, 유체에 의해 축 회전되도록 복수 개의 회전익(bucket)을 포함하는 로터(rotor)와, 로터의 둘레를 감싸며 설치되고 복수 개의 고정익(diaphragm)이 구비된 케이싱(casing)을 포함하고 있다.
상기 가스터빈은 압축기 섹션과 연소기 및 터빈 섹션을 포함하여 구성되고, 압축기 섹션의 회전에 의해 외부 공기가 흡입, 압축된 후 연소기로 보내지고, 연소기에서 압축공기와 연료의 혼합에 의해 연소가 이루어진다.
상기 연소기에서 발생되는 연소 상태는 등압가열 과정으로서 연소가스 온도를 터빈 메탈이 견딜 수 있는 온도까지 상승이 이루어진다. 상기 가스터빈 연소기는 압축기로부터 나온 고온, 고압의 공기를 연료와 반응시켜 높은 에너지를 갖게 하고 이를 터빈에 전달하여 터빈을 구동하는 역할을 수행하는 부분에 해당된다.
가스터빈에 설치되는 연소기는 압축기로부터 공급된 고압의 공기를 연소시켜 고온 고압의 연소가스를 발생시키고 이를 터빈으로 공급하는 역할을 한다.
상기 압축기는 다수단으로 이루어지는데 최근에는 압축기의 초기단을 구성하는 블레이드가 점점 대형화되는 추세에 있다. 또한 상기 블레이드는 두께가 얇게 구성되고 각각의 블레이드의 어택 앵글(attack angle)이 서로 다르게 구성되고, 팁에서 발생되는 마하수가 1을 초과하면서 진동이 발생된다.
예를 들어 전술한 압축기의 초기단은 블레이드를 통해 이동하는 유체의 이동 속도가 증가하면서 진동이 발생되므로 안정적인 작동과 장기간 사용에 따른 건정성을 모니터링하는 것은 상당히 중요하다고 할 수 있다.
또한 가스터빈은 시동이 이루어질 때 상기 압축기를 구성하는 다수개의 압축기 스테이지에서 다단으로 압축이 이루어진다. 이 경우 상기 압축기 스테이지를 구성하는 초기 압축기 중에 어느 하나에서 압력비가 비 정상적인 상태가 유지될 경우 스톨(stall)로 인한 서지가 발생되고 이로 인해 가스터빈에서 충격과 이상음이 발생될 수 있다.
상기 스톨은 가스터빈의 엔진 가속구간 또는 부하 운전 영역에서 부적절한 엔진 제어로 인해 발생되거나 장기간 운전에 따른 팁의 간극이 저하되면서 발생한다.
이 경우 압축기 블레이드는 반복되는 하중에 의해 파손 또는 손상이 발생되는데, 일 예로 압축기 블레이드에 작용하는 응력의 최대값이 압축기 블레이드를 구성하는 소재의 항복점보다 큰 경우 소성 변형이 수반된다.
그리고 상기 압축기 블레이드에 반복적으로 항복점 이상의 응력이 반복될 경우 결국 상기 압축기 블레이드는 파손이 발생되므로 진동 발생으로 인한 파손을 사전에 발지하여 파손 발생을 능동적으로 제어하기 위한 필요성이 절실히 요구되었다.
대한민국공개특허 제10-2018-000214호
본 발명의 실시 예들은 압축기 블레이드가 진동으로 인해 파손되거나, 상기 진동으로 인해 가스터빈의 구성품이 파손되는 것을 방지하기 위한 가스터빈 및 이의 제어방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시 예에 의한 가스터빈은 외형을 구성하는 케이싱(2); 상기 케이싱(2)의 내측에 위치되고, 축 방향을 따라 다수개의 압축기 블레이드(24)가 구비된 압축기(20); 상기 압축기(20)에서 압축된 유체가 공급되는 연소기(10)의 후단에 구비된 터빈(30)을 포함하되, 상기 압축기 블레이드(24)에서 발생되는 진동을 감지하기 위해 루트부(24a)에서 팁(24c)에 이르는 구간에 복수개가 설치된 감지부(100); 상기 감지부(100)에서 감지된 데이터 신호를 전송하는 데이터 전송부(200); 상기 케이싱(2)의 외측에 위치되고 상기 데이터 전송부(200)에서 전송된 진동 데이터를 수신하는 데이터 수신부(300); 및 상기 데이터 수신부(300)에서 수신된 진동 데이터를 연산하여 진동을 저감하기 위한 제어부(400)를 포함한다.
상기 감지부(100)는 상기 압축기(20)를 구성하는 다수개의 단(Stage) 중에서 초기단(First stage) 또는 초기단(First stage)과 중간단(Middle stage)에 각각 설치된다.
감지부(100)는 상기 압축기 블레이드(24)의 압력면(24P)에 설치되되, 상기 루트부(24a)에 위치된 제1 감지부(110); 상기 압축기 블레이드(24)의 미드 스팬(MS)에 위치된 제2 감지부(120); 상기 압축기 블레이드(24)의 팁(24c)에 위치된 제3 감지부(130)를 포함한다.
상기 제어부(400)는 상기 압축기(20)로 공급되는 연료량을 제어한다.
상기 제어부(400)는 상기 압축기(20)와 연결된 블리드 밸브 공기량을 가변 제어한다.
상기 제어부(400)는 압축기(20)에 구비된 입구 안내 날개(Inlet Guide Vane : IGV)의 각도 제어를 실시한다.
본 발명의 일 실시 예에 의한 가스터빈의 제어방법은 가스터빈의 압축기에서 발생되는 진동 유무를 실시간으로 감지하는 진동 감지 단계(ST100); 및 상기 진동이 지속적으로 발생되는 이상 진동인지 일회성 진동인지 판단 하되, 이상 진동일 경우 상기 이상 진동이 발생된 이상 진동 구간 제어를 통해 상기 압축기에서 발생된 진동을 제어하는 단계(ST200)를 포함한다.
상기 진동 감지 단계(ST100)는 상기 압축기를 구성하는 초기단(First stage) 또는 초기단(First stage)과 중간단(Middle stage)에서 발생되는 진동 유무를 감지한다.
상기 압축기에서 발생된 진동을 제어하는 단계(ST200)는 가스터빈의 부하량을 조절하는 제1 제어 단계(ST210)를 포함한다.
상기 압축기에서 발생된 진동을 제어하는 단계(ST200)는 상기 압축기와 연결된 블리드 밸브 공기량을 가변 제어하는 제2 제어 단계(ST220)를 포함하는
상기 압축기에서 발생된 진동을 제어하는 단계(ST200)는 압축기에 구비된 입구 안내 날개(Inlet Guide Vane: IGV)의 각도 제어를 실시하는 제3 제어 단계(ST230)을 포함한다.
상기 압축기에서 발생된 진동을 제어하는 단계(ST200) 이후에 진동이 유지될 경우 알람 경고가 발생된다.
본 발명의 실시 예들은 가스터빈의 압축기 블레이드에서 발생되는 진동으로 인한 스톨 발생을 안정적으로 제어하여, 상기 압축기 블레이드의 내구성 향상과 파손을 사전에 예방하거나 방지할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 압축기의 불안정한 토출 압력을 일정하게 유지시켜 가스터빈의 발전량을 안정화 시키고, 가스터빈의 최적화된 작동을 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 가스터빈을 도시한 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 압축기 블레이드 및 상기 압축기 블레이드에서 발생되는 진동을 측정하기 위한 구성을 간략히 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 압축기 블레이드를 도시한 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 의한 가스터빈의 제어방법을 도시한 순서도.
본 발명의 일 실시 예에 의한 가스터빈에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으며, 아래의 실시 예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구 범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하다.
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 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 가스터빈을 도시한 단면도로서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스터빈(1)은 공기를 흡입하여 고압으로 압축하기 위한 압축기(20)와, 상기 압축기(20)에 의해 압축된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키기 위한 연소기(10) 및 상기 연소기(10)에서 배출되는 고온, 고압의 연소가스를 이용하여 터빈 블레이드를 회전시키며 전력을 생산하는 터빈(30)을 포함하여 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 가스터빈(1)은 케이싱(2)을 구비하고 있고, 공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 상기 케이싱(2)의 상류 측에는 압축기(20)가 위치하고, 하류 측에는 터빈(30)이 배치된다. 그리고 상기 압축기(20)와 상기 터빈(30) 사이에는 터빈(30)에서 발생된 회전토크를 상기 압축기(20)로 전달하기 위한 토크 전달 부재로서의 회전력 전달부(40)가 배치되어 있다.
또한, 상기 케이싱(2)의 후측에는 상기 터빈(30)을 통과한 연소가스가 배출되는 디퓨저(50)가 구비되어 있으며, 상기 디퓨저(50)의 앞쪽으로는 압축된 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(10)가 배치된다. 참고로 연소기 하우징(10a)은 연소기(10)를 외측에서 전체적으로 감싸며 위치된다.
상기 압축기(20)에는 복수의 압축기 로터 디스크(22)가 구비되고, 상기 각각의 압축기 로터 디스크(22)들은 타이로드(60)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결되어 있다.
상기 타이로드(60)는 상기 복수 개의 압축기 로터 디스크(22)들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 일측 단부는 최상류측에 위치한 상기 압축기 로터 디스크(22) 내에 체결되고, 타측 단부는 상기 회전력 전달부(40)에 고정된다.
상기 타이로드(60)의 형태는 가스터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 1에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다. 즉, 도시된 바와 같이 하나의 타이로드가 로터 디스크의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수 개의 타이로드가 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.
상기 각각의 압축기 로터 디스크(22)는 중앙을 상기 타이로드(60)가 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 여기서, 이웃한 각각의 압축기 로터 디스크(22)는 대향하는 면이 상기 타이로드(60)에 의해 압착되어, 상대 회전이 불가능하도록 배치된다.
상기 압축기 로터 디스크(22)의 외주면에는 복수 개의 압축기 블레이드(24)가 방사상으로 결합되어 있다. 상기 각각의 압축기 블레이드(24)는 루트부(24a)를 구비하여 상기 압축기 로터 디스크(22)에 체결된다.
상기 루트부(24a)의 체결방식은 탄젠셜 타입(tangential type)과, 액셜 타입(axial type)이 있다. 이는 상용되는 가스터빈의 필요 구조에 따라 선택될 수 있으며, 통상적으로 알려진 도브테일 또는 전나무 형태(Fir-tree)를 가질 수 있다.
경우에 따라서는, 상기 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키이 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 상기 블레이드를 로터 디스크에 체결할 수 있다.
또한, 상기 각각의 압축기 로터 디스크(22)의 사이에는 상기 케이싱(2)에 고정되어 배치되는 베인(미도시)이 위치한다. 상기 베인은 상기 압축기 로터 디스크(22)와는 달리 회전하지 않도록 고정되며, 상기 압축기 로터 디스크(22)의 압축기 블레이드(24)를 통과한 압축 공기의 흐름을 정렬하여 하류측에 위치하는 로터 디스크의 압축기 블레이드로 공기를 안내하는 역할을 하게 된다.
이와 같이, 상기 압축기(20)를 통해 외기가 내부로 흡입되어 다수개의 상기 압축기 블레이드(24)와 베인을 통과하며 다단으로 압축이 이루어진 후에, 상기 연소기(10)를 경유하여 터빈(30)으로 공급될 수 있다.
연소기(10)는 상기 압축기(20)로부터 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압연소과정으로 연소기 및 터빈부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스온도를 높이게 된다.
가스터빈의 연소장치 시스템을 구성하는 상기 연소기(10)는 캔(can) 타입으로 이루어져 다수개의 연소기(10)가 상기 가스터빈(1)의 둘레방향을 따라 설치된다.
상기 연소기(10)는 연료분사노즐을 포함하는 버너(Burner)와, 연소실을 형성하는 연소기 라이너(Combuster Liner), 그리고 상기 연소기(10)와 터빈(30)의 연결부가 되는 트랜지션 피스(Transition Piece)를 포함하여 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 라이너는 연료분사노즐에 의해 분사되는 연료가 상기 압축기(20)의 압축공기와 혼합되어 연소되는 연소공간을 제공한다. 이러한 라이너는, 공기와 혼합된 연료가 연소되는 연소공간을 제공하는 화염통과, 화염통을 감싸면서 환형공간을 형성하는 플로우 슬리브를 포함할 수 있다. 또한, 상기 라이너의 전단에는 연료분사노즐이 결합되며, 측벽에는 점화플러그가 결합될 수 있다.
한편, 상기 라이너의 후단에는 점화플러그에 의해 연소되는 연소가스를 터빈(30) 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션피스가 연결된다. 이러한 트랜지션피스는, 연소가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 외벽부가 상기 압축기(20)로부터 공급되는 압축공기에 의해 냉각된다.
터빈(30)은 기본적으로는 상기 압축기(20)의 구조와 유사하다. 즉, 상기 터빈(30)에도 상기 압축기의 압축기 로터 디스크(22)와 유사한 복수의 터빈 로터 디스크(32)가 구비된다. 또한, 상기 터빈 로터 디스크(32)의 외주면에 방사상으로 배치되는 복수 개의 터빈 블레이드(34)를 포함한다. 이때, 상기 터빈 블레이드(34)는 도브테일 등의 방식으로 상기 터빈 로터 디스크(32)에 결합될 수 있다.
상기와 같은 구조를 갖는 가스터빈에 있어서, 유입된 공기는 상기 압축기(20)에서 압축되고, 상기 연소기(10)에서 연소된 후, 상기 터빈(30)으로 보내져 터빈을 구동하고, 상기 디퓨저(50)를 통해 대기중으로 배출된다.
여기서, 상기의 가스터빈은 본 발명의 일 실시 예에 불과하며, 아래에서 자세히 설명할 본 발명의 연소장치는 일반적인 가스터빈에 모두 적용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 압축기 블레이드 및 상기 압축기 블레이드에서 발생되는 진동을 측정하기 위한 구성을 간략히 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 압축기 블레이드를 도시한 사시도이다.
첨부된 도 2 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 의한 가스터빈은 외형을 구성하는 케이싱(2)과, 상기 케이싱(2)의 내측에 위치되고, 축 방향을 따라 다수개의 압축기 블레이드(24)가 구비된 압축기(20)와, 상기 압축기(20)에서 압축된 유체가 공급되는 연소기(10)의 후단에 구비된 터빈(30)을 포함한다.
그리고 상기 압축기 블레이드(24)에서 발생되는 진동을 감지하기 위해 루트부(24a)에서 팁(24c)에 이르는 구간에 복수개가 설치된 감지부(100)와, 상기 감지부(100)에서 감지된 데이터 신호를 전송하는 데이터 전송부(200)와, 상기 케이싱(2)의 외측에 위치되고 상기 데이터 전송부(200)에서 전송된 진동 데이터를 수신하는 데이터 수신부(300) 및 상기 데이터 수신부(300)에서 수신된 진동 데이터를 연산하여 진동을 저감하기 위한 제어부(400)를 포함한다.
상기 감지부(100)는 상기 압축기(20)를 구성하는 다수개의 단(Stage) 중에서 초기단(First stage) 또는 초기단(First stage)과 중간단(Middle stage)에 각각 설치된다.
압축기(20)는 모두 14단 또는 15단으로 구성되며, 일 예로 초기단에 감지부(100)가 설치된다.
상기 초기단에는 타이로드(60)에 결합된 로터 디스크(22)(도 1 참조)에 루트부(26)(도 1참조)가 결합되고, 상기 루트부(26)의 외측으로 압축기 블레이드(24)가 구비된다.
상기 초기단에 설치된 압축기 블레이드(24)는 압축기(20)의 효율 향상을 위해 두께는 얇아지면서도 크기가 증가되므로, 상기 압축기(20)로 유입되는 공기의 압축 효율을 높이기 위해 팁(24C)에서의 어택 앵글(Attack angle)이 다르게 이루어진다.
상기 초기단에 설치된 압축기 블레이드(24)는 가스터빈이 발전을 위해 작동될 경우 회전과 동시에 팁(24C) 위치에서 마하수의 범위가 1을 초과하면서 압축기(20)로 유입된 공기와 충돌에 따른 충격파(Shock wave)가 발생된다.
상기 충격파는 두께와 크기가 증가된 압축기 블레이드(24)에 진동을 유발시킬 수 있으며, 반복적으로 지속될 경우 스톨(stall)을 유발하게 된다. 상기 스톨이 가스터빈에서 발생될 경우 서지 현상을 유발하고 베어링과 같은 구성품에 진동을 발생시킨다.
이 경우 가스터빈은 작동이 정지되거나 압축기 블레이드의 파손으로 이어질 수 있으므로 진동이 발생될 경우 정확한 발생 원인과 대책이 동시에 수반되어야 안정적인 가스터빈의 작동을 도모할 수 있다.
본 실시 예는 이러한 압축기 블레이드(24)의 초기단에서 발생될 수 있는 스톨(stall)을 사전에 감지하고, 진동 발생이 최소화 되도록 가스터빈의 작동을 제어한다.
이를 위해 본 실시 예는 압축기 블레이드(24)에서 발생되는 진동을 감지하기 위해 감지부(100)가 설치된다.
상기 감지부(100)는 일 예로 압축기 블레이드(24)가 회전될 때 발생되는 원심력과 하중을 감지하기 위해 스트레인 게이지 센서가 사용되나, 전술한 원심력과 하중을 감지할 수 있는 다른 센서가 사용되는 것도 가능할 수 있다.
감지부(100)는 상기 압축기 블레이드(24)의 압력면(24P)에 설치되되, 상기 루트부(26)에 위치된 제1 감지부(110)와, 상기 압축기 블레이드(24)의 미드 스팬(MS)에 위치된 제2 감지부(120)와, 상기 압축기 블레이드(24)의 팁(24c)에 위치된 제3 감지부(130)를 포함한다.
상기 감지부(100)는 압축기 블레이드(24)의 압력면(pressure side)에 설치되고, 안정적인 부착을 위해 접착제로 고정되나, 다른 방식으로 고정되는 것도 가능할 수 있다.
상기 압축기 블레이드(24)는 상기 가스터빈이 작동될 때 밴딩(Bending)과 토션(Torsion)이 발생되고, 상기 밴딩과 토션은 회전하는 압축기 블레이드(24)에 진동을 유발한다.
상기 밴딩과 토션은 최대한 적게 발생되는 것이 바람직하나, 압축기 블레이드(24)의 크기가 커지고, 두께가 얇아지면서 팁(24c)으로 갈수록 증가되면서 파손 또는 떨림에 따른 진동이 발생된다.
상기 압축기 블레이드(24)는 루트부(26)가 로터 디스크(22)에 고정되고, 상기 루트부(26)에서의 진동을 감지하기 위해 제1 감지부(110)가 설치되므로, 상기 루트부(26)에서 발생되는 진동을 정확하게 감지할 수 있다.
제2 감지부(120)는 압축기 블레이드(24)의 미드 스팬(MS)에 설치되고, 상기 제1 감지부(110)와 대각선 방향에 소정의 거리를 두고 이격된다. 상기 제2 감지부(120)가 제1 감지부(110)와 대각선 방향에서 배치되는 이유는 압축기 블레이드(24)에서 발생되는 토션에 따른 진동 발생 유무와 세기를 정확하게 감지하기 위해서이다.
만약 상기 제2 감지부(120)가 제1 감지부(110)와 대각선 방향이 아닌 상하 방향으로 위치될 경우 토션에 따른 진동 발생 유무와 세기를 정확하게 감지하기 어려울 수 있으므로 전술한 배치 관계가 유지된다.
제3 감지부(130)는 압축기 블레이드(24)의 팁(24c)에 설치되는데, 상기 위치에 설치되는 이유는 팁 (24c)위치에서 측정된 마하수가 1이상일 경우 진동이 발생될 확률이 증가하고, 결국 압축기 블레이드(24)가 파손될 수 있는 조건을 제공하게 된다.
본 실시 예는 압축기 블레이드(24)가 회전시 루트부(16)에서부터 팁(24c)에 이르는 구간에서 밴딩과 토션에 따른 진동 발생을 정확하게 감지하기 위해 전술한 감지부(100)를 통해 상기 압축기 블레이드(24)의 진동 발생 유무와 세기를 정확하게 감지할 수 있다.
본 실시 예는 전술한 압축기 블레이드의 초기단에 대해 설명하였으나, 초기단과 중기단에 감지부가 각각 설치되어 압축기 블레이드에서 발생되는 진동을 감지하고, 스톨의 발생 유무를 판단하기 위한 데이터로 활용할 수 있다.
데이터 전송부(200)는 상기 데이터 수신부(300)로 무선 신호(wireless signal)를 전송하며, 상기 데이터 수신부(300)에서 상기 데이터 전송부(200)에서 전송된 데이터를 수신한다.
상기 제어부(400)는 압축기 블레이드(24)에서 진동이 발생될 경우 상기 압축기(20)로 공급되는 연료량을 제어한다. 가스터빈은 발전용으로 사용될 경우 특정 알피엠으로 장기간 작동되면서 필요한 전력을 생산한다.
예를 들어 압축기 블레이드(24)에서 진동으로 인해 스톨이 발생되면 기 설정된 설정치로 공급되는 연료량 보다 감소된 연료량으로 공급하여 압축기 블레이드(24)에서 발생되는 진동을 최소화 시키도록 제어한다.
이 경우 압축기 블레이드(24)는 진동이 발생되기 이전 상태에서 회전되므로 불필요한 진동 발생이 최소화된다.
전술한 실시 예와 더불어서 상기 제어부(400)는 상기 압축기(20)와 연결된 블리드 밸브 공기량을 가변 제어하여 스톨로 인한 진동 발생을 제어한다.
압축기(20)에는 케이싱(2)의 외측에서 별도로 구비된 배관 라인(미도시)을 통해 압축기 내부에서의 공기의 유동 정체가 발생될 때 외부로 배출시켜 압축 공기의 유동 불안정성을 안정적으로 해소할 수 있다.
본 실시 예는 제어부(400)가 상기 블리브 밸브 공기량을 압축기 블레이드(24)에서 발생되는 진동에 따라 선택적으로 가변 제어를 실시하여 상기 압축기 블레이드(24)에서의 이상 적인 공기 유동을 안정적으로 도모할 수 있다.
본 실시 예는 제어부(400)는 압축기(20)에 구비된 입구 안내 날개(Inlet Guide Vane: IGV)의 각도 제어를 통해 스톨로 인한 진동 발생을 제어한다.
상기 IGV는 압축기(20)를 구성하는 1단 블레이드의 받음각을 조절하거나, 압축기 입구의 유로 면적을 조정하는데, 상기 제어부(400)에 의해 감지부(100)에서 발생된 데이터에 따라 보다 세밀하게 제어된다. 일 예로 제어부(400)는 데이터 수신부(300)로 수신된 진동 데이터의 세기에 따라 IGV 제어를 실시한다.
상기 제어부(400)는 상기 IGV가 설계시 설정된 작동 범위 이내에서 좀더 세밀하게 개도량이 제어되므로 스톨로 인한 서지 또는 진동 발생이 예방된다.
이 경우 가스터빈은 안정적으로 작동되므로 발전량이 감소되지 않고 정상적으로 작동된다.
본 발명의 일 실시 예에 의한 가스터빈의 제어방법에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
본 실시 예는 가스터빈 작동 중 압축기에 구비된 압축기 블레이드에서 진동이 발생될 경우 스톨이 발생되는 것을 사전에 감지하여 상기 압축기 블레이드의 파손을 방지하고, 최적화된 가스터빈의 운전이 가능하게 한다.
첨부된 도 4를 참조하면, 본 실시 예에 의한 가스터빈의 제어방법은 가스터빈의 압축기에서 발생되는 진동 유무를 실시간으로 감지하는 진동 감지 단계(ST100) 및 상기 진동이 지속적으로 발생되는 이상 진동인지 일회성 진동인지 판단 하되, 이상 진동일 경우 상기 이상 진동이 발생된 이상 진동 구간 제어를 통해 상기 압축기에서 발생된 진동을 제어하는 단계(ST200)를 포함한다.
상기 진동 감지 단계(ST100)는 상기 압축기를 구성하는 초기단(First stage) 또는 초기단(First stage)과 중간단(Middle stage)에서 발생되는 진동 유무를 감지한다.
압축기 블레이드는 회전되면서 밴딩과 토션으로 인해 진동이 발생되나, 상기 진동이 압축기 블레이드의 파손을 유발하거나 가스터빈 전체에 진동을 유발시켜 다른 구성품의 내구성에 영향을 유발할 경우 이를 사전에 감지하고 진동이 최소화 되도록 제어하는 것이 바람직하다.
본 실시 예는 가스터빈에서 발생되는 다양한 진동 중 압축기에 구비된 압축기 블레이드의 진동 유무를 실시간으로 감지하기 위해 초기단에서 발생되는 진동 유무를 감지하거나, 초기단과 중간단에서 발생하는 진동 유무를 감지한다.
압축기 블레이드에서 발생되는 진동은 스톨로 인해 서지를 유발할 경우 가스터빈의 안전성에 영향을 유발하거나 상기 압축기 블레이드의 파손을 야기시키므로 사전에 이를 감지하고 진동 발생을 제어하는 것이 바람직하다.
본 실시 예는 압축기에 구비된 다수개의 압축기 블레이드 중 어느 하나에서 발생되는 진동을 감지하기 위한 감지부를 설치하고, 상기 압축기 블레이드가 회전될 때 발생되는 진동을 감지한다.
예를 들면 압축기에서 기 설정된 진동 범위 이내에서 진동이 발생될 경우 정상 작동이 이루어지는 것으로 판단한다. 만약 압축기에서 발생되는 진동이 기 설정된 진동 범위를 벗어날 경우 일시적으로 발생되는 일회성 진동인지 지속적으로 이어지는 이상 진동인지 판단한다.
즉 압축기 블레이드에 설치된 감지부에서 감지된 진동 데이터를 분석하여 압축기 블레이드에 가해지는 밴딩과 토션으로 인한 진동의 정도가 설계치에서 요구하는 허용치를 벗어나기 이전에 상기 압축기에서 발생된 진동을 제어 (ST200)한다.
예를 들면 가스터빈의 부하량을 조절하는 제1 제어(ST210)를 실시하여 현재 가스터빈으로 공급되는 연료량을 조절하여 스톨 발생을 사전에 방지한다.
특히 압축기는 다수개의 단수로 구성되는데 초기단 또는 중간단에서 스톨이 발생될 경우 압축기를 구성하는 전단(all stage)에서 스톨이 발생될 수 있으므로 가스터빈의 부하가 증가되지 않게 제어한다.
참고로 감지부는 다수개의 압축기 블레이드 중 어느 1개의 압축기 블레이드에 설치되나, 복수 개 설치되는 것도 가능할 수 있다.
전술한 실시 예와 다르게 상기 압축기에서 발생된 진동을 제어(ST200)하기 위해 상기 압축기와 연결된 블리드 밸브 공기량을 가변 제어하는 제2 제어(ST220)를 실시한다.
상기 블리드 밸브 공기량은 압축기 내부의 압력 제어를 통해 현재 특정 단수에 위치된 압축기 블레이드의 압력 변동을 제어하여 스톨 발생을 제어한다.
상기 압축기에는 별도의 배관 라인이 구비되어 가스터빈 시동시 압축기 유로의 공기를 외부로 토출하여 압축기의 유동 정체를 해소한다. 또한 출력 운전시 터빈의 베인에 냉각공기를 공급하여 안정적인 작동을 도모한다.
압축기에서 발생된 진동을 제어하는 단계(ST200)는 전술한 실시 예와 함께 압축기에 구비된 입구 안내 날개(Inlet Guide Vane : IGV)의 각도 제어를 실시(ST230)하여 스톨 발생을 최소화 할 수 있다.
상기 IGV는 압축기에 구비된 압축기 블레이드의 받음각을 조절하거나 압축기 입구의 유로 면적을 조절하여 스톨 발생을 제어한다. 상기 압축기 블레이드는 100도 이내에서 각도 조절이 이루어지므로 압축기 블레이드에서 밴딩 또는 토션으로 인한 진동으로 인해 하중이 집중되는 경우에도 스톨 발생으로 인한 진동 발생을 안정적으로 제어하여 가스터빈의 정상 작동을 도모할 수 있다.
만약 상기 압축기에서 발생된 진동을 제어하기 위해(ST200) 전술한 단계별 제어에도 진동이 감소되지 않거나, 유지될 경우 알람 경고가 발생된다.
이 경우 작업자 또는 관리자가 모두 인지할 수 있으므로 가스터빈의 작동을 중지하고 진동이 발생된 원인을 즉각 확인하고 대처가 가능하여 더 이상의 압축기에서 발생되는 진동으로 인한 피해가 증가되는 문제점을 사전에 예방할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시 예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
2 : 케이싱
10 : 연소기
20 : 압축기
24 : 압축기 블레이드
30 : 터빈
100 : 감지부
110, 120, 130 : 제1,2,3 감지부
200 : 데이터 전송부
300 : 데이터 수신부
400 : 제어부

Claims (12)

  1. 외형을 구성하는 케이싱(2);
    상기 케이싱(2)의 내측에 위치되고, 축 방향을 따라 다수개의 압축기 블레이드(24)가 구비된 압축기(20);
    상기 압축기(20)에서 압축된 유체가 공급되는 연소기(10)의 후단에 구비된 터빈(30)을 포함하되,
    상기 압축기 블레이드(24)에서 발생되는 진동을 감지하기 위해 루트부(24a)에서 팁(24c)에 이르는 구간에 복수개가 설치된 감지부(100);
    상기 감지부(100)에서 감지된 데이터 신호를 전송하는 데이터 전송부(200);
    상기 케이싱(2)의 외측에 위치되고 상기 데이터 전송부(200)에서 전송된 진동 데이터를 수신하는 데이터 수신부(300); 및
    상기 데이터 수신부(300)에서 수신된 진동 데이터를 연산하여 상기 압축기(20)로 공급되는 연료량을 제어함으로써 진동을 저감하기 위한 제어부(400)를 포함하고,
    상기 감지부(100)는,
    상기 압축기 블레이드(24)의 압력면(24P)에 설치되되, 상기 루트부(24a)에 위치된 제1 감지부(110);
    상기 압축기 블레이드(24)의 미드 스팬(MS)에 위치된 제2 감지부(120);
    상기 압축기 블레이드(24)의 팁(24c)에 위치된 제3 감지부(130)를 포함하고,
    상기 감지부(100)는 상기 압축기(20)를 구성하는 다수개의 단(Stage) 중에서 초기단(First stage)에 설치되고,
    상기 제2 감지부(120)는 상기 제1 감지부(110)와 대각선 방향에 소정의 거리를 두고 이격되어 배치되고,
    상기 제어부(400)는 압축기(20)에 구비된 입구 안내 날개(Inlet Guide Vane : IGV)의 각도 제어를 실시하는 가스터빈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부(400)는 상기 압축기(20)와 연결된 블리드 밸브 공기량을 가변 제어하는 가스터빈.
  6. 삭제
  7. 제1 감지부(110), 제2 감지부(120) 및 제3 감지부(130)를 포함하는 감지부(100)를 이용하여 가스터빈의 압축기의 압축기 블레이드에서 발생되는 진동 유무를 실시간으로 감지하는 진동 감지 단계(ST100); 및
    제어부(400)를 이용하여 상기 진동이 지속적으로 발생되는 이상 진동인지 일회성 진동인지 판단 하되, 이상 진동일 경우 상기 이상 진동이 발생된 이상 진동 구간 제어를 통해 상기 압축기로 공급되는 연료량을 제어함으로써 상기 압축기에서 발생된 진동을 제어하는 단계(ST200)를 포함하고,
    상기 감지부(100)는 상기 압축기(20)를 구성하는 다수개의 단(Stage) 중에서 초기단(First stage)에 설치되고,
    상기 제1 감지부(110)는 상기 압축기 블레이드의 압력면(24P)에 설치되고, 상기 제2 감지부(120)는 상기 압축기 블레이드의 미드 스팬(MS)에 위치되고,
    상기 제3 감지부(130)는 상기 압축기 블레이드의 팁에 위치되고,
    상기 제2 감지부(120)는 상기 제1 감지부(110)와 대각선 방향에 소정의 거리를 두고 이격되어 배치되고,
    상기 진동 감지 단계(ST100)는 상기 압축기를 구성하는 초기단(First stage) 에서 발생되는 진동 유무를 감지하는 단계를 포함하고,
    상기 압축기에서 발생된 진동을 제어하는 단계(ST200)는 압축기에 구비된 입구 안내 날개(Inlet Guide Vane: IGV)의 각도 제어를 실시하는 제3 제어 단계(ST230)를 포함하는 가스터빈의 제어방법.
  8. 삭제
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 압축기에서 발생된 진동을 제어하는 단계(ST200)는 가스터빈의 부하량을 조절하는 제1 제어 단계(ST210)를 포함하는 가스터빈의 제어방법.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 압축기에서 발생된 진동을 제어하는 단계(ST200)는 상기 압축기와 연결된 블리드 밸브 공기량을 가변 제어하는 제2 제어 단계(ST220)를 포함하는 가스터빈의 제어방법.
  11. 삭제
  12. 제7 항에 있어서,
    상기 압축기에서 발생된 진동을 제어하는 단계(ST200) 이후에 진동이 유지될 경우 알람 경고가 발생되는 가스터빈의 제어방법.
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