KR19990000023A - 가스터어빈 엔진의 실속 시험장치 - Google Patents

Abstract

가스터어빈엔진의 실속 시험장치를 개시한다. 본 발명은 가스터어빈 엔진의 노즐과 접속관에 의해 연결된 연료탱크와, 상기 연료탱크에 압력을 가하는 압력공급수단과, 상기 접속관에 설치되어 상기 노즐측으로의 연료의 공급을 단속하여 연료의 공급을 맥동시키는 연료맥동발생부를 구비하여 된 것을 특징으로 한다. 본 발명을 채용함으로써, 엔진성능을 종래에 비해 정확하게 측정할 수 있으며, 설치공간 및 시설비용이 적게 드는 이점이 있다.

Description

가스터어빈 엔진의 실속 시험장치

본 발명은 가스터어빈 엔진의 실속 시험장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 가스터어빈 엔진의 운전가능영역중 특정한 엔진회전속도에서의 압축비를 일시적으로 증가시켜 엔진의 실속특성을 평가할 수 있도록 그 구조가 개선된 가스터어빈 엔진의 실속 시험장치에 관한 것이다.

일반적으로 엔진은 열에너지를 받아 이것을 기계적 에너지로 바꾸어 공급하는 기계장치를 말하며, 대표적으로 외연엔진, 내연엔진, 가스터어빈엔진, 로켓엔진 및 원자력엔진 등이 있다.

상기 외연엔진은 공기와 연료를 혼합한 혼합기를 실린더 헤드에 설치된 연소실 외에서 연소하여 에너지원을 얻는 것을 말하며 증기기관이 이에 속한다. 상기 내연기관은 공기와 연료를 혼합하여 실린더헤드에 설치된 연소실 내에서 연소하여 기계적 에너지를 얻는 것으로서, 혼합기를 압축하여 전기적인 불꽃으로 연소하는 가솔린 엔진과, 공기를 압축한 후 압축열을 이용하여 자기착화 연소하는 디젤 엔진으로 분류한다. 기타 내연기관으로서는 피스톤, 크랭크기구 대신에 회전식의 체적펌프형식의 기구로서 소형 고속회전을 도모한 로터리기관이 있다. 또한, 상기 로켓엔진은 산화제와 환원제를 사용하여 사전에 혼합된 고체연료를 연소시키는 고체로켓엔진과 산화제와 환원제로된 액체연료를 연소실에 주입하여 연소시키는 액체로켓이 있다. 그리고, 상기 원자력엔진은 증기기관에서의 보일러의 역할을 원자로가 하게 되어 에너지를 얻는 기관이다. 이외에 미설명된 가스터어빈기관(10)은 도 1에 도시된 일종의 회전식 내연기관이며, 고온고압의 연소가스를 팽창시키며 터어빈(13)을 돌려 회전력을 얻는 기관이다. 즉, 동압에 의해서 압력이 상승한 공기를 다시 압축기(11)로 압력을 높이고 이것을 연소실(12)에서 약 800∼1200℃의 고온가스로 만든 다음 압축기(11)의 소요출력을 ㅇ을 수 있는 압력비까지 터어빈(13)에서 팽창시키고 나머지 압력으로 가스를 제트 노즐(14)을 통해 고속으로 분출시켜 추진력을 얻는다. 이 가스터어빈 엔진(10)은 왕복식 내연기관이나 증기터어빈에 비해서 구조가 간단하고 가벼우며 취급이 용이하면서도 대마력의 에너지를 생산해내며 저품위연료를 사용가능하고 고장이나 진동이 적다는 이점이 있다. 주로 발전소, 기관차, 선박 및 항공기 등에 사용된다.

그러나, 상기한 가스터어빈 엔진은 압축기 내부에 서어지(surge)와 실속(stall)이라는 일종의 불안정성이 발생되어 치명적인 결과를 야기시킨다. 상기 서어지와 실속은 엔진을 급격히 가속시킬 때 주로 생기기 쉬우며, 서어지는 압축기 전체가 불안정성을 일으키는 현상이고, 실속은 다단압축기에서 제1단 또는 몇 단만이 흐름의 불안정성을 일으키는 것을 말한다. 따라서, 단 전부가 실속되면 서어지가 일어난다고 말할 수 있다. 압축기 서어지가 발생할 때에는 뱅(bang)하는 폭음과 함께 압축기 입구로부터 화염이 역류해 나올 수 있다. 반면에, 실속이 발생하면 약간의 진동이 생기고 엔진의 가속성 및 감속성이 저하된다. 이러한 현상을 도 2에 도시된 압축기 성능곡선과 관련지어 설명하면 다음과 같다. 대기에서 흡입된 공기는 입구안내익, 회전자 및 고정자를 차례로 지나서 터어빈 노즐을 통해 엔진 밖으로 배출된다. 회전속도는 일정하게 고정시키고 유량은 터어빈 노즐을 개폐하여 조절을 한다. 터어빈 노즐이 완전히 열렸을 때의 작동점을 P 라고 하면 밸브를 서서히 닫으면 압축기의 배압(back pressure)이 증가하고 유량이 감소하여 작동점은 Q로 이동하면서 압축비가 증가한다. Q 점에서는 압축비가 이미 최대점에 와 있으므로 밸브를 더 닫게 되면 작동점은 R로 계속 이동하지만 압력은 더 이상 증가하지 못하고 오히려 배압이 더 높아져서 역류현상이 일어난다. 이 역류현상의 시작점을 서어지 포인트(surge point)라고 한다. 다른 회전속도에서도 서어지 포인트가 존재하므로 이 서어지 포인트들을 연결한 것이 서어지 라인(surge line)이다. 서어지 포인트 R에 도달하면 압력과 유량이 급격히 저하하고 회전속도도 떨어지면서 불안정상태를 일으키다가 압축기가 다시 정상작동을 하면서 일단 Q의 아래위치로 이동하였다가 다시 안정된 작동점을 찾아 서어지 라인쪽으로 이동해 간다. 이러한 작동점의 이동사이클은 터어빈 노즐이 열려서 작동점이 서어지 라인안의 안정영역내에 결정되고 회전속도를 되찾을 때까지 계속 되풀이된다. 그래서, 실제에 있어서는 일단 서어지가 일어나면 엔진을 정지시켰다가 다시 시동하여야 하는 경우가 많이 생기게 된다. 이러한 서어지 및 실속현상을 방지하려면, 다시말해서, 작동점이 서어지 라인쪽으로 근접하는 것을 방지하려면 유량이 급격히 감소해서는 안되는데, 가속시에는 터어빈에서 통과시킬 수 있는 유량이 감소한다. 그러므로 압축기 출구에서 유량의 일부를 시스템 밖으로 유출시켜서 터어빈의 흐름용량감소를 보완해준다면 압축기의 유량은 그대로 유지하고 작동점은 서어지 라인쪽으로 이동하지 않을 것이다. 압축기의 유량을 일부 빼내는 것을 블리드(bleed)라고 하는데, 이러한 블리드 장치를 하지 않을 때에는 작동점이 서어지 라인 내부로 충분히 떨어져 있도록 설계를 하여야 한다. 상기한 이유로 가스터어빈 엔진이 완성되었을 시에도 서어지의 근본원인이 되는 실속을 반드시 시험하여 실속점을 체크하여야 한다. 이러한 실속시험을 위한 종래의 가스터어빈 실속 시험장치는 도 3에 도시된 바와 같다. 도면을 참조하면, 가스터어빈 실속 시험장치는 공기가 저장된 공기탱크(31)와, 상기 공기탱크(31)와 도관으로 연결되어 공기탱크(31)로부터 유출되는 공기를 압축하는 제어부와, 상기 제어부를 통하여 압축된 공기를 밖으로 유출하는 유출부와, 상기 공기들의 압력을 각각 측정하는 압력계(32)를 포함하여 된다. 상기 공기탱크(31)는 제어부와 반대방향으로 외부기기와 연결된 시이퀀스밸브(33)가 부착되어 있어 일정한 순차작동을 지시한다. 상기 공기탱크(31)로부터 유출된 공기의 압력을 제어하는 제어부는 공기를 제어하는 필터(34)와, 이 필터(34)를 통과한 공기를 압축하는 공기압축기(35b)와, 이 압축기를 구동시키는 공기압모타(35a)와, 이 공기압축기(35b)를 지난 공기를 냉각시키는 냉각기(36)와, 이 냉각된 공기를 건조시키는 에어드라이어(37)를 구비하여 된다. 그래서, 공기탱크(31)로부터 유출된 공기는 공기압축기(35b)와 냉각기(36) 및 에어드라이어(37)를 거친 공기와 합일되어 고압의 공기를 생성해낸다. 이때, 제어부의 에어드라이어(37) 단부에는 체크밸브(38)가 부착되어 일방향으로만 공기의 흐름을 유도하기 때문에 최고의 압력이 작용하여도 구조상 공기의 누출을 방지할 수 있다. 제어부의 도관과 연결되는 공기탱크(31)의 단부에는 스톱밸브(39)가 부착되어 유량을 제어할 수 있도록 하였다. 상기 제어부를 통과하여 공기탱크와 합일되어 만들어진 고압의 공기는 유출부를 통하여 실속시험장치 밖으로 유출되어 가스터어빈 실속시험에 사용되는데, 이 유출부는 상기 고압의 공기를 도관내부에서 개폐하는 수동개폐밸브(40)와, 이 수동개폐밸브(40)와 연결되어 공기의 압력을 소정압력이하로 감압시키는 감압밸브(41)와, 이 감압밸브(41)와 연결되어 공기의 흐름방향을 변환시켜주는 방향변환밸브(42)와, 이 방향변환밸브(42)의 단부에 연결되어 밖으로 배출되는 공기의 양을 조절하는 스톱밸브(39)를 구비하여 된다. 그리고, 수동개폐밸브(40)와 감압밸브(41)사이 및 감압밸브 및 방향변환밸브(42)사이에 각각 공기의 압력을 측정하는 압력계(32)를 구비한다. 방향전환밸브(42)와 스톱밸브(39)사이에는 시이퀀스밸브(33)가 설치되어 외부기기와 연결된다.

상기한 구조로 만들어진 가스터어빈 엔진 실속 시험장치의 작동으로 만들어진 고압의 공기는 가스터어빈 엔진의 터어빈노즐부에 직접 분사됨으로써 터어빈노즐부의 노즐면적을 감소시켜 엔진의 압축비를 일시적으로 증가시키는 방법을 가능하게 하였다. 하지만, 이러한 가스터어빈 실속 시험장치는 고압의 공기를 만들기위해 압축기 구동용모터, 공기압축기, 냉각기 및 에어드라이어등을 필요로 하기 때문에 고가의 장비를 감수해야하며, 넓은 설치공간을 필요로 하는 문제점이 있다.

그리고, 고압의 공기를 가스터어빈 엔진의 압축기 출구부위에 직접 분사시킴으로써 특정한 엔진회전속도에서 압축비를 일시적으로 증가시키는 방법을 사용하기도 하지만, 고압의 공기를 가스터어빈 엔진의 압축기 출구부위 및 터어빈 노즐부위에 직접 분사시킴에 따라 해당부위에서 측정되는 온도 및 압력값이 부정확하여 정확한 엔진의 성능평가가 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 고압공기를 직접 주입함으로써 발생되는 부정확한 압축기 출구온도 및 압력 측정값으로 인해 엔진성능을 정확하게 평가할 수 없었던 것을 해결하도록 그 구조가 개선되어 엔진성능을 정확하게 평가할 수 있으며, 고가 장비인 공기압축기, 에어드라이어 및 냉각기 등을 사용하지 않고도 실속시험이 가능한 가스터어빈 엔진의 실속 시험장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 가스터어빈 엔진의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 2는 일반적인 가스터어빈 엔진의 압축기 성능곡선을 도시한 그래프이다.

도 3은 종래의 가스터어빈 엔진의 실속 시험장치를 개략적으로 도시한 유압회로도이다.

도 4는 본 발명에 따른 가스터어빈 엔진의 실속 시험장치를 개략적으로 도시한 유압회로도이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호 설명

10...가스터어빈기관 11...압축기 12...연소실 13...터어빈

14...제트노즐 R...서어지포인트

P...터어빈노즐이 열렸을 때의 작동점

Q...터어빈 노즐이 닫혀졌을 때의 작동점

31, 51...공기탱크 32, 56, 56'...압력계

33, 33'...시이퀀스밸브 34, 58...필터

35a...공기압모타 35b...공기압축기

36...냉각기 37...에어드라이어

38, 54...체크밸브 39...스톱밸브

40, 53, 53'...수동개폐밸브 41...감압밸브

42...방향변환밸브 52...연료탱크

55...제1솔레노이드밸브 60...연료맥동부

61...제2솔레노이드밸브 62...릴레이

63...스위치수단 64...타이머

57...압력조절밸브 59...유량계

52'...연료컨테이너

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 가스터어빈 엔진의 실속 시험장치는 가스터어빈 엔진의 노즐과 접속관에 의해 연결된 연료탱크와, 상기 연료탱크에 압력을 가하는 압력공급수단과, 상기 접속관에 설치되어 상기 노즐측으로의 연료의 공급을 단속하여 연료의 공급을 맥동시키는 연료맥동발생부를 구비하여 된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 가스터어빈 엔진의 실속 시험장치의 일 실시예를 상세히 설명한다. 도 3은 본 발명에 따른 가스터어빈 엔진의 실속 시험장치의 일 실시예를 개략적으로 도시한 유압회로도이다.

본 발명에 따른 가스터어빈 엔진의 실속 시험장치는 공기탱크(51)와, 연료탱크(52)를 구비하는데, 공기탱크(51)는 일정한 압력을 유지된 상태로 공기를 저장하고 있으며, 연료탱크는 상기 공기탱크(51)와 접속관을 통해 일측이 연결되며 그 내부에 연료가 저장된다. 상기 공기탱크(51)와 연료탱크(52)의 사이에 제어밸브가 도관으로 결합되어 설치된다. 이 제어밸브는 공기탱크(51)로부터 유출되는 공기의 양을 상기 연료탱크(52)내에 여압을 주게 되며, 수동개폐밸브(53)와 체크밸브(54) 및 솔레노이드밸브(55)로 구성된다. 상기 수동개폐밸브(53)는 상기 공기탱크(51)의 유출구에 결합되어 공기의 흐름을 개폐하며, 이 수동개폐밸브(53)와 연료탱크(52) 사이에 체크밸브(54)가 도관으로 결합되어 상기 공기의 흐름을 상기 연료탱크 방향으로만 흐르도록 제어하게 된다. 그리고, 상기 체크밸브(54)와 상기 연료탱크(52) 사이에 제1솔레노이드밸브(55)가 도관으로 결합되어 체크밸브(54)를 통과한 공기의 흐름을 개폐하게 된다. 이때, 공기탱크(51)의 유출구에 결합된 수동개폐밸브(53)에는 압력계(56)가 구비되어 공기탱크(51)로부터 유출되는 공기의 압력을 측정해준다. 상기 연료탱크(52)는 제1솔레노이드밸브(55)와 결합된 방향과 마주하는 방향으로 연료맥동부(60)가 도관으로연결되어 있다. 이 연료맥동부(60)는 연료탱크(52)로부터 유출되는 연료의 양을 순간적으로 조절하여 연료의 맥동을 형성시키며, 상기 연료탱크(52)에 접속관으로 결합되어 상기 연료탱크(52)로부터 유출되는 연료의 양을 제어하는 제2솔레노이드밸브(61)를 구비한다. 또한, 이 연료맥동부(60)는 상기 제2솔레노이드밸브(61)의 작동을 제어하는 릴레이(62)와, 이 릴레이(62)에 전기적신호를 주는 스위치수단(63)과, 이 스위치수단(63)의 작동시간을 제어하는 타이머(64)를 구비한다. 그리고, 가스터어빈 엔진의 실속 시험장치는 상기 연료맥동부(60)에 접속관으로 연결된 압력조절밸브(57)를 구비하여 연료맥동부(60)에 의해 발생된 연료의 맥동을 소정압력 유지시켜 밖으로 유출시킨다. 압력조절밸브(57)를 통해 소정의 압력으로 유출되는 연료와 공기는 유량계(59)에 의해 그 유량이 측정되어 스톱밸브(53)를 통해 소정위치로 유출된다. 미설명된 부호 58은 연료탱크(52)로부터 유출되는 연료의 이물질을 제거해준다. 그리고, 52'와 53' 및 33'는 연료컨테이너와 수동개폐밸브 및 시이퀀스밸브이며, 각각 연료탱크(52)에 유입되는 연료를 저장하고 있는 저장소와 연료탱크로 유입되는 연료의 양을 조절하는 밸브 및,외부기기와 연결되어 순차적인 작동을 시키기위해 사용되는 밸브이다.

상기한 바와 구성된 가스터어빈 엔진의 실속 시험장치의 작동은 다음과 같다. 연료컨테이너(52')와 연료탱크(52) 사이에 연결된 수동개폐밸브(53')를 열고 연료탱크(52)에 연료를 채운다. 연료탱크(52)의 양을 확인한 후, 소정양이 채워지면 수동개폐밸브(53')를 닫는다. 그리고, 공기탱크(51)의 유출구에 설치된 수동개폐밸브(53)를 열어 공기를 유출시킨다. 공기탱크로부터 유출된 공기는 도관을 따라 체크밸브(54)를 지나서 제1솔레노이드밸브(55)에 다다른다. 제1솔레노이드밸브(55)를 열어 연료탱크(52)에 여압을 주고 압력계(56')를 확인한다. 이때 실속 시험하고자 하는 엔진은 특정한 엔진회전속도에 도달한 상태를 유지시킨다. 선정된 엔진회전속도에 대응하는 엔진의 연료시스템 압력을 압력조절밸브(57)로 설정해준다. 압력설정이 완료되면 연료맥동부의 스위치(63)를 작동하여 타이머(64)와 릴레이(62)에의해 제2솔레노이드밸브(61)를 빠른 속도로 개폐함으로써, 가스터어빈엔진의 노즐에 연료맥동을 발생시킨다. 이때, 타이머(64)로 연료맥동의 시간간격을 조절하면서 엔진이 실속될때까지 반복하여 시험한다. 이러한 방법으로 얻어진 측정치들 예를 들면, 압축기 출구온도와 압력 및 실속시의 온도 및 압력은 엔진성능을 정확하게 평가할 수 있게한다.

본 발명에 따른 가스터어빈 엔진의 실속 시험장치의 효과는 다음과 같다.

첫째, 종래에 비해 엔진성능을 정확하게 평가할 수 있다.

본 발명에 따른 가스터어빈 엔진의 실속 시험장치는 고압의 공기를 가스터어빈 엔진의 압축기 출구부위 또는 터어빈 노즐부위에 직접 분사시키지 않고 가압된 연료를 짧은 시간동안 연소실로 공급함에 따라 특정한 엔진회전속도에서 연료점화에 의해 압축비를 일시적으로 증가시켜 해당부위에서 측정되는 온도 및 압력값의 부정확성을 해소하였으므로 종래에 비해 가스터어빈 엔진 성능을 정확하게 평가할 수 있는 이점이 있다.

둘째, 설치공간 및 유지비를 종래에 비해 줄일 수 있다.

본 발명에 따른 고압공기를 만들기 위해 필요로 하는 압축기 구동용 모터와 공기 압축기와 냉각기 및 에어드라이어등을 상기한 장치들로 대체하였으므로 설치공간 및 시설비를 종래에 비해 줄일 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예들이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

1. 가스터어빈 엔진의 노즐과 접속관에 의해 연결된 연료탱크와,

   상기 연료탱크에 압력을 가하는 압력공급수단과,

   상기 접속관에 설치되어 상기 노즐측으로의 연료의 공급을 단속하여 연료의 공급을 맥동시키는 연료맥동발생부를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 가스터어빈 엔진의 실속 시험장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 압력공급수단은 연료탱크와 접속관에 의하여 연결된 공기탱크와,

   상기 접속관에 설치되어 연료탱크를 향한 일방향으로 공기를 공급하도록 하는 체크밸브와,

   상기 공기탱크의 유출구에 결합되어 공기탱크 밖으로 유출되는 공기의 양을 조절하는 수동개폐밸브와,

   상기 체크밸브와 상기 연료탱크 사이에 접속관으로 결합되어 체크밸브를 통과한 공기의 흐름을 개폐하는 제1솔레노이드밸브와,

   상기 수동개폐밸브를 통해 유출되는 공기의 압력을 측정하는 압력계를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 가스터어빈 엔진의 실속 시험장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 연료맥동발생부는 상기 연료탱크와 가스터어빈엔지의 노즐에 접속관으로 결합되어 상기 연료탱크로부터 유출되는 연료의 양을 제어하는 상기 제2솔레노이드밸브와,

   상기 제2솔레노이드밸브의 작동시간을 제어하는 릴레이와,

   상기 릴레이에 전기적 신호를 주는 스위치수단과,

   상기 스위치수단의 작동시간을 제어하는 타이머를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 가스터어빈 엔진의 실속 시험장치.`
4. 제1항에 있어서,

   상기 연료맥동발생부와 가스터어빈엔진의 노즐 사이에 접속관으로 결합되어 상기 연료맥동으로 형성되는 압력을 조절해주는 압력조절수단을 더 구비하여 된 것을 특징으로 하는 가스터어빈 엔진의 실속 시험장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 압력조절수단은

   상기 연료맥동발생부와 접속관으로 연결되어 가스터어빈엔진의 노즐로의 유출량을 접속관의 개폐량 크기에 따라 조절하는 압력조절밸브와,

   상기 연료맥동부와 접속관으로 연결되어 연료맥동부에 의해 발생된 연료의 맥동으로 형성된 압력과 상기 압력조절밸브를 통해 조절된 압력을 측정하는 압력계를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 가스터어빈 엔진의 실속 시험장치.
6. 가스터어빈 엔진의 노즐과 접속관에 의해 연결된 연료탱크와,

   연료탱크와 접속관에 의하여 연결된 공기탱크와,

   상기 접속관에 설치되어 연료탱크를 향한 일방향으로 공기를 공급하도록 하는 체크밸브와,

   상기 공기탱크의 유출구에 결합되어 공기탱크 밖으로 유출되는 공기의 양을 조절하는 수동개폐밸브와,

   상기 체크밸브와 상기 연료탱크 사이에 접속관으로 결합되어 체크밸브를 통과한 공기의 흐름을 개폐하는 제1솔레노이드밸브와,

   상기 수동개폐밸브를 통해 유출되는 공기의 압력을 측정하는 제1압력계와,

   상기 연료탱크와 가스터어빈엔지의 노즐에 접속관으로 결합되어 상기 연료탱크로부터 유출되는 연료의 양을 제어하는 상기 제2솔레노이드밸브와,

   상기 제2솔레노이드밸브의 작동시간을 제어하는 릴레이와,

   상기 릴레이에 전기적 신호를 주는 스위치수단과,

   상기 스위치수단의 작동시간을 제어하는 타이머와,

   상기 연료맥동발생부와 접속관으로 연결되어 가스터어빈엔진의 노즐로의 유출량을 접속관의 개폐량 크기에 따라 조절하는 압력조절밸브와,

   상기 연료맥동부와 접속관으로 연결되어 연료맥동부에 의해 발생된 연료의 맥동으로 형성된 압력과 상기 압력조절밸브를 통해 조절된 압력을 측정하는 제2압력계를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 가스터어빈 엔진의 실속 시험장치.