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가스터빈 공기냉각용 고온 풍동 시험설비 및 측정기술 소개 원문보기

기계저널 : 大韓機械學會誌, v.57 no.11, 2017년, pp.39 - 43  

이정호 (한국기계연구원 신기후체제R&D센터)

초록
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최근 정부의 친환경 에너지 정책에 따라 고효율 가스 복합 발전이 기존의 석탄 화력 복합 발전을 대체하는 추세에 있다. 발전용 가스터빈의 효율 향상에 따라 터빈 입구온도는 현재 $1,600^{\circ}C$에 이르러 가스터빈의 냉각 부하가 크게 증가되어 고온에서의 가스터빈 냉각 기술이 더욱 중요하게 되었다. 이 글에서는 고온에서 가스터빈 공기냉각 기구를 개발하고 냉각 성능 평가에 필요한 고온 풍동 시험설비 및 측정기술을 간략하게 소개하고자 한다.

AI 본문요약
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제안 방법

  • 뾰족한 leading edge를 갖는 평판을 이용하여 경계층을 발달시키고 평판의 하류 부분에 평균 다공도가 200μm인 직사각형 다공성 평판을 설치하고, 다공성 평판을 통해 다양한 분사비(BR : Blowing Ratio) 조건에서 시험이 가능하도록 투과 냉각의 냉각 공기량을 조절한다.
  • 이때의 분사비는 투과 냉각 유동과 고온 주 유동의 질량유속의 비로 정의한다. 시험부 상부에 투과 냉각이 진행되는 다공성 금속의 표면온도를 측정하기 위해 적외선온도계를 설치하였다. 적외선온도계를 이용하여 고온 풍동 시험부 내부 온도를 측정할 때에는, 시험 대상 금속 표면뿐만 아니라 시험부 주위 고온의 영향으로 부가적인 복사열이 발생하기 때문에 매우 엄밀한 적외선 온도 보정이 요구된다.

대상 데이터

  • 가스터빈 공기냉각용 고온 풍동의 주요 제원은 표 1에 나타나 있는 바와 같이 300kW급 전기 덕트 히터를 통해 공기 온도를 최대 400℃까지 사용할 수 있고, 풍동의 최대 속도는 30m/sec 정도의 아음속 풍동(subsonic wind tunnel)이다. 고온 풍동의 크기는 길이 10m, 높이 3m, 폭 2m 이고, 주요 측정이 이루어지는 시험부의 크기는 높이 250mm, 폭 250mm, 길이 1,200mm이다. 송풍기에서 공급된 공기는 300kW급 전기 덕트 히터를 거치면서 최대 400℃까지 전기적으로 가열할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
다공성 금속의 표면온도를 측정하기 위해 적외선온도계를 사용시 요구되는 점은? 시험부 상부에 투과 냉각이 진행되는 다공성 금속의 표면온도를 측정하기 위해 적외선온도계를 설치하였다. 적외선온도계를 이용하여 고온 풍동 시험부 내부 온도를 측정할 때에는, 시험 대상 금속 표면뿐만 아니라 시험부 주위 고온의 영향으로 부가적인 복사열이 발생하기 때문에 매우 엄밀한 적외선 온도 보정이 요구된다. 적외선온도계와 측정하고자 하는 고온 표면 사이에 위치하는 투명 창은 적외선온도계의 측정 주파수 대역에 따라 적외선 흡수율에 큰 차이가 날 수있기 때문이다.
냉각기술 중막 냉각 이란? 따라서 터빈 입구온도의 증가에 대응할 수 있는 다양한 형태의 공기냉각 기술들이 연구 개발되어 왔다. 이러한 냉각기술 중막 냉각(film cooling)은 고온가스와 접촉하는 부품 표면의 일정한 각도를 이루는 구멍 또는 슬릿을 통해 냉각공기를 유출시켜 블레이드의 외부벽에 저온의 얇은 막을 형성하여 고온 가스로부터 블레이드로의 열전달을 차단시키는 방법이다. 막 냉각 방법보다 진보된 냉각 방법으로는 마이크로 크기의 홀을 통해 블레이드 표면을 냉각할 수 있는 마이크로 냉각(micro cooling)이 연구 개발되고 있다.
공기냉각용 고온 풍동은 어떻게 구성되어있는가? 한국기계연구원은 2015년 그림 1과 같이 가스터빈 공기냉각용 고온 풍동을 설계 및 제작하였다. 공기냉각용 고온 풍동은 크게 송풍기(blower), 입구 확산기 (inlet diffuser), 전기 덕트 히터(electric duct heater), settling chamber, 시험부(test section), 출구 확산기(outlet diffuser), 그리고 출구 덕트(outlet duct)로 구성되어 있다. 가스터빈 공기냉각용 고온 풍동의 주요 제원은 표 1에 나타나 있는 바와 같이 300kW급 전기 덕트 히터를 통해 공기 온도를 최대 400℃까지 사용할 수 있고, 풍동의 최대 속도는 30m/sec 정도의 아음속 풍동(subsonic wind tunnel)이다.
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