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문제 정의
- 하지만 선행연구와 같은 해석적 방법을 사용하여 대상 엔진 구성품의 특성과 일치되는 성능선도를 구성하는 것은 매우 어려운 일이다. 따라서 본 연구에서는 실험적 방법을 통해 엔진 구성품의 성능선도를 도출하고 이를 통해 엔진의 성능해석 연구를 수행하고자 한다.
제안 방법
- 마이크로 가스터빈엔진의 성능측정을 수행하기 위하여 엔진이 작동하는 동안 엔진 입구 (Tt1,Ps1), 압축기 출구(Tt3, Ps3, Pt3), 연소기 출구(Tt4, Pt4), 터빈 출구(Tt5, Pt5), 노즐 출구(Tt6)에서 작동유체의 온도와 압력 측정을 수행 하였으며 측정 위치는 Fig. 2에 제시하였다.
- 실험데이터에 기반한 구성품 성능선도를 이용하여 마이크로 가스터빈엔진의 지상 정지시의 탈 설계점 성능해석 연구를 수행하였다. 마이크로 엔진 엔진 성능시험 리그와 데이터 측정 시스템을 구축하고, 성능시험을 통해 엔진 회전수에 따른 작동유체의 온도와 압력측정을 수행하였으며, 획득한 온도와 압력 데이터를 기반으로 엔진 입구흡입 공기유량, 압축비, 압축기 효율을 계산하고, 스케일링 기법을 통해 압축기 성능선 도를 구성하였다.
- 본 연구에서 사용된 엔진의 연소 특성을 분석하기 위하여 연소 효율 측정을 수행하였다. 연소 효율 측정은 크게 가스의 엔탈피를 이용한 계산 방법과 배기가스 성분 분석방법으로 나누어진다.
- 본 연구에서 사용된 엔진의 압축기 성능선도를 도출하기 위하여 유사한 성능을 갖는 Klassen 등[8] 에 의해 제시된 압력비 6을 갖는 반경압축기의 맵을 스케일링하여 압축기 성능선도를 구성하였다. 스케일링 방법은 제시된 맵의 압력비와 유량데이터를 Micro gas turbine의 100% 운용점에 맞도록 스케일 다운한 후, Micro gas turbine 의 엔진 성능실험을 통해 획득한 엔진 회전수, 공기유량, 압축비, 압축기 효율 데이터를 이용하여 각 회전수의 작동점에 적합하게 매칭하는 방법을 사용하였다. 스케일링 과정은 GasTurb 12 의 부속 소프트웨어인 Smooth C를 이용하여 진행하였다.
- 실험데이터에 기반한 구성품 성능선도를 이용하여 마이크로 가스터빈엔진의 지상 정지시의 탈 설계점 성능해석 연구를 수행하였다. 마이크로 엔진 엔진 성능시험 리그와 데이터 측정 시스템을 구축하고, 성능시험을 통해 엔진 회전수에 따른 작동유체의 온도와 압력측정을 수행하였으며, 획득한 온도와 압력 데이터를 기반으로 엔진 입구흡입 공기유량, 압축비, 압축기 효율을 계산하고, 스케일링 기법을 통해 압축기 성능선 도를 구성하였다.
- 성능시험을 수행하기 위하여 엔진 테스트 베드 및 엔진을 제어하기 위한 제어장치를 구축하였다. 엔진의 성능측정을 위하여 엔진 주요 구성품의 입구와 출구에서의 작동유체의 온도와 압력측정을 수행하였으며, 측정한 온도와 압력데이터를 기반으로 엔진의 성능특성을 분석하였다. 이러한 실험 데이터를 적절하게 스케일링하여 엔진 회전수에 따른 압축기 성능맵을 구성하였다.
대상 데이터
- 가스터빈 엔진 주요 구성품의 성능선도를 구성하기 위하여 실험데이터를 비교적 쉽게 획득할 수 있는 마이크로 가스터빈엔진을 본 연구의 대상엔진으로 선정하였다. 성능시험을 수행하기 위하여 엔진 테스트 베드 및 엔진을 제어하기 위한 제어장치를 구축하였다.
- 본 연구에서 사용된 AMT사의 Olympus HP Engine은 추력 50 lbf급의 마이크로 가스터빈엔 진이다. 엔진은 1단 원심 압축기, 직류형 연소기, 1단 축류터빈으로 구성되어있다.
- 온도 측정은 빠른 응답성과 높은 온도측정 범위를 갖는 K형 열전대를 이용하였으며 압력측정은 정압센서(PSHH0100PCPG, Sensys 사)와 차압센서 (APT-3100D, Autrol사)를 이용하였다. 센서를 통해 측정된 데이터는 데이터 수집 장치(NI-9203, cRIO-9075, National Instruments사)를 이용하여 기록하였다.
- 엔진 성능시험이 진행되는 동안 엔진 제어실 내부에 DAS(Data Acquisition System)를 구축하여 센서로부터 측정되는 엔진 성능 데이터를 수집하고 모니터링 할 수 있도록 구성하였다. LabVIEW를 이용하여 엔진내부에서 측정되는 작동유체의 온도와 압력의 변화를 실시간으로 확인 할 수 있도록 구성하였다.
- 압축기 성능선도를 통해 엔진 회전수에 따른 압축기의 부분부하 성능을 예측할 수 있다. 터빈의 성능선도의 경우 Gasturb 12에 내장된 터빈 성능 맵을 이용하였다.
데이터처리
- 구성된 압축기 성능선도와 연소 효율 측정결과를 기반으로 엔진 탈 설계점 성능해석을 수행하였으며 성능시험 결과와 비교분석 하였다. 엔진의 성능지표인 추력은 엔진 전체 운용영역에서 8% 내외의 편차를 보였으며, 비 연료소모율은 5% 이내의 편차를 보였다.
- 이러한 실험 데이터를 적절하게 스케일링하여 엔진 회전수에 따른 압축기 성능맵을 구성하였다. 도출된 압축기 맵을 탈설계점 성능해석 소프트웨어인 GasTurb 12[5-7]에 적용하여 엔진의 설계점 및 지상 정지 조건에서의 탈 설계점 성능해석을 수행하였으며, 실험을 통해 측정된 엔진의 성능데이터와 비교 분석하였다.
- 지상 정지조건 탈 설계점은 엔진의 설계점 이외의 지상 정지시의 모든 조건에서의 엔진의 작동을 의미한다. 본 연구에서 구성한 압축기 성능 선도를 엔진 성능해석 프로그램인 GasTurb12에 적용하여 탈 설계점 성능해석을 수행하였으며 실험을 통해 측정한 데이터와 비교분석 하였다. Fig.
- 엔진 성능실험을 통해 획득한 온도와 압력 데이터를 이용하여 설계점 성능해석을 수행하였다. 설계점 성능해석에는 GasTurb 12를 이용하였다.
이론/모형
- 엔탈피 기준으로 연소효율을 계산하기 위해서는 정확한 연소기 출구온도 측정이 필수적이나, Vaporizer 연소기의 경우 연소효율이 낮아, 국부적인 위치에 따라 온도편차가 매우 크게 나타나게 되므로 엔탈피 기반으로 연소효율 계산할 경우 오차범위가 매우 크게 나타나게 된다. 따라서 본 연구에서는 가스터빈 엔진 연소기 효율 측정시 주로 이루어지는 방법인 배기가스 분석을 이용하여 연소효율을 계산하였다. 연소 효율을 측정하기 위하여 터빈 출구(Pt5)에서 포집한 배기가스를 배기가스 성분분석 장치(Testo 350-XL, Testo 사)와 연결하였다.
- 본 연구에서 사용된 엔진의 압축기 성능선도를 도출하기 위하여 유사한 성능을 갖는 Klassen 등[8] 에 의해 제시된 압력비 6을 갖는 반경압축기의 맵을 스케일링하여 압축기 성능선도를 구성하였다. 스케일링 방법은 제시된 맵의 압력비와 유량데이터를 Micro gas turbine의 100% 운용점에 맞도록 스케일 다운한 후, Micro gas turbine 의 엔진 성능실험을 통해 획득한 엔진 회전수, 공기유량, 압축비, 압축기 효율 데이터를 이용하여 각 회전수의 작동점에 적합하게 매칭하는 방법을 사용하였다.
- 엔진 성능실험을 통해 획득한 온도와 압력 데이터를 이용하여 설계점 성능해석을 수행하였다. 설계점 성능해석에는 GasTurb 12를 이용하였다. 엔진 제작사에서 제시한 최대 회전수인 108,500 rpm에서 성능실험을 수행하였으며, 실험결과와 GasTurb 12 로 성능해석을 수행하여 비교한 내용이 Table 3에 제시되어 있다.
성능/효과
- 배기가스 내 탄화수소와 일산화탄소의 수치를 이용하여 각 회전수에서의 연소효율을 계산하였다. Vaporizer를 갖는 직류형 연소기의 연소 효율은 엔진 전체운용영역에서 80~90% 영역에 존재하는 것을 확인하였으며, 엔진 최대보정회전수에서 88.14%의 연소효율이 나타나는 것을 확인하였다.
- 본 연구에서 엔진의 작동 스케줄은 초기시동 이후 스로틀 100% 부터 아이들 상태인 0% 까지 스로틀을 10%씩 감소시키며 운용하였으며, 각 스로틀에서 10초간 유지하며 데이터를 수집하였다. 성능측정 결과 엔진 최대보정회전수에서 보정 추력은 240.37 N으로 측정되었으며 SFC(Specific Fuel Consumption)는 52.003 g/kN/s로 측정되었고 EGT(Exhaust Gas Temperature)는 1092.34 K로 측정되었다. 엔진 회전수에 따른 배기가스와 추력의 변화는 Fig.
- 엔진 제작사에서 제시한 최대 회전수인 108,500 rpm에서 성능실험을 수행하였으며, 실험결과와 GasTurb 12 로 성능해석을 수행하여 비교한 내용이 Table 3에 제시되어 있다. 엔진성능실험에서 측정한 공기유량 및 압축비, 압축기 효율 및 연소효율을 이용하여 성능해석을 수행한 결과 추력은 약 1.6% 정도의 편차가 있었으며, SFC 는 0.002% 정도의 편차를 나타내어 설계점 성능 해석결과가 1.6% 이내로 엔진을 모사할 수 있음을 알 수 있었다.
- 엔진의 성능지표인 추력은 엔진 전체 운용영역에서 8% 내외의 편차를 보였으며, 비 연료소모율은 5% 이내의 편차를 보였다. 이러한 연구결과로부터 실험데이터에 기반한 탈 설계점 성능해석이 가능함을 확인할 수 있었다. 가스터빈엔진 데이터가 충분하게 확보되지 않는 경우에 엔진 탈 설계점 성능해석을 할 수 있는 방법으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 9은 엔진보정회전수에 따른 연소 효율 측정결과를 나타낸 것이다. 회전수가 증가함에 따라 연소 효율도 증가하는 것을 확인하였으며, 마이크로 가스터빈엔진에 사용되는 Vaporizer를갖는 직류형 연소기의 연소 효율은 대체적으로 80~90% 영역에 존재하는 것을 확인하였다. Vaporizer 분사장치를 가지는 연소기의 연료 분무성능은 연료의 가열에 의한 증발효과로 대체적으로 결정됩니다.
후속연구
- 이러한 연구결과로부터 실험데이터에 기반한 탈 설계점 성능해석이 가능함을 확인할 수 있었다. 가스터빈엔진 데이터가 충분하게 확보되지 않는 경우에 엔진 탈 설계점 성능해석을 할 수 있는 방법으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 본 연구결과는 추후 마이크로 가스터빈엔진 개발 시 기초 데이터로써 활용할 수 있을 것이다.
- 가스터빈엔진 데이터가 충분하게 확보되지 않는 경우에 엔진 탈 설계점 성능해석을 할 수 있는 방법으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 본 연구결과는 추후 마이크로 가스터빈엔진 개발 시 기초 데이터로써 활용할 수 있을 것이다.
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