초록 ▼

1995년 정부에 의하여 실시된 국내 장기 전원 수급 계획 에 따르면 한국은 2005년까지 약 38기의 170 MW급 발전용 가스터빈 개발이 요구되는 것으로 분석되었다. 최근 경기 침체로 이러한 예측은 당초 계획은 축소 조정되었으나 대형 발전용 가스터빈 개발의 필요성은 여전히 남아 있다고 하겠다. 본 연구는 이러한 국내의 전원 수급계획의 일환으로 국내의 K사와 170MW급 대형발전용 가스터빈개발을 위한 앞 단계로 개념설계를 시작하였다. 현재 대형 발전용 가스터빈은 미국의 GE, P&W, Westing House사 등의 제품이 세계시

1995년 정부에 의하여 실시된 국내 장기 전원 수급 계획 에 따르면 한국은 2005년까지 약 38기의 170 MW급 발전용 가스터빈 개발이 요구되는 것으로 분석되었다. 최근 경기 침체로 이러한 예측은 당초 계획은 축소 조정되었으나 대형 발전용 가스터빈 개발의 필요성은 여전히 남아 있다고 하겠다. 본 연구는 이러한 국내의 전원 수급계획의 일환으로 국내의 K사와 170MW급 대형발전용 가스터빈개발을 위한 앞 단계로 개념설계를 시작하였다. 현재 대형 발전용 가스터빈은 미국의 GE, P&W, Westing House사 등의 제품이 세계시장을 석권하다 시피하고 있으며 유럽의 ABB, Siemens, GEC ALSTHOM, Rolls-Royce등도 다양한 급의 가스터빈을 제작하여 판매하고 있다. 한국의 경우 가스터빈 개발에 대한 필요성이 제기된 것은 1970년대 후반 이후 오일 쇼크가 일어나면서 보다 효율적인 에너지 관리 및 연료의 다변화 정책에 따라 가스터빈 열병합발전 시설이 증가하면서 시작되었다고 볼 수 있다. 종래 가스터빈은 단독 구동 시 열효율이 20-30%로서 기타 디젤이나 왕복동 기관에 비하여 경쟁성이 부족하다는 지적을 받아왔으나 80년대 이후 고온부를 위한 소재 개발과 냉각기술의 급격한 향상으로 가스터빈 기관은 단독으로도 35%이상을 상회하는 열기관으로 발전하였으며 복합사이클로 구성하는 경우 복합사이클의 효율은 60%이상까지 나타나고 있어 점차 그 적용 영역이 확대되어 지고 있다. 가스터빈은 동력 당 설치면적이 기타 기관에 비하여 작고 기동 및 정지기간이 짧고 쉬우며 초기 투자비용이 작으며 배기 오염이 적다는 점등이 장점으로 크게 작용한다. 최근에는 소형 가스터빈을 이용한 차량 구동용까지 등장하고 있으며 가까운 미래에 생활 주변까지도 가스터빈을 이용한 많은 기기들도 등장하리라는 전망이다. 그러나 가스터빈은 개발에 요구되는 기술이 첨단 기술분야이고 기술보유국들이 기술이전을 회피하는 분야이기 때문에 기술 습득이 결코 용이치 않은 분야이기도 하다. 그러나 본 기술은 부가 가치성이 크고 기술 집약성이 높으며 기타 기반 기술분야에 미치는 파급효과가 매우 크기 때문에 한국과 같이 자원이 부족하고 노동 집약적인 산업 사회구조를 가진 국가로서 반드시 확보해야 할 기술분야라고 인정된다. 이러한 사회적 필요성에 의하여 본 연구가 발의되었으며 일차적으로 170MW가스터빈에 대한 개념설계가 이루어졌다. 본 연구에서는 현재 서인천 복합발전소에 설치되어 운용중인 GE.사의 MS7001FA엔진을 모델로 삼아 MS7001FA엔진의 설계점 사양을 존중하여 설계점을 계산하였다. 탈설계 성능해석을 위하여 반드시 요구되는 부분품 성능도는 가스터빈 개발 후 성능실험을 통하여 얻어지는 자료이기 때문에 성능특성도를 확보하기까지는 막대한 비용과 인력에 대한 투자가 요구되기 때문에 대부분의 가스터빈 회사들이 자료의 유출을 철저히 봉쇄하고 있다. 현재 서인천에 설치되어 작동중인 MS7001FA엔진에 대해서도 GE사가 성능특성자료를 전혀 공개하지 않기 때문에 현재 KIMM이 보유 중인 프로그램을 사용하여 Map을 작성하여 본 연구에 사용하였다. 그 결과 저부하 영역에서의 성능이 매우 떨어지는 것으로 나타났고 엔진의 작동성 역시 매우 불안정하게 나타났다. 사용된 압축기와 터빈 성능 곡선도간에 결합이 어려운 원인으로는 부분부하(40-80% RPM)에서 압축비와 유량 대비 압축기의 효율이 지나치게 낮은 때문인 것으로 나타났다. 따라서 이 부분의 개선을 위해서는 저속에서 압축기의 성능이 현재 시판 중인 축류 압축기들의 부분부하 성능(부분부하 효율이 최대 5%이내)에 접근할 수 있는 성능 특성도를 계산 할 수 있는 기술의 배양이 시급하다고 보며 또 압축기 서지 발생이 저속에서 전방부에 나타날 것에 대비하여 18단 중 8 또는 9단에서 Bleed-off시킬 가능성에 대한 대비와 13, 18단 에서의 고압 압축기 공기를 터빈 블레이드에 송출하여 냉각을 할 경우 압축기 성능 해석에 대한 계산과 고속에서 후단의 실속과 초킹 문제에 대비할 수?. 연소기 개념설계 결과 연소기의 기본 형상은 14개의 원통형 연소기에 환형부가 결합된 cannular 형태로서 아직 구체적인 설계를 위해서는 추가적인 시간이 요구되나 현재 노즐부는 부하에 따라 Fig.4.15와 같이 diffusion mode에서 premixed mode로 변화하기 위하여 5개의 노즐로 구성되는 것으로 나타났다. 중심부에 premixed 노즐이 설치되어 있으며 중심부 노즐 둘레로 4개의 노즐이 설치되어 부하에 따라 작동하는 특성을 가지고 있다. 터빈은 3단으로 구성되었으며 터빈의 각 단에서 출력은 123.3 MW, 112.9 MW, 105.8 MW를 생산하도록 분포하였다. 터빈의 기본형상 설계에 의하여 기본 칫수를 결정하였으며 반경방향으로의 유로의 변화를 유선곡률법의 의하여 계산하였다. 기본 형상 설계는 기존의 효율 모델과 표준적인 터빈에서의 효율을 가정하여 수행하였으며, 쉬라우드와 허브에서의 물성치는 자유 와류법에 의하여 구하였으며 형상설계의 결과를 현재 운용중인 가스터빈과의 비교한 결과 매우 근사한 것으로 판단된다. 가스터빈 엔진에 대한 냉각유로와 열전달 해석의 개념설계 결과 1단 노즐과 버켓의 냉각을 위하여 충돌냉각, 막냉각 및 대류냉각의 혼합된 형태의 내부 냉각유로에 대한 설계가 요구되었으며, 냉각공기의 총 유량은 압축기입구 공기유량의 13.46%이고, 블레이드 냉각을 위하여 10.76%를 사용이 필요한 것으로 나타났다. 회전체 설계를 위해서는 상세설계 단계의 엔진 구조에 대한 자료가 필요하나 현재 개념설계 단계에서는 이러한 자료의 확보가 어려우므로 가스터빈 운전의 신뢰성을 확보하기 위한 회전 역학적 설계기준과 가스터빈 로터-베어링 시스템의 모델링 기법과 베어링의 선정 및 설계 그리고 해석 기법에 대한 기술적 문제점에 관하여 검토하였다. 또 가스터빈 작동 중 자주 일어나는 것이 진동에 의한 블레이드 손상인데 블레이드 진동을 위한 해석은 블레이드의 3차원적인 형상이 파악된 경우에나 가능하나 본 개념 설계 기간 중 압축기 및 터빈의 1차원적 설계만이 수행되어 당 연구에서는 소형 가스터빈 블레이드를 대상으로 블레이드 고유진동해석을 위하여 필요한 연구 내용을 검토하는 것으로 요약하였고 장차 170 MW 가스터빈 개발이 구체화되고 공력설계로부터 블레이드의 3차원 기본형상이 주어지는 경우 블레이드 진동 해석을 수행하기 위한 기초를 마련하는 데 중점을 두었다. 요약하면, 시장성 있고 우수한 가스터빈 개발을 위하여 우선 수요조사 결과 설계 사양이 요구하는 설계점 결정이 매우 중요하며 이때 결정된 설계점에 따라 부분부하 성능이 좌우된다. 이러한 차원에서 향후 설계 및 제작할 엔진의 설계점 결정에 오류를 피하기 위하여 이미 서인천에 설치되어 운용중인 MS7001FA엔진의 알려진(압축비, 터빈입구온도, 터빈 출구온도, 유량) 기본적인 사양을 검토하여 앞으로 제작하고자 하는 170MW의 설계점을 계산하였다. 특히 성능에 중요한 영향을 미치는 냉각 공기량 결정은 여러 문헌 및 프로그램들과 터빈 출구온도를 검토하여 신중을 기하였다. 보다 정확성 있는 탈설계 성능 분석을 위해서는 이미 성능실험을 통하여 검증된 성능특성도의 확보가 필수적이며 이러한 부분품 성능 특성도를 통하여만 부분부하에서 성능, 작동의 안정성 및 기계 구조적 위험성을 사전에 검토하는 일이 가능하다고 판단된다. 뿐만 아니라 과도 상태 시 서지마진 검토를 통한 작동의 안정성 확보 및 이때의 부분품 온도와 압력 검토를 통한 구조적 안전성 평가를 통하여만 안정적으로 작동할 수 있는 우수한 성능의 가스터빈 개발이 가능하다는 판단이다.

Abstract ▼

According to the survey carried out by the Korean government on domestic electricity demand forecast through 2005, it is estimated that she needs approximately, 38 units of 170MW class heavy duty power generation gas turbine engine to meet the demand. Recent economic setback in Korea made her to shr

According to the survey carried out by the Korean government on domestic electricity demand forecast through 2005, it is estimated that she needs approximately, 38 units of 170MW class heavy duty power generation gas turbine engine to meet the demand. Recent economic setback in Korea made her to shrink back from her initial drive to build this magnificent machines and readjusted the forecast, it is by this report that KIMM geared up working with one firm in Korea for conceptual design as a preliminary step to manufacture the concerned engine. World market of heavy duty gas turbine engines are presently dominated by such companies as GE, P&W, Westinghouse of America and Europe's ABB, Siemens, GEC ALSTHOM, Rolly-Royce with various classes of power outputs. The need for Korea to develop a gas turbine engine is first raised after the oil shock in late 70s with increasing installments of co-generation power plants in an effort to have more effective energy control and diversification of fuel sources. Low thermal efficiencies of 20-30% of gas turbine allowed the criticism that it's being incompetent when compared with other reciprocating engines like diesel. However, with the advancement in materials' quality and cooling technologies for hot section, gas turbine thermal efficiency can now reach the level over 35% on its own and even higher than 60% when used as a combined cycle and made them continuously successful in its wide application. Gas turbines have merits requiring small installation area per power output, short period to start up and stop, and low emission. Recently, application of small gas turbine in automobile is being reported to be successful technologically, and even the daily life instruments equipped with very small gas turbines are to be emerged. However, this is one of the high-tech industries where advanced countries avoid the concerned technologies being transferred to the third country. Nonetheless, considering that the involved technologies have their high additional valuedness and integrativeness not to speak of profoundly spreading effects to other technological areas, it is believed to one of the most important technological areas to master for the country like Korea which has socio-industrial structure of insufficient natural resources and labor intensiveness. Present study began under this social needs and conceptual design of 170MW was carried out as a preliminary step. In this study, the design point of the gas turbine was calculated with the example of GE's MS7001FA currently operating in SeoInchon combined power plant. Characteristic maps, indispensable for off-design calculation, can be constructed only after the manufactured gas turbine is tested experimentally which requires enormous amounts money and efforts and this is why companies by all means try to avoid the concerned technologies being flown out. Components' characteristics of GE's MS7001FA, which are now being operated at SeoInchon combined cycle power plant, are not also available and inevitably were self constructed for off-design study using KIMM's own softwares. Accordingly, performance results of low speed range turned out to be quite low and engine operability was bad. The primary cause of mismatching between the components are considered to be low compressor efficiencies for low speed ranges(40-80%). Therefore, development of technologies to construct compressor characteristic where performance approaches within the level of 5% or less is indispensable. And it is also important to prepare for the possibility to bleed-off from 8 or 9 stage to avoid incurring surge at front parts of compressor stages during low speeds range. In addition to these, capacities to calculate compressor performance for the case of air to bw extracted to cool the turbine blades as well as to account for the VGV(Variable Guide Vane)'s angle variation to cope with stall & choking phenomena in the rear parts of compressor stages. Conceptual design of combustor results in cannular type which consists of 14 can type combustors arranged in annular shape, and needed yet additional period for detailed design. At present, however, as Fig.4.15 shows, 5 nozzles seemed to be needed for diffusion mode be converted into premixed mode. Centrally located is premixed nozzle with 4 nozzles distributed circumferentially to be ready for load variation. Turbine consists of 3 stages with powers of 123.3MW, 112.9MW, 105.8MW produced respectively. Turbine's basic geometries are calculated from basic configuration design where streamline curvature method to account for radial flow passage difference is employed. For basic profile design, assumption of efficiencies of existing model and that of standard turbine are made, and gas properties near hub and tip are calculated using free vortex method. The designed results of blade profile agrees well with that of operating gas turbine. Conceptual design of heat transfer and cooling passage of gas turbine engine leads to cooling passage design adopting impingement & film cooling as well as mixed type convection cooling are thought to be needed to cool the first stage turbine bucket and nozzle blades. Calculated total mass of cooling air is 13.46% of compressor inlet air whereas 10.76% goes only to blade cooling. Since detailed engine geometry data required for rotor-dynamic design is not available at this stage of conceptual design, investigation of technical problems related to modelling the gas turbine rotor bearing system, its selection and rotor dynamic design and analysis to procure the engine's operating credibility is made. Blade failures have been the major source of gas turbine troubles and for accurate analysis of blade vibration, 3 dimensional data for the blade profile is needed. However, with the absence of the 3D blade profile in this conceptual design stage, summarization of materials needed for natural frequency analysis in viewing of small gas turbine data already accomplished at KIMM is made. Also, emphasis is given on to lay the foundation to carry out the blade vibration analysis in case 3 dimensional features of the blades of 170MW gas turbine engine in the future becomes available. To summarize, it is very important to determine the design point according to market requirement to develop high quality gas turbine engine, and this design point will have a profound influence on off design characteristics. Emphasis was given to fundamental design parameters of MS7001FA gas turbine engine, which is now in operation at SeoInchon combined cycle power plant, such as pressure ratio, TIT, mass flow and exhaust tempture in order to obviate the fatal mistake in determining the design point. For more accurate off design calculation, it is indispensable to have precise component maps. Through accurate components characteristics not only investigation of probable operating instabilities becomes possible but also bordering structural limits can be checked. Besides, procurement of operability through checking of surge margin during transient operation and evaluation of stability through temperature, pressure metering of components will only lead to secure and safe engine operation with superior performance.

목차 Contents

• 제 1 장. 서론...27
• 제 2 장. 엔진의 개념설계...30
• 제 1 절 개념설계 정의...30
• 제 2 절 가스터빈엔진의 변수 특성 조사...31
• 2.1 단순 사이클 설계점 결정...31
• 2.2 가스터빈 엔진의 부분품 변수 특성조사...43
• 2.2.1.1. 압축기 변수...47
• 2.2.1.2 압축기 압력 손실...48
• 2.2.1.3 연소기 변수...49
• 2.2.1.4 터빈 변수...51
• 제 3 절 압축기 공력설계...56
• 3.1 서론...56
• 3.1.1 공력설계의 중요성...56
• 3.1.2 개념설계...59
• 3.2 설계이론...61
• 3.2.1 기본 방정식...61
• 3.2.2 전압력 손실 모델링...63
• 3.2.3 설계절차...65
• 3.2.4 입사각과 편차각 계산...67
• 3.3 1차원 성능해석(1D Performance Prediction)...68
• 3.3.2 성능예측 이론...69
• 3.3.2.1 최초 작동점 계산...69
• 3.3.2.2 실제 효율계산...71
• 3.3.2.3 계산 절차...72
• 3.3.2.4 서지 곡선...74
• 3.4 개념설계의 결과 및 고찰...76
• 3.4.1 1차원 공력설계의 결과...76
• 3.4.2 1차원 성능해석의 결과...84
• 3.4.3 결언...86
• 제 4 절 연소기 설계...87
• 4.1 개요...87
• 4.2 Emission 제어기술...88
• 4.2.1 가스터빈 연소기에서의 emission...89
• 4.2.2 Emission 제어기술의 응용 예...97
• 4.3 연소기 기본설계...111
• 4.3.1 개요...111
• 4.3.2 주요 설계조건...115
• 4.3.3 기본형상 설계...116
• 4.4 결론...131
• 참고문헌...132
• 제 5 절 터빈부 의 개념설계...134
• 5.1평균 반경 해석(meanline analysis)에 의한 기본 형상 설계...134
• 5.1.1 기본 형상 설계...136
• 5.1.2 설계 변수의 선정...144
• 5.2 유선곡률법에 의한 유로설계...146
• 5.2.1 지배방정식...147
• 5.2.2 결과 및 검토...152
• 5.3 결론...158
• 참 고 문 헌...160
• 제 6 절 터빈 블레이드의 냉각 열전달 설계...161
• 6.1 개요...161
• 6.2 냉각유로의 열전달 설계...164
• 6.2.1 냉각유로의 설계순서...164
• 6.2.2 터빈 블레이드 냉각방법...167
• 6.2.3 냉각 블레이드의 설계 절차...168
• 6.3 냉각 블레이드 설계...170
• 6.3.1 냉각공기유량의 기본설계 계산...171
• 6.3.2 이차유로 시스템의 상세설계...176
• 6.3.3 고온 구성품의 온도분포 계산...179
• 6.4 냉각 블레이드의 기본설계 결과...180
• 6.5 결론...182
• 참고문헌...182
• 제 7절 가스터빈 회전체계 설계...183
• 7.1 서론...183
• 7.2 개스터빈의 회전체역학적 설계 개요...184
• 7.3 회전체계의 동특성 해석기법...188
• 7.4 회전체계의 모델링...189
• 7.4.1 원통형 축요소...191
• 7.4.2 원추형 축요소...193
• 7.4.3 원판형 축요소...196
• 7.4.4 부가질량점...196
• 7.4.5 무질량 강체요소...197
• 7.5 베어링 선정 및 설계...197
• 7.5.1 베어링의 종류 및 선정...198
• 7.5.2 틸팅 패드 베어링의 기본 형상설계 및 동특성 해석...203
• 7.6 고유진동수, 위험속도 및 불평형응답의 계산 및 해석...205
• 7.6.1 고유진동수 및 위험속도 해석...205
• 7.6.2 불평형 응답 해석...208
• 7.7 회문헌...213
• 제 8 절 블레이드 진동해석...216
• 8.1 개요...216
• 8.2 모델링 및 고유진동 해석...218
• 8.3 간섭선도 해석...218
• 8.4 결론...221
• 제 9 절 엔진 탈설계 성능 해석...222
• 9.1 탈설계 성능 해석의 열역학적 검토...222
• 9.2 절 탈설계 성능 해석 변수...226
• 9.3 탈설계 성능 해석 결과...229
• 9.3.1 대기 온도 변화...229
• 9.3.2 부분부하 성능 특성...234
• 9.3.2.1 정상상태 연료 유량 증가시 부분부하...234
• 9.3.2.2 기동을 위한 작동 스케줄 계산...245
• 9.3.2.3 PG7221FA 엔진 성능 모사...251
• 9.3.2.4 부분부하 제어...253
• 9.3.2.5 불안정 유동 제어...254
• 9.3.2.6 Program Complex GRAD에 의한 성능해석...260
• 제 3 장 개념설계 요약...265
• 제 1 절 부분품 성능 요약...265
• 1.1 압축기...266
• 1.2 연소기...267
• 1.3 터빈...268
• 1.4 터빈 블레이드 냉각 열전달 설계...269
• 1.5 회전체 및 진동...269
• 1.6 블레이드 진동...270
• 제 2 절 엔진 성능 요약...270
• 제 4 장 결론...272
• 부 록 : Program Complex GRAD...274
• 참고문헌...279