초록 ▼

본 연구는 1단 원심형 압축기, 환형역류형 연소기, 1단 반경형 터빈으로 구성되는 소형 가스터빈엔진의 시동구간에 대한 성능모델을 개발하고 이 모델을 시험결과 및 엔진 제작사가 제공한 자료와 비교하여 성능모델로 검증하는 것이다. 일반적인 가스터빈엔진의 성능모델은 엔진축 회전수를 기준으로 idle에서 MAX사이의 운전영역에 대한 엔진 정상 및 천이성능을 모델링하나, 본 연구는 idle 이전인 엔진 시동구간을 모델링하여 sub-idle 영역에서 대상 엔진의 운전특성을 예측하고 이를 검증하였다.
엔진 모델은 0차원 열역학적 모델로 주

본 연구는 1단 원심형 압축기, 환형역류형 연소기, 1단 반경형 터빈으로 구성되는 소형 가스터빈엔진의 시동구간에 대한 성능모델을 개발하고 이 모델을 시험결과 및 엔진 제작사가 제공한 자료와 비교하여 성능모델로 검증하는 것이다. 일반적인 가스터빈엔진의 성능모델은 엔진축 회전수를 기준으로 idle에서 MAX사이의 운전영역에 대한 엔진 정상 및 천이성능을 모델링하나, 본 연구는 idle 이전인 엔진 시동구간을 모델링하여 sub-idle 영역에서 대상 엔진의 운전특성을 예측하고 이를 검증하였다.
엔진 모델은 0차원 열역학적 모델로 주유동의 흐름을 따라 엔진 흡입구에서 배기구까지 주요 지점(station)을 설정하고 각 지점에서의 물리적 특성을 해석하였다. 엔진모델에 필요한 주요 구성품의 성능선도(performance map), 시동에 직접적인 영향을 주는 각종 손실모델 및 시동기 모델을 제안하고 시험을 통해 검증하였다.
가스터빈엔진의 시동모델링을 하기 위해서 우선 엔진의 시동메카니즘을 이해할 필요가 있다. 가스터빈엔진을 시동하기 위해서는 압축기와 터빈을 일정 회전수까지 회전시킬 수 있는 외부 조력(start assistor)가 필요하다. 시동에 필요한 외부 조력은 램 에어(ram air)에 의한 윈드밀(windmill)과 전기식 시동기(electrical starter)와 같은 다양한 형태의 시동장치에서 얻을 수 있다. 본 연구의 대상 엔진은 원심형 압축기를 지원하기 위한 정압식 흡입구(static air intake)를 채택하고 있기 때문에 램 에어에 의한 윈드밀 효과가 미미하다. 따라서 본 연구에서는 전기식 시동기(electrical starter)를 이용한 엔진 시동모델을 개발하였다.
엔진 주요 구성품인 압축기과 터빈은 정확한 성능예측을 위해 일반적으로 구성품별 리그시험을 통해 성능특성을 파악하나 다양한 제약으로 일반적으로 대략 50% 이상의 회전수 영역에서만 리그시험을 수행한다. 따라서 시동모델을 개발하기 위해서는 각 구성품의 50% 이상 영역에서 특성만으로 50% 이하 영역에서 특성을 예측하고 이를 바탕으로 시동모델을 개발해야 한다.
본 연구에서는 압축기와 터빈 성능맵을 sub-idle영역까지 확장하는 수학적 기법(component map expansion method)을 제안하고, 이를 바탕으로 예측한 시동특성과 실제 시험결과를 비교 함으로써 제안된 성능맵 확장 기법을 검증하였다.
제안된 모델의 검증시험은 지상시운전실과 고도시험설비에서 각각 수행되었다. 두 설비의 상관관계는 별도의 설비보정 및 비교시험을 통해 확인하였으나 본 연구주제와 연관성이 적어 논문내용에서는 제외하였다.
이렇게 검증된 시동모델을 통해 엔진자체는 다양한 조건에서 엔진 시동에 필요한 토크나 시동시간을 예측할 수 있어 엔진 개발초기 단계에 추진계통의 다양한 성능을 예측할 수 있고, 체계에는 추진계통의 시동 요구도, 엔진 윈드밀링 상태에서의 엔진 항력(저항), 엔진 시동시간 및엔진이 공급할 수 있는 최대 출력과 블리드 공기량 등의 자료를 일차적으로 제공할 수 있다.
이렇게 체계에 제공된 엔진 성능은 반대로 엔진 설계에 피드백되어 시동단계의 엔진 회전수, 점화, 연료스케줄링, 시동단계의 블리드에어 스케줄링 등을 재설계하는 데 사용된다. 또한 구성품 차원에서도 시동과정의 열역학적인 모델링은 압축기의 스톨 마진이나 터빈의 온도 마진등을 예측할 수 있으며 성공적인 시동을 구현하기 위한 엔진 제어를 모사 또는 모니터링이 가능하다.

Abstract ▼

Startup (or Startup process) of a small gas turbine engine could be defined as following steps. At first, compressors and turbines begin to rotate by an external assistant power to induce air and, when it reaches a certain level, an engine starts to inject fuel and to produce combustion energy to ov

Startup (or Startup process) of a small gas turbine engine could be defined as following steps. At first, compressors and turbines begin to rotate by an external assistant power to induce air and, when it reaches a certain level, an engine starts to inject fuel and to produce combustion energy to overcome engine losses. After that it accelerates to idle condition. In this engine startup process, it is possible to say that aerothermodynamics is dominant from right before ignition (10% rpm) up to right before idle condition (90% rpm).
As this paper uses a performance analysis tool, which has an aerothermodynamics characteristics, the study has been focused on the same range which is 10~90% rpm.
To develop an engine model including the startup range, compressor and turbine maps covering the startup range, fuel schedule, assist starter characteristics, and the engine loss characteristics should be modeled as well.
In this paper, a new map expanding method called MPS(Modified Pump Scaling method) has been developed and it expands regular compressor map and turbine map, which have data limited to near idle rpm, down to 10% rpm. As MPS method is based on the Mach number similarity, it could compensate the deformation of velocity triangles of compressors and turbines, which commonly occurs during engine startup process, and provides an improved map expansion capability.
The fuel schedule and the assistant starter characteristics were acquired by the test data from a series of the target engine (K-APU) startup tests, and they were manipulated and used as inputs for the startup model.
The engine loss models were developed by a top-down method. During an uninstalled engine shutdown, only inherent losses make an engine stop. By using this mechanism and the expanded compressor and turbine maps, it can separate the compressor drag portion and the other loss effects of an engine shutdown. By applying this loss modeling method, it generates loss models from test data, simulates an engine startup, and compared the simulation results with the test data to verify the modeling method. Also based on a reference engine data, it develops numerical loss models of the target engine (K-APU) and simulates the engine startup. By comparing the modeling results with the test data, the loss models are verified. This study shows what are the proper range and the proper approaching method for the engine startup study from the aerothermodynamics’ point of view. MPS, an improved compressor map and turbine map expansion method, and engine loss modeling method, which is based on test data or reference engine data, have been developed and verified.
The engine startup modeling study in this paper will be able to contribute to domestic independent gas turbine development programs as a key technology.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 요약문 ... 3
• SUMMARY ... 4
• CONTENTS ... 5
• 목차 ... 6
• 제1장 서론 ... 7
• 제1절 개요 ... 7
• 제2절 연구배경 및 문헌조사 ... 8
• 1. 엔진시동관련 ... 8
• 2. 압축기, 터빈 맵 확장 ... 10
• 제3절 시동 시뮬레이션 기법연구 개요 ... 13
• 1. 개요 ... 13
• 2. 주요인자 ... 14
• 3. 동특성 모델링 ... 19
• 4. 가정과 한계 ... 22
• 제2장 본론 ... 24
• 제1절 시동모델 개발 ... 24
• 1. 개요 ... 24
• 2. 손실 ... 25
• 제2절 검증시험 ... 33
• 1. 개요 ... 33
• 2. 성능시험 ... 37
• 3. 지상 시동시험 ... 41
• 4. 고공환경 시동시험 ... 46
• 제3장 결과 ... 55
• 제1절 검증 ... 55
• 1. 개요 ... 55
• 2. 결과 ... 55
• 제2절 결론 ... 61
• 1. 시동 시뮬레이션 기법연구 ... 61
• 2. 시동모델 개발 ... 62
• 3. 시동시험 데이터 분석 ... 62
• 4. 시동모델 검증 ... 62