실험데이터 기반 마이크로 가스터빈엔진 탈 설계점 성능해석

2.1 마이크로 가스터빈엔진

본 연구에서 사용된 AMT사의 Olympus HP Engine은 추력 50 lbf급의 마이크로 가스터빈엔진이다. 엔진은 1단 원심 압축기, 직류형 연소기, 1단 축류터빈으로 구성되어있다. 연료는 윤활유(Aeroshell 500)를 4.5% 혼합한 케로신을 이용하며, 점화는 글로우 플러그를 통해 이루어진다. Table 1에 엔진의 주요 제원을 제시하였다. 엔진의 원활한 초기시동을 위하여 엔진 축과 연결되어 있는 전기모터를 이용하며 초기시동 후 일정 회전수에 도달하면 엔진 축과 분리된다. 엔진은 테스트 스탠드와 연결되어 있으며 테스트 스탠드에는 연료 공급을 위한 연료펌프, 연료 유량 측정을 위한 소형 터빈유량계(OC X00-10-X, Orbit Control사), 엔진 추력 측정용 로드셀(MLP-200, Transducer Techniques사), 회전수 측정을 위한 RPM 센서가 장착되어 있으며 Fig. 1에 엔진 성능시험 리그가 구축된 사진을 제시하였다.

Table 1.

Olympus HP engine specification.

Fig. 1

Micro engine test rig.

2.2 시험장치 구성

마이크로 가스터빈엔진의 성능측정을 수행하기 위하여 엔진이 작동하는 동안 엔진 입구(T_t1, P_s1), 압축기 출구(T_t3, P_s3, P_t3), 연소기 출구(T_t4, P_t4), 터빈 출구(T_t5, P_t5), 노즐 출구(P_t6)에서 작동유체의 온도와 압력 측정을 수행하였으며 측정 위치는 Fig. 2에 제시하였다. 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.

Fig. 2

Temperature and pressure measuring points.

2.3 엔진 제어실 구성

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. LabVIEW를 활용한 온도 측정 모니터링 시스템은 Fig. 3에 제시하였다. 또한 캠코더 카메라를 이용하여 제어실 내부에서 엔진의 작동상황을 실시간으로 모니터링 할 수 있도록 구성하였다.

Fig. 3

Schematic of the temperature and pressure monitoring system.

2.4 엔진 성능측정

엔진의 작동은 AMT TC V202 소프트웨어를 통하여 자동 또는 수동모드로 제어된다. 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. 4에 제시되어 있다.

Fig. 4

Engine operation with time.

Fig. 5와 Fig. 6는 엔진보정회전수에 따른 온도와 압력측정 결과는 나타낸 것이다. 이때 온도 및 압력은 엔진시험이 5 분 이내 완료되며, 시험전후 대기온도의 최대 편차는 0.5 ℃ 이내로 큰 변화가 없어 실험데이터를 보정하지 않고 도시하였다. 엔진 최대 보정회전수인 108,500 rpm에서 압축기 출구에서의 온도는 491.36 K, 연소기 출구에서의 온도는 1236 K로 측정되었다. 압축기 출구에서의 전압력은 379.18 kPa로 측정되었으며 이때 압축비는 3.743으로 계산되었다.

Fig. 5

Temperature with corrected rpm.

Fig. 6

Pressure with correct rpm.

Fig. 7은 엔진보정회전수에 따른 엔진흡입공기유량을 나타낸 것이다. 측정된 온도와 압력데이터를 토대로 보정 엔진흡입공기유량을 계산하였으며 계산 결과 엔진 최대보정회전수에서 0.4920 kg/s로 계산되었다. Fig. 8은 엔진보정회전수에 따른 압축기 효율을 나타낸 것이다.

Fig. 7

Engine intake air mass flow with corrected rpm.

Fig. 8

Compressor efficiency with corrected rpm.

압축기 isentropic 효율 계산은 Eq. 1을 이용하여 계산하였다. 이때 엔진이 지상정지 조건에서 작동되므로 압축기의 압력비 계산 시 대기압력을 측정하여 이를 압력비 계산에 이용하였다. 압축기 isentropic 효율은 엔진 최대보정회전수에서 76.3%의 효율로 계산되었다.

2.5 연소 효율 측정

본 연구에서 사용된 엔진의 연소 특성을 분석하기 위하여 연소 효율 측정을 수행하였다. 연소효율 측정은 크게 가스의 엔탈피를 이용한 계산방법과 배기가스 성분 분석방법으로 나누어진다. 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 측정 시 주로 이루어지는 방법인 배기가스 분석을 이용하여 연소효율을 계산하였다. 연소 효율을 측정하기 위하여 터빈 출구(P_t5)에서 포집한 배기가스를 배기가스 성분분석 장치(Testo 350-XL, Testo 사)와 연결하였다. 장치의 제원은 Table 2에 제시하였다. 엔진은 배기가스 성분분석 장치의 탄화수소와 일산화탄소의 수치의 변화가 안정화 될 때까지 작동하였으며, 측정된 수치를 Eq. 2~4에 적용하여 연소 효율을 계산하였다. 이때 $$ \dot{m}$$은 질량유량, LHV는 Low Heating Value를 의미한다.

Table 2.

Emission analyzer specification.

Fig. 9은 엔진보정회전수에 따른 연소 효율 측정결과를 나타낸 것이다. 회전수가 증가함에 따라 연소 효율도 증가하는 것을 확인하였으며, 마이크로 가스터빈엔진에 사용되는 Vaporizer를 갖는 직류형 연소기의 연소 효율은 대체적으로 80~90% 영역에 존재하는 것을 확인하였다. Vaporizer 분사장치를 가지는 연소기의 연료 분무성능은 연료의 가열에 의한 증발효과로 대체적으로 결정됩니다. 따라서 엔진 회전수 증가에 따라 분무압력이 증가되어 연료입자의 미립화가 향상되는 효과는 연료증발효과에 비해 상대적으로 미소하게 나타나게 되어 전 회전수 영역에서 연소효율이 유사한 수준으로 나타난다고 판단된다. 엔진 최대보정회전수에서 연소효율은 88.14%로 측정되었다.

Fig. 9

Combustion efficiency with corrected rpm.

2.6 설계점 성능해석

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. 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 성능해석결과가 1.6% 이내로 엔진을 모사할 수 있음을 알 수 있었다.

Table 3.

Design point analysis at corrected speed 108,500 rpm.

2.7 압축기 및 터빈 성능선도

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 C 를 이용하여 진행하였다. Fig. 10~11은 엔진회전수 88.6% 영역에서의 유량 대 효율 및 압축비 대 효율을 나타낸 것이다. 위 데이터를 바탕으로 구성한 압축기 성능선도에 작동선을 나타낸 결과는 Fig. 12에 제시하였다. 성능선도의 x축은 공기유량을 나타내며 y축은 압축비를 나타낸다. 압축기 효율은 등고선 형태로 나타나 있으며 설계점은 엔진최대회전수 영역이다. 압축기 성능선도를 통해 엔진 회전수에 따른 압축기의 부분부하 성능을 예측할 수 있다. 터빈의 성능선도의 경우 Gasturb 12에 내장된 터빈 성능 맵을 이용하였다.

Fig. 10

Compressor isentropic efficiency with mass flow(@speed value = 0.8860).

Fig. 11

Compressor isentropic efficiency with pressure ratio(@speed value = 0.8860).

Fig. 12

Micro gas turbine compressor map.

2.8 지상 정지조건 탈 설계점 성능해석

지상 정지조건 탈 설계점은 엔진의 설계점 이외의 지상 정지시의 모든 조건에서의 엔진의 작동을 의미한다. 본 연구에서 구성한 압축기 성능선도를 엔진 성능해석 프로그램인 GasTurb12에 적용하여 탈 설계점 성능해석을 수행하였으며 실험을 통해 측정한 데이터와 비교분석 하였다. Fig. 13는 엔진의 성능지표인 추력과 비 연료소모율의 실험값과 탈 설계점 성능해석 수행결과를 비교한 결과이다. 추력은 대부분 엔진회전수 영역에서 5 %이내의 편차를 보였지만, 80 % 회전수 영역에서 8.05%로 나타나는 것을 확인하였다. 비 연료소모율은 모든 엔진회전수 영역에서 5% 이내의 편차로 엔진 성능측정 값과 유사한 경향을 보였다.

Fig. 13

Thrust and specific fuel consumption with corrected rpm.