발간 현황

소형 가스터빈엔진의 성능시험을 위하여 시험 리그를 제작하고 데이터가 공개되어 있는 상용 엔진의 성능시험을 수행하여 시험리그의 기능을 검증하였다[7]. 이후 검정된 시험리그를 활용하여 소형 가스터빈엔진의 성능시험을 수행하였으며, 수행된 시험 결과를 바탕으로 제어로직 모사시험 장비에서 사용될 엔진 구동 시나리오를 작성하였다.

엔진의 제어로직을 파악하기 위하여 실제 엔진을 구동하는 것은 엔진의 수명을 단축시킬 수 있다. 시험 중에 발생할 수 있는 위험한 상황을 방지하고 대상 엔진의 보호를 위하여 기구축[8] 되어 있는 제어로직 모사시험 장비를 활용한 시험 환경을 구축하였다.

제어로직 모사시험 장비를 활용하기 이전에 실제 엔진 성능시험 데이터와 모사시험 장비의 데이터를 비교하여 모사시험 장비의 성능을 검증하고 보정을 수행하고자 하였고, 이를 위하여 실제 엔진 시험과 시뮬레이터 시험의 터빈상태를 비교하여 보았다. Fig. 1과 같이 시동구간에서의 터빈상태는 시간에 따라 유사하게 변화하고 있었으나, 터빈상태 변화에서 500 ms의 차이가 나는 것이 확인되었다. 이는 시리얼 통신의 시간지연에 따른 차이로 인하여 발생한 것으로 판단되며, 이에 대한 보정을 수행 후 모사시험을 진행하였다.

Fig. 1 
Verification of engine simulator.

점화기는 공급되는 전류에 따라 동작되며, 공급 전류의 범위는 0∼20 A로 나타난다. 해당 전류는 데이터 측정장비가 계측할 수 있는 범위를 초과하기 때문에, 저항을 연결하여 전류 범위를 0∼8 mA로 낮추어 측정하였다. 시동구간에서의 점화기 상태는 Fig. 2에서 확인할 수 있다. 점화기 신호가 6∼8 mA로 계측되는 상태를 점화기가 작동 상태인 것으로 추측하였다. 그런데 점화기가 작동 상태임에도 불구하고, 1 mA의 낮은 신호가 간헐적으로 계측되었다. 이에 대한 원인은 불명이며, 같은 현상이 시동연료밸브와 주연료밸브의 계측에서도 나타났다. 문제를 해결하지 못하였지만, 점화기의 작동 여부를 판단하기에 무리가 없을 것으로 판단하여 모사시험을 예정대로 수행하였다. 시험 결과에 따르면, 점화기는 시동 시작 시부터 작동되며, 엔진의 회전수가 일정 수준으로 상승하면 정지하였다.

Fig. 2 
Igniter(Glow Plug) state in engine starting.

점화기의 정확한 동작 특성을 분석하기 위하여 엔진의 회전수를 10,500 rpm부터 100 rpm씩 증가시키며 입력하는 시험을 수행하였다. 시험 결과는 Fig. 3과 같으며, 점화기는 엔진의 회전수가 11,000 rpm 이상일 경우에 가동이 중지되었다. 이를 통하여 11,000 rpm 이상의 회전수에서는 점화기의 도움 없이 화염이 유지될 수 있음을 예상할 수 있었으며, 해당 결과를 Table 2와 같이 정리하였다.

Fig. 3 
Igniter(Glow Plug) simulation test results.

시동모터의 제어로직을 파악하기 위하여 시동모터에 공급되는 전압을 계측하였다. Fig. 4의 그림에서 엔진회전수와 터빈상태 변화에 따른 시동모터의 상태를 확인할 수 있다. 엔진 매뉴얼 상에는 터빈상태가 16(Pre Heat 2)일 경우에 시동모터가 작동한다고 정의되어 있다. 그러나 실제 전원 공급은 Last run time = 6 s, 터빈상태가 15(Pre Heat 1)일 때 시작되었으며, 시동모터에 전원이 공급된 이후 1초 뒤에 터빈상태가 16(Pre Heat 2)로 전환되었다. 그러나, 시동모터의 작동으로 인한 터빈의 회전수 검출은 터빈상태 16에서부터 가능하였다.

Fig. 4 
Starter motor state in engine starting.

시동모터의 전원 공급 시점과 터빈의 회전수 검출 시점이 약 1초의 차이를 보이는데, 이는 터빈의 관성에 의하여 모터가 작동하더라도 실제 회전은 지연되었기 때문인 것으로 판단된다. 시동모터는 터빈상태가 3(Acceleration)으로 변한 뒤부터 계속 작동하였으며, 점화기와 마찬가지로 엔진회전수가 일정 수준으로 상승하면 시동모터의 작동이 중지되었다.

시동모터의 정확한 작동 종료 시점을 파악하기 위하여 터빈상태가 3(Acceleration)인 상태에서 엔진회전수 값을 직접 입력하는 시험을 수행하였다. Fig. 5와 같이 시동모터는 엔진회전수가 23,100 rpm 이상일 때 작동이 중지되었으며, 중지된 이후에는 엔진회전수가 감소해도 다시 작동되지 않았다. 이러한 결과를 정리해 보면 Table 3과 같다.

Fig. 5 
Starter motor simulation test results.

연료펌프의 제어로직을 파악하기 위하여 연료펌프에 공급되는 전압을 시동 및 정상운용 구간에서 측정하였다. 연료펌프는 터빈상태에 따라 공급되는 전압이 달라지며, 가속 구간에서는 엔진회전수의 변화에 따라서도 공급 전압이 변화한다. 각 터빈상태에서의 연료펌프 공급 전압은 Fig. 6과 같다.

Fig. 6 
Fuel pump state in engine starting.

연료펌프 제어로직을 파악하기 위하여 수행한 연료펌프 공급 전압 측정 결과를 정리하면 아래 및 Table 4와 같다.

• ① 15(Preheat1) 구간에서 공급 전압은 0 V 유지
• ② 16(Preheat2) 구간에서 공급 전압은 0.25 V 까지 상승
• ③ 2(Ignite) 구간에서 19(Kero. Full. On)까지 공급 전압은 0.25 V 유지
• ④ 3(Accelerate) 구간에서 엔진회전수가 33,000 rpm에 도달할 때까지 공급 전압이 상승
• ⑤ 4(Stabilize), 6(LearnLO) 구간에서 엔진회전수가 IDLE상태로 안정화되며, 엔진회전수 변화에 따라 공급 전압도 변화

시동구간에서의 연료펌프 공급 전압에 따른 연료 유량 변화는 Fig. 7과 같았다.

Fig. 7 
Fuel flow vs. Fuel pump voltage.

대상 엔진의 연료밸브는 시동구간에서 점화 시 사용되는 시동연료밸브와 가속 및 정상운용구간에서 연료를 공급하는 주연료밸브가 있다. 두 연료밸브는 전원이 공급되지 않으면 밸브가 차단되는 NC(Normal Closed) 밸브이고, 전원이 공급되면 밸브가 개방되어 연료가 공급된다. 점화기와 마찬가지로 밸브가 개방인 상태에서도 “0 V”의 공급전원 값이 간헐적으로 계측되지만, 밸브의 개폐여부를 파악하기에는 큰 지장이 없다고 판단되어 시험을 진행하였다. 시험 결과는 Fig. 8, Fig. 9 및 Fig. 10과 같다.

Fig. 8 
Starting fuel valve state in engine starting.

Fig. 9 
Starting fuel valve simulation test results.

Fig. 10 
Main fuel valve state in engine starting.

시동연료밸브는 점화기에 연료를 공급하는 역할을 하며, 동작 시에 빠른 속도로 개방과 차단을 반복하며 연료를 공급한다. 매뉴얼에는 시동연료밸브가 터빈상태 16(Pre Heat 2)일 때 동작이 시작되고 터빈상태 19(Keros.FullOn)일 때 차단된다고 정의되어 있다. 그러나 실제 시험에서는 터빈상태가 2(Ignite)일 때 시동연료밸브가 동작을 시작하였고, 터빈상태 3(Acceleration)에서 밸브가 차단되었다.

시동연료밸브는 점화기와 마찬가지로 엔진회전수가 11,000 rpm에 도달하면 차단되었다. 시동연료밸브가 점화기에 연료를 공급하는 역할이기 때문에 점화기와 동작 종료 조건이 같은 것으로 판단된다. 시험 결과를 바탕으로 시동연료밸브의 시동구간 거동을 정리하면 Table 5와 같다.

주연료밸브는 연소기에 연료를 공급하는 밸브로써, 시동연료밸브와는 다르게 열림과 닫힘을 반복하여 작동하지 않았다. 밸브 개방은 터빈상태 19(Keros.FullOn) 상태에서 시작되었다. 개방 조건은 Last run time으로 보이며, Keros.FullOn 구간에 진입 후 약 17초 후에 주연료밸브가 개방되었다. 연료를 공급하는 주요 밸브이므로, 엔진이 정지할 때까지 개방상태가 유지되었다. 시험결과를 바탕으로 주연료밸브의 거동을 정리하면 Table 6과 같다.

시동구간에서 시동 실패의 주요 원인 중 하나는 연료의 상태이다. 특히 연료는 온도에 민감하기 때문에 추운 겨울이나 고공 조건에서 시동 실패 확률이 높다. 그리고 엔진이 시동할 동안에는 이미 정해져 있는 로직에 따라 연료펌프 명령이 전달되기 때문에 어떠한 조건에서는 충분한 연료가 공급되지 않아 시동이 실패할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 연료의 유량을 조절하는 것이지만 연료 유량을 측정할 수 있는 장치는 대상 엔진과 같은 소형 엔진에서는 적용하기가 어렵다.

일반적으로 연료 흐름은 압력과 밀접한 관계가 있으므로, 연료 분사기 이전의 압력을 조절하면 저온을 포함한 모든 조건에서 충분한 연료 공급이 가능하다. 대상 엔진의 시동연료밸브처럼 빠르게 개방과 차단을 반복하는 동작은 연료압력 조절장치와 같이 연료압력을 조절하는 효과를 발휘하며, 이를 활용한 제어로직 수정을 한다면 낮은 온도조건 및 고공에서의 시동 성능을 향상 시킬 수 있을 것이라 판단된다.

다만, 본 연구에 적용된 엔진은 배기가스 온도만을 측정하고 있어 엔진 입구로 유입되는 공기의 온도 조건을 판단할 수 있는 근거가 없으므로, 추가적인 센서의 부착 및 제어로직의 수정이 선결되어야 시동 성능 향상이 가능할 것이다.

정상운용구간에서의 제어로직 한계값은 주요 파라미터의 한계값 입력에 대한 상태변화를 바탕으로 파악하고자 하였다. 먼저, 엔진회전수와 배기가스 온도의 최소값과 최대값을 입력하여 ECU의 반응을 확인하였다. 모든 시험은 터빈상태가 11(Run)인 정상운용구간에서 진행되었으며, 시험결과는 Fig. 11, Fig. 12 및 Fig. 13과 같다.

Fig. 11 
Min. RPM simulation test results.

Fig. 12 
Max. RPM simulation test results.

Fig. 13 
Min. EGT simulation test results.

최소 엔진회전수는 21,300 rpm이었으며, 이보다 작은 엔진회전수가 입력될 경우, 터빈상태가 8(Slow Down)로 변경되며 엔진이 정지되었다. 엔진 정지 원인을 나타내는 Off Condition은 7(Low Rpm Off)로 나타났다. 엔진회전수의 최대값은 111,200 rpm이었으며, 이를 초과하는 엔진회전수 값을 입력했을 때, 마찬가지로 엔진이 정지하였다. 해당 조건 시 Off Condition은 6(Over RPM)으로 나타났다.

엔진 배기가스 온도의 최소값은 65 ℃이었으며, 배기가스 온도의 최소값 입력에 따른 Off Condition은 10(Low Temperature Off)로 나타났다. 하지만, 배기가스 온도의 최대값에 대한 엔진의 상태변화는 확인할 수 없었다. ECU의 배기가스온도 계측 범위는 –30∼874 ℃이며, 이때의 최대값인 874 ℃를 ECU에 입력해 보았으나 엔진상태의 변화는 없었다. 엔진회전수와 배기가스 온도에 대한 제어로직 한계값을 정리해보면 아래의 Table 7과 같다.