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홍진 우
5 years ago
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1 18 Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers Vol. 21, No. 3, pp , 17 Research Paper DOI: Coast Down 시험데이터를이용한가스터빈엔진시동모델연구 김선제 a, * 김용련 a 민성기 a Study of Gas-turbine Cranking Model using the Coast Down Experimental Results Sun Je Kim a, * Yeong Ryeon Kim a Seongki Min a a The 4 th R&D Institute - 5 th Directorate, Agency for Defense Development, Korea * Corresponding author. kimsj@add.re.kr ABSTRACT Appropriate selection of the starter is essential for successful starting of the gas-turbine engine. Thus, aerodynamic drag during starting phase should be analyzed to assess the feasibility of the starter. In this paper, aerodynamic drag is modeled based on the speed profile from the engine coast down test, and it is scaled with respect to the target engine by comparing the compressor load. Afterward, the govern equation of the starting phase is developed with the torque model of the starter, and the design scheme to select the feasible starter will be finally suggested. The proposed model of starting phase will be useful to perform a preliminary design of the starting system of the gas-turbine engine. 초 록 가스터빈엔진의시동점화조건달성및시동가속을위해서는엔진에적합한시동기를선정하여야한다. 이를위해서는시동크랭킹과정의공력저항을예측하여시동성능을파악하여야한다. 본논문에서는기개발엔진의 Coast down 시험을통하여획득된엔진속도프로파일데이터를바탕으로엔진주축에인간되는공력저항을도출하고, 압축기부하를기준으로한스케일링을통해대상엔진의공력저항을모델링하였다. 이후, 공력저항모델과공기시동기 (ATS) 의토크성능선도를엔진시동모델에적용함으로써, 엔진시동에적합한시동기를선정하는방법을제시한다. Key Words: Gas-turbine Engine( 가스터빈엔진 ), Air Turbine Starter( 공기시동기 ), Cranking( 크랭킹 ), Aerodynamic Drag( 공력저항 ), Coast Down Test( 타행시험 ) Received 1 June 16 / Revised 3 December 16 / Accepted 3 January 17 Copyright C The Korean Society of Propulsion Engineers pissn / eissn [ 이논문은한국추진공학회 16 년도춘계학술대회 ( , 제주샤인빌리조트 ) 발표논문을심사하여수정 보완한것임.] 1. 서론 가스터빈엔진의시동을위해서는외부동력을 This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License( /licenses/by-nc/3.) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

2 제 21 권제 3 호 Coast Down 시험데이터를이용한가스터빈엔진시동모델연구 19 이용해엔진을가속시켜연소기에안정적인점화가가능한공기를공급해야한다. 가스터빈엔진의시동방식에는공기시동기, 유압시동기, 전기시동기, 가스발생기등을이용한강제시동방식과엔진내부로유입되는공기를이용하는윈드밀링 (Wind-milling) 방식이있다. 이중, 공기시동기 (Air Turbine Starter, ATS) 는별도의공기공급장치를필요로하지만, 중량대출력비가높아항공용및산업용으로널리사용된다 [1]. 본논문에서는공기시동기를이용한강제시동방식의시동모델링에대한연구를진행하였다. 엔진의초기시동성능에는오일점성저항, 기어시스템및펌프계통의기계적손실과부하조건, 엔진로터축의회전관성모멘트 (Rotational inertia), 압축기에의한공력저항 (Aerodynamic drag), ATS 성능, 연소기성능등이관련된다 [1]. 연소기에점화가일어나기전인크랭킹 (Cranking) 단계에서는압축기의공력저항이시동크랭킹가속에주요한영향을미친다. 하지만, 이러한시동저항은해석적으로예측이어려운한계가있다. 따라서, 본논문에서는크랭킹단계에서의압축기공력저항을엔진의타행시험 (Coast down test) 결과를이용해모델링하고자한다. 또한, 이를바탕으로시동신뢰성과성능을확보할수있는공기터빈시동기를선정하는방법을제안한다. 본논문의 2장에서는가스터빈엔진의시동구간에서의지배방정식을유도하고, ATS 시동토크와압축기공력저항에대한관계를기술한다. 3 장에서는 Coast down 시험결과를기반으로압축기공력저항을모델링한다. 4장에서는이러한공력저항모델과 ATS 토크모델을이용해시동시간을예측하고, 적정 ATS 선정방안을소개한다. 한감쇠, 손실은무시, 4) ATS-엔진주축간기어손실은무시한다. 2번 3번가정에서언급된저항의경우시동크랭킹단계에서는압축기공력저항에비해무시할수있는값이므로가정에무리가없다고판단된다. 가스터빈엔진의시동구간은시동기작동및연소실점화상태에따라서크게다음의 3구간으로구분할수있다 [2]. 1 Stage 1: 시동기작동구간 (~% 엔진 RPM) 엔진시동크랭킹초기단계로압축기가연소기에공기를송풍하는수준으로낮은압축비를생성시키면서, 시동기의시동토크로만엔진을가속시킨다. 따라서시동기에서공급하는토크 (τ ATS,I, [Nm]) 는압축기의공력저항에의한토크 (τ c,i, [Nm]) 와주축의회전관성에의한토크 (, [kgm 2 /s 2 =Nm]) 와동일하다. (1) 2 Stage 2: 시동기 + 터빈작동구간 (< 엔진 Idle RPM) 시동기를이용한크랭킹후, 연소기의점화및연소를통해엔진가속을위한동력으로터빈에의한가속토크 (τ t,ii, [Nm]) 가추가된다. (2) 3 Stage 3: 터빈작동구간 (> 엔진 Idle RPM) 안정적인터빈동력을확보한상황까지엔진이가속된이후에시동기는엔진주축에서분리되고, 터빈에서발생한토크만으로압축기를작동시킨다. 2. 시동구간가스터빈엔진 Dynamics (3) 본연구의대상엔진은단축가스터빈엔진으로다음을가정한다. 1) 압축기와터빈은동일축에위치, 2) 크랭킹상황에서터빈에의한공력저항은무시, 3) 엔진주축마찰및오일점성에의 Fig. 1은앞서언급한엔진작동 Stage 간회전저항및회전토크에대한그래프이다 [2]. Stage 1에서회전토크는공기시동기에의한토크로, 공기시동기의출력속도가상승함에따라서출력

3 김선제 김용련 민성기한국추진공학회지 Fig. 1 Propulsion and resistance torques of the gas-turbine engine[2]. 토크가선형적으로감소하는경향을갖는다 [1]. 이후 Stage 2에서공기시동기와터빈동력이엔진을가속시키고, Stage 3에도달하여공기시동기가동력을전달하지않는시점 (6% RPM) 에회전가속토크가비연속적으로감소되는경향을보인다. Fig. 1의푸른색파선은회전저항으로, 압축기의공력저항이주요하여회전속도가증가함에따라다차다항식형태로증가한다. Fig. 1 에서붉은색실선 ( 회전토크 ) 과파란색파선 ( 회전저항 ) 의차는엔진을가속시키는토크를의미한다. 진을지상시험조건 (14.7 psia, 283 K 흡입구조건 ) 에서고압공기를터빈에입력하여주축속도를최대 37% RPM까지 Dry 크랭킹을통해상승시킨후 Coast Down을수행하였다. 일정시간후, 32% RPM부터정지시까지계측된주축속도데이터를회전저항모델링자료로사용하였다. 회전속도는자체개발속도센서를이용하여측정하였으며, 저역통과필터및비교기를거친후처리과정을통해속도데이터를확보하였다. 기준엔진에대한 Coast Down 시험을통하여코어부로터의회전속도와속도변화율을계측한결과는 Fig. 2와같다. Coast Down 시험시속도변화율과회전저항간의관계는다음식으로표현이가능하므로, 엔진회전속도변화율 ( ) 을이용해엔진의회전저항 ( ) 을구할수있다. (4) 위식을통해계산된회전저항은 Fig. 3과같다. 저속구간에서점성및마찰손실로인한회전저항예측의오차가발생하나전체적으로항력이압축기 Tip의선속도의제곱에비례하기때문에속도의제곱에관한식으로표현이가능하다. (5) 3. Coast Down 시험기반회전저항모델 3.1 회전저항모델링가스터빈엔진시동시회전저항은압축기의공력저항을포함하여, 마찰저항, 동력축간에너지손실, 오일점성등여러요인이복합적으로작용하기때문에, 수치적으로계산하기에는어려움이있다. 본논문에서는일반적으로자동차주행저항을계산하는데이용하는타행시험 (Coast down test) 을통해시동시엔진에작용하는회전저항을모델링하였다 [3]. Coast Down 시험은엔진을크랭킹하여일정회전속도에도달시킨후무부하, 비연소조건으로정지시까지의회전속도변화를계측하는시험이다. 본연구에서는기준이되는가스터빈엔 회전저항모델의계수인 는실험적으로구할수있으며, 이에대한물리적의미는다음장에서소개한다. 3.2 압축기성능기반모델 Scaling 앞장에서도출한회전저항모델을타엔진에적용하기위해서압축기의유량, 압력비및압축효율에관한압축기성능을기준으로모델을 Scaling하는방법에대해서제안하고자한다. 시동크랭킹구간에서의주요회전저항인압축기공력저항은단열조건에서의압축기일을계산함으로써유추할수있다. 압축기전, 후단의전온도차 ( ) 에의해서다음과같이압축기에필요한동력 ( ) 을계산할수있다.

4 제 21 권제 3 호 Coast Down 시험데이터를이용한가스터빈엔진시동모델연구 21 % RPM 3 1 Coast Down Test Results Angular Speed -1*Angular Accel Time Ratio Fig. 2 Engine RPM result from the coast down test *Angular Accel [%RPM/sec] (8) (9) 위두식을앞선압축기동력에관한식에대입하고, 토크값으로변환하기위해, 회전속도로나누면다음의식으로정리된다. (1) Drag ratio [Drag/Max.Drag] Drag model Drag Drag model % RPM Fig. 3 Engine drag model based on the coast down test. (6) 압축기후단전온도를압축기효율 ( ) 과등엔 트로피조건에서의전온도 ( ) 로치환하고, 이를다시압력비 ( ) 로치환하면다음의식으로정리가가능하다. (7) 이때, 압축기유입유량은엔진회전속도에비례하고, 압축기일은엔진회전속도의제곱에비례하기때문에 [4], Reference 조건에서의압축기성능과비교하여다음과같이표현이가능하다. 이를앞장에서유도한회전속도의 2차에대한회전저항모델에대입하면, 회전저항모델의계수 는다음과같이표현할수있다. (11) 이때, Reference 조건으로는엔진시동크랭킹속도구간과가장근접한설계조건, 즉엔진 Idle 조건을적용하는것이타당하다. 성능이다른타엔진에대한회전저항모델은앞서계산한회전저항모델의계수 값을서로비교함으로써, Scaling을할수있다. 이때, 과 는값 1을기준으로엔진마다약간의편차가있을수있으나, 본논문에서는새로운엔진에대한시험데이터가전무한조건을산정하여 Reference 엔진과동일한값으로가정한다. 따라서다음의모델로회전저항 ( ) 을예측할수있다. 4.1 시동간 ATS 부하 4. ATS 를이용한엔진시동분석 (12) 시동크랭킹구간에서각속도조건에서엔진

5 22 김선제 김용련 민성기한국추진공학회지 % Torque(Torque/Max. Torque) ATS output characteristics 1 Torque (Max. Air pressure) Power(Max. Air pressure) 8 Power (2/3 Max. Air pressure) 6 Torque (2/3 Max. Air pressure) % Power(Power/Max. Power) %RPM Fig. 4Required torque of the air turbine starter at steady state condition[1]. 과 ATS 의토크선도를그래프로표현하면 Fig. 4 와같다 [1]. a 지점까지는 ATS의동력만으로엔진을크랭킹하기때문에 ATS의정상상태토크 (Steady state torque) 는엔진의회전저항과동일하다. a 지점이후, 연소에의한터빈동력이발생하게되면, 정상상태 ATS 토크는점차감소하게되고, 일정속도에서는터빈동력이회전저항을모두감당할수있게되어, ATS의정상상태토크는음의값이된다. 하지만, 여기서음의 ATS 토크는가속이없는정상상태에서의토크를의미하므로, 가속이발생하는실제시동상황에서 ATS에역부하가걸리는것을의미하지는않는다. b 지점이후는 ATS 동력이차단된상태를의미한다. Fig. 4에서최소요구토크와최대허용토크사이에위치하는 ATS 토크 ( 파란색실선, ATS max. torque) 와 ATS 정상상태토크의차이가엔진회전가속도를발생시키는동력을의미한다. 4.2 ATS 토크모델링및시동시간예측 ATS는일반적으로 Fig. 5와같은토크및파워출력선도를갖는다. 입력공기압에따라서토크출력량은달라지나, ATS RPM 대비출력토크는선형적으로감소하는경향을가진다. 따라서, ATS 출력토크는 Eq. 13과같은선형식으로근사모델링을할수있다 [1]. Fig. 5 Torque and power characteristics of the air turbine starter with variable inlet air pressure. (13) 이때, d는 ATS 최대출력토크이며, c는 ATS RPM에따른토크감소율을의미한다. 본논문에서는연소기에점화가일어나기전인드라이크랭킹 (Dry cranking) 상황에집중하여, 적정 ATS를선정하고자한다. 따라서, 앞선 2장에서설명한 Stage 1의상태식에 ATS 토크모델과 3장의회전저항모델식을대입하여시동크랭킹시간을예측한다. (14) 이때, 백래쉬와 PTO축의비틀림을무시할경우 ATS 속도는 PTO 축의기어및기어박스기어비 ( ) 를통해표현이가능하므로, 위의식은다시다음의식으로정리된다. (15) 위식은시간에대한미분항 ( ) 을포함하고있으므로, 수치적인계산을위해미소시간에대한 로이를치환하고, 미소시간에대한각속도및토크를계산하였다. 이를통해 ATS를이용한점화 RPM까지의시동시간과각속도선도, 최대크랭킹 RPM을계산할수있다. Fig. 6은

6 제 21 권제 3 호 Coast Down 시험데이터를이용한가스터빈엔진시동모델연구 23 % Torque(Torque/Max. ATS Torque) Gas-turbine Engine Cranking Phase ATS output torque Starting time Drag torque Time Rotor RPM Firing RPM 5 Max. Cranking RPM 3 1 Fig. 6 Engine resultant speed with ATS and resistance torques during cranking phase. ATS 출력토크 ( ) 와엔진의회전저항 ( ), 그리고이에따른엔진속도 () 변화를표현한그래프이다. 시간이흐름에따라엔진 RPM은증가하고, 이로인해공력저항이증가하기때문에회전저항은증가하게된다. ATS는 RPM에따라선형감소형태의토크출력을가지기때문에 RPM이증가함에따라토크가감소하게된다. 그래프의 ATS 토크선도와시동저항간의차이는주축의각속도변화량과일치한다. 따라서, 각속도는초반최대 ATS 토크가주어질때급격하게증가하다가일정시간이지나면회전저항과 ATS 토크가서로일치하게되어, 더이상증가하지않고포화 (Saturation) 상태를유지한다. 이때포화상태의 RPM이최대크랭킹 RPM (Max. Cranking RPM) 이다. Fig. 6에표시된것처럼, 점화 RPM (Firing RPM) 까지의시간이시동시간 (Starting time) 이며, 이는체계의요구조건에맞춰목표를설정하여야한다. 4.3 적정 ATS 선정방법 적정 ATS를선정하기위해서는먼저, 개발대상엔진에대해 3, 4장에서유도한가스터빈엔진및 ATS성능모델을구현한다. 이때, 선정대상 ATS 성능을공기공급유량, 공급압력을기준으로 ATS의성능모델을보정해야한다. 다음으로, 점화가일어나는엔진속도를설정한후에, 해당속도에도달하는데소요되는시간을 4.2장의 Eq. % RPM 15를통해구한다. ATS만으로크랭킹할수있는최대엔진속도는 Fig. 6과같이예측할수있다. 이는, 연소효율즉, 연소에의한시동동력이부족한경우를대비하여최대크랭킹속도마진을확보하기위한것으로, 시동가속구간의시동성능마진으로확보할수있게된다. 이러한과정을통해, 점화가능속도도달시간및최대크랭킹속도의평가를통하여, 최적의 ATS를선정한다. 이러한, 일련의과정은 ATS 선정뿐만아니라, 기어박스의기어비를설계하는데이용할수있다. 5. 결론본논문에서는가스터빈엔진의시동크랭킹시부하로작용하는회전저항을 Coast Down 시험을통해모델링하고, 이를압축기의공력저항식에기반하여모델링하는기법에대해소개하였다. 이는, 엔진압축기의저속구간성능, 즉고입사각의압축기운용에따른압축기성능의해석적접근이어려운회전저항을 Coast down 시험자료를기준으로공력저항으로근사함으로써, 시동구간에서의엔진의거동을단순화할수있는방법이다. 이와더불어, ATS의성능모델을대입하여시동크랭킹구간에서의엔진크랭킹시간을예측하는데적용함으로써, 개발엔진에대한시동시스템설계에유용하게활용할수있을것이다. 본시동모델은추후다양한엔진의시동크랭킹가속시험과 Coast Down 시험데이터를확보함으로써모델정확도를높일수있을것이며, 엔진점화후터빈의동력특성을모델에반영함으로써, 엔진점화, 시동가속구간까지모델링하여엔진시동모델링을완성하는데사용될수있을것으로판단된다. 후기본연구는방위사업청의선도형핵심기술개발

7 24 김선제 김용련 민성기한국추진공학회지 과제중 무인항공기용터보팬코어엔진시제개발및성능평가 과제의지원에의해수행되었으며, 이에감사드립니다. References 1. Lim, B., Rhee, D. and Ahn, I., Preliminary Design Procedure of Electric Starting System for Small GasTurbine Engine, Proceedings of the 1 KSPE Fall Conference, Jeju, Korea, pp , Nov Alabin, M.A., Kats, B.M. and Litvinov, Y.A., Starting of Aircraft Gas Turbine Engines, Foreign Science and Technology Center, FSTC-HT , Park, J.G., Introduction of Road Load Measurement Method using the Coastdown Test, Journal of Korea Society of Automotive Engineers, Vol. 22, No. 2, pp ,. 4. Agrawal, R.K., Yunis, M. A Generalized Mathematical Model to Estimate Gas Turbine Starting Characteristics, Transactions of the ASME, Vol. 14, Issue 1, pp , 1982.

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE Nov.; 26(11),

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2015 Nov.; 26(11), 985991. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2015.26.11.985 ISSN 1226-3133 (Print)ISSN 2288-226X (Online) Analysis