분산발전용 75kW 급마이크로터빈의시제개발 - 설계 / 제작및자력운전시험 - 오종식, 이헌석 * 한국터보기계 충북청원군부용면금호리 256 Prototype Development of A 75kW Class Microturbine - Design/Manufacture and Self-Sustaining Test - JongSik Oh, HeonSeok Lee * KTURBO Inc. 256 Kumho, Buyong, Chungwon, Chungbuk, Republic of Korea Key Words : Microturbine, High-Speed BLDC Motor, Foil Air Bearing Abstract In the paper, the prototype development of a 75kW class microturbine for the distributed generation market is partly presented which has continued with the government funding. In the introduction, an overview of the development of microturbines in the world is presented. A series of development procedures are shown with design, manufacture and self-sustaining tests. During the first year, aerodynamic and structural design/analysis, mechanical design are performed for the compressor, the turbine and the combustor. A premixed lean burn combustor technology is used for the low emission requirements. Foil air bearings and high-speed motors are employed for higher reliability. The self-sustaining conditions have been successfully achieved with the prototype manufactured engine as a preceding operation. 1. 서론 ( 마이크로터빈의개발동향 ) 마이크로터빈 (MicroTurbine) 이란대략 500kW 급이하의초소형발전용가스터빈을뜻하는용어로서 1990 년대에미국을중심으로나타나기시작한분산발전 (distributed generation) 이라는새로운전력시장과함께주목을받아오고있으며, 현재에는미국뿐만아니라유럽과일본등지에서도많이익숙한용어가되었다. 여기서의분산발전 (DG) 이란수십에서수백 kw 급의전력수요가있는중소형주거단지나상업지구에전력을공급해주는독립적인발전시스템을의미한다. 현재의대형중앙집중식발전방법은변화하는전력수요를적절히 한국터보기계 연구소장 (ojs@kturbo.com) * 한국터보기계 대표이사 예측하여문제가발생할경우대처하는능력이떨어지고원거리수요처까지송전하는데에있어서부가적인손실이발생하고있으며순간부하가발생할경우응급대처하는데에어려움이있는등의여러문제점을갖고있다. 반면에, 소형규모의분산발전을하게되면위에열거한문제점을해결할뿐만아니라전력수요를고급화할수있고발전소 ( 특히원자력발전소 ) 의입지난문제를해결할수있으며네트워크를통한효율적인수요자관리체계를운영할수있다. 마이크로터빈개발을선도하고있는업체는미국의 Capstone Turbine 사로서 AlliedSignal 사의 APU(Auxiliary Power Unit) 개발인력일부가설립한벤처기업이다. 1998 년도후반에 30kW 급의제품을시장에첫선을보인이후후속으로나온 60kW 급제품을합쳐서올해 6 월기준으로 2,000 기이상의제품을전세계에판매할정도로성장하고있다. 1
그중에서절반이상이작년도에발생한매출이고이는 2000 년도실적에비해 30% 정도증가한결과일정도로기술수준과영업적인측면모두에서가장앞서가고있는실정이다. 가장소형화된 wrap-around 형태의재생열교환기 (recuperator) 에공기베어링 (air bearing) 을적용하고있고, 초소형인관계로발전효율이 26% 수준으로비교적낮은편이다 (Fig.1 참조 ). Elliott Energy Systems 사는 TA45-60-80 시리즈의제품을현재생산하고있는데, 이들의역사는 1988 년 AlliedSignal 사의인력과 Solar Turbine 사의인력인 2 명이 35kW 급 turbo-alternator 를스스로개발하려하였던것으로부터출발하였다. 1991 년도에는감속기어를장착한발전기로서엔진시험에성공하였고 1993 년에는고속모터 / 발전기의형태로수정하게된다. 그후 1995 년도에 Elliott 사의자금지원으로현재의자회사를설립하게되었고 2000 년도부터 45kW, 60kW 그리고 80kW 급의제품을생산하고있다. 특징은 rich-burn-quick-lean-burn 방식의초소형연소기를채택하였고오일베어링을사용한다. NOx 의수준은천연가스를사용할경우 25ppm 수준으로경쟁사보다높은편이다 (Fig.3 참조 ). Fig.1 Capstone Turbine 30kW MicroTurbine Capstone Turbine 사핵심기술의모체기업일수있는 AlliedSignal 사도역시 1990 년대중반부터기존의 APU 를개조하여 75kW 급의 Parallon 75 제품을개발하였으나 Honeywell 사에합병되면서 Honeywell Power Systems 라는자회사에서 2000 년도부터생산하여판매하기시작하였다. 그러나최근에다시 GE 로흡수되면서현재는잠시대외적인영업을중단한상태로알려져있다. 역시공기베어링을적용하였고고효율재생열교환기를별도로가지는개념을적용하여발전효율은 29% 수준을이루었다 (Fig.2 참조 ). Fig.2 Honeywell 75kW MicroTurbine 2 Fig.3 EES TA45 MicroTurbine Ingersoll-Rand Energy Systems 사의 PowerWorks 70kW 제품은조그만엔지니어링회사였던 NREC 사가 1990 년대중반에개발한제품을흡수하면서전력시장에진입하게되었다. 제품의특징은우선이미검증된터보차저기술을최대한활용하였기때문에다른제품의 2 배이상인 80,000 시간의수명을자랑한다. 또한자체특허를보유한고효율재생열교환기로인해엔진발전효율이 33% 에달하며고속모터 / 발전기대신에파워터빈과감속기어, 그리고일반적인유도발전기를사용한다. 물론오일베어링을사용하며, 천연가스의경우 NOx 가 9ppm 의낮은수준이다 (Fig.4 참조 ). 스웨덴의 Turbec 사는현재 100kW 급의제품을생산하고있는데, 이회사는 1998 년에설립된 Volvo Aero Corp. 과 ABB 간의공동벤처로서볼보사의가스터빈자동차엔진이상용화가늦어지자마이크로터빈발전시장으로전환한것이다. CHP (Combined Heat and Power) 시장을겨냥한 T100 제품은발전효율 30% 에전체시스템효율이 75-80%
Fig.4 Ingersoll-Rand 70kW MicroTurbine 에이른다고알려져있다. 고속모터 / 발전기와오일베어링을채택하였고 60,000 시간의설계수명을가지며천연가스를사용할경우 NOx 가 15ppm 의보통수준이다. 패키지내에배기가스를이용한난방용열교환기가포함되어있기에전체크기가상대적으로큰편이다 (Fig.5 참조 ). Fig.6 Bowman Power Systems TG50CG 수하였다. 2001 년 7 월에첫엔진시험을성공하였고올해상반기에출시할예정이라고하였으나아직까지상품화가완료되지못한것으로보인다. 발표당시에는 400kW 출력이라고하였으나최근에는 350kW 로하향조정하였고, NOx 수준은 10ppm 수준이며발전효율은 29% 수준인것으로알려져있다. 압력비가 8 에달하는원심압축기단단과축류터빈, 그리고파워터빈으로이루어져있으며, 공기베어링을사용한다. 또한고속모터 / 발전기는 TurboGenset 사의특허기술로서통상적으로자기장이반경방향으로구성되지않고축방향으로이루어지는디스크형이다 (Fig.7 참조 ). Fig.5 Turbec 100kW MicroTurbine 시스템업체로서 1994 년에설립된영국의 Bowman Power Systems 사가있는데, 마이크로터빈엔진자체는미국의 Elliott Energy Systems 로부터공급을받고고속발전기나 power electronics 등은자체적으로제작하여판매한다. TG25CG, 50CG, 80CG 등의모델별로 CHP 시장을겨냥하고있으며, 상당히활발한영업을벌이고있다 (Fig.6 참조 ). PWC (Pratt & Whitney Canada) 사는뒤늦게나마 ST5 aero-derivative 엔진을이용하여마이크로터빈시장에진입하기위해서 2000 년시스템패키징을담당하는미국의 DTE Energy Corp. (DTech) 와고속모터 / 발전기를담당하는영국의 TurboGenset 사와공동으로 400kW 급제품 (ENT4000) 의개발에착 3 Fig.7 PWC 350kW MicroTurbine 2. TG75 의설계와구성품제작 당사에서개발중인마이크로터빈도역시 CHP 를포함하는분산발전용전력시장을목표로하고있고, 출력급은 Honeywell 사의제품을벤치마킹하
여 75kW 급으로하였다. 재생열교환기를사용하는 simple 싸이클이고 TIT (Turbine Inlet Temperature) 는수명을고려하여약간낮게설정하여 1,115 K 로하였다. premixed lean-burn 형의연소기를채택하여액체연료 ( 경유 ) 인경우 1 차목표 NOx 가 40ppm 그리고최종목표 NOx 는 25ppm 이다. 다음의 Table 1 에서는설계점사양을보여주고있다. Table 1 Design specifications Parameter Net Electric Power 75 kwe Turbine Inlet Temperature 1115 K Rotational Speed 65000 rpm Air Mass Flow Rate 0.81 kg/s Electrical Efficiency 29% Recuperator Effectiveness 85% Exhaust Gas Temperature 862 K Compressor Pressure Ratio 4 Fig.9 CFD results of compressor impeller 압축기는원심압축기 (centrifugal compressor) 단단의형태로설계하였는데압력비가높은관계로거의천음속 (transonic) 압축기의영역에속하며목표효율은 78% 로설정하였고따라서디퓨져의형태는채널디퓨져 (channel wedge diffuser) 로선정하여설계하였다. Fig.8 은설계된압축기의모습을, 그리고 Fig.9 는최종설계된임펠러의 3 차원수치유동해석을수행한결과를보여주고있다. 임펠러의재질은 SUS630 이며응력해석결과최대응력이항복응력의 62% 수준에해당하는것으로확인되었다 (Fig.10 참조 ). 터빈은단단의구심터빈 (radial-inflow turbine) 으로설계하였는데 85% 라는목표효율을만족하기위해특수한노즐베인을채택하였으며, 최적의목면적 (throat area) 을찾기위해수치유동해석을반복 Fig.10 Stress analysis results of compressor impeller 적으로적용하여형상설계에반영하였다. Fig.11 은최종설계가완료된터빈의모습을, 그리고 Fig.12 Fig.11 Aerodynamic design of turbine Fig.8 Aerodynamic design of compressor 4 Fig.12 CFD results of turbine rotor
는터빈로터의 3 차원수치유동해석을수행한결과를보여주고있다. 로터의재질은 Inconel 713 LC 이며응력해석결과최대응력이항복응력의 60% 수준에해당하도록날개형상과두께를여러번수정하여확정하였다 (Fig.13 참조 ). Fig.13 Stress analysis of turbine rotor 압축기의임펠러와터빈로터는당사가보유하고있는정밀주조설비에서로스트왁스 (Lost Wax) 공법으로제작되었으며, 그모습이 Fig.14 에나타나있다. hydrostatic 베어링이아니라, 베어링주위에있는상압의공기가축이회전함에따라형성되는공기의압력구배에의해스스로축을부양시키는 hydrodynamic 베어링을뜻한다. 제작단가가낮고이론적으로는회전수의한계가없으며시스템의무게를줄일수있어소형화가가능하다. 또한축의비틀림이나비정렬성 (misalignment) 에대해서도적응할수있는정도가다른오일베어링에비해우수하다. 충분한댐핑 (damping) 을주기위해스프링의역할을수행하는범프 (bump) 포일을개발하여 journal 과 thrust 베어링에적용하였다 (Fig.16 참조 ). 여기서의범프포일은해외에서현재분류하고있는가장진보된제 3 세대범프포일계열에속하며당사만의고유한설계로국내외특허로출원중이다. 시동과정지시에발생하는불가피한마찰을위해포일면에특수한코팅을해야한다. Fig.15 Combustor parts Fig.16 Thrust foil bearings Fig.14 Precision cast impellers & rotors 가스터빈용저공해연소기에대한설계기술이아직국내에서는확립되어있지않은상황이지만해외자료를최대한활용하여열설계와성능시험을반복적으로수행해가면서형상설계를확정하도록해야한다. 사용하는연료는경유를기본으로하였으며점화방식은스파크방식을채택하였다. 가장많이적용되고있는예혼합희박연소 (premixed lean-burn combustion) 방식을적용하였고유입되는공기의압력과연소기내의압력손실에따른연소부하그리고압력비에따른체류시간에대한실증실험결과와본연소기의설계결과와비교하였을때상당히안정된영역내에설계점이존재하는것으로확인되었다. 연소기의제작된모습이 Fig.15 에나타나있다. 엔진의베어링으로는오일베어링이아니라자체적으로설계 / 제작된공기베어링을사용하였는데, 포일공기베어링 (foil air bearing) 이란공작기계의스핀들용으로흔히이용되고있는외부에서가압공기를주입하여강제적으로축을부양시키는 축과베어링, 그리고임펠러와로터가함께회전하는회전체에대한진동특성을미리해석하는일은엔진의구조적안정성을위하여무엇보다도중요하다. 벤딩모멘트에의한회전체의고유진동수를해석한결과, 제 1 차임계속도가약 14,000 rpm 에서, 그리고제 2 차임계속도는약 76,500 rpm 으로확인되었다. 제 1 차임계속도는설계회전수아래에있기때문에시동시에순간적으로극복해야한다. 거의모든해외제품과같이발전기는감속기어를통한일반적인유도발전기가아닌고속 BLDC(BrushLess Direct Current) 모터겸발전기를채택하였다. 출력전원은 3 상교류 380-440V/60Hz 이다. 고속 BLDC 모터란유도전동기와는달리회전자 (rotor) 에영구자석을, 그리고고정자 (stator) 에권선을감은동기 (synchronous) 모터를뜻한다. 회전자와고정자의위치를정확히알아서교류전류를흘리는방식이가능하여마치브러쉬가없는직류모터와같은성능을낼수있게되어고출력고속모터에가장적합한형태가된다. 대신에회전자의위치센서와파워스위칭소자가기존의브러쉬의역할을한다. 고속 BLDC 모터를구동하기위해서는직류버스전압을모터구동에필요한전류 5
의파동형태로변환해주는인버터 (inverter) 가필요하다. 광범위한의미에서는고정된주파수를갖는상용전원교류를우선직류로변환하는정류기 (rectifier) 와이를다시고속모터의특성에맞는특정주파수와전압으로변환해주는인버터를포함한다. 모터와인버터모두외부의냉각수를이용해냉각해주도록되어있다. Fig.17 은자체적으로설계 / 제작된고속모터 / 발전기를, 그리고 Fig.18 은역시자체적으로설계 / 제작된구동인버터의시제작된모습을나타낸다. 이다음의 Fig.20 에, 그리고실제로조립되어엔진시험준비하고있는모습이 Fig.21 에나타나있다. 공기베어링을사용하는관계로별도의윤활시스템이없어간단한시스템임을알수있다. 제 1 차년도에서는재생열교환기를해외의 sample 을구매하여장착하였으나제 2 차년도에서는국내에서설계및제작하여교체할예정이다. Fig.17 High-speed Fig.18 Motor drivers Fig.20 Solid modeling of TG75 microturbine motor/generator 가스터빈엔진은매우민감하여정확한엔진제어를통하지않고는시동되기힘들고시동이되더라도다시꺼지기쉽기때문에엔진이정상운전영역에도달할때까지는 5 단계 (crank phase, ignition phase, acceleration 1, acceleration 2, running) 에걸친제어를해주어야한다. 초기시동구간에서는개방형루프제어를통하여연료를공급하게되며, 그후자력운전 (self-sustaining) 회전수에도달하기전까지는연료스케쥴을통하여엔진을가속해야한다. 설계회전수에도달하게되면폐쇄형루프제어로전환하여가감속제어를하게된다. 이와같은제어로직을이용하여엔진제어기를설계 / 제작하였으며실제로엔진에적용하기전에연료계통과코어엔진에대한수학적모델링을통해시동및가감속특성을시험하였다. Fig.19 는자체적으로설계및제작된엔진제어기와전용 DAS 의모습이다. Fig.21 TG75 microturbine ready for tests Fig.19 Engine controller & DAS 3. TG75 엔진조립과자력운전시험 상세설계를통하여엔진전체의조립된모습 6 Fig.22 TG75 microturbine when ignited
고속모터 / 발전기에의해초기모터링이시작되어약 8,000 rpm 근처에서시동이이루어졌고, 그이후계획되어진연료스케쥴을따라엔진의가속이원활하게이루어졌다. Fig.22 는시동이된순간의엔진모습이다. 압축기출구와연소기입구, 그리고터빈출구에서측정한온도와압력을이용하여압축기와터빈간의동력매칭을모니터링하였고, 동시에모터와인버터에서측정한전류와동력등을함께고려하여자력운전점이약 30,000 rpm 부근에서이루어짐을확인하였다. 관계로, 1 년이라는짧은기간내에설계와제작그리고자력운전시험까지성공적으로달성하게되었다. 이는시제개발의대부분을완료하였음을의미하는것이아니라전체적인개발방향이올바로수립되었는가, 그리고처음으로적용하였던몇몇핵심기술이엔진내에서원활히동작하는가를확인하고, 가장어려운단계중의하나인시동과가속그리고자력운전시험을수행해봄으로써적용된기술의확신을갖고자하는데에주목적이있었다. 제 2 차년도에서는목표출력과엔진효율, 그리고배기가스의공해수준등을만족시키는본격적인노력이압축기와연소기구성품시험과그리고그에따르는수정개발을통해이루어질예정이다. Fig.23 Operating line of TG75 microturbine Fig.23 은설계단계에서예측하였던원심압축기의성능곡선도인데, 적색의궤적이엔진의시동부터설계점부하점까지도달하는운전곡선을나타낸다. 현재까지는정지상태에서부터표시된자력운전점까지성공적으로도달하였다. 제 2 차년도에서는계속적인엔진의가속을통해설계점무부하점까지도달하는일과엔진의가감속및부하계통그리고발전모드로의전환등의작업을통해최종목표를달성할계획이다. 4. 맺음말 전세계적으로관심의대상이되고있는분산발전용마이크로터빈시장을대비하기위해장기적인목표로추진하고있는 75kW 급마이크로터빈의독자개발과제와관련하여제 1 차년도성과를요약하여소개하였다. 당사가관련기본적인핵심기술과제작설비 / 인력을모두보유하고있는 7