가스터빈 블레이드 팁 간극 제어 시스템 설계 및 검증 PartⅠ: 설계 및 단일 리그 시험

2.1 터빈 간극 제어 시스템 개념

본 논문에서 소개하는 터빈 간극 제어 시스템은 당사에서 개발 중인 발전용 가스터빈의 성능 개선을 목적으로 개발되었다. 본 제품은 가스터빈 엔진의 각 운용 조건에서 독립된 터빈 팁 간극을 제공하도록 설계되었으며, 기본 원리는 터빈의 1단, 2단 블레이드와 상대하는 고정자를 반경 방향으로 조정하여 간극을 제어하는 방식이다.

가스터빈 엔진의 운용 조건 중 과도조건(Transient Conditions)은 시동, 정지, 부하 변화 상황을 의미하며 과도조건 동안 가스터빈 엔진의 각 구성품은 급격히 변화하는 온도와 압력에 의한 열응력을 받을 수 있다. 본 제품은 가스터빈 엔진의 과도조건에서 터빈의 팁 간극을 증가하도록 설계되었으며, 열팽창에 의한 회전자와 고정자 간의 간섭을 방지하여 운전 안정성을 보장한다. 가스터빈 엔진의 정상상태 조건(Steady-State Conditions)은 엔진이 일정한 운전 조건에서 안정적으로 작동하는 상태를 의미한다. 정상상태 조건에서 터빈의 팁 간극을 최소화하여 연소 가스의 에너지를 최대한 회전자에 전달할 수 있게 하여 터빈의 효율성과 출력을 향상시킨다.

가스터빈 엔진의 각 구성품은 고온과 고압 조건에서 안정성과 긴 수명 주기를 확보되어야 한다. 따라서 정밀한 구조 설계와 소재의 선정은 엔진 설계의 중요한 고려사항이다. 터빈 간극 제어 시스템은 터빈 케이싱에 장착되어 운전되는 가스터빈의 한 구성품으로써 가혹한 조건에서도 안전하게 작동할 수 있는 구조와 소재가 선정되어야 한다.

2.2 개발 절차

터빈 간극 제어 시스템의 적용 가능성을 판단하기 위해서 당사는 제품과 시험 장치를 설계, 제작하고 두 단계의 시험을 수행하였다. Fig. 1은 제품 개발 흐름도를 나타내며, 제품의 개발 절차는 시작, 기본 및 개념 설계(Basic & Concept Design), 운전 스킴 설계(Operation Scheme Design), 상세 설계(Detailed Design), 제조(Manufacture), 단일 리그 시험, 전체 리그 시험, 종료로 구성된다. 본 제품과 제품의 시험 장치는 당사에서 자체 개발하였며, 터빈 간극 제어 시스템은 작동 원리에 따라 스크류식(Screw Type)과 공압식(Pneumatic Type)의 두 가지 유형으로 설계되었다. 단일 리그 시험에서는 엔진 작동 조건에서 각 유형과 소재의 전반적인 작동 가능성을 검증하였으며, 시험 결과를 비교하여 가장 적합한 유형과 소재를 선정하였다. 단일 리그 시험을 통해 최종으로 선정된 유형과 소재를 대상으로 전체 리그 시험을 진행하였으며, 이와 같은 개발 절차를 통해 터빈 간극 제어 시스템의 성능과 신뢰성을 검증하고, 최적의 설계를 도출하였다.

Fig. 1

Flowchart of DACC development

3.1 스크류식 터빈 간극 제어 시스템 모델링

Fig. 2는 스크류식 터빈 간극 제어 시스템의 단면도를 나타내고 있다. 본 유형은 터빈 케이싱 외부에 설치된 링과 링크를 회전시킴으로써 케이싱 내부에 장착된 축과 푸셔(Pusher)를 회전하게 하며, 이와 결합되어 있는 스크류 부시(Screw Bush)의 나사 구조 형상에 의해 링 세그먼트(Ring Segment)를 반경 방향으로 움직일 수 있도록 설계되었다. 또한, 케이싱과 세그먼트 부재(Segment Member) 사이에 복원력을 작용하는 탄성 복원 장치(Elastic Restoration Component)가 설치되어 있다. 이 장치는 링 세그먼트를 반경 방향 외측으로 견인하는 힘을 제공하며, 외력이 감소함에 따라 링 세그먼트를 다시 원래 위치로 복원하는 역할을 수행한다. 이와 같은 설계를 통해 터빈 블레이드와 링 세그먼트 사이의 간극을 제어할 수 있다.

Fig. 2

Sectional view of screw type turbine clearance control system

스크류 부재에 가해지는 하중이 증가함에 따라 높은 응력 및 구성요소 간의 마찰이 발생할 수 있다. 이로 인한 제품의 손상을 방지하기 위해, 마찰 운동하는 부품의 접촉면에는 깊이 0.2mm 이상, HRC 49.1 이상의 표면경화법을 수행하고, 표면 거칠기는 0.4 이하로 설계하였다. 또한, 분해 점검을 통해 관찰되는 마찰 부품의 마모 상태에 따라 자기 윤활 성능 소재 적용과 보상 스프링 유형 변경의 개선 설계를 수행하였다.

시스템 상부에는 터빈 케이싱 내부의 고압가스가 외부로 누출되는 것을 방지하기 위한 씨 씰(C-Seal)을 터빈 케이싱과 어퍼 로드(Upper Rod) 사이에 설치하여 효율 저하를 방지하도록 설계하였다(Fig. 3).

Fig. 3

Screw type system key design factor

스크류식 터빈 간극 제어 시스템은 액추에이터 링 구조에 의해 그와 연결된 부재에 균일하게 힘을 전달하여 복수의 세그먼트 부재를 일률적으로 제어할 수 있는 장점이 있다. 하지만, 전기 또는 유압 모터와 같은 액추에이터 링에 회전력을 공급하는 동력원과 이를 지지하는 지지대가 가스터빈 외부에 추가로 설치되어야 한다.

3.2 공압식 터빈 간극 제어 시스템 모델링

공압식 터빈 간극 제어 시스템은 고압의 공기를 이용하여 물리적인 압력으로 회전자와 고정자 사이의 간극을 제어할 수 있도록 설계되었다. 이 시스템에서 간극 제어에 이용되는 고압의 공기 소스는 가스터빈 압축기에서 생성되어 제공받는다.

Fig. 4는 공압식 터빈 간극 제어 시스템의 단면도를 나타내고 있다. 압축기에서 생성된 고압의 공기는 압력 제어 벨브를 포함하는 제어부(Control Unit)에 의해 압력이 조절되어 액추에이터와 실린더 사이의 챔버에 공급된다. 챔버의 내압으로 인해 실린더, 어퍼로드 그리고 링 세그먼트는 반경 내측 방향으로 이동하게 되며, 이로 인해 터빈 블레이드와 세그먼트 부재 사이의 간극이 줄어들어 가스 누출을 최소화하고 출력을 향상시킨다. 또한, 복원력을 제공하기 위해 설치되는 1개의 복원 스프링은 하부 축에 조립되어 실린더를 반경 외측 방향으로 가압한다. 액추에이터 내부의 압축 공기가 방출되어 압력이 감소할 경우, 스프링은 실린더와 링 세그먼트를 원래의 위치로 복귀시키는 역할을 한다. 추가적으로, 링 세그먼트 부재에 조립되는 4개의 보상 스프링은 세그먼트 부재를 반경 내측 방향으로 가압하여 작동 압력을 보상한다. 이는 시스템이 보다 낮은 압력에서 안정적으로 작동하고, 세그먼트 부재의 기울임을 방지하며, 가스터빈 유로부와 냉각 공기 챔버 사이의 압력차를 재현하기 위해 설계된 것이다.

Fig. 4

Sectional view of pneumatic type turbine clearance control system

액추에이터와 실린더는 씨 씰과 피스톤 링을 포함하여 내부 공기의 누출을 방지하고 정밀한 압력 제어가 가능하도록 설계하였다.

이와 같은 설계는 구성요소 간의 직접적인 접촉을 최소화한다. 이는 부품의 마찰을 줄이고 손상을 방지하는데 효과적이다. 또한, 공압식 터빈 간극 제어 시스템은 압축기에서 생성된 고압의 공기를 활용하기 때문에 부가적인 압력 공급 장치가 필요하지 않다. 이는 시스템 제작의 경제성을 향상시키는 데 기여할 수 있다.

4.1 시험 장치 개요

단일 리그 시험은 한 세트의 세그먼트 부재를 대상으로 진행되며, 시험 초기 단계에서 시스템의 성능을 검증하고, 잠재적인 문제를 조기에 발견하여 해결할 수 있는 단계이다. 이를 통해 비교적 적은 비용으로 설계 최적화와 안정성 확보가 가능하다. 또한, 단일 리그 시험을 통해 수집된 데이터는 전체 리그 시험 계획을 수립하는 데 활용되며, 이는 시험의 성공 가능성을 높이는 데 효과적이다. 따라서, 단일 리그 시험은 제품 개발 과정에서 필수적인 단계로, 시스템의 성능과 신뢰성 향상에 중요한 역할을 한다.

스크류식 및 공압식 터빈 간극 제어 시스템 시험은 각각의 작동 원리에 따라 설계, 제작된 시험 장비를 이용하여 수행되었다. Fig. 5는 각 유형별 터빈 간극 제어 시스템 시험 장치의 모델링을 나타내고 있으며, Table 1은 주요 특성을 나타내고 있다. 본 시험 장치는 가스터빈이 작동하는 동안의 터빈 내부 온도 조건과 유사하게 재현할 수 있도록 설계되었다. 온도 조건은 500℃로 케이싱 내부 하단에 설치된 전기열 공급 장비와 케이싱 내부, 시스템 표면 온도를 측정하는 2개의 K type 온도 센서를 이용하여 보상한다(Fig. 6). 또한, 변위 센서가 세그먼트 하단에 설치되어 시스템 작동 성능을 평가하기 위한 링 세그먼트 위치 데이터를 수집한다(Fig. 7).

Fig. 5

Single rig test model(a) Section view of screw type system test modeling,(b) Section view of pneumatic type system test modeling

Table 1

Overview of screw type and pneumatic type system

Fig. 6

Heating casing and electric furnace

Fig. 7

Installation of gap sensor

간극 제어 변위는 가스터빈의 과도 및 정상 상태 조건에서의 열팽창과 회전체 거동을 기반으로 결정된다. 이러한 작동 변위는 필요에 따라 구성요소의 구조적 설계 변경을 통해 조정할 수 있으며, 본 시스템에서는 3mm 간극을 제어할 수 있도록 설계되었다. 두 가지 시스템의 각 작동 방식에 따라 세그먼트 부재는 반경 방향 내측으로 움직이고 링 세그먼트는 베인 케리어(Vane Carrier)의 아랫면(Lower Contact Surface)으로 이동 및 접촉하게 되며, 이때의 변위 센서 측정값을 기록한다(Fig. 8). 이후 세그먼트 부재가 복귀하고 링 세그먼트가 베인 케리어의 윗면(Upper Contact Surface)으로 이동 및 접촉한 상태에서 변위 센서의 측정값을 다시 기록하며, 이를 단일 리그 시험의 한 동작 횟수로 설정하였다(Fig. 8).

Fig. 8

Segment operating scheme

실제 가스터빈에 적용되는 터빈 간극 제어 시스템의 작동 하중은 터빈 유로부와 냉각 공기 챔버 사이의 압력 차, 탄성복원 장치의 복원 스프링 하중, 그리고 보상 스프링 하중에 의해 결정된다. 시스템의 작동 하중은 이들 힘의 총합을 초과하도록 설계되어야 한다. 단일 리그 시험에서는 유로부와 챔버 사이의 압력 차를 고려하지 않고, 스프링 하중의 총합을 초과하는 힘을 작동 하중으로 적용할 수 있도록 설계하였다. 이는 단일 리그 시험이 시스템의 기본 작동성을 평가하기 위한 단계로 수행되며, 유로부와 챔버 사이의 압력 차는 전체 리그 시험에서 고려되었다. 스크류식 시스템은 케이싱 상부에 설치된 공압 실린더와 회전 링크를 통해 작동 하중을 제공받으며, 회전 링크가 90° 회전함에 따라 간극 제어가 가능하다. 해당 시스템에 적용되는 2개의 복원 스프링은 2가지 유형으로 분류되며, A형과 B형이 있다. A형이 적용될 경우, 작동 하중은 1,840kg 초과하도록 설계되며, B형이 적용될 경우, 작동 하중은 4,359kg을 초과할 수 있도록 설계되어야 한다. 다양한 작동 조건에서 요구되는 하중을 충분히 제공할 수 있도록 본 시험에서는 최대 적용 하중 19.5kN, 최고 사용 압력 0.97Mpa의 공압실린더를 설치하였다. 공압식 시스템은 압축기와 압력 탱크를 이용하여 압력 공기를 제공받으며, 시스템의 총합 스프링 하중 869kg을 초과하는 작동 하중을 적용하기 위해서 최대 2.0Mpa의 압력을 생성할 수 있는 압축기와 이를 저장할 수 있는 압력 탱크를 설치하였다. 또한, 압력 공기에 의한 피스톤의 작동 유연성을 확인하기 위해 액추에이터 내부에 압력 센서와 변위 센서를 추가로 설치하였다.

각 시험 장비는 반복 시험이 가능하도록 제작되었으며, 반복 작동 시험에서 시스템 평가 완수의 기준은 5,000회로 설정되었다. 이는 가스터빈 예상수명을 약 1,000,000시간으로 가정하여 도출된 값으로, 시스템의 장기적인 작동 성능을 평가하기에 적합한 반복 횟수로 판단되었다. 반복 시험을 통해 제품 작동 성능 데이터를 수집하고 분석하여 가장 적합한 소재와 유형을 선정하였다.

4.2 시험 절차

Fig. 9와 Fig.10은 스크류식 및 공압식 리그 시험의 절차를 나타내고 있으며, 시험은 가열 없이 작동 시험, 500℃에서 작동 시험, 500℃에서 5,000회 반복 작동 시험의 3가지 절차로 수립되었다. 먼저, 시험 장비의 가열 없이 10회 작동 후 분해하여 초기 성능을 평가한다. 다음으로, 시험 장비를 500℃로 가열한 상태에서 10회 작동한 후 분해하여 고온 환경 조건에서의 기본 작동 조건 및 초기 마모 특성을 확인한다. 부품의 마모 상태가 안정적으로 확인된 경우, 시험 장비를 500℃로 가열한 상태에서 5,000번 반복 작동시켜 장치의 내구성을 평가하고, 장기적인 마모 상태와 전반적인 신뢰성을 확인한다.

Fig. 9

Test flow of screw type rig test

Fig. 10

Test flow of pneumatic type rig test

각 단계에서 공압식 시스템은 세그먼트가 완전히 이동하는 데 필요한 실린더의 압력을 기록하였고, 스크류식 시스템은 공압 액추에이터의 작동 압력을 기록하였다. 이를 통해 각 시스템의 작동 성능을 분석하였다.

Table 2는 스크류식 시스템의 주요 마찰 부품 및 보상 스프링의 소재 정보를 나타내고 있다. 스크류식 시스템 단일 리그 시험에서는 주요 부품의 소재 적합성을 확인하기 위해 3가지의 소재 옵션이 채택되었으며, 각 소재 옵션 모두 반복 작동 시험을 수행하였다. 반면, 소재의 마찰에 대한 부담이 비교적 적은 공압식 시스템은 소재 적합성 판단을 수행하지 않고, 소재 고유의 특성과 스크류식 리그 시험의 소재 시험 평가 결과를 고려하여 소재를 선정하였다. 공압식 시스템의 스프링 소재는 Inconel 718을 사용하였고, 그 외의 품목 소재는 Stainless Steel 계열을 사용하였다.

Table 2

Component specification

5.1 스크류식 리그 시험

Fig. 11은 각 소재 옵션의 리그 시험을 통해 얻은 세그먼트 부재의 위치 데이터를 나타내고, Fig. 12는 시험을 완료한 주요 마찰 부품을 나타내며 이를 통해 제품의 작동 성능을 평가하였다.

Fig. 11

Results of screw type rig test(a) Material option 1, (b) Material option 2, (c) Material option 3

Fig. 12

5,000 operations tested and disassembled screw type components (a) Material option 1, (b) Material option 2, (c) Material option 3

5.2 공압식 리그 시험

공압식 리그 시험 장치의 설정 공기압 시험에서 기본 설정 공기압은 1.7Mpa로, 작동 공기압은 1.73Mpa로 최적화되었으며, 설정 압력으로 5,000회 반복 작동 시험을 완수하였다. Fig. 13은 공압식 리그 시험 결과를 나타내고 있다. 공압식 리그 시험의 결과는 3개의 변위 센서가 전반적으로 선형적인 패턴을 보였으며, 가장 이상적인 시스템의 메커니즘을 나타내었다. 이러한 공압식 리그 시험의 결과는 스크류식 터빈 간극 제어 시스템과의 마찰 부 구성요소의 설계 차이로 인해 나타난 것으로 판단되며, 이는 공압식 시스템이 스크류식 리그 시험에서 나타나는 비선형적 변동성 결과를 배제하고, 보다 일관된 성능을 제공하였음을 시사한다 (Fig. 13). 이는 공압식 시스템의 안정성과 신뢰성을 높이는 데 기여하였다.

Fig. 13

Results of pneumatic type rig test

반면, 반복 작동 시험 중 진행된 공기 누설(Leakage) 시험에서는 액추에이터 밀봉(Seal)부와 액추에이터 커버에 장착된 변위 센서 플랜지에서 약간의 누설이 발견되었다(Fig. 14). 이러한 누설은 공압식 시스템의 작동 성능에 영향을 미칠 수 있는 중요한 문제로 인식될 수 있다. 그러나, 해당 구성요소의 개선 설계 및 밀봉 장치 추가 배치를 통해 누설을 효과적으로 억제할 수 있음을 확인하였다.

Fig. 14

Leakage test result of pneumatic system

5.3 평가 및 결정

단일 리그 시험 결과를 기반으로 전체 리그 시험 대상 제품을 선정한다. 이를 위해 당사는 단일 리그 시험 분석 결과를 수치화하고 각 시스템의 적용 가능성을 판단할 수 있는 평가 항목을 선정하였다. 평가 항목은 각 시스템의 성능뿐만 아니라 생산, 유지보수 등을 종합적으로 고려하여 선정되었으며, 각 유형에 따른 평가 항목의 점수를 기록하고 각 항목의 중요도에 따른 가중치를 적용하여 계산된 가중 점수의 합으로 평가되었다. 선정된 평가 항목은 작동성(Mechanism Operability), 내구성(Durability), 신뢰성(Reliability), 생산성(Productivity), 개선 가능성(Possibility of Further Improvement), 유지보수(Maintenance without Casing Disassembly)로 선정되었다(Table 3).

Table 3

Evaluation and decision final sheet

작동성 평가 항목은 시스템 동작 방식의 간편성 및 구조적 안정성을 평가하기 위해 선정되었다. 스크류식 시스템은 공압 실린더에 의한 직선 운동을 회전 운동으로 전환한 뒤, 이를 다시 나사 구조 형상에 의해 직선 운동으로 전환하는 과정이 필요하다. 이러한 설계는 복잡한 링크 구조물과 나사 구조의 가공 부품을 요구하며, 링크의 회전을 위한 외부 동력 발생 장치가 추가로 구성되어야 한다. 이로 인해 스크류식 시스템은 동작 방식의 간편성 측면에서 낮은 점수를 받았다. 반면, 공압식 시스템은 압축 공기를 이용한 간단한 작동 방식과 비교적 단순한 축 이음의 구조를 통해 높은 점수를 받았다. 이에 따라 스크류식 시스템은 6점, 공압식 시스템은 9점이 부여되었다.

내구성과 신뢰성 평가 항목은 가스터빈 전주기 수명 동안 안정적으로 사용 가능한지와 시스템의 장기적 사용 가능성을 평가하기 위해 선정되었다. 두 시스템 모두 5,000회 반복 작동 시험을 성공적으로 완료하였으며, 높은 평가를 받았다. 그러나 스크류식 시스템의 경우 시험 결과에서 약간의 범프 현상과 작동 횟수가 증가함에 따라 변위가 감소하는 경향이 관찰되어 신뢰성 평가 점수가 낮아졌다. 또한, 마찰 부품의 마모가 발생하여 내구성 평가에서 점수가 낮아졌다. 이에 따라 스크류식 시스템은 내구성에서 9점, 신뢰성에서 8점을 부여받았다. 반면, 공압식 시스템은 전반적으로 안정적인 작동을 유지하여, 내구성에서 10점, 신뢰성에서 10점을 부여받았다.

생산성 평가 항목은 시스템 부품의 제작 비용과 조달 시간을 검토하여 경제성을 평가하기 위해 선정되었다. 스크류식 시스템과 공압식 시스템은 시험 장비 제작 과정에서 유사한 제작비용과 시간이 소요되었다. 두 시스템의 주요 부품 제작에는 고도의 가공 기술이 요구되며, 특히 질화 품목이나 Inconel 소재 품목은 긴 제작 시간이나 소재 수급이 어려운 특성을 가진다. 이러한 제작의 제약은 긴급 교체가 필요한 상황에서 경제성의 단점으로 작용할 수 있다. 이와 같은 이유로 두 시스템 모두 생산성 평가 항목에서 8점이 부여되었다.

개선 가능성은 시스템의 추후 개선 설계를 통한 터빈 성능 향상 가능성을 평가하기 위해 선정되었다. 스크류식 시스템의 경우, 시험 과정에서 여러 부품에 대한 개선 가능성을 검토하였다. 특히, 스크류 와셔는 표면경화법과 Deva Metal 소재 적용 등이 고려되었으나, 나사부 형상의 복잡성으로 인해 Deva Metal 소재 적용이 어려웠으며, 질화부에는 마모가 관찰되었다. 이러한 설계적 제약은 스크류식 시스템의 개선 가능성을 제한하는 주요 요인으로 작용하였다. 또한, 복잡한 링크 구조와 주요 유지보수 품목의 높은 제작비용 역시 개선 가능성 평가에서 낮은 점수를 부여받은 이유로 작용한다. 이에 따라 스크류식 시스템은 개선 가능성 평가 항목에서 5점이 부여되었다. 반면, 공압식 시스템은 각 세그먼트 부재의 일률적인 움직임을 부여하는 개선 설계를 통해 연소가스의 누설을 줄이고 성능을 향상시킬 가능성이 확인되었으며, 이에 따라 9점이 부여되었다.

유지보수 평가 항목은 시스템의 비상 상황 발생 시 즉시 점검이 가능한 범위를 평가하기 위해 선정되었다. 외부 유지보수 측면에서는 두 시스템 모두 터빈 케이싱의 분해 없이 링크 구조물, 실린더와 같은 외부 품목의 정비가 가능하므로 10점이 부여되었다. 그러나 내부 유지보수 측면에서는 차이가 발생하였다. 스크류식 시스템의 경우, 주요 교체 품목인 마찰 부품을 교체하기 위해 터빈 케이싱을 포함한 베인 케리어의 조립 품목을 제거해야 하므로 1점이 부여되었다. 반면, 공압식 시스템은 비교적 단순한 조립 구조를 가지므로 5점이 부여되었다.

평가된 항목에 기존 설정한 가중치를 적용하여 계산한 결과, 스크류식 터빈 간극 제어 시스템의 가중 점수는 702.5점, 공압식 터빈 간극 제어 시스템의 가중 점수는 927.5점을 기록하였다. 공압식 시스템은 작동성, 내구성, 신뢰성, 개선 가능성, 유지보수 측면에서 스크류식 시스템보다 우수한 성능을 보였다. 따라서, 전체 리그 시험 대상 시스템으로 공압식 터빈 간극 제어 시스템이 선정되었으며, 후속 논문 Part Ⅱ에서는 공압식 터빈 간극 제어 시스템을 적용한 전체 리그 시험의 내용을 다룰 예정이다.