2017년 가스/스팀터빈 분야 연구동향

안준^*

*국민대학교 기계시스템공학부

*School of Mechanical Engineering, Kookmin University, Seoul, Korea

Correspondence to: E-mail : jahn@kookmin.ac.kr

1. 서 론

지난해(2017년) 한국유체기계학회 논문집과 한국유체기계학회 하계 및 동계 학술대회에 발표된 논문을 조사, 분석하여 국내 가스/스팀터빈 분야의 연구 동향을 분석하였다. 전년과 마찬가지로 조사된 논문을 유동장,^(1-22) 열전달 및 냉각,^(23-56) 시험평가 및 성능해석,^(57-87) 기술 및 현황 소개^(88-97) 등으로 분류하였다. 압축기, 연소, 베어링, 회전체 동역학 등은 별도로 연구동향을 분석하므로 이 분석에서는 제외하였다.

2016년과 비교하여 2017년도 가스/스팀 터빈 분야로 구분된 논문 수를 표1에 정리하였다. 전년과 마찬가지고 열전달을 다룬 논문 수가 많았지만 다른 분야의 논문들이 크게 증가하여 논문은 작년에 비해 분야별로 고르게 분포하는 것으로 분석되었다. 작년에 이어 산업체를 중심으로 성능 해석 및 평가 논문이 증가한 것이 주목할 만하다. 가스터빈 압축기를 분석에 포함시키지 않았음에도 불구하고 유동장 관련 논문은 작년보다 크게 증가하였고 가스터빈 스팀터빈 주제의 특별 세션이 구성되면서 기술 및 현황 소개 논문도 증가하였다.

표 1

분류 기준 별 논문 수

2. 유동장 관련 연구

터빈 내의 유동 현상과 공력 설계에 대한 논문을 유동장 관련 연구로 분류하였는데 터빈에 비해 압축기가 주목을 받았던 작년에 비해 터빈의 유동장을 분석한 논문이 많이 발표되었다. 작년에는 가스터빈에 비해 증기터빈이 많은 주목을 받았으나 올해는 가스터빈의 유동장 관련 연구도 많이 발표되었다.

스팀 터빈과 관련해서는 2016년과 마찬가지로 스팀 터빈의 누설 특성을 연구한 논문들이 발표되었고^(3,5,18) 스팀 터빈 유동 해석을 위한 기초 연구 및 이를 적용한 계산결과도 발표되었다.^(14,17,19) 작동 유체로서 냉매,^(2,14) sCO₂,⁽⁴⁾ 수소⁽⁹⁾ 등이 적용된 경우도 사이클 해석에서 터빈 유동 해석으로 연구 결과가 확장되는 경향이 2017년 새롭게 나타났다.

가스터빈의 경우 2차공기 시스템,^(7,22) 누설유동^(12,16,20)을 해석한 연구가 발표되었고 경계층 및 유동 혼합을 제어하기 위한 가이드를 설치하였을 때 효과를 해석한 결과들도 발표되었다.^(14,22) 이현규 등은 Pre-swirl 노즐 형상에 따른 터빈 유동을 해석하였고⁽¹⁾ 조건환 등^(7,20)은 De-Swirler의 형상에 따른 유동 형태 및 압력강하를 해석한 연구 결과를 발표하였다. 지솔근 등⁽¹²⁾은 터빈에서의 유동에 대해 큰에디모사를 수행한 결과를 발표하기도 하였다.

3. 열전달 및 냉각 관련 연구

가스터빈 열전달 관련 연구 중에서는 블레이드의 냉각 기법 중에 막냉각에 관한 연구가 가장 많이 발표되었다. 엔드월의 막냉각을 제외하고 블레이드의 막냉각 만을 고려해도 34편의 논문 중에 14편이 막냉각에 집중되어 있다. 지난 20여년간 많은 연구가 진행되었던 막냉각의 성능을 높이기 위한 분사 형상 연구는 2017년에도 활발히 발표가 되었다. 확장홀,^(32,41,45) 막냉각 홀의 배치⁽⁵³⁾ 등이 주목을 받았다. 연구 방향은 높은 분사비에서 막냉각 제트가 표면을 보호하지 못하고 벽면에서 분리되어 주유동으로 침투하면서 막냉각효율이 낮아지는 것을 막기 위한 것인데 곽재수 등은 막냉각 홀 자체가 아닌 블레이드에 코안다 효과를 유도하는 연구 결과를 발표하였고^(18,19) 기계연구원에서는 분사홀이 아닌 다공체 표면을 통해 냉각 유체를 공급하여 표면을 보호하는 기법을 적용한 실험 결과를 발표하였다.^(27,34)

블레이드의 외부냉각에서 막냉각과 함께 2017년 또 하나 주목을 받은 주제는 연소실에서 발생한 복잡한 유동이 블레이드 열전달에 미치는 영향들이다. 2017년에는 난류강도^(25,48)나 불균일한 속도 분포,⁽⁴⁶⁾ 익렬에서 발생하는 후류^(38,47)가 블레이드 열전달에 미치는 영향이 발표되었다. 블레이드 중심부 뿐 아니라 팁,⁽³⁹⁾ 엔드월 부근의 열전달 특성^(40,48)도 발표되었다.

예년에 비해서는 내부 대류냉각 연구가 많이 발표되었다. 특히 2017년에는 3D 프린터의 등장과 함께 격자구조와 같이 복잡한 내부구조를 적용하였을 때의 내부 대류냉각 열전달 특성을 제시한 논문이 다수 발표되었다. 직물 형태의 내부구조,^(31,52) 분절 핀과 수직요철,⁽⁴⁹⁾ 핀이 설치된 격자구조⁽⁵¹⁾ 등의 내부구조와 냉각 성능이 제시되었다. 이 외에는 내부 대류 냉각에 대해 설계식⁽³⁷⁾을 개발한 연구, 대류-전도 복합 열전달을 다룬 연구 결과⁽⁴⁰⁾ 등이 발표되었다.

그밖에 열전달 관련 연구로는 한 동안 새로운 연구 결과가 많이 제시되지 않았던 충돌 제트 관련 연구가 발표되었고^(54,55) sCO₂ 등을 적용하기 위한 고온, 고압용 열교환기^(29,56) 관련 연구 결과 등도 선보였다.

4. 시험평가 및 성능해석 관련 연구

시험평가 분야에서는 서울대^(66,80)와 두산중공업⁽⁷⁸⁾에서 실제 터빈에 가까운 시험 평가 환경을 구축한 사례들이 보고되었고 기계연구원⁽⁶⁷⁾과 에너지기술연구원⁽⁶⁹⁾에서 진행한 sCO₂ 발전 시스템 및 터빈 시험 평가 관련 내용이 발표되었다. 시험 기법과 관련해서는 광학 시스템을 이용한 열전달 측정에서 광학 조건이 미치는 영향에 대한 영향도 보고되었다.^(60,71)

성능해석 분야는 크게 기존의 시스템 시뮬레이션에서 고려하지 못했던 부분을 추가적으로 고려하여 시뮬레이션을 고도화하는 연구와 기존의 사이클을 개선하였거나 새롭게 제안된 사이클을 해석하여 성능 및 경제성 등을 평가한 연구의 3가지 영역으로 구분할 수 있다. 첫 번째 분류에 해당하는 연구로 증기터빈 내부 누설을 고려한 성능 및 경제성 분석⁽⁶³⁾이 소개되었고 두 번째 분류에 해당하는 연구로 복합발전을 위한 사이클 개선,⁽⁸¹⁾ 65%효율 달성을 위한 가스터빈 성능 사양⁽⁸⁵⁾이 발표되었다. 새로운 사이클로는 sCO₂와 IGCC,⁽⁶⁴⁾ 순산소 연소를 적용한 SOFC/GTCC 하이브리드 시스템,⁽⁶⁵⁾ ORC와 고분자 연료전지⁽⁸³⁾ 등이 소개되었다.

2017년에 새로 나타난 경향으로 가스터빈 제작에 3D 프린터를 활용한 사례 들^(72-76)이 다수 발표되었고 시험평가 장치와 함께 소프트웨어의 개발 내용도 소개되었다.^(59,68) 개발 및 설계 관련해서는 2016년과 마찬가지로 증기 터빈의 효율 예측,⁽⁵⁸⁾ 누설 특성,^(61,62) 가스터빈의 피로해석,⁽⁷⁸⁾ 건전성 평가⁽⁸⁴⁾ 등이 발표되었다.

5. 기술 및 현황소개 관련 논문

기술 현황으로는 발전용/대형 가스터빈 기술 로드맵^(88,89) 및 인프라 구축 현황⁽⁹⁰⁾이 발표되었고 항공용 가스터빈의 열전달 및 냉각분야의 연구 현황⁽⁹⁷⁾이 발표되었다. 기계연구원^(91,95)과 에너지기술연구원^(92,96)에서는 초임계 CO₂ 발전시스템 관련 연구 현황을 각각 발표하였다. 연세대학교에서는 차세대 가스터빈 고온부품 연구실을 소개하였다.⁽⁹³⁾

7. 결 론

2017년 한국유체기계학회 논문집과 한국유체기계학회 하계 및 학술대회에서 발표된 논문을 바탕으로 2017년 가스/스팀 터빈 분야의 연구 동향을 살펴보았다. 2017년에는 전년도에 비교하여 전체적으로 가스/스팀 터빈 분야의 논문 발표가 증가하였고 여전히 열전달 및 시스템 성능 해석 관련 논문이 주를 이루고 있으나 유동장 관련 연구 결과도 많이 발표되었다.

열전달 분야에서는 막냉각 성능을 향상시킬 수 있는 막냉각 홀 형상 및 블레이드 형상, 팁과 끝 벽면에서의 열전달, 격자 구조와 같은 복잡한 형상의 내부 대류 냉각 특성 등이 주로 발표되었다.

시험평가, 성능해석 분야에서는 실 터빈 조건을 모사하는 평가시스템의 구축 및 평가사례가 소개되었고 사이클을 개선했을 때의 효과를 검토한 논문이 다수 발표되었다. 올해에는 소프트웨어의 개발 사례도 소개되었고 3D 프린터를 이용한 가스터빈 부품 개발 현황 및 사례도 새롭게 소개되었다.

기술 현황으로 대형 발전용 가스터빈의 기술 개발 로드맵이 발표되었고 초임계 CO₂ 발전 시스템 개발 현황이 발표되었다. 2018년에는 가스/스팀터빈 분야에 보다 다양하고 깊이 있는 연구 성과의 발표가 많이 이루어지기를 기대해본다.

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박준영, 임형수, 최범석, 서정민, 최원철, 유일수, 박철훈, 황순찬, 박무룡, 방제성, 강도원, 김병옥, 윤석호, 김동호, 이공훈, 최준석, 윤의수, (2017), “기계연구원에서의 초임계 CO₂ 발전시스템 관련 연구 현황”, 한국유체기계학회 동계학술대회 초록집, p169-170.
신형기, 조종재, 조준현, 나호상, 노철우, 이범준, 이길봉, 최봉수, 백영진, (2017), “KIER 초임계 이산화탄소 발전용 터빈 개발 및 시험 현황”, 한국유체기계학회 동계학술대회 초록집, p173-174.
이동호, 강영석, 허재성, 박부민, 김형모, 김재호, 차봉준, (2017), “한국항공우주연구원에서의 항공용 가스터빈 엔진 열전달 및 냉각 분야 연구개발 현황”, 한국유체기계학회 동계학술대회 초록집, p187-188.

분류 기준	논문 수 (편)
분류 기준	2016년	2017년
유동장	3	22
열전달 및 냉각	30	34
시험평가 및 성능해석	22	31
기술 및 현황 소개	6	10
합계	61	97