2018년 가스/스팀터빈 분야 연구동향

1. 서 론

지난해 (2018년) 한국유체기계학회 논문집과 한국유체기계학회 하계 및 동계 학술대회에 발표된 논문을 조사, 분석하여 국내 가스/스팀터빈 분야의 연구 동향을 분석하였다. 전년과 마찬가지로 조사된 논문을 유동장^(1~11), 열전달 및 냉각^(12~45), 시험평가 및 성능해석^(46~75), 기술 및 현황 소개^(76~89) 등으로 분류하였다. 압축기, 연소, 베어링, 회전체 동역학 등은 별도로 연구동향을 분석하므로 이 분석에서는 제외하였다.

2017년과 비교하여 2018년도 가스/스팀 터빈 분야로 구분된 논문 수를 표1에 정리하였다. 전년과 마찬가지고 열전달을 다룬 논문 수가 많았고 유동장 관련 논문이 작년에 비해서는 다소 감소하였다. 이는 올해 유동장 관련 논문 편수가 특별히 작다기 보다는 작년에 특별히 많았기 때문인 것으로 파악된다. 작년에 이어 산업체를 중심으로 성능 해석 및 평가 논문이 많았다. Fan-shaped 막냉각 홀 기술 개발 세션 등 가스터빈 스팀터빈 주제의 여러 가지 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 2017년에는 터빈의 유동장 현상을 관찰한 논문이 주를 이루었으나 2018년에는 터빈휠⁽⁸⁾이나 익형⁽⁹⁾의 공력설계를 다룬 논문이 등장한 것이 특이할만하다. 터빈의 누설 유동도 2017년에 이어 주목을 받았는데 2017년 주목을 받았던 증기터빈의 누설유동⁽⁷⁾관련 논문도 발표 되었으나 가스터빈의 림 씰 관련된 논문^(2,5)이 새로이 발표되고 있는 점을 새로운 경향으로 볼 수 있다.

3. 열전달 및 냉각 관련 연구

가스터빈 열전달 관련 연구 중에서는 블레이드의 냉각 기법 중에 막냉각에 관한 연구가 가장 많이 발표되었다. 2017년에 이어 2018년에도 34편의 논문 중에 14편이 막냉각에 집중되어 있다. 특히 2018년 동계 학술대회에서 특별 세션으로 구성이 되기도 하였던 Fan-shaped 막냉각홀을 적용한 막냉각 연구가 집중 조명되었다. Fan-shaped 홀의 형상과 관련하여 확장각, 확장부 길이,⁽²¹⁾ 홀 형상,⁽³³⁾ 복합 분사각도⁽¹⁴⁾ 등이 막냉각 성능에 미치는 영향이 발표되었다. 최정욱⁽⁴⁴⁾은 제작성을 고려한 홀 형상의 효과를 제시하였고 박정신 등⁽²⁵⁾은 블레이드의 막냉각 홀 모델링 자동화에 대한 논문을 발표하기도 하였다. Fan-shped 홀을 채택한 막냉각의 유동 현상에 대하여 강영석 등⁽³⁴⁾이 대와류 모사 해석을 한 결과를 제시하기도 하였다. Fan-shaped 홀 이외에는 블레이드 표면 형상,⁽²⁰⁾ 코안다 구조물과 DBD 플라즈마,⁽²²⁾ 막냉각 홀의 표면조도⁽³²⁾가 막냉각에 미치는 영향이 발표되었다. 또한 막냉각을 대체할 차세대 냉각기술로 연구되어 온 유출 및 투과 냉각이 되는 블레이드를 가시화한 논문도 발표되었다.⁽¹⁹⁾

블레이드의 외부냉각에서 막냉각과 함께 2018년 또 하나 주목을 받은 주제는 베인 바닥면의 열전달이다. 주유동의 속도분포,⁽¹⁸⁾ 바닥면 경사각도,⁽³⁸⁾ 바닥면 난류 경계층 두께⁽³⁷⁾ 등이 바닥면 열전달에 미치는 영향이 발표되었다.

2018년에도 2017년에 이어 내부 대류냉각 연구가 많이 발표되었다. 최근 3D 프린터의 등장과 함께 브릿지,⁽²⁶⁾ 격자구조,⁽²⁷⁾ 중공 실린더를 결합한 적층구조⁽³⁰⁾와 같이 복잡한 내부구조를 적용하였을 때의 내부 대류냉각 열전달 특성이 발표되었다. 3D 프린터로 제작할 경우 소재 문제로 발생할 수 있는 낮은 열전도도의 소재 또는 낮은 레이놀즈 수 조건에서 가스터빈 내부 유로의 대류-전도 복합 열전달을 다룬 연구 결과⁽³⁵⁾ 등이 발표되었다.

그밖에 열전달 관련 연구로는 한 동안 새로운 연구 결과가 많이 제시되지 않았던 핀-휜,⁽²⁸⁾ 스프레이 냉각⁽³¹⁾ 관련 연구가 발표되었다. 발전용 마이크로 가스터빈을 위한 리큐퍼레이터의 열전달은 특별 세션으로 구성이 되어 오랜만에 주목을 받기도 하였다.^(40~43)

4. 시험평가 및 성능해석 관련 연구

시험평가 분야에서는 두산중공업^(67~69,74)에서 대형 가스터빈 성능 평가 환경을 구축한 사례들이 보고되었고 기계연구원^(51~53)에서 진행한 sCO2 발전 시스템 및 터빈 시험 평가 관련 내용이 발표되었다. 시험 기법과 관련해서는 복사를 고려한 적외선 이미징 표면온도 측정기술이 발표되었다.⁽³⁶⁾

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 연구로 구분할 수 있다. 첫 번째 분류에 해당하는 연구로 씰 누설,⁽⁶⁶⁾ 가스터빈의 냉각⁽⁷⁰⁾이 시스템 성능에 미치는 영향 분석이 소개되었다. 두 번째 분류에 해당하는 연구로 Power to methane과 가스터빈 연계 시스템 성능 향상 방안,⁽⁵⁸⁾ 폐열회수 sCO2발전의 냉각 조건에 따른 최적화⁽⁶⁵⁾ 등이 소개되었다.

2018년에도 2017년에 이어 건전성 평가,⁽⁵⁷⁾ 크리프 해석,⁽⁶⁴⁾ 탄소성 구조해석⁽⁷⁵⁾을 다룬 논문이 산업계를 중심으로 발표되었다. 내년에도 꾸준히 발표가 이루어지고 논문의 편수가 증가할 경우 향후 새로운 분석 영역으로 추가해야 할 것으로 생각된다.

5. 기술 및 현황소개 관련 논문

2018년에는 하계 학술대회에서 KIST 김광호 박사님의 은퇴 기념세션이 구성되어 예년보다 좋은 내용의 기술 현황 발표가 많았다. KIST에서의 가스터빈 연구,⁽⁷⁶⁾ 국내 발전용 가스터빈 독자 모델 개발 과정, 항공대학교의 가스터빈 연구현황⁽⁷⁶⁾가 소개되었고 기계연구원에서의 sCO2 발전시스템 개발^(77,85) 및 초임계 유기랭킨 시스템 개발⁽⁸⁶⁾이 소개되었다. 기념 세션 이외에도 특별 세션을 통해서도 기술 현황 발표가 이루어 졌는데 Fan-shaped 홀을 적용한 막냉각 기법 개발 현황⁽⁸³⁾ 및 특허 동향⁽⁸⁴⁾이 발표되었고 대형 가스터빈 개발과 관련되어 개발현황^(80~82)이 발표되었다.

6. 결 론

2018년 한국유체기계학회 논문집과 한국유체기계학회 하계 및 학술대회에서 발표된 논문을 바탕으로 2018년 가스/스팀 터빈 분야의 연구 동향을 살펴보았다. 2018년에는 2017년과 유사한 편수의 논문이 발표되었고 여전히 열전달 및 시스템 성능 해석 관련 논문이 주를 이루고 있으나 각각의 분야에서 새로운 연구 동향도 나타났다.

열전달 분야에서는 외부 냉각 분야에서는 Fan shaped 홀의 막냉각, 끝 벽면에서의 열전달이 주를 이루었고 내부 냉각에서는 3차원 프린터를 이용한 제작을 상정한 복잡한 구조나 복합 열전달 문제를 다룬 논문이 주로 발표되었다.

시험평가, 성능해석 분야에서는 실 터빈 조건을 모사하는 평가시스템의 구축 및 평가사례가 소개되었고 사이클을 개선했을 때의 효과를 검토한 논문이 다수 발표되었다. 올해에는 작년에 이어 소프트웨어의 개발 사례도 소개되었고 시스템의 설계 과정을 보여주는 논문도 발표되었다.

기술 현황으로 2017년 발표한 로드맵에 이어 대형 발전용 가스터빈의 기술 개발 현황이 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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