2019년 가스/스팀터빈 분야 연구동향

1. 서 론

지난해(2019년) 한국유체기계학회 논문집과 한국유체기계학회 하계 및 동계 학술대회에 발표된 논문을 조사, 분석하여 국내 가스/스팀터빈 분야의 연구 동향을 분석하였다. 전년과 마찬가지로 조사된 논문을 유동장^(1-17), 열전달 및 냉각^(18-45), 시험평가 및 성능해석^(46-67), 기술 및 현황 소개^(68-84) 등으로 분류하였다. 압축기, 연소, 베어링, 회전체 동역학 등은 별도로 연구동향을 분석하므로 이 분석에서는 제외하였다.

2018년과 비교하여 2019년도 가스/스팀 터빈 분야로 구분된 논문 수를 표 1에 정리하였다. 예년과 마찬가지고 분석을 수행한 4가지 분야 중에서는 열전달을 다룬 논문 수가 많았고 유동장 관련 논문이 작년에 비해서는 증가하였다. 작년에 기술 동향을 중심으로 보고되었던 기밀 및 누설 유동 관련된 새로운 결과들이 많이 발표된 영향으로 보인다. 열전달 및 냉각 관련 논문이 소폭 감소하였는데 2019년에는 그간의 연구 결과가 축적되어 기술동향으로 발표된 사례가 증가했기 때문인 것으로 파악된다. 국산 대형 발전용 가스터빈이 완성과 함께 작년에 많이 발표되었던 시험평가 관련 논문은 소폭으로 감소하였다.

표 1

분류 기준 별 논문 수

새로운 경향으로 3차원 프린터 기술을 가스터빈 분야에 적용한 사례들이 다각도로 조명이 되었고 최근에 각광을 받고 있는 빅데이터나 인공지능을 가스터빈의 성능해석 및 고장진단 등에 활용한 연구들이 보고되고 있다는 점 등을 들 수 있다. 열전달 및 냉각 분야에서는 가스터빈 블레이드를 효과적으로 냉각하는 기법에 대한 연구가 계속 주를 이루고 있으나 열응력을 해석하는 등 새로운 연구 경향도 나타나고 있다. 기술 현황 소개에서는 연구를 통해 축적이 된 기술들이 기술 강연 형태로 다수 제시되었고 적외선을 이용한 열전달 측정 기술과 3차원 프린팅을 활용한 적층 제조 기술을 가스터빈 분야에 응용하는 사례들이 집중적으로 보고되었다.

2. 유동장 관련 연구

터빈 내의 유동 현상과 공력 설계에 대한 논문을 유동장 관련 연구로 분류하였다.^(1-17) 지난 수년간 측정 및 수치해석 기법의 발달과 함께 측정이나 계산이 어려웠던 부분으로 유동장 관련 연구가 확대되는 경향을 관찰할 수 있다. 특히 2017년부터 연구 결과가 보고되기 시작한 밀봉 부위의 기밀 및 누설 특성에 대한 연구가 2018년, 2019년을 거치면서 꾸준히 증가하여 2019년에는 유동장 관련 16편의 논문 중 7편을 차지하여^(3-8) 유동장 관련 연구의 큰 흐름을 형성하게 된 것을 새로운 경향으로 파악할 수 있다.

열전달 및 냉각 연구가 증기터빈에 비해 가스터빈에 집중된 것에 비해 유동장 관련 연구, 특히 밀봉 부위의 누설 유동은 가스터빈, 증기터빈 모두에 대해 연구 결과라 발표되었다. 7편의 논문 중에서는 라비린스 실의 형상 변화에 따른 누설 특성을 다룬 논문이 3편 발표되어 가장 많은 주목을 받았다.^(2,5,6) 라비린스 실의 형상으로는 계단 구조, 요철 형상 등의 영향이 제시되었다. 이외에는 복합 실(Seal)에 대한 연구가 2편,^(7,8) 림 실에 대한 연구가 1편 소개되었다.⁽³⁾

밀봉과 누설 유동 이외에는 가스터빈 블레이드의 공력 특성에 대한 연구^(14-16)이 발표되었고 블레이드 내부 냉각 유동,⁽¹⁾ 인입공기에 적용되는 필터⁽¹³⁾에서 발생하는 유동에 대한 연구가 소개되었다.

3. 열전달 및 냉각 관련 연구

가스터빈 열전달 관련 연구 중에서는 블레이드의 냉각 기법 중에 막냉각에 관한 연구가 가장 많이 발표되었다. 2018년에 이어 2019년에도 29편의 논문 중에 12편이 막냉각에 집중되어 있다. 지난 몇 년간 Fan-shped hole의 막냉각 특성이 많은 주목을 받았는데 2019년에는 트리플 홀,⁽²¹⁾ 트렌치⁽³⁴⁾ 등 다양한 막냉각 형상이 주는 막냉각 효과들이 보고되었다. 막냉각 형상의 개선안과 효과를 제시한 논문들과 함께 막냉각의 진보된 개념으로 제안된 바 있는 유출 투과 냉각을 적용한 연구도 발표가 되었다.^(25,35)

가스터빈의 냉각 기술 중에서 막냉각에 이어 많은 연구가 이루어지고 있는 영역은 내부 대류 냉각이라고 할 수 있다. 내부 대류 냉각 분야에서는 전통적으로 열전달 촉진을 위한 요철 형상이 많이 연구가 되어 왔는데 2019년에는 단면이 사각채널이 아닌 전연과 후연에서의 내부 대류 냉각 현상^{(17,18,20,43)}이 주목을 받았고 중공핀⁽⁴¹⁾과 적층구조물⁽⁴²⁾ 같은 새로운 형상의 냉각 효과를 관찰한 논문들이 발표되었다.

2019년에는 실험 및 수치해석 기법의 관점에서 가스터빈의 열전달 및 냉각 문제를 접근한 기획이 많이 이루어졌다. 실험 기법 면에서는 적외선 카메라를 이용한 열전달 측정 기법이,^(24,26) 수치해석 기법 면에서는 큰에디모사 기법이 주목을 받았다.^{(21,36,38,39)} 열전달 분야에서 2019년 새롭게 등장한 연구 분야로 고체의 열응력이나 열변형을 연구한 결과들이 발표되기 시작했다는 점도 주목할 만하다.^(22,31,32)

4. 시험평가 및 성능해석 관련 연구

시험평가 분야에서는 2018년에는 두산중공업의 대형 발전용 가스터빈 및 기계연구원의 초임계 이산화탄소 시스템이 많이 소개가 되었는데 2019년에는 많은 논문이 발표되지는 않았다. 평가 시스템이 구축되고 결과가 나오는 과도기적 시기에 접어든 것으로 파악된다. 2019년에는 한국항공대학교의 천음속 캐스케이드 구축현황⁽⁴⁸⁾이 소개되었고 한국에너지 기술연구원이 개발한 초임계 이산화탄소 발전 사이클의 성능평가 결과가 발표되었다.^(54,61)

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 주로 탈설계 및 부분부하 운전 특성이 다루어진다. 탈설계 운전 특성으로는 구심터빈의 탈설계 운전 특성⁽⁴⁷⁾을 제시한 논문이 소개되었고 가스터빈의 탈설계 성능 해석을 프로그램화한 연구⁽⁴⁹⁾가 발표되었다. 부분부하 운전 특성과 관련해서는 발전용 가스터빈의 부분부하 운전 특성이 발표되었다.⁽⁵⁸⁾ 최근 나타난 새로운 접근법으로 인공지능을 이용한 시스템 또는 운전 최적화를 다룬 연구들도 눈에 띄었다.^(46,59) 두 번째 분류에 해당하는 연구로는 주로 초임계 이산화탄소를 적용한 사이클에 대한 소개가 많았는데^{(53-57,61-63)} 순산소 연소를 적용한 사이클이 새롭게 소개되기도 하였다.⁽⁶³⁾ 그밖에 유기랭킨 사이클과 연료전지를 결합한 사이클도 소개되었다.⁽⁵²⁾

5. 기술 및 현황소개 관련 논문

2019년에도 최근 몇 년간 기술 현황이 소개되어 왔던 기밀 및 밀봉관련 기술현황이 소개되었고,^(80,81) 가스터빈의 열전달 분야에서 그간의 연구 성과를 정리하여 강연 형태로 기획이 되어 발표가 이루어졌다.^(78.79,82) 가스터빈 관련 신기술로서는 3차원 프린팅 기술을 적용한 사례^(73,76,76)나 적용하기 위한 설계 변화⁽⁷⁴⁾ 등이 집중적으로 조명되었고 측정 기법 중에서 적외선 열화상 카메라를 활용한 열전달 측정 기법이 집중적으로 발표되었다.^(71,72) 대형 발전용 가스터빈의 국산화가 이루어진 것에 즈음하여 개발 현황에 대한 보고가 있었고⁽⁶⁸⁾ 각 분야의 전문가 5명의 패널 발표 및 토의로 진행되었던 시장 환경 변화에 대응하는 산업용 가스터빈 기술도 많은 주목을 받았다.⁽⁸⁴⁾

6. 결 론

2019년 한국유체기계학회 논문집과 한국유체기계학회 하계 및 학술대회에서 발표된 논문을 바탕으로 2019년 가스/스팀 터빈 분야의 연구 동향을 살펴보았다. 2019년에는 2018년과 유사한 편수의 논문이 발표되었고 여전히 열전달 및 시스템 성능 해석 관련 논문이 주를 이루고 있으나 밀봉 과정에서 생기는 누설 유동을 중심으로 유동장 관련 논문이 증가하는 추세를 나타내었다.

열전달 분야에서는 2018년에 이어 막냉각 관련된 기술이 가장 많이 발표되었으나 주제는 다양해졌고 큰에디모사를 활용한 해석 결과가 다수 발표되었다는 점이 특이할 만했다. 내부 대류 냉각의 경우 2018년에 이어 3차원 프린팅을 적용한 복잡한 구조가 시도되었고 전도를 포함한 복합열전달 및 더 나아가 열응력을 검토하는 연구가 등장하기 시작했다.

시험평가, 성능해석 분야에서는 2018년에 이어 2019년에도 실 터빈 조건을 모사하는 평가시스템의 구축 및 평가사례가 소개되었고 사이클을 개선했을 때의 효과를 검토한 논문이 다수 발표되었다. 올해에는 데이터 기반 또는 인공지능을 도입한 설계 및 운전 관련 연구가 등장하기 시작했다는 점이 특이할 만하였다.

기술 현황으로 2019년에는 3차원 프린팅을 활용한 가스터빈 기술 및 밀봉 기술이 집중적으로 조명을 받았다. 국산 발전용 가스터빈의 원년을 열었다고 평가받는 2020년에는 가스터빈의 각 연구 분야에서 새롭게 등장하기 시작한 연구들이 보다 발전된 형태로 발표되기를 기대한다.

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