2014년 가스 · 스팀터빈 분야 연구동향

1. 서 론

본 특집 기사에서는 2014년 국내 가스/스팀터빈 분야의 연구 동향을 분석하기 위해 2014년 한국유체기계학회 논문집과 한국유체기계학회 학술대회에 발표된 논문을 조사, 분석하였다. 전년과 마찬가지로 조사된 논문을 유동장, 열전달 및 냉각, 시험평가 및 성능해석, 기술 및 현황 소개 등으로 분류하였다. 압축기, 연소, 베이링, 회전체 동역학 등은 별도로 연구동향을 분석하므로 이 기사에서는 생략하였다.

표 1은 상기 기준으로 분류한 2013년과 2014년도 가스/스팀 터빈 분야의 논문 수를 나타낸 것이다. 전체적인 논문 수는 약간 증가하였고, 특히 열전달 및 냉각 관련 논문의 증가가 두드러졌다. 현재 진행 중인 발전용 및 항공용 가스터빈 개발 사업에서 터빈 입구 설계 온도의 증가에 따라 냉각 설계에 대한 연구가 활발하게 이뤄지기 때문에 관련 논문의 발표 수도 증가하였다. 2013년에는 압축공기 에너지저장 발전 관련 논문이 많이 발표되었지만, 2014년에는 유기랭킨사이클과 초임계 CO₂ 발전시스템에 대한 발표가 상대적으로 증가하였다.

표 1.

분류 기준 별 논문 수

2. 유동장 관련 연구

터빈 내의 유동 현상에 대한 논문을 유동장 관련 연구로 분류하였다. 최근 상용 전산유체역학 소프트웨어의 발달로 인해, 대부분의 유동장 연구는 수치해석 적으로 진행되고 있으며, 유동장 분석 연구와 더불어 공력 최적설계에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.

강영석 등⁽¹⁾은 1000 lbf급 터보팬 엔진의 1, 2단 터빈 블레이드를 설계하고, 상용 해석 소프트웨어를 이용한 설계 검증을 수행하였다. 강영석 등⁽²⁾은 1단 노즐 끝벽의 형상 변화가 터빈 공력 성능에 미치는 영향을 수치해석적으로 연구하였고, 김성규 등⁽³⁾은 증기 터빈의 부분 부하 운전 시, 혼합부 내에서의 partial admission된 증기의 유동 특성에 대한 연구를 수행하였다. Mustaffa 등⁽⁴⁾은 다단 축류터빈에서 익렬 간의 거리에 변화에 따른 비정상 유동이 공력성능에 미치는 영향을 수치해석적으로 연구하였다.

3. 열전달 및 냉각 관련 연구

터빈 입구 온도의 증가에 따라 가스터빈 부품의 정확한 열부하의 파악과 적절한 냉각법의 적용은 현대 가스터빈 개발에 필수적인 기술이다. 국내 다양한 터빈 개발 사업이 진행 중이고, 터빈 입구온도가 재료의 허용 사용온도보다 높게 설계되고 있으므로 국내의 열전달 및 냉각 관련 연구도 활발히 진행되고 있다.

박순상 등⁽⁵⁾은 막냉각 효율 개선을 위한 반와류 홀을 제안하고, 주 막냉각 홀과 보조 막냉각 홀의 각도가 막냉각 효율에 미치는 영향을 실험적으로 연구하였고, 문영기 등⁽⁶⁾은 주유동의 난류강도의 분포가 반와류 막냉각 홀의 막냉각 효율에 미치는 영향을 수치해석적으로 연구하였다. 박순상 등⁽⁷⁾은 냉각 유체의 밀도비가 반와류 홀의 막냉각 효율에 미치는 영향을 실험적으로 연구하였다. 김준희 등⁽⁸⁾과 조문영 등⁽⁹⁾은 각각 반와류 홀과 이중 분사홀의 형상 변화에 따른 막냉각 효율 변화를 수치해석적으로 연구하였다. 이상아 등^{(10, 11)}은 고압터빈 1단 노즐의 압력면에서 fan shape 홀의 배열 최적화 연구를 수행하였고, 박세진 등⁽¹²⁾은 후방 분사 막냉각 홀을 이용한 막냉각 효율 향상 연구를 수행하였다.

김진욱 등⁽¹³⁾은 전산해석에서 난류모델이 가스터빈 열유동 해석 결과에 미치는 영향을 연구하였다. 김현진 등⁽¹⁴⁾과 서도영 등⁽¹⁵⁾은 각각 요철이 설치된 로터 내부 유로의 열전달 특성과 고압터빈 노즐의 뒷전 슬롯 형상에 따른 냉각 특성에 대한 연구를 수행하였다.

정희윤 등⁽¹⁶⁾은 항공기용 엔진의 1단 노즐 모델에 대해 열화상 카메라를 이용하여 막냉각 성능을 측정하였고, 김선호 등⁽¹⁷⁾은 핀 냉각과 유출 홀이 동시에 적용된 내부 유로에 대한 열전달 특성을 수치해석적으로 연구하였다. 최석민 등⁽¹⁸⁾은 180도 곡관 유로에서 단락 가이드 베인의 설치에 따른 열전달 특성 변화를, 손호성 등⁽¹⁹⁾은 여러 가지 종회비의 two-pass 유로에서 팁에서의 유출이 열전달 특성에 미치는 영향을 연구하였다. 박정신 등⁽²⁰⁾은 적외선 카메라와 mesh heater를 이용한 열전달 측정기법을 소개하였고, 서재원 등⁽²¹⁾은 신발형 립의 형상이 유로 내부 열전달 계수와 압력 손실에 미치는 영향을 연구하였다.

김진욱 등⁽²²⁾과 박정규 등⁽²³⁾은 각각 항공기용 가스터빈 고압 냉각 터빈 노즐에 대한 복합열전달 해석과 다양한 레이놀즈응력 난류모델을 이용한 가스터빈 베인의 복합열전달 해석을 수행하였고, 김인겸 등⁽²⁴⁾은 C3X 베인에 대해 열차폐 코팅을 고려한 복합열전달 해석을 수행하였다.

4. 시험평가 및 성능해석 관련 연구

예년과 마찬가지로, 터빈 단품이나 시스템의 시험과 평가, 사이클 해석이나 성능 해석 및 평가를 ‘시험평가 및 성능해석’의 주제로 분류하였다. 2014년에는 유기랭킨 사이클에 대한 발표가 증가하였다.

조수용 등⁽²⁵⁾은 가변 열원에 적용 가능한 유기랭킨 사이클에 대한 연구를 수행하였고 조수용 등⁽²⁶⁾은 유기랭킨 사이클에 적용되는 부분 분사 터빈의 초음속 노즐 설계에 대한 연구를 수행하였다. 강영석 등⁽²⁷⁾은 초임계 이산화탄소를 작동유체로 하는 초소형 구심터빈의 설계에 대해 발표하였고, 김창민 등⁽²⁸⁾은 복합열병합 발전플렌트에 유기랭킨 사이클을 결합한 복합 발전시스템에 대한 성능 해석을 수행하였다. 강도원 등⁽²⁹⁾은 실제 발전용 가스터빈에서 측정된 데이터를 분석하여 가스터빈 구성부 특성 파라미터 값을 도출하였고, 이를 통해 가스터빈 성능 저하 원인을 분석하였다.

박철훈 등⁽³⁰⁾은 500W급 마이크로 가스터빈 발전기의 회전체와 베어링부의 단열과 냉각 성능을 검증하기 위한 모사실험을 수행하였고, 강정식 등⁽³¹⁾은 한국항공우주연구원에서 구축하는 400℃급 천음속 캐스케이드 시험설비를 소개하였다. 허재성 등⁽³²⁾은 고압 터빈 노즐의 재료가 저주기 피로 수명에 미치는 영향을 분석하였고, 김민재 등⁽³³⁾은 마이크로 가스터빈의 내부 누설이 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 정의엽 등⁽³⁴⁾은 가스터빈 연소기 라이너에 대해 열유동 해석을 수행하여 온도 및 파손 부위 예측을 수행하였고, 진상준 등⁽³⁵⁾은 칠러를 사용한 압축기 유입 공기의 냉각과 연료 예열이 가스터빈 복합발전 시스템의 성능에 미치는 영향을 연구하였다.

5. 기술 및 현황소개 관련 논문

새로운 개념 또는 기술의 소개, 설계 결과나 과정의 소개, 과제 진행 현황 등에 대한 논문을 ‘기술 및 현황소개’의 주제로 구분하였다.

한상조 등⁽³⁶⁾ 등은 해양 열에너지 변환을 위한 구심 터빈의 설계와 시제품 제작에 대한 연구를 소개하였다. 백영진 등⁽³⁷⁾, 이정익⁽³⁸⁾, 서정민 등⁽³⁹⁾, 차재은 등⁽⁴⁰⁾은 각각 한국에너지기술연구원, 한국과학기술원, 한국기계연구원, 한국원자력연구원에서 수행하고 있는 초임계 CO₂ 발전시스템 개발 현황을 소개하였고, 임동력 등⁽⁴¹⁾은 석탄 등급에 따른 초임계 CO₂ 발전 사이클의 효율을 비교하였다.

류제욱⁽⁴²⁾과 남삼식⁽⁴³⁾은 각각 두산중공업에서 수행하는 대형 발전용 가스터빈 개발 추진 현황과 5MW급 바이오 가스터빈 실증 시험을 소개하였고, 김두기⁽⁴⁴⁾는 MHI 가스터빈의 현장 검수 사례를 소개하였다. 이동호 등⁽⁴⁵⁾는 한국항공우주연구원에서 수행하는 중소형 항공기용 터보팬 엔진의 고압터빈에 대한 공력 및 냉각설계기술 개발과제를 소개하였다.

6. 결 론

2014년 한국유체기계학회 논문집과 한국유체기계학회 학술대회에서 발표된 논문을 바탕으로 2014년 가스/스팀 터빈 분야의 연구 동향을 살펴보았다. 국내에서 진행 중인 대형가스터빈 발전사업, 중소형 항공기용 터빈 공력 및 냉각 시험 등에 관련된 논문이 다수 발표되었고, 특히 고온부품의 냉각 및 열전달 관련 논문의 발표 건수가 증가하였다. 또한 최근 각광받는 유기랭킨 발전 사이클의 기초연구에 관련된 연구가 급증하였다. 이러한 기조는 향후에는 유지될 것으로 예측되고, 각종 터빈 개발 사업의 진행됨에 따라 논문 수의 증가도 예상된다.

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