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항공용/발전용 가스터빈 고온부품 열설계 원천기술 연구: 적층제조의 역할과 적용
방민호(minho bang)(국립 인천대학교 기계공학과 조교수) / minhobang at inu.ac.kr
1. 본인의 연구에 대해서 대략적인 소개를 부탁드립니다.

- 안녕하세요. 국립 인천대학교 기계공학과 열유체 및 에너지시스템 연구실 방민호 교수입니다. 저의 주요 연구분야는 항공용/발전용 가스터빈의 고온부품(터빈 베인, 블레이드, 연소기 등) 에 적용되는 냉각기술을 개발하기 위하여, 열전달 및 유체역학적인 특성을 고려한 고온 부품 열설계 연구를 수행하고 있습니다. 항공용/발전용 가스터빈의 효율과 출력을 향상시키기 위하여 터빈에 진입하는 연소가스의 온도는 시대가 발전함에 따라 상승하고 있고, 현재 터빈 내 고온부품은 약 1800 K의 고온의 연소가스 조건에서 운용되고 있습니다. 이는 터빈 소재의 허용가능온도(~약 1,100 K)을 넘어서는 온도이므로 이에 대한 냉각기술의 적용이 필수적입니다. 저는 약 1800 K의 높은 연소가스의 온도와 터빈 소재의 허용가능온도 간의 차이를 극복하기 위한 가스터빈 고온부품에서의 냉각기술을 개발하기 위한 열설계 연구를 하고 있습니다.

2. 가스터빈 고온부품의 냉각 설계에서 어떤 구체적인 냉각 기술이 현재 주목받고 있으며, 이 기술들의 장점은 무엇인가요?

- 앞서 언급한 내용에 이어서 가스터빈 고온부품에서의 냉각기술 및 열설계 접근방법에 대해 말씀드리자면, 첫번째로 가스터빈 블레이드 모재의 외부면(External side)에서는 열유속을 줄이기 위해 외부 열전달 계수를 감소시키고 블레이드 외부 표면에서의 연소가스의 온도를 줄여야 합니다. 그 다음으로는 가스터빈 블레이드 모재의 내부면(Internal side)에서는 압축기에서 추기된 압축공기의 냉각성능을 향상시키기 위해 내부 열전달 계수를 증가시켜야 합니다. 이러한 냉각 설계를 적용하기에 앞서, 연소가스유동의 특성을 이해하여 블레이드 표면에서의 열부하 분포를 측정해야합니다. 아래의 그림에서와 같이 베인 끝단으로부터 발생하는 후류의 영향을 고려하여 블레이드 및 슈라우드 표면에서의 열부하 분포를 측정한 연구를 수행하였습니다. 또한, 블레이드 팁에서의 외부 열전달 계수를 줄이기 위해 다양한 구조물의 설치에 따른 블레이드 팁 주변에서의 유동을 분석하고, 그에 따른 외부 열전달 계수를 측정하였습니다. 본 연구의 결과를 통해 얻은 내용은 유동 제어를 통해 외부 열전달 계수가 감소할 수 있고, 잘못된 구조물 설치는 열설계 측면에서 악영향이 있을 수 있음을 확인하였습니다.

이제 질문해주신 내용에 답변을 드리자면, 질문에서 언급하신 냉각 기술은 블레이드 모재의 내부면(Internal side)에 적용되고 있는데, 이에 대한 연구는 내부 열전달 계수를 향상시키기 위한 목적을 가지고 있습니다. 그에 대한 냉각 기술은 크게 블레이드 내부 냉각유로 내 요철을 이용한 냉각 기술, 핀-휜을 이용한 냉각 기술, 충돌제트 냉각 기술, 딤플/돌출 구조물을 이용한 냉각 기술로 구분됩니다. 요철 냉각 기술은 내부 냉각 유로에 있는 요철 구조물을 통해 유동의 열경계층 내 점성저층(viscous sublayer)을 지속적으로 깨트리고 재부착 이후 경계층 재발달하도록 만듦으로써 냉각 성능을 향상시킬 수 있습니다. 핀-휜을 이용한 냉각 기술은 원형 실린더 구조물 주위에 발생하는 와류 유동뿐만 아니라 원형 실린더 구조물에 의한 전열면적 증가를 통해 냉각성능을 향상시킵니다. 블레이드의 끝단 영역은 얇기 때문에 구조적인 강건성을 높이면서 냉각성능을 향상시킬 수 있는 핀-휜 냉각 기술을 적용하고 있습니다. 충돌제트 냉각 기술은 냉각시키고자 하는 표면에 제트형태로 강하게 분사시킴으로써 국소적으로 냉각 성능을 강하게 높이는 냉각 기술이며, 높은 냉각 성능으로 인해 외부 연소가스가 정체되는 영역인 블레이드의 전연면에 적용되고 있습니다. 딤플/돌출 구조물을 이용한 냉각 기술은 움푹 패이거나 볼록 튀어나온 구조물을 적용함으로써 와류를 발생시켜 냉각 성능을 향상시키며, 이는 상대적으로 압력강하가 적은 냉각 영역에서 적용되고 있습니다. 마지막으로, 막냉각 기술은 내부 유로의 냉각유체를 블레이드 외부 표면(External side)으로 구멍을 통해 분출시켜 고온의 냉각 유체가 직접적으로 영향을 주지 못하도록 냉각 유체 막을 형성하여 블레이드를 보호하는 기법입니다. 다른 터빈 냉각 기술들과 비교하여 능동적인 냉각 기술이라고 볼 수 있습니다.

이처럼 다양한 냉각 기술들이 가스터빈 블레이드에 적용되고 있고, 극한 환경에서 운용되는 가스터빈 블레이드의 열적 강건성과 내구성을 확보하기 위해 냉각 기술 기반으로 한 열/유체 설계가 매우 중요하며, 지속적으로 냉각 성능 향상을 위한 연구가 필요합니다.


3. 내부 냉각 통로 표면의 열전달 계수를 증가시키는 디자인과 외부 표면의 열전달 계수를 감소시키는 디자인에 대한 연구에서 어떤 도전적인 측면들이 있으며, 이러한 디자인이 블레이드의 냉각 성능과 가스터빈 시스템에 어떤 영향을 미치는지 알려주세요?

- 외부 표면의 열전달 계수를 감소시키는 설계에 대한 연구에 있어서는 베인으로부터의 후류, 베인/블레이드 간 Potential field, 주유로 내 이차와류 등 블레이드 외부 환경에 의한 열부하 분포의 메커니즘과 분포 형태를 정확하게 측정하는 것이 중요합니다. 또한, 외부 표면을 보호하기 위해 사용하는 막냉각 홀에 있어서 가공 및 제조 방식이 매우 중요합니다. 우수한 냉각 성능을 지닌 냉각 홀을 위해 방전 가공(Electric Discharge Machining)을 사용하는데 방전 가공을 위한 베인 및 블레이드 표면에서의 가공치구의 접근성 및 후처리를 위한 공간 확보가 매우 중요합니다. 또한, 내부 냉각 유로에서의 열전달 계수를 증가시키는 디자인에 있어서는 내부 냉각 유로에서의 난류 강도를 높이기 위해 복잡한 구조물/형태를 지닌 유로를 고안하게 됩니다. 하지만, 복잡한 구조물/형태의 유로를 만들기 위해서는 현재 사용하고 있는 정밀주조 제조방식(Investment casting)에 의한 가공 및 제조 방식의 한계점에 부딪치게 됩니다. 내부냉각유로를 위한 세라믹코어(ceramic core)의 제조, 충돌제트냉각을 위한 인서트(Insert)의 결합 등의 한계점들로 인해 이상적인 냉각 형상을 구현하기 어렵습니다. 따라서, 현재의 제조방식으로 냉각 성능을 극대화할 수 있는 형상의 구현이 어렵기 때문에 동일한 냉각 성능을 위해서는 냉각 유량을 더 많이 사용하게 되고, 이는 결국 시스템의 성능 저하를 가져오게 됩니다.


4. GE, Rolls-Royce, Siemens와 같은 국제 가스 터빈 제조업체가 정밀주조방식에서 적층 제조로의 전환을 택한 주된 이유는 무엇일까요? 이러한 변화로 인해 가스터빈 부품에서의 냉각 설계 형상은 어떻게 변화하고 있나요?

- 4차 산업혁명에서의 주목받는 기술 중 하나인 적층제조기술의 발전으로 세계적인 가스터빈 제조업체들도 적층제조기술을 가스터빈 부품으로의 적용을 시도 및 고려하고 있습니다. 적층제조기술의 장점인 위상최적화를 기반으로 일체화 설계, 경량화 설계, 성능 향상을 위한 설계가 가능하며, 층층이 쌓아올리는 제조 형태로 인해 설계 자유도가 향상된다는 장점이 있습니다. 이러한 장점을 고려하여 세계적인 가스터빈 제조업체들도 기존의 정밀주조방식에서 적층제조로의 변화를 시도 중이라 생각됩니다. 냉각 설계의 측면에서는 설계 자유도가 향상되는 이점을 바탕으로 기존의 가공 및 제조방식으로 구현하지 못한 이상적인 냉각 설계안에 대한 연구를 할 수 있게 되었습니다. 적층제조기술을 고려하여 가스터빈 블레이드 팁에서의 슬롯 냉각 설계 연구와 베인 혹은 연소기 벽면에서의 중공핀이 있는 충돌/유출 냉각 다층 구조물 연구, 적층제작성과 냉각 성능을 향상 시킬 수 있는 격자구조물이 있는 충돌/유출 냉각 다층 구조물 연구 등을 수행하였습니다. 적층제조기술을 활용하여 터빈 블레이드 제작을 한다면, 기존의 냉각 설계 기술의 한계점에 갇혀 있지 않고 이상적인 냉각 설계 기술을 적용할 수 있고, 새로운 냉각 설계의 패러다임을 맞이하게 됨에 따라 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 냉각설계에 대한 연구가 필요하다고 생각합니다. 또한, 이러한 연구개발 추세는 세계적인 가스터빈 제조업체들 역시 주목하고 있는 부분이기 때문에 차세대 가스터빈 블레이드 냉각 설계를 위해 창의적이고 도전적인 연구들을 수행할 필요가 있다고 생각됩니다.


5. 터빈 블레이드의 운영 데이터를 기반으로 한 열 유체 분석과 열 응력 분석은 어떻게 실시되며, 이러한 분석 결과를 바탕으로 어떤 종류의 정보를 얻을 수 있나요?

- 가스터빈 내 요소 기술로서 Lab-scale의 가스터빈 고온부품 냉각 설계 연구들을 진행한 것 뿐만 아니라, 발전용 가스터빈을 운용하고 있는 발전사들과의 협업 연구도 진행하였습니다. 발전사에서 제공하는 가스터빈 운영 데이터를 기반으로 전산수치해석을 통해 실제 크기의 터빈 블레이드에서의 열/유동 해석 및 분석을 진행하였고, 고온부품의 열응력 분포를 분석하였습니다. 발전사에서 운용하고 있는 가스터빈은 가스터빈 기반의 발전시스템의 운전 유연성(Operational flexibility)으로 인해 국내 전력 수요 시장의 첨두 부하(Peak load)를 담당하고 있기 때문에 최대 부하가 아닌 부분 부하(Part load)로 주로 운영되고 시동-정지가 잦은 형태인 DSS (Daily Start-Stop) 운전 형태로 운영되고 있습니다. 이로 인해 최대 부하에서 발생하는 파손 특성과는 다르게 열응력 기반으로 파손이 발생하는 것을 확인할 수 있었습니다.



6. 나프탈렌 증발 기술부터 압력 민감 페인트 기술까지 다양한 실험 측정 기술을 사용하여 어떻게 열 유체 특성을 정밀하게 측정하는지 설명해주세요.

- 가스터빈 고온부품에서의 열/유동 특성을 분석하기 위해 다양한 실험 측정 기술을 사용하였는데, 대표적으로 나프탈렌 승화법에 대해 말씀드리겠습니다. 간단하게 말씀드리자면, 나프탈렌 승화법은 열 및 물질 전달 상사를 이용하여 물질전달계수의 측정하는 방식입니다. 열 및 물질 전달 상사는 난류 유동 상황에서의 물질 전달과 열전달에서의 수송 메커니즘(Transport mechanism)이 유사하여 지배 방정식 상사가 가능하기 때문에, 물질 전달 계수를 정교하게 측정한 후 열전달 계수로 계산하여 얻게 됩니다. 시편에서 측정하고자 하는 영역에 나프탈렌으로 코팅을 하고, LVDT(Linear Variable Differential Transducer)을 이용하여 풍동에 설치 전 승화 깊이를 측정합니다. 풍동에 시편을 장착 후 일정 시간동안 실험을 진행하고 난 뒤 같은 방법으로 승화 깊이를 측정합니다. 이를 통해 시편의 각 국소 위치마다의 승화 깊이 양을 측정할 수 있고, 이러한 승화 깊이 양은 물질 전달 의 양을 의미하고, 이를 열 및 물질 전달 상사를 통해 열 전달 계수를 얻을 수 있게 됩니다. 이 뿐만 아니라, 압력 감응 페인트 기법, IR 카메라 기법, 열선식 유속계 기법(Hot-wire Anemometry) 등의 다양한 실험 측정 방법들을 통해 분석하고자 하는 시스템에서의 열/유동 특성을 나타낼 수 있는 열전달 계수, 압력, 유속 등을 측정할 수 있습니다.



7. 현재 운영 중인 인천대학교 TFES lab.에 대해 소개해 주십시오.

- 국립 인천대학교 기계공학과 열유체 및 에너지시스템 연구실 (TFES Lab)에서는 가스터빈을 이용한 미래 모빌리티 추진 시스템과 미래 에너지 시스템에 있어서의 열/유체 공학 솔루션을 열정적으로 찾고자 하는 연구 그룹입니다. 현재 학부연구생 4명과 함께 연구를 수행하고 있으며, 이후 학/석 연계과정으로 입학할 예정입니다. 제가 추구하는 TFES Lab의 연구원의 모습은 스스로 동기부여를 할 수 있고, 주체적인 연구원이었으면 합니다. 스스로 동기부여하지 못하고 주체적이지 못한다면 연구를 하는데 있어서 많은 어려움과 힘듦을 극복해 나가지 못할 것이라고 생각되기 때문입니다. 지도교수로서 옆에서 조언해주겠지만, 보다 효과적인 것은 스스로 답을 찾아가는 연습을 끊임없이 하는 것이라고 생각됩니다.

8. 많은 분들과 같이 연구를 진행해 오셨는데, 그 동안 영향을 받은 연구자가 많으실 것 같습니다. 어떤 연구자 분들의 어떤 영향을 받으셨는지 궁금합니다.

- 가장 영향을 많이 받은 연구자는 지도 교수님이셨던 조형희 교수님입니다. 제가 학위과정동안 교수님께 많은 가르침과 조언을 받아왔었습니다. 그 순간에는 제대로 이해하지 못하고 마음이 어렵고 힘들었던 적들도 많았지만, 시간이 지난 후에 생각해본다면 정말 가슴 깊이 생각될 내용들이었습니다. 몇가지를 기억하고 적어본다면, 지도교수님께서 몸소 보여주신 학문에 대한 열정, 도전의식, 끈기는 항상 존경스럽다고 생각해왔습니다. 저 역시도 앞으로 학생들과 연구를 수행하는데 있어서 지도교수님과 같은 학문에 대한 열정, 도전의식, 끈기를 원동력 삼아서 헤쳐 나가고자 합니다. 또한, 항상 남들과 협업을 하는데 있어서는 손해를 보는 선택을 해야 하며 이를 실천하시면서 보여주셨습니다. 마냥 손해를 보라는 의미는 아니고 당장 자신의 이익을 생각하는 것이 아니라, 지금 당장 손해가 되는 선택일지라도 장기적으로 보았을 때, 이러한 선택이 나중에 자신에게 돌아오는 평판이 될 것이라고 하셨습니다. 이러한 영향을 바탕으로 국립 인천대학교 기계공학과 열유체 및 에너지 시스템 연구실을 잘 운영해보고자 합니다.



9. 연구 활동하면서 평소 느끼신 점, 자부심, 보람에 대해 이야기해 주십시오.

- 연구 활동하면서 가장 보람을 느끼는 점은 제가 연구하는 분야가 산업과의 연계성이 매우 큰 분야이다 보니 국제학술대회에서 산업 현장의 관계자의 관심을 받았던 경험입니다. 2019년 11월 경에 일본 도쿄에서 개최된 IGTC (International Gas Turbine Congress)에서 적층제조기술을 고려하여 가스터빈 블레이드 팁에 슬롯 냉각을 적용한 냉각 설계에 대해 발표한 경험이 있습니다. 그 당시에 IHI라는 일본 가스터빈 업체의 연구원께서 제 발표에 대해 유심히 봐주시고 따로 찾아오셔서 명함을 전해주시면서 연구 관련 질문을 하셨습니다. 이러한 기회를 바탕으로 IHI에서 먼저 국제협력연구를 진행하고자 지도교수님을 통해 메일을 보내고 2020년 초에 방문 일정을 수립하였으나, 코로나 이슈 상황으로 인해 갑작스레 무산되었던 기억이 있습니다. 비록 예기치 않은 상황으로 국제협력연구로 이어지지는 못하였으나, 제가 하고 있는 연구가 단순히 학교 안에서 이루어지는 기초 연구가 아닌, 산업계에서도 흥미롭게 보고 있다는 점에서 매우 자부심을 느꼈던 경험이었습니다.



10. 이 분야로 진학(사업)하려는 후배들에게 조언해 주신다면?

- 가스터빈 열설계 기술 분야는 현재 탄소 중립 시대에서의 에너지 위기 문제와 주변국의 위협으로부터 우리나라를 보호하기 위한 국방기술개발에 있어 매우 중요하고 의미가 있는 분야라고 생각합니다. 해외 가스터빈 제조업체가 독점하고 있는 기술을 국내 독자 기술 개발을 통해 발전용 가스터빈 이외에 항공용에서도 독자적인 가스터빈 개발까지 이어질 수 있도록 적극적으로 가스터빈 열설계 기술 분야에 뛰어들어보았으면 합니다.


*방민호 교수님의 최근(대표) 논문들

1. Bang, M., Choi, S., Choi, S. M., Rhee, D. H., Moon, H. K., & Cho, H. H. (2023). Augmented cooling performance in gas turbine blade tip with slot cooling.International Journal of Heat and Mass Transfer,201, 123664.

2. Bang, M., Choi, S., Choi, S. M., Moon, H. K., & Cho, H. H. (2023). Enhancement of blade tip cooling with different position on tip cooling slot.International Journal of Heat and Mass Transfer,200, 123500.

3. Bang, M., Kim, S., Park, H. S., Kim, T., Rhee, D. H., & Cho, H. H. (2021). Impingement/effusion cooling with a hollow cylinder structure for additive manufacturing: Effect of channel gap height.International Journal of Heat and Mass Transfer,175, 121420.

4. Bang, M., Kim, S., Choi, S., Sohn, H. S., & Cho, H. H. (2020). Impingement/effusion cooling with a hollow cylinder structure for additive manufacturing.International Journal of Heat and Mass Transfer,155, 119786.

5. Bang, M., Choi, S. M., Sohn, H. S., Park, J. S., & Cho, H. H. (2018). Effects of unsteady wakes on heat transfer of blade tip and shroud.International Communications in Heat and Mass Transfer,97, 125-135.

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