에너지를 절감하는 터빈의 테스트

제트기(jet airplane)가 이륙, 긴장 및 축축한 연기 기둥이 생길 때, 항공기에 앉아 있는 사람은 이러한 거대한 집합체가 하늘을 어떻게 날아오르고, 높은 고도에서 유지하는지 궁금하게 여길 것이다. 이와 관련된 지식은 거의 없다. 항공기는 뛰어난 동력 대 무게 비율 때문에, 제트기에 이상적인 가스 터빈 엔진(gas turbine engine)으로 추진된다. 가스 터빈 엔진은 자체적인 가벼운 무게에 대하여 많은 동력을 생성하는 상대적으로 작은 터보 엔진이다.

스팀, 물 및 풍력 터빈 엔진보다 상대적으로 덜 알려진 가스 터빈 엔진은 주로 제트기(jet aircraft)와 발전소(electric power plants)에서 찾아볼 수 있다. 가스 터빈 엔진이 자동차 엔진이 경험하는 부하량처럼 변동하는 부하량이라기 보다는 장기적으로 일정한 부하량 조건에서 잘 운영되기 때문에, 이러한 사용에 적합하다. 가스 터빈이 2,000 ℉ 이상의 온도와 높은 속도에서 회전하기 때문에, 가스 터빈 엔진은 다량의 동력을 생산한다. 실제로 가스 터빈은 항공 분야와 전기 생산에 대하여 미국에서 사용되는 모든 에너지의 약 15%를 생산한다.

이러한 과정은 수많은 제트 연료의 연소를 필요로 한다. 가스 터빈 엔진 효율을 증가시키기 위한 방안을 찾고, 연료 연소를 억제하기 위하여, 미국 펜실베이니아 주립대학 공과대학(Penn State`s College of Engineering) 소속의 연구진은 에너지부(DOE; Department of Energy) 산하 국립 에너지 기술 연구실(National Energy Technology Laboratory), 항공 우주 분야 제조사인 Pratt & Whitney사 등과 팀을 이루어 START(Steady Thermal Aero Research Turbine) 시설에서 전체 규모의 테스트 터빈에 대한 실험을 수행했다. 미국은 연간 140만 배럴의 제트 연료를 사용하고 있으며, 연구팀의 목표는 이러한 수치를 5% 까지 삭감하는 데 있다고 펜실베이니아 주립대학 기계 및 원자력 공학과 교수이며 책임자인 Karen Thole은 밝혔다.

보다 더 큰 엔진 효율에 접근하는 한 가지 중요한 단계는 공기 시스템 밀봉(air system seals)을 개선하는 것이다. 가스 터빈은 계면에서 기류 누출을 생성하는 격차를 포함하는 회전하는 부품과 정지상 부품-각각 블레이드(blade, 날개깃)와 날개(vane)-을 모두 가지고 있다고 Thole은 설명했다. 그녀와 그녀의 연구팀은 누출을 줄이는 최적의 방안을 찾기 위하여 다양한 유형의 밀봉을 실험할 계획이며, 연구팀이 생성한 자료는 Pratt & Whitney사가 자사의 엔진 디자인 도구를 개선하는데 도움을 줄 것이다.

터빈 밀봉(turbine seals)에 대한 실험을 완성한 후, 연구팀은 연구의 초점을 가스 터빈을 추진하는 블레이드와 날개를 어떻게 더 잘 냉각할 수 있는지에 대한 냉각 기술(cooling technologies)로 전환할 계획이다. 가스 터빈 엔진은 공기를 흡수하고 압축하는 압축기(compressor), 연료를 연소시키는 연소실(combustor), 고압과 고속의 가스의 생성 및 가스로부터 에너지를 추출하는 터빈 등으로 이루어진다.

뜨거운 연소 가스는 2,000~3,000℉ 수준이라고 Thole는 밝혔다. 따라서 터빈의 날개와 블레이드가 극도로 높은 온도를 견딜 필요가 있으며, 날개와 블레이드를 보다 더 잘 냉각시킬수록, 보다 더 내구성이 있으며, 오래 지속되는 항공기 날개(airfoils)가 될 것이라고 Thole는 밝혔다.

가스 터빈 연구의 협력자인 DOE는 특히 개선된 냉각 디자인에 관심을 가지고 있다. DOE 화석 에너지부 터빈 기술 책임자인 Richard Dennis는 연구진이 발전소에서 보다 더 크고, 정지상의 가스 터빈에 개선된 냉각 기술을 적용하는 데 관심이 있다고 밝혔다. 이 프로젝트에서 연구팀의 목표는 에너지 효율성을 개선시키는 것이며, 냉각이 핵심 요소라고 Dennis는 밝혔다. 보다 더 우수한 냉각을 구현할수록, 더 높은 온도에서 보다 더 효율적으로 기계를 이용할 수 있다고 Dennis는 지적했다. 이러한 더 큰 효율은 더 적은 연료를 필요로 하고, 필요한 연료가 더 적을수록 대기 오염은 줄이고 전기 비용은 낮출 수 있다는 것을 의미한다.

START 시설은 두 가지 특성을 자랑한다. 첫째, 이 시설은 전체 규모의 엔진 조건 하에서 운영된다. 이러한 조건은 정확한 연구 결과를 얻는데 중요하다. 가스 터빈이 실제적인 엔진 규모와 속도에서 운영될 예정이기 때문에, START 시설이 보다 더 연료 효율적인 상용 및 군용 제트 엔진을 구축하는 데 필요한 상응하는 자료를 연구팀에게 제공할 것이라고 Pratt & Whitney사 소속의 책임 공학자인 John Wiedemer는 밝혔다.

START 연구실의 두 번째 뛰어난 특성은 정지상의 오랜 내구성을 갖춘 설비라는 점이며, 이러한 사실은 지속적으로 운영될 수 있다는 것을 의미한다. 다른 가스 터빈 실험실은 블로 다운(blowdown, 배기 밸브 또는 배기구가 열리기 시작하고 실린더 내의 가스가 뿜어 나오는 현상) 시설이라고 연구 부교수인 Mike Barringer는 밝혔다. 이것은 블로 다운 시설이 1초 또는 수 밀리 초 동안 공기를 날려 보낼 것이며, 엔진을 운영할 때 단기 흐름이 자체적으로 구축될 기회가 없다는 것을 의미한다. START 시설에서 연구팀은 문제없이 몇 시간 동안의 테스트 동안 공기 분사(air blowing)를 유지할 수 있다. 그리고 연구진은 보다 더 실제적으로 완전하게 개발된 흐름 조건을 생성할 수 있다.

밀봉과 냉각에 대한 연구뿐 아니라, 부가적인 3D 프린팅 제조에 대한 실험이 START 시설에서 가스 터빈 디자인과 개발을 개선할 것이다. 현재의 산업 실제에서, 가스 터빈 날개는 먼저 주조되고, 이후 공학자들이 날개에 냉각 구멍을 뚫기 위하여 레이저를 이용하는 터빈 제조사에 선적된다.

그러나 공학자들은 레이저에 대한 조준선을 필요로 하기 때문에 연구진이 구멍을 뚫는 장소가 제한적이라고 연구진은 밝혔다. 따라서 START 시설은 모든 테스트를 수행하는 데 중요한 역할을 하고 다양한 연구 프로젝트의 시험대가 될 것이다. 모든 터빈은 온도와 압력을 모니터링하는 센서를 요구한다고 Thole은 밝혔다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 에너지를 절감하는 터빈의 테스트