Tech Story 자료 : 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 박장선

1990년대 후반 이후 전 세계 주요국에서 초소형 가스터빈 개발에 대한 투자를 늘리고 있다.

본 내용에서는 초소형 가스터빈의 핵심요소 기기인 원심압축기의 설계와 제작에 대한 그간의 연구진행 결과와 실리콘반도체 가공기술을 응용한 MEMS기술의 적용문제를 검토하고 그 연구 성과에 대해 살펴보도록 하겠다.  <편집자 주>

1. 서언

1990년대 후반부터 미국 MIT가 MEMS기술을 응용하여 마이크로 가스터빈 엔진프로젝트(국방부의 DARPA 및 ARO 지원에 의한 군사용 연구)를 성공적으로 추진한 이래 주요국들이 초소형 가스터빈 개발에 투자하고 있다.

2001년 이후 국가 연구 사업으로 초소형 가스터빈 기술개발 프로젝트를 추진하고 있는 일본의 터보기술진은 일부 요소기기의 제작공정에 반도체 미세가공기술을 도입하여 시스템의 초소형화를 실현하려 하고 있다.

이 자료는 초소형 가스터빈의 핵심요소 기기인 원심압축기의 설계와 제작에 대한 그간의 연구진행 결과와 실리콘반도체 가공기술을 응용한 MEMS기술의 적용문제를 검토하고, 러시아 항공원동기중앙(연) 등 외국 공동연구기관의 연구 성과를 요약한 내용이다.

2. 초소형화의 문제점

가. 압축기의 소형화 특성

① 압축기가 달성하는 압력비는 대체로 임펠러의 회전속도로 결정된다.

② 소형화가 진전됨에 따라 압력비가 상승하지 않음이 밝혀지고 있고, 초소형화에 이르면 회전속도 유지와 수십만~
100만rpm의 고속회전을 실현하기 위한 주변기술(터빈, 베어링 등)이 필요하다.

③ 임펠러 형상이 2차원에서 준(準) 3차원, 3차원으로 됨에 따라 공력성능이 향상된다.

- 산업용 원심압축기는 대부분 3차원 형상을 가짐

- 유로형상에 관한 설계기술은 거의 확립되어 있는 상태임

나. 초소형화의 과제

초소형화를 이루려면 공구의 크기와 가공패스의 제한 때문에 3차원적 기계가공이 어려워진다. 이에 따라 임펠러 형상은 2차원 또는 준 3차원으로 고려하지만 다음과 같은 문제가 있다.

2차원 형상의 경우, 임펠러 입구의 백색 유체흐름과 충돌손실 회피가 곤란하다.

가공법에 따라 표면의 최소 거칠기가 결정되기 때문에 유로(流路)의 상대 거칠기는 가공치수에 반비례하여 증대하고, 벽면 마찰손실과 원판 마찰손실이 증가한다.

기계가공에 의한 정밀도를 초소형화에 맞춰 작게 하는 것은 어렵기 때문에 블레이드 간 손실이 상대적으로 증가하는 것으로 추측된다.

따라서 원심압축기의 초소형화는 현재 보급되고 있는 설계 툴(tool)이나 CFD(Computational Fluid Dynamics) 툴은 적용할 수 없으며 설계에 대한 기본적 노하우 확립이 필요하다.

3. 초소형 압축기의 설계 및 제작

가. 성능예측 및 설계

초소형화를 위한 1단계 설계는 다음과 같다.

- 전(全) 압력비 : 3

- 압축기의 임펠러 외경 : D2=40mm(최종 사이즈의    5~10배 규모이며 자동차용 터보차저와 같은 크기)

- 2차원 가공형상 선택(다만, 3차원 형상의 임펠러에    비해 효율저하 및 좁은 작동범위가 예측됨)

설계는 M. R. Galvas의 성능예측법(Analytical Correlation of Centrifugal Compressor Design Geometry for Maximum Efficiency with Specific Speed, NASA TN D-6729, 1972)을 이용하여 임펠러 입출구와 디퓨저(diffuser) 입출구의 전압(全壓), 정압(靜壓), 상대속도, 절대속도, 유체흐름 각도, 온도 등을 설정하여 성능 특성을 계산하고 임펠러 및 디퓨저의 최적 기하학적 형상을 정했다.

·최종적으로 결정한 임펠러 및 디퓨저의 설계개요

- 유량과 압력비의 균형관점에서 임펠러 입구직경 D1=16mm, 임펠러 개수 Z=16매로 함.

- 블레이드 간 상대속도를 최적화하기 위해 블레이드 두께를 변화시켜 유로면적을 변하도록 하지 않고, 임펠러(圓弧型) 높이를 입구에서 출구에 걸쳐 변화시킴.

- 디퓨저는 입출구 면적비 및 각도만 검토하여 마찰손   실 절감과 소형화를 고려한 형상(short-type diffuser)   을 채용.

나. 압축기의 시험제작

임펠러 및 디퓨저는 머시닝센터에 의한 기계가공방식으로 제작했다.

설계는 임펠러 두께가 스팬방향으로 0.5mm로 일정하게 하고, 회전 시의 강도를 고려하여 블레이드 휠 부위의 임펠러 두께를 1.0mm로 하여 테이퍼 형상으로 마무리 가공했다.

- 임펠러 재료 : A7075

디퓨저는 임펠러가 없는 것과 임펠러 수 15 및 16개의 2종류를 제작하여 슈라우드(shroud)에 의해 유로에 고정했다. 케이싱은 동일한 단면적형으로 하고, 케이싱벽면과 임펠러 슈라우드의 간격은 0.3mm이다.

다. 성능시험

·실험장치 및 실험방법

- 압축기구동 : 토출압력 0.69MPa, 유량 3.5㎥/min   의 스크루 컴프레서를 공기원(空氣源)으로 사용.

- 압축기 작동유체(공기) : 압축기 케이싱의 흡입노즐   에 의해 유입되고 압축기를 통과한 후, 유량측정용   토출관을 지나 대기로 방출.

- 설정회전수 : 10,000rpm

실험결과 예측 값과 유사한 경향을 나타낸 것으로 보고하고 있다.

4. 국제공동연구 상황

가. 외국연구기관의 활용

가스터빈 설계 및 제작경험이 있는 유럽의 3개 연구기관을 이 프로젝트에 공동연구 형태로 참여시켜 관련 노하우와 필요한 설계 및 엔지니어링 데이터를 확보하는데 도움을 받고 있다.

- 프랑스 항공우주연구소(ONERA)

- 러시아 항공원동기중앙연구소(CIAM)

- 벨기에 폴칼만유체역학연구소(VKI)

① CIAM의 압축기 설계

- 사이즈 : 프로젝트의 최종목표 크기 D2=4mm의 10   배인 D2=40mm

- 압력비 : 3

- 최고온도 : 1,223K

- 설계회전수 : N=210,000rpm

- 공기유량 : 13.1g/s

- 임펠러 입구 직경 : 14mm(입구 폭: 3mm, 출구 폭: 1mm)

- 블레이드 수 각각 8 및 10개

- 해석결과, 입출구의 상대속도비가 크고, 디퓨저 입   구의 마하수도 다소 큼

② VKI에 의한 2차원형상의 원심압축기 설계

- 임펠러 설계 : CIAM과 동일

- 블레이드 수 : 12개

- 디퓨저 : 채널 디퓨저 채용

- 현재, 최종 사이즈까지 초소형화가 되면 효율이 10%   정도 낮아질 가능성이 있는 것으로 평가됨으로써, 2   차원형상 압축기의 효율향상에 대한 과제가 제기되고 있음

5. 결언

일본이 정부지원에 의해 추진 중인 초소형 가스터빈의 연구개발 중간성과 중에서 핵심요소기기인 원심압축기에 대한 내용을 요약 정리하였다.

이 프로젝트의 효율적 추진을 위해 참여시키고 있는 외국 공동연구기관의 압축기 설계 진행상황과 과제도 제시되었다.

MEMS의 마이크로가공기술을 일부 응용하여 2차원 형상의 구조를 채택하고 있는 이 초소형 가스터빈은 설계와 특히 2차원 구조의 제작에서 효율과 성능 상에 아직 보완 과제가 상존하고 있음을 지적하고 있다.

6. 전문가 제언

초소형 가스터빈 프로젝트는 미국 MIT가 국방부 DARPA(Defence Advanced Research Plan Agency)와 ARO(Army Research Office)의 지원에 따라 1990년대 후반부터 추진해온 MIT마이크로 가스터빈 프로젝트가 그 효시이다. 연구 예산 성격이 의미하듯 이 프로젝트는 군사용 마이크로 동력원 개발을 목표로 하고 있고, 터빈 휠 직경이 4㎜에 불과하다.

최근 일본(경제산업성 산하 NEDO)은 초소형 가스터빈 개발에 매우 적극적이다. 주요 터보기계기술을 보유하고 있는 대학의 연구그룹과 기업이 대거 참여하고 있다. 초소형 가스터빈 프로젝트의 목표를 인간형 로봇(Humanoid Robot), 2차 전지를 대체할 휴대형기기(노트북PC, 휴대전화, PDA 등)용 동력원으로 설정하고 있다. 사이즈 목표는 일단 MIT보다는 2배 이상으로 결정했다.

이 자료에서 다룬 원심압축기는 가스터빈에서 연소기, 열교환기, 발전기 등과 함께 마이크로 가스터빈 엔진시스템을 구성하는 핵심 요소이다. 또한 이 요소시스템은 전체 가스터빈의 마이크로화, 터빈효율과 직결된 터빈 휠의 사이즈를 결정하는 위치에 있다.

MIT마이크로 가스터빈은 초소형화를 이루면서 복제생산이 가능한 MEMS기술을 각 요소에 적용하고 있다. 이것은 2차원 가공기술로서 특허가 설정되어 있기 때문에 기술 모방은 불가능하다. 일본은 이를 피해 일부 2차원적 MEMS기술을 적용하면서 3차원(또는 3차원과 유사한) 가공 방식을 개발 도입 중이다. 시스템 효율에서는 3차원이 오히려 유리한 것으로 보고되고 있다.

일본은 이 프로젝트의 성과를 위해 가스터빈 설계노하우를 보유 중인 프랑스, 러시아, 벨기에의 연구진을 국제공동연구 형식으로 활용하고 있다. 최근 국내에서 추진 중인 가스터빈/연료전지혼합 발전시스템기술 개발프로젝트(이 중에는 마이크로 가스터빈개발과제도 포함)의 성공적 추진을 위해 일본의 연구개발 접근 방법을 참조할 필요가 있다.