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산학연 연구과제로 ‘차세대 가스터빈용 초고온소재 개발’ 이 진행되었음

고효율 가스터빈 기술 구현을 위해 지속적으로 상승되는 터빈입구온도(TIT) 상승(1500 – 1700℃)에 대응하고 성장 추세에 있는 가스터빈 시장에 대응하여 국내 독자 기술 개발을 통한 국내 산업 기반 확보 및 사업화 노력이 필요함

. 

특히 가스터빈 고온소재기술은 해외 선진기술국에서 E/L (expert license, 수출입 통제) 적용 기술유출을 엄격히 통제하고 있어 해외로 부터의 도입이 어려워 국내에서 독자적 개발을 통한 기술 확보가 강력히 요구되었기에 추진된 연구임.

일단 연구테마는 3가지임

1. 초고온 환경용 low-k TBC 

2. CMC 복합소재 

3. 초내열 합금 

TBC는 초고온의 블레이드를 감싸는 열차폐 코팅이고 최대한의 열전도도를 낮춘 코팅을 개발하는 과제임

일본의 IHI사, CMC 소재 가스터빈 적용 연구결과 - 군사 마이너 갤러리

위글은 유동닉시절에 쓴글인데 CMC는 보통 알려진바와는 달리 압축기의 블레이드를 모두 대체하는 소재는 아님.

CMC는 기존의 초내열합금보다 가벼우면서 어느 정도 초내열성질을 갖는 소재인데 블레이드의 경량화의 효과가 큰건 가스터빈의 제일 후방에 위치한 저압터빈 블레이드들임. 

즉 저압터빈부는 어느 정도 온도가 낮지만 크기와 무게가 크기 때문에 가벼워지면 효율이 크게 증가하는 파트들임. 즉 이부분에 CMC를 적용하면 경량화로 인한 에너지 절감 효과가 커짐.

아래 그림에서 보듯이 크고 무거운 부품들이 고속으로 회전하면 그 회전모멘트로 많은 에너지가 소실될 수 있는데 이게 가벼워지면 그만큼 연비가 절감되게 되어 있음. 

그래서 CMC를 제트엔진에 적용하는 업체중 GE나 일본의 IHI 모두 CMC로 모든 압축기 블레이드를 교체하는 것보다는 저압터빈과 베인쪽에 적용하는 식임. 이쪽은 고압터빈측보다 온도도 낮기 때문에 여기엔 CMC를 다소 과감하게 적용할 수 있음.

대신 기존 고압터빈부는 기존의 초내열합금이 맡게 됨. 고압터빈쪽은 블레이드 크기가 작아서 회전모멘트가 작기 때문에 경량화로 인한 이점이 그리 크지 않거든. 그리고 온도도 제일 높은 쪽이라 보수적으로 갈 수 밖에 없음. 

그래서 이번 과제는 초내열합금도 개발함과 동시에 가격이 비싼 레늄을 넣지않는 초내열 합금제조기술을 습득하려고 하는 것임. 물론 이 초내열합금을 감싸는 저 열전도도 코팅기술도 개발하는 과제임.

즉 차세대 가스터빈 개발에 부합하는 소재개발 과제라고 할 수 있겠음.

중간과정은 생략하고 결과만 보겠음.

2018년에 시작되서 2020년에 마무리된 과제임

2018년 : https://scienceon.kisti.re.kr/commons/util/originalView.do?cn=TRKO201900001656&dbt=TRKO&rn=

2020년 : https://scienceon.kisti.re.kr/commons/util/originalView.do?cn=TRKO202100000161&dbt=TRKO&rn=

이렇게 2018년과 2020년에 각각 보고서가 나옴

2018년은 중간보고서, 2020년은 최종보고서

결과만 보겠음.

2018년 결과는아래와 같음

2020년은 아래와 같음

아래와 같이 진척도는 정리됨.

연구개발 목표 달성실적을 보자

먼저 2018년도

그리고 2020년 달성실적을 보자.

한마디 할 것을 2020년에는 2018년에 목표를 달성했기 때문에 2018년 대비 목표를 상향했고 달성함

두가지를 종합하면 다음과 같음

현재는 과제가 마무리 되었고 실용화와 기술이전 하려고 하고 있음. 그리고 후속과제로 “TIT 1650 급 가스터빈 정밀주조용 단결정 소재 기술 개발” 등을 진행중임.

10여년전 우리나라 가스터빈 관련기술은 선진국과의 차이가 매우 컸고 그 주요원인이 소재기술의 격차였는데 지금은 많이 따라왔다는 걸 느낌.