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작성일 : 21-02-22 19:39
[잡담] 제트엔진과 가스터빈
 글쓴이 : singularian
조회 : 5,005  
   포닥.연수제안서.pdf (236.6K) [1] DATE : 2021-02-22 21:45:50


한국의 제트엔진의 제조기술에 관안 여러 혼재된 의견이 있어, 내가 그동안 알고 있었던 내용을 공유하려 합니다.

 

터빈 엔진의 기술 확보와 국산화는 오랜 국책과제였습니다.

우선 두산이 터빈을 완성시켜 국가인증을 확보 했으므로 이미 기술을 보유한 것은 당연한 것입니다.

 

가스 터빈사업에 있어서, 신규 가스터빈 판매에 의한 매출도 크지만 향후 가스터빈 운영 중의 정비 등 After Market(A/M)의 매출규모가 더 큽니다. 개발사업을 통하여 가스터빈 독자모델을 개발함으로써 가스터빈 핵심기술 확보 및 개발, 인프라를 구축하고자 함은 정부로서 당연한 일인 것입니다.

 

국산화 이전 두산은 일본 미츠비시 터빈을 라이센스 생산하여 한전에 납품하였으나 OEM의 가격횡포에 속수무책이며, 가스터빈 자체뿐만 아니라 고온부품 등 관련부품의 생산은 OEM사의 주 수익모델이기 때문에 관련기술이전을 기피하고 있어 이에 대응하기 위해서는 독자적인 가스터빈 국산모델의 개발이 필요가 절실하였습니다. 잡은 물고기 먹이주는 경우는 없음. 우쒸...

 

가스터빈이나 제트엔진에 있어서 중요한 것은 효율입니다. 한번 설치하면 최소 30년 이상을 쓰기 때문에 효율 1% 차이는 매우 중요합니다. 사용기간 동안 연료를 그만큼 더 쓴다함은 초기의 기계 투지비용을 상회할 수도 있음입니다. 그래서 정부는 구매전에 사업의 편익을 엄격히 산정합니다. 직수입, 수입대체 국산화 등등의 비교.

 

세계 3대 메이커 GE는 몇 년 전에 64% Net Efficiency를 달성했다고 발표했습니다. 반면 지멘스는 유럽의 발전소에서, MHI(Mitsubishi Heavy Industries Limited)는 도쿄 전기 발전소에서 64%를 주장하고 있습니다.

https://www.powermag.com/efficiency-improvements-mark-advances-in-gas-turbines

 

초기의 단순 사이클 모델은 열효율이 18%였습니다. 터빈 입구 온도는 540‘C 미만이었고 배기 온도는 260’C를 약간 넘었습니다. 오늘날엔 터빈 입구 온도(TIT-Turbine Inlet Temperature)1,500’C이고 배기가스가 최대 630’C입니다. 1990년대 증기 및 가스 터빈 기술의 발전과 항공 분야와의 기술 Migration으로 고효율 터빈 시대를 열 수 있었습니다. 이것은 더 나은 합금, 코팅, 연소기, 압축기 비율, 더 높은 터빈 입구 온도, 더 나은 냉각, 열전달 기술 등의 조합에 의해 달성되었습니다.

 

참고로 구글을 통해 확인해보니 두산은 60%를 달성하였다고 합니다. 첫 타구에 이정도면 3루타는 된다고 봅니다.

 

간단히 설명해서 터빈은 그냥 쇳덩어리입니다. 바람개비를 불어 회전력을 얻는 쇳덩어리 방아. 그 터빈의 외형은 복사가 가능하나 소재는 불가능 합니다.

 

두산은 국산화를 이루기 위하여 3대 메이저와 협의하였으나 모두 당연하게도 거절당하였습니다. 이 메이저 이외에 이탈리아의 안살도 에네르기아라는 네 번째 회사가 매물로 나와서 2013년 즈음 경영진과는 M&A를 합의 하였으나 노조의 반대로 무산되었고 그 후 그 회사는 뒹꾸어로 매각된 역사가 있습니다.

 

그 사건이 있은 다음에 국내 컨소시엄을 통한 개발을 확정하였습니다. 국내개발을 결정한 배경은 정부에서 국내 보유기술을 평가해보니 제작 분야에서는 항공용 엔진, 대형 구조물, MHI사의 가스터빈 면허생산 등으로 이미 기술이 상당한 수준인 TRL-7인 것으로 나타났습니다.

TRL-7은 실용화가 가능한 단계로 상당한 기술수준임. TRL-7 => 구글.

 

개발중 그 소식을 들은 MHI의 회유, 국산화 안하면 싸게 주게쓰므니다 ... shit ... F.U.

 

여기에서 중요한 것은 소재 산업입니다. 한국에는 특수강 회사가 없습니다. 특수강은 전량 수입하여 사용하고 있습니다.

 

지금부터는 소재 이야기를 하겠습니다.

한국이 KF-X의 엔진으로 F-414-GE를 선정했습니다. F-414TIT는 아래의 표와 같이 1,500‘C입니다.


표가 위로 올라갔음.   위를 보시오. 


터빈용 Re(Rhenium)/Ru(Ruthenium) - free 단결정 초내열합금

위의 소재로 한국은 1,500’C 소재를 개발 완료하였다 합니다. 다음 연구 목표는 상향 조정 되어 있다고 합니다.

연구중 터빈입구온도 1,700 가스터빈 블레이드용 세계 최고 수준 열차폐코팅한국재료연구원

3% Re 합금을 기준으로 소재 가격의 약 65%를 차지, 원소가격을 합금 조성에 대입하여 소재 가격 계산 (원소 가격 : 2015Metalprice.com 기준)

그런데 이것이 너무 너무 비싸. 그래도 1,500‘C 달성이 어디여~ 아직은 괜찮혀~

 

이정도의 설명이면 한국의 가스터빈과 제트엔진 기술의 현주소를 약간이나마 이해할 수 있을 것 같습니다.

더 구체적으로 들어갈 수 있으나 글이 길어 삼가겠습니다.

KF-X Block22030년 경에 실전배치 될 계획이라 합니다. 10년 남았지요.

 

 

그래서 선조는 삼도통제사로 이순신을 임명하고 KF-XJet Engine개발을 독려하려 좌수영으로 보냈다.

이순신이 단신부임으로 내려간지 몇 년이 지나도 소식이 없자...

선조왈 그런데 뭘 하길래 뭔... 소식도 없어...... .

.

어느날 선조는 빨리 만들어 오라는 하교를 내려 보냈다.

 

.

.

.

몇일 후 삼도통제사로부터 장계가 올라왔다.

전하 신에게는 아직 십년이라는 시간이 있아옵니다

 

첨부 : 재료연구원 1,650'C 연구 포닥 제안서 

출처 : 해외 네티즌 반응 - 가생이닷컴https://www.gasengi.com


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사커좀비 21-02-22 20:07
   
와우~~ 표를 직접 작성하신 건가요?
성의있는 글 잘 봤습니다...
제가 살펴본 바로는 현재 개발중인 무인기용 터보팬엔진 5,500LBS급 엔진의 터빈입구온도가 1,150도였습니다..
차기 예정된 8,000lbs급 터보팬엔진에서는 내열성능 1,500도까지 올린다고 봤었는데...
내열합금은 이미 개발이 된 거였군요...

중요한 것은 만들 수 있느냐가 아니라...
기술의 영속성을 위해서는 산업적 생산기반이 중요한데...
기본적으로 우리가 산업을 지속적으로 영위할 수 있는 시장을 개척할 수 있느냐가 관건이겠군요...
따라서 KFX의 성공이 아주 중요한 모멘텀이 될 수가 있을 거 같네요...

마지막에 선조와 이순신은 뭡니까?
진지하게 보다가 빵터졌네요....ㅎㅎㅎ
     
drizzt0531 21-02-22 23:00
   
전범 기업에 의존하는 지금의 형태에서 빨리 벗어나 그들보다 훨씬 고성능의 엔진 개발로 이어지면 좋겠습니다.
허투루 21-02-22 21:01
   
오~ 진짜 알짜 정보네요.
알게 모르게 기술이 많이 쌓였군요.
중고인생 21-02-22 21:17
   
좋은 정보 감사합니다

안해서 못한거지 하니깐 기존의 업체들과 어깨를 나란히 하네요 불과 10년만에요

대단한 대한민국 국민 과 연구원 여러분 고생하셧습니다

내가 부자만 됫어도 1억원씩 상여금으로 주고 싶소이다 ~~~~
     
도다리 21-02-22 23:09
   
아닙니다.
그 마음만이라도 1억이상 가치를 느끼고 더욱 힘이 납니다.
여러분들도 각자의 위치에서 대한민국을 위해 자신을 위해
최선을 다해 주시길 바랍니다.
건강들 하시고요.
라고 답할 거 같습니다.
아무 21-02-22 21:28
   
흔히 내열합금이라 줄여 부르는 니켈단결정초내열합금은 1400도를 1세대, 1500도를 2세대, 1600도 3세대, 1700도 4세대, 1800도를 5세대로 분류합니다.

세대가 높을 수록 내고온고압성이 높아 출력과 효율이 급상승하는데 같은 크기라면 1세대와 5세대 간에 거의 100%의 출력차이가 발생한다고 해요.

미국의 f22 와 f35는 5세대 내열합금을 사용한 제트엔진을 사용하고 있고 일본도 자국의 5세대 내열합금으로 만든 엔진을 f3에 달겠다는 하고 있죠.

이런 내열합금의 내고온고압성을 높이려면 발제글에서 언급된 레늄(Re)이라는 초희귀 금속을 첨가합니다. 레늄을 쓰지 않을 경우 2세대 까지가 한계라고 해요.

한국은 2013년에 저Re 합금을 미국에 특허출원 했습니다. 저 Re합금은 3%수준으로 2세대로 분류하는데 최소한 이 수준은 되어야 가스터빈으로 상업성이 확보된다고 해요.

그리고 한국에서도 가스터빈 국산화 기사가 나왔죠.
두산의 가스터빈이 보이는 효율로 볼 때 한국이 개발한 내열 소재는 2세대 상위등급으로 선수들은 보더군요.

중국이 모터시지를 탐내는 게 중대형 엔진도 있지만 레늄을 사용하지 않는? 못하는? 2세대 내열합금 기술도 관련이 있어 보입니다. 중국은 1세대 수준이라... 왜 중국의 제트엔진 수명이 그 모양인지 견적이 나오죠.

제트엔진에 관한한, 아직 한국이 가야할 길은 많이 멉니다. 그래도 꾸역꾸역 가야지요. 투자만 제대로 되면 3세대 건너 뛰고 4세대로 진입하려고 한다니 기대 중이고 응원합니다.
     
축구love 21-02-22 21:38
   
레늄은 어디서 수입 함???

아니면 합성으로 만드는 건가요??
          
4leaf 21-02-22 22:05
   
몰리브덴에서 극소량으로 딸려 나오는 광물이라고 합니다. 그래서 가격이 무시무시함.
     
mr스미스 21-02-22 22:20
   
초내열합금 개발 추세는 레늄 함유량이 적으면서 높은 온도를 견딜 수 있는 합금을 개발하는 방향으로 진행되고 있습니다. 궁극적으로는 레늄이 첨가되지 않는 합금이 목표라고 하구요.

레늄은 니켈기 합금에서 전반적인 확산속도를 낮추는데 크게 기여해
고온확산과 연관된 모든 현상들(크리프, 고온상변화, 조대화, 고온산화 등)의 속도를 낮추기
때문에 기본적으로 고온 물성을 향상시키게 된다고 합니다.

이렇게 레늄이 한계온도를 높이는데 획기적인 역할을 하지만 (3세대에서는 레늄 함유량이 6%까지 증가) 문제는 이 원소가 너무나도 비싸다는 것이죠.

우리나라가 개발한 니켈기 초내열합금은 2세대의 대표격인 CMSX-4 (레늄 3% 함유)보다 크리프특성이 우수하면서 레늄 함유량이 1.5%에 불과합니다.
singularian 21-02-22 21:50
   
연구활동 참고 연구로,  재료연구원의 1,650'C 연구 포닥 제안서를 첨부 했는데,
첨부는 했는데, 분명, 했는데,
다운로드는 안되는 군요.
컴알못의 한계...

레늄은 희토류(rare earth) 입니다.
그것을 가지고 있는 나라가
미국에다가 대놓코 무기화 한답니다.
한국도 그것을 사용치 않고 동일 온도를 올리는 것을 연구중입니다.
     
도다리 21-02-22 23:12
   
오~
대팔이 21-02-22 23:21
   
일반 터빈엔진과 전투기용 터빈엔진은 같은 가스터빈엔진 이지만 차원이 틀린물건입니다...
일반 상용차엔진과 슈퍼카엔진은 같은 가솔린 피스톤엔진이지만 다른것처럼 말이지요...
또한 만들수 있는 것과 실전용으로 쓰이는것은 다른문제 입니다...

엔진의 명가이자 제트엔진의 원조인 롤스로이스가 개발한 EJ200엔진의 신뢰성과 내구성은 GE나 PW엔진에 못미칩니다...
50년대부터 제트엔진을 만들었던 러시아조차 그 엔진수명이 미제의 절반이 조금 넘을뿐입니다...

우리는 지금까지 미사일용 터보제트엔진 만든게 다였습니다...
쓸모있는 전투기용 터보팬엔진은 더욱 만들기 힘들며 엔진 선진국의 기술제휴없이는 10년도  짧습니다...
게다가 천신만고끝에 만들었다고 하더라도 미제는 고사하고 유럽제 엔진만큼의 엔진수명과 신뢰성을 가질수 있을지는 미지수 입니다...

따라서 실패하지 않고 국산 전투기용 터보팬엔진을 개발하려면 10년 이상의 충분한 개발기간과 함께 롤스로이스나 샤프란 같은 엔진개발 회사와의 기술제휴가 필수적입니다..
     
어부사시사 21-02-23 08:20
   
//엔진의 명가이자 제트엔진의 원조인 롤스로이스가 개발한 EJ200엔진의 신뢰성과 내구성은 GE나 PW엔진에 못미칩니다...//


사실 이것도 조별과제 '유지비 파이터'라는 선입관으로 인한(?) 카더라에 가깝다고 하는군요.

실제로는 EJ200의 퍼포먼스가 결코 F414 엔진에 뒤지지 않는다고 하네요. 오히려 위 표에서 보이듯 추중비/연비에선 더 앞서는.. 덕택에 유파가 당당히 슈퍼크루징 가능한 기체가 돼버렸죠.ㅎㅎ 내구성도 (밀덕들 사이에 밈으로 굳어져있는?) "F414 보다 엔진 수명이 짧다"도 아닌 것 같음.

그리고 열심히 제자리걸음 하고 있는 프랑스제 라팔용 스넼마 M88 엔진은 어차피 여기에 비빌 수준도 못 되죠.
((프랑스랑은 웬만하면 제휴 같은 건 생각하지 말자!))

https://milidom.net/miliboard/177517
https://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=jhst3103&logNo=220232884715&parentCategoryNo=&categoryNo=63&viewDate=&isShowPopularPosts=false&from=postView

결론은 흔히들 밀덕들 사이에 밈으로 굳어져 있는 소위 '카더라'는 크로스 체크 해봐야 됨; 특히 일본발/중국발 카더라는 더 더욱..
푹찍 21-02-23 02:27
   
1500도가 관건 ㅋ
사커좀비 21-02-23 09:54
   
저는 이과출신이 아니라서 듣는 풍월로 얘기하는 거지만...
솔직히 중국식으로... 우리도 만들 수 있어!!라고 우겨서 만든다면 못만들것도 없다고 생각해요...

막말로 지금 개발하는 5,500lbs급에 애프터버너 달고... 쌍발로 전투기 제작한다면...
적어도 대만의 경국보다는 훨씬 뛰어난 물건 나오지 싶은데요...
만들 수 있느냐가 아니라... 만들어서... 그것도 경제성과 사업성이 보장이 되고...
우리 공군의 ROC도 충족시키는 물건이 아직 안나오는 거죠...
본문에서 말씀하신 10년 후에 한번 기대해 보겠습니다...
솔모로 21-02-23 17:46
   
근데 수영에서 공군 전투기를 왜 만드나요?

함정을 만든다고  하면 이해가 가지만

ijkljklmin 21-02-23 23:32
   
TIT가 1500이든 1700C이든간에 Ni,Co계 초내열합금의 최고 사용 온도는 단결정이라 해도 1200C를 넘을 수 없습니다. Ni, CO로는 5세대 아냐 100세대가 되어도 불가능한 것입니다. TBC, aerofoil, steam cooling등으로 소재의 노출 온도를 낮추는 것 뿐입니다. 더구나 냉각방식에 의한 사용온도 증가는 연료효율을 떨어 뜨립니다.  따라서 Ni,Co계 초내열합금은 한계를 가질 수 뿐이 없고 실제적 사용 온도를 올리려면 이를 대체할 SiC 복합재료, Cr-Re, Cr-W, Ni-Al, Ru-Al, PGM (Ir, Ru, Rh, Pd, Pt, Os등)합금등으로 가는 수 뿐이 없습니다. Ni초내열합금의 Re, Ru의 양을 줄이는 것이 문제도 되지 않는 고가의 재료들입니다.