터보팬은 가스터빈엔진의 한 종류이고, 바이패스비에 따라 저바이패스 (보통 전투기용 F100 같은), 고바이패스 (민항기용 CF6같은)로 나뉜다.
가스터빈엔진에는 터보팬 뿐 아니라, 터보프롭, 터보샤프트, 터보제트 엔진이 있다. 모두 Brayton cycle 을 사용하는 기관들이다. 흡입기, 압축기, 연소기, 터빈, 배기구로 구성된다.
터보제트
터보프롭
터보샤프트
터보샤프트는 그 축을 기어를 통해 로터에 연결하면 헬리콥터 엔진으로 되고, 발전기를 돌리면 발전기가 된다.
참고로 한국은 기술을 산업화하여 생태계를 창출하는 데 관심이 많고, 시장진입이 어려운 항공용, 군수용 보다 발전용 가스터빈에 우선적으로 비용과 인력을 집중하고 있다. 가스터빈의 열효율 (연비, 출력)을 올리기 위해선 터빈입구온도(TIT)를 높이는 게 중요하고, 따라서 전세계 가스터빈 기업들이 TIT를 올리는 데 기술력을 집중하고 있다.
한국이 본격적으로 발전용 가스터빈 기술을 개발하기 시작한 건 1990년도부터 이고, 논문에 따른 TIT 온도 발전추세는 아래와 같다.
무냉각은 내열소재가 순수하게 버티는 온도를 말하고 보통은 냉각터빈기술(Air cooling)이 들어간다.
현재 두산중공업에서 개발한 발전용 가스터빈 (DGT6-300H S1)은 TIT 1,500C 급에 해당하고 올해 성능시험 완료 후 김포열병합발전소에 납품하게 된다. 그리고 24년까지 실증발전을 진행한다. 선두업체인 GE가 이미 2001년에 출시한 제품이 1,500C 급인 거에 비하면 많이 늦었지만, 차트에 보듯이 후속 기술에 대한 속도는 대단히 빨라서 1,600 급이 출시되는 24년(DGT6-300H S2)에는 격차가 대폭 줄어들 전망이다. Post-H급(1,700C)은 GE도 아직 출시하지 않았다. GE가 25년경 출시할 걸로 예상중.
DGT6-300H S1
참고로 GE가 1,500C급을 출시하고 1,600C급을 출시하기까지 생각보다 시간이 많이 걸린 이유는 중간에 삽질을 했기 때문.
일반적으로 TIT를 올리기 위해선 내열소재 + 열차폐코팅 (TBC) + 냉각기술 (Cooling) 이 들어가야 하는 데, 이 중 냉각기술을 GE는 유체냉각을 계속 연구하다가 결국 포기하고 공기냉각으로 바꿈. 그 사이 경쟁업체들은 공기냉각 기술을 완성시켜 앞서 나갔고, 한때 GE가 점유율이 휘청였던 원인 중 하나라고 함.
한국은 내열소재, TBC, 공기냉각 모두 독자기술로 확보함. 일부는 GE를 능가했다고 보고서에 나옴.
아무튼 가스터빈엔진들은 그 핵심기술들을 공유하기 때문에 발전용 가스터빈 기술이 있다는 건 항공용 가스터빈도 만들 수 있다는 걸 의미한다.
물론 사용환경과 특성이 다르기 때문에 100% 같다고 할 수는 없으나, TIT 온도를 올리는 핵심 요소기술들은 발전용, 항공용 모두 적용가능하다.
이제 한국의 터보팬 엔진을 보자.
쉘든이 전에 정리한 그림 한장에 잘 나와있다.
2013년부터 5,500 lbf 추력(Dry), 터빈입구온도 1,350C(1,600K) 급 무인기용 터보팬 엔진을 개발중이다. 13~19년까지는 코어기술 개발이고, 19~25년은 실제 무인기에 탑재할 수 있는 완제시제를 만드는 연구사업이다.
2013년도에 TIT 1,350C 급으로 설정한 이유는 위 차트를 보면 알지만, 그 당시 발전용 가스터빈 연구사업으로 획득한 기술 수준이 딱 그 온도였기 때문이다. 그런데 보면 알지만, 현재 1,600C를 이미 달성하고 1,700C 급을 연구중이다. 그럼 25년에 나올 무인기용 터보팬엔진은 최소 TIT 1,600C 급 기술이 적용된다는 얘기
최신 터보팬엔진인 F-35의 F135는 TIT가 무려 2,000C 이다. 그러나 실제로 이 온도를 상시로 이용은 못하고 최고 출력일 때나 볼 수 있다고 하며 엔진의 내구성때문에 최고 출력을 장기간 쓸 수 없다고 한다.
전투기에 사용되는 터보팬 엔진의 TIT보다 발전용 TIT 기술의 온도차가 크게 차이나는 이유는 발전용 가스터빈 기술은 경제성을 감안해야 하며, 전투기와 달리 상시운전을 하기 때문에 요구되는 내구도가 많은 차이가 난다고 한다.
그 외에.....
FA-50에 장착된 F404 터보팬의 TIT는 1,400C 이고, KF-21용 F414 는 1,500C 이다.
F404과 F414는 크기가 동일하다. 외경 890mm, 길이 3910mm. 무게만 F414쪽이 100kg 정도 무거움. 터빈고온부품의 무게차이 만큼 증가했다고 함
개발제안서상 무인기용 터보팬의 외경은 약 670mm 정도로 추정되며, 이는 F414 의 외경 890mm 와 비교하면 체적상 약 50%에 해당한다.
국방부가 무인기 터보팬을 성공적으로 개발한다면 그 다음엔 어떤 터보팬을 개발할까?
https://gall.dcinside.com/mgallery/board/view/?id=war&no=1846143
작성일 : 21-05-30 18:03
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