가스터빈의 열전달 문제 1: Film Cooling

Gas Turbine | Film Cooling 

Energy Efficiency

가스터빈 위에 날아가는 비행기 날개 밑에 달려 있는 놈이 엔진이고 그걸 썰어 보면 왼쪽 그림 같이 생겼습니다. 비행기의 엔진은 가스터빈이고, 왼쪽부터 압축기, 버너, 터빈입니다. 원리는 간단해서 공기를 압축해서 연료를 연소시키고 그렇게 얻은 고온, 고압의 기체로 터빈을 돌리는 것이죠. 응용 열역학에서 배우신 것 처럼 Brayton 사이클이고 터빈 입구온도를 높일수록 열역학적 효율은 좋아집니다. 비행기는 날아야 하니 효율이 조금만 좋아져도 연료를 조금 실어도 되고 승객을 많이 태울 수 있고 그 Merit은 여러분이 상상하는 이상이지만 재료의 녹는점 때문에 온도를 높이는 데 한계가 있고 그걸 극복하기 위해서 터빈 블레이드를 냉각하게 됩니다.

Film Cooling 가스 터빈 블레이드는 속이 비어 있습니다. 압축기 공기의 일부를 빼와서 블레이드 내부를 1차적으로 식혀주고 구멍을 통해 배출해서 블레이드 표면에 단열막을 형성하여 터빈 블레이드를 고온의 기체로부터 보호해 줍니다. 이를  Film Cooling이라고 하는데 최소의 유량으로 최대한 표면을 잘 덮고 지나가면서도 열전달을 키우지 않아 단열 효과를 유지시켜 주는 게 관건이겠죠. 그러한 목적에 부합하는 분사 각도와 분사하는 구멍의 배치를 찾아보는 것이 제가 석사 과정동안 그리고 박사 과정에 진행해서 후배들의 연구를 도와주며 진행한 일이었습니다.

감온성 액정 지금은 아주 널리 활용되는 방법이지만 제가 석사 과정을 밟던 1990년대에는 아주 최신의 열전달 측정 기법이 바로 감온성 액정(Thermochromic liquid crystal)을 이용한 측정법입니다. 온도에 따라 색깔이 변하는 물질을 표면에 바르고 카메라로 이미지를 찍어 온도를 얻어내는 방법이죠. 물론 장점은 복잡한 표면 열전달 현상을 구석구석 잘 파악할 수 있다는 겁니다. 처음 연구를 시작할 때는 많은 선배님들이 반신반의해서 저도 좀 우울했는데 결과적으로 쉽게 예상하기 어려운 결과들을 얻어냈고 박사 과정에 진학해서 정리한 것이기는 하지만 한편의 석사논문으로 학진 등재지에 2편, SCI급 국제 학술지에 2편의 논문을 게재했으면 만족스러운 결과를 얻은 거죠.

가스터빈은 이제 복합 화력발전 및 열병합 발전의 원동기로 많이 주목을 받고 있습니다. 게다가 지구 온난화 문제와 더불어 석탄을 가스화하여 수소를 생산하고 이를 연료로 복합화력발전을 구성하는 IGCC플랜트나 바이오 가스나 매립지 가스와 같은 신재생 연료를 사용하는 가스터빈에 대한 연구가 전세계적으로 활발하게 진행되면서 항공시장의 포화로 주춤했던 가스터빈이 최근에 르네상스를 맡고 있는 것 같습니다. 에너지 플랜트에 관심이 있는 분이라면 이 쪽 분야에 도전해 보셔도 좋을 것 같습니다.