발간 현황

무인기에게 요구되는 항목은 가볍고 높은 엔진효율을 지녀서, 보다 오랜 시간동안 비행임무를 시행하는 것이다. 이러한 가장 기본적 요구사항은 결국 무인기의 엔진에 대해 높은 효율을 요구하는 것이다.

이 무인기의 엔진시스템은 엔진의 효율상승을 꾀하는 목적으로 레큐퍼레이터를 장착하고 있으며, 이는 Fig. 1(a)와 같은 Recuperator 를 Fig. 1(b)와 같이 소형가스터빈 혹은 무인기의 엔진에 장착되어 사용된다. 이러한 가스터빈의 효율을 증가시키려는 목적으로 다양한 열교환기들이 연구되었으며, 특히 지상의 발전시스템에서 주로 사용되었다.

Fig. 1 
Recuperator (a) and Micro gas turbine(left) and UAV engine(right) with recuperator.

Colin R. McDonald[1]는 마이크로터빈 시스템의 높은 효율을 위하여 레큐퍼레이터의 선택에 있어 다양한 레큐퍼레이터의 형식, 열교환 방식 그리고 선택하게될 재질의 기계적 특성에 대해 총괄적 연구를 하였으며, P.J Maziasz 등[2]은 열교환기의 고효율을 목적으로 하면서 보다 컴팩트하고 고온에서 사용할 목적의 재질로서 선정이 가능한 후보군인 AL20-25+nb, STS347 및 Haynes 230 등의 소재에 대해 고온 환경에서 creep-rupture 특성을 연구하였다. 이는 일반적인 재료시험에서 사용하는 두께가 아닌 열교환기의 전열판으로서 사용하는 얇은 박판의 소재를 시험에 적용하여, 박판이 가지게 되는 creep-rupture 특성을 연구하였다. O.O.Omatete 등[3]은 마이크로터빈에 사용하는 레큐퍼레이터의 재질로 사용하는 STS347, AL20-25+nb 및 Inconel 등에 대해 고온에서 발생하는 부식에 의한 creep 변형률을 연구하였다. 이러한 연구에 활용된 열교환기들은 R.K Shah [4]의 마이크로터빈용 컴팩트 열교환기의 형상, 전열판의 단면 그리고 그들이 가지는 효율과 엔진의 효율에 기여하는 연구를 기반으로 하였으며, D. Aquaro 등[5]은 이러한 연구로서 나타나는 열교환기, 즉 고온에서 사용하는 레큐퍼레이터를 발전플랜트, 즉 원자력발전에 적용할 수 있는 지의 여부를 검토하는 연구를 실시하였다.

이렇게 다소 작거나 혹은 큰 터빈시스템의 엔진효율을 상승시키기 위한 레큐퍼레이터로서의 연구는 지난 10년간 특별히 연구되었으며, 특히 그 레큐퍼레이터를 구성하는 전열판은 고온에 장시간 노출되어야 함에 따라 박판 소재의 특성을 분석하는 연구를 실시하였다. 그러나 해당 소재들은 용접으로 접합되어 제작되어야 하는 특성이 있으나, 용접된 소재를 직접 평가하는 연구사례는 거의 없다.

이에 본 연구는 기존에 레큐퍼레이터에 적용가능하고 비교적 사용이 원활한 Stainless Steel 계열의 소재인 STS347 및 AL20-25+nb 소재를 분석하기로 하였다. 시편의 제작을 위해 실제 제작에 적용하는 기법인 용접용 파이버레이저를 로봇을 이용하여 시편을 제작하고 시험이 가능한 규격으로 성형을 ASTM에서 권고하는 형상으로 제작하였다. 또한 접합된 부위에 응력이 발생하도록 상온 및 고온환경(630 ℃)에서 기계적 물성치를 분석하였다. 특히 용접부의 피로시험을 통하여 기대할 수 있는 피로수명을 얻을 수 있었다. 이 시험은 Fig. 2와 같이 MTS-810 장비와 스트레인 측정기, 그리고 고온로를 사용하여 실행 하였다. Fig. 2의 (a) 는 상온환경에서 시험하는 모습이며, (b)는 다양한 고온환경을 부여하기 위해 고온챔버를 부착하여 시험하는 모습이다.

Fig. 2 
Experimental configuration of room temperature (a) and high temperature with hot chamber(b).

그리고 마지막으로 용접으로 제작될 레큐퍼레이터가 운전되는 엔진조건하에서 해당 용접부가 충분한 수명을 지닐지 비교하여 판단하였다.

모재대비 용접재는 상온 및 고온에서 단순 인장강도는 다소 약하게 나타나고 있다. 하지만, Fig. 9 및 10에서 보이듯 상온보다 고온에서 Al20-25+nb 소재의 피로특성은 낮은 피로수명에서 작은 내구응력을 보이고 있다. 즉 100 사이클 수준에서 Al20-25+nb 소재의 상온에서 모재 대비 용접재의 응력차이는 약 60 MPa 수준을 보이지만, 고온에서는 80 MPa 수준의 응력차이를 보인다.

그러나 높은 반복횟수, 즉 100만 사이클에서는 상온 및 고온 모두 약 10 MPa 수준의 모재와 용접재의 응력을 차이를 가지고 있는 것이 관찰되었다. 즉 이는 고온환경으로 갈수록 피로에 의한 응력감소추세가 낮아짐을 알 수 있다. 이는 해당 재질 자체가 참고문헌[2, 3]에서 연구되었듯 Al20-25+nb의 재질이 고온에서 높은 기계적 성능을 가지고 있음을 재확인되었으며, 특히 용접된 상태에서 고온 기계적 특성을 확인할 수 있었다.

실제 레큐퍼레이터의 제작에 적용되는 소재 및 제작방법을 이용한 시편의 적용에 따라 보다 실체적 실험을 하였다.

Fig. 10에서 보이는 최소의 피로하중은 그 어떤 소재를 사용하더라도 50 MPa 이하 수준의 응력이 발생하는 엔진시스템의 경우, 피로시험의 기준에서 무한수명으로 예측하거나 충분히 안전한 설계응력점에 도달하는 것으로 판단할 수 있다.

Table 2는 레큐퍼레이터의 운전조건을 보여주고 있으며, 이의 요구운전 cycle 은 2000회 이다. 이는 설계요구 조건이자 실제 운전 시 내부의 환경에 따라 반영된 값이며, 2000회는 기동과 정지를 반복하는 개념의 횟수이다. 즉 2000회의 시동과 정지를 반복하여도 이상이 없는 설계의 요구조건이다. 이 표에서 보이듯 내부의 응력은 최대 0.9 MPa이며, 이 값은 레큐퍼레이터의 내부 유동장이 지나가는 모든 전열면에 압력이 고르게 분포한다는 가정하에서 용접부에 최대로 작용하는 하중을 용접부의 면적으로 환산하여 얻게된 응력값이다. 즉, 내부 용접부에 최대로 발생하는 응력은 0.9 MPa 수준이며, 실험에서 보인 Al20-25+nb의 고온에서의 용접시편의 수명이 약 50 MPa에서 100만 cycle을 보이는 것을 볼 수 있다. 이에 본 실험은 해당 소재는 설계의 피로수명 대비 충분히 안전함을 보이는 실험의 결과를 보였으며, 요구되는 수명은 만족할 것으로 판단된다.