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    • ASME IGTI Turbo Expo 2011 참관기

         김진혁 () / 2011-06-19 오후 8:46:26


     

    1. 학회 개요

     

    미국기계학회(American Society of Mechanical Engineer) 산하 IGTI(International Gas Turbine Institute)가 매년 주최하는 Turbo Expo 국제학술대회가 지난해 스코틀랜드 글라스고우에서 개최한 데 이어 올해에는 지난 6월 6일부터 10일까지 캐나다 브리티시컬럼비아주 남서부에 있는 도시인 밴쿠버 내 밴쿠버 컨벤션 센터에서 개최되었다. 미국기계학회의 IGTI에서 주관하는 가스터빈 분야 세계 최고의 권위를 자랑하는 Turbo Expo 국제학술대회는 올해도 예년과 마찬가지의 포맷에 따라 학술 및 기술적 주제를 토론하는 Technical Congress와 세계적인 산업체 동향을 살펴 볼 수 있는 전시회(Exhibition)가 동시에 개최되어 항공기 엔진 등 가스터빈을 포함한 터보기계 분야에서 가장 앞서가는 최신기술에 관한 실무 및 학술적 경향을 살필 수 있는 좋은 기회를 제공하였다.

     

    2. 최신 연구 동향

     

    본 IGTI Turbo Expo 국제학술대회는 매년마다 세계 각지 산학연에서 가스터빈 관련 연구자들이 참가하며, 올해에도 어김없이 약 2000명이 넘는 연구자들이 참가하였다. 터보기계 분야에서 단연 세계 최고의 권위를 자랑하는 학회이니만큼 학회 일정도 5일간으로 진행되어 최대의 규모를 자랑하였다. 본 국제학술대회는 일반적으로 가스터빈과 관련된 Technical Committee를 중심으로 다수의 세션이 구성되나, 올해에는 Fans & Blowers의 Technical Committee도 추가로 구성이 되어 진행되었다. 이는 그만큼 홴과 블로워도 가스터빈 입구에서의 역할 및 소음 등과 관련하여 현재 연구가 활발히 진행되고 있다는 것을 의미한다. 올해에는 약 950편 정도의 논문이 발표되었으며, 그 중 필자의 전공인 터보기계 설계 분야의 논문 편수는 총 236편으로 그와 관련된 각 Technical Committee별 논문 분포는 Table 1과 같다.

    Fig. 3은 올해를 포함하여 최근 3년간의 터보기계 설계 관련 논문 분포 수를 보여주고 있으며, 논문 분포 수를 살펴보면 각각 161편, 235편 및 236편에 달한다. 이 중 터보압축기에 관한 논문은 각각 60편, 79편 및 116편이며, 터보압축기의 안정성과 작동 영역을 늘리기 위한 능동 및 수동제어방법으로서 공기분사방식 및 케이싱 트리트먼트 등에 관한 논문은 각각 16편, 13편 및 18편으로 압축기 관련 발표논문 중 상당한 비중을 차지하고 있음을 알 수 있다. 또한 최근 3년간 연구동향을 분석한 바에 의하면 예전에는 대부분 압축기 블레이드 형상의 변화로 인한 압력비나 효율을 극대화하기 하기 위한 연구를 수행했다면, 최근에는 응용 분야 및 시스템 요구도가 증가함에 따라 그 작동 영역이 달라지고, 경우에 따라서는 고압을 얻기 위해 서지라인 인근 저유량 영역에서 작동되기 때문에 능동 및 수동제어방법을 통해 작동 안정성 향상을 위한 연구를 수행하는 추세이므로 이러한 경향으로 볼 때 터보압축기의 주요 관심분야로 실속 발생 메커니즘을 규명하고 작동영역을 늘리기 위한 스톨마진 향상에 관한 연구들은 향후 더욱 증가할 것으로 사료된다.

     

    3. 주요 연구 발표 내용

     

    3.1 Keynote Session - Roland Fischer, CEO of Business Unit Products – Fossil Power Generation, Siemens Energy

     

    올해의 keynote session은 세계적인 가스터빈 회사인 Pratt & Whitney, Siemens Energy 및 GE Energy 사에서 “Clean and Efficient Turbomachinery Technologies for Future Low Carbon Economies”
    란 주제에 관해 발표되었으며, 그 중 Siemens Energy 사의 Roland Fischer 연사의 발표내용에 대하여 간략히 소개하고자 한다. Siemens Energy 사의 Roland Fischer 연사는 향후 저탄소 배출을 위한 가스터빈의 전망과 이를 위해 개발될 가스터빈에 관하여 약 30여분간 발표를 진행하였다. 주로 발표의 서론부에서는 가스터빈의 재생에너지 공급으로부터 환경보호 및 그에 따른 경제효율에 관한 내용을 위주로 발표를 진행하였으며, 흐름을 이어가 결론부에서는 Siemens Energy 사의 저탄소용 가스터빈 SGT-8000H를 소개하였다. 가스터빈 SGT-8000H는 60%의 효율을 가지며, simple cycle power plant에서는 375MW의 출력과 combined cycle power plant에서는 557MW의 출력을 내며, 고효율 저탄소용으로 환경친화적인 가스터빈이라고 소개하였다.

     

    3.2 Research Papers – Kim, J. H., Choi, K. J., and Kim, K. Y. (Inha University, Korea), “Optimization of a Transonic Axial Compressor Considering Interaction of Blade and Casing Treatment to Improve Operating Stability,” Proceedings of ASME Turbo Expo 2011, GT2011-45404.

     

    필자가 본 학회에서 발표한 논문으로 본 연구에서는 천음속 축류압축기의 케이싱 트리트먼트의 장착과 함께 작동 안정성 향상을 규명하고자 삼차원 RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes) 해석과 반응면 기법을 바탕으로 다중목적 진화알고리즘을 결합한 다중목적 수치최적설계를 발표하였다. 이를 위해 케이싱 트리트먼트와 압축기 블레이드의 상호작용에 따른 효율과 스톨 마진의 상관관계를 알아보고자 블레이드 팁 간극, 블레이드 팁에서의 각도 분포 및 케이싱 그루브의 깊이를 설계변수로 선정하였고, 수치최적설계로부터 도출된 파레토 최적해 내 클러스터링 된 최적형상들을 토대로 기준형상과 비교 및 분석을 수행하였다. 그 결과, 케이싱 그루브의 깊이가 깊을수록 블레이드의 압력면과 흡입면에서 발생하는 압력구배가 더욱 줄어들면서 결국 주유동의 영향을 받게 된다는 것을 알아내었으며, 또한 그에 따른 영향과 함께 블레이드 팁에서의 각도가 줄어듬에 따라 입사각이 줄어들게 되어 결국 팁 누설와류가 블레이드 사이 통로의 중앙 부근으로 이동하게 되면서 블레이드 팁 스톨이 사라지게 되고, 그로 인해 약간의 효율 감소와 함께 스톨 마진이 더욱 증가하게 되는 메커니즘을 파악하였다.

     

    3.3 Research Papers – Hiradate, K., Nishioka, T., Kanno, T., Sugimura, K., Shinkawa, Y., and Joukou, S. (Hitachi, Ltd., Japan), “Improvement in Efficiency and Stall Margin of Centrifugal Blower Impeller by Multi-Objective Optimization,” Proceedings of ASME Turbo Expo 2011, GT2011-45351.

     

    본 연구는 일본의 Hitachi 사에서 발표한 논문으로 본 연구에서는 원심블로워의 효율과 스톨 마진을 동시에 향상시키고자 다중목적 수치최적설계를 발표하였다. 이를 위해 진화알고리즘과 삼차원 RANS 해석을 결합하여 다중목적 수치최적설계를 수행하였으며, 두가지 타입의 원심블로워 임펠러 해석을 바탕으로 수치최적설계를 수행함으로써 스톨 마진을 평가하였다. 그 결과, 블레이드 흡입면 부분에서 와류가 발생하는 것을 확인하였으며, 이는 스톨 마진 발단의 원인으로 규명하였다. 따라서 블레이드 흡입면 부분에서 발생하는 와류를 저감시키고자 다중목적 수치최적설계를 수행하여 도출된 최적형상으로부터 기준형상에 비해 1.8%의 효율 향상과 함께 5%의 스톨 마진 향상을 얻었다. 그들은 본 연구를 통해 원심블로워 임펠러 내에서 발생하는 와류의 저감을 바탕으로 효율과 스톨 마진의 상관관계를 규명하였다.

     

    3.4 Research Papers – Muller, M. W., Schiffer, H. P. (Darmstadt University of Technology, Germany), Voges, M. (German Aerospace Centre, Germany), and Hah, C. (NASA Glenn Research Center, USA), “Investigation of Passage Flow Features in a Transonic Compressor Rotor with Casing Treatments,” Proceedings of ASME Turbo Expo 2011, GT2011-45364.

     

    본 연구는 독일의 Darmstadt University of Technology 및 German Aerospace Centre와 미국의 NASA Glenn Research Center에서 공동으로 수행한 연구로 천음속 터보압축기에 그루브 및 슬럿과 같은 케이싱 트리트먼트를 장착하여 그에 따른 유동특성을 조사하였다. 본 연구에서는 케이싱 트리트먼트를 장착하지 않은 기준형상, 그루브를 장착한 형상, 슬럿을 장착한 형상, 스윕을 가진 블레이드 형상 및 스윕을 가진 블레이드에 그루브를 장착한 형상에 관하여 성능시험 및 수치해석을 수행하였으며, 이로부터 각각의 형상에 따라 스톨 마진의 성능 비교 및 PIV(Particle Image Velocimetry) 측정을 통해 유동 특성을 관찰하였다. 그 결과, 슬럿을 장착한 압축기에서 41.6%의 최대 스톨 마진 증가와 함께 다소 감소된 효율 특성을 보여주었으며, 그루브를 장착한 형상에서는 25.5%의 스톨 마진 증가를 보여주었다. 또한 스윕을 가진 블레이드 형상 및 스윕을 가진 블레이드에 그루브를 장착한 형상에서는 각각 24.9% 및 29%의 스톨 마진이 증가된 성능을 보여주었다. 본 연구의 결과는 실험 및 PIV를 수행하여 스톨 마진의 특성을 규명하였다는 점에서 매우 신뢰성있는 연구로 판단되며, 향후 압축기의 스톨 마진 연구를 수행하는 연구자들에게 좋은 참고문헌으로 사용될 가치 있는 연구로 사료된다.

     

    3.5 Research Papers – Carnie, G., Wang, Y., Qin, N. (University of Sheffield, UK), and Shahpar, S. (Rolls Royce, UK), “Design Optimization of Casing Grooves using the Zipper Layer Meshing Method,” Proceedings of ASME Turbo Expo 2011, GT2011-45483.

     

    본 연구는 영국의 Sheffield 대학과 Rolls Royce 사에서 공동으로 수행한 연구로 그루브를 장착한 천음속 압축기에 대하여 스톨 마진을 향상 시키고자 케이싱 그루브에 관하여 Zipper Layer Meshing Method라는 새로운 격자계 방법을 적용하여 수치최적설계를 수행하였다. 본 연구에서 Zipper Layer Meshing Method는 수치해석 시 압축기와 그루브 도메인의 인터페이스에 적용되었으며, 이를 통해 해석의 정확성을 검증하였다. 이러한 방법을 적용하여 수치해석을 수행한 결과, 기준형상은 15.061%의 스톨 마진을 예측한 데 반해 그루브를 장착한 압축기 형상은 15.76% 및 수치최적설계로부터 도출된 최적형상은 15.787%의 스톨 마진을 예측하였다. 그러나 그루브를 장착한 형상들은 기준형상에 비해 약간의 효율 감소를 가져왔다. 본 연구는 그루브를 장착한 압축기에 관하여 수치해석을 수행하는 연구자들에게 좋은 방법을 제시하며, 또한 장착되는 각 그루브들의 높이를 설계변수로 사용하여 최적설계를 수행하였다는 점에서 좋은 아이디어를 제시하여 준다고 사료된다.

     

    3.6 Research Papers – Legres, G. (Snecma-Safran Group, France), Gourdain, N. (Cerfacs, France), Trebinjac, I., and Ottavy, X. (LFMA, France), “Analysis of Unsteadiness on Casing Treatment Mechanisms in an Axial Compressor,” Proceedings of ASME Turbo Expo 2011, GT2011-45806.

     

    본 연구는 프랑스의 Snecma-Safran Group과 Cerfacs 및 LFMA 사에서 공동으로 수행한 연구로 그루브를 장착한 천음속 축류압축기에 대하여 삼차원 RANS 및 URANS 계산을 수행하여 스톨 마진의 메커니즘을 규명하고자 하였다. 본 연구의 대상으로 사용된 축류압축기는 다단 축류압축기로 각단의 로터에 케이싱 그루브를 장착하여 해석을 수행하였다. 해석의 정확성을 검증하기 위해 기준형상과 케이싱 그루브를 장착한 형상에 관하여 성능시험결과와 비교를 수행하였으며, 압력비와 효율의 비교를 통해 해석의 정확성을 검증하였다. 또한 시간에 따른 비정상 계산으로부터 기준형상과 케이싱 그루브를 장착한 형상에서 발생하는 스톨 유동의 메커니즘을 규명하였다. 본 연구의 결과는 다른 연구들과는 다르게 다단 축류압축기의 각단에 케이싱 트리트먼트를 설치하여 삼차원 RANS 및 URANS 해석을 수행하였다는 점에서 향후 다단 축류압축기의 스톨 마진을 연구하는 연구자들에게 좋은 문헌이 될 것으로 사료되며, 또한 케이싱 그루브를 통해 각단에서 발생하는 스톨 메커니즘에 관한 상호작용을 규명하는 좋은 연구로 판단된다.

     

    3.7 Research Papers – Heinichen, F. Gummer, V. (Rolls Royce, Germany) and Schiffer, H. P. (Darmstadt University of Technology), “Numerical Investigation of a Single Circumferential Groove Casing Treatment on Three Different Compressor Rotors,” Proceedings of ASME Turbo Expo 2011, GT2011-45905.

     

    본 연구는 독일의 Rolls Royce 사와 Darmstadt University of Technology에서 공동으로 수행한 연구로 본 연구에서는 세가지 다른 형상을 가진 천음속 터보압축기 로터와 스테이터에 대하여 하나의 그루브를 장착하여 그에 따른 유동특성을 조사하였다. 압축기 형상 1은 고압력을 내는 제트 엔진으로 허브 반경이 큰 로터를 가진 압축기와 스테이터로 구성되며, 압축기 형상 2는 입구 가이드 베인까지 포함하였으며, 압축기 형상 3은 다단 압축기에 사용되는 압축기로 압축기 형상 1과 2와는 다른 날개 형상을 가지고 있다. 이 세가지 다른 압축기 형상은 하나의 그루브 장착과 함께 삼차원 RANS 해석을 통하여 스톨마진의 메커니즘을 평가하였으며, 그 결과, 스톨 메커니즘은 충격파와 와류의 상호작용을 기반으로 발생한다는 것을 규명하였다. 또한 그루브 장착과 함께 세가지 다른 압축기 형상의 스톨 마진을 그루브를 장착하지 않은 형상과 비교하여 각각 18.4%, 12.6% 및 10.3%를 증가시킬 수 있었다.

     

    4. 전시회

     

    전시회는 예년과 마찬가지로 학회기간 중 3일에 걸쳐 개최되었으며, 세계적인 가스터빈 회사인 Pratt & Whitney, Solar Turbines 및 GE 사 등을 비롯하여 가스터빈 부품 제작사, 연구소 및 터보기계 설계 및 삼차원 해석 프로그램 ANSYS, CD-adapco 및 Concepts NREC 등과 같은 소프트웨어 등 세계 각지의 다양한 기관에서 전시가 있었다. 작년보다는 규모나 참가한 업체들의 수가 작아졌지만 전시된 다양한 제작사의 가스터빈을 보고, 또한 직접 직원들과 이야기도 나누어 보며 현 관련 동향에 관한 정보를 수집할 수 있었던 좋은 계기가 되었다. 또한 전시회에 참여한 여러 업체에서 전시회에 참여한 방문자들에게 세미나를 통해 홍보 및 최신 동향에 관한 교육을 가져서 여러 정보를 수집할 수 있었다. 그러나 항상 전시회를 보며 많은 것을 느끼지만 가장 아쉬웠던 점은 우리나라에서 전시회에 참여한 기업들은 없었던 점이다. 우리나라에도 가스터빈 제작 관련으로 여러 업체가 있는데 무엇보다도 이러한 세계적으로 큰 행사에 참가하여 세계 업체들의 관련 동향을 파악하고, 이를 바탕으로 기술력을 세계 수준으로 발전시키는 것이 무엇보다 필요하다고 사료된다.

     

    5. 결언

     

    ASME IGTI Turbo Expo는 필자가 2009년부터 참가한 국제학술대회로 항상 참가할 때마다 많은 지식과 필자의 연구에 대한 자부심을 느끼게 해주는 학술대회이다. 그러나 항상 참가하면서 아쉬운 점은 가스터빈을 비롯한 터보기계 분야의 한국 연구자들이 미국이나 유럽을 비롯하여 일본 및 중국의 연구자들에 비해 수가 매우 적었다는 점이다. 또한 해마다 본 학술대회의 아시아 참가 논문 수 및 연구자들이 늘어나고 있는데도 불구하고 아시아 내에서도 한국의 비중은 특히 매우 적다. 본 국제학술대회는 해마다 미국과 유럽을 오가며 학술행사를 개최하고, 내년에는 유럽 내 덴마크 코펜하겐에서 개최할 예정이므로 내년에는 금년보다 많은 한국의 연구자 및 업체들이 참여하여 세계적인 연구 동향을 비롯한 정보와 지식을 습득하기를 바란다. 또한 이러한 적극적인 참여를 계기로 향후에는 아시아에서도 개최될 수 있기를 희망한다. 끝으로 본 학회의 참석을 할 수 있도록 논문을 지도하여 주신 필자의 지도교수인 김광용 교수님께 감사의 말씀을 전한다.

     

    필자: 김진혁(인하대학교 대학원 기계공학과 전산유체공학연구실 박사과정)

     

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    전체댓글 15

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    |2015.01.15
    평소 참가하고 싶었던 학회였는데, 자세히 작성해주셔서 좋은 정보를 많이 얻을 수 있었습니다. 감사합니다.

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    |2012.04.04
    국제학회에서 활발히 활동하는 모습을 보니 제게 강한 동기부여가 되네요. 저도 열심히 연구활동에 매진하여 국제학회에 참가하는 좋은 모습 보여드리고 싶습니다.

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    |2012.04.04
    기술분야로 깊은 내용을 이해하지는 못하지만, 흥미롭게 잘 보았습니다.

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    |2012.01.13
    학회에 다녀오지 않은 제가 실제 학회에 다녀온것같은 느낌이 들 정도로 깔끔하고 자세한 내용 좋습니다

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    |2012.01.12
    학교를 떠난지는 오래되었지만, 금번 학회에 제가 졸업한 랩에서도 참가했었는데, 매번 느끼는 감정이지만 다녀온 후배들은 사람은 큰물에서 큰 경쟁자를 만나야 한다는 느낌을 받았다고 합니다. 김진혁님께서 다녀와서 느끼신 것처럼 우리의 우수한 연구 성과들이 더 많이 국제학회에서 발표되어 나라의 위상을 높였으면 좋겠습니다. 여기오시는 모든 분들 화이팅.!!!

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    |2012.01.12
    관심 있었던 분야인데, 흥미롭게 잘 봤습니다.

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    |2012.01.12
    학술대회 참관기에서 여러 공학 지식을 간접적으로 습득할 수 있어 좋습니다.

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    |2012.01.12
    가스 터빈에 관심이 많은데 이에 대해서 좋은 정보를 주셔서 감사합니다.

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    |2012.01.12
    흥미롭네요 ㅎㅎ

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    |2011.06.22
    내용적인 면에서 정리를 잘하셔서 그런지 이해가 쉽고 깔끔한 구성이 마음에 듭니다. 다음에도 이런 기회가 있으시면 다른 참관기도 부탁드려요.

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    |2011.06.21
    좋은 참관기를 작성해 주셨군요. 참관기가 전체적으로 일목요연하게 잘 작성되어 직접 참석한 듯 합니다. 터보기계 전공자로서 최근 연구동향에 대한 좋은 정보 알아 갑니다.

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    |2011.06.21
    학술대회에 대해서 전반적으로 정리가 잘 되어 있고 최근 논문 추이등을 알려주고 또 일부 논문을 간략하고 이해 쉽게 설명 해주어 보고 이해하기 좋았습니다...

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    |2011.06.21
    학회에 다녀오지 않은 제가 실제 학회에 다녀온것같은 느낌이 들 정도로 깔끔하고 자세한 내용 좋습니다.

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    |2011.06.21
    깔끔하고, 일목요연하게 정리가 잘되있어서 보기 편했습니다.

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    |2011.06.20
    2011년 첫 참관기네요.. 잘정리해 주셨네요. 감사합니다.

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