1. 서 론

최근 항공기에 적용되는 가스터빈 엔진은 출력이 높고 연료 소모량이 작은 고성능 엔진이 사용된다. 항공기 운용 측면에서 엔진 출력이 높아지면, 항공기의 기동 성능이 높아지고, 연료 소모량이 적어지면 항공기 운용 시간이 늘어나기 때문에 전 세계적으로 고성능 가스터빈 엔진을 개발하기 위한 연구가 활발히 수행되고 있다. 고정익에 적용되는 터보팬 엔진과 주로 무인기와 회전익기에 적용되는 터보샤프트 엔진도 고성능화를 위해서는 연소기의 성능을 높이는 연구가 수행되어야 한다. 터보팬 엔진에서의 고성능 연소기는 최근 강화된 배기가스 규제[1]와 연료 소모량 저감을 위해 연소기 운용 압력이 높은 연소기가 필요하고, 터보샤프트 엔진은 기체의 기동성과 엔진의 경량화를 위한 소형화가 필요하며, 이를 위해 엔진의 운용 압력을 높여 터보샤프트 축출력을 증가하고, 엔진 경량화를 위한 소형화 과정에서는 엔진 구성품 배치를 고려한 연소기 개발이 필요하다. 따라서, 가스터빈 관련 주요 연구기관과 OEM(Original Equipment Manufacturer) 기업들은 고성능 연소기 개발을 위해서 연소기의 운용 압력과 연소기 출구 온도인 터빈 입구 온도(Turbine Inlet Temperature, TIT)를 높인 연소기 개발을 위해 많은 투자와 연구를 수행하고 있다. 연소기 내부에서는 연소 반응, 화학 반응, 다상 유동, 열전달 등의 복잡한 현상이 발생하지만, 이러한 상관관계를 해석적으로 정확하게 파악하긴 어렵다. 따라서, 이런 현상에 대한 이해를 위해 실험적 연구가 반드시 필요하다[2]. 연소기의 운용 압력이 증가할수록 이런 현상은 더욱더 복잡해지고 예측이 더 어려워진다. 특히, 고압 연소 환경에서는 연료 증발 특성, 난류-화학 반응의 상호작용, 배출가스 생성 특성이 달라진다고 알려졌지만, 이에 대한 이론적 지식과 정량적인 실험 데이터는 부족하다. 이러한 실험적 데이터 확보를 위해 NASA(미국 항공우주국), DLR(독일 항공우주 연구소), JAXA(일본 우주항공연구개발기구), ONERA(프랑스 국립항공우주연구소), GE(미국), Siemens(독일) 등 주요 연구기관 및 OEM 기업들은 가스터빈의 실제 운용환경을 모사할 수 있는 고압 연소 시험설비를 자체적으로 운영하고 있다. 그러나 이들 기관과 기업은 연구자료를 기술 보호와 후발 개발국 및 경쟁사의 견제를 위해 공개하지 않거나, 제한적으로만 공개하고 있다. 따라서, 고성능·친환경 가스터빈엔진의 개발을 위한 독자적인 고압 연소 시험 설비 구축과 실험 데이터 확보가 필수적이다.

한국항공우주연구원(항우연)은 Fig. 1과 같이 1990년도부터 국내에서 가스터빈엔진 구성품(연소기, 압축기, 터빈) 연구개발을 위한 시험설비를 국내 최초로 구축하고, 현재까지도 활발히 운용하고 있다[3]. 특히, 국내에서 개발된 대부분의 항공 추진용 연소기는 항우연의 시험설비를 활용하였다. 항우연은 2022년부터 “가스발생기 고온부 설계/해석 품질 적합성 검증” 과제 수행을 위해서 가스터빈의 고온 부품(연소기/터빈)의 실제 운용환경에서의 실험적 연구를 위해 기존 시험설비를 최대 압력 40 bara에서 운용할 수 있게끔 설비를 증설 보완하였다. 본 논문에서는 연소기 실 환경 성능 시험평가를 위해 최근 증설된 고압 연소 시험설비를 소개하였다.

Fig. 1.

Gas turbine engine component test facility of Korea Aerospace Research Institute.

2. 고압 연소 시험설비

가스터빈엔진은 압축기/연소기/터빈으로 구성되어 엔진 단독으로 성능시험이 가능하여서 상대적으로 시험설비가 간단하다. 반면에 가스터빈 엔진 구성품인 연소기의 단독시험은 외부 장비를 활용해서 가스터빈 압축기의 출구 조건을 구현해 엔진 운전조건에 따라 다양한 시험 조건을 외부에서 인위적으로 조절해야 한다. 따라서, 시험설비는 다양한 장치와 구성품이 필요하다. 또한, 연소기의 구성품에 대한 개발 과정에서 성능 확인 등을 위한 다양한 계측장치와 시험장치를 보호하기 위한 냉각 시스템으로 구성되어 있으므로 시험설비는 가스터빈 단독 시험설비보다 상대적으로 복잡하다. 또한, 최근 친환경/고성능/고효율 엔진 개발을 위해 운용 압력이 높아지는 추세이기 때문에 엔진 구성품은 더 복잡해지고, 연소기와 같은 고온/고압 부품의 시험설비는 대형화되고 다양한 장비로 구성 되어가고 있다. 특히, 전 세계적으로 유명한 가스터빈 선진국과 OEM 사는 대부분 자체 연소기 성능시험 설비를 운용하고 있으며, 대부분 30 barg 이상에서 운용할 수 있다[4]. 운용 중인 거의 모든 연소 시험설비는 Fig. 2와 같이 산업용 압축기와 공기히터를 사용하여 압축기 출구 및 연소기 입구조건을 구현하는 방식으로 설비를 운용하고 있다. 최근 항우연도 Fig. 3과 같이 시험설비를 증설하였다. 증설된 시험설비는 최대 압력 40 bara, 온도 650°C, 유량 7.8 kg/s의 공기를 공급할 수 있다. 항우연 고압 연소 시험설비는 공기 공급부, 공기 가열부, 시험리그 장착부, 연료 공급부, 냉각공기 공급부, 냉각수 공급부, 제어·계측부로 구성되어 있으며, 한국가스안전공사(Korea Gas Safety corporation, KGS)의 기술 검토와 인허가를 받고 Fig. 4와 같이 구축하였다.

Fig. 2.

General schematic combustor test facility.

Fig. 3.

Overview of combustion test facility.

Fig. 4.

High pressure combustion test facility.

2.1 공기 공급부

항우연 고압 연소 시험설비의 공기 공급부는 Fig. 3과 같이 중압·고압 공기 압축기로 중압 공급부와 고압 공급부로 구성되어 있다. 중압부는 3,000마력 4단 터보 공기 압축기로, 최대 7 kg/s 유량과 최대 압력 10 bara의 공기 공급이 가능하다. 고압부 공기 공급장치는 5,000마력 5단 터보 공기 압축기로, 최대 7.8 kg/s 유량과 40 bara의 압력으로 공기 공급이 가능하다. 두 공기 공급 장치는 고전압 인버터로 기동하여 기동 전력을 낮춰 시험설비에 필요한 최대 전기 수전량을 줄였다. 또한, 두 압축기에는 모두 HIC(Hand Indicate Controller) 모듈을 설치하여 공기 공급 유량과 토출압력을 압축기 내부에서 조절할 수 있도록 구성하였다. 또한 압축기 토출 후 공기 공급부 배관에 사용된 유량 제어밸브, 체크밸브, 안전밸브, 진동 센서 등의 모든 제품은 KGS 코드에서 요구하는 성능과 설치안을 적용하여 구성 하였다. 또한, 비정상 상황에서 공기 공급부의 급격한 압력 상승 시 KGS 규정 압력 배출 속도보다 더 빠르게 설비 내부 압력을 감압하기 위해서 압축기 내 배관과 공기 공급부에 바이패스 배관을 추가로 설치하여 위급상황에서 설비와 인명 피해를 방지할 수 있도록 구성하였다.

2.2 공기 가열부

연소기에 고온 공기의 공급을 위해서는 고압으로 압축된 공기의 가열을 위한 가열장치가 필요하다. 공기 가열장치의 종류는 크게 연소가스와 전기히터 등의 열원을 공기에 직접 노출하여 가열하는 방식과 열교환기 및 보일러와 같이 공기를 직접 열원에 노출하지 않고 공기를 간접적으로 가열하는 방식으로 나뉘게 된다.

직접 가열 방식 중 연소 공기를 활용하는 연소식 공기 가열장치(Vitiation Air Heater, VAH)는 고온의 공기를 단시간에 빠르게 가열하는 장점이 있지만, 연소 과정에서 발생하는 연소가스가 공기에 혼합되어 오염된 공기가 연소기로 공급되고, 연소 특성에 영향을 미치는 단점이 있다. 간접적으로 공기를 가열하는 열교환기 방식은 열교환기를 통해서 공기가 가열되기 때문에 공기의 오염 없이 공기를 가열할 수 있는 장점은 있지만, PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger)와 STHE(Shell and Tube Heat Exchanger) 및 보일러는 상대적으로 부피가 크고 열교환 속도가 느리며, 얇은 튜브 통과 시 높은 압력 손실과 정밀한 온도 제어의 어려움 등의 단점이 있다. 특히, PCHE는 고온/고압 환경에서 사용이 가능한 장점이 있지만, 높은 온도 조건에서 급격한 열교환 시 순간적인 수축 및 팽창으로 미세채널이 쉽게 손상되는 단점이 있다.

항우연 고압 연소 시험설비에는 제작이 쉽고 높은 에너지 효율과 정밀한 온도 제어가 가능한 Fig. 5와 같은 전기히터를 가열장치로 선정하여 운용하고 있다. 전기히터의 제어방식은 크게 위상 제어방식과 제로 크로싱방식이 있다. 항우연의 공기가열 장치는 다양한 온도 조건에서 히터를 운용하기 때문에 고조파 방지와 무효전력에 따른 역률 손실을 방지하기 위해서 제로 크로싱 방식을 적용한 2.4 MW 3단 전열 히터로 구성되어 있으며, 최대 압력 40 bara의 고압 공기를 최대 650°C까지 가열할 수 있도록 구성하였다.

Fig. 5.

Electric air heater.

2.3 시험리그 장착부

고압 연소기의 성능시험을 위해 연소기가 설치되는 시험리그 장착부에는 공기의 온도를 고르게 하기 위한 라인 믹서와 공기의 유동 분포를 균일하게 하기 위한 공기 안정실(settling chamber)을 설치하였다. 라인 믹서는 히터 출구에서 발생하는 배관내의 온도 구배를 일정하게 하기 위한 용도로 설치되었으며, 라인 믹서는 평판이 절곡된 형태로 제작된 타입을 적용하였으며, 배관내에서 온도가 일정하게 섞일 수 있도록 충분한 길이의 라인 믹서를 설치하였다. 라인 믹서를 통과한 공기는 온도 구배가 적지만 유동이 불균일 하기 때문에 이를 다시 안정화 하기 위해 시험리그 장착부에 공기 안정실을 설치하였다. 공기 안정실의 내부에는 촘촘한 철망이 장착되어 불균일한 유동을 안정화할 수 있도록 설계되었다. 또한, 시험리그 장착부는 가스터빈 연소기의 종류와 크기에 따라 맞춤형으로 설계 및 제작된다. Fig. 6 및 Fig. 7은 항우연에서 수행한 역류형 환형 연소기 시험리그의 구성품과 시험설비에 장착된 시험리그 형상을 나타낸다[5]. 시험리그 장착부에는 연소기의 출구 온도와 압력을 환형으로 측정하는 회전 레이크 시스템과 연소 효율 측정 및 배기가스 분석을 위한 가스 포집 장치가 설치되어 있다. 또한, 연소기 라이너의 표면 온도를 측정하기 위한 열전대와 각종 센서에 필요한 전기 신호선을 연결하는 관통형 연결장치(feedthrough)가 장착되어 있으며, 연소기 라이너의 표면 온도를 비접촉식으로 측정하기 위한 광학 장치의 운용을 위한 가시화 창이 설치되어 있다. 연소기 출구에 설치되는 터빈성능 시험리그도 연소기의 시험리그와 같이 실험 목적과 형태에 따라 설계 및 제작되며, 이에 따라 시험리그의 형상도 달라진다. 터빈 성능시험도 연소기와 같이 열전대와 각종 센서 및 광학측정을 위한 별도의 가시화창이 설치되고 있다. 시험리그 장착부에는 계측을 위해 별도의 제어 및 계측 시스템이 구축되어 있다.

Fig. 6.

Reverse flow combustor test rig.

Fig. 7.

Photograph of combustion chamber test rig.

2.4 연료 공급 시스템

연소기 성능시험을 위해서는 안정적인 연료를 공급하는 시스템이 필요하다. 연료 공급의 안정성은 안정적인 연소를 위해 필요하며, 연소기 성능평가와 정확한 연소효율 평가에 필요하다. 항우연에서는 Table 1과 같이 액체연료와 기체연료를 모두 공급할 수 있는 연료 공급 시스템을 구축하고 있다. Fig. 8의 액체연료 공급 시스템은 케로신 계열(Jet-A1, JP-8 등), 경유, 그리고 바이오연료 기반의 대체 연료인 지속가능 항공유(Sustainable Aviation Fuel, SAF) 등을 공급할 수 있으며, 고압 펌프와 인버터를 사용하여 최대 100 barg의 압력, 케로신 기준 최대 600 g/s의 유량으로 시험리그에 공급할 수 있다. 또한, 별도의 저온 액체연료 공급장치를 구축하여 시험 조건에 따라 –40°C부터 상온까지 온도 조절이 가능하다. 시험대상 연소기 종류에 따라 기체 연료인 도시가스(natural gas)를 활용한 연소시험이 필요한 경우 별도의 승압 설비(Fig. 9)를 활용하여 최대 30 barg 압력으로 최대 70 g/s 유량으로 공급할 수 있는 시스템도 구축하고 있다. 시험 조건과 요구도에 따라 도시가스 이외의 기체 연료가 요구되는 경우, 메탄, 수소 등 연료뿐만 아니라 질소, 산소, 공기 등의 가스도 안정적으로 공급할 수 있는 실린더 저장 및 공급 설비를 구축하였다. 도시가스 설비와 실린더 저장 및 공급 설비는 모두 한국안전공사(KGS)의 기술 검토와 인허가를 받았으며, 별도의 가스에 대해서는 추가적인 신고를 통해 사용할 수 있다. 두 연료 공급 시스템은 비상 상황 시 시험 인원의 안전과 시험설비의 보호를 위해서 다수의 가스 감지기와 안전 밸브 및 차단 장치가 설치되어 있다.

Fig. 8.

Liquid fuel supply system.

Fig. 9.

Natural gas supply system.

2.5 냉각공기 공급부

가스터빈 고온부 연소기 및 터빈 실환경 성능시험을 위해서 다양한 회전 레이크, 모터, 센서, 광학 장치와 같은 다양한 계측장치가 사용된다. 대부분의 이러한 계측 및 기계 장치들은 일반적인 산업현장에서 사용되는 제품들로 고온 환경에서 운용하는 가스터빈 구성품인 연소기와 터빈에서 이러한 장치를 바로 적용하기에는 어려움이 있다. 따라서, 계측장비의 정상적인 작동과 안정적인 운용을 위해 반드시 시험리그와 내/외부에 대한 적절한 냉각이 필요하다. 최대 40 bara 고압 시험설비에서 냉각공기를 적절하게 공급하기 위해서는 시험부의 압력보다 높은 압력으로 냉각공기를 공급하여야 한다. 이를 위해서 시험설비에서 운용하는 대형 공기 공급장치 외에도 Fig. 10과 같은 별도의 냉각공기 공급 시스템을 구축하고 운용하고 있다. 항우연에서는 총 5개의 스크류 타입 공기 압축기를 활용하여 고압 연소기 및 터빈 성능 시험에 냉각 공기로 공급한다. 별도의 압축기를 통해서 시험설비에 공급할 수 있는 냉각 공기는 최대 42 barg이고, 시험리그 외부 냉각은 저압 터보 압축기를 통해서 최대 2.0 kg/s 유량으로 공급할 수 있도록 구축되어 있다. 또한, 상황에 따라 대형압축기의 바이패스 배관을 통해서도 냉각 공기가 공급 가능하며, 연료 공급부에서 설명한 실린더 저장 및 공급 설비를 활용하여 별도의 냉각 공기를 시험리그에 공급할 수 있도록 하였다.

Fig. 10.

Cooling air supply system.

2.6 냉각수 공급부

가스터빈 엔진은 실제 운용 시 냉각수를 사용하지 않지만, 연소기 시험설비에서는 공기 공급 장치인 압축기의 냉각, 시험리그 내 센서 및 시험장치의 냉각, 연소가스 배기부 고온배관 냉각, 그리고 연소가스로 발생하는 소음 저감을 위해 다량의 냉각수가 필요하다. 본 시험설비에서는 폐쇄형 냉각수 공급 시스템과 개방형 냉각수 공급 시스템을 동시에 운용하고 있다. 폐쇄형 냉각수 공급 시스템에서는 냉각수 펌프를 통해 공급된 냉각수는 압축기 열교환기 및 시험리그와 설비의 냉각채널을 통과하며 열을 흡수하고, 다시 냉각타워에서 열을 방출한 뒤 냉각 펌프를 통해 다시 공급되는 순환 방식의 냉각수 공급 시스템이다. 항우연에서는 Fig. 11과 같이 최대 550 m³/hr 유량의 냉각이 가능한 700 CRT 용량의 냉각타워를 구축하였으며, 추가적으로 250 CRT와 80 CRT의 냉각타워도 구축하여 냉각수를 공급할 수 있도록 하고 있다. 개방형 냉각수 공급 시스템은 폐쇄형과 달리 냉각수를 회수하지 않고 방출하는 방식으로, 주로 고압의 냉각수를 연소가스에 직접 분사하여 연소가스의 온도를 낮추는 방식인 냉각수 공급 시스템이다. 이 시스템은 냉각수를 연소가스에 직접 분사하여 연소가스의 온도를 급격하게 낮춘다. 냉각수 직접분사로 인해 연소가스 온도가 낮아지면 고온 배기부의 설비 보호와 연소가스로 발생한 소음이 저감되는 효과가 있다. 항우연의 개방형 냉각수 공급 시스템은 12톤의 냉각수를 저장하는 물탱크와 최대 48 barg의 압력으로 12 kg/s의 냉각수를 시험부에 공급할 수 있는 펌프로 구성되어 있다. 이 시스템은 고압으로 대량의 냉각수를 공급하기 때문에 냉각수 소비량이 많고, 고압으로 공급해야 해서 냉각수 공급펌프에 사용되는 전력이 상대적으로 크다. 따라서, 연소기가 연소되는 동안만 제한적으로 사용된다. 항우연에서는 시험 목적에 따라 폐쇄형과 개방형 냉각수 공급 시스템을 선택하여 자유롭게 사용할 수 있도록 두 시스템을 모두 구축하였다.

Fig. 11.

Cooling towers and water tank.

2.7 제어·계측부

고압 연소 시험설비의 제어·계측 시스템은 운용 인원의 안전과 실험장비 및 시험 과정에서 발생하는 오작동과 이상 현상을 실시간으로 파악하여 안전한 시험을 가능하게 하는 필수적인 구성 요소이다. 항우연에서 구축한 시험설비의 제어·계측 시스템은 PLC 기반의 분산제어 시스템(Distributed Control System, DCS)과 HMI(Human Machine Interface)를 적용한 통합제어 시스템으로 구성되었다. Fig. 12에 나타난 논리적 구성도를 기반으로 공기 공급장치, 공기 가열장치, 인버터, 펌프, 냉각 타워, 연료 공급 시스템, 냉각공기 공급장치, 냉각수 공급장치 등 시험설비에 설치된 대부분의 유공압 장비들을 상호 연동하여 효율적으로 시험설비를 제어할 수 있도록 설계되었으며, Fig. 13의 구성된 HMI를 통해서 제어실에서 원격 조작이 가능하도록 구현하였다. 특히, 시험설비의 주요 장비인 공기 공급장치, 공기 가열장치, 고전압 인버터는 각각 독립적인 PLC를 보유하고 있으나, RS485와 LAN(이더넷)방식으로 장비와 물리적인 연결을 하고 Modbus 프로토콜을 통해 통합 제어 시스템에서 실시간으로 연동하여 시험설비를 제어할 수 있도록 설계되었다. 또한, 일부 장비는 안전을 위해서 메인 PLC와 장비 간 Hard Wire로 연결하여 통신을 통하지 않고 아날로그신호를 직접 입/출력할 수 있도록 하는 직접제어방식도 병행하여 적용되었다. 시험설비의 DCS 시스템에 사용된 제어 채널 수량은 Table 2와 같이 PLC 채널 수량과 Modbus를 통한 통신 수량으로 총 1,200여 개이다. 이를 통해 시험설비 내의 최종 제어는 DCS에서 이루어지고, 내부 프로그램을 통해 장비 간 논리적 인터락 시스템을 구축하여 설비를 안정적으로 운용할 수 있도록 하였다. 또한, 비상 상황에서 시험설비를 보호할 수 있는 물리적인 비상정지 시스템(emergency machine off)를 별도로 구축하였으며, 전기가 끊긴 정전 상황에서도 유공압 장치와 CCTV가 작동할 수 있도록 5 kW 용량의 무정전전원장치(UPS)를 구축하였다. 고압 연소 시험설비에 적용된 통합 제어시스템과 비상정지 시스템은 더 안전하고 효율적인 설비 운용이 가능하게 하였다.

Fig. 12.

Facility control logic diagram.

Fig. 13.

Test facility control HMI and DCS.

3. 결 론

본 논문은 최근 증설한 항우연의 고압 연소 시험설비의 구성과 특성에 대해 전반적으로 소개하였다. 최대 압력 40 bara, 온도 650°C, 유량 7.8 kg/s까지 공기를 공급할 수 있는 이 설비는 공기 공급부, 공기 가열부, 시험리그 장착부, 연료 공급 시스템, 냉각 공기 및 냉각수 공급부, 제어·계측부 등으로 구성되어 있다. 특히, 공기 공급부는 저압 및 고압 공기 압축기를 사용하여 다양한 압력 조건을 구현할 수 있도록 설계되었으며, 전기히터를 활용한 공기 가열부는 정밀한 온도 제어가 가능하며, 시험리그가 설치되는 장착부는 연소기의 다양한 형태와 조건에 따라 개별 설계된 시험리그가 설치될 수 있도록 하였다. 또한, 다양한 연소기의 성능시험을 위해서 연료 공급 시스템은 케로신과 같은 액체연료뿐만 아니라 도시가스와 같은 기체 연료도 안정적 공급이 가능하도록 구축하였다. 또한, 고압/고온 시험 환경에서도 설비의 안정적인 운용을 위해 폐쇄형 및 개방형 냉각수 공급 시스템을 구축하여 효율적인 설비 냉각 및 소음 저감을 가능케 하였다. 마지막으로, 시험설비 안정적인 운용을 위한 제어·계측부는 PLC 기반의 통합 제어 시스템(DCS)과 HMI로 구축하여 실시간으로 시험설비의 상태를 모니터링하고 비상 상황에 대응할 수 있는 비상정지 시스템을 갖추어 고압 시험설비의 안전성을 확보하였다. 또한, 본 시험설비는 한국가스안전공사(KGS)의 기술 검토 및 인허가를 받아 법적 기준을 만족하였으며, 매년 2차례 KGS의 정기 검사를 통해 시험설비를 유지관리할 예정이다.

본 시험설비는 현재 진행 중인 가스발생기의 고온부품 연소기와 터빈 성능시험에 활용될 예정이며, 이 과정에서 발생하는 연구자료는 현재 국내에서 독자 개발하고자 하는 첨단항공엔진 및 고성능 가스터빈 개발에 사용될 예정이다. 이를 통해 향후 국내 항공·발전용 가스터빈 산업의 경쟁력 강화에 크게 기여할 것으로 예상된다.