[항공] 가스터빈엔진 구조 재료

2012 포스팅 자료실 2012.02.22 23:59
**가스터빈엔진(터보제트엔진) 구조 재료**

▲ General Electric 사 GE-90
가스터빈엔진(터보제트엔진)은 뭘로 만들까, 문득 생각이 나서 자료를 뒤적거리다 포스팅 해봅니다. 전문적인 글이 아니기 때문에 합금에 대한 내용(합금 재료 및 배율)은 배제하고, 명확한 사실에 근거한 기본적인 이야기만 다루었습니다. 
 


가스터빈엔진(gas turbine engine) 구조 재료(construction materials)
같은 엔진이라도 섹터마다 온도나 압력이 다른건 당연합니다. 그렇기에 섹터마다 다른 재료나 기술을 이용해야하죠.
크게 엔진 내부를 저온부와 고온부로 나누어 본다면,.

저온부(cold section)
흔히 비행기 동체(fuselage)에 알루미늄(초초 두랄루민)이 쓰이듯이, 엔진에도 알루미늄이 사용됩니다. 알루미늄을 마그네슘등과 합금하면 두랄루민이 되는데, 이것은 강철(steel) 보다 ⅓ 정도 가볍지만, 강도는 강철과 비슷한정도 이기 때문에 많이 사용되어지지만, 온도에 약하기 때문에 보통 엔진의 저온부인 압축기케이스, 흡입구케이스 등에 주로 사용됩니다.

티타늄(titanium)은 밀도가 낮고, 강도가 높으며 부식에 강해 터빈엔진에 많이 사용됩니다. 보통 팬케이스, 팬 블레이드, 압축기 블레이드, 압축기 디스크 등 고온이고 고강도이면서 경량인 재질이 요구되는 곳에 사용됩니다.
팬 블레이드의 경우 온도가 높지 않아 티타늄을 쓰기에 적재적소입니다. 보통 티타늄은 높은 온도(2000도 내외)에서 타버리기 때문에 내충격성과 마모성이 강화되어야 하는 부분에 쓰입니다.

티타늄은 터빈내부 고온부에서 쓰기에는 부적절한 면이 있습니다.
첫째로, FOD(Foreign object damage, 이물질에 의한 피해)에 강철보다 취약하다. 비록 티타늄은 강철과 강도면에서 비슷하고 무게가 절반밖에 안되지만 FOD로 블레이드에 마찰(rub)이 생길경우 타버릴 수 있기 때문에 조심해야 합니다.

▲ FOD에 의해 블레이드에 손상이간 예

둘째, 대부분의 다른 구조용 금속과는 달리 티타늄은 비교적 낮은 온도에서 녹아버리기 보다는 타버린다.
셋째, 열전도성(conductivity of heat)이 매우 낮아 열이 열원에서 쉽사리 다른 곳으로 전달되지 않고 티타늄의 점화온도(ignition temperature)에 도달해 타버린다.

물론 대부분의 엔진에서 티타늄을 팬 블레이드 부분에 많이 사용하고 있지만, 현대에 들어 여객기의 터보팬엔진의 크기가 커짐에 따라 어쩔 수 없이 무게에 대한 문제가 지적되고 있습니다. 아무리 강철보다 1/3 이 가볍다곤 해도 자체 무게는 크기 때문에 보잉 777 같은 여객기에서 사용하는 50톤 짜리 초대형 엔진에 사용하기에는 무리가 있습니다.

그래서, 티타늄 단조물만을 사용하지않고 허니콤(벌집모양) 구조에 마모가 일어나는 끝부분(edge)을 티타늄으로 씌운 형태가 GE-90 같은 초대형엔진에 사용됩니다.

▲ 허니콤 구조에 티타늄 커버를 씌운 블레이드

팬블레이드를 통과한 공기는 1차 압축기를 지나 2차 압축기로 들어갑니다. 이 압축기의 고압부(high pressure stage)에는 흔히 스테인레스 스틸(stainless steel)이라 불리우는 니켈-크롬 합금(nickel-chromium alloys)이나 니켈 계열 합금(nickel-base alloys)이 흔히 사용됩니다. 대표적으로 니켈-크롬강은 1000도를 기본으로 견기도 내연성이 강해 높은 압력과 온도를 견디기에 안성맞춤입니다.





고온부(hot section)
"제트엔진의 내부 온도는 태양 표면 온도의 절반에 달한다."
어느 책에서 본 구절입니다. 태양 표면 온도의 절반... 태양 표면 온도가 약 6000도이니까, 내부 온도는 3000도 정로라는 말이 되겠네요. 

고온부에 사용하기 위해서 많은 종류의 고강도, 저중량의 재료들이 개발되어 왔는데 이들을 흔히 초합금(super alloy)이라고들 합니다. 이들 합금은 내부적으로 냉각할 경우엔 2,600도, 냉각하지 않을 때에는 2,000도 까지의 고온에도 견딜 수 있습니다. 즉, 냉각을 유지하면서 연소를 해야한다는 소리가 되겠군요. 

초합금은 고온, 고 인장(tensile), 진동 응력 등이 있거나 산화에 대한 저항(oxidation resistance)이 필요한 곳에 사용됩니다. 또한 초합금을 이루기 위해서는 니켈, 크롬, 코발트, 티타늄, 텅스텐, 카본, 기타 여러 임계금속들이 복잡한 혼합을 이우러야 합니다. 
합금의 강도는 전적으로 혼합구성비율에 달려있기 때문에 이들의 혼합비율에 대한 연구가 계속되어야 합니다. 



열차단 코팅(thermal barrier coating)
열차단 코팅을 하는 이유는 여러가지가 있습니다. 일반적으로 터빈에서 만들어진 열에너지의 손실을 막고 부식이나 침식으로 부터 금속을 보호하기 위해서 입니다. 일반적으로 세라믹, 특히 파인세라믹스를 주로 사용하는데, 이것은 열전도성이 매우 낮고 높은 온도에서 잘 견디기 때문입니다. 코팅을 할때는 플라즈마 분사를 이용합니다. 코팅하고자 하는 물질에 고온을 가해 분사함으로써 코팅되는 금속표면에서 녹아 달라 붙도록 하는 것이죠.

생각해보면, 세라믹은 1500도 정도를 견딜 수 있고 강도도 좋은데, 왜 구조체로 사용되지 않는 것일까요 ?
그 이유는, 세라믹이 취성(깨지는 성질)이 크고 진동에 약하기 때문입니다. 비록 금속자체의 강도는 높지만, 진동에 대한 취성에 의해 강도가 낮아지기 때문에 사용이 제한된다고 합니다.



-"가스터빈엔진은 재료강도상의 문제로 인한 온도제약이 없다면 무제한의 힘을 낼 수 있다. 재료의 열에 대한 강도가 커질수록 또한 냉각공기는 줄어들게 되며 따라서 엔진의 크기는 줄어들 수 있고 추력중량비는 두드러지게 증가하게 된다. 그러나 오늘날의 재료 강도는 휘틀(최초의 터빈엔진 발명가) 때에 비해 그리 크게 향상되지 못하여 터빈엔진출력의 가장 큰 제한 조건으로 여전히 남아 있다."-

갱신 1회 - 동영상 추가.
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