또한, 최신 회전기계 상태진단장비 및 진동분석장비, 회전체-베어링 시스템 해석/설계 프로그램, 그리고 다수의 초고속 회전체 실험장치들을 보유하고 있어 국내 및 해외 산업현장에 기술자문 및 산업체 엔지니어링 서비스를 제공하고 있다. 뿐만 아니라, 산업체의 연구개발 및 현장 엔지니어들을 위한 회전체동역학이론, 유체베어링이론, 윤활이론, 회전기계 상태진단 및 진동분석에 관한 체계적인 교육을 제공하고 있다. 한편 2017년부터 LG전자의 Target Lab으로 선정되어 LG전자와 활발한 산학공동연구교류를 이어가고 있다. 보다 자세한 연구실 소개 및 연구 내용은 연구실 웹사이트(http://turbolab.hanyang.ac.kr)에서 확인할 수 있다.

2. 연구책임자 소개

  류근 ±³¼ö´Â ÇѾç´ëÇб³ ±â°è°øÇкο¡¼­ ÇлçÇÐÀ§¸¦ ÃëµæÇÑ ÈÄ, "¸¶이크로 터보 제너레이터의 회전체 동역학적 특성에 관한 연구"¶ó는 제목으로 한양대학교 정밀기계공학과에서 석사학위를 취득하였다. 2005년부터 2010년까지는 세계 최대 대학부설 터보기계연구소인 Texas A&M University의 Turbomachinery Laboratory에서 베어링, 실, 댐퍼 및 회전체동역학 분야에서 세계 최고의 권위자인 Luis San Andres 교수의 지도를 받아 Texas A&M TRC (Turbomachinery Research Consortium), 미항공우주국(NASA) 등이 후원하는 연구과제에 참여하였으며, "Hybrid Gas Bearings with Controlled Supply Pressure to Eliminate Rotor Vibrations While Crossing System Critical Speeds"¶ó는 주제로 석사학위를, 그리고 "Effect of Cooling Flow on the Operation of a Hot Rotor-Gas Foil Bearing System"ÀÌ라는 주제로 박사학위를 취득하였다.

  2010년 12월부터 2013년 2월까지는 미국 North Carolina주의 Asheville에 위치한 BorgWarner Turbo Systems의 Global Product Development Group에 소속되어 Senior Development Engineer로 일하며 승용 및 디젤 차량, 그리고 선박용 터보차저 제품의 연구개발을 담당하였다. 대표적 연구과제로는 미국 Ford사의 터보엔진 개발, 영국 Caterpillar사의 중장비 차량엔진용 Electric Turbocompound 개발, 미국 EcoMotors International의 모터-발전기 일체형 터보차저 개발, 그리고 차세대 터보엔진 시스템에 적용하기 위한 무급유 터보차저(Oil-Free Turbochargers) 개발 등이 있었다. 현재 터보차저용 베어링 시스템에 대한 5개의 미국특허를 BorgWarner의 지원으로 등록하였다.

  한양대학교에 교수로 임용된 2013년부터는 BorgWarner Turbo Systems (미국), 삼성전자, LG전자, 현대자동차, 현대모비스, 한온시스템 등 국내외 기업 및 과학기술정보통신부 등 정부 연구사업의 지원을 받아 단독연구책임자로서 총 15개의 연구과제 협약을 맺고 총 14억원의 연구비를 수주하여 연구를 진행해 오고 있다.

  류근 교수는 2016년부터 미국윤활학회(STLE)에서 발간하고 SCI에 등재된 저명학술지 Tribology Transactions의 Associate Editor로 임명되어 활동하고 있다. 또한 ASME Gas Turbine Segment의 International Gas Turbine Institute (IGTI)에서 주최하는 세계 최대규모의 터보기계 학술대회인 ASME Turbo Expo 학술대회에서 2017년부터 Microturbines, Turbochargers & Small Turbomachines Committee의 Chair와 2015년부터 Structures & Dynamics Committee의 Vanguard Chair를 맡고 있다. 또한 현재 ASME Gas Turbine Segment의 Advanced Manufacturing & Repair for Gas Turbines (AMRGT) Symposium의 Organizing Committee member 및 European Micro Gas Turbine Forum의 Advisory Committee member로 활동하고 있다.

  류근 교수가 ASME Turbo Expo 2012 학술대회에서 발표한 "Effect of Cooling Flow on the Operation of a Hot Rotor-Gas Foil Bearing System"논문은 IGTI Structures & Dynamics Committee에서 선정한 Best Paper Award를 수상하였으며, 또한 ASME Turbo Expo 2016 학술대회에서 발표한 "Oil-Free Automotive Turbochargers: Drag Friction and On-Engine Performance Comparisons to Oil-Lubricated Commercial Turbochargers"논문은 IGTI Microturbines, Turbochargers & Small Turbomachines Committee에서 선정한 Best Paper Award를 수상하였다. 그리고 ASME Turbo Expo 2013 학술대회에서 발표한 "On the Failure of a Gas Foil Bearing: High Temperature Operation without Cooling Flow"논문은 IGTI Young Engineer Turbo Expo Travel Award에 선정되었다.

3. 주요 연구 분야

 3.1 우주발사체 분야
  Space X와 Blue Origin의 재사용 우주발사체와 Rocket Lab의 전기펌프식 로켓엔진 시스템을 탑재한 우주발사체의 개발 시험 성공은 전세계 우주발사체 산업의 방향에 크게 영향을 주고 있다. 전기펌프는 터빈을 대신하여 전기모터로 극저온 산화제 및 연료를 연소실로 공급하는 역할을 한다. 고압/고온의 연소가스를 사용하지 않는 전기펌프는 펌프의 온도 구배가 크지 않아 설계 및 개발이 용이할 뿐 아니라 엔진시스템의 전체적인 구조를 간소화 할 수 있는 장점을 가지고 있다.

  본 연구실은 과학기술정보통신부가 주관하는 2018년도 우주핵심기술개발사업의 우주기초분야 과제에 "»ó단 액체로켓엔진용 전기펌프에 적용되는 모터-회전체-베어링-실 시스템의 설계, 성능 평가, 상태 감시 기술 개발"ÀÌ라는 주제로 선정되어, 2021년까지 총 3억원을 지원받고 있다. 이 연구는 모터 일체형 극저온 펌프의 회전체 시스템 설계 기술을 개발하고, 이를 기반으로 제작한 실험장치를 활용하여 그 성능을 평가하여 우주발사체 액체로켓엔진용 전기펌프의 독자적인 기술을 확보하는 것을 핵심 목표로 하고 있다. 더 나아가 액체로켓엔진용 전기펌프의 상태 감시 및 결함 진단을 작동 중 실시간으로 할 수 있는 기술 또한 개발하고 있다. 극한의 환경에서 작동하는 전기펌프 시스템의 신뢰성 및 내구성을 비롯한 동적 특성 예측 기술 개발과 실험을 바탕으로 한 신뢰성 확보는 우리나라 우주개발 중장기계획에 실제적으로 적용될 것으로 기대하고 있다.

  또한, 작동유체를 강제적으로 베어링 표면으로 가압하여 사용하는 외부가압 유체 저널 및 스러스트 베어링을 적용한 전기펌프의 회전축 시스템도 설계 및 해석, 실험하여 그 특성을 평가하고 있다. 특히, 정확하고 신뢰성 있는 극저온 유체 베어링 설계 기술은 재사용 우주발사체 개발을 위해서도 반드시 필요하다. 이를 위해 외부가압 유체 베어링의 정하중 특성(하중지지력, 동력손실, 마찰계수)을 비롯한 동하중 특성(강성/감쇠 및 관성 계수)을 측정하는 시험평가 장비를 구축하였다.

 3.2 가스터빈 및 압축기 분야
  가스터빈과 터보차저 등 초고속으로 회전하며 매우 고온의 온도에서 작동하는 회전체 시스템의 동역학적 특성 및 유체베어링에 대한 실험 및 해석적 연구를 꾸준히 진행해 오고 있다. 특히 최근에서 발전용 연료전지 시스템의 마이크로가스터빈에 적용되는 회전체-가스베어링 시스템의 성능을 분석하고 가스베어링의 특성을 예측 및 측정하였으며, 터보블로워 및 터보압축기, 항공기 전장품(모터 및 발전기), 고속스핀들에 적용하기 위한 가스포일베어링, 하이브리드틸팅패드베어링, 오일베어링 및 스퀴즈필름댐퍼, 외부가압공기베어링에 대한 연구를 포괄적으로 진행해 오고 있다.

 3.3. 자동차 분야
  2013년부터 2016년까지 총 $270,000(USD)의 연구비를 지원받아, "Development of Oil-Free Turbochargers: Focus on Rotordynamics and Bearing System Development"¶ó´Â 과제명으로 미국 BorgWarner Turbo Systems와 연구협약을 맺고 무급유 터보차저(Oil-free turbocharger)에 대한 연구를 진행하였다. 이 연구를 통해, 유지보수가 필요없는 포일베어링을 적용한 친환경, 저비용 터보차저의 상용화 기술을 개발하였다. 류근 교수가 설계, 제작한 터보차저는 미국 현지의 NVH 및 Gas Stand 실험실에서 성공적으로 시험, 평가를 마쳤다.

  또한, 연료전지 차량에 적용하기 위한 무급유 터보압축기의 베어링 및 회전체 시스템을 개발하기 위해 2013년부터 2016년까지 한온시스템의 지원을 받아 " °ø기 압축기용 에어 베어링 개발"ÀÌ라는 과제명으로 연구과제를 진행하였다. 2015년에는 현대자동차의 지원을 받아 해석 및 실험적 연구을 통한 터보차저 회전체-베어링 시스템의 동역학적 특성을 기반으로 NVH 특성 및 설계인자를 규명하였다. 그리고, 2017년에는 내연기관의 출력을 향상시키고 연비를 개선하기 위한 전동식 슈퍼차지용 고속모터의 회전체 동역학 해석 및 진동 특성 평가에 대한 연구를 현대모비스와 진행하였다.

 3.4 가전 분야
  최근 가전제품에 적용하기 위해 연구가 활발히 진행되고 있는 초소형 모터 및 고효율 공기베어링으로 지지되는 터보냉동기, 그리고 외부 가압 가스베어링의 성능 및 평가 기술에 대한 연구도 활발하게 진행하고 있다. 특히, 가스베어링의 하중지지력, 강성 및 감쇠계수, 동력손실 등의 주요 성능 지표를 예측할 뿐 아니라 실험적으로 측정하여 평가하는 연구를 중점적으로 수행하고 있다.

4. 보유 장비 및 연구 시설

  본 연구실은 회전체-베어링 시스템의 정적/동적 특성을 연구함과 동시에 각종 베어링의 특성을 규명하는 연구를 꾸준히 진행하면서, 최첨단 회전기계 상태진단장비 및 진동분석장비, 회전체/베어링 해석프로그램, 그리고 다수의 고속회전체 실험장치들을 보유하고 있다.

 4.1 상태진단장비 및 진동분석장비, 회전체/베어링 해석프로그램
  회전체동역학 해석프로그램으로 XLRotor (XLHydroDyn) 와 DyRoBeS, 그리고 Multiphysics Simulation 소프트웨어인 COMSOL을 주로 사용하고 있다. 회전기계 상태진단장비 및 진동분석장비로는 NI LabView (NI9269, NI9220, NI9214)를 비롯하여 IOTech Model 652U 장비와 함께 Ez-TOMAS, Ez-Analyst, 그리고 Agilent 35670A Dynamic Signal Analyzer를 사용하고 있다. 극한 환경에서 작동하는 터보기계의 회전체동역학 및 베어링의 특성을 측정 및 분석하기 위해 다수의 3축 가속도센서, 로드셀, 변위센서, 가진기, 임팩트햄머를 비롯하여 고성능 열화상카메라와 초소형/고정밀 압력센서 등을 보유하고 있다.

 4.2 유체 (가스, 물, 극저온 유체) 저널 및 스러스트 베어링 성능평가 실험장치
  본 연구실에는 고속 터보기계에 적용되는 유체베어링의 정하중 및 동하중 특성을 실험적으로 측정하고 그 성능을 검증할 수 있는 실험장치를 갖추고 있으며, 특히 스러스트 베어링에 정하중 및 동하중을 동시에 적용하면서 진동, 가속도, 회전속도 및 온도를 측정하여 실시간으로 회전축-베어링 시스템의 상태를 진단하는 시스템을 갖추고 있다.

 4.3 터보차저 회전체동역학 및 NVH 실험장치
  차량용 터보차저의 회전체동역학 및 NVH 특성, 그리고 베어링 동력손실 손실을 측정하여 분석할 수 있는 실험장치를 갖추고 있다. 터보차저에 공급되는 오일의 압력과 온도를 각각 최대 5 bar(g)와 섭씨 150도까지 변화시키면서 최대 300 krpm까지 실험이 가능하다.

  본 연구실은 전동식 슈퍼차저의 진동 특성을 실험적으로 규명할 수 있는 측정장비 및 센서, 냉각 장비도 갖추고 있다. 슈퍼차저 하우징 및 회전축에서 발생하는 진동을 측정하기 위하여 3축 가속도 센서 2개를 하우징에, 그리고 변위센서를 압축기 하우징 끝단에 부착하도록 구성되어 있다.

 4.4 초고속 회전체-베어링 시스템 시험평가 장치: 회전체동역학 및 진동 특성 측정
100,000 rpm까지 회전하는 10kW 모터가 적용된 회전체-베어링 시스템 실험장치를 갖추고 있으며, 이는 고속모터에 플렉시블커플링으로 연결된 회전축을 지지하는 저널베어링의 회전체동역학 및 진동 특성 평가에 사용된다. 현재 가스포일베어링과 외부가압 다공성 공기베어링으로 지지되는 회전축의 시험평가를 진행하고 있다.

 4.5 가스베어링 시험 평가 장치: 하중지지력, 부상속도 및 동력손실 측정
가스베어링의 초기구동 및 정지 시 마찰 및 동력손실은 터보기계 회전체 시스템의 내구성을 결정한다. 따라서 가스베어링의 반복적인 시동-정지 작동 시험평가를 통해 베어링에 가해지는 정하중의 크기에 따른 베어링의 하중지지력, 부상특성 및 동력손실, 마찰계수의 크기를 실험적으로 규명할 수 있는 실험장치를 갖추고 있다. 이 실험 장치는 가스포일베어링 뿐 아니라 다양한 가스 (동압 및 정압) 베어링의 성능 평가에도 응용되도록 제작되었다.

 4.6 가스포일베어링 정하중 및 동하중 구조 강성 및 감쇠계수 측정 장치
가스포일베어링의 정하중 및 동하중 구조강성 및 감쇠계수를 측정하는 실험장치를 갖추고 있다. 정하중 실험의 경우, 고정된 축 위에 삽입된 베어링에 정하중을 부가하면서 이에 따른 포일의 변형량을 측정한다. 베어링 하중은 스트레인 게이지 타입의 로드셀을 사용하며, 포일의 변형량은 와전류 타입의 변위 센서로 측정한다. 동하중 실험장치는, 실험 베어링에 동적 하중을 부여하기 위해 가진기를 수직으로 고정한다. 가진기와 마주보는 반대면에 정하중을 부여할 수 있는 핸들이 위치하고 있어, 이를 회전시킴으로서 베어링에 예하중을 부여할 수 있다. 이를 통해 가진주파수와 베어링의 변형량, 그리고 정하중 및 동하중의 다양한 조합 조건에서 가스포일베어링의 구조 강성과 감쇠계수를 측정할 수 있다.

 4.7 와이어 메쉬 댐퍼 (Wire mesh damper) 구조 강성 및 감쇠계수 측정 장치
와이어 메쉬 댐퍼는 윤활유의 공급여부 및 점성에 영향을 받지 않으면서도 회전체-베어링 시스템의 안정성을 향상시키고 베어링의 전달력을 감소시키는 장점이 있다. 와이어 메쉬 댐퍼의 구조 강성과 감쇠를 측정하기 위해, 탄성체에 부가되는 하중과 이에 따른 변형량을 측정할 수 있는 실험장치 또한 구축되어 있다. 감쇠력을 나타내는 지표인 손실계수는 하중과 변위의 이력곡선에서 추정할 수 있으며, 이를 바탕으로 감쇠비 또한 계산할 수 있다.

 4.8 스퀴즈 필름 댐퍼 (Squeeze film damper) 동하중계수 측정 장치
항공기엔진, 터보차저, 터보압축기 등에 적용되는 스퀴즈 필름 댐퍼는 회전축의 불균형 질량으로 인한 회전체 시스템의 응답의 크기를 감소시키고 회전체동역학적 불안정성을 개선하는 장점을 가지고 있다. 본 연구실에는 이러한 스퀴즈 필름 댐퍼의 동하중계수 (강성, 감쇠, 관성 계수)를 ½ÇÇèÀûÀ¸·Î ÃøÁ¤ÇÏ´Â ½ÇÇèÀåÄ¡¸¦ °®Ãß°í ÀÖ´Ù. ½ÇÇè ÀåÄ¡´Â Å©°Ô 90µµ·Î 위치한 2개의 가진기, 스퀴즈 필름 댐퍼 장치, 오일 순환 장치로 구성되어 있다. 90µµ·Î 위치한 가진기를 통해 원형궤도, 타원형 궤도를 구현할 수 있도록 하였다. 더불어 받침대에 고정된 상단 구조물 위에는 90µµ·Î 위치한 가진기와 동일한 방향을 따라 움직일 수 있는 구조물을 설계하여 편심에 따른 스퀴즈 필름 댐퍼의 동적계수 변화를 측정할 수 있다.

 4.9 외부가압공기베어링으로 지지되는 고속 스핀들 실험장치
외부가압 가스베어링으로 지지되는 고속 스핀들 실험장치로서, 저널 및 스러스트 베어링의 위치 및 가압방법, 축과 베어링 간의 간격, 급기구의 구조 및 크기에 따른 베어링 및 회전체 시스템의 성능을 시험평가할 수 있는 실험장치를 갖추고 있다. 특히 본 실험장치는 저널 베어링의 동력손실을 측정하고, 공급압력 및 유량에 따른 스러스트 베어링의 유막두께를 측정할 수 있는 구조를 가지고 있다. 현재 10 bar(g)까지 가압공기를 공급할 수 있는 공기압축기 및 탱크, 밸브, 필터 설비를 비롯하여 정밀 디지털 압력계와 유량계를 갖추고 있다.

5. 맺음말

  한양대학교 터보기계연구실은 친환경친화적이며 고성능, 고효율 터보기계에 적용하기 위한 베어링, 실, 댐퍼 및 회전체 시스템의 동역학적 특성과 설계에 큰 관심을 가지고 국내외 산업체들과 연구개발을 꾸준히 진행해 오고 있다. 극한의 환경에서 작동하는 고성능 터보기계의 ½Å·Ú¼º ¹× ³»±¸¼ºÀ» ºñ·ÔÇÑ µ¿Àû Ư¼º ¿¹Ãø ±â¼ú °³¹ß°ú ½ÇÇèÀ» ¹ÙÅÁÀ¸·Î ÇÑ ½Å·Ú¼º È®º¸, ±×¸®°í °í¼Ó º£¾î¸µ ½Ã½ºÅÛ¿¡ ´ëÇÑ ¼³°è ¹× ¼º´É ÃøÁ¤¿¡ ´ëÇÑ ¿øõ±â¼úÀº ¿ì¸®³ª¶ó ¿ìÁÖ°³¹ß ¹× ¿¡³ÊÁö, Á¦Á¶ »ê¾÷ ¹ßÀü¿¡ Å©°Ô À̹ÙÁöÇÒ °ÍÀ¸·Î ±â´ëµÈ´Ù. ¾ÕÀ¸·Îµµ Áö¼ÓÀûÀ¸·Î ÀÌ¿Í °ü·ÃµÈ ¿¬±¸°³¹ßÀ» À̾°¡"¼¼계적 수준의 연구"¸¦ 뛰어넘어 "¼¼계를 주도하는 연구"¸¦ 진행할 것이다.