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3D 프린팅을 활용한 가스터빈 냉각 기술 혁신

요약 가스터빈의 효율과 성능을 향상시키기 위해 다공성 냉각 구조물과 3D 프린팅 기술을 결합한 새로운 접근 방식이 제안되었습니다. 이 기술은 고온 환경에서 터빈 부품의 내구성을 강화하고, 냉각 효율을 높여 전체 장치의 성능을 개선하는 것을 목표로 합니다. 복잡한 형태의 냉각 구조물을 정밀하게 제작할 수 있는 3D 프린팅 기술을 활용함으로써, 맞춤형 냉각 솔루션을 제공할 수 있게 되었습니다. 이로 인해 항공우주, 발전, 자동차, 선박 등 다양한 산업 분야에서의 응용 가능성이 확대되며, 성능 개선 및 비용 절감 효과가 기대됩니다.

기본 정보

특허명: 다공성 냉각 구조물을 포함하는 터빈 장치 및 이를 위한 다공성 냉각 구조물의 설치 영역 설정 방법
대표 발명자: 방민호 교수
출원번호: 10-2023-0175257

발명의 배경 및 필요성

가스터빈 기술의 진화

가스터빈은 20세기 초반부터 항공기, 발전소, 해양 추진 시스템 등에서 중요한 역할을 담당해왔으며, 기술 발전으로 최대 작동 온도가 상승하고 효율이 향상되었음
이로 인해 내구성과 냉각 기술에 대한 요구가 증가하였고, 터빈 블레이드와 베인은 고온 환경에서 작동하면서 고온 가스의 영향으로 재료의 피로도가 증가하고 수명이 단축되는 문제에 직면함
니켈 기반 초합금, 필름 냉각, 증기 냉각, 내부 냉각 통로 등 다양한 고온 재료와 냉각 기술이 개발되어 가스터빈 부품의 성능 유지에 기여함
가스터빈의 효율과 성능을 더욱 향상시키기 위해서는 기존의 냉각 기술과 재료 과학을 넘어서는 새로운 접근 방식이 필요함

구현방법

기술의 원리 및 구현

터빈 장치의 특정 부위에 맞춤형으로 설계된 다공성 냉각 구조물을 설치하여 열을 효율적으로 흡수하고, 많은 작은 구멍들을 통해 냉각 유체가 더 많은 표면적과 접촉하게 하여 열 전달을 증진시킴
금속 적층 제조(3D 프린팅) 방식을 이용해 고온에 강한 소재로 복잡한 형태의 냉각 구조물을 정밀하게 제작할 수 있음
나프탈렌 승화법을 사용하여 냉각할 부품의 열 전달 특성을 연구하고, 어느 부분이 더 많은 냉각을 필요로 하는지 파악한 후, 얻어진 데이터를 바탕으로 터빈 장치의 특정 부분에서 열이 얼마나 효과적으로 전달되는지 분석하여 다공성 냉각 구조물을 설계함

기술의 장점

다공성 냉각 구조물을 사용함으로써, 냉각 유체가 더 많은 표면적과 접촉하여 열을 효율적으로 흡수할 수 있게 됨
3D 프린팅 기술을 활용하여 복잡한 형태의 냉각 구조물을 정밀하게 제작할 수 있어, 맞춤형 냉각 솔루션을 제공할 수 있음
고온 환경에서도 터빈 장치의 냉각 효율을 크게 향상시킬 수 있음

활용 방안 및 기대효과

적용 분야

이 발명은 항공기 엔진 터빈, 발전소, 자동차, 선박 등 다양한 열기관에 적용이 가능하며, 고온 환경에서 작동하는 모든 터빈 장치의 부품 내구성 및 효율성을 향상시킬 수 있음.
냉각 효율의 향상은 터빈 부품의 경량화 및 복잡한 냉각 구조의 용이한 제작을 가능하게 하여 제조 과정의 유연성을 증가시킴.

기대 효과

터빈 부품의 냉각 효율 향상으로 고온 환경에서도 부품의 안정적인 작동 및 성능 유지가 가능해짐.
부품 경량화를 통해 전체 터빈 장치의 효율성 증가 및 에너지 소비 감소가 기대됨.
다공블록을 포함한 냉각 구조의 도입으로 열로 인한 손상 감소 및 장치의 내구성 향상에 기여함.
이 기술의 적용으로 터빈 장치의 설계 및 제조 과정에서 새로운 가능성이 열리며, 항공, 발전, 자동차, 선박 등 다양한 산업 분야에서의 응용으로 성능 개선 및 비용 절감 효과가 기대됨.

시장 동향

3D 프린팅 시장 동향

기술 SWOT 분석

Strengths

효율적인 열 흡수 및 전달

다공성 냉각 구조물을 통해 냉각 유체가 더 많은 표면적과 접촉하여 열을 효율적으로 흡수하고 전달합니다.

3D 프린팅 기술 활용

금속 적층 제조(3D 프린팅) 방식을 이용해 복잡한 형태의 냉각 구조물을 정밀하게 제작할 수 있습니다.

고온 환경에서의 성능 유지

고온 환경에서도 터빈 장치의 냉각 효율을 크게 향상시킬 수 있습니다.

Weaknesses

제작 비용 증가

3D 프린팅과 같은 고급 제조 기술을 사용함으로써 초기 제작 비용이 증가할 수 있습니다.

기술적 복잡성

다공성 냉각 구조물의 설계와 제작 과정이 기술적으로 복잡하여 전문 지식이 요구됩니다.

Opportunities

산업 분야의 확장

항공기 엔진 터빈, 발전소, 자동차, 선박 등 다양한 열기관에 적용 가능하여 새로운 시장을 개척할 수 있습니다.

에너지 효율성 증가

터빈 부품의 냉각 효율 향상으로 에너지 소비 감소 및 전체 장치의 효율성 증가가 기대됩니다.

Threats

기존 기술과의 경쟁

기존의 냉각 기술과 재료 과학에 기반한 솔루션과의 경쟁에서 차별화를 확보해야 합니다.

기술적 변화에 대한 적응

신속한 기술 발전 속에서 지속적인 연구 개발과 업데이트가 필요하여 지속적인 투자가 요구됩니다.

Summary

Strengths

다공성 냉각 구조물과 3D 프린팅 기술을 활용하여 고온 환경에서의 냉각 효율과 터빈 장치의 성능 유지가 가능합니다.

Weaknesses

제작 비용 증가와 기술적 복잡성으로 인해 초기 도입이 어려울 수 있습니다.

Opportunities

다양한 산업 분야로의 확장과 에너지 효율성 증가로 새로운 시장 개척이 가능합니다.

Threats

기존 기술과의 경쟁과 지속적인 기술적 변화에 대한 적응이 필요합니다.

대표도면

기술이전 담당자 연락처

담당자명: 이미정 계장
부서: 기술사업화팀
전화번호: 032-835-9766
이메일: mijung@inu.ac.kr
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