한국기계연구원 가상공학연구센터는 음향, 진동충격, 회전기계를 연구하는 3개 팀으로 구성돼 있다. 가상공학연구센터는 해군함선, 풍력발전기, 가스터빈, 발전용 대형 회전축계 등 다양한 산업요소의 기계시스템 특성을 해석하고 설계 및 제어와 관련된 연구개발을 수행하고 있다.  

최근에는 기존에 가지고 있던 전통적인 역학분야에서의 강점과 AI, Big data, 디지털화의 융합을 토대로 해 K-Machine을 선도하고자 혁신을 거듭하고 있다. 허균철 기계연구원 가상공학연구센터 박사를 만나 초저온 냉열설비 R&D 성공 경쟁력 등을 들어봤다.

■ 이번 과제 참여 배경은
특히 이번 과제는 자연냉매인 공기를 이용해 -100℃를 구현하는 아주 도전적인 과제다. 여기서 사용되는 핵심 요소기기 컴팬더는 수만rpm으로 회전하는 초고속 회전체다. 연구팀이 가지고 있는 회전기계 전문성과 진동상태감시기술이 이번 과제에 성공적으로 적용함으로써 우리가 나아가야 할 친환경 기계시스템 개발에 도움이 되고자 참여하게 됐다.

■ 그동안 집중해 온 연구분야는 
이번 과제의 실무를 담당할 가상공학연구센터 회전기계연구팀은 1993년 발족돼 회전기계를 주제로 관련된 연구를 수행해오고 있다. 다양한 용도와 크기의 축계에 대한 회전체동역학 해석과 실험을 수행했으며 축계의 기본요소인 베어링 설계는 물론 최근에는 수소전기차용 고속터보압축기 개발, 소형위성 발사체 상단 하이브리드엔진용 전기펌프 개발 등 회전기계 개발과 관련된 연구에 집중하고 있다. 

가상공학연구센터 회전기계연구팀은 대표기술인 회전기계 건전성 확보를 위한 고속밸런싱 기술을 보유하고 있으며 이를 활용해 2004년 이후 다수의 국내 정유사 로터 불균형 문제해결에 기여하고 있다. 연구팀이 보유하고 있는 회전체 진동해석, 실험평가, 설계기술과 이곳을 거쳐간 30여년 동안 회전체 문제들로부터 얻은 경험, 그리고 대를 이어 전수된 회전체 진동에 대한 통찰이 이번 연구팀의 경쟁력이다. 

■ 과제에서의 역할은
핵심 요소기기인 컴팬더는 압축기와 팽창기가 하나의 회전축 양단에 설치되는 복잡한 구조이며 수만rpm으로 회전해야하는 초고속회전체다. 냉열사이클 연구를 위해 컴팬더를 운용하는 과정에서 작동유체와 연관돼 발생하는 횡진동과 종진동 상태는 안전과 직결되는 매우 중요한 요소로 진동의 상태감시가 매우 중요하다. 

회전기계 전반, 기계시스템 상태감시 및 고장진단에 근간을 두고 있는 연구팀은 핵심요소인 컴팬더의 진동 기반 상태감시를 통해 안정적인 구동을 가능케 하는 것이 주요 역할이다. 또한 컴팬더 내에서 발생가능한 이상현상을 데이터화하고 이를 토대로 이상감지를 위한 알고리즘을 개발해 컴팬더 상태감시시스템에 탑재하고자 한다. 제품 상용화를 위해 필수적인 구조적 안정성 확보 및 검증을 목표로 연구를 수행할 예정이다.

■ 연차별 R&D 방향은
1, 2차연도는 컴팬더 진동상태 감시를 위한 하드웨어 구축과 소프트웨어 개발에 주력할 예정이다.  자체 상태감시 및 진동분석 소프트웨어를 개발해 이전하는 등의 경험이 풍부하므로 이를 토대로 비싼 유지보수비용이 필요없는 컴팬더 맞춤형 상태감시 소프트웨어를 자체 개발하고자 한다. 또한 회전축계의 구조적 안정성 확보를 위해 컴팬더 설계단계부터 참여기관들과 협업할 예정이다. 3차연도부터는 압축기, 팽창기, 컴팬더와 같은 회전기계를 대상으로 운전 중 진동상태감시를 본격적으로 수행한다. 이와 함께 스톨이나 써지 같은 이상신호를 확보해 이상감지 알고리즘 개발을 착수하고 마지막 4차연도에는 개발한 알고리즘을 상태감시시스템에 탑재해 감시 성능을 평가할 예정이다. 

특히 3차연도 이후에 확보한 컴팬더 진동데이터를 데이터베이스화해 최종 제품화 단계에서 활용할 수 있도록 준비할 예정이다.

■ 기대효과는
High GWP냉매 탈피는 이제 거부할 수 없는 시대적 흐름으로 이번 산·학·연은 하나로 뭉쳐 하루빨리 대응가능한 기술을 개발해야 한다. 이번 과제가 성공적으로 수행된다면 지구온난화 문제 해결을 위한 초석으로 작용할 수 있을 것이다. 특히 기계연 연구팀이 수행예정인 고속 회전축의 불안정상태 거동 정밀 측정과 이를 토대로 개발한 이상감지 알고리즘은 다수의 유체기계에도 응용이 가능해 유사 회전기계의 안정성 향상에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대하고 있다.