터빈 구동을 위한 가스발생기 개발 및 평가

Abstract

과산화수소를 이용하여 동력을 발생시키는 것에 대한 가능성 및 기초 연구를 수행하였다. 친환경 추진제인 과산화수소는 1930년대 독일의 잠수함 동력 발생 장치에 사용되었던 것이 그 시작이다. 이산화망간 촉매에 분사된 과산화수소는 고온 고압의 수증기와 산소로 분해되고, 생성물인 산소에 디젤유를 분사하여 연소를 시키고 이 과정에서 나오는 에너지를 이용해 터빈을 구동하였다. 그러나 하이드라진이라는 고성능의 화합물이 만들어지면서부터 과산화수소를 대신하는 단일추진제로서 자리매김을 하였으나, 최근 환경보호와 사용자의 안전을 우선적으로 생각하는 분위기가 조성됨에 따라 맹독성, 발암성 물질인 하이드라진을 대신하여 과산화수소가 다시 각광받고 있다. 이 연구에서는 과산화수소를 과망간산나트륨을 전구체로하는 이산화망간을 활성물질로 하여 촉매분해를 유도하고 이 과정에서 발생된 산소와 수증기를 이용해 차량용 터보차저를 구동하고, 터빈의 입출구에서 측정된 데이터를 통해 터빈에서 발생한 에너지를 계산해 보았다. 촉매의지지체는 기계적 성질이 우수하고 물리화학적으로 안정하며 다공성 물질인 감마-알루미나를 사용하였고, 담지법을 이용해 촉매를 제작하였다. 완성된 촉매는 일정량의 과산화수소에 떨어뜨려 시간당 발생하는 산소의 양으로 성능을 검증 하였다. 터빈 구동을 위해 차량용 터보차저를 이용하였으며 제작사인 하니웰에서 제공하는 터빈맵을 작동유체에 맞게 변환하여 90% 농도의 과산화수소 분해 가스를 이용하는 터빈맵을 얻었다. 터빈맵에서 작동점을 선정하고 유량에 맞는 가스발생기를 설계 및 제작하여 실험에 사용하였다. 실험결과 터빈맵과 거의 상응하는 결과를 얻을 수 있었고, 유량 63.3, 87.5 g/sec에서 약 12, 20 마력이 발생하였음을 계산을 통해 확인 할 수 있었다. 이로서 과산화수소를 이용한 동력 발생장치의 가능성을 확인해 보았고, 이는 터빈 구동을 이용한 발전기 모듈, 항공기의 비상동력장치, 로켓의 터보펌프등에 적용이 가능할 것으로 기대된다.