국방에 기여하는 국방기술품질원의 이야기
기술로 품질로
신형 이지스 구축함 추진기관,
LM2500 개스터빈 엔진의 KOLAS 시험 수행
글 신뢰성시험분석팀 이가향 연구원
해군의 신형 이지스 구축함 추진기관은 COGLAG를 채택하고 있으며, 주 추진기관으로는 개스터빈 엔진을 사용한다. 해당 엔진은 GE사에서 제작한 LM2500을 탑재하고 있다. 국방기술품질원은 LM2500의 특수 성능을 보증하기 위해 KOLAS 음향·진동 시험을 수행하였다.
KOLAS란?
대한민국의 KOLAS(Korea Laboratory Accreditation Scheme, 한국인정기구)는 국제 표준에 부합하는 시험소 인증 시스템을 운영하는 국가 기관으로, 음향·진동 분야에서도 중요한 역할을 하고 있다. KOLAS 음향·진동 인증은 음향 및 진동 측정의 정확성과 신뢰성을 보장하며, 이를 통해 관련 제품의 성능과 안전성을 객관적으로 평가한다. 특히, 음향·진동 시험은 소음 저감, 기계의 내구성 검증, 진동이 인체 및 기계에 미치는 영향을 분석하는 데 중요한 도구로 사용된다.
KOLAS 음향·진동 시험 및 인증의 목적은 국내·외 표준에 부합하는 신뢰성 있는 시험 결과를 제공하여 국제 무역에서의 기술 장벽을 해소하고, 국내 산업의 경쟁력을 높이는 데 있다. 더 나아가, 제품의 품질 향상과 안전성을 강화하여 소비자 보호 및 방위산업의 지속 가능한 발전에 기여한다.
KOLAS 음향·진동 시험
KOLAS 음향·진동 분야는 소음과 진동에 대한 시험 및 평가를 통해 제품과 시스템의 성능을 검증하고, 이로 인해 발생할 수 있는 문제를 사전에 방지하는 역할을 한다. 음향·진동은 자동차, 항공기, 건축물, 기계 설비 등 다양한 산업 분야에서 필수적인 요소로, 제품의 안정성과 내구성에 중요한 영향을 미친다. 예를 들어, 자동차의 엔진 소음이나 기계 설비의 진동은 제품 성능에 직접적인 영향을 미치며, 이를 적절히 관리하지 않으면 소비자의 불만을 초래하거나 더 나아가 안전 사고로 이어질 수 있다.
KOLAS 음향·진동 인증은 이러한 소음과 진동을 정밀하게 측정하고 분석하여, 제품이 국제 표준을 충족하는지를 평가하는 과정을 거친다. 이를 통해 제품의 품질과 성능을 보증할 뿐만 아니라, 국제적으로 신뢰받는 시험 결과를 제공하여 국내 기업이 글로벌 시장에서 경쟁력을 갖도록 돕는다.
국방기술품질원에서 측정할 수 있는 KOLAS 음향·진동 시험의 규격은 총 9가지로, 다음과 같다.
- MIL-STD-740-1(SH) 1986,
- MIL-STD-740-2(SH) 1986,
- MIL-STD-167-1A(2005),
- MIL-STD-1474E(2015),
- KS I ISO 3744(2015),
- KS I ISO 3746(2010),
- 조함(수)-기-0-002(3),
- 조함(수)-기-1-017(0),
- 조함(수)-기-1-018(0)
LM2500 개스터빈 엔진이란?
개스터빈 엔진은 항공기, 발전소, 함정 등 다양한 분야에서 널리 사용되는 고효율 동력 장치로, 그 중 GE(General Electric)사의 LM2500 개스터빈 엔진은 함정의 추진 시스템에 주로 사용되는 대표적인 엔진이다. LM2500은 항공기용 엔진을 기반으로 개발되어 고성능, 신뢰성, 효율성을 바탕으로 군용 함정의 동력원으로 채택되었다.
LM2500 개스터빈 엔진은 항공기 제트 엔진인 GE CF6(미국 명칭 F103, F138)을 개조한 것이다. 이 엔진은 공기압축기, 연소기, 터빈으로 구성되어 있으며, 공기가 압축기로 유입되어 압축된 후 연소실에서 연료와 혼합되어 고온 고압의 연소 가스를 발생시킨다. 이 연소 가스는 터빈을 회전시켜 기계적 에너지를 생성하고, 이를 통해 함정의 추진 시스템을 구동한다. 이러한 작동 원리는 공기와 연료의 혼합을 통해 연소 가스를 발생시키고, 그 가스의 에너지를 이용해 회전 운동을 만들어내는 점에서 일반적인 엔진과 유사하다. 그러나 LM2500은 경량화와 고출력을 동시에 달성할 수 있어 함정의 동력 장치로 매우 적합하다.
LM2500의 가장 큰 장점 중 하나는 효율성이다. 이 엔진은 다른 추진 시스템에 비해 연료 소비율이 낮고, 높은 출력을 유지할 수 있어 장거리 항해와 군사 작전에 이상적이다. 또한, 가동 신뢰성이 뛰어나고 유지보수가 용이하다는 점도 군용 함정에서 중요한 요소로 작용한다. 특히, 개스터빈 엔진은 빠른 반응성을 제공하여 기동성과 신속한 속도 변화가 요구되는 함정에 최적화되어 있다.
하지만 고성능 개스터빈 엔진은 동작 시 소음과 진동을 발생시킬 수 있는데, 이러한 소음과 진동은 함정 승조원의 피로를 유발하거나 시스템에 손상을 줄 수 있어, 이를 관리하는 것이 매우 중요하다. 소음과 진동을 최소화하기 위한 설계는 LM2500의 핵심 연구 과제 중 하나로, 항공 및 군용 적용에서 요구되는 수준의 정밀한 소음진동 관리 기술이 적용된다.
LM2500 개스터빈 엔진의 KOLAS 음향·진동 공인시험 수행
해군의 신형 이지스 구축함에 탑재될 개스터빈 엔진 LM2500의 특수성능인 음향·진동에 대한 KOLAS 공인시험은 미국 오하이오주 내에 위치한 GE Aerospace 내 잔향실(Reverbernat Room)에서 이뤄졌다.
현장에서 공기소음(Airborne Noise), 구조소음(Structureborne Noise), 진동(Vibration) 시험을 수행하였다. 공기소음 시험은 MIL-STD-740-1(SH):1986 규격에, 구조소음 시험은 MIL-STD-740-2(SH):1986 규격에, 진동 시험은 MIL-STD-167-1A:2005 Type II 규격에 따라 각각 진행되었다. 출력(kW)에 따라 3가지 부하 조건을 나누고, 국방기술품질원에서 보유한 마이크로폰, 3축 가속도계, 고온용 가속도계를 활용하였다.
공기소음은 개스터빈 엔진 시험실의 구조와 엔진의 설치 위치를 고려하여 5개의 고정 마이크로폰(Fixed Microphone)을 설치하여 측정하였다.
구조소음은 개스터빈 엔진의 형상 및 특성을 고려하여 원제작사의 제안에 따라 32개의 Shock Mount 위치를 대표하는 6개의 표준 위치에서 측정하였다.
진동시험은 개스터빈 엔진의 형상 및 구조를 고려하여 베어링 Sump와 가장 근접하게 위치해 있는 Casing에 진동센서를 장착하였으며, 가스발생기(Gas Generator)의 CRF(Compressor Rear Frame) 부분과 동력터빈(Power Turbine)의 TRF(Turbine Rear Frame) 부분에서 측정하였다.
국방기술품질원은 함정 탑재 장비에 대한 KOLAS 음향·진동 시험 인정기관으로서, GE사의 LM2500 개스터빈 엔진에 대한 음향·진동 시험을 주관해 온 국내 유일의 기관이다.
해군 신형 이지스 구축함 탑재용 LM2500 개스터빈 엔진 시험은 국내 엔진 부하 장치(Dynamo) 제조사가 없어 현지 시험으로 진행되었다. KOLAS 음향·진동 공인시험을 통해 획득한 인증 데이터를 바탕으로 LM2500 개스터빈과 관련된 기술정보 및 연구자료를 확보할 수 있었으며, 향후 항공기 제트 엔진 시험에도 해당 데이터를 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 나아가, 모든 무기체계를 대상으로 한 특수성능(소음·진동) 신뢰성 분석에도 활용할 수 있을 것이다.