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▶ 본 발명은 가스터빈 베인/블레이드 충돌/유출 냉각에 가속 유로를 적용하여 냉각 성능을 향상시키고자 한다. ▶ 기존 충돌/유출 냉각은 벽면 제트 영역(Wall jet region)에서 불균일한 열전달 성능을 가지고 이러한 불균일한 열 분포는 소재에 큰 부하를 준다. ▶ 따라서 본 발명은 가속 유로를 활용하여 유동 출구 영역 속도를 강화하여 고른 냉각 성능을 유도하고자 한다. ▶ 본 발명은 가속 유로 벽면의 두께, 길이, 끝단 부 형상 등에 대해 제안할 수 있다.

본 발명은 터빈 블레이드 및 베인에 적층 제조 기반의 분기형 구조의 천공이 적용된 분리벽을 가지는 serpentine 내부유로를 적용하여 냉각 성능을 향상시키고자 한다. 기존 serpentine 유로는 분리벽 끝단에서 유동 박리에 의한 재순환 유동이 발생하여, 압력 강하를 증가시키며 낮은 대류 열전달 계수를 가지는 영역이 나타나는 한계점을 지니고 있다. 본 발명은 운동량이 낮은 재순환 유동 영역에 천공된 분리벽을 적용하여, 상대적으로 높은 운동량을 가지는 유체를 직접 주입함으로써 동일 레이놀즈 수에서 향상된 열 성능을 확보한다. 천공된 분리벽을 관통하여 나가는 유동이 가열면에 직접적으로 부딪히도록 유도하여 재순환 유동을 효과적으로 차단하고, 강한 열전달 계수를 얻을 수 있다. 다양한 설계 변수의 최적화를 통해 냉각 성능 향상을 도모할 수 있다.

▶ 본 발명은 터빈 블레이드 및 베인에 적층제조 기반의 나선형 분기 유로를 적용하여 내부 냉각 성능을 혁신적으로 향상시키고자 한다 ▶ 기존 요철 냉각 방식은 전열면적 확장성이 낮아 고부하 환경 대응에 한계가 있으나, 본 발명은 유로를 다단계로 분기시켜 전열면적을 극대화하고 열교환량을 향상시킨다 ▶ 직선형 유로 대신 나선형 코일 구조를 채택하여 유동의 난류화를 촉진함으로써, 동일 유량 조건에서 원통형 유로 대비 월등히 높은 열전달 계수를 확보한다 ▶ 유로 분기 시 입구와 출구 측의 총 유동 단면적을 일정하게 유지하도록 설계하여, 복잡 구조임에도 불구하고 급격한 압력 손실 없이 높은 냉각 효율을 달성한다. ▶ 적층제조 공법을 활용하여 기존 주조 및 방전가공으로 구현 불가능했던 복잡 형상을 제작하며, 설계 요구도에 따라 분기 횟수, 회전 피치(Pitch), 회전 반경 및 유로 단면 형상에 대한 최적 범위를 제안할 수 있다.

최근 국내외 도시 환경은 급격한 산업화와 도시화로 인해 구조물의 고층화 및 대형화가 가속화되고 있다. 특히 대한민국의 경우, 수도권을 중심으로 주거 및 상업 기능을 복합화한 초고층 건축물들이 지속적으로 건설되고 있으며, 그에 따른 구조물의 진동 응답 특성과 동적 안정성 확보 문제가 부상하고 있다. 고층 구조물은 구조물의 질량 중심이 상승하고 세장비가 증가함에 따라 지진, 풍하중 등 수평 외력에 대해 더욱 민감한 거동을 보이며, 이에 대한 효과적인 감쇠 장치의 도입이 필수적으로 요구된다. 건설 구조물들은 단순하게 고층화에 따른 구조적 외력을 견디는 역할뿐만 아니라, 거주자의 사용성, 설비 기기의 안정성, 기능적 지속성까지 고려되어야 하는 다기능 복합 구조물로 발전하고 있다. 이에 따라 구조 시스템은 단순히 하중 저항 능력뿐 아니라, 구조물의 사용 및 외력에 의한 반복 하중 내구성과 응답 제어 기능까지 갖추어야 하며, 기존의 단순 강성 기반 설계 방식은 그 한계에 봉착하고 있다. 따라서 사용자의 요구에 맞는 성능 기반 설계와 진동 제어 기술의 고도화가 필수적인 흐름이며, 이에 따라 능동적이거나 반능동적인 감쇠장치의 필요성이 늘어나고 있다. 본 발명에서 제안하는 내진 설계 구조는 아치형태의 골조와 폴리우레탄 압축재가 결합된 구조이다. 해당 구조의 아치형태의 골조는 수평저항시 변형하고, 중앙부의 폴리우레탄 압축재는 압축 거동하며 구조물에 복합적인 에너지 소산을 제공한다.

본 발명은 기존의 FRP(Fiber Reinforced Polymer) 패스너와 강재 패스너가 가진 구조적 한계를 동시에 극복하고자 개발된 복합재 패스너 보강 기술이다. 기존 FRP 패스너는 금속 대비 낮은 탄성계수, 취성 파괴 특성, 열팽창 계수 차이에 따른 체결부 변형 및 성능저하 문제가 존재하 며, 강재 패스너는 높은 강도와 인성은 확보할 수 있으나 열팽창 변형, 부식, 반복충격에 취약한 구조적 단점이 있다. 이러한 단점을 고려하여, 두 재료 기반 패스너 모두 열적·기계적 환경 변화에 따른 체결력 유지와 장기 내구성 측면에서 뚜렷한 한계를 보이고 있음을 알수있다. 본 발명에서는 이러한 한계점을 해결하기 위해 폴리케톤 (PKT)의 고 내충격성, 피로저항성, 우수한 에너지 흡수능력을 활용하여 패스너 심부재로 활용하고, 해당 심부재 표면에 MWCNTs 기반 Sol-Gel 고분자 코팅층을 형성함으로써 기계적 강도와 패스너의 외부재(금속, 기타 복합재)와의 계면 결합력을 강화 시키고자 하였다.

최근 태풍, 지진 등의 자연재해의 강도가 증가함에 따라, 현대의 구조물들은 여러 방향의 하중에 대한 복합적인 저항 성능을 필요로 한다. 기존의 강관은 압축부에 국부좌굴이 쉽게 일어나고, 강성이 작아 거더로 서용시 기둥과 기둥사이의 거리가 멀어질 경우 처짐이 일어날 가능성이 커지게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 콘크리트 충전 강관 거더(CFT) 방식을 사용할 경우 콘크리트의 무게로 인해 큰 자중이 발생할 뿐더러, 콘크리트 운반, 설치과정에서 시공성이 떨어지는 문제를 야기 한다. 본 발명은 강관의 복합적인 하중 저항 성능을 개선하고, 앞서 언급한 기존 강관의 단점을 보완하기 위해서 원형 단면의 강관에 사다리꼴 나사 톱니모양으로 구멍을 뚫은 모양의 단면을 가진 강관을 제안한다. 강관 내부의 사다리꼴모양으로 형성된 요철은 기본적으로 단면이 증가하여 단면력이 증가하고 이로 인해 기둥으로 사용 될 때는 우수한 압축강도를, 거더로 사용될 때는 우수한 휨강도를 얻을 수 있다. 또한 단면적의 증가는 거더로 사용될 때의 처짐량도 감소시킨다. 내부 요철은 강관 벽을 안쪽에서 잡아주는 리브 역할을 하여 국부좌굴에 대한 저항 성능을 증가 시킬 수 있다. 또한 내부 요철은 강관의 내부 표면적을 증가 시켜 두가지 장점을 기대해 볼 수 있다. 첫번째는 콘크리트를 내부에 채울 시 콘크리트-강관의 부착력 증가의 효과를 기대할 수 있다. 두번째는 증가한 내부표면적은 강관의 열전달 효율을 증가시켜 내화성능의 증가효과를 기대 할 수 있다.

2010년대 후반부터 발생한 경주(2016), 포항(2017) 지진 이후 대한민국도 더 이상 지진 안전지대가 아니라는 인식이 확산되었다. 특히, 대도시와 노후 건축물이 밀집된 지역에서 지진 발생 시 구조물의 손상과 인명 피해는 매우 치명적일 수 있으며, 이에 따른 복구 비용과 사회적 혼란도 막대하다. 기존의 내진설계 방식은 구조 부재 자체에 소성변형을 허용함으로써 지진 에너지를 흡수하는 방식이었으나, 이 방식은 구조물에 일정 수준의 손상을 전제로 하므로 반복 사용성과 복구 가능성 측면에서 한계가 있다. 최근에는 구조물이 지진 이후에도 본래 위치로 복원될 수 있도록 하는 "자복원형(self-centering) 감쇠장치"에 대한 관심이 증가하고 있으며, 이와 관련해 형상기억합금(Shape Memory Alloy, SMA)을 활용한 감쇠장치가 주목받고 있다. SMA는 높은 연성과 자복원능, 반복 내하성 등을 가지며, 특히 니켈-티타늄(NiTi) 합금은 실온에서도 초탄성을 발현하여 반복적 지진 하중에 대해 에너지를 흡수하고 원형으로 복원되는 특성이 뛰어나다. 기존 SMA 기반 댐퍼는 재중심화 능력은 우수하나 에너지 소산능력이 낮다는 단점이 있었고, 이를 보완하기 위해 다양한 복합형 댐퍼 연구가 이루어지고 있다. 본 발명은 구조물의 내진 성능을 향상시키기 위한 형상기억합금 기반 부분 교체형 감쇠장치를 제안한다. 본 장치는 손상된 부재만을 모듈화하여 교체할 수 있어 유지보수의 효율성을 확보하며, SMA의 자복원 능력을 통해 구조물의 잔류 변형을 최소화할 수 있다.

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