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풍력발전기용 드라이브 트레인 소재기술(1)-제2장 풍력발전용 소재기술-신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2016(20)
재료연구소가 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 8번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘기후변화대응 소재’다. 태양전지, 풍력발전, 연료전지, 에너지효율화 및 경량화, 수소생산 및 이산화탄소 전환, 공기정화 및 수처리 등으로 나눠 각 분야별로 가치 있고 다양한 정보를 담았다. 이에 본지는 재료연구소와 공동기획으로 ‘소재기술백서 2016’을 연재한다.

드라이브 트레인, 친환경 부품 제조 관건



■ 기술의 정의 및 분류

기계공학에서 드라이브 트레인(drivetrain)은 기어박스, 디퍼런셜, 축 등의 동력전달기구를 통틀어서 말한다. 풍력발전기(풍력터빈)의 드라이브 트레인은 다음의 그림에서 보는 바와 같이 블레이드에서 저속축, 기어박스(gearbox), 고속축, 커플링(coupling), 발전기(generator)에 이르는 일련의 동력전달기구라 말할 수 있다. 이에 더하여 블레이드의 고정 장치인 허브(hub) 및 베어링(bearing), 타워의 베어링 및 드라이브, 베드 플레이트(bed plate), 타워 등에 고강도 및 고강성 금속소재가 사용되므로 본 절에서는 이 부품들의 소재기술에 대하여 다룬다.

대형풍력터빈의 경우 다음의 표와 같이 무게비로 나타낼 수 있는데 본 절에서 관심이 있는 재료인 철강은 89.1%, 비철금속은 2.4%로 총 90%를 상회하는 중요한 재료이다. 이 표에는 나타나 있지 않지만, 드라이브 트레인 부품이 완성되기 위해서는 주재료인 철강 이외에 영구자석, 고무, 세라믹, 테플론 등과 같이 산업용 소재도 필수적으로 포함되어야 한다.

이처럼 풍력터빈용 금속소재 기술은 뿌리산업에 근간을 둔 기술이다. 금속소재는 구성 원재료와 공정을 함께 고려하는 것이 소재를 정확하게 다루는 것이다. 따라서 금속소재를 활용한 최종제품의 제조를 위한 공정은 주조공정, 단조공정, 기계가공공정 등으로 크게 분류하게 된다. 크게 분류된 공정도 세부적으로 많은 세부기술이 개발되고 활용되어 왔다. 다음절의 기술의 원리에 관해서는 앞의 2.2절에서 풍력터빈을 이루는 소재 및 공정 측면에서 비교적 자세하게 다루었기 때문에 중복을 피할 수 없겠지만 부품별로 구성재료 및 그에 소요되는 공정기술에 한하여 서술하였다. 연구개발 동향은 세부부품별로 소재 및 공정기술에 대하여 언급하였다.

■ 기술의 원리

1) 사형 주조공정

주조공정은 특수용해주조, 사형주조, 정밀주조, 단결정 주조로 크게 분류된다. 풍력터빈용 주조부품은 주로 대형부품으로 허브, 베드 플레이트, 증속기 하우징 및 토크 암(torque arm), 주축, 피치(pitch)/요 드라이브(yaw drive) 하우징 등이 이에 해당하며, 풍력터빈용 부품은 대개 사형주조공정으로 제조된다. 사형주조는 원하는 모양의 제품을 얻기 위해 모래(또는 주물사)를 사용하여 만든 소정의 공간(주형공간)에 용융금속(또는 용탕)을 주입한 후 응고시켜 원하는 모양의 제품을 얻는 방법이다. 일반적으로 금속소재는 변형저항이 커서 원하는 모양으로 제작하기가 쉽지 않다. 사형주조공정은 주조방안 수립, 조형, 용해, 주입 및 후처리 순으로 진행되며 일반적인 주조품 생산공정은 다음의 그림과 같다.

2) 단조공정

단조기술은 여러 가지 금형 및 공구로 소재에 압축하중을 가하여 성형하는 공정으로, 각종 금속소재를 다양한 크기와 형상을 가진 제품으로 성형하는데 사용된다. 간단한 단조공정은 전통적으로 대장간에서 작업한 것과 같이 무거운 손 해머와 모루(엔빌, anvil)를 사용하지만 현대화된 단조공정은 금형셋, 프레스나 기계해머 등 관련 설비를 사용하여 동일형상의 제품을 대량생산한다. 단조기술 분류는 다음의 표에 나타내었다. 풍력터빈에 사용되는 단조부품은 축, 기어, 베어링 등의 제품으로 자유단조(open-die forging)-열간단조(hot forging)-링롤링(ring rolling)의 범주에 해당한다.


중공업 기반 대규모 연구개발·투자 요구

풍력에너지 확대에 향후 시장 전망 밝아



3) 정밀가공공정

풍력터빈의 드라이브 트레인의 구성부품은 주로 단조소재의 기계적 가공을 통하여 최종 제품으로 탄생하게 되는데 주로 형상은 대형 로드 형상(rod shape) 혹은 링 형상(ring shape)의 구조물이다. 이에 더하여 링 형상의 가공이 끝나면 내외치형의 기어가공이 추가된다. 다음의 그림은 단조소재가 가공공정을 위하여 머신 숍(machine shop)에 입고된 후에 거치는 간단한 흐름도이다.

단조공정으로부터 제공된 링소재(ring type materials)는 황삭(rough machining)을 거치고 절단공정(band saw, vertical or horizontal cutting)을 거친 후에 CNC Machine Center와 같은 가공기계를 활용한 정밀가공 후에 드릴링공정으로 플랜지를 완성한다. 기어링과 베어링의 경우 드릴링공정 대신에 CNC에 기반을 둔 호빙머신(hobbing machine), 밀링기(milling machine), 셰이퍼(gear shaper machine), 슬로터(slotting machine) 등으로 기어를 가공한다. 특히 가공속도 및 정밀도등 을 고려할 때 호빙머신을 많이 활용하고, 기어의 강도 강화를 위하여 다음의 그림과 같이 고주파 열처리(induction hardening treatment)를 거친다.

■ 기후변화대응을 위한 기술의 중요성 및 전망

1997년에는 제3차 유엔기후변화협약(UNFCCC) 당사국총회(COP3)가 일본 교토에서 개최되어, 국가들의 온실가스 배출 의무 감축량과 교토 메커니즘을 규정한 유명한 교토의정서(Kyoto Protocol)를 채택하였다. 다음 단계로 2015년 파리기후협약에서는 더 강화된 온실가스 배출을 제한하는 협약을 체결하여 향후 각국은 온실가스 감축에 강력한 의무를 지게 되었다.

신재생에너지는 전통적인 화석 에너지와 비교하여 생산단가가 높긴 하지만 이외에도 사회적, 환경적인 문제와 크게 연계되어 있다. 화석연료를 사용함으로써 발생하는 온실가스(GHG, greenhouse gas) 문제와 화석연료의 점진적 고갈에서 오는 대체에너지원의 개발 필요성, 원자력발전의 안전성 등과 결부되어 신재생에너지의 필요성은 강조되어 왔다. 국제적인 관심과 화석연료 사용 절감에 대한 의무 부과 등으로 청정에너지원으로써 신재생에너지를 적극적으로 도입하고 있다. 따라서 신재생에너지의 개발은 선택의 문제가 아니고 의무가 되어 더 이상 피할 수 없게 되었다.

많은 신재생에너지원 중에서 풍력발전은 기술적으로 성숙단계에 있어 가장 경제성이 우수한 에너지원으로 간주되고 있다. 특히 풍력에너지를 얻기 위한 설비는 대규모의 연구개발과 투자를 요구하고, 중공업에 기반을 둔 산업이 필요하다. 대규모 고용과 투자가 연계되는 성장 동력과 결부시키고자 하는 국가의 이해와 맞아 세계적으로 중공업이 발달하거나 풍력에너지 자원을 가진 국가에서는 풍력산업을 부양하기 위하여 노력하고 있다.

드라이브 트레인 부품은 비록 전통적인 기반산업으로 여겨지나, 온실가스 감축을 위한 풍력에너지의 역할을 생각할 때 매우 중요하다고 볼 수 있다. 한편으로는 청정에너지를 얻기 위해 많은 에너지를 사용하여 제조한다는 측면에서 이율배반적인 산업이라 할 수 있으나, 이는 더욱 많은 청정에너지를 확보하기 위해 불가피한 측면이다. 드라이브 트레인 부품 및 소재기술은 풍력터빈 제조를 위해 필수적으로 발전해야 되는 분야이며, 중공업 뿌리산업 중 하나이다. 다만 얼마나 친환경적으로 부품 제조기술을 개발하느냐 하는 것이 관건이다. 드라이브 트레인 부품은 온실가스 감축을 위한 풍력에너지의 역할을 고려할 때 그 중요성은 무시할 수 없으며, 이러한 측면에서 향후 전망도 밝다고 볼 수 있다.
<그림 3-2-4-1>덴마크식 기본형 풍력터빈 구성
<표 3-2-4-1>1.5MW급 풍력터빈용 원소재의 무게 구성비
<그림 3-2-4-2>주조제품 제조공정
<표 3-2-4-2>단조공정의 분류
<그림 3-2-4-3>플랜지(Flange) 제조공정
<그림 3-2-4-4>기어의 고주파 열처리(induction hardening treatment) 공정

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