한국원자력연구원(원장 김종경) 중성자과학연구부 심철무 박사팀과 공군 항공기술연구소 황영하 박사팀은 항공기 제트엔진 내 터빈 날개 냉각홀(cooling channel, 직경 0.38 mm) 내부에 존재하는 수십 마이크로(㎛) 단위의 미세 결함을 탐지하는 가돌리늄(Gd) 표시-중성자 토모그라피(Gadolinium tagging neutron tomography) 방법을 개발했다. 이 결과는 미국 비파괴 전문 학술지인 ‘Journal of Nondestructive Evaluation’ 온라인 판에 5월 16일 발표됐다.
한국원자력연구원과 공군 항공기술연구소는 항공기 엔진 주요부품인 터빈 날개 손상으로 인한 추락사고가 국내외에서 자주 발생함에 따라 근본원인을 규명하고 해결키 위해 2006년 기술교류 합의를 체결하고 공동연구를 진행해왔다.
국내외 항공기 제트엔진은 ‘정비기술지침서’에 따라 4300회 이상 비행한 경우 터빈 날개에 대해 와전류, 초음파, X선 등의 검사를 거쳐 결함이 발견되지 않으면 합격처리 돼 비행에 계속 사용하고 있다. 이번 연구는 기술지침서 기준에 따라 합격 처리된 270개 터빈 날개에 대해 Gd 표시-중성자토모그라피 방법을 적용해 진행됐다.
와전류 및 X-ray 검사를 통과한 2단계 72개의 터빈 날개 가운데 10개(13.8%)에서 냉각홀 내부에 집단적으로 10㎛ 크기의 결함 및 이물질 등이 발견됐으며, 결함의 종류를 분석하기 위해 터빈 날개를 절단해 확인한 결과 냉각홀 내부 결함 표면에 산소가 30%이상 존재하는 것을 확인, 열부식(hot corrosion)에 의한 결함으로 평가됐다.
항공기 부품의 열부식은 탐지 기술의 한계 때문에 표면에만 발생되는 것으로 보고되고 있는 실정이다. 그러나 이번 연구를 통해 Gd 표시-중성자 토모그라피 방법으로 사용중(in-service) 터빈 날개 중 13%가 냉각홀 내부에 열부식 결함이 존재하는 것으로 확인된 만큼 항공기 비파괴검사에 신뢰성을 높여 부식 결함으로 인한 항공기 추락사고를 상당히 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있다.
한국원자력연구원에 따르면 연구용 원자로 하나로(HANARO)의 중성자 영상장치에서 수행한 1차 결과에 대해 미국 Aerotest-Operation사와 미국 캘리포니아주립대학 데이비스 분교 맥클레란핵연구센터(UC-DAVIS MNRC)에서 각각 2차례 재실험을 거쳐 연구 결과를 검증하는 한편 영국 롤스로이스(Rolls-Royce)사 항공기비파괴전문가, ASTM(American Society Testing Material) 비파괴분과위원 등으로부터 연구 절차 및 결과에 대한 검토를 받았다. 그 결과 관련 전문가들은 Gd 표시-중성자 토모그라피 방법이 항공기 엔진 터빈 날개(turbine blade) 내부 부식결함으로 발생하는 항공기 추락사고를 줄일 수 있는 방법으로 평가하고 있다.
한국원자력연구원 심철무 박사는 “이번 연구를 통해 항공기 터빈 날개 비파괴검사에 신뢰성을 상당히 높여 부식 결함으로 인한 항공기 추락 사고를 상당히 줄일 수 것”이라며 “향후 사용중(in-service) 항공기 정비기술지침서에 Gd 표시-중성자 토모그라피 방법이 추가될 것으로 기대된다”고 밝혔다.
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