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세계적인 이상 기후의 문제로 지속가능한발전이 대두되는 만큼 발전 산업에서도 저탄소 발전에 대한 관심이 깊어지고 있다. 천연액화가스를 사용하는 가스터빈 발전은 기존의 석탄화력 발전에 비해 미세먼지 및 대기오염물질 배출량이 적다는 특징이 있어 많은 이목을 받고 있다. 가스터빈의 발전 효율은 터빈부 입구의 가스 온도에 비례하는 것으로 알려져 있다. 가스터빈의 성능 증진을 위하여 현재까지 다양한 방법이 모색되어 왔고, 재료공학 측면에서 볼 때 부품의 결정립 제어 방법을 통해 가스터빈의 성능이 크게 향상될 수 있었다. 부품의 결정립 제어를 위해서 사용되는 방법으로 Bridgman 법 ...

세계적인 이상 기후의 문제로 지속가능한발전이 대두되는 만큼 발전 산업에서도 저탄소 발전에 대한 관심이 깊어지고 있다. 천연액화가스를 사용하는 가스터빈 발전은 기존의 석탄화력 발전에 비해 미세먼지 및 대기오염물질 배출량이 적다는 특징이 있어 많은 이목을 받고 있다. 가스터빈의 발전 효율은 터빈부 입구의 가스 온도에 비례하는 것으로 알려져 있다. 가스터빈의 성능 증진을 위하여 현재까지 다양한 방법이 모색되어 왔고, 재료공학 측면에서 볼 때 부품의 결정립 제어 방법을 통해 가스터빈의 성능이 크게 향상될 수 있었다. 부품의 결정립 제어를 위해서 사용되는 방법으로 Bridgman 법 방향성응고 공정이 사용된다. 특히, 결정립 Selector를 사용한 방향성응고 공정을 통해 제조된 단결정 부품은 터빈 앞단 부품에 사용하기에 충분한 우수한 고온 기계적 물성을 가진다. 하지만 결정립 Selector를 통해 선택된 단결정의 결정학적 방향에 따라 단결정 부품의 물성에 차이가 나는 문제가 있기 때문에, 단결정 주조 기술이 개발된 이후로 현재까지 단결정 부품의 방향성을 제어하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 실제 실험이 가지는 시간적, 금전적 한계를 극복하여 보다 효율적인 연구 수행을 위해 ESI Group의 상용 프로그램인 ProCAST의 CAFE 모델을 이용한 전산해석을 수행하였다. 해당 모델을 사용하여 단결정 주조 공정에서 핵심 역할을 하는 결정립 Selector의 구성요소인 Starter block과 Spiral selector가 하는 역할을 조사하였으며 전산해석 중 실제 공정에서 발생될 수 있는 과냉에 관한 문제뿐만 아니라 공정 조건으로서 핵 생성 밀도와 단결정 인출 속도가 단결정 성장에 미치는 영향을 확인하였다. 이와 함께 다양한 형태의 결정립 Selector를 통해 실제 단결정 주조실험을 진행하고, 실험-해석 결과를 비교/고찰하여 단결정 초내열합금 부품 제조용 결정립 selector 설계 최적화에 대한 토대를 제공하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

As sustainable development emerges as a problem of global abnormal climate, low-carbon emission development is paying attention in the power generation industry. Gas turbine power generation using liquefied natural gas has been attracting attention because it emits less fine dust and air pollutants ...

As sustainable development emerges as a problem of global abnormal climate, low-carbon emission development is paying attention in the power generation industry. Gas turbine power generation using liquefied natural gas has been attracting attention because it emits less fine dust and air pollutants than coal-fired power generation. It is known that the power generation efficiency of the gas turbine is proportional to the gas temperature at the inlet of the gas turbine unit. Various technologies have been applied to improve the performance of gas turbines, and in terms of material engineering, the performance of gas turbines could be greatly improved by the grain control of parts. The directional solidification process, known as the Bridgman method, is used to control grains of parts. Particularly, single crystal parts using a grain selector showed sufficient high-temperature mechanical properties in hot parts of the gas turbine. However, since the mechanical properties of single crystal parts depend on the crystallographic direction of single crystal, many studies have been conducted to control the orientation of single crystal parts. This paper performed computational analyses using the CAFE model of ProCAST, a commercial program of ESI Group, to overcome the temporal and financial limitations of actual experiments and conduct research more efficiently. The roles of the starter block and spiral selector, which are key components in single crystal casting process, were investigated using the model. It showed that grains on single crystal growth were affected by not only the undercooling that may occur in the actual process during computational analysis, but also the effect of nucleation density and withdrawal rate. In addition, actual single crystal casting experiments were conducted through various types of grain selectors, and the experimental-analysis results were compared and discussed for optimizing the design of crystal grain selectors in the manufacturing field of single crystal casting.

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