[논문]복합화력발전소 가스터빈 압축기 블레이드에 대한 손상원인 고찰

양경현; 송오섭; 조철환; 윤완노; 정남근

doi:10.5050/ksnve.2010.20.11.1025

복합화력발전소 가스터빈 압축기 블레이드에 대한 손상원인 고찰
Fracture Mechanism of Gas Turbine Compressor Blades in a Combined Cycle Power Plant 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.20 no.11 = no.164, 2010년, pp.1025 - 1032

양경현 (한국전력공사 전력연구원) , 송오섭 (충남대학교 기계공학과) , 조철환 (한국전력공사 전력연구원) , 윤완노 (한국전력공사 전력연구원) , 정남근 (한국전력공사 전력연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Gas turbine compressor blades used in a combined cycle power plant are possibly damaged and fractured during their operation. There are two possible causes of the failure of compressor blades; one is a defect of material quality which can be detected through some microscopic inspections for the fracture section, the other is high cycle fatigue problem caused by vibration and can be diagnosed by carrying out dynamic characteristics analysis for the blades. In this paper, in order to determine the cause of the failure of compressor blades in a combined cycle power plant, examination of the fracture section and the propagation mechanism of the crack via stress analysis are performed. Dynamic characteristics analysis via FRF estimation is also performed to identify the cause of failure.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이 논문에서는 손상사고가 발생된 압축기 블레이드에 대하여 손상원인을 밝히고자 손상부의 미시적인 조사를 통한 문제점 제기와 진동측면의 실험을 기반으로 한 구조 해석적 방법을 활용하여 고주기 피로에 의하여 균열이 진행될 수 있었음을 제시하고자 하였다. 블레이드에 대한 동적 특성을 파악하는데 가장 유용한 방법으로 회전중인 블레이드에 스트레인게이지를 고정 부착하고 측정하는 방법이 있지만 많은 비용지출과 시험 결과에 대한 신뢰성 확보가 불확실하다^(4,5)는 단점을 갖고 있기 때문에 이 연구에서는 사고발생 압축기 블레이드의 신속한 진동특성 검토를 위해 실험적인 블레이드 모드 해석을 기반으로 한 결과와 유한요소 해석 결과와의 비교를 통해 오차요소를 줄이고, 운전상태의 진동특성 변화를 검토하였다.
이 논문에서는 복합화력발전소의 가스터빈 압축기에 대한 손상원인을 밝히고자 손상부에 대한 파단면 분석과 정상 가동 중 나타나는 동특성을 분석함으로써 분석결과를 도출하였다.

제안 방법

블레이드의 초기 손상원인을 확인하고자 파손된 블레이드의 파단면을 Figs. 6~7과 같이 EDS(energy dispersive spectrometry; X-선 분광분석) 및 SEM(scanning electron microscopy; 주사전자현미경) 분석을 실시하였다.
Table 3은 앞선 실험결과를 바탕으로 블레이드가 root부와의 접촉상태를 모사한 결과(0 RPM)와 회전 상태(3600 RPM)에서의 블레이드 고유진동수 상승결과를 보여주고 있다. 또한 가장 가까운 조화성분과의 근접성을 비율로 제시하였다. 회전력을 고려한 해석 결과(3600 RPM)를 살펴볼 때 첫 번째 고유진동수를 제외하고는 회전속도의 조화성분에 거의 근접하고 있음을 보여주고 있다.
손상부의 미시적인 재질분석을 통해 균열부의 시작은 사용조건의 온도보다 매우 높은 열간 단조 등의 제작과정에서 발생된 결함인 것을 입증하였다. 또한 초기 결함위치로부터 외력에 의한 응력이 집중되면서 균열이 진전되다가 결국 파단된 것을 입증하기 위해 블레이드에 대한 구조적 특성분석을 통해 공진 영향에 의한 high cycle fatigue가 작용된 것임을 규명하였다.
블레이드에 대한 3차원 유한요소 모델링과 동특성 해석을 위해 상용 프로그램인 ANSYS를 이용하여 solid45 요소가 적용된 별도의 블레이드부와 root부를 구현하였다(Fig. 12). 모델에 대한 물성치는 Table 2와 같다.
따라서 이 논문에서는 손상사고가 발생된 압축기 블레이드에 대하여 손상원인을 밝히고자 손상부의 미시적인 조사를 통한 문제점 제기와 진동측면의 실험을 기반으로 한 구조 해석적 방법을 활용하여 고주기 피로에 의하여 균열이 진행될 수 있었음을 제시하고자 하였다. 블레이드에 대한 동적 특성을 파악하는데 가장 유용한 방법으로 회전중인 블레이드에 스트레인게이지를 고정 부착하고 측정하는 방법이 있지만 많은 비용지출과 시험 결과에 대한 신뢰성 확보가 불확실하다^(4,5)는 단점을 갖고 있기 때문에 이 연구에서는 사고발생 압축기 블레이드의 신속한 진동특성 검토를 위해 실험적인 블레이드 모드 해석을 기반으로 한 결과와 유한요소 해석 결과와의 비교를 통해 오차요소를 줄이고, 운전상태의 진동특성 변화를 검토하였다.
블레이드의 고정조건을 시험조건과 동일한 상태로 만들어 주기 위해서는 로터와 반경방향으로 접촉상태를 유지하도록 해야 하나 주파수 영역에서는 비선형 접촉상태를 구현할 수 없으므로 로터와 블레이드 접촉부분에 대한 커플링 작업을 통해 선형 접촉과 같은 효과를 응용하였다.
시험방법은 random signal(white noise)의 형태로 진동가진기에 연결된 stick을 통해 블레이드 하단부위를 가진하도록 한 후 FRF 응답을 얻었다.

대상 데이터

따라서 축류압축기는 단당 압력비가 크지 못하다. 그러나 형태상 축류압축기는 다단으로 연결하기 쉬우므로 단수를 증가시켜 높은 압력비를 얻을 수 있는 원리로 구성 되는데⁽⁸⁾ 이 논문의 대상 압축기도 총 18단의 구조를 가지고 있으며, 문제의 대상은 제 5단(동익 49개, 정익 70개)이다.
이 논문의 관심대상인 블레이드는 GT11N 기종의 압축기 5단 블레이드로서 이전부터 airfoil root 부위가 절손되는 사고가 자주 발생되었으며, 모두 leading edge의 root 부위에서 시작되어 급격하게 진전 파단된 양상을 띠고 있는 특징이 있었다.
이 논문의 대상설비는 air foil 모양의 다수 블레이드가 원형 디스크에 부착되어 회전하며 공기를 밀어서 가속시키는 원리로 되어 있다(Fig. 2). 이렇게 공기에 운동에너지를 전달하는 부분을 동익이라고 하며, 운동에너지를 압력으로 전환시키는 부분이 정익(노즐)이라고 한다(Fig.

성능/효과

가스터빈 정상운전 상태에서 압축기 베어링 케이싱의 진동이 지속적으로 높아지는 현상이 감지되어 가스터빈을 비상 정지하고 내시경 검사를 통해 압축기 내부를 점검한 결과 압축기 블레이드가 손상된 것을 발견하게 되었다. 정지 직전의 운전상황에서 진동 상승이외에 특별한 문제점은 발견되지 않았다.
따라서 블레이드 파단면에서 발견된 석출물 형태의 산화물과 그 주변의 미세균열은 블레이드 사용 환경과 내부에서의 분포가 평면 형태이면서 두께가 급격히 변화되는 부위인 점을 고려할 때 블레이드 제작 당시 단조 온도 불균일 등으로 결함이 발생한 것으로 판단되었다.
4는 손상된 압축기 블레이드와 로터 일부를 보여주고 있다. 분해 결과 5단 이후 압축기 블레이드와 vane이 모두 손상을 입었으며, 그 중 1개 블레이드의 airfoil root 부위가 절손된 상태인 점을 고려하면 이 블레이드의 파단조각이 후류측 경로를 거치면서 다른 블레이드에도 영향을 준 것으로 보인다.
손상부의 미시적인 재질분석을 통해 균열부의 시작은 사용조건의 온도보다 매우 높은 열간 단조 등의 제작과정에서 발생된 결함인 것을 입증하였다. 또한 초기 결함위치로부터 외력에 의한 응력이 집중되면서 균열이 진전되다가 결국 파단된 것을 입증하기 위해 블레이드에 대한 구조적 특성분석을 통해 공진 영향에 의한 high cycle fatigue가 작용된 것임을 규명하였다.
유한요소 모델을 통하여 나타난 결과를 토대로 분석해 볼 때, 정상 회전속도에서 고유진동수 변화 결과는 2차 이상의 고유진동수 성분이 회전속도에 대한 조화성분과의 여유가 매우 적어 high cycle fatigue를 발생하는 조건을 가지고 있으며, 일부 진동 모드에서는 블레이드 루트부의 air foil에 응력을 집중 시킬 수 있는 모드가 발생함으로써 최초 결함 부위를 기점으로 손상 메커니즘의 진행에 영향을 주었다고 할 수 있다.
14는 고정상태에서 628 Hz로 나타났던 고유진동수가 3600 RPM의 회전력을 적용했을 경우에 660 Hz로 상승한 경우의 고유진동모드(edge-wise mode)를 보여주고 있다. 이것은 앞선 시험 결과 중 621 Hz에서 나타나는 고유진동모드와 일치하고 있어 원심력의 효과로 인한 고유진동수 상승이 블레이드를 공진의 영향 범위로 이동시키고 있음을 확인할 수 있다.

후속연구

다만 블레이드의 응력이 집중되는 위치에 초기결함이 존재하였고, 블레이드의 조건이 공진현상을 포함한 상태로써 정상상태보다 응력이 다소 높게 작용되어 균열이 진행되었다고 할 수 있다. 따라서 향후 블레이드 초기 결함문제를 확인하는 문제 뿐 만 아니라 고주파의 영향 또한 설계단계에서 검토되는 것이 블레이드 건전성 확대를 위해 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	복합화력발전소의 장점은?	따라서 설계 당시 높은 안정성을 확보하기 위해 반드시 진동 특성을 고려해야 하고, 장기간 사용에 의한 손상이나 설비개선에 따른 교체 후에도 진동 특성변화에 의해 발생할 수 있는 영향까지도 검토되어야 한다(1). 특히 복합화력발전소는 전력수요에 따라 발전량을 조절하기 쉽다는 장점으로 잦은 기동, 출력변동, 정지 등의 과정이 이루어지고 있어 다른 형식의 발전소 기기에 비해 과도상태에 자주 노출될 수 있기 때문에 진동 측면의 고려가 더욱 필요하다.
	블레이드의 중요성 때문에 설계 당시 무엇을 검토해야 하는가?	이는 발전소의 안정적인 운영과 보수비용에 매우 큰 영향을 미치는 중요 요소이기 때문에 블레이드 손상에 의한 사고는 막대한 손실을 발생시키기도 한다. 따라서 설계 당시 높은 안정성을 확보하기 위해 반드시 진동 특성을 고려해야 하고, 장기간 사용에 의한 손상이나 설비개선에 따른 교체 후에도 진동 특성변화에 의해 발생할 수 있는 영향까지도 검토되어야 한다(1). 특히 복합화력발전소는 전력수요에 따라 발전량을 조절하기 쉽다는 장점으로 잦은 기동, 출력변동, 정지 등의 과정이 이루어지고 있어 다른 형식의 발전소 기기에 비해 과도상태에 자주 노출될 수 있기 때문에 진동 측면의 고려가 더욱 필요하다.
	복합화력발전소의 압축기와 터빈에서 사용되는 블레이드는 어떠한 역할을 하는가?	복합화력발전소의 압축기와 터빈에서 사용되는 블레이드는 유체의 유동에너지를 기계적 에너지로 변환하는 역할을 담당하고 있다. 이는 발전소의 안정적인 운영과 보수비용에 매우 큰 영향을 미치는 중요 요소이기 때문에 블레이드 손상에 의한 사고는 막대한 손실을 발생시키기도 한다.

참고문헌 (12)

Lam, T. C., Rieger, N. F. and Mccloskey, T.
Scheibel, J. and Dewey, R., 2007, “Status on
Boyce, M. P., 2002, “Gas Turbine Engineering
Rieger, N. F., 1989, “The Relationship
Orsagh, R. F. and Roemer, M. J., 1994,
Hawthorne, W. R. and Olsen, W. T., 1960,
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Hong, Y. S., 1995, “Basic Theory of Gas
ASM Handbook Committee, 1975, “Ductile-to-
Choi, B. H., 1996, “Metal Fracture Diagnosis,”
Yang, K. H. and Song, O. S., 2009,

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Yang, K. H., Cho, C. H., Bae, C. H., Kim,

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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