[논문]증기터빈 저압 L-1단 블레이드-디스크 연성 진동 특성 분석

이두영; 배용채; 김희수; 이욱륜; 김두영

doi:10.5050/ksnve.2010.20.1.029

증기터빈 저압 L-1단 블레이드-디스크 연성 진동 특성 분석
Vibration Analysis for the L-1 Stage Bladed-disk of a LP Steam Turbine 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.20 no.1 = no.154, 2010년, pp.29 - 35

이두영 (한전전력연구원) , 배용채 (한전전력연구원) , 김희수 (한전전력연구원) , 이욱륜 (한전전력연구원) , 김두영 (한전전력연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper studies causes of the L-1 blade damage of a low pressure turbine, which was found during the scheduled maintenance, in 500 MW fossil power plants. Many failures of turbine blades are caused by the coupling of aerodynamic forcing with bladed-disk vibration characteristics. In this study the coupled vibration characteristics of the L-1 turbine bladed-disk in a fossil power plant is shown for the purpose of identifying the root cause of the damage and confirming equipment integrity. First, analytic and experimental modal analysis for the bladed-disk at zero rpm as well as a single blade were performed and analyzed in order to verify the finite element model, and then steady stresses, natural frequencies and corresponding mode shapes, dynamic stresses were calculated for the bladed-disk under operation. Centrifugal force and steady steam force were considered in calculation of steady and dynamic stress. The proximity of modes to sources of excitation was assessed by means of an interference diagram to examine resonances. In addition, fatigue analysis was done for the dangerous modes of operation by a local strain approach. It is expected that these dynamic characteristics will be used effectively to identify the root causes of blade failures and to perform prompt maintenance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

블레이드 루트 및 커버가 고정되지 않은 자유경계조건에서의 단일 블레이드에 대한 모드시험 및해석을 유한요소 모델의 검증을 위해 수행하였다. 시험에 앞서 실물과 해석 모델의 중량과 무게중심을 비교하였다.
이 논문은 정비기간 중 발견된 500 MW 용량의 화력발전용 터빈의 저압터빈 L-1단 블레이드의 손상 원인을 진동 특성 분석을 통해 규명하는데 있다. Fig.

가설 설정

)으로부터 아래의 식으로 계산할 수 있는데, 고유진동수와 가진주파수간의 주파수비(η) 및 임계감쇠비(ζ)에 따라 달라진다. 이때 동하중의 변동은 증기력이 갖는 정하중의 2 %로 가정하고, 감쇠는 통상적인 0.2 %를 적용하였다.
터빈 블레이드에 운전 중 부가되는 대표적 동하중으로 증기력의 변동을 들 수 있으며, 조화가진 응답을 구하기 위한 가진 주파수 성분은 축계 회전속도, 노즐통과주파수 및 조화성분으로 가정되고, 가진력의 크기는 정상상태에서 블레이드에 작용하는 증기력의 일정비로 가정하여 해석을 수행하였다^(2,11).

제안 방법

단일 블레이드에 대한 모드 시험은 임팩트 햄머를 이용하여 45개(5×9)로 구성한 각 절점을 순차적으로 가진하고, 블레이드 팁 중앙에 고정된 위치에 서의 가속도 응답을 측정하였다.
따라서 실험적 모드 분석과 해석의 상호 보완에 의한 특성 분석이 선호되는데, 이 연구에서도 운전중 블레이드-디스크계의 진동 특성을 분석하기 위해서 유한요소법에 의한 해석을 수행하였고, 해석에 사용된 유한요소 모델을 검증하기 위해 단일 블레이드에 대한 모드 시험과 블레이드와 디스크가 결합된 블레이드-디스크의 정지 중 모드시험을 수행하여 동일 조건에서의 해석결과와 비교하였다.
발전용 터빈 블레이드의 손상에 대한 원인 규명을 위해 블레이드-디스크에 대한 정응력, 진동모드, 동응력 해석을 수행하였다. 해석을 위한 유한요소 모델의 유효성은 단일 블레이드에 대한 모드시험과 함께 블레이드-디스크에 대한 정지 중 모드시험을 수행하여 해석 결과에 의한 고유진동수 및 모드형상과 비교하여 검증하였다.
상기 기술한 정응력과 세 가지 경우의 동응력 결과를 각각 적용하여 국부 변형률 방법에 의해 피로 해석을 403A Fe Low C-12Cr강의 피로 물성치를 이용하여 수행하였다. 크랙발생시점(2N_f)과 변형률 (△ε/2)의 관계는 다음과 같이 Morrow-Socie의 식으로 나타내어진다⁽¹²⁾.
블레이드 루트 및 커버가 고정되지 않은 자유경계조건에서의 단일 블레이드에 대한 모드시험 및해석을 유한요소 모델의 검증을 위해 수행하였다. 시험에 앞서 실물과 해석 모델의 중량과 무게중심을 비교하였다. Table 1과 같이 오차가 1 % 이내로 양호한 것을 확인할 수 있다.
운전 중 터빈 블레이드-디스크계의 공진 평가를 위해서 연성 진동 해석을 수행하고 고유진동수와 모드 형상을 계산하였다. 터빈 정지 상태와는 달리 터빈 운전시에는 원심력과 증기력의 외부 하중이 부가된다.
운전속도에서 터빈 블레이드-디스크의 연성 진동 해석를 수행하고, 간섭선도에 의해 공진 가능성이 큰 3개의 진동 모드를 결정하여 이에 대한 동응력 및 피로특성을 분석하였다.
이 연구에서는 고유진동수와 임펄스라인의 차이를 나타내는 주파수여유율이 3 % 이하인 공진의 가능성이 있는 진동 모드에 대해 조화 가진 해석을 수행하여 동응력을 계산하고, 이 중에서 동응력의 크기가 큰 Fig. 7에 표시한 3개의 경우에 대해서 그 결과를 분석하였다. 3개의 경우에 대한 고유진동수와 노달직경은 Table 6과 같다.
이 정지 중 블레이드-디스크 시험은 가진을 위해 임팩트햄머를 사용하였고, 이에 따른 가속도 응답을 측정하였다. 임팩트 지점을 한 곳에 고정하고, Table 3 및 Fig.
. 이 프로그램은 유한요소 모델의 생성에 있어 에어포일, 커버, 루트 등의 블레이드 각 요소의 치수를 파라미터로 정의하여 이용하는 특징을 가지고 있다. 단일 블레이드에 대한 해석 모델은 상기 프로그램에서 생성된 유한요소 모델을 변환하여 사용하였고 상용 유한요소코드 ANSYS를 사용하여 해석을 수행하였다.
이 정지 중 블레이드-디스크 시험은 가진을 위해 임팩트햄머를 사용하였고, 이에 따른 가속도 응답을 측정하였다. 임팩트 지점을 한 곳에 고정하고, Table 3 및 Fig. 4와 같이 가속도계를 각 위치마다 이동하며 측정하였으며, 다축센서를 사용하여 각 측정점에 서는 축방향과 접선방향의 2개의 자유도를 측정하였다.

대상 데이터

이 터빈은 500 MW용량으로 7단 고압터빈, 5단 중압터빈 및 6단의 저압터빈 두 개로 구성되어 있다. L-1단의 블레이드는 총 133개이며, 길이 530.86 mm, 피치지름은 1978.7 mm이다. Fig.

데이터처리

이 프로그램은 유한요소 모델의 생성에 있어 에어포일, 커버, 루트 등의 블레이드 각 요소의 치수를 파라미터로 정의하여 이용하는 특징을 가지고 있다. 단일 블레이드에 대한 해석 모델은 상기 프로그램에서 생성된 유한요소 모델을 변환하여 사용하였고 상용 유한요소코드 ANSYS를 사용하여 해석을 수행하였다.
모드 시험 및 해석 결과의 비교는 간섭선도를 이용하였다. 간섭선도는 노달 직경의 변화에 따른 고유진동수의 변화를 표시하며, 공진 평가에 있어서 고유진동수뿐만 아니라 고유형상을 또한 고려한다는 특징이 있다.
발전용 터빈 블레이드의 손상에 대한 원인 규명을 위해 블레이드-디스크에 대한 정응력, 진동모드, 동응력 해석을 수행하였다. 해석을 위한 유한요소 모델의 유효성은 단일 블레이드에 대한 모드시험과 함께 블레이드-디스크에 대한 정지 중 모드시험을 수행하여 해석 결과에 의한 고유진동수 및 모드형상과 비교하여 검증하였다.

이론/모형

운전 중 블레이드-디스크계의 진동 해석을 비롯한 정응력, 동응력 해석 등은 터빈 블레이드 전용으로 개발된 유한요소해석 소프트웨어를 사용하였다⁽¹⁰⁾. 이 프로그램은 유한요소 모델의 생성에 있어 에어포일, 커버, 루트 등의 블레이드 각 요소의 치수를 파라미터로 정의하여 이용하는 특징을 가지고 있다.
최종적으로 블레이드-디스크의 운전 중 증기력과의 공진을 조사하기 위해서 가진주파수와 고유진동 수의 일치여부와 함께 증기력이 가해지는 가진형태와 고유모드를 또한 고려하는 간섭선도(interference diagram)를 활용하였다.

성능/효과

상기한 공진의 가능성이 있는 3개의 모드에 대한 동응력 해석 결과는 Table 7과 같다. 에어포일의 최대 동응력의 크기는 Fig. 8에서 볼 수 있듯이 정응력에 비해 매우 작은 정도이고, 그 위치는 전익 ‧ 후익 및 상부 팁 등으로 달라지는 것으로 나타났다. 동응력 결과로부터 L-1단 블레이드 후익 타이와이어 상부의 크랙의 발생 위치와 연관된 것은 Case 1의 경우로 볼 수 있다.
이 연구의 저압터빈 L-1단 블레이드-디스크 해석 결과를 통하여, 에어포일에 발생한 크랙은 증기물방울, 부식 또는 침식에 의해 초기 결함이 발생하였고, 고유진동수가 가진되어 크랙의 진전에 영향을 미친 것으로 판단된다.

후속연구

한편 이 연구 결과는 발전소 계획예방정비 기간 중 수행되는 터빈 블레이드 점검 시, 손상이 발생할 수 있는 주요 부분을 사전에 집중적으로 점검함으로써 미연에 사고를 예방하고, 향후 손상 발생시 진동 특성과의 상관성을 신속히 분석함으로써 손상 원인을 규명하는데 효과적으로 활용될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유한요소해석 소프트웨어의 특징은?	운전 중 블레이드-디스크계의 진동 해석을 비롯한 정응력, 동응력 해석 등은 터빈 블레이드 전용으로 개발된 유한요소해석 소프트웨어를 사용하였다(10). 이 프로그램은 유한요소 모델의 생성에 있어 에어포일, 커버, 루트 등의 블레이드 각 요소의 치수를 파라미터로 정의하여 이용하는 특징을 가지고 있다. 단일 블레이드에 대한 해석 모델은 상기 프로그램에서 생성된 유한요소 모델을 변환하여 사용하였고 상용 유한요소코드 ANSYS를 사용하여 해석을 수행하였다.
	정지 중 블레이드-디스크에 대한 모드 시험은 어떤 방법인가?	블레이드에 가해지는 원심력과 증기에 의한 하중을 고려한 운전 상태에서의 최종 진동 특성 해석에 앞서, 정지 중 블레이드-디스크에 대한 모드 시험은 블레이드와 디스크가 연성된 수치해석 모델의 정도를 검증하는 가장 효과적인 방법이다.
	터빈 블레이드 기계적 손상의 대표적인 원인은?	터빈 블레이드는 터빈에 유입된 증기의 열에너지를 기계적 에너지로 변환하는 역할을 담당하며, 블레이드가 손상되면 이에 의한 파급 사고로 인해 발전소에 막대한 손실을 초래할 수 있다. 이러한 블레이드 기계적 손상의 대표적인 원인은 고주기 피로를 유발하는 진동에 의한 손상으로 알려져 있다(1,2).

참고문헌 (12)

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원문보기 상세보기
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상세보기
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Stress Technology Incorporated, 2002, “Blade-ST & STELLA Manual,” Rochester, New York.
Gandy, D., 2005, “Combustion Turbine F-Class Life Management,” EPRI Technical Report 1011490, EPRI, Palo Alto.
Rao, J. S., 2000, “Turbine Blade Life Estimation,” Alpha Science International Ltd., Pangbourne.

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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