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문제 정의
- 본 연구에서는 75톤급 액체로켓용 터보펌프 지상시험의 안정성확보를 위한 손상해석을 수행하였다. 손상해석을 수행하기 위해 터보펌프 지상시험의 구동특성을 고려한 구동사이클의 정의가 필요하다.
- 위에 서술한 바와 같이 고온 하중과 반복적인 기계하중 하에서 구조물의 수명을 예측하기 위해서는 크리프 및 피로거동에 따른 각각의 손상해석 뿐만 아니라 크리프-피로 영향에 의한 손상효과도 역시 고려해야 한다. 본 연구에서는 75톤급 액체로켓용 터보펌프 터빈 블레이드에 대한 크리프-피로 영향을 고려한 손상해석을 수행하기 위해 선형손상합산법을 이용하여 손상해석을 수행하였다. 선형손상합산법은 크리프 손상해석에 사용되는 로빈슨 법칙과 피로 손상해석에 사용되는 마이너 법칙을 합산하는 방법으로 계산과정은 간단하나 비교적 높은 정확도를 가지고 있어 일반적으로 많이 사용되고 있는 방법이다.
- 본 연구에서는 높은 열적, 기계적 하중을 받는 75톤급 액체로켓용 터보펌프의 지상시험조건에 대한 손상해석을 수행하였다. 우선 터보펌프 지상시험 구동특성을 고려한 구동사이클을 정의한 후, 해석 지점을 선정하였다.
제안 방법
- 75톤급 액체로켓용 터보펌프 터빈의 지상시험 조건에 대한 크리프-피로 영향을 고려한 손상 해석을 위해 크리프 손상률과 피로 손상률을 계산하였다. 또한 크리프-피로 영향을 고려하기 위해 선형손상법칙을 사용하여 크리프-피로 손상해석을 수행하였다.
- 선정된 해석지점에 대하여 대류열전달 계수, 주변온도분포, 열전도도를 이용하여 열전달 해석을 수행하였으며, 열전달 해석결과 획득한 절점별 온도분포를 고려하여 터보펌프 터빈 블레이드에 대한 응력해석을 수행하였다. 고온 환경에서 작동하는 구조물의 손상의 주된 원인인 크리프손상과 피로손상, 그리고 크리프-피로 손상을 분석하기 위해 취약지점으로 선정한 터보펌프 터빈 블레이드 루트부근의 각각의 손상률을 산출하였다. 또한 크리프-피로 영향을 고려하기 위해 선형손상합산법를 이용하여 터보펌프 터빈 블레이드의 전체 손상률 및 수명을 산출하였다.
- 고온 환경에서 작동하는 구조물의 손상의 주된 원인인 크리프손상과 피로손상, 그리고 크리프-피로 손상을 분석하기 위해 취약지점으로 선정한 터보펌프 터빈 블레이드 루트부근의 각각의 손상률을 산출하였다. 또한 크리프-피로 영향을 고려하기 위해 선형손상합산법를 이용하여 터보펌프 터빈 블레이드의 전체 손상률 및 수명을 산출하였다. 구조해석결과 온도의 영향으로 발생하는 재료강도저하의 원인으로 낮은 작용응력이지만 높은 온도에서 구동하는 파이로 시동구간에서 높은 작용응력으로 구동하는 가스발생구간보다 높은 변형률이력이 나타남을 확인하였다.
- 본 연구에서는 75톤급 액체로켓용 터보펌프 터빈 블레이드 지상 시험에 대해 손상해석을 수행하기 위해 0~5.0초 운전구간을 지상 시험 1cycle로 정의하였다. 터보펌프 터빈 블레이드의 응력해석을 위해 정의된 구동사이클에 대하여 15개의 해석지점을 선정하였다.
- 본 연구에서는 액체로켓용 터보펌프 지상시험에서의 안정성확보를 위해 지상시험용 구동사이클을 정의하였으며, 정의된 지상시험용 구동사이클에 대한 크리프-피로의 영향을 고려한 손상해석을 수행하였다. 우선 터보펌프 구동특성을 고려한 구동사이클을 정의하였으며, 구동사이클에 대한 열전달해석과 응력해석을 수행하였다.
- 정의된 구동사이클의 해석 지점별 열전달 해석 결과인 절점별 온도정보와 rpm정보를 이용하여 응력해석을 수행하였다. 본 연구의 목적인 터보펌프 터빈 블레이드에 대한 크리프-피로의 영향을 고려한 손상해석을 수행하기 위해 터빈 블레이드에 대한 취약지점(F.C.L., fracture critical location)선정 및 온도이력, 응력이력, 그리고 변형률이력이 필요하다. 높은 하중 및 온도에서는 응력-변형률의 관계가 선형영역을 벗어나고 온도에 따라 재료의 기계적 특성이 크게 변화하기 때문에 정확한 해석을 위해 재료의 비선형성(nonlinearity)이 반영되어야 한다.
- 우선 터보펌프 지상시험 구동특성을 고려한 구동사이클을 정의한 후, 해석 지점을 선정하였다. 선정된 해석지점에 대하여 대류열전달 계수, 주변온도분포, 열전도도를 이용하여 열전달 해석을 수행하였으며, 열전달 해석결과 획득한 절점별 온도분포를 고려하여 터보펌프 터빈 블레이드에 대한 응력해석을 수행하였다. 고온 환경에서 작동하는 구조물의 손상의 주된 원인인 크리프손상과 피로손상, 그리고 크리프-피로 손상을 분석하기 위해 취약지점으로 선정한 터보펌프 터빈 블레이드 루트부근의 각각의 손상률을 산출하였다.
- 열유동해석 상용프로그램인 FineTurbo의 해석결과를 통해 획득한 터보펌프 터빈 블레이드에 대한 대류 열전달계수와 블레이드 주변 온도분포, 그리고 해당 재료인 INC-718의 열전도도(11.4W/m°C)를 이용하여 열전달해석을 수행하였다.
- 우선 터보펌프 구동특성을 고려한 구동사이클을 정의하였으며, 구동사이클에 대한 열전달해석과 응력해석을 수행하였다. 열전달해석과 응력해석결과를 통해 선정된 터보펌프 터빈블레이드의 취약지점(F.C.L., fracture critical location)에 대한 크리프 손상해석과 피로 손상해석을 수행하였으며, 이를 이용하여 크리프-피로의 영향을 고려한 손상해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 액체로켓용 터보펌프 지상시험에서의 안정성확보를 위해 지상시험용 구동사이클을 정의하였으며, 정의된 지상시험용 구동사이클에 대한 크리프-피로의 영향을 고려한 손상해석을 수행하였다. 우선 터보펌프 구동특성을 고려한 구동사이클을 정의하였으며, 구동사이클에 대한 열전달해석과 응력해석을 수행하였다. 열전달해석과 응력해석결과를 통해 선정된 터보펌프 터빈블레이드의 취약지점(F.
- 본 연구에서는 높은 열적, 기계적 하중을 받는 75톤급 액체로켓용 터보펌프의 지상시험조건에 대한 손상해석을 수행하였다. 우선 터보펌프 지상시험 구동특성을 고려한 구동사이클을 정의한 후, 해석 지점을 선정하였다. 선정된 해석지점에 대하여 대류열전달 계수, 주변온도분포, 열전도도를 이용하여 열전달 해석을 수행하였으며, 열전달 해석결과 획득한 절점별 온도분포를 고려하여 터보펌프 터빈 블레이드에 대한 응력해석을 수행하였다.
- 정의된 구동사이클의 해석 지점별 열전달 해석 결과인 절점별 온도정보와 rpm정보를 이용하여 응력해석을 수행하였다. 본 연구의 목적인 터보펌프 터빈 블레이드에 대한 크리프-피로의 영향을 고려한 손상해석을 수행하기 위해 터빈 블레이드에 대한 취약지점(F.
- 터보펌프 터빈의 최대 응력이 발생한 지점은 취약 지점인 터빈 블레이드 루트부근이다. 터빈 블레이드의 피로해석을 수행하기 위해 취약지점에 대한 변형률이력을 바탕으로 저주기 피로해석을 수행하였다. 정의된 변형률이력에 대한 저주기 피로해석에는 피로해석 상용프로그램인 MSC.
- Fatigue를 사용하였다. 피로 손상해석에는 상온 INC-718 피로데이터를 사용하였으며, 고온의 피로영향을 고려하기 위해 상온데이터를 50%까지 감소한 데이터를 이용하여 피로손상률을 산출하였다. 또한 응력해석 결과 최대응력이 인장응력으로 나타나므로 평균응력의 영향을 고려하기 위해 S.
대상 데이터
- 본 연구에서는 75톤급 액체로켓용 터보펌프 터빈의 손상해석을 수행하기 위해서 Fig. 2와 같은 75톤급 터빈 블레이드 모델을 사용하였다. 사용된 터빈에는 117개의 둥근 모서리형태의 블레이드로 구성되어 있으며, 회전 중심에서 팁(tip) 까지의 반경은 216.
- 2와 같은 75톤급 터빈 블레이드 모델을 사용하였다. 사용된 터빈에는 117개의 둥근 모서리형태의 블레이드로 구성되어 있으며, 회전 중심에서 팁(tip) 까지의 반경은 216.3mm이다. 터보펌프 터빈 블레이드의 재질은 고온에서 우수한 기계적 특성을 갖는 니켈기 초합금 계열의 INC-718을 사용하였으며, 이 재료를 어닐링(annealing)처리 후 시효(aging)처리의 열처리과정 후 사용하였다.
- 유한요소 모델은 해석 시간을 줄이기 위하여 부분 모델을 사용하였으며, 11169개의 절점과 8794개의 육면체요소(hexahedron element)로 구성되어 있다. 응력 해석 시에는 유한요소모델의 양면에 cyclic 대칭조건을 사용하였다.
- 응력 해석 결과 터보펌프 터빈 블레이드의 최대 응력지점인 블레이드 루트부근 515번 절점을 취약지점(F.C.L. fracture critical location)으로 선정하였다. 저주기 피로 해석과 크리프 해석을 위해 선정된 취약지점에 대한 응력이력, 변형률이력을 정의해야 한다.
- 0초 운전구간을 지상 시험 1cycle로 정의하였다. 터보펌프 터빈 블레이드의 응력해석을 위해 정의된 구동사이클에 대하여 15개의 해석지점을 선정하였다.
- 3mm이다. 터보펌프 터빈 블레이드의 재질은 고온에서 우수한 기계적 특성을 갖는 니켈기 초합금 계열의 INC-718을 사용하였으며, 이 재료를 어닐링(annealing)처리 후 시효(aging)처리의 열처리과정 후 사용하였다.
데이터처리
- 열전달 해석 결과 초기 파이로 시동구간은 1,000°C 정도의 온도분포가 나타났으며, 가스발생구간에서는 600°C 정도의 온도 분포가 나타남을 확인하였다. 열전달 해석 결과 획득한 절점별 온도분포를 이용하여 정의된 구동사이클 해석 지점별에 대한 응력해석을 수행하였다.
- 터빈 블레이드의 피로해석을 수행하기 위해 취약지점에 대한 변형률이력을 바탕으로 저주기 피로해석을 수행하였다. 정의된 변형률이력에 대한 저주기 피로해석에는 피로해석 상용프로그램인 MSC.Fatigue를 사용하였다. 피로 손상해석에는 상온 INC-718 피로데이터를 사용하였으며, 고온의 피로영향을 고려하기 위해 상온데이터를 50%까지 감소한 데이터를 이용하여 피로손상률을 산출하였다.
이론/모형
- 구간별 정의된 온도 및 작용응력을 이용하여 크리프 손상률 및 수명을 산출하기 위해 본 연구에서는 로빈슨 법칙을 사용하였다. 로빈슨 법칙은 식 (6)에 나타난 바와 같이 구간별 크리프 파단시간과 운용시간을 사용하여 크리프 손상률을 계산한다.
- 변형률의 경우 이러한 선형해석을 통해 얻어진 결과는 실제에 비해 작은 값이 얻어지기 때문에 재료의 국부적인 소성변형을 전제로 하는 저주기피로(low-cycle fatigue), 크리프(creep)등의 손상 기구에 대한 수명예측에 적용하기에 어려움이 있다. 따라서 실제에 가까운 변형률 결과를 얻기 위해서는 재질의 온도에 따른 물성치와 실제의 응력-변형률 선도를 반영한 비선형 해석이 필요하며, 이를 위해 ABAQUS/CAE의 비선형 해석을 이용하였다. 응력 해석 결과 터빈 블레이드 루트부근에 최대 응력이 발생함을 확인하였다.
- 피로 손상해석에는 상온 INC-718 피로데이터를 사용하였으며, 고온의 피로영향을 고려하기 위해 상온데이터를 50%까지 감소한 데이터를 이용하여 피로손상률을 산출하였다. 또한 응력해석 결과 최대응력이 인장응력으로 나타나므로 평균응력의 영향을 고려하기 위해 S.W.T.방법을 사용하였다. Fig.
- 75톤급 액체로켓용 터보펌프 터빈의 지상시험 조건에 대한 크리프-피로 영향을 고려한 손상 해석을 위해 크리프 손상률과 피로 손상률을 계산하였다. 또한 크리프-피로 영향을 고려하기 위해 선형손상법칙을 사용하여 크리프-피로 손상해석을 수행하였다. 크리프-피로의 영향을 고려한 손상률과 크리프와 피로 각각의 영향의 정도는 Table 4에 나타나 있으며, 데이터 감소에 따른 저주기 피로만을 고려한 수명과 크리프-피로의 영향을 모두 고려한 수명을 나타낸 결과는 Fig.
- 변형률-수명법은 항복하중 근처의 높은 반복하중의 작용에 따른 구조물의 저주기 수명을 예측하기 위한 방법으로 소성 변형이 현저한 노치선단 및 고온 환경과 낮은 항복점을 갖는 재료의 피로수명 예측에 사용된다. 변형률-수명법에서 탄성변형률과 수명 관계로 널리 사용되는 Basquin 관계식과 소성변형률과 수명 관계로 널리 알려진 Coffin-Manson 관계식을 고려한 총변형률과 수명과의 관계식을 사용하며, 식 (1)과 같다[9].
- 법은 최대응력이 인장응력인 경우 어울리는 방법이다. 본 연구에서는 소성변형률이 탄성변형률에 비해 지배적이며, 최대응력이 인장응력이므로 S.W.T.법을 사용하였다. S.
- 로빈슨 법칙은 식 (6)에 나타난 바와 같이 구간별 크리프 파단시간과 운용시간을 사용하여 크리프 손상률을 계산한다. 크리프 파단시간은 터보펌프 터빈 블레이드재료인 INC-718의 라르손-밀러 마스터 곡선(LMP, Larson-Miller parameter master curve)과 구간별 온도와 작용응력을 이용하여 산출하였다. Fig.
성능/효과
- 또한 크리프-피로 영향을 고려하기 위해 선형손상합산법를 이용하여 터보펌프 터빈 블레이드의 전체 손상률 및 수명을 산출하였다. 구조해석결과 온도의 영향으로 발생하는 재료강도저하의 원인으로 낮은 작용응력이지만 높은 온도에서 구동하는 파이로 시동구간에서 높은 작용응력으로 구동하는 가스발생구간보다 높은 변형률이력이 나타남을 확인하였다. 크리프 해석 결과 파이로 시동구간에서는 높은 온도로 크리프 손상률이 크게 나타났으며, 가스발생구간에서는 낮은 온도과 이에 대한 항복응력이하의 작용응력으로 인하여 크리프 손상률이 아주 적게 나타남을 확인하였다.
- 열전달 해석 결과 초기 파이로 시동구간은 1,000°C 정도의 온도분포가 나타났으며, 가스발생구간에서는 600°C 정도의 온도 분포가 나타남을 확인하였다.
- 따라서 실제에 가까운 변형률 결과를 얻기 위해서는 재질의 온도에 따른 물성치와 실제의 응력-변형률 선도를 반영한 비선형 해석이 필요하며, 이를 위해 ABAQUS/CAE의 비선형 해석을 이용하였다. 응력 해석 결과 터빈 블레이드 루트부근에 최대 응력이 발생함을 확인하였다. Fig.
- 응력 해석결과 초기 파이로 시동구간이 가스 발생구간보다 낮은 응력수준이 나타났지만 변형률결과는 파이로 시동구간이 가스발생구간보다 큰 수준이 나타남을 확인할 수 있다. 이러한 응력결과와 변형률결과의 반대양상은 파이로 시동구간과 가스발생구간의 응력 해석결과와 해당재료의 재료강도를 확인하여 분석할 수 있다.
- 즉 700°C 전 온도에서는 높은 항복응력 수준인 800Mpa이상의 항복응력을 가지고 있으며, 700°C보다 높은 온도에서는 항복응력이 급격히 감소하여 900°C이상에서는 250Mpa 이하의 항복응력을 가지고 있다[8]. 즉 파이로 시동구간에서는 해당온도의 항복응력보다 높은 응력으로 소성변형률이 나타났으며, 가스발생구간에서는 해당온도의 항복응력보다 낮은 응력으로 탄성변형률만이 나타남을 확인할 수 있다.
- 구조해석결과 온도의 영향으로 발생하는 재료강도저하의 원인으로 낮은 작용응력이지만 높은 온도에서 구동하는 파이로 시동구간에서 높은 작용응력으로 구동하는 가스발생구간보다 높은 변형률이력이 나타남을 확인하였다. 크리프 해석 결과 파이로 시동구간에서는 높은 온도로 크리프 손상률이 크게 나타났으며, 가스발생구간에서는 낮은 온도과 이에 대한 항복응력이하의 작용응력으로 인하여 크리프 손상률이 아주 적게 나타남을 확인하였다. 크리프-피로 선형손상합산법을 채택하여 크리프-피로영향을 고려한 손상률을 산출한 결과 피로의 영향이 크리프의 영향보다 크게 나타났으며, 저주기 피로 데이터의 감소에 따라 피로손상률의 증가로 크리프의 영향이 감소하는 경향이 나타남을 확인하였다.
- 크리프 해석 결과 파이로 시동구간에서는 높은 온도로 크리프 손상률이 크게 나타났으며, 가스발생구간에서는 낮은 온도과 이에 대한 항복응력이하의 작용응력으로 인하여 크리프 손상률이 아주 적게 나타남을 확인하였다. 크리프-피로 선형손상합산법을 채택하여 크리프-피로영향을 고려한 손상률을 산출한 결과 피로의 영향이 크리프의 영향보다 크게 나타났으며, 저주기 피로 데이터의 감소에 따라 피로손상률의 증가로 크리프의 영향이 감소하는 경향이 나타남을 확인하였다.
- 계산된 크리프 손상률 및 파단시간, 그리고 구간의 운용시간은 Table 3에 나타나 있다. 크리프해석결과 파이로 시동구간과 가스발생구간의 크리프 손상률의 차이가 크게 나타남을 확인할 수 있다. 이러한 각 구간별 크리프 손상률의 차이는 구간별 계산된 크리프 파단시간의 차이로 인해 발생한 것이라 할 수 있다.
- 파이로 시동구간은 300Mpa의 응력과 1,000°C 정도의 온도가 나타났으며, 가스발생구간은 600Mpa의 응력과 600°C 정도의 온도가 나타났다.
- 15에 나타나 있다. 해석 결과 저주기 피로 상온 데이터를 사용한 경우 크리프의 영향이 21.89%가 나타났으며, 저주기 피로데이터의 감소 비율에 따라 크리프의 영향이 줄어드는 경향을 확인할 수 있다. 이러한 경향은 저주기 피로 데이터의 감소로 인해 발생하는 저주기 피로 손상률의 증가로 인해 발생한 크리프의 영향의 감소라 할 수 있다.
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