[논문]회전체 스트레스 정보를 이용한 터빈 축 피로수명 평가

진병규; 박기범; 채장범

doi:10.3795/ksme-a.2014.38.4.437

회전체 스트레스 정보를 이용한 터빈 축 피로수명 평가
Fatigue Life Evaluation of Turbine Shaft Using Applied Shaft Stress 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.38 no.4, 2014년, pp.437 - 442

진병규 ((주) 엠앤디) , 박기범 ((주) 엠앤디) , 채장범 (아주대학교 기계공학부)

초록
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원자력 발전소의 터빈-발전기 시스템과 같이 일정한 토크와 함께 축 진동에 의한 가변 응력이 인가되는 부재의 경우 비틀림 응력에 의한 피로 파괴 거동을 보인다. 따라서 본 연구에서는 터빈-발전기의 터빈 축에 인가하는 비틀림 응력을 측정하고 응력에 의해 발생하는 피로 파괴 거동을 분석하는 것을 목적으로 하였다. 이를 위해 터빈-발전기 시스템과 같은 실험 장치를 제작하고 임의의 부하를 인가하여 다양한 비틀림 응력에 대한 피로 파괴 거동을 평가하였다. 특히 기존의 알려진 피로 거동 평가 방법인 응력-수명, 변형률-수명, 균열성장 평가 방법을 동시에 적용하여 평가를 진행하였다. 부하의 크기가 증가하면서 평가 방법과 무관하게 피로 수명이 감소하는 경향이 확인하였으며 5 kV 부하 인가 시 최대 10배의 피로 수명의 감소가 발생하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The equipment or with a constant torque and a variable stress due to axial vibration such as the turbine-generator system in nuclear power plant show the fatigue fracture behavior. Thus this study whoul aim to measure the torsional stress and analyze the fatigue fracture behavior. To achieve this, we manufactured the equipment similar with turbine-generator system and applied various torsional vibration stress due to external load. In particular, the evaluation was conducted with the existing evaluation methods of the fatigue behavior of known stress-life, strain-life, crack growth assessment methods. With increasing the external load and independent methods tends to decrease the fatigue life was confirmed up to 10 times in 5 kV external load compared to without external load.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

⁽³⁾ 국내의 경우 터빈 축 계의 피로 거동 연구에 대한 필요성이 요구되고 있으나 원자력 발전소 현장 접근성의 문제 및 규모의 문제 등으로 인해 연구가 미비한 실정이다. 이에 본 연구에서는 터빈-발전기를 축소화하고 임의 값의 부하를 인가할 수 있는 실험장치를 제작하였다. 실험 장치에 인가하는 비틀림 응력에 대해 응력-수명 평가법(Stress-Life method), 균열성장 평가법(Crack growth method), 변형률-수명 평가법(Strain-Life method) 등 세 가지 피로 수명 평가 방법을 활용하여 피로수명을 평가함으로써 다양한 관점에서 부하 여부에 따른 피로수명의 변화를 확인하고자 하였다.

제안 방법

(1) 원자력 발전에 사용되는 터빈-발전기의 축에 인가되는 비틀림 응력이 피로수명에 미치는 영향을 확인하기 위하여 터빈-발전기 시스템을 제작하였고 임의의 부하를 인가하면서 비틀림 응력의 크기에 따른 피로 파괴 거동의 변화를 확인하였다.
(3) 이번 연구에서 인가한 비틀림 응력이 뚜렷한 피로 파괴를 유발할 수 있는 크기가 아니기 때문에 파괴를 확인하지 못하였지만 원자력 발전의 터빈-발전기 터빈 축에 발생하는 피로 파괴 거동을 평가하는 일련의 기술을 확립하였다.
1800 rpm으로 승속시킨 후 0, 3, 5 kV의 부하를 인가하였다. 10 kHz 샘플링으로 5초간 데이터를 취득하여 피로수명 평가를 진행하였다. 모든 계산 과정은 MicroSoft사의 Excel과 Mathworks사의 Matlab으로 진행하였다.
토크센서는 터빈 축에 발생하는 정적인 비틀림 응력, 즉 평균 응력을 산출하며, 마그네틱 센서는 축 진동에 따른 비틀림 응력, 즉 응력 진폭을 측정하게 된다. 부하장치를 통해 부하를 인가하면 터빈축의 비틀림 응력이 커지도록 하여 비틀림 응력에 따른 피로 파괴 거동을 확인하였다.
이에 본 연구에서는 터빈-발전기를 축소화하고 임의 값의 부하를 인가할 수 있는 실험장치를 제작하였다. 실험 장치에 인가하는 비틀림 응력에 대해 응력-수명 평가법(Stress-Life method), 균열성장 평가법(Crack growth method), 변형률-수명 평가법(Strain-Life method) 등 세 가지 피로 수명 평가 방법을 활용하여 피로수명을 평가함으로써 다양한 관점에서 부하 여부에 따른 피로수명의 변화를 확인하고자 하였다.
실제 원자력 발전과 같이 스팀으로 터빈 축을 회전시키는 것이 어렵기 때문에 유압 모터를 이용하여 터빈을 회전시켜 발전하는 형태를 취하였다. 이때 토크센서, 마그네틱 센서를 부착하여 터빈 축에 인하되는 비틀림 응력을 측정하였다. 토크센서는 터빈 축에 발생하는 정적인 비틀림 응력, 즉 평균 응력을 산출하며, 마그네틱 센서는 축 진동에 따른 비틀림 응력, 즉 응력 진폭을 측정하게 된다.
터빈 축 재질인 SM45C의 응력-수명 선도(S-N curve)로부터 각 등가응력에서의 이론적 수명을 확인하고 이론적 수명과 실제 인가 횟수의 비를 합산하여 평가하는 누적손상지수를 확인하고 Fig. 4에 나타내었다.^(4,9,10) 부하가 없는 경우 0.

대상 데이터

터빈 축 재질은 탄소강 SM45C이며, 원자력 발전소와 동일하게 중공축의 형태로 제작하였다. 터빈 축의 외경, 내경, 길이는 각각 0.

데이터처리

10 kHz 샘플링으로 5초간 데이터를 취득하여 피로수명 평가를 진행하였다. 모든 계산 과정은 MicroSoft사의 Excel과 Mathworks사의 Matlab으로 진행하였다.

이론/모형

가변 응력에 대한 응력-수명 평가를 진행하기 위해서는 인가되는 가변 응력을 식 (2)의 Modified Goodman식을 이용하여 등가응력으로 변환한다.⁽⁸⁾
이에 반해 식 (3)의 Basquin-Coffin-Manson 식은 탄성변형과 함께 소성변형에 의한 수명 감소를 고려한다. 등가 응력에 따른 변형률 Basquin-Coffin-Manson 식에 대입하여 해당 수명을 산출하였다. (1,9)
측정 데이터에 대해 등가응력으로 변환하고 각 응력이 인가된 횟수를 평가하기 위하여 Rainflow counting 기법을 활용하였다.

성능/효과

(2) 세 가지 피로 수명 평가 방법으로 평가한 결과 평가 방법과 무관하게 부하의 크기가 증가하면서 수명이 감소하였다. 무부하에 비해 5 kV 부하가 인가되는 경우 약 10배의 피로수명 감소가 발생함을 확인하였다.
(4,9,10) 부하가 없는 경우 0.03 MPa 의 최대 등가 응력에서 약 4.54 × 10-69의 누적손상지수를 보이는 반면 3 kV의 부하가 인가되는 경우 0.032 MPa의 최대 등가 응력에서 5.76 ×10-69의 누적손상지수를 보이며, 5 kV 부하에서는 0.034 MPa의 최대 등가 응력에서 4.19 × 10-68의 누적손상지수를 보이고 있다.
외부에서 추가적인 부하를 인가하여 터빈 축에 인가하는 비틀림 응력을 변경하고자 하였고 성공적으로 비틀림 응력의 변화가 발생한 것을 확인하였다.
여기서 T는 토크, R은 축의 반지름, D와 d는 각각 중공축의 외경과 내경이다. 인가 부하의 크기가 증가하면서 뚜렷하게 비틀림 응력의 평균 및 진폭이 증가하였다. 부하 크기에 따른 비틀림 응력의 평균 및 진폭이 증가함을 알 수 있다.
터빈 재질인 NiMoV에 대해 기계적 물성을 확인하였고 인가하는 응력의 진폭이 다양한 조건에서의 균열 성장 속도를 확인하여 Fig. 1과 같이 실험 결과와 기존 문헌의 데이터를 비교하여 응력확대계수(ΔK, stress intensity factor)가 2.2 – 4.4 MPa√m 범위에 있을 때 균열 성장 조건이 됨을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	응력-수명 평가 시 고려하지 않는 변수는 무엇인가?	응력-수명 평가는 재료의 탄성 변형과 소성변형에 대해 고려하지 않고 응력이 개별적으로 파손에 미치는 영향을 평가한다. 이에 반해 식 (3)의 Basquin-Coffin-Manson 식은 탄성변형과 함께 소성변형에 의한 수명 감소를 고려한다.
	피로 수명 평가 방법을 이용하여 비틀림 응력이 피로수명에 미치는 영향을 평가한 결과는 무엇인가?	(2) 세 가지 피로 수명 평가 방법으로 평가한결과 평가 방법과 무관하게 부하의 크기가 증가하면서 수명이 감소하였다. 무부하에 비해 5 kV 부하가 인가되는 경우 약 10배의 피로수명 감소가 발생함을 확인하였다.
	원자력 발전의 터빈 발전기에서 발생한 응력 변화로 인하여 어떤 문제가 발생하는가?	원자력 발전에 사용되는 터빈-발전기는 일정한 토크와 함께 지속적으로 축 진동에 의한 응력 변화가 발생한다. 특히 운전 조건의 변화 및 단락 등의 갑작스러운 변화에 의해 터빈 축에 과다한 비틀림 응력이 인가되고 이러한 과다 비틀림 응력에 의해 터빈 축에 손상이 발생하며, 지속으로 손상이 발생하는 경우 손상이 누적되어 파괴가 발생하게 된다. (1) 하지만 이러한 비틀림 응력은 매우 일시적으로 산발적이며, 이로 인한 손상 역시 원자력 발전소 계획 예방 정비(Over Holl) 기간에 확인하는데 어려움이 있다.

참고문헌 (12)

Grigsby, L. L., 2007, Power System Stability and Control, CRC Press, pp. 16-18-16-19.
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상세보기
http://www.steel0.com/JIS_S45C.htm.
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상세보기
Park U. H., Lee H. W., Kim S. J., Lee C. R. and Kim J. H., 2007, "Stochastic Characteristics of Fatigue Crack Growth Resistance of SM45C Steel," International Journal of Automotive Technology, Vol. 8, pp. 623-628.

원문보기 상세보기
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Tsai J. I., 2008, "Long-Term Fatigue Life Expenditure of Turbine Shafts Owing to Noncharacteristic Harmonics Produced by Slip Energy Recovery Induction Motor Drives," Journal of Solid Mechanics and Materials Engineering, Vol. 2, No. 8, pp. 1146-1160.

상세보기
McKelvey S. A., Lee Y. L. and Barkey M. E, 2012, "Stress-Based Uniaxial Fatigue Analysis Using Methods Described in FKM-Guideline," Journal of Failure Analysis and Prevention, Vol. 12, pp. 445-484.

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Grigsby L. L., 2007, Power System Stability and Control, CRC Press, pp. 16-18-16-19.

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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