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논문 상세정보

실 운전조건을 고려한 가스터빈 블레이드 수명평가

Life Assessment of Gas Turbine Blade Based on Actual Operation Condition

초록

가스터빈 블레이드는 증기터빈 블레이드와 달리 냉각홀 및 냉각유로를 포함한 복잡한 형상으로 되어 있으며 복합화력의 운전특성에 따라 반복적이거나 지속적인 열-기계 하중 조건 하에서 운전된다. 따라서 블레이드는 운전시간에 따라 균일하지 못한 온도 분포나 응력 분포를 보이며, 이는 크리프나 열-기계피로 손상을 유발하며, 결국 가스터빈 블레이드의 수명을 단축시킨다. 결국 다양한 운전 조건에 따라 발생하는 응력을 정확하게 계산하는 것은 설비의 신뢰성을 보장하고 나아가 블레이드와 같은 고온 부품의 정확한 수명을 평가하는데 무엇보다 중요하다. 최근 들어 컴퓨터 기능이 좋아지고 상용 소프트웨어의 성능이 향상되어 실증 시험에 대한 대안으로 유동, 열 및 구조해석을 연결하는 전산해석이 많이 사용되고 있다. 본 논문에서는 가스터빈 실 운전조건을 고려하여 유동-열-구조 해석 기법을 연계하는 유체-구조 연성해석을 통해 블레이드 온도 및 응력분포를 계산하였다. 또한 해석 결과를 토대로 대표적인 손상기구인 크리프 및 열-기계 피로 손상 모델을 이용하여 블레이드의 수명을 평가하였다.

Abstract

Gas turbine blades that have complex geometry of the cooling holes and cooling passages are usually subjected to cyclic and sustained thermal loads due to changes in the operating characteristic in combined power plants; these results in non-uniform temperature and stress distributions according to time to gas turbine blades. Those operation conditions cause creep or thermo-mechanical fatigue damage and reduce the lifetime of gas turbine blades. Thus, an accurate analysis of the stresses caused by various loading conditions is required to ensure the integrity and to ensure an accurate life assessment of the components of a gas turbine. It is well known that computational analysis such as cross-linking process including CFD, heat transfer and stress analysis is used as an alternative to demonstration test. In this paper, temperatures and stresses of gas turbine blade were calculated with fluid-structural analysis integrating fluid-thermal-solid analysis methodologies by considering actual operation conditions. Based on analysis results, additionally, the total lifetime was obtained using creep and thermo-mechanical damage model.

질의응답 

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핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
가스터빈 블레이드
가스터빈 블레이드가 가스터빈에 어떠한 영향을 미치는가?
기동 시 고온고압의 가스와 직접 접촉하게 되고 고속으로 회전하게 되는 등 혹독한 환경에 노출되어 있어 가스터빈의 성능과 수명에 상당한 영향을 미치게 된다

대용량 가스터빈 유지보수에서 핵심 부품인 블레이드는 기동 시 고온고압의 가스와 직접 접촉하게 되고 고속으로 회전하게 되는 등 혹독한 환경에 노출되어 있어 가스터빈의 성능과 수명에 상당한 영향을 미치게 된다. 따라서 가스터빈 블레이드를 설계하기 위해서는 충분한 강도를 가진 재질을 선정하여 온도 및 시간 변화에 따른 재료 특성 변화는 물론 응력 및 변형에 대한 해석을 통해 기계적 성질 변화와 대하여 고찰할 필요가 있다.

블레이드
가스터빈 블레이드가 운전시간에 따라 균일하지 못한 온도 분포나 응력 분포를 보이는 이유는 무엇인가?
가스터빈 블레이드는 증기터빈 블레이드와 달리 냉각홀 및 냉각유로를 포함한 복잡한 형상으로 되어 있으며 복합화력의 운전특성에 따라 반복적이거나 지속적인 열-기계 하중 조건 하에서 운전된다

가스터빈 블레이드는 증기터빈 블레이드와 달리 냉각홀 및 냉각유로를 포함한 복잡한 형상으로 되어 있으며 복합화력의 운전특성에 따라 반복적이거나 지속적인 열-기계 하중 조건 하에서 운전된다. 따라서 블레이드는 운전시간에 따라 균일하지 못한 온도 분포나 응력 분포를 보이며, 이는 크리프나 열-기계피로 손상을 유발하며, 결국 가스터빈 블레이드의 수명을 단축시킨다.

가스터빈 수명평가
가스터빈 수명평가에서 가장 중요한 부분은 무엇인가?
블레이드 내부 및 표면의 온도를 정확하게 예측하는 것

가스터빈 수명평가를 위해 가장 중요한 부분은 블레이드 내부 및 표면의 온도를 정확하게 예측하는 것이다.(2) 본 연구에서는 유동해석에서 구한 온도와 압력값을 이용해 블레이드 표면과 인접한 유동의 열전달계수를 다시 계산하고, 별도로 내부 냉각유로에 대해서는 유로 형상에 대한 실험식을 사용해 열전달계수를 계산하였다.

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