이두영
(KEPCO Research Institute, Korea Electric Power Corporation)
,
구재량
(KEPCO Research Institute, Korea Electric Power Corporation)
,
김두수
(KEPCO Research Institute, Korea Electric Power Corporation)
,
김동환
(KEPCO Research Institute, Korea Electric Power Corporation)
$1100^{\circ}C$급 가스터빈 동익의 국산화 개발품에 대한 신뢰성을 무고장시험법에 의해 평가하였다. 터빈 동익은 기동, 정지 중에 발생하는 공진 또는 유체유발진동을 겪는 등 터빈 운전 중 상시 다양한 동하중에 노출되어 있으며, 이러한 변동하중은 터빈 동익에 고주기피로손상을 초래한다. 특히 동익의 파손에 의한 사고는 타 설비로의 파급이 크고, 막대한 경제적 피해를 야기하기 때문에, 발전소의 안정적인 운전을 위해 동익의 신뢰성이 우선 검증되어야 한다. 동익에 균열을 일으키기 위해서 전자식 가진기를 이용하여 공진에 의한 증폭된 동하중을 부과하였다. 가스터빈 동익의 수명분포를 와이블 분포로 가정하여 를 시험 시간을 계산하고, 시료 1개의 고장을 허용하는 조건으로 총 5개의 개발품을 대상으로 시험을 수행하여, 개발품 동익의 목표 수명을 90% 신뢰도로 보증할 수 있다는 것을 90% 신뢰수준에서 확인하였다.
$1100^{\circ}C$급 가스터빈 동익의 국산화 개발품에 대한 신뢰성을 무고장시험법에 의해 평가하였다. 터빈 동익은 기동, 정지 중에 발생하는 공진 또는 유체유발진동을 겪는 등 터빈 운전 중 상시 다양한 동하중에 노출되어 있으며, 이러한 변동하중은 터빈 동익에 고주기피로손상을 초래한다. 특히 동익의 파손에 의한 사고는 타 설비로의 파급이 크고, 막대한 경제적 피해를 야기하기 때문에, 발전소의 안정적인 운전을 위해 동익의 신뢰성이 우선 검증되어야 한다. 동익에 균열을 일으키기 위해서 전자식 가진기를 이용하여 공진에 의한 증폭된 동하중을 부과하였다. 가스터빈 동익의 수명분포를 와이블 분포로 가정하여 를 시험 시간을 계산하고, 시료 1개의 고장을 허용하는 조건으로 총 5개의 개발품을 대상으로 시험을 수행하여, 개발품 동익의 목표 수명을 90% 신뢰도로 보증할 수 있다는 것을 90% 신뢰수준에서 확인하였다.
The reliability on high cycle fatigue damage mechanism for new blades manufactured by reverse-engineering is demonstrated by success-run test. Turbine blades always experience various dynamic loads in turbine operation, as well as being in resonance condition and forced by fluid-induced vibrations m...
The reliability on high cycle fatigue damage mechanism for new blades manufactured by reverse-engineering is demonstrated by success-run test. Turbine blades always experience various dynamic loads in turbine operation, as well as being in resonance condition and forced by fluid-induced vibrations mostly during run-up/down, which may accumulate high cycle damage to the blades. The accidents caused by blade failure especially incur not only a lot of troubles to the machinery but also huge financial losses. Therefore it is necessary to verify the reliability of blades in advance for the safe use. The success run test for the reliability demonstration is designed and performed for the new blades using the technique known as resonant high cycle fatigue testing.
The reliability on high cycle fatigue damage mechanism for new blades manufactured by reverse-engineering is demonstrated by success-run test. Turbine blades always experience various dynamic loads in turbine operation, as well as being in resonance condition and forced by fluid-induced vibrations mostly during run-up/down, which may accumulate high cycle damage to the blades. The accidents caused by blade failure especially incur not only a lot of troubles to the machinery but also huge financial losses. Therefore it is necessary to verify the reliability of blades in advance for the safe use. The success run test for the reliability demonstration is designed and performed for the new blades using the technique known as resonant high cycle fatigue testing.
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문제 정의
본 논문은 국산화 개발을 통해 제작된 동익이 고주 기피로 손상기구 측면에서 요구되는 신뢰성을 갖는지를 무고장시헙법을 통해 입증하는 것을 목적으로, 이를 위해 수행된 공진형 가진시험, 유한요소해석, 무고장시험 설계 및 평가 등 시험평가 전반에 대해 기술하였다.
가설 설정
동익의 수명이 통상 기계류 부품과 같이 와이블 분포를 따르고, 형상모수 β는 동일 제품이나 유사 품목의 값과 유사하다는 가정하에, 본 시험에서는 일반적으로 알려진 터빈과 압축기의 형상모수를 참조하여 형상모수를 2.0으로 적용하였다 [5].
제안 방법
6과 같이 경계조건을 시험 조건과 동일하게 플랫폼 양면을 구속하였으며, 사면체요소를 이용하였고, 실제품의 평균 무게와 동일하도록 밀도를 조정하였다. 1차 굽힘모드의 고유진동수가 측정값과 동일하도록 탄성계수를 설정하였다.
동익의 연구 개발 단계이기 때문에 제작 수량이 한정되어 많은 수의 시료를 사용할 수 없는 상황으로, 총 시료개수가 5개, 이 중에서 1개만의 고장을 허용하는 조건으로, 90% 신뢰수준에서의 목표 수명을 90% 신뢰도로 보증할 수 있는지를 시험하였다. 목표 수명과 시험 하중 조건은 국내 동익 제작사에서의 고주기피로 강도 요구 조건으로 알려진 140 MPa에서의 2×107 싸이클을 기준으로 적용하였다.
동익의 응력분포를 계산하기 위하여 유한요소해석을 수행하였다. 진동 분석을 포함하여 동익의 기계적 특성을 평가하기 위해서는 시험과 전산해석을 상호 보완적으로 활용하는 것이 효과적이며, 시험 결과를 기초로 해석 모델을 개선하는 것이 필요하다 [3].
상기와 같이 완성된 유한요소모델을 이용하여 응력 해석을 수행하였다. 하중 조건으로 레이저 변위계가 지시하는 동익 끝단의 진동응답 측정점에 해당하는 유한 요소모델의 절점에 강제 변위 0.
압전식 가속도계를 고정지그에 부착하여 가진 신호 의 주파수와 크기를 제어하고, 비접촉식 레이저 변위계가 사용하여 동익 끝단에서의 공진 응답을 계측하였다. 동익 끝단의 진동응답이 중력가속도의 수백 배에 이르고, 부가질량으로 인한 특성 변화를 피하기 위해 비접촉식 센서를 사용할 필요가 있다.
역설계에 기반한 국산화를 통해 제작된 1100°C급 가스터빈 동익의 고주기피로손상에 대한 내구성을 검증하기 위해 무고장시험법에 의한 신뢰도 시험을 설계하였다.
진동 분석을 포함하여 동익의 기계적 특성을 평가하기 위해서는 시험과 전산해석을 상호 보완적으로 활용하는 것이 효과적이며, 시험 결과를 기초로 해석 모델을 개선하는 것이 필요하다 [3]. 유한요소해석은 Fig. 6과 같이 경계조건을 시험 조건과 동일하게 플랫폼 양면을 구속하였으며, 사면체요소를 이용하였고, 실제품의 평균 무게와 동일하도록 밀도를 조정하였다. 1차 굽힘모드의 고유진동수가 측정값과 동일하도록 탄성계수를 설정하였다.
역설계에 기반한 국산화를 통해 제작된 1100°C급 가스터빈 동익의 고주기피로손상에 대한 내구성을 검증하기 위해 무고장시험법에 의한 신뢰도 시험을 설계하였다. 전자식 진동 가진기를 활용한 공진형 가진시험을 수행하여, 공진에 의한 동하중을 부과하여 동익에 피로 손상을 누적시켰다. 동익 개발품 1개의 고장을 허용하는 조건으로, 총 5개의 시료를 대상으로 시험을 수행하여, 개발품 동익이 2×107 싸이클의 목표 수명을 90% 신뢰도로 보증할 수 있다는 것을 90% 신뢰수준에서 확인하였다.
대상 데이터
목표 수명과 시험 하중 조건은 국내 동익 제작사에서의 고주기피로 강도 요구 조건으로 알려진 140 MPa에서의 2×107 싸이클을 기준으로 적용하였다.
이론/모형
공진형 가진시험을 수행하기 위해 필요한 동익의 고유진동수를 정현파 스위프(sine sweep) 기법으로 측정하였다. Fig.
성능/효과
동익 개발품 1개의 고장을 허용하는 조건으로, 총 5개의 시료를 대상으로 시험을 수행하여, 개발품 동익이 2×107 싸이클의 목표 수명을 90% 신뢰도로 보증할 수 있다는 것을 90% 신뢰수준에서 확인하였다.
후속연구
가스터빈 동익, 정익 등의 고온부품에 대한 국산화 개발 요구는 지속적으로 증가하고 있지만, 개발품에 대한 신뢰성 입증의 어려움으로 최종사용자의 활용이 극히 제한되어 있다. 향후 국산화 개발품의 실제적인 활용을 제고하기 위해서는 동익에 대한 신뢰성 시험 방법, 기준에 대한 객관적인 자료가 마련되어야 하고, 아울러 충분한 시료에 대해 체계적인 시험을 지속적으로 수행하여 제품의 신뢰도를 증대시키는 것이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
공진형 가진시험이란?
공진형 가진시험은 일반적으로 외팔보 또는 판형 구조를 갖는 시편의 일단을 진동가진기의 진동부에 고정하고, 시편의 특정 고유진동수로 가진하여 공진시키는 기법으로, 시편은 공진으로 인해 관성력이 증폭되어 큰 동하중이 시편에 가해진다. 이러한 동하중 조건에서 부과된 응력과 균열 발생 시점까지의 시간 또는 주기 (cycle)를 측정함으로써, 응력과 수명의 관계를 도출할 수 있다. 공진형 가진시험법은 일반적으로 수행되는 시험편의 인장, 압축에 의한 피로시험법이나 회전 피로시험방법과 같이 소재의 피로수명을 측정하기 위한 다양한 시험 중 하나이며, 시간적, 경제적으로 유리한 장점 이 있다 [2].
국내 발전사가 가스터빈 동익 전량을 수입에 의존하는 이유는?
국내에서도 발전기술 확보와 운영비용절감을 위한 정책의 일환으로 일부 동익에 대해서는 지속적인 연구 개발을 통해 역설계에 기반한 국산화를 추진하고 있다. 한편 제품의 치수를 비롯한 금속학적 성질, 기계적 강도 등의 소재 특성에 기초하여 원제작사의 제품 대비 동격 이상의 품질을 확보했음에도 불구하고, 발전사에서는 국산화 제품의 사용으로 인한 만일의 사고 발생시 초래되는 막대한 손실을 감수하고 터빈에 장착하기에는 여전히 경제적, 정책적인 제약이 존재하고 있다. 이러한 현실적 우려는 근본적으로 국산화된 동익의 신뢰성과 관계되어 있기 때문에, 제품의 신뢰도를 제고하는 것이 가 장 효과적인 해결책이 될 것이다.
가스터빈 동익에서 발생하는 고주기피로의 발생 원인은?
가스터빈 동익의 파손을 일으키는 주요 손상 기구 중 하나는 고주기피로이며, 터빈 운전시 다양한 동하중에 의해 상시 가진되는 동익의 진동과 기동 정지 중에 발생 가능한 공진 또는 유체유발진동 등에 의해 유발되는데, 동익은 이러한 동하중에 충분한 내구성을 갖도록 설계, 제작되어야 한다 [1]. 본 논문은 국산화 개발을 통해 제작된 동익이 고주 기피로 손상기구 측면에서 요구되는 신뢰성을 갖는지를 무고장시헙법을 통해 입증하는 것을 목적으로, 이를 위해 수행된 공진형 가진시험, 유한요소해석, 무고장시험 설계 및 평가 등 시험평가 전반에 대해 기술하였다.
참고문헌 (5)
J. S. Rao, "Turbomachine Blade Vibration", New Age International (P) Limited. 1997.
D. Y. Lee, B. S. Kim, Y. H. Kim, C. H. Cho and J. R. Goo, "Resonant HCF Testing for Determination of Fatigue Strength", Proceedings of the KSNV Annual spring conference, 2014, pp240-241.
D. Y. Lee, Y. C. Bae, H. S. Kim, Y. R. Lee, and D. Y. Kim, "Vibration Analysis for the L-1 Stage Bladed-disk of a LP Steam Turbine", Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 20, No. 1, 2010, pp. 29-35.
A. Gerokostopoulos, H. Guo, and E. Pohl, "Determining the Right Sample Size for Your Test: Theory and Application", 2015 Annual Reliability and Maintainability Symposium, 2015, Tutorial Notes.
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