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문제 정의
- 이 연구를 바탕으로 실제로 추력 조절기에 열차폐 코팅을 적용시키기 위한 연구를 수행 중이며, 실제 모델에서 열차폐 코팅의 내구성과 열부하 저감 효과를 검증할 계획이다. 또한 더 나아가 추력 조절기에서 구동기로의 열전달량을 감소시켜 추력 조절기를 경량화 하고자 한다.
- 본 연구에서는 고온 고압의 운전환경에서 작동하는 추력조절기의 무게를 경량화하기 위한 방법으로 열차폐 코팅을 추력조절기에 적용하고자 하였고, 또한 코팅층의 두께에 따른 열차폐 효과를 해석적으로 확인하고자 하였다. 정상상태 유동해석에서 노드별 유동정보를 도출하여 추력 조절기 외부에 적용하고, 열차폐 코팅을 모사하기 위한 물리적인 격자를 생성하여 천이 열전도 해석을 수행하였다.
- 또한 추력 조절기를 통해 구동기로 전달되는 열도 구동기의 파손을 야기할 수 있기 때문에 설계 시점에서 고려되어야 한다. 본 연구에서는 고온고압 환경에 노출된 추력 조절기의 열부하 감소를 위해 열차폐 코팅 (Thermal Barrier Coating)을 추력 조절기 표면에 적용하고, 열 차폐 코팅의 두께에 따른 추력 조절기의 온도 감소 효과를 연구하였다.
- 본 연구에서는 수치해석적으로 열차폐 코팅을 추력 조절기 표면에 모사하여 코팅의 두께에 따른 추력 조절기 내부로의 열차폐 효과를 확인하고자 하였다. 열 차폐 코팅이란 열전도도가 낮은 세라믹 소재를 금속모재에 코팅하여 열차폐 층을 형성시키는 냉각기법으로 고온 부품에 적용되는 기술이며, 실제 가스터빈의 블레이드나 연소기 등에 널리 적용되고 있다.
가설 설정
- 유로의 입구조건은 연소실의 전압력을 적용하였으며, 출구조건은 외기압력을 사용하였다. 또한 벽면조건은 열전달계수를 구하기 위한 정온조건을 적용하였으며, 사용되는 유체는 이상기체라는 가정하에 해석을 진행하였다. 계산에 사용된 유체의 물성치와 경계조건은 Table 1, Fig.
- 본 연구에서도 지르코니아 계열인 이트륨-지르코늄혼합물인 8 mol% YSZ의 물성치를 적용하였으며 온도 변화에 상관없이 일정하다고 가정하였다[10]. Fig.
- 4는 계산에 사용된 격자의 모양을 나타내었으며, 유동 도메인과 마찬가지로 비정렬 격자로 구성하였다. 추력 조절기의 재료는 텅스텐-레늄 합금을 사용하였으며, 물성치는 온도의 변화에 상관없이 일정하다고 가정하였다.
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