이두영
(KEPCO Research Institute, Korea Electric Power Corporation)
,
김두수
(KEPCO Research Institute, Korea Electric Power Corporation)
,
손태하
(KEPCO Research Institute, Korea Electric Power Corporation)
,
구재량
(KEPCO Research Institute, Korea Electric Power Corporation)
가스터빈 동익에 대한 지속적인 국산화 개발이 추진되어, 국내 정밀 주조 기술을 향상시키고, 동익의 유지 보수 비용을 낮추는 등의 직간접적인 긍정적 효과를 가져왔지만, 여전히 국산화 개발품이 발전소에서 안정적인 실사용이 가능한지에 대한 우려가 존재한다. 향상된 소재와 주조기술을 바탕으로 조직학적, 기계적 성질에서 충분한 품질을 확보하였더라도, 개발품을 대상으로 다양한 신뢰성 검증이 요구되는 이유이다. 고속회전시험기는 로터, 디스크 등의 회전체에 원심력을 가하여, 이에 따른 제품의 특성을 분석하기 위한 시험장비로 일반적으로 과속도시험을 통한 최종적인 품질검사에 주로 사용된다. 본 논문에서는 전력연구원에 구축된 고속회전시험기를 활용한 가스터빈 동익에 대한 과속도시험을 포함한 저주기피로시험 사례를 중심으로 신뢰성 시험 및 평가 결과를 기술하였다.
가스터빈 동익에 대한 지속적인 국산화 개발이 추진되어, 국내 정밀 주조 기술을 향상시키고, 동익의 유지 보수 비용을 낮추는 등의 직간접적인 긍정적 효과를 가져왔지만, 여전히 국산화 개발품이 발전소에서 안정적인 실사용이 가능한지에 대한 우려가 존재한다. 향상된 소재와 주조기술을 바탕으로 조직학적, 기계적 성질에서 충분한 품질을 확보하였더라도, 개발품을 대상으로 다양한 신뢰성 검증이 요구되는 이유이다. 고속회전시험기는 로터, 디스크 등의 회전체에 원심력을 가하여, 이에 따른 제품의 특성을 분석하기 위한 시험장비로 일반적으로 과속도시험을 통한 최종적인 품질검사에 주로 사용된다. 본 논문에서는 전력연구원에 구축된 고속회전시험기를 활용한 가스터빈 동익에 대한 과속도시험을 포함한 저주기피로시험 사례를 중심으로 신뢰성 시험 및 평가 결과를 기술하였다.
The long-term research and development for the production of domestic blades has been consistently performed. As the direct and indirect results of its nationwide technologies in precision casting have been improved as well as maintenance costs for turbine machinery has been reduced. Whereas, there ...
The long-term research and development for the production of domestic blades has been consistently performed. As the direct and indirect results of its nationwide technologies in precision casting have been improved as well as maintenance costs for turbine machinery has been reduced. Whereas, there are still not a few concerns about the reliability of newly manufactured blades in spite of the quality certificate in metallurgical and mechanical properties. A spin tester is a machine that gives centrifugal loading to a rotating part, and its practical application is the overspeed test that is usually used to check the quality of products. A new spin rig has been constructed in KEPCO Research Institute for the purpose of evaluating the reliability of blades. In this paper, the test methodology for low cycle fatigue damage mechanism as well as the overspeed test for newly developed blades is described, and their reliability is evaluated too.
The long-term research and development for the production of domestic blades has been consistently performed. As the direct and indirect results of its nationwide technologies in precision casting have been improved as well as maintenance costs for turbine machinery has been reduced. Whereas, there are still not a few concerns about the reliability of newly manufactured blades in spite of the quality certificate in metallurgical and mechanical properties. A spin tester is a machine that gives centrifugal loading to a rotating part, and its practical application is the overspeed test that is usually used to check the quality of products. A new spin rig has been constructed in KEPCO Research Institute for the purpose of evaluating the reliability of blades. In this paper, the test methodology for low cycle fatigue damage mechanism as well as the overspeed test for newly developed blades is described, and their reliability is evaluated too.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 논문에는 국산화된 신규 동익을 대상으로 수행한 신뢰성 시험에 대해 기술하였다. 고속회전시험기를 활용하여 과속도 시험과 저주기피로시험을 수행하였으며, 터빈 기동, 정지에 따라 변동하는 원심하중을 모사한 저주기피로시험은 무고장 시험법에 의해 목표 수명을 보장하는지 확인하였다.
가설 설정
Table 2와 같이 수립하였다. 거의 매일 기동과 정지를 반복하고 약 2년 사용 후 점검한다는 가정으로 800회의 기동정지 횟수를 목표 수명으로 설정하였다. 현 시점은 제품이 다량 생산되지 않는 상황으로 제한된 시료 수량을 감안하여, 신뢰수준 90%에서 신뢰도 목표 90%를 만족하는지를 시험하였다.
총 4개의 시료를 대상으로 하나의 고장도 허용하지 않는 조건에서 계산된 무고장시험 시간은 1, 870회이다. 여기서 Weibull 분포의 형상모수는 2로 가정하였다.
제안 방법
4와 같이 Inconel718 소재로 제작하였다. 가공 후 비파괴검사를 통해 내외부 결함 유무를 확인하였고, 아울러 디스크에 대한 과속도 시험을 4, 320 rpm에서 수행하여 제작 품질을 확인하였다.
고속회전시험기는 로터, 디스크 등의 부품을 회전시켜 원심력을 부과하고, 이에 따른 부품의 특성을 시험, 분석하기 위한 기기로, 본 시험에서는 과속도시험과 저주기피로시험에 사용하였다. 일반적인 고속회전시험기의 구조를 Fig.
시험에 대해 기술하였다. 고속회전시험기를 활용하여 과속도 시험과 저주기피로시험을 수행하였으며, 터빈 기동, 정지에 따라 변동하는 원심하중을 모사한 저주기피로시험은 무고장 시험법에 의해 목표 수명을 보장하는지 확인하였다.
동익의 검사는 에어포일의 앞전 (leading edge), 뒷전 (trailing edge), 플랫폼과 루트부의 만곡부를 중점적으로 검사하였다. 위상배열초음파검사 및 초음파검사 결과, 4개의 시험동익의 모든 영역에서 동익 내부에서의 결함은 발견되지 않았다.
11■과 같이 형광침투검사 (Fluorescent penetrant inspection)를 수행하였다. 동익의 에어포일과 루트를 포함하여 모든 표면을 대상으로 형광액 침투와 현상액 도포 후, 자외선 조사를 통해 균열 발생 여부를 관찰하였다. 동익 표면의 형광 침투검사 결과, 미세 균열 등의 결함은 발견되지 않았다.
디스크는 Fig. 3와 같이 디스크 본체와 스핀들의 조립을 위한 커플링을 중간에 두었고, 동익 루트의 상면이 균일하게 접촉할 수 있도록 터빈 휠 후크 (hook) 형상에 따라 제작하였다. 시험이 소량의 동익을 대상으로 하고, 유한요소해석을 통해 충분한 강도를 갖도록 최대 8개까지 동익을 끼울 수 있도록 설계하였다.
3와 같이 디스크 본체와 스핀들의 조립을 위한 커플링을 중간에 두었고, 동익 루트의 상면이 균일하게 접촉할 수 있도록 터빈 휠 후크 (hook) 형상에 따라 제작하였다. 시험이 소량의 동익을 대상으로 하고, 유한요소해석을 통해 충분한 강도를 갖도록 최대 8개까지 동익을 끼울 수 있도록 설계하였다. 회전 중 동익의 고정을 위해 Fig.
총 1, 870회의 반복 운전 시험을 완료한 후, 모든 시험 품에 대해서 동익 내부의 균열 등 이상 상태를 확인하기 위해서 2차원 단면 검사가 가능한 위상배열초음파검사 [Phased array ultrasonic test) 및 초음파검사 (Manual ultrasonic test) 를 Fig. 9와 같이 수행하였다.
한편 동익 표면에서의 결함의 존재 여부를 확인하기 위해 Fig. 11■과 같이 형광침투검사 (Fluorescent penetrant inspection)를 수행하였다. 동익의 에어포일과 루트를 포함하여 모든 표면을 대상으로 형광액 침투와 현상액 도포 후, 자외선 조사를 통해 균열 발생 여부를 관찰하였다.
거의 매일 기동과 정지를 반복하고 약 2년 사용 후 점검한다는 가정으로 800회의 기동정지 횟수를 목표 수명으로 설정하였다. 현 시점은 제품이 다량 생산되지 않는 상황으로 제한된 시료 수량을 감안하여, 신뢰수준 90%에서 신뢰도 목표 90%를 만족하는지를 시험하였다. 총 4개의 시료를 대상으로 하나의 고장도 허용하지 않는 조건에서 계산된 무고장시험 시간은 1, 870회이다.
시험이 소량의 동익을 대상으로 하고, 유한요소해석을 통해 충분한 강도를 갖도록 최대 8개까지 동익을 끼울 수 있도록 설계하였다. 회전 중 동익의 고정을 위해 Fig. 3의 단면과 같이동익이 밑쪽으로 빠지지 않도록 받칠 수 있는 치구를 제작하였다.
대상 데이터
아울러 본 시험기는 자체 발란싱 기능을 구비하고 있어 전용 발란싱 기기를 이용한 작업에 소요되는 비용과 시간을 절감할 수 있는 장점이 있다. 고속회전시험기를 이용하여 l, 10(FC급 가스터빈 동익 1 단 국산화 개발품을 대상으로 과속도시험과 저주 기피로 시험을 완료하였다. 고속회전시험을 통해 개발품이 충분한 강도를 가지며, 원심하중의 변동에 의한 저주기피로 손상기구에 대해서, 목표수명 800회를 90% 신뢰수준에서 90%의 신뢰도로 보증할 수 있다는 것을 무고장시험을 통해 확인하였다.
5와 같이 역설계에 기반한 국산화 제품으로 LIOOT급 가스터빈의 1단 동익이다. 동익 재질은 Ni 계열의 Inconel738이다. 시험에 사용된 개발품은 표면 결정립 분석, 미세조직 분석 및 기계적 특성 평가 등 품질 검사를 통과한 양품으로, OEM 부품 대비 동등 이상의 품질을 확보한 것이다.
디스크는 고온에서도 사용할 수 있도록 Fig. 4와 같이 Inconel718 소재로 제작하였다. 가공 후 비파괴검사를 통해 내외부 결함 유무를 확인하였고, 아울러 디스크에 대한 과속도 시험을 4, 320 rpm에서 수행하여 제작 품질을 확인하였다.
시험 대상 동익은 Fig. 5와 같이 역설계에 기반한 국산화 제품으로 LIOOT급 가스터빈의 1단 동익이다. 동익 재질은 Ni 계열의 Inconel738이다.
동익 재질은 Ni 계열의 Inconel738이다. 시험에 사용된 개발품은 표면 결정립 분석, 미세조직 분석 및 기계적 특성 평가 등 품질 검사를 통과한 양품으로, OEM 부품 대비 동등 이상의 품질을 확보한 것이다.
성능/효과
고속회전시험기를 이용하여 l, 10(FC급 가스터빈 동익 1 단 국산화 개발품을 대상으로 과속도시험과 저주 기피로 시험을 완료하였다. 고속회전시험을 통해 개발품이 충분한 강도를 가지며, 원심하중의 변동에 의한 저주기피로 손상기구에 대해서, 목표수명 800회를 90% 신뢰수준에서 90%의 신뢰도로 보증할 수 있다는 것을 무고장시험을 통해 확인하였다.
과속도시험 직후에는 동익과 디스크에 대해 형광 침투검사 (FPI), 초음파검사 (UT], 위상배열초음파검사 (PAUTJ를수행하여 이상이 없음을 확인하였다.
위상배열초음파검사 및 초음파검사 결과, 4개의 시험동익의 모든 영역에서 동익 내부에서의 결함은 발견되지 않았다. Fig.
8에 나타내었다. 축진동은 60 呻 수준으로 양호하게 나타났고, 베어링 오일도 최대 50°C 내외로 정상적으로 유지되었다.
후속연구
향후 고속회전 시험기는 고온가열장치 (radiation heater), 슬립링 (slip ring)을 활용한 동익 스트레인 계측 BTT (Blade Tip Timing) 기반 진동 계측 시스템 등의 설비를 추가하여 고온 환경의 응력 계측 및 진동 시험을 포함한 다양한 방식의 신뢰성 시험을 수행할 예정이다.
참고문헌 (4)
A. Sayir, "Modeling Spin Testing Using Location Specific Material Properties", Air Force STTR Contract FA9550-10-C-0056, 2012.
T. H. McCloskey, R. B. Dooley, W. P. McNaughton, "Turbine Steam Path Damage: Theory and Practice", EPRI, 1999.
A. Gerokostopoulos, H. Guo, and E. Pohl, "Determining the Right Sample Size for Your Test: Theory and Application", 2015 Annual Reliability and Maintainability Symposium Tutorial Notes, 2015.
D. Y. Lee, "Introduction of a Spin Tester for the Reliability Test of Gas Turbine Blades", KEPCO RI TM-PD201400055, 2014.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.