[논문]상용 유한요소 해석 프로그램을 이용한 가스터빈 간극 설계의 가시화 방법

한도원; 김영춘; 김경천

doi:10.5407/jksv.2019.17.1.078

상용 유한요소 해석 프로그램을 이용한 가스터빈 간극 설계의 가시화 방법
Visualization method of Clearance Design of Gas Turbine using Commercial Finite Element Analysis program 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.17 no.1, 2019년, pp.78 - 84

한도원 (GT System Integration Team, Doosan Heavy Industries & construction) , 김영춘 (GT System Integration Team, Doosan Heavy Industries & construction) , 김경천 (School of Mechanical Engineering, Pusan National University)

Abstract ▼ AI-Helper

A gas turbine is the main equipment of a power plant that generates electricity by high-speed rotation of the rotor in a high-temperature environment. In particular, in the case of medium to large-sized gas turbines, the rotor is composed of a plurality of stages, and each component is exposed to different physical environments. Especially, in the case of the tip clearance of the turbine, it is a very important factor in the performance of the design items and the operation of the stable turbine, and a design considering the physical behavior of all major parts should be done. In this study, we will discuss the process of visualizing the physical behavior of turbine operating conditions and the method of designing tip clearance for stable operation by using commercial finite element analysis program for gas turbine assembly model and single product.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1. Configuration of industrial gas turbine
그림 Fig. 2. Convection coefficient change of main flow path and bearing housing.
그림 Fig. 3. Convection Temperature change of main flow path and bearing housing.
그림 Fig. 4. Applied thermal boundary condition for heat transfer analysis.
그림 Fig. 5. Concept of consideration of mechanical load.
그림 Fig. 6. Analysis process for clearance design.
그림 Fig. 7. 2D Rotor FEM model for transient thermal-structural analysis.
그림 Fig. 8. 3D Stationary parts FEM model for transient thermal-structural analysis.
그림 Fig. 9. 3D blade and vane FEM model for transient thermal-structural analysis.
그림 Fig. 10. Temperature contour result of stationary parts.
그림 Fig. 11. Displacement contour result of Stationary parts
그림 Fig. 12. Temperature contour result of blade
그림 Fig. 13. Displacement contour result of blade
그림 Fig. 14. Temperature contour result of rotor
그림 Fig. 15. Displacement contour result of rotor
그림 Fig. 16. Calculation concept of interaction of axial and radial displacement.
그림 Fig. 17. Calculation concept of radial displacement of stationary parts.
그림 Fig. 18. Time history displacement result from shutdown to full speed full load condition.
그림 Fig. 19. Clearance design concept.

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

특히 가스터빈의 Tip Clearance 의 경우 Lee⁹⁾, Seo¹⁰⁾ 에서 다룬 내용과 같이 작동 유체의 유동 흐름에 대한 Leakage 량에 영향을 미치므로 터빈의 성능 및 안정적인 운전을 위해 매우 중요한 인자이며, 모든 주요 Parts 에 대한 물리적 거동에 대해 복합적으로 고려한 설계가 이루어져야 한다. 본 연구에서는 산업용 가스터빈에 대해 상용 유한요소해석 Tool, ANSYS V19.0 을 이용하여 터빈의 운전조건에 대한 물리적 거동을 가시화 하는 과정과 안정적인 운전을 위한 Tip clearance 설계 방법에 대해 논하고자 한다.

가설 설정

5. Concept of consideration of mechanical load.

제안 방법

1) 상용 FEM program 을 이용하여 가스터빈의 Clearance 설계를 위한 수치결과들의 가시화 방법에 대한 연구를 수행하였다.
4는 정상운전 상태의 Convection bulk temperature 를 나타내는 Contour plot 이며, 터빈 입구 단에서 최대 1143 ℃ 에서 최소 15 ℃ 범위 수준으로 각 위치 별 상대적인 열하중의 크기 차이를 확인할 수 있다. 각 위치에 대한 시간에 따른 열하중 변화는 해석상의 입력값으로 적용되어 과도 열전달해석을 수행하였다.
Rotor 의 경우 하중이 축대칭 형태로 적용되며, 열 및 변위거동 또한 축대칭 형태로 나타날 것으로 예상되어 2D Axi-symmetry 모델이 과도 열구조 연성해석에 적용되었으며, Stationary parts 와 Blade 및 Vane 의 경우 기하형상이 축대칭에 해당하지 않고, 비대칭적인 변위거동 또한 고려되어야 하기 때문에 3D 모델이 적용되었다. 모델의 Node 및 Element 수는 단위 모델당 800,000 개가 넘지 않도록 구성하고, 그 이상의 Node 가 필요할 경우 Partial model 로 분할하여 단위모델 당 1일 이내에 결과를 확인할 수 있도록 해석을 수행하였다. 본 연구에 사용된 해석장비는 Intel(R) Xeon(R) 3.
Clearance 설계는 상용코드를 이용한 열구조해석의 변위 결과를 분석하여 이루어진다. 열 및 기계적 하중의 시간에 따른 변화에 대한 거동을 Stationary parts 와 Rotor 각각의 Assembly 모델과 Blade, Vane 의 Partial 모델에 대해 분석하고, 그 결과를 조합하여 최종 결과를 도출한다. 열구조연성해석을 위한 Convection load 의 경우 상용 유동해석 툴 CFX 19.
열적하중은 터빈의 변위거동에 대해 가장 큰 영향을 미치는 인자로 각부에 적용되는 Convection load 를 고려하였다. Fig.
Clearance 분석을 위해서는 터빈의 운전 중 발생하는 모든 인자들을 고려하여 변위거동을 분석할 필요가 있다. 주요 인자로는 열적하중, Clamping load, Rotor 의 회전, 자중에 의한 처짐 등으로 각 하중조건에 대한 변위거동을 분석하고, Clearance 설계에 반영하였다.
Clearance 설계는 해석으로 계산된 결과에 대해 각 지점에 대한 변위 차로 계산할 수 있다. 해석의 변위결과는 시간이력에 대한 Data로 각 Time point 에 대한 방대한 변위결과를 포함하고, 각 모델의 Sub-step 이 동일하지 않기 때문에 별도의 후처리 과정을 일괄적으로 수행할 수 있는 In-house 코드를 개발하여, 상대 변위를 각 Time point 에 대해 계산하였다.

대상 데이터

모델의 Node 및 Element 수는 단위 모델당 800,000 개가 넘지 않도록 구성하고, 그 이상의 Node 가 필요할 경우 Partial model 로 분할하여 단위모델 당 1일 이내에 결과를 확인할 수 있도록 해석을 수행하였다. 본 연구에 사용된 해석장비는 Intel(R) Xeon(R) 3.2 GHz (16 Core) CPU, 256 GB Memory, Quadro P5000/16 GB GPU, SCSI/4TB Hard disk 를 탑재한 Workstation 이 사용되었다.

성능/효과

3) 방대한 량의 해석결과를 정리하기 위해 명령어 체계를 기반으로 한 전용 Macro 개발이 필요하고, 그 응용범위가 넓다.
19는 압축기 후단 부 Blade tip 과 Stator 간 상대변위를 나타내는 그래프로 정상운전상태에서 정지, 재기동 후 정상운전 까지의 변위 거동에 대해 Rotor 와 Blade 변위를 합한 결과를 Rotor_d, Casing 의 변위를 Casing_d, Casing_d 에서 Rotor_d 를 뺀 값을 Dif_RC 로 나타내었다. 터빈 구성품의 위치와 기능에 따라 Shut down 구간의 변위 거동은 차이가 날수 있으나, Start up 구간에서 최대 변위 차가 발생하는 경향은 전 영역에 대해 동일하게 나타남을 확인할 수 있었다. 시간에 따른 거동을 그래프로 나타내면 변위 차의 최대값을 기준으로 구성품간 충돌방지를 위한 Cold clearance 를 정의할 수 있고, 최대값과 정상운전 상태의 상대변위 결과의 차에 의해 정상운전 중 Tip clearance 를 예상할 수 있다.

후속연구

Contour result 는 해석결과의 타당성검토 및 각 지점별 상대 거동 분석을 위해 확인되어야 할 필수적인 항목이라 할 수 있다. 온도 분포 및 변형형상 등의 거동을 시각적으로 확인하여 해석결과가 물리적으로 타당한지를 우선적으로 판단하고, 어떤 거동특성을 보이는지 확인해야 한다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가스터빈이란?	가스터빈은 고온환경에서 로터의 고속 회전에 의해 전력을 생산하는 발전플랜트의 주기기이다. 특히 중대형 가스터빈의 경우 로터가 다수의 Stage 로 구성되며, 각 구성품은 서로 다른 열 및 물리적 조건등을 고려하여 설계되어야 한다.
	Clearance 분석을 위한 주요인자는?	Clearance 분석을 위해서는 터빈의 운전 중 발생하는 모든 인자들을 고려하여 변위거동을 분석할 필요가 있다. 주요 인자로는 열적하중, Clamping load, Rotor 의 회전, 자중에 의한 처짐 등으로 각 하중조건에 대한 변위거동을 분석하고, Clearance 설계에 반영하였다.
	중대형 가스터빈을 설계할 때 고려해야될 점은?	가스터빈은 고온환경에서 로터의 고속 회전에 의해 전력을 생산하는 발전플랜트의 주기기이다. 특히 중대형 가스터빈의 경우 로터가 다수의 Stage 로 구성되며, 각 구성품은 서로 다른 열 및 물리적 조건등을 고려하여 설계되어야 한다. 가스터빈 관련 연구는 Jiao1), Kim2), Yun3) 와 같은 열적 거동에 관한 연구, An4) 의 효율 향상을 위한 연구, Im5) 와 같은 시험설비 구축에 관한 연구, Kim6) 의 수명평가, Kim7) 의 유한요소해석을 적용한 구조안정성 평가, Kang8) 의 Test 기술 등 다양한 분야에 대해 연구가 활발히 이루어지고 있다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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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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