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배열회수 보일러 구조물의 피로수명 평가를 위한 유동해석
The CFD Analysis for the Fatigue Life Evaluation of HRSG Structure 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.29 no.3, 2020년, pp.7 - 17  

김진범 (서울과학기술대학교 에너지시스템공학과 대학원) ,  김철호 (서울과학기술대학교 기계자동차공학과)

초록
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배열회수보일러는 가스터빈의 고온의 배기가스 에너지를 이용하여 증기를 발생시키는데 고속의 배기 가스에 의해 유체유발진동이 발생하여 다수의 구조물 파손이 발생한다. 구조물의 파손을 예측하기 위한 피로수명 평가는 유체유발 진동으로 발생하는 진동분석을 통해 PSD(Power Spectral Density)을 도출해야 하지만, 가스터빈의 배기가스 유동 형태가 매우 빠르고 복잡하여 발생되는 진동을 이론, 실험적으로 도출되는 것은 매우 어렵다. 하지만 LES(Large Eddy Simulation) 적용을 통해 구조물의 위치에 따라 진동 특성을 파악할 수 있는 방법을 정립하였고, 이러한 진동 특성을 구조 해석에 적용하면 구조물 피로수명 평가에 활용할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Heat recovery steam generator(HRSG) generate steam using the high-temperature exhaust energy of gas turbines. Structures of HRSG are damaged by flow induced vibration of flue gas in some cases. In order to evaluate fatigue life to predict damage to a structure, a vibration analysis caused from flue ...

주제어

#배열회수보일러   #가스터빈   #유체유발진동   #피로 수명 평가  

표/그림 (11)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 연구에서는 구조물주변의 비정상 상태 유동과 이에 따른 진동을 예측하기 위해 가스터빈출구에서부터 배열회수보일러 내부의 유동장을 시간과 공간에 대해 상세한 해석이 가능한 LES(Large Eddy Simulation) 기법을 활용해 PSD(Power Spectral Density) 특성을 도출하여 구조물의 구조 건정성 평가에 사용할 수 있도록 방법을 정립하고자 한다.
  • 이를 통해 배열회수보일러의 단면 형상, 용접부 및 경계조건의 변경을 통해 설계에 적용 가능한 범퍼의 구조 개선 모델을 제시하고 제품의 신뢰성을 확보하였다. 또한 유체유발진동이 존재하는 다양한 환경에서의 구조물의 건전성을 평가하는 유동-구조 연계 기술을 정립하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
배열회수보일러는 무엇인가? 배열회수보일러(Heat Recovery Steam Generator, HRSG)는 가스터빈의 후단에 설치되어 가스터빈의 고온 가스로부터 에너지를 회수하여 증기를 만드는 장치이다. 가스터빈의 배기가스는 배열회수 보일러의 전면 덕트를 통과하여 열을 회수하는 영역으로 유입된다.
일부 대형 가스터빈의 배기가스가 최대 유속이 약 200m/s 이상에 달해 범퍼뿐만 아니라 보일러내의 기기를 손상시켜 무엇을 유발하는가? 그런데 일부 대형 가스터빈의 배기가스는 최대 유속이 약 200m/s 이상에 달해 범퍼뿐만 아니라 보일러내의 기기를 손상시킨다.[1] 이것은 유속에 의한 직접적인 손상뿐만 아니라 범퍼의 진동을 유발하는 것으로 알려졌다. 최근 대형 가스터빈을 사용하는 일부 발전소의 배열회수보일러 내 범퍼 파손 사례가 다수 발생을 하였으며 보수에 따른 시간과 비용이 증가되고 있는 상황이다.
배열회수보일러 범퍼의 파손 원인을 분석하여 정확히 파악할 수 있다면 무엇이 가능한가? 따라서 배열회수보일러 범퍼의 파손 원인을 분석하여 정확히 파악할 수 있다면 배열회수보일러 구조물의 개선을 유도할 수 있게 된다. 이를 위해 유동의 정하중과 진동하중을 정밀하게 예측하고 진단하는 기술이 필요하나 고속의 가스터빈은 높은 난류강도를 갖는 선회성 고속 유동으로 터빈의 하단에 설치된 디퓨져를 거치며 더욱 복잡한 유동 패턴을 지니게 된다.
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참고문헌 (8)

  1. Ha, J.S., 2015, A study on the characteristics of lift fluctuation power spectral density on a fin tube in the heat recovery steam generator, J. of Energy Eng. Vol. 24, No. 4, pp. 211-216 

  2. Kim, J., 2014, The CFD analysis about flow induced vibration for the life prediction of HRSG bumper, Proceedings of KSFM 2014 

  3. Kim, J., 2015, The CFD analysis for the fatigue life evaluation of HRSG bumper, Conference on the 70th Anniversary of the KSME, pp. 1280-1285 

  4. J.C. Tannehill, D.A. Anderson, R.H. Pletcher, "Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer, Second Edition, pp.285-321 

  5. Luo, X.Y., 2004, LES modelling of flow in a simple airway model, Medical Engineering & Physics, Vol. 26, pp. 403-413 

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  6. Gaitonde, U., 2008, Quality criteria for large eddy simulation, Manchester University, Ph. D. Dissertation (in UK), pp. 6-26 

  7. Chandra, L., 2010, Unsteady RANS and LES analyses of hooper's hydraulics experiment in a tight lattice bare rod-bunddle, 8th Int. Topical Meeting on NUTHOS, pp. 1-13 

  8. Ruprecht, A., 2003, Very large eddy simulation for the prediction of unsteady vortex motion, Conference on Modelling Fluid Flow(CMFF'03) 

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