초록 ▼

가스터빈 엔진은 21세기의 항공과 해양 추력시스템에 필수적인 부품이며 또한 대규모 전기발전설비에서 매우 중요한 부품으로 가스터빈에 있어서 성능을 향상시키기 위해서는 터빈 날개(turbine airfoil)에서의 가스온도를 높여야 하는데 세라믹과 다층의 금속층으로 구성된 열차폐 코팅 (Thermal Barrier Coating; TBC)에 의하여 보호되고 있음. 이와같은 산업용 가스터빈(1,100~1,350℃), 항공기용 제트엔진 (1,300~1,700℃) 및 우주선 발사체(노즐 : 1,600~3,300℃)등의 초고온에 노출되는 열차

가스터빈 엔진은 21세기의 항공과 해양 추력시스템에 필수적인 부품이며 또한 대규모 전기발전설비에서 매우 중요한 부품으로 가스터빈에 있어서 성능을 향상시키기 위해서는 터빈 날개(turbine airfoil)에서의 가스온도를 높여야 하는데 세라믹과 다층의 금속층으로 구성된 열차폐 코팅 (Thermal Barrier Coating; TBC)에 의하여 보호되고 있음. 이와같은 산업용 가스터빈(1,100~1,350℃), 항공기용 제트엔진 (1,300~1,700℃) 및 우주선 발사체(노즐 : 1,600~3,300℃)등의 초고온에 노출되는 열차폐코팅은 극단적인 내열ㆍ내산화, 내부식성을 필요로 하기 때문에 재료와 부품의 신뢰성 및 내구성이 절대적으로 중요함. 그러나 이와 같은 초고온용 열차폐코팅에 관련된 기술들이 국외 기술에 의존하고 있기 때문에 기술의 자립화와 기술개발을 위해서는 설계기술에 대한 연구의 필요성이 증대되고 있음
본 과제에서는 초고용 가스터빈 및 고온부품에 열을 차단하기 위해 적용되는 초고온용 열차폐코팅시스템의 설계 기법을 개발하였음. 이를 위하여 ‘열차폐성능 및 정적 강도설계기법’, ‘초고온 열피로환경하에서의 내구성설계기법’ 및 ‘고온산화생성물을 고려한 정적 강도 및 내구성설계기법’의 개발에 성공하였음. 연구내용은 다음과 같음

○ 1차년도 : 열차폐성능 및 정적 강도설계기법 개발
- 초고온용 열차폐코팅시스템의 해석을 위한 물성치 및 열응력해석조건 획득함
- 열적-기계적 물성치의 영향을 고려하여 열전달계수와 열팽창계수에 의한 설계기법을 개발
- 열유속과 열응력에 의한 코팅두께 및 기공 설계기법 개발함. 특히 열저항 개념에 의한 적정 두께와 기공의 체적비 및 형상을 결정할 수 있는 기법을 제시함
- 탑코팅의 수직 균열을 내구성 향상을 위하여 인위적으로 삽입하는데, 본 연구에서는 열차폐성능과 강도에 미치는 영향을 고려하여 균열밀도 및 길이를 결정하는 균열설계기법을 개발함
- 고온환경시험에 의한 설계기법을 검증하여 신뢰성을 확보함

○ 2차년도 : 초고온 열피로환경하에서의 내구성설계기법 개발
- 초고온 열차폐코팅시스템의 열피로해석조건 정립함
- 열전달해석을 수행하여 최대온도, 가열 및 냉각속도, 1사이클 소요시간에 의한 온도의 변화를 검토하고 해석된 온도분포에 의한 열응력해석을 수행하여 내구성에 대한 영향 검토함
- 초고온 열피로환경하에서 주요 설계변수들에 대한 내구성설계기법 개발함. 탑코팅의 물성치인 열전도 계수는 낮을수록, 열팽창계수는 클수록, 탄성계수는 낮을수록 열응력이 감소함을 알 수 있는데, 유한요소 해석으로 구한 x방향 열응력 σxx 와 열팽창계수 불일치 응력 σt를 비교할 때, 서로 유사한 거동을 보이며, 비교적 값도 유사하기 때문에, 열팽창계수 불일치 응력에 의한 설계기법과 시험에 의한 변형률 진폭-수명, 응력진폭-수명선도를 사용한 내구성설계 기법을 개발함
- 열피로시험에 의한 내구성설계기법을 검증하여 신뢰성을 확보함

○ 3차년도 : 고온산화생성물을 고려한 정적 강도 및 내구성설계기법 개발
- 초고온환경하에서 고온산화생성물(TGO)을 고려한 정적강도 설계기법을 개발함. Peak부의 BC/TGO 응력이 가장 크게 나타나고 있음을 확인하고 TGO의 두께와 진폭이 증가할수록 최대응력이 증가함을 확인함. 이 최대응력이 임계응력보다 작도록 설계토록 함
- 열피로환경하에서 성장하는 고온산화생성물을 고려한 내구성설계기법 개발함. 이를 위하여 TGO와 균열의 열피로환경하의 손상메카니즘을 정립하고, TGO두께성장, TGO 진폭증가, 예열온도 및 균열을 고려한 내구성 설계기법을 제시함. 즉, (1)정적강도설계를 수행하여 코팅공정 후 냉각시 파손가능성 검토하고 (2)정적강도설계를 수행하여 사용온도에서 안정성 확보(3)1과 2의 조건을 만족하는 최소 예열온도를 결정하고 (4) 결정된 예열온도를 적용하여 내구성설계를 수행한 후 (5)내구성설계조건을 만족하지 않는 경우 코팅공정 중 TGO를 최소화하는 방안 검토하는 기법을 제시함
- 열피로시험에 의한 고온산화생성물을 고려한 내구성설계기법을 검증하여 신뢰성을 확보함

○ 본 과제에서는 초고온용 가스터어빈의 국산화를 위한 초고온용 열차폐코팅시스템의 설계기법을 개발하여 제시하였음으로 이를 활용할 경우 국내 관련산업분야에서 초고온용 열차폐코팅시스템의 설계가 가능할 것임