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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

함형봉 (연세대학교, 연세대학교 공학대학원)

지도교수
조형희
발행연도
2017
저작권
연세대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

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가스터빈과 증기터빈이 조합된 복합발전설비는 열효율이 높고, 신속한 기동정지로 부하추종성이 우수하며, 가스를 연료로 사용하므로 상대적으로 공해물질 배출이 낮은 등의 장점과 세일가스 붐이 맞물리면서 전 세계적으로 건설이 증가하였다. 전 세계에 단일 Model로 가장 많이 설치된 가스터빈은 GE사의 7FA Model이다. 2017년 6월 현재 전 세계에 약 717대, 한국에 약 40대가 운전되고 있다. 가스터빈은 Daily Start & Stop 운전으로 압축기, 연소기, 터빈 부품손상이 많이 발생하나 최근에는 Hot Gas Path Parts, Thermal Barrier Coating, Cooling 등의 기술발전으로 손상이 현저히 감소하고 있다.
본 연구에서는 가스터빈 고온부품 중 GE 7FA 가스터빈의 1단 Bucket Platform을 대상으로 초기 Model인 7FA.01과 개선된 Model인 7FA.03의 1단 Bucket Platform 손상해석을 CFD로 수행하였다. 초기 Model인 7FA.01 Bucket에 비해 개선된 Model인 7FA.03 Bucket Platform은 Shank에 Cooling Hole 1EA, Platform 표면에 Cooling Hole 10EA가 추가되었고 Platform Pressure Side Mid Span End부에 Scallop이 적용되었다.
손상해석은 열유동 및 열응력해석 상용 프로그램인 ANSYS 17.2를 활용하였으며 1단 Bucket의 Modeling을 위한 경계조건 설정은 GE 7FA.01 & 03 가스터빈 실제운전 Data와 EPRI의 OEM Design data를 활용하였다.
열유동 해석결과 초기 Model인 7FA.01 Bucket Platform은 Bucket Leading Edge에서 형성된 Horseshoe Vortex와 Bucket Pressure Side에서 Suction Side로 형성되는 Passage Vortex로 인해 Platform 표면에 주 유동에 의한 열 영향이 크게 미치는 것을 확인하였다. 개선된 Model인 7FA.03 1단 Bucket은 Cooling Path 개선으로 Platform 표면온도가 7FA.01 Model에 비해 낮아졌으며, Platform Pressure Side에서 Suction Side로 형성되는 Passage Vortex도 약화되어 Platform 표면에 미치는 열 영향이 억제되는 것으로 확인되었다.
7FA.01 & 03 1단 Bucket Platform 열응력 해석결과 7FA.01 1단 Bucket Platform의 Pressure Side 표면온도가 7FA.03 1단 Bucket에 비해 높았으나 7FA.01 및 7FA.03 Model의 1단 Bucket Platform 모두 Material의 최대 항복응력보다 낮아 열응력에 의해 손상되지 않는 것으로 판단된다.
제작사가 제시한 7FA.01 1단 Bucket Platform 손상 Mechanism은 Cyclic 운전 중 Platform 표면온도가 상승되어 TBC가 탈락되면 Bucket Material 속으로 산소가 침투하여 산화층을 형성하고 산화층 경계면으로부터 균열이 발생하는 것이다.
본 연구를 통해서 7FA.01 Model 1단 Bucket Leading Edge에서 형성된 Horseshoe Vortex와 Platform Pressure Side에서 Suction Side로 형성되는 Passage Vortex로 인해 Platform으로 열전달이 크게 작용하여 온도가 상승하고 TBC가 탈락되면 Platform이 손상될 수 있다는 가능성을 확인하였다. 가스터빈 Bucket 등 고온부품 손상을 줄이기 위해서는 Material, TBC, Cooling 기술의 발전과 Aero-design 강화를 통한 열유동 안정화 등의 기술개발 노력을 지속하여야 할 것으로 판단된다.

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