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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 이영국
- 발행연도
- 2021
- 저작권
- 연세대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수7
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증기터빈은 전력을 생산하는 발전소의 주요 기기이다. 증기터빈은 열에너지를 기계적 에너지로 전환시키는데 효율적인 엔진이다. 증기의 팽창으로 터빈 블레이드에 힘을 가하고 이것이 로터를 돌리게 된다. 로터를 회전시키는 기계적 에너지는 곧 발전기를 통해 전력 에너지로 전환된다. 터빈은 운전 중 수백 톤의 원심력이 발생되므로 블레이드와 로터 디스크(휠)이 효율적이고 안정적으로 결합되어야 한다. 운전 중 블레이드 연결부가 손상될 경우, 블레이드에 작용하는 커다란 원심력으로 인해 2차적인 사고가 발생할 수 있으며, 이로 인한 인적, 물적 피해와 더불어 장기간 발전소 정지를 야기할 수 있다.
그런데, 터빈의 경우 제작사 중심 시장이 형성되어 자체 건전성 평가기준을 제작사의 권고사항에 따라 조치하도록 되어 있다. 문제는 제작사의 건전성 평가 기준이 자체 영업비밀로 취급되어 외부로 공개하지 않고 있어 로터나 블레이드에 결함이 발생할 경우 제작사에서는 교체가 필요하다는 조치만 있을 뿐 사실상 기준이 없다고 볼 수 있다는 점이다. 로터의 손상은 과도한 교체비용 및 발전 손실로 인한 커다란 재무 손실로 이어질 수 있을 뿐만 아니라 설비사고로 인한 인적 손실까지 초래할 수 있다. 추가로 터빈 로터부에 결함이 발생하여 제작사의 권고사항에 따라 조치할 경우 예상치 못한 정비비용 그리고 시간이 소요된다는 문제로 이어질 수 있다.
본 연구에서는 저압터빈의 블레이드와 휠 결합부의 한 가지 형태인 Fir Tree Type Dovetail에 있어서 응력집중 부위에 결함이 발생할 경우 효율적인 결함 가공형상을 검토하여 가공형상 최적화 방안을 고찰하였다. 이를 위해 응력 집중 부위인 Dovetail Edge에서의 결함 발생을 가정하여 임의로 가공길이 방향을 단축으로 가공깊이 방향을 장축으로 설정하여 1, 3, 5, 7mm로 가공길이와 가공깊이를 변화시키면서 최대주응력의 변화를 관찰하였다. 또한, 가공모델 응력해석 및 변화추이 관찰에 이어 기본모델 및 가공모델에 대한 디스크 도브테일 Steeple별 응력변화 및 디스크 두께 방향으로 위치에 따른 응력선형화 해석을 수행하여 응력변화를 추가로 관찰하였다. 더불어 응력 해석 결과 응력이 가장 많이 집중되는 것으로 나타난 Bottom Steeple의 위치별 디스크 두께 방향으로 응력선형화 해석을 수행하여 하중지지능력을 나타내는 Membrane Stress와 Bending Stress의 변화를 관찰하였다. 이상의 연구를 통한 결론은 아래와 같다.
가. 기본 모델(정상 모델)의 최대 응력 집중 부위에 결함이 발생할 경우 해당 부위 가공을 통해 결함 제거 및 응력집중 해소가 가능한 것으로 나타났다.
나. 가공 시 응력개선 효과는 Rotating Direction(길이방향)보다는 Axial-Entry Direction(깊이방향)에 더 영향을 받는 것으로 나타났다.
다. 가공실험 결과, 가공길이는 1mm 및 가공깊이는 5mm에서 최대 응력 저감 효과가 발생하여 추가 결함 생성 또는 기존 결함성장 저해가 가능한 것으로 나타났다.
라. 결함 부위 가공 시 결함이 있는 해당 Steeple의 경로를 따라 일부 응력이 분산되며, 다른 Steeple의 응력 변화에 미치는 영향은 거의 없다는 것이 확인되었다.
마. 결함 부위 가공 시 감소된 응력은 새로이 가공된 Machining Edge 부위와 반대편 Edge 부위로 분산되며, 중간 부분의 Steeple에 영향을 미치지 않는 것이 확인되었다.
그런데, 터빈의 경우 제작사 중심 시장이 형성되어 자체 건전성 평가기준을 제작사의 권고사항에 따라 조치하도록 되어 있다. 문제는 제작사의 건전성 평가 기준이 자체 영업비밀로 취급되어 외부로 공개하지 않고 있어 로터나 블레이드에 결함이 발생할 경우 제작사에서는 교체가 필요하다는 조치만 있을 뿐 사실상 기준이 없다고 볼 수 있다는 점이다. 로터의 손상은 과도한 교체비용 및 발전 손실로 인한 커다란 재무 손실로 이어질 수 있을 뿐만 아니라 설비사고로 인한 인적 손실까지 초래할 수 있다. 추가로 터빈 로터부에 결함이 발생하여 제작사의 권고사항에 따라 조치할 경우 예상치 못한 정비비용 그리고 시간이 소요된다는 문제로 이어질 수 있다.
본 연구에서는 저압터빈의 블레이드와 휠 결합부의 한 가지 형태인 Fir Tree Type Dovetail에 있어서 응력집중 부위에 결함이 발생할 경우 효율적인 결함 가공형상을 검토하여 가공형상 최적화 방안을 고찰하였다. 이를 위해 응력 집중 부위인 Dovetail Edge에서의 결함 발생을 가정하여 임의로 가공길이 방향을 단축으로 가공깊이 방향을 장축으로 설정하여 1, 3, 5, 7mm로 가공길이와 가공깊이를 변화시키면서 최대주응력의 변화를 관찰하였다. 또한, 가공모델 응력해석 및 변화추이 관찰에 이어 기본모델 및 가공모델에 대한 디스크 도브테일 Steeple별 응력변화 및 디스크 두께 방향으로 위치에 따른 응력선형화 해석을 수행하여 응력변화를 추가로 관찰하였다. 더불어 응력 해석 결과 응력이 가장 많이 집중되는 것으로 나타난 Bottom Steeple의 위치별 디스크 두께 방향으로 응력선형화 해석을 수행하여 하중지지능력을 나타내는 Membrane Stress와 Bending Stress의 변화를 관찰하였다. 이상의 연구를 통한 결론은 아래와 같다.
가. 기본 모델(정상 모델)의 최대 응력 집중 부위에 결함이 발생할 경우 해당 부위 가공을 통해 결함 제거 및 응력집중 해소가 가능한 것으로 나타났다.
나. 가공 시 응력개선 효과는 Rotating Direction(길이방향)보다는 Axial-Entry Direction(깊이방향)에 더 영향을 받는 것으로 나타났다.
다. 가공실험 결과, 가공길이는 1mm 및 가공깊이는 5mm에서 최대 응력 저감 효과가 발생하여 추가 결함 생성 또는 기존 결함성장 저해가 가능한 것으로 나타났다.
라. 결함 부위 가공 시 결함이 있는 해당 Steeple의 경로를 따라 일부 응력이 분산되며, 다른 Steeple의 응력 변화에 미치는 영향은 거의 없다는 것이 확인되었다.
마. 결함 부위 가공 시 감소된 응력은 새로이 가공된 Machining Edge 부위와 반대편 Edge 부위로 분산되며, 중간 부분의 Steeple에 영향을 미치지 않는 것이 확인되었다.
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