KR101164057B1 - 퍼니스를 이용한 열차폐 코팅의 단열 측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 퍼니스를 이용해 열차폐 코팅의 단열 효과를 정확하게 측정할 수 있는 퍼니스를 이용한 열차폐 코팅의 단열 측정장치에 관한 것으로, 시험편의 두께에 걸쳐 열구배를 주는 열구배 피로 시험 방식중, 시험편을 퍼니스 내부에 위치시켜 가열하며, 수직방향으로 형성된 퍼니스의 내부로 시험편을 자동으로 반입 및 인출시키는 퍼니스를 이용한 열차폐 코팅의 단열 측정장치에 있어서, 외주경측이 단(段)이 지도록 가공되고, 일 외측면에 코팅면(21)이 형성된 시험편(20)과; 상기 시험편(20)의 상하면은 개방되고 외주면만 감싸도록 고정 형성된 시험편 홀더(30)와; 상기 시험편 홀더(20)가 상부측 일단에 끼워져 고정되며, 타단에는 끼움홀(42) 및 배기홀(46)이 형성된 내열관(40)과; 끼움홀(42)에 관통되게 끼워져 고정되며, 일단부가 시험편(20)의 하면과 일정 간격을 갖도록 위치되며, 내경측을 통해 냉각용 공기가 공급되도록 형성된 공기 순환관(50) 및; 상기 공기 순환관(50)의 외주경에 끼워지고 내열관(40)의 내경측에 지지되어 고정되는 인서트(55)를 포함하며, 상기 코팅면(21)을 포함한 시험편(20)의 전체 단면에 걸쳐 두께 방향으로 천공된 관통홀(22)과, 코팅면(21)을 제외한 시험편(20)의 두께 방향으로 뚫려진 홈(24)이 형성되며, 상기 관통홀(22) 및 홈(24)의 각각에 열전대(60a),(60b)가 끼워져 있는 퍼니스를 이용한 열차폐 코팅의 단열 측정장치가 제공된다. 이러한 구성의 단열 측정장치에 의해 시험편의 내부와 외부 온도를 측정하므로써, 열차폐 코팅의 단열효과를 용이하고 정확하게 계측할 수 있는 효과가 있다.

Description

퍼니스를 이용한 열차폐 코팅의 단열 측정장치{MEASURING DEVICE OF INSULATION FOR THERMAL BARRIER COATING USING FURNACE}
본 발명은 열차폐 코팅의 단열 측정장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 퍼니스(furnace)를 이용해 열차폐 코팅의 단열 효과를 용이하고 정확하게 측정할 수 있는 열차폐 코팅의 단열 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로, 1300℃ 이상에서 운전되는 가스 터빈의 블레이드에 열차폐 코팅(TBC: thermal barrier coating)이 적용되고 있다.
열차폐 코팅은 YSZ(Yttria Stabilized zirconia)라고 불리는 세라믹 재료로서 고온의 화염으로 부터 블레이드를 보호하고 블레이드로의 열전달을 차단하여 궁극적으로 터빈의 작동온도를 높여주게 된다.
따라서, 열차폐 코팅의 단열 효과는 터빈의 효율과 직접적으로 연관된다.
그러나 열차폐 코팅을 적용함에 따른 단열 효과는 일반적으로 100℃～150℃정도로 알려져 있을 뿐 단열 효과를 정량적으로 측정하기 위한 실험적 방법은 거의 알려지지 않고 있는 실정이다.
도 1 은 퍼니스를 이용한 종래의 열구배 피로시험장치로서 가스 터빈 블레이드의 열차폐코팅(본드코팅 및 탑코팅)에 있어서 코팅층 표면 온도는 높게 하고 모재의 하부 온도는 상대적으로 낮게 하여 시험편 두께에 걸쳐 온도 구배를 발생시키기 위한 시험 방식을 나타내고 있다.
도 1 에 도시된 장치를 이용하여 동일한 냉각 유량과 동일한 퍼니스 온도 조건하에 열차폐 코팅이 적용된 시험편과 적용되지 않은 시험편을 각각 퍼니스 내부에 반입시킨 후, 정상상태에 도달했을 때의 온도를 측정하면, 그 두 온도의 차이가 바로 열차폐 코팅의 단열 효과라 할 수 있다. 하지만 도 2 에 도시된 그래프와 같이 두 온도의 차이는 약 11℃로서 일반적으로 알려진 온도보다 매우 낮다. 도 1 에서 시험편(1)의 측면은 시험편 홀더(2)와 접촉되며, 시험편의 하부의 가장자리는 내열관(3)과 접촉되어 있기 때문에 이러한 부분에서 시험편으로 열전달이 일어나게 되어 온도가 낮게 측정되어, 열차폐 코팅재의 단열효과를 오차없이 정확히 계측할 수 없는 문제점을 갖고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 감안하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 퍼니스를 이용해 큰 측정오차 없이 열차폐 코팅의 단열 효과를 용이하고 정확하게 측정할 수 있는 퍼니스를 이용한 열차폐 코팅의 단열 측정장치를 제공함에 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 시험편의 두께에 걸쳐 열구배를 주는 열구배 피로 시험 방식중, 시험편을 퍼니스 내부에 위치시켜 가열하며, 수직방향으로 형성된 퍼니스의 내부로 시험편을 자동으로 반입 및 인출시키는 퍼니스를 이용한 열차폐 코팅의 단열 측정장치에 있어서, 외주경측이 단(段)이 지도록 가공되고, 일 외측면에 코팅면이 형성된 시험편과; 상기 시험편의 상하면은 개방되고 외주면만 감싸도록 고정 형성된 시험편 홀더와; 상기 시험편 홀더가 상부측 일단에 끼워져 고정되며, 타단에는 끼움홀 및 배기홀이 형성된 내열관과; 끼움홀에 관통되게 끼워져 고정되며, 일단부가 시험편의 하면과 일정 간격을 갖도록 위치되며, 내경측을 통해 냉각용 공기가 공급되도록 형성된 공기 순환관 및; 상기 공기 순환관의 외주경에 끼워지고 내열관의 내경측에 지지되어 고정되는 인서트를 포함하며, 상기 코팅면을 포함한 시험편의 전체 단면에 걸쳐 두께 방향으로 천공된 관통홀과, 코팅면을 제외한 시험편의 두께 방향으로 뚫려진 홈이 형성되며, 상기 관통홀 및 홈의 각각에 열전대가 끼워져 있는 퍼니스를 이용한 열차폐 코팅의 단열 측정장치가 제공된다.
또한, 상기 시험편의 외주경측에는 원형의 단열홈이 두께방향으로 형성된다.
본 발명의 청구항 1에 기재된 구성에 의하면, 퍼니스를 이용해 열차폐 시험편에 코팅된 단열 효과를 큰 측정 오차를 수반하지 않고 용이하고 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 청구항 2에 기개된 구성에 의하면, 시험편의 외주경에 원형의 단열홈을 형성하므로 이를 통해 빠져나가는 열을 차단시킬 수 있어 측정 온도를 좀더 정밀하게 계측할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 종래의 열구배 피로시험 장치를 나타내는 도면.
도 2 는 종래의 열구배 피로시험 장치를 이용한 열차폐 코팅의 단열 효과 측정결과를 나타내는 그래프.
도 3 은 본 발명의 퍼니스를 이용한 열차폐 코팅의 단열 측정장치를 나타내는 도면.
도 4 는 본 발명의 퍼니스를 이용한 열차폐 코팅의 단열 측정장치에 장착되는 시험편을 나타내는 도면.
이하, 상기와 같은 본 발명의 퍼니스를 이용한 열차폐 코팅의 단열 측정장치를 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명키로 한다.
도 3 은 본 발명의 퍼니스를 이용한 열차폐 코팅의 단열 측정장치를 나타내는 도면이고, 도 4 는 본 발명의 퍼니스를 이용한 열차폐 코팅의 단열 측정장치에 장착되는 시험편을 나타내는 도면이다.
본 발명은 도 3 에 도시된 바와 같이, 시험편(20)의 상부측면에만 코팅면(21)이 형성된다.
또한 상기 시험편(20)의 외주경측은 다단(多段; 본 실시예에서는 2단)으로 단이 지게 형성되어 있다.
상기와 같이 형성된 시험편(20)을 내열관(40)의 상부측에 고정시켜 시험하기 위해 외주측만을 감싸는 형태로 고정시키는 시험편 홀더(30)의 구성은, 시험편(20)의 상하면만 개방되고, 외주측면을 감싸도록 천공된 형태로 형성된다.
천공된 시험편 홀더(30)가 장착되는 내열관(40)의 상부측은 끼움홀(42)이 형성되고, 타단측에는 배기홀(46)이 형성되어 있다.
상기 내열관(40)의 내경측에는 냉각 공기를 공급하는 공기 순환관(50)이 위치되게 형성되어 있다.
상기 공기 순환관(50)은 내열관(40)의 중심축 위치에 흔들리지 않고 고정되도록 열십자형 인서트(55)에 의해 끼워져 고정되어 있다.
이와 같이 내열관(40) 상부측에 안착 고정되는 시험편(20)에는, 코팅면(21)을 포함한 전체 단면에 걸쳐 두께 방향으로 천공된 관통홀(22)과, 코팅면(21)을 제외한 시험편(20)만의 단면에 걸쳐 두께방향으로 홈(24)이 뚫려져 형성된다.
상기의 시험편(20)의 두께방향으로 형성된 관통홀(22) 및 홈(24)상에는 각각에 열전대(60a),(60b)가 끼워져 온도를 측정하도록 장착되어 있다.
또한, 본 발명의 시험편(20)의 외주경측에는 두께 방향으로 원형의 단열홈(26)이 형성되어 있어 상기의 단열홈(26)에 의해 열전달이 차단된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 퍼니스를 이용한 열차폐 코팅의 단열 측정장치의 작동상태를 하기와 같이 구체적으로 설명한다.
본 발명의 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 시험편(20)을 내열관(40)의 상부측에 시험편(20)의 코팅면(21)을 포함한 전체 단면내에서 두께 방향으로 관통된 관통홀(22)과, 코팅면(21)을 제외한 시험편(20)만의 단면내에서 두께 방향으로 뚫려진 홈(24)의 각각에 열전대(60a),(60b)를 끼워 결합한 상태에서 내열관(40)의 상부측 끼움홀(42)에 안착시킨다.
이어서, 내열관(40)상에 안착된 시험편(20) 상부를 고정시키기 위해 시험편 홀더(30)를 끼운 후, 시험편 홀더(30)의 측면에서 볼트 등을 이용해 두께방향으로 체결하므로써 내열관(40)의 상단으로부터 시험편(20)이 이탈되지 않도록 할 뿐만 아니라, 고정된 부위로 열이 방출되지 않도록 밀봉된 상태로 유지하게 한다.
본 발명은 특히, 시험편 홀더(30)에 의해 단이 지게 가공된 시험편(20)의 상단측으로는 코팅면(21)이 돌출되게 형성되며, 하단측으로는 내열관(40)과 시험편 홀더(30)가 면 접촉하여 고정되어 있기 때문에 시험도중 외부의 공기가 내열관(40)의 내부로 유입되지 않도록 되어 있다.
특히, 시험편(20)의 하부면은 퍼니스의 내열관(40)에서 발생되는 내부의 복사열이 시험편(20)의 반대측면을 통해 전달되는 것을 차단한다.
또한, 시험편(20)의 외주쪽에는 두께 방향으로 원형의 단열홈(26)이 가공 형성되어 있고, 이 단열홈(26)은 열전달을 최대한으로 차단해주는 역할을 한다. 따라서, 단열홈(26)에 의해 시험편(20)의 직경방향으로의 열전달이 방지할 수 있어 측정되는 온도의 편차를 줄일 수 있다.
상기 시험편(20)에 삽입 장착되어 있는 열전대(60a),(60b)에 의해 공기 순환관(50)을 통해 냉각공기를 순환시킨 상태에서 일정온도로 시험편(20)이 가열되도록 한 후에 열전대(60a),(60b)에서 측정되는 온도의 지시하는 값이 정상상태에 도달하였을 때 두 지시하는 값의 차이를 구함으로써 열차폐 코팅의 단열 효과를 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 시험편(20)에 관통홀(22) 및 홈(24)을 2개 형성하고 상기의 두개의 관통홀(22) 및 홈(24)에 각각 2개의 열전대(60a),(60b)를 삽입 장착하여 온도를 측정하므로써, 한번의 시험을 통해 유효한 측정치를 효과적으로 얻을 수 있다.
20: 시험편
21: 코팅면
22: 관통홀
24: 홈
26: 단열홈
30: 시험편 홀더
40: 내열관
42: 끼움홀
46: 배기홀
50: 공기 순환관
55: 인서트
60a,60b: 열전대(thermocouple)

Claims (2)

  1. 시험편의 두께에 걸쳐 열구배를 주는 열구배 피로 시험 방식중, 시험편을 퍼니스 내부에 위치시켜 가열하며, 수직방향으로 형성된 퍼니스의 내부로 시험편을 자동으로 반입 및 인출시키는 퍼니스를 이용한 열차폐 코팅의 단열 측정장치에 있어서,
    외주경측이 단(段)이 지도록 가공되고, 일 외측면에 코팅면(21)이 형성된 시험편(20)과;
    상기 시험편(20)의 상하면은 개방되고, 상기 단이 진 시험편(20)의 외주면과 면대면(surface to surface) 접촉하도록 고정 형성된 시험편 홀더(30)와;
    상기 시험편 홀더(30)가 상부측 일단에 끼워져 고정되며, 타단에는 끼움홀(42) 및 배기홀(46)이 형성된 내열관(40)과;
    끼움홀(42)에 관통되게 끼워져 고정되며, 일단부가 시험편(20)의 하면과 일정 간격을 갖도록 위치되며, 내경측을 통해 냉각용 공기가 공급되도록 형성된 공기 순환관(50) 및;
    상기 공기 순환관(50)의 외주경에 끼워지고 내열관(40)의 내경측에 지지되어 고정되는 인서트(55)를 포함하며,
    상기 코팅면(21)을 포함한 시험편(20)의 전체 단면에 걸쳐 두께 방향으로 천공된 관통홀(22)과, 코팅면(21)을 제외한 시험편(20)의 두께 방향으로 뚫려진 홈(24)이 형성되며, 상기 관통홀(22) 및 홈(24)의 각각에 열전대(60a),(60b)가 끼워져 있는 것을 특징으로 하는 열차폐 코팅의 단열 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 시험편(20)의 외주경측에 두께 방향으로 원형의 단열홈(26)이 형성된 것을 특징으로 하는 열차폐 코팅의 단열 측정장치.
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