KR101533542B1 - 열차폐코팅의 열구배기계피로(tgmf) 수명예측 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열차폐코팅의 열구배기계피로 수명예측 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 열차폐코팅의 열구배기계피로 수명예측 방법은, 고온의 가동 환경 부품에 적용되는 열차폐코팅의 열구배기계피로 수명예측 방법에 있어서, 열피로 시험을 통해 열화 단계별 열차폐코팅 시험편의 내구 수명을 평가하는 열피로 시험 단계;와, 상기 열피로 시험 단계의 내구 수명을 적용한 해석 시뮬레이션을 이용하여 가동 환경에서의 발생 응력을 도출하고, 상기 가동 환경에서의 발생 응력을 이용해 수명 예측 식을 도출하는 단계; 및, 평가하고자 하는 열구배기계피로 조건을 적용한 해석 시뮬레이션을 이용하여 열구배기계피로 조건에서의 발생 응력을 도출하고, 상기 열구배기계피로 조건에서의 발생 응력을 상기 수명 예측 식에 대입하여 열구배기계피로 수명을 예측하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 열차폐코팅의 열구배기계피로 수명예측 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열피로 시험과 해석 시뮬레이션을 이용하여 열구배기계피로 수명을 예측할 수 있는 열차폐코팅의 열구배기계피로 수명예측 방법에 관한 것이다.
일반적으로 가스터빈은 섭씨 1300도 이상의 고온 환경에서 작동하는데, 이러한 고온 환경으로부터 가스터빈 부품을 보호하기 위하여 다양한 방법이 적용되고 있다.
열차폐코팅(Thermal Barrier Coating)은 가스터빈 부품을 보호하기 위한 핵심기술로서 고온의 화염을 차단하여 터빈 부의 온도를 낮추는 역할을 한다. 일반적으로 열차폐코팅은 세라믹 재질의 탑코팅과 가스 터빈 부품과 탑코팅을 접착하기 위한 본드코팅으로 구성되는데, 열화가 진행됨에 따라서 탑코팅과 본드코팅 사이에 열생성산화물(Thermally Grown Oxide, TGO)이 형성된다. 또한 열차폐코팅은 고온의 화염과 다수의 냉각 채널에 주입되는 고압의 냉각 공기로 인하여 형성되는 열구배와 가스터빈 블레이드의 고속 회전시 발생하는 원심력에 의하여 기계적인 피로에 노출된다. 열차폐코팅은 이와 같은 열구배 및 기계적 피로에 의하여 탑코팅이 박리되는 형태로 파손되는데, 열차폐코팅이 파손될 경우 전체 가스터빈 부품의 손상으로 이어지게 된다. 따라서 열차폐코팅의 지속적인 보수를 위하여 열구배 및 기계적 피로 조건에서의 수명 평가가 요구된다.
또한 코팅 내부에 생성되는 열생성산화물은 열차폐코팅의 내구성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있으므로, 열생성산화물의 성장을 고려한 수명평가가 요구된다.
실제 열차폐코팅이 적용된 가스터빈 블레이드를 대상으로 하는 수명 평가의 경우, 시험을 수행하는데 고가의 재료 비용과 복잡한 형상으로 인한 동일한 시험 조건 유지 등의 어려움이 있다. 따라서 대부분의 경우 블레이드로부터 채취한 시험편에 열차폐코팅을 적용한 후 수명을 평가하고 있다.
열구배기계피로(Thermo-Gradient Mechanical Fatigue, TGMF) 시험은 가스터빈 가동 중 발생하는 열구배와 기계적 피로를 모두 고려한 조건에서 열차폐코팅의 수명을 평가하기 때문에 열피로 시험, 열-기계피로시험보다 높은 신뢰성을 가지고 있다. 하지만 열구배기계피로 시험에서는 외부에서의 가열 온도, 내부의 냉각 온도, 기계적 변형률 등의 다양한 조건에 대한 복합적인 제어가 요구되기 때문에 장치 구축 및 시험 수행에 어려움이 있으며, 이로 인해 국내에서는 열구배기계피로 수명 평가가 제한적으로 수행되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 제한적으로 수행되고 있는 열구배기계피로 시험을 대체하여 열구배 피로 수명을 예측할 수 있는 열차폐코팅의 열구배기계피로 수명예측 방법을 제공함에 있다.
또한, 열차폐코팅 내부의 열생성산화물의 성장을 고려함으로써 열구배기계피로 수명 평가의 정확성과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 열차폐코팅의 열구배기계피로 수명예측 방법을 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 고온의 가동 환경 부품에 적용되는 열차폐코팅의 열구배기계피로 수명예측 방법에 있어서, 열피로 시험을 통해 열화 단계별 열차폐코팅 시험편의 내구 수명을 평가하는 열피로 시험 단계;와, 상기 열피로 시험 단계의 내구 수명을 적용한 해석 시뮬레이션을 이용하여 가동 환경에서의 발생 응력을 도출하고, 상기 가동 환경에서의 발생 응력을 이용해 수명 예측 식을 도출하는 단계; 및, 평가하고자 하는 열구배기계피로 조건을 적용한 해석 시뮬레이션을 이용하여 열구배기계피로 조건에서의 발생 응력을 도출하고, 상기 열구배기계피로 조건에서의 발생 응력을 상기 수명 예측 식에 대입하여 열구배기계피로 수명을 예측하는 단계;를 포함하는 열차폐코팅의 열구배기계피로 수명예측 방법에 의해 달성된다.
여기서, 상기 수명 예측 식을 도출하는 단계;는 상기 열피로 시험 단계의 내구 수명과 상기 가동 환경에서의 발생 응력을 이용하여 수명 선도(S-N Curve)를 도출한 후, 상기 수명 선도로부터 수명 예측 식을 도출하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 수명 예측 식을 도출하는 단계는 상기 해석 시뮬레이션의 한 사이클 동안의 응력 변화를 도출하고, 이에 대하여 피로해석을 수행함으로써 동일한 응력비 조건에서의 열피로 등가응력 진폭으로 변환하고, 상기 열피로 시험 단계의 내구 수명과 상기 열피로 등가응력 진폭을 이용하여 상기 수명 선도를 도출하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 열구배기계피로 수명을 예측하는 단계는 상기 해석 시뮬레이션의 한 사이클 동안의 응력 변화를 도출하고, 이에 대하여 피로해석을 수행함으로써 상기 열피로 등가응력 진폭 변환 단계와 동일한 응력비 조건에서의 열구배기계피로 등가응력 진폭으로 변환하고, 상기 열구배기계피로 등가응력 진폭을 상기 수명 선도 도출 단계의 수명 예측 식에 대입하여 열구배기계피로 수명을 산출하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 열화 단계별 시험편에서, 상기 열차폐코팅의 열생성 산화물의 성장 조건을 모사하기 위하여 열생성 산화물의 성장량을 측정하는 산화물 성장 측정 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 수명 예측 식을 도출하는 단계;의 해석 시뮬레이션은 상기 열피로 시험 단계의 열피로 시험 조건과 상기 산화물 성장 측정 단계의 열생성 산화물의 성장량을 적용하여 가동 환경에서의 발생 응력을 도출하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 열구배기계피로 수명을 예측하는 단계;의 해석 시뮬레이션은 평가하고자 하는 열구배기계피로 조건과 상기 산화물 성장 측정 단계의 열생성 산화물의 성장량을 적용하여 열구배기계피로 조건에서의 발생 응력을 도출하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 열피로 시험 및 유한요소해석을 통하여 열구배기계피로 수명의 예측이 가능하므로, 복잡한 제어가 요구되는 열구배기계피로 시험장치를 열피로 시험 장치로 대체할 수 있는 것은 물론, 열차폐코팅에 대한 수명평가의 편의성을 극대화할 수 있는 열차폐코팅의 열구배기계피로 수명예측 방법이 제공된다.
또한, 열차폐코팅 내부의 열생성산화물의 성장을 고려함으로써 열구배기계피로 수명 평가의 정확성과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 열차폐코팅의 열구배기계피로 수명예측 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명 열차폐코팅의 열구배기계피로 수명예측 방법의 흐름도,
도 2는 본 발명 열차폐코팅의 열구배기계피로 수명예측 방법에 적용되는 열피로 시험용 시험편의 구성도이고,
도 3은 본 발명 열차폐코팅의 열구배기계피로 수명예측 방법에 적용되는 열구배기계피로 시험용 시험편의 구성도이다.
도 2는 본 발명 열차폐코팅의 열구배기계피로 수명예측 방법에 적용되는 열피로 시험용 시험편의 구성도이고,
도 3은 본 발명 열차폐코팅의 열구배기계피로 수명예측 방법에 적용되는 열구배기계피로 시험용 시험편의 구성도이다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 열차폐코팅의 열구배기계피로 수명예측 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
첨부도면 중 도 1은 본 발명 열차폐코팅의 열구배기계피로 수명예측 방법의 흐름도이고, 도 2는 본 발명 열차폐코팅의 열구배기계피로 수명예측 방법에 적용되는 열피로 시험용 시험편의 구성도이고, 도 3은 본 발명 열차폐코팅의 열구배기계피로 수명예측 방법에 적용되는 열구배기계피로 시험용 시험편의 구성도이다.
본 발명은 가스터빈에 적용되는 열차폐코팅의 열구배기계피로 조건하에서의 수명을 예측할 수 있는 방법으로, 열피로 시험과 유한요소해석을 통하여 가열, 냉각, 기계적 변형률 등의 다양한 시험 조건의 복합적인 제어가 요구되는 열구배기계피로 시험을 대체하여 열구배피로 수명을 예측할 수 있다.
이러한 본 발명의 열차폐코팅의 열구배기계피로 수명예측 방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, 열화 단계별 열차폐코팅이 형성된 시험편을 제작하는 S110 단계와, 열피로 시험을 통해 시험편의 내구 수명을 평가하는 S120 단계와, 열화 단계별 시험편의 열생성 산화물 성장량을 측정하는 S130 단계와, 해석 시뮬레이션을 통해 열피로 한 사이클 동안의 응력 변화를 도출하는 S140 단계와, 상기 열피로 한 사이클 동안의 응력 변화에 대한 피로 해석을 통하여 동일한 응력비 조건에서의 열피로 등가응력 진폭으로 변환하는 S150 단계와, 상기 열처리 시험 결과와 상기 열피로 등가응력 진폭을 이용해 수명 선도를 도출하고, 수명 선도로부터 수명 예측 식을 도출하는 S160 단계와, 해석 시뮬레이션을 통해 열구배기계피로 한 사이클 동안의 응력 변화를 도출하는 S170 단계와, 상기 열구배기계피로 한 사이클 동안의 응력 변화에 대한 피로 해석을 통하여 열피로 등가응력 변환 단계인 상기 S150 단계에서의 응력비 조건과 동일한 조건에서의 열구배기계피로 등가응력 진폭으로 변환하는 S180 단계와, 상기 수명 예측 식에 상기 열구배기계피로 등가응력 진폭을 대입하여 열구배기계피로 수명을 예측하는 S190 단계를 포함한다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 가스터빈 블레이드와 같은 재질을 갖는 코인 형상의 금속 모재 시험편(3)을 준비한다. 금속 모재 시험편(3)에는 세라믹 탑코팅(1)이 적용되는데, 세라믹 탑코팅(1)과 금속 모재 시험편(3)을 접착시키기 위하여 세라믹 탑코팅(1)과 금속 모재 시험편(3) 사이에 본드 코팅(2)을 적용한다.
상기 S110 단계에서는 열피로 시험용 금속 모재 시험편(3)을 고온 전기로에 노출시킨다. 이때, 고온 전기로에 노출되는 시간을 다르게 하여 열화 단계별 금속 모재 시험편(3)을 다수 제작한다. 이는 열화 시간이 증가함에 따라서 열피로 시험편 내부에 생성되는 열생성산화물(TGO)이 성장하기 때문에, 이러한 열생성산화물의 성장을 고려한 시험을 수행하기 위함이다.
먼저, 가스터빈 블레이드와 같은 재질을 갖는 코인 형상의 금속 모재 시험편(3)을 준비한다. 금속 모재 시험편(3)에는 세라믹 탑코팅(1)이 적용되는데, 세라믹 탑코팅(1)과 금속 모재 시험편(3)을 접착시키기 위하여 세라믹 탑코팅(1)과 금속 모재 시험편(3) 사이에 본드 코팅(2)을 적용한다.(도 2 참조)
상기 S130 단계에서는 상기 S110 단계에서 제작된 열화 단계별 시험편에 대하여 내부에 삽입된 열생성 산화물의 성장량을 측정하여 열화 시간에 따른 열생성산화물의 성장 곡선을 획득할 수 있으며, 이는 S140 단계 및 S170 단계에서 해석 조건으로 이용한다.
상기 S120 단계에서는 상기 S110 단계에서 제작된 열화 단계별 시험편에 대하여 열피로 시험을 수행한다. 열피로 시험은 열화 단계별 시험편을 일정시간동안 고온 전기로에 노출시킨 뒤 이를 급격히 냉각하는 과정을 반복하도록 구성한다. 이때, 열피로수명은 열피로 시험 중 열피로 시험편의 탑코팅이 박리되는 시점을 기준으로 한다. S120 단계에서는 열피로 시험을 통하여 열화시간에 따른 열피로 수명 선도를 획득할 수 있다.
상기 S140 단계에서는 해석 시뮬레이션을 이용해 상기 S120 단계에서 수행한 열화 단계별 열피로 시험에 대한 유한요소해석을 수행한다. 이때, 해석 모델에는 상기 S130 단계에서 획득한 열화 단계별 시험편의 열생성산화물의 성장량을 적용시킨다. 유한요소해석은 크게 열전달 해석과 열응력 해석으로 나누어 수행하는데, 열전달 해석에서는 상기 S120 단계에서 수행한 열피로 시험 조건을 고려하여 가열 및 냉각시의 온도, 시간 등의 조건을 부여하고, 이를 통하여 온도 분포를 획득한다. 열응력 해석에서는 열전달 해석에서 도출한 온도 분포를 적용하여, 해당 조건에서 열피로 시험편에 발생하는 응력을 도출한다. 유한요소해석 결과로부터 가열 및 냉각으로 구성된 열피로 한 사이클 동안의 응력 변화를 도출할 수 있다.
상기 S150 단계에서는 상기 S140 단계에서 도출한 열피로 한 사이클 동안의 응력 변화를 동일한 응력비 조건에서의 열피로 등가응력 진폭으로 변환한다. 각각의 열화 단계에 대한 유한요소해석 결과에서 발생하는 최대, 최소 응력의 비가 다르기 때문에, 유한요소해석 결과에 따른 최대, 최소 응력은 임의의 평균응력을 갖는다. 따라서 이를 비교하려면 동일한 조건으로의 변환이 필요하다. S150 단계에서는 Goodman의 피로 방정식(Goodman fatigue equation, 수학식 1) 등의 피로 해석 이론을 적용하여 상기 S140 단계에서의 최대, 최소 응력 진폭을 열피로 등가응력 진폭으로 변환시킨다. 이때 수학식 1에서 
는 상기 S140 단계에서의 응력 진폭, 
은 상기 S140 단계에서의 최대, 최소 응력의 평균값을 의미한다. 
는 상기 S150 단계에서 도출하고자 하는 등가응력 진폭, 
는 인장강도를 의미한다.
상기 S160 단계에서는 상기 S150 단계에서 도출한 열피로 등가응력 진폭과 상기 S120단계에서 도출한 열피로 수명을 이용하여 수명 선도(S-N Curve)를 도출한다. 또한 이를 최소자승법을 적용하여 수명 예측 식을 도출할 수 있다.
상기 S170 단계에서는 해석 시뮬레이션을 이용해 최종적으로 도출하고자 하는 열구배기계피로 조건을 모사하여 유한요소해석을 수행한다. 열구배기계피로 시험의 경우 기계적 하중을 부가해야 하므로 도 3과 같이 환봉 형태의 시험편(6)을 이용하여 시험을 수행한다. 또한 열구배기계피로 시험용 시험편(6)의 경우 열구배 조건을 부여하기 위하여 내부에 냉각 공기를 주입해야 하므로, 시험편(6) 내부에 중공(5)이 있는 형상으로 제작한다. S170 단계에서는 이러한 열구배기계피로 시험편(6) 형상을 고려하여 그립부를 제외한 시험부(4)의 형상을 모델링한다. 유한요소해석의 경우, 크게 열전달 해석과 열변형 해석, 열구배기계피로 해석으로 나누어 수행하는데, 열전달 해석에서는 최종적으로 도출하고자 하는 열구배기계피로 조건을 고려하여 가열 및 냉각 온도, 시간 등의 조건을 부여하고, 이를 통하여 온도 분포를 획득한다. 열변형 해석에서는 열전달 해석에서 도출한 온도 분포를 적용하여, 해당 조건에서 열구배기계피로 시험편에 발생하는 열변형량을 도출한다. 최종적으로 열구배기계피로 해석에서는 열전달 해석에서의 온도 분포와 열변형 해석에서의 열변형량, 그리고 부여하고자 하는 기계적 변형률을 부여하여 해석을 수행하여 열구배기계피로 조건에서 발생하는 최대, 최소 응력을 도출한다.
상기 S180 단계에서는 유한요소해석 결과에서 발생하는 최대, 최소 응력의 비가 기존의 열피로 해석 결과와 다르기 때문에, 이를 비교하고자 상기 S150 단계와 동일한 응력비 조건에서의 열구배기계피로 등가응력 진폭으로 변환한다. 이때 열구배기계피로 등가응력 진폭의 변환은 상기 S150 단계와 동일하게 Goodman의 피로 방정식(Goodman fatigue equation, 수학식 1) 등의 피로 해석 이론을 이용한다.
상기 S190 단계에서는 상기 S160 단계에서 도출한 수명 예측 식에 상기 S180단계에서 도출한 열구배기계피로 등가응력 진폭을 대입하여 열구배기계피로 수명을 예측할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 열피로 시험 및 유한요소해석을 통하여 열구배기계피로 수명의 예측이 가능하므로, 복잡한 제어가 요구되는 열구배기계피로 시험장치를 열피로 시험 장치로 대체할 수 있는 것은 물론, 열차폐코팅에 대한 수명평가의 편의성을 극대화할 수 있다.
또한, 열구배기계피로 수명을 예측하는 과정에서 열차폐코팅 내부의 열생성산화물의 성장을 고려함으로써 열구배기계피로 수명 평가의 정확성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
1:탑코팅
2:본드 코팅
3:열피로 시험용 시험편
4:시험부
5:중공
6:열구배기계피로 시험용 시험편
2:본드 코팅
3:열피로 시험용 시험편
4:시험부
5:중공
6:열구배기계피로 시험용 시험편
Claims (7)
- 고온의 가동 환경 부품에 적용되는 열차폐코팅의 열구배기계피로 수명예측 방법에 있어서,
열피로 시험을 통해 열화 단계별 열차폐코팅 시험편의 내구 수명을 평가하는 열피로 시험 단계;
상기 열피로 시험 단계의 내구 수명을 적용한 해석 시뮬레이션을 이용하여 가동 환경에서의 발생 응력을 도출하고, 상기 가동 환경에서의 발생 응력을 이용해 수명 예측 식을 도출하는 단계; 및,
평가하고자 하는 열구배기계피로 조건을 적용한 해석 시뮬레이션을 이용하여 열구배기계피로 조건에서의 발생 응력을 도출하고, 상기 열구배기계피로 조건에서의 발생 응력을 상기 수명 예측 식에 대입하여 열구배기계피로 수명을 예측하는 단계;를 포함하며,
상기 수명 예측 식을 도출하는 단계는 상기 열피로 시험 단계의 내구 수명과 상기 가동 환경에서의 발생 응력을 이용하여 수명 선도(S-N Curve)를 도출한 후, 상기 수명 선도로부터 수명 예측 식을 도출하고,
상기 열구배기계피로 수명을 예측하는 단계는, 상기 열구배기계피로 조건을 적용한 해석 시뮬레이션을 통해 열구배기계피로 한 사이클 동안의 응력 변화를 도출하고, 이에 대한 피로 해석을 통하여 동일한 응력비 조건에 해당하는 열구배기계피로 등가응력 진폭으로 변환하고, 상기 열구배기계피로 등가응력 진폭을 상기 수명 선도로부터 도출된 수명 예측 식에 대입하여 열구배기계피로 수명을 산출하는 것을 특징으로 하는 열차폐코팅의 열구배기계피로 수명예측 방법. - 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 수명 예측 식을 도출하는 단계는
상기 열피로 시험 단계의 내구 수명을 적용한 해석 시뮬레이션을 통해 열피로 한 사이클 동안의 응력 변화를 도출하고, 이에 대한 피로 해석을 통하여 동일한 응력비 조건에 해당하는 열피로 등가응력 진폭으로 변환하고, 상기 열피로 시험 단계의 내구 수명과 상기 열피로 등가응력 진폭을 이용하여 상기 수명 선도를 도출하는 것을 특징으로 하는 열차폐코팅의 열구배기계피로 수명예측 방법. - 삭제
- 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
상기 열화 단계별 시험편에 대하여 열차폐코팅의 열생성 산화물의 성장량을 측정하는 산화물 성장 측정 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열차폐코팅의 열구배기계피로 수명예측 방법. - 제 5항에 있어서,
상기 수명 예측 식을 도출하는 단계;의 해석 시뮬레이션은
상기 열피로 시험 단계의 열피로 시험 조건과 상기 산화물 성장 측정 단계의 열생성 산화물의 성장량을 적용하여 가동 환경에서의 발생 응력을 도출하는 것을 특징으로 하는 열차폐코팅의 열구배기계피로 수명예측 방법. - 제 5항에 있어서,
상기 열구배기계피로 수명을 예측하는 단계;의 해석 시뮬레이션은
평가하고자 하는 열구배기계피로 조건과 상기 산화물 성장 측정 단계의 열생성 산화물의 성장량을 적용하여 열구배기계피로 조건에서의 발생 응력을 도출하는 것을 특징으로 하는 열차폐코팅의 열구배기계피로 수명예측 방법.
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| KR1020140188177A KR101533542B1 (ko) | 2014-12-24 | 2014-12-24 | 열차폐코팅의 열구배기계피로(tgmf) 수명예측 방법 |
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| KR (1) | KR101533542B1 (ko) |
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- 2014-12-24 KR KR1020140188177A patent/KR101533542B1/ko active IP Right Grant
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