KR102415574B1 - Method for analyzing flow field in blade of gas turbine - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법이 개시된다. 본 발명의 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법은, 분석장치를 통해 블레이드 시편에 대해 CT 스캔을 촬영하여 얻은 블레이드 이미지로부터 블레이드의 내부유로 이미지를 획득하는 단계; 분석장치를 통해 내부유로 이미지를 블레이드 높이방향으로 적층하여 내부유로를 3D 형상으로 모델링하는 단계; 3D 형상으로 모델링한 블레이드의 내부유로를 기반으로 분석장치를 통해 실험시편을 제작하는 단계; 유체 공급장치를 통해 실험시편에 작동유체를 공급한 후 분석장치를 통해 자기공명 유속계 실험을 수행하여 내부 유동장을 측정하는 단계; 3D 형상으로 모델링한 내부유로를 해석하기 위해 분석장치를 통해 내부유로 해석격자를 생성하는 단계; 내부유로 해석격자를 생성한 후 해석조건을 설정하고, 분석장치를 통해 3D 전산유체역학 해석을 수행하여 내부 유동장을 예측하는 단계; 및 자기공명 유속계 실험을 통해 측정한 내부 유동장과 3D 전산유체역학 해석으로 예측한 내부 유동장에 대해 분석장치를 통해 분석 및 검증하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. The present invention discloses a method for analyzing the internal flow field of a gas turbine blade. The method for analyzing the internal flow field of a gas turbine blade of the present invention includes: acquiring an internal flow field image of the blade from a blade image obtained by taking a CT scan of a blade specimen through an analysis device; modeling the internal flow path in a 3D shape by stacking the internal flow path image in the blade height direction through an analysis device; manufacturing an experimental specimen through an analysis device based on the internal flow path of the blade modeled in 3D shape; measuring an internal flow field by supplying a working fluid to the test specimen through a fluid supply device and then performing a magnetic resonance velocimetry experiment through an analysis device; generating an internal flow path analysis grid through an analysis device to analyze the internal flow path modeled in a 3D shape; predicting an internal flow field by creating an internal flow path analysis grid, setting analysis conditions, and performing 3D computational fluid dynamics analysis through an analysis device; and analyzing and verifying the internal flow field measured through the magnetic resonance anemometer experiment and the internal flow field predicted by 3D computational fluid dynamics analysis through an analysis device.
Description
본 발명은 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가스터빈 블레이드 시편에 대해 CT 스캔을 통해 촬영된 이미지로부터 내부유로를 모델링하고, 이를 통해 내부유로 시험시편을 제작하여 자기공명 속도계(MRV; Magnetic Resonance Velocimetry) 실험과 3D 전산유체역학(CFD ; Computational fluid dynamics) 해석을 통해 내부유로의 유동장을 분석하는 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 장치 및 그 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus for analyzing the internal flow field of a gas turbine blade and a method therefor, and more particularly, by modeling an internal flow path from an image taken through a CT scan of a gas turbine blade specimen, and through this, an internal flow field test specimen is produced Thus, it relates to a device and method for analyzing the internal flow field of a gas turbine blade that analyzes the flow field of the internal flow path through Magnetic Resonance Velocimetry (MRV) experiments and 3D computational fluid dynamics (CFD) analysis.
일반적으로, 전기와 열원을 동시에 생산할 수 있는 복합발전은 가스터빈과 증기터빈 열회수 배열 보일러로 구성된다. In general, a combined cycle power plant capable of producing electricity and a heat source at the same time is composed of a gas turbine and a steam turbine heat recovery heat recovery boiler.
가스터빈은, 천연가스를 고온 고압의 환경에서 연소하여 연소가스를 생성하고, 이러한 연소가스의 유동에 의해 에너지를 추출하는 회전동력기계이다. 가스터빈은 압축기, 터빈 및 연소실을 포함한다. 압축기에서 압축된 공기가 연료와 혼합되어 연소함으로써 고온 고압의 기체가 팽창하고, 이 힘을 이용하여 터빈을 구동한다. A gas turbine is a rotary power machine that generates combustion gas by burning natural gas in a high-temperature and high-pressure environment, and extracts energy by the flow of the combustion gas. A gas turbine includes a compressor, a turbine and a combustion chamber. The compressed air in the compressor is mixed with fuel and combusted to expand the high-temperature, high-pressure gas, and use this force to drive the turbine.
터빈은 연소기 후단에 위치하고, 베인과 블레이드를 포함한다. 이러한 베인과 블레이드는 고온의 배기가스에 노출되므로, 고온의 연소가스로부터 베인과 블레이드를 보호하기 위해 내부냉각과 외부냉각 방식을 택하고 있다. The turbine is located at the rear end of the combustor and includes vanes and blades. Since these vanes and blades are exposed to high-temperature exhaust gas, internal cooling and external cooling methods are adopted to protect the vanes and blades from high-temperature combustion gases.
외부냉각의 경우, 주유로(외부유로)를 냉각하기 위해 베인 또는 블레이드에 실린더형(Cylinderical type)의 막냉각 홀(Film cooling hole) 또는 팬형의(Fan-shaped type)의 막냉각 홀을 설치하여 베인과 블레이드 표면에 냉각막을 형성시켜 고온의 연소가스로부터 베인과 블레이드의 표면을 보호하는 방식을 택하고 있다. 또한 공기역학적 성능을 개선하기 위해서 블레이드의 압력면과 흡입면의 공력특성을 고려하여 터빈의 베인과 블레이드를 설계하고 있다.In the case of external cooling, a cylindrical type film cooling hole or a fan-shaped type membrane cooling hole is installed in the vane or blade to cool the main flow path (external flow path). A cooling film is formed on the surfaces of the vanes and blades to protect the surfaces of the vanes and blades from high-temperature combustion gases. In addition, in order to improve aerodynamic performance, turbine vanes and blades are designed in consideration of the aerodynamic characteristics of the pressure and suction surfaces of the blades.
또한, 운전 시의 안정성 확보를 위해, 운전 전에 열응력을 평가한다. 이러한 베인과 블레이드의 열응력 평가 시에, 실제 사용되는 부품을 동일한 환경에서 고온의 가스에 노출시켜 평가하는 경우 결과의 신뢰성을 확보할 수 있다. In addition, to ensure stability during operation, thermal stress is evaluated before operation. When evaluating the thermal stress of the vanes and blades, reliability of the results can be secured when the components actually used are exposed to high-temperature gas in the same environment.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0079865호(2018.07.11. 공개, 고온부품의 열내구성 시험용 테스트리그와 이를 이용한 시험 시스템 및 방법)에 개시되어 있다. The background technology of the present invention is disclosed in Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2018-0079865 (published on July 11, 2018, a test rig for thermal durability testing of high-temperature components, and a test system and method using the same).
가스터빈 블레이드의 내부 냉각유로 내에서 발생하는 유동 특성을 분석하기 위한 방법으로는 입/출구의 유동특성을 측정하는 방법 또는 유동가시화 측정 방법이 있다. As a method for analyzing the flow characteristics occurring in the internal cooling passage of a gas turbine blade, there is a method of measuring the flow characteristics of an inlet/outlet or a method of measuring flow visualization.
입출구의 유동특성을 이용하는 방법은 입/출구의 차압을 측정하거나 정해진 차압에서 유량을 측정해 유로에서 발생하는 압력손실을 정량적으로 분석하는 방법이고, 유동가시화 측정 방법은 유체 흐름에 따라 움직이는 입자들로부터 반사된 레이저 빛을 통해 속도를 측정하는 레이저 속도계(Laser Doppler Velocimetry; LDV) 및 입자들의 움직임을 고속카메라로 촬영하여 2차원 면에서의 속도를 측정하는 입자영상 유속계(Particle Image Velocimetry ;PIV) 등이 있다. The method of using the flow characteristics of the inlet/outlet is a method of quantitatively analyzing the pressure loss occurring in the flow path by measuring the differential pressure at the inlet/outlet or measuring the flow rate at a predetermined differential pressure. Laser Doppler Velocimetry (LDV), which measures velocity through reflected laser light, and Particle Image Velocimetry (PIV), which measures the velocity in a two-dimensional plane by photographing the movement of particles with a high-speed camera have.
가스터빈 블레이드는 모재의 용융점을 넘는 고온 고압의 극한 조건에 노출되기 때문에 냉각을 위한 가스터빈 블레이드 내부 유로 형상은 핵심 요소 중 하나이다. 그러나 제한된 공간 내에 복잡한 내부 유로가 집약되어 있기 때문에 유로 내부의 냉각 유동 특성을 파악하는 것은 쉽지 않을 뿐만 아니라 최신 냉각 유로 형상은 제작사들의 핵심 기술로서 파악 자체가 매우 어렵다. Since gas turbine blades are exposed to extreme conditions of high temperature and high pressure that exceed the melting point of the base material, the shape of the internal flow path for cooling is one of the key factors. However, since complex internal flow paths are concentrated in a limited space, it is not easy to understand the cooling flow characteristics inside the flow path, and it is very difficult to grasp the shape of the latest cooling flow path as a core technology of manufacturers.
따라서 실제 부품을 동일한 환경에서 시험하는 것은 현실적인 제약이 따르므로, 시험편을 따로 제작하여, 시험편의 열 내구성을 평가하고 있는 실정이다. Therefore, since there are practical limitations to testing actual parts in the same environment, a test piece is separately prepared and the thermal durability of the test piece is evaluated.
즉, 가스터빈 블레이드와 베인의 부품 특성을 평가하기 위해 소형의 시험편을 따로 제작하여 가스터빈 환경과 유사한 온도 조건만 모사하여 시험하고 있어 가스터빈의 실제 연소 환경과는 다르게 설계된 환경에서 평가를 시행하게 되여, 평가 결과에 대한 현장 적용에 어려움이 발생하고 있다. In other words, in order to evaluate the characteristics of the parts of the gas turbine blade and vane, a small test piece is separately produced and only the temperature conditions similar to the gas turbine environment are simulated and tested. As a result, it is difficult to apply the evaluation results to the field.
이와 같이 설계 형상정보를 가지고 있는 가스터빈 제작사가 아니면 가스터빈 블레이드 내부의 복잡한 유로를 파악하기가 어렵기 때문에 내부유로 형상을 파악하기 위해서 블레이드를 절단하였기 때문에 부품의 소실이 발생하였다. As described above, it is difficult to understand the complicated flow path inside the gas turbine blade unless the gas turbine manufacturer has the design shape information. Therefore, parts were lost because the blade was cut to understand the shape of the internal flow path.
또한, 입출구의 유동특성을 이용한 블레이드 냉각유로 분석 방법은 비교적 간단한 실험환경 구축을 통해 냉각유로의 압력손실 특성을 정량적으로 평가할 수 있지만 입출구의 유체 정보만 알 수 있기 때문에 블레이드 내부에서 발생하는 유동장을 파악할 수 없는 문제점이 있다. In addition, the blade cooling flow path analysis method using the flow characteristics of the inlet and outlet can quantitatively evaluate the pressure loss characteristics of the cooling channel through the establishment of a relatively simple experimental environment. There is an impossible problem.
그리고 레이저 속도계(LDV)나 입자영상 유속계(PIV)와 같이 레이저 광학에 기반을 둔 유동가시화 측정 방법은 유체 및 유로 형상이 반드시 투명해야할 뿐만 아니라 빛의 교란이 심한 복잡한 구조물의 내부 또는 주위 유동일 경우 측정이 제한적이며, 3차원 유동영역에 대한 측정이 불가능하다는 문제점이 있다. In addition, flow visualization measurement methods based on laser optics, such as laser velocimetry (LDV) and particle imaging velocimetry (PIV), measure when the fluid and flow path shape must be transparent, as well as flow inside or around complex structures with severe light disturbance. This is limited, and there is a problem in that it is impossible to measure the three-dimensional flow domain.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 일 측면에 따른 본 발명의 목적은 가스터빈 블레이드 시편에 대해 CT 스캔을 통해 촬영된 이미지로부터 내부유로를 모델링하고, 이를 통해 내부유로 시험시편을 제작하여 자기공명 속도계(MRV; Magnetic Resonance Velocimetry) 실험과 3D 전산유체역학(CFD ; Computational fluid dynamics) 해석을 통해 내부유로의 유동장을 분석하는 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법을 제공하는 것이다. The present invention has been devised to improve the above problems, and an object of the present invention according to one aspect is to model an internal flow path from an image taken through a CT scan of a gas turbine blade specimen, and through this, an internal flow path test specimen To provide a method for analyzing the internal flow field of a gas turbine blade that analyzes the flow field of the internal flow path through magnetic resonance velocimetry (MRV) experiments and 3D computational fluid dynamics (CFD) analysis.
본 발명의 일 측면에 따른 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법은, 분석장치를 통해 블레이드 시편에 대해 CT 스캔을 촬영하여 얻은 블레이드 이미지로부터 블레이드의 내부유로 이미지를 획득하는 단계; 분석장치를 통해 내부유로 이미지를 블레이드 높이방향으로 적층하여 내부유로를 3D 형상으로 모델링하는 단계; 3D 형상으로 모델링한 블레이드의 내부유로를 기반으로 분석장치를 통해 실험시편을 제작하는 단계; 유체 공급장치를 통해 실험시편에 작동유체를 공급한 후 분석장치를 통해 자기공명 유속계 실험을 수행하여 내부 유동장을 측정하는 단계; 3D 형상으로 모델링한 내부유로를 해석하기 위해 분석장치를 통해 내부유로 해석격자를 생성하는 단계; 내부유로 해석격자를 생성한 후 해석조건을 설정하고, 분석장치를 통해 3D 전산유체역학 해석을 수행하여 내부 유동장을 예측하는 단계; 및 자기공명 유속계 실험을 통해 측정한 내부 유동장과 3D 전산유체역학 해석으로 예측한 내부 유동장에 대해 분석장치를 통해 분석 및 검증하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. According to an aspect of the present invention, a method for analyzing an internal flow field of a gas turbine blade includes: acquiring an internal flow field image of a blade from a blade image obtained by taking a CT scan of a blade specimen through an analysis device; modeling the internal flow path in a 3D shape by stacking the internal flow path image in the blade height direction through an analysis device; manufacturing an experimental specimen through an analysis device based on the internal flow path of the blade modeled in 3D shape; measuring an internal flow field by supplying a working fluid to the test specimen through a fluid supply device and then performing a magnetic resonance velocimetry experiment through an analysis device; generating an internal flow path analysis grid through an analysis device to analyze the internal flow path modeled in a 3D shape; predicting an internal flow field by creating an internal flow path analysis grid, setting analysis conditions, and performing 3D computational fluid dynamics analysis through an analysis device; and analyzing and verifying the internal flow field measured through the magnetic resonance anemometer experiment and the internal flow field predicted by 3D computational fluid dynamics analysis through an analysis device.
본 발명에서 내부유로 이미지를 획득하는 단계는, CT 스캔 촬영한 흑백 이미지의 픽셀값에 대해 임계값을 지정하여 블레이드의 메탈 영역을 추출하고, 메탈 영역의 내부에 비워진 영역에 대해 마스킹 영역을 반전시켜 내부유로 이미지를 획득하는 것을 특징으로 한다. In the present invention, the step of acquiring the internal flow image includes extracting the metal area of the blade by designating a threshold value for the pixel value of the black and white image taken by CT scan, and inverting the masking area for the area emptied inside the metal area. It is characterized in that the image of the internal flow path is acquired.
본 발명에서 실험시편을 제작하는 단계는, 자기공명 유속계 실험에 의한 자계영향을 받지 않도록 아크릴로 제작하는 것을 특징으로 한다. The step of preparing the test specimen in the present invention is characterized in that it is made of acrylic so as not to be affected by the magnetic field caused by the magnetic resonance velocimeter experiment.
본 발명에서 내부 유동장을 측정하는 단계는, 유체 공급장치를 통해 실험시편의 내부유로에 작동유체를 공급한 후 자기공명영상 장비를 통해 내부 속도분포 및 속도벡터를 측정하는 것을 특징으로 한다. The step of measuring the internal flow field in the present invention is characterized in that after supplying the working fluid to the internal flow path of the test specimen through the fluid supply device, the internal velocity distribution and velocity vector are measured through magnetic resonance imaging equipment.
본 발명에서 내부 유동장을 측정하는 단계는, 유체 공급장치를 통해 일정한 온도의 작동유체를 공급하는 것을 특징으로 한다. In the present invention, the step of measuring the internal flow field is characterized in that a working fluid of a constant temperature is supplied through a fluid supply device.
본 발명에서 작동유체는, 물이나 1~100mM의 황산구리 용액을 포함하는 것을 특징으로 한다. The working fluid in the present invention is characterized in that it contains water or a copper sulfate solution of 1 to 100 mM.
본 발명에서 작동유체는, 유체의 레이놀즈 수가 1,000~200,000인 것을 특징으로 한다. The working fluid in the present invention is characterized in that the Reynolds number of the fluid is 1,000 to 200,000.
본 발명에서 내부 유동장을 예측하는 단계는, 내부 유동장을 측정하기 위한 작동유체의 공급조건을 경계조건으로 3D 전산유체역학 해석을 수행하는 것을 특징으로 한다. The predicting of the internal flow field in the present invention is characterized in that the 3D computational fluid dynamics analysis is performed using the supply condition of the working fluid for measuring the internal flow field as a boundary condition.
본 발명에서 내부 유동장을 예측하는 단계는, k-w-SST(Shear-Stress Transport) 난류모델, k-omega 난류모델, k-epsilon 난류모델, S-A(Spalart-Allmaras) 난류모델 및 Reynolds stress equation 난류모델 중 어느 하나를 해석조건으로 설정하여 내부 유동장을 예측하는 것을 특징으로 한다. In the present invention, the step of predicting the internal flow field includes: k-w-SST (Shear-Stress Transport) turbulence model, k-omega turbulence model, k-epsilon turbulence model, S-A (Spalart-Allmaras) turbulence model, and Reynolds stress equation turbulence model. It is characterized in that the internal flow field is predicted by setting any one of the analysis conditions.
본 발명의 일 측면에 따른 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법은 가스터빈 블레이드 시편에 대해 CT 스캔을 통해 촬영된 이미지로부터 내부유로를 모델링하여 형상정보를 확보할 수 있을 뿐만 아니라 이를 통해 내부유로 시험시편을 제작하여 MRV 실험으로 복잡한 블레이드의 내부유동을 짧은 시간 내에 측정할 수 있고, 3D 전산유체역학 해석을 통해 블레이드의 내부유동을 정량화할 수 있으며, 유동장 분석을 통해 압력손실을 저감시키는 형상을 개선하고 내부유로에 의한 냉각기술을 축적할 수 있다. The method for analyzing the internal flow field of a gas turbine blade according to an aspect of the present invention can secure shape information by modeling an internal flow path from an image taken through a CT scan of a gas turbine blade specimen, and through this, an internal flow field test specimen can measure the internal flow of a complex blade in a short time through MRV experiment by making a Cooling technology can be accumulated through the internal flow path.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법에서 CT 스캔을 이용한 블레이드의 내부유로 모델링 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법에서 자기공명 유속계 실험 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법을 통해 분석한 내부 유동장을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법에 의한 자기공명 유속계 실험과 전산유체역학 해석의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법에 의한 내부유로의 길이방향에 따른 전압 분포 및 압력손실을 나타낸 그래프이다. 1 is a flowchart illustrating a method for analyzing an internal flow field of a gas turbine blade according to an embodiment of the present invention.
2 is a modeling image of an internal flow field of a blade using a CT scan in a method for analyzing an internal flow field of a gas turbine blade according to an embodiment of the present invention.
3 is a configuration diagram of a magnetic resonance anemometer experiment in a method for analyzing an internal flow field of a gas turbine blade according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing the internal flow field analyzed through the method for analyzing the internal flow field of a gas turbine blade according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing the results of a magnetic resonance anemometer experiment and computational fluid dynamics analysis by the method for analyzing the internal flow field of a gas turbine blade according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing the voltage distribution and pressure loss along the longitudinal direction of the internal flow path by the method for analyzing the internal flow field of a gas turbine blade according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법을 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, a method for analyzing the internal flow field of a gas turbine blade according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In this process, the thickness of the lines or the size of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. In addition, the terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of the user or operator. Therefore, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법에서 CT 스캔을 이용한 블레이드의 내부유로 모델링 이미지이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법에서 자기공명 유속계 실험 구성도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법을 통해 분석한 내부 유동장을 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법에 의한 자기공명 유속계 실험과 전산유체역학 해석의 결과를 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법에 의한 내부유로의 길이방향에 따른 전압 분포 및 압력손실을 나타낸 그래프이다. 1 is a flowchart illustrating a method for analyzing an internal flow field of a gas turbine blade according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a method for analyzing an internal flow field of a gas turbine blade according to an embodiment of the present invention using a CT scan. It is an image of the internal flow path modeling of the blade, and FIG. 3 is a configuration diagram of a magnetic resonance anemometer experiment in the method for analyzing the internal flow field of a gas turbine blade according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a gas turbine blade according to an embodiment of the present invention. It is a view showing the internal flow field analyzed through the internal flow field analysis method of 6 is a graph showing the voltage distribution and pressure loss along the longitudinal direction of the internal flow path by the method for analyzing the internal flow field of a gas turbine blade according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법은, 먼저 분석장치를 통해 내부 유동장을 분석하기 위한 가스터빈의 블레이드 시편에 대해 CT 스캔을 촬영하여 얻은 블레이드 이미지로부터 블레이드의 내부유로 이미지를 획득한다(S10). As shown in FIG. 1, in the method for analyzing the internal flow field of a gas turbine blade according to an embodiment of the present invention, first, a blade obtained by taking a CT scan of a blade specimen of a gas turbine for analyzing the internal flow field through an analysis device. An image of the internal flow path of the blade is acquired from the image (S10).
도 2에 도시된 바와 같이 CT 스캔 촬영한 흑백 이미지의 픽셀값에 대해 임계값을 지정하여 블레이드의 메탈 영역을 추출하고, 메탈 영역의 내부에 비워진 영역에 대해 마스킹 영역을 반전시켜 내부유로 이미지를 획득할 수 있다. As shown in Fig. 2, the metal area of the blade is extracted by specifying a threshold value for the pixel value of the black and white image taken by CT scan, and the masking area is inverted for the area emptied inside the metal area to obtain the internal flow path image can do.
S10 단계에서 블레이드의 2D 내부유로 이미지를 획득한 후 분석장치를 통해 내부유로 이미지를 블레이드 높이방향으로 적층하여 내부유로를 3D 형상으로 모델링하여 형상정보를 얻는다(S20). After acquiring the 2D internal flow path image of the blade in step S10, the internal flow path image is stacked in the blade height direction through the analysis device to model the internal flow path in a 3D shape to obtain shape information (S20).
S20 단계에서 내부유로를 3D 형상으로 모델링한 블레이드의 내부유로를 기반으로 분석장치를 통해 실험시편을 제작한다(S30). In step S20, a test specimen is manufactured through an analysis device based on the internal flow path of the blade modeled in a 3D shape with the internal flow path (S30).
여기서, 실험시편은 3D 형상으로 모델링한 블레이트의 내부유로를 기반으로 3D 프린팅을 이용하여 자기공명 유속계 실험에 의한 자계영향을 받지 않도록 아크릴로 제작할 수 있다. Here, the test specimen can be made of acrylic so that it is not affected by the magnetic field by the magnetic resonance anemometer experiment using 3D printing based on the internal flow path of the blade modeled in 3D shape.
S30 단계에서 실험시편을 제작한 후 실험시편에 유체 공급장치를 연결하여 작동유체를 공급한 후 분석장치를 통해 자기공명 유속계(magnetic resonance velocimetry; MRV) 실험을 수행하여 내부 유동장을 측정한다(S40). After manufacturing the test specimen in step S30, connect the fluid supply device to the test specimen to supply the working fluid, and then perform a magnetic resonance velocimetry (MRV) experiment through the analyzer to measure the internal flow field (S40) .
여기서, 자기공명 유속계 실험을 위해 도 3에 도시된 바와 같이 스캔 룸 내부(100)에는 MRI(Magnetic Resonance Imaging, 자기공명영상) 장비(20)와 실험시편(10)을 배치하고, MRI 장비(20)가 설치되는 스캔 룸 내부(100)에 금속 물질이 들어가는 것을 방지하기 위해 스캔 룸 외부(200)에 실험시편(10)으로 작동유체를 공급하기 위한 유체 공급장치를 배치한다. Here, magnetic resonance imaging (MRI)
이때 유체 공급장치는 대용량 수조(50), 펌프(60), 유량조절용 밸브(30), 유량계(40), 온도 제어용 냉각기(Chiller)(70) 및 열전대(Thermocouple; TC)를 포함할 수 있다. At this time, the fluid supply device may include a large-
따라서 유체 공급장치를 통해 물이나 황산구리 용액을 포함하는 작동유체를 일정한 온도로 실험시편으로 공급할 수 있다. Therefore, the working fluid including water or copper sulfate solution can be supplied to the test specimen at a constant temperature through the fluid supply device.
이때 작동유체의 점성이 측정결과에 영향을 미치므로 펌프(60) 및 MRI 장비(20)로부터 생성되는 열은 냉각기(70)를 이용해 제어해 온도를 일정하게 유지하여 공급하고, 작동유체로는 물 또는 물의 동점성 계수와 유사한 황산구리 용액을 이용할 수 있다. At this time, since the viscosity of the working fluid affects the measurement result, the heat generated from the
황산구리 용액은 농도에 따라 신호-대-잡음비(SNR)가 달라지므로 최대 SNR을 가질 수 있도록 황산구리 용액 농도는 1~100mM 범위에서 사용하고, 공급되는 유체의 레이놀즈 수는 가스터빈 블레이드의 냉각유체의 작동범위를 고려해 1000~200000으로 한다. Since the signal-to-noise ratio (SNR) of the copper sulfate solution varies depending on the concentration, the copper sulfate solution concentration is used in the range of 1 to 100 mM to have the maximum SNR, and the Reynolds number of the supplied fluid depends on the operation of the cooling fluid of the gas turbine blade. Considering the range, set it to 1000-20000.
이와 같이 실험시편(10)으로 유체 공급장치를 통해 작동유체를 공급한 후 MRI 장비(20)를 통해 내부 속도분포 및 속도벡터를 측정할 수 있다. In this way, after supplying the working fluid to the
MRI 장비(20)의 베드를 이동시켜 실험시편을 MRI 장비(20) 중심부에 삽입한 후 실험시편(10) 내부유로의 작동유체에서 발생하는 자기공명 신호를 계측한다. 작동유체를 공급하는 상태에서의 유동장 측정과 공급을 멈춘 상태에서의 속도장 측정을 번갈아가며 수행해 계측 시스템의 불완전성으로 인하여 발생한 오프셋(offset) 값을 평가하고 이를 제거할 수 있다. After moving the bed of the
MRI 장비(20)를 통해 자기공명 신호를 계측하면 크기(Magnitude)와 위상값이 측정된다. 측정된 위상값은 수식으로 속도로 변환할 수 있다. 속도벡터의 x, y, z 각 속도성분을 계측할 수 있도록 MRI Protocol에서 bipolar gradient를 각 성분별로 세 차례 적용하고, 이를 이용해 x, y, z 속도성분을 속도벡터로 변환함으로써, 실험시편 내에서 발생하는 유체의 속도, 속도벡터를 추출하여 실험시편 내부유로의 3차원 유동장을 측정할 수 있다. When the magnetic resonance signal is measured through the
여기서 MRI 장비의 해상도(Resolution)은 블레이드의 냉각유로 크기를 고려하여 2 x 2 x 2 mm3 이하가 바람직하다. 또한, VENC는 동적 범위로서 실험시편에서 최대 속도가 VENC 값이 넘기는 경우 위신호 현상(aliasing)이 발생하므로 작동유체의 최대속도보다 높게 설정하는 것이 바람직하다. Here, the resolution (Resolution) of the MRI equipment is preferably 2 x 2 x 2 mm 3 or less in consideration of the size of the cooling passage of the blade. In addition, as VENC is a dynamic range, it is preferable to set higher than the maximum speed of the working fluid because aliasing occurs when the maximum speed exceeds the VENC value in the test specimen.
본 실시예에서 자기공명 유속계(magnetic resonance velocimetry; MRV) 실험은 핵자기공명현상을 바탕으로 자기공명영상(magnetic resonance imaging; MRI) 장비를 이용해 유체의 속도를 측정하는 계측기법이다. 자기공명 유속계 실험은 광학기반 기기들을 사용하지 않으면서 추가적인 이물입자 없이 유체로부터 발생하는 자기공명 신호로부터 속도를 측정하기 위한 방법으로, 유로의 불투명함이나 형상의 복잡함에 구애를 받지 않고 적용할 수 있다. 더불어 3차원 영역에 대한 3축 성분의 평균 속도장 측정을 상대적으로 간단하고 신속하게 수행할 수 있는 장점이 있다. In this embodiment, the magnetic resonance velocimetry (MRV) experiment is a measurement technique for measuring the velocity of a fluid using a magnetic resonance imaging (MRI) device based on a nuclear magnetic resonance phenomenon. The magnetic resonance anemometer experiment is a method for measuring the velocity from a magnetic resonance signal generated from a fluid without additional foreign particles without using optical-based devices. It can be applied regardless of the opacity of the flow path or the complexity of the shape. . In addition, it has the advantage of being able to perform the measurement of the average velocity field of the three-axis component in a three-dimensional domain relatively simply and quickly.
한편, S20 단계에서 내부유로를 3D 형상으로 모델링한 블레이드의 내부유로를 전산유체역학 해석하기 위해 분석장치를 통해 내부유로 해석격자를 생성한다(S50). Meanwhile, in step S20, an internal flow path analysis grid is generated through an analysis device to analyze the internal flow path of the blade modeled in a 3D shape in a 3D shape (S50).
여기서 블레이드 내부유로 벽면에서 발생하는 경계층 유동을 모사하기 위해 해석 격자의 Y+ 값은 10 이하로 생성할 수 있다. Here, the Y+ value of the analysis grid can be created to be 10 or less in order to simulate the boundary layer flow that occurs on the inner wall of the blade.
S50 단계에서 내부유로 해석격자를 생성한 후 해석조건을 설정하고, 분석장치를 통해 3D 전산유체역학(Computational fluid dynamics ; CFD) 해석을 수행하여 내부 유동장을 예측한다(S60). After creating the internal flow path analysis grid in step S50, analysis conditions are set, and the internal flow field is predicted by performing 3D computational fluid dynamics (CFD) analysis through the analysis device (S60).
여기서, 전산유체역학 해석을 위해 난류유동 및 경계층 해석에 적합한 k-w-SST(Shear-Stress Transport) 난류모델, k-omega 난류모델, k-epsilon 난류모델, S-A(Spalart-Allmaras) 난류모델 및 Reynolds stress equation 난류모델 중 어느 하나를 해석조건으로 설정할 수 있다. Here, k-w-SST (Shear-Stress Transport) turbulence model, k-omega turbulence model, k-epsilon turbulence model, S-A (Spalart-Allmaras) turbulence model and Reynolds stress model suitable for turbulent flow and boundary layer analysis for computational fluid dynamics analysis. Any one of the equation turbulence models can be set as the analysis condition.
그리고, 실험시편의 내부유로 입출구 조건과 작동유체 조건은 MRV 실험에 사용된 유체공급 조건과 동일하게 설정하는 것이 바람직하다. In addition, it is desirable to set the conditions of the inlet and outlet of the internal flow path and the working fluid of the test specimen to be the same as the fluid supply conditions used in the MRV experiment.
이와 같이 내부 유동장을 측정하기 위한 작동유체의 공급조건을 경계조건으로 3D 전산유체역학 해석을 수행하여 실험시편 내부유로의 유동장을 예측할 수 있다. In this way, the flow field of the internal flow field of the experimental specimen can be predicted by performing 3D computational fluid dynamics analysis using the supply condition of the working fluid for measuring the internal flow field as the boundary condition.
S40 단계에서 자기공명 유속계 실험을 통해 측정한 블레이드의 내부 유동장과 S60 단계에서 3D 전산유체역학 해석으로 예측한 블레이드의 내부 유동장을 분석장치를 통해 분석 및 검증한다(S70). The internal flow field of the blade measured through the magnetic resonance anemometer experiment in step S40 and the internal flow field of the blade predicted by the 3D computational fluid dynamics analysis in step S60 are analyzed and verified through an analysis device (S70).
본 실시예와 같이 MRV 실험을 통해 유로 내부의 속도장을 측정하여 블레이드 내부유로의 유동장 특성을 파악할 수 있다. 특히, 냉각유로의 U자형 곡관 이후에 발생하는 유동박리 영역을 확인 할 수 있으며, 속도 절대값이 평균속도보다 낮게 나타나는 영역으로 나타낼 수 있다. As in this embodiment, by measuring the velocity field inside the flow path through the MRV experiment, it is possible to determine the flow field characteristics of the blade internal flow path. In particular, the flow separation region that occurs after the U-shaped curved pipe of the cooling passage can be identified, and it can be expressed as a region where the absolute velocity value is lower than the average velocity.
또한, 전산유체역학(CFD) 해석 결과와 비교하여 MRV 실험에 의한 측정결과는 분석 및 검증할 수 있다. In addition, compared with computational fluid dynamics (CFD) analysis results, measurement results by MRV experiments can be analyzed and verified.
도 4는 위치(1)과 위치(2) 평면에서의 속도 분포 및 속도 벡터를 나타낸다. Figure 4 shows the velocity distribution and velocity vectors in the planes of position (1) and position (2).
여기에서 보는 바와 같이 2D 평면 속도분포를 통해 가스터빈 블레이드의 U 곡관에서 발생하는 유동박리 영역을 관찰 할 수 있다. As shown here, the flow separation region occurring in the U-curve tube of the gas turbine blade can be observed through the 2D planar velocity distribution.
또한 도 5는 위치(2)를 기준으로 유로 내부의 세로 중앙선, 가로 중앙선에서의 MRV 실험과 CFD 해석에 의한 속도를 나타내며 MRV 실험값과 CFD 해석값을 정량적으로 비교 검증할 수 있다. In addition, FIG. 5 shows the velocity by the MRV experiment and CFD analysis at the vertical center line and the horizontal center line inside the flow path based on the position (2), and the MRV experimental value and the CFD analysis value can be quantitatively compared and verified.
CFD 해석 결과에서 길이방향 단면에서의 평균 속도값과 평균 정압력을 사용하면 수학식 1을 이용해 길이방향 단면에서의 평균 전압력을 계산할 수 있다. If the average velocity value and the average static pressure in the longitudinal section are used in the CFD analysis result, the average voltage force in the longitudinal section can be calculated using Equation (1).
여기서 Ptotal은 전압력, Pstatic은 정압력, ρ은 유체 밀도, V는 속도를 의미한다. Here, P total is voltage force, P static is static pressure, ρ is fluid density, and V is velocity.
그리고, 내부유로 길이방향 단면에서의 평균 전압력값을 구하고 이를 그래프로 나타내면 도 11과 같이 내부유로에서 발생하는 압력손실 특성을 파악할 수 있다. 이를 통해 압력손실이 크게 발생하는 지점을 파악하고 해당 위치에서 형상 최적화 설계를 수행함으로써 압력손실을 개선한 새로운 설계안 도출도 가능하다.In addition, when the average voltage force value in the longitudinal section of the internal flow path is obtained and this is shown as a graph, it is possible to grasp the characteristics of the pressure loss occurring in the internal flow path as shown in FIG. 11 . Through this, it is possible to identify the point where the pressure loss occurs greatly and to derive a new design proposal to improve the pressure loss by performing shape optimization design at that location.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법에 따르면, 가스터빈 블레이드 시편에 대해 CT 스캔을 통해 촬영된 이미지로부터 내부유로를 모델링하여 형상정보를 확보할 수 있을 뿐만 아니라 이를 통해 내부유로 시험시편을 제작하여 MRV 실험으로 복잡한 블레이드의 내부유동을 짧은 시간 내에 측정할 수 있고, 3D 전산유체역학 해석을 통해 블레이드의 내부유동을 정량화할 수 있으며, 유동장 분석을 통해 압력손실을 저감시키는 형상을 개선하고 내부유로에 의한 냉각기술을 축적할 수 있다. As described above, according to the method for analyzing the internal flow field of a gas turbine blade according to an embodiment of the present invention, shape information can be secured by modeling an internal flow path from an image taken through a CT scan of a gas turbine blade specimen. Instead, the internal flow test specimen can be produced and the internal flow of a complex blade can be measured in a short time by MRV experiment, the internal flow of the blade can be quantified through 3D computational fluid dynamics analysis, and pressure loss through flow field analysis It is possible to improve the shape that reduces airflow and to accumulate cooling technology by means of an internal flow path.
본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍 가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.Implementations described herein may be implemented in, for example, a method or process, an apparatus, a software program, a data stream, or a signal. Although discussed only in the context of a single form of implementation (eg, discussed only as a method), implementations of the discussed features may also be implemented in other forms (eg, as an apparatus or program). The apparatus may be implemented in suitable hardware, software and firmware, and the like. A method may be implemented in an apparatus such as, for example, a processor, which generally refers to a computer, a microprocessor, a processing device, including an integrated circuit or programmable logic device, or the like. Processors also include communication devices such as computers, cell phones, portable/personal digital assistants (“PDA”) and other devices that facilitate communication of information between end-users.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. Although the present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings, this is merely an example, and those skilled in the art to which various modifications and equivalent other embodiments are possible. will understand
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be defined by the following claims.
10 : 실험시편 20 : MRI 장비
30 : 유량조절용 밸브 40 : 유량계
50 : 수조 60 : 펌프
70 : 냉각기 TC : 열전대
100 : 스캔 룸 내부 200 : 스캔 룸 외부10: test specimen 20: MRI equipment
30: flow control valve 40: flow meter
50: water tank 60: pump
70: cooler TC: thermocouple
100: inside the scan room 200: outside the scan room
Claims (9)
상기 분석장치를 통해 상기 내부유로 이미지를 블레이드 높이방향으로 적층하여 내부유로를 3D 형상으로 모델링하는 단계;
상기 3D 형상으로 모델링한 블레이드의 내부유로를 기반으로 상기 분석장치를 통해 실험시편을 제작하는 단계;
유체 공급장치를 통해 상기 실험시편에 작동유체를 공급한 후 상기 분석장치를 통해 자기공명 유속계 실험을 수행하여 내부 유동장을 측정하는 단계;
상기 3D 형상으로 모델링한 내부유로를 해석하기 위해 상기 분석장치를 통해 내부유로 해석격자를 생성하는 단계;
상기 내부유로 해석격자를 생성한 후 해석조건을 설정하고, 상기 분석장치를 통해 3D 전산유체역학 해석을 수행하여 내부 유동장을 예측하는 단계; 및
상기 자기공명 유속계 실험을 통해 측정한 내부 유동장과 상기 3D 전산유체역학 해석으로 예측한 내부 유동장에 대해 상기 분석장치를 통해 분석 및 검증하는 단계;를 포함하되, 상기 내부유로 이미지를 획득하는 단계는, CT 스캔 촬영한 흑백 이미지의 픽셀값에 대해 임계값을 지정하여 블레이드의 메탈 영역을 추출하고, 메탈 영역의 내부에 비워진 영역에 대해 마스킹 영역을 반전시켜 상기 내부유로 이미지를 획득하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법.
obtaining an image of the inner flow path of the blade from the blade image obtained by taking a CT scan of the blade specimen through an analysis device;
modeling the internal flow path in a 3D shape by stacking the internal flow path image in the blade height direction through the analysis device;
manufacturing a test specimen through the analysis device based on the internal flow path of the blade modeled in the 3D shape;
measuring an internal flow field by supplying a working fluid to the test specimen through a fluid supply device and then performing a magnetic resonance velocimetry experiment through the analysis device;
generating an internal flow path analysis grid through the analysis device to analyze the internal flow path modeled in the 3D shape;
predicting an internal flow field by generating the internal flow path analysis grid, setting analysis conditions, and performing 3D computational fluid dynamics analysis through the analysis device; and
Analyzing and verifying the internal flow field measured through the magnetic resonance anemometer experiment and the internal flow field predicted by the 3D computational fluid dynamics analysis through the analysis device; Gas characterized in that the metal area of the blade is extracted by specifying a threshold value for the pixel value of the black and white image taken by CT scan, and the inner flow path image is obtained by inverting the masking area with respect to the area emptied inside the metal area A method for analyzing the internal flow field of a turbine blade.
[Claim 2] The method of claim 1, wherein in the manufacturing of the test specimen, acrylic is used so as not to be affected by the magnetic field caused by the magnetic resonance anemometer experiment.
The method of claim 1, wherein the measuring of the internal flow field comprises supplying the working fluid to the internal flow path of the test specimen through the fluid supply device and then measuring the internal velocity distribution and velocity vector through a magnetic resonance imaging device. Method for analyzing the internal flow field of a gas turbine blade, characterized in that.
The method of claim 1, wherein the measuring the internal flow field comprises supplying the working fluid at a constant temperature through the fluid supply device.
The method according to claim 1, wherein the working fluid comprises water or a copper sulfate solution of 1-100 mM.
The method according to claim 1, wherein the working fluid has a Reynolds number of 1,000 to 200,000.
The internal flow field of a gas turbine blade according to claim 1, wherein the predicting of the internal flow field comprises performing 3D computational fluid dynamics analysis using the supply condition of the working fluid for measuring the internal flow field as a boundary condition. analysis method.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |