KR20100034507A - 가스터빈 버킷의 코팅층 건전성 평가방법 - Google Patents

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Abstract

발명은 가스터빈 버킷의 코팅층 건전성을 열적외선 기술을 사용하여 진단 평가하는, 가스터빈 버킷의 코팅층 건전성 평가방법에 관한 것으로, 루트부 후면부의 에어포일부의 냉각홀, 및 리드테일부를 구비하고, 표면에 코팅층을 갖는 가스터빈 버킷의 상기 코팅층의 건전성 평가방법에 있어서, 상기 버킷을 가열한 후 냉각시키는 단계; 상기 가열 및 냉각 단계 동안 소정의 시간단위로 상기 버킷에 대해 적외선 열화상을 취득하여 상기 버킷의 시간단위에 대한 온도분포 데이터를 얻는 단계; 상기 얻어진 데이터에 기초하여, 상기 코팅층의 건전성을 판단하는 단계로서, 시간단위당 온도변화율이 소정의 기준을 초과할 경우 폐기로 판정하고, 그렇지 않다면 계속사용이 가능한 것으로 판정하는 것인, 단계를 포함한다.
가스터빈 버킷, 열적외선.

Description

가스터빈 버킷의 코팅층 건전성 평가방법{METHOD OF DIAGNOSIS FOR GAS TURBINE BUCKET COATING LAYER}
본 발명은 일반적으로 가스터빈 버킷에 관한 것으로, 특히 가스터빈 버킷의 코팅층 건전성을 열적외선 기술을 사용하여 진단 평가하는, 가스터빈 버킷의 코팅층 건전성 평가방법에 관한 것이다.
가스터빈 1단 버킷은 가스터빈 부품 중에서 가장 극심한 열응력과 고온피로를 받는 부품으로서 버킷을 고온화염으로부터 보호하고 부품의 표면온도를 낮추기 위해 모재 표면에 열차폐 코팅(TBC; Thermal Barrier Coating)을 적용하고 있다. 열차폐 코팅은 MCrAlY 재료를 이용한 금속의 접합코팅(본드코팅)과 세라믹(7~8% Y2O23-ZrO2)재료를 이용한 최종 코팅(탑 코팅) 등 2개층 이상으로 구성되어 있으며 이러한 TBC 시스템의 내구성은 모재, 본드코팅 및 탑코팅 3개층 간의 결합과 상호작용에 의존하게 된다.
일반적으로 버킷에 대해 약 1 주기운전 조건인 24,000 시간 후 정기검사를 수행하게 되어있는데 정비시 정비절차에 따라 입고검사, 스트리핑(Stripping) 및 비 파괴 검사 등과 같은 순으로 정비하게 된다. 이와 같은 1 주기는 제작사 관련문서(GER-3620K)에서 권고하는 정비주기(HGPI : Hot Gas Pass Inspection Interval)를 말하는 것으로 일반적으로 등가운전시간(EOH :Equivalent Operation Hour)을 말하고 있다. 그러나, 이러한 진단방법은 절차가 복잡하고 정비시간 및 비용이 과다하게 소요되어 발전설비의 이용율을 크게 저하시키는 원인이 되고 있다.
앞에서 언급한 바와 같이 가스터빈 버킷 코팅은 모재를 고온으로부터 보호하기 위하여 모재위에 2중으로 코팅되어 있으며, 대략 200 ~ 300㎛ 두께를 갖고 있다. 가스터빈 운용중에 이러한 코팅층에 약간의 손상이 발생하여도 모재에 심각한 손상을 초래하고 이는 곧바로 터빈의 진동, 효율저하는 물론 터빈 설비의 심각한 손상을 가져올 수 있어 코팅층에 대한 주기적인 진단 및 건전성 평가는 매우 중요하다.
이와 같이 지금까지의 코팅층에 대한 건전성 평가는 거의 이루어지지 못하고 있어 가스터빈 정비시 모든 블레이드를 분해하여 코팅층을 제거하고 재 코팅을 수행함으로써 보수비용 증대는 물론 보수기간이 늘어나 효율적인 설비의 운용에 많은 어려움움 야기하고 있다. 최근에 적외선 검사방법(IR)을 이용하여 재코팅 후 코팅층의 건전성을 평가하는 방법이 점차 확산되고 있고 국내 전력사에서도 코팅층 건전성 진단방법 개발에 관심을 갖고 있다.
국내의 가스터빈 운전조건은 외국의 운전조건보다 가혹한 환경에서 가동되어지는 시점에서 비파괴 진단기준 및 방법이 확립되어 있지 못하여 제작사의 권고에 따라 설비운영, 진단, 부품교체 등을 수행하여 왔으나 제작사가 이에 대한 근거를 제공하지 않고 있는 실정이다. 또한 같은 전력사라 하더라도 제작사마다 적용기준이 상이하여 체계적인 기준이 없이 국내의 가스터빈 부품에 대한 비파괴 진단기술은 제작사에 의존하고 있고, 일부 업체에서 MT, PT에 한정하여 적용하고 있어 선진국이 개발하여 적용하고 있는 ECT, DRT, 적외선 열화상 및 페이즈 어레이(Phased Array) 기술 등의 신기술과는 거리가 먼 실정이다. 따라서, 국내 전력설비의 운용현황, 비파괴 진단실적, 제작사의 권고기준, 국외 전력사의 적용현황 등을 반영하여 비파괴 진단 방법을 개발하고 기준을 설정하는 것이 필수적이다.
전술한 바와 같이, 지금까지 가스터빈 버킷 코팅층에 대한 진단기술은 없기 때문에 제작사의 지침에 따라 매 24,000시간 운전후 코팅층을 제거하고 다시 코팅하여 재사용하는 과정을 거치고 있다. 이러한 보수방법은 보수시간 및 비용이 과다하게 소요되어 설비의 용율을 저하시키는 원인이 되고 있다.
본 발명은 이러한 상황하에서, 일차 사용한 가스터빈 코팅층 및 재 코팅한 가스터빈의 건전성 진단기술을 개발하고 이를 적용하는, 가스터빈 버킷의 코팅층 건전성 평가방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위한 것으로 가스터빈 버킷의 코팅층의 건전성을 열적외선 기술을 이용해 진단 및 평가하기 위한 것으로, 진단방법이 간단하고 코팅층 및 가스터빈 버킷의 모재상태를 한번에 진단할 수 있는 기술이다.
본 발명은 적외선 열화상 검사 방법을 이용하여 코팅층의 두께 및 특성질변화를 감지하고 이를 근거로 코팅층의 건전성을 정량적으로 평가하여 분석함으로서 가스터빈 버킷의 진단시간 단축과 비용을 줄일 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명에 따라, 루트부 후면부의 에어포일부의 냉각홀, 및 리드테일부를 구비하고, 표면에 코팅층을 갖는 가스터빈 버킷의 상기 코팅층의 건전성 평가방법이 제공된다. 이 방법은 상기 버킷을 가열한 후 냉각시키는 단계; 상기 가열 및 냉각 단계 동안 소정의 시간단위로 상기 버킷에 대해 적외선 열화상을 취득하여 상기 버킷의 시간단위에 대한 온도분포 데이터를 얻는 단계; 상기 얻어진 데이터에 기초하여, 상기 코팅층의 건전성을 판단하는 단계로서, 시간단위당 온도상승률이 소정의 기준을 초과할 경우 폐기로 판정하고, 그렇지 않다면 계속사용이 가능한 것으로 판 정하는 것인, 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 상기 가스터빈 버킷에 대한 코팅층 건전성 평가는 상기 코팅층을 벗겨내고 재코팅을 위한 시기에 수행될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 상기 가스터빈 버킷에 대한 코팅층 건전성 평가는 상기 코팅층을 벗겨내고 재코팅이 행해진 가스터빗 버킷에 대해 수행될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 상기 가열은 상기 냉각홀에 소정 시간동안 핫 에어를 주입하여 행해질 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 상기 가열은 할로겐 램프를 사용하여 행해질 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 상기 핫 에어 주입은 히팅 시스템을 사용하여 1시간동안 주입할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 상기 재코팅 시기는 버킷의 24,000시간 사용 이후가 될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 시간단위당 온도변화율이 소정의 온도 하강율 또는 소정의 온도 상승률을 보이는 지점에서 크랙발생을 판정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 적외선 열화상을 이용한 가스터빈 버킷의 진단 방법에 관한 것으로서 진단을 위한 가열장치의 설계제작 그리고 가열된 가스터빈 버킷을 적외선 열화 상 카메라로 촬영하여 정량적으로 분석함으로서, 24,000시간 사용한 가스터빈 버킷 코팅층의 열차단 성능저하 여부, 이로 인한 모재손상 여부, 재 코팅한 버킷 코팅 층의 열차단 성능을 평가할 수 있다. 따라서, 기존의 재 코팅 후 사용방식에 비해 코팅층 및 모재에 대한 정량적인 평가를 통해 버킷의 건전성을 확보함으로서 정지시간 단축을 통한 이용율 제고, 검사시간 및 비용절감 등의 효과를 가져 올 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 가스터빈 버킷의 정면에서 나타낸 사시도이다. 도 1에서, 참조부호 1은 가스터빈 버킷, 4는 루트부, 3는 리드테일부, 2는 에어포일부를 지칭하며, 리드테일부(3)부터 루트부(4)에 이르는 블레이드 내부에는 다수의 냉각홀(도시되지 않음)이 형성되어 있다. 이러한 구성의 가스터빈 버킷은 이 기술에 당업자들에겐 공지된 것이다. 본 발명에서는 가스 터빈 버킷으로서 현재 7FA에서 7FA+e형으로 변화됨에 따라 실험 시편의 대상을 현재 일부 발전설비에서 사용되고 있고 앞으로 변화될 버킷인 7FA+e형 타입으로 선정하여 실험을 하였다.
(가) 핫 에어를 이용한 히팅 시스템 및 이를 사용한 건정성 진단:
본 발명에 따라 구현된 냉각홀을 이용한 핫 에어 주입방식의 히팅 시스템에 대해 이하 상세히 기술한다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 핫 에어를 이용한 히팅 시스템 및 이를 사용한 건정성 진단을 위해서, 본 실시예에서는 가스 터빈의 버킷(1)의 전체적인 실험을 위하여 루트부(4) 후면부(도면에서 뒤쪽)의 에어포일부(2)의 냉각홀을 이용한 핫 에어 주입방식의 히팅 시스템을 구현하였다.
본 발명은 가열장치를 사용한 가열과정과, 가스 버킷의 화상을 얻기 위한 화상 취득과정과, 결과를 해석하기 위한 결과 해석과정을 포함할 수 있다. 가열장치로서는 이를테면 히터와 콤프레서를 작동하여 공기를 주입할 수 있다. 가스 버킷의 화상을 얻기 위한 화상 취득에 있어서는, 예를 들면 촬영을 위한 적외선열화상 카메라 Thermovision 900 system과 같은 시스템이 사용될 수 있다.
시스템 구현에 앞서 본 실시예에서는 사양과 용량, 콤프레서의 스펙을 결정하기 위한 선행 FEM 해석을 수행하였다. 열전달 해석은 상용 프로그램인 ANSYS 9.0를 사용하였으며, 버킷의 일부분만을 해석에 적용하였다. 적용한 조건은, 블레이드의 열 도전율을 KXX=25W/(m-k)로 하고, 동작조건으로서, T4,o = 293K, Ho = 1000W/(m2-K), T4,i = 500K, Hi = 200W/(m2-K)로 하였으며, 여기서 T는 온도, H는 막 계수를 나타낸다. ANSYS 9.0에 이러한 변수를 입력할 경우, 열전도해석 결과, 약 200℃의 핫 에어로 약 10분정도 가열하였을 때 버킷의 표면부 온도가 40℃이상이 되어 IR 장비로 촬영하는데 문제가 없음을 보였다. 현 IR 장비는 30℃에서 0.1℃까지의 분해능을 가지고 있다. 이에 30℃보다 10℃ 추가로 가열하여 보다 나은 영상을 얻을 수도 있다.
이어서, 이러한 조건에 기초하여, 이를테며 7FA+e형 타입의 가스터빈 버킷을 선정하여 실험을 수행하였다. 버킷의 시험편으로서 7FA+e형 타입의 신품과 1회 사 용품, 1차 재생정비품, 1회 사용 후 스크립트된 제품, 그리고 폐기품을 대상으로 실험을 진행하였다. 핫 에어의 온도는 200℃로 선정하였으며, 3기압의 압력으로 주입하였다. 1시간동안 히터와 콤프레서를 작동하여 공기를 주입하였으며, 가열된 버킷의 냉각시의 특징을 살펴보기 위하여 히터만 작동을 멈추고 콤프레서를 이용하여 버킷을 1시간동안 냉각을 시켰다.
핫 에어 주입을 이용한 열적외선 계측 분석 결과를 도 2 및 도 3에 도시하였다. 도 2는 60분 가열 후에 버킷의 실험 IR 이미지이며, 도 3은 60분 냉각 후에 버킷의 실험 IR 이미지를 보인 것이다.
도 2 및 도 3으로부터 루트부를 통한 핫 에어 주입으로 가열된 버킷의 오목면과 볼록면에서 각각 10%, 60%, 90% 부분 15개의 스폿을 대상으로 시험편 종류에 따른 시간별 온도 분포를 구하였다. 도 2에서 에어포일부(2)에 우측 아래를 스폿1, 그 위를 스폿2, 등등으로 해서 좌측 맨 위를 스폿15으로 지정하여, 각 스폿에서의 시간별 온도 분포를 구하였다. 도 4는 대표적으로 스폿1에서의 시간별 온도분포 그래프를 나타낸 것이고 도 5는 스폿15에서의 시간별 온도분포 그래프를 나타낸 것이다.
도 4(도 5)에서 a는 폐기된 블레이드, b는 재생된 블레이브, c는 신품 블레이드, d는 사용된 블레이드를 나타낸다. 그래프로부터 알 수 있듯이, 평균 온도 변화율을 살펴보면 사용품(d 곡선)과 재생품(b 곡선)에서는 큰 차이가 나지 않았으나, 폐품(a 곡선)의 경우 상승률이 크게 나타남을 알 수 있다. 따라서, 온도 상승률을 기준으로 사용가능 여부를 판단하고 폐기할 것과 재생하여 사용이 가능한 것을 구 분하는 것이 가능하다. 본 발명에서 소정의 시간, 예를 들면 24,000 시간 운전후에 코팅층의 열차단 성능 저하여부가, 핫 에어를 이용한 버킷의 건전성 판단에 의해 가능해진다.
이와 같이, 각 스폿에서의 온도 구배선을 분석해 보면 대체로 신품의 버킷의 열전도율이 가장 적었으며, 1회 사용품과 재생품은 비슷한 구배를 보임을 알 수 있고, 다만 재생 정비를 하기 전에 코팅층을 스크립트한 버킷의 경우에서는 다른 시편보다 온도 증가와 감소가 비교적 두드러짐을 볼 수 있다.
이와 같은 온도 구배 데이터로, 사용품의 코팅층 수명을 예측할 수 있었다. 재생품과의 차이를 살펴보면 사용품의 코팅층은 상당히 양호한 면을 볼 수가 있다. 이는 현재 24,000시간 버킷 전부에 대한 재생 정비를 실시하고 있으나, 재생품과 사용품의 코팅층 성능에 대해서는 그리 차이를 보이지 못하고 있는 실정이라 하겠다. 다만 스크립트된 버킷에서 보면 코팅층이 있는 것과 없는 것은 많은 차이를 보였다.
설계 제작된 핫 에어 주입형 히팅 시스템을 이용하여, 버킷 전수 검사를 실행하였으며, 사용 주기에 따른 코팅층 열적 부하 변동 데이터를 습득하였다.
수행 결과 습득된 데이터에 따르면, 코팅층의 물성변화가 없는 신품의 표면 온도가 가장 낮았으며, 1차 사용품과 재생품과의 열적 부하는 거의 차이가 없었다. 단 스크립트된 신편에서의 경우에서 보면 미약하게나 코팅층이 남아있는 시편이 모재의 열적 부하 영향이 적게 나타났다.
1차 사용품의 데이터 중에 유심히 보아야 할 점은 사용품의 열적 부하 변동과 재생품과의 부하 변동에서의 차이가 거의 없다는 것이다. 이에 사용품의 1차 재생 정비를 생략하거나, 코팅층의 예측 수명 평가를 선정하여 사용주기를 늘릴 수 있다고 판단된다.
(나) 할로겐 램프를 이용한 가열 시스템 설계 제작 및 건전성 진단:
버킷의 사용품은 2회의 재생 과정을 거친다. 이러한 도중 이전 단계의 코팅을 전부 제거하는 스트립트 과정을 거치면, GTD-111DS의 모재만의 상태를 분석할 수 있다. 실험 대상 시편은 재생 정비 중에 크랙이 발생되어 폐기 처분된 버킷을 실험대상으로 하였다. 이 경우 리드 테일부에 미세한 크랙이 발생되어 있는 것을 볼 수가 있다.
이러한 미세한 크랙을 볼 수 있는 경우에 대해서 도 6의 영상은 루트부의 핫 에어 주입을 통한 가열 방식의 열 영상이고, 도 7은 할로겐 램프를 이용하여 1분간 주사하여 얻어진 열 영상이다. 도 6에서 종방향의 크랙(C)과 도 7에서 횡방향의 크랙(C)을 표시하였다.
도 8은 온도 데이터만을 그래프로 나타낸 것이다. 도 8은 횡축에 화소단위로 거리에 따른 종축에 온도에 대해 데이터를 나타낸 것이다. 도 8에서 (a)는 할로겐 방식에 의한 크랙 부분에서의 온도 데이터를 나타내고, (b)는 핫 에어 주입 방식에 의한 크랙 부분에서의 온도 데이터를 나타낸다.
도 8에서 보듯이 크랙의 위치에서 온도가 약 1℃이상 증가되는 것을 볼 수 있었다.
(다) 본 발명에서는 코팅층의 사용 주기에 따른 코팅층의 열적 부하 변동에 대해서도 고찰하였다. 즉, 실험을 진행한 부분은 코팅면과 모재와의 접착 상태에 관한 것이다. 이를 위하여, 폐기 버킷에 인공적으로 코팅면을 박리하여 비교 샘플을 제작하였다. 첨부한 도 9(a), (b)는 예로서의, 비교샘플의 인공 박리 위치와 크기를 보인 것으로, 숫자는 거리를 나타내고 단위를 mm이다.
이와 같이 실험대상들을 준비해 두고 본 발명에 따른 가열 시스템과 할로겐 램프를 이용하여 진행하였으며, 도 10은 핫 에어 주입 방식에 따른 IR 이미지를 보인 것이며 도 11은 할로겐 램프 방식에 따른 IR 이미지를 보인 것이며, 각각의 이미지에서 스폿1 ~스폿3(도 10 및 도 11에서 '+'기호로 표시되었음)의 온도 데이터를 추출하여 도 12과 같이 예를 들면 스폿1에서의 시간에 따른 온도 분포를 알기 위한 그래프를 작성하였다.
도 12에서 a는 신품, b는 사용품, c는 박리부품에 대한 것이다. 본 실험에서의 비교 대상은 신품과 1차사용품, 박리시편을 비교 대상으로 하였다. IR 이미지 상으론 박리된 부분을 확인하는데 다소 어려움이 있어서 온도 데이터를 추출하여 확인하도록 하였다. 온도 그래프에서 신품(a의 곡선)과 1차 사용품(b 곡선)과의 온도 변화는 앞선 실험에서 이미 입증된바 있다. 인공결함의 시편(c 곡선)에서의 온도는 이보다 약 1℃ ~ 2℃ 낮게 나타났다. 이는 모재면에서 열전달이 코팅면으로 전달되는 과정에서 접착력이 다른 시편보다 약하여, 열전도가 원활히 이루어지지 않아 온도가 타 시편보다 낮에 나타난 것으로 보인다.
현재 7FA 타입의 가스터빈 버킷의 코팅층 크랙 검출 방법은 육안 검사와 형광 물질 침투 탐상에 의한 방법에 의존하고 있다. 그러나 이마저도 단순 육안 전수 검사에 대부분 의존하는 실정이다. 이러한 전수 검사는 터빈 전체를 사람의 육안으로 검사해야 하기 때문에 여기에 소요되는 시간과 인력의 낭비가 심각한 실정이다. 육안으로 검출되지는 않으나 크랙 발생이 예상되는 부분과 크랙 발생 빈도가 많은 부분에 한정되어서만 침투탐상검사가 이루어지고 있다. 이 방법 또한 검사에 소요되는 시간의 낭비가 심각한 실정이다.
한편, 7FA 타입의 가스터빈 1단 버킷 안쪽 중간 지점에서 주로 크랙이 발생하는 상황이 있을 수 있다. 발생되는 크랙을 관찰하면, 크랙의 크기에 따라서는 최대 0.05mm ~ 0.1mm 정도의 크기로 발생하는 것을 볼 수 있다. 크랙의 발생 원인은 고온의 공기층에 의한 구성 입자의 성장에 따라 구성 입자가 긴밀히 조성하지 못하여 크랙이 발생되는 것으로 유추할 수 있다. 이 크랙이 처음 발생한 후 차츰 성장해 가는 방향을 보면 버킷의 회전 방향으로 크랙이 진전되는 것을 볼 수 있다. 이는 고속 회전에 따른 버킷 진동으로 크랙이 진전되는 것으로 보인다.
여기서 가장 중요한 문제는 과연 이 크랙이 진전이 회전축에 따른 코팅층에서만 진전되는 것이 아니라 모재의 방향으로 진전되는 크랙이 있다는 것이다. 7FA 타입의 가스터빈 버킷 코팅층은 고온고압의 증기로부터 모재를 보호하는 것이다. 이러한 코팅층는 2회의 재생 정비를 거치면서 재코팅을 하고 있다. 하지만 모재에 발생하는 크랙에 있어서는 정비가 불가능하기 때문에 발생되기 이전에 찾아 그 부위에 코팅을 다시 함으로써 모재로까지의 진전되는 것을 예방할 수 있다. 현재 1차 실험에 사용된 블레이드는 2회 재생에 걸쳐 사용된 후 폐기 상태인 버킷을 이용하여 실험을 하였다. 이 시편에서 발생된 크랙을 잘 분석함으로써 향후에 발생될 크랙을 미리 예측하고 과연 어떤 상태의 크랙이 모재까지 진전하였는가를 찾아냄으로써 블레이드의 파손에 따른 가스 터빈 전체의 사고 예방을 할 수 있다.
현재 재생 주기가 끝난 7FA 가스터빈 버킷을 분석해 보면 외부는 산화에 의한 손상이 발생한 반면에 내부 쪽은 크랙이 발생하는 것을 볼 수 있다. 이 크랙이 진전 사항이 어디까지인지가 알 필요가 있다.
이에 크랙 부분을 표면에서부터 가열하여 열의 진행 사항을 보는 것이 관건이다. 적외선 열화상 카메라로 측정한 열 분포 그래프와 크랙 부분을 와이어 컷팅한 부분을 서로 비교하여 크랙의 모재 침투 진전 사항을 체크하는 것이다.
도 13은 할로겐 램프 ON 방법으로 램프 계속 ON 상태에서 가열하면서 실험을 진행하였을 때, 크랙이 발생한 것을 보인 사진도이다(사진에는 Crack A, B, C, D가 표시되었다). 도 13에서 'L'은 화소단위 거리를 나타내고 이 거리에 대한 온도분포가 도 14에 도시되었다.
램프가 ON 상태이기 때문에 카메라 주변에 램프라는 외부 열원이 있어서 실험하는데 고려할 대상이 될 수도 있으나, 이러한 실험도 램프 OFF 상태의 실험과의 비교 대상으로 삼기 위하여 실험을 진행하였다. 도 14는 라인(L)에 대한 크랙 A,B,C의 온도-시간 그래프이다. 그래프에서 보듯이 크랙 부분에 와서는 온도가 더 내려가는 것을 볼 수 있을 것이다. 이는 할로겐 램프의 빛이 크랙 사이의 비탈진 공간에서 서로 상쇄 되어 없는지는 것으로 추정된다.
위에 적외선 열화상 이미지를 보면 알 수 있듯이 크랙 부분에 있어서 안으로 들어갈수록 빛이 상쇄됨으로 이에 따른 온도 분석 그래프를 보면 알 수 있듯이 크랙 부분에서 온도가 다른 표면에 비교해서 내려가는 것을 볼 수 있다. 이 또한 적외선 카메라 측정에서는 크랙 검출에 있어서는 어느 정도는 크랙의 모재 진전에 따른 검출 방법이 가능하다고 판단된다.
두 번째 실험은 램프 OFF 상태에서 실험을 진행하는 것이다. 램프 OFF 방법은 램프로 계속되는 가열이 불가능함으로 일정 시간 가열하여(위 실험에서는 30분 가열했음) 램프를 제거한 상태에서 수행하는 것으로, 도 15는 이 경우에 촬영한 영상이다. 램프 같은 열원을 제거하였음으로 지속적인 촬영이 어려운 상태이며, 일정시간이 지나면 주위 온도에 따라 표면의 냉각으로 인하여 크랙의 검출 영상이 매우 불안정 하게 나타난다. 도 15는 30분간 가열 한 후 촬영한 IR 이미지에서 보듯이 램프 ON에서와는 반대로 이 방법에서는 크랙부분의 열 증가 현상이 다른 부위 보다 뚜렷한 것을 볼 수 있을 것이다. 이는 처음에 가정 했듯이 코팅층이 모재로 침투되는 열원을 차단하여 부식이나 산화를 보호해 주는 것을 의미한다. 열원이 직접 모재에 침투함으로 주변보다 1 ~ 3℃ 정도 온도가 높게 나타났다. 이러한 온도 차이를 구분하여 보면 1℃이상 온도 차이가 나는 크랙들을 조합해서 보면 이들 크랙은 모재에 진전이 된 크랙들이다. 온도 변동이 1℃이하인 크랙들도 약 50%이상 모재로 진전될 수도 있다.
도 1은 가스터빈 버킷의 정면에서 나타낸 사시도.
도 2 및 도 3은 핫 에어 주입을 이용한 열적외선 계측 분석 결과를 보인 사진도.
도 4는 에어포일부 상에 스폿1에서의 시간별 온도분포 그래프.
도 5는 에어포일부 상에 스폿15에서의 시간별 온도분포 그래프.
도 6은 루트부의 핫 에어 주입을 통한 가열 방식의 열 영상.
도 7은 할로겐 램프를 이용하여 1분간 주사하여 얻어진 열 영상.
도 8은 화소단위 거리에 따른 온도에 대해 온도 데이터를 나타낸 그래프.
도 9(a), (b)는 비교샘플의 인공 박리 위치와 크기를 보인 도면.
도 10은 핫 에어 주입 방식에 따른 IR 이미지도.
도 11은 할로겐 램프 방식에 따른 IR 이미지도.
도 12는 에어포일부 상에 스폿1에서의 시간에 따른 온도 분포 그래프.
도 13은 할로겐 램프 ON 방법에 따라 램프 계속 ON 상태에서 가열하면서 테스트를 진행하였을 때, 크랙이 발생한 것을 보인 사진도.
도 14는 도 13에서 화소단위 거리에 대한 온도분포 그래프.
도 15는 램프 OFF 방법에 따라 테스트를 진행하였을 때, 크랙이 발생한 것을 보인 사진도.
도 16은 도 14에서 화소단위 거리에 대한 온도분포 그래프.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-
1; 가스터빈 버킷 2; 에어포일부
3; 리드테일부 4; 루트부

Claims (8)

  1. 루트부 후면부의 에어포일부의 냉각홀, 및 리드테일부를 구비하고, 표면에 코팅층을 갖는 가스터빈 버킷의 상기 코팅층의 건전성 평가방법에 있어서,
    상기 버킷을 가열한 후 냉각시키는 단계;
    상기 가열 및 냉각 단계 동안 소정의 시간단위로 상기 버킷에 대해 적외선 열화상을 취득하여 상기 버킷의 시간단위에 대한 온도분포 데이터를 얻는 단계;
    상기 얻어진 데이터에 기초하여, 상기 코팅층의 건전성을 판단하는 단계로서, 시간단위당 온도변화률이 소정의 기준을 초과할 경우 폐기로 판정하고, 그렇지 않다면 계속사용이 가능한 것으로 판정하는 것인, 단계를 포함하는, 가스터빈 버킷의 코팅층 건전성 평가방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가스터빈 버킷에 대한 코팅층 건전성 평가는 상기 코팅층을 벗겨내고 재코팅을 위한 시기에 수행되는, 가스터빈 버킷의 코팅층 건전성 평가방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가스터빈 버킷에 대한 코팅층 건전성 평가는 상기 코팅층을 벗겨내고 재코팅이 행해진 가스터빗 버킷에 대해 수행되는, 가스터빈 버킷의 코팅층 건전성 평가방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 가열은 상기 냉각홀에 소정 시간동안 핫 에어를 주입하여 행해지는, 가스터빈 버킷의 코팅층 건전성 평가방법.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 가열은 할로겐 램프를 사용하여 행해지는, 가스터빈 버킷의 코팅층 건전성 평가방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 핫 에어 주입은 히팅 시스템을 사용하여 1시간동안 주입하는 것인, 가스터빈 버킷의 코팅층 건전성 평가방법.
  7. 제2항에 있어서, 상기 재코팅 시기는 버킷의 24,000시간 사용 이후인, 가스터빈 버킷의 코팅층 건전성 평가방법.
  8. 제1항에 있어서, 시간단위당 온도변화율이 소정의 온도 하강율 또는 소정의 온도 상승률을 보이는 지점에서 크랙발생을 판정하는 단계를 더 포함하는, 가스터빈 버킷의 코팅층 건전성 평가방법.
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