KR20100094772A - 퍼니스를 이용한 열구배 피로 시험기의 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시험편을 대류 방식에 의해 직접 냉각시킬 수 있는 퍼니스를 이용한 열구배 피로 시험기의 냉각장치에 관한 것으로, 2단으로 단차가 형성된 시험편(16)과, 상기 시험편(16)의 상하면은 개방되고 외주면만 감싸도록 고정 형성된 시험편 홀더(20)와, 상기 시험편 홀더(20)가 상부측에 끼워져 고정되며, 타단에는 끼움홀(54) 및 배기홀(58)이 형성된 승하강용 내열관(50)과, 상기 끼움홀(54)에 관통되게 끼워져 고정되며, 단부가 시험편(16)의 하면에 일정간격지게 위치되며, 내경측을 통해 냉각공기가 공급되도록 형성된 냉각관(6)을 포함시키도록 하므로 간단한 냉각장치를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 정확한 실험값을 얻을 수 있는 효과가 있다.

시험편, 시험편 홀더, 끼움홀, 내열관, 냉각관

Description

퍼니스를 이용한 열구배 피로 시험기의 냉각장치{COOLING UNIT FOR THERMAL GRADIENT FATIGUE TESTER USING ELECTRIC FURNACE}

본 발명은 퍼니스(furnace)를 이용한 열구배 피로 시험기의 냉각장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 시험편을 대류 방식에 의해 직접 냉각시킬 수 있는 퍼니스를 이용한 열구배 피로 시험기의 냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로, 1300℃ 이상에서 운전되는 가스 터빈의 블레이드등의 고온 부품은 고온, 고압의 연소가스에 노출되며, 분당 3,600회의 회전에 의해 기계적인 응력도 받는 환경에서 사용되고 있다.

특히, 가스터빈은 빈번히 가동과 정지를 반복하면서 다양한 동작조건하에서 운전되기 때문에 고온 부품은 가열과 냉각이 반복되어 원래 보유하고 있는 재료적인 특성이 보다 빨리 열화되어 버린다.

따라서, 고온에서 작동되는 가스터빈의 블레이드를 고온의 화염으로 부터 보호하고 터빈의 작동온도를 높이기 위하여 블레이드의 표면에 열차폐 코팅(TBC:thermal barrier coating)이 적용되고 있다.

또한, 블레이드의 내부에는 냉각 채널이 존재하여 외부 코팅층과 내부 모재 와의 열구배가 발생된다.

이와 같이 고온 부품이 빨리 열화되는 것을 방지하기 위한 해결방안으로서, 보다 나은 재질과 표면처리법이 개발되어 적용되고 있으며, 이렇게 개발된 재질 또는 표면처리된 부품은 가스터빈을 실제로 적용되기 전에 미리 시험 등을 거쳐 안정성이 증명되어야 한다.

여기서 필수적으로 행해지고 있는 시험중에 하나가 바로 열 싸이클 시험이다. 즉, 열 싸이클 시험은 실험실에서 열피로 시험기 또는 열인장 시험기 등을 이용하거나 고온으로 유지시킨 퍼니스에 시험자가 직접 시험편을 넣었다가 일정시간이 경과된 후에 다시 냉각하는 과정을 반복하여 실험이 행해지고 있다.

그러나, 이러한 열피로 및 열인장 시험은 실제 가스터빈 운전 온도에서 시험하기가 어려워, 여러 시험편을 동일 조건에서 시험하는 것이 거의 불가능할 뿐만아니라 급속으로 냉각이 어렵다는 단점이 있었다.

따라서 최근에는 이러한 문제점을 감안하여 열 피로 시험장치 등이 제시되고 있다.

도 1 에 도시된 바의 종래의 열피로 시험장치는 시험편(10)에 고온 환경을 반복적으로 제공하여 열피로 특성을 평가하기 위한 것으로 , 시험편(10)을 고온으로 가열하는 가열부(100)와, 일면에 시험편(10)이 장착되며 가열부(100)에 의해 가열된 시험편(10)을 냉각하는 냉각부(200)와, 시험편(10)이 장착된 냉각부(200)를 가열부(100)에 반입 또는 인출하는 이송장치(300)등이 설치되어 있다.

상기 냉각부(200)의 상부측에는 시험편(10)에 열을 전도시키도록 맞닿음된 열전도체(223)가 장착되어 있다.

상기 종래의 가열부(100)는 1100℃ 이상의 고온 환경에서 가열하기 위한 것으로, 시험편(10)을 가열하는 발열체(110)와, 발열체가 설치되는 가열 퍼니스(120)와, 가열 퍼니스(120)내에 설치되는 APM(asphalt protected metal)튜브관(130)과, APM 튜브관(130) 상부와 하부를 마감하는 상부 및 하부 단열플러그(140),(150)와, APM 튜브관(130)을 고정하는 케이스(160)를 포함하도록 형성되어 있다.

이와 같이 구성된 시험기를 이용할 경우, 가스터빈 블레이드의 열차폐코팅(본드코팅 및 탑코팅)에 있어서 코팅층 표면 온도는 높게 하고 모재의 하부의 온도는 상대적으로 낮게 하여 시험편 두께에 걸쳐 온도 구배를 발생시키는 시험을 거쳐야 한다.

따라서, 도 1 에 도시된 바의 퍼니스를 이용한 종래의 열구배 피로 시험방식에 있어서는 열피로 시험장치가 냉각부(220)부에 의해 시험편(10)을 냉각 공기의 순환으로 인해 열전도체(223)가 냉각되는 전도방식으로, 열전도체(23)를 먼저 냉각시키고, 열전도체(223)의 상부측에 안착된 시험편(10)을 전도에 의해 냉각되는 방식이다.

그러나 이러한 냉각방식에서는 시험편(10)의 바닥면과 열전도체(223)의 접촉면에서 열전달이 원활하게 이루어지지 못할 뿐만 아니라, 열전도체(223)의 전도방식에 의한 냉각장치부의 구성이 매우 복잡해 진다는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 감안하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 시험편을 대류 방식에 의해 직접 냉각시킬 수 있는 퍼니스를 이용한 열구배 피로 시험기 냉각장치를 제공함에 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 퍼니스를 이용한 열구배 피로 시험기 냉각장치는, 2단으로 단차가 형성된 시험편과, 상기 시험편의 상하면은 개방되고 외주면만 감싸도록 고정 형성된 시험편 홀더와, 상기 시험편 홀더가 상부측에 끼워져 고정되며, 타단에는 끼움홀 및 배기홀이 형성된 승하강용 내열관과, 상기 끼움홀에 연통되게 고정되며, 단부가 시험편의 하면에 일정간격지게 위치되며, 내경측을 통해 냉각공기가 공급되도록 형성된 냉각관으로 이루어진다.

상기 시험편의 상단부만 코팅되며, 상기 시험편의 원주 중심방향으로 열전대(thermocouple) 삽입공이 형성되고, 이에 대향되는 시험편 홀더에 열전대 삽입공이 형성된다.

상기 시험편의 하단부가 상단부의 두께만큼 45°경사지게 형성된다.

상기 냉각관이 끼워져 고정되는 끼움홀이 중앙에 형성되며, 승하강용 내열관의 내경측에 지지되어 고정되는 열십자형 인서트가 형성된다.

본 발명의 청구항 1에 기재된 구성에 의하면, 시험편을 대류 방식에 의해 직 접 냉각시킬 수 있어 냉각장치를 구성이 간단하고 온도 조절 및 제어가 용이한 효과가 있다.

본 발명의 청구항 2에 기재된 구성에 의하면, 시험편의 상부측에만 코팅하기 때문에 하단부는 편평도가 그대로 유지되므로 시험편 홀더와 시험편 하단부와의 면접촉이 원활하게 이루어져 고정력을 높일 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 청구항 3에 기재된 구성에 의하면, 열전대 삽입공을 시험편에 형성하므로 시험편의 온도를 실시간으로 감시할 수 있을 뿐만 아니라, 냉각공기의 유량과 퍼니스의 온도를 변화시키면서 원하는 온도 구배를 얻을 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 청구항 4에 기재된 구성에 의하면, 시험편의 하단부가 상단부의 두께만큼 45°경사지게 형성시키므로 경사진 각도면을 따라 냉각공기를 경사진 각도면을 따라 용이하게 이동되는 효과가 있다.

본 발명의 청구항 5항에 기재된 구성에 의하면, 냉각관을 열십자형 인서트로 고정시키기 때문에 그사이로 원활한 공기순환을 가지고 올수 있는 효과가 있다.

이하, 상기와 같은 본 발명의 퍼니스를 이용한 열구배 피로 시험기의 냉각장치를 첨부된 도면을 참조 하여 구체적으로 설명키로 한다.

도 2 는 본 발명의 퍼니스를 이용한 열구배 피로 시험기의 냉각장치가 분리된 상태를 나타낸 도면이고, 도 3 은 본 발명의 퍼니스를 이용한 열 피로 시험기 냉각장치의 단면상태를 나타내는 도면이다.

본 발명의 상세한 설명에서는 종래의 구성요소와 중복되는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하므로서, 당해 구성요소에 관한 설명을 생략하기로 한다.

본 발명의 퍼니스를 이용한 열구배 피로 시험기 냉각장치는, 도 2 에 도시된 바와 같이, 도 1의 구성에서 시험편의 두께에 걸쳐 열구배를 주는 열구배 피로 시험 방식중, 시험편을 퍼니스 내부에 위치시켜 가열하며, 수직방향으로 형성된 퍼니스의 내부로 시험편을 자동으로 반입 및 인출시키키는 퍼니스를 이용한 열구배 피로 시험기를 이용한다.

상기 본 발명은 상기 시험기의 냉각장치로서, 도 2에 도시된 바와 같이 도 1 에 도시된 케이스(160)내의 APM 튜브관(130)내로 인입과 취출되는 승강용 내열관(50)이 형성된다.

상기 길이방향으로 이동되는 승하강용 내열관(50)은 길이방향으로 내측이 관통되어 있다.

상기 승하강용 내열관(50)의 하단부측은 끼움홀(54)이 중앙에 형성되어 있으며, 상기 끼움홀(54)의 외주측에는 배기홀(58)이 다수개 형성되어 있다.

상기 승하강용 내열관(50)의 관통된 내경측에는 승하강용 내열관(50)의 끼움홀(54)에 연통되게 고정되며, 상기 승하강용 내열관(50)의 내경면과 일정한 간격을 두고 냉각관(40)이 형성된다.

상기 승하강용 내열관(50)의 끼움홀(54)에 냉각관(40)이 연통되게 고정 형성되면, 승하강용 내열관(50)과 냉각관(40)의 사이에는 일정한 공간이 형성되며, 상기의 공간으로 공기가 배기홀(58)을 통해 배출되는 유로(59)가 형성된다.

상기 승하강용 내열관(50)의 내경에 냉각관(40)이 고정 형성되면, 상기 승하강용 내열관(50)의 상단부측에는 2단으로 형성된 시험편(16)이 안착된다.

상기 시험편(16)은 코팅을 실시하기전에 시험편(16)의 하단부에 마스킹을 실시하여 시험편(16)을 코팅한 후에 마스킹을 제거하면, 시험편(16)의 하단부는 편평도가 그대로 유지되므로 승하강용 내열관(50)의 상단에 면접촉이 원활하게 이루어진다.

상기 두께방향으로 2단지게 형성된 시험편(16)이 승하강용 내열관(50)의 상단부측에 안착되면, 시험편(16)의 상단부측에는 시험편(16) 외주경측만을 고정시키는 시험편 홀더(20)가 내열관(50)의 상단부에 끼워져 고정된다.

상기 시험편 홀더(20)가 승하강용 내열관(50)의 상단부에 끼워져 고정되면, 시험편 홀더(20)의 외주경 방향측에는 천공된 홀(26)이 형성되어 있어 상기의 홀(26)상에 볼트(24)을 체결시키면 상기 볼트(24)에 의해 승하강용 내열관(50)으로 밀착되면서 승하강용 내열관(50)의 상부측에서 시험편 홀더(20)가 빠지지 않도록 고정된다.

이와 같이 시험편 홀더(20)에 의해 시험편(16)을 승하강용 내열관(50)의 상단부에 고정시키면, 상기 시험편 홀더(20)는 상하부가 천공되어 있어 시험편(16)이 고정되는 상하부측면이 개방된 상태가 된다.

이와 같이 시험편 홀더(20)를 승하강용 내열관(50)의 상단에 고정시키면, 내열관(50)의 내측에 위치 고정되어 있는 냉각관(40)의 단부는 시험편 홀더(20)의 후면과 일정간격지게 위치된 상태가 된다.

상기 냉각관(40)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 냉각관(40)의 외경측에 끼움홀(32)을 갖는 열십자형 인서트(30)에 의해 승하강용 내열관(50)의 내경측에 흔들리지 않도록 고정시키고 있다.

상기 열십자형 인서트(30)는 승하강용 내열관(50)의 내경측면과 맞닿음되면서 고정될 때, 그 형상이 열십자의 지지대 형태로 중심을 잡아주도록 지지되기 때문에, 그 사이로는 원활하게 공기가 경유할 수 있어 이동되는 공기의 흐름을 방해하지 않는다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 냉각장치의 작동상태를 설명키로 한다.

내열관(50)의 상단측에는 냉각관(40)이 관통되어 결합되는 상단부에 끼움홀(58)이 형성되어 있어, 상기 끼움홀(58)에 냉각관(40)이 끼워져 고정되면, 도 2 에 나타낸 단면도에서 볼 수 있는 바와 같이, 내열관(50)과 냉각관(40)의 사이에 냉각공기 배출 유로(59)가 형성되므로, 상기 유로(59)를 통해 냉각 공기가 배출된다. 즉, 내열관(50)의 상부측에 형성된 끼움홀(58)에 끼워진 냉각관(40)을 통해 배출된 냉각 공기는 시험편(16)의 저면으로 공급된 후, 내열관(50)의 상단부측에 형성된 배기홀(58)을 통해 유로를 거쳐 내열관(50)의 하단부에 형성된 배기홀(58)을 통해 배출된다.

상기 냉각관(40)을 통해 공급되는 냉각공기는, 시험편(16)의 저면부에 부딪힌 후, 부하가 걸리지 않은 상태에서 배기홀(58)로 배출되도록 경사면(19)을 형성하고 있기 때문에 냉각공기는 상기 경사면(19)을 타고 바깥으로 유도되어 배기홀(58)로 안내된다.

상기 경사면(19)을 따라 이동되는 냉각공기가 원활하게 흐를 수 있도록 45도 정도의 경사각을 갖는 것이 바람직하나, 경사각은 이 범위로만 한정되는 것이 아니여서, 냉각공기가 경사면을 따라 유도되면서 흐를 수 있는 각도면을 형성하면 충분하다.

상기와 같이 승하강용 내열관(50) 상에 시험편(16)이 완전하게 고정되면, 상기 승하강용 내열관(50)은 하단부가 도 1 에 도시된 이송장치(300)에 결합되어 있어 승하강 이동된다.

상기 본 발명의 시험편(16)상에는 시험평(16)에 가해지는 열적 변화를 세밀하게 측정하기 위해 열전대 삽입공(18)이 형성되어 있기때문에 상기 열전대 삽입공(18)에 열전대(17)을 설치하여 온도의 변화를 확인한다.

이와 같이 열전대(170)를 APM 튜브관(130)의 내경측에 형성시키지 않고 시험편(16)상 자체에 설치하여 사용하므로 시험편(16)에 의해 변화되는 온도 구배를 보다 용이하고 정확하게 측정할 수 있다.

도 1 은 종래의 퍼니스를 이용한 열구배 피로 시험장치를 나타내는 도면.

도 2 는 본 발명의 퍼니스를 이용한 열구배 피로 시험기의 냉각장치가 분리된 상태를 나타낸 도면.

도 3 은 본 발명의 퍼니스를 이용한 열 피로 시험기 냉각장치의 단면상태를 나타내는 도면.

-도면의 주요부분에 대한 간단한 부호의 설명-

16: 시험편 17: 열전대

18: 열전대 삽입공 20: 시험편 홀더

40: 냉각관 50: 승하강용 내열관

54: 끼움홀 58: 배기홀

Claims (5)

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 열구배 피로 시험기의 냉각장치에 있어서,

   시험편(16)과,

   시험편(16)의 상하면은 개방되고 외주면만 감싸도록 고정 형성된 시험편 홀더(20)와,

   시험편 홀더(20)가 상부측에 끼워져 고정되며, 타단에는 끼움홀(54) 및 배기홀(58)이 형성된 승하강용 내열관(50)과,

   끼움홀(54)에 관통되게 끼워져 고정되며, 단부가 시험편(16)의 하면에 일정간격지게 위치되며, 내경측을 통해 냉각공기가 공급되도록 형성된 냉각관(40)을 포함하는 것을 특징으로 하는 퍼니스를 이용한 열구배 피로 시험기의 냉각장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 시험편(16)의 상단부만 코팅한 것을 특징으로 하는 퍼니스를 이용한 열구배 피로 시험기의 냉각장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 시험편(16)의 원주 중심방향으로 열전대 삽입공(18)이 형성되고, 이에 대향되는 위치의 시험편 홀더(20)에 열전대 삽입공(23)이 형성 되고, 상기 열전대 삽입공(18),(23)에 열전대(17)가 끼워지는 것을 특징으로 하는 퍼니스를 이용한 열구배 피로 시험기의 냉각장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 시험편(16)의 하단부가 상단부의 두께만큼 45°의 경사면(19)이 형성된 것을 특징으로 하는 퍼니스를 이용한 열구배 피로 시험기의 냉각장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각관(40)이 끼워져 고정되는 끼움홀(32)이 중앙에 형성되며, 승하강용 내열관(50)의 내경측에 지지되어 고정되는 열십자형 인서트(30)가 형성됨을 특징으로 하는 퍼니스를 이용한 열구배 피로 시험기의 냉각장치.

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