KR20100094775A - Apparatus for thermal mechanical fatigue test with electric furnace and slider cooling unit - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 슬라이더 냉각 장치 및 퍼니스(furnace)를 갖는 열기계 피로시험장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로, TFM(thermal mechanical fatigue) 시험을 할때, 시험편에 대해 국부적인 급속 가열 및 급속 냉각을 가능케 하는 슬라이더 냉각 장치 및 퍼니스를 갖는 열기계 피로시험장치에 관한 것이다. The present invention relates to a thermomechanical fatigue test apparatus having a slider cooling apparatus and a furnace, and more particularly, to enable local rapid heating and rapid cooling of a specimen when performing a thermal mechanical fatigue (TFM) test. It relates to a thermomechanical fatigue test apparatus having a slider cooling apparatus and a furnace.
일반적으로, 1300℃ 이상에서 작동되는 가스터빈 블레이드를 고온의 화염으로 부터 보호하고, 터빈의 작동 온도를 높이기 위하여 블레이드의 표면에 열차폐 코팅(TBC: thermal barrier coating)이 행해지고 있다.In general, a thermal barrier coating (TBC) is applied to the surface of the blades to protect the gas turbine blades operated at 1300 ° C or higher from a high temperature flame and to increase the operating temperature of the turbine.
또한, 가스 터빈 작동시 3600rpm 정도로 고속 회전하므로 원심응력을 받게 되고 운전 특성상 대부분의 가스 터빈이 빈번히 변하는 가동 및 정지 조건하에서 운전됨에 따라 피로하중이 많이 발생되고 있다.In addition, since the gas turbine operates at a high speed of about 3600 rpm, it is subjected to centrifugal stress, and a lot of fatigue loads are generated as most of the gas turbines are operated under frequently changed operating and stopping conditions.
TMF 시험은 실제 작동상태의 가스터빈의 가동조건을 보다 고려하기 위한 것으로, 일반적으로 동상(in-phase) 및 역상(out-of-phase)의 두가지 시험방식이 존 재한다.The TMF test is designed to consider the operating conditions of the gas turbine in actual operation. There are generally two test methods, in-phase and out-of-phase.
동상이란, 가열시 인장응력 상태가 되고, 냉각시 압축응력 상태가 되는 것으로, 블레이드 외곽 부분에서 나타나는 현상이다.In-phase means a state of tensile stress during heating and a state of compressive stress during cooling, which is a phenomenon appearing at the outer edge of the blade.
역상이란, 가열시 압축응력 상태가 되고, 냉각시 인장응력 상태가 되는 것으로, 블레이드 안쪽 냉각 홀 주변에서 나타나는 응력 이력이라 할 수 있다.The reversed phase is a compressive stress state at the time of heating and a tensile stress state at the time of cooling, and may be referred to as a stress history appearing around the cooling hole inside the blade.
따라서, 종래에는 도 1 과 같이 시험편(2)에 유도 코일(4)을 감아 유도 가열방식을 이용하여 TMF 시험을 수행하도록 제안되었다.Therefore, it is conventionally proposed to perform the TMF test by induction heating method by winding the induction coil 4 on the
상기 유도 가열방식을 사용할 경우 전자기속이 모재에만 작용하고 세라믹 재질의 코팅부에는 작용하지 않음에 따라, 상기 코팅부는 모재로 부터의 전도를 통해서 가열된다.In the case of using the induction heating method, since the electromagnetic flux acts only on the base material and not on the coating part of the ceramic material, the coating part is heated by conduction from the base material.
이러한 경우 코팅부 온도가 모재의 온도보다 낮아지게 되어 실제 작동하의 가동조건과의 반대의 상황이 되는 문제점이 발생되어 시험 결과치의 정밀도와 신뢰성이 크게 저하되는 문제점이 크게 대두되고 있는 실정이다.In this case, the coating part temperature is lower than the temperature of the base metal, thereby causing a problem that is the opposite of the operating conditions under actual operation, and thus, a problem that the precision and reliability of the test results are greatly deteriorated is increasing.
따라서, 본 발명은 전술한 바의 종래의 문제점을 감안하여 창출된 것으로, 그 목적은 TMF시험을 할때, 시험편을 국부적으로 급속 가열 및 급속 냉각 가능케 하는 슬라이더 냉각 장치 및 퍼니스를 갖는 열기계 피로시험장치를 제공함에 있다. Accordingly, the present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and an object thereof is a thermomechanical fatigue test having a slider cooling device and a furnace that enable local rapid heating and rapid cooling of a test piece when performing a TMF test. In providing a device.
상기와 같은 본 발명의 슬라이더 냉각 장치 및 퍼니스를 갖는 열기계 피로시험장치는, 시험홀더와 시험기 연결부의 사이에 고정된 시험편을 중앙에서 감싸도록 형성되며, 상기 시험편을 향해 천공된 인입홀을 갖는 분리형 발열 퍼니스와, 상기 분리형 발열 퍼니스의 인입홀에 시험편을 향해 수평으로 형성된 가이드부와, 상기 가이드부을 따라 시험편측으로 이동되며, 시험편을 냉각시키도록 형성된 분사홀을 갖는 공기분사냉각기와, 상기 공기 분사냉각기의 일단에 일체로 고정되어 가이드부를 따라 이동시키도록 형성된 공압실린더를 구비한다.The thermomechanical fatigue test apparatus having the slider cooling device and the furnace of the present invention as described above is formed to surround the test piece fixed between the test holder and the tester connection part in the center, and has a separation type having an entry hole punched toward the test piece. An air jet cooler having a heat generating furnace, a guide part formed horizontally toward the test piece in the inlet hole of the separate type heating furnace, a spray hole moved along the guide part toward the test piece, and cooling the test piece, and the air jet cooler It is provided with a pneumatic cylinder fixed to one end of the movement is formed to move along the guide portion.
상기 분리형 발열 퍼니스는 시험중 항상 온(on) 상태가 되어 시험편을 급속 가열시키도록 작용한다.The separate heating furnace is always on during the test to act to rapidly heat the specimen.
상기 공기분사냉각기는 분사홀이 형성된 단부가 시험편을 둘러 감싸도록 타원형태를 갖는다.The air jet cooler has an elliptical shape such that an end in which the injection hole is formed surrounds the test piece.
본 발명의 청구항 1에 기재된 구성에 의하면, 시험편을 감싸도록 형성함과 동시에 냉각장치를 슬라이드로 이동시킬 수 있어 시험편의 급속 가열 및 급속 냉각을 용이하게 행할 수 있는 효과가 있다.According to the structure of Claim 1 of this invention, while forming so that a test piece may be enclosed, a cooling apparatus can be moved to a slide, and there exists an effect that rapid heating and rapid cooling of a test piece can be performed easily.
본 발명의 청구항 2에 기재된 구성에 의하면, 퍼니스를 이용해 시험편을 시험중 항상 온 상태로 유지시키므로 시간지연(time lag)없이 신속하게 시험편을 가열시킬 수 있는 효과가 있다.According to the configuration of
본 발명의 청구항 3에 기재된 구성에 의하면, 공기분사냉각기의 분사홀이 형성된 단부가 타원형태로 형성되므로 시험편을 감싼상태에서 빠르게 급속냉각을 시킬 수 있는 효과가 있다.According to the configuration of claim 3 of the present invention, since the end portion formed with the injection hole of the air jet cooler is formed in an elliptical shape, there is an effect that it can be rapidly cooled rapidly while the test piece is wrapped.
상기와 같은 본 발명의 슬라이더 냉각 장치 및 퍼니스를 갖는 열기계 피로시험장치를 첨부된 도면을 참조하여 아래에서 구체적으로 설명키로 한다.With reference to the accompanying drawings, a thermomechanical fatigue test apparatus having a slider cooling apparatus and a furnace of the present invention as described above will be described in detail below.
도 2 는 본 발명의 슬라이더 냉각 장치 및 퍼니스를 갖는 열기계 피로 시험장치의 일부 분리 상태를 나타내는 도면이고, 도 3 은 본 발명의 슬라이더 냉각 장치 및 퍼니스를 갖는 열기계 피로 시험장치의 일부 단면 상태를 나타내는 도면이다.FIG. 2 is a view showing a partial separation state of the thermomechanical fatigue test apparatus having the slider cooling apparatus and the furnace of the present invention, and FIG. 3 is a partial cross-sectional state of the thermomechanical fatigue testing apparatus having the slider cooling apparatus and the furnace of the present invention. It is a figure which shows.
본 발명의 슬라이더 냉각 장치 및 퍼니스를 갖는 열기계 피로시험장치에 있어, 분리형 발열 퍼니스(20a),(20b)는, 도 2 에 도시된 바와 같이, 두께방향의 외주경측에 인입홀(22)이 천공되어 있다In the thermomechanical fatigue test apparatus having the slider cooling apparatus and the furnace of the present invention, the separate type heat generating
상기 분리형 발열 퍼니스(20a),(20b)의 중앙측 사이에는 시험편(10)이 위치된다. The
상기 시험편(10)은, 상부측에 위치되어 있는 시험홀더(30)와 하부측에 위치되어 있는 시험기 연결부(32)에 상단부와 하단부가 고정되어 있다.The
이때 분리형 발열 퍼니스(20a),(20b)는 시험편(10)의 외주경을 감싸 고정할때, 서로 맞닿음 되지 않고 일정 간격 떨어진 상태로 고정되어 있다. 이에 따라 시험편(10)을 감싸 고정하고 있는 분리형 발열 퍼니스(20a),(20b)가 서로 일정 간격을 두고 있기 때문에 그 사이를 통해 실험 상태를 확인할 수 있다.At this time, when the separation
물론, 상기와 같이 분리형 발열 퍼니스(20a),(20b)는 서로 일정 간격을 두고 이격되어 있지만, 서로 맞닿음되도록 형성한 후, 맞닿음되는 부위에 내측을 관찰할 수있는 홀 등을 형성시킬 수 있음은 말할 나위도 없다.Of course, as described above, the separation
상기 분리형 발열 퍼니스(20a),(20b)는 발열체(도시 안됨)를 이용하여 대류방식으로 열을 가해주고 있기때문에, 시험편(10)의 길이방향의 전체에 걸쳐 균일한 가열을 가능케 하여, 가열시 온도 구배가 발생될 가능성이 현저하게 감소된다.Since the
상기와 같이 한쌍의 발열 퍼니스(20a),(20b)의 사이에 시험편(10)이 위치 고정되면, 상기 발열 퍼니스(20a),(20b)상에 형성된 인입홀(22)에는 수직으로 세워져 있는 시험편(10)과 직각형태로 수평진 가이드부(42)가 고정 형성된다.When the
상기 발열 퍼니스(20a),(20b)의 인입홀(22)상에 형성된 가이드부(42)상에는 발열 퍼니스(20a),(20b)의 중앙에 위치하고 있는 시험편(10)을 향해 미끄러지면서 중앙측으로 이동되는 공기분사냉각기(50)가 장착되어 있다.On the
상기 공기분사냉각기(50)는 가이드부(42)의 일단에 장착되어 있는 공압실린더(40)에 의해 자동으로 가이드부(42)의 길이방향을 따라 미끄러지면서 시험편(10) 의 위치되어 있는 중앙측으로 이동된다.The
이때에 시험편(10)의 중심을 향해 발열 퍼니스(20a),(20b)상의 좌우측에 장착되어 있는 공기 분사냉각기(50)가 동시에 가이드부(42)를 따라 중앙측으로 이동되도록 작동된다.At this time, the
따라서, 상기 가이드부(42)의 단부측에 고정되어 있는 공압실린더(40)가 작동되면, 시험편(10)의 좌우측에 위치되어 있는 공기분사냉각기(50)는 가이드부(42)를 따라 분리형 발열 퍼니스(20a),(20b)의 인입홀(22)을 통과하면서 축중앙에 고정되어 있는 시험편(10)을 향해 중앙측으로 이동된다.Therefore, when the
이와 같이 공압실린더(40)에 의해 가이드부(42)를 따라 시험편(10)의 중앙까지 이동된 공기분사냉각기(50)의 끝단부에 형성된 분사홀(52)이 시험편(10)의 외주 주변까지 이동된 후, 정지된다.As such, the
상기 공기분사 냉각기(50)를 이동시키는 공압실린더(40)는 가이드부(42)의 단부측에 장착되어 있는 것으로, 분리형 발열 퍼니스(20a),(20b)의 외부측에 위치되어 있다.The
따라서, 분리형 발열 퍼니스(20a),(20b)에서 발생되는 열로 인해 공압실린더(40)에 사용되는 공기가 상승되는 것이 방지된다.Accordingly, the air used in the
상기 공기분사냉각기(50)의 분사홀(52)이 형성된 단부는 반타원형으로 형성되어 있기 때문에 좌우 양측에 위치된 공기분사냉각기(50)의 끝단이 서로 맞닿음되면 도 3 에 도시된 바와 같이 시험편(10)을 감싼상태로 정지된다.Since the end in which the
이와같이 공기분사냉각기(50)의 끝단부가 시험편(10)을 감싸게 되면, 공기분 사냉각기(50)의 끝단에 형성된 분사홀(52)을 통해 냉각공기를 공급시켜 시험편(10)을 빠르게 냉각시킨다.When the end portion of the
또한, 공기분사냉각기(50)의 분사홀(52)은, 시험편(10)의 길이방향을 따라 다수개 형성되어 있어 냉각공기를 시험편(10)의 전체로 균일하게 공급시켜 온도 구배가 발생하지 않도록 빠르게 냉각시킬 수 있다.In addition, a plurality of
이때에 분리형 발열 퍼니스(20a),(20b)의 내측중앙에 위치된 시험편(10)을 공기분사 냉각기(50)에 의해 냉각시키면서도 분리형 발열 퍼니스는 온도를 낮추지 않고 온 상태로 유지되어 지속적으로 발열되고 있으나, 시험편(10)에는 영향을 미치지 못한다. 즉, 시험편(10)은 공기분사냉각기(50)의 끝단부가 타원형태로 형성되어 있어 시험편(10)을 중심으로 양측에서 이동되는 공기분사냉각기(50)의 단부가 서로 맞닿음되면서 시험편(10)을 둥근 파이프 형태로 감싸진 상태에서 냉각시키고 있기 때문에 분리형 발열 퍼니스(20a),(20b)에서 지속적으로 발열되는 온도가 시험편(10)까지는 미치지 않는다.At this time, while cooling the
상기 공기분사냉각기(50)의 분사홀(52)을 통해 냉각공기를 분사후, 다시 시험편(10)을 가열할시에는 공기분사냉각기(50)의 이동을 공압실린더(40)를 작동시켜 당기게 되면 가이드부(42)상을 따라 미끄러지면서 원래의 자리로 복귀시키면 시험편(10)을 감싸고 있던 공기분사냉각기(50)의 단부가 서로 양측으로 벌어지면서 해제된다.When the cooling air is injected through the
상기와 같이 공기분사냉각기(50)의 단부가 시험편(10)을 감싸고 있다 해제되면 바로 분리형 발열 퍼니스(20a),(20b)에서는 지속적으로 발열되고 있던 열로 인 해, 시험편(10)을 다시 고온으로 순간 발열시키지 않고도, 시험편(10)은 급속으로 가열시킬 수 있다. 즉, 상기 분리형 발열 퍼니스(20a),(20b)에의 전원을 온(on) 상태로 하여 발열을 그대로 유지시키고 있기 때문에, 전원의 오프(off) 로 인해 발열이 중단되어, 시험편(10)이 냉각되는 일이 없어져,시험편을 원래의 가열온도까지 상승하는데 걸리는 시간지연이 방지되어 급속 가열이 가능하게 된다.As described above, the end of the
이와 같이 공기분사냉각기(50) 및 분리형 발열 퍼니스(20a),(20b)를 이용해 공기분사냉각기(50)를 슬라이드식으로 이동시켜 시험하므로 급속 냉각 및 급속 가열이 수월하게 수행된다.As described above, the
또한, 본 발명은 공기분사냉각기(50)를 가이드부(42)상을 따라 이동만 시키면 되기 때문에 급속 냉각 제어 후 발열 퍼니스(20a),(20b)에 의한 급속 가열은 자동으로 제어된다.In addition, since the present invention only needs to move the
그뿐만 아니라, 본 발명의 구성에 따른 급속 냉각 및 가열방식에 의해, 기존의 유도가열식에서 초래되는 단점이 배제되어 세라믹 재질 등의 열차폐 코팅이 행해진 시험편에 대해서도 정밀도와 신뢰성 높은 시험이 가능하다.In addition, by the rapid cooling and heating method according to the configuration of the present invention, the disadvantages caused by the conventional induction heating is eliminated, it is possible to test with high precision and reliability even for the test piece subjected to heat shield coating such as ceramic material.
도 1 은 종래의 시험장치를 나타내는 도면.1 is a view showing a conventional test apparatus.
도 2 는 본 발명의 슬라이더 냉각 장치 및 퍼니스를 갖는 열기계 피로 시험장치의 일부 분리 상태를 나타내는 도면,2 is a view showing a part of a separation state of the thermomechanical fatigue test apparatus having a slider cooling apparatus and a furnace of the present invention,
도 3 은 본 발명의 슬라이더 냉각 장치 및 퍼니스를 갖는 열기계 피로 시험장치의 일부 단면 상태를 나타내는 도면.3 shows a partial cross-sectional view of a thermomechanical fatigue test apparatus having a slider cooling apparatus and a furnace of the present invention.
-도면의 주요부분에 대한 간단한 부호의 설명-Description of simple symbols for the main parts of the drawings
10: 시험편 20a,20b: 분리형 발열 퍼니스10:
22: 인입홀 30: 시험홀더22: entry hole 30: test holder
32: 연결부 40: 공압실린더 32: connection part 40: pneumatic cylinder
42: 가이드부 50: 공기분사냉각기42: guide portion 50: air jet cooler
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