KR20120097243A - 시편용 열구배 피로 시험장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스터빈 고온 부품에 적용되는 열차폐 코팅의 내구성능을 평가하는 방식 중 시험편의 두께에 걸쳐 열구배를 부여하며 피로시험을 하는 장치에 관한 것으로서, 하나의 버너화염을 이용하여 2종의 시험편에 대한 열구배 피로 시험을 수행할 수 있도록 하여 시험시간을 단축하고, 종래의 버너의 화염 이송 및 on/off에 따른 경제적 비용 소모와 화염 점화 시 발생되는 반복적인 소음 문제도 해결되고 시험의 제어가 용이한 효과가 있다. 본 발명의 주요 구성은, 열차폐 코팅의 내구 성능을 평가하는 열구배 피로 시험 장치에 있어서, 지지레일(7)과, 지지레일(7) 양단에 설치하는 냉각장치(5)와, 지지레일(7) 상에 고정되는 지지판(9)과, 지지판(9) 상부로 수직으로 설치되는 중앙봉(6)과, 중앙봉(6) 상부에 직각으로 설치되는 내열관(4)과, 내열관(4) 선단부에 설치하는 시험편홀더(3)와, 시험편홀더(3)에 장착되는 시험편을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기한 지지판(9)은 지지레일 상에서 직선 운동 가능하게 설치되며 체결구(10)에 의해 고정되게 구성한 것을 특징으로 하며, 상기한 냉각장치(5)에는 통공(19)이 형성되어 압축공기가 나오도록 구성한 것을 특징으로 하며, 상기한 내열관(4) 단부는 숫나사(17)로 형성되고 이와 결합되는 시험편홀더(3)에는 암나사(18)를 형성한 것을 특징으로 하며, 상기한 내열관(4)은 엑츄에이터의 작동으로 90도 각도로 회전하도록 구성한 것을 특징으로 한다.

Description

시편용 열구배 피로 시험장치{THERMAL GRADIENT FATIGUE TEST APPARATUS FOR MULTI-SPECIMEN}
본 발명은 가스터빈 고온 부품에 적용되는 열차폐 코팅의 내구성능을 평가하는 방식 중 시험편의 두께에 걸쳐 열구배를 부여하며 피로시험하는 장치에 관한 것으로, 하나의 버너화염을 이용하여 2종의 시험편에 대한 열구배 피로 시험을 수행할 수 있도록 하여 시험의 효율을 향상시키고자 하는 시편용 열구배 피로시험장치에 관한 것이다.
발전용 가스터빈 시스템 중 1300℃ 이상의 고온에 노출되는 터빈부의 고온 부품을 화염으로부터 보호하고 터빈부의 작동온도를 높여 전체 시스템의 효율을 상승시키기 위하여, 고온 부품의 표면에 열차폐코팅(TBC; Thermal Barrier Coating)이 적용되고 있다.
또한 고온 부품의 내부에는 다수의 냉각 채널이 가공되어 있으며, 가스터빈의 운전 중 고온 부품의 내부 냉각 채널로 고압의 압축공기를 주입하여 금속 모재의 온도를 낮추게 되는 데, 이 때 외부 코팅층과 내부 금속 모재와의 열구배가 발생한다.
국내의 가스터빈의 경우, 국외와 달리 잦은 기동 및 정지를 반복함(DSS; Daily Start and Stop)으로써, 터빈부의 고온 부품과 열차폐코팅이 극심한 열피로 환경에 노출되어 있으므로, 열피로 환경에 대한 내구 성능이 매우 중요시되고 있다.
버너화염 및 시험편 내부냉각을 이용한 열구배 피로시험 방식에 있어서 종래에는 도1과 같이 버너화염 장치의 직접 이송 방식으로 인해 화염(11)의 열원이 지속적으로 이용되지 못하고, 화염의 반복되는 on/off로 인해 화염이 안정화되는 시간까지 시험편에 균일한 온도구배를 부여하지 못하였으며, 화염의 점화 시 소음이 잦은 문제가 발생하였다.
또한 단일 시험편에 대한 시험 방식으로서, 여러 개의 시험편에 대한 상대 비교를 통해 내구성능을 평가하는 시험 특성상 효율이 낮은 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 버너 이송 방식 및 화염 on/off 방식을 이용한 단일 시험편의 열구배 피로시험 방식의 시험 효율을 개선하고자, 하나의 버너화염으로 2종의 시험편을 동시에 시험할 수 있는 단순하고 용이한 열구배 피로시험 방식을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
상기 목적 외의 다른 목적 및 구성에 대하여 이하, 상술한다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 주요 구성은, 열차폐 코팅의 내구 성능을 평가하는 열구배 피로 시험 장치에 있어서, 지지레일(7)과, 지지레일(7) 양단에 설치하는 냉각장치(5)와, 지지레일(7) 상에 고정되는 지지판(9)과, 지지판(9) 상부로 수직으로 설치되는 중앙봉(6)과, 중앙봉(6) 상부에 직각으로 설치되는 내열관(4)과, 내열관(4) 선단부에 설치하는 시험편홀더(3)와, 시험편홀더(3)에 장착되는 시험편을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기한 지지판(9)은 지지레일 상에서 직선 운동 가능하게 설치되며 체결구(10)에 의해 고정되게 구성한 것을 특징으로 하며, 상기한 냉각장치(5)에는 통공(19)이 형성되어 압축공기가 나오도록 구성한 것을 특징으로 하며, 상기한 내열관(4) 단부는 숫나사(17)로 형성되고 이와 결합되는 시험편홀더(3)에는 암나사(18)를 형성한 것을 특징으로 하며, 상기한 내열관(4)은 엑츄에이터의 작동으로 90도 각도로 회전하도록 구성한 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 다른 특징 및 구성에 대하여 추가로 상술한다.
본 발명에 의하면, 가열시 실조건을 모사하기 위하여 화염으로 시험편의 표면을 가열하고 압축 공기를 이용하여 시험편의 표면을 냉각하는 것에 의하여, 실제 장치의 내열 조건과 거의 동일한 시험이 이루어질 수 있어 정확한 시험 결과를 얻을 수 있다.
즉, 시험편의 차폐층(21)상에 형성되는, 코팅 표면에 화염 및 냉각을 반복적으로 가함으로써, 실제 가스터빈부의 가동/정지환경 및 고온 부품의 단면 온도구배를 모사할 수 있어 정확한 테스트 결과치를 얻을 수 있다.
또한 화염 버너를 이용한 열차폐 코팅의 열구배 피로 시험 방식에 있어서 2종의 시험편을 동시에 시험함으로써, 종래의 버너의 화염 이송 및 on/off에 따른 경제적 비용 소모와 화염 점화 시 발생되는 반복적인 소음 문제도 해결되고 시험의 제어가 용이한 효과가 있다. 또한 하나의 시험편이 가열될 때 다른 하나의 시험편에서는 냉각이 되게 구성하여 열피로 시험 시간을 단축할 수 있다.
또한 냉각장치(5)의 냉각공기의 유량조절로 다각적인 열피로 시험을 진행할 수 있다.
도 1 은 종래의 화염을 이용한 열구배 피로시험 방식을 나타낸 도면.
도 2 는 본 발명에 따른 열구배 피로시험 장치을 나타낸 개략도.
도 3 은 본 발명에 따른 시험편 외부 냉각장치를 설명하기 위한 도면.
이하, 본 발명을 첨부 도면에 의거 추가로 상술한다.
도 2 에 도시한 바와 같이, 수직한 중앙봉(6) 상단에는 90도 각도로 내열관(4)이 설치되고, 그 내열관(4) 단부에는 시험편홀더(3)가 설치되며 시험편홀더(3)에는 제 1 시험편(1) 및 제 2 시험편(2)이 90도 각도로 설치된다.
내열관(4)을 도면에서는 직각으로 2개 설치되나, 이를 십자형으로 4 개 설치할 수도 있다. 그러면 4 개의 시험편을 동시에 시험할 수도 있다. 이하, 본 발명의 설명에서는 편의상 도 2 를 구조적 기준으로 설명한다.
시험편 홀더(3)는 내열관(4)의 끝 부분에 나사체결 방식으로 고정되어 있다. 중앙봉(6)은 그 축을 중심으로 선회가능하게 설치된다. 그리고 중양봉(6)의 좌우 양단에는 서로 마주보게 냉각장치(5)가 설치된다. 중앙봉(6) 하단은 지지판(9)이 구성되어 지지레일(7) 상에서 전후방 이동 가능하게 구성된다. 그리고 중앙봉(6)을 지지레일(7) 상에서 원하는 위치에 이동시킨 후 이를 체결구(10)로 고정하도록 구성할 수도 있다.
상기한 구성의 본 발명에 따른 장치를 사용시, 도 1 에서 보듯이, 시험장치의 전면부에서 버너(12)의 화염(11)이 일정하게 분사되고 있다.
이때 도 2 에 도시한 본 발명에 따른 장치에서 타이머로 미리 설정해 놓은 일정 시간이 지나면 엑츄에이터에 의하여 시험장치의 중앙봉(6)이 시계 반대방향으로 90도 회전함으로써, 제 1 시험편(1)의 차폐층(21) 표면(코팅층)이 외부 냉각장치(5)에 의해 냉각되고 제 2 시험편(2)의 차폐층(21)이 버너화염에 노출되어 가열된다. 제 2 시험편(2)의 차폐층(21)이 가열된 후 일정 시간이 지나면 시험장치의 중앙봉(6)은 시계방향으로 90도 회전함으로써, 제 2 시험편(2)의 차폐층(21)이 냉각되고 제 1 시험편(1)의 차폐층(21)이 가열된다. 이를 반복적으로 행함으로써, 2종의 시험편에 대한 열구배-피로 시험이 동시에 이루어진다.
상기한 장치에는 제1,2시험편(1,2)의 정확한 위치 제어를 위해 위치 센서를 설치하고 아울러 중앙봉(6)을 모터식 회전 구동 방식으로 구성할 수 있다.
도 3 은 본 발명에 따른 냉각장치와 시험편홀더(3) 부분을 확대하여 본 도면이다.
도시한 바와 같이, 제1,2 시험편(1,2)(이하, 제1시험편(1) 하나만 예시한다)은 중앙에 차폐층(21)이 형성되고 차폐층(21)의 일면은 코팅 적용되어 시험편홀더(3)에 끼워져 고정된다. 즉 제1,2 시험편(1,2)는, 일면에 코팅층을 갖는 차폐층(21)이 형성되고, 상기 차폐층(21)의 일측에 외주면(14) 및 내주면(15)이 형성되어 있어 상기의 내주면(15)이 시험편 홀더(3)에 면대면으로 접촉하여 결합된다.
내열관(4) 단부는 숫나사(17)를 형성하고, 시험편홀더(3)는 암나사(18)를 형성하여 나사 결합으로 체결한다.
상기 구성에 의하여 시험시, 도 1 에 도시한 버너(2)에 의한 화염(11)이 가해 진후, 타이머에 의하여 일정 시간이 지나면, 엑츄에이터의 작동으로 90도 회전시켜 다수의 통공(19)이 형성된 냉각장치(5)에서 압축공기가 분사되게 한다. 그리하여 신속한 냉각이 이루어지게 한다.
냉각된 압축공기가 분사되는 지점은 시험편홀더(3) 중앙을 향하여 분사된다. 그러면 시험편홀더(3)에 장착된 제1,2 시험편(2)의 차폐층(21)이 냉각되면서, 실제 설비와 동일한 조건의 시험이 이루어질 수 있다.
압축 냉각공기 분사는, 그 냉각공기 유량을 조절할 수도 있다. 그리하여 하여 시험편 내외부의 열구배 정도를 다양하게 실험할 수 있다.
상기한 구성의 본 발명에 의하면 하나의 시험편이 가열될 때 다른 하나의 시험편에서는 냉각이 되게 구성하여 열피로 시험 시간을 단축할 수 있다.
그리하여 종래의 방식과 다르게 2종 이상의 시험편을 동시에 시험할 수 있으므로, 시험 효율이 향상된다.
1 : 제 1 시험편 2 : 제 2 시험편
3 : 시험편 홀더 4 : 내열관
5 : 냉각장치 6 : 중앙봉
7 : 지지레일 9 : 지지판
10 : 체결구 11 : 화염
12 : 버너 14 : 외주면
15 : 내주면 17 : 숫나사
18 : 암나사 19 : 통공
21 : 차폐층

Claims (5)

  1. 열차폐 코팅의 내구 성능을 평가하는 열구배 피로 시험 장치에 있어서,
    지지레일(7)과,
    지지레일(7) 양단에 설치하는 냉각장치(5)와,
    지지레일(7) 상에 고정되는 지지판(9)과,
    지지판(9) 상부로 수직으로 설치되는 중앙봉(6)과,
    중앙봉(6) 상부에 직각으로 설치되는 내열관(4)과,
    내열관(4) 선단부에 설치하는 시험편홀더(3)와,
    시험편홀더(3)에 장착되는 시험편을 포함하는 것을 특징으로 하는 시편용 열구배 피로 시험 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기한 지지판(9)은 지지레일 상에서 직선 운동 가능하게 설치되며, 체결구(10)에 의해 고정되게 구성한 것을 특징으로 하는 시편용 열구배 피로 시험 장치
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기한 냉각장치(5)에는 통공(19)이 형성되어 압축공기가 나오도록 구성한 것을 특징으로 하는 시편용 열구배 피로 시험 장치
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기한 내열관(4) 단부는 숫나사(17)로 형성되고 이와 결합되는 시험편홀더(3)에는 암나사(18)를 형성한 것을 특징으로 하는 시편용 열구배 피로 시험 장치
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기한 내열관(4)은 엑츄에이터와 타이머의 작동으로 90도 각도로 회전하도록 구성한 것을 특징으로 하는 시편용 열구배 피로 시험 장치.
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