KR20220055876A - 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법 - Google Patents

가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20220055876A
KR20220055876A KR1020200140419A KR20200140419A KR20220055876A KR 20220055876 A KR20220055876 A KR 20220055876A KR 1020200140419 A KR1020200140419 A KR 1020200140419A KR 20200140419 A KR20200140419 A KR 20200140419A KR 20220055876 A KR20220055876 A KR 20220055876A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
internal flow
analysis
flow path
flow field
blade
Prior art date
Application number
KR1020200140419A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102415574B1 (ko
Inventor
방명환
황원태
백승찬
최우성
김두수
장성호
Original Assignee
한국전력공사
한국서부발전 주식회사
한전케이피에스 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전력공사, 한국서부발전 주식회사, 한전케이피에스 주식회사 filed Critical 한국전력공사
Priority to KR1020200140419A priority Critical patent/KR102415574B1/ko
Publication of KR20220055876A publication Critical patent/KR20220055876A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102415574B1 publication Critical patent/KR102415574B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/28—Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
    • G01M5/0016—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings of aircraft wings or blades
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/001—Full-field flow measurement, e.g. determining flow velocity and direction in a whole region at the same time, flow visualisation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/10—Segmentation; Edge detection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N2021/178—Methods for obtaining spatial resolution of the property being measured
    • G01N2021/1785—Three dimensional
    • G01N2021/1787—Tomographic, i.e. computerised reconstruction from projective measurements
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/08—Fluids
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

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.

Description

가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법{METHOD FOR ANALYZING FLOW FIELD IN BLADE OF GAS TURBINE}
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.
일반적으로, 전기와 열원을 동시에 생산할 수 있는 복합발전은 가스터빈과 증기터빈 열회수 배열 보일러로 구성된다.
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.
터빈은 연소기 후단에 위치하고, 베인과 블레이드를 포함한다. 이러한 베인과 블레이드는 고온의 배기가스에 노출되므로, 고온의 연소가스로부터 베인과 블레이드를 보호하기 위해 내부냉각과 외부냉각 방식을 택하고 있다.
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.
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.
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.
가스터빈 블레이드의 내부 냉각유로 내에서 발생하는 유동 특성을 분석하기 위한 방법으로는 입/출구의 유동특성을 측정하는 방법 또는 유동가시화 측정 방법이 있다.
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.
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.
따라서 실제 부품을 동일한 환경에서 시험하는 것은 현실적인 제약이 따르므로, 시험편을 따로 제작하여, 시험편의 열 내구성을 평가하고 있는 실정이다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
본 발명에서 실험시편을 제작하는 단계는, 자기공명 유속계 실험에 의한 자계영향을 받지 않도록 아크릴로 제작하는 것을 특징으로 한다.
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.
본 발명에서 내부 유동장을 측정하는 단계는, 유체 공급장치를 통해 일정한 온도의 작동유체를 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 작동유체는, 물이나 1~100mM의 황산구리 용액을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 작동유체는, 유체의 레이놀즈 수가 1,000~200,000인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 내부 유동장을 예측하는 단계는, 내부 유동장을 측정하기 위한 작동유체의 공급조건을 경계조건으로 3D 전산유체역학 해석을 수행하는 것을 특징으로 한다.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
S10 단계에서 블레이드의 2D 내부유로 이미지를 획득한 후 분석장치를 통해 내부유로 이미지를 블레이드 높이방향으로 적층하여 내부유로를 3D 형상으로 모델링하여 형상정보를 얻는다(S20).
S20 단계에서 내부유로를 3D 형상으로 모델링한 블레이드의 내부유로를 기반으로 분석장치를 통해 실험시편을 제작한다(S30).
여기서, 실험시편은 3D 형상으로 모델링한 블레이트의 내부유로를 기반으로 3D 프린팅을 이용하여 자기공명 유속계 실험에 의한 자계영향을 받지 않도록 아크릴로 제작할 수 있다.
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).
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.
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.
따라서 유체 공급장치를 통해 물이나 황산구리 용액을 포함하는 작동유체를 일정한 온도로 실험시편으로 공급할 수 있다.
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.
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.
이와 같이 실험시편(10)으로 유체 공급장치를 통해 작동유체를 공급한 후 MRI 장비(20)를 통해 내부 속도분포 및 속도벡터를 측정할 수 있다.
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.
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.
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.
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.
한편, S20 단계에서 내부유로를 3D 형상으로 모델링한 블레이드의 내부유로를 전산유체역학 해석하기 위해 분석장치를 통해 내부유로 해석격자를 생성한다(S50).
여기서 블레이드 내부유로 벽면에서 발생하는 경계층 유동을 모사하기 위해 해석 격자의 Y+ 값은 10 이하로 생성할 수 있다.
S50 단계에서 내부유로 해석격자를 생성한 후 해석조건을 설정하고, 분석장치를 통해 3D 전산유체역학(Computational fluid dynamics ; CFD) 해석을 수행하여 내부 유동장을 예측한다(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.
그리고, 실험시편의 내부유로 입출구 조건과 작동유체 조건은 MRV 실험에 사용된 유체공급 조건과 동일하게 설정하는 것이 바람직하다.
이와 같이 내부 유동장을 측정하기 위한 작동유체의 공급조건을 경계조건으로 3D 전산유체역학 해석을 수행하여 실험시편 내부유로의 유동장을 예측할 수 있다.
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).
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.
또한, 전산유체역학(CFD) 해석 결과와 비교하여 MRV 실험에 의한 측정결과는 분석 및 검증할 수 있다.
도 4는 위치(1)과 위치(2) 평면에서의 속도 분포 및 속도 벡터를 나타낸다.
여기에서 보는 바와 같이 2D 평면 속도분포를 통해 가스터빈 블레이드의 U 곡관에서 발생하는 유동박리 영역을 관찰 할 수 있다.
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.
CFD 해석 결과에서 길이방향 단면에서의 평균 속도값과 평균 정압력을 사용하면 수학식 1을 이용해 길이방향 단면에서의 평균 전압력을 계산할 수 있다.
Figure pat00001
여기서 Ptotal은 전압력, Pstatic은 정압력, ρ은 유체 밀도, V는 속도를 의미한다.
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.
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.
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.
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.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
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 외부

Claims (9)

  1. 분석장치를 통해 블레이드 시편에 대해 CT 스캔을 촬영하여 얻은 블레이드 이미지로부터 블레이드의 내부유로 이미지를 획득하는 단계;
    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 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 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.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 실험시편을 제작하는 단계는, 상기 자기공명 유속계 실험에 의한 자계영향을 받지 않도록 아크릴로 제작하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 내부 유동장을 측정하는 단계는, 상기 유체 공급장치를 통해 상기 실험시편의 내부유로에 상기 작동유체를 공급한 후 자기공명영상 장비를 통해 내부 속도분포 및 속도벡터를 측정하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 내부 유동장을 측정하는 단계는, 상기 유체 공급장치를 통해 일정한 온도의 상기 작동유체를 공급하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 작동유체는, 물이나 1~100mM의 황산구리 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 작동유체는, 유체의 레이놀즈 수가 1,000~200,000인 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 내부 유동장을 예측하는 단계는, 상기 내부 유동장을 측정하기 위한 상기 작동유체의 공급조건을 경계조건으로 3D 전산유체역학 해석을 수행하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 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 상기 내부 유동장을 예측하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법.
KR1020200140419A 2020-10-27 2020-10-27 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법 KR102415574B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200140419A KR102415574B1 (ko) 2020-10-27 2020-10-27 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200140419A KR102415574B1 (ko) 2020-10-27 2020-10-27 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220055876A true KR20220055876A (ko) 2022-05-04
KR102415574B1 KR102415574B1 (ko) 2022-07-05

Family

ID=81584001

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200140419A KR102415574B1 (ko) 2020-10-27 2020-10-27 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102415574B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117454807A (zh) * 2023-12-26 2024-01-26 中国航天三江集团有限公司 基于光学设备防护罩的多尺度cfd数值模拟方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102635721B1 (ko) 2023-08-02 2024-02-13 주식회사 이노템즈 가스터빈 연소 최적화 분석설비를 위한 시스템 및 방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08122258A (ja) * 1994-10-24 1996-05-17 Hitachi Ltd 硝酸イオン分析装置
JP2015092157A (ja) * 2013-10-30 2015-05-14 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ ガスタービンコンポーネントの監視
KR101742030B1 (ko) * 2016-03-08 2017-06-15 부산대학교 산학협력단 다목적 터빈 성능시험 시스템
KR20170072907A (ko) * 2014-10-22 2017-06-27 란자테크 뉴질랜드 리미티드 가스 시험 유닛 및 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08122258A (ja) * 1994-10-24 1996-05-17 Hitachi Ltd 硝酸イオン分析装置
JP2015092157A (ja) * 2013-10-30 2015-05-14 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ ガスタービンコンポーネントの監視
KR20170072907A (ko) * 2014-10-22 2017-06-27 란자테크 뉴질랜드 리미티드 가스 시험 유닛 및 방법
KR101742030B1 (ko) * 2016-03-08 2017-06-15 부산대학교 산학협력단 다목적 터빈 성능시험 시스템

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Hee-seop Jeong et al, "Turbine Blade Serpentine Cooling Fluid Heat Transfer Performance Analysis and Test", Proceedings of the 47th Fall Conference of the Korean Society of Propulsion Engineering, 2016.12., pp 282-285. *
Jaewoong Cho et al., "A Study on Flow and Stress Analysis of Gas Turbine Blades", Journal of the Korean Society of Mechanical Engineers, Vol. 10, No. 3, 2011.06., pp. 67-72 *
Seung-Chan Baek et al, "Analysis of cooling flow in a curved pipe passage inside the trailing edge of a turbine blade using a magnetic resonance anemometer", Proceedings of the presentation of fluid machinery R&D, 2020.08., pp 307-308. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117454807A (zh) * 2023-12-26 2024-01-26 中国航天三江集团有限公司 基于光学设备防护罩的多尺度cfd数值模拟方法
CN117454807B (zh) * 2023-12-26 2024-03-29 中国航天三江集团有限公司 基于光学设备防护罩的多尺度cfd数值模拟方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR102415574B1 (ko) 2022-07-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102415574B1 (ko) 가스터빈 블레이드의 내부 유동장 분석 방법
Yamamoto et al. Experimental evidence of inter-blade cavitation vortex development in Francis turbines at deep part load condition
Chaluvadi et al. Blade-row interaction in a high-pressure turbine
US7774171B2 (en) Methods for optimizing parameters of gas turbine engine components
Moore et al. Energetic scales in a bluff body shear layer
Ramadhan Al-Obaidi Monitoring the performance of centrifugal pump under single-phase and cavitation condition: A CFD analysis of the number of impeller blades
Coletti et al. An inclined jet in crossflow under the effect of streamwise pressure gradients
Ma et al. Experimental investigations of corner stall in a linear compressor cascade
Dellacasagrande et al. Response of a flat plate laminar separation bubble to Reynolds number, free-stream turbulence and adverse pressure gradient variation
Lang et al. Stereoscopic particle image velocimetry in a transonic turbine stage
Hartmann et al. Tomographic background oriented schlieren applications for turbomachinery
Furlani et al. Rotational effects on the flow field inside a leading edge impingement cooling passage
Aschenbruck et al. Influence of a multi-hole pressure probe on the flow field in axial-turbines
Watson et al. Application of s-piv for investigation of round and shaped film cooling holes at high density ratios
Balzani et al. Experimental investigation of the blade-to-blade flow in a compressor rotor by digital particle image velocimetry
Arpino et al. PIV measurements over a double bladed Darrieus-type vertical axis wind turbine: A validation benchmark
Stella et al. Mass entrainment-based model for separating flows
Guidotti et al. Cavity flow modeling in an industrial centrifugal compressor stage at design and off-design conditions
Sasson et al. Summary of a Mach 2.5 Shock Wave Turbulent Boundary Layer Interaction Experiment in a Circular Test Section
Rusted et al. Determining Total Pressure Fields From Velocimetry Measurements in a Transonic Turbine Flowfield
Gullberg et al. Fan modeling in CFD using MRF model for under hood purposes
Schäffer et al. Numerical Calibration and Investigation of the Influence of Reynolds Number on Measurements With Five-Hole Probes in Compressible Flows
Herbst et al. To the limits of the application of the BOS-method
Bruschewski et al. Assessment of the flow field and heat transfer in an NGV using magnetic resonance velocimetry, thermochromic liquid crystals and CFD
Sperling et al. Effect of Vane/Blade Interaction for a Cooled Turbine Blade—Part I: Comparison of Experimental and Numerical Results

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant