초기 균열이 존재하는 터빈 블레이드의 동적 거동 예측

Abstract

발전용 압축기 블레이드는 발전 효율을 높이기 위해 장익화 및 하중 조건이 가혹해지고 있으며, 이에 따라 열적 하중과 고압의 운전상태에 의한 피로 누적으로 인해 파손의 위험이 증가하고 있다.

발전용 압축기는 구조상 한 개의 블레이드가 파손되면 압축단 전체 시스템에 영향을 미치게 되고 압축기의 수리 및 복구까지의 발전 정지로 인해 발전 효율이 크게 저하된다. 따라서 발전기의 정상 운전 중 블레이드의 손상 정도를 파악할 수 있는 기술개발이 필요하며 이를 위해 구조 및 진동, 유동해석을 통하여 많은 연구들이 진행되고 있다.

본 연구에서는 유한요소법을 이용한 구조해석을 통해 발전기의 정상 운전시 균열의 유무와 위치에 따른 블레이드의 응력 분포와 크기, 균열 근처의 응력 집중, 블레이드 팁 변위를 분석한다.

팁 변위 분석을 통해 블레이드에 가장 두드러진 영향을 미친 균열의 위치를 결정하고, 균열 길이에 대한 블레이드의 동적 거동을 예측한다.

압축기 블레이드의 효율적 해석을 위해 부여된 순환대칭 경계조건에 대해 블레이드의 개수를 달리하여 블레이드 팁 변위 및 비틀림, 각변위 분석을 통해 검증한다. 또한 진동해석을 수행하여 균열의 유무와 순환대칭 경계조건의 유무에 따라 달라지는 고유 모드, 고유 진동수, Nodal diameter, 주파수 응답함수를 비교한다. 균열의 길이에 따라 달라지는 압축단의 고유 진동수를 분석하고 실제 운전 상태의 경계조건을 이용하여 균열이 발생한 블레이드와 균열이 없는 주변 블레이드의 진동특성을 비교 분석한다.

| In order to increase power generation efficiency, turbines are operating with longer blades at higher pressure and temperature. The risk of damage is increasing to accumulations of fatigue due to thermal load and high pressure operating conditions. A broken single blade affects the entire compressor stage, and thus power generation efficiency is significantly reduced due to stoppage of power generation until repair and recovery of the compressor. Therefore, it is necessary to develop a technology of fault diagnosis and failure prediction that can detect the damage before the breakage of blades.

In this study, a series of structural analysis of blades are conducted using the finite element method. The effects of initial cracks on the blades are investigated in terms of the stress distributions near the cracks and the displacements of the blade tip. In addition, the influence of crack sizes on dynamic behaviors are discussed by analyzing the blade tip displacements.

From an aspect of numerical simulation, a applicability of cyclic symmetry boundary conditions applied for an efficient analysis of compressor blades are verified with different number of blade. In addition, vibration analyses are performed to examine the natural frequencies, nodal diameters, and frequency response functions that depend on the presence or absence of initial crack and cyclic symmetric boundary condition. As a result, a feasibility of failure prediction from the dynamic behavior analysis is discussed.