산업용 가스터빈 기동의 회전체 과도 열응력 방지를 위한 후방 지지 디스크 설계 및 실험적 검증 :The Design and Experimental Verification of Rear Support Disk for Preventing Excessive Thermal Stress of Industrial Gas Turbine Rotor During Startup

한도원

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자료유형: 학위논문

저자정보: 한도원 (부산대학교, 부산대학교 대학원)

지도교수: 김경천

발행연도: 2019

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2019

해석적 방법을 통한 가스터빈 로터 후방지지디스크의 과도 열응력 방지 설계 최적화

한도원 , 김영춘 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2019.10 학술대회자료

산업용 가스터빈 기동의 회전체 과도 열응력 방지를 위한 후방 지지 디스크 설계 및 실험적 검증

한도원 기계공학부 2019.01 학위논문

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세계적으로 발전시장은 지구온난화 및 환경문제 관련 협약 등이 국제적으로 체결되어 기존 전력생산의 주된 발전 형태였던 화석연료 기반의 에너지 의존도를 줄이고, 신재생 에너지의 비중을 확대해 나가고 있다. 신재생에너지는 환경적인 장점을 가지고 있으나 생산 단가가 높고, 전력 생산 패턴이 불규칙한 단점이 있다. 가스터빈은 신재생에너지 발전의 단점을 보완할 수 있고, 타 화석연료 발전 대비 온난화 가스와 미세먼지 배출량이 적으며, 복합 화력 발전을 운용할 경우 높은 효율을 얻을 수 있는 장점이 있다. 국제적으로 가스터빈의 연구는 오래 전부터 이루어져 있으며, 선진사들은 앞다투어 고효율의 산업용 가스터빈을 출시하고 있다. 본 연구에서는 가스터빈의 주요 구성품 중 회전체의 체결역할을 하는 후방 지지 디스크에 대한 거동을 실험적인 방법 및 상용유한요소 툴을 이용한 가스터빈 회전체 분석과 최적설계 기법을 통한 후방 지지 디스크의 최적 설계 안을 도출하는 방법에 대해 논하고자 한다.

International protocols are actively being made to solve the global warming and environmental problems. Also, in near future, the renewable power generation that can reduce dependence on fossil-based energy will be main power system for almost all countries. Renewable energy has environmental advantages, but it needs high production cost and irregular power generation pattern. A gas turbine can compensate the disadvantages of renewable energy generation, and it has a merit of high efficiency when it is operating with the combined power generation system. Gas turbine researches have done world widely for a long time, and advanced companies are launching high efficiency industrial gas turbines. In this study, an experimental design method of the rear support disk which plays a role of rotor coupling among the major components of the gas turbine has attempted. An optimal design of the rear support disk has made through the thermal and structural analysis of the gas turbine rotor using the commercial finite element tool and the optimum design technique. The design was validated by experiments. The rear support disk is located at the final stage of the rotating body and is an important component for maintaining the fastening force when the fastening force variation occurs due to the thermal expansion deviation between the fastening shaft and the disk. The fastening tends to rise sharply under the starting condition, and if it exceeds a certain level, it may cause breakage of the fastening shaft and breakage of the entire rotating body. The tendency of the increase of the fastening force was confirmed by the analysis and experiment of the tendency of the back support disk to be influenced by the strength of the back support disk. Based on the result, the optimal design was achieved to obtain a certain level of safety factor. The reduction rate of the maximum clamping force can be judged to be somewhat lower than 1.2% of the existing design model. However, considering the uncertainty of the thermal boundary condition, it is considered that the reduction rate will be higher if the thermal expansion deviation is larger than the analysis result. In case of a small and medium size turbine with a small difference in the length of the backward supporting disk compared to the axial length of the rotating body, the margin for the variation of the clamping force is considered to be higher when the design is applied to this process.
In the optimum design process, the safety factor for the stress is applied as the basic design standard. If the optimum design is applied in the detailed design stage, where the safety rate limit is rather low, the increase of the physical strength is expected to be further reduced. Also, it can be concluded that if the range of the design variables is large enough to reduce the stiffness of the back support disk in the basic design stage, the reduction rate of the fastening force will be increased.

#가스터빈 #회전체 #후방 지지 디스크 #최적설계

1. 개요 1
1.1. 국제 발전 시장 동향 1
1.2. 국내 발전 시장 동향 1
1.3. 신재생 에너지 단점 1
1.4. 가스터빈 발전의 필요성 2
1.5. 가스터빈 기술 동향 2
1.6. 가스터빈의 구조 3
1.7. 가스터빈 회전체의 구조 3
1.8. 가스터빈 회전체 설계 3
1.9. 후방 지지 디스크 설계 4
1.10. 후방 지지 디스크 최적 설계 5
1.11. 연구 목적 5
2. 가스터빈 운전 특성 7
3. 유한요소 해석 9
3.1. 해석 모델 9
3.2. 유한 요소 모델 13
3.3. 열적 하중 조건 17
3.4. 기계적 하중 조건 18
3.5. 해석 결과 19
3.5.1. 열전달 해석 결과 19
3.5.2. 구조 해석 결과 27
3.5.3. 응력 평가 방법 37
3.5.4. 응력 평가 결과 38
3.5.5. 체결력 변화 거동 39
3.6. 고찰 40
3.7. 후방 지지 디스크 설계 인자 41
4. 회전체 축소 모델 해석 42
4.1. 해석 목적 42
4.2. 회전체 축소 모델 설계 42
4.3. 하중 조건 46
4.4. 경계 조건 및 접촉 조건 47
4.5. 해석 결과 48
4.5.1. 변형량 결과 48
4.5.2. 응력 및 체결력 변화 결과 53
4.6. 고찰 59
5. 회전체 축소 모델 실험 60
5.1. 개요 60
5.2. 실험 장치 구성 62
5.3. 하중 단계 65
5.4. 실험 조건에 대한 해석 66
5.5. 실험 결과 67
5.6. 고찰 75
6. 후방 지지 디스크 최적설계 76
6.1. 개요 76
6.2. 최적 설계 목표 76
6.3. 설계 변수 77
6.4. 설계 조건 및 목적 함수 78
6.5. 최적설계의 정식화 79
6.6. 민감도 결과 79
6.7. 최적 설계 결과 80
7. 결론 및 고찰 84
8. 참고 문헌 85

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