고객이 직면한 과제
오늘날의 가스 및 증기 터빈은 수십 년 전에는 존재하지 않았던 문제를 해결할 수 있도록 설계되어 있습니다. 더 높은 효율성을 달성하려면 작동 온도가 더 높아야 합니다. 그리고 이러한 환경에서 산화와 크리프에 내성이 있는 재료가 필요합니다. 듀티 사이클이 더 유연하다는 것은 재료가 열기계 피로로 인한 손상에 내성이 있다는 의미입니다. 물론 이러한 개선 사항을 실현하기 위해 운영비가 늘어나거나 안정성이 저하되어서는 안 됩니다.
이러한 목표를 달성하기 위해 설계 철학이 바뀌고 있습니다. 따라서 전통적인 서비스 수명 예측 방법론이 더 이상 터빈 구성요소의 서비스 수명을 정확하게 예측해 주는 최상의 방법이 되지 못하게 되었습니다. 새로운 방법론이 필요합니다. 하지만 제조업체와 최종 사용자가 새로운 방법론을 신뢰하기 위해서는 테스트와 검증이 필요합니다.
이 방면에서의 연구 개발을 선도하고 있는 곳은 취리히 근처의 뒤벤도르프에 있는 스위스 연방 연구소 Empa입니다. 혁신적인 열기계 피로(TMF) 테스트 방법을 활용하는 Empa 연구소는 터빈의 작동 조건을 실제와 매우 유사하게 고충실도로 시뮬레이션하며 새로운 예측 방법론의 효율성을 검증합니다.
Empa 연구소는 TMF 기술을 사용해 터빈의 서비스 수명을 효과적으로 예측합니다.
"TMF 테스트는 재료 특성화에 전통적으로 사용되고 있는 테스트입니다." Empa의 High Temperature Integrity Group의 책임자인 Stuart Holdsworth 박사가 말합니다. "저희는 TMF 테스트 결과를 활용해 최신 재료 변형 및 손상 모델링 개념을 만듭니다. 더욱 중요한 점은 구성요소의 수명을 예측하는 새로운 고온 평가 절차의 효율성을 벤치마크할 수 있다는 점입니다."
새 터빈에 사용하는 구성요소는 최대한 높은 온도에서 작동하도록 최대한 효율적으로 설계됩니다. 그러나 구성 재료의 한계 온도는 초과하지는 못합니다. 고온에서의 조기 파손을 방지하려면 크리프와 산화, 그리고 이들 간의 상호작용이 피로 손상 누적에 주는 영향 등 시간에 따른 손상 과정을 전체적으로 고려해야 합니다.
단순한 크리프 또는 크리프 피로에 대한 연구는 재료가 고온에서 장기간 하중을 받았을 때 어떻게 반응하는지에 집중합니다. 하지만 이는 하중과 온도가 계속해서 변하는 실제 터빈의 작동 환경을 반영하지 못합니다.
"1990년대부터 2교대 운영이 증가했고, 이후로 복합 사이클 장비를 많이 사용하게 되었기 때문에 조금 더 유연한 운영의 필요성이 커졌습니다. 그리고 터빈 시작/정지 횟수에 관한 고객의 기대치가 높아지게 되었습니다."라고 Holdsworth는 말합니다. "오늘날, 그러한 요구사항이 더욱 커지고 있습니다."
제트 엔진의 듀티 사이클도 같은 방식으로 변화하고 있습니다. 단거리 항공기와 근거리 항공기에서 사용되는 엔진은 단축된 이착륙 시간에 노출됩니다. 날개가 짧고 동체가 좁은 항공기의 엔진은 더 크고 비행 거리가 긴 항공기의 엔진이 받는 진동 스트레스와는 매우 다른 진동 스트레스에 노출됩니다.
이렇게 듀티 사이클이 계속 변화하기 때문에 터빈 제조업체에서 자신 있게 모든 터빈 구성요소의 수명을 예측하기에는 어려움이 따릅니다. 제조업체에서 "가장 약한 고리"를 알 수 있다면, 새로운 설계의 안정성을 최적화할 수 있고 잠재적인 취약점에 집중하는 효과적인 유지보수 일정을 세울 수 있습니다.
이것이 Holdsworth 박사와 그의 팀이 혁신적인 고온 터빈 구성요소 평가 방법을 고안한 이유입니다. 여기에는 비선형 유한요소분석과 크리프 피로 손상 분석은 물론, 벤치마크와 예측 검증을 효과적으로 수행하는 수단 등이 포함되어 있습니다.
분석 기술은 반복적인 프로세스에 따라 특정 터빈 구성요소의 초기 크리프 피로도 평가로 시작합니다. 서비스 듀티 중 이러한 구성요소의 응력/변형률 상태 및 주요 위치를 결정하는 데는 고급 비선형 유한요소분석을 사용합니다. 팀은 이 정보를 바탕으로 구성요소의 수명주기를 예측할 수 있습니다.
Holdsworth 박사의 팀은 이러한 예측의 정확도를 결정하기 위해 실제 구성요소의 초기 분석에서 식별한 것과 동일한 열기계 응력/변형률 상태를 가진 서비스 사이클을 재현하는 TMF 테스트 방법론을 개발했습니다. 이 프로세스를 반복하며 도출한 결과를 바탕으로 서비스 수명 예측 정확도를 검증할 때까지 결과 분석 절차를 개선합니다.
MTS 솔루션
Empa 실험실에서는 테스트를 수행하기 위해 복잡한 TMF 테스트를 수행할 수 있는 두 개의 MTS 서보 유압식 테스트 시스템을 사용합니다. 이러한 시스템에서 제공하는 기능, 액세서리, 디지털 컨트롤러 및 소프트웨어 아키텍처는 Empa의 TMF 테스트 방식의 두 가지 고유 기능을 지원합니다.
첫 번째는, 실제 터빈의 작동 조건에서 구성요소의 중요한 위치에서 발생하는 응력/변형률 상태를 제현하는 기능입니다. 이를 위해서는 동일한 사이클에서 기계적 변형 제어를 하중 제어로 전환해야 하는 전례 없는 유연성이 필요합니다. 고급 보상 기술은 제어 모드를 전환하는데 필요한 정밀한 서보 밸브 제어 성능을 제공합니다. 또한 MTS TestSuite™ 소프트웨어를 사용하면 램프와 홀드의 적절한 시퀀스를 구현하는 것은 물론 두 개의 독립적인 제어 모드를 통해 단일/다중 세그먼트 사이클을 생성할 수 있는 세밀하게 맞춤화된 파형을 생성할 수 있습니다.
MTS TestSuite 소프트웨어는 테스트 설계자들이 맞춤화된 파형을 생성할 수 있도록 지원합니다.
두 번째는, 상대적으로 낮은 주파수 사이클의 응력/변형률 조건에서 고주파수 진동을 구현하여, 예를 들어 원심력 사이클 하중에서 터빈 에어로포일에 적용되는 가스 굽힘 하중을 시뮬레이션하는 기능입니다. 에어로포일에서의 가스 압력의 변화는 움직이는 블레이드와 움직이지 않는 블레이드 사이의 사이클 상호작용으로 인해 발생하며, 원심력 사이클 하중은 터빈의 작동 듀티 조건의 결과로 발생합니다. 다시 한번 말씀드리지만, MTS 테스트 솔루션의 제어 아키텍처는 이러한 진동을 TMF 테스트에 적용하기 위해 필요한 처리 속도와 프로그래밍 유연성을 제공하여 매우 사실적인 시뮬레이션이 가능하도록 지원합니다.
고객이 누리는 이점
Empa의 고유한 TMF 테스트 방식 덕분에 가스 터빈 및 증기 터빈 구성요소/구조물 제조업체와 이를 사용하는 항공기 및 발전소 운영업체는 최상의 이점을 누릴 수 있습니다. Empa는 현재 터빈의 실제 작동 방식 데이터를 바탕으로 더욱 정확한 서비스 수명 예측을 생성하고 검증할 수 있습니다. 따라서 제조업체는 자신 있게 새로운 설계를 개발하고 최적화할 수 있으며, 최종 사용자도 마찬가지로 터빈이 성능, 안정성, 효율성, 안전과 관련한 요구사항을 충족할 것이라고 확신할 수 있습니다.
