터빈 노즐 및 열차폐 코팅에 따른 고압 1 단 터빈 블레이드의 구조 건전성 영향에 대한 연구

허재성,강영석,이동호,Huh, Jae Sung,Kang, Young Seok,Rhee, Dong Ho 대한기계학회 2016 대한기계학회 논문집. Transactions of the KSME. C, 산업기술과 혁신 Vol.4 No.2

High pressure nozzles and turbines of a gas turbine engine should be required to be operated under extreme operating conditions in order to maximize the performance. Engine manufactures have utilized nickel-base superalloys, enhanced cooling design, and thermal barrier coating techniques to overcome them and furthermore, material modeling, finite element analysis, optimization techniques, and etc. have been utilized widely for elaborate predictions. We aim to evaluate the effects on the low cycle fatigue life of the high pressure turbine blade caused by thermal barrier coatings and the cooling design of the endwall of the first stage turbine nozzle. To achieve it, the structural analysis, which utilized the results of conjugate heat transfer analysis as loading boundary conditions, was performed and then the results were the input for the assessment of low cycle fatigue life at several critical zones. 엔진 성능 혹은 효율의 극대화는 엔진 구성품들을 점점 더 극한의 환경에서 장시간 운용되게 요구하고 있다. 이를 위해 엔진 제작사 혹은 연구소는 초내열합금, 냉각 설계 최적화, 열차폐 코팅 개선 등의 노력과 동시에 재료 모델링, 유한요소해석, 최적설계 등의 수치 해석 기법을 적용하여 좀 더 정교한 설계 및 해석을 수행하고 있다. 본 연구에서는 연소기 뒤에 위치하는 1 단 고압터빈 노즐의 끝벽 냉각 설계와 열차폐 코팅에 따른 일방향 응고 재료인 1 단 고압터빈 블레이드의 저주기 피로 수명에 대한 영향을 고찰하고자 한다. 이를 위해 경계 조건인 고온 및 고압의 연소 가스에 의한 노즐 및 블레이드의 금속 온도는 복합 열 전달 해석을 통해 얻고, 이 결과를 받아 블레이드의 구조 해석 및 저주기 피로수명을 평가하여 노즐 냉각설계와 열차폐 코팅의 영향을 분석하였다.

축대칭 및 섹터 해석 모델을 활용한 가스터빈 엔진 디스크의 형상 변수 고찰

허재성(Jae Sung Huh) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集A Vol.37 No.6

가스터빈엔진의 핵심 부품인 디스크와 블레이드는 고효율, 수명주기 동안의 운용비 최소화 등의 요구조건으로 고온의 터빈입구 온도, 고압축비, 고속 환경에서 지속적으로 운용된다. 이러한 가혹한 환경에서의 구조 안전성을 평가하기 위해서는 재료 모델링과 유한요소해석 기법 등이 필수적이며 더 나아가 형상최적화가 반드시 요구된다. 본 연구에서는 터빈 디스크의 구조 건전성을 평가하기 위해 2 차원 축 대칭 및 섹터 모델을 생성하고, 열-구조 연성해석과 접촉 해석을 포함한 유한요소 해석을 수행하고자 한다. 이를 근거로 터빈 디스크에서 구조적으로 취약한 2 개의 영역인 디스크 보어와 디스크와 블레이드의 연결 부위인 도브테일에 대해 형상변수 고찰을 하고자 한다. 최종적으로 형상변수 결과를 기초로한 개선된 디스크 형상을 제안함과 동시에 좀 더 정교한 형상최적화가 필요함을 확인한다. Turbine blades and disc, which are one of the most important rotating parts of a gas turbine engine, are required to have highly efficient performance in order to minimize the total life cycle costs. Owing to these requirements, these components are exposed to severe conditions such as extreme turbine inlet temperatures, high compression ratios, and high speeds. To evaluate the structural integrity of a turbine disc under these conditions, material modeling and finite element analysis techniques are essential; furthermore, shape optimization is necessary for determining the optimal solution. This study aims to generate 2D finite element models of an axisymmetry model and a sector one and to perform thermal-structural coupled-field analysis and contact analysis. Structurally vulnerable areas such as the disc bore and disc-blade interface region are analyzed by a parametric study. Finally, an improved design is provided based on the results, and the necessity of elaborate shape optimization is confirmed.

비정규 분포에 대한 통계적 모멘트와 확률 제한조건의 민감도 해석

허재성(Jae-Sung Huh),곽병만(Byung-Man Kwak) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.11

설계단계에서 시스템의 불확실성을 반영하려는 노력이 다양하게 이루어지고 있으며, 강건 최적설계 혹은 신뢰도 기반 최적설계는 이에 대한 대표적인 설계 방법론이다. 이러한 최적화 수식에는 성능함수의 평균, 표준편차와 확률제한조건이 목적함수와 제한조건으로 주로 활용된다. 그러므로, 이러한 통계적 특성치를 효과적으로 계산하는 것은 필수적이며, 더 나아가 최적화 과정에서 비선형 계획법이 일반적으로 활용되므로 민감도가 반드시 필요하다. 본 연구에서는 통계적 모멘트와 확률제한조건에 대해 적분 형태로 정의되는 민감도 수식을 비정규 분포로 확장하고자 한다. 얻어진 민감도 해석 결과는 통계적 모멘트와 손상확률이 설계점에서 계산된 경우, 민감도를 얻기 위해 추가로 성능함수를 계산할 필요가 없음을 보여주므로 효율성 측면에서 우수하다. 그러나, 민감도 수식이 성능함수와 확률밀도함수의 미분과정에서 얻어지는 함수의 곱으로 정의되므로, 동일한 수치적분 방법이 적용되는 경우 민감도 해석 결과는 통계적 모멘트 결과의 정확도에 미치지 못할 가능성이 있다. The efforts of reflecting the system’s uncertainties in design step have been made and robust optimization or reliabilitybased design optimization are examples of the most famous methodologies. The statistical moments of a performance function and the constraints corresponding to probability conditions are involved in the formulation of these methodologies. Therefore, it is essential to effectively and accurately calculate them. The sensitivities of these methodologies have to be determined when nonlinear programming is utilized during the optimization process. The sensitivity of statistical moments and probability constraints is expressed in the integral form and limited to the normal random variable; we aim to expand the sensitivity formulation to nonnormal variables. Additional functional calculation will not be required when statistical moments and failure or satisfaction probabilities are already obtained at a design point. On the other hand, the accuracy of the sensitivity results could be worse than that of the moments because the target function is expressed as a product of the performance function and the explicit functions derived from probability density functions.

고압터빈노즐의 저주기 피로 해석과 고찰

허재성(Jae Sung Huh),강영석(Young Seok Kang),이동호(Dong Ho Rhee),차봉준(Bong Jun Cha) 한국추진공학회 2014 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.12

가스터빈엔진 디스크의 도브테일 형상 최적화와 신뢰도 해석

허재성(Jae-Sung Huh) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集A Vol.38 No.4

가스터빈엔진의 가장 핵심 부품인 디스크와 블레이드는 고온, 고압축비, 고속 회전이라는 가혹한 환경에서 지속적으로 운용된다. 이러한 가혹한 환경과 디스크와 블레이드가 가지는 큰 회전 에너지로 인해 디스크 및 블레이드에 의해 유발되는 파손은 항공기 손상 혹은 탑승자의 피해로 이어지는 재해적 고장 혹은 한계 고장으로 이어진다. 그러므로 디스크와 블레이드의 구조적 건전성의 마진을 충분히 확보하기 위해서 본 연구에서는 디스크의 취약 부위인 도브테일의 형상을 최적화하고, 그 해의 강건성을 확인하기 위해 치수 공차와 피로 수명의 산포와 같은 불확실성에 대하여 신뢰도 해석을 수행하고자 한다. 이 결과를 통해 결정론적 방법인 최적설계의 필요성과 함께 한계를 확인하고, 향후 신뢰도 기반 최적설계의 필요성을 인지하고자 한다. 이를 위해 비선형 열-구조 연성해석과 접촉 해석을 포함한 유한요소해석을 수행하였다. The most critical rotating parts of a gas turbine engine are turbine blades and disc, given that they must operate under severe conditions such as high turbine inlet temperature, high speeds, and high compression ratios. Owing to theses operating conditions and high rotational speed energy, some failures caused by turbine disks and blades are categorized into catastrophic and critical, respectively. To maximize the margin of structural integrity, we aim to optimize the vulnerable area of disc-blade interface region. Then, to check the robustness of the obtained optimized solution, we evaluated structural reliability under uncertainties such as dimensional tolerance and fatigue life variant. The results highlighted the necessity for and limitations of optimization which is one of deterministic methods, and pointed out the requirement for introducing reliability-based design optimization which is one of stochastic methods. Thermal-structural coupled-filed analysis and contact analysis are performed for them

엔진 구성품의 재료 비등방성이 구조 건전성에 미치는 영향에 대한 고찰

허재성(Jae Sung Huh),이동호(Dong Ho Rhee) 한국유체기계학회 2017 한국유체기계학회 학술대회 논문집 Vol.2017 No.7

반응표면을 활용한 통계적 모멘트 추정 방법과 신뢰도해석에 적용

허재성(Jae-Sung Huh),곽병만(Byung-Man Kwak) 대한기계학회 2004 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2004 No.11

A new and efficient method for estimating the statistical moments of a system performance function has been developed. The method consists of two steps: (1) An approximate response surface is generated by a quadratic regression model, and (2) the statistical moments of the regression model are then calculated by experimental design techniques proposed by Seo and Kwak⑷. In this approach, the size of experimental region affects the accuracy of the statistical moments. Therefore, the region size should be selected suitably. The D-optimal design and the central composite design are adopted over the selected experimental region for the regression model. Finally, the Pearson system is adopted to decide the distribution type of the system performance function and to analyze structural reliability.

강건 최적설계에서 통계적 모멘트와 확률 제한조건에 대한 효율적인 민감도 해석

허재성(Jae-Sung Huh),곽병만(Byung-Man Kwak) 대한기계학회 2008 大韓機械學會論文集A Vol.32 No.1

The efforts of reflecting the system’s uncertainties in design step have been made and robust optimization or reliability-based design optimization are examples of the most famous methodologies. In their formulation, the mean and standard deviation of a performance function and constraints expressed by probability conditions are involved. Therefore, it is essential to effectively and accurately calculate them and, in addition, the sensitivity results are required to obtain when the nonlinear programming is utilized during optimization process. We aim to obtain the new and efficient sensitivity formulation, which is based on integral form, on statistical moments such as the mean and standard deviation, and probability constraints. It does not require the additional functional calculation when statistical moments and failure or satisfaction probabilities are already obtained at a design point. Moreover, some numerical examples have been calculated and compared with the exact solution or the results of Monte Carlo Simulation method. The results seem to be very satisfactory.

치수정확도와 기계적 물성치를 고려한 IN718 재료의 적층제조 공정 최적화 연구

허재성(Jae Sung Huh),박은주(Eunju Park),김남훈(Namhun Kim),이동호(Dong Ho Rhee) 대한기계학회 2019 大韓機械學會論文集A Vol.43 No.7

적층제조는 설계 자유도 극대화, 소재 절감, 공정 단순화 등의 다양한 이점을 제공하고 있어 현재 많은 연구와 함께, 의료, 자동차, 항공우주 분야 등의 다양한 분야에 적용을 시도하고 있다. 기존의 제조방식과 유사하게 각 부품을 제작하기 위해서는 최적화된 공정 변수를 결정하는 과정이 필요하며, 이는 많은 시간과 노력이 필요한 과정이다. 본 연구에서는 금속적층제조에서 많이 활용되는 고온소재인 In718 소재에 대하여 실험계획을 수립 후, 이에 따라 소형의 정육면체 시편을 제작하고 치수와 경도를 측정하여 ANOVA 및 회귀모델 분석을 통해 공정을 최적화 하였다. 다양한 공정 변수 중에서 분말에 전달되는 에너지 밀도와 관련된 4개의 공정 변수를 인자로 선정하였으며, 치수 정확도와 기계적 특성을 대표하는 성능함수를 적용하여 최적화를 수행하였다. 그 결과 두 성능함수의 조합에 따라 상이한 최적 공정이 도출되었다. Additive manufacturing has various advantages, such as infinite design freedom, the reduction of material consumption, and process simplification. It is currently being applied to various fields (including the medical, automobile, and aerospace industries), and extensive research is being conducted in this area. To manufacture a specific part, it is necessary to determine optimized process parameters similar to the existing fabrication method, which requires significant time and effort. In this study, the design of experiments was established for optimizing the additive manufacturing process of Nickel base superalloy IN718, which is widely used in the direct metal laser sintering process. Cubic specimens were manufactured, the dimensions and hardness (as the performance functions) were measured, and finally, the process was optimized through ANOVA and regression model analysis. The analyses show that different optimum process parameters were derived depending on the combination of two performance functions.

터빈입구온도 섭동에 대한 고압터빈노즐 신뢰도 해석

허재성(Jae Sung Huh),강영석(Young Seok Kang),이동호(Dong Ho Rhee),차봉준(Bong Jun Cha) 한국유체기계학회 2016 한국유체기계학회 학술대회 논문집 Vol.2016 No.11