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WEMA를 이용한 증기터빈 열구조 해석 및 로터 설계개선에 관한 연구
박누가(Luke Park),김인걸(In-Gul Kim) 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集A Vol.46 No.4
신재생에너지 증가에 따른 안정적인 전력 수급을 위해 복합화력 발전소의 빠른 기동과 부하변동이 중요시되고 있다. 특히 복합화력의 주요 기기인 증기터빈은 고온 및 고압의 운전 환경때문에 높은 열응력이 발생되며 이는 제품의 빠른 수명 소진을 발생시킨다. 열응력과 수명을 정확히 예측하기 위해 검증된 구조해석 모델링 기법이 필요하나 현재까지 복합화력 증기터빈 대상으로 상세 유한요소 모델링 후 해석 및 검증 사례는 없다. 본 논문에서는 270 MW급 증기터빈을 대상으로 실제 모델과 등가한 유한요소 모델을 구축하여 로터의 온도 및 변위 산출하였으며 측정된 운전데이터 비교를 통해 검증을 수행하였다. 이를 기반으로 고압터빈 취약부위를 재정의하였으며 형상 변경에 따른 응력 저감 효과를 제시하였다. Market requirements for faster and more frequent power unit start-up events lead to a considerably faster deterioration of the stream turbine and shorter equipment lifespan owing to the high thermal gradient during operation. Therefore, the accuracy of lifetime prediction depends on the accuracy of the transient thermal and structural analysis of the whole engine model. In this study, a whole engine model analysis was carried out to calculate the thermal stress at a critical location in the rotor and validated using real operation data. Rotor thermal and structural simulations were carried out using a commercial finite-element analysis software. The calculated and measured data well agreed. A study on design modifications was performed based on the results of the thermo-structural analysis.
박누가(Luke Park),김인걸(In-Gul Kim) 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集A Vol.46 No.3
비선형적 발전원인 신재생에너지 증가로 인해 국내 전력거래 시장이 하루 전 거래에서 실시간 거래로 변경을 검토 중이다. 실시간 전력 거래를 위해 복합화력 발전소는 가동상태 준비로 항시 대기해야 하며 이로 인하여 급전을 위한 증기터빈의 빠른 기동 및 전력 추종을 위한 잦은 부하변동이 예상되고 있다. 이는 증기터빈의 수명과 직결되기 때문에 기기의 신뢰성 확보를 위해선 정확한 수명평가가 요구되며 정확한 수명평가를 위해서는 터빈의 실제 형상 특성이 반영된 상세 모델링과 시간에 따른 운전 및 경계조건이 반영된 검증된 유한요소해석이 필요하다. 본 논문에서는 WEMA(whole engine model analysis) 방법을 이용하여 140 MW급 증기터빈 모델을 대상으로 열구조해석을 실시하여 수명을 평가하였으며 급전을 위한 기동단축시 로터 취약부의 수명 영향도를 파악하여 단축 여부 가능성에 대해 논의하였다. Owing to the very large increase in renewable energy, a nonlinear power source, the method of the domestic power trading market considerably changes from day basis to real-time transaction. For real-time power transactions, combined thermal power plants should always be on standby for sudden operations expecting rapid startup and frequent load changes. As this is directly related to the life of steam turbines, an accurate life evaluation is required to ensure reliability of the equipment. An accurate life evaluation requires a detailed modeling reflecting the actual shape characteristics of the turbine and validated finite-element analysis method containing the operation and boundary conditions over time. In this study, thermal and structural investigations are carried out for a 140-MW class steam turbine using a whole engine model analysis. In addition, the reduction in startup time reflecting the calculated life is analyzed.
5㎿ 급 소형 가스터빈 Shrouded Impeller 구조 안전성 평가
박누가(Luke Park),윤태준(Tae-Jun Yun),김동훈(Dong-Hoon Kim),하진웅(Jin-Woong Ha) 대한기계학회 2009 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2009 No.11
Shrouded impeller consisting of a cover attached to top of the blades has complicated irregular cross sections. The blades distribute its centrifugal load into the wheel and fillet area in a very non-uniform manner which depends upon its own pattern of deflection of the disk along its interface. Therefore, full 3D structural analysis should be performed in order to calculate von-mises stresses and compared with its allowable stresses at certain sections. Additionally, to determine dynamic characteristics of the impeller, a modal analysis was performed. Vibration characteristics of the impeller must be investigated in detail to prevent high cycle fatigue and rubbing due to interaction of impeller blade tips with stationary inlet as a result of excessive vibration. Subsequently, Campbell diagram was constructed to ensure there’s no resonant failures up to 34k harmonics. According to results, stress safety margins are below criteria and none of the impeller frequencies intersect with 1~12k engine order for the operational range of impeller speed at 12,840 rpm.