증기 터빈 블레이드의 피로수명 및 강도에 대한 확률론적 해석 = (A) stochastic analysis in fatigue life & strength of steam turbine blade

국문 초록 (Abstract)

발전소의 중요 부품인 터빈 블레이드는 다양한 원인에 의해 손상된 사례가 보고되고 있다. 그 중에서도 대부분의 블레이드 파손은 저압 터빈의 마지막 단에서 발생되며, 이는 피로손상이 주된 원인이다. 따라서 저압 증기 터빈 블레이드의 안전성을 확보하기 위해서는 피로수명 및 강도에 대한 검토가 매우 중요하다.
본 연구에서는 발전소에서 1년 및 12년의 운전이력을 가진 저압 증기 터빈 블레이드의 최종단에서 시험편을 채취하고, 이의 피로시험을 수행하였다. 저압 증기 터빈 블레이드의 피로수명 및 강도는 장기간 운전에 따른 재료의 열화 및 손상의 변동성 등으로 인하여 확률론적으로 평가하였다.
유한수명에서의 피로강도는 본 연구에서 제안된 3모수 와이블 P-S-N 선도로서 평가하였으며, 재료의 열화로 인하여 파손확률 50%의 피로수명은 신재에 비하여 65% 낮게 평가되었다.
운전조건에 따른 작용응력과 인장 및 피로강도에 대한 각각의 변동성은 몬테카를로 시뮬레이션을 통하여 묘사하였으며, 증기 터빈 블레이드의 신뢰성은 강도-응력 간섭모델을 이용하여 평가하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, the reliability of LP steam turbine blade was evaluated using the limited fatigue data. The statistical estimation of limited fatigue data implies some unknown uncertainties which may be involved in fatigue reliability analysis. Therefore, an appropriate distribution in the fatigue strength was determined by the characteristic distribution - linear correlation coefficient, fatigue physics, error parameter. 3 parameter Weibull distribution is the most appropriate distribution for finite life region and infinite life region.
A proposed procedure is introduced to determine the expression of P­S­N curves. The parameter estimation for P­S­N curves was performed using various optimization techniques to maximize the correlation coefficient. As a result of this, sequential linear programing method is selected for estimation of P­S­N curves. The load applied on the blade is mainly a tensile loading. And the maximum Von-Mises stress is 219.4 MPa at the steady state service condition. The reliability derived from the strength-stress interference model were estimated by using Monte Carlo simulation under variable service condition and the characteristic factor of safety.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 이론해석 4
• 2-1. 증기 터빈 블레이드의 작용응력 4
• 2-2. 피로수명의 확률론적 해석 7
• 2-3. 3모수 와이블 P-S-N 선도 11
• 2-4. 강도-응력 간섭모델 13
• 3. 실험방법 16
• 3-1. 재료 및 시험편 16
• 3-2. 피로시험 18
• 4. 실험결과 및 고찰 19
• 4-1. 피로수명평가 19
• 4-2. 피로수명의 확률론적 특성 23
• 4-3. 최적화기법을 이용한 3모수 와이블 P-S-N 선도 28
• 4-4. 블레이드 응력해석 31
• 4-5. 피로한도의 확률론적 특성 32
• 4-6. 몬테카를로 시뮬레이션 33
• 4-7. 신뢰성 해석 35
• 5. 결론 39