터빈 블레이드

Turbine blade
터보 유니언 RB199 제트 엔진의 터빈 블레이드.

터빈 블레이드는 가스터빈 또는 증기 터빈의 터빈 섹션을 구성하는 개별 구성요소입니다.블레이드는 연소기에서 발생하는 고온 고압 가스로부터 에너지를 추출하는 역할을 합니다.터빈 블레이드는 종종 가스 [1]터빈의 제한적인 구성요소입니다.이러한 어려운 환경에서 살아남기 위해 터빈 블레이드는 종종 초합금 및 내부 및 외부 냉각,[2][3][4] 열 장벽 코팅으로 분류할 수 있는 다양한 냉각 방법 등 이국적인 재료를 사용합니다.블레이드 피로는 증기 터빈과 가스 터빈의 주요 고장 원인입니다.피로는 기계의 작동 범위 내에서 진동과 공진에 의해 유발되는 응력에 의해 발생합니다.이러한 높은 동적 응력으로부터 블레이드를 보호하기 위해 마찰 댐퍼가 사용됩니다.[5]

풍력 터빈과 수력 터빈의 블레이드는 일반적으로 낮은 회전 속도와 온도를 수반하는 다양한 조건에서 작동하도록 설계된다.

서론

트윈 스풀 제트 엔진 다이어그램.고압 터빈은 단일 스풀을 통해 고압 컴프레서(보라색)에 연결되고, 저압 터빈은 두 번째 스풀(녹색)에 의해 저압 컴프레서에 연결됩니다.

가스터빈 엔진에서, 단일 터빈 섹션은 많은 터빈 블레이드를 수용하는 디스크 또는 허브로 구성됩니다.터빈 섹션은 샤프트(또는 "스풀")를 통해 컴프레서 섹션과 연결되며, 컴프레서 섹션은 축방향 또는 원심형일 수 있습니다.공기는 압축되어 엔진의 컴프레서 단계를 통해 압력 및 온도를 상승시킵니다.그러면 컴프레서 단계와 터빈 단계 사이에 위치한 연소기 내부의 연료가 연소되면서 온도가 크게 상승합니다.고온 및 고압 배기 가스는 터빈 단계를 통과합니다.터빈 단계는 이 흐름에서 에너지를 추출하여 공기의 압력과 온도를 낮추고 운동 에너지를 스풀을 따라 컴프레서 단계로 전달합니다.이 프로세스는 [6]역방향에서만 축방향 컴프레서가 작동하는 방식과 매우 유사합니다.

터빈 스테이지의 수는 엔진 유형에 따라 다르며, 바이패스 비율이 높은 엔진은 터빈 [citation needed]스테이지가 가장 많은 경향이 있습니다.터빈 단계의 수는 터빈 블레이드가 각 단계에 맞게 설계되는 방식에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.많은 가스터빈 엔진은 트윈 스풀 설계로, 즉 고압 스풀과 저압 스풀이 있습니다.다른 가스 터빈은 3개의 스풀을 사용하여 고압 스풀과 저압 스풀 사이에 중간 압력 스풀을 추가합니다.고압 터빈은 가장 뜨거운 최고 압력 공기에 노출되고, 저압 터빈은 더 차가운 저압 공기에 노출됩니다.조건의 차이는 고압 및 저압 터빈 블레이드의 설계로 이어지며, 공기역학적 및 열역학적 [7]원리는 동일하지만 재료 및 냉각 선택이 크게 다릅니다.가스와 증기 터빈 내부의 이러한 심각한 작동 조건 하에서 블레이드는 고온, 높은 응력 및 잠재적으로 높은 진동에 직면합니다.증기 터빈 블레이드는 압력 구배를 따라 흐르는 고온 및 고압 증기의 선형 운동을 터빈 [8]샤프트의 회전 운동으로 변환하는 발전소의 중요한 부품입니다.

환경 및 장애 모드

터빈 블레이드는 가스터빈 내부에서 매우 거친 환경에 노출됩니다.고온, 고응력, 고진동의 잠재적 환경에 직면합니다.이 세 가지 요인 모두 블레이드 고장을 일으켜 엔진을 파괴할 수 있으므로 터빈 블레이드는 이러한 [9]조건에 견딜 수 있도록 신중하게 설계되었습니다.

터빈 블레이드는 원심력(터빈 스테이지가 분당 수만 회전(RPM)으로 회전할 수 있음)과 파괴, 항복 또는[nb 1] 크리프 고장을 일으킬 수 있는 유체 힘에 의해 응력을 받습니다.또한 현대 가스터빈의 1단계(연소기 바로 다음 단계)는 초기 가스터빈의 [11]약 1,500°F(820°C)에서 약 2,500°F(1,370°C)[10]의 온도에 직면합니다.Snecma M88과 같은 최신 군용 제트 엔진의 터빈 온도는 2,900°F(1,590°C)[12]입니다.이러한 고온으로 인해 블레이드가 약해지고 크리프 장애가 발생하기 쉬워질 수 있습니다.고온으로 인해 블레이드가 부식 장애에 [8]취약해질 수도 있습니다.마지막으로 엔진과 터빈 자체의 진동이 피로 고장을 [9]일으킬 수 있습니다.

자재

초기 제트 엔진의 한계 요인은 엔진의 고온 부분(연소 및 터빈)에 사용할 수 있는 재료의 성능이었다.더 나은 재료의 필요성은 합금과 제조 기술 분야에서 많은 연구를 촉진시켰고, 그 연구는 현대 가스 터빈을 [11]가능하게 하는 새로운 재료와 방법의 긴 목록을 만들었다.그 중 가장 초기의 것은 브리튼 휘틀 엔진에 사용된 니모닉이었다.

1940년대 초합금의 개발과 1950년대 진공 유도 용해와 같은 새로운 가공 방법은 터빈 블레이드의 온도 능력을 크게 증가시켰습니다.열간 등정압 프레스 같은 추가 가공 방법은 터빈 블레이드에 사용되는 합금을 개선하고 터빈 블레이드 [11]성능을 향상시켰습니다.현대의 터빈 블레이드는 크롬, 코발트 및 [9][13]레늄을 포함하는 니켈 기반 초합금을 사용하는 경우가 많습니다.

합금 개선 외에도 방향성 응고(DS) 및 단결정(SC) 생산 방법의 개발이 주요 돌파구였습니다.이러한 방법은 곡물 경계를 한 방향으로 정렬하거나(DS), 또는 곡물 경계를 완전히 제거함으로써 피로와 크리프에 대한 강도를 크게 높이는 데 도움이 됩니다. SC 연구는 1960년대에 프랫 및 휘트니와 함께 시작되었으며 시행되기까지 약 10년이 걸렸습니다.DS의 첫 번째 구현 중 하나는 SR-71의 [11][14][15]J58 엔진을 사용한 것입니다.

열 차단 코팅이 있는 터빈 블레이드.

터빈 블레이드 재료 기술의 또 다른 주요 개선 사항은 열 장벽 코팅(TBC)의 개발이었습니다.DS와 SC의 개발이 크리프 및 피로 저항성을 개선한 경우, TBC는 부식 및 산화 저항성을 개선했으며, 두 가지 모두 온도가 상승함에 따라 더 큰 문제가 되었습니다.1970년대에 적용된 최초의 TBC는 알루미늄화물 코팅이었다.개선된 세라믹 코팅은 1980년대에 사용 가능해졌다.이러한 코팅은 터빈 블레이드 온도를 약 200°F(90°[11]C) 증가시켰습니다.코팅은 또한 블레이드 수명을 개선하여 경우에 [16]따라 터빈 블레이드의 수명을 거의 두 배로 늘립니다.

대부분의 터빈 블레이드는 인베스트먼트 주조(또는 로스트 왁스 가공)를 통해 제조됩니다.이 공정은 왁스로 채워진 날 모양의 정확한 네거티브 다이(negative die)를 만들어 날 모양을 형성합니다.블레이드가 중공일 경우(즉 내부 냉각 통로가 있음), 통로 모양의 세라믹 코어를 중앙에 삽입한다.왁스 블레이드는 내열성 재료로 코팅되어 껍데기를 만들고, 그 다음에 그 껍데기를 블레이드 합금으로 채웁니다.이 단계는 DS 또는 SC 재료의 경우 더 복잡할 수 있지만 프로세스는 비슷합니다.칼날 중앙에 세라믹 코어가 있는 경우, 칼날을 비워두는 용액에 용해됩니다.블레이드는 TBC로 코팅되고 냉각 구멍이 가공됩니다.[17]

폴리머 유도 세라믹 매트릭스에 섬유가 내장된 세라믹 매트릭스 컴포지트(CMC)가 터빈 [18]블레이드에 사용하기 위해 개발되고 있습니다.기존 초합금 대비 CMC의 주요 장점은 경량화와 고온 성능입니다.탄화규소 섬유로 강화된 탄화규소 매트릭스로 이루어진 SiC/SiC 복합재료는 니켈 [19]초합금보다 200°~300°F 높은 동작온도에 견디는 것으로 나타났다.GE Aviation은 F414 제트 [20][21]엔진의 저압 터빈에 이러한 SiC/SiC 복합 블레이드를 사용하는 것을 성공적으로 시연했습니다.

터빈 블레이드 재료 목록

참고: 이 목록에는 터빈 [22][23]블레이드에 사용되는 모든 합금이 포함되어 있지 않습니다.

  • U-500 이 재료는 1960년대에 첫 번째 단계(가장 까다로운 단계) 재료로 사용되었으며, 현재는 덜 까다로운 이후의 [23]단계에 사용됩니다.
  • 르네 77[23]
  • 르네 N5[24]
  • 르네 N6[24]
  • PWA1484[24]
  • CMSX-4 [25]
  • CMSX-10[24]
  • 인코넬
    • IN-738 – GE는 1971년부터 GTD-111로 대체된 1984년까지 IN-738을 1단계 블레이드 재료로 사용했습니다.현재는 2단계 재료로 사용되고 있습니다.항공기 가스 [23]터빈이 아닌 육상 터빈을 위해 특별히 설계되었다.
  • GTD-111 블레이드는 방향성 고화 GTD-111로 제조되어 많은 GE Energy 가스 터빈에 1단계로 사용되고 있습니다.Equiaxed GTD-111로 만든 블레이드는 이후 [23]단계에서 사용되고 있습니다.
  • EPM-102(MX4(GE), PWA 1497(P&W)는 NASA, GE Aviation, Pratt & Whitney가 고속민간운송(HSCT)을 위해 공동 개발한 단결정 초합금이다.HSCT 프로그램은 취소되었지만, 합금은 GE와 P&[26]W에서 사용할 수 있도록 검토 중입니다.
  • Nimonic 80a는 Rolls-Royce Nene 및 de Havilland Ghost의 터빈 블레이드에 사용되었습니다.
  • 니모닉 90은 브리스톨 프로테우스에 사용되었다.
  • 니모닉 105는 롤스로이스 스피이에 사용되었다.
  • 니모닉 263은 콩코드 초음속 [27][28]여객기에 사용된 브리스톨 올림푸스의 연소실에서 사용되었다.
  • 풍력 터빈 블레이드를 만들기 위한 3D 인쇄 열가소성 수지는 ORNL, NREL 및 GE 재생 [29]에너지와 협력하여 개발 중입니다.

냉각

정압비에서는 터빈 입구 온도(TET)가 증가함에 따라 엔진의 열효율이 높아집니다.그러나 블레이드가 큰 원심 응력을 받고 고온에서는 재료가 약하기 때문에 온도가 높을 경우 터빈이 손상될 수 있습니다.따라서 터빈 블레이드 냉각이 [30]필수적입니다.현재의 현대적인 터빈 설계는 터빈 [2]구성 요소를 능동적으로 냉각함으로써 달성되는 1,900 켈빈 이상의 흡기 온도에서 작동합니다.

냉각 방법

레이저 구멍을 뚫어 필름 냉각을 가능하게 하는 1단 V2500 노즐 가이드 베인

구성 요소의 냉각은 공기 또는 액체 냉각을 통해 이루어질 수 있습니다.액체 냉각은 높은 비열 용량과 증발 냉각 가능성 때문에 더 매력적인 것처럼 보이지만 누출, 부식, 질식 및 기타 문제가 있을 수 있습니다.이 [30]방법과는 반대됩니다.한편, 공기의 냉각은 배출된 공기를 문제없이 메인 플로우로 배출할 수 있도록 합니다.이를 위해 필요한 공기의 양은 주 흐름의 1~3%이며 블레이드 온도는 200~300°[30]C까지 낮출 수 있습니다.가스터빈 블레이드에는 대류, 필름, 증산 냉각, 냉각 유출, 핀 핀 냉각 등 다양한 냉각 기법이 사용됩니다.모든 방법에는 차이가 있지만, 모두 터빈 [31]블레이드에서 열을 제거하기 위해 차가운 공기(종종 컴프레서에서 블리딩)를 사용하여 작동합니다.

내부 냉각

대류 냉각

대류에 의한 블레이드 냉각

블레이드 내부 통로를 통해 냉각 공기를 통과시켜 작동합니다.열은 블레이드를 통한 전도에 의해 전달된 다음 블레이드 내부에 흐르는 공기로 대류에 의해 전달됩니다.이 방법에서는 내부 표면적이 큰 것이 바람직하기 때문에 냉각 경로는 뱀 모양이며 작은 핀으로 가득 찬 경향이 있습니다.블레이드의 내부 통로는 원형 또는 타원형일 수 있습니다.냉각은 공기를 허브에서 블레이드 팁 쪽으로 통과시킴으로써 이루어집니다.이 냉각 공기는 공기 압축기에서 나옵니다.가스터빈의 경우 외부 유체가 상대적으로 뜨거워 냉각 경로를 통과하여 블레이드 [31][32]팁의 메인 스트림과 혼합됩니다.

충돌 냉각

임펙션

대류 냉각의 변형인 충돌 냉각은 고속 공기로 블레이드의 내부 표면에 부딪힘으로써 작동합니다.따라서 일반 대류 냉각보다 더 많은 열이 대류에 의해 전달될 수 있습니다.충돌 냉각은 열 부하가 가장 큰 영역에서 사용됩니다.터빈 블레이드의 경우, 전단의 온도가 최대이므로 열부하가 발생합니다.충돌 냉각은 베인의 중간 현에도 사용됩니다.칼날은 [33]속이 비어 있다.내부 냉각 통로가 있습니다.냉각 공기는 선행 에지 영역에서 유입되어 후행 [32]에지 쪽으로 회전합니다.

외부 냉각

필름 냉각

필름 냉각을 위한 냉각 구멍이 있는 터빈 블레이드의 렌더링.
필름 냉각

널리 사용되는 필름 냉각(박막 냉각이라고도 함)은 대류 및 충돌 [34]냉각보다 높은 냉각 효과를 제공합니다.이 기술은 구조물의 여러 작은 구멍 또는 슬롯을 통해 블레이드로부터 냉각 공기를 펌핑하는 것으로 구성됩니다.그런 다음 블레이드 외부 표면에 얇은 냉각 공기 층(막)이 생성되어 메인 플로우로부터의 열 전달이 감소합니다. 메인 플로우의 온도(1300~1800 켈빈)는 블레이드 재료의 융점(1300~1400 켈빈)[35][36]을 초과할 수 있습니다.필름 냉각 시스템이 표면을 냉각하는 능력은 일반적으로 냉각 효과라는 매개변수를 사용하여 평가됩니다.냉각 효과(최대값 1)가 높으면 블레이드 재료 온도가 냉각수 온도에 가깝다는 것을 나타냅니다.블레이드 온도가 뜨거운 가스 온도에 근접하는 위치에서는 냉각 효과가 0에 가깝습니다.냉각 효율은 주로 냉각수 흐름 매개 변수와 분사 형상에 의해 영향을 받습니다.냉각수 흐름 매개 변수에는 냉각수 및 주류 흐름 특성을 사용하여 계산된 속도, 밀도, 송풍 및 운동량 비율이 포함됩니다.주입 형상 매개변수는 구멍 또는 슬롯 형상(즉, 원통형, 모양 구멍 또는 슬롯)과 주입 [2][3]각도로 구성됩니다.1970년대 초 미 공군 프로그램은 필름과 대류 냉각이 가능한 터빈 블레이드의 개발에 자금을 지원했으며, 이 방법은 현대 [11]터빈 블레이드에서 보편화되었습니다.냉각기 블리딩을 흐름에 주입하면 터빈 등엔트로픽 효율이 저하됩니다. 냉각 공기의 압축(엔진에 동력을 공급하지 않음)으로 인해 강력한 패널티가 발생하며,[37] 냉각 회로로 인해 엔진이 상당히 복잡해집니다.이러한 모든 요인은 터빈 [38]온도 상승으로 인한 전반적인 성능(출력 및 효율성)의 증가로 보상되어야 합니다.최근 몇 년 동안 연구자들은 필름 냉각을 위해 플라즈마 액추에이터를 사용할 것을 제안해 왔다.유전체 장벽 방전 플라즈마 액추에이터를 사용한 터빈 블레이드의 필름 냉각은 Roy와 [39]Wang에 의해 처음 제안되었습니다.가스 흐름용 구멍 근처에 설치되는 말굽 모양의 플라즈마 액튜에이터는 필름 냉각 효과를 크게 향상시키는 것으로 나타났다.이전 연구에 이어, 실험 방법과 수치 방법을 모두 사용한 최근 보고서에서는 플라즈마 [40][41]액추에이터를 사용한 냉각 강화 효과가 15%까지 입증되었습니다.[42]

냉각 유출

유출에 의한 냉각

블레이드 표면은 다공질 소재로 만들어졌는데, 이는 표면에 다수의 작은 오리피스가 있음을 의미합니다.냉각 공기는 막 또는 냉각 경계층을 형성하는 다공질 구멍을 통해 강제됩니다.또한 이 균일한 냉각은 냉각수가 블레이드 [30]표면 전체에 유출되어 발생합니다.

핀 핀 냉각

좁은 후행 가장자리 필름에서는 블레이드의 열 전달을 강화하기 위해 냉각이 사용됩니다.블레이드 표면에 핀 핀 배열이 있습니다.열전달은 이 어레이에서 측벽을 통해 이루어집니다.냉각수가 빠른 속도로 핀을 통과하면 흐름이 분리되고 웨이크업됩니다.핀 핀의 유형과 핀 사이의 간격이 가장 [33]큰 열전달 속도에 기여하는 요인은 많습니다.

증산 냉각

이는 필름 냉각과 유사하지만, 공기는 구멍을 통해 주입되지 않고 다공질 쉘을 통해 "누출"된다는 점에서 다릅니다.이 냉각 방식은 블레이드 전체를 냉기로 [32][43]균일하게 덮기 때문에 고온에서 효과적입니다.증발로 냉각되는 블레이드는 일반적으로 다공질 쉘이 있는 견고한 스트럿으로 구성됩니다.공기는 스트럿의 내부 채널을 통과한 다음 다공질 쉘을 통과하여 [44]블레이드를 냉각합니다.필름 냉각과 마찬가지로 냉각 공기가 증가하면 터빈 효율이 저하되므로 감소는 온도 [38]성능 향상과 균형을 이루어야 합니다.

「 」를 참조해 주세요.

메모들

  1. ^ 크리프는 응력의 영향을 받아 천천히 움직이거나 영구적으로 변형되는 고체 물질의 경향입니다.재료의 항복 강도보다 낮은 높은 수준의 응력에 장기간 노출된 결과 발생합니다.크리프는 장시간 동안 열을 받는 물질과 녹는점 근처에서 더 심합니다.크리프는 항상 온도에 따라 증가합니다.From Creep(변형).

레퍼런스

Wikimedia Commons에는 터빈 블레이드 및 베인과 관련된 미디어가 있습니다.
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참고 문헌
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