기후 변화에 대응하기 위한 탄소중립은 국제사회에서 빠르게 진행되고 있다. 이로 인해 확고한 국가정책 하에 재생에너지 발전비중이 급속히 늘어날 전망이다. 그러나 신재생 에너지는 전력생산 간헐성에 의해 전력망 불안정이 발생할 수 있다. 전력망 불안정을 보완하기 위해서는 보조전원을 사용해야 하며, 이때 운전 유연성이 뛰어난 가스터빈을 활용할 수 있다. 현재 세계적으로 가스터빈 발전량이 증가하는 추세이다. 기존의 가스터빈보다 효율 및 출력을 증대하기 위한 노력이 지속적으로 이루어지고 있으며, 이에 따라 가스터빈의 터빈 입구온도가 점차 증가되는 방향으로 대다수의 연구가 진행되고 있다. 터빈 입구온도가 증가함에 따라 터빈 구성품들은 더욱 더 가혹한 환경에서 내구성을 유지해야 하는 설계가 요구된다. 가스터빈이 높은 효율 및 출력을 얻기 위해서는 기존 운전 환경 보다 가혹한 운전환경에 노출되며, 이로 인해 구성품들의 재료 강도 저하가 발생한다. 특히 직접적으로 유체와 맞닿는 터빈 블레이드의 경우, 반복적인 작동으로 인해 열 및 기계 하중이 블레이드에 작용하게 되고, 이는 블레이드의 구조적 건전성과 수명에도 큰 영향을 준다.
복합적인 열/기계적 하중에 노출되는 터빈 블레이드의 설계 및 제작은 높은 난이도의 기술이다. 따라서 복잡한 설계 절차를 쉽고 효율적으로 접근할 수 있는 리엔지니어링 개념이 필요하다. 리엔지니어링은 기존에 사용하던 기존 터빈 블레이드의 성능을 평가한 후 개선하여 제작하는 전 과정을 의미한다. 기존 형상복제 중심의 블레이드 역설계 개발의 한계를 극복하고 운전 가변성이 높은 국내 운전 환경에 특화된 고온부품의 설계 및 제작에 필요한 리엔지니어링의 개념을 확립해야 한다.
리엔지니어링은 터빈 블레이드의 기존 운전 조건을 활용한 유동해석, 열구조 해석을 통해 블레이드의 실제적인 거동을 모사하고, 구조 건전성 평가를 반복적으로 수행해야 한다. 리엔지니어링 과정 중 블레이드의 설계 개선을 위한 전산해석 과정은 가장 많은 시간을 소모하게 된다.
따라서 본 연구에서는 이러한 과정의 효율성을 높이고자 운전 이력을 고려한 복합열전달 축약 모델 기반의 공력열구조 연계해석 절차에 대해 연구하였다. 공력열구조 연계해석 절차를 구축하기 위해서는 주요 기술들이 적절히 연결되어야 하므로 다음과 같은 세부 연구들을 수행하였다.
먼저 복합적인 하중을 받는 블레이드의 거동의 이해하기 위해 고온/고압 환경에서 금속재료의 거동에 대해 연구하였다. 이러한 환경에서 재료의 거동 모사는 부품의 수명과 안전성 판단에 직결되므로 유한요소해석을 통한 정밀한 해석이 필요하다. 그러므로 고온/고압 환경에서 내열 금속의 거동을 모사할 수 있는 통합 점소성 모델을 도입하고, 이를 활용한 다양한 환경에서 주기소성 해석, 열-기계 피로(TMF)해석 등을 수행하고 고온 금속재료의 거동과 특징을 확인하였다.
두 번째로 터빈 블레이드의 형상 취득을 위한 방법을 연구하였다. 가스터빈 블레이드 연구에 기반이 되는 기하형상을 획득하는 과정이 필요하다. 블레이드 CAD 모델을 얻기 위해 3차원 스캐너를 활용하였고, 전산해석의 기반을 마련하였다.
세 번째로 효율적인 블레이드 유체-구조 연계해석을 수행하기 위한 복합열전달 축약 모델을 연구하였다. 블레이드의 열유체 해석은 복잡하고 수행하는 데 많은 시간이 소요된다. 따라서 복합열전달 해석의 수행 횟수를 최소화하며 정확성을 유지한 차수 축소 모델을 생성하고, 이를 열구조 연계해석에 적용 가능한지 판단하였다. 축약 모델 구성을 위해 사용한 차수 축소 방법은 Kriging 기법을 활용하였다. 구성된 복합열전달 축약 모델은 가스터빈 블레이드의 열구조 해석에 연계된다.
마지막으로 복합열전달 축약 모델을 연계한 열구조 해석 기법에 대해 연구하였다. 복합열전달 축약 모델을 활용한 공력열구조 연계해석은 기존의 연계해석 방식에 비해 시간과 비용이 효율적이므로 다양한 운전 환경을 고려한 블레이드의 열구조 해석이 가능하다. 우선 가스터빈의 실제 운전 조건을 이용한 해석을 통해 대상 블레이드의 주요 핫스팟의 위치를 확인하였다. 그리고 고온 운전 조건, 급속 기동 조건에서 블레이드의 해석을 수행하였고 블레이드의 구조적 건전성과 수명을 평가하였다. 이러한 운전 조건의 변화는 블레이드의 온도와 소성 변형량에 영향을 준다는 것을 확인하였다.