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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

방제성 (서울대학교, 서울대학교 대학원)

발행연도
2015
저작권
서울대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수1

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이 논문의 연구 히스토리 (11)

2015

블리스크 형 천음속 팬의 강제응답 및 고주기피로에 관한 연구 - Part II 블리스크 형 천음속 팬의 강제응답 및 고주기피로에 관한 연구 - Part I 블리스크형 팬의 강제응답 및 고주기 피로 평가를 위한 해석 체계 구축 - Part II 블리스크형 팬의 강제응답 및 고주기 피로 평가를 위한 해석 체계 구축 - Part I 효율적인 공탄성적 해석을 통한 천음속 팬 블리스크의 강제응답과 고주기피로 분석 - Part 2 효율적인 공탄성적 해석을 통한 천음속 팬 블리스크의 강제응답과 고주기피로 분석 - Part 1 효율적인 공탄성적 해석을 통한 팬 블리스크의 강제응답과 고주기피로 특성에 관한 연구

초록· 키워드

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연구에서는 교번응력을 얻기 위하여 비정상 유동해석과 조화응답해석이 분리되어 순차적으로 수행되는 분리된 공탄성적 해석을 기반으로한 효율적인 강제응답해석이 수행되었다. 이를 통해 얻어진 교번응력과 원심력과 정상상태 유동해석을 통해 얻어진 공력하중에 의한 평균응력을 이용하여 modified Goodman 선도 기반의 고주기피로 특성이 연구되었다. 로터 유로와 스테이터 유로 간 피치 비율이 동일하지 않더라도 Transient Blade Row 의 시간 변환 모델이 비정상 유동해석 시 회전방향 주기 경계조건을 적용할 수 있게 한다. 따라서 기존의 Transient Rotor Stator interface 를 사용하는 비정상 유동해석에서 불가피하게 사용된 전체 모델링을 피할 수 있다. 또한 구조해석 모델에서 주기적 대칭 경계조건과 모드중첩법의 사용이 정적해석-모드해석-조화응답해석에서 높은 효율성을 제공한다. 유체-구조 완전 연성 기반의 공탄성적 해석을 기반으로한 강제응답해석에서 디스크 변형까지 고려하기 위해서는 traveling wave 모드를 고려하기 위하여 경우에 따라 전체 모델이 해석되어야 한다. 하지만 본 연구에서 사용된 접근방법을 통해 얻어진 효율적인 해석 절차가 전체 모델링을 피할 수 있으며, 22 개의 NASA Rotor 67 과 34 개의 스테이터 간 상호작용을 고려하는 강제응답 및 고주기피로 특성이 성공적으로 고찰되었다. 먼저 정격운영속도인 16,043 RPM 의 40%~115% 범위에 해당하는 회전속도 조건에서 원심력에 의한 초기응력을 고려한 블리스크 1 개 섹터 모델에 대하여 노달 직경의 변화에 따른 고유진동수 및 모드형상의 변화를 분석하였다. 이러한 모드해석 결과를 기반으로 Campbell 선도를 구성하여 정격운영속도의 40%~115% 범위 내에서 발생할 수 있는 공진 조건의 가진 주파수와 로터 블레이드의 고유모드가 분석되었다. 여러 공진 조건보다 공력하중이 클 것으로 예상되는 정격운영속도의 90%와 115% 조건에서 성능 지도를 얻기 위하여 정상상태 유동해석이 수행되었다. 그 결과 실속근처와 초크근처와 같이 플러터 경계 근처에 있는 탈설계조건과 최대효율근처와 같은 운영선에 있는 설계조건이 도출되었다. 게다가 블레이드 진동에 영향을 줄 수 있는 supersonic bubble, flow separation, in-passage shock, single detached bow shock, oblique shock 의 분포가 고찰되었다. 고주기피로 특성 분석에 사용되는 교번응력을 얻기 위하여 비정상 유동해석 및 조화응답해석으로 이루어진 강제응답해석이 수행되었다. 비정상 유동해석을 통해 얻어진 압력 분포는 블레이드 표면의 각 위치마다 크기나 위상각이 다른 주기적인 시간의 함수 형태를 가지기 때문에 Fourier 변환을 통하여 가진 주파수에 부합하면서 실수부와 허수부로 구성된 복소형태의 압력 분포로 변환되었다. 그런 뒤에 이를 다시 유한요소 격자에서의 압력하중으로 변환한 뒤 교번응력을 얻기 위한 조화응답해석을 수행하였다. 최종적으로 원심력과 정상상태 유동해석을 통해 얻은 압력을 적용한 정적구조해석을 통해 평균응력을 얻고, 위의 교번응력을 이용하여 modified Goodman 선도를 이용한 고주기피로 특성을 분석해 보았다. 추가적으로 유체-구조 완전 연성해석 기반의 강제응답해석을 수행하여 평균응력과 교번응력의 크기 및 최대크기가 발생하는 위치를 비교하였으며, 공력 감쇠를 계산하여 교번응력의 변화를 분석하였다. 또한 cold geometry 와 operating geometry를 분리하여 고려하는 경우 평균응력의 변화를 분석해 보았다.

목차

초 록
1. 서 론
1.1 연구 배경
1.2 공탄성적 현상
1.2.1 강제 응답
1.2.2 플러터
1.2.3 디스크 유연도(Disk flexibility)
1.2.4 블레이드열(Blade row) 상호작용
1.2.5 입구 왜곡(Inlet distortion)
1.3 국내외 연구개발 현황
1.3.1 터보기계의 비정상 유동해석 분야
1.3.2 구조 모델링
1.3.3 공탄성 모델링
1.3.4 터빈 블레이드의 고주기피로 분야
1.4 연구의 목적 및 본 논문의 구성
2. 해석 방법에 대한 이론적 설명
2.1 회전하는 구조물의 동적 해석을 위한 기준 좌표계
2.2 주기적 대칭 경계조건
2.3 회전연화와 응력강화(Spin Softening and Stress Stiffening)
2.4 회전체 유동해석을 위한 다중기준계(Multiple Frame of Reference)
2.4.1 Frozen rotor 기법
2.4.2 Stage 기법
2.4.3 Transient rotor stator 기법
2.5 Transient Blade Row 모델
2.5.1 Time Transformation 기법
2.5.2 Fouier transformation 기법
2.6 공력 감쇠 계산을 위한 정식화
2.7 분리된 공탄성적 방법 기반의 강제응답해석을 위한 정식화
2.8 가진(Excitation)과 노달 직경과의 관계
2.9 고주기피로수명(High Cycle Fatigue) 평가 기법
3. 분리된 공탄성적 방법 기반의 강제응답해석 예제
3.1 해석대상체
3.2 해석의 절차
3.3 원심력을 적용한 평균응력 및 모드 분석
3.4 주요 공진조건 도출
3.5 팬 성능해석
3.6 강제응답해석 및 고주기 피로수명 평가
3.7 유체-구조 완전 연성해석 기반의 강제응답해석 결과와의 비교
3.8 공력 감쇠를 고려한 경우 교번응력의 변화
3.9 Cold geometry 와 operating geometry 를 고려한 경우 평균응력값의 변화
4. 결 론
참고문헌
ABSTRACT

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