Effects of the Damaged Axial-flow Compressor Blade on the Gas Turbine Components

축류 압축기 블레이드 손상시 터빈부품에 미치는 영향 Effects of the Damaged Axial-flow Compressor Blade

on the Gas Turbine Components

강명수․윤완노․김계연

M. S. Kang, W. N. Yun and K. Y. Kim

Key Words：Gas Turbine(가스터빈), Compressor(압축기), Moving Blades(회전익), Stationary Blades(고정익), Leading Edge(선단), Trailing Edge(후단), Dent Damage(타흔 손상)

Abstract：The ruptured blade which is rotating at high speed can damage severely the all stage compressor blades and the turbine components. If the shattered blades flow downstream inside the turbine parts, then the turbine blades and vanes can be damaged. The small parts of shattered blades which are flowed into the turbine parts pass through without any damages in the leading edge of the first stage stationary blades. Then they bump against the convex side of the leading edge of the first stage moving blades and the trailing edge of the first stage stationary blades repeatedly. The debris of shattered blades may plug the cooling holes in the turbine blades and vanes. The dent damage and the coating delamination could be also occurred by the debris of shattered blades flowed downstream inside the combustion liner and the transition piece. This paper analyzes the influence on the turbine components and the damage mechanism and characteristics in case of the damaged blade of the multiple-stage axial flow compressor.

접수일 : 2007년 6월 29일, 채택일자 : 2007년 8월 27일 강명수(책임저자) : 한전 전력연구원 수화력발전연구소 E-mail : [email protected] Tel. 042-865-5449 윤완노 : 한전 전력연구원 수화력발전연구소 김계연 : 한전 전력연구원 수화력발전연구소

1. 서 론

산업용 가스터빈 발전기는 기저부하(base load)용 뿐만 아니라 첨두부하(peak load)용 설비에서도 높 은 효율과 다양한 이용성이 입증되어 왔으며, 90년 대 초반부터 건설되기 시작하여 현재 국내 발전설 비의 약 30%를 차지하고 있다.

가스터빈은 다단축류 압축기(multiple-stage axial flow compressor)와 가스터빈을 하나로 연결하여 로터가 만들어지는데, 가스터빈 고온 부품들은 고가 의 내열 초경합금으로 제작되고, 압축기 블레이드 (blade)는 스텐레스강으로 제작된다. 보통 압축기 블레이드는 피로한도 이하의 응력이 작용하도록 설 계하기 때문에 그 수명이 반영구적으로 제작되나, 제작불량, 케이싱 열변형, 설계 간극 부족 등에 의 하여 운전중 절손되는 사고가 종종 발생되고 있다.

다단축류압축기는 저압단에서 고압단으로 공기 흐 름이 형성되기 때문에 고속 회전중에 길이가 긴 저 압단 블레이드가 파단되면 후류측의 압축기 블레이 드는 전량 손상되며 많은 비산물이 발생된다. 압축 기 블레이드가 손상되면 압축기와 한축으로 연결된 터빈도 이의 영향을 받게 되지만, 가스터빈의 구조 적 특성 때문에 크고 작은 비산물들이 직접 터빈측 으로 유입되지는 않는다. 이러한 이유 때문에 터빈 블레이드는 압축기 블레이드처럼 절손 비산되지는 않지만, 터빈 고온 부품에 가공된 수많은 공기 냉각 구멍(cooling hole)이 막히거나, 접합코팅(bond coating)과 열차폐 코팅(thermal barrier coating)이 박리되는 손상이 발생된다. 가스터빈 고온 부품은 매우 고가이고, 재생정비 시에도 많은 비용이 소요 되기 때문에 이러한 손상만으로도 정비 비용이 막 대해지며, 압축기 블레이드 손상시의 영향을 정확히 이해하지 못할 경우 정확한 정비가 이루어지지 못할 수 있어 또 다른 파급 손상을 불러일으킬 수 있다.

이러한 취지에서 본 논문에서는 다단축류 압축기

블레이드가 절손 비산되었을 때 가스터빈 고온부품

에는 어떤 영향을 미치게 되고, 고온 부품들이 어떠

한 형태로 손상되는가를 분석 고찰하였다.

2. 압축공기 및 연소가스의 흐름

2.1 가스터빈 구조와 압축공기 흐름

가스터빈 로터(rotor)는 다단축류 압축기와 터빈 로터가 단일축(single shaft)으로 구성되어 있다. 가 스터빈이 회전하면 Fig. 1과 같이 대기중의 공기가 압축기로 빨려 들어와 압축기에서 압축되며, 이 압 축공기는 연소실에서 온도가 상승하여 터빈을 통과 하면서 동력이 생산된다.

웨스팅하우스(Westinghouse)와 GE(Generic Electric) 에서 제작하는 가스터빈 연소기는 Can형으로써 1 6～20개의 원통형 연소기를 원주방향에 일정한 간 격으로 설치하는 구조로 설계된다. 연소기에서 온 도가 상승한 압축공기는 연소기 출구(transition piece)를 통하여 터빈으로 유입되는데, 연소기 출구 (직사각형 형상)가 터빈 1단 고정익에 부착되어 외 면의 압축공기 출구와 격리되고 전 원주 방향으로 터빈에 분사되게 된다.

공기유입 공기압축 연 소 실 터빈구동 연소공기추출

Fig. 1 Air and gas flow in the gas turbine engine

2.2 연소가스와 냉각공기의 흐름

Fig. 2는 압축기 출구(discharge chamber)의 디 퓨져(diffuser)와 챔버(chamber), 연소실, 터빈 내부 를 통과하는 압축공기의 흐름을 나타낸 그림이다.

압축기 출구에는 EGV(exist guide vane)가 설치되어 있어 압축공기의 회전운동을 직선운동으로 바꾸어 주며, 디퓨져에서 운동에너지를 압력에너지로 바꾸 어지면서 압축기 출구에 압축공기가 모이게 된다.

압축기 출구에 모인 압축공기의 대부분은 연소기 입구측 외면에 가공된 구멍을 통하여 연소기로 들 어가는데, 이때 압축공기의 흐름 방향이 180° 바뀌 어 역류하다가 연소기로 유입된다.

고정익 냉각 회전익 냉각

Fig. 2 Cooling air flow from the compressor

가스터빈 고온부품은 열차폐 코팅과 공기냉각 방 식으로 모재의 온도를 강하시켜 운전하고 있다. 가 스터빈 로터와 회전익(moving blades)의 공기냉각 은 설계방식에 따라 차이는 있지만, 압축기 출구의 압축공기를 일부 추출하여 일정 온도로 공기를 냉 각시킨 후 다시 로터 내부로 공급되어 로터와 터빈 회전익 내부에 가공된 냉각홀로 흘러나가면서 로터 와 회전익을 냉각시키게 된다. 고정익(stationary blades)과 케이싱의 냉각은 Fig. 2에서와 같이 압축 기 중간 부위의 압축공기 추출구(bleed air chamber)에서 압축 공기를 일부 추출하여 케이싱 외부에 설치된 배관을 통해 터빈 고정익으로 공급 된다.

3. 압축기 블레이드 손상 시 터빈부품에 미치는 영향

3.1 압축기 블레이드 손상시 터빈 회전익에의 영향

압축기 회전익이 절단되어 많은 비산물이 발생될

경우, 압축기에서 발생된 미세입자(particle)들이 공

기의 흐름을 따라 터빈으로 유입되기 때문에 터빈

고온부품이 손상되는 것은 필연적이다. 터빈으로 유

입되는 대다수의 파편은 보통 그 크기가 작은 것들

인데, 그 이유는 Fig. 1과 Fig. 2에서 보는 바와 같이

압축기 출구 챔버에서의 공기 흐름 방향이 180°로

바뀌어 역류하기 때문이며, 압축기를 통과하면서 잘

게 부서진 파편들 중에서 크기가 커서 관성력을 가

진 것들은 대부분 압축기 출구 챔버에 모여 떨어지

고, 공기 흐름에 떠다닐 정도로 작은 알갱이들은

180°로 방향이 바뀌어 역류하는 공기 흐름에 섞여

터빈으로 유입되게 된다.

터빈으로 유입되는 작은 알갱이들은 1단 고정익 선단(leading edge)에는 흔적을 남기지 않고 1단 고 정익을 빠져나갔다가, 1단 회전익의 배면(convex side) 선단과 충돌하게 되고, 이때 충돌한 각도 때문 에 1단 고정익 쪽으로 튕겨 나와 1단 고정익의 배면 후단(trailing edge)과 충돌하게 되며, 이러한 동작을 여러번 반복하다가 후류측(downstream)으로 빠져나 가게 된다. 이러한 현상이 발생되는 미케니즘은 Fig.

3과 같은 속도선도로 설명할 수 있다.

Cs : 고정익을 통과한 Gas 속도 Cp : 고정익을 통과한 Particle의 속도 U : Blade 속도

Ws : 동익으로 유입되는 가스의 상대 속도 Wp : 동익으로 유입되는 Particle의 상대 속도 Fig. 3 Velocity triangle and mechanism of solid

material impact in a moving blade row

Fig. 3의 속도 선도를 보면 고온의 압축공기는 1단 고정익을 통과하면서 팽창하여 속도가 빨라져 Cs라 는 속도 벡터를 갖게 되고, 고속으로 회전하는 회전 익의 속도 U와 만나게 되면 Ws의 상대속도로 회전 익의 입사각과 동일하게 회전익으로 유입된다. 그러 나 압축공기에 의해 이송되어 1단 고정익을 통과하 는 이물질(고체)들은 유입될 때는 아무런 흔적을 남 기지 않고 유입되지만, 1단 고정익을 통과하면서 스 스로 팽창하지 못하기 때문에 고온의 압축공기보다 속도가 느리게 되어, Cp의 속도로 회전익에 유입된 다. 이 속도의 이물질이 고속으로 회전하는 회전익 의 속도 U와 만나게 되면 Wp의 상대속도로 유입되 므로 회전익의 배면측 선단과 충돌하게 된다. 회전 익 선단과 충돌한 이물질은 회전익의 형상 때문에

Fig. 4와 같이 다시 1단 고정익 측으로 튀게 되어, 고 정익 배면측 후단과 충돌하게 된다.

Fig. 4 Particles rebounding in the fixed and moving blade

이러한 이물질의 궤적은 이물질이 후류측으로 빠 져나갈 때까지 여러 번 반복되기 때문에 1단 회전익 의 선단 배면측과 1단 고정익의 후단 배면측에 무수 한 흔적을 남기게 된다.

이상과 같은 이유로 인해 다단축류 압축기에서 블 레이드가 손상될 경우 터빈 회전익과 고정익은 주로 회전익의 선단과 고정익의 후단에 타흔을 발생시키 고 열차폐 코팅을 탈락시키게 된다.

3.2 부유성 미세입자 이외의 손상

압축기 블레이드 비산 사고가 발생하면 보통 공기 흐름에 떠다닐 수 있는 작은 입자들이 터빈으로 유 입되지만, 비산물이 많을 경우 간혹 직경 5～10㎜ 정 도 크기의 입자가 연소기 구멍(보통20～30㎜)으로 유입되어 터빈 블레이드 선단이나 끝단(tip) 부위에 치명적인 타흔 손상을 발생시키는 경우도 있다. 이 런 경우에도 고정익의 선단 측에는 거의 흔적이 남 지 않으며, 손상이 발생된 터빈 블레이드 전단 고정 익 어느 한두개의 배면 후단에 타흔 손상(dent damage) 흔적을 남길 때도 있다.

또한 이 이물질이 후류 쪽으로 빠져나가면서 뒷단 의 회전익에도 타흔 손상을 발생시키게 되며, 이물 질의 속도가 매우 빠르기 때문에 전단에 흔적을 남 기지 않고 뒷단에만 타흔 손상 흔적을 남기는 경우 도 있다. 터빈이 매우 고속으로 회전되기 때문에 5～

10㎜ 정도 크기의 이물질이 한 개만이라도 터빈으로

유입되면 여러 개의 타흔 손상을 발생시키게 되는데,

이러한 현상은 압축기 블레이드 비산 사고시에 흔히

발생되는 현상이며, 회전익의 경우 재생 불가할 정

도의 타흔 손상도 종종 발생된다. 그리고, Fig. 2에서

와 같이 터빈 케이싱과 고정익 내부로 유입되는 냉 각공기 중에도 이물질이 포함되어 있기 때문에 고정 익 내부의 냉각홀을 막게 되고, 이 경우 고정익 냉각 성능이 떨어져 과열로 인한 부분 탈락 현상이 발생 해 대형 파급 손상을 유발할 수도 있다.

따라서 압축기 블레이드 측의 비산으로 인한 손상 이 발생했을 때에는 터빈 회전익과 고정익의 재생정 비가 반드시 필요하게 되며, 회전익의 경우 타흔 손 상으로 인한 재생 불가 판정을 받아 스크랩(scrap) 처리되는 것도 발생되기 때문에, 열차폐 코팅과 접 합코팅을 완전히 벗겨내어 표면 비파괴 검사를 실시 한 후 재생가능 여부도 확인하여야 한다. 또한 회전 익 및 고정익의 내부 냉각홀이 막히지 않았는지, 이 물질이 내부에 존재하는지의 여부도 확인하여 이를 제거하여야 한다.

4. 손상 사례

4.1 손상 사례1

국내에서 운전중인 가스터빈에서 압축기 블레이 드 파단 사고가 수차례 발생된 사례가 있는데, 압 축기 블레이드 파단 사고시마다 가스터빈 고온부품 에서는 위에서 검토한 바와 같이 유사한 양상으로 손상되었다. 손상사고의 일례로 출력 155MW의 신 규 대용량 가스터빈 압축기 1단 회전익이 고사이클 피로로 인한 파단 사고 사례를 소개하였다.

4.1.1 압축기 손상 현황

압축기 상부 케이싱(mid upper casing) 개방 (open) 후 점검 결과 Fig. 5와 같이 압축기 0～12 단 회전익과 고정익이 전량 손상되었다.

Fig. 5 Damage of the multiple-stage axial flow compressor blades

4.1.2 터빈 손상 현황

압축기 고정익과 회전익이 전량 손상되어 수많은 미세입자들이 발생되었는데도 Fig. 6, 7과 같이 터 빈 1단 고정익의 선단측에는 아무런 흔적이 발생되 지 않았으며(냉각 구멍까지도 선명하게 형상을 보 존하는 상태), 압축기 파편이 잘게 부서진 가루 형 태로 연소기의 연소기 출구와 압축기 출구에 부착 되어 있는 상태였다.

Fig. 6 Particle deposits in the transition piece and discharge chamber of the first stage vane

Fig. 7 No damage in the leading edge of the first stage vane

터빈 1단 고정익의 선단측은 양호하나, 후단 배

면측은 Fig. 8과 같이 코팅이 거의 벗겨지고 일부

타흔 손상이 발생되었으며, Fig. 9에서는 터빈 1단

회전익의 선단 배면측의 코팅도 벗겨지고 타흔 손

상이 발생되었음을 알 수 있다.

Fig. 8 Damaged vanes in the trailing edge of the first stage

Fig. 9 Coating delamination and dent damage in the leading edge of the first stage blades

4.2 손상 사례 2

유사한 손상 사례로 출력 47MW의 소형 가스터 빈 압축기 1단 동익이 루트 부위에서 고사이클피로 로 인한 파단 사고 사례를 소개한다.

4.2.1 압축기 손상 현황

다단축류 압축기의 1단 블레이드 1개가 Fig. 10 과 같이 절손되어 탈락된 부위가 후류측으로 빠져 나가지 못하고 1단 고정익과 1단 회전익 사이에서 회전되면서, 1단 동익 전체의 팁 부위를 변형 손상 시키고, 회전되던 탈락 부위가 잘게 부서져 압축기 후류측으로 빠져 나가면서 압축기 블레이드 1～19 단 전량에 타흔 손상 및 찢어짐(tear) 손상이 발생 하였다.

4.2.2 터빈 손상 현황

압축기에서 터빈으로 유입되는 금속성 이물질은

그 크기가 작아졌기 때문에 압축기 블레이드처럼 파손되지는 않았으나, 터빈 블레이드에도 타흔 손 상이 발생되었으며, Fig. 11과 같이 회전익 선단의 배면 부위, Fig. 12와 같이 고정익 후단의 배면 열 차폐 코팅층이 손상되었다.

Fig. 10 All stage damaged blades caused by the first stage fractured combustor blade

Fig. 11 Thermal barrier coating delamination in the turbine blades

Fig. 12 Dent damage in the turbine vanes

5. 결 론

다단축류 압축기 블레이드가 절손 비산되었을 경 우 가스터빈 고온부품에 미치는 영향과 손상의 형 태 및 특성을 분석한 결과 얻어진 결론을 요약하면 다음과 같다.

1) 다단축류 압축기가 설치된 가스터빈에서 압축 기 회전익이 절단되어 비산물이 발생될 경우, 압축 기에서 발생된 많은 미세입자들이 공기의 흐름을 따라 터빈으로 유입되기 때문에, 터빈 고온부품이 손상되는 것은 필연적이며, 주로 회전익의 선단과 고정익의 후단에 많은 타흔을 발생시키고 열차폐 코팅을 탈락시키게 된다.

2) 입구측 고정익 선단에 아무 흔적이 없는데도 후단과 그 단의 회전익에 많은 타흔을 남기는 이유 는 터빈 스테이지(stage)에서의 가스와 이물질의 속도 선도로 설명할 수 있다.

3) 비산물이 많을 경우에는 다소 큰 입자(약 5～

10㎜)가 터빈으로 유입되는 경우가 있는데, 터빈이 매우 고속으로 회전되기 때문에 이러한 입자 한 두 개가 유입되어도 회전익 재생 불가의 치명적인 타 흔 손상을 발생시킬 수 있다.

4) 가스터빈 고정익과 회전익은 압축 공기를 추 출하여 냉각되고 있는데, 압축기 회전익 비산으로 발생된 미세한 이물질이 냉각홀을 막히게 하는 경 우가 있다. 따라서 회전익 및 고정익의 냉각홀 내 부가 막히지 않았는지, 이물질이 내부에 존재하는 지의 여부도 확인하여 이를 제거하여야 한다.

5) 압축기 블레이드 비산 손상이 발생했을 때에 는 터빈 회전익과 고정익의 재생정비가 반드시 필 요하며, 회전익의 경우 타흔 손상으로 인한 재생 불가 판정을 받아 스크랩 처리되는 것도 종종 발생 되기 때문에, 열차폐 코팅과 접합코팅을 완전히 벗 겨내어 표면 비파괴 검사를 실시한 후 재생가능 여 부를 확인하여야 한다.

6) 축방향으로 설치된 연소기 라이너 및 연소기 출구 내부에서는 압축 공기와 이에 포함된 작은 이 물질들의 흐름 방향이 동일(평행)하기 때문에 타흔 손상은 발생되지 않으며, 코팅층의 마모 혹은 탈락 현상이 발생된다. 고온 부품에서 코팅층의 마모 혹 은 탈락 현상이 발생될 경우에는 재생정비가 필수 적이다.

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