가스 터빈 복합 화력 (GTCC) 발전 시장은 재생 에너지와 공존 할 수 있는 가장 깨끗하고 경제적인 화력 발전 시스템으로 장기적으로 성장할 것으로 예상됩니다. 효율성을 더욱 높이려면 터빈 부품 재료의 특성을 개선하고 첨단 블레이드 설계에 필요한 복잡한 구조를 구축하기 위한 제조 기술 개발이 필수적입니다.
이 보고서는 가스 터빈의 고온 적용을 위한 재료 및 제조 기술로서 합금 설계 및 주조, 코팅, 용접 수리 및 냉각 구멍 드릴링 공정을 포함한 기술 개발을 제시합니다.
최근 몇 년 동안 세계 에너지 수요는 특히 중국과 인도와 같은 아시아 국가에서 현저하게 증가하고 있습니다. 2035 년 글로벌 에너지 소비량은 2010 년 대비 약 1.5 배 수준에이를 것으로 예상됩니다. 일본에서는 에너지 자급률이 10 % 미만이며 에너지 사용 효율을 높이고 환경 부하를 줄이는 것이 시급한 문제입니다. . 특히 현재 일본 전기 생산량의 거의 90 %를 차지하고있는 화력 발전의 효율화가 필요하다. 발전 효율은 가스 터빈 (시스템의 주요 구성 요소)의 연소 온도에 크게 영향을받습니다. 온도가 상승함에 따라 열 순환 효율이 향상 될 수 있기 때문에 Mitsubishi Hitachi Power Systems, Ltd.
(MHPS)는 1980 년대 초부터 더 높은 온도 / 더 나은 효율성 및 더 큰 용량을 가진 고급 시스템을 개발했습니다. 그림 11에서 보듯이 터빈 입구 온도는 1984 년 (Type D) 1,100 ° C 등급에서 시작하여 1989 년 1,350 ° C 등급 (Type F), 1997 년 1,500 ° C 등급 (Type 지).
또한 2011 년에는 1,600 ° C 급 가스 터빈 (J 형)이 출범했습니다 .2 2004 회계 연도부터 국가 프로젝트 “1,700 ° C 급 가스 터빈을위한 원소 기술 개발”이 시작되었습니다. J 형 가스 터빈 개발 프로젝트는 첨단 열 차단 코팅 (TBC) 및 냉각 / 공기 역학 기술과 같은 결과도 활용되었습니다 (그림 2).
가스 터빈 온도를 더욱 높이려면 이러한 고온을 견딜 수있는 신소재를 설계하고 터빈 부품의 특성을 개선하며 고급 블레이드 설계에 필요한 복잡한 구조를 구축하기 위한 제조 기술을 발명하는 것이 중요합니다. 이 보고서는 MHPS가 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (MHI) 연구 및 혁신 센터와 함께 개발하고 있는 이러한 기술을 소개합니다.
Figure 1 Increase in the turbine inlet temperature and transition of applied materials and technologies
Characteristics of the M501J gas turbine
MHPS와 MHI는 MGA1400, MGA1400DS, MGA2400을 고온 환경에서 사용할 수 있을 만큼 내구성이 있는 고강도 Ni 계 초합금으로 개발하여 자사 제품에 적용하고 있습니다. 일반적으로 인터 빈 블레이드에 사용되는 초합금은 주조 방법에 따라 기존 주조 합금, 방향 응고 합금, 단결정 합금 중 하나로 분류됩니다.
이 세 가지 유형 중 MGA1400 및 MGA2400은 기존 주조 합금의 범주에 해당하는 반면 MGA1400DS는 방향성 응고 합금입니다 . 단결정 합금은 입자 경계가 없기 때문에 가장 강하고 (그 존재는 재료 강도 측면에서 불리 함) 입자 경계 강화를 고려하지 않고 합금 조성을 최적화 할 수 있습니다.
그러나 주조 공정에서 발생하는 주조 결함은 강도를 크게 저하시킬 수 있으므로 제조 기술의 확립이 중요합니다. 산업용 가스 터빈 블레이드는 크기가 크기 때문에 항공기 엔진보다 제조하기가 더 어렵습니다.
MHI 연구 혁신 센터는 1700 ° C 급 가스 터빈을 건설하기 위해 NIMS (National Institute for Materials Science)와 공동 연구를 수행하여 단결정 블레이드용 고내열 소재를 개발했습니다. 고온에서 재료의 강도를 검증하는 것 뿐만 아니라 결함이 없는 좋은 단결정 구조를 얻기 위한 주조 기술 개발도 필수적입니다.
신소재는 원재료 및 주조 비용 등 경제성 측면에서도 만족스러워야 한다. 또한 고온에서 필요한 모든 재료 특성 (예 : 크리프 강도, 열 피로 강도 및 내 산화성)을 나타내야 합니다. 특히 크리프 강도와 열 피로 강도의 공존을 실현하기 위한 기술 개발이 어려웠습니다.
NIMS 합금 설계 프로그램에 의해 결정된 조성으로 테스트 합금을 조사하는 동안 MHI와 NIMS는 속성 예측을 위한 데이터베이스를 확장하기 위해 주로 열 피로 강도에 대한 데이터를 수집했습니다. 이러한 노력으로 인해 크리프 강도와 열 피로 강도 모두에서 우수한 특성을 가진 단결정 합금 인 MGA1700이 개발되었습니다 (그림 3).
일반적으로 레늄과 같은 고가의 희귀 금속을 포함하는 고강도의 다른 단결정 합금과 달리 MGA1700은 콘없이 고강도를 실현하는 획기적인 합금입니다.
Figure 3 Micro structure and high-temperature strength property of the designed alloy Figure 8 Evaluation test of thermal sprayed coatings Figure 11 Schematic diagram of LMD Figure Figure 12 Analytical model and a typical result of the analysis 13 Cross-sectional comparison of weld beads between analysis results and LMD application
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References
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하천이나 강의 도달 범위(river reach)를 수치로 모델링하는 것은 여전히 어려운 일입니다. 주요 과제 중 하나는 실제 모델에 적합한 수력 경계 조건(Hydraulic Boundary Conditions)을 정의하는 방법입니다. CFD 엔지니어들이 실무에 적용하는 일반적인 방법은 선택한 단면의 강에서 유체 높이 및 체적 유량 또는 배출량과 관련된 등급 곡선을 사용합니다. 이러한 데이터를 FLOW-3D에서 사용자에게 제공하기 위해 최근에 새로운 평가 곡선 경계 조건이 개발되었습니다. 이 조건의 추가로 이제 CFD분야 중 강이나 하천 관련 업무를 수행하는 엔지니어는 관심있는 여러 유형의 흐름을 보다 쉽게 모델링 할 수 있습니다. 예를 들면 다음과 같습니다.
수력 구조물 설계를위한 홍수 웨이브 시뮬레이션 (3D 모델)
강 유역 또는 전체 유역의 홍수 시뮬레이션 (2D 천수(shallow water) 모델)
“순수 방전”조건은 게이지 데이터를 사용할 수 없고 체적 유량(시간에 따라 달라짐) 만 알려진 경계 조건 설정으로 가능합니다.
새로운 경계 조건은 유동 개발을 위한 추가 모델링 공간이 필요하지 않으므로 입구 경계에서 속도 프로파일이 필요한 다른 응용 분야에 유용합니다.
The Rating-Curve Boundary Condition
등급 곡선은 유체 상승과 강의 방류 흐름과 관련된 단면 하천 특성입니다. 등급-곡선 경계 조건을 사용하면 입구 및 출구 경계 유형 모두에 대한 등급 곡선을 지정할 수 있습니다. 등급 곡선 조건은 시간 의존적인 “볼륨 유량” 경계 조건과 함께 정의할 수 있습니다. 따라서 시간에 의존하는 유체 표고 데이터를 수동으로 입력할 필요가 없으므로 홍수 파동 시나리오를 보다 편리하게 모델링할 수 있습니다. 유출구에 등급 곡선 BC를 사용하면 유출구에 시간 의존적인 압력을 더 이상 지정할 필요가 없습니다. 등급 곡선은 항상 경계에 통합된 시뮬레이션된 볼륨 유량에 해당하는 유체 고도를 제공합니다. 이를 통해 사용자는 자유 표면 표고에 대한 파동 변형 관련 출구 경계 조건을 가질 수 있습니다.
FLOW-3D 는 500 개 이상의 데이터 포인트가 입력 정보로 지정된 외부 파일을 읽을 수 있습니다. 이를 통해 임의의 하천 프로파일에 대해 매우 정확한 레이팅 커브를 입력 할 수 있습니다.
이 비디오는 홍수파 시뮬레이션의 예를 보여줍니다. 입구 경계 조건에는 사고 홍수 파와 관련된 초임계 흐름을 생성하는 등급 곡선이 있습니다. 출구에는 하위 임계 흐름에 대한 등급 곡선 경계 조건이 있습니다. 이러한 경계 조건의 조합은 시간 의존적인 홍수파와 함께 모델링된 도메인에서 유압 점프를 형성합니다. 네 개의 차트는 변화하는 볼륨 유량에 해당하는 경계에서 유체 표고의 변화를 보여 줍니다.
The Volume Flow Rate Boundary Condition
하천의 유속만 입구 경계에서 알 수 있고, 유체 수위정보에 대한 정보를 사용할 수 없는 경우 새로운 경계 유형인 유출만이 유입구에 대해 선택 될 수 있습니다. 그런 다음 FLOW-3D 는 입구 경계 영역에 인접한 영역의 유동 상황에 따라 유체 표고를 설정합니다. 사용자가 제공해야하는 유일한 입력은 볼륨 배출 속도 (시간에 따라 다름)에 따라 최소 유체 상승입니다. 최소 유체 표고는 예를 들어 유동이 아 임계에서 초 임계 정으로 변경되는 것을 방지하는 방법으로 사용됩니다.
이 비디오는 유입구 경계가 하위 임계 볼륨 유량으로 변경되었다는 점을 제외하고 이전 비디오와 동일한 설정을 보여 줍니다. 유입구가 더 이상 초임계 흐름을 강제하지 않기 때문에 모델링된 도메인은 전체에서 하위임계 흐름 상태를 유지합니다.
The Inlet Profile Boundary Condition / 입구 단면 경계 조건
새로 구현된 모든 경계 조건에는 경계 조건 면에 걸쳐 균일한 속도 프로파일이 있습니다. “프로파일 개발 길이”를 줄이는 것이 세 번째 유형의 유압 경계 조건인 유입구 프로파일의 목표입니다. 자연 유입구의 경우 FLOW-3D는 경계에 있는 수심을 도메인 내부의 인접 메쉬 셀과 동일하게 자동 설정합니다. 이렇게 하면 입구 경계 부근의 수위 상승이 방지되고, 물 표면이 영역 내에서 상승할 때 입구의 수면이 상승할 수 있습니다(또는 그 반대).
