High-temperature oxidation of a Ni-based superalloy was analyzed with samples taken from gas turbine blades, where the samples were heat-treated and thermally exposed. The effect of Cr/Ti/Al elements in the alloy on high temperature oxidation was investigated using an optical microscope, SEM/EDS, and TEM. A high-Cr/high-Ti oxide layer was formed on the blade surface under the heat-treated state considered to be the initial stage of high-temperature oxidation. In addition, a PFZ (γ’ precipitate free zone) accompanied by Cr carbide of Cr23C6 and high Cr-Co phase as a kind of TCP precipitation was formed under the surface layer. Pits of several μm depth containing high-Al content oxide was observed at the boundary between the oxide layer and PFZ. However, high temperature oxidation formed on the thermally exposed blade surface consisted of the following steps: ① Ti-oxide formation in the center of the oxide layer, ② Cr-oxide formation surrounding the inner oxide layer, and ③ Al-oxide formation in the pits directly under the Cr oxide layer. It is estimated that the Cr content of Ni-based superalloys improves the oxidation resistance of the alloy by forming dense oxide layer, but produced the σ or μ phase of TCP precipitation with the high-Cr component resulting in material brittleness.

로터 블레이드는 조류발전 터빈의 매우 중요한 구성 요소로서, 해수의 높은 밀도로 인해 큰 추력(Trust force)와 하중(Load)의 영 향을 받는다. 따라서 블레이드의 형상 및 구조 설계를 통한 성능과 복합소재를 적용한 블레이드의 구조적 안전성을 반드시 확보해야 한 다. 본 연구에서는 블레이드 설계 기법인 BEM(Blade Element Momentum) 이론을 이용해 1MW급 대형 터빈 블레이드를 설계하였으며, 터빈 블레이드의 재료는 강화섬유 중의 하나인 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics)를 기본으로 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)를 샌드위치 구조에 적용해 블레이드 단면을 적층(Lay-up)하였다. 또한 유동의 변화에 따른 구조적 안전성을 평가하기 위해 유체-구조 연성해석 (Fluid-Structure Interactive Analysis, FSI) 기법을 이용한 선형적 탄성범위 안의 정적 하중해석을 수행하였으며, 블레이드의 팁 변형량, 변형 률, 파손지수를 분석해 구조적 안전성을 평가하였다. 결과적으로, CFRP가 적용된 Model-B의 경우 팁 변형량과 블레이드의 중량을 감소시 켰으며, 파손지수 IRF(Inverse Reserce Factor)가 Model-A의 3.0*Vr를 제외한 모든 하중 영역에서 1.0 이하를 지시해 안전성을 확보할 수 있었 다. 향후 블레이드의 재료변경과 적층 패턴의 재설계뿐 아니라 다양한 파손이론을 적용해 구조건전성을 평가할 예정이다.

In this study, defects generated in the YSZ coating layer of the IN738LC turbine blade are investigated using an optical microscope and SEM/EDS. The blade YSZ coating layer is composed of a Y-Zr component top coat layer and a Co component bond coat layer. A large amount of Cr/Ni component that diffused from the base is also measured in the bond coat. The blade hot corrosion is concentrated on the surface of the concave part, accompanied by separation of the coating layer due to the concentration of combustion gas collisions here. In the top coating layer of the blade, cracks occur in the vertical and horizontal directions, along with pits in the top coating layer. Combustion gas components such as Na and S are contained inside the pits and cracks, so it is considered that the pits/cracks are caused by the corrosion of the combustion gases. Also, a thermally grown oxide (TGO) layer of several μm thick composed of Al oxide is observed between the top coat and the bond coat, and a similar inner TGO with a thickness of several μm is also observed between the bond coat and the matrix. A PFZ (precipitate free zone) deficient in γ' (Ni3Al) forms as a band around the TGO, in which the Al component is integrated. Although TGO can resist high temperature corrosion of the top coat, it should also be considered that if its shape is irregular and contains pore defects, it may degrade the blade high temperature creep properties. Compositional and microstructural analysis results for hightemperature corrosion and TGO defects in the blade coating layer used at high temperatures are expected to be applied to sound YSZ coating and blade design technology.

The wind turbine blades should be designed to possess a high stiffness and should be fabricated with a light and high strength material because they serve under extreme combination of lift and drag forces, converting kinetic energy of wind into shaft work. The goal of this study is to understand the basic knowledge required to curtail the process time consumed during the construction of small wind turbine blades using carbon fiber reinforced polymer (CFRP) prepeg composites. The configuration of turbine rotor was determined using the QBlade freeware program. The fluid dynamics module simulated the loads exerted by the wind of a specific speed, and the stress analysis module predicted the distributions of equivalent von Mises stress for representing the blade structures. It was suggested to modify the shape of test specimen from ASTM D638 to decrease the variance in measured tensile strengths. Then, a series of experiments were performed to confirm that the bladder compression molded CFRP prepreg can provide sufficient strength to small wind turbine blades and decrease the cure time simultaneously.

An icing phenomenon of wind turbine blade are caused by wind speed, air temperature, liquid water content, droplet size, and so on. In this study, the analyses were carried out at a liquid water content of 0.20g/㎥, droplet size of 25 um, wind speed of 11.4m/s and air temperatures of -15, -10, -5℃ using NREL 5MW wind turbine. The software uses FENSAP-ICE's CFD Flow Solver, Drop 3D and ICE 3D. The analysis of icing shape and mass with temperatures according to air foil was derived, and the required heat quantity for de-icing was calculated at NACA 64618 airfoil for air temperature of -15℃. Power curves with wind velocities are suggested for economical analysis.

One of the important advantages of Thermosonics is that it can be applied to complex structures such as a turbine blade as a convenient and quick screening test method. For a reliable thermosonic test, the vibrational characteristics of the system comprising the tested structure and the clamp at ultrasonic frequency range should be identified. Therefore, this study presented the analysis results of frequency response functions and mode shapes of the turbine blade and clamp system and investigate the possibility of the reliable excitation system for the thermosonic test.

Turbo charger는 배기가스로 구동되는 엔진의 과급기로서 엔진의 효율을 높이는 장치로 많이 사용되고 있다. 특히 대형 선박엔진의 고효율은 연료비의 절감이과 엔진의 출력을 높여 운항시간의 단축 효과를 가져 올 수 있어 매우 많이 사용되고 있다. 이 장치의 내부에는 터빈 블레이드가 로터에 장착되어 고속으로 회전되어 배기가스의 흡입과 배출을 원활이 하도록 하는데, 터빈블레이드가 정밀하게 생산되어야 회전 시 backlash를 줄여 진동 소 음의 발생을 작게 한다. 수십 개의 각 터빈의 형상과 무게가 균일해야 balancing을 맞출 수 있게 된다. 종래의 터빈 블레이드는 주조로 생산된 블레이드 형체의 금속을 정밀가공 하였으나 주물강의 인장강도와 피로강도가 높지 않아 장기간 사용 시에 파손되거나 조립부의 마멸 때문에 진동 소음 발생의 우려가 있었다. 본 연구에서는 인장강도와 피로강도가 높은 단조 강을 사용하여 터빈블레이드를 정밀 생산하여 소재의 기계적 특성을 향상시켜 소음 진동의 발생을 억제하고 이를 밸런싱 테스트 하여 구조적으로 안정적인 터빈블레이드의 개발에 관한 것이 연구목적이다. 터빈블레이드는 dovetail 역할을 하는 블레이드의 root 부와 날개부분의 airfoil 부분으로 나누어 개발한다. Root 부위의 2개 평행면의 중심면, root와 airfoil 경계면, 블레이드의 수직 평행면의 3면의 교차점을 블레이드의 원점 으로 정한다. 블레이드의 root 부분은 곡선의 형태를 수평 이동하여 연결한 ruled surface로 형성되어 있으므로, wire EDM으로 형상을 따내고 이를 creep-feed 연삭으로 정밀 가공하여 곡면의 표면을 생성한다. 이 부분의 가공 을 위해 형상에 맞는 roll dresser와 jig의 개발이 필요하다. 이 root가 rotor의 축에 결합되므로 선의 윤곽도 공차 가 엄밀해야 한다. Airfoil 부위는 자유곡면으로 형성되어 5축 공작기계에 의해 정밀가공을 한다. 이때에 블레이드의 형상공차를 맞추어야 하며 airfoil의 표면거칠기 정밀도뿐만 표면의 면윤곽도 공차를 범위 내에 맞추도록 한다. 블레이드 모 서리 부분의 leading edge 와 trailing edge의 곡률의 윤곽정밀도를 향상시켜 곡률반경 0.47~0.67에 속하도록 하며 선윤곽도 공차를 관리한다. 형상이 완성되면 shot peening 방법으로 재료표면의 경도와 소재의 피로강도, 인장강도를 높이는데 5 bar의 압 력으로 강구를 표면으로부터 10mm 거리에서 발산시켜 강화한다. 정밀가공 후 밸런싱 머신에 회전 벨런싱을 테스트 하여 정밀도를 검증한다. 본 연구는 터빈블레이드의 정밀생산에 관하여 발표하며 root는 고속회전 시 backlash를 줄이도록 특히 선의 윤곽정 밀도가 0.025 이내에 오도록 생산하였고 밸런싱 값이 485gmm으로 정밀 생산되었음을 입증하였다.

본 연구에서는 풍력터빈 블레이드에 대한 전산유체해석(CFD)을 수행하였다. 이를 위해서 National Renewable Energy Laboratory(NREL)에서 수행하였으며, 다양한 실험 및 해석결과가 공개된 실물크기 풍력터빈 블레이드인 NREL Phase VI를 해석대상으로 하였다. 상업용 범용 전산유체해석코드인 ANSYS-CFX와 파라매트릭 3D CAD 모델을 이용하여 해석을 수행하였으며, 실험결과와 비교하여 연구결과의 타당성을 검토하였다. 다양한 난류모델에 대한 비교연구를 통하여 Shear Stress Transport(SST) k − ω 난류모델의 정확성을 검증하였으며, 유동의 비정상상태를 최소화하기 위해서 0-각도 요(yaw)각을 고려하였다. NREL Phse VI 풍력터빈 블레이드는 2개의 날개를 가졌으며, 비선형 비틀림각과 선형 테이퍼가 고려되었다. 풍력터빈 블레이드가 주축에 대해서 회전하기 때문에 상대속도는 스팬에 대해서 비선형의 관계를 가진다. 따라서 받음각(angle of attack)을 최소화하기 위해서 비선형 비틀림각이 고려되었다. 해석결과의 3차원 풍력특성을 분석하기 위해서, 각 단면의 압력계수 및 이를 적분하여 풍력계수(수직, 접선, 추력, 회전력)를 계산하였다. 풍력터빈 블레이드의 회전속도는 72 RPM으로 고정한 상태에서 다양한 풍속(5m/s, 7m/s, 10m/s, 13m/s, 15m/s, 20m/s, 25m/s) 상태를 해석하였다. 해석결과와 풍동실험결과는 모든 풍속에 대해서 근사한 수치를 나타냈으며, 높은 풍속에서의 풍하면 박리현상에 대한 정확한 유동특성을 해석할 수 있었다.