Modern manufacturing industries is to produce both precise and robust mechanical parts without failure while they are in service. In order to prevent a part failure for its lifetime, a mechanical design for a part should be examined on a basis of mechanical simulation. A nozzle plate, being a key part in steam engines, changes flow directions of steam in a turbine used in power plant. This paper is to the design and test for part safety and durability. Currently, nozzle plates are fabricated by welding nozzles to their plates. Welding causes some defects on the used materials while they are being manufactured. Another major defect is un-even pitches between welded nozzles. Welding causes phase changes because of high melting temperature of metal. This leads to decay on the welding spots, which weakens their structural strength and then, may lead to early damages on mechanical structures. This research proposes assembly-typed nozzle plate without welding. From the beginning, nozzle and plate are designed for insertion-typed assembly. Nozzle head and foot are designed in accordance with the grooves on outer ring and inner ring of a plate to make mating surfaces. Then the nozzle plate should be proved for structural and fatigue safety before they are put in manufacturing. This research adopts commercial softwares for modeling and mechanical simulation. The test result shows that the design with smaller mating area and deeper insertion produces higher safety in terms of structure and durability. From the conclusion, this paper proposes the assembly-typed nozzle plate to replace the welding typed.

대형선박의 발전에 사용되는 증기터빈에는 핵심부품으로서 노즐플레이트가 활용되는데 정밀 산업 이 발전한 요즘에도 오래 전의 설계와 생산방식을 답습하고 있다. 노즐플레이트는 많은 터빈 블레이드와 이너링, 아우터링으로 구성되어 있고 이들을 서로 용접하여 제작한다. 용접 시에 블레이드의 뒤틀림 등으로 인하여 그 용접위치에 약간의 변위가 발생하여 각 블레이드 간의 pitch가 불균일하여지고 이로 인해 플레이트의 성능 저하가 우려된다. 이러한 점을 개선하기 위해 용접식 보다는 pitch의 등간격을 유지시키는데 유리한 조립식 설계로 전환하는 것이 필요하다. 이는 설계 변경을 해야 하며 또한 새로운 설계 시에 그에 대한 응력을 기초로 하는 구조해석과 장시간 사용되었을 경우에 대비하여 내구성 시험이 수반되어야 한다. 본 연구는 터빈 블레이드의 구조 설계를 조립식으로 변경하고 이의 결합성을 검토한 후 사이버 공간상에서 안전성 검증을 통하여 실용 가능성을 입증하고자 한다.

노즐 플레이트는 발전 설비의 증기 터빈에 장착되는 핵심 장비로서 터빈 내부의 blade는 고정익으로 서 터빈에 유입되는 수증기의 유입속도와 방향을 조절하여 회전익에 전달해 주는 역할을 한다. 이 노즐 플레이트에는 많은 블레이드들이 inner ring 및 outer ring에 용접 방식으로 제작되어 활용되고 있으나, 용접시의 열변형, 노즐 블레이드 피치간의 불균일에 의한 제품불량 등이 문제가 되고 있다. 더욱이 용접공정 및 후공정으로 인한 제작 기간이 증가하여 원가 상승의 요인이 되는 문제가 있다. 본 연구는 용접식 노즐 플레이트를 조립식으로 설계 변경하여 구조를 개선하고 이의 적용성을 점검하고자 한다. 적용 가능성을 확인하기 위한 방법으로서 노즐 플레이트의 응력해석으로 구조안정성을 점검하고 또한 플레이트의 성능을 테스트하는 장치가 필요하다. 노즐 플레이트의 공기 출구의 속도 노즐단의 엔탈피 효율 등을 측정하기 위한 장치는 공기 흡입구와 여과기, test section 등으로 구성하여 설계한다.