터빈 로터의 굽힘 교정 공정에 대한 다중물리해석

Abstract

터빈 로터는 고온 상태에서 고속으로 회전하기 때문에 굽힘이 발생하기 쉽다. 굽힘을 야기하는 가장 대표적인 원인은 러빙(Rubbing) 현상이며, 이는 회전체와 고정체 사이에 마찰열 및 진동의 발생을 의미한다. 회전체는 로터를 의미하며, 러빙 현상에 의해 큰 응력이 발생되어 영구 굽힘이 발생한다. 굽힘이 발생한 로터에 의해 발전기는 가동을 중지하게 되기 때문에, 로터를 곧게 펴는 곡직 공정이 필요하다. 몇 가지 곡직 공정 중 전자기 유도가열은 효율성과 정확성 측면에서 장점을 지닌다. 본 연구에서는 전자기 유도, 열전달 및 열탄소성 변형을 포함한 다중물리현상을 고려하여 로터의 곡직공정에 대한 유한요소 절차를 개발한다. 그런데 다중물리해석은 엄밀한 해석을 위해서 완전연동해석이 필요하나, 해석시간을 단축시키고 수렴성을 향상시키기 위하여 전자기, 열, 기계 해석을 순차적으로 연동해 해석을 수행한다. 이때, 다중물리현상의 연동 순서에 따른 차이를 비교 및 검증한다. 또한, 전자기 유도가열을 이용한 곡직 공정은 초기 잔류응력에 많은 영향을 받으며, 같은 굽힘 형상에서도 서로 다른 잔류응력이 발생할 수 있다. 본 연구에서는 러빙 현상에서 발생하는 열하중과 기계적 하중을 각각 분리시켜 대표적인 2가지 초기 잔류응력 상태를 구현한다. 이어서 초기 굽힘 및 잔류응력이 발생한 로터에 대한 곡직 작업을 수치해석으로 수행한다. 또한 최종적인 곡직 성능 향상을 위하여 기계적 하중을 이용한 곡직 작업에 대한 수치해석을 수행함으로서 로터에 발생하는 손상과 곡직작업에 필요한 하중의 크기를 예측한다.

|A bending phenomenon of a generator rotor may occur due to a high-speed rotation under high temperature and pressure conditions. The rotor bending is typically caused by a rubbing that leads to frictional heat and vibration between a rotating body and a fixed body. A high stress induced at the site of rubbing thus results in permanent bending of rotors. Therefore, the bent rotors should be straightened in an appropriate manner. Among several straightening methods, an electromagnetic induction heating is considered a promising tool in terms of efficiency and accuracy. This study is concerned with the development of a finite element procedure for multi-physics simulation that includes electromagnetic induction, heat transfer, as well as thermo-elasto-plastic deformation. Although multi-physics simulations require to simultaneously solve fully coupled equations in a strict sense, a sequential coupling strategy for electromagnetic, thermal, and mechanical equations is adopted to improve the efficiency and convergence of the rotor straightening simulations. The straightening process using electromagnetic induction heating is affected by the initial residual stresses of rotors. In this study, two initial models with different residual stresses and similar bent configurations are considered, which are generated by thermal and mechanical loads, respectively. By conducting a series of numerical simulations of straightening bent rotors, the effect of residual stresses is discussed. In addition, a mechanical load is introduced to achieve a desired performance of rotor straightening, and the resulting damage and the required mechanical load are predicted in the finite element framework.