항공기 엔진 블레이드 냉각용 열교환기의 구조 특성에 관한 연구

Abstract

최근 세계적으로 연평균 항공기 이용량이 급격히 증가하면서 배기가스에 의한 환경오염 문제에 대한 관심도 증가하고 있다. 이에 따라 배기가스 배출에 대한 규제가 심해지면서 고효율 친환경 항공기 엔진의 개발에 대한 중요성이 대두되고 있다. 연소온도를 높여 연료소비율을 줄이게 되면 배기가스의 배출이 줄어들지만 터빈 블레이드의 온도가 증가하여 터빈 블레이드의 수명이 단축된다. 터빈 블레이드의 온도를 낮추기 위한 방법 중 하나는 항공기 엔진에 열교환기를 장착하는 것이다. 열교환기는 고효율 항공기 엔진에서 핵심적인 역할을 하는 기기로 터빈 시스템을 냉각시키는 주된 부품이다. 항공기용 열교환기의 개발은 높은 기술력을 필요로 한다. 열교환기는 항공기 엔진의 고온·고압 그리고 강한 진동이 발생하는 가혹한 작동환경에서 구조적으로 안정되어야 하며, 소형화·경량화 설계를 하는 것도 중요하다. 이러한 조건을 만족하는 형태의 열교환기는 미세튜브 열교환기이다. 미세튜브 열교환기는 열효율이 높으며 강성이 크다는 장점이 있지만 항공기의 작동환경에서 견딜 수 있는 적절한 형상과 소재를 찾는 것이 어렵기 때문에 항공기용 열교환기의 개발은 아직 진행 중에 있다. 본 논문에서는 Inconel 625를 소재로 하는 Cooled Cooling Air(CCA) 열교환기에 대해 소개하고, 유한요소해석과 열-성능시험 및 진동시험을 통해 열교환기의 구조 특성을 평가하였다. 전체 구조에 대한 평가는 먼저 유한요소해석을 진행하고 그 결과를 열-성능시험의 결과와 비교하여 유한요소해석에 적용한 온도 경계조건의 타당성을 검증하는 방식으로 진행하였다. 튜브에 대한 평가는 열교환 면적을 넓히기 위해 튜브의 직경이 작아지면서 진동에 의한 피로파괴가 튜브의 파손에 주된 원인이 되므로 진동시험을 통해 튜브의 진동 특성을 평가하였다. 또한 튜브가 튜브시트에 브레이징 되었을 때, 재질에 따른 브레이징 접합부의 구조 특성을 평가하였다. 구조 건전성 평가는 니켈 기반의 합금 제조사인 Special Metals에서 제공하는 온도에 따른 Inconel 625의 104 cycles에서의 피로강도와 비교하여 평가하였다.

|The yearly growth of the aviation industry had lead to the escalation of concerns about environmental effects such as pollution emission. Thus, as the environmental penalties of air traffic are more urgent, more efficient and environmental-friendly gas turbine must be developed. One of the methods for reducing gas emission is to increase the combustion temperature which unfortunately increases the turbine blade temperature and this results in shortening the life of gas turbine engine. This problem is solved by installing a heat exchanger on the engine. The heat exchanger is considered as the main component in a high-efficiency system which can cool down the turbine blade. The heat exchanger to be installed on the aero engine must have the following characteristics: such as high technical skill, high stiffness body, light-weightness, small volume, and high efficiency. A tubular-type heat exchanger satisfies these required qualifications. It has a large heat transfer surface area per unit volume and a good thermal efficiency and rigidity; however since the aero engine is operated under the conditions of high temperature and high pressure, the heat exchanger must be stable and reliable under these harsh conditions. Choosing an appropriate material and design method for such a heat exchanger are quiet difficult; thus the heat exchanger has yet to be installed on an aero engine and is still under development.

This study introduces a newly developed heat exchanger made of an Inconel 625 alloy. The Finite Element(FE) analysis and tests were conducted to evaluate the structural integrity of heat exchanger. To evaluate the structural integrity of overall geometry, the FE analysis was conducted and the results of the analysis were compared with the performance test results conducted under the flight operating conditions to verify the thermal loading conditions applied to the analysis. As the diameter of the tube becomes smaller to widen the heat transfer surface area, the fatigue failure due to the vibration was identified as the main cause of the tube failure. Therefore, the vibration characteristics of the tube were evaluated through the vibration test. Also the structural characteristics were evaluated for the brazed part of tube and tube sheet in terms of materials. The structural analysis results were evaluated by comparison with the fatigue strength of Inconel 625 at 104 cycles according to the temperature provided by the nickel-based alloy manufacturer Special Metals Corporation.