Abstract
High pressure components of a gas turbine engine are generally made of nickel-base superalloys, using precision casting process due to complicated geometries with intricate channels and cooling holes. Turbine components manufactured from directionally solidified and single crystal materials have columnar grains; however, it is found that the crystals do not grow in its preferred direction, although the orientation can be controlled. This anisotropy can lead to the variations of elastic and Hill's parameters in constitutive equations, and they alter stress distributions and the low cycle fatigue life. We aims to evaluate the effects of perturbed crystal orientations on the structural integrity of a directionally solidified nozzle using low cycle fatigue life. We also attempt to show the necessity for the control of allowed manufacturing errors and stochastic analysis. Our approaches included conjugate heat transfer and structural analysis, along with low cycle fatigue life assessment.
가스터빈엔진의 고온 부품은 초내열 합금 재료를 이용하며, 냉각설계 적용으로 형상이 복잡하여 정밀 주조 과정을 거치게 된다. 터빈 부품에 주로 적용이 되는 일방향 응고 및 단결정 재료는 제조 과정에서 결정립 성장 방향이 설계와 다르게 섭동을 가지게 되며, 이는 각 방향에 대한 재료 상수의 섭동을 유발하여 응력 분포의 변화와 함께 피로 수명에 큰 산포를 야기하게 된다. 본 연구에서는 일방향 응고 재료 노즐에 대하여 결정립 성장 방향의 섭동에 대한 구조 건전성의 영향을 저주기 피로 수명을 통해 확인하여, 향후 제작 허용값에 대한 제안 및 좀 더 정교한 통계적 접근이 필요함을 확인하고자 한다. 이를 위해 복합 열전달 해석을 통해 금속 온도 분포를 계산하고 이를 근거로 구조 해석 및 저주기 피로 수명을 계산하였다.
