KR100228024B1 - Overhaul method of large scale rotor system using strain gauge - Google Patents
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Abstract
본 발명은 커플링이 체결된 상태에서의 회전체 축정렬이 가능하도록 하고, 회전체 축정렬에 있어서 연속적인 측정이 가능하고, 모러터링을 통한 지속적인 감시가 가능한 시스템을 구축하여 보다 최적화된 정비를 할 수 있도록 스트레인 게이지를 이용한 대형 회전체의 정비방법에 관한 것으로서, 발전설비에서 구동력 발생 수단과 다 단으로 커플링결합된 회전체의 축 변형량을 검출하여 조정 정비함에 있어서, 회전체의 각 커플링부에 스트레인 게이지를 부착하여 하기 ①식에 의해 상기 굽힘 모멘트에 의한 각 커플링부의 정량적인 스트레인을 검출하는 단계; 스트레인 값과 굽힘 모멘트와의 비례관계를 이용하여 하기 ②식에 의해 회전체의 굽힘 모멘트 값을 검출하는 단계; 상기 굽힘 모멘트 값으로 하기 ③식에 의해 베어링의 이송량을 검출하는 단계를 포함하는 스트레인 게이지를 이용한 대형회전체의 정비방법.The present invention provides a more optimized maintenance by establishing a system capable of aligning the rotating shaft in the state in which the coupling is fastened, enabling continuous measurement in the rotating shaft axial alignment, and the continuous monitoring through the mortar. The present invention relates to a maintenance method of a large rotating body using a strain gauge, and to detect and adjust the amount of shaft deformation of a rotating body coupled to a driving force generating means in multiple stages in a power generation facility. Attaching a strain gauge to the step of detecting the quantitative strain of each coupling part due to the bending moment by the following equation; Detecting the bending moment value of the rotating body by the following equation using a proportional relationship between the strain value and the bending moment; The bending moment value maintenance method of a large rotating body using a strain gauge comprising the step of detecting the feed amount of the bearing by the following formula (3).
여기서, M: 회전체 축의 굽힘 모멘트, E: Young's ModulusWhere M: bending moment of the rotor axis, E: Young's Modulus
R: 회전체 축의 반경, f: 응력집중계수: 축방향 스트레인,R: radius of the rotor shaft, f: stress concentration coefficient : Axial strain,
여기서, L : 커플링 중심으로부터 각 게이지까지의 거리Where L is the distance from the center of the coupling to each gauge
R : 스트레인 게이지가 부착된 회전축의 반경R: Radius of rotating shaft with strain gauge
: 스트레인 게이지에서 측정된 스트레인 값 : Strain value measured in strain gage
f : 스트레인 게이지가 부착된 회전축의 응력집중계수f: stress concentration coefficient of rotating shaft with strain gage
: 위상각 Phase angle
여기서, M : 측정된 굽힘 모멘트, K : 회전체에 작용하는 강성 매트릭스, U : 베어링의 조정량Where M is the measured bending moment, K is the rigid matrix acting on the rotating body, and U is the adjustment amount of the bearing.
Description
본 발명은 대형회전체의 정비방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 커플링이 체결된 상태에서의 회전체 축정렬이 가능하도록 하고, 회전체 축정렬에 있어서 연속적인 측정이 가능하고, 모니터링을 통한 지속적인 감시가 가능한 시스템을 구축하여 보다 최적화된 정비를 할 수 있도록 스트레인 게이지를 이용한 대형 회전체의 정비방법에 관한 것이다.The present invention relates to a maintenance method of a large rotating body, and more particularly, it is possible to align the rotating shaft in the state in which the coupling is fastened, continuous measurement in the rotating shaft alignment is possible, and through monitoring The present invention relates to a method of maintaining a large rotating body using a strain gauge so that a system that can be continuously monitored can be built for more optimized maintenance.
원자력, 수력, 화력 등의 발전소에는 다종, 다양한 대형 회전체가 운전되고 있으며, 대표적인 대형 회전체의 하나로서 발전기의 구동원인 터빈은 샤프트, 블레이드, 커플링, 베어링 등 복잡한 구조로 되어 있다. 현재 발전용 터빈은 국내 기업의 독자적인 기술력으로 설계제작이 어려운 실정이며, 국내에서 운전되고 있는 발전용 터빈은 외국에서 제작된 것으로 터빈의 유지, 정비에 여러 가지 지원이 어려운 형편이다. 따라서 발전소 대형 회전체의 정비를 정기적이고, 지속적으로 행하는 것이 설비의 안정성과 신뢰성을 확보하는 지름길이라 할 수 있다.Numerous and various large rotors are operated in power plants such as nuclear power, hydropower, and thermal power, and as one of the representative large rotors, a turbine, which is a driving source of a generator, has a complex structure such as a shaft, a blade, a coupling, and a bearing. Currently, power generation turbines are difficult to design and manufacture due to the unique technology of domestic companies, and power generation turbines operated in Korea are manufactured in foreign countries, and various support for maintenance and maintenance of turbines is difficult. Therefore, regular and continuous maintenance of a large rotating body of a power plant can be said to be a shortcut for securing the stability and reliability of the facility.
대형 회전체는 자체 하중이 큰 축이 고온, 고압상태에서 회전함으로서 일정 기간이 경과하면 축과 축 사이의 옵셋, 앵글, 컴비네이션 등에 의한 미스얼라인먼트가 발생하게 된다. 이와 같은 미스얼라인먼트 현상이 발생되면 발전설비의 소음과 진동원으로 작용할 뿐만 아니라, 대형 회전체의 가장 취약부라 할 수 있는 커플링부에 응력집중이 초래되어 기기의 수명을 단축시키고 최악의 경우 회전중 파손을 초래할 수 있다.In a large rotor, a shaft with a large load is rotated at a high temperature and a high pressure, and after a certain period of time, misalignment due to offset, angle, and combination between the shaft and the shaft occurs. This misalignment not only acts as a noise and vibration source of power generation facilities, but also causes stress concentration on the coupling part, which is the weakest part of a large rotating body, which shortens the life of the device and, in the worst case, breaks during rotation. May result.
현재 축정렬은 단지 다이얼 게이지 등을 이용한 수작업으로 이루어지기 때문에 최적 상태의 축정렬이 불가능하고, 운전 중 회전체의 운전상태를 진동 이외에는 계측할 수 없는 실정이다. 대형 회전체의 금속 피로 현상을 예방하기 위해서는 취약부라 할 수 있는 커플링부의 벤딩 모멘트를 "0" 상태로 유지시켜야 하는데 다이얼 게이지 등을 이용하는 기존의 방법으로는 정량적인 벤딩 모멘트를 계측할 수 없기 때문에 운전 중 발생되는 모멘트에 의해서 금속의 피로현상이 유발될 수 있으며 설비의 노후화를 초래하게 된다. 또한, 축정렬에 소요되는 시간이 길게 되어 정비업무에 있어 인력과 시간의 낭비요인이 있으며 발전설비 운용에 있어 비효율적인 면이 있다.Currently, shaft alignment is only possible by manual operation using a dial gauge, and thus, shaft alignment in an optimal state is impossible, and the operating state of the rotating body during operation cannot be measured except vibration. In order to prevent metal fatigue of large rotors, the bending moment of the coupling part, which is called a weak part, should be kept at "0". However, the conventional method using a dial gauge cannot measure the quantitative bending moment. The moment generated during operation may cause metal fatigue and lead to aging of the equipment. In addition, the time required for the shaft alignment is long, there is a waste of manpower and time in the maintenance work, and there is an inefficient aspect in the operation of the power generation equipment.
이를 근거로 다이얼 게이지에 의한 축정렬 방법은 커플링 분해과정과 재조립 과정으로 나눌 수 있으며, 이들 과정을 세부적으로 살펴보면 다음과 같다.Based on this, the axis alignment method by dial gauge can be divided into the coupling disassembly process and the reassembly process.
커플링 분해과정은 운전하고 있는 회전체를 정지시킨 후, 운전중 부착된 최적물, 이물질, 페이트 등을 제거하고, 평균적으로 화력 발전설비는 7일, 원자력 발전설비는 3일 정도 터닝 냉각을 하게 된다. 커플링을 분리시키기 전 런아웃 측정과 베어링의 위치 측정을 행한후, 커플링 볼트를 분리하고 축정렬 상태(Rim & Face)를 점검한다. 이를 기반으로 상하, 좌우의 직각도 및 평행도를 계산하게 되며, 분해 전과 후의 상태변화는 단지 결과 값에만 의존할 뿐 작업진행 과정에서 이루어지는 제반변화 상태는 전혀 알 수 없으며, 이상의 작업에 총 2∼8일 정도가 소요된다.The coupling disassembly process stops the rotating body, and removes the optimum materials, foreign substances, and pate attached during operation.On average, the thermal power plant is cooled for 7 days and the nuclear power plant is cooled for 3 days. do. After measuring the runout and bearing position before disconnecting the coupling, remove the coupling bolt and check the Rim & Face. Based on this, the vertical and horizontal angles and parallelisms are calculated, and the state change before and after disassembly depends only on the result value, and the state of all changes in the process of work is not known at all. It takes about a day.
커플링 재조립 과정은 다이얼 게이지를 이용하여 축정렬을 완료한 후, 각 커플링을 서로 일치시켜 가조립을 하고, 1차적으로 상태를 확인하기 위해 1차 볼트 체결을 실시한다. 다시 런아웃 측정을 행한후 최종적으로 볼트체결에 들어가며, 이상과 같은 과정을 거친 후 중심이탈 및 공진이탈과 같은 최종상태를 점검한다. 이상과 같은 재조립 시에도 최종 축정렬 상태에서 커플링을 체결하여 조립하므로 커플링 체결전의 최종형태만 알 수 있으므로 체결작업 진행과정에서 어떠한 변화가 일어났는지 전혀 알 수 없다.In the coupling reassembly process, after axial alignment is completed by using a dial gauge, each coupling is temporarily assembled to match each other, and the first bolt is fastened to check the condition. Run-out measurement is performed again, and finally the bolt is fastened. After the above process, the final state such as center deviation and resonance departure is checked. Even during the reassembly as described above, since the coupling is assembled in the final shaft alignment state, only the final shape before coupling is known, so there is no knowledge of any change in the progress of the fastening operation.
베어링을 수정하여 면(Face)을 최적치로 조정하기 위한 값을 H라 하면The value to adjust the bearing to the optimum value of face is H.
커플링에서 가까운 베어링이 기준일 경우 주(Rim)의 변화량을 C라 하면If the bearing close to the coupling is the reference, the change amount of Ri is C.
커플링에서 먼 베어링이 기준일 경우 주(Rim)의 변화량을 CD라 하면,If the bearing that is far from the coupling is the reference, then the amount of change in Rim is C D ,
여기서,here,
L1 : 기준 커플링에서 가까운 베어링까지의 거리L1: Distance from the reference coupling to the nearest bearing
L2 : 기준 커플링에서 먼 베어링까지의 거리L2: Distance from reference coupling to distant bearing
F : 기준 커플링에 대한 면과 면 사이의 오차(Angle)F: Angle between faces for reference coupling
D : 회전체 축의 지름D: diameter of rotating shaft
R : 커플링의 주 편리(offset)R is the main offset of the coupling
식(1)∼(3)을 이용하여 H, C, CD를 구하고, 이 값들을 이용하여 다음식들에서 베어링의 휨 조정량을 구한다.H, C, and C D are obtained using equations (1) to (3), and the deflection adjustment amounts of the bearings are obtained from the following equations using these values.
기준 커플링에서 가까운 베어링의 쉼 조정량을 구하는 식들은The equation for calculating the shim adjustment of the bearing close to the reference coupling is
이며, 기준 커플링에서 먼 베어링의 쉼 조정량을 구하는 식들To obtain the shim adjustment of the bearing far from the reference coupling
이다. 주로 식 (6)과 식 (10)을 주로 이용하며, 다른 식들은 대부분 비교하기 위해 쓰이는 경우가 많다. 첨부도면의 제2도는 회전체 시뮬레이터의 개략도로서 F와 R을 표시하였으며, L1과 L2는 기준 커플링이 변경되면 따라서 변하게 된다.to be. Equations (6) and (10) are mainly used, and most of the other equations are often used for comparison. 2 of the accompanying drawings shows F and R as schematic diagrams of the rotor simulator, and L1 and L2 change accordingly when the reference coupling is changed.
이상과 같은 계산식을 이용하여 회전체의 축정렬을 하고 있으나, 두 축이 커플링으로 연결되어 한 축으로 구성된 것과 같이 운전되면서 베어링에 변화가 생기고 실제 변화를 알려면 분해 후 계측기에 의한 측정결과에 의지하지 않고는 정비에 필요한 값을 거의 취득할 수 없는 실정이다. 즉, 최종 분해상태에서만 결과 값을 얻으나 아무런 중간 과정 없이 원인을 찾는 것은 경험적인 바탕에서 시작할 뿐이다. 이에 대한 정비 방법 개선이 시급히 마련되어야 하였다.Although the shaft is aligned by using the above calculation formula, the two shafts are connected by coupling and operated as one axis. Without resorting to the situation, it is almost impossible to obtain the necessary values for maintenance. In other words, the result is obtained only in the final decomposition state, but finding the cause without any intermediate process starts with the empirical ground. Improvement of maintenance method had to be urgently prepared.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 제반문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서 그 목적은 커플링이 체결된 상태에서의 회전체 축정렬이 가능하도록 하고, 회전체 축정렬에 있어서 연속적인 측정이 가능하고, 모니터링을 통한 지속적인 감시가 가능한 시스템을 구축하여 보다 최적화된 정비를 할 수 있도록 스트레인 게이지를 이용한 대형 회전체의 정비방법을 제공함에 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, the object of which is to enable the alignment of the rotating shaft in the state of coupling coupling, the continuous measurement in the rotating shaft alignment, It is to provide the maintenance method of large rotating body using strain gauge to build a system that enables continuous monitoring through monitoring for more optimized maintenance.
상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명은, 발전설비에서 구동력 발생수단과 다 단으로 커플링결합된 회전체의 축 변형량을 검출하여 조정 정비함에 있어서, 회전체의 각 커플링부에 스트레인 게이지를 부착하여 하기 ①식에 의해 상기 굽힘 모멘트에 의한 각 커플링부의 정량적인 스트레인을 검출하는 단계, 스트레인 값과 굽힘 모멘트와의 비례관계를 이용하여 하기 ②식에 의해 회전체의 굽힘 모멘트 값을 검출하는 단계; 상기 굽힐 모멘트 값으로 하기 ③식에 의해 베어링의 이송량을 검출하는 단계를 포함하는 특징을 갖는다.In order to achieve the above object, the present invention, in detecting and adjusting the shaft deformation amount of the rotating body coupled to the driving force generating means in a multi-stage in the power generation equipment, a strain gauge is attached to each coupling portion of the rotating body Detecting the quantitative strain of each coupling part by the bending moment by the following equation, and detecting the bending moment value of the rotating body by the following equation by using the proportional relationship between the strain value and the bending moment. ; The bending moment value is characterized by including the step of detecting the conveying amount of the bearing by the following equation.
여기서,here,
M : 회전체 축의 굽힘 모멘트, E : Young's ModulusM: bending moment of the rotor shaft, E: Young's Modulus
R : 회전체 축의 반경, f : 응력집중계수: 축방향 스트레인,R: radius of rotor shaft, f: stress concentration coefficient : Axial strain,
여기서,here,
M : 커플링 중심으로부터 각 게이지까지의 거리M: Distance from the center of coupling to each gauge
R : 스트레인 게이지가 부착된 회전축의 반경R: Radius of rotating shaft with strain gauge
: 스트레인 게이지에서 측정된 스트레인 값 : Strain value measured by strain gauge
f : 스트레인 게이지가 부착된 회전축의 응력집중계수f: stress concentration coefficient of rotating shaft with strain gage
: 위상각 Phase angle
여기서, M : 측정된 굽힘 모멘트, K : 회전체에 작용하는 강성 매트릭스,Where M is the measured bending moment, K is the rigid matrix acting on the rotating body,
U : 베어링의 조정량U: adjustment amount of bearing
제1도는 다이얼 게이지에 의한 회전체 시뮬레이터의 개략도.1 is a schematic diagram of a rotor simulator with a dial gauge.
제2도는 본 발명이 적용되는 스트레인 게이지의 구조를 도시한 개략도.2 is a schematic diagram showing the structure of a strain gauge to which the present invention is applied.
제3도는 본 발명에 따른 스트레인 게이지를 부착한 상태의 회전체의 개략적인 정면도 및 측면도.3 is a schematic front and side views of a rotating body with a strain gauge according to the present invention attached.
제4도는 회전체의 위상각에 따른 스트레인의 분포를 나타낸 그래프.4 is a graph showing the distribution of strain according to the phase angle of the rotating body.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
10 : 스트레인 게이지 12 : 게이지 베이스10: strain gauge 12: gauge base
14 : 수감저항체 16 : 리드선14: water resistant resistor 16: lead wire
20 : 피측정물체 30 : 회전체20: Object to be measured 30: Rotating body
32 : 커플링32: coupling
이하, 본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated in detail based on attached drawing.
스트레인 게이지(10)의 일반적인 구조는 제2도에 도시된 바와 같이 전기절연물의 게이지 베이스(12)와 그 베이스(12) 위에 접착제로 고정시킨 가느다란 수감 저항체(14), 그리고 수감저항체(14)에 용접 또는 납땜되어 있는 수감저항체(14)보다 약간 굵고 전도성이 좋은 게이지 리드선(16)으로 구성되어 있다. 상기 게이지 베이스(12)는 수감저항체(14)에 대한 절연 기능을 담당하고 수감저항체(14)는 물체의 변형을 감지하는 소자이며, 게이지 리드선(16)은 수감저항체(14)와 측정 계기를 연결해 주는 금속선이다.The general structure of the
피측정물체(20)의 표면에 스트레인 게이지(10)를 부착시킨 후, 물체에서 발생하는 스트레인은 스트레인 게이지 베이스(12)를 경유하여 수감저항체(14)에 전달된다.After attaching the
수감저항체(14)는 이에 따라 전기장의 변화가 일어남에 따라 전기저항 값의 변화를 가져오게 된다. 따라서, 시험편 또는 구조물이 스트레스를 받게 되면 이것에 접착된 수감저항체(14)도 같은 스트레인이 생겨서 저항값의 변화를 가져오게 된다. 따라서 스트레인과 저항변화 사이에는 일정한 관계가 있으며 이 저항값의 변화에서 스트레인의 값을 알아낼 수 있다.Accordingly, the water
발전설비의 회전체에서 가장 취약한 부분에 가장 큰 응력이 나타나게 된다. 즉, 커플링과 이를 고정하여 일체화하기 위한 커플링 볼트가 가장 취약한 부분이라 할 수 있다. 따라서 커플링의 각 편차를 나타내고, 베어링의 위치를 조정하는 방법이 본 발명의 핵심사항이다.The greatest stress appears in the weakest part of the rotor of the power plant. That is, the coupling bolt and the coupling bolt for fixing and integrating it may be said to be the weakest part. Therefore, the method of adjusting the position of the bearing and indicating the angular deviation of the coupling is a key point of the present invention.
제2도에서 회전체(30)에는 자중에 의해 굽힘 모멘트가 작용하는데 상기에서 기술한 스트레인 게이지(10)를 회전체(30)의 취약부인 커플링(32) 부근에 부착하였을 때, 굽힘 모멘트가 작용하므로써 얻어진 스트레인 값은 회전체(30)의 굽힘 모멘트와 비례관계에 있다는 사실을 근거로 하기 식에 의해 굽힘 모멘트 값을 구한다.In FIG. 2, a bending moment is applied to the
여기서,here,
M : 회전체 축의 굽힘 모멘트, E : Young's ModulusM: bending moment of the rotor shaft, E: Young's Modulus
R : 회전체 축의 반경, f : 응력집중계수: 축방향 스트레인,R: radius of rotor shaft, f: stress concentration coefficient : Axial strain,
제2도에 도시된 바와 같이 커플링(32) 중심으로부터 각 게이지(10)까지의 거리를 L, 스트레인 게이지(10)가 부착된 회전축(30)의 반경을 R, 스트레인 게이지 (10)에서 측정된 스트레인 값을 f, 스트레인 게이지(10)가 부착된 회전축(의 응력 집중계수를 f, 위상각을라 하였을 때, 굽힘 모멘트는 다음과 같이 얻을 수 있다.As shown in FIG. 2, the distance from the center of the
상기의 식에서 구해진 굽힘 모멘트와 하기식에 의한 회전체의 강성 매트릭스를 이용하여 각 베어링부의 조정간을 결정함으로써, 인력과 시간의 손실을 크게 줄일 수 있다.By deciding between adjustment of each bearing part using the bending moment obtained from the above equation and the stiffness matrix of the rotating body by the following equation, the loss of manpower and time can be greatly reduced.
여기서,here,
M : 측정된 굽힘 모멘트, K : 회전체에 작용하는 강성 모멘트,M: measured bending moment, K: rigid moment acting on the rotating body,
U : 베어링의 조정량U: adjustment amount of bearing
상기 강성 매트릭스는 하기의 식에서 구할 수 있다.The rigid matrix can be obtained from the following equation.
여기서,here,
X : 어떤 탄성구조물상의 점(절점)들에 대해 작용하는 힘의 열 매트릭스.X is a thermal matrix of forces acting on points on some elastic structure.
u : 각 점에 대응하는 변위의 열 매트릭스u: thermal matrix of displacements corresponding to each point
K : 강성 매트릭스K: rigid matrix
따라서 본 발명은 고정도 계측이 가능한 스트레인 게이지를 회전체에 적용하므로써 회전체의 변위량, 굽힘 모멘트, 베어링 이송량의 역학적인 관계를 이용하여 회전체의 정비를 신속하고 정량적으로 수행할 수 있기 때문에 회전체를 분해하지 않더라도 회전체를 지지하고 있는 베어링의 이송량을 결정하여 신속하고도 편리한 정비가 가능할 뿐 아니라 정비시간과 인력의 절감이 실현되어 효율적인 발전설비의 운영이 도모되는 매우 필수적인 발명인 것이다.Therefore, the present invention, by applying a strain gauge capable of high-precision measurement to the rotating body, it is possible to perform the maintenance of the rotating body quickly and quantitatively by using the dynamic relationship of the displacement amount, the bending moment, the bearing feed amount of the rotating body, the rotating body Even if it is not disassembled, it is a very essential invention to determine the feed amount of the bearing supporting the rotating body, which enables not only quick and convenient maintenance but also reduction of maintenance time and manpower, so that efficient power plant operation can be realized.
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