KR100404345B1 - 샤프트상에장착된미지의윤곽을가진디스크부재를초음파테스트하기위한방법및장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디스크 부재(2)가 횡단면으로 볼 때 수축 시이트로부터 방사방향 외부로 가늘어지는 측면(4, 5)을 포함하는, 수축 시이트 영역(3) 및 인접한 수축 영향 구역에서 샤프트(1)상에 수축된 디스크 부재(2)를 초음파 테스트하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 디스크 부재(2)의 윤곽이 스캔됨으로써, 그것의 구조가 추론된다. 구조적 반사표면이 결정된다. 미리 주어진 테스트 기술에 따라 테스트 파라메터 및 테스트 위치가 디스크 부재 구조로부터 검출되고, 초음파 테스트 헤드(9, 10)가 검출된 테스트 파라메터에 의해 측면(4, 5)에 결합됨으로써, 검출된 테스트 경로를 따라 이동된다. 관련 장치는 고유의 테스트 과정 전에 디스크 부재(2)의 구조를 검출하는 구조 인식 유니트를 포함한다. 본 발명에 의해 터빈 휠 디스크의 구조를 테스트 전에 알 필요 없이 터빈-휠 디스크의 테스트가 짧은 시간에 이루어질 수 있다.

Description

샤프트상에 장착된 미지의 윤곽을 가진 디스크 부재를 초음파 테스트하기 위한 방법 및 장치{PROCESS AND DEVICE FOR THE ULTRASONIC EXAMINATION OF DISK ELEMENTS OF UNKNOWN CONTOURS SHRUNK ONTO SHAFTS}
응력 부식 균열은 예컨대, 저압 터빈의 회전자상의 휠 디스크와 같이 회전 부재가 동적 가력을 받을 경우, 점진적인 손상을 일으킬 수 있다. 따라서, 이러한 부품의 응력 부식 균열은 소정의 시간 간격으로 테스트되어야 한다. 축방향 또는 방사방향 핀에 의해 비틀리지 않도록 회전자상에 배치된 휠 디스크는 경제적인 이유 때문에 회전자를 분해하는 방식으로 테스트될 수 없다. 따라서, 수축 시이트(seat)의 영역 및 인접한 재료 영역에서, 특히 허브 내부표면의 영역 및 휠 디스크의 축방향 비틀림 방지 수단의 영역에서 초음파 테스트가 이루어진다. 그러나, 초음파 테스트 헤드를 사용한 초음파 테스트를 위해 휠 디스크의 구조는 접근할 수 없는 허부 내부 영역 및 비틀림 방지 수단 근처에서 극도로 복잡해진다. 게다가, 초음파 테스트의 재현 가능한 수행은 또다른 문제점에 부딪친다. 초음파 테스트 헤드의 커플링 표면으로서 휠 디스크의 측면만이 이용될 수 있다. 종종 휠디스크의 커플링면에 대한 접근 가능성은 인접한 휠 디스크에 의해 제한된다. 또다른 문제점은 구조에 기인한 반사기(예컨대, 비틀림 방지 수단)에 대한 음파 경로 길이와 허브 보어로부터 생긴 실제 균열에 대한 음파 경로 길이가 동일할 수 있다는 것이다.
이러한 어려움을 해결하기 위해, 유럽 특허 제 0 126 383 B1호에는 수축 시이트의 영역에서 샤프트상에 장착된 디스크 부재를 초음파 테스트하기 위한 방법, 및 상기 방법을 실시하기 위한 장치가 공지되어 있다. 상기 간행물에 따르면, 특수한 앵글 테스트 헤드(angled test head)가 측정 프로브와 함께 측면 부분에 매칭된 금속 형판 상에 테스트 헤드 홀딩 수단에 의해 배치된다. 이러한 특수한 앵글 테스트 헤드는 조작 암에 의해 관련 측면 부분의 윤곽으로부터 빠져나오거나 결합된다. 휠 디스크의 특정 부분 영역에 형판이 배치된다. 형판의 정확한 축방향 및 방사방향 위치 설정은 측정 프로브에 의해 제시된다. 달리 표현하면, 각각의 형판상에 특히 유도 측정 프로브로서 구현된 측정 프로브가 앵글 테스트 헤드의 위치 설정 및 테스트 헤드 자체를 테스트하기 위해 일정한 위치 및 관계로 각각의 형판상에 배치됨으로써, 휠 디스크 측면의 일정 위치에 결합시 관련 테스트 헤드의 음파 방출 각 및 경사각이 일정 테스트 범위를 위해 필요한 음파 방출 방향으로 변환될 수 있다. 따라서, 휠 디스크의 테스트를 위해 다수의 형판이 필요하다. 이러한 형판의 제조는 측면의 구조를 알고 있다는 것을 전제로 한다. 초음파 테스트를 실시하기 위해 필요한 예비 작업은 비교적 복잡한데, 그 이유는 초음파 테스트가 많은 시간을 필요로 하는 도면의 분석 후에야 그리고 형판 형태의 조작 보조 수단의 구성 및 제조 후에야 가능해지기 때문이다.
일본 특허 출원 요약서 JP-A-63-309 852(일본 특허 요약서 P-854), 1989, 4월 11일, 13권/146호에는 미지의 볼록하게 휘어진 윤곽을 가진 부재의 균열 검출 방법이 공지되어 있다. 윤곽은 3개의 서로 무관한 방향으로 이동 가능한 스캐닝 장치에 의해 결정되어 메모리에 저장되고, 저장된 데이터로부터 조작기의 구동 메커니즘의 제어를 수행한다. 스캐닝 장치에 거리 센서가 고정된다. 메모리에 저장된 데이터는 컴퓨터에서 테스트 프로브의 위치를 계산하는데 사용되므로, 테스트 프로브는 미리 주어진 거리를 두고 부재의 표면에 대해 수직으로 안내된다. 부재의 윤곽을 결정하고 부재내의 균열을 검출하기 위한 또다른 방법이 영국 특허 제 GB 2 266 367 A호에 공지되어 있다. 이러한 방법은 3차원 테스트 대상물의 내부 및 외부 윤곽을 결정하기 위해 그리고 금속 부재, 예컨대 터빈 블레이드, 파이프 라인 또는 밸브의 결함을 찾아내기 위해 수행된다. 테스트 대상물의 윤곽은 그것에 결합된 초음파 테스트 헤드에 의해, 초음파 테스트 헤드의 위치가 LED-프로브에 의해 검출되는 방식으로 검출된다.
본 발명은 샤프트상에 장착된 디스크 부재, 특히 저압 터빈 회전자의 휠 디스크를 초음파 테스트하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 휠 디스크의 측면에 배치된 초음파 테스트 헤드 및 센서를 가진 2개의 조작 암의 사시도이고,
도 2는 초음파 테스트를 위한 장치의 구성을 나타내며,
도 3은 휠 디스크의 종단면도이다.
본 발명의 목적은 디스크 부재의 구조를 미리 알지 않고도 초음파 테스트를 수행할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라 청구범위 제 1항에 따른 방법 및 청구범위 제 10항에 따른 장치에 의해 달성된다. 바람직한 실시예는 종속항에 제시된다.
디스크 부재가 횡단면으로 볼 때 수축 시이트로부터 방사방향 외부로 가늘어지는 측면을 포함하는, 수축 시이트의 영역, 인접한 수축 영향 구역 및 디스크 체적 영역에서 샤프트상에 장착된 디스크 부재를 초음파 테스트하기 위한 방법은 하기 단계를 포함한다:
- 디스크 부재의 윤곽이 스캐닝됨으로써, 그것의 구조가 추론되는 단계,
- 미리 주어진 테스트 기술에 따라 테스트 파라미터 및 테스트 위치가 디스크 부재 구조로부터 검출되는 단계,
- 구조적 반사표면이 결정되는 단계,
- 초음파 테스트 헤드가 검출된 테스트 파라미터에 의해 측면에 결합됨으로써, 검출된 테스트 경로를 따라 이동되는 단계.
방법을 실시하는데 있어, 초음파 테스트를 위해 디스크 부재의 구조를 미리 알 필요가 없다. 따라서, 미지의 구조를 가진 디스크 부재가 초음파 테스트될 수 있는데, 그 이유는 디스크 부재의 구조가 먼저 스캐닝되기 때문이다. 이러한 디스크 구조는 기준계의 2개의 좌표 또는 3개의 좌표 형태로 저장된다. 저장된 구조로부터 미리 주어진 테스트 기술에 따라 테스트 파라미터 및 필요한 테스트 위치가 검출된다.
휠 디스크의 허브 내부 표면을 테스트할 때, 바람직하게는 이산 테스트 위치가 검출되면, 상기 테스트 위치로부터 전체 허브 내부 표면이 축방향으로 커버링된다. 휠 디스크를 회전 대칭으로 형성함으로써, 샤프트의 회전에 의해 허브 내부 표면이 원주 방향으로도 완전히 테스트될 수 있다.
디스크 부재가 무접촉 스캐닝되는 방법이 바람직하다. 이것을 위해, 디스크부재가 광빔, 특히 레이저 빔에 의해 스캐닝될 수 있다.
디스크 부재 및 그와 관련한 구조를 스캐닝하기 위해, 초음파 테스트 헤드의 조작에 동일한 조작 시스템이 사용되면, 예컨대 위치설정 플레이트와 같은 부가의 조작 보조수단이 더 이상 필요없다. 부가로, 테스트 헤드의 결합시 측정 프로브에 의한 보조 측정이 생략될 수 있는데, 그 이유는 전체 위치설정 데이터가 전기적으로 처리되고 조작기의 직접 제어를 위해 사용되기 때문이다.
예컨대, 휠 디스크가 하우징으로부터 분해되어 하나의 회전 유니트 내에 지지될 필요 없이, 터빈 샤프트, 특히 저압 증기 터빈 샤프트의 휠 디스크가 테스트될 수 있다. 하우징 절반으로부터 분리 후에도 하우징의 분리선으로부터 디스크 부재를 테스트할 수 있다.
이것을 위해, 방법을 실시하기 위한 적합한 장치가 기계적으로 고정된 긴 조작기 암을 포함하며, 상기 암에 의해 테스트 헤드가 인접한 휠 디스크와 방사 방향으로 이어지는 터빈 블레이드 사이의 갭 내로 삽입될 수 있다.
수축 시이트 영역, 인접한 수축 영향 구역 및 디스크 체적 영역에서 샤프트상에 장착된 디스크 부재를 초음파 테스트하기 위해, 본 발명에 따른 장치는 특히 전기 라인을 통해 조작 암의 제어장치에 접속된 구조 인식 유니트를 포함한다. 조작 암은 바람직하게는 적어도 3 자유도를 가진 로봇의 팔이다. 구조 인식 유니트는 바람직하게는 조작 암에 배치된 적어도 하나의 센서를 포함한다. 상기 센서는 평가장치에 전기적으로 결합된다. 센서는 디스크 부재의 구조를 스캐닝한다. 이것으로부터 발생되는 신호는 평가장치에서 처리되어 디스크 구조가 검출된다. 바람직하게는 평가장치는 전자 데이터 처리장치(컴퓨터)이다. 평가장치는 조작 암의 제어장치를 제어하기 위해서도 사용된다. 평가장치에서 적합한 테스트 위치가 검출되며 그것의 좌표가 전기 신호의 형태로 제어장치로 전달된다. 제어장치는 전기 신호를 제어 신호로 변환시킨다. 상기 제어 신호는 예컨대 조작 암에 접속된 전기 모터를 제어함으로써, 테스트 헤드를 가진 조작 암이 적합한 위치로 변위된다. 위치를 제어하기 위해 데이터 검출장치가 사용되면, 약간의 편차가 있을 때 에러 신호가 트리거링되고, 상기 에러 신호에 의해 조작 암의 이동이 보정된다. 따라서, 설정값-실제값 제어가 이루어진다.
디스크 부재의 구조로부터 필요한 모든 테스트 파라미터, 즉 테스트 헤드 위치, 음파 방출 각 및 경사각이 검출될 수 있다. 측정 원리는 예컨대 유럽 특허 제 0 126 383 B1호에 공지된 바에 상응하며, 특히 스캐닝은 0℃, 45℃ 및 90℃의 각으로 이루어진다. 테스트를 위해 2개의 테스트 헤드가 전단 방법(shear method)에 따라 사용될 수 있다. 상기 테스트 헤드 중 하나는 휠 디스크의 측면에 배치될 수 있다.
상이한 음파 방출각에 대해 다른 테스트 헤드가 사용되지 않고 음파 방출각이 설정 가능한 안테나 열-테스트 헤드가 사용되면, 특히 바람직하며 시간이 절약될 수 있다. 필요한 경사각의 구현은 회전 가능한 조작 암을 이용한 테스트 헤드의 회전에 의해 이루어진다. 이러한 조치에 의해 테스트 시스템의 유연성 및 조절 가능성이 커진다.
방법 및 장치의 또다른 장점 및 특징은 도면에 도시된 바람직한 실시예를 참고로 설명된다.
도 1에는 디스크 부재(2)가 배치된 샤프트(1)의 사시도가 도시된다. 디스크 부재(2)는 샤프트(1)상에 장착된다. 디스크 부재(2)는 횡단면으로 볼 때 수축 시이트(3)로부터 방사방향 외부로 가늘어지는 측면(4,5)을 포함한다. 디스크 부재의 구조를 검출하기 위해, 2개의 조작 암(6)이 제공되며, 상기 암은 각각 많은 자유도, 특히 4 자유도를 갖기 때문에, 초음파 테스트 헤드가 테스트에 필요한 휠 디스크 표면의 모든 위치에 결합되어 조작될 수 있다. 각각의 조작 암(6)은 좌표 x, y 및 z의 방향으로 그리고 그것의 고유 축을 중심으로 회전 가능하다. 조작 암(6)의 전방 영역에 센서(7)가 배치되고, 상기 센서(7)는 조작 암(6)의 미리 주어진 운동 과정에 따라 디스크 부재(2)를 스캔한다.
도 2에 따라, 디스크 부재(2)의 구조가 디스크 부재(2)의 스캔된 점 또는 영역으로부터 평가장치(8)에서 결정된다.
장착된 디스크 부재(2)를 초음파 테스트하기 위해, 2개의 초음파 테스트 헤드(9,10)가 조작 암(6)의 전방 영역에 배치된다. 초음파 테스트 헤드(9,10), 바람직하게는 안테나열-테스트 헤드가 데이터 검출 장치(11)에 접속된다.
센서(7)는 평가장치(8)와 함께 구조 인식 유니트(12)를 형성한다. 평가장치(8)는 전기 라인(13,14)에 의해 센서(7)에 결합된다. 디스크 부재(2)의 구조 데이터는 초음파 테스트를 위해 제어장치(16)로 전달되며, 제어 장치(16)는 조작 암(6)을 가진 조작장치(15)를 제어한다. 초음파 테스트 헤드(9, 10)로부터 나온 신호는 라인(17)을 통해 데이터 검출 장치(11)로 전달된다. 데이터 검출 장치(11)는 구조 인식 유니트(12)의 평가장치(8)에 결합된다. 이로 인해, 검출된 초음파 상에 대해 관련 테스트 경로가 직접 데이터 검출 장치(11)로 전달된다.
도 3은 휠 디스크(2)의 샤프트(1)의 축선(21) 방향 종단면도이다. 휠 디스크(2)는 방사 방향(r)으로 가늘어지는 측면(4,5)을 갖는다. 휠 디스크(2)는 수축 시이트로서 축방향으로 놓인 허브 내부 표면(18)으로 샤프트(1)상에 고정 장착된다. 허브 내부 표면(18)은 구조적 반사 표면(17)을 갖는다. 상기 반사 표면의 위치는 하나 또는 다수의 테스트 헤드(9,10)에 의해 결정된다. 허브 내부 표면(18)의 균열을 조사하기 위해, 불연속 위치(19)는 특히 무접촉 스캐너를 통해 검출된 측면(4, 5)의 윤곽으로부터 측면(4, 5) 상의 테스트 헤드(9,10)에 대해 결정된다. 테스트 헤드(9), (10)의 위치에 의해 축방향으로 전체 허브 내부 표면(18)이 초음파 신호에 의해 완전히 커버됨으로써 테스트될 수 있다. 초음파 테스트 헤드(9,10)의 적합한 위치 설정에 의해, 휠 디스크(2)의 체적 내부의 공간 영역에서 초음파를 사용하여 결함, 특히 균열이 조사될 수 있다. 휠 디스크(2)는 비틀림 방지 수단(20)을 갖는다. 화살표(r)로 표시된 방사 방향으로 도시되지 않은 터빈블레이드가 접속된다. 저압 터빈 블레이드에서 인접한 휠 디스크(2)와 방사방향으로 그것 위에 배치된 터빈 블레이드 사이의 갭의 폭이 1 미터 이상까지 이를 수 있다.
본 발명에 의해 터빈 휠 디스크의 초음파 테스트가 짧은 시간에 이루어지며, 상기 휠 디스크의 구조를 테스트 전에 미리 알 필요가 없다. 테스트는 터빈 샤프트의 분해 없이 예컨대 분리선으로부터 이루어질 수 있다.

Claims (13)

  1. 수축 시이트(3)의 영역 및 인접한 수축 영향 구역에서 샤프트(1)상에 장착되며, 횡단면으로 볼 때 상기 수축 시이트로부터 방사 방향 외부로 가늘어지는 측면(4, 5)을 포함하도록 구성된 디스크 부재(2)의 초음파 테스트 방법으로서,
    - 상기 디스크 부재(2)의 윤곽이 스캔되는 단계,
    - 결함의 발생으로 간주되는 구조적 반사면(17)이 결정되는 단계,
    - 상기 윤곽의 스캔 결과 및 상기 반사면(17)의 결정으로부터 구조가 추론되는 단계,
    - 상기 디스크 부재(2)의 구조를 고려해서 소정의 테스트 기술에 따라 초음파 테스트 헤드(9, 10)의 테스트 파라미터 및 테스트 위치가 검출되는 단계,
    - 상기 초음파 테스트 헤드(9, 10)를 검출된 테스트 파라미터를 이용해서 측면(4, 5)에 결합하며, 검출된 테스트 경로를 따라 이동되는 단계를 포함하는 초음파 테스트 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 소수의 테스트 위치(19)가 검출되고, 상기 테스트 위치에 의해 상기 디스크 부재(2)의 허브 내부 표면(18)이 상기 샤프트에 평행한 방향으로 상기 초음파 헤드(9, 10)에 의해 완전히 테스팅되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 테스트 방법.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 디스크 부재(2)는 무접촉 스캔되는 것을 특징으로 하는 초음파 테스트 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 디스크 부재(2)는 레이저 빔을 포함하는 광빔에 의해 스캔되는 것을 특징으로 하는 초음파 테스트 방법.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 테스트 헤드 위치는 구조 데이터 및 초기 조건으로부터 상기 테스트 파라미터로서 검출되는 것을 특징으로 하는 초음파 테스트 방법.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 음파 방출 각이 상기 구조 데이터 및 상기 초기 조건으로부터 상기 테스트 파라미터로서 검출되는 것을 특징으로 하는 초음파 테스트 방법.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 경사각은 상기 구조 데이터 및 상기 초기 조건으로부터 상기 테스트 파라미터로서 검출되는 것을 특징으로 하는 초음파 테스트 방법.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 균열의 방향에 대한 상기 테스트 헤드(9, 10) 또는 상기 테스트 헤드의 방향이 상기 테스트 파라미터인 것을 특징으로 하는 초음파 테스트 방법.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 디스크 부재 구조(2)는 미리 주어진 기준계의 좌표로 저장되는 것을 특징으로 하는 초음파 테스트 방법.
  10. 적어도 3 자유도를 가진 조작장치(15)의 조작 암(6)에 배치되고 데이터 검출장치(11)에 접속된 적어도 하나의 초음파 테스트 헤드(9, 10)를 포함하며, 횡단면으로 볼 때 수축 시이트로부터 방사방향 외부로 가늘어지는 측면(4, 5)을 포함하도록 구성되고, 터빈 장치내에 조립된 샤프트(1)상에 장착된 디스크 부재(2)를 수축 시이트(3)의 영역, 인접한 수축 영향 구역 및 디스크 부재 체적의 영역에서 초음파 테스트하는 장치로서,
    상기 장치는 구조 인식 유니트(12)를 포함하며, 상기 구조 인식 유니트(12)는 상기 조작장치(15)의 제어장치(16)에 접속되고, 기계적으로 고정된 상기 긴 조작 암(6)에 의해 상기 초음파 테스트 헤드(9, 10)가 인접한 상기 디스크 부재와 방사방향으로 상기 디스크 부재에 연결된 터빈 블레이드 사이에 삽입될 수 있는 것을 특징으로 하는 초음파 테스트 장치.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 구조 인식 유니트(12)는 상기 조작 암에 배치된 센서(7)를 포함하며, 상기 센서(7)는 평가 장치(8)에 전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 초음파 테스트 장치.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 평가장치(8) 및/또는 상기 제어장치(16)는 전자 데이터 처리 유니트를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 테스트 장치.
  13. 제 10항 내지 12항 중 어느 한 항에 있어서, 안테나열-테스트 헤드가 상기 초음파 테스트 헤드로서 제공되고, 상기 헤드는 상기 디스크 부재(2)의 구조에 따라 상이한 음파 방출 각으로 설정될 수 있는 것을 특징으로 하는 초음파 테스트 장치.
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