KR101202185B1 - 터빈로터 중심공을 통한 휠 도브테일 자동 초음파탐상 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터빈로터의 휠 도브테일 부분을 초음파를 이용해 검사하여 균열여부를 판단하는 초음파탐상 방법에 관한 것으로, 이는 터빈로터(1)의 중심공(2)을 따라 이동하는 탐상장치를 이용하여 중심공(2) 내측에서 휠 도브테일(3)을 향하여 초음파를 송수신함으로써 휠 도브테일을 검사하는 것을 기술적 특징으로 한다.
이에 의해 본 발명은 터빈로터의 휠 도브테일을 초음파를 이용해 균열 여부를 쉽고 빠르게 검사할 수 있으며, 초음파 검사와 병행하여 터빈로터의 외주면을 정비하는 작업을 동시에 수행할 수 있어, 검사 및 정비시간을 대폭 단축할 수 있다.

Description

터빈로터 중심공을 통한 휠 도브테일 자동 초음파탐상 방법{AUTOMATED ULTRASONIC TESTING METHOD WHICH USES THE ROTOR BORE FOR THE WHEEL DOVETAIL OF TURBINE}

본 발명은 터빈 로터의 휠 도브테일 중, 높이가 낮아 측면의 평면부가 거의 없는 휠 도브테일에 대한 자동 초음파탐상 방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 블레이드를 고정하는 터빈로터의 휠 도브테일 중에서 로터로 부터의 높이가 비교적 낮게 형성되어 있어, 측면 하단의 필렛으로 인해 평면부가 없어 종전 탐촉자의 거치가 불가하며 외표면에서의 초음파 검사가 수행될 수 없는 휠 도브테일에 대해 초음파로 검사하는 방법에 관한 것이다.

원자력 또는 화력 발전소의 연소열을 통해 생성되는 증기에너지를 기계적인 회전에너지로 변환하는 증기터빈은 고온 고압의 증기가 터빈 축에 설치된 블레이드에 부딪치면서 증기가 가진 열에너지를 회전에너지로 변환시키는 구조이다.

이러한 증기터빈은 발전 도중에 블레이드가 파손되면 발전이 중단됨과 동시에 발전설비에 막대한 손상을 줄 수 있고, 이를 보수하기 위한 많은 비용과 시간이 소요되기 때문에 증기터빈이 발전 도중에 파손되지 않도록 주기적으로 검사하는 것이 매우 중요하다.

터빈로터가 파손되는 경우를 통계적으로 살펴보면, 취약부에서의 진동하중에 의한 균열과, 고온 및 습분에 의한 부식과 균열, 부품의 노후화로 인한 파손 등이 발생하게 되는데, 이 중에서도 터빈로터의 회전에 기인하는 원심 인장력과 증기에 의한 굽힘 응력 및 유입되는 증기의 불균일성에 의한 진동으로 블레이드의 피로를 유발하여 파손되는 것이 대부분인 것으로 나타났다.

도브테일은 터빈 블레이드를 로터 휠에 끼워 고정시키기 위한 부분으로서 형상 및 설계 목적에 따라 탄젠시얼 엔트리 도브테일(Tangential Entry Dovetail), 엑시얼 엔트리 도브테일(Axial Entry Dovetail), 핀 핑거타입 도브테일(Pinned Finger Type Dovetail) 등으로 구분하여 사용되며, 블레이드의 크기가 작고 상대적으로 고온인 경우에 대체로 탄젠시얼 엔트리 도브테일이 적용된다.

이러한 도브테일은 휠 측의 휠 도브테일과 블레이트 측의 버켓 도브테일로 나뉘며, 상호 맞물려 조립되도록 제작된다.

도브테일은 터빈로터의 기동/정지시 열피로, 운전중 진동과 고온의 열, 고속 회전에 의한 원심력, 습분에 의한 부식 등에 의해 균열이 발생될 수 있는 대단히 취약한 부분으로서, 이러한 부분을 주기적으로 검사하여 균열의 발생여부를 미리 확인하고, 이를 적시에 교체함으로써 터빈로터가 운행 중에 파손되지 않도록 예방하고 있다.

이와 같은 목적의 검사 방법 중에서 휠 도브테일의 균열을 검사하는 종래의 방법으로는 초음파 비파괴검사가 있는데, 이는 도 1(a)에서와 같이 터빈로터(200)의 외주면에 돌출 형성된 휠 도브테일(210) 사이에 초음파탐상장치(100)를 안착시켜 고정하고, 초음파탐상장치(100)에서 송출되는 초음파의 반향된 신호를 통해 휠 도브테일(210)을 검사하는 방법이다.

터빈로터의 휠 도브테일(210)은 도 1(b)와 도 1(c)에서와 같이 돌출 높이(h)가 높은 휠 도브테일(210A)과, 상대적으로 낮은 높이(h')를 갖는 휠 도브테일(210B)에 이르기까지 각각 다른 높이로 형성되어 있는데, 종래의 초음파탐상장치(100)는 휠의 높이가 높아 도브테일 측면에 일정 부분 평면부가 존재하여 초음파탐상장치(100)의 안착 및 음파 송/수신이 용이한 휠 도브테일(210A)만을 대상으로 검사되어 왔다.

그 이유는 휠 도브테일(210)의 높이가 높으면 초음파탐상장치(100)가 안착될 수 있는 공간이 확보될 수 있고, 이를 통해 송출된 초음파 신호가 휠 도브테일 내의 취약한 부분에서 반향되어 재수신 되는 수신각도의 설정도 가능하기 때문이다.

반면, 낮은 높이(h')를 갖는 휠 도브테일(210B)의 경우 하단의 필렛(210C)으로 인해 측면의 평면부가 없어 초음파탐상장치(100)의 신호를 송수신할 수 있는 적정의 각도가 확보될 수 없기 때문에 터빈로터의 외면에서의 초음파탐상장치(100)로는 휠 도브테일(210A)에 대한 검사가 불가능하다.

따라서 종래에는 높이(h')가 낮은 휠 도브테일(210B)에 대한 초음파를 실시할 수가 없어 생략하고 있는데, 터빈로터의 구조상 높이(h')가 낮은 휠 도브테일(210B)은 고온의 증기 압력에 의해 가장 높은 열과 진동을 받는 첫 번째 단에서 주로 적용되고, 이에 의해 1단 휠 도브테일에서 균열이 발생할 가능성이 매우 높음에도 불구하고 이를 검사할 적절한 방법이 개시되어 있지 않다.

하여 높이(h')가 낮은 휠 도브테일(210B)에서의 취약부에 대한 균열 등의 결함 유발에 대한 점검과 진단이 결여됨에 따라, 터빈로터의 수명과 안전성을 저해할 수 있는 잠재 위험요소가 방치되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 터빈로터의 휠 도브테일 중 높이가 낮아 외면에서의 초음파 탐상이 불가능한 휠 도브테일의 취약부에 대해 중심공을 통해 용이하게 초음파로 검사할 수 있는 방법을 제공하는 데에 있다.

또한 본 발명의 또 다른 목적은 중심공을 통해 검사 대상이 되는 휠 도브테일에 대한 초음파 검사시, 각각의 취약부를 향해 미리 계산된 각도로 복수개의 초음파 탐촉자를 구비한 웨지유닛을 설치하여 초음파 검사시 효율을 제고하고 취득된 신호에 대한 검증이 동시에 이루어져, 결과에 대한 신뢰도가 높은 초음파탐상 방법을 제공하는 데에 있다.

상기와 같은 목적에 따른 본 발명은 터빈로터 중심공 양단의 플러그를 분리하여 중심공을 개방한 후 내표면의 슬래그 등을 제거하는 호닝작업과 내표면 크리닝 이후의 후행 공정으로서, 중심공 내표면에 대한 육안검사 및 자기비파괴검사 등의 중심공 검사와 병행 또는 전후 공정으로서 실행되어질 수 있다.

중심공을 따라 회전하며 이동할 수 있는 종전의 중심공 탐상장비를 이용하여, 휠 도브테일 초음파 검사용 웨지유닛을 중심공 탐상장비에 장착하여 로터보어 내표면에 안착되도록 세팅하고, 중심공 내측에서 휠 도브테일 검사위치까지 이동한 후 초음파 탐촉자가 휠 도브테일을 향하여 회전하며 초음파를 송수신함으로써 휠 도브테일의 취약부를 검사하는 것에 의해 달성된다.

이때 상기 높이가 낮은 휠 도브테일 검사는 중심공에서의 휠 도프테일 취약부 검사에 접합하도록 미리 계산된 각도로 여러 개의 탐촉자를 구성하는 웨지유닛 구성 단계와; 중심공 탐상장비에 웨지유닛을 설치하는 웨지유닛 장착 단계와; 상기 설치된 웨지유닛을 터빈로터의 중심공 내표면에 밀착시키는 웨지유닛 세팅 단계와; 상기 웨지유닛이 검사대상 휠 도브테일의 취약부 검사에 적합한 각을 이루도록 중심공 탐상장비를 제어하여 중심공 내에서 웨지유닛을 수평으로 이송시키는 이동제어 단계와; 중심공 내에 위치한 상기 웨지유닛으로 높이가 낮은 휠 도브테일의 취약부에 대해 초음파 신호를 송수신하는 신호취득 단계와; 취득된 휠 도브테일 취약부의 초음파 신호를 판독하는 신호판독 단계와; 판독된 신호 중에서 그 결함 여부와 크기를 확인하는 결함확인 단계로 이루어진 것으로 실시된다.

본 발명의 사용으로 터빈로터의 휠 도브테일을 초음파로 검사함에 있어서, 터빈로터의 중심공을 타고 슬라이딩 이동하는 탐상장비와 미리 계산된 각도로 여러 개의 탐촉자를 구비한 웨지유닛을 통해 휠 도브테일의 높이가 낮더라도 이와 상관없이 다양한 각도로 초음파 신호를 송출하여, 로터 외부에서의 초음파 검사가 불가능한 휠 도브테일부의 취약부분에 대한 균열 여부를 용이하게 검사할 수 있다.

또한 하나의 웨지유닛에 다수의 초음파 탐촉자를 설치하여 각각의 탐촉자 설치 각도를 다르게 조정하거나, 필요에 따라 탐촉자를 쉽게 탈부착할 수 있어 짧은 시간에 다양한 조건의 초음파 검사를 보다 신뢰성 있게 수행할 수 있고, 더욱이 터빈로터를 회전시키면서 외주면의 균열 여부를 검사하거나 간단히 정비하는 작업을 병행할 수도 있다.

한편, 터빈로터의 취약부분인 1단 휠 도브테일부를 검사함으로써, 균열의 여부를 확인하고, 확인된 균열이 성장하여 피로파괴까지 소요되는 시간을 산출하여 터빈로터의 사용수명을 예측할 수 있으며, 또한 확인된 균열의 크기에 따라 보수의 방법을 결정하여 보수함으로서 높이가 낮은 휠 도브테일부의 파손을 예방할 수 있다.

도 1(a, b, c)는 종래의 터빈로터의 초음파 검사방법과 휠 도브테일의 예를 보인 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 터빈로터의 휠 도브테일 자동 초음파탐상 방법의 예를 보인 순서도,
도 3은 본 발명에 따른 이송본체와 웨지유닛을 이용한 휠 도브테일의 초음파탐상 방법의 예를 보인 구성도,
도 4와 도 5는 본 발명에 따른 웨지유닛의 실시예를 보인 사시도이다.

이하에서 본 발명의 실시예를 도시한 첨부도면을 통해 더욱 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 터빈로터의 각부 중 외면에서의 비파괴검사가 불가한 높이가 낮은 휠 도브테일부를 대상으로 초음파 검사를 하는 방법에 관한 것으로, 이는 터빈로터(1)의 중심공(2)을 따라 이동하는 탐상장치를 이용하여 중심공(2) 내측에서 휠 도브테일(3)을 향하여 초음파를 송수신함으로써 높이가 낮은 휠 도브테일을 검사하는 것으로 이루어진다.

이하에서는 도 2에서와 같이 높이가 낮은 휠 도브테일(3)을 초음파 검사하는 방법에 대해 좀 더 상세히 설명하기로 한다.

① 웨지유닛 장착단계(S200)

웨지유닛 장착단계(S100)는 터빈로터의 1단 휠 도브테일(3)을 초음파로 검사하기 위해 초음파 탐촉자(21)가 장착된 웨지유닛(20)을 이송본체(10)에 설치하는 단계이다.

이송본체(10)는 크게 터빈로터(1)의 중심공(2) 내에 삽입되어 중심공(2)을 따라 수평으로 회전 및 슬라이딩 이송되는 헤드부와, 이 헤드부를 이송시키기 위한 동력부, 상기 헤드부와 동력부를 연결하는 로드부로 구분되는데, 이중 헤드부는 수평으로 이동됨과 동시에 360° 회전 가능하도록 구성되고, 더욱이 후술하는 웨지유닛(20)이 장착된 후, 이 웨지유닛(20)이 중심공(2) 내주면에 밀착될 수 있도록 웨지유닛(20)을 승강시키는 승강수단을 포함한다.

한편, 본 발명은 웨지유닛 장착단계(S200)에 앞서 웨지유닛 구성단계(S100)를 더 포함할 수 있는데, 이 단계에서는 중심공에서의 휠 도프테일 취약부 검사에 접합하도록 미리 계산된 각도로 여러 개의 탐촉자를 구성하는 단계이다.

이를 위해 웨지유닛(20)은 도 4와 도 5에서와 같이 다양한 각도의 장착홀(22A, 22B, 22C, 22D)가 형성되어 있고, 이 장착홀(22A, 22B, 22C, 22D)에 여러 개의 탐촉자(21)가 서로 다른 각도로 설치 고정되는 것으로, 웨지유닛(20)의 본체는 초음파 신호의 전달이 용이한 아크릴과 같은 재질로 실시된다.

② 웨지유닛 세팅단계(S300)

웨지유닛 세팅단계(S300)는 상기 이송본체(10)의 헤드부에 웨지유닛(20)을 장착한 뒤, 이 헤드부를 중심공(2) 내에 삽입하여 웨지유닛(20)이 중심공(2)의 내면에 밀착되도록 웨지유닛(20)이 설치된 높이를 조절하는 단계이다.

이는 웨지유닛(20)이 이송본체(10)의 헤드부에 장착된 이후에 중심공(2) 내면에 밀착되어 초음파 신호가 터빈로터(1)의 모재를 통과하여 1단 휠 도브테일(3)의 저면부로 초음파 신호가 송수신되는 동안에 노이즈가 발생되지 않도록 한다.

이를 위해 본 발명은 이송본체(10)의 헤드부에 장착된 웨지유닛(20)이 중심공(2)의 내면에 밀착될 수 있도록 유공압 또는 기계식으로 작동되어 그 높이가 조절 가능하도록 실시되는 것이 바람직하다.

또한 이송본체(10)는 도 3에서와 같이 중심공(2)의 중심선과 일치되도록 수평으로 설치되며, 웨지유닛(20)은 이 이송본체(10)의 헤드부에 방사상으로 적어도 2개 이상 설치되고, 각각의 웨지유닛(20)은 이송본체(10)를 중심으로 서로 같은 높이로 동시에 조절되도록 구성된다.

③ 이동 제어단계(S400)

이동 제어단계(S400)는 이송본체(10)의 헤드부에 설치된 웨지유닛(20)이 1단 휠 도브테일(3)과 적정의 각도를 유지할 수 있도록 수평으로 이송제어하는 단계이며, 이 과정에서는 헤드부의 회전을 통해 웨지유닛(20)이 중심공(2) 내에서 회전되면서 1단 휠 도브테일(3)의 측정 부위를 조절하는 과정을 포함한다.

이때 웨지유닛(20)에 설치되는 탐촉자(21)는 대각선 또는 수직 방향으로 초음파를 송수신하도록 설치되어 있고, 측정 부위와 탐촉자(21)가 서로 이루는 각도를 이송본체(10)의 수평 이동을 통해 조절함으로써, 검사가 필요한 1단 휠 도브테일(3) 부분에 대한 초음파 검사를 실시한다.

따라서 본 발명은 터빈로터의 중심공(2)을 검사표면으로 하여 1단 휠 도브테일(3)까지 송수신되어야 하므로 초음파의 길이가 길어지지만, 다양한 각도의 초음파 신호를 연속으로 취득할 수 있어 검사결과에 대한 다양한 분석이 가능한 장점이 있다.

또한 터빈로터(1)의 외주면을 따라 형성되는 1단 휠 도브테일(3)에 맞춰 웨지유닛(20)이 적정한 속도로 자동 이동되면서 검사를 진행하게 되고, 더욱이 헤드부가 360°회전되는 1회전 검사를 통해 한 단(Stage)에 대한 검사가 동시에 빠르게 진행될 수 있으며, 중심공(2)을 검사하거나 터빈로터(1)의 외주면을 청소하는 등의 정비 작업을 동시에 수행할 수도 있어, 터빈로터(1)의 검사 및 정비 시간을 대폭 줄일 수 있다.

④ 신호 취득단계(S500)

상기 이동 제어단계(S400)를 통해 중심공(2) 내로 이동하는 웨지유닛의 탐촉자(21)에서 높이가 낮은 휠 도브테일(3)의 취약부에 대해 초음파 신호를 송수신하는 단계이다.

⑤ 신호 판독단계(S600)

상기 웨지유닛(20)을 통해 송수신되는 초음파 신호를 통해 나타나는 1단 휠 도브테일(3)의 검사결과를 판독하는 단계로 초음파 신호가 모니터를 통해 영상 출력되면 그 결과를 판독하여 대상에 균열이 존재하는지를 판단하게 된다.

이때 웨지유닛(20)을 통해 연속으로 취득되는 초음파 신호가 저장되므로, 이를 이용해 다양한 재해석이 가능하고, 이전 검사결과와의 비교 분석이 가능하다.

즉, 본 발명은 획득된 초음파 신호를 판독하여 결과에 대해 결함의 정도와 보수의 방법 및 피로파괴까지 소요되는 시간을 산출하여 터빈로터의 사용수명을 예측하는 결함 확인단계(S700)를 포함하게 된다.

한편, 본 발명은 높이가 낮은 1단 휠 도브테일(3)을 검사하는 과정 동안에 터빈로터(1)의 외주면을 정비할 수 있도록, 터빈로터(1)의 회전이 가능하도록 설치되고, 이에 의해 중심공(2)에 삽입된 웨지유닛(20)을 통해 1단 휠 도브테일(3)의 초음파 검사 및 다른 정비 작업을 동시에 수행할 수도 있다.

본 발명은 높이가 낮은 터빈로터의 1단 휠 도브테일(3)에 대한 다양한 각도의 초음파 신호를 획득할 수 있고, 이 초음파 신호를 통해 신뢰성 높은 검사결과를 도출할 수 있으며, 이 결과를 통해 휠 도브테일의 취약부에 대한 정밀 검사를 수행할 수 있어, 균열의 성장으로 인한 피로파괴까지 소요되는 수명을 예측할 수 있고, 이에 더해 초음파 검사와 병행하여 중심공의 검사 및 외주면 정비를 동시에 수행할 수 있는 것에 그 기술적 특징이 있다.

1: 터빈로터 2: 중심공
3: 1단 휠 도브테일 10: 이송본체
20: 웨지유닛 21: 탐촉자
22A, 22B, 22C, 22D: 장착홀

Claims (5)

1. 터빈로터의 높이가 낮은 휠 도브테일부를 초음파로 검사하는 방법에 있어서,
   터빈로터(1)의 중심공(2)을 따라 이동하는 탐상장치를 이용하여 중심공(2) 내측에서 휠 도브테일(3)을 향하여 초음파를 송수신함으로써 휠 도브테일을 검사하고,
   상기 휠 도브테일(3)의 검사는 이송본체(10)에 초음파 탐촉자(21)가 구비된 웨지유닛(20)을 설치하는 웨지유닛 장착단계(S200)와; 상기 설치된 웨지유닛(20)을 터빈로터(1)의 회전 중심공(2)의 내면에 밀착시키는 웨지유닛 세팅단계(S300)와; 상기 웨지유닛(20)이 터빈로터(1)의 휠 도브테일(3)과 설정된 각도를 이루도록 이송본체(10)를 수평으로 이송시키는 이동 제어단계(S400)와; 상기 웨지유닛(20)을 통해 송수신되는 초음파 신호를 취득하는 신호 취득단계(S500)와; 상기 신호 취득단계(S500)에서 취득된 신호를 판독하는 신호 판독단계(S600)와; 상기 신호 판독단계(S600)를 거쳐 확인된 휠 도브테일(3)의 결함 여부를 판단하는 결함 확인단계(S700)로 이루어지며,
   상기 웨지유닛 장착단계(S200)에 앞서 중심공에서의 휠 도프테일 취약부 검사에 접합하도록 미리 계산된 각도로 여러 개의 탐촉자를 구성하는 웨지유닛 구성단계(S100)를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈로터 중심공을 통한 휠 도브테일 자동 초음파탐상 방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 이동 제어단계(S400)는 상기 웨지유닛(20)을 360°회전시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈로터 중심공을 통한 휠 도브테일 자동 초음파탐상 방법.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 웨지유닛 구성단계(S100)의 상기 여러 개의 탐촉자(21)는 서로 다른 각도로 미리 계산되어 장착되며,
   상기 신호 취득단계(S500)를 통해 상기 여러 개의 탐촉자(21)로부터 송수신되는 초음파 신호를 연속적으로 획득하며, 신호 판독단계(S600)에서는 취득되는 초음파 신호에 따른 균열의 위치 및 크기와 피로파괴까지 예상 수명을 산출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈로터 중심공을 통한 휠 도브테일 자동 초음파탐상 방법.

Images