KR101243400B1 - 회전 기기의 구동 샤프트 시험 방법 - Google Patents

회전 기기의 구동 샤프트 시험 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수-요소 환상 초음파 트랜스듀서(900; 1000)에 의해 길이 방향 파동에서 그 단부들 중 하나에 의해서만 접근가능한 구동 샤프트(110)의 비파괴 시험 방법에 관한 것이다. 그러한 환상 트랜스듀서는 동일한 주파수의 전기 펄스에 의해 여기될 수 있는 독립적인 요소로 이루어지지만, 그에 대해 본 발명에서 상이한 전자 위상 시프트가 상기 요소에 전송되는 펄스들에 적용될 것이다. 그러한 전자 위상 시프트는 환상 트랜스듀서를 구성하는 모든 요소들에 의해 합성되는 최종 빔의 포커싱 또는 편향을 허용하고, 상기 최종 빔은 시험될 샤프트의 단면적보다 훨씬 작은 단면적을 갖는 일반적인 원통 형상을 채택하도록 집중되고, 샤프트의 원통 형상에 의해 생성되는 도파관 효과로 인해 긴 거리에 걸쳐 매우 강력하다.

Description

회전 기기의 구동 샤프트 시험 방법{METHOD FOR TESTING THE CONDITION OF A DRIVE SHAFT OF A ROTARY MACHINE}
본 발명은 회전 기기의 구동 샤프트의 상태를 조절하는 방법에 관한 것이다. 특히, 일단이 시험을 수행하기 위하여 접근가능한 구동 샤프트의 상태에 대한 비파괴 시험을 수행하기 위한 방법을 제안하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 특히 테스트 될 구동 샤프트를 통해 전기 모터에 의해 구동되는 휠을 포함하는 1차 핵 반응 펌프와 관련하여 보다 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명에 따른 방법은 임의의 중실 샤프트(solid shaft), 특히 상기 샤프트를 손상시키기 쉬운 열적, 기계적 또는 다른 응력들을 받는 회전 기기에서 사용되는 탄소강 또는 스테인레스 강의 중실 샤프트의 상태를 시험하기 위해 사용될 것이다.
본 발명에 따른 방법의 사용이 보다 상세히 설명될 분야는 가압수(water under pressure)에 의해 냉각되는 원자로의 1차 펌프의 분야이다. 현재 사용되는 그러한 펌프의 예가 도 1 및 도 2와 관련하여 설명된다.
도 1 은 가압수에 의해 냉각되는 원자로에서 보통 사용되는, 1차 펌프라 불리는 펌프(100)를 도시하는데; 1차 펌프(100)는 1차 회로라 불리는 원자로의 냉각 회로에서, 압력 하의 원자로의 냉각수를 순환시키는데 사용된다. 펌프(100)는 구체적으로,
- 제 1 튜브(102)에 의해 1차 회로의 제 1 파이프에 연결되고, 제 2 튜브(103)에 의해 원자로의 제 2 파이프에 연결되어; 특정 압력을 생성하는 상기 두 파이프 사이에서 펌프(100)가 물을 순환시키도록 하는, 펌프 본체(101);
- 전기 모터(105)에 의해 구동되는 휠(104);
- 휠(104)에 고정되며, 그 자체가 구동 샤프트로 여겨질 수 있는, 펌프 샤프트라 불리는 하부 섹션(110) 및, 중간 샤프트라 불리는 커플링(107)에 의해 전기 모터(105)의 회전자에 연결되며, 모터 샤프트라 불리는 상부 섹션을 구비하는 구동 샤프트(106)로서; 구동 샤프트(106) 특히 펌프 샤프트(110)는, 비록 축 방향(109)에서 지름이 약간 상이한 연속 섹션들로 구성되지만, 일반적으로 원통 모양이어서, 그에 의해 특히 펌프 휠(104) 또는 열 보호 링과 같은 상이한 요소들의 설치 및 수납을 허용하며; 그러나 존재하는 지름에서의 차이들은 구동 샤프트를 일반적인 원통형 샤프트로 칭하기에 충분할 정도로 낮은 상기 구동 샤프트(106);
- 냉각 수단, 샤프트(106)의 회전 가이드 수단 및 구동 샤프트(106)의 둘레에 배열되는 밀봉 수단의 어셈블리로서; 이러한 수단들은 특히 냉각 유체가 통과하는 튜브들의 네트워크로 구성되고 펌프 샤프트(110)의 하단부의 하부 섹션 주위에 배치되는 열 장벽(108: thermal barrier)을 포함하는, 상기 어셈블리; 및
- 펌프 샤프트(110)의 하부 섹션에 배열되는 홈(recess) 속으로 밀려 들어가는 확고하게 연결되는 키(112), 또는 열 장벽(108)이 위치하게 되는 지점에서 구동 샤프트에 배열되는 홈들 속으로 삽입되는 회전 고정구(113)나 정지 핀 등과 같은, 다수의 어셈블리 수단;
을 포함한다.
펌프 샤프트(110)의 하단부는 약 280℃(섭씨) 정도의 온도에서 가압수에 잠기게 된다. 더군다나, 정상 동작에서, 55℃ 이하의 찬물이 1차 회로와 샤프트 실링 수단 사이에 장막(barrage)을 형성하기 위해 열 장벽(108)에 주입된다. 이러한 상태들 아래에서, 280℃의 1차 회로의 물과 55℃의 주입된 물의 혼합으로 인한 온도의 주요 변화에 영향을 받는, 구동 샤프트와 열 장벽 사이의 전이 구역(114)이 존재한다; 샤프트의 상응하는 섹션은 그러므로, 열 링들이 추가되는 경우에서, 샤프트의 이 섹션에 크랙(crack) 또는 잔금생성(crazing) 현상의 발생을 초래하기 쉬운, 주된 열 응력에 영향을 받는다. 열적 기원(thermal origin)의 크랙은 다수이고 네트워크를 형성한다. 가장 깊은 크랙들은 바람직하게 축 방향 지향성을 갖는다.
열적 기원의 크랙에 부가하여, 기계적 기원의 크랙 또한 관찰된다: 후자는 단면의 변화부들에서 또는 구동 샤프트(106)에 고정되는 부품들의 회전을 막는 정지 핀(113)의 구멍들에서 중의 하나에서 나타나거나, 예를 들어 그러한 키들(112)의 키웨이들(keyways)에서 나타난다. 이 크랙들은 바람직하게 횡단 방향 지향성을 갖는다. 다수의 핀 홀이 뚫리는 곳을 제외하고, 일반적으로 다수의 크랙은 존재하지 않는다. 더군다나, 구동 샤프트(106)는 샤프트를 따라 발견되는 단면의 변화부들에서의 비틀림 파괴의 위험을 받는다.
그러므로, 기계적 기원의 피로(fatigue)로부터 또는 열적 기원의 피로로부터 생성되는지, 또는 둘 다에 의한 것인지를 알아내는 결함들은, 표면에서 시작하고 부품의 내부를 향해 점진적으로 퍼진다. 그들은 주로, 상당한 온도 구배를 받는 섹션인, 1차 펌프의 하부 섹션에 위치하게 된다.
최첨단 기술에서, 다른 해결책들이 펌프 샤프트(110)의 하부 섹션의 그러한 결함들의 발생을 검출하기 위해 제안된 바 있다. 특히, 몇 가지 시험 방법이 초음파 트랜스듀서들의 사용을 수반하도록 제안된 바 있다. 그러한 트랜스듀서들은 샤프트에 초음파 빔을 전송되고; 이 빔들은 이상에서 언급한 샤프트의 결함의 위치에서 주로 반사되며; 이들은 이어서, 그들의 해석 및 그에 따른 상기 결함의 존재와 위치에 대한 가장 선명한 가능한 검출을 위한 신호 처리 수단의 어셈블리에 연결되는, 초음파 트랜스듀서에 의해 수신된다. 모든 시험 방법에서, 펌프 샤프트를 모터 샤프트에 연결하는 중간 샤프트가 있고, 그에 의해 펌프 샤프트의 상단에 접근을 제공한다.
해결책들 중 첫 번째 집단은 횡단 방향 초음파의 사용에 있다. 그러한 예의 해결책이 도 3 에 도시되며, 여기서 펌프 샤프트(110)에 비교될 수 있는 구동 샤프트(110)가 시험된다. 이 방법에서, 초음파 트랜스듀서(또는 센서)는, 펌프 샤프트(110)와 접촉하는, 연동 지점(300: gearing point)에 배치되며; 센서의 위치에 의존하여, 시험될 상이한 지점들이 구동 샤프트의 표면에서의 하나 이상의 반사 후에 가능하게 도달될 수 있으며, 상기 빔은, 각각 시험될 지점에 도달할 수 있도록, 상이한 궤도들 및 각각 참조번호(301,302,303,304)에 의해 지시되는 상이한 예들을 취할 수 있다. 사용되는 센서는 대부분, 빔을 샤프트의 축에 최대 약 75°의 각도까지 편향시킬 수 있는, 페룰(ferrule)을 갖도록 제공되는 평행육면체 단일-요소 트랜스듀서이다.
이 방법의 이점은 결함이 수직으로 그리고 각지게 위치하게 되도록 할 수 있다는 것이다: 구동 샤프트에 대한 트랜스듀서의 회전 운동은, 트랜스듀서의 적절한 축 방향 배치에 의해 수직으로 결정되는, 샤프트의 원주가 스캔되는 것을 가능하게 한다. 그러나, 횡단하는 트랜스듀서는 시험될 구역에 가능한 한 가깝게 사용되어야 하며; 그들은 펌프 샤프트의 직접 접근가능한 위치보다 하부의 위치에 배치되어야 하고; 이때, 특히 원자로 1차 펌프의 경우에, 시험 작업을 복잡하게 하는 펌프 샤프트를 해체할 필요가 있다. 또한, 그러한 트랜스듀서들은, 큰 빔 개구부, 즉 비교적 주요한 횡단 방향 결함만을 밝혀내는 낮은 해상도를 가지는 불이익을 받게 된다. 열적 피로에 의해 발생하는 축 방향 결함은 검출할 수 없다.
더군다나, 시험 동작을 더욱 복잡하게 하는, 주어진 방향에 트랜스듀서를 배치하기 위한 페룰을 사용하고, 그에 따라 원하는 입사 각도를 얻어야 할 필요가 있다. 나아가, 열 링들의 존재는 트랜스듀서가 샤프트의 상응하는 높이에 위치하는 것을 방해한다. 마지막으로, 최하부 지점을 시험하기 위해, 에너지의 주요 손실을 수반하고 그에 의해 복귀하는 정보의 해상도를 제한하는, 초음파 빔의 여러 가지 반사를 이용할 필요가 있을 수도 있다. 그러므로 더 긴 샤프트는 방법을 적용하는데 더욱 어려워지게 된다.
해결책들의 두 번째 집단은 길이 방향 파의 사용에 있다. 이 시험 방법은, 먼 거리에서 즉 대략 3m에서 그 폭이 펌프 샤프트(110)의 지름 내에 수용되는, 도 4에 도시되는, 발산 초음파 빔(400)을 전송하는 트랜스듀서를 사용한다. 이 해결책은, 원통형 단일-요소, 환상 단일-요소를 구비한 타입의 트랜스듀서들을 사용하거나, 2개의 요소 또는 2그룹의 분리된 요소들을 갖는, 송신용으로 사용되는 하나의 요소 또는 한 그룹의 요소들 및 수신용으로 사용되는 하나의 요소 또는 한 그룹의 요소들을 갖는, 균일한 환상의 트랜스듀서를 사용한다.
이 시험은 큰 횡단 방향 결함 및 샤프트에서의 그들의 수직 위치의 검출을 허용한다. 그러나, 샤프트의 외주면 상에 정확하게 그리고 각지게 그들을 배치하는 것은 불가능하다. 작은 반사 표면을 갖는 기계적 기원의 횡단 방향 크랙은, 해상도가 동일한 평면에서 빔의 영역에 대한 결함의 영역의 비율에 의존함에 따라, 검출하는 것이 어렵다.
더군다나, 축 방향 결함은, 전달된 에너지가 축 방향의 결함의 상단을 통과하여 트랜스듀서에 충분한 양으로 회절되는데 절대로 충분하지 않으므로, 검출 가능하지 않다.
이러한 유형의 트랜스듀서로 시험하는 것은, 시험될 다른 높이의 많은 센서를 구비하는 것을 수반하는 단일 거리에 대응하는 주어진 초점을 갖는 단점을 받지만 외주면 상의 결함의 위치와 해상도를 개선하는, 음향 렌즈들(acoustic lenses)을 부가하는 것에 의해 개선될 수도 있다. 더군다나, 축 방향 결함들은 이 개선된 트랜스듀서에 의해서도 검출 불가능한 상태로 남는다.
마지막으로, 방금 설명된 작업은 균일 및 등방 환경에서 초음파 트랜스듀서 기술의 고유한 사용에 대한 이론적 원리에 상응하는 것임을 알아야 할 것이다. 이제, 단조 샤프트 및 특히 주로 원자로의 1차 펌프에 존재하는 오스테나이트(austenite)계 또는 오스테노페라이트(austenoferrite)계 스테인레스 스틸 샤프트는, 야금 구조를 갖는 도 5에 도시되는 이질 영역(500: heterogeneity zone)을 가지며; 이 이질들은 가장 두꺼운 섹션에서 주로 발견되고, 그들은 화학 조성, 단조 범위 및 열 처리가 적용된 범위에 따라 하나의 샤프트에서 다른 샤프트로 변화한다.
이러한 샤프트들의 두꺼운 섹션에서, 그러므로 야금 구조는 교란되고, 초음파의 상당한 역방향 확산(retro diffusion)을 초래하는, 과정(course)에 남겨 진다. 이 특이성은, 이상에서 설명한 전통적인 트랜스듀서의 송신 및 수신 파워의 교란과 감쇠를 초래한다. 그러나, 야금 구조는, 초음파 전송이 만족스러운, 외주면 상에서 우수하다.
이 상황은, 초음파 빔의 외향 및 복귀 궤적을 고려하여, 그 빔이 2m 이하의 짧은 샤프트에 대해 2회 그리고 3.5미터까지의 긴 샤프트에 대해 그 이상의 횟수로 이질 영역을 반드시 가로지르는, 횡단 방향 파를 갖는 트렌스듀서를 사용할 때 악화된다.
본 발명에 따른 장치는 방금 요약된 여러 문제점을 해결한다. 발명에서 야금으로 교란되는 영역 외부에 초음파 빔을 형성하고, 임의의 시험 작업에서 이 영역을 우회하도록 하는 것이 제안된다. 이 목적을 위하여, 본 발명에서는, 환상 복수-요소 초음파 트랜스듀서를 사용하는 길이 방향 파동으로, 단지 하나의 단부에만 접근가능한 구동 샤프트에서 수행되는 비파괴 시험이 제안된다.
그러한 트랜스듀서는 동일한 주파수의 전기적 펄스에 의해 여기될 수 있는 독립적인 요소들로 구성되지만, 본 발명에 따르면, 그를 위해 상이한 전기적 위상 시프트가 요소들에 전송되는 펄스의 위치에 적용될 것이다. 그러한 전기적 위상 시프트는, 트랜스듀서를 구성하는 모든 요소들에 의해 합성되는 최종 빔이 포커싱되고 편향되는 것을 가능하게 하고, 상기 최종 빔은 시험될 샤프트의 단면적보다 훨씬 작은 단면적을 갖는 일반적인 원통 형상을 적용하기 위하여 집중된다. 최종 빔은, 주로 샤프트의 원통 형상으로부터 생성되는 도파관 효과로 인해, 먼 거리에서 매우 강력하다.
그러므로 본 발명은 본질적으로 회전 기기의 일반적인 원통 형상을 갖는 중실 구동 샤프트를 시험하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은:
- 시험 될 샤프트의 일단에, 각각 적어도 상기 구동 샤프트에서 길이 방향 파동의 기본 초음파 빔(elementary ultrasonic beam)을 전송할 수 있는, 다수의 독립적인 요소를 포함하는 환상 트랜스듀서를 구비하는 단계;
- 환상 트랜스듀서를 구성하는 요소들 중 적어도 일부에, 시험될 상기 구동 샤프트의 제1 특정 섹터를 타깃으로 하기 위해 구해지는 일 각도에서 편향되는 일반적인 원통 형상의 제1 최종 빔을 생성하기 위해 상기 트랜스듀서의 상이한 요소들 사이에서 고려될 다수의 전송 지연으로 구성되는, 기설정된 제1 포커싱 법칙을 적용하는 단계;로 구성되는 이루어지는 상이한 단계들을 포함한다.
본 발명에 따른 방법은, 방금 언급된 주요 특징들에 대한 보충으로서, 뒤따르는 추가적인 특징들 중 하나 이상을 구비한다.
- 상기 방법은, 시험될 구동 샤프트의 제2 특정 섹터를 타깃으로 하기 위하여 제2 최종 빔을 생성하는 제2 포커싱 법칙을 얻기 위해 상기 제1 포커싱 법칙을 수정하는 것으로 이루어지는 단계를 추가로 포함하는데; 그에 따라 제1 포커싱 법칙을 수정하는 것에 의해, 결과적으로, 시험될 제1 섹터로부터 상류 측 또는 하류 측에 위치하게 되는 시험될 제2 섹터 위치에 도달할 수 있게 하는, 상기 최종 빔의 수정을 일으킨다. 그러므로 적용될 지연들의 간단한 전자적 처리가 시험될 모든 영역에 접근을 제공한다.
- 상기 방법은 모터에 의한 구동 샤프트의 중심축에 대한 환상 트랜스듀서의 회전을 전개하는 단계를 추가로 포함한다.
- 상기 방법은 여러 시기(occasion)에, 적어도 동일한 수의 요소들에 의해 상기 제1 포커싱 법칙에서의 각각의 지연을 각각의 시기에서 시프트하는 것에 의한, 상기 제 1 포커싱 법칙을 적용하는 단계를 추가로 포함한다.
- 상기 방법에서 사용되는 환상 트랜스듀서는 단일 링에 분포되는 8개의 독립적인 요소로 이루어진다.
- 상기 방법은,
-- 제1 지연을 제1 요소에, 상기 제1 지연보다 길거나 동일한 제2 지연을 제2 요소에 적용하고;
-- 제2 지연보다 긴 제3 지연을 제3 요소에, 제3 지연과 동일한 제4 지연을 제4 요소에, 제4 지연보다 긴 제5 지연을 제 5 요소에, 제5 지연과 동일한 제6 지연을 제6 요소에 적용하며;
-- 원형 초점에 집중되는 제7 기본 빔과 제8 기본 빔을 생성하고 그에 의해 초점으로부터 하류 측에 일반적인 원통 형상인 최종 빔을 생성하도록, 상기 제6 지연보다 긴 제7 지연을 제7 요소에, 제7 지연과 동일한 제8 지연을 제8 요소에 적용하는;
것으로 이루어지는 단계를 추가로 포함한다.
- 제1 요소, 제3 요소, 제7 요소 및 제5 요소는, 환상 트랜스듀서의 첫 번째 절반 부분에 연속적으로 위치하게 되고, 상기 환상 트랜스듀서의 전송 표면에 수직이면서 환상 트랜스듀서 상에 중심을 두는 평면에 관해, 개별적으로 상기 제2 요소, 제4 요소, 제8 요소 및 제6 요소에 대해 대칭이다.
- 상기 방법에서 사용되는 환상 트랜스듀서는, 트랜스듀서의 외주면 상에 배열되는 제1 외부 링과 트랜스듀서의 중심에 근접하여 배열되는 제2 내부 링을 포함하고, 상기 제1 및 제2 링은 동심이다.
- 상기 환상 트랜스듀서는, 제1 및 제2 링이 각각 16개의 요소를 포함하여, 32개의 독립적인 요소를 포함한다.
- 2개의 연속적인 기본 빔을 생성하도록 적용되는 지연은 대략 100 나노초의 정도이다.
- 제1 포커싱 법칙의 모든 지연들을 구성하는 지연들의 합은 환상 트랜스듀서를 구성하는 각 요소에 의해 전송되는 기본 빔의 전송 지속시간보다 짧다.
- 구동 샤프트는 원자로의 1차 펌프의 휠 샤프트이다.
본 발명 및 그의 상이한 적용들은 뒤따르는 설명을 읽고 첨부하는 도면을 참조하면 더 잘 이해될 것이다. 이 적용들은 예시의 방식으로 도시되고 본 발명의 범위를 결코 제한하지 않는다.
도 1은, 이미 설명된, 본 발명에 따른 방법으로 시험될 구동 샤프트의 예를 취한, 가압수로 냉각되는 원자로의 1차 펌프의 부분 단면도이다.
도 2는, 또한 이미 설명된, 도 1에 도시된 구동 샤프트의 더 큰 크기의 단면도이다.
도 3은, 또한 이미 설명된, 최신 기술에 따른 구동 샤프트를 시험하는 제1 방법을 나타낸 도면이다.
도 4는, 또한 이미 설명된, 최신 기술에 따른 구동 샤프트를 시험하는 제2 방법을 나타낸 도면이다.
도 5는, 또한 이미 설명된, 본 발명에 따른 방법으로 시험될 구동 샤프트를 나타낸 도면이다.
도 6은, 전자 포커싱의 원리를 나타낸 도면이다.
도 7은, 전자 편향의 원리를 나타낸 도면이다.
도 8은, 전자 포커싱 및 전자 편향 원리를 나타낸 도면이다.
도 9는, 본 발명에 따른 방법의 적용에 사용되는 트랜스듀서의 단순화된 제1 실시예이다.
도 10은, 본 발명에 따른 방법의 적용에 사용되는 트랜스듀서의 제2 실시예이다.
도 11은, 정적 시험의 틀 안에서 본 발명에 따른 방법의 적용을 나타낸 도면이다.
도 12는, 동적 시험의 틀 안에서 본 발명에 따른 방법의 적용을 나타낸 도면이다.
상이한 도면에서, 몇몇의 도면에 공통인 요소들은 달리 특정되지 않는 한 동일한 참조부호를 유지할 것이다.
본 발명에 따른 방법에서, 전자 포커싱 및 전자 편향의 원리가, 도 6 및 도 7에 개별적으로 도시된 바와 같이, 구동 샤프트의 상태의 시험을 수행하기 위하여 적용된다.
도 6에 도시된 예에서, 전자 포커싱의 원리는, 직선적 트랜스듀서(601)를 구성하는 다수의 독립적인 요소(600)에 대한 전송에서 적용되는 전자 지연들을 사용하는 것에 있다. 지연 법칙(602)(또는 포커싱 법칙)이 한 그룹(604)의 독립적인 연속 요소들(600)에 적용된다. 일반적으로 말하면, 복수-요소 트랜스듀서에 지연의 법칙의 적용은 단일 전기 펄스의 전송하는 것에 있고, 상기 펄스는 몇몇의 채널에 걸쳐 분포되며, 각 채널은 고려되는 트랜스듀서의 상이한 요소에서 종결되고; 각각의 채널은 또한 고려되는 채널의 출력 측에서 그것에 고유한 지연을 가능하게 하는 커패시턴스 또는 인덕턴스 타입의 다수의 수단을 구비한다.
지연 법칙(602)은, 도시된 독립적인 요소들의 그룹(604)의 주변에 위치하게 되는 요소들의 초음파 빔을 초기에 전송하는 것에 존재한다. 지연들은 이어서 그룹(604)의 다른 독립적인 요소에 적용되고, 각 독립적인 요소에 적용되는 지연은 고려되는 요소의 도시된 독립적인 요소의 그룹(604)의 주변으로부터의 거리에 대한 상승 함수이며, 더 많은 독립적인 그룹이 중심 위치를 차지함에 따라, 더 큰 지연이 거기에 적용된다. 그러므로, 고려되는 트랜스듀서(601)로부터의 초점거리(D)에 위치되는 초점(603)이 얻어진다. 초점거리(D)는 본질적으로 지연 법칙(602)의 진폭에 의존한다.
도 7에 도시된 실시예에서, 전자 편향의 원리가 직선적 트랜스듀서(601)를 구성하는 다수의 독립적인 요소(600)에 관하여 다시 예시된다. 여기서 다시, 연속적인 독립적인 요소(600)의 도시되는 그룹(604)으로의 전송에, 전자 지연들이 적용된다. 그룹(604)의 단부들 중 하나에 위치하게 되는 요소의 초음파 빔을 초기에 전송하는 것에 있는, 지연 법칙(700)이 고려되는 예에서 우측 단부에 적용된다. 지연들은 이어서 그룹(604)의 다른 독립적인 요소들에 적용되고, 각 독립적인 요소에 적용되는 지연은 고려되는 요소의 제1 전기 펄스가 적용된 요소로부터의 거리의 상승 함수이며, 더 많은 독립적인 요소가 전기 펄스에 의해 여기되는 제1 요소로부터의 거리인 위치를 차지함에 따라, 더 긴 지연이 거기에 적용된다. 그리므로, 초음파 빔을 전송한 마지막 요소의 위치에 상응하는 방향으로 편향되는, 범위가 넓은 빔이 획득된다.
앞으로의 설명에서, 포커싱 법칙이라는 용어는 일반적으로 트랜스듀서의 상이한 요소들에 적용될 다수의 지연을 언급하는 것이며, 상기 지연들은, 트랜스듀서에 의해 생성되는 최종 빔 상에, 편향, 포커싱 또는 편향과 포커싱 모두 중 어느 하나에 기여한다.
도 8은, 적당한 포커싱 법칙(80)에 근거하는 전자 포커싱의 원리 및 전자 편향의 원리의 조합이, 전자 편향의 원리 덕분에 도 6에 도시되는 직선적 트랜스듀서의 연속하는 독립적인 요소들(600)의 그룹(604)에 의해 합성되는, 초음파 빔(801)이 획득되는 것을 가능하게 한다는 사실을 예시한다.
본 발명에 따른 방법을 실행하기 위하여, 앞서 설명된 전자 포커싱 및 전자 편향의 원리를, 도 9에 도시된 단순화된 제1 실시예의 복수 -요소 환상 트랜스듀서(900)에 적용하도록 제안된다. 트랜스듀서(900)는 트랜스듀서를 구성하는 부피 전체에 걸쳐 규칙적으로 분포되는, 개별적으로 참조부호 901 내지 908까지의, 8개의 연속적인 독립적인 요소로 이루어진다. 그러한 트랜스듀서는 특히, 일반적인 원통 형상인, 도 11에 도시된, 최종 빔(1100)을 생성하는 것을 가능하게 한다.
그러한 빔을 얻기 위하여, 예를 들어 도 8의 포커싱 법칙(800)에 비교할 수 있는 포커싱 법칙을 적용하는 것이 가능하며; 그러한 포커싱 법칙은, 트랜스듀서의 첫 번째 절반을 이루는, 트랜스듀서의 첫 번째 4개의 연속적인 요소에 관련되고; 동일한 포커싱 법칙이 트랜스듀서의 첫 번째 4개의 요소에 대칭인 트랜스듀서의 나머지 4개의 연속하는 요소에 동시에 적용된다. 그러한 포커싱 법칙의 예는 그러므로, 뒤따르는 전송 순서들에 관하여, 각각의 요소(901 내지 908)와 연관되는 기본 초음파 빔을 전송하는 것에 존재한다:
- 첫 번째로, 요소(901) 및 요소(908)를 동시에 또는 거의 동시에 여기(즉, 100 나노초(ns) 미만의 여기 지연을 갖도록)하고, 그에 의해 생성되는 기본 빔들이 한 방향(1101)으로 합성되는 최종 빔의 편향을 얻기 위하여 주로 사용된다.
- 두 번째로, 요소들(902 및 907)을 동시에 또는 거의 동시에 여기하고, 이어서 요소들(904 및 905)을 동시에 또는 거의 동시에 여기하여; 그에 의해 생성되는 기본 빔들 또한 합성된 최종 빔의 편향 및 일반적으로 원형인 초점(1102)을 얻는 것에 기여한다.
- 세 번째로, 요소들(903 및 906)을 동시에 또는 거의 동시에 여기하고, 이 마지막 두 요소에 의해 생성되는 기본 빔은 이어서, 요소들(903, 906) 이전에 전송되기 시작한 기본 초음파 빔으로 인한 서로 접한 공간의 에너지 양 때문에, 초점(1102)에 물리적으로 집중될 것이지만, 요소들(903, 906)과 연관되는 기본 빔이 전송되고 있을 때 계속해서 전송된다. 요소들(903, 906)에서 그들의 생성물로부터 이 방식으로 집중되면, 이 두 요소에 의해 생성되는 기본 빔은 구동 샤프트에서 깊게 확산되는 것이 가능하고, 그들이 초점(1102) 너머에 채택하는 형상은 그들이 투영되는 샤프트(110)의 일반적인 원통 형상으로 인해 일반적인 원통형이며, 샤프트의 이러한 원통 형상은 이러한 기본 빔들이 발산하는 것을 방지한다. 그러한 현상은 실린더 효과라는 이름으로 알려진다.
도 10은 본 발명에 따른 방법의 임의의 실행에 사용되는 환상 트랜스듀서의 제2 실시예(1000)를 도시한다. 트랜스듀서(1000)는 2개의 동심 링에 분포되는 32개의 독립적인 요소로 이루어지는데, 16개의 요소를 포함하는 제1 링(1001)은 트랜스듀서(100)의 외주면을 구성한다. 그의 기능은, 그 안에서 16개의 요소를 또한 포함하는 제2 링(1002)에 의해 생성되고 환상 트랜스듀서(100)의 중심에 근처에 위치하게 되는 최종 초음파 빔으로 합성될, 중간 초음파 빔을 생성하는 것이다. 중간 초음파 빔은 이어서 주로 시험될 샤프트의 단면에서의 변화를 보정하는 역할을 수행하며, 사실 단면에서의 그러한 변화는, 그들의 높이에서, 합성된 최종 빔의 약간의 변형을 야기하고, 따라서 합성된 최종 빔이 미흡한 원통형이 되게 한다. 그러므로, 최종 빔의 원통 형상을 완전하게 하기 위하여, 중공의 원통형 섹션을 갖는 중간 빔의 생성을 위한 준비가 이루어지고, 따라서 최종 빔이 원통형 효과로부터 더욱 이점을 얻도록 하는 것을 보장한다.
그러므로 본 발명에 따른 방법에서:
- 초음파 빔은 기설정된 각도로 편향되어 생성될 것이다. 최종 빔에 의해 채택되는 상기 각도는 본질적으로, 트렌스듀서(900)의 제1 실시예를 참조하면, 요소들(901, 908)과 다른 요소들 사이에 적용되는 지연에 의존한다. 그러므로 편향은 요구가 있는 대로 조정되어, 샤프트의 전체 하부 섹션이 포커싱 법칙의 전자 지연의 부분적인 수정에 의해 동일한 트랜스듀서로 검사될 수 있도록 할 수 있다.
- 초음파 빔은, 샤프트의 원통형 형상의 이점을 취함에 의해 최종 빔 상에 높은 장거리 에너지 밀도를 부여하는, 일정한 단면적 및 시험될 영역을 포함하는 샤프트의 그 섹션의 지름의 1/3 미만의 지름을 갖도록 생성될 것이다.
본 발명에서, 주어진 최종 빔을 생성하기 위해 사용되는 트랜스듀서를 구성하는 상이한 요소들에 적용되는 지연들은, 일반적으로 그들의 합이 각각의 상기 요소들이 그의 기본 빔을 전송하는 동안의 시간보다 작은 것이 일반적이며, 일반적인 원통 형상을 갖는 획득되는 최종 빔은 그러므로 트랜스듀서를 구성하는 모든 요소들에 의해 발사되고 전송되는 모든 기본 빔들의 공간적 공존의 결과이고, 상기 상이한 발사들은 적용되는 포커싱 법칙에 의해 지시되는 지연들을 고려함에 의해 시작된 것이다.
외측 궤도와 최종 빔의 복귀 사이에서의 에너지의 손실은, 최종 빔이 샤프트(110)의 중앙 섹션에 존재하는 이질 영역(500)을 회피하기 때문에, 최소화되며; 시험되는 영역의 지름에 비교한 최종 빔의 작은 단면적은, 센서의 점진적인 회전에 의한 결함의 정확한 위치뿐만 아니라 결함의 크기와 형상에 대한 좋은 해상도를 제공한다. 합성된 최종 빔의 높은 에너지 밀도 때문에, 입사 에너지는 또한 회절에 의해 축 방향 크랙의 존재가 검출되는 것을 가능하게 한다. 다시 말해, 본 발명의 방법에 의해 얻어지는 원통형 초음파 빔은 긴 거리에 걸쳐 매우 강력하며, 파동 반사에서 뿐만 아니라 크랙 개구부 타입의 관찰되는 결함 상의 회절에서도 작동가능하게 한다.
본 발명에 따른 방법의 제1 실시예에서, 각각의 요소에 적용되는 전송 펄스들 사이의 상대적인 지연들은 고정된 정적 포커싱 법칙을 나타낸다. 도 12에 도시된 바와 같이, 트랜스듀서(900)는, 요구되는 거리에서의 샤프트(110)의 영역의 외주면(1201)을 스캔하기 위하여, 예를 들어 도시되지 않은 모터 타입의 회전 구동 기기에 의한, 자체의 기계적 회전(1200)에 의해 구동된다.
본 발명에 따른 방법의 제2 실시예에서, 기계적 회전은, 상이한 요소에 연속해서 적용되는 원형 전자 스캐닝에 의해 시험될 샤프트의 접근가능한 단부에서 움직일 수 없는 유지 트랜스듀서로 대체될 수도 있으며; 그러한 실행은, 특히 사용가능한 주변 공간이 회전 구동 기기의 사용을 허용하지 않는 경우, 중요하게 고려될 수도 있다. 그러나, 그러한 실행은 단지, 제1 실시예와 함께 이용할 수 있을 만큼 정확하지는 않은, 각도 정확성을 획득하도록 허용한다.
현재의 요건은 3.5미터 까지의 길이와 0.4미터 까지의 지름을 갖는 단조 스테인리스 스틸 샤프트에 관한 것이다. 필요할 경우, 본 발명에 따른 방법에서 사용되는 트랜스듀서는 더 큰 부품들을 시험하기 위해 적용될 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 속이 꽉찬 원통 형상인 회전 기기의 구동 샤프트(110)를 시험하는 방법에 있어서,
    - 시험 될 샤프트의 일단에, 각각 상기 구동 샤프트에서 길이 방향 파동의 초음파 기본 빔을 전송할 수 있는, 다수의 독립적인 요소를 포함하는 환상 트랜스듀서(900; 1000)를 구비하는 단계; 및
    - 상기 환상 트랜스듀서를 구성하는 요소들 중 적어도 일부에, 시험될 상기 구동 샤프트의 제1 특정 섹터를 타깃으로 하기 위해 기설정된 각도에서 편향되는 원통 형상의 제1 최종 빔(1100)을 생성하도록 상기 환상 트랜스듀서의 상이한 요소들 사이에서 고려될 다수의 전송 지연으로 구성되는, 기설정된 제1 포커싱 법칙을 적용하는 단계;로 이루어지는 상이한 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 기기의 구동 샤프트를 시험하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    시험될 상기 구동 샤프트의 제2 특정 섹터를 타깃으로 하기 위하여 제2 최종 빔을 생성하는 제2 포커싱 법칙을 얻도록 상기 제1 포커싱 법칙을 수정하는 것으로 이루어지는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 기기의 구동 샤프트를 시험하는 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    모터를 사용하여 상기 구동 샤프트의 중심축에 대하여 상기 환상 트랜스듀서를 회전시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 기기의 구동 샤프트를 시험하는 방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    여러 시기에, 적어도 동일한 수의 요소들에 의해, 상기 제1 포커싱 법칙에서의 각각의 지연을 각각의 시기에서 시프트하는 것에 의한, 상기 제 1 포커싱 법칙을 적용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 기기의 구동 샤프트를 시험하는 방법.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 환상 트랜스듀서는 단일 링에 분포되는 8개의 독립적인 요소(901 내지 908)를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 기기의 구동 샤프트를 시험하는 방법.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    제1 지연을 제1 요소(901)에, 상기 제1 지연보다 길거나 동일한 제2 지연을 제2 요소(908)에 적용하고;
    상기 제2 지연보다 긴 제3 지연을 제3 요소(902)에, 상기 제3 지연과 동일한 제4 지연을 제4 요소(907)에, 상기 제4 지연보다 긴 제5 지연을 제5 요소(904)에, 상기 제5 지연과 동일한 제6 지연을 제6 요소(905)에 적용하며; 그리고
    원형 초점(1102)에 집중되는 제7 기본 빔과 제8 기본 빔을 생성하고 그에 의해 초점으로부터 하류 측에 원통 형상을 갖는 최종 빔을 생성하도록, 상기 제6 지연보다 긴 제7 지연을 제7 요소(903)에 적용하고, 상기 제7 지연과 동일한 제8 지연을 제8 요소에 적용하는; 것으로 이루어지는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 기기의 구동 샤프트를 시험하는 방법.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제1 요소, 제3 요소, 제7 요소 및 제5 요소는, 상기 환상 트랜스듀서의 첫 번째 절반 부분에 연속적으로 위치하게 되고, 상기 제1 요소, 제3 요소, 제7 요소 및 제5 요소들은 상기 환상 트랜스듀서의 전송 표면에 수직이면서 환상 트랜스듀서 상에 중심을 두는 평면에 관해, 개별적으로 상기 제2 요소, 제4 요소, 제8 요소 및 제6 요소에 대해 대칭인 것을 특징으로 하는 회전 기기의 구동 샤프트를 시험하는 방법.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 환상 트랜스듀서는, 상기 환상 트랜스듀서의 외주면 상에 배열되는 제1 외부 링(1001) 및, 상기 환상 트랜스듀서의 중심에 인접하여 배열되는 제2 내부 링(1002)을 포함하고,
    상기 제1 외부 링 및 제 2 내부 링은 동심인 것을 특징으로 하는 회전 기기의 구동 샤프트를 시험하는 방법.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 환상 트랜스듀서는, 상기 제1 외부 링 및 제2 내부 링이 각각 16개의 요소를 포함하여, 32개의 독립적인 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 기기의 구동 샤프트를 시험하는 방법.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    2개의 연속적인 기본 빔을 생성하도록 적용되는 지연은 100 나노초 정도인 것을 특징으로 하는 회전 기기의 구동 샤프트를 시험하는 방법.
  11. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제1 포커싱 법칙의 모든 지연들을 구성하는 지연들의 합은 상기 환상 트랜스듀서를 구성하는 각 요소에 의해 전송되는 상기 기본 빔의 전송 시간보다 짧은 것을 특징으로 하는 회전 기기의 구동 샤프트를 시험하는 방법.
  12. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 구동 샤프트는 원자로의 1차 펌프의 휠 샤프트인 것을 특징으로 하는 회전 기기의 구동 샤프트를 시험하는 방법.
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