KR101400347B1 - 터빈 및 그 축 기울어짐 검사 방법 - Google Patents

터빈 및 그 축 기울어짐 검사 방법 Download PDF

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Abstract

터빈 및 그 축 기울어짐 검사 방법이 개시된다. 유입되는 유체에 의하여 회전하는 블레이드; 상기 블레이드의 회전축과 결합되어 상기 블레이드의 회전에 따라 함께 회전하는 로터; 상기 로터를 회전 가능하게 지지하는 베어링; 상기 로터를 둘러싸는 제1 케이싱; 및 상기 회전축의 축 기울어짐을 검사하기 위하여, 상기 제1 케이싱에 설치되어 상기 제1 케이싱의 일측으로부터 상기 로터까지의 거리를 측정하는 변위센서를 포함하는 터빈과 그 축 기울어짐 검사 방법이 제공된다.

Description

터빈 및 그 축 기울어짐 검사 방법{TURBINE AND METHOD FOR INSPECTING SHAFT TILTING THEREOF}
본 발명은 터빈 및 그 축 기울어짐 검사 방법에 관한 것이다.
일반적으로 배열을 이용하여 전력을 생산하는 유기랭킨사이클 발전 시스템의 터빈은 다수의 고정 부품들과 회전 부품들을 포함하며, 과열 또는 포화증기 상태 유체의 열에너지를 운동에너지로 변환하는 역할을 한다.
이러한 터빈은 여러 부품들 사이의 조밀한 공차에 의해 효율이 직접적으로 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 케이싱 등의 고정 부품과 고속으로 회전하는 터빈 블레이드 간의 공차가 작아져 서로 밀착하는 경우 부품들 사이에 마찰이 발생하며, 이 마찰은 터빈에 마찰열과 진동을 발생시키고, 그 결과 터빈과 시스템의 효율을 감소시킬 수 시키는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10- 0600338호(2006.07.05, 증기터빈 발전기 가동 중 정렬의 최적 상태 유지 장치 및 그 방법)에 개시되어 있다.
본 발명의 실시예들은, 변위센서를 포함하는 터빈과 변위센서를 이용한 터빈 축 기울어짐 검사 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 유입되는 유체에 의하여 회전하는 블레이드; 상기 블레이드의 회전축과 결합되어 상기 블레이드의 회전에 따라 함께 회전하는 로터; 상기 로터를 회전 가능하게 지지하는 베어링; 상기 로터를 둘러싸는 제1 케이싱; 및 상기 회전축의 축 기울어짐을 검사하기 위하여, 상기 제1 케이싱에 설치되어 상기 제1 케이싱의 일측으로부터 상기 로터까지의 거리를 측정하는 변위센서를 포함하는 터빈이 제공된다.
상기 변위센서에 의하여 기설정된 시간 동안 측정되는 거리의 평균이 기설정된 기준값 이상인 경우 상기 회전축의 축 기울어짐이 발생한 것으로 판단하는 판단부를 더 포함할 수 있다.
상기 블레이드 및 상기 로터의 회전에 의한 진동을 측정하기 위하여 상기 베어링에 설치되는 진동센서를 더 포함할 수 있다.
상기 블레이드를 둘러싸는 제2 케이싱; 및 상기 블레이드와 상기 제2 케이싱 간의 마찰에 의한 열을 측정하기 위하여 상기 제2 케이싱에 설치되는 온도센서를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 케이싱은 상기 블레이드와 반대 측으로 갈수록 단면적이 점점 커지게 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 증기에 의하여 회전하는 블레이드의 회전축과 연결되어 상기 블레이드의 회전과 함께 회전하는 로터를 둘러싸는 제1 케이싱에 설치된 변위센서가 상기 제1 케이싱의 하측에서 상기 로터까지의 거리를 기설정된 시간 동안 측정하는 단계; 및 상기 변위센서에 의하여 기설정된 시간 동안 측정되는 상기 제1 케이싱의 일측에서 상기 로터까지의 거리 평균이 기설정된 기준값 이상인 경우, 상기 회전축의 축 기울어짐이 발생한 것으로 판단하는 단계를 포함하는 터빈 축 기울어짐 검사 방법이 제공된다.
상기 변위센서가 상기 제1 케이싱의 하측에서 상기 로터까지의 거리를 기설정된 시간 동안 측정하는 단계 이전에, 상기 로터와 상기 블레이드의 회전축을 연결하는 베어링에 설치된 진동센서가 상기 로터와 상기 블레이드의 회전축의 진동을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 변위센서가 상기 제1 케이싱의 하측에서 상기 로터까지의 거리를 기설정된 시간 동안 측정하는 단계 이전에, 상기 블레이드를 둘러싸는 제2 케이싱에 설치된 온도센서가 상기 블레이드와 상기 제2 케이싱 간의 마찰에 의한 열을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 터빈의 축 기울어짐을 검사하여 발전기의 고장을 미리 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈을 포함하는 발전기를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 변위센서를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 축 기울어짐 검사 방법을 나타낸 흐름도.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 터빈 및 그 축 기울어짐 검사 방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈을 포함하는 발전기를 나타낸 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 변위센서를 나타낸 도면이다.
도 1를 참조하면, 발전기는 유체를 증발시키는 증발기, 증발된 유체에 의하여 회전되는 터빈, 터빈의 회전에 따라 전기를 생산하는 발전부, 증발된 유체를 응축시키는 응축기 그리고 응축된 유체를 다시 증발기로 유입시키는 펌프를 포함할 수 있다. 발전기는 유기랭킨사이클일 수 있다.
도 2를 참조하면, 터빈(100)은 블레이드(110), 로터(120), 베어링(130), 진동센서(135), 제1 케이싱(140), 변위센서(145), 제2 케이싱(150), 온도센서(155) 및 판단부(160)를 포함할 수 있다.
블레이드(110)는 유입되는 유체에 의하여 회전하는 부분이다. 유체는 증기일 수 있다.
로터(120)는 블레이드(110)의 회전축과 결합되어 블레이드(110)의 회전에 따라 함께 회전하는 부분이다. 발전부는 로터(120)와 연결되어 전기를 생산할 수 있다.
베어링(130)은 로터(120)를 회전 가능하게 지지하는 부분이다.
베어링(130)에는 진동센서(135)가 결합될 수 있다. 진동센서(135)는 로터(120)와 블레이드(110)의 회전 시 발생하는 진동을 측정할 수 있다. 진동센서(135)는 실시간으로 진동을 측정하며, 정상치에서 일정 범위 이상 벗어나게 되면 회전축의 축 기울어짐이 발생한 것으로 판단될 수 있다.
제1 케이싱(140)은 로터(120)를 둘러싸는 하우징이다. 제1 케이싱(140)의 하측은 지면에 고정되어 있으며, 회전축의 축 기울어짐이 발생하더라도 제1 케이싱(140)에의 위치에는 변화가 없다. 제1 케이싱(140)은 로터(120)를 보호할 수 있다.
제1 케이싱(140)의 일측에는 변위센서(145)가 결합될 수 있다. 이 경우, 변위센서(145)는 제1 케이싱(140)의 하측에 설치될 수 있다. 변위센서(145)는 제1 케이싱(140)의 일측 예를 들어 하측으로부터 로터(120)까지의 거리를 측정할 수 있다.
변위센서(145)의 측정에 의하여 회전축의 축 기울어짐을 판단할 수 있게 된다.
도 3을 참조하면 축 기울어짐을 판단하기 위하여 변위센서(145)가 제1 케이싱(140)과 로터(120)까지의 거리를 측정하는 것이 도시되어 있다. 도 3에서, 실선은 회전축이 정상 상태일 때이며, 점선은 회전축에 축 기울어짐이 발생한 상태이다.
즉, 축 기울어짐이 발생한 경우, 제1 케이싱(140)과 로터(120) 사이의 거리가 변하게 된다. 이를 이용하여, 변위센서(145)에 의하여 축 기울어짐 여부 및 정도가 판단될 수 있다.
변위센서(145)는 기설정된 시간 동안 제1 케이싱(140)과 로터(120)까지의 거리를 측정할 수 있다. 이 경우, 변위센서(145)에 의하여 기설정된 시간 동안 측정되는 제1 케이싱(140)과 로터(120)까지의 거리의 평균에 따라 축 기울어짐이 판단될 수 있다.
예를 들어, 변위센서(145)는 6시간 또는 24시간 동안 제1 케이싱(140)과 로터(120)까지의 거리를 측정하며, 그 시간 동안의 제1 케이싱(140)과 로터(120)까지의 거리의 평균에 따라 축 기울어짐이 판단될 수 있다.
또한, 진동센서(135)와 연계되어, 진동센서(135)가 실시간으로 진동을 측정하다가 진동이 정상 상태를 벗어나 크게 측정되는 경우, 그 시점을 기준으로 전 세시간, 후 세시간 동안 측정된 로터(120)까지의 거리의 평균에 따라 축 기울어짐이 판단될 수 있다.
제2 케이싱(150)은 블레이드(110)를 둘러쓰는 하우징이다. 제2 케이싱(150)은 제1 케이싱(140) 일측에 결합될 수 있다. 제2 케이싱(150)은 블레이드(110)를 보호할 수 있다.
제2 케이싱(150)에는 온도센서(155)가 결합될 수 있다. 온도센서(155)는 블레이드(110)와 제2 케이싱(150) 간의 마찰에 의한 열 발생 정도를 측정할 수 있다. 마찰이 발생한다는 것은 회전축의 축 기울어짐이 발생한 것으로 간주되며, 측정되는 온도가 일정값 이상이 되는 경우 축 기울어짐이 발생한 것으로 판단될 수 있다.
제2 케이싱(150)은 블레이드(110)와 반대 측으로 갈수록 단면적이 점점 커질 수 있다. 이는 고압의 유체가 넓은 단면적을 통과하면서 유속이 느려지도록 하기 위함이다.
온도센서(155)는 진동센서(135) 및 변위센서(145)와 연계될 수 있다. 먼저, 온도센서(155)로 온도를 실시간으로 측정하며, 온도가 일정값 이상으로 측정되는 경우 진동센서(135)가 진동을 측정할 수 있다. 또한 측정되는 진동이 일정값 이상인 경우 변위센서(145)로 로터(120)까지의 거리를 측정할 수 있다.
상술한 세 가지의 판단 기준으로 회전축의 축 기울어짐 여부를 판단할 수 있으며, 이러한 방식은 효율적이고 정확할 수 있다.
판단부(160)는 축 기울어짐 발생 여부를 판단할 수 있다. 판단부(160)는 상술한 온도센서(155), 진동센서(135), 변위센서(145)와 연결됨으로써, 각각의 센서에 의하여 측정되는 값에 따라 축 기울어짐 발생을 판단할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈에 대하여 설명하였다. 다음으로 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 축 기울어짐 검사 방법에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 축 기울어짐 검사 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 온도센서(155)가 제2 케이싱(150)의 온도를 측정하는 단계(S110), 진동센서(135)가 회전축의 진동을 측정하는 단계(S120), 변위센서(145)가 제1 케이싱(140)과 로터(120)까지의 거리를 측정하는 단계(S110)를 포함할 수 있다.
온도센서(155)가 제2 케이싱(150)의 온도를 측정하는 단계(S110)는, 제2 케이싱(150)에 결합된 온도센서(155)가 제2 케이싱(150)의 온도를 측정하는 단계로, 블레이드(110)와 제2 케이싱(150) 간의 마찰 발생 여부를 판단하기 위한 단계이다. 즉, 온도센서(155)에 의하여 마찰에 의해 열이 발생하였는지가 판단될 수 있다. 이로써 회전축의 축 기울어짐이 판단될 수 있다.
온도센서(155)에 의하여 측정되는 온도가 정상값을 가지는지를 판단하고(S115), 온도가 정상값을 가지는 경우, 회전축이 정상 상태인 것으로 판단될 수 있다(S150).
이 경우, 정상값은 축 기울어짐이 없을 때 해당 RPM 값에 대하여 갖게 되는 온도를 의미하며, 축 기울어짐이 없는 경우의 데이터를 수집하여 설정될 수 있다. 따라서, 온도센서(155)에 의하여 온도가 측정되는 경우, 그 당시의 RPM도 함께 측정되어야 한다.
진동센서(135)가 회전축의 진동을 측정하는 단계(S120)는, 온도센서(155)에 의하여 측정되는 온도에 따라 회전축이 정상 상태가 아니라고 판단되는 경우, 베어링(130)에 결합된 진동센서(135)가 회전축의 진동을 측정하는 단계이다. 진동의 정도가 큰 경우는 회전축의 축 기울어짐이 발생한 것으로 판단될 수 있다.
진동센서(135)에 의하여 측정되는 진동이 정상값을 가지는지를 판단하고(S125), 진동이 정상값을 가지는 경우, 회전축이 정상 상태인 것으로 판단될 수 있다(S150).
이 경우, 정상값은 축 기울어짐이 없을 때 해당 RPM 값에 대하여 갖게 되는 진동의 크기를 의미하며, 축 기울어짐이 없는 경우의 데이터를 수집하여 설정될 수 있다. 따라서, 진동센서(135)에 의하여 온도가 측정되는 경우, 그 당시의 RPM도 함께 측정되어야 한다.
변위센서(145)가 제1 케이싱(140)과 로터(120)까지의 거리를 측정하는 단계(S110)는, 진동센서(135)에 의하여 측정되는 진동에 따라 회전축이 정상 상태가 아니라고 판단되는 경우, 제1 케이싱(140)에 결합된 변위센서(145)에 의하여 제1 케이싱(140)과 로터(120)까지의 거리를 측정하는 단계이다.
회전축의 축 기울어짐이 발생하는 경우에는 도 3에 도시된 바와 같이 제1 케이싱(140)과 로터(120)까지의 거리가 달라진다.
변위센서(145)는 기설정된 시간 동안 제1 케이싱(140)과 로터(120)까지의 거리를 측정하고 그 평균에 따라 회전축의 축 기울어짐 발생이 판단될 수 있다. 기 경우, 기설정된 시간은 진동센서(135)에서 비정상으로 판단된 경우, 그 시점으로부터 전후 일정시간이 될 수 있다.
변위센서(145)에 의하여 기설정된 시간 동안 측정되는 제1 케이싱(140)과 로터(120)까지의 거리 평균이 정상치인가를 비교하고(S135), 제1 케이싱(140)과 로터(120)까지의 거리 평균이 정상치인 경우에는 회전축이 정상 상태라고 판단되며(S150), 제1 케이싱(140)과 로터(120)까지의 거리 평균이 정상치를 벗어나는 경우 회전축에 축 기울어짐이 발생한 것으로 판단된다(S140).
이 경우, 정상치는 축 기울어짐이 없을 때 해당 RPM 값에 대하여 갖게 되는 거리를 의미하며, 따라서, 변위센서(134)에 의하여 거리가 측정되는 경우, 그 당시의 RPM도 함께 측정되어야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈과 그 축 기울어짐 검사 방법에 의하면, 온도센서, 진동센서 및 변위센서에 의하여 축 기울어짐을 용이하게 판단할 수 있으며, 효율적으로 검사할 수 있다. 축 기울어짐이 발생한 경우 발전기를 수리 및 복구할 수 있으므로 결과적으로 발전기의 고장이 미리 방지될 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100: 터빈
110: 블레이드
120: 로터
130: 베어링
135: 진동센서
140: 제1 케이싱
145: 변위센서
150: 제2 케이싱
155: 온도센서
160: 판단부

Claims (8)

  1. 유입되는 유체에 의하여 회전하는 블레이드;
    상기 블레이드의 회전축과 결합되어 상기 블레이드의 회전에 따라 함께 회전하는 로터;
    상기 로터를 회전 가능하게 지지하는 베어링;
    상기 로터를 둘러싸는 제1 케이싱; 및
    상기 회전축의 축 기울어짐을 검사하기 위하여, 상기 제1 케이싱에 설치되어 상기 제1 케이싱의 일측으로부터 상기 로터까지의 거리를 측정하는 변위센서를 포함하는 터빈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변위센서에 의하여 기설정된 시간 동안 측정되는 거리의 평균이 기설정된 기준값 이상인 경우 상기 회전축의 축 기울어짐이 발생한 것으로 판단하는 판단부를 더 포함하는 터빈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드 및 상기 로터의 회전에 의한 진동을 측정하기 위하여 상기 베어링에 설치되는 진동센서를 더 포함하는 터빈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드를 둘러싸는 제2 케이싱; 및
    상기 블레이드와 상기 제2 케이싱 간의 마찰에 의한 열을 측정하기 위하여 상기 제2 케이싱에 설치되는 온도센서를 더 포함하는 터빈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 케이싱은 상기 블레이드와 반대 측으로 갈수록 단면적이 점점 커지게 형성되는 것을 특징으로 하는 터빈.
  6. 증기에 의하여 회전하는 블레이드의 회전축과 연결되어 상기 블레이드의 회전과 함께 회전하는 로터를 둘러싸는 제1 케이싱에 설치된 변위센서가 상기 제1 케이싱의 하측에서 상기 로터까지의 거리를 기설정된 시간 동안 측정하는 단계; 및
    상기 변위센서에 의하여 기설정된 시간 동안 측정되는 상기 제1 케이싱의 일측에서 상기 로터까지의 거리 평균이 기설정된 기준값 이상인 경우, 상기 회전축의 축 기울어짐이 발생한 것으로 판단하는 단계를 포함하는 터빈 축 기울어짐 검사 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 변위센서가 상기 제1 케이싱의 하측에서 상기 로터까지의 거리를 기설정된 시간 동안 측정하는 단계 이전에,
    상기 로터와 상기 블레이드의 회전축을 연결하는 베어링에 설치된 진동센서가 상기 로터와 상기 블레이드의 회전축의 진동을 측정하는 단계를 더 포함하는 터빈 축 기울어짐 검사 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 변위센서가 상기 제1 케이싱의 하측에서 상기 로터까지의 거리를 기설정된 시간 동안 측정하는 단계 이전에,
    상기 블레이드를 둘러싸는 제2 케이싱에 설치된 온도센서가 상기 블레이드와 상기 제2 케이싱 간의 마찰에 의한 열을 측정하는 단계를 더 포함하는 터빈 축 기울어짐 검사 방법.
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