KR101405274B1

KR101405274B1 - 터빈 발전기용 로터 샤프트의 디지털 런아웃 측정장치

Info

Publication number: KR101405274B1
Application number: KR1020120137952A
Authority: KR
Inventors: 이창규; 강호경
Original assignee: 현진소재주식회사
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2014-06-13

Abstract

본 발명은 발전용 터빈 로터 샤프트의 런아웃 측정 장치에 관한 것으로서, 로터 샤프트를 회전시켜 가며 냉간 및 열간 런아웃을 측정함에 있어서 측정 작업을 신속, 정확 및 용이하게 할 수 있도록 개선된 로터 샤프트의 디지털 런아웃 측정장치에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명에서는, 열안정 시험 장비의 주축대와 심압대에 고정되어 회전하는 로터 샤프트의 런아웃 값을 측정하기 위한 것으로서, 상기 로터 샤프트의 길이 방향으로 바닥면에 설치되는 레일(201) 상에서 이동하는 이동 대차(210); 상기 이동 대차 상에 고정되는 높이조절 프레임(220)에 승강이 가능하도록 장착되는 승강 블럭(223); 상기 승강 블럭에 힌지핀(231)에 의하여 결합하여 시이소 운동하는 게이지 바(230); 상기 게이지바의 일측 선단부에 접촉하도록 상기 이동 대차 상에 마련되는 측정 게이지(240); 상기 측정 게이지에 케이블에 의하여 연결되어 측정 게이지에서 측정한 런아웃 수치 데이터를 변환하고 저장하는 측정 데이터 기록장치(250); 및 상기 열안정 시험 장비 주축대에 마련되어 상기 측정 데이터 기록장치에 케이블에 의하여 연결되며 상기 주축대의 회전축의 회전 각도를 검출하기 위한 분각 센싱부를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 발전기용 로터 샤프트의 디지털 런아웃 측정장치를 제안한다.

Description

터빈 발전기용 로터 샤프트의 디지털 런아웃 측정장치{A digital run out gauging device of a turbine rotor shaft}

본 발명은 발전용 터빈 로터 샤프트의 런아웃 측정 장치에 관한 것으로서, 로터 샤프트를 회전시켜 가며 냉간 및 열간 런아웃을 측정함에 있어서 측정 작업을 신속, 정확 및 용이하게 할 수 있도록 개선된 로터 샤프트의 디지털 런아웃 측정장치에 관한 것이다.

터빈 발전기용 로터 샤프트는 터빈으로부터 회전운동을 이어받아 전기를 생성하는 발전기의 중심 축으로서 분당 최고 3600회에 달하는 회전을 견딜 수 있도록 고강도여야 하고, 고도의 소재 청정도가 요구돼 제작이 매우 까다로운 제품이다.

이러한 터빈 발전기용 로터 샤프트(이하 단순히 로터 샤프트라고 한다)는 단조 및 기계 가공에 의하여 제조되는데 단조 및 정삭 및 황삭 등의 기계 가공 후 열안정 시험을 거치게 된다.

열안정 시험이란 로터 샤프트를 상온과 약 200~650의 고온에서 회전시켜가며 런아웃 정도를 측정하여 고온에서 어느 방향으로 얼마나 로터 샤프트의 중심축이 이동하는지를 확인하는 시험이다.

도1은 로터 샤프트의 열안정 시험 공정 단계를 나타내는 그래프이고 도2는 종래의 방법에 의한 런아웃 측정 결과를 나타내는 도면이다.

단조 등에 의하여 제조되는 로터 샤프트(10)는 직경이 서로 다른 양측 선단부인 제1저널부(11)와 제2저널부(12) 및 베럴부(barrel,13)로 이루어진다.

상기 로터 샤프트(10)는 단조 및 기계 가공 후에 도2에 도시한 바와 같이 열안정 시험기의 주축대(headstock,21)와 심암대(tailstock,22)에 물려 상온에서 회전시켜 가며 상하 및 좌우의 런아웃을 측정하게 된다.

런아웃의 측정은 상온에서 수행하는 제1냉간 측정 단계, 고온으로 가열한 후 측정하는 고온 측정 단계(II) 및 다시 상온으로 냉각시켜 측정하는 제2냉간 측정 단계(III)로 이루어진다.

이때 도시한 바와 같이 제1냉간 측정 단계(I)에서 로터 샤프트(10)의 도시한 세 지점인 테스트 밴드(#1,#2,#3)의 원형 단면을 기준으로 상하 또는 좌우의 런아웃 수치 값이 5/100 mm 이내의 값을 가져야만 다음 단계인 고온 측정 단계(II)로 넘어갈 수 있다.

도2의 경우 제1냉간 측정 단계에서의 런아웃 측정값이 0.08(8/100)mm로서 기준 값인 0.05mm를 초과하므로 다음 단계인 고온 측정 단계(II)로 넘어가기 전에 런아웃 오차를 보정해야 한다.

종래 이러한 런아웃 값을 측정하기 위하여 열안정 시험 장비(100)에 고정 지지 되어 회전하는 로터 샤프트(10)의 목적 테스트 밴드 지점의 외주면에 다이알 게이지를 접촉하도록 위치시킨 후 회전하는 로터 샤프트(10)의 상하좌우의 런아웃 값을 측정하였다.

그런데 종래의 런아웃 측정 방법의 경우 단순히 아날로그 방식의 게이지인 다이알 게이지의 탐침을 로터 샤프트의 축부 외경면에 접촉시킨 상태로 셋팅한 후 작업자가 일정시간마다(예를 들어 1시간마다) 다이알 게이지의 수치를 눈으로 확인한 후 기록지에 기록하는 방식으로 수행하였으므로 매우 불편하고 게이지 수치의 오독 우려가 높았다.

또한 정해진 시간을 지키지 못하고 게이지 측정값을 확인하지 못하고 누락시키는 경우 다시 측정해야하므로 매우 번거롭고 작업자의 피로도를 증가시키는 문제가 있었다.

따라서 측정이 보다 간편하고 작업자가 항시 대기하거나 수시로 런아웃 값을 확인하고 기록하는 불편이 없도록 측정 장치를 개선할 필요가 생기게 되었다.

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본 발명의 목적은 터빈 발전기용 로터 샤프트의 열안정 시험을 수행하기 위한 런아웃 수치 값을 자동으로 신속하고 편리하게 측정하고 측정 데이터를 축적 및 변환할 수 있도록 함으로써 작업자의 업무 강도를 완화하고 측정 오차 및 기록 오차로 인한 계측 신뢰도 저하나 재측정의 불경제를 제거하고자 하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 열안정 시험 장비의 주축대(110)와 심압대(120)에 고정되어 회전하는 로터 샤프트(10)의 런아웃 값을 측정하기 위한 장치로서, 상기 로터 샤프트(10)의 길이 방향으로 바닥면에 설치되는 레일(201) 상에서 이동하는 이동 대차(210); 스크류축(221)과, 상기 스크류축(221)을 따라 상하로 일정수직높이만큼 승, 하강이 가능한 승강 블럭(223)이 마련되어 이동 대차(210) 상에 고정되는 높이조절 프레임(220); 상기 승강 블럭(223)에 힌지핀(231)에 의하여 결합하여 시이소 운동하는 게이지 바(230); 상기 게이지바(230)의 일측 선단부에 접촉하도록 이동 대차(210) 상에 마련되는 측정 게이지(240); 상기 측정 게이지(240)에 케이블에 의하여 연결되어 측정 게이지(240)에서 측정한 런아웃 수치 데이터를 변환하고 저장하는 측정 데이터 기록장치(250); 상기 주축대(110)의 회전축 회전 각도를 검출하기 위하여, 주축대(110)의 회전축 연장부(113)의 외주면 상에 회전축 연장부(113)의 길이 방향으로 이격하여 일렬로 배치하여 형성하되 상기 회전축 연장부(113)의 외주면을 90°간격으로 분할하는 위치에서 돌출하도록 마련되는 제1 내지 제4 분각 돌기(114a~114d)와, 상기 제1 내지 제4 분각 돌기(114a~114d)에 각 대응하도록 주축대(110)에 고정 부착되는 제1 내지 제4센서(115a~115d)로 이루어져, 측정 데이터 기록장치(250)와 케이블로 연결되는 분각 센싱부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 발전기용 로터 샤프트의 디지털 런아웃 측정장치를 제안한다.

여기서, 상기 게이지바(230)의 양측 선단부는 하향 절곡되어 벤딩 선단부(230a,230b)를 이루는 것이 바람직하다.

삭제

본 발명에 의하면 로터 샤프트의 런아웃 수치를 측정함에 있어서 로터 샤프트의 90°회전 각도마다 자동으로 런아웃 수치가 측정, 기록, 변환 및 저장되므로 작업자가 일일이 일정시간마다 런아웃 게이지를 읽고 기록할 필요가 없어 매우 편리하다.

특히, 모든 런아웃 측정 데이터가 작업자의 관여 없이 자동으로 기록 및 저장되므로 언제든지 축적된 측정 데이터를 확인 및 관리할 수 있다는 장점이 있다.

또한 본 발명에 의하면 길이 방향의 측정 위치 및 축부 직경에 따라 측정장치의 위치를 가변시켜 신속하게 셋팅할 수 있으므로 작업 속도가 빠르고 공정 효율이 향상되는 이점이 있다.

도1은 로터 샤프트의 열안정 시험 공정 단계를 나타내는 그래프.
도2는 종래의 방법에 의한 런아웃 측정 결과를 나타내는 도면.
도3은 본 발명에 따른 열안정 시험장비의 개략적인 정면 배치도.
도4는 도3의 절단선 C-C 및 B-B에 따른 단면도.
도5는 본 발명에 따른 열안정 시험장비의 개략적인 부분 단면도.
도6은 본 발명에 따른 디지털 런아웃 측정장치의 측면 레이 아웃도.
도7 은 본 발명에 따른 분각 센싱부의 확대도.
도8은 본 발명에 따른 런아웃 자동 측정 결과 화면의 일례를 보인 도면.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구성과 작동원리를 설명한다. 도3은 본 발명에 따른 열안정 시험장비의 개략적인 정면 배치도이고, 도4는 도3의 절단선 C-C 및 B-B에 따른 단면도이며, 도5는 본 발명에 따른 열안정 시험장비의 개략적인 부분 단면도이다.

본 발명의 열안정 시험 장비(100)는 크게 좌측의 주축대(110), 상기 주축대(110)에 대향하여 마주보도록 위치하는 심압대(120) 및 상기 주축대(110)와 심압대(120)의 중간에 위치하는 가열로(130)를 포함하여 이루어진다.

상기 주축대(110)는 런아웃을 측정할 터빈 발전기용 로터 샤프트(10)의 제1저널부(11)를 고정하여 회전시키기 위한 것으로서 제1저널부(11)의 외경을 가압하여 지지하는 척(111)과 상기 제1저널부(11)의 측단면의 센터를 접촉 지지하기 위한 센터링 첨체(112)를 포함한다.

상기 터빈 발전기용 로터 샤프트(10)는 양측 선단부에 축부인 제1저널부(11)와 제2저널부(12)를 가지며, 상기 제1저널부(11)와 제2저널부(12)의 사이에 베럴부(13)를 가진다. 상기 베럴부(13)는 후에 터빈 블레이드가 장착되는 부분이다.

상기 심압대(120)는 로터 샤프트(10)의 길이에 맞도록 베드(101) 상에서 좌우로 슬라이드 이동할 수 있도록 구성되며, 주축대(110)와 마찬가지로 제2저널부(12)를 고정하여 회전 지지하기 위한 척(121)과 제2저널부(12) 측단면의 센터를 지지 고정하기 위한 센터링 첨체(122)를 포함하여 구성된다.

상기 가열로(130)는 내부에 장착되는 로터 샤프트(10)를 약 200~650℃로 가열하여 고온 상태에서 런아웃 정도를 측정하기 위한 것으로서 전체적으로는 중공 원기둥 형상을 이룬다.

상기 가열로(130)는 원기둥을 종축 방향으로 절단한 형상을 가지는 상반체(131)와 하반체(132)로 이루어진다. 도면에서 미설명 부호 133은 점검창을 나탄내고, 134는 판면에 샤프트 통과공(135)이 형성되는 사이드 커버를 나타낸다.

상기 가열로는 전기 저항 가열 방식인 것이 바람직하며, 내부 벽면에는 세라믹 내화재가 형성된다.

이러한 열안정 시험 장비(100)를 이용하여 열안정 시험을 수행하는 방법을 설명하면 다음과 같다.

우선 크레인 등을 이용하여 중량이 수톤에서 수십톤에 이르는 중량물인 로터 샤프트(10)를 주축대(110)와 심압대(120)에 장착하여 지지한다.

이후 가열로(130)를 승온시키지 않은 상온 상태에서 주축대(110)의 척(111)을 회전시켜 가며 로터 샤프트(10) 상의 다수의 테스트 벤드 지점에서의 런아웃 값을 측정한다.

이때 특정 지점에서의 런아웃 값의 측정은 후술할 본 발명의 디지털 런아웃 측정장치(200)를 사용하여 측정한다. 즉, 게이지바(230)의 일측 선단부가 로터 샤프트(10)의 측정 지점의 외주면에 접촉하도록 하고, 타측 선단부가 측정 게이지(240)의 게이지 프로브(gauge probe,242)에 접촉하도록 위치시킨 후 로터 샤프트(10)를 회전시킬 때 게이지 프로브(242)가 상하로 진동하는 변위를 측정하게 되는 것이다.

이렇게 측정한 값이 전술한 도2에서와 같이 5/100mm을 초과하는 경우에는 다음 단계인 고온 측정 단계로 나아가지 못하고 로터 샤프트(10)를 열안정 시험 장비(100)에 재장착하여 보거나 다시 정밀한 기계 가공을 하는 과정을 반복한다.

도6은 본 발명에 따른 디지털 런아웃 측정장치의 측면 레이 아웃도이다. 도시한 바와 같이 본 발명의 디지털 런아웃 측정 장치(200)는 크게 이동 대차(210), 높이 조절 프레임(220), 게이지바(230), 측정 게이지(240) 및 측정 데이터 기록장치(250)로 이루어진다.

상기 이동 대차(210)는 열안정 시험 장비(100)에 로딩되는 로터 샤프트(10)의 길이 방향으로 바닥면 상에 형성되는 레일(201) 상에서 이동하도록 형성된다. 이를 위하여 이동 대차(210)에는 상기 레일(201) 상에서 구르는 휠(211)이 회전 가능하게 장착된다.

또한 상기 이동 대차(210) 상에는 다수의 위치 고정 수단(212)이 형성되는데 이는 이동 대차(210)가 일단 정확한 목표 위치로 이동한 후에는 레일(201) 상에서 이동하지 못하도록 바닥면에 고정하는 역할을 한다.

본 실시예에서는 상기 위치 고정 수단(212)을 축부의 하단이 뾰족하고 축부의 중간부에 나사산이 형성되는 볼트 형상으로 하였다. 따라서 이동 대차(210)를 위치 고정시키고자 하는 경우 축부의 나사산을 이용하여 위치 고정 수단(212)을 나선 회전시킴으로써 축부 하단의 첨단부가 바닥면에 접촉하도록 하강시키면 된다.

이동 대차(210)를 레일(201) 상에서 로터 샤프트(10)의 길이 방향으로 이동시키고자 하는 경우에는 반대로 위치 고정 수단(212)을 회전시켜 바닥면에서 상승하도록 하면 된다.

상기 이동 대차(210)의 우측 상면에는 높이 조절 프레임(220)이 고정 부착되며, 상기 높이 조절 프레임(220)에는 외주면에 나사산이 형성되는 스크류축(221)이 회전 가능하게 세로로 장착된다.

상기 스크류축(221)의 상단에는 높이 조절 핸들(222)이 형성되고, 상기 스크류축(221)의 외주면 나사산에는 승강블럭(223)이 나사 결합하여 스크류축(221)의 회전에 따라 승강한다. 상기 승강블럭(223)의 상하 이동은 상기 높이 조절 프레임(220)에 의하여 안내된다.

상기 승강블럭(223)에는 게이지바(230)가 힌지핀(231)에 의하여 시이소 운동하도록 장착된다. 상기 게이지바(230)의 길이 방향 전단부와 후단부에는 하향 절곡된 형상의 벤딩 선단부(230a,230b)가 형성된다.

상기 게이지바(230) 전방(도면에서 우측 선단)에 위치하는 벤딩 선단부(230a)는 열안정 시험 장비(100)의 주축대(110)와 심압대(120)에 회전 지지되는 로터 샤프트(10)의 저널부(11,12) 또는 베럴부(13)의 외주면 상에 접촉하도록 위치된다.

상기 게이지바(230)의 후방(도면에서 좌측 선단)에 위치하는 벤딩 선단부(230b)는 이동 대차(210) 상의 측정 게이지(240)의 게이지 프로브(242)에 접촉하도록 위치한다.

따라서 회전하는 로터 샤프트(10)의 축부 외주면 상의 상하 진동 변위가 게이지 프로브(242)에 의하여 측정되고 측정된 변위 값이 케이블(243)에 의하여 전기적으로 연결된 측정 데이터 기록장치(250)로 전송,기록 및 저장된다. 도면에서 미설명 부호 241은 게이지 고정대를 나타낸다.

이와 같은 과정을 거치면 로터 샤프트(10)가 회전하는 동안 발생하는 런아웃 수치를 측정할 수 있게 된다.

도7은 본 발명에 따른 분각 센싱부의 확대도이다. 본 발명에서는 전술한 디지털 런아웃 측정장치(200)의 원활한 작동을 위하여 주축대(110)의 회전축의 연장선상에 별도의 분각 센싱부를 형성한다.

도3의 열안정 시험 장비(100)의 주축대(110)에는 로터 샤프트(10)의 제1저널부(11) 또는 제2저널부(12)를 파지하여 고정하기 위한 척(111)이 마련되어 회전하게 되는데 본 발명에서는 상기 척(111)을 회전시키기 위한 회전축이 상기 주축대(110)의 후방으로 연장되어 노출되도록 한다.

상기 노출된 후방(도3에서 주축대의 좌측단)의 회전축 연장부(113)의 외주면 상에는 제1 내지 제4 분각 돌기(114a,114b,114c,114d)가 종축 방향으로 이격하여 형성된다.

상기 각 분각 돌기(114a~114d)는 회전축 연장부(113)의 회전과 함께 회전하게 되는데, 회전축 연장부(113)의 원주 방향을 기준으로 일정한 각도 지점에서 돌출하도록 형성된다.

상기 각 분각 돌기(114a~114d)의 일 측에는 도8에 도시한 바와 같이 제1 내지 제4센서(115a~115d)가 일대일 대응하도록 주축대(110)에 고정 부착된다.

따라서 회전축 연장부(113) 상의 각 분각 돌기(114a~114d)가 회전하면서 대응하는 각 센서(115a~115d)에 근접하여 지나가면 해당 센서가 선택되어 측정 데이터 기록장치(250)로 신호를 전송하고 측정 데이터 기록장치(250)가 이 순간의 런아웃 값을 기록 및 저장하게 된다.

로터 샤프트(10)의 런아웃 값은 도2의 좌측 원 그래프에 도시한 바와 같이 로터 샤프트(10)의 축부의 원형 단면을 기준으로 90°각도로 분할하여 측정하고 기록하게 된다.

즉, 로터 샤프트(10)의 회전각이 90°가 될 때마다 런아웃 값을 측정하게 되며 도2의 도면에서는 회전하는 로터 샤프트(10)의 90°각도마다 측정한 수치를 A,B,C,D로 표시하였다.

도2와 비교하여 설명하면 상기 제1 내지 제4 분각 돌기(114a~114d)와 이에 각각 순서대로 대응하는 제1 내지 제4센서(115a~115d)는 도2의 A,B,C,D에 해당하는 것이다.

즉 제1 분각 돌기(114a)에 의하여 제1센서(115a)의 신호가 온(ON)이 되면 도2의 A에 해당하는 회전각 지점의 런아웃 값이 측정되고 제4 분각돌기(114d)에 의하여 제4센서(115d)가 온(ON)이 되면 도2의 D에 해당하는 회전각 지점의 런아웃 값이 측정되는 것이다.

이와 같이 하면 일정 시간마다 작업자가 일일이 런아웃 측정 다이알 게이지를 읽거나 판독할 필요가 없으며 로터 샤프트(10)가 회전하는 장시간 동안 셋팅된 일정한 회전각 마다 로터 샤프트(10)의 런아웃 값이 자동으로 기록되고 저장된다.

상기 측정 게이지(240)로서 아날로그 게이지를 선택하는 경우 게이지 프로브(242)에서 측정된 변위 값은 측정 데이터 기록장치(250)의 AD 컨버터에 의하여 디지털 수치로 변환되어 기록 및 저장된다.

상기 측정 데이터 기록장치(250)에는 개인용 퍼스널 컴퓨터, 노트북, PDA, 모바일폰 등이 유무선으로 연결되어 해당 단말 장치에서 측정된 데이터 값을 관리할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명은 터빈 발전기용 로터 샤프트의 열안정 시험을 수행하기 위한 것으로서 고속 회전 제품인 로터 샤프트의 런아웃 오차를 실시간으로 신속하고 정확하게 측정하고 관리하기 위한 디지털 런아웃 측정장치에 관한 것이다.

본 발명에 의하면 작업자가 일일이 일정 시간마다 수동으로 런아웃 게이지 값을 읽거나 대기할 필요가 없으므로 매우 편리하고 측정 공정이 단순화되며, 측정된 데이터의 가공이나 관리가 편리해진다.

10: 로터 샤프트 11: 제1저널부
12: 제2저널부 13: 베럴부
100: 열안정 시험 장비 110: 주축대
111: 척 113: 회전축 연장부
114a~114d: 분각 돌기 115a~115d: 센서
120: 심압대 121: 척
200: 디지털 런아웃 측정장치 201: 레일
210: 이동 대차 211: 휠
212: 위치 고정 수단 220: 높이 조절 프레임
221: 스크류축 222: 높이 조절 핸들
223: 승강블럭 230: 게이지바
230a,230b: 벤딩 선단부 231: 힌지핀
240: 측정 게이지 241: 게이지 고정대
242: 게이지 프로브 243: 케이블
250: 측정 데이터 기록장치

Claims

열안정 시험 장비의 주축대(110)와 심압대(120)에 고정되어 회전하는 로터 샤프트(10)의 런아웃 값을 측정하기 위한 장치로서,
상기 로터 샤프트(10)의 길이 방향으로 바닥면에 설치되는 레일(201) 상에서 이동하는 이동 대차(210);
스크류축(221)과, 상기 스크류축(221)을 따라 상하로 일정수직높이만큼 승, 하강이 가능한 승강 블럭(223)이 마련되어 이동 대차(210) 상에 고정되는 높이조절 프레임(220);
상기 승강 블럭(223)에 힌지핀(231)에 의하여 결합하여 시이소 운동하는 게이지 바(230);
상기 게이지바(230)의 일측 선단부에 접촉하도록 이동 대차(210) 상에 마련되는 측정 게이지(240);
상기 측정 게이지(240)에 케이블에 의하여 연결되어 측정 게이지(240)에서 측정한 런아웃 수치 데이터를 변환하고 저장하는 측정 데이터 기록장치(250);
상기 주축대(110)의 회전축 회전 각도를 검출하기 위하여, 주축대(110)의 회전축 연장부(113)의 외주면 상에 회전축 연장부(113)의 길이 방향으로 이격하여 일렬로 배치하여 형성하되 상기 회전축 연장부(113)의 외주면을 90°간격으로 분할하는 위치에서 돌출하도록 마련되는 제1 내지 제4 분각 돌기(114a~114d)와, 상기 제1 내지 제4 분각 돌기(114a~114d)에 각 대응하도록 주축대(110)에 고정 부착되는 제1 내지 제4센서(115a~115d)로 이루어져, 측정 데이터 기록장치(250)와 케이블로 연결되는 분각 센싱부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 발전기용 로터 샤프트의 디지털 런아웃 측정장치.
제1항에 있어서,
상기 게이지바(230)의 양측 선단부는 하향 절곡되어 벤딩 선단부(230a,230b)를 이루는 것을 특징으로 하는 터빈 발전기용 로터 샤프트의 디지털 런아웃 측정장치.
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