KR101412619B1 - 터빈­발전기 축계 응력 추정 시스템 - Google Patents

터빈­발전기 축계 응력 추정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 터빈-발전기 축계 응력 추정 시스템에 관한 것으로, 특히 터빈-발전기 회전축에 발생하는 진동에 포함되어 있는 진동 모드별 축계 전체의 상대적인 응력 분포비와 각변위량 분포비를 데이터베이스화하고, 단일 지점에 대한 진동 모드별 각변위량을 추출한 후, 이를 상기 진동 모드별 축계 전체의 상대적인 각변위량 분포비와 응력 분포비에 적용함으로써, 상기 축계 전체의 위치별 응력 분포를 추정하고, 상기 회전축의 응력 변화를 감시할 수 있는 터빈-발전기 축계 응력 추정 시스템에 관한 것이다.
본 발명인 터빈-발전기 축계 응력 추정 시스템을 이루는 구성수단은, 발전기의 3상 전류 및 전압 신호를 입력받아 상기 터빈-발전기 축계의 단일 지점에서의 각속도 신호로 변환하여 출력하는 변환기, 상기 각속도 신호를 이용하여 상기 축계의 단일 지점에 대한 진동 모드별 각변위량을 추출하고, 사전에 데이터베이스화된 진동 모드별 축계 전체의 상대적인 응력 분포비와 각변위량 분포비에 관한 정보에 상기 추출된 축계의 단일 지점에 대한 진동 모드별 각변위량을 적용하여 상기 축계에 작용하는 위치별 응력 분포를 추정하는 스마트 센서를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

터빈­발전기 축계 응력 추정 시스템{system for estimating shaft stress of turbin generator}
본 발명은 터빈-발전기 축계 응력 추정 시스템에 관한 것으로, 특히 터빈-발전기 회전축에 발생하는 진동에 포함되어 있는 진동 모드별 축계 전체의 상대적인 응력 분포비 또는 각변위량 분포비를 데이터베이스화하고, 단일 지점에 대한 진동 모드별 각변위량을 추출한 후, 이를 상기 진동 모드별 축계 전체의 상대적인 각변위량 분포비와 응력 분포비에 적용함으로써, 상기 축계 전체의 위치별 응력 분포를 추정하고, 상기 회전축의 응력 변화를 감시할 수 있는 터빈-발전기 축계 응력 추정 시스템에 관한 것이다.
원전 2차측 터빈과 발전기는 회전축으로 연결되어 있으며, 증기발생기로부터 공급된 고온고압 증기의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시켜 전력을 생산하는 동작을 수행한다.
상기 터빈-발전기 회전축(축계)은 운전 중 도 1에 도시된 바와 같이, 노즐통과 증기에 의한 회전 토크와 전력계통 교란에 의한 발전기의 전기적 부하 토크 2가지를 동시에 받고 있으며, 이로 인해 회전축에는 응력이 발생할 뿐만 아니라 이들 토크로 인해 응력이 변동하는 특성이 있다.
특히, 발전기의 전압 불평형 등으로 발생되는 120Hz 부근의 부하 토크는 터빈 축에서 중요한 부하 토크로서, 터빈 축의 고유 진동수가 120Hz 근처에 존재하는 경우 정상 응력보다 매우 큰 응력이 지속적으로 작용하기 때문에, 터빈 축 균열 및 절단과 같은 심각한 손상이 발생될 수 있다.
상기 터빈 축 상태 진단에 있어서 응력 감시는 매우 중요한 진단 변수임에도 불구하고 아직까지 터빈 회전 축의 각 위치에 작용하는 응력 분포와 시간에 따른 응력 변화를 측정하는 방법이 제안되지 않고 있는 실정이다.
따라서, 터빈 축의 응력 상태를 감시하여 결함을 조기에 발견하는 것은 물론 터빈 축의 고장을 예측하는데 필요한 응력 분포와 응력 변화를 감시할 수 있는 기술이 제안될 필요성이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 터빈-발전기 회전축에 발생하는 진동에 포함되어 있는 진동 모드별 축계 전체의 상대적인 응력 분포비 또는 각변위량 분포비를 데이터베이스화하고, 단일 지점에 대한 진동 모드별 각변위량을 추출한 후, 이를 상기 진동 모드별 축계 전체의 상대적인 각변위량 분포비와 응력 분포비에 적용함으로써, 상기 축계 전체의 위치별 응력 분포를 추정하고, 상기 회전축의 응력 변화를 감시할 수 있는 터빈-발전기 축계 응력 추정 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 제안된 본 발명인 터빈-발전기 축계 응력 추정 시스템을 이루는 구성수단은, 발전기의 3상 전류 및 전압 신호를 입력받아 상기 터빈-발전기 축계의 단일 지점에서의 각속도 신호로 변환하여 출력하는 변환기, 상기 각속도 신호를 이용하여 상기 축계의 단일 지점에 대한 진동 모드별 각변위량을 추출하고, 사전에 데이터베이스화된 진동 모드별 축계 전체의 상대적인 응력 분포비 또는 각변위량 분포비에 관한 정보에 상기 추출된 축계의 단일 지점에 대한 진동 모드별 각변위량을 적용하여 상기 축계에 작용하는 위치별 응력 분포를 추정하는 스마트 센서를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 스마트 센서는 상기 진동 모드별 축계 전체의 상대적인 응력 분포비 또는 각변위량 분포비에 관한 정보를 저장하는 데이터베이스, 상기 각속도 신호를 이용하여 상기 축계의 단일 지점에 대한 진동 모드별 각변위량을 추출하는 각변위량 추출부, 상기 축계의 단일 지점에 대한 각변위량과 상기 축계 전체의 상대적인 각변위량 분포비를 이용하여 각각의 진동 모드별 위치에 따른 각변위량 분포를 산출하는 모드별 각변위량 분포 산출부, 상기 산출된 각각의 진동 모드별 위치에 따른 각변위량 분포를 이용하여 각각의 진동 모드별 위치에 따른 변형률 분포를 산출하는 모드별 변형률 분포 산출부, 상기 산출된 각각의 진동 모드별 위치에 따른 변형률 분포를 이용하여 전체 진동 모드에 대한 축계의 위치에 따른 총 변형률 분포를 산출하는 총 변형률 분포 산출부 및 상기 총 변형률 분포와 탄성계수를 이용하여 상기 축계의 위치에 따른 응력분포를 추정하는 위치별 응력 분포 추정부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 데이터베이스는 상기 축계의 위치 정보, 진동 모드별 주파수 및 모드 형상 정보를 저장하고, 이 정보를 이용하여 상기 축계의 위치에 따른 진동 모드별 축계 전체의 상대적인 응력 분포비 또는 각변위량 분포비를 산출하여 저장하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 각변위량 추출부는 상기 각속도 신호를 시간에 따른 적분 처리 후 회전속도 성분을 제거하여 각변위량 신호를 추출하고, 이 추출된 각변위량 신호를 진동 모드별 주파수 영역으로 필터링하여 각각의 진동 모드별 각변위량을 추출하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 과제 및 해결수단을 가지는 본 발명인 터빈-발전기 축계 응력 추정 시스템에 의하면, 터빈-발전기 회전축에 발생하는 진동에 포함되어 있는 진동 모드별 축계 전체의 상대적인 응력 분포비 또는 각변위량 분포비를 데이터베이스화하고, 단일 지점에 대한 진동 모드별 각변위량을 추출한 후, 이를 상기 진동 모드별 축계 전체의 상대적인 각변위량 분포비와 응력 분포비에 적용하기 때문에, 상기 축계 전체의 위치별 응력 분포를 추정하고, 상기 회전축의 응력 변화를 감시할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 일반적인 터빈-발전기 축계에 작용하는 부하를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 터빈-발전기 축계 응력 추정 시스템의 적용 이해도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 터빈-발전기 축계 응력 추정 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 터빈-발전기 축계 응력 추정 시스템에 의한 축계 응력 추정 과정을 설명하기 위한 절차도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상기와 같은 과제, 해결수단 및 효과를 가지는 본 발명인 터빈-발전기 축계 응력 추정 시스템에 관한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
이하에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야할 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 터빈-발전기 축계 응력 추정 시스템이 터빈-발전기 시스템에 적용되는 상태를 보여주고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 터빈-발전기 축계 응력 추정 시스템의 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 터빈-발전기 축계 응력 추정 시스템은 변환기(10)와 스마트 센서(20)를 포함하여 구성된다. 또한, 본 발명에 따른 터빈-발전기 축계 응력 추정 시스템은 상기 스마트 센서(20)에서 추정한 상기 축계 응력 분포 변화에 관한 정보를 전송받아 상기 터빈-발전기 축계의 응력 변화를 실시간으로 모니터링할 수 있는 모니터링 서버(미도시)가 더 포함되어 구성될 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 변환기(10)는 터빈-발전기 시스템에서 발전기 출력단의 전류 및 전압 신호를 입력받는다. 구체적으로, 상기 변환기(10)는 다양한 센서 또는 계측기에서 측정한 상기 발전기의 3상 전류 및 3상 전압 신호를 입력받는다.
상기 발전기의 3상 전류 및 3상 전압 신호를 입력받은 상기 변환기(10)는 상기 3상 전류 및 전압 신호를 상기 터빈-발전기 축계의 단일 지점에서의 각속도 신호로 변환하여 출력한다. 즉, 상기 변환기(10)는 상기 3상 전류 및 전압으로부터 터빈-발전기 축계의 단일 지점에서의 각속도 신호를 추출하여 상기 스마트 센서(20)로 전송한다.
그러면, 상기 스마트 센서(20)는 상기 변환기(10)로부터 전송된 터빈-발전기 축계의 단일 지점에서의 각속도 신호와 사전에 구축된 데이터베이스에 저장되어 있는 정보를 이용하여 상기 터빈-발전기 축계 전체에 대한 위치별 응력 분포를 추정한다.
구체적으로, 상기 스마트 센서(20)는 상기 각속도 신호를 이용하여 상기 축계의 단일 지점에 대한 진동 모드별 각변위량을 추출하고, 사전에 데이터베이스화된 진동 모드별 축계 전체의 상대적인 응력 분포비 또는 각변위량 분포비에 관한 정보에 상기 추출된 축계의 단일 지점에 대한 진동 모드별 각변위량을 적용하여 상기 축계에 작용하는 위치별 응력 분포를 추정한다.
상기 터빈-발전기 축계에 작용하는 진동은 단일 주파수 성분만을 가지는 진동이 아니고, 다양한 주파수 성분을 가지는 진동 모드들로 이루어진다. 즉, 상기 축계에 실제 작용하는 진동은 주파수와 형상이 서로 다른 1차 고유진동 모드, 2차 고유진동 모드, 3차 고유진동 모드 등, 복수개의 진동 모드들로 이루어진다.
따라서, 상기 터빈-발전기 축계에 작용하는 위치별 응력 분포를 추정하기 위해서는 상기 각각의 진동 모드별 각변위량 분포, 변형률 분포가 산출되어야 한다. 그런데, 상기 변환기(10)로부터 입력되는 각속도 신호는 터빈-발전기 축계의 단일 측정 지점에서의 각속도 신호이다.
여기서, 상기 단일 측정 지점은 터빈축이나 발전기 회전자의 하나의 특정 지점을 의미한다. 예들 들어, 발전기 출력단 전류와 전압을 이용하여 터빈부 축과 발전기 회전자 사이의 연결 커플링 근처의 특정 지점에서의 각변위량을 산출하면 된다.
이와 같은 단일 지점에서의 각속도 신호를 입력으로 하여 축계 전체에 대한 위치별 응력 분포를 추정하기 위해서, 본 발명에서는 사전에 축계 전체의 상대적인 응력 분포비 또는 각변위량 분포비를 각각의 진동 모드별로 데이터베이스화하고, 이 데이터베이스화된 정보에 상기 각속도 신호로부터 추출된 단일 지점에서의 진동 모드별 각변위량을 적용한다.
상기 데이터베이스화된 정보에 상기 각속도 신호로부터 추출된 단일 지점에서의 진동 모드별 각변위량을 적용함으로써, 상기 터빈-발전기 축계 전체 위치별 응력 분포를 추정할 수 있다.
이와 같은 동작을 수행하는 상기 스마트 센서(20)는 도 3에 도시된 바와 같이, 각변위량 추출부(21), 데이터베이스(22), 모드별 각변위량 분포 산출부(23), 모드별 변형률 분포 산출부(24), 총 변형률 분포 산출부(25) 및 위치별 응력 분포 추정부(26)를 포함하여 구성된다.
먼저, 상기 데이터베이스(22)는 상기 진동 모드별 축계 전체의 상대적인 응력 분포비 또는 각변위량 분포비에 관한 정보를 저장하고 있다. 즉, 상기 데이터베이스(22)는 축계에 작용하는 다양한 주파수를 가지는 각각의 진동 모드에 대응하여 상기 축계에 작용하는 위치별 상대적인 응력 분포비 또는 각변위량 분포비를 저장하고 있다.
여기서, 상기 데이터베이스에 저장된 응력 분포비 또는 각변위량 분포비는 위치별 상대적인 값에 관한 정보이다. 즉, 상기 응력 분포비 또는 각변위량 분포비는 진동 모드별 축계 전체의 위치에 따른 상대적인 값을 의미한다.
구체적으로, 상기 데이터베이스(22)에 저장된 응력 분포비 또는 각변위량 분포비에 대한 정보는 아래 표에 도시된 바와 같은 정보에 해당한다. 아래 표는 진동모드별 각변위량 분포비를 나타낸 것으로 예시한다.
위치 1 위치 2 위치 3 위치 4 ......... 위치 n
1차 진동모드 1 2 3 4 .........
2차 진동모드 1 3 5 7 .........
3차 진동모드 1 2 4 8 .........
상기 예시된 표를 참조하여 설명하면, 상기 데이터베이스(22)에 저장된 복수개의 진동 모드별 각변위량 분포비 중, 1차 진동 모드의 각변위량 분포비는 축계의 위치 1의 지점에서 각변위량이 1이고, 위치 2의 지점에서 각변위량은 위치 1의 각변위량의 2배인 2이고, 위치 3의 지점에서 각변위량은 위치 1의 각변위량의 3배 또는 위치 2의 각변위량의 1.5배인 3이다.
이와 같은 진동 모드별 각변위량 분포비가 데이터베이스에 저장되고, 상기 각속도 신호를 이용하여 상기 축계의 단일 지점에 대한 진동 모드별 각변위량이 추출되면, 각각의 진동 모드별 축계 전체에 대한 위치별 각변위량을 산출할 수 있다.
예를 들어, 추출된 진동 모드별 각변위량 중, 1차 진동모드에 대한 각변위량이 2이고, 상기 측정된 단일 지점이 위치 1의 지점이라고 가정하면, 1차 진동모드에 대한 축계의 위치별 각변위량은 위치 1에서 2, 위치 2에서 4(위치 1의 각변위량 2배), 위치 3에서 6(위치 2이 각변위량 1.5배)이 된다. 따라서, 1차 진동 모드에 대한 축계 전체의 각변위량 분포를 산출할 수 있고, 다른 진동 모드에도 동일하게 적용하면 모든 진동 모드에 대한 축계 전체의 각변위량 분포를 산출할 수 있다.
상기 데이터베이스(22) 구축은 터빈-발전기에 대한 진동 모드 형상 정보를 추출하여 이루어진다. 구체적으로, 고압 터빈 1개, 저압터빈 3개, 발전기 회전자를 대상으로 한 축계에서 측정 또는 해석을 통하여 진동 모드별 주파수 및 모드 형상 정보를 확보한다.
그리고, 축계 각각의 위치 정보, 모드별 주파수 정보, 모드 형상 분포 정보를 저장하고, 이를 통해 진동 모드 기준 축계 전체의 상대적인 응력 분포비 또는 각변위량 분포비에 관한 데이터베이스를 구축한다. 정리하면, 상기 데이터베이스(22)는 상기 축계의 위치 정보, 진동 모드별 주파수 및 모드 형상 정보를 저장하고, 이 정보를 이용하여 상기 축계의 위치에 따른 진동 모드별 축계 전체의 상대적인 응력 분포비 또는 각변위량 분포비를 산출하여 저장한다.
이와 같이, 상기 데이터베이스(22)가 구축된 상태에서 상기 스마트 센서(20)는 상기 변환기(10)로부터 터빈-발전기 축계의 단일 지점에서의 각속도 신호를 입력받아 축계의 응력 분포를 실시간으로 추정한다.
상기 터빈-발전기 축계의 단일 지점에서의 각속도 신호는 상기 스마트 센서(20)를 구성하는 각변위량 추출부(21)로 입력된다. 그러면, 상기 각변위량 추출부(21)는 상기 각속도 신호를 이용하여 상기 축계의 단일 지점에 대한 진동 모드별 각변위량을 추출한다.
예를 들어, 상기 각변위량 추출부(21)는 축계의 특정 위치(위치 1이라고 가정)에 대한 진동 모드별 각변위량(1차 진동모드에 대한 각변위량 2, 2차 진동 모드에 대한 각변위량 3, 3차 진동 모드에 대한 각변위량 4 등)을 추출한다.
구체적으로 상기 각변위량 추출부(21)는 상기 각속도 신호를 시간에 따른 적분 처리 후 회전 속도 성분을 제거하여 각변위량 신호를 추출한다. 그런 다음 상기 추출된 각변위량 신호를 진동 모드별 주파수 영역으로 필터링하여 각각의 진동 모드별 각변위량을 추출한다.
상기 추출된 각변위량은 단일 지점에서 다양한 차수의 진동모드에 의한 것이고, 상기 다양한 차수의 진동 모드 주파수는 서로 다르다. 따라서, 상기 터빈-발전기 축계의 비틀림 고유진동 모드별 주파수 성분을 기준으로 필터링 주파수 영역을 선정한다. 그런 다음, 상기 선정된 필터링 주파수 영역들로 필터링을 수행함으로써, 각각의 진동 모드별 각변위량 크기 정보를 추출할 수 있다.
상기와 같이 상기 각변위량 추출부(21)에 의하여 단일 지점에서의 각각의 진동 모드별 각변위량이 추출되면, 상기 모드별 각변위량 분포 산출부(23)는 상기 축계의 단일 지점에 대한 각각의 진동 모드별 각변위량과 상기 데이터베이스(22)에 저장된 상기 축계 전체의 상대적인 각변위량량 분포비를 이용하여 각각의 진동 모드별 위치에 따른 각변위량 분포를 산출한다.
즉, 상기 모드별 각변위량 분포 산출부(23)는 상기 데이터베이스(22)에 저장된 진동 모드별 축계의 특정 지점(단일 지점)과 다른 지점에 대한 각변위량의 상대적인 분포비에 대한 정보에 상기 특정 지점(단일 지점)에 대한 진동 모드별 각변위량을 적용하여, 진동 모드별 축계 전체에 대한 위치별 각변위량 분포를 산출할 수 있다.
한편, 상기 데이터베이스(22)가 진동 모드별 각변위량 분포비를 저장하지 않고, 진동 모드별 응력 분포비에 대한 정보를 저장하고 있어도 가능하다. 즉, 응력 분포비에 의하여 각변위량 분포비를 산출할 수 있기 때문에, 상기 데이터베이스(22)는 응력 분포비 또는 각변위량 분포비에 대한 정보를 저장하고 있으면 된다.
상기 모드별 각변위량 분포 산출부(23)에 의하여 산출된 상기 진동 모드별 위치에 따른 각변위량 분포에 관한 정보는 상기 모드별 변형률 분포 산출부(24)로 입력된다. 그러면, 상기 모드별 변형률 분포 산출부(24)는 상기 산출된 각각의 진동 모드별 위치에 따른 각변위량 분포를 이용하여 각각의 진동 모드별 위치에 따른 변형률 분포를 산출한다.
즉, 상기 모드별 변형률 분포 산출부(24)는 상기 모드별 각변위량 분포 산출부(23)에서 산출한 각각의 진동 모드에 대한 각변위량 분포를 이용하여 각각의 진동 모드에 대한 변형률 분포를 산출한다.
상기 모드별 변형률 분포 산출부(24)에 의하여 산출된 진동 모드별 축계 위치에 따른 변형률 분포 정보는 상기 총 변형률 분포 산출부(25)에 입력된다. 그러면, 상기 총 변형률 분포 산출부(25)는 상기 산출된 각각의 진동 모드별 위치에 따른 변형률 분포를 이용하여 전체 진동 모드에 대한 축계의 위치에 따른 총 변형률 분포를 산출한다.
즉, 상기 총 변형률 분포 산출부(25)는 상기 모드별 변형률 분포 산출부(24)에 의하여 산출된 각각의 고유진동 모드들로부터 산출한 변형률 분포 정보들을 축계의 위치별로 합산하여 전체 고유진동 모드에 대한 총 변형률 분포를 산출한다. 그러면, 축계의 위치에 따른 하나의 총 변형률 분포가 산출된다.
상기 총 변형률 분포 산출부에 의하여 산출된 전체 고유진동 모드에 대한 총 변형률 분포에 관한 정보는 상기 위치별 응력 분포 추정부(26)로 입력된다. 그러면, 상기 위치별 응력 분포 추정부(26)는 상기 축계의 위치별 총 변형률 분포와 탄성 계수를 이용하여 상기 축계의 위치에 따른 위치별 응력 분포를 산출하여 추정한다.
즉, 상기 위치별 응력 분포 추정부(26)는 상기 총 변형률 분포 산출부(25)에서 산출한 총 변형률 분포와 전단 탄성계수 정보를 이용하여 축계에 작용하는 위치별 응력을 산출하여 축계 전체의 응력 분포를 추정한다.
이와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 터빈-발전기 축계 응력 추정 시스템에 의하면 단일 지점에서의 진동 모드별 각변위량만을 측정 및 산출하면, 데이터베이스에 저장된 축계의 위치별 상대적인 각변위량 분포비에 적용하여 축계에 작용하는 축계 위치별 응력 분포를 추정할 수 있다.
따라서, 시스템 운전 간에 상기 터빈-발전기의 회전축(축계)에 작용하는 응력 변화를 실시간으로 추정할 수 있고, 이를 이용하여 터빈-발전기의 회전축 응력 변화를 실시간으로 감시할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 터빈-발전기 축계 응력 추정 시스템에 의하여 진행되는 축계 응력 추정 과정을 도시한 흐름도이다. 이를 참조하여 축계 응력 추정 과정을 간략하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 터빈-발전기 회전축에 작용하는 진동에 대한 모드 형상 정보를 추출하고, 관련 정보를 데이터베이스화하여 구축한다. 즉, 사전에 진동 모드별로 모드 형상, 주파수 정보, 위치 정보 등을 포함한 정보를 저장하고, 진동 모드별 축계의 응력 분포비 또는 각변위량 분포비에 대한 정보를 구축한다(s10).
그런 다음, 실제 시스템 운전 간에, 단일 측정 지점에 대한 진동 모드별 각변위량 크기 정보를 추출한다. 구체적으로, 변환기가 발전기 출력단의 3상 전류 및 전압 신호로부터 각속도 신호를 추출하면, 스마트 센서는 상기 각속도 신호에 대하여 시간에 따른 적분 처리를 수행한 후, 회전속도 성분을 제거하여 각변위량 정보를 추출한다(s20). 그런 다음, 상기 추출된 각변위량 정보를 이용하여 진동 모드별 주파수 영역으로 필터링을 수행함으로써, 각각의 진동 모드별 단일 측정 지점에서의 각변위량 크기 정보를 추출한다(s30).
그런 다음, 상기 추출된 각각의 진동 모드별 단일 측정 지점에서의 각변위량 크기 정보를 상기 데이터베이스화된 진동 모드별 축계 위치별 각변위량 분포비에 관한 정보에 적용하여 진동 모드별 축계 전체에 대한 위치별 각변위량 분포를 산출한다(s40). 결과적으로, 각각의 진동 모드에 대한 축계 전체의 각변위량 분포가 산출된다.
그런 다음, 상기 진동 모드별 축계 전체에 대한 각각의 각변위량 분포 정보를 이용하여 진동 모드별 축계 전체에 대한 각각의 변형률 분포 정보를 추출한다(s50). 그러면, 각각의 진동 모드에 대한 축계 전체의 변형률 분포가 산출된다.
그런 다음, 상기 진동 모드별 변형 분포 정보를 이용하여, 각 진동 모드에 대한 각각의 변형률을 위치별로 합산하여 전체 고유진동모드에 대한 총 변형률 분포를 산출한다(s60). 결과적으로, 전체 고유진동 모드에 대한 하나의 축계 변형률 분포가 산출된다.
그런 다음, 상기 총 변형률 분포와 전단 탄성계수를 이용하여 축계에 작용하는 위치별 응력을 산출함으로써, 최종적으로 축계 응력 분포를 산출하여 추정할 수 있다. 여기서, 상기 전단 탄성계수는 탄성체 축(회전축)에 작용하는 힘인 수직력과 전단력 중, 전단력에 관계된 상수에 해당된다.
이와 같은 과정을 통하여 추정된 축계 응력 분포에 관한 정보는 모니터링 서버(미도시)에 실시간으로 전송된다. 그러면, 상기 모니터링 서버는 상기 터빈-발전기 축계의 응력 분포를 모니터링하고, 응력 변화 상태를 모니터링함으로써, 최종적으로 상기 터빈-발전기 축계의 이상 상태 여부를 실시간으로 감시할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명은 특정의 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 단순한 설계변경이나 관용수단의 치환 등의 경우에도 본 발명의 보호범위에 속함을 분명히 한다.
10 : 변환기 20 : 스마트 센서
21 : 각변위량 추출부 22 : 데이터베이스
23 : 모드별 각변위량 분포 산출부 24 : 모드별 변형률 분포 산출부
25 : 총 변형률 분포 산출부 26 : 위치별 응력 분포 추정부

Claims (4)

  1. 터빈-발전기 축계 응력 추정 시스템에 있어서,
    발전기의 3상 전류 및 전압 신호를 입력받아 상기 터빈-발전기 축계의 단일 지점에서의 각속도 신호로 변환하여 출력하는 변환기;
    상기 각속도 신호를 이용하여 상기 축계의 단일 지점에 대한 진동 모드별 각변위량을 추출하고, 사전에 데이터베이스화된 진동 모드별 축계 전체의 상대적인 응력 분포비 또는 각변위량 분포비에 관한 정보에 상기 추출된 축계의 단일 지점에 대한 진동 모드별 각변위량을 적용하여 상기 축계에 작용하는 위치별 응력 분포를 추정하는 스마트 센서를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 터빈-발전기 축계 응력 추정 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스마트 센서는 상기 진동 모드별 축계 전체의 상대적인 응력 분포비 또는 각변위량 분포비에 관한 정보를 저장하는 데이터베이스, 상기 각속도 신호를 이용하여 상기 축계의 단일 지점에 대한 진동 모드별 각변위량을 추출하는 각변위량 추출부, 상기 축계의 단일 지점에 대한 각변위량과 상기 축계 전체의 상대적인 각변위량 분포비를 이용하여 각각의 진동 모드별 위치에 따른 각변위량 분포를 산출하는 모드별 각변위량 분포 산출부, 상기 산출된 각각의 진동 모드별 위치에 따른 각변위량 분포를 이용하여 각각의 진동 모드별 위치에 따른 변형률 분포를 산출하는 모드별 변형률 분포 산출부, 상기 산출된 각각의 진동 모드별 위치에 따른 변형률 분포를 이용하여 전체 진동 모드에 대한 축계의 위치에 따른 총 변형률 분포를 산출하는 총 변형률 분포 산출부 및 상기 총 변형률 분포와 탄성계수를 이용하여 상기 축계의 위치에 따른 응력분포를 추정하는 위치별 응력 분포 추정부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 터빈-발전기 축계 응력 추정 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 데이터베이스는 상기 축계의 위치 정보, 진동 모드별 주파수 및 모드 형상 정보를 저장하고, 이 정보를 이용하여 상기 축계의 위치에 따른 진동 모드별 축계 전체의 상대적인 응력 분포비 또는 각변위량 분포비를 산출하여 저장하는 것을 특징으로 하는 터빈-발전기 축계 응력 추정 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 각변위량 추출부는 상기 각속도 신호를 시간에 따른 적분 처리 후 회전속도 성분을 제거하여 각변위량 신호를 추출하고, 이 추출된 각변위량 신호를 진동 모드별 주파수 영역으로 필터링하여 각각의 진동 모드별 각변위량을 추출하는 것을 특징으로 하는 터빈-발전기 축계 응력 추정 시스템.
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