KR101766919B1

KR101766919B1 - 로터다이내믹 시스템의 측방향, 각도 방향 및 비틀림 진동 측정

Info

Publication number: KR101766919B1
Application number: KR1020100052987A
Authority: KR
Inventors: 발레리오 로씨; 발레리오 데포
Original assignee: 누보 피그노네 에스피에이
Priority date: 2009-06-06
Filing date: 2010-06-04
Publication date: 2017-08-09
Also published as: JP6122237B2; KR20100131389A; EP2259033B1; CN101907486B; EP2259033A3; RU2539719C2; CA2705671A1; US9404791B2; EP2259033A2; CN101907486A; US20100312504A1; RU2010122735A; JP2010286483A; ES2927373T3

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예는 회전 요소 표면에 위상 기준 마크와 복수의 추가 마크가 마련되어 있다. 근접 탐침은, 검지 영역을 통해 회전할 때, 위상 기준 마크와 복수의 추가 마크 양자 모두의 통과를 검지한다. 위상 기준 신호와 진동 기준 신호가 모두 생성되고, 이 신호를 사용하여 회전 요소의 측방향 및 각도방향(그리고, 선택적으로 비틀림) 진동을 계산한다.

Description

로터다이내믹 시스템의 측방향, 각도 방향 및 비틀림 진동 측정{LATERAL, ANGULAR AND TORSIONAL VIBRATION MONITORING OF ROTORDYNAMIC SYSTEMS}

본 발명은 일반적으로 로터다이내믹 시스템에 관한 것으로, 특히 터보기계의 샤프트와 같은 회전 기계의 각각의 하나 이상의 축방향 평면에서의 진동을 측정, 계측, 및/또는 분석하는 것에 관한 것이다.

터보기계(예를 들어, 가스 및 증기 터빈, 압축기), 발전기 및 다른 회전 기계(예를 들어, 전기 모터 구동 시스템)와 같은 로터다이내믹 시스템은 예를 들어, 작동을 제어하고, 파멸적 및/또는 위험할 수 있는 파손으로부터 보호하며, 피로를 평가하고, 문제점을 진단하며, 및/또는 유지 보수가 필요한가를 결정하기 위해 일반적으로 연속적 또는 간헐적으로 계측된다. 일반적으로, 터보기계는 반경방향(측방향) 진동 및 축방향(종방향) 변위 계측 장비를 포함하고 있는데, 이 장비는 터보기계가 정지될 필요없이 장기간의 연속적인 및/또는 간헐적인 계측을 하도록 구성되어 있다.

그러나, 터보기계에는 대개 각도방향 또는 비틀림 진동 계측 장비는 마련되어 있지 않다. 또한, 로터다이내믹 시스템의 비틀림 진동 계측을 위한 대부분의 공지된 기법이 연속적(또는 간헐적) 계측에 적합하지 않고, 일반적으로 비틀림 진동 계측 장비를 설치하고, 테스트 후에 이 장비를 제거하기 위해 시스템을 정지시켜야만 한다. 추가로, 이러한 시스템은 침입적이고, 측정이 고온 영역(예를 들어 가스 터빈 배기 덕트 옆)에서 수행되어야 한다면 예를 들어 퍼지 시스템 및 소정의 경우에는 냉각 시스템을 포함하는 잠재적으로 폭발성 있는 선별된 영역에서 작동이 보장되지 않는다. 오일 및 가스 사업에 있어서, 시스템 중단은 예를 들어 오일 및 가스 제조의 손실 및/또는 에너지 발전의 손실로 인한 막대한 자금 손실과 종종 관련되게 된다.

또한, 오일 및 가스 산업에 있어서, 점진적으로 복잡해지는 용도와 개별적인 소비자의 주문 공급식 구성이 새롭고 더 복잡한 로터다이내믹 도전을 제공한다. 결과적으로, 측방향 진동 및/또는 축방향 변위 계측에 추가하여, 비틀림 진동은 장기간(예를 들어 주기적으로 연속적 또는 불연속적으로, 또는 예상하지 못한 일이 발생한 경우 요청에 따라 또는 필요에 따라)에 걸친 현장 운전 동안 뿐 아니라 테스트(예를 들어, 구성을 입증하기 위한) 동안에도 계측 및 관찰되어야만 한다. 환언하면, 로터다이내믹 시스템의 추가의 진보가 내장 또는 현장 비틀림 진동 계측을 제공하는데, 이러한 계측은 연속적 또는 불연속적으로, 그렇지 않다면 필요에 따라 작동될 수 있고, 시스템을 정지시키지 않고 터보기계가 작동 중인 상태에서 수행될 수 있다.

이에 따라, 터보기계의 각도방향 및 비틀림 진동 측정을 위한 방법 및 시스템을 디자인하는 것이 요망된다.

예시적인 실시예는 위상 기준 마크(phase reference mark) 및 복수의 추가 마크를 가진 회전 요소의 표면을 제공한다. 근접 탐침이 마크가 검지 영역을 통해 회전할 때 위상 기준 마크 및 복수의 추가 마크 양자 모두의 통과를 검지한다. 위상 기준 신호 및 회전 요소의 각도방향 진동을 계산하기 위해 사용되는 신호 모두가 발생된다.

따라서, 예시적인 일 실시예에 따르면, 측방향 진동과, 회전 요소를 구비하는 로터다이내믹 시스템과 관련된 각도방향 진동 양자 모두를 측정하기 위한 방법에 있어서, 위상 기준 마크가 검지 장치와 관련된 검지 영역을 통해 회전할 때, 상기 회전 요소 상의 위상 기준 마크의 통과를 검지하는 단계와, 상기 회전 요소 상의 추가 마크의 통과를 검지하는 단계로서, 상기 추가 마크는, 추가 마크가 상기 검지 영역을 통해 통과할 때, 상기 위상 기준 마크와 구별될 수 있는, 상기 추가 마크 통과 검지 단계와, 상기 위상 기준 마크의 상기 검지에 기초하여 위상 기준 신호를 생성시키는 단계와, 상기 추가 마크의 상기 검지에 기초하여 진동 기준 신호를 생성시키고, 상기 진동 기준 신호를 이용하여 상기 각도방향 진동을 측정하는 단계를 포함하는 측정 방법이 제공된다.

다른 예시적인 실시예에 따르면, 로터다이내믹 기계는 회전 요소의 표면의 외주부 둘레에 배치된 복수의 추가 마크와 위상 기준 마크를 구비하는 회전 요소를 포함하고, 상기 위상 기준 마크 및 상기 추가 마크는 상기 표면에 함몰부로서 형성되고, 상기 위상 기준 마크는 상기 추가 마크와 상이한 깊이를 갖고 있다.

도 1은 예시적인 실시예가 수행될 수 있는 예시적인 터보기계 구동 트레인이 도시되어 있는 도면,
도 2는 종래 기술에 따른 측방향 진동 측정 장치가 도시되어 있는 도면,
도 3은 예시적인 실시예에 따른 조합형 측방향 및 각도방향 진동 측정 시스템이 도시되어 있는 도면,
도 4는 예시적인 실시예에 따른 조합된 위상 기준 및 각도방향 진동 측정 시스템과 연관된 파형을 도시하는 도면,
도 5는 예시적인 실시예에 따른 위상 기준 마크 및 복수의 추가 마크의 배치가 도시되어 있는 도면,
도 6은 예시적인 실시예에 따라 위상 마크 및 복수의 추가 마크의 검지로부터 발생된 데이터의 처리를 예시하는 흐름도,
도 7은 예시적인 실시예에 따라 각도방향 및 비틀림 진동 중 적어도 하나와 측방향 진동을 측정하기 위한 방법이 도시되어 있는 흐름도.

당업자라면, 이하의 발명의 상세한 설명은 본 발명의 소정의 실시예의 예시적인 설명이지만, 본 발명을 한정하거나 본 발명에 의해 달성되는 이점을 제한하려고 의도된 것은 아니라는 것을 이해할 것이다. 또한, 이하의 발명의 상세한 설명은 본 발명의 소정의 실시예를 나타내고 있지만, 본 발명의 범위 내의 모든 대상 및 실시예를 반드시 포괄하는 것은 아니라는 것을 이해할 것이다.

또한, 당업자라면 알고 있는 바와 같이, 이하의 발명의 상세한 설명은 터보기계 실시예에 대해 기재하고 있지만, 본 발명은 실시예는 무수한 로터다이내믹 시스템에서, 측방향 진동 위상 기준 및 각도방향 진동 양자 모두를 분석, 측정, 계측, 진단, 평가 및/또는 결정하기 위한 시스템 및 방법을 포함하고 있다. 초기에 진동에 대한 소정의 논의는 배경에 있어서 자체로서 유용할 것이다. 진동은 평형 위치를 중심으로 한 변동 운동으로서 설명될 수 있는 동적 현상이다. 진동은 물체 내의 에너지 저장의 전달에 의해 유발되는데, 이것은 하나 이상의 힘의 작용의 결과이다. 진동은 "병진(translational)"(즉, 하나 또는 몇 개의 선형 자유도로 작용하는)인 것과 "각도방향(angular)"(즉, 하나 또는 몇 개의 각도방향 자유도로 작용하는)의 것으로 분류될 수 있다. 각도방향 진동에 있어서, 강제 함수(forcing function)는 물체에 작용하는 "선형(linear)" 힘 대신에 하나 이상의 모멘트를 포함하고 있다. 마지막으로, 비틀림 진동은 2개의 부분 사이의 샤프트 강성을 곱하여 2개의 별개의 부분에서 측정된 각도방향 진동의 차이를 취함으로써 결정될 수 있다.

측방향 또는 반경방향 진동 신호의 위상은 진동 신호에서의 사건(대체로 사이클에서 최대값)과 위상 기준 신호에 의해 제시된 펄스 사이의 타이밍 관계이다. 측방향 진동 위상 상의 정보를 갖는 것은 진단 활동에 도움이 되고, 예를 들어 증기/가스 터빈, 압축기, 전기 모터 및 발전기, 및 부하 기어박스를 포함하는 터보기계의 회전 요소 상에서 기계가 균형 상태가 되어야 할 때 도움이 된다. 이러한 장비와 관련된 구동 트레인에 있어서, 진동은 장비 구성요소에 의도하지 않은 응력을 도입시키므로 파손의 주요한 요인이 될 수 있다. 순수하게 예로서, 도 1에는 전형적인 터보기계 구동 트레인이 도시되어 있는데, 진동 응력을 보상하거나 또는 그렇지 않다면 어드레스하기 위해 측방향 및 각도방향(및/또는 비틀림) 진동을 측정하는 것이 유용할 수 있다. 그 내부에는, 가스 터빈(10)이 축방향 압축기(12)에 연결되고, 이어서 상기 축방향 압축기는 원심 압축기(14)에 연결되며, 상기 원심 압축기는 조력 모터(hepler motor)(16)에 자체 연결된다. 복수 개의 상호연결하는 회전 샤프트(18)와 기어박스(도시되어 있지 않음) 및 당업자가 알고 있는 다른 상호연결부는 구동 트레인에 의해 연결되는 유닛 사이에서 회전 에너지를 전달하도록 작동된다.

이러한 구동 트레인에서 측방향 진동 위상 기준을 측정하는 하나의 방법이 도 2에 개념적으로 도시되어 있다. 여기서, 근접 탐침(20), 예를 들어 와상 전류 센서 또는 광학 검지기가 회전 요소(22)의 표면, 예를 들어 전술한 샤프트(18) 중 하나의 외주부 부근에 배치되어 있고, 상기 회전 요소의 표면에는 마크 또는 함몰부(24)가 형성되어 있다. 마크 또는 함몰부(24)를 포함하고 있는 회전 요소(22)의 표면의 일부가 근접 탐침(20)을 통과할 때마다, 근접 탐침은 예를 들어, 표면의 나머지에 대해 마크(24)에 의해 제공되는 깊이 차이로 인한 표면에서의 변화를 감지하여, 일회전당 한 번의 신호(26)를 발생시킨다. 이 신호는 일회전당 한 번의 신호를 사용하여 회전 요소(22)에 대한 위상 각도 기준을 제공하기 때문에, "위상 기준 신호"로 종종 불리우는데, 상기 위상은 또한 본 명세서에서 이 특정 신호를 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이에 따라, 마크 또는 함몰부(24)는 위상 기준 마크(24)로 용어 규정될 수 있지만, 또한 종종 "키페이저(KEYPHASOR)"로 불리우는데, 이 용어는 벤틀리 네바다 컴퍼니(Bentley Nevada Company)의 상표이다. 위상 기준 신호는 데이타 분석기 또는 다른 프로세서(28)로 통과될 수 있는데, 여기서 이것은 필터링된 측방향(반경방향) 진동 측정(30)의 위상을 계산하기 위해 사용될 수 있다. 이에 따라, 근접 탐침(20)과 위상 기준 마크(24)의 조합이 검지 시스템에 의해 사용되어 회전 요소(22)에 대한 위상 각도 정보 및 회전 속도 정보 중 하나 또는 모두를 제공할 수 있다.

비틀림 진동은, 샤프트가 먼저 그 축선을 중심으로 일방향으로 비틀리고, 그 축선을 중심으로 타방향으로 비틀릴 때에, 발생된다. 이에 따라, 비틀림 진동은 샤프트 상의 2개의 상이한 위치에서 각도방향 진동 측정을 하고, 그 차이를 취함으로써 결정될 수 있다. 비틀림 진동은 터보기계의 구동 트레인에서 발생되고, 만약 검지되지 않는다면 시스템 고장을 일으킬 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 로터다이내믹 시스템에 있어서, 토크를 전달하거나(예를 들어, 커플링 또는 샤프트) 또는 토크를 전달하지 않고 토크 전달 구성부품과 기계적으로 결합되어 함께 회전할 수 있는(예를 들어, 하나 이상의 다른 구성부품을 통해 직접 또는 간접적으로 부착된 샤프트에 부착된 너트, 볼트, 또는 휠) 적어도 하나의 회전 구성부품 각각은 또한 위상 기준 마크를 포함하도록 제조된다.

단일 위상 기준 마크(24)와 복수의 추가 마크(32)의 조합을 예시하고 있는 예시적인 실시예가 도 3에 도시되어 있다. 여기에서, 추가 마크(32)는 위상 기준 마크(24)와 구별될 수 있어서, 위상 기준 마크(24) 탐지 시에, 트랜스듀서(20)가 추가 마크(32)의 탐지 시에 트랜스듀서(20)에 의해 발생된 신호(34)와 구별될 수 있는 위상 기준 신호(26)를 발생시킨다. 당업자라면, 비록 2개의 화살표(26, 34)가 상이한 유형의 마크(24, 32)의 탐지로부터 각각 유도되는 상이한 정보를 개념화하기 위해 도 3에 도시되어 있지만, 이것은 물리적으로 근접 탐침(30)으로부터 프로세서(36)로 단일 신호로서 또는 단일 정보 스트림으로서 전달될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 근접 탐침(20)은 샘플링될 때 관련 디스플레이부(도시되어 있지 않음) 상에 예를 들어 프로세서(36)에 의해 파형(40)으로서 디스플레이가능한 연속적인 데이터 파형을 발생시킬 수 있다. 파형(40)이 비교적 다수의 펄스, 예를 들어 근접 탐침(20)에 의한 추가 마크의 통과에 기인할 수 있는 펄스(42)를 구비한다는 것을 도 4에서 알 수 있을 것이다. 위상 기준 마크(24)의 통과에 기인할 수 있는 더 적은 펄스(44)가 또한 도시되어 있다. 프로세서(36)가 펄스(42, 44)들을 각각 구별하게 하도록, 즉 정확한 펄스가 위상 기준 마크(24)와 연관되는 것으로 특징화하도록, 임계치(46, 48)가 원하는 바와 같이 설정될 수 있다.

이와 같이, 이 예시적인 실시예에 따른 로터다이내믹 시스템의 샤프트를 따른 소정의 축방향 위치에서 근접 트랜스듀서(20)에 의해 얻어진 정보는, 위상 기준 측방향 진동 측정(37) 및 각도방향(및/또는 비틀림) 진동 측정(38) 양자 모두를 발생시키는 데이터를 제공하기에 예를 들어, 추가 마크로 인해 매우 적합하다. 소정의 탐침(20)이 소정의 회전 구성부품 상에서 위상 기준 마크(24)와 추가의 마크(32) 양자 모두를 검지하는 한편, 하나 이상의 근접 탐침이 측방향 진동으로 인해 구성부품을 보상하도록 마크를 검지하기 위해 소정의 회전 구성부품 상에 정렬될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 더 구체적으로, 복수의 탐침 각각은 소정의 회전 구성부품으로부터 위상 기준 및 추가 마크 양자 모두를 각각 검지하도록 정렬되어 있을 수 있다.

당업자라면 이해하고 있는 바와 같이, 추가 마크가 회전 당 추가 샘플을 제공하기 때문에, 팁 타이밍 분석에 근거하여 각도방향 진동 측정을 가능하게 및/또는 개선한다. 예를 들어, 일반적으로 회전 당 샘플이 증가하면 각도방향 진동 스펙트럼의 대역폭(bandwidth)이 증가하고, 각도방향 진동 스펙트럼이 결정될 수 있는 RPMs 범위도 증가하게 된다(예를 들어, 램프-업(ramp-up) 또는 램프-다운(ramp-down) 동안과 같은 저 RPMs에서의 분석을 위해 제공됨). 위상 기준 마크와 동일한 회전 구성부품 상에 추가 마크를 제공하면, 장기간의(예를 들어, 내장형 또는 현장형) 각도방향 및 비틀림 진동 계측을 포함하는 로터다이내믹 시스템의 보다 용이하고 더 비용 효율적인 구성 및/또는 개장을 제공하게 된다. 예를 들어, 통상적으로 위상 기준 마크를 포함하는 임의의 회전 구성부품은 추가의 구별가능한 마크를 포함하도록 제조될 수 있고, 이에 따라 현재의 시스템 구성에 대한 현저한 변경없이 각도방향(비틀림) 진동 계측을 제공하게 된다(예를 들어, 추가의 근접 탐침이 필요하지 않을 수 있고, 마크를 구비하는 추가의 회전 구성부품이 필요하지 않는 등). 다양한 실시형태에 따르면, 통상적으로 위상 기준 마크를 포함하는 터보압축기 시스템(예를 들어 트레인)의 각 평면은 위상 기준 마크(24)와 구별될 수 있는 하나 이상의 추가 마크를 포함하도록 수정될 수 있다.

도 5에는 예시적인 실시예에 따라 위상 기준 마크(24)를 또한 포함하는 회전 요소(52)의 표면(50) 상에의 추가 마크(32)의 제공에 대한 다른 예가 도시되어 있다. 여기서, 위상 기준 마크(24)는 추가 마크(32)보다 더 깊고, 이 추가 마크 각각은 동일하거나 유사한 깊이를 갖고 있다. 마크를 구별하는 이 방법은, 예를 들어 근접 탐침(20)이 근접 탐침(20)에 의해 생성되는 자기장의 변화에 근거하여 근접 탐침(20)으로부터 회전 요소(52)의 표면(50)까지의 거리를 검지하는 와상 전류 센서로서 실행되는 경우에 적합할 수 있다. 위상 기준 마크(24)와 추가 마크(32)의 상이한 깊이로 인해, 회전 요소(52)가 근접 탐침(20)과 연관된 검지 영역을 통해 회전함에 따라, 검지 거리가 상이해지게 된다. 하나의 순수한 예시적인 예에 따르면, 위상 기준 마크(24)의 깊이(54)는 추가 마크(32)의 깊이(56)보다 1.5 내지 2 배 깊을 수 있지만, 당업자라면 상대적인 깊이 차이는 실시 상세에 따라 변화할 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 예시적인 실시예에 있어서, 모드 마크의 폭은 동일하거나, 또는 실질적으로 동일할 수 있다. 소정의 예시적인 실시예에 따르면, 표면 내에 형성되거나 또는 표면 상에 배치되는 추가 마크(32)의 수(N)는 이하의 관계식으로부터 결정될 수 있다.

N = πd/2x

여기서, d는 위상 기준 마크 및 복수의 추가 마크가 배치되는 표면의 직경이고,

x는 기존의 위상 기준 마크의 폭이다.

만약 관계식에 의해 마크가 비정수로 된다면, 예를 들어 그 수를 가장 가까운 정수로 반올림할 수 있다.

특정 실시형태와 관계없이, 위상 기준 마크(24)와 복수의 추가 마크(32)가 검지를 위해 회전 요소의 표면에 제공되고, 근접 탐침(20)은, 검지 영역을 통해 회전하여 그와 관련된 데이터를 발생시킴에 따라, 각 마크를 검지할 것이다. 프로세서(36)는 그 데이터를 수신하고 처리하여 측방향 진동 위상 기준 측정(37) 및 각도방향 진동 측정(38) 양자 모두를 발생시킨다. 예시적인 일 실시예에 따르면, 이것은 도 6의 흐름도에 도시되어 있는 처리 방법을 이용하여 달성될 수 있다. 여기서, 단계 60에서, 프로세서(36)는 근접 탐침(20)(트랜스듀서)으로부터 받은 미가공 데이터를 수신 및 처리한다. 예를 들어, 트랜스듀서에 의한 신호 출력은 각 마크가 트랜스듀서를 통과하는 시간을 확인하도록 분석될 수 있다. 이러한 각 트랜스듀서 통과 사건 타이밍(또는, 균등하게, 트랜스듀서 관점으로부터 각 마크 도착 사건)은 신호가 사용자 설정 임계치와 동일하게 되는 시간으로 결정될 수 있다. 다양한 신호 처리 기법(예를 들어, 미가공 신호 상승 에지(raw signal rising edge)에 대한 보간법 및 곡선적합법)을 적용하여 각 트랜스듀서 통과 또는 마크 도착 사건 결정의 정확도를 개선할 수 있다. 이어서, 단계 62에서, 회전 요소(52)의 회전 속도 대 시간은 dq/dt로 계산되는데, 여기서 dq[°]는 치형부 대 치형부(tooth-to-tooth) 각도이고, dt는 치형부 대 치형부 각도 지연[s]이다.

이어서, 각도 대 시간 파형을 얻기 위해 단계 64에서 속도 대 시간 분포가 적분된다. 이 파형은 균일한 시간 분포에 대한 각도방향 진동을 얻어서 각도방향 진동 스펙트럼을 제공하도록 선택적으로 단계 66에서 필터링되거나, 요구되는 스펙트럼 대역폭에 기초하여 리샘플링될 수 있다. 만약, 비틀림 진동을 계산하는 것이 추가로 요망된다면, 회전 요소(52)의 2개의 다른 부분에서 측정된 각도방향 진동의 차이로 그 파라미터가 계산될 수 있다. 또한, 교번 토크가 회전 요소(52)의 소정의 강성에서 계산될 수 있다. 각도방향 진동 측정(38)은 주파수 및 진폭에 의해 표현될 수 있다. 그러나, 측정된 각도방향 진동 진폭은 전술한 구성 및 방법을 이용하여 저평가될 수 있다는 것을 알았다.

특히, 측정된 각도 진동 진폭은 실제 각도 진동 진폭, 사건의 개수(마크), 및 각도 진동 주파수의 함수인 것으로 측정되었다. 만약, 위상 기준 마크만이 사용된다면, 교정 계수가 측정된 결과에 적용되어 예시적인 실시예에 따라 예를 들어 전술한 단계 64 또는 66 중 하나 이후에 각도 진동 측정을 발생시키기 위한 공정의 일부로서, 정확한 진폭 값에 도달하여야 한다. 교정 계수(C)는 공지된 각도 진동 입력[즉, 공지된 주파수 및 공지된 진폭(A1)을 갖고 있음]을 이용하고, 전술한 방법으로 측정된 각도 진동 진폭(A_측정)을 결정하는 시뮬레이션에 의해 결정될 수 있다. 교정 계수(C)는 C = A_측정/A1로 결정될 수 있다. 시스템이 작동될 때, 각도 진동 측정 신호(38)의 진폭 부분(A)이 A=A_측정 × C로 계산되도록, 교정 계수(C)를 이용하여 측정된 각도 진동을 보상할 수 있다. 유리하게도, 이러한 교정 계수는 개선된 정확도를 제공하고, 또한 소수의 사건/초의 조건 하에서(예를 들어, 낮은 RPMs에서 및/또는 회전 구성부품이 작은 마크/회전을 가질 때) 정확한 각도 진동의 측정을 가능하게 한다.

따라서, 회전 요소를 구비하는 로터다이내믹 시스템과 관련된 각도 진동 중 적어도 하나와 측방향 진동 위상 기준을 모두 측정하기 위한 예시적인 실시예에 따른 방법은, 도 7의 흐름도에 도시되어 있는 단계들을 포함할 수 있다. 여기서, 단계 70에서는, 위상 기준 마크는, 검지 장치와 관련된 검지 영역을 통해 회전함에 따라, 검지된다. 유사하게, 위상 기준 마크와 구별될 수 있는 추가 마크는, 추가 마크가 단계 72에 도시되어 있는 바와 같이 검지 영역을 통해 통과될 때, 검지된다. 이어서, 위상 기준 신호가 단계 74에서의 위상 기준 마크의 검지에 기초하여 발생된다. 추가 마크의 검지에 기초하여 단계 76에서 진동 기준 신호가 발생되어, 각도 진동 및 비틀림 진동 중 하나를 측정하는 데에 사용된다.

전술한 것 중 다수의 변경 및 치환이 고려된다. 예를 들어, 측방향 진동 측정 하드웨어가 이미 소정 위치에 있는 개장 실시형태에 있어서, 각도방향(그리고, 선택적으로는 비틀림) 진동 측정 하드웨어가 예시적인 실시예에 따라 위상 기준 마크에 의해 발생된 위상 기준 신호만을 사용하여 각도 진동을 결정하고, 이어서 전술한 바와 같이 결과적인 각도 진동 측정의 진폭을 교정하여, 각도 진동을 측정하도록 추가될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이러한 방식으로, 이미 작동 상태에 있는 기계가 기계를 정지시키는 일 없이 각도방향/비틀림 진동에 대해 계측될 수 있다. 대안으로서, 전술한 추가 마크가 작동 기계 상에 존재하는 실시형태에 있어서, 측방향 진동 측정 및 각도방향 진동 측정이 개별적으로 및/또는 병행하여 수행될 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 도 7의 흐름도는 2개의 평행한 지선, 예를 들어 단계 70 및 74를 포함하는 측방향 진동(위상 기준)을 측정하기 위한 것과, 단계 72 및 76을 포함하는 각도방향(또는 비틀림) 진동을 측정하기 위한 것을 구비하도록 변경될 수 있다.

본 명세서에서 사용되고 있는 바와 같이, 회전 구성부품이 제거가능하게 체결되거나(예를 들어, 볼트를 사용하여), 제거가능하지 않게 체결되거나(예를 들어, 용접에 의해), 또는 일체(예를 들어 플랜지부)인 임의의 기계적 구조 또는 형상부를 포함하고 있고, 로터다이내믹 시스템(예를 들어, 터보기계)의 로터 또는 샤프트와 함께 회전한다. 예를 들어, 회전 구성부품이 허브, 플랜지, 너트(예를 들어, 베어링 로크 너트), 기어 또는 다이어프램 또는 디스크 커플링, 이러한 커플링에 고정 부착된(예를 들어, 볼트 결합 또는 용접 결합된) 치형 또는 기어 휠을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예로서, 이러한 회전 구성부품이 커플링 구성부품 또는 소정의 축방향 위치에서 샤프트에 부착(예를 들어, 용접 결합 또는 볼트 결합)되는 다른 구성부품을 포함할 수 있다. 본 발명의 소정의 실시예에 따르면, 임의의 이러한 회전 구성부품은, 로터다이내믹 시스템이 작동하는 동안에 회전 구성부품이 회전함에 따라, 트랜스듀서(예를 들어, 와상 전류 탐침과 같은 근접 센서)에 의해 검지될 수 있는 원주방향으로 배치된 마크(예를 들어, 치형부, 홈, 슬롯, 볼트 등)를 포함하도록 되어 있거나 또는 구성될 수 있다. 소정의 실시예에 있어서, 회전 구성부품이 위상 기준 마크 및 추가 마크로 구성(예를 들어 밀링에 의해)될 수 있는 샤프트 자체의 일부를 포함하고 있다.

본 명세서에서 사용되고 있는 바와 같이, 회전 구성부품 상의 마크는, 예를 들어 재료의 제거에 의해, 재료의 추가에 의해, 또는 다른 구성부품의 추가 또는 부착에 의해 형성될 수 있고, 회전 구성부품이 회전함에 따라 마크를 검지하도록 정렬된 탐침(예를 들어, 근접 탐침 및/또는 광학 탐침)에 의해 검지될 수 있는 임의의 형상부 또는 구조를 포함하고 있다. 예를 들어, 마크가 휠, 너트 또는 허브의 외면 또는 내면 내에 노치, 홈, 치형부, 키이웨이로서 형성(예를 들어 밀링에 의해)될 수 있다. 또한, 예로서, 마크가 볼트 또는 럼프(lump)(예를 들어, 용접 결합된 형상부)이거나, 또는 휠, 너트, 허브, 샤프트 플랜지 또는 다른 회전 구성부품 상의 다른 융기된 타겟(target)일 수 있다.

측방향 진동 위상 기준과, 각도방향 진동과, 또한 선택적으로 비틀림 진동(만약, 하나 이상의 측정 섹션이 사용가능하다면)을 제공하기 위한 이러한 방법 및/또는 시스템은 하드웨어 및/또는 소프트웨어로 실행될 수 있다. 예를 들어, 플로우팅 포인트 게이트 어레이(floating point gate array; FPGA)를 사용하는 컴팩트RIO(CompactRIO; CRIO)가, 다중 트랜스듀서 채널로부터 데이터를 얻고, 각 채널에 대응하는 각도방향 진동을 측정하며, 채널 사이의 각도방향 진동의 차이에 기초하여 비틀림 진동을 측정하도록 프로그래밍될 수 있다. 각도방향 진동을 측정하기 위한 이러한 처리 방법 및 시스템은 근접 탐침에 의해 얻어진 처리 신호에 제한되는 것은 아니지만, 회전 구성부품 상의 마크 또는 다른 표식을 계측하는 광학(예를 들어, 레이저) 탐침과 같은 다른 유형의 탐침에 의해 얻어진 신호에 적용될 수도 있다. CRIO 하드웨어를 사용하는 이점으로는, ⅰ) 매우 이동성이 양호하고, ⅱ) 하드웨어가 강고하고 신뢰성이 있으며, ⅲ) 교정 계수를 가진 소프트웨어를 사용하면 각도방향 진동의 계산을 위해 오직 위상 기준 신호(하나의 마크만)만을 이용할 수 있다는 점이 있다. 그러므로, 전술한 해결방안으로, 긴급의 경우에, 장치는 기계 사이트로 이송되어, 어떠한 수정없이 작동 중인 터보기계에 설치될 수 있다. 대조적으로, 비틀림 진동 측정을 위한 종래 기술의 방법의 수준은 침투적이고, 항상 유닛의 정지가 필요하다.

이에 따라, 예시적인 실시예는 예를 들어, 산업 용례에서 일반적으로 발견되는 신호를 사용하여 진동 측정을 가능하게 하는 것을 이해할 것이다. 대부분의 기계에서 발견되고, 이러한 진동 측정 도전을 극복하기 위해 사용될 수 있는 신호는 치형 기어 휠 상의 자석 픽 업으로부터의 속도 신호와, 샤프트 상의 단일 마크 상에 와상 전류 탐침에 의해 제공된 계측 또는 측정 시스템의 측방향 진동에 사용되는 위상 기준 신호를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

전술한 예시적인 실시예는 모든 양태에 있어서 본 발명을 제한하는 것이 아니라 예시적인 것으로 의도된다. 이에 따라, 본 발명은 당업자에 의해 본 명세서에 기재된 발명의 상세한 설명으로부터 유도될 수 있는 상세한 실시형태에 수 많은 변형이 있을 수 있다. 모든 이러한 변형 및 수정은 이하의 특허청구범위에 규정되어 있는 바와 같은 본 발명의 보호범위 및 기술적 사상 내에 있는 것으로 간주된다. 이와 같이 명백하게 설명되어 있지 않다면, 본 출원의 발명의 상세한 설명에 사용되는 어떠한 구성요소, 작용, 또는 지시는 본 발명에 중대하거나 필수적인 것으로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되고 있는 바와 같이, 단수 형태는 하나 이상의 구성요소를 포함하도록 의도된다.

10 : 가스 터빈 12 : 축방향 압축기
14 : 원심 압축기 16 : 조력 모터
20 : 근접 탐침 22 : 회전 표면
28 : 프로세서 24 : 위상 기준 마크
32 : 추가 마크

Claims

회전 요소(52)를 구비하는 로터다이내믹 시스템과 관련된 진동을 결정하기 위한 방법에 있어서,
위상 기준 마크(24)가 검지 장치와 관련된 검지 영역을 통해 회전할 때, 상기 회전 요소(52) 상의 위상 기준 마크(24)의 통과를 검지하는 단계와,
상기 회전 요소(52) 상의 복수의 추가 마크(32)의 통과를 검지하는 단계로서, 상기 복수의 추가 마크(32)는, 복수의 추가 마크(32)가 상기 검지 영역을 통해 통과할 때, 상기 위상 기준 마크(24)와 구별될 수 있는, 상기 추가 마크 통과 검지 단계와,
상기 위상 기준 마크(24)의 상기 검지에 기초하여 위상 기준 신호(34)를 생성시키고, 상기 위상 기준 신호(34)를 이용하여 측방향 진동을 결정하는 단계와,
상기 복수의 추가 마크(32)의 상기 검지에 기초하여 진동 기준 신호(38)를 생성시키고, 상기 진동 기준 신호(38)를 이용하여 각도방향 진동을 측정하는 단계와,
측정된 각도방향 진동의 진폭 부분에 교정 계수를 적용하여 상기 측정된 각도방향 진동을 보상하는 단계를 포함하는
로터다이내믹 시스템 진동 결정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 교정 계수를 적용하는 단계는, 상기 측정된 각도방향 진동의 상기 진폭 부분에 상기 교정 계수를 곱하는 단계를 더 포함하고, 상기 교정 계수는 시뮬레이션 결과에 기초하여 결정되는
로터다이내믹 시스템 진동 결정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 회전 요소(52) 상에 형성된 상기 복수의 추가 마크(32)의 개수는 πd/2x와 동일하고,
d는 상기 위상 기준 마크(34)와 상기 복수의 추가 마크(32)가 배치되는 표면의 직경이며,
x는 상기 위상 기준 마크(24)의 폭인
로터다이내믹 시스템 진동 결정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 통과 검지 단계는 와상 전류 센서를 이용하여 수행되는
로터다이내믹 시스템 진동 결정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 통과 검지 단계는 광학 검지 장치를 이용하여 수행되는
로터다이내믹 시스템 진동 결정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 위상 기준 마크(24)는 상기 회전 요소(52) 상에서 상기 복수의 추가 마크(32)와 상이한 깊이를 갖는
로터다이내믹 시스템 진동 결정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 위상 기준 마크(24)와 상기 복수의 추가 마크(32)는 동일한 피치(pitch)를 갖는
로터다이내믹 시스템 진동 결정 방법.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제