KR200270825Y1 - 발전소의 증기터빈 블레이드 뿌리부분의 비파괴 검사용탐상장치 - Google Patents

발전소의 증기터빈 블레이드 뿌리부분의 비파괴 검사용탐상장치 Download PDF

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Abstract

본 고안은 원자력발전소 내지는 화력발전소에 설치된 증기터빈의 날개뿌리부분 이상유무를 검사하는 증기터빈 블레이드 뿌리부분의 비파괴검사용 탐상장치에 관한 것으로, 터빈몸체에 탐촉장치가 부착되어 터빈의 회전이 필요없이 자체적으로 회전하면서 검사를 수행할 뿐만 아니라, 일정한 속도로 검사를 수행하여 검사의 신뢰성을 향상시키고 시스템의 크기를 혁신적으로 줄여 작업자 한사람이 휴대하고 부착할 수 있도록 함으로써 장치의 설치시간과 전체적인 검사시간을 최소화 할 수 있도록 증기터빈의 터빈로터(100)에서 자력으로 부착되어 이동할 수 있도록 마그네틱바퀴(410)를 갖추고 구동모터(490)와 감속기(495) 및 측면지지대(420)들이 설치된 몸체(430)와, 이 몸체(430)에 지지프레임(431)을 매개로 연결되면서 헤드고정손잡이(440)와 초음파 탐촉자(465)를 구비한 호울더몸체(455)로 이루어지되, 상기 호울더몸체(455)는 탐촉자 지지대 슬라이드(470)를 따라 이동되면서 상부에 탐촉자 높이조절기(450)가 설치되어 있으며 이 초음파 탐촉자(465)를 보유지지하는 탐촉자 지지대(460)와 외부에서 접촉매질이 호스(461)를 통해 공급되는 접촉매질 토출구(480)가 구비되어 있다.

Description

발전소의 증기터빈 블레이드 뿌리부분의 비파괴 검사용 탐상장치{Scanner Apparatus for Automatic Inspection of Turbine Blade Root of Power Plant}
본 고안은 원자력 또는 화력발전소의 핵연료 또는 고체, 액체 및 가스연료로부터 생성된 연소열을 이용하여 발생된 증기에너지를 기계적인 회전에너지로 변환시키는 증기터빈에 있어서 이 증기터빈의 날개 뿌리부분을 자동으로 검사할 때 검사시간을 단축하고 검사결과에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있는 발전소의 증기터빈 블레이드 뿌리부분의 비파괴 검사용 탐상장치에 관한 것이다.
통상적으로 원자력발전소 또는 화력발전소에 설치된 증기터빈은 고온 고압의증기를 축의 원주방향으로 배열된 날개에 부딪히게 하여 기계적인 회전에너지로 변환시키는 장치로서, 정상출력을 내는 경우 1초에 60번의 고속회전을 하도록 되어 있다.
발전중 상기 증기터빈의 날개 손상은 빈번하지 않지만, 한번 일어나면 발전의 중단과 함께 설비의 손상을 가하므로 막대한 비용발생 및 장시간의 보수를 필요로 하는 원인이 되었다.
실제 발전통계에 의하면 증기터빈 사고의 30%가 균열, 부식, 부품손상 등에 의한 터빈날개의 파손으로 나와 있는데, 이 터빈날개의 주된 힘은 터빈로터의 회전에 기인하는 원심인장력과 유입되는 증기에 의한 굽힘응력으로 나눌 수 있으며, 더욱이 노즐입구에서 유입된 증기의 불균일성에 의한 진동이 지속적인 피로를 유발하는 하나의 원인으로 작용하고 있다.
한편, 증기터빈의 설계에 관련된 문제로서 공진에 의한 날개진동으로 발생되는 피로균열과는 달리 대부분의 날개 파손은 부식에 기인한 균열이 지배적이며, 이러한 균열은 또한 터빈의 날개부분 보다 터빈몸체와 날개가 고정되는 부분인 날개의 뿌리부분에서 가장 빈번하게 발생되었다.
상기와 같은 통상적인 터빈구조는 도 1에 도시된 바와 같이 터빈테넌(140)을 가진 날개(110)가 360°배열되어 고정된 디스크(120)가 터빈로터(100)의 중심축을 대칭으로 여러단 설치되어 있으며, 이 디스크(120)와 날개(110)는 날개 뿌리부분(130)을 매개로 연결되어 있다.
현재 이러한 증기터빈의 날개 뿌리부분(130)을 검사하는 방법으로는 초음파를 이용한 수동 및 자동 비파괴검사 기술을 사용하고 있는바, 즉 초음파를 이용한 자동검사 탐상방법으로는 도 2와 같이 터빈을 롤러(250)가 있는 시스템지지대(220) 위에 올려놓고 이 터빈 주변에 터빈로터(100)와 평행하도록 레일(230)을 설치하고 이 레일(230) 위를 이동하면서 터빈에 접촉하는 검사아암(210)을 사용한 초음파 탐촉자를 검사부위에 접촉하여 검사를 수행하도록 되어 있다.
그러나 종래 이와 같은 검사방법은 다음과 같은 여러 문제점을 내포하고 있기에 이를 개선시킬 필요가 있다.
첫번째, 레일(230)을 포함하여 검사장치 전체의 크기가 차지하는 무게와 체적이 과다하므로 터빈이 위치한 발전소의 터빈룸으로 시스템장치를 운용하는데 많은 인력과 장비가 소요되며, 특히 검사장치의 흔들림을 방지하기 위해 사용되는 지지대(220)의 하중이 약 300㎏에 이른다.
두번째, 터빈 외부에서 내부로 접근하기 위한 검사아암(210)의 길이가 길어서 검사시 이 검사아암(210)이 흔들려 초음파 탐촉자가 검사대상에 일정한 압력으로 접촉하지 못하므로 초음파에너지를 검사대상내로 효과적으로 전달하지 못함에 따라 검사신뢰성이 떨어진다.
세번째, 터빈을 일정한 속도로 돌려줄 수 있는 롤러(250)가 필요하게 되는데, 이 터빈을 360° 검사하기 위해서는 터빈에 360°방향으로 모두 접근하는 검사장비가 불가능하기 때문에 터빈자체를 360°회전시켜야 하는 문제점 등이 있었다.
이에 본 고안은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로,검사용 탐상장치가 터빈의 회전이 필요없이 자체적으로 회전하면서 검사를 수행할 뿐만 아니라, 검사용 탐촉자가 터빈에 강력하게 부착된 상태에서 일정한 속도로 검사를 수행하여 검사의 신뢰성을 향상시키면서 크기를 최소화하여 검사자가 휴대하여 검사할 수 있고, 더욱이 터빈의 검사시간을 최소화 할 수 있는 개선된 발전소의 증기터빈 블레이드 뿌리부분의 비파괴 검사용 탐상장치를 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 통상적인 발전소의 터빈구조를 나타낸 도면,
도 2는 종래 이 터빈의 블레이드 뿌리부분을 검사하는 것을 개략적 도시한 도면,
도 3은 본 고안에 따른 탐상장치의 외관구성도,
도 4와 5는 본 고안의 일부 확대 상세도들,
도 6은 본 고안의 탐상장치가 최대의 힘을 필요로 하는 위치를 나타낸 개략도,
도 7은 본 고안의 탐상장치가 터빈로터에 대하여 일직선으로 진행하는 상태를 나타낸 설명도,
도 8은 본 고안을 이용하여 터빈을 검사하기 위한 전체 구성 시스템을 나타낸 도면이다.
- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -
100- 터빈로터 110- 날개
120- 디스크 130- 뿌리부분
210- 경사아암 220- 시스템 지지대
230- 레일 250- 롤러
400- 탐상장치 410- 마그넥틱 바퀴
420- 측면지지대 421- 측면간격 조절기
422- 측면 자석바퀴 430- 몸체
431- 프레임 440- 헤드고정 손잡이
450- 지지대 높이조절기 455- 호울더 몸체
460- 탐촉자 지지대 461- 호스
465- 초음파 탐촉자 470- 지지대 슬라이드
480- 접촉매질 토출구 510- PC
520- 조이스틱 530- 초음파 송수신부
540- 모터제어부 550- 접촉매질 공급부
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안은 터빈의 디스크에 부칙되기 위하여 마그네틱 바퀴를 갖추고 구동모터와 감속기 및 측면지지대들이 설치된 몸체와, 이 몸체에 지지프레임들을 매개로 연결되면서 헤드고정 손잡이와 초음파 탐촉장치를 구비한 호울더 몸체로 이루어지되, 상기 호울더 몸체는 탐촉자 지지대 슬라이드를 따라 이동되면서 그 상부에 탐촉자 지지대 높이 조절기가 설치되어 있으며 초음파 탐촉자를 보유지지하는 탐촉자지지대와 접촉매질이 호스를 통해 공급되는 접촉매질 토출구가 설치되어 있다.
이하 본 고안을 첨부된 예시도면에 의해 상세히 설명한다.
본 고안에 따른 탐상장치(400)는 검사하고자 하는 터빈의 디스크(120)에 자성이 아주 강한 마그네틱바퀴(410)를 이용하여 부착하게 되는데, 후술하는 도 8과 같이 터빈의 디스크와 날개의 뿌리부분을 검사하기 위해 이용되는 장비이다.
본 고안은 마그네틱바퀴(410)를 갖추고 구동모터(490)와 감속기(495) 및 측면지지대(420)들이 설치된 몸체(430)와, 이 몸체(430)에 지지프레임(431)을 매개로연결되면서 헤드고정손잡이(440)와 초음파 탐촉자(465)를 구비한 호울더몸체(455)로 이루어지되, 상기 호울더몸체(455)는 탐촉자 지지대 슬라이드(470)를 따라 이동되면서 상부에 탐촉자 높이조절기(450)가 설치되어 있으며 이 초음파 탐촉자(465)를 보유지지하는 탐촉자 지지대(460)와 외부에서 접촉매질이 호스(461)를 통해 공급되는 접촉매질 토출구(480)가 구비되어 있다.
즉 본 고안에 따른 탐상장치가 터빈내에서 이동할 수 있는 부분은 터빈디스크(120) 사이의 외부로 노출된 터빈로터(100) 표면으로서 그 폭이 약 200㎜로 매우 좁은 구역이다. 이러한 제한된 작업폭을 이용하기 위하여 탐상장치(400)를 360° 회전하기 위해서는 이 탐상장치(400)의 마그네틱바퀴(410)는 자성이 아주 강한 재질로 제작되면서 전후의 2륜으로 제한하였으며, 원격에서 탐상장치(400)를 제어하기 위하여 DC서보형 구동모터(490)를 사용한다. 또한 검사시스템은 고속작업을 요구하는 것이 아니라 저속에서 높은 토크가 요구되므로 이 구동모터(490)에서 발생된 출력을 감속시키는 감속기(495)가 구동모터(490)에 연결되어 있다.
한편, 상기 탐상장치(400)가 터빈로터(100)에 부착되면, 높은 자력으로 인하여 탈부착이 매우 어렵고 터빈디스크(110)의 뿌리부분(130)의 양쪽면을 검사하여야 한다.
따라서 한번 부착하여 양쪽면을 한번에 검사하도록 초음파탐촉자(465)를 갖춘 호울더몸체(455)를 180°회전할 수 있도록 되어 있는바, 즉 한쪽면의 검사가 완료되면 헤드고정손잡이(440)을 뽑고 헤드를 180° 회전시키고 다시 이 헤드고정 손잡이(440)를 끼워 넣어 헤드를 고정한다.
이와 같이 한 위치에서 디스크(120)의 양쪽 뿌리부분(130)을 모두 검사할 수 있기 때문에 검사작업시간과 노동력을 절감할 수 있다.
한편 도 8은 본 고안의 탐상장치(400)를 이용하여 검사를 수행하기 위한 전체적인 개략구성도로서, 본 고안을 터빈디스크(120) 사이에 부착하고 외부에서 검사장치를 원격으로 조절이 가능하도록 모터제어기(540)와 연결하고 이 탐상장치(400)의 속도를 조절할 수 있도록 PC(510)와 조이스틱(520) 양쪽 모두에서 제어하도록 되어 있다.
그리고 본 고안의 탐상장치(400)에는 발생하는 초음파를 송수신하기 위하여 초음파 송수신부(530)가 연결되고, 수신된 신호는 랜(LAN)을 이용하여 PC(510)에 저장되어 검사결과를 분석하도록 활용되어진다.
한편, 초음파 비파괴검사를 수행하기 위해서는 탐상장치(400)가 검사대상 부위에 접촉매질을 매개체로 하여 접촉을 하여야만 검사대상에 초음파를 전달할 수 있으므로 접촉매질이 접촉매질 공급부(550)에서 호스(461)를 통하여 접촉매질 토출구(480)로 공급되어 지는데, 이 접촉매질 공급부(550)에는 매질을 공급하기 위한 펌프가 설치되어 있다.
여기서 상기 접촉매질은 일반적으로 점도가 높은 페이스트(Paste) 종류를 사용하므로 통상의 액체펌프를 사용하게 되면 고점도의 접촉매질을 원활히 공급할 수 없기 때문에 예를들어, 초당 약 0.5㏄의 용량을 일정하게 공급할 수 있는 토출량을 가진 액체펌프를 사용하였으며, 상기 접촉매질 토출구(480)는 초음파탐촉자(465)와 디스크(120)사이 갭의 일정면적에 접촉매질을 도포할 수 있도록 끝단이 선형으로가공되어 있다.
한편, 터빈이 고정된 상태에서 탐상장치(400)를 360°회전하기 위해 구동바퀴를 마그네틱 바퀴(410)로 장착하였는데, 본 고안에 따른 탐촉장치의 총중량은 초음파탐촉자(465)와 각종케이블과 호스를 설치한 상태에서 약 20㎏ 정도이기 때문에 이 탐상장치(400)가 터빈에서 360°회전할 경우, 마그네틱 바퀴(410)에 필요한 최대자력은 본 고안이 측면 90°방향에 위치하는 경우이다(도 6참조).
이때 마그네틱 바퀴(410)에 걸리는 모멘텀을 계산하여 이 마그네틱 바퀴에 필요한 자력을 계산하면 되고, 상기 자력보다 큰 자력을 가진 마그네틱 자석이면 상관이 없다.
그리고 도 6은 본 고안의 탐상장치(400)가 터빈로터(100)에서 최대한으로 힘을 받을때 이를 도식적으로 나타낸 도면이다.
또한 도 7과 같이 본 고안 탐상장치(400)의 마그네틱바퀴(410)를 2륜으로 제한할 경우에 발생되는 문제점, 즉 본 고안이 디스크(120) 표면에 접촉되어 일정한 압력을 유지하면서 진행될 때 시간이 경과할 수록 탐상장치(400)의 초음파 탐촉자(465)에 미치는 압력이 감소하게 되고, 이는 결국 디스크(120)에서 초음파탐촉자(465)가 접촉하지 못하여 일직선이 아닌 경사 방향으로 진행하는 것을 방지하기 위하여 측면길이를 조절할 수 있도록 측면지지대(420)에 자석바퀴(422)를 설치한 구조가 도 4에 자세히 나타내고 있다.
즉 터빈을 검사하기 위해 터빈로터(100)에 탐상장치(400)가 부착되면 상기 측면지지대(420)에서 측면간격 조절기(421)에 의해 간격이 조절되는 자석바퀴(422)가 디스크(120)의 벽면에 부착되어 비틀어지는 것을 방지하도록 이 탐상장치(400)와 디스크(120) 사이를 일정한 간격을 유지시키면서 터빈을 360° 회전할 수 있도록 도와준다.
여기서 상기 디스크(120)와 탐상장치(400) 사이의 조정간격은 측면 간격조절기(421)를 이용하여 조절한다.
현재 발전소에 설치된 터빈은 여러개의 단으로 나누어져 있다.
중심부에서 부터 1단(1st Stage)이 시작되어 외부로 2단, 3단의 순으로 단수가 증가하며 터빈로터(100)의 표면에서부터 검사대상인 터빈의 뿌리부분(130) 까지의 거리도 각각 증가한다. 따라서 높이가 제각기 다른 각 단(Stage)을 검사하기 위해서는 시스템의 높이를 각단의 터빈로터(100) 표면에서부터 터빈뿌리부분 까지 조절할 수 있도록 하여야 한다.
도 5는 탐촉자의 높이를 원하는 높이로 변경하기 위하여 사용된 장치를 나타내고 있다. 본 고안에서는 터빈로터(100)와 부착된 바퀴표면에서 부터 초음파탐촉자(465)까지의 변위를 검사대상의 높이변화에 적절하게 대응하도록 하기 위하여 호울더몸체(455) 부분의 높이를 조절할 수 있도록 되어 있으며, 상기 호울더몸체(455) 부분을 몸체와 분리하고 탐촉자지지대 슬라이드(470)에 연결하여 슬라이드사이를 지지대 높이조절기(450)를 사용하여 나사산에 의하여 높이를 조절하도록 되어 있다.
일반적으로 초음파 탐상검사는 탐촉자가 검사대상 표면에 일정한 압력을 가지고 접촉하여야만이 검사신호의 질이 일정하면 좀더 좋은 감도의 신호를 취득할수 있다. 따라서 본 검사장비에서도 탐촉자와 디스크사이에 작용하는 힘을 일정하게 하기 위하여 탐촉자 후단에 인장스프링을 부착하여 탐촉자를 디스크쪽으로 일정한 힘을 가하도록 설계되어 있다.
이상 살펴본 바와 같이 본 고안은 종래의 터빈 자동검사장비를 이용하여 검사를 수행하였을 경우 발생하는 여러 가지 문제점으로 인하여 검사시작 후 검사완료까지 상당한 시간이 소요되어 발전소 가동중 점검기간의 연장을 초래하는 경우가 있어, 발전소 운영에 여러 가지 문제점이 있었으나 본 고안에서 제시한 터빈 뿌리부분의 자동검사하는 탐상장치를 이용함으로서 검사장비 설치 및 제거에 소요되는 시간이 현저히 감소하고, 검사결과에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 결함의 발견 및 평가를 용이하게 할 수 있는 매우 유용한 기술이다.

Claims (4)

  1. 원자력 또는 화력발전소에 시설되는 증기터빈의 날개 뿌리부분을 검사하는 탐상장치에 있어서,
    상기 증기터빈의 터빈로터(100)에서 자력으로 부착되어 이동할 수 있도록 마그네틱 바퀴(410)를 갖추고 구동모터(490)와 감속기(495) 및 측면지지대(420)들이 설치된 몸체(430)와, 이 몸체(430)에 지지프레임(431)을 매개로 연결되면서 헤드고정손잡이(440)와 초음파 탐촉자(465)를 구비한 호울더몸체(455)로 이루어지되, 상기 호울더몸체(455)를 탐촉자 지지대 슬라이드(470)를 따라 이동되면서 상부에 탐촉자 높이조절기(450)가 설치되어 있으며 이 초음파 탐촉자(465)를 보유지지하는 탐촉자 지지대(460)와 외부에서 접촉매질이 호스(461)를 통해 공급되는 접촉매질 토출구(480)가 구비되어 이루어진 것을 특징으로 하는 발전소의 증기터빈 블레이드 뿌리부분의 비파괴검사용 탐상장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 헤드고정손잡이(440)를 이용하여 초음파탐촉자(465)를 갖춘 호울더몸체(455)가 180°회전되어 지는 것을 특징으로 하는 발전소의 증기터빈 블레이드 뿌리부분의 비파괴검사용 탐상장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 탐촉자를 갖춘 몸체(430)는 마그네틱자석(410)을 매개로 터빈디스크(110)에서 360° 회전하여 검사할 수 있도록 이루어진 것을 특징으로 하는 발전소의 증기터빈 블레이드 뿌리부분의 비파괴검사용 탐상장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 초음파 탐촉자(465)를 갖춘 호울더몸체(455)는 지지대 높이조절기(450)에 의해 지지대 슬라이드(470)에서 높낮이가 조절되는 것을 특징으로 하는 발전소의 증기터빈 블레이드 뿌리부분의 비파괴검사용 탐상장치.
KR2020010039810U 2001-12-22 2001-12-22 발전소의 증기터빈 블레이드 뿌리부분의 비파괴 검사용탐상장치 KR200270825Y1 (ko)

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