KR20060008552A

KR20060008552A - 발전소의 터빈 블레이드 뿌리 비파괴검사 장치

Info

Publication number: KR20060008552A
Application number: KR1020040056851A
Authority: KR
Inventors: 윤병식; 김용식; 김세경; 이희종; 양동순; 김영호; 양승한
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2006-01-27
Also published as: KR100567662B1

Abstract

본 발명은 원자력발전소와 화력발전소에 설치된 증기터빈의 날개 뿌리(Blade root)부분 이상유무를 검사하는 증기터빈 블레이드 뿌리 비파괴 검사장치에 관한 것이다.

본 발명의 증기터빈 날개 뿌리 비파괴검사 장치는 터빈로터의 인출 없이 터빈의 케이싱을 제거한 상태에서 외부에 초음파 센서와 엔코더를 설치하고 터빈을 회전시켜 자동검사를 수행하고, 검사결과를 디지털로 저장할 수 있어 검사의 신뢰성을 향상시키고 검사 시스템의 크기를 혁신적으로 줄여 검사자 한 사람이 휴대하고 검사장비를 설치할 수 있도록 함으로써 검사장치의 설치시간과 전체적인 검사시간을 최소화시킨 발전소의 터빈 블레이드 뿌리 비파괴 검사용 탐상장치이다.

이를 위하여 증기터빈의 터빈 하부 하우징(151)에 자력으로 부착되어 고정할 수 있도록 마그네틱 스탠드를 갖추고 스탠드 끝단에 초음파 탐촉자를 고정할 수 있도록 호울더를 가공하고 일정한 힘으로 검사대상에 접촉할 수 있도록 되어 있다. 또한 로터의 임의의 위치에 엔코더를 부착하여 회전위치를 디지털로 기록할 수 있도록 하여 검사 신호와 위치를 일치하도록 구성되어 있다.

Description

발전소의 터빈 블레이드 뿌리 비파괴검사 장치{Apparatus for non-destructive inspection of power plant turbine blade root}

도 1은 통상적인 발전소의 터빈구조를 나타낸 도면,

도 2(A),(B)는 종래 이 터빈의 블레이드 뿌리부분을 비파괴검사 검사 개념을 개략적 도시한 도면들,

도 3(C),(D)는 본 발명에 따른 검사장치의 개략적 설치상태 단면도와 평면도,

도 4는 본 발명에 따른 탐촉자 고정부의 구성도,

도 5는 본 발명에 따른 엔코더 고정부의 구성도,

도 6은 본 발명의 탐촉자 고정장치를 인접한 터빈 뿌리 부분을 검사하기 위하여 180도 회전하는 개념도,

도 7은 본 발명을 이용하여 터빈을 검사하기 위한 전체 구성 시스템을 나타낸 도면,

도 8은 초음파 센서와 엔코더를 이용하여 터빈을 검사한 결과를 나타낸 신호평가 화면이다.

-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-

100 : 터빈로터, 110 : 블레이드,

120 : 디스크, 130 : 블레이드 뿌리,

140 : 터빈 테넌, 141 : 레일,

151 : 터빈 하부 하우징,

160 : 레일, 170 : 검사 아암,

180 : 검사장치, 200 : 탐촉자 고정부,

201 : 마그네틱 스탠드, 202 : 1차 스틸 환봉,

203 : 1차 관절부, 204 : 2차 스틸 환봉,

205 : 2차 관절부, 206 : 스프링 완충판,

207 : 탐촉자, 208 : 지지대 몸체,

209 : 호울더, 300 : 엔코더 고정부,

301 : 마그네틱 스탠드, 302 : 1차 스틸 환봉,

303 : 1차 관절부, 304 : 2차 스틸 환봉,

305 : 엔코더.

본 발명은 원자력 및 화력발전소의 핵연료 또는 화석연료로부터 생성된 연소열을 이용하여 발생된 증기에너지를 기계적인 회전에너지로 변환시키는 증기터빈에 있어서, 이 증기터빈의 블레이드 뿌리부분을 자동으로 검사할 때 검사시간을 단축하고 검사결과에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있는 발전소의 증기터빈 블레이드 뿌 리 비파괴검사 장치에 관한 것이다.

통상적으로 원자력발전소와 화력발전소에 설치된 증기터빈은 고온 고압의 증기를 터빈 축의 원주방향으로 배열된 블레이드에 부딪히게 하여 증기가 가진 열에너지를 기계적인 회전에너지로 변환시키는 장치로서, 발전소 정상운정 중 1초에 30~60번 고속회전을 하도록 되어 있으며, 중심부에서 시작하여 1단, 2단, 3단의 순으로 구성된다.

발전 중 상기 증기터빈의 블레이드 손상은 빈번하지 않지만, 한번 일어나면 발전의 중단과 함께 설비에 큰 손상을 발생할 수 있기 때문에 복구에 막대한 비용이 발생하고 장기간의 보수를 필요로 하는 원인이 되었다.

실제 발전통계에 의하면 증기터빈 사고의 약 30%가 균열, 부식, 부품손상 등에 의한 터빈 블레이드의 파손으로 나와 있는데, 이 터빈 블레이드의 파손을 일으키는 주된 응력은 터빈로터의 회전에 기인하는 원심 인장력과 유입되는 증기에 의한 굽힘 응력으로 나눌 수 있으며, 더욱이 노즐입구에서 유입된 증기의 불균일성에 의한 진동이 지속적인 피로를 유발하는 하나의 원인으로 작용하고 있다.

한편, 증기터빈의 설계에 관련된 문제로서 공진에 의한 블레이드 진동으로 발생되는 피로균열과는 달리 대부분의 블레이드 파손은 부식에 기인한 균열이 지배적이며, 이러한 균열은 또한 터빈의 블레이드부분 보다 터빈몸체와 블레이드가 고정되는 부분인 블레이드의 뿌리부분에서 가장 빈번하게 발생되었다.

상기와 같은 통상적인 터빈구조는 도 1에 도시된 바와 같이 박 디스크(120)에는 터빈 테넌(140)을 가진 블레이드(110)가 360°로 배열되어 고정되어 있고 이 들 디스크(120)는 터빈로터(100) 축을 대칭으로 여러 단 설치되어 있으며, 이 디스크(120)와 블레이드(110)는 블레이드 뿌리부분(130)을 매개로 연결되어 있다.

종래 이러한 증기터빈의 블레이드 뿌리부분(130)을 비파괴검사하는 방법으로는 초음파를 이용한 수동 및 자동 검사기술을 사용하고 있는바, 즉 초음파를 이용한 자동검사 방법으로는 도 2(A)와 같이 터빈로터(100)를 롤러(141) 위에 올려놓고 롤러(141)에 의해 터빈 로터(100)를 회전시켜 블레이드(130)를 검사한다. 이때 터빈로터(100) 축 방향에 평행하게 레일(160)을 설치하고 검사장치가 레일(160)을 따라 터빈로터(100) 축방향으로 이동하면서 각 블레이드(130)를 검사하게 된다. 검사 아암(170)의 끝단에는 초음파 탐촉자(207)가 설치되어 검사부위의 신호를 취득한다.

그리고 최근의 검사방법으로는 도 2(B)에서와 같이 터빈로터(100)에 마그네틱으로 구동되는 구동장치(180)를 부착하여 원격으로 검사할 수 있는 검사방법도 제안되어 사용되고 있다.

그러나 종래 이와 같은 검사방법은 다음과 같은 여러 문제점을 내포하고 있기에 이를 개선시킬 필요가 있다.

즉 첫 번째, 레일(160)을 포함한 검사장치 전체의 무게와 체적이 과다하므로 공간이 제한적인 발전소 터빈 룸에서는 시스템장치를 운용하는데 많은 인력과 장비가 소요되며, 특히 검사장치의 흔들림을 방지하기 위해 사용되는 지지대(150)의 하중이 약 300㎏에 이른다.

두 번째, 터빈 외부에서 내부로 접근하기 위한 검사 아암(170)의 길이가 길 어서 검사시 이 검사 아암(170)이 흔들려 초음파 탐촉자가 검사대상에 일정한 압력으로 접촉하지 못하므로 초음파 에너지를 검사대상 내로 효과적으로 전달하지 못함에 따라 검사 신뢰성이 떨어진다.

세 번째, 터빈을 일정한 속도로 회전시키기 위한 룰러(140)가 필요하게 되는데, 이 터빈을 360° 검사하기 위해서는 터빈에 360° 방향으로 모두 접근하는 검사장비가 불가능하기 때문에 터빈자체를 360° 회전시켜야 하는 문제점 등이 있었다.

네 번째, 터빈을 운전되는 위치에서 분해하고 인출하여 검사 장소로 이동하는데 많은 인력과 시간 그리고 중량물 취급에 따른 작업자 위험성이 상존하고 있었다.

다섯 번째, 하나의 단에 대한 검사를 마치고 인접한 단으로 검사대상을 이동할 경우 검사장비의 재 설치에 시간이 많이 소요되었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 터빈을 운전되는 위치에서 인출하지 않고 터빈 케이싱만 분해한 상태에서 운전을 위하여 터빈에 부착된 모터를 사용하여 터빈을 일정한 속도로 회전하도록 하고, 외부에서 초음파 탐촉자를 고정날개에 고정하고 검사를 수행하며, 임의의 위치에 엔코더를 부착하여 위치정보를 컴퓨터에서 기록하고 각각의 위치에 대한 초음파 신호를 저장하면서 검사를 수행하여 검사의 신뢰성을 향상시킬 뿐만 아니라 검사 시스템의 크기를 최소화하여 검사자가 간편하게 휴대하여 검사할 수 있고, 더욱이 터빈 의 감사시간을 최소화 할 수 있는 발전소의 증기터빈 블레이드 뿌리부분의 비파괴 검사용 탐상장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 크게 두개의 장치로 분리된다.

첫 번째는 초음파 탐촉자를 검사 대상시 터빈에 접촉하기 위한 초음파 탐촉자 고정부이고, 두 번째는 터빈이 회전함으로써 회전하는 길이를 기록하기 위한 엔코더를 검사대상인 터빈에 부착하도록 발명된 엔코더 고정부이다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명한다.

본 발명의 상세한 설명에 앞서 종래와 동일한 부분에 대해서는 동일 참조부호를 기입하여 설명한다.

본 발명은 원자력 또는 화력발전소에 시설되는 증기터빈의 블레이드 뿌리부분을 탐촉자를 이용하여 검사하는 터빈 블레이드 뿌리 비파괴검사 장치에 있어서, 상기 증기터빈의 블레이드 날개(110)를 검사하기 위한 탐촉자 고정부(200)와 회전하는 터빈로터(100)의 회전거리를 기록하는 엔코드 고정부(300)로 이루어지되, 상기 탐촉자 고정부(200)는 지지대인 터빈 하부 하우징(151)에 절환형으로 고정되는 마그네틱 스탠드(201)와, 이 마그네틱 스탠드(201)에 수직으로 고정되는 1차 스틸 환봉(202), 이 1차 스틸 환봉(202)에 1차 관절부(203)를 매개로 수평으로 배치 연결되면서 높낮이와 회전이 가능한 3차원적인 자유도를 갖는 2차 스틸 환봉(204), 상기 2차 스틸 환봉(204)에 2차 관절부(205)를 매개로 장착되는 스프링 완충판(206), 이 스프링 완충판(206)에 이어서 탐촉자(207)의 접촉력을 높이기 위한 스프 링이 내장된 탐촉자 지지대 몸체(208) 및, 이 탐촉자 지지대 몸체(208)에 연결되어 블레이드(110)를 검사하는 초음파 탐촉자(207)를 지지하는 호울더(209)로 이루어진 반면, 상기 엔코더 고정부(300)는 지지대(150)에 절환형으로 고정되는 마그네틱 스탠드(301)와, 이 마그네틱 스탠드(301)에 수직으로 고정되는 1차 스틸 환봉(302), 이 1차 스틸 환봉(302)에 1차 관절부(303)를 매개로 수평으로 배치 연결되면서 높낮이와 회전이 가능한 3차원적인 자유도를 갖는 2차 스틸 환봉(304) 및, 이 2차 스틸 환봉(304)에 장착되어 360° 회전이 가능하면서 터빈로터(100)의 회전거리를 측정하는 엔코더(305)로 이루어진 구조로 되어 있다.

즉, 본 발명에 따른 탐촉자 고정부(200)는 검사하고자 하는 터빈로터(100)의 블레이드(110)에 절환형(on-off type) 마그네틱 스탠드(201)를 이용하여 부착하게 되는데, 후술하는 도 6과 같이 터빈의 디스크(120)와 블레이드(110)의 뿌리부분(130)을 높낮이가 자유롭게 이동하면서 360° 회전하여 검사하기 위해 이용되는 장비이다.

본 발명은 마그네틱 몸체가 회전하지 않는 블레이드(110)에 부착되어 있고 1차 스틸 환봉(202)이 수직으로 고정되어 또 다른 2차 스틸 환봉(204)을 지지하도록 연결되면서 높낮이와 회전이 가능하도록 하여 3차원적으로 자유도를 가진다.

상기 2차 스틸 환봉(204)에는 다시 탐촉자(207)에 대하여 접촉력을 높이도록 스프링 완충판(206)으로 스프링 역활을 하도록 구성되었으며, 이어서 탐촉자(207)에 대한 2차 접촉력을 높이기 위하여 스프링이 내장된 탐촉자 지지대 몸체(208)가 부착되어 있다. 이 몸체(208)도 스틸 환봉에 대하여 수평으로 움직이면서 회전을 할 수 있어 3차원 자유도를 가지게 하여 탐촉자(207)를 검사자가 원하는 블레이드(110) 위치에 부착할 수 있다.

그리고 상기 탐촉자 지지대 몸체(208)의 끝단에는 중앙부가 사각형의 초음파 센서인 탐촉자(207)를 지지하도록 가공된 호울더(209) 가지고 있다.

검사대상에 초음파 센서인 탐촉자(207)를 부착하기 위해서는 먼저 1차 관절부(203)에서 검사대상의 높이와 방향에 접합하도록 1차 스틸 환봉(202)을 회전하여 적절한 위치로 초음파 센서인 탐촉자(207)가 위치하도록 하고 2차 관절부(205)를 이용하여 검사 대상과의 거리를 조절하고 검사대상과의 수직성을 가지도록 탐촉자(207)의 방향을 잡는다.

즉 본 발명에 따른 탐촉자 고정부(200)는 터빈의 케이싱(도면에 도시하지 않았음)을 개방한 상태에서 추가적인 작업 없이 탐촉자(207)를 검사 대상인 터빈 블레이드(110)의 뿌리부분(130)에 접촉하기 위한 장치로서, 탐촉자가 접촉한 상태에서는 터빈에 부착된 운전용 모터에 의하여 터빈이 일정한 속도로 회전을 하게 함으로써 360도 전 방향에 대하여 검사가 가능하다.

한편, 추가적인 자동검사를 수행하기 위해서는 터빈로터(100)의 회전에 따른 회전 거리를 기록하여야 한다. 이를 만족하기 위하여 접근이 가능한 어떠한 위치에서 회전하는 터빈의 몸체에 엔코더(305)를 부착하여야 하는데, 이 엔코더(305)를 부착하기 위한 장치는 도 5에서와 같이 엔코더를 지지하고 원하는 방향에 일정한 힘으로 엔코더(305)의 회전부에 접촉하도록 한다.

여기서 상기 엔코더 고정부(300)도 탐촉자 고정부(200)와 마찬가지로 높이와 360도 회전이 1, 2차 스틸 환봉(302, 304)과 1차 관절부(303)에 의해 가능하도록 하여 원하는 위치에 자유롭게 접촉할 수 있도록 되어 있다[도 3(D) 참조].

탐촉자 지지대를 설치 후 하나의 단(Stage)에 대한 검사가 완료되면 인접한 단의 검사를 위하여 2차 관절부(205)를 도 6과 같이 180도 회전함으로써 맞은편 검사를 수행할 수 있다.

이와 같이 하나의 위치에서 디스크(120)의 양쪽 뿌리부분(130)을 모두 검사할 수 있기 때문에 검사작업 시간과 노동력을 혁신적으로 절감할 수 있다.

한편 도 7은 본 발명에 따른 탐상장치를 이용하여 터빈로터의 블레이드(110) 검사를 수행하기 위한 전체적인 개략 구성도로서, 본 발명을 터빈의 외부인 고정 지지대(150)에 부착하고 초음파 탐촉자(207)로부터의 초음파 신호와 터빈로터(100)의 회전에 따른 이동거리를 엔코더(305)에서 감지하여 초음파 송수신부(530)가 연결되고, 수신된 신호는 랜(LAN)을 이용하여 PC(510)에 저장되어 검사결과를 분석하도록 활용되어 진다.

그리고 도 8은 상기 PC(150) 상에서 탐촉자(207)를 이용하여 초음파 비파괴 검사 상태를 디스플레이한 그래프이다.

또한, 초음파 비파괴 검사를 수행하기 위해서는 탐촉자(207)가 검사대상 부위에 접촉매질을 매개체로 하여 접촉을 하여야만 검사대상에 초음파를 전달할 수 있으므로 공지의 접촉매질이 접촉매질 공급부(550)에서 호스(560)를 통하여 접촉매질 토출구로 공급되어 진다.

일반적으로 초음파 탐상검사는 탐촉자가 검사대상 표면에 일정한 압력을 가 지고 접촉하여야 만이 검사신호의 질이 일정하면 좀더 좋은 감도의 신호를 취득할 수 있다. 따라서 본 검사장비에서도 탐촉자와 디스크 사이에 작용하는 힘을 일정하게 하기 위하여 탐촉자(207) 후단에 인장 스프링을 부착하여 이 탐촉자(207)를 디스크(120) 쪽으로 일정한 힘을 가하도록 설계되어 있다.

한편, 기존 검사 시스템을 사용할 경우 검사 장비 설치에만 5시간에서부터 12시간 정도의 시간이 소요되나 본 장치를 사용할 경우에는 검사 장치 설치에만 소요되는 시간이 20분에서 30분 정도 소요되므로서 검사장치 설치에 소요되는 시간을 대폭적으로 감소시켰을 뿐만 아니라 검사준비를 위하여 터빈 케이싱을 열고 터빈을 분해 후 검사 장소로 이동시키는데 소요되는 시간인 10시간이 필요하지 않으므로써 검사 준비에 소요되는 시간도 혁신적으로 감소 시켰다.

또한 각 단 사이를 검사하는 경우에 있어서 하나의 단에 대하여 검사를 마치고 인접한 단으로 이동시에도 기존의 자동장비는 이동에 필요한 시간이 1시간 이상 소요되었으나 본 발명의 탐상장치를 사용할 경우 단 5분 정도의 시간이 소요된다.

따라서 본 발명의 탐상장치를 사용할 경우 간단하고 안정적으로 검사를 수행할 수 있으므로 발전소 터빈검사로 인한 검사기간을 혁신적으로 감소시킬 수 있다.

이상 살펴본 바와 같이 본 발명은 종래의 터빈 자동검사장비를 이용하여 검사를 수행하였을 경우 발생하는 여러 가지 문제점으로 인하여 검사를 위하여 터빈을 인출하고, 비파괴 검사 시작에서부터 검사완료까지 상당한 시간이 소요되어 발전소 가동 중 점검기간의 연장을 초래하는 경우가 있어, 발전소 운영에 여러 가지 문제점이 있었으나 본 발명에서 제시한 터빈 블레이드 뿌리부분의 검사용 탐상장치를 이용함으로서 검사장비 설치 및 제거에 소요되는 시간이 현저히 감소하고, 검사 결과에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 결함의 발견 및 평가를 용이하게 할 수 있는 매우 유용한 기술이다.

Claims

원자력 또는 화력발전소에 시설되는 증기터빈의 블레이드 뿌리부분을 탐촉자를 이용하여 검사하는 터빈 블레이드 뿌리 비파괴검사 장치에 있어서,

상기 증기터빈의 블레이드(110)를 검사하기 위한 탐촉자 고정부(200)와 회전하는 터빈로터(100)의 회전거리를 기록하는 엔코드 고정부(300)로 이루어지되, 상기 탐촉자 고정부(200)는 지지대인 터빈 하부 하우징(151)에 절환형으로 고정되는 마그네틱 스탠드(201)와, 이 마그네틱 스탠드(201)에 수직으로 고정되는 1차 스틸 환봉(202), 이 1차 스틸 환봉(202)에 1차 관절부(203)를 매개로 수평으로 배치 연결되면서 높낮이와 회전이 가능한 3차원적인 자유도를 갖는 2차 스틸 환봉(204), 상기 2차 스틸 환봉(204)에 2차 관절부(205)를 매개로 장착되는 스프링 완충판(206), 이 스프링 완충판(206)에 이어서 탐촉자(207)의 접촉력을 높이기 위한 스프링이 내장된 탐촉자 지지대 몸체(208) 및, 이 탐촉자 지지대 몸체(208)에 연결되어 블레이드(110)를 검사하는 초음파 탐촉자(207)를 지지하는 호울더(209)로 이루어진 반면, 상기 엔코더 고정부(300)는 지지대(150)에 절환형으로 고정되는 마그네틱 스탠드(301)와, 이 마그네틱 스탠드(301)에 수직으로 고정되는 1차 스틸 환봉(302), 이 1차 스틸 환봉(302)에 1차 관절부(303)를 매개로 수평으로 배치 연결되면서 높낮이와 회전이 가능한 3차원적인 자유도를 갖는 2차 스틸 환봉(304) 및, 이 2차 스틸 환봉(304)에 장착되어 360° 회전이 가능하면서 터빈로터(100)의 회전거리를 측정하는 엔코더(305)로 이루어진 것을 특징으로 하는 발전소의 터빈 블레이드 뿌리 비파괴검사 장치.
제 1항에 있어서, 상기 탐촉자(207)는 2개의 관절부(203, 205)를 이용하여 높낮이와 360° 회전이 자유롭게 3차원 이동이 이루어지면서 접촉대상에 부착되는 것을 특징으로 하는 발전소의 터빈 블레이드 뿌리 비파괴검사 장치.
제 1항에 있어서, 상기 엔코더(305)는 1개의 관절부(303)를 이용하여 터빈로터(100)가 부착되는 것을 특징으로 하는 발전소의 터빈 블레이드 뿌리 비파괴검사 장치.