KR20070110553A - 원심식 터보 기계 잔류 수명을 결정하는 시스템 및 방법 - Google Patents

원심식 터보 기계 잔류 수명을 결정하는 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

원심식 터보 기계는 임펠러와 임펠러의 속도와 관련된 속도를 검출하도록 배치된 속도 센서를 포함한다. 온도 센서는 임펠러 출구 온도와 관련된 온도를 검출하도록 배치된다. 제어 시스템은 임펠러 속도 및 출구 온도를 포함하는 임펠러 파라미터를 구비한다. 계산 방법론이 임펠러의 잔류 수명을 결정하도록 임펠러 파라미터를 수학적으로 처리하는데 사용된다. 경고 표시와 같은 프로그램된 응답이 한계치에 도달하는 잔류 수명에 대응하여 제어 시스템에 의해 유발된다. 제어 시스템은 임펠러의 속도 및 온도를 모니터한다. 제어 시스템은 속도 및 온도에 기초하여 잔류 수명을 반복으로 계산한다. 일례로서, 잔류 수명에서의 변화는 임펠러에 대한 내구 강도를 초과하는 임펠러 응력을 초래하는 속도에서의 변화에 대응하여 계산된다.
임펠러, 속도 센서, 온도 센서, 제어 시스템, 잔류 수명, 내구 강도

Description

원심식 터보 기계 잔류 수명을 결정하는 시스템 및 방법 {SYSTEM AND METHOD OF DETERMINING CENTRIFUGAL TURBOMACHINERY REMAINING LIFE}
본 발명은 원심식 터보 기계 임펠러의 잔류 수명을 결정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 원심 터보 기계는 하나 이상의 펌프, 터빈 또는 압축기 임펠러를 포함할 수도 있다.
원심 터보 기계는 최상의 공기역학 성능을 위한 높은 샤프트 속도로 작동하는 것이 전형적이다. 설계 속도에서 최고 응력은 알루미늄 합금과 같이 이러한 응용예에서 전형적으로 사용된 재료의 항복 강도에 가깝다. 일반적으로, 이것은 작동 응력이 안정된다면, 예를 들어 고정 속도라면 수용될 수 있다.
터보 기계 장비는 고정 속도에서 비교적 안정된 모드로 또는 가변 속도로 작동되도록 예상될 수 있다. 가변 속도 적용의 예는 최대 압력을 생성시켜야만 하고 이어서 에너지를 절감하기 위해 정지하거나 저속에서 완속 모드로 복귀해야만 하는 공기 압축기이다. 전형적인 완속 속도는 설계 속도의 30%이며, 동력은 최대 동력의 3%로 감소된다. 임펠러 내의 응력은 속도의 제곱에 의해 변화한다.
많은 시작 및 정지 사이클 또는 속도에서의 임의의 일탈(excursion)을 조건으로 할 때, 재료는 피로에 의해 열화되고 파손될 수 있다. 수명 곡선은 최대 응 력으로 나눈 최소 응력으로 정의되는 응력비의 함수이다. 평균 응력은 최대 응력 및 최소 응력의 평균이다. 소정 응력 사이클에 대한 진폭은 최대 응력과 최소 응력과의 차이를 2로 나눈 것이다. 또한, 재료 강도는 온도 증가에 비례하여 감소한다. 충분한 사이클이 누적되면, 재료는 최고 응력 위치에서 균열을 일으키고 원심 하중으로부터의 높은 평균 응력으로 인해 격변적으로 파손된다. 실제로, 속도는 응용예에 따라 어느 정도 임의의 특성으로 임의의 최소값으로부터 최대값까지 순환할 수 있다. 격변적인 파손이 일어날 때를 알맞은 정밀도로 예견하는 것이 바람직하다.
본 발명은 하나 이상의 임펠러를 포함하는 원심식 터보 기계에 관한 것이다. 속도 센서는 임펠러 회전 속도와 관련된 속도를 검출하도록 배치된다. 온도 센서는 임펠러 출구 온도와 관련된 온도를 검출하도록 배치된다. 제어 시스템은 임펠러 속도 및 출구 온도를 포함하는 임펠러 파라미터를 구비한다. 계산 방법론이 임펠러의 잔류 수명을 결정하도록 임펠러 파라미터를 수학적으로 처리하는데 사용된다. 경고 표시와 같은 프로그램된 응답이 한계치에 도달하는 잔류 수명에 대응하여 제어 시스템에 의해 유발된다.
작동 시에 제어 시스템은 임펠러의 속도 및 온도를 모니터한다. 제어 시스템은 속도 및 온도에 기초하여 잔류 수명을 반복하여 계산한다. 일례로서, 잔류 수명에서의 변화는 임펠러에 대한 내구 강도를 초과하는 임펠러 응력을 초래하는 속도에서의 변화에 대응하여 계산된다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들은 이하의 명세서 및 도면으로부터 가장 잘 이해될 수 있고, 다음은 도면의 간단한 설명이다.
도1은 본 발명의 잔류 수명 제어 시스템을 구비하는 원심식 터보 기계의 단면도이다.
도2는 임펠러 속도의 함수에 따른 한정 요소 분석으로부터 얻어진 최대 임펠러 응력을 도시하는 도표이다.
도3은 온도 및 응력비의 함수에 따른 피로 수명에 대한 임펠러 재료의 피로 응력의 도표이다.
도4는 변형된 굿맨(Goodman) 개략도로 도시된 수명 계산법이다.
도5는 임펠러의 잔류 수명을 결정하기 위한 본 발명의 방법론을 대체로 도시하는 흐름도.
원심 터보 기계(10)는 도1에 개략적으로 도시되어 있다. 터보 기계(10)는 당업계에 주지된 바와 같이 회전자 샤프트(rotor shaft, 14)를 구동하는 고정자(stator)(12)를 포함한다. 임펠러(16)는 샤프트(14) 상에 장착된다. 임펠러(16)는 유체를 입구(18)로부터 출구(20)로 이송한다.
본 발명의 원심 터보 기계(10)는 임펠러(16)의 속도를 검출하기 위한 속도 센서(22)를 포함한다. 속도 센서(22)는 임펠러(16)의 회전 속도를 직접적으로 또는 간접적으로 검출한다. 온도 센서(24)는 임펠러(16)와 관련된 출구 온도를 검출 하도록 배치된다. 도시된 예에서, 온도 센서(24)는 임펠러(16)의 출구 부근에 배치된다.
제어 시스템은 속도 센서(22) 및 온도 센서(24)와 연통하는 제어기(26)를 포함한다. 제어기(26)는 다른 변환기와 연통할 수도 있다. 추가적으로, 제어기(26)는 임펠러의 재료 특성 및 임펠러의 응력 특성에 관련된 것들과 같은 다른 임펠러 파라미터들을 수용하고 저장할 수도 있다. 응력 특성은 임펠러(16)의 한정 요소 분석 모델 및/또는 표로부터의 출력치로서 제공될 수도 있다.
응력 특성은 속도의 함수에 따른 최대 임펠러 응력, 온도의 함수에 따른 피로 강도, 응력비, 피로 파손에 대한 사이클, 및 피로 강도 변경 인자를 포함할 수도 있다. 응력 특성은 당업계에 주지된 바와 같이 순람표(lookup table) 또는 임의의 다른 적합한 수단의 일부분으로 제공될 수도 있다. 피로 강도 변경 인자는 임펠러의 표면 마무리, 임펠러의 특정 형태의 크기, 임펠러의 특정한 영역 상의 하중 및 임펠러의 온도에 관련되는 정보를 포함할 수도 있다. 임펠러 파라미터는 경험적으로 또는 수학적으로 결정될 수도 있다.
도1에 도시된 예시의 원심식 터보 기계에 대하여, 설계 속도는 58,000 rpm이다. 높은 속도는 최대 작동 조건에서 항복 부근의 임펠러 응력을 초래한다. 속도의 함수에 따른 응력은 초과 항복의 지점까지 도2에 도시되어 있다. 분석으로부터 알 수 있는 바와 같이, 그것은 알루미늄 합금으로 되어 있고, 최고 응력은 항복 강도에 근접한다.
응력 변동 및 피로 수명 사이클의 함수에 따른 통상의 알루미늄 합금의 강도 의 손실은 소정 온도에 대하여 도3에서 도시되어 있다. 수명 계산은 도4에 도시되어 있는 변경된 굿맨 개략도 상에 대체로 개시되어 있다. 이러한 분석과 함께, 최소-최대 작동 속도 및 온도가 주어지면, 임펠러가 파손 이전에 견딜 수 있는 응력 사이클의 수를 추정할 수 있으며, 또는 시간당 시작-정지 사이클의 수가 주어지면 허용 가능한 작동 시간을 추정할 수 있다. 본 발명은 임펠러의 임의의 속도 일탈로 인한 수명에서의 감소를 계산하는데 유용하다. 여러 가지의 계산 방법론이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 계산은 팜그렌-마이너 사이클-비율 합산법(Palmgren-Miner cycle-ratio summation method) 또는 맨슨의 접근 방안(Manson's approach)에 기초하여 이루어질 수도 있다. 이들 방법론들은 당업계에 주지되어 있다.
연속적으로 모니터하는 것이 바람직한 파라미터는 임펠러 속도 및 임펠러 출구 온도이다. 최대 임펠러 응력은 도2에서 지시되어 있는, 예를 들어, 속도 함수와 같은, 한정 요소 분석으로부터 결정된다. 임펠러의 재료 특성, 특히 도3에 도시된 바와 같이 온도, 응력비 및 파손까지의 사이클의 함수에 따른 피로 응력이 사용된다. 도3을 참조하면, 응력비 0%는 시작-정지 사이클을 나타내는 반면에 10%는 설계 속도의 30%까지의 속도 일탈의 예로서 나타낸다. 도3은 대응하는 이용 가능한 재료 강도 및 파손까지의 사이클을 나타낸다.
모니터된 데이터, 및 임펠러 응력 특성, 재료 특성 및 계산 방법론은 제어기(26) 내로 프로그램될 수도 있고 원심식 터보 기계(10)에 대한 제어 시스템의 일부로서 포함될 수도 있다. 일례로서, 계산의 결과는 누적된 사이클이 경고 제한치 또는 파손 이전에 허용 가능한 사이클의 수에 근접하는 경우에 가시적 또는 청각적 경보와 같은 경고 표시를 유발하도록 사용된다. 허용 가능한 사이클은 전형적으로 특정한 응용예에 적합한 소정의 안정 인자를 이용하여 달성된다.
경보 경고는, 일 퍼센트와 같이, 경보 한계치보다 작게 설정될 수도 있다. 경보 한계치에 도달하면, 제어 시스템은 유닛이 중단 및 임펠러 교체를 위해 계획될 수 있을 때까지 속도 일탈을 막을 수 있다. 이러한 접근 방안은 속도 일탈을 방지하는 것이 임펠러에 대한 누적되는 피해를 방지하기 때문에 취해진다.
경보 제한치에 도달하면, 유닛은 임펠러 교체를 위해 중단된다. 대안적으로, 유닛은 중단이 편리하게 계획될 수 있을 때까지 임의의 변동 응력을 회피하기 위해서 최대 속도에서 연속적으로 작동하도록 허용될 수도 있다. 이러한 방식으로, 고객은 실제 파손 이전에 임펠러를 교체하도록 사전에 경고받을 수 있다.
작동 시에, 도5에 도시된 예와 유사한 방법론이 잔류 임펠러 수명을 결정하도록 사용될 수도 있다. 방법(30)은 블록(32)에서 보여준 임펠러에 대한 최대 설계 응력을 결정하는 단계를 포함한다. 최대 설계 응력이 한정 요소 분석을 이용하여 제공될 수도 있다. 임펠러 속도 및 온도는 블록(34)으로 지시된 바와 같이 센서(22, 24)를 이용하여 모니터된다. 속도 및 평균 온도에서의 변화가 계산된다. 시작-정지 사이클 및 임의의 속도 일탈은 임펠러의 피로 수명에 부정적인 영향을 주는 속도에서의 변화를 초래한다. 본 발명의 방법은 속도에서의 변화에 의해 야기된 피로 수명에서의 감소를 정량화한다.
속도에서의 변화에 대한 결과적인 응력은 임펠러의 무한 수명을 위해 응력이 내구 강도를 초과하는지를 결정하도록 블록(36)에서 계산된다. 만약 응력이 내구 강도를 초과한다면, 블록(38)에서 지시된 바와 같이, 이어서 임펠러의 수명에서의 감소가 계산된다. 일례의 계산 방법론에서, 속도에서의 변화에 의해 생성된 응력 사이클에 대응하는 사이클의 수(Nf)가 계산된다. Nf는 최대 속도(N1) 및 응력비(rS)의 함수가 될 것이다.
Figure 112007072974819-PCT00001
Nf가 응력비(rS)의 함수임을 주목한다.
rS = 최소 응력 ÷ 최대 응력
[0001] 또는 응력이 속도의 제곱에 비례하여 변화되는 경우에
rS = (N2 ÷ N1)2
만약 회전 속도가 시간에 따라 모니터된다면, 응력 사이클의 누적은 계산될 수 있고, 블록(38)에서 지시된 바와 같이 잔류 수명이 추정될 수 있다. 예를 들어, 각각의 응력 사이클에 대하여, 변화 가능한 수명에 대한 초기의 값, L =0으로 시작하면,
Figure 112007072974819-PCT00002
시간의 임의의 지점에서, L은 임펠러에 의해 사용되는 예상 수명의 일부이다.
일례로서, 전형적인 하루의 작동은 정지로부터 60,000 rpm의 최대 속도까지 등가속하는 단계와, 그 최대 속도와 20,000 rpm의 최소 속도 사이에서 총 4번 왕복하는 단계와, 정지로 되돌아가는 단계로 구성된다. 온도는 대기 온도에서 시작하여 최대 300℉(149℃)까지 올라간다. 피로 강도 변경 인자는,
표면, Ka = 0.900 (기계 가공된 표면)
크기, Kb = 0.856 [직경 = 2.9997 cm(1.181 인치)]
하중, Kc = 1.0
온도, Kd = 1.098 - 1.25116*T(℉), 알루미늄 합금 7050-T351
[여기서, Kd = ST/SRT, 및
ST = 작동 온도에서의 강도, T
SRT = 실온에서의 강도]
아래의 표는 수명 계산의 결과를 보여준다.
Figure 112007072974819-PCT00003
하루 작동의 종료 시점에서, 누적 L 값은 예상 수명의 0.072%가 소비되었음을 표시하고, 전형적이라면, 또 다른 1/0.000720 = 1389 일 = 3.8 년이 예상될 것이다.
잔류 수명이 한계치에 도달할 때, 제어기(26)는 블록(42)에서 지시된 바와 같이 가시적 및/또는 청각적 경고를 포함할 수도 있는 경고 표시를 작동할 수도 있다. 대안적으로, 잔류 수명은 서비스 퍼스널(service personal)에 의해 주기적으로 점검되도록 접근 가능한 방식으로 간단히 저장되거나 디스플레이될 수도 있다. 이어서, 서비스 퍼스널은 블록(44)에 지시된 바와 같이 파손되기 전에 임펠러를 교체할 수도 있다. 방법(30)은 속도에서의 변화로 인한 임펠러의 수명에서의 후속적인 감소를 계산하도록 반복하여 반복된다.
본 발명의 양호한 실시예가 개시되었지만, 당업자라면 임의의 변형이 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있음을 알 수 있다. 이러한 이유로, 다음의 청구범 위는 본 발명의 진정한 범위 및 내용을 결정하도록 검토되어야 한다.

Claims (17)

  1. 임펠러와,
    임펠러 속도와 관련된 속도를 검출하도록 배치된 속도 센서와,
    임펠러 출구 온도와 관련된 온도를 검출하도록 배치된 온도 센서와,
    상기 임펠러 속도 및 출구 온도를 포함하는 임펠러 파라미터, 상기 임펠러의 잔류 수명을 결정하도록 임펠러 파라미터를 수학적으로 처리하는 계산 방법론, 및 한계치에 도달하는 잔류 수명에 대응하여 제어 시스템에 의해 유발된 프로그램된 응답을 구비하는 제어 시스템을 포함하는 터보 기계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 속도 센서는 임펠러를 지지하는 샤프트의 속도를 검출하는 원심식 터보 기계.
  3. 제1항에 있어서, 상기 온도 센서는 임펠러 출구 부근에 배치되는 원심식 터보 기계.
  4. 제1항에 있어서, 상기 계산 방법론은 팜그렌-마이너 사이클-비율 합산법에 의해 기초하여 이루어지는 원심식 터보 기계.
  5. 제1항에 있어서, 상기 계산 방법론은 맨슨의 접근 방안에 기초하여 이루어지 는 원심식 터보 기계.
  6. 제1항에 있어서, 상기 임펠러 파라미터는 임펠러의 재료 특성을 포함하는 원심식 터보 기계.
  7. 제6항에 있어서, 상기 임펠러 파라미터는 임펠러의 응력 특성을 포함하는 원심식 터보 기계.
  8. 제7항에 있어서, 상기 응력 특성은 속도의 함수에 따른 최대 임펠러 응력, 온도의 함수에 따른 피로 강도, 응력비, 및 최대 응력에 대한 파손까지의 사이클 중 하나 이상을 포함하는 원심식 터보 기계.
  9. 제7항에 있어서, 상기 응력 특성은 피로 강도 변경 인자를 포함하는 원심식 터보 기계.
  10. 제1항에 있어서, 상기 프로그램된 응답은 경고 표시인 원심식 터보 기계.
  11. 임펠러의 속도를 모니터하는 단계 a)와,
    상기 임펠러와 관련된 온도를 모니터하는 단계 b)와,
    속도 및 온도에 기초하여 상기 임펠러의 잔류 수명을 반복으로 계산하는 단 계 c)와,
    상기 잔류 수명이 한계치에 도달할 때 경고 표시를 생성하는 단계 d)를 포함하는 임펠러 잔류 수명 계산 방법.
  12. 제11항에 있어서, 단계 c)는 임펠러의 속도에서의 변화의 함수에 따라 잔류 수명을 계산하는 단계에 기초하는 임펠러 잔류 수명 계산 방법.
  13. 제12항에 있어서, 단계 c)는 속도에서의 변화에 의해 생성된 응력 사이클에 대응하는 비율로 잔류 수명을 반복으로 계산하는 단계를 포함하는 임펠러 잔류 수명 계산 방법.
  14. 제13항에 있어서, 단계 c)는 속도에서의 변화에 기인한 수명에서의 변화를 계산하는 단계를 포함하는 임펠러 잔류 수명 계산 방법.
  15. 제11항에 있어서, 단계 c)는 응력비의 함수에 따라 잔류 수명을 계산하는 단계에 기초하는 임펠러 잔류 수명 계산 방법.
  16. 제11항에 있어서, 단계 c)는 임펠러의 최대 설계 응력을 사용하는 임펠러 잔류 수명 계산 방법.
  17. 임펠러를 위한 제어기이며,
    상기 임펠러의 속도를 검출하도록 배치된 속도 센서로부터의 정보를 수용하는 수단과,
    상기 임펠러의 출구의 온도를 검출하도록 배치된 온도 센서로부터의 정보를 수용하는 수단과,
    상기 속도 및 온도 센서로부터 수용된 상기 정보를 이용하여 상기 임펠러의 잔류 수명을 결정하는 수단과,
    상기 잔류 수명이 한계치에 도달할 때 경고를 생성하는 수단을 포함하는 임펠러용 제어기.
KR1020077023316A 2005-04-12 2006-04-11 원심식 터보 기계 및 임펠러 잔류 수명 계산 방법 KR100952789B1 (ko)

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