KR20100064348A - 비틀림 모드 댐핑 시스템 및 압축 트레인 - Google Patents

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KR20100064348A
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파올라 로톤도
에이나 바운 라센
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누보 피그노네 에스피에이
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Abstract

비틀림 모드 댐핑 시스템은 토크 센서, 토크 센서에 접속된 비틀림 댐퍼, 비틀림 댐퍼에 접속된 VFD 제어기 및 VFD 제어기에 접속된 VFD 변환기를 포함하되, VFD 변환기는 VFD 제어기에 의해 생성된 VFD 신호에 기초하여 전기 모터에 공급된 전기적 전력을 제어하도록 구성되고, VFD 신호는 압축 트레인의 고유 주파수에서 비틀림 진동을 감소(damping)시키도록 토크 정정 신호에 의해 변경된다.

Description

비틀림 모드 댐핑 시스템 및 압축 트레인{TORSIONAL MODE DAMPING APPARATUS}
본 명세서에 개시된 실시예는 일반적으로 기계 구동 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이러한 시스템에서의 비틀림 진동의 댐핑(damping of torsional vibration)에 관한 것이다.
원동기(예컨대, 가스 터빈 또는 전기 모터)는 전형적으로 기계적 샤프트에 의해 각각의 부하(예컨대, 전기 발전기 또는 압축기)에 접속되며 전력 구동기(power drive) 및/또는 부하(load)에 의해 여기된 하나 이상의 임계 주파수에서 공진을 나타낼 수 있다. 만일 임계 주파수에서 토크 성분이 생성되면, 샤프트는 토크 발진을 겪을 것이며, 이는 샤프트의 약화의 증가 및 수명의 감소를 야기할 수 있다. 극단적인 경우에, 이러한 모드가 트레인 내의 임의의 부품(특히 시스템에서 가장 약한 부품으로 고려될 수 있는 커플링)의 설계 용량을 초과하는 지점으로 여기되면, 비틀림 약화 때문에 시스템에 심각한 손상이 발생할 수 있으며, 이는 고장 시간 및 비싼 수리를 야기한다. 또한, 기어를 가진 터보 로터 트레인(torbo rotor train)의 경우에, 트레인의 큰 진동 각도 움직임이 있을 때 기어의 비틀림 및 횡방향 움직임이 서로 결합될 수 있다는 사실 때문에 기어박스 내의 높은 방사상 및 횡방향 진동이 관측될 수 있다.
비틀림 진동은 샤프트의 여러 부분뿐만 아니라 기계 커플링도 비트는 정상 상태 샤프트 속도에 중첩된 진동 각도 샤프트 움직임이다. 이미 언급한 바와 같이, 높은 비틀림 진동은 유해할 수 있고 기어박스에서 높은 횡방향 진동을 일으킬 수 있다. 심한 비틀림 진동은 기어 잡음 또는 커플링 마모의 문제점만을 표시하며 시스템의 작동 동안에 나타날 수 있다. 제어되지 않은 비틀림 진동의 일부 전형적인 결과는 고장난 커플링, 고장난 샤프트, 마모된 기어, 부서진 기어 이(gear tooth) 등일 수 있다.
비틀림 고유 주파수의 여기는 다수의 원인으로부터 일어날 수 있다. 전기적 구동기에서, 토크 성분의 소스는 전압 변환기에서 출력 변조기의 특성 때문에 또는 기계와 관련하여 전기적 네트워크 내에서 다른 전류 또는 전압 교란이 있기 때문에 존재하는 전압 고조파일 수 있다. 전기적 모터 구동형 샤프트 조립체 내의 비틀림 문제에 관한 다른 주요 원인은 전기적 구동 시스템에 의해 생성된 공극 토크 고조파이다.
당업자가 이해하는 바와 같이, 이들 시스템의 비틀림 특성은 트레인의 강성 및 관성에 따라 변한다. 시스템의 몇몇 비틀림 특성이 변할 수 있지만, 일반적으로 시스템 관성은 필요한 경우, 특히 프로젝트 개발이 완료될 때(즉, 스트링 테스트 동안에 또는 커미셔닝 단계 동안에) 비틀림 문제가 나타나면, 쉽게 변경될 수 없다. 가변 주파수 구동기(VFD)를 포함하는 전기 모터에 의해 구동되거나 지원된 통상적인 터보 기계 구동 트레인은 통상적인 불변 속도 장비를 통해 설계 단계 시에 특정 고려를 필요로 한다. 또한, 가변 주파수 구동기는 모터 샤프트 상에 생성된 토크 리플에 기인하는 비틀림 진동 문제의 알려진 원인이다. 이들 비틀림 진동을 감소시키는 한 가지 방법은 비틀림 및/또는 비틀어휨(torsio-flexural) 문제를 방지하기 위해 커플링, 기어박스 및 로터의 적합한 선택으로 비틀림의 관점에서 전체 압축기 트레인을 주의해서 설계하는 것이다. 그럼에도, 트레인 비틀림 성향에 대한 제어 루프 파라미터의 최적화는 언급된 비틀림 문제를 해결하기 위한 성공적인 옵션으로 보이지 않는다.
따라서 시스템의 하드웨어에 대한 영향이 없거나 최소인 여기의 소스 상에 직접 작용하는 교번 비틀림 압력의 유해한 효과를 감소시키거나 완화하는 다른 방법을 포함하는, 전기 모터에 의해 구동되거나 지원된 터보 기계 구동 트레인을 개발하는 것이 바람직할 것이다.
이상에 요약된 필요성 중 하나 이상 또는 당해 기술에 알려져 있는 다른 필요성은 압축기와, 샤프트에 의해 압축기에 접속된 가스 터빈, 및 기어식 샤프트에 의해 압축기에 접속된 전기 모터를 포함하는 압축 트레인의 출력 토크의 임계 주파수에서 토크 성분을 감소시키는 비틀림 모드 댐핑 시스템에 의해 해결된다. 이들 비틀림 모드 댐핑 시스템은 토크 센서와, 토크 센서에 접속된 비틀림 댐퍼와, 비틀림 댐퍼에 접속된 VFD 제어기, 및 VFD 제어기에 접속된 VFD 변환기를 포함하되, VFD 변환기는 VFD 제어기에 의해 생성된 VFD 신호에 기초하여 전기 모터에 공급된 전기적 전력을 제어하도록 구성되고, 토크 정정 신호에 의해 변경된 VFD 신호는 압축 트레인의 고유 주파수에서 비틀림 진동을 감소시키도록 구성된다.
개시된 본 발명의 실시예에 따른 압축기 트레인은 기어 박스에 결합된 압축기와, 샤프트에 의해 압축기에 접속된 터빈과, 기어 박스에 결합된 샤프트에 의해 압축기에 접속된 전기 모터와, 기어 박스에 결합된 샤프트의 토크의 측정에 기초하여 토크 신호를 생성하도록 구성된 토크 센서와, 전기 모터에 공급된 전기적 전력을 제어하도록 구성된 VFD 변환기와, VFD 변환기에 접속된 VFD 제어기를 포함하되, VFD 제어기는 VFD 변환기를 구동하는 VFD 신호를 생성하도록 구성되고, 토크 센서에 접속된 비틀림 댐퍼를 더 포함하며, 비틀림 댐퍼는 토크 센서로부터의 토크 신호에 기초하여 토크 정정 신호를 생성하도록 구성되고, VFD 신호는 압축 트레인의 고유 주파수에서 비틀림 진동을 감소시키도록 비틀림 댐퍼로부터의 토크 정정 신호에 의해 변경된다.
이상의 간략한 기술은 후속하는 상세한 설명이 잘 이해될 수 있도록 그리고 당해 기술에 대한 본 구성이 잘 이해될 수 있도록 본 발명의 다양한 실시예의 특징을 설명한다. 물론, 본 발명의 다른 특징도 존재하며, 이는 후술될 것이고 첨부된 특허청구범위의 청구대상에 대한 것이다.
이 점에서, 본 발명의 몇몇 실시예를 상세히 설명하기 전에, 본 발명의 다양한 실시예가 본 출원의 아래의 설명 및 도면에 도시된 구성요소의 배치에 국한되지 않음을 알아야 한다. 본 발명은 다른 실시예일 수 있고 다양한 방식으로 실시 및 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 이용된 표현 및 용어는 설명을 위한 것이며 제한하는 것으로 간주해서는 안 됨을 알아야 한다.
이와 같이, 당업자는 개시가 기초하는 개념이 본 발명의 몇몇 목적을 수행하는 다른 구조, 방법 및/또는 시스템을 설계하기 위한 기본원리로서 쉽게 이용될 수 있음을 알 것이다. 따라서, 특허청구범위가 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는 한에서 이러한 균등한 구조를 포함하는 것으로 간주하는 것이 중요하다.
또한, 앞선 요약의 목적은 특허 심사관 및/또는 일반적으로 대중 및 특히 특허 또는 법률 용어 또는 전문어와 친숙하지 않은 당해 기술의 과학자, 엔지니어 및 개업자가 피상적인 열람으로부터 본 명세서의 기술적 개시의 특성 및 핵심을 빠르게 결정할 수 있게 하는 것이다. 따라서, 요약서는 본원 발명 또는 출원을 규정하지도 않으며, 본 발명의 범위를 임의의 방식으로 제한하는 것도 아니며 오직 특허청구범위에 의해서만 본원 발명 또는 출원을 규정한다.
본 명세서에 개시된 실시예는 일반적으로 기계 구동 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이러한 시스템에서의 비틀림 진동의 댐핑에 관한 것이다. 기어 식(geared) 압축기/터빈/모터 트레인의 샤프트 피드백 신호의 다른 처리에 의해, 비틀림 모드 댐핑 제어기에서 토크 정정 신호가 생성되고 트레인의 VFD 제어기에서 현재의 기준으로 변환되기 전에 VFD 토크 기준 신호에 추가되어 특정 고유 주파수에서 비틀림 진동이 감소된다. 개시된 시스템이 외부 댐핑 제어 루프로서 작동하기 때문에, 즉, VFD 신호에 작용하므로, 기존의 시스템에 리트로피트(retrofit)로서 적용될 수 있으며, 따라서 상당한 자본 투자 없이 기존의 시스템의 보호 및 성능을 증가시킨다. 이제 몇몇 도면 전체에서 동일한 참조 번호가 동일하거나 대응하는 부분을 나타내는 도면을 참조하면, 개선된 비틀림 모드 댐핑 시스템의 몇몇 실시예가 설명될 것이다.
도 1은 개시된 발명의 실시예에 따른 비틀림 모드 댐핑 시스템(10)의 도면을 도시한다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 그리드 정류기, DC 링크 및 인버터를 포함하는 VFD 시스템이 일반적으로 사용되는 오일 및 가스 산업을 포함하지만 이것으로 제한되지 않는 다양한 산업 분야에서 비틀림 모드 댐핑 시스템(10)이 사용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 비틀림 모드 댐핑 시스템(10)은 기어식 트레인 샤프트의 토크를 감지하고 감지된 토크를 나타내는 신호(14)를 생성하도록 구성된 토크 센서(12)를 포함한다. 이어서 신호(14)는 신호 변환기(16)에 공급되어 비틀림 댐퍼(20)로의 비틀림 댐퍼 입력 신호(18)로서 재스케일링된다. 도 1의 비틀림 모드 댐핑 시스템(10)은 신호 변환기(16)를 구비하는 것으로 도시되었지만, 다른 실시예는 신호 변환기(16)를 포함하지 않을 수도 있고 또는 그 신호 변환기가 비틀림 댐 퍼(20)의 통합 부품일 수 있다. 신호 변환기(16)를 포함하지 않는 실시예에서, 비틀림 댐퍼(20)는 다른 처리 없이 센서(12)에 의해 생성된 신호(14)를 처리하도록 구성된다. 이어서 비틀림 댐퍼 입력 신호(18)는 비틀림 댐퍼(20)에 의해 처리되어, 신호 합성 요소(26)에서 VFD 토크 기준 신호(24)에 토크 정정 신호(22)를 일부분 추가함으로써 기어식 터빈/압축기/모터 트레인의 특정 고유 주파수에서 비틀림 진동을 감소시키는 토크 정정 신호(22)를 생성하며, 신호 합성 요소(26)의 출력은 VFD 표준 제어기(30)에 공급되는 변경된 VFD 토크 기준 신호(28)가 된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 비틀림 모드 댐핑 시스템(10)의 압축기 트레인 장치의 커미셔닝 테스트(commissioning test)가 수행될 때, 비틀림 댐퍼(20)에 테스트 신호(32)가 공급될 수 있으며, 그 테스트 신호(32)는 오실레이터 또는 신호 분석기를 포함하지만 이것으로 한정되지 않는 알려진 장치에 의해 생성된다.
도 2는 본 명세서에 개시된 발명의 실시예에 따른 도 1의 비틀림 댐퍼(20)의 예시적인 실시예의 도면을 도시한다. 당업자는 도 2가 예시적인 실시예를 단순화한 것이며 어떠한 방법으로도 개시된 발명을 제한하는 것으로 고려되어서는 안 됨을 알아야 한다.
도 2의 예시적인 실시예에서, 비틀림 댐퍼(201)는 댐핑될 비틀림 주파수를 중앙에 둔 0차 내지 2차의 적응가능한 차수를 가진 제 1 대역 통과 필터(34)를 포함한다. 동작시에, 제 1 대역 통과 필터(34)는 비틀림 댐퍼 입력 신호(18)를 필터링하고, 필터링된 신호(36)를 제 1 이득 증폭기(38)의 출력(15)이 신호 합성 요소(42)에 공급되기 전에 제 1 이득 증폭기(38)에 공급하여 필터링된 신호(36)의 크 기를 제어한다. 커미셔닝 테스트를 수행할 때, 도 2에 도시된 바와 같이, 생성된 테스트 신호(32)가 신호 합성 요소(42)에 공급된다. 이어서 신호 합성 요소(42)의 출력 신호(44)는 제 2 대역 통과 필터(46)에 공급되는데, 그 주파수는 댐핑될 비틀림 주파수의 ±15%에 중심을 둔다. 1의 이득을 가진 90°에 가까운 추가적인 위상 천이 필터(50)가 사용되어 제 2 대역 통과 필터(46)의 출력(48)을 더 튜닝할 수 있다. 도 2에 더 도시된 바와 같이, 기어식 압축기 트레인 구현의 상세한 설명에 따라 반대 표시일 수 있는, 위상 천이 필터(50)의 출력 신호(52)가 이득 블록(54)에 공급된다. 마지막으로, 토크 정정 신호(22)를 생성하기 위해, 이득 블록(54)으로부터의 출력(56)이 토크 정정 신호(22)를 원하는 레벨로 제한하도록 구성된 포화 블록(saturation block)(60)을 통과한다. 포화 블록(60)의 범위는 전기적 기계 베이스 상의 샤프트 토크의 1% 내지 5%의 범위 내에 설정될 수 있고, 포화 속도 한계 값은 구현의 상세한 설명에 기초하여 선택될 수 있다. 이어서, 이미 설명된 바와 같이, 비틀림 댐퍼(20)로부터의 토크 정정 신호(22)가 VFD 제어기(30) 내부에서 현재의 기준으로 변환되기 전에 VFD 토크 기준 신호에 추가되어, 특정 고유 주파수에서 검출된 비틀림 진동을 댐핑할 VFD 변환기 명령을 생성한다.
도시된 필터의 변환 기능은 특정 애플리케이션에 따라, 0차 내지 2차까지 변할 수 있는데, 각각의 이득은 원하는 댐핑 레벨을 획득하도록 선택될 수 있고, 설정 한계는 과도한 응답을 방지하거나 최소화하도록 선택될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 개시된 비틀림 모드 댐핑 시스템(10)은 샤프트 피드백 신호(14)를 사용하는데, 이는 토크 정정 신호(22)를 생성하기 위해 처리하는 비틀림 댐퍼(20)의 입력 이 된다.
도 3은 전기 모터(82), 압축기(84) 및 가스 터빈(86)을 포함하는 터보 기계 구동 트레인(80)에 적용되는 비틀림 모드 댐핑 시스템(70)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 압축기(84)는 기어박스(88) 및 커플링 또는 샤프트(90)에 의해 전기 모터(82)에 결합되는데, 전기 모터(82)는 VFD 변환기(92)에 의해 제어된다. 당업자가 알게 되듯이, 도 3에 개략적으로 도시된 산업 분야는 일반적으로 VFD 시스템이 그리드 정류기, DC 링크 및 인버터(도 3에서 도시 생략)를 포함할 오일 및 가스 산업에서 사용된다. 특히 도 3은 비틀림 모드 댐핑 시스템(70)이 VFD 제어기(100)에서 구현되는 애플리케이션을 설명하며, 이는 후술된다.
도 3에 도시된 애플리케이션에서, 비틀림 모드 댐핑 시스템(70)은 기어식 트레인 샤프트(90)의 토크를 감지하고 감지된 토크를 나타내는 신호(14)를 생성하도록 구성된 토크 센서(12)를 포함한다. 다른 유형의 센서가 고려되지만, 도시된 실시예의 토크 센서(12)는 전기 모터(82)의 비구동 단부(non-driven end) 상에 배치된 인코더이다. 사용중에, 토크 센서(12)는 트레인 샤프트(90) 상의 토크를 나타내는 인코더 펄스를 생성하고, 토크 모드 댐핑 시스템(70)은 도시된 시스템의 VFD 제어기(100)에서 구현된다.
이어서 토크 신호(14)는 신호 변환기(16)에 공급되어 비틀림 댐퍼(20)로의 비틀림 댐퍼 입력 신호(18)로서 재스케일링된다. 도 3의 비틀림 모드 댐핑 시스템(70)이 신호 변환기(16)를 구비하는 것으로 도시되지만, 다른 실시예는 신호 변환기(16)를 포함하지 않을 수도 있고 또는 그 신호 변환기는 비틀림 댐퍼(20)의 통 합 부품일 수 있다. 신호 변환기(16)를 포함하지 않는 실시예에서, 비틀림 댐퍼(20)는 다른 처리 없이 센서(12)에 의해 생성된 신호(14)를 처리하도록 구성된다. 이어서 비틀림 댐퍼 입력 신호(18)는 비틀림 댐퍼(20)에 의해 처리되어, 신호 합성 요소(26)에서 VFD 토크 기준 신호(24)에 토크 정정 신호(22)를 일부분 추가함으로써 기어식 터빈/압축기/모터 트레인의 특정 고유 주파수에서 비틀림 진동을 감소시키는 토크 정정 신호(22)를 생성하며, 신호 합성 요소(26)의 출력은 VFD 표준 제어기(30)에 공급되는 변경된 VFD 토크 기준 신호(28)가 되며 이는 VFD 변환기(92)를 구동할 신호(94)를 생성한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 비틀림 모드 댐핑 시스템(10)의 압축기 트레인 장치의 커미셔닝 테스트가 수행될 때, 비틀림 댐퍼(20)에 테스트 신호(32)가 공급될 수 있으며, 그 테스트 신호(32)는 오실레이터 또는 신호 분석기를 포함하지만 이것으로 제한되지 않는 알려진 장치에 의해 생성된다.
도 4는 개시된 발명의 다른 실시예에 따른 압축기/터빈 제어기(200)에 적용되는 비틀림 모드 댐핑 시스템(110)을 도시한다. 도 4의 터보 기계 구동 트레인(80)은 전기 모터(82), 압축기(84) 및 가스 터빈(86)도 포함한다. 도시된 바와 같이, 압축기(84)는 기어박스(88) 및 커플링 또는 샤프트(90)에 의해 전기 모터(82)에 결합되는데, 전기 모터(82)는 VFD 변환기(92)에 의해 제어된다. 당업자가 알게 되듯이, 도 3에 개략적으로 도시된 산업 분야는 일반적으로 VFD 시스템이 그리드 정류기, DC 링크 및 인버터(도 4에서 도시 생략)를 포함할 오일 및 가스 산업에서 사용된다. 특히 도 4는 비틀림 모드 댐핑 시스템(110)이 압축기/터빈 제어 기(200)에서 구현되는 애플리케이션을 설명하며, 이는 후술된다.
도 3과 유사하게, 도 4의 시스템은 또한 기어식 트레인 샤프트(90)의 토크를 감지하고 감지된 토크를 나타내는 신호(14)를 생성하는 토크 센서(12)를 포함한다. 다른 유형의 센서가 고려되지만, 도시된 실시예의 토크 센서(12)는 전기 모터(82)의 구동 단부 상에 배치된 인코더이다. 사용중에, 토크 센서(12)는 트레인 샤프트(90) 상의 토크를 나타내는 인코더 펄스를 생성하고, 토크 모드 댐핑 시스템(10)은 도시된 시스템의 압축기/가스 터빈 제어기(200)에서 구현된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 토크 신호(14)는 압축기/가스 터빈 제어기(200)에서 신호 변환기(16)에 공급되어 비틀림 댐퍼(20)로의 비틀림 댐퍼 입력 신호(18)로서 재스케일링된다. 도 3의 비틀림 모드 댐핑 시스템(10)이 신호 변환기(16)를 구비하는 것으로 도시되지만, 다른 실시예는 신호 변환기(16)를 포함하지 않을 수도 있고 또는 그 신호 변환기가 비틀림 댐퍼(20)의 통합 부품일 수 있다. 신호 변환기(16)를 포함하지 않는 실시예에서, 비틀림 댐퍼(20)는 다른 처리 없이 센서(12)에 의해 생성된 신호(14)를 처리하도록 구성된다. 이어서 비틀림 댐퍼 입력 신호(18)는 비틀림 댐퍼(20)에 의해 처리되어, 신호 합성 요소(26)에서 VFD 토크 기준 신호(24)에 토크 정정 신호(22)를 일부분 추가함으로써 기어식 터빈/압축기/모터 트레인의 특정 고유 주파수에서 비틀림 진동을 감소시키는 토크 정정 신호(22)를 생성하며, 신호 합성 요소(26)의 출력은 VFD 표준 제어기(30)에 공급되는 변경된 VFD 토크 기준 신호(28)가 되며 이는 VFD 변환기(92)를 구동할 신호(94)를 생성한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 비틀림 모드 댐핑 시스템(10)을 포함하는 압축기 트레인 장치의 커미셔닝 테스트가 수행될 때, 이미 설명된 바와 같이, 비틀림 댐퍼(20)에 테스트 신호(32)가 공급될 수 있다.
따라서, 요약하자면, 도 3 및 도 4는 단지 설명된 바와 같이 본 명세서에 개시된 발명의 2 개의 상이한 예시적인 구현 전략을 도시한다. 즉, 비틀림 댐퍼 알고리즘은 (도 3에 도시된 바와 같이) VFD 제어 하드웨어 내부에 또는 (도 4에 도시된 바와 같이) 압축기/GT 제어기 내부에 구현될 수 있다. 도 3은 VFD 제어 하드웨어 내의 비틀림 댐퍼 알고리즘의 구현을 도시한다. 특히 트레인 속도 조절기는 VFD 제어 하드웨어 내에 있으며, VFD 제어기에 토크 기준 신호를 공급한다. VFD 제어기에서 비틀림 댐퍼 추가형 알고리즘은 (VFD 로직 내부에서) 토크 기준 신호에 추가될 토크 정정 신호를 실시간으로 계산한다. 도 4는 GT/압축기 제어기 내의 비틀림 댐퍼 알고리즘의 구현을 도시한다. 특히 트레인 속도 조절기는 압축기/GT 제어기("표준 로직"으로서 나타냄) 내에 있으며, 토크 기준 신호를 생성한다. GT/압축기 제어기에서, 비틀림 댐퍼 추가형 알고리즘은 VFD에 대한 최종 토크 명령을 생성하기 위해(VFD 로직 및 하드웨어의 변경 없음) 토크 기준 신호에 추가될 토크 정정 신호를 실시간으로 계산한다.
이상에 요약된 토크 모드 댐핑 시스템의 이로운 특징 및 그 균등물 중 하나는 기존의 제어기 하드웨어에서 이를 구현하므로, 추가적인 하드웨어를 필요로 하지 않고/않거나 트레인 샤프트를 기계적으로 변경하지 않으면서(공급의 범위의 변경 없음), 오일 및 가스 애플리케이션을 포함하지만 이것으로 제한되지 않는 다양한 산업 분야에서 기존의 제어기의 갱신을 고려할 수 있다는 사실이다. 이러한 이 로운 특징은, 언급된 갱신을 수행함으로써 기존 시스템에서 비틀림 진동 레벨을 물질 내구성 한계 이하로 감소시키기 위해, 개선된 가스 압축기 트레인의 개발을 고려할 뿐만 아니라 특정 고유 주파수에서 검출된 비틀림 진동을 댐핑하는 것도 고려한다.
이상에 요약된 개시된 발명의 예시적인 실시예는 검증 목적을 위해 실험적으로 구현되었고, 수치적으로 모델링된다. 실험에서, 일련의 테스트는 가스 터빈, 원심력 압축기, 기어박스, 유동적 커플링 및 가변 속도 동기식 전기 모터로 구성된 특정 오일 및 가스 압축기 트레인 상에서 수행된다. 이들 테스트에서, 토크 샤프트, 모터 단말에서의 전류 및 전압, 커플링 상의 임계 샤프트 응답(55% 정규 모터 토크에서의 토크 리플), 트레인 샤프트 제 1 고유 주파수의 여기, 및 커플링 물질 내구성 한계보다 높은 비틀림 진동이 측정된다. 수치 모델링에서, 시뮬레이션을 구동하도록 공극 토크를 계산하는 데 모터 전기적 변수가 사용되고, 제 1 비틀림 모드에서의 커플링 상에서 응답을 시뮬레이팅하도록 비틀림 모드 모델이 개발된다. 계산되고 측정된 샤프트 토크의 비교는 비틀림 댐퍼 기능 구현도 통합하였던 비틀림 모드 모델의 유리한 검증을 제공한다.
시뮬레이션 결과는 비틀림 댐퍼가 제 1 비틀림 모드 주파수에서 교번 샤프트 토크의 5 대 1보다 큰 감소를 제공함을 도시한다. 실험으로부터, 가변 주파수 구동기 내의 비틀림 댐퍼 시스템의 구현은 원치않는 토크 진동을 제 1 비틀림 모드 주파수에서 교번 샤프트 토크의 5 대 1 감소보다 높은 레벨까지 감소시켜, 물질 내구성 한계 이하로의 비틀림 진동 레벨의 감소를 초래하므로, 비틀림 에너지의 제한 을 비틀림 주파수가 존재하는 여기 스펙트럼의 일부까지 고려함으로써 언급된 문제점의 효율적인 해결책이 된다. 또한, 이미 언급한 바와 같이, 추가적인 하드웨어를 추가하고/하거나 트레인 샤프트를 기계적으로 변경하지 않으면서(공급의 범위의 변경 없음) 이미 존재하는 제어기(하드웨어)에서의 구현이 가능하다. 본 명세서에 설명된 발명의 개시된 실시예가 몇몇 예시적인 실시예와 관련하여 구체적으로 및 상세하게 완전히 전술되고 도면에 도시되었지만, 당업자는 신규 교시, 본 명세서에 설명된 원리와 개념 및 첨부된 특허청구범위에 기재된 발명의 이점으로부터 현저하게 벗어나지 않으면서 다수의 변경, 수정 및 생략이 가능함을 알 것이다. 그러므로, 개시된 기술혁신의 적합한 범위는 이러한 모든 변경, 수정 및 생략을 포함하도록 첨부된 특허청구범위의 가장 광범위한 해석에 의해서만 결정되어야 한다. 또한, 임의의 프로세서 또는 방법 단계의 순서 또는 순차는 다른 실시예에 따라 변하거나 재순서화될 수 있다. 마지막으로, 특허청구범위에서, 임의의 수단 플러스 기능을 설명한 절은 기재된 기능을 수행하는 것으로 본 명세서에 설명된 구조와 구조적 균등물뿐만 아니라 균등한 구조도 커버하도록 의도된다.
본 발명의 개시된 실시예 및 수반하는 다수의 이점의 보다 완전한 이해는 첨부 도면과 관련하여 고려하는 경우에 후속하는 상세한 설명을 참조하여 잘 이해될 때 쉽게 달성될 수 있을 것이다.
도 1은 본 명세서에 개시된 발명의 실시예에 따른 비틀림 모드 댐핑 시스템의 도면을 도시한다.
도 2는 본 명세서에 개시된 발명의 실시예에 따른 도 1의 비틀림 댐퍼의 예시적인 실시예의 도면을 도시한다.
도 3은 개시된 발명의 실시예에 따른 전기 모터를 가진 터보 기계 구동 트레인의 가변 주파수 구동기 상의 비틀림 모드 댐핑 시스템을 도시한다.
도 4는 개시된 발명의 실시예에 따른 전기 모터를 가진 터보 기계 구동 트레인의 압축기/가스 터빈 제어기 상의 비틀림 모드 댐핑 시스템을 도시한다.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
12 : 센서 16 : 신호 변환기
20 : 비틀림 댐퍼 30 : VFD 제어 표준 로직

Claims (15)

  1. 압축기와, 샤프트(shaft)에 의해 상기 압축기에 접속된 가스 터빈, 및 기어식(geared) 샤프트에 의해 상기 압축기에 접속된 전기 모터를 포함하는 압축 트레인(compression train)의 출력 토크(torque)의 임계 주파수에서 토크 성분을 감소시키는 비틀림 모드 댐핑 시스템(torsional-mode damping system)에 있어서,
    상기 기어식 샤프트의 토크의 측정값에 기초하여 토크 신호를 생성하도록 구성된 토크 센서와,
    상기 토크 센서에 접속되며, 상기 토크 센서로부터의 상기 토크 신호에 기초하여 토크 정정 신호를 생성하도록 구성된 비틀림 댐퍼(torsional damper)와,
    상기 비틀림 댐퍼에 접속되며, 상기 비틀림 댐퍼로부터의 상기 토크 정정 신호에 의해 변경된 VFD 신호를 생성하도록 구성된 VFD 제어기와,
    상기 VFD 제어기에 접속되며, 상기 VFD 제어기에 의해 생성된 상기 VFD 신호에 기초하여 상기 전기 모터에 공급되는 전기적 전력을 제어하도록 구성된 VFD 변환기를 포함하되,
    상기 토크 정정 신호에 의해 변경된 상기 VFD 신호는 상기 압축 트레인의 고유 주파수에서 비틀림 진동을 감소시키도록 구성되는
    비틀림 모드 댐핑 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 비틀림 댐퍼는 적응가능한 0차 내지 2차의 제 1 대역 통과 필터를 더 포함하는
    비틀림 모드 댐핑 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 비틀림 댐퍼는 상기 압축 트레인의 고유 주파수의 약 ±15 Hz에 중심을 둔 주파수를 가진 제 2 대역 통과 필터를 더 포함하는
    비틀림 모드 댐핑 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 비틀림 댐퍼는 실질적으로 90°에 가까운 위상 천이 필터를 더 포함하는
    비틀림 모드 댐핑 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 비틀림 댐퍼는 상기 기어식 샤프트 토크의 약 1% 내지 약 5%의 범위 내에서 상기 토크 정정 신호를 제한하도록 구성된 포화 블록(saturation block)을 더 포함하는
    비틀림 모드 댐핑 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 비틀림 댐퍼는 상기 압축 트레인의 VFD 제어 하드웨어 내에 배치되는
    비틀림 모드 댐핑 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 VFD 제어 하드웨어 내에 상기 압축 트레인의 트레인 속도 조절기가 배치되되, 상기 트레인 속도 조절기는 상기 VFD 제어기에 토크 기준 신호를 공급하도록 구성되는
    비틀림 모드 댐핑 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 토크 정정 신호는 실시간으로 계산되고 상기 토크 기준 신호에 추가되 는
    비틀림 모드 댐핑 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 비틀림 댐퍼는 상기 압축 트레인의 압축기/터빈 제어기 내에 배치되는
    비틀림 모드 댐핑 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 압축기/터빈 제어기 내에 상기 압축 트레인의 트레인 속도 조절기가 배치되되, 상기 트레인 속도 조절기는 상기 VFD 제어기에 토크 기준 신호를 공급하도록 구성되는
    비틀림 모드 댐핑 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 토크 정정 신호는 실시간으로 계산되고 상기 토크 기준 신호에 추가되는
    비틀림 모드 댐핑 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 비틀림 모드 댐핑 시스템이 없는 상기 압축 트레인의 고유 주파수에서의 상기 비틀림 진동 대 상기 비틀림 모드 댐핑 시스템이 있는 상기 압축 트레인의 고유 주파수에서의 상기 비틀림 진동의 비율은 5 대 1보다 높은
    비틀림 모드 댐핑 시스템.
  13. 압축 트레인에 있어서,
    기어 박스(gear box)에 결합된 압축기와,
    샤프트에 의해 상기 압축기에 접속된 터빈과,
    상기 기어 박스에 결합된 샤프트에 의해 상기 압축기에 접속된 전기 모터와,
    상기 기어 박스에 결합된 상기 샤프트의 토크의 측정값에 기초하여 토크 신호를 생성하도록 구성된 토크 센서와,
    상기 전기 모터에 공급된 전기적 전력을 제어하도록 구성된 VFD 변환기와,
    상기 VFD 변환기에 접속된 VFD 제어기를 포함하되,
    상기 VFD 제어기는 상기 VFD 변환기를 구동하는 VFD 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 토크 센서에 접속된 비틀림 댐퍼를 더 포함하며, 상기 비틀림 댐퍼는 상기 토크 센서로부터의 토크 신호에 기초하여 토크 정정 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 VFD 신호는 상기 압축 트레인의 고유 주파수에서 비틀림 진동을 감소시 키도록 상기 비틀림 댐퍼로부터의 상기 토크 정정 신호에 의해 변경되는
    압축 트레인.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 비틀림 댐퍼는 상기 압축 트레인의 VFD 제어 하드웨어 내에 배치되고,
    상기 압축 트레인의 트레인 속도 조절기가 상기 VFD 제어 하드웨어 내에 배치되며,
    상기 트레인 속도 조절기는 상기 VFD 제어기에 토크 기준 신호를 공급하도록 구성되며,
    상기 토크 정정 신호는 실시간으로 계산되고 상기 토크 기준 신호에 추가되는
    압축 트레인.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 비틀림 댐퍼는 상기 압축 트레인의 압축기/터빈 제어기 내에 배치되고,
    상기 압축 트레인의 트레인 속도 조절기가 상기 압축기/터빈 제어기 내에 배치되며,
    상기 트레인 속도 조절기는 상기 VFD 제어기에 토크 기준 신호를 공급하도록 구성되며,
    상기 토크 정정 신호는 실시간으로 계산되고 상기 토크 기준 신호에 추가되는
    압축 트레인.
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