KR20120047789A - 전기 기계에서의 베어링 열 이상 진단 - Google Patents

전기 기계에서의 베어링 열 이상 진단 Download PDF

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KR20120047789A
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딜립 쿠마르 카나 파딘하루
비노드 쿠마르 반다루
바수데브 샨카르 닐라즈카르
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

전기 기계에서의 로터 오정렬 및/또는 베어링 와이프를 진단하기 위해 베어링 금속 온도(BMT)를 평가하기 위한 시스템 및 방법이 제시된다. 본 발명에 따라 제공되는 제 1 시스템(40)은, 터빈(12)에 인접하여 위치한 제 1 BMT 센서(26a, 26b)와, 제너레이터(10)에 인접하여 위치한 제 2 BMT 센서(28a, 28b)로부터 베어링 금속 온도(BMT) 판독치를 획득하고, 윤활유 입구 온도, 속도, 및 파워를 포함한 작동 데이터(64)를 획득하기 위한 입력 시스템(50)과, 불량 입력 데이터(62)를 필터링하기 위한 필터 시스템(52)과, 증가 온도를 보고하는 BMT 센서 중 하나와 감소 온도를 보고하는 다른 BMT 센서에 응답하여, 오정렬 경고를 발생시키는 오정렬 분석 시스템(54)을 포함한다.

Description

전기 기계에서의 베어링 열 이상 진단{DIAGNOSIS OF BEARING THERMAL ANOMALIES IN AN ELECTRICAL MACHINE}
본 발명은 일반적으로 제너레이터(generator)와 같은 전기 기계에서의 베어링 열 이상(bearing thermal anomalies)의 진단에 관한 것이고, 특히, 베어링 오정렬 및 베어링 와이프 문제점을 진단하기 위해 베어링 금속 온도(BMT)를 평가하는 것에 관한 것이다.
로터 진동의 주 요인인 제너레이터 로터의 정렬 변화는 터빈 및 제너레이터의 베어링 상의 수직 부하에 불균형을 일으킨다. 이는 베어링 고장을 일으키게 되는 배빗 고장(babbit failure)을 자주 야기한다. 베어링 고장의 다른 요인은 "베어링 와이프"(bearing wipe)이며, 이는 충분한 오일 냉각 또는 오일 유동의 결여로 인해 나타난다. 많은 경우에, 베어링 고장의 궁극적 결과는 제너레이터의 강제 정지로 나타나고, 이는 시간 및 비용 측면에서 대가가 크다.
본 명세서에는 베어링 고장의 조기 검출을 제공하기 위해 베어링 금속 온도(BMT)의 경향을 평가하기 위한 기술이 설명되어 있다.
본 발명의 일 형태에서, 터빈 및 제너레이터를 구비한 전기 기계에서의 샤프트의 오정렬을 식별하기 위한 시스템이 제공되며, 상기 시스템은, 상기 터빈에 인접하여 위치한 제 1 BMT 센서와, 상기 제너레이터에 인접하여 위치한 제 2 BMT 센서로부터 베어링 금속 온도(BMT) 판독치를 획득하고, 윤활유 입구 온도, 속도 및 파워를 포함한 작동 데이터를 획득하기 위한 입력 시스템과, 증가 온도를 보고하는 BMT 센서 중 하나와 감소 온도를 보고하는 다른 BMT 센서에 응답하여, 오정렬 경고를 발생시키는 오정렬 분석 시스템을 포함한다.
본 발명의 다른 형태에서, 터빈 및 제너레이터를 구비한 전기 기계에서의 샤프트를 지지하는 베어링의 베어링 와이프(bearing wipe)를 식별하기 위한 시스템이 제공되며, 상기 시스템은, 상기 제너레이터 및 상기 터빈에 인접하여 위치한 복수의 BMT 센서 각각으로부터 베어링 금속 온도(BMT) 판독치를 획득하고, 윤활유 입구 온도, 속도 및 파워를 포함한 작동 데이터를 획득하기 위한 입력 시스템과, 증가 온도를 보고하는 BMT 센서 중 하나에 응답하여 베어링 와이프 경고를 발생시키는 정상 상태 베어링 와이프 분석 시스템을 포함한다.
본 발명의 추가적 형태에서, 터빈 및 제너레이터를 구비한 전기 기계의 샤프트를 지지하는 베어링의 베어링 와이프(bearing wipe)를 식별하기 위한 시스템이 제공되며, 상기 시스템은, 상기 제너레이터 및 상기 터빈에 인접하여 위치한 복수의 BMT 센서 각각으로부터 베어링 금속 온도(BMT) 판독치를 획득하고, 윤활유 입구 온도, 속도 및 파워를 포함한 작동 데이터를 획득하기 위한 입력 시스템과, 전기 기계의 시동 또는 코우스트 다운(coast down) 중 BMT 센서 중 하나로부터 스파이크(spike) 검출에 응답하여 베어링 와이프 경고를 발생시키는 과도 상태 베어링 와이프 분석 시스템을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제너레이터 유닛의 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 BMT 분석 시스템을 갖는 컴퓨터 시스템의 개략도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 오정렬 검출 그래프,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 베어링 와이프 검출 그래프,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 베어링 와이프 검출 그래프.
본 발명의 다양한 실시예는 로터 오정렬 및 베어링 와이프 문제점에 관련된 이상을 검출하기 위해 전기 기계의 로터 베어링 내 베어링 금속 온도(BMT)의 경향을 평가하는 것을 지향한다. 본 발명의 다양한 실시예의 기술적 효과는, BMT 데이터를 이용하여 조기 단계에서 이러한 문제점들을 식별하는 능력을 포함하며, 따라서, 매우 이른 단계에서 교정 작용을 수행하는 능력을 제공할 수 있다.
도 1은 샤프트(14)와 연결된 터빈(12) 및 제너레이터(10)를 포함하는 단순화된 제너레이터 유닛(11)을 도시한다. 한 세트의 로터 베어링(16, 18, 20, 22)이 샤프트(14)를 지지하며, 샤프트(14)를 회전시킬 수 있다. 각각의 로터 베어링(16, 18, 20, 22)은 베어링 금속으로부터 온도 데이터를 수집하는 하나 이상의 베어링 온도 센서를 포함한다. 본 예에서, 베어링(16)은 한 쌍의 터빈 컬렉터 단부 센서(24a, 24b)를 포함하고, 베어링(18)은 한 쌍의 터빈 연결 단부 센서(26a, 26b)를 포함하며, 베어링(20)은 한 쌍의 제너레이터 연결 단부 센서(28a, 28b)를 포함하고, 베어링(22)은 한 쌍의 제너레이터 컬렉터 단부 센서(30a, 30b)를 포함한다.
도 2는 오정렬 또는 베어링 와이프 문제가 존재하는 지를 결정하기 위해 로터 베어링 센서로부터 수집되는 BMT 데이터(62)를 분석하기 위해 BMT 분석 시스템(48)을 갖는 컴퓨터 시스템(40)을 도시한다. 문제점이 존재할 경우, 하나 이상의 경보(60)가 출력될 수 있다. BMT 데이터(62)의 입력에 추가하여, 윤활유 입구 온도, 속도, 및 파워 데이터를 포함한, 작동 데이터(64)가 또한, 예를 들어, 관련 센서로부터, 수집된다.
일반적으로, BMT 분석 시스템(48)은 BMT 데이터(62) 및 작동 데이터(64)를 판독 및 관리하기 위한 데이터 입력 시스템(50)과, 불량한(bad) 또는 범위 외(out of range) 입력 데이터(62, 64)를 식별 및 폐기하기 위한 필터 시스템(52)과, 오정렬을 표시하는 경향에 대해 BMT 데이터(62)를 평가하는 오정렬 분석 시스템(54)과, 베어링 와이프를 표시하는 경향에 대해 정상 상태 작동 중 BMT 데이터를 평가하는 정상 상태 베어링 와이프 분석 시스템(56)과, 베어링 와이프를 표시하는 경향에 대해 시작/종료(startup/shutdown) 작동 중 BMT 데이터(62)를 평가하는 과도 베어링 와이프 분석 시스템(58)을 포함한다. BMT 분석 시스템(48)은 오정렬 분석 시스템(54)과, 정상 상태 베어링 와이프 분석 시스템(56)과, 과도 베어링 와이프 분석 시스템(58) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
필터 시스템(52)은 예를 들어, 잡음을 필터링하고, 데이터 품질을 평가하며, 불량 센서를 식별할 수 있다. 특정 테스트에 대해 범위 외인 데이터를 또한 폐기할 수 있다. 예를 들어, 정상 상태 베어링 와이프 분석 시스템(56)은 로터가 지정 작동 속도 범위 및 파워 출력 범위에서 회전하고 있을 때 BMT 데이터(62)를 평가할 수만 있다.
오정렬 분석 시스템(54)은 본질적으로 수직 정렬 변화를 검출한다. 제너레이터 또는 터빈의 로터의 수직 정렬 변화가 존재할 때마다, 연결 단부에서 제너레이터 및 터빈의 베어링 상의 부하가 일치하지 않게 된다. 이는 제너레이터 베어링에 BMT를 증가시키고, 터빈 베어링에서의 BMT를 감소시키며, 그 역도 가능하다. 시간이 지남에 따라, 베어링 중 하나가 온도 증가 경향을 나타내고, 베어링 중 하나는 온도 감소 경향을 나타낸다. 베어링 BMT의 이러한 동시적 증가 및 감소 경향은 로터의 오정렬을 명확히 표시하게 된다.
베어링 오일의 냉각 매질이 주위 조건에 노출되기 때문에, 주위 온도 역시 BMT에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 주위 온도의 영향을 최소화시키기 위해, 오정렬 검출에 대한 모니터링 파라미터가, BMT 상승이라고 불리는 윤활유 입구 온도 및 BMT 사이의 차이로 T 상승 연산 시스템(55)에 의해 구현될 수 있다.
터빈 베어링 BMT 와 제너레이터 베어링 BMT에 대한 기준값은 예를 들어, BMT 데이터(62)의 제 1 수집 주동안, 기준 연산 시스템(57)에 의해 시간에 걸쳐 연산된다. 기준선으로부터 BMT 상승의 증가 및/또는 감소를 모니터링하고 평가하여, 오정렬 문제점의 표시가 존재하는 지를 결정할 수 있다. 각자의 기준선에 대해 제너레이터 연결 단부 센서(28a, 28b)(도 1)로부터의 BMT가 증가하고 터빈 연결 단부 센서(26a, 26b)(도 1)로부터의 BMT가 감소할 때(또는 그 역의 경우에), 베어링 오정렬에 대한 경보(60)가 발생될 수 있다.
도 3은 제너레이터 BMT 기준선(70) 및 터빈 BMT 기준선(72)이 구축되어 점선으로 도시되는 예시적인 예를 도시한다. 제너레이터 BMT 상승(74) 및 터빈 BMT 상승(76)이 시간에 걸쳐 모니터링된다. 도면에서 확인할 수 있는 바와 같이, 각자의 기준선에 대하여 제너레이터 BMT 상승(74)은 증가하고 있고 터빈 BMT 상승(76)은 감소하고 있다. 일부 지정된 세트의 임계값(예를 들어, BMT 상승_1 및 BMT 상승_2 의 곱의 감소 > -Y 도 F; BMT 상승_1 > P 및 BMT 상승_2 > -Q, 등)에서, 오정렬을 표시하는 경보 상황이 발생될 수 있다. 일 실시예에서, BMT 증가 및 감소가 검출되고 증가 및 감소의 곱이 임계값보다 클 경우, 오정렬 분석 시스템(54)은 경보를 발생시킬 것이다.
도 2와 관련하여 언급한 바와 같이, 정상 상태 베어링 와이프 분석 시스템(56)은 베어링 와이프를 표시하는 경향에 대해 정상 상태 작동 중 BMT 데이터(62)를 평가한다. 충분한 유동 또는 윤활유 냉각의 결여는 베어링 와이프를 야기할 수 있고 BMT를 크게 증가시킬 수 있는 한가지 요인이다. 특히 베어링에 있어서의 이러한 BMT 증가 경향은 유닛의 정상 상태 작동 하에 베어링 와이프의 검출에 대해 캡처된다. 여기서, 모니터링 파라미터는 기준선으로부터의 상승이며, 이러한 상승이 지정 임계값보다 클 때마다, 베어링 와이프에 대한 경보가 발생될 수 있다. 이와 같이, 정상 상태 베어링 와이프 분석 시스템(56)은 BMT 상승 연산 시스템(55) 및 기준선 연산 시스템(57)을 포함한다. 예시적인 일 실시예에서, 베어링 와이프 문제는 도 1에 도시되는 8개의 센서 중 임의의 센서에서 식별될 수 있다.
도 4는 기준선(80)이 구축되고 점선으로 도시되는 예시적인 예를 도시한다. 하나 이상의 센서로부터 BMT 상승(82)이 추적된다. 기준값으로부터 BMT 상승(82)이 임계값을 넘을 때, 베어링 와이프가 표시되고 경보가 발생될 수 있다.
과도 상태 베어링 와이프 분석 시스템(58)(도 2)은 베어링 와이프 문제점을 표시하는 경향에 대해 과도 작동 중 BMT 데이터(62)를 평가한다. 저널이 스코어링(scoring)되면, 베어링의 길이에 걸친 오일 필름 압력 프로파일이 세그먼트 단위로 나누어진다(chopping). 그 결과, 저널이 바빗 표면(babbit surface)에 더 가깝게 놓인다. 이는 정격 속도에서 반드시 문제가 되는 것은 아니지만, 정격 속도 미만에서, 코우스트 다운(coastdown) 또는 시동 중, 오일 필름 두께가 속도에 비례하여 감소한다. 필름 두께가 감소함에 따라, 유체역학적으로부터 경계층 윤활로의 전이가 이루어진다. 이러한 전이 중, 오일 필름은 얇아지고, 스코어링된 저널에 의해 이미 감소되었을 때, 필름은 충분한 지지를 제공할 수 없다. 그 결과, 오일 필름이 파손되고, 금속-금속 접촉이 이루어지며, 베어링의 와이프화가 이루어진다.
도 5는 코우스트 다운 중 BMT가 추적되는 그래프의 예시적인 예를 도시한다. 확인할 수 있는 것처럼, 스코어링된 저널(90)의 경우에, 터빈이 작동한 직후에 피크 또는 스파이크가 발생된다. 역으로, 정상 저널(92)의 경우에는 어떤 스파이크도 발생하지 않는다. 임의의 기술을 이용하여 BMT 데이터의 스파이크를 식별할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에서, 여기서 설명되는 시스템 및 방법의 형태들은 완전한 하드웨어 실시예의 형태로, 또는, 완전한 소프트웨어 실시예의 형태로, 또는, 하드웨어 및 소프트웨어 요소를 모두 지닌 실시예의 형태로 구현될 수 있다. 일 실시예에서, 처리 기능은 소프트웨어적으로 구현될 수 있고, 이는 펌웨어, 상주 소프트웨어, 마이크로코드, 등을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
더욱이, 처리 기능은 컴퓨터 또는 임의의 명령 실행 시스템(가령, 처리 유닛)에 의해/와 연계하여 사용하기 위한 프로그램 코드를 제공하는 컴퓨터-이용가능 또는 컴퓨터-판독가능 매체로부터 액세스가능한 컴퓨터 프로그램 프로덕트의 형태를 취할 수 있다. 이러한 설명을 위해, 컴퓨터-이용가능 또는 컴퓨터-판독가능 매체는 컴퓨터, 명령 실행 시스템, 장치에 의해/와 연계하여 사용하기 위한 프로그램을 지니거나 저장할 수 있는 임의의 컴퓨터 판독가능 저장 매체일 수 있다. 추가적인 실시예는 컴퓨터, 명령 실행 시스템, 장치, 또는 디바이스에 의해/와 연계하여 사용하기 위한 프로그램을 통신, 전파, 또는 전달할 수 있는 컴퓨터 판독가능 전송 매체(또는 전파 매체) 상에서 구체화될 수 있다.
컴퓨터 판독가능 매체는 전자적, 자기적, 광학적, 전자기적, 적외선형, 또는 반도체 시스템(또는 장치 또는 디바이스)일 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체의 예는, 반도체 또는 고상 메모리, RAM, ROM, 강체형 자기 디스크 및 광학 디스크를 포함한다. 광학 디스크의 현재의 예는, 컴팩트 디스크 - CR-ROM, CD-R/W, DVD를 포함한다.
도 2는 버스(17)와 함께 연결된 프로세서(42), I/O(44), 및 메모리(46)를 구비한 예시적인 컴퓨터 시스템(40)을 도시한다. 컴퓨터 시스템(40)(도 1)은 설치된 프로그램 코드를 실행할 수 있는 하나 이상의 범용 연산 제작 수단(예를 들어, 연산 장치)를 포함할 수 있다. 여기서 사용되는 "프로그램 코드"라는 것은, 정보 처리 기능을 갖는 연산 장치로 하여금, (a) 타 언어, 코드, 또는 노테이션으로의 변환, (b) 다른 물질 형태로의 재현, 및/또는 (c) 압축해제의 임의의 조합 이후 특정 기능을 수행하게 하는 임의의 언어, 코드, 또는 노테이션으로 된 임의의 명령들을 의미한다. 이 수준까지, BMT 분석 시스템(48)은 시스템 소프트웨어 및/또는 애플리케이션 소프트웨어의 임의의 조합으로 구체화될 수 있다. 어느 경우에도, 컴퓨터 시스템(40)의 기술적 효과는 로터 오정렬 및 베어링 와이프 문제점과 관련된 이상을 검출하는 것이다.
여기서 사용되는 용어는 특정 실시예를 설명하고자 하는 것이지, 개시 내용을 제한하고자 하는 것이 아니다. 여기서 사용되는 단수 형태 "일", "하나의", "이러한"은 달리 명확히 언급하지 않을 경우 복수 형태도 포함하는 것을 의도한다. "포함한다", "포함하는"은 본 명세서에서 사용될 때, 언급되는 특징, 정수, 단계, 작동, 요소, 및/또는 구성요소의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 작동, 요소, 구성요소, 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 개시 내용이 특히, 바람직한 실시예와 연계하여 도시되고 설명되었으나, 다양한 변형 및 수정이 당 업자에게 나타날 것이다. 따라서, 청구범위는 본 개시 내용의 진실한 사항 내에서 이러한 모든 수정 및 변화를 커버하도록 의도된다.
10 : 제너레이터 11 : 단순화된 제너레이터 유닛
12 : 터빈 14 : 샤프트
16, 18, 20, 22 : 로터 베어링 17 : 버스
24a, 24b : 터빈 컬렉터 단부 센서 26a, 26b : 터빈 연결 단부 센서
28a, 28b : 제너레이터 연결 단부 센서
30a, 30b : 제너레이터 컬렉터 단부 센서
40 : 컴퓨터 시스템 42 : 프로세서
44 : I/O 46 : 메모리
48 : BMT 분석 시스템 50 : 데이터 입력 시스템
52 : 필터 시스템 54 : 오정렬 분석 시스템
55 : 상승 연산 시스템
56 : 정상 상태 베어링 와이프 분석 시스템
57 : 기준선 연산 시스템
58 : 과도 베어링 와이프 분석 시스템
60 : 경보 62 : 입력 데이터
64 : 작동 데이터

Claims (10)

  1. 터빈(12) 및 제너레이터(10)를 구비한 전기 기계(11)의 샤프트(14)의 오정렬을 식별하기 위한 시스템(4)에 있어서,
    상기 터빈(12)에 인접하여 위치한 제 1 BMT 센서(26a, 26b)와, 상기 제너레이터(10)에 인접하여 위치한 제 2 BMT 센서(28a, 28b)로부터 베어링 금속 온도(BMT) 판독치를 획득하고, 윤활유 입구 온도, 속도 및 파워를 포함한 작동 데이터(64)를 획득하기 위한 입력 시스템(50)과,
    증가 온도를 보고하는 BMT 센서 중 하나와 감소 온도를 보고하는 다른 BMT 센서에 응답하여, 오정렬 경고(60)를 발생시키는 오정렬 분석 시스템(54)을 포함하는
    샤프트 오정렬 식별 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 오정렬 분석 시스템(54)은 각각의 BMT 센서에 대한 BMT 상승(82)을 연산하기 위한 시스템을 더 포함하고, BMT 상승(82)은 BMT와 윤활유 입구 온도 사이의 차이로서 연산되는
    샤프트 오정렬 식별 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 오정렬 분석 시스템(54)은 BMT 상승값(82)의 초기 세트에 기초하여 기준선 BMT(80)를 연산하기 위한 시스템을 더 포함하는
    샤프트 오정렬 식별 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    BMT 센서에 대한 증가 온도 및 감소 온도는 보고된 BMT와 기준선 BMT(80) 사이의 차이에 기초하는
    샤프트 오정렬 식별 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    불량 입력 데이터(62)를 필터링하기 위한 필터 시스템(52)을 더 포함하는
    샤프트 오정렬 식별 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 필터 시스템(52)은 작동 데이터(64)를 평가함으로써 비-정상 상태 데이터를 필터링하는
    샤프트 오정렬 식별 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 BMT 센서(26a, 26b)는 상기 터빈(12)의 연결 단부에 위치하고, 상기 제 2 BMT 센서(28a, 28b)는 상기 제너레이터(10)의 연결 단부에 위치하는
    샤프트 오정렬 식별 시스템.
  8. 터빈(12) 및 제너레이터(10)를 구비한 전기 기계(11)에서의 샤프트(14)를 지지하는 베어링의 베어링 와이프(bearing wipe)를 식별하기 위한 시스템(40)에 있어서,
    상기 제너레이터(10) 및 상기 터빈(12)에 인접하여 위치한 복수의 BMT 센서(24a, 24b, 26a, 26b, 28a, 28b, 30a, 30b) 각각으로부터 베어링 금속 온도(BMT) 판독치를 획득하고, 윤활유 입구 온도, 속도 및 파워를 포함한 작동 데이터(64)를 획득하기 위한 입력 시스템과,
    증가 온도를 보고하는 BMT 센서 중 하나에 응답하여 베어링 와이프 경고(60)를 발생시키는 정상 상태 베어링 와이프 분석 시스템(56)을 포함하는
    베어링 와이프 식별 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 정상 상태 베어링 와이프 분석 시스템(56)은 각각의 BMT 센서에 대해 BMT 상승(82)을 연산하기 위한 시스템을 더 포함하고, 상기 BMT 상승(82)은 BMT와 윤활유 입구 온도 사이의 차이로서 연산되는
    베어링 와이프 식별 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 정상 상태 베어링 와이프 분석 시스템(56)은 BMT 상승값(82)의 초기 세트에 기초하여 기준선 BMT(80)를 연산하기 위한 시스템을 더 포함하는
    베어링 와이프 식별 시스템.
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