KR20150060937A - 터빈 블레이드의 손상 인식을 위한 측정 방법 및 터빈 - Google Patents

터빈 블레이드의 손상 인식을 위한 측정 방법 및 터빈 Download PDF

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제바스티안 야키엘스키
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 터빈(10) 임펠러의 블레이드(26)의 손상의 조기 인식을 위한 측정 방법(11)에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 터빈(10)의 작동 중에, 임펠러를 둘러싸는 주연부(24)를 따라 블레이드(26)의 회전 방향(17)으로 복수의 위치에 각각 복수의 자기장이 실질적으로 블레이드(26)의 진동 방향(18)으로 차례로 형성되며(31), 상기 자기장은 블레이드(26)의 블레이드 날(14)의 첨부(15)의 통과 시에 영향을 받는다. 복수의 위치에서 영향을 받음으로써 첨부(15)의 위치값들(19)이 파악된다(32). 위치값들(19)로부터 블레이드 날(14)의 위치 곡선(20)이 형성되며(33), 위치 곡선(20)으로부터 주파수(22)가 결정된다(34). 주파수(22)는 특정 주파수 값들과 비교된다(35). 주파수(22)의 갑작스러운 그리고/또는 강한 변동 시에는 알람 이벤트(23)가 인식된다(36). 또한, 본 발명에 따른 측정 방법(11)을 실행하기 위해 구성된 터빈(10)이 청구된다.

Description

터빈 블레이드의 손상 인식을 위한 측정 방법 및 터빈{MEASUREMENT METHOD FOR DECTECTING DAMAGE TO A TURBINE BLADE AND TURBINE}
본 발명은 터빈 임펠러의 블레이드의 손상의 조기 인식을 위한 측정 방법 및 터빈에 관한 것이다.
터빈의 블레이드를 와전류 테스트를 이용하여 손상되었는지 검사하는 것은 공지되어 있다. 이때, 미세한 크랙을 검출하기 위해 프로브가 작업편 바로 위에서 이동한다.
이러한 방식의 검사는 프로브와 블레이드 사이의 직접 접촉 때문에 터빈의 작동 중에는 불가능하다. 따라서, 작동 중에 발생하는 손상은 빨라야 작동의 종료 후의 후속 검사 기간에서 확인될 수 있다.
본 발명의 과제는 개선된 측정 방법 및 상기 측정 방법을 실행하도록 구성된 터빈을 제공하는 것이다.
이러한 과제는 청구항 제1항에 따른 방법 및 청구항 제6항에 따른 터빈에 의해 해결된다. 본 발명의 바람직한 개선예는 종속 청구항에 기재되고 상세한 설명에서 설명된다.
터빈 임펠러의 블레이드 손상을 조기에 인식하기 위한 본 발명에 따른 측정 방법에서, 터빈의 작동 중에, 임펠러를 둘러싸는 주연부를 따라 블레이드의 회전 방향으로 복수의 위치에서 각각 복수의 자기장이 실질적으로 블레이드의 진동 방향으로 차례로 형성되며, 상기 자기장은 블레이드의 블레이드 날의 첨부의 통과 시에 영향을 받는다. 여러 위치에서 영향을 받기 때문에, 첨부의 위치값들이 파악된다. 위치값들로부터 블레이드 날의 위치 곡선이 형성되고, 위치 곡선으로부터 주파수가 결정된다. 이러한 주파수는 특정 주파수 값들과 비교된다. 주파수의 갑작스러운 그리고/또는 강한 변동 시에 알람 이벤트가 인식된다.
측정면은 각각 나란히 배열된 복수의 열의 프로브를 포함한다. 특히, 복수의 열은 블레이드의 진동 방향에 대해 수직으로 연장되는 방향으로 서로에 대해 배열된다.
따라서, 위치 파악을 위해 중복 데이터가 이용될 수 있다. 이에 의해, 블레이드 날의 첨부의 위치 파악이 더 확실하게 실행될 수 있다.
제시된 측정 방법은, 어떠한 방식으로, 특히 증기 터빈의 작동 중에 자유로운 상태의 단부 블레이드에서 영구적인 리얼타임 진동 측정이 구현될 수 있는지에 대한 가능성을 제시하며, 터빈 블레이드 손상에 대한 효과적인 보호를 제공한다.
바람직하게는, 블레이드 기부에서 크랙이 진행되나, 아직 확실하게 블레이드 날이 파손되기 전일 경우, 해당 블레이드에서의 주파수 변경을 확인하고, 이어서, 더 큰 손상을 효과적으로 방지하기 위해 터빈을 조기 차단하는 것이 가능하다.
설명된 해결책은 모든 전도성 블레이드뿐만 아니라 투과성 블레이드에서의 측정을 포함한다. 티타늄 또는 알루미늄으로 이루어진 블레이드가 테스트될 수 있다. 블레이드의 휘발성 자화는 요구되지 않는다.
또한, 동시에 블레이드에 대한 가변적인 작동 온도의 영향이 파악되어 표시될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 방법은 그 사용에 있어서 터빈 기술에 대해 더 높은 신뢰를 제공한다.
본 발명에 따른 측정 방법의 바람직한 구성에서 위치값들은 위치 곡선으로서의 싸인 곡선으로 전환된다.
따라서, 위치 곡선의 파장 또는 주파수가 쉽게 측정된다. 검사될 주파수에 대한 값이 빠르게 결정될 수 있다.
본 발명에 따른 측정 방법의 바람직한 다른 구성에서, 블레이드들은 주기적으로 차례로 검사된다.
따라서, 임펠러의 모든 블레이드가 간단한 방식으로 규칙적으로 검사를 받는다. 이때, 주기는 두 번의 검사 사이에서 블레이드의 결함이 발생할 수 없을 정도로 짧다.
본 발명에 따른 측정 방법의 바람직한 다른 구성에서, 특정 주파수 값은 이미 결정된 블레이드 주파수로부터 측정된다.
따라서, 개별 블레이드의 상이한 진동 특성들이 알람 이벤트의 인식 시에 함께 고려된다. 이에 의해 측정 방법이 더 정확해진다. 이로써, 오류 메세지가 방지될 수 있다.
본 발명에 따른 측정 방법의 바람직한 다른 구성에서, 특정 주파수들은 사전 규정된 주파수 범위로부터 측정된다.
따라서, 터빈의 첫 작동 개시 전에 이미 비교를 위한 값이 제공된다. 이로써, 측정 방법의 사용 환경이 확장된다.
본 발명에 따르면, 디퓨저 및 디퓨저 내에 배열되고 복수의 블레이드를 포함하는 임펠러를 구비한 본 발명에 따른 터빈은 임펠러를 둘러싸는 주연부를 따라 블레이드의 회전 방향으로 복수의 위치에 측정면들을 포함한다. 이러한 측정면들은 각각 적어도 하나의 여기 코일 및 실질적으로 블레이드의 진동 방향으로 차례로 배열되고 평가 유닛과 연결 가능한 프로브를 포함한다. 프로브는 특히 와전류 프로브이다. 본 발명에 따른 터빈은 특히 증기 터빈이다.
따라서, 바람직하게는 터빈은 본 발명에 따른 측정 방법의 실행을 위해 제공된다. 본 발명에 따른 터빈은 향상된 작동 안전성을 갖는다. 블레이드의 손상으로 인한 사고가 방지될 수 있다. 따라서, 터빈 자체와 그 주변이 보호된다.
이 경우에, 프로브가 돌출되지 않기 때문에 유동 흐름에 영향을 미치지 않는다. 영구적인 온라인 모니터링 가능성 및 높은 분해능을 갖는 견고하고 긴 수명의 장치가 제공된다.
본 발명에 따른 터빈의 바람직한 구성에서 측정면은 전체 주연부 상에 일정하게 분포되어 배열된다.
이로써, 블레이드의 진동 거동에 대한 데이터가 전체 주연부 상에서 결정될 수 있다. 평가를 위한 복수의 데이터가 제공된다. 또한, 전체 주연부 상에서의 측정 시에, 수직 축에서 회전하지 않는 임펠러에서는 개별 블레이드의 진동 거동에 대한 중력의 영향이 밝혀질 수 있다.
본 발명에 따른 터빈의 바람직한 다른 구성에서, 측정면에 대한 수냉각부가 포함된다.
이로써, 측정면을 더 양호한 작동 온도로 변환하여 측정면의 기능적인 지속성을 향상시키는 측정면의 효과적인 냉각이 가능하다.
본 발명의 예시적인 구성이 도면 및 이하의 실시예를 참조로 더 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 터빈의 측정면을 도시한다.
도 2는 터빈 내의 복수의 측정면의 배열을 도시한다.
도 3은 터빈의 블레이드 날 위의 측정면을 도시한다.
도 4는 블레이드 날의 위치 추이를 도시한다.
도 5는 두 개의 블레이드 날의 주파수 곡선을 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 측정 방법을 도시한다.
도 1에는 본 발명에 다른 터빈(10)의 측정면(13)을 예시적으로 개략 도시한다. 측정면(13)은 나란히 배열된, 특히 복수의 열로 배열된 복수의 프로브(12)를 포함한다. 특히, 각각의 변경 가능한 자기장 형성을 위한 여기 코일(29)이 프로브(12)에 일체된다. 프로브(12)는 특히 와전류의 검출을 위한 것이다.
도시된 측정면(13)은 18개의 프로브(12)를 포함한다. 본 발명에 따르면, 측정면(13) 내의 프로브(12)의 수는 18개보다 많거나 적을 수 있다.
측정면(13)은, 블레이드 유형에 따라 진동폭(oscillation amplitude)의 넓이 더하기 블레이드 날 넓이를 넘어서는 측정 넓이(39)를 포함한다. 측정면(13)의 경사 위치(38)는 블레이드의 진동 방향(18)에 따라 형성된다. 개별 프로브들(12)의 서로에 대한 간격은 마찬가지로 진동폭에 따라 형성된다. 또한, 측정면(13)이 배열될 디퓨저(16)의 형태도 함께 고려된다.
자기장 내에 위치하는 투과성 또는 전기 전도성 블레이드(26)를 검출하기 위해, 여기 코일(29)로서, 예를 들어 0.5mm 내지 2mm의 직경을 갖는 비교적 작은 사례가 제공된다.
본원에 설명된 발명에서, 전도성 또는 투과성 검사 대상이 자기장의 작용 영역 내에 위치하는 경우, 임피던스 평면 상의 이른바 "리프트 오프 신호(lift off signal)"가 이동하는 특성이 사용된다.
약 20Hz 내지 2MHz의 주파수 및 여기 코일(29)의 직경에 따라, 검사 대상으로서의 블레이드(26)가 프로브(12)로부터 수 mm 이격되어 검출될 수 있다. 이러한 간격은, 예를 들어 자기 차폐 및 페라이트 코어와 같은 공지된 기술을 통해 더 확장될 수 있다.
도 2에는 본 발명에 따른 터빈(10)의 디퓨저(16) 내의 복수의 측정면(13)의 배열이 예시적으로 개략 도시된다.
측정면(13)은 디퓨저(16) 내에 고정되어 블레이드(26)의 블레이드 날(14)의 첨부(15) 바로 위에 배열된다. 측정면(13)은 블레이드(26)를 둘러싸는 디퓨저(16)의 내면을 형성하는 디퓨저(16)의 주연부(24) 내에 특히 일정한 간격으로 위치한다.
이 경우, 측정면(13)은 블레이드 날(14)의 두께 더하기 그 축방향 진동폭보다 큰 측정 넓이(39)를 포함한다. 따라서, 첨부의 축방향 위치 측정이 약 0.5mm 내지 1mm의 정확도로 수행되는 것이 가능하다.
블레이드 날(14)의 주파수(22)를 측정할 수 있도록, 복수의 측정면(13)이 주연부(24) 상에 분배되어 배열되는 것이 필요하다. 이들은 측정 방법(11)에서 회전수 동기식으로 차례로 제어된다.
개별 측정면들(13) 사이의 간격은, 여기 코일(29)의 주파수, 주연부(24)의 길이 및 블레이드(26)의 고유 진동에 따른다. 25Hz의 여기 주파수, 21m의 주연부 및 150Hz의 블레이드(26) 고유 진동에 대한 예시적인 계산은 5개의 측정점에서 측정면(13) 당 0.7m의 간격을 나타낸다.
25Hz * 21m = 525 m/s
525 m/s / 150Hz = 3.5m 파장
3.5m / 5 측정점 = 0.7m 간격
본 발명에 따른 터빈(10)은 개별 측정면(13)을 위해 디퓨저(16) 내에 관통 포켓을 포함한다. 관통 포켓은 측정면(13)이 터빈에 후속 장착되어야 할 경우에, 후속 제공될 수도 있다. 또한, 본 발명에 따른 터빈(10)은 프로브(12)를 평가 유닛과 연결하는 데이터 라인을 포함한다.
선택적으로, 본 발명에 따른 터빈(10)은, 여기 코일(29)을 효과적으로 냉각시킬 수 있는 수냉각부를 포함할 수 있다. 이와 같이, 여기 코일(29)의 오랜 수명이 달성될 수 있다.
도 3은 블레이드(26) 위의 복수의 측정면(13)의 배열에 대한 개략 평면도를 예시적으로 도시한다. 이 도면에서 디퓨저(16)는 생략된다.
블레이드 기부(27) 상에 배열된 블레이드 날(14)은 터빈(10) 작동 중에 회전 방향(17)으로 움직이고, 이때 진동 방향(18)으로 진동한다.
회전 방향(17)을 따라, 예시적으로 측정면들(131 내지 135)이 도시된다. 측정면(13)은 진동 방향(18)에 대해 평행으로 배열된다. 측정면은 임펠러의 회전축에 대해, 진동 방향(18)과 동일한 경사 위치(38)를 갖는다. 그 측정 넓이(39)는 진동폭의 넓이 더하기 블레이드 날 넓이를 넘어 돌출한다.
터빈(10)의 임펠러의 회전 시에, 블레이드 날(14)의 첨부(15)는 차례로 다양한 측정면(131 내지 135)을 통과한다. 도 3에서는 첨부(15)가 바로 측정면(135)을 통과하고 있다. 블레이드 날(14)의 진동을 통해 첨부(15)는 측정 넓이(39)의 상이한 위치에서 다양한 측정면들(13)을 통과한다. 이는 이러한 위치에 있는 측정면(13)의 프로브(12)를 통해 파악되며(32), 그로부터 본 실시예에서는 블레이드(26)의 첨부(15)를 위한 5개의 위치값(19)이 형성된다.
측정면(131 내지 135)은, 예를 들어 증기 유입 에지에서 주연부에 따른 첨부(15)의 위치 변경이 각각 특정 블레이드(26)로부터 결정되도록, 특히 임펠러에 대해 회전수 동기식으로 차례로 제어된다.
주연부 위치는, 정확한 위치로 블레이드를 스트로보 스코프 방식으로 측정할 수 있도록 로터의 임의의 위치에서 픽업되어야 한다.
5개의 측정면(131 내지 135)에서의 블레이드(26)의 5개의 위치값(19)으로부터, 평가 유닛에 의해 위치 곡선(20)이 형성된다(33). 이러한 위치 곡선(20)은 도 4에 예시적으로 도시된다.
5개의 다양한 측정면(131 내지 135)에 대한 위치값(191 내지 195)이 차례로 도시된다. 위치값들(191 내지 195)은 여기서 예시적으로 측정면(13) 당 18개의 프로브(121 내지 1218)에 의해 파악된다(32). 위치값(191 내지 195)은 평가 유닛에 의해 특히 싸인 함수로 변환된다. 이로부터 진동의 파장 그리고 이로부터 수학적으로 블레이드(26)를 위한 주파수(22)가 결정된다(34). 측정 결과는 측정점에 대한 밀도가 증가함에 따라 더 정확해진다.
각 블레이드(26)의 주파수(22)는 이러한 방식으로 주기적으로 차례로 모니터링된다. 블레이드 기부(27) 내의 크랙이 클 경우에 블레이드의 주파수(22)는 수 Hz 만큼 변경되는데, 이는 본 발명에 따른 기술을 통해 쉽게 나타낼 수 있다. 이를 위해, 결정된 주파수(22)가 시간(21)에 걸쳐 관찰된다.
도 5는 예시적으로 시간(21)에 걸쳐 나타난 주파수(22)를 주파수 곡선(28)으로 도시한다. 여기서 예시적으로 2개의 다양한 블레이드들(26)의 2개의 주파수 곡선(281 및 282)이 도시된다. 본 발명에 따르면, 특히 모든 블레이드(26)의 주파수들(22)이 모니터링된다.
획득된 주파수(22)는 특정 주파수값들과 비교된다(35). 이러한 주파수 값은 예를 들어 블레이드의 지금까지의 값으로부터 획득될 수 있고 그리고/또는 특정 주파수 값은 특정 주파수 범위(25)의 사전 규정된 값이다. 블레이드(26) 중 하나에서 주파수(22)의 갑작스러운 그리고/또는 명확한 변동이 있을 때, 알람 이벤트(23)가 인식되고(36), 알람이 출력되거나 터빈(10)이 제어 하에 정지된다. 도 5의 아랫쪽 주파수 곡선(282)에서 상기 유형의 알람 이벤트(23)가 발생한다.
도 6은 시작(30)부터 종료(37)까지의 흐름도에서 본 발명에 따른 측정 방법(11)을 예시적으로 도시한다. 제1 단계에서 자기장이 형성된다(31). 자기장을 특정 위치에서 통과하는 블레이드(26)의 첨부(15)를 통해 특정 자기장이 영향을 받으며, 첨부(15)의 위치값들(19)이 파악된다(32). 평가 유닛은 위치값(19)으로부터 위치 곡선(20)을 형성하고(33), 위치 곡선(19)의 주파수(22)를 결정한다(34). 이어서, 획득된 주파수(22)는 특정 주파수 값들과 비교된다(35). 이러한 방식으로, 터빈(10)의 모든 블레이드(26)가 주기적으로 차례로 제어된다. 획득된 주파수(22)가 특정 주파수 값들과 차이가 있으면, 알람 이벤트(23)가 인식된다(36). 이는 예를 들어 터빈 차단과 같은 추가의 안전 조치에 대한 시작 신호로서 이용될 수 있다.
본 발명이 바람직한 실시예에서 상세히 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 공개된 실시예로 한정되지 않으며, 다른 변형예들이 발명의 보호 범위를 벗어나지 않으면서 당업자에 의해 도출될 수 있다.

Claims (9)

  1. 터빈(10) 임펠러의 블레이드(26)의 손상의 조기 인식을 위한 측정 방법(11)에 있어서,
    터빈(10)의 작동 중에,
    - 임펠러를 둘러싸는 주연부(24)를 따라 블레이드(26)의 회전 방향(17)으로 복수의 위치에 각각 복수의 자기장이 실질적으로 블레이드(26)의 진동 방향(18)으로 차례로 형성되며(31), 상기 자기장은 블레이드(26)의 블레이드 날(14)의 첨부(15)의 통과 시에 영향을 받으며, 터빈(10) 내에서 회전 방향(17)으로 주연부(24)를 따라 복수의 위치에 측정면(13)이 배열되며, 측정면(13)은 복수의 여기 코일(29) 및 나란히 배열된 복수 열의 프로브(12)에 의해 구성되며,
    - 복수의 위치에서 영향을 받음으로써 첨부(15)의 위치값들(19)이 파악되며(32),
    - 위치값들(19)로부터 블레이드 날(14)의 위치 곡선(20)이 형성되며(33),
    - 위치 곡선(20)으로부터 주파수(22)가 결정되며(34),
    - 주파수(22)는 특정 주파수 값들과 비교되며(35),
    - 주파수(22)의 갑작스러운 그리고/또는 강한 변동 시에는 알람 이벤트(23)가 인식되는(36) 것을 특징으로 하는, 측정 방법(11).
  2. 제1항에 있어서, 위치값들(19)은 위치 곡선으로서의 싸인 곡선으로 전환되는, 측정 방법(11).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 블레이드들(26)은 주기적으로 차례로 검사되는, 측정 방법(11).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 특정 주파수 값은 이미 결정된 블레이드(26)의 주파수(22)로부터 측정되는, 측정 방법(11).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 특정 주파수들은 사전 규정된 주파수 범위(25)로부터 측정되는, 측정 방법(11).
  6. 티퓨저(16) 및 디퓨저(16) 내에 배열되고 복수의 블레이드(26)를 포함하는 임펠러를 구비한 터빈(10)에 있어서,
    터빈(10)은 임펠러를 둘러싸는 주연부(24)를 따라 블레이드(26)의 회전 방향(17)으로 복수의 위치에 측정면들(13)을 포함하며, 측정면들(13)은 각각 복수의 여기 코일(29) 및 실질적으로 블레이드(26)의 진동 방향(18)으로 나란히 배열되고 평가 장치와 연결 가능한 복수의 프로브(12)를 포함하며,
    측정면(13)은 각각 나란히 배열된 복수의 열의 프로브(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 터빈(10).
  7. 제6항에 있어서, 측정면(13)은 전체 주연부(24) 상에 일정하게 분포되어 배열되는, 터빈(10).
  8. 제6항에 있어서, 복수의 열은 블레이드(26)의 진동 방향(18)에 대해 수직으로 연장되는 방향으로 서로에 대해 배열되는, 터빈(10).
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 터빈(10)은 측정면(13)에 수냉각부를 포함하는, 터빈(10).
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