KR20150119873A - 출력 결정 방법 및 터보 기계 - Google Patents

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토마스 티만
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 토크(23)에 대해 지지되는 터빈 하우징(3)을 내부 공간 내에 포함하는 터보 기계(2)의 출력(25)을 결정하기 위한 방법(20)에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법에서, 우선 터빈 하우징(3)의 실제 부하 지지력들(8)이 결정(21)되고, 이어서, 저장된 영구 부하 지지력들(26)에 대한 편차들이 구해진다. 이후, 상기 편차들의 합으로서 토크(23)가 결정(22)되며, 그로부터 터보 기계(2)의 출력(25)이 결정(24)된다.

Description

출력 결정 방법 및 터보 기계{POWER DETERMINATION METHOD AND TURBOMACHINE}
본 발명은 터보 기계의 출력 결정 방법 및 터보 기계에 관한 것이다.
종래 기술에 따르면, 특히 터보 세트 내 저압 터빈의 출력은 특히 저압 터빈이 추가의 터빈을 갖는 샤프트 트레인 내에 배열되는 경우에는 직접 측정될 수 없다. 출력 결정은 터보 세트의 다른 부품들과의 출력 균형을 통해 수행되어야 한다. 따라서, 공지된 출력 결정은 어느 정도 부정확성의 영향을 받는다.
GB 2 107 887 A에는 부품의 토크를 측정하는 토크 측정기가 개시된다. 토크 측정기는, 고정된 구조에 선회 가능하게 일 단부가 연결되며, 부하 변환기에 타 단부가 연결되는 한쌍의 제1 연결 로드를 포함한다. 한쌍의 제2 연결 로드는 일 단부에서 상기 부품과 선회 가능하게 연결되며 타 단부에서 제1 연결 로드와 선회 가능하게 연결되며, 제1 연결 로드의 단부들 사이의 위치에서 토크를 변환기로 전달한다. 연결 로드는 공통의 면에 대해 대칭 배열로 형성된다.
DE 198 29 178 A1은 출력 결정을 위한 장치 및 방법, 그리고 설비, 특히 단축(single shaft) 구조의 가스 증기 복합 터빈 설비에서 출력 조절을 위한 장치 및 방법을 설명한다. 여기서, 구동부 내부 작동 변수가 결정되는 방식으로 각각의 구동부 내부 출력 결정이 실행된다. 구동부 내부 작동 변수가 결정되는 방식으로 피동부 내부 출력 결정이 실행된다. 비틀림으로 인해 야기되는 인장 변형의 검출을 위해, 구동부를 피동부와 연결시키는 샤프트 트레인을 따라 측정 센서들이 제공된다. 회전수 및 내부에서 획득된 작동 변수와 조합된 측정 신호가 전체 설비의 실제 출력의 출력 결정을 위해 이용된다. 설비의 결정된 실제 출력은 출력 목표값과 비교되고, 목표/실제-비교에 따라 목표한 출력 변경을 위해 구동부들이 제어된다.
US 4 313 341 A는 내연 기관을 위한 토크 검출 시스템을 개시한다. 여기서, 압력 검출 장치가 엔진 블록과 엔진 캐리어 사이에서 형성된 압력의 검출을 위해 엔진 블록과 엔진 브래킷 사이에 배열된다. 전기 회로는 압력 검출 장치에 의해 형성된 검출 신호에 반응하여 토크 검출 신호를 생성한다.
본 발명의 과제는 터보 기계의 출력 결정을 위한 개선된 방법 및 터보 기계를 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제1항에 따른 출력 결정 방법 및 청구항 제5항에 따른 터보 기계에 의해 해결된다. 본 발명의 바람직한 개선예는 종속 청구항에 명시되며 상세한 설명에 기재된다.
토크에 대해 지지되는 터빈 하우징을 그 내부 공간 내에 포함하는 터보 기계의 출력 결정을 위한 본 발명에 따른 방법에서, 먼저 터빈 하우징의 실제 부하 지지력들이 결정되고, 이어서 저장된 영구 부하 지지력들에 대한 편차들이 구해진다. 그 다음, 이러한 편차들의 합으로서 토크가 결정되고, 그로부터 터보 기계의 출력이 결정된다.
따라서, 쉽게 적용될 수 있고, 터보 기계의 출력에 대해 비교적 정확한 값을 제공하는 방법이 제시된다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 구성에서, 터빈 하우징의 캐리어 요소의 탄성 변형이 결정된다. 이러한 캐리어 요소의 변형으로부터 각각 실제 부하 지지력들이 결정된다.
이로써, 특히 하우징 캐리어 아암(housing carrier arm)을 갖는 저압 터빈의 구조 원리가 사용될 수 있다. 본 발명에 따르면, 이를 위해 특히 스트레인 게이지(strain gauge)가 사용된다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 다른 구성에서, 캐리어 요소의 변형과 실제 부하 지지력 사이의 비는 사전 규정된 힘의 인가를 통해 결정된다.
캐리어 요소의 탄성 변형은 인가된 추가 힘에 대해 선형으로 거동한다. 이로써, 센서의 교정을 수행하고 측정 결과를 개선하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 다른 구성에서, 사전 규정된 힘은 주변에 대한 내부 공간의 밀폐와 조합되어 터보 기계의 내부 공간 내의 확인된 부압의 인가를 통해 생성된다. 이에 의해, 주변 압력이 터빈 하우징에 대한 추가 힘으로서 확인된 크기를 갖는 면 상에 작용한다. 주변 압력이 작용하는 면은 터빈 하우징의 유입관의 단면에 상응한다.
이로써, 복수의 터보 기계, 특히 증기 터빈에서 이미 다른 목적을 위해 존재하는, 진공화 장치(evacuation device)와 같은 장치들이 추가 힘의 인가를 위해 사용될 수 있다. 이로써, 교정의 적용이 매우 간단해진다.
본 발명에 따른 터보 기계는 내부 공간 및 내부 공간 내에 배열된 터빈 하우징을 포함하며, 터빈 하우징은 중심축 및 상기 중심축에 대해 이격되어 배열된 복수의 캐리어 요소를 포함하며, 이 캐리어 요소들에 의해 터빈 하우징이 중심축 내에서 작용하는 토크에 대해 지지된다. 본 발명에 따르면, 각각의 캐리어 요소에는 캐리어 요소에서 작용하는 실제 부하 지지력을 결정하기 위한 센서가 할당된다. 센서는 평가 장치와 연결된다. 평가 장치는 본 발명에 따른 방법을 실행하도록 구성된다.
이로써, 그 출력이 쉽게 결정될 수 있는, 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한 터보 기계가 제공된다.
본 발명에 따른 터보 기계의 바람직한 구성에서, 센서는 캐리어 요소의 부하 지지 위치에 배열된 각각의 힘 측정 센서이다.
이로써, 부하 지지력들이 직접 측정될 수 있다. 다른 변수로부터의 환산은 수행될 필요가 없다.
본 발명에 따른 터보 기계의 대안적인 구성에서, 센서는 캐리어 요소에 위치한 각각의 스트레인 게이지이다.
스트레인 게이지는 쉽게 후속적으로도 장착될 수 있으며, 비교적 값싸다. 따라서, 터보 기계는 간단하고 비용 효율적으로 본 발명에 따른 방법을 위해 준비된다.
본 발명에 따른 터보 기계의 바람직한 다른 구성에서, 터보 기계는 내부 공간 내에 부압을 생성하기 위한 진공화 장치와, 주변에 대한 내부 공간의 밀폐를 위한 유입 보상기를 포함한다.
이러한 유형의 유입 보상기 및 진공화 기기는 다양한 터보 기계 구성에서 이미 다른 목적을 위해 제공된다. 진공화 장치는 특히 증기 터빈에 보급되어 있다. 따라서, 터보 기계는 본 발명에 따른 출력 결정이 실행될 수 있도록 추가의 부품들을 구비할 필요가 없다.
본 발명의 실시예가 도면 및 이하의 설명을 참조하여 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 터보 기계를 갖는 터보 세트를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 터보 기계의 터빈 하우징을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 터보 기계의 터빈 하우징의 캐리어 요소를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 출력 결정 방법을 도시한다.
도 1에는 터보 세트(1)가 예시적으로 도시된다. 도시된 터보 세트(1)는 본 발명에 따른 터보 기계(2)와, 샤프트(13)를 통해 터보 기계(2)와 연결된 발전기(4)를 포함한다. 샤프트(13)는 복수의 베어링(16) 내에 지지된다. 터보 기계(2) 및 발전기(4)는 기초(6) 상에 배열된다. 터보 기계(2)는 특히 그 배출 증기가 응축기(5)에 의해 수용되는 증기 터빈(2)이다.
본 발명에 따른 터보 기계(2)는 내부 공간을 포함한다. 내부 공간 내에 터빈 하우징(3)이 배열된다.
또한, 터보 기계(2)는 유입구를 포함하는데, 이 유입구를 통해 터보 기계(2)의 작동 중에 증기가 터빈 하우징(3) 내로 도달될 수 있다.
터빈 하우징(3)이 도 2에 예시적으로 도시된다. 터빈 하우징(3)은 중심축(12)을 둘러싸도록 배열된다. 예시적인 구성에서와 같이 터보 기계(2)가 증기 터빈(2)일 경우, 터빈 하우징(3)은 상부 영역에 유입관을 포함한다. 유입 보상기(11)는, 터빈 하우징의 유입관과 터보 기계의 유입구가 연결되는 위치에서 터보 기계(2)의 내부 공간이 주변에 대해 밀폐되도록, 터빈 하우징(3)의 유입관을 터보 기계(2)의 유입구와 연결시킨다. 동시에, 유입 보상기(11)는 터보 기계(2)의 내부에서 터빈 하우징(3)의 운동성을 보장한다. 유입 보상기(11)는 터빈 하우징(3)과 터보 기계(2) 사이의 가요성 연결 편이다.
터빈 하우징(3)은 특히 가이드 베인을 포함하며, 여기에 상세히 도시되지 않으며 로터 베인이 장착된 로터를 둘러싸도록 배열된다. 로터는 터보 기계(2)의 작동 중에 중심축(12) 상에서 회전하며, 토크(23)를 발전기(4)에 전달하는 샤프트(13)를 구동시킨다.
본 발명에 따르면, 터빈 하우징(3)은 복수의 캐리어 요소(7)를 포함한다. 캐리어 요소(7)에 의해 터빈 하우징(3)이 지지된다. 캐리어 요소(7)는 중심축(12)에 대해 이격되어 배열된다. 이로써, 터빈 하우징(3)은 터보 기계(2)의 작동 중에 중심축 내에서 작용하는 토크에 대해서도 지지된다. 도 2에는 캐리어 아암으로서 형성된 4개의 캐리어 요소(71, 72, 73, 74)가 예시적으로 도시된다. 캐리어 요소(7)는 도 2에서 예시적으로 단부면에 배열된다. 캐리어 요소(7)는 마찬가지로 측면 또는 단부면 그리고 측면에 위치할 수 있다. 캐리어 요소(7)의 지지는 여기에 상세히 도시되지 않으며 상응하게 형성되고 치수 설계된 지지 베어링에서 수행된다.
본 발명에 따르면, 각각의 캐리어 요소(71, 72, 73, 74)는 센서(91, 92, 93, 94)를 포함한다. 센서(91, 92, 93, 94)를 이용하여 모든 캐리어 요소(71, 72, 73, 74)에서, 이 시점에 캐리어 요소(71, 72, 73, 74) 상에 작용하는 실제 부하 지지력들(81, 82, 83, 84)이 결정될 수 있다. 각각의 캐리어 요소(7)에는 각각의 실제 부하 지지력(8)이 작용한다. 센서(9)는 도시되지 않은 평가 유닛과 연결된다.
여기에 상세히 나타나지지 않는 진공화 유닛을 이용하여 주변에 비해 낮은 압력이 터빈 하우징(3) 내에 형성될 경우, 실제 부하 지지력들(8)이 증가된다. 유입 보상기(11)의 단면에 상응하는 면 상에, 터빈 하우징(3)의 하중에 추가로 정압으로서의 주변 압력(14)이 작용한다. 이러한 상황은 본 발명에 따른 방법(20)에서 적용된다.
도 3에는 실제 부하 지지력(8)의 영향하에 있는 캐리어 요소들(7) 중 하나가 예시적으로 도시된다. 이때, 캐리어 요소(7)는 탄성 변형된다. 설명된 변형은 상당히 확대 도시된다.
도 3에는 가능한 센서 위치들(10)이 예시적으로 도시된다. 본 발명에 따른 터보 기계(2)의 제1 변형예에서, 센서들(9)은 각각의 캐리어 요소(7)에서의 실제 부하 지지력(8)을 직접 결정할 수 있다. 이를 위해, 센서(9)는 각각 캐리어 요소(7)의 부하 지지 위치(103)에 직접 배열된다. 이 경우에, 센서(9)는 예를 들어 압전 소자, 로드셀(load cell) 또는 마찬가지로 박막 센서이다. 또한, 본 발명에 따른 터보 기계(2)의 제2 변형예에서, 실제 부하 지지력(8)은 캐리어 요소(7)의 변형의 결정을 통해서도 수행될 수 있다. 이를 위해, 캐리어 요소(7)의 센서(9)는 각각 인장 변형 위치(102)에 또는 마찬가지로 압축 변형 위치(101)에 배열된다. 이 경우에, 센서(9)는 특히 스트레인 게이지이다. 상기 두 개의 변형예가 동시에 사용될 수도 있다.
각각의 캐리어 요소(7)에서의 실제 부하 지지력(8)은 터보 기계(2)의 작동 중에, 터보 기계(2)의 휴지 상태의 각각의 캐리어 요소(7)에서의 영구 부하 지지력(26)과는 다른 값을 갖는다. 개별 캐리어 요소(7)에서의 실제 부하 지지력(8)과 영구 부하 지지력(26) 사이의 이러한 편차로부터, 본 발명에 따른 방법(20)에서 터보 기계(2)의 실제 출력이 결정된다. 본 발명에 따른 출력 결정 방법(20)은 도 4의 그래프에서 예시적으로 도시된다.
본 발명에 따른 방법(20)에서는 우선 부하 지지력 결정(21)에서, 각각의 캐리어 요소(7)에 작용하는 실제 부하 지지력(8)이 결정된다. 이 경우에, 실제 부하 지지력(8)의 결정은 부하 지지 위치(103)에 배열된 힘 측정 센서(9)를 이용하는 실제 부하 지지력(8)의 직접 측정을 통해, 또는 압축 변형 위치(101) 및/또는 인장 변형 위치(102)에 배열된 변형 센서(9)를 이용하는 간접 측정을 통해 수행될 수 있다.
이후, 토크 결정(22)에서 샤프트(13)의 토크(23)가 결정된다. 이를 위해, 우선 각각의 캐리어 요소(7)에 대해, 실제 부하 지지력(8)과 영구 부하 지지력(26)으로부터 편차가 구해진다. 중간값으로서, 캐리어 요소(7) 당 각각 하나의 편차 부하 지지력이 형성된다. 이러한 편차 부하 지지력은 중심축(12)에 대해 확인된 간격에 의해 각각의 개별 토크를 형성한다. 개별 요소들의 합은 샤프트(13)의 토크(23)를 형성하는데, 그 이유는 샤프트의 토크(23)의 값이 가이드 베인의 토크의 값과 동일하며 가이드 베인의 토크의 값이 터빈 하우징(3)의 토크의 값과 동일하기 때문이다.
이후, 출력 결정(24)에서, 터보 기계(2)의 출력(25)이 결정된다. 터보 기계(2)의 출력은 샤프트(13)의 출력에 상응한다. 샤프트(13)의 출력은 샤프트(13)의 토크(23)와 샤프트의 실제 각속도의 곱으로부터 결정된다.
본 발명에 따르면, 특히, 부하 지지력 결정(21)이 캐리어 요소(7)의 변형의 모니터링을 통해 수행되는 경우, 센서(9)의 교정(19)을 실행하기 위해, 캐리어 요소(7)의 변형과 추가로 인가된 힘 사이의 비가 부하 지지력 결정(21) 이전에 결정되는 것이 가능하다. 이를 위해, 특히 터빈 하우징(3) 내의 부압의 인가가 이용된다. 터빈 하우징(3) 내의 압력의 하강을 통해 정압으로서의 주변 압력(14)이 터빈 하우징(3) 상에 작용한다. 이 경우에, 주변 압력은 유입 보상기(11)의 단면의 면에 작용한다. 터빈 하우징 압력과 주변 압력(14) 사이에서 형성된 압력 차이 및 유입 보상기(11)의 단면이 확인되기 때문에, 터빈 하우징 상에 추가로 작용하는 힘도 확인된다. 캐리어 요소(7)의 탄성 변형 및 추가의 힘은 서로에 대해 선형으로 거동한다. 교정(19)에 대한 이러한 가능성은 구조 방식에 따라, 특히 고유의 작동을 위해 진공화 장치가 이미 할당된 증기 터빈(2)에서 제공된다.
본 발명이 바람직한 실시예에서 상세히 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 공개된 실시예로 한정되지 않으며, 다른 변형예들이 발명의 보호 범위를 벗어나지 않으면서 통상의 기술자에 의해 도출될 수 있다.

Claims (9)

  1. 토크(23)에 대해 지지되는 터빈 하우징(3)을 내부 공간 내에 포함하는 터보 기계(2)의 출력(25)을 결정하기 위한 방법(20)에 있어서,
    터빈 하우징(3)의 실제 부하 지지력들(8)이 결정(21)되어, 저장된 영구 부하 지지력들(26)에 대한 편차들이 구해지며, 상기 편차들의 합으로서 토크(23)가 결정(22)되며, 그로부터 터보 기계(2)의 출력(25)이 결정(24)되는 것을 특징으로 하는 출력 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 터빈 하우징(3)의 캐리어 요소(7)의 탄성 변형이 결정되며, 캐리어 요소(7)의 상기 변형으로부터 각각의 실제 부하 지지력들(8)이 결정되는 출력 결정 방법.
  3. 제2항에 있어서, 캐리어 요소(7)의 변형과 실제 부하 지지력(8) 사이의 비가, 사전 규정된 힘의 인가를 통해 결정되는 출력 결정 방법.
  4. 제3항에 있어서, 사전 규정된 힘은, 주변에 대한 내부 공간의 밀폐와 조합되어 터보 기계(2)의 내부 공간 내의 확인된 부압의 인가를 통해 생성되는 출력 결정 방법.
  5. 터보 기계(2)의 내부 공간 내에 배열된 터빈 하우징(3)을 갖는 터보 기계(2)이며, 터빈 하우징(3)은 중심축(12) 및 중심축(12)에 대해 이격되어 배열된 복수의 캐리어 요소(7)를 포함하며, 상기 캐리어 요소에 의해 터빈 하우징(2)은 중심축(12) 내에서 작용하는 토크에 대해 지지되는 터보 기계에 있어서,
    각각의 캐리어 요소(7)에는 캐리어 요소(7)에서 작용하는 실제 부하 지지력(8)의 결정을 위한 센서(9)가 할당되며, 센서(8)는 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 방법(20)을 실행하도록 구성된 평가 유닛과 연결되는 것을 특징으로 하는 터보 기계.
  6. 제5항에 있어서, 센서(9)는 캐리어 요소(7)의 부하 지지 위치(103)에 배열된 각각의 힘 측정 센서(9)인 게이지인 터보 기계(2).
  7. 제5항에 있어서, 센서(9)는 캐리어 요소(7)에 위치한 각각의 스트레인 게이지인 터보 기계(2).
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 터보 기계(2)는 내부 공간 내에 부압의 생성을 위한 진공화 장치와, 주변에 대해 내부 공간의 밀폐를 위한 유입 보상기(11)를 포함하는 터보 기계(2).
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 터보 기계는 증기 터빈(2)인 터보 기계(2).
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