KR20160103065A - 회전 블레이드에 의해 지속되는 진동을 측정하는 터빈 엔진용 어셈블리 - Google Patents

회전 블레이드에 의해 지속되는 진동을 측정하는 터빈 엔진용 어셈블리 Download PDF

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아르노 탈론
길버트 알로지
장-이브 까조
줄리앙 가르니에
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사프란 헬리콥터 엔진스
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Abstract

본 발명은 터빈 엔진용 어셈블리(E)에 관한 것으로, 어셈블리(E)는 케이싱(1) 및 케이싱(1) 내부에서 회전 이동 가능한 임펠러(2)를 포함하고, 임펠러(2)는 케이싱(1)과 대향하는 팁 에지부(21)를 구비한 적어도 하나의 블레이드(20)를 포함하며, 상기 어셈블리(E)는, 팁 에지부(21)가 자석(3)을 포함하고, 케이싱(1)이, 대향하는 팁 에지부(21)의 자석(3)에 의해 유도되며, 임펠러(2)의 회전시 블레이드(20)의 팁 에지부(21)에 의해 지속되는 진동을 나타내는 전기 전압이 단자 사이에서 발생되도록 구성된 전도체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

회전 블레이드에 의해 지속되는 진동을 측정하는 터빈 엔진용 어셈블리{ASSEMBLY FOR TURBINE ENGINE FOR MEASURING VIBRATIONS SUSTAINED BY A ROTATING BLADE}
본 발명은 회전 이동식 블레이드의 분야에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 회전시 지속되는 블레이드 진동의 특성화 분야에 관한 것이다.
임펠러는 복수의 블레이드 또는 베인을 포함하는 허브이다. 터빈 엔진의 설계 및 인증 중에, 케이싱에서 이러한 회전 이동식 임펠러가 터빈 엔진의 모터의 작동 범위에서 여기될 가능성이 있는 적절한 주파수를 구비하는지 여부를 입증하는 것이 필요하다.
또한, 상기 작동 범위에서 식별된 적절한 모드에 대해 연관된 진동 제한의 수준을 정량화하는 것이 필요하다.
작동시 블레이드에 의해 유지되는 진동을 특성화하는 제1 공지 기술은 임펠러에 부착된 변형 게이지를 사용하는 것이다. 주파수 영역에서 블레이드를 특성화하고, 소재 표면의 미세-변형을 측정하여 소재 내의 제약을 계산하는 것이 가능하다.
그러나, 상기 제1 기술은 많은 단점을 포함한다.
첫째로, 특히, 장비가 고압 터빈으로 이루어질 때, 베인에 부착된 게이지는 잠재적으로 매우 높은 온도와 관련된 (대략 100,000g의) 큰 원심력을 받는다. 그 결과, 게이지의 수명은 제한된다.
둘째로, 게이지를 배치하는 것은 (특히, 게이지가 배치되는 시멘트의 소성에 대한)세부 사항 및 시간에 있어서 상당한 노하우를 요구한다.
셋째로, 고정 마커에서 이동식 임펠러 수송부에 내장된 게이지로부터 오는 신호를 구비하는 것이 필요하다. 이를 위해, 모터 샤프트 상의 연결 와이어는 회전 컬렉터에 안내되어야 한다.
노이즈 측정을 발생시키는 와이어의 길이 및 컬렉터의 회전 연결 이외에, 모터 상에 있는 회전 컬렉터의 통합에 대한 예비 연구는 오래 걸리고 비용이 많이 든다.
고정 마커에서 회전 베인과 대향하게 위치되는 프로브의 사용에 기초한 제2 기술은 전술한 단점을 제거하기 위해 제안되었다.
상기 제2 기술은 베인의 두 진동 상태(진동이 존재 또는 진동이 없는)에 대한 광학 프로브의 확산되는 진행 시간을 측정한다. "팁 타이밍"으로 지칭되는 이러한 측정 방법은 베인 팁에서 대체 움직임의 진폭을 다시 계산한다. 모드 형상에 대한 지식은 베인의 제약 레벨에 대하여 베인의 팁에서 이동 레벨에 둔다.
특히, 미국 특허공보 US 3,208,269호 및 US 4,757,717호에 개시된 "팁 타이밍" 방법은 지그재그 형상을 구비하며 베인의 회전 축을 중심으로 배치된 도체를 사용한다.
그러나, 제2 기술은 측정된 진동에 대한 주파수 정보를 생성하지 않는다. 사용된 도체의 지그재그 형상에 의해, 베인 팁에서 전반적인 이동 수준은 베인 모드가 여기되는지 알 수 없이 제2 기술에 의해 식별된다. 진동 감시 목적을 위해, 이러한 제한은 크게 불리할 수 있다.
또한, "팁 타이밍" 과정은 때때로 기록된 이동 수준에 책임있는 여기 순서의 식별을 허용하지 않아 애매모호하다.
본 발명의 목적은 특히, 베인의 진동 주파수를 나타내는 정보를 측정하여 회전시 베인에 의해 지속되는 진동의 특성화를 허용하는 것이다.
제1 관점에 따르면, 터빈 엔진용 어셈블리는 케이싱 및 상기 케이싱에 회전으로 이동 가능한 임펠러를 포함하되, 상기 임펠러는 케이싱과 대향하는 팁을 갖는 적어도 하나의 베인을 포함하고, 상기 어셈블리는, 팁이 자석을 포함하고, 케이싱이, 대향하는 팁의 자석에 의해 유도되며, 임펠러의 회전시 베인의 팁에 의해 지속되는 진동을 나타내는 전기 전압을 단자 사이에서 발생하도록 구성된 전도체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
제2 관점에 따르면, 제1 관점에 따른 터빈 엔진용 어셈블리의 베인의 진동을 특성화하는 방법이 제안되고, 상기 방법은,
- 케이싱에서 임펠러의 회전을 개시하는 단계,
- 케이싱과 대향하는 베인의 팁에 포함된 자석에 의해 유도되는 전기 전압을 전도체의 단자에서 측정하는 단계,
- 측정된 전기 전압으로부터 베인의 팁에 의해 지속되는 진동을 나타내는 정보를 결정하는 단계를 포함한다.
자석은 자기장을 생성한다. 회전으로 이동 가능한 임펠러는 케이싱에 대하여 회전을 개시하고, 전도체에 대한 자기장의 상대적인 움직임은 자석을 포함하는 베인의 팁과 대향하는 케이싱의 전도체에 유도 전류를 유도한다. 상기 전기 전류는 전도체의 단자까지 퍼진다. 단자에서의 전압은 베인에 의해 지속되는 진동을 특성화하고, 특히, 베인의 적절한 모드의 주파수를 식별한다.
제1 관점에 따른 터빈 엔진용 어셈블리 및 제2 관점에 따른 방법은, 자석이 장착된 베인의 진동을 특성화하기 위해 임펠러 상에 제한의 직접적인 측정을 제공하고, 베인에 연결된 이동식 마커에 무거운 계기 장비를 방지한다. 계기 장비는 도입부에 전술된 공지 기술의 장치를 이용하여 얻어지는 것과 동일한 정보를 얻기 위해 상기 이동식 마커에서 최소이고(오직 하나의 자석이 베인 내에 통합됨), 케이싱(케이싱에 전도체의 삽입)에 연결된 고정 마커에서 또한 최소이다.
전도체의 단자에서 측정된 전압은 경로면 외부에서 이루어진 자석의 진동을 나타내지만, 상기 전압은 회전축을 중심으로 베인의 회전 움직임에 독립적이다(베인이 임의의 진동을 받지않는 완벽한 상황에서, 자석이 중앙부의 일부와 대향할 때 전도체의 단자에서 전압은 제로일 것이다).
또한, 전도체의 중앙부가 자석의 경로면에서 전체 길이에 걸쳐 있다는 점은 주파수 영역 분석에 사용되는 시간 동안 연속적인 신호 전압을 생성한다. 이에 반해, 공지 기술의 방법에 사용된 지그재그 전도체는 스펙트럼 분석에 적합하지 않은 분열 및 분절된 신호만 생성한다.
제1 관점에 따른 어셈블리는 단독으로 또는 기술적으로 가능한 임의의 조합의 특성에 의해 완성된다.
임펠러의 회전축을 중심으로 연장되는 중앙부는 임펠러의 회전축을 중심으로 다른 각 위치에 위치되는 2개의 단부를 포함한다. 이러한 실시예는 임펠러의 회전축을 중심으로 베인의 다른 각 위치에 대한 진동 정보를 획득하고, 중앙부의 두 단부의 다른 각 위치는 전도체의 단자에서 이루어지는 연속적인 측정 중에 기준 시간으로 작용할 수 있는 "턴 피크(turn peak)"를 생성하기 위해 불연속성을 형성한다.
또한, 중앙부는 특히, 케이싱 상에 또는 케이싱 내부에 전도체의 장착을 간략하게 하기 위해 회전축을 중심으로 360도 미만으로 연장될 수 있다. 이러한 실시예에서, 중앙부의 길이는 짧아지고, 전도체에 의해 덮히지 않는 공간은 임펠러의 회전축을 중심으로 중앙부의 단부 사이에 남겨진다. 상기 공간은 "턴 개구부"로 또한 지칭된다.
중앙부 및 2개의 분기는 동일 평면일 수 있고, 각각의 분기는 각각의 단부에서 임펠러의 회전축에 대하여 반경 방향 외측으로 연장된다.
또한, 자석은 임펠러의 회전축에 대하여 반경 방향으로 배향되는 자기장을 생성하도록 구성될 수 있다.
일반적으로, 전도체의 단자의 전압은 낮다. 이에 따라, 증폭기의 출력부에서 측정이 수행되기 때문에, 전압 증폭기는 전도체의 단자에 연결될 수 있다.
전도체는 임펠러와 대향하는 케이싱의 내부면에 위치되는 마모성 증착부에 적어도 부분적으로 내장될 수 있고, 마모성 증착부는 상자성 또는 반자성 소재로 이루어진다. 따라서, 자석의 자기 흐름은 거의 변형되지 않고, 자석에 의해 발생되는 전체 자기 흐름은 수행되는 측정에 활용될 수 있다.
또한, 어셈블리는 베인의 진동 주파수를 나타내는 스펙트럼을 생성하기 위해 전기 전압의 신호에 푸리에 변환을 적용하도록 구성된 측정 장치를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터빈 엔진 어셈블리에 대한 제1 부분 단면도이다.
도 2는 도 1의 어셈블리의 제2 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 베인에 의해 지속되는 진동을 특성화하는 방법 단계의 흐름도이다.
도 4는 도 1 및 도 2에 도시된 어셈블리(E)의 다른 부재와 연관된 마커를 도시한다.
도 5는 도 1 및 도 2에 도시된 터빈 엔진 어셈블리의 부재 사이의 전자기 상호 작용을 개략적으로 도시한다.
도 6a 내지 도 6c는 도 3의 방법의 구현 중에 얻어지는 전압 시간 신호를 각각 도시한다.
도 7은 도 6c에 도시된 신호에 상당하는 스펙트럼을 도시한다.
본 발명의 다른 특성, 목적 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 단순히 예시적이고, 비 제한적인 이하의 설명으로부터 명백해질 것이다. 모든 도면에서 유사한 부재는 동일한 도면부호로 나타낸다.
도 1을 참조하면, 터빈 엔진 어셈블리(E)는 케이싱(1) 및 상기 케이싱(1)에 대해 회전으로 이동가능한 임펠러(2)를 포함한다. 본원 명세서에서, 임펠러는 휠의 원주 방향 위에 분포된 베인(또는 블레이드)의 세트로 정의된다.
케이싱(1)은 임펠러(2)를 수용하는 공간을 획정하는 내부면(10)을 구비한다. 상기 내부면(10)은 예컨대, 원통형이다.
임펠러(2)는 회전축(도 1의 평면에 수직하는)을 따라 연장되는 모터 샤프트(24) 상에 장착된다. 임펠러(2)는 샤프트(24) 주위에 디스크(22) 및 복수의 베인을 포함한다. 각각의 베인은 각각의 팁에 의해 종료될 때까지 디스크(22)에서 실질적으로 반경 방향으로 연장된다. 상기 방식으로, 각각의 베인의 팁은 케이싱(1)에 대해 이동가능한 임펠러(2)에 의해 차지되는 각 위치에 관계없이, 케이싱(1)의 표면 부분과 대향한다.
도면부호 20으로 표시되는 임펠러의 베인 중 적어도 하나의 베인은 팁(21)에 자석(3)을 포함한다. 예컨대, 자석은 회전축에 대해 베인의 팁의 최대 반경과 같은 높이일 수 있다.
자석(3)은 디스크(22)에 부착된 베인(20)에 부착된다. 이하에서 자석(3)의 움직임은 베인(20)의 팁(21)의 움직임을 나타내는 것으로 추정된다.
자석(3)에 의해 형성되는 자기장의 토폴로지는 여러 차례 감긴 솔레노이드와 유사하고, 자석(3)을 둘러싸고, 북극에서 남극으로 배향하는 토러스를 형성한다. 자석(3)은 임펠러(2)의 회전축에 대하여 반경 방향의 자기장을 형성하도록 구성된다.
도 2를 참조하면, 케이싱(1)은 전도체(4)를 포함한다.
전도체(4)는 임펠러(2)의 회전축을 중심으로 턴 또는 턴의 일부를 형성하는 "중앙"부를 포함한다. 예컨대, 상기 중앙부(40)는 임펠러(2)와 대향하는 케이싱(1)의 내부면(10)에 고정된다.
중앙부(40)는 임펠러(2)의 회전축을 중심으로 다른 각 위치에 위치되는 2개의 단부(42, 42')를 포함한다.
또한, 전도체(4)는 중앙부(40)의 각각의 단부를 각각 연장하는 2개의 분기(44, 44')를 포함한다.
바람직하게, 중앙부(40)는 임펠러(2)의 회전축을 중심으로 케이싱(1)의 전체 원주에 걸쳐 연장되지 않지만, 임펠리의 회전축을 중심으로 360도 미만의 각 섹터에 의해 형성되는 원의 원호를 형성한다. 두 단부(42, 42')는 중앙부(40)에 의해 커버되지 않는 케이싱(1)의 원주 부분의 범위를 정하고, 커버되지 않는 부분은 이하에서 "턴 개구부"로 지칭되며, 도면부호 46으로 표시된다.
예시되지 않은 변형에서, 중앙부는 임펠러의 회전축을 중심으로 하나의 전체 회전을 넘어서 연장된다.
분기들(44, 44')은 케이싱(1)에서 임펠러(2)의 회전축에 대하여 실질적으로 반경 방향 외부로 연장된다. 예컨대, 연장되는 단부(42)에서, 각각의 분기(44)(또는 44')는 중앙부(40)로 형성되되, 80도 내지 100도, 바람직하게는 90도의 각으로 형성된다.
중앙부(40)는 임펠러(2)의 회전축을 중심으로 베인(20)의 회전 중에 자석(3)의 경로 면과 일치하는 평면에서 단부들(42, 42') 사이의 전체 길이를 넘어 연장된다.
또한, 중앙부(40)를 연장하는 분기(44, 44')는 동일 평면으로 연장될 수 있다.
임펠러(2)가 자석(3)이 중앙부(40)의 지점과 대향하도록 각 위치를 점유할 때, 중앙부(40)에 대하여 자석(3)에 의해 발생한 자기장의 상대적인 진동 움직임은 상기 지점의 부근에서 길이(L)의 중앙부(40)의 일부에 전기 전류를 유도하고, 전류는 분기(44, 44')에 의해 형성된 단자로 확산된다. 전압(U1)은 전도체(4)의 두 단자 사이에서 발생된다.
도 2의 실시예에서, 제1 전도체(4)의 중앙부(40)는 회전축의 지점을 중심으로 하는 원의 일부를 획정하고, 이러한 방식으로, 자석(3)과 중앙부(40)의 임의의 지점 사이의 에어 갭은 일정한 거리이다. 또한, 변형으로서, 중앙부는 원형 형상 또는 원의 일부와 다른 형상을 구비할 수 있다.
전도체(4)의 단자는 전압 증폭기(5)의 입력부에 연결된다.
전압 증폭기(5)의 출력부는, 상기 증폭기(5)에 의해 증폭된 전압 시간 신호의 스펙트럼 분석을 수행하는 수단을 포함하는 전압 측정 장치(6)에 연결된다.
베인 진동을 특성화하는 방법의 일반 원리
도 3은 자석(3)을 포함하는 베인(20)에 의해 지속되는 진동을 특성화하는 방법 단계를 도시한다.
예비 단계(101)에서, 임펠러(2)는 회전축을 중심으로 회전된다. 상기 회전 설정은 베인(20)의 진동을 발생시킬 수 있다.
임펠러(2)의 회전축을 중심으로 베인(20)의 일 회전 주기는, 케이싱(1)에 대하여 이동 가능한 임펠러(2)의 각 위치의 각각의 범위에 대응하는 2개의 다른 위상 즉, 자석(3)이 중앙부(40)의 일부와 대향하는 위상 및 자석(3)이 두 단부(42, 42') 사이에 존재하는 턴 개구부(46)와 대향하는 위상을 포함한다.
자석(3)이 중앙부(40)의 일부와 대향할 때, 중앙부(40)에 대하여 자석(3)에 의해 발생되는 자기장(B)에 대한 진동 움직임은 중앙부(40)에 전류를 발생시키고, 분기(44, 44')에 의해 형성된 단자로 확산된다. 전압(U1)은 전도체(4)의 두 단자 사이에서 발생된다.
일반적으로 매우 낮은 전압(U1)은 단계(102) 중에 증폭기(5)에 의해 증폭된다.
단계(103)에서, 측정 장치(6)는 증폭기(5)에 의해 증폭된 전압으로부터 회전축을 중심으로 베인(20)의 회전 주기보다 큰 기간의 전압 시간 신호를 획득한다.
단계(104)에서, 상기 장치는 획득된 전압 시간 신호의 푸리에 변환을 계산한다. 상기 푸리에 변환의 결과는 자석(3)이 내장된 베인(20)의 진동 주파수를 나타내는 스펙트럼을 구성한다.
전도체의 중앙부(40)는 자석의 경로면에서 연속적으로 연장되기 때문에, 중앙부(40)를 따라 통과하는 자석으로 획득된 시간 신호 또한 연속적이다. 푸리에 변환의 계산 이후에 이러한 연속적인 신호는 이용 가능한 주파수 정보가 많다.
반대로, "팁-타이밍" 방법에 따라 지그재그 형상을 갖는 도체는 자석의 경로면에 일정하지 않다. 이러한 지그재그 도체에 의해 획득된 신호는 연속적이지 않고, 이에 따라, 푸리에 변환으로부터 발생하는 스펙트럼에 의해 공급되는 정보를 이용하는데에 있어서, 상기 신호의 푸리에 변환을 허용하는데 충분하지 않게 샘플링된다.
상기 두 위상 동안 자석(3)의 전자기 작용은 이하에서 더욱 상세하게 설명될 것이다.
자석이 중앙부와 대향할 때 자석의 전자기 작용
도 4를 참조하면, 고정 프레임(R)은 케이싱(1)과 연관되어 있고, 이동식 프레임(R')은 자석(3)과 연관되어 있다.
고정 프레임(R)은 중심(O), 도면부호 z로 나타낸 임펠러(2)의 회전축 및 자석(3)의 움직임을 포함하며 모터 축선에 직교하는 평면을 획정하는 x 및 y 축선에 의해 획정된다.
이동식 프레임(R')은 자석(3)의 위치를 나타내는 중심(O'), z 축선에 평행한 z' 축선, 직석(OO')에 의해 지지되는 x' 축선에 의해 획정되고, 마커(R')와 같은 축선은 직접 삼면체이다. 이동식 프레임(R')은 고정 마커(R)에 대하여 각(θ)을 형성한다.
일반적으로, 마커(R')에서 점(M)의 R에서 R' 프레임의 변경 법칙은 이하의 관계가 적용된다.
Figure pct00001
도 5를 참조하면, 중앙부(40)의 지점은 점(M)으로 간주되고, 아래의 식으로 나타낼 수 있다.
Figure pct00002
상기 관계는, 고정 마커에서 베인(20)의 팁에 있는 자석(3)이 고정된 중앙부(40)에 대하여 이동하거나 또는 이동 가능한 마커에서 중앙부(40)가 고정된 자석(3)에 대하여 이동하는 것을 등가로 나타낸다.
고정 프레임(R)에서 움직이지 않으며 중앙부(40)에 속한 전자를 고려하면, 회전 프레임(R')의 명백한 속도는 벡터
Figure pct00003
, 즉, 거리(r+e)일 때 고정 마커에서 회전 마커의 점이 갖는 속도일 것이고, e는 자석(3)과 중앙부(40) 사이의 에어 갭을 나타내고, r은 거리(OO')를 나타낸다.
상기 점(M)이 완전히 자석(3)의 축선(O'x')에 있는 것으로 고려되면, 전자에 적용되는 로렌츠 힘의 합력(Fl)은 도 5에 도시된 바와 같이 배향될 것이다.
상기 장치는 평면(O'x'z)에서 고려될 수 있고, 자기장(B)의 성분은 x' 및 z 성분만 고려될 수 있다. 회전 프레임에서 전자의 진행 속도는, 블레이드의 반경(r) 및 자석(3)과 회전 마커에서 점(M)의 횡 좌표 사이의 에어 갭(e)을 고려하여 거리(r+e)일 때 회전 마커에서 고정 점이 갖는 것이다. 전기 모터 필드(field)는 아래와 같이 표현될 수 있다.
Figure pct00004
자석(3)이 베인(20)의 진동을 받을 때, 베인(20)의 진동 움직임에 의해 발생되는 전기 모터 필드는 아래와 같다.
Figure pct00005
Figure pct00006
중앙부(40)에서 유도된 전류는 전기 모터 필드가 y 성분에 따라 배향될 때, 즉, 전도체의 축선으로 배향될 때 측정 가능하다. 따라서, 측정 성분은 아래와 같다.
Figure pct00007
또한, 자석(3)이 중앙부(40)의 평면에 포함되는 것으로 가정하는 경우에, 상기 성분은 아래와 같다.
Figure pct00008
따라서, 자석(3)이 중앙부(40)의 평면에 있는 경우, z 축선(회전 축선)을 따라 진동 거동이 측정 가능한 유도 전류를 초래할 것이다. 진동이 없는 경우, 측정 가능한 신호가 없을 것이다.
세그먼트(AB)가 자기장의 영향 하에 있을 때 전도체(4)의 단자에서 측정되는 순간적인 전압(U1)은 다음과 같은 형태로 표현된다.
Figure pct00009
lAB는 자석(3)의 영향을 받는 세그먼트(AB)의 길이, Bx'는 자석(3)에 의해 발생되는 자기장의 반경 방향 성분, VVIBZ는 x 축선을 따라 자석(3)의 진동 속도 성분을 나타낸다.
자석이 턴 개구부와 대향할 때 자석의 전자기 작용
자석(3)이 턴 개구부(46)와 대향할 때, 전도체(4)는 자석(3)의 자기장(B)의 영향에서 벗어나고, 이러한 현상은 자연스럽게 유도 전류를 발생시킨다.
턴 개구부(46)는 x' 축선을 따라 이루어지기 때문에, 전기 모터 필드의 x' 성분만 중앙부(40)의 출력 분기(44, 44')의 전압을 발생시킨다.
중앙부(40)의 출력 분기(44, 44')에 발생되는 전기 모터 필드는 회전자의 회전 속도 및 자기장의 성분에 비례한다.
턴 개구부(46) 전방에서 설치된 베인(20)의 통과는 도 6에 도시된 바와 같이, 측정 장치(6)에 의해 측정된 전압 시간 신호에 "턴 피크"를 초래한다. 따라서, 턴 개구부(46)는 턴 피크의 형성을 가능하게 한다.
턴 피크는 측정 장치(6)에 의해 측정된 전압 시간 신호의 관심 정보로 구성된다. 실제로, 턴 피크는 그 축을 중심으로 임펠러(2)의 회전 속도를 측정하는 기준 시간이 될 수 있다. 또한, 수행된 측정의 감도를 나타낸다.
그러나, 상기 턴 피크는 측정 장치(6)에 의해 생성된 전압 시간 신호 또는 상당하는 스펙트럼의 해석을 방해할 수 있는 고조파를 도입한다.
따라서, 전압 신호 시간에 상기 턴 피크의 존재를 최소화하는 것에 관심이 있을 수 있다.
턴 피크의 일시적인 규모는 예컨대, 임펠러의 회전축을 중심으로 20도 또는 10도 미만의 각 섹터에 의해 형성된 원호의 이격된 단부(42, 42')와 같이, 턴 개구부(46)의 크기를 감소시킴으로써 최소화될 수 있다. 턴 개구부를 최소화하는 것은 중앙부(40)가 임펠러(20)의 진동에 민감한 시간을 최대로 한다.
턴 피크는, 분기를 연장하는 중앙부(40)의 단부에 대하여 80도 내지 100도, 바람직하게는 90도의 각으로 전도체(4)의 각 분기를 배향함으로써 더욱 최소화될 수 있다. 또한, 상기 각의 배향은 케이싱(1)에 분기의 통합을 용이하게 한다.
시간 분석
중앙부(40)의 단자에 기록된 전압의 시간 신호 s(t)는 임펠러(2)의 회전축(z')에 평행한 베인(20)의 진동 속도 성분의 직접적인 이미지이다.
베인(20)에 진동이 없는 상태로 지속되는 이상적인 상황에서, 발생 신호 s(t)는 모터 속도에 따른 패턴 m(t)로 간주될 수 있다. 상기 신호는 임펠러(2)의 회전축을 중심으로 자석(3)의 회전 주기와 같은 주기(Tr)를 갖는 디락콤(Dirac comb) δTτ(t)과 상기 패턴 m(t)의 컨벌루션으로 간주될 수 있다.
Figure pct00010
도 6a는 이러한 이상적인 상황에 상당하며, 기간(dT)에 2개의 턴 피크를 포함하는 신호 s(t)를 도시한다.
자석(3)이 베인(20)의 팁(21)의 진동 움직임을 받는 실제 상황에서, 전압 시간 신호는 아래와 같다.
Figure pct00011
이때, sv(t)는 진동 성분이다. 이러한 신호의 예는 도 6b에 도시되어 있다. 회전 중에, 블레이드가 자석(3)의 축 방향 성분을 포함하는 진동 움직임에 의해 구동되는 경우, 진동 움직임은 축 방향 속도에 비례하는 전압(작은 움직임에 대한)을 유도한다.
또한, 도 6c는 베인의 회전 주기보다 더 긴 주기의 전압 시간 신호를 도시하고, 이에 따라, 복수의 턴 피크가 상기 신호에 존재한다.
스펙트럼 분석
신호 s(t)에 상당하며, 단계(104) 중에 획득된 도 7의 스펙트럼 S(f)는 아래와 같이 표현된다.
Figure pct00012
이때, M(f)는 패턴 m(t)의 스펙트럼, Sv(f)는 진동 신호 sv(t)의 스펙트럼이고, Fr은 주기(Tr)에 상당하는 임펠러(2)의 회전 주파수이다.
따라서, 전도체(4)의 단자에서 측정된 신호의 주파수 표현은 진동 성분의 스펙트럼, 패턴의 세트에 상당하는 추가적인 기간으로 구성된다는 것을 나타낸다. 상기 기간은 패턴 m(t)의 스펙트럼에 의해 변조된 주파수(Fr)의 디락콤일 것이다.
일반적으로, 터빈의 기호 분석(signature analysis)은 다른 이동식 발전기(NG) 또는 자유 터빈의 속도의 함수로 수행된다. 실제로, 상기 발전기는 터빈 엔진에서 여기의 주요 근원으로 여겨지고, 따라서, 스펙트럼 내용의 발생이 여기 속도의 함수로 나타낸다. fexc= 속도/60과 같은 여기 주파수(fexc)는 상기 속도와 관련된다.
따라서, 신호 S(f)의 스펙트럼 내용의 변화는 임펠러(2)의 속도의 함수로 나타낼 수 있다. 이를 위해, 트리거 조건이 사전에 정해질 때 각 측정이 개시되는 측정 단계(103)가 반복된다. 각각 획득된 다른 시간 신호는 동일한 기간 또는 시간 폭의 각각의 관측 윈도우에 상당하다.
각각의 시간 윈도우의 획득은 예컨대, 속도의 변화 조건의 함수로 달성된다. 조건이 관측 윈도우의 획득에 관련될 때마다 상당하는 스펙트럼의 계산이 수행된다(단계(104)).
일반적으로, 속도가 예컨대, 60rpm 또는 다른 주기적으로 사전에 정해진 속도의 피치에 의해 증가할 때마다 획득의 시작이 개시될 수 있다.
시간 윈도우는 일시적으로 연속 또는 비 연속일 수 있다. 실제로, 바람직하게, 관측 윈도우는 방출되는 스펙트럼을 일시적으로 감시하도록 연속적이다. 각각의 윈도우의 폭은 바람직한 주파수 해상도(resolution) 및 스펙트럼의 "재생(refreshment)"율에 따라 제어된다.
각각의 스펙트럼은 위에서 알 수 있는 바와 같이, 각각의 시간 신호 또는 변형으로서, 연속적으로 트리거에 의해 획득된 N 시간 신호의 평균으로부터 결정될 수 있다.
임의의 경우에, 단계들(103 및 104)의 반복은, 시간-주파수 다이어그램 또는 캠밸 다이어그램과 같이, 당업자에게 공지된 것과 다른 유형의 다이어그램을 개발하도록 결합될 수 있는 복수의 스펙트럼을 생성한다.
시간-주파수 다이어그램은, 시간의 함수(푸리에 변환은 단기 푸리에 변환으로 수행됨)로서 팁(21)의 진동과 연관된 스펙트럼의 진화를 나타낸다. 이러한 경우에, 부분적으로 겹치는 관측 윈도우는 시간-주파수 다이어그램의 시간 및 주파수 해상도를 개선하기 때문에 유리하다.
캠밸 다이어그램은 모터 속도의 함수로서 팁(21)의 진동과 연관된 스펙트럼의 진화를 나타낸다.
상기 방식으로 수행된 스펙트럼 신호의 주파수 분석의 결과는 이하의 순서로 이루어진다.
- 전체 모터 차수(order)가 주파수가 속도에 동기하는 디락콤에 의한 스펙트럼 상에서 명확하게 구체화되고,
- 다른 모터 차수의 진폭은 회전 패턴의 스펙트럼에 의한 주파수로 조절되며, 분석 대역의 한계 부근의 피크 진폭을 감소시킬 것이고,
- 모터 차수 및 유용한 신호에 상당하는 조건이 첨가되어, 임의의 베인의 공명 현상을 밝히고, 베인 모드(2)와 모터 차수 사이에서 식별된 각각의 공명은 두 기여도(따라서, 베인의 진동 진폭을 대표하지 않는)의 합이 될 것이다.
생성된 스펙트럼은 주파수 도메인에서 다른 처리 대상을 형성할 수 있다. 이러한 처리를 수행하기 위해, 당업자는 M. 케이에 의해 연구된 "현대 스펙트럼 추정"을 참고할 수 있다.
소재
전도체(4)는 임펠러(2)와 대향하는 케이싱(1)의 내부면(10) 상에 직접 위치될 수 있다.
변형으로서, 전도체는 케이싱(1) 내부에 위치될 수 있지만, 전도체(4)와 자석(3) 사이에 위치된 케이싱(1)의 소재의 일부는 전도체(4)의 일부에서 자석(3)에 의해 발생된 자기장의 양호한 전달을 촉진시키는 것을 보장한다. 실제로 상기 소재는 1에 가까운 투자율 값을 갖기 때문에, 상기 소재의 일부는 상자성 및 반자성 소재로 이루어지는 것이 보장될 수 있다. 따라서, 자석(3)의 자기 흐름은 약간 변형되기 때문에, 자석(3)에 의해 발생되는 전체 자속 흐름이 측정에 활용될 수 있다.
예컨대, 전도체(4)는 임펠러(2)와 대향하는 케이싱(1)의 내부면(10) 상에 위치된 마모성 증착부의 전체 또는 일부에 내장되고, 상기 마모성 증착부는 상자성 또는 반자성 소재로 이루어진다.
또한, 자석(3)은 800℃ 내지 850℃의 퀴리점을 갖는 알루미늄-니켈-코발트(AlNiCo)를 포함한다(퀴리점은 소재가 자발 자화를 손실하는 온도이다).
바람직하게, 증폭기(5)는 3000까지의 이득을 얻는 정전류 형 증폭기일 수 있다. 대략 밀리 볼트의 측정 가능한 볼트를 생성하기 위해 전도체(4)의 단자에서 전압을 증폭하는 것이 가능하다.
전술된 터빈 엔진용 어셈블리(E)는 축방향 휠, 원심 일펠러, 고압 터빈, 자유 터빈 등의 케이싱과 유사한 고정된 구조물에서 회전으로 이동되는 모든 임펠러 유형에 적용될 수 있다.
또한, 이러한 어셈블리(E)를 포함하는 터빈 엔진은 특히, 항공기와 같은 모든 유형의 차량에 내장될 수 있다.

Claims (12)

  1. 케이싱(1) 및 상기 케이싱(1)에서 회전 이동 가능한 임펠러(2)를 포함하는 터빈 엔진용 어셈블리(E)로,
    임펠러(2)는 케이싱(1)과 대향하는 팁(21)을 구비하는 적어도 하나의 베인(20)을 포함하는, 어셈블리에 있어서,
    팁(21)은 자석(3)을 포함하고, 케이싱(1)은, 대향 팁(21)의 자석(3)에 의해 유도되며, 임펠러(2) 회전시 베인(20)의 팁(21)에 의해 지속되는 진동을 나타내는 전기 전압 신호가 전도체의 단자 사이에서 발생되도록 구성된 전도체(4)를 포함하고,
    전도체(4)는 임펠러(2)의 회전축(z)을 중심으로 자석(3)의 경로면의 전체 길이에 걸쳐 연장되는 중앙부(40)를 포함하는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중앙부(40)는 임펠러(2)의 회전축(z)을 중심으로 다른 각 위치에 위치되는 2개의 단부(42, 42')를 포함하는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 중앙부(40)는 임펠러(2)의 회전축(z)을 중심으로 360도 미만으로 연장되는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중앙부(40)는 임펠러(2)의 회전축(z)을 중심으로 하는 원형인 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    전도체(4)는 상기 전도체(4)의 단자를 형성하는 2개의 분기(44, 44')를 또한 포함하되, 각각의 분기는 중앙부(40)의 각각의 단부(42 또는 42')에서 임펠러(2)의 회전축(z)에 대하여 반경 방향 외측으로 연장되고, 중앙부(40) 및 2개의 분기(44, 44')는 동일 평면인 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    자석(3)은 임펠러(2)의 회전축(z)에 대하여 반경 방향으로 배향되는 자기장(B)을 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    전도체(4)의 단자에 연결되는 전압 증폭기(5)를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    전도체(4)는 임펠러(2)와 대향하는 케이싱(1)의 내부면(10) 상에 위치된 마모성 증착부에 적어도 부분적으로 내장되고, 상기 마모성 증착부는 상자성 또는 반자성 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    베인(20)의 진동 주파수를 나타내는 스펙트럼을 생성하기 위해 전기 전압 신호에 푸리에 변환을 적용하도록 구성된 측정 장치(6)를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 터빈 엔진용 어셈블리(E)의 베인(20)의 진동을 특성화하는 방법으로,
    - 케이싱(1)에서 임펠러(2)의 회전을 개시하는 단계(101),
    - 전도체(4)의 단자에서 케이싱(1)과 대향하는 베인(20)의 팁(21)에 포함된 자석(3)에 의해 유도된 전기 전압 신호를 측정하는 단계(103),
    - 측정된 전기 전압으로부터 베인(20)의 팁(21)에 의해 지속되는 진동을 나타내는 정보를 결정하는 단계(104)를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 특성화 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    베인(20)의 적어도 일 회전에 대해 연속적으로 수행되는 전기 전압의 측정 단계(103)는 전압 시간 신호를 제공하고, 결정 단계(104)는 베인(20)의 진동 주파수를 나타내는 스펙트럼에서 상기 시간 신호의 푸리에 변환을 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 특성화 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    측정 단계(103) 이전에 수행되는, 자석(3)에 의해 유도되는 전기 전압을 증폭하는 단계(102)를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 특성화 방법.
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