KR20160146875A - 회전 터보기계 내에서 회전 부품과 고정 부품 사이의 마찰을 모니터링하는 방법, 모니터링 장치 및 터보기계 - Google Patents

회전 터보기계 내에서 회전 부품과 고정 부품 사이의 마찰을 모니터링하는 방법, 모니터링 장치 및 터보기계 Download PDF

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Abstract

회전 터보기계 내에서 회전 부품과 고정 부품 사이의 마찰을 모니터링하기 위한 장치는, 터보기계의 적어도 하나의 지점에서 기계적 진동을 측정하기 위한 적어도 하나의 기계적 진동 검출기(11, 12, 13), 터보기계의 유동 경로의 적어도 하나의 섹션을 통과하는 파편을 측정하기 위한 적어도 하나의 입자 검출기(21), 및 상기 진동 검출기 및 상기 입자 검출기(21)에 전기적으로 또는 전자기적으로 연결되며 그리고 상기 진동 검출기 및 상기 입자 검출기에 의해 생성되는 신호들을 취득하고 처리하도록 배열되는, 전자 모니터링 유닛(50)을 포함하며; 상기 전자 모니터링 유닛(50)은, 주로 마찰의 존재를 추정하기 위해 진동 측정값을 그리고 주로 마찰의 심각성을 추정하기 위해 파편 측정값을 사용한다.

Description

회전 터보기계 내에서 회전 부품과 고정 부품 사이의 마찰을 모니터링하는 방법, 모니터링 장치 및 터보기계{METHOD OF MONITORING RUBBING BETWEEN A ROTARY PART AND A STATIONARY PART IN A ROTATING TURBOMACHINE, MONITORING ARRANGEMENT AND TURBOMACHINE}
여기에 개시되는 대상의 실시예들은, 회전 터보기계 내에서 회전 부품과 고정 부품 사이의 마찰을 모니터링하는 방법, 모니터링 장치 및 터보기계에 관한 것이다.
일반적으로, 회전 터보기계에서의 마찰은, 문제점이며, 때때로 심각한 문제점이다.
그에 따른, 과거의 해결책들은, 음향학적 센서들을 통해 마찰을 검출하도록 착안된 바 있으며; 예를 들어, 그러한 해결책들은 미국 특허 제4,377,947호 및 제4,478,082호에 설명된다.
여하튼, 음향 방출의 측정을 통해, 마찰이 기계에 손상을 입히고 있는지 또는 그렇지 않은지 이해하기 어려우며, 이는 실제로 매우 중요한 문제이다.
따라서, 마찰을 모니터링하는 개선된 방법에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 발명자들은, 기계적 진동 측정을 파편 측정과 조합하는 것에 대해 생각했다. 파편은 다양한 이유에 기인할 수 있지만, 그러한 마찰이 검출된 이후에 파편이 측정된다면, 파편은 진동에 의해 야기되는 것이기 매우 쉬우며 그리고 그에 따라, 이 경우, 진동은 심각하고 위험한 것으로 고려될 수 있을 것이다.
나아가, 본 발명의 발명자들은, 마찰 및 마찰의 심각성이, 터보기계의 작동 모드에, 예를 들어 "시동", "정지", "크랭크", "부하", "입구 블리브 가열(inlet bleed heating)", "세척", 등등에 의존한다는 것을 생각했다. 따라서, 마찰 존재 추정 및/또는 마찰 심각성 추정은, 또한 기계의 작동 모드에 기초하는 것이 유리할 수 있을 것이다.
본 발명의 제1 양태가, 마찰을 모니터링하는 방법이다.
회전 터보기계 내에서 회전 부품과 고정 부품 사이의 마찰을 모니터링하는 방법은:
A) 터보기계의 적어도 하나의 지점에서 기계적 진동을 측정하는 단계, 및
B) 터보기계의 유동 경로의 적어도 하나의 섹션을 통과하는 파편을 측정하는 단계를 포함하고;
진동 측정값은 마찰의 존재를 추정하기 위해 사용되며; 그리고
파편 측정값은 마찰의 심각성을 추정하기 위해 사용된다.
본 발명의 제2 양태가, 마찰을 모니터링하는 장치이다.
회전 터보기계 내에서 회전 부품과 고정 부품 사이의 마찰을 모니터링하는 장치는:
- 적어도 하나의 기계적 진동 검출기,
- 적어도 하나의 입자 검출기, 및
- 상기 적어도 하나의 진동 검출기 및 상기 적어도 하나의 입자 검출기에 전기적으로 또는 전자기적으로 연결되며 그리고 상기 적어도 하나의 진동 검출기 및 상기 적어도 하나의 입자 검출기에 의해 생성되는 신호들을 취득하고 처리하도록 배열되는, 전자 모니터링 유닛을 포함한다.
본 발명의 제3 양태가, 터보기계이다.
터보기계는, 이상에 기술된 바와 같은, 회전할 때 터보기계 내에서 회전 부품과 고정 부품 사이의 마찰을 모니터링하는 장치를 포함한다.
여기에 통합되며 그리고 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면들은, 본 발명의 대표적인 실시예들을 예시하며 그리고, 상세한 설명과 함께, 이러한 실시예들을 설명한다. 도면의 간단한 설명
도 1은 연소 가스 터빈 엔진의 실시예에 대한 단순화된 도면을 도시하며(상측 절반이 단면도로 도시됨),
도 2는 도 1의 연소 가스 터빈 엔진의 벨마우스(bellmouth)의 종방향 단면도를 도시하고,
도 3은 도 1의 연소 가스 터빈 엔진의 입구 영역의 종방향 단면도를 도시하며, 그리고
도 4는 도 1의 전자 모니터링 유닛에 의해 수행되는 작업들에 대응하는 예시적인 그리고 단순화된 흐름도들이다.
대표적인 실시예들에 대한 뒤따르는 설명은, 첨부 도면들을 참조한다.
뒤따르는 설명은, 본 발명을 제한하지 않으며, 본 발명은, 특히, 비록 이들이 본 발명의 전형적인 응용들이지만, 연소 가스 터빈 엔진들로 그리고 그들의 고-유동 온라인 세척으로 제한되지 않는다. 대신에, 본 발명의 범위는 첨부 특허청구범위에 의해 한정된다.
"일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 명세서 전체에 걸친 참조는, 실시예와 연관되어 설명되는 특정 특징, 구조, 또는 특성이, 개시된 대상의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 명세서 전체에 걸친 여러 개소들에서의 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"와 같은 문구들의 출현은, 반드시 동일한 실시예를 참조하는 것은 아니다. 나아가, 특정 특정들, 구조들 또는 특성들이, 하나 이상의 실시예에서 임의의 적당한 방식으로 조합될 수 있을 것이다.
도 1을 참조하면, 참조 부호 ‘100’으로 일반적으로 지시되는 연소 가스 터빈 엔진이 도시된다. 화살표(1)는, 엔진(100)의 벨마우스로 진입하는 공기 유동을 나타낸다. 가스 터빈 엔진의 기본적은 요소들은, 압축기(3), 연소기(4) 및 터빈(5)이다. 엔진(100)은 압축기(3)의 블레이드들을 구동하는 샤프트(2)를 포함한다. 압축된 공기는 연소기(4)에 의해 가열되며 그리고 결과적으로 생성되는 고온 기체들은, 터빈(5)의 블레이드들을 구동하여 그에 따라 샤프트(2)를 회전시키도록, 팽창한다. 시동 시에 그리고 오프라인 세척 절차 도중에, 가스 터빈 엔진을 작동시킬 목적으로 역할을 하는 시동 모터가 또한, 연소 가스 터빈 엔진(100) 내에 포함된다.
연소 가스 터빈 엔진들은, 압축기 블레이드들 및 베인들을 오염시키는 입자들을 함유하는 거대한 양의 공기를 인출한다. 가스 터빈 엔진으로 진입하기 이전에, 공기는, 오염에 기여할 수 있는 대부분의 공기 입자들을 제거하기 위해, 여과되어야만 한다. FOD 스크린이, 압축기(3)의 블레이드들 및 베인들을 주로 훼손할 수 있는 그러한 입자들을 정지시키기 위해, 가스 터빈 엔진의 유입구의 플레넘 챔버(8) 내에 위치하게 된다.
필터들의 사용에도 불구하고, 압축기의 블레이드들 및 베인들 상에서의 입자들의 부착 및 축적을 완전하게 방지하기 어려우며, 따라서 본래의 효율 레벨을 회복하기 위해 주기적인 세척 작업에 의존할 필요가 있다.
세척 작업은, 가스 터빈 엔진 내부 공간에서, 무화된 세척 유체를, 일반적으로 물을 분사하는, 일련의 노즐들을 통해 달성된다.
도 2 및 도 3은, 공지의 세척 시스템의 세부사항을 도시한다.
도 2에서, 노즐들(7)이, 가스 터빈 엔진의 벨마우스(6)에, 특히 참조 부호에 의해 식별되는 구역에, 설치된다.
도 3은, 공기가 (상측 개구로부터 들어와서) 반경 방향으로 진입하며 그리고 노즐들(7)이 (벨마우스(6)에 대해 반경 방향 반대편의) 내부 레디얼 볼류트(internal radial volute) 상에 설치되는, 연소 가스 터빈 엔진의 입구 부분을 도시한다. 노즐들은, 세척 유체가, 세척 작업 도중에, 로터가 1)오프라인 세척의 경우에 엔진 시동기에 의해 구동되어 저속에서 회전한다는, 또는 로터가 2) 온라인 세척의 경우에 최대 하중에서 회전한다는 사실 덕분에, 기계의 출구를 향해 압축기를 통해 이동하도록 그리고 오염물질을 세척하도록, 압축기에 진입하고 관통할 수 있는, 그리한 방식으로 위치하게 된다.
도 1은, 압축기(3)의 입구에 위치하게 되는 제1 기계적 진동 검출기(11), 압축기(3)의 출구에 위치하게 되는 제2 기계적 진동 검출기(12), 터빈(5)의 입구에 위치하게 되는 제3 기계적 진동 검출기(13), 및 출구를 통과하는 입자들을 측정하는, 터빈(5)의 출구 또는 배기구에, 즉 엔진(100)의 출구에, 위치하게 되는 입자 검출기(21)를 개략적으로 도시한다.
전자 모니터링 유닛(50)이, 진동 검출기들(11, 12, 13) 및 입자 검출기(21)에 전기적으로 또는 전자기적으로 연결되며 그리고 이러한 검출기들에 의해 생성되는 신호들을 취득하고 처리하도록 배열된다. 도 1에서, 연결들은 유선 연결되며; 어떤 식으로든, 대안적으로, 연결들 중 하나 이상 또는 모두가 무선 연결이거나 또는 유선 연결과 무선 연결의 조합일 수 있을 것이다.
연소 가스 터빈 엔진(100)은, 예를 들어, "시동", "정지", "크랭크", "부하", "입구 블리브 가열", "("오프라인 세척" 및 "온라인 세척"으로 분할될 수 있는) 세척"과 같은, 복수의 작동 모드를 갖는다.
회전할 때, 터보기계 내에서, 예를 들어, 도 1의 연소 가스 터빈 엔진(100) 내에서, 회전 부품과 고정 부품 사이의 마찰을 모니터링하기 위해, 본질적으로 뒤따르는 2개의 단계가 수행된다:
A) 터보기계의 적어도 하나의 지점에서 기계적 진동을 측정하는 단계, 및
B) 터보기계의 유동 경로의 적어도 하나의 섹션을 통과하는 파편을 측정하는 단계.
진동 측정값은, (주로) 마찰의 존재를 추정하기 위해 유닛(50)에 의해 사용되며, 그리고 파편 측정값은, (주로) 마찰의 심각성을 추정하기 위해 유닛(50)에 의해 사용되고; 검출되는 입자의 단위 시간(예를 들어 초 당 또는 분 당) 이내의 양이, 일어나는 마찰의 정도에 관련되는 것으로 고려된다. 마찰 존재는 진동 측정값 및 파편 측정값 모두를 사용하여 추정될 수 있다는 것을; 달리 표현하면, 파편 측정값은 또한 마찰의 존재를 추정하기 위해 유닛(50)에 의해 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다.
단계 A가, 일반적으로 "흔들림"으로 지칭되는 전형적으로 0 Hz 내지 100 kHz 사이의 제1 진동수 범위 이내의, 및/또는 일반적으로 "음향 방출"로 지칭되는 전형적으로 100 Hz 내지 200 MHz 사이의 제2 진동수 범위 이내의, 진동들을 고려할 수 있을 것이다. 제1 범위 이내의 진동들을 검출하는데 적합한 장치들은 일반적으로 "가속도 센서"로 지칭되며; 제2 범위 이내의 진동들을 검출하는데 적합한 장치들은 일반적으로 "음향 센서" 또는 "음향 방출 센서"로 지칭된다.
단계 B가, 예를 들어 "정전 용량 센서"를 통해 수행된다.
도 1의 실시예에서와 같이, 유리하게, 기계적 진동들이 터보기계의 한 세트의 지점에서 측정될 수 있을 것이다.
동시에 그리고 상이한 지점들에서 수행되는 복수의 진동 측정을 구비하는 것은 또한, 마찰의 위치를 추정하는 것을 허용할 수 있으며; 이는 유닛(50)에 의한 적절한 처리를 요구한다.
도 1의 실시예에서와 같이, 입자들을 검출하기에 유리한 장소가 터보기계의 출구이며; 이러한 방식으로, 터보기계의 작동 도중에 생성되는 임의의 가능한 파편이 측정되기 쉽다.
터보기계의 유동 경로의 한 세트의 섹션(예를 들어 2개 또는 3개)을 통과하는 파편을 측정하는 것이 가능하다. 예를 들어, 도 1의 실시예에서, 제1 입자 검출기가 압축기(3)의 입구에 위치하게 될 수 있으며 그리고 터보기계로 진입하는 입자들을 검출할 수 있고, 제2 입자 검출기가 압축기(3)의 출구에 위치하게 될 수 있으며 그리고 압축기 내부에서의 마찰로 인한 입자들을 검출할 수 있으며, 제3 입자 검출기가 터빈(5)의 출구 또는 배기구에 위치하게 될 수 있으며(제3 입자 검출기는 검출기(21)에 대응함) 그리고 터빈 내부에서의 마찰로 인한 입자들을 검출할 수 있을 것이다.
이미 설명된 바와 같이, 마찰 심각성 추정은, 마찰 존재 추정이 긍정인 경우 수행되며; 이는 다른 이유로 인한 입자들이 잘못 고려되는 것을 방지한다.
마찰에 대한 신뢰할 수 있는 그리고 의미 있는 모니터링을 달성하기 위해, 터보기계의 작동 모드가 사전에 고려되는 것, 그리고 마찰 존재 추정 및/또는 마찰 심각성 추정이 또한 작동 모드에 기초하게 되는 것이 바람직하다. 실제로, 일부 작동 모드에서, 마찰이 더욱 일어나기 쉬우며 그리고 어느 정도까지 예상되고; 다른 작동 모드에서, 마찰이 전혀 일어나지 않을 것이다. 예를 들어, 마찰 존재 추정 및/또는 마찰 심각성 추정은 또한, 하나 이상의 측정된 물리 량과 현재 작동 모드에 관련되는 하나 이상의 기준선 사이의 비교에 기초하게 될 수 있으며; 기준선은 터보기계 상에서의 시험들 및/또는 터보기계의 시뮬레이션들에 기초하여 결정될 것이다.
터보기계의, 특히 마찰을 야기하기 더욱 쉬운 도 1의 엔진과 유사한 연소 가스 터빈 엔진의, 작동 모드들 중 하나는, 특히 세정 물질(흔히 액체 물질, 전형적으로 물)의 고 질량 유동을 동반하여 수행될 때의, 온라인 세척 작동 모드이다.
본 발명의 특히 유리한 적용에 따르면, 압축기의 입구에서의 액체-대-기체 비율이 압축기의 질량 유량에 대해 1%를 초과하며 그리고 5% 미만(즉, "고-유동")이 되도록(이러한 결과를 취득하기 위해, 세정 액체 물질은 0.2 MPa 초과의 그리고 2.0 MPa 미만의 압력으로 분사될 수 있을 것이다), 세정 액체 물질이 분사될 때, 마찰이 연소 가스 터빈 엔진 내에서 모니터링된다.
마찰 모니터링은, 예를 들어 단지 세척 도중에 또는 예를 들어 단지 온라인 세척 도중에 또는 예를 들어 단지 고-유동 온라인 세척 도중에, 수행될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 마찰을 모니터링하기 위한 장치는, 하나 이상의 기계적 진동 검출기, 하나 이상의 입자 검출기, 및 전자 모니터링 유닛을 포함한다.
전자 모니터링 유닛은, 예를 들어, PC 또는 PC와 하나 이상의 데이터 취득 보드의 조합일 수 있으며; PC는 터보기계에 가깝게 놓이거나 멀리 놓일 수 있을 것이다.
그러한 마찰 모니터링 장치는, 터보기계에 통합될 수 있을 것이다.
그러한 마찰 모니터링 장치는, 다양한 종류의 모니터링을 처리하는 모니터링 장비의 일부분일 수 있으며; 예를 들어 진동 센서들이 마찰과 상이한 이유들로 인한 진동을 모니터링하기 위해 사용될 수 있을 것이다.
도 4는 도 1의 전자 모니터링 유닛(50)에 의해 수행되는 작업들에 대응하는 예시적인 그리고 단순화된 흐름도들이다.
도 4a는 데이터 취득 및 저장에 관련되며 그리고 도 4b는 데이터 사용 및 처리에 관련된다. 이러한 2개의 세트의 작업들은 전형적으로, 유닛(50)에 의해 동시에 수행되고; 예를 들어, 데이터 취득 및 저장 작업이 하나 이상의 데이터 취득 보드에 의해 수행되며 그리고 데이터 사용 및 처리 작업이 PC에 의해 수행될 수 있을 것이다.
도 4a의 흐름도에, 뒤따르는 단계들이 도시된다:
- 단계 401: 데이터 취득 및 저장 시작,
- 단계 402: 기준선 데이터 저장 - 이는 전형적으로 마찰이 없는 것으로 가정되는 상태에서 터보기계의 각각의 작동 모드에 대해 수행됨,
- 단계 403: 현재 작동 모드 데이터 취득,
- 단계 404: 현재 작동 모드 데이터 저장,
- 단계 405: 현재 진동 데이터 취득,
- 단계 406: 현재 진동 데이터 저장,
- 단계 407: 현재 통과 입자 데이터 취득,
- 단계 408: 현재 통과 입자 데이터 저장,
- 단계 409: 모니터링-종료 명령 체크, "예"인 경우 단계 410으로 진행, "아니오"인 경우 단계 403으로 진행,
- 단계 410: 데이터 취득 및 저장의 종료.
도 4b의 흐름도에, 뒤따르는 단계들이 도시된다:
- 단계 451: 데이터 사용 및 처리 시작,
- 단계 452: 현재 진동 데이터 분석 및 현재 작동 모드의 대응하는 기준선 또는 기준선들과 비교,
- 단계 453: 비교 체크, 데이터가 기준선(들)에 가까우면 추정은 "마찰 없음"이며 그리고 단계 458로 진행, 그렇지 않으면 단계 454로 진행,
- 단계 454: 현재 통과 입자 데이터 분석 및 현재 작동 모드의 대응하는 기준선 또는 기준선들과 비교,
- 단계 455: 비교 체크, 데이터가 기준선(들)에 가까우면 추정은 "저 마찰"/"가벼운 마찰"이며 그리고 단계 458로 진행, 그렇지 않으면 단계 456으로 진행,
- 단계 456: 현재 통과 입자들 및 대응하는 기준선(들) 처리 및 "중간 마찰" 또는 "고 마찰"/"무거운 마찰"이 존재하는지 추정, 추정이 현장 작업자 또는 원격 작업자에게 (음성 및/또는 영상을 통해) 전달될 수 있으며, "고 마찰"의 경우, 안전성 측정이 자동적으로 취해질 수 있음,
- 단계 457: 현재 진동 데이터 및 아마도 현재 통과 입자 데이터 처리 및 터보기계 내부에서 마찰의 위치를 확인, 위치 확인은 현장 작업자 또는 원격 작업자에게 디스플레이될 수 있음,
- 단계 458: 모니터링-종료 명령 체크, "예"인 경우 단계 459로 진행, "아니오"인 경우 단계 452로 진행,
- 단계 469: 데이터 사용 및 처리의 종료.

Claims (10)

  1. 회전 터보기계(100) 내에서 회전 부품과 고정 부품 사이의 마찰을 모니터링하는 방법으로서:
    A) 상기 터보기계의 적어도 하나의 지점(11, 12, 13)에서 기계적 진동을 측정하는 단계, 및
    B) 상기 터보기계의 유동 경로(21)의 적어도 하나의 섹션을 통과하는 파편을 측정하는 단계
    를 포함하며,
    진동 측정값은 마찰의 존재를 추정하기 위해 사용되며; 그리고
    파편 측정값은 마찰의 심각성을 추정하기 위해 사용되는 것인, 마찰 모니터링 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    기계적 진동들은 상기 터보기계(100)의 한 세트의 지점들(11, 12, 13)에서 측정되며, 상기 세트의 지점들에서의 진동 측정값들은 마찰의 위치를 추정하기 위해 사용되는 것인, 마찰 모니터링 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    파편은 상기 터보기계(100)의 출구(21)에서 측정되는 것인, 마찰 모니터링 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    마찰 심각성 추정은, 마찰 존재 추정이 긍정인 경우, 수행되는 것인, 마찰 모니터링 방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터보기계의 작동 모드가 사전에 고려되며, 그리고 마찰 존재 추정 및/또는 마찰 심각성 추정이 또한 상기 작동 모드에 기초하게 되는 것인, 마찰 모니터링 방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터보기계는, 특히 세정 물질의 고 질량 유동을 동반하는, 온라인 세척 작동 모드에 놓이는 것인, 마찰 모니터링 방법.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터보기계는 연소 가스 터빈 엔진인 것인, 마찰 모니터링 방법.
  8. 회전 터보기계 내에서 회전 부품과 고정 부품 사이의 마찰을 모니터링하기 위한 장치로서,
    - 적어도 하나의 기계적 진동 검출기(11, 12, 13),
    - 적어도 하나의 입자 검출기(21), 및
    - 상기 적어도 하나의 진동 검출기(11, 12, 13) 및 상기 적어도 하나의 입자 검출기(21)에 전기적으로 또는 전자기적으로 연결되며 그리고 상기 적어도 하나의 진동 검출기 및 상기 적어도 하나의 입자 검출기에 의해 생성되는 신호들을 취득하고 처리하도록 배열되는, 전자 모니터링 유닛(50)
    을 포함하는 것인, 마찰 모니터링 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 전자 모니터링 유닛(50)에 전기적으로 또는 전자기적으로 연결되는 한 세트의 진동 검출기(11, 12, 13)를 포함하는 것인, 마찰 모니터링 장치.
  10. 터보기계(100)로서,
    제 8항 또는 제 9항에 따른, 회전할 때 터보기계(100) 내에서 회전 부품과 고정 부품 사이의 마찰을 모니터링하는 장치(11, 12, 13, 21, 50)를 포함하는 것인, 터보기계.
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