KR20190119711A - 블레이드의 변형 여부를 판별하는 방법, 이를 위한 압축기 및 상기 압축기를 포함하는 가스터빈 - Google Patents

블레이드의 변형 여부를 판별하는 방법, 이를 위한 압축기 및 상기 압축기를 포함하는 가스터빈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 압축기 및 가스터빈에 관한 것으로, 구체적으로는 압축기의 블레이드의 변형 여부를 판별하는 방법과 이러한 방법을 수행할 수 있는 구조를 갖춘 압축기, 그리고 이러한 압축기를 포함하는 가스터빈에 관한 것이다.

Description

블레이드의 변형 여부를 판별하는 방법, 이를 위한 압축기 및 상기 압축기를 포함하는 가스터빈 {A METHOD AND A COMPRESSOR FOR DETERMINING DEFORMATION OF BLADES AND A GAS TURBINE COMPRISING THE COMPRESSOR}
본 발명은 압축기 및 가스터빈에 관한 것으로, 구체적으로는 압축기의 블레이드의 변형 여부를 판별하는 방법과 이러한 방법을 수행할 수 있는 구조를 갖춘 압축기, 그리고 이러한 압축기를 포함하는 가스터빈에 관한 것이다.
가스터빈장치는 대용량의 전력을 제공할 수 있음과 동시에 배기가스를 적게 배출할 수 있고, 나아가 성능을 비교적 안정적으로 유지할 수 있다는 점에서 오늘날 많은 분야에서의 전력 시스템으로 활용되고 있다. 가스터빈장치는 압축기부에서 고압으로 압축된 공기에 연료를 혼합하여 연소시키고, 이에 따라 발생하는 고온/고압 가스를 이용하여 블레이드 및 로터, 즉 터빈을 회전시킴으로써 에너지를 얻게 되는데, 이 때 특히 블레이드는 높은 온도 및 높은 압력을 견뎌야 하므로 일반적으로 이를 극복할 수 있는 복합재로 제작하게 된다.
한편, 높은 온도 및 압력을 견딜 수 있도록 제작을 하였음에도 불구하고, 압축기 내 블레이드는 사용 기간에 따라 크랙이 발생하거나 뒤틀림 등이 발생하는 등의 이유로 변형이 생길 수 있는데, 이렇게 블레이드에 변형이 생기는 경우 압축기, 더 나아가 가스터빈장치의 효율이 떨어지거나 그 외에 블레이드 변형에 따라 다른 구성품들의 고장을 야기하는 등 부가적인 문제점이 발생할 염려가 있다.
본 발명은 이러한 문제를 예방하고 특히 변형이 생긴 블레이드를 조기에 교체할 수 있게 하기 위해 블레이드의 변형 여부를 판별하는 방법 및 이러한 방법의 수행이 가능한 압축기를 제안한다.
본 발명은 이와 같은 문제점에 착안하여 도출된 것이며, 이상에서 살핀 기술적 문제점을 해소시킬 수 있음은 물론, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 발명할 수 없는 추가적인 기술요소들을 제공하기 위한 것이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1365573호(2014.02.21.공고)
본 발명은 압축기 내 블레이드의 구동상태를 모니터링하되, 특히 블레이드의 리딩 엣지 및 트레일링 엣지의 회전 시간을 측정하고, 측정된 회전 시간의 차이로부터 블레이드에 변형이 발생하였는지 여부를 판별하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 블레이드의 리딩 엣지 및 트레일링 엣지의 회전 시간을 측정하기 위한 팁 센서부를 각각 구비시킴으로써 빠르게 회전하는 블레이드의 리딩 엣지 또는 트레일링 엣지를 오차 없이 정확하게 감지할 수 있게 하고, 이로부터 정확한 회전 시간을 측정해 내는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 구동 중인 상기 블레이드를 모니터링하되, 상기 블레이드를 위에서 바라본 형상 이미지를 획득하고, 이렇게 획득된 형상 이미지를 미리 저장된 레퍼런스 이미지와 비교함으로써 상기 블레이드의 변형 여부를 판별하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명에 따른 압축기는, 회전축을 중심으로 회전하는 로터; 상기 로터의 둘레를 따라 형성되는 복수개의 블레이드; 상기 블레이드의 구동태양을 모니터링하는 모니터링부; 및 상기 모니터링부로부터 모니터링 정보를 수신하고, 상기 모니터링 정보를 기초로 상기 블레이드의 변형 여부를 판별하는 제어부;를 포함한다.
한편, 상기 압축기에 있어서, 상기 모니터링부는, 상기 블레이드의 트레일링 엣지(trailing edge) 및 리딩 엣지(leading edge) 가 통과하는 시점을 감지하고, 감지된 시점의 감지시각을 획득하며, 상기 제어부는, 상기 모니터링부로부터 상기 트레일링 엣지 및 리딩 엣지의 감지시각을 수신하고, 상기 트레일링 엣지의 감지시각 및 상기 리딩 엣지의 감지시각을 기초로 상기 블레이드의 변형 여부를 판별할 수 있다.
또한, 상기 압축기에 있어서 상기 모니터링부는, 상기 블레이드의 리딩 엣지가 통과하는 시점을 감지하고, 감지된 시점의 제1감지시각을 획득하는 제1 팁 센서부; 및 상기 블레이드의 트레일링 엣지가 통과하는 시점을 감지하고, 감지된 시점의 제2감지시각을 획득하는 제2 팁 센서부;를 포함할 수 있다.
또한 이 때, 상기 제1 팁 센서부는 상기 리딩 엣지와 대향하는 위치에 구비되고, 상기 제2 팁 센서부는 상기 트레일링 엣지와 대향하는 위치에 구비될 수 있다.
또한, 상기 압축기에 있어서 상기 제어부는, 상기 제1감지시각과 제2 감지시각의 시간차, 상기 로터의 회전 속도, 및 기 설정된 너비값을 이용하여 상기 블레이드의 추정코드길이를 연산할 수 있다.
또한 이 때, 상기 제어부는 상기 블레이드의 추정코드길이 값이 기 설정된 범위를 벗어났는지 여부에 따라 상기 블레이드의 변형 여부를 판별할 수 있다.
또한, 상기 압축기는 레퍼런스 데이터를 저장하는 저장부;를 더 포함할 수 있고, 이 때 제어부는 상기 블레이드의 추정코드길이를 상기 레퍼런스 데이터와 비교하여 상기 블레이드의 변형 여부를 판별하도록 구현할 수도 있다.
한편, 상기 압축기에 있어서 상기 모니터링부는, 상기 블레이드의 간극값을 더 측정하고, 상기 제어부는, 상기 측정된 간극값이 기 설정된 범위를 벗어났는지 여부를 더 판단하여 상기 블레이드의 변형 여부를 판별할 수도 있다.
한편, 또 다른 실시예에 따른 압축기에 있어서, 상기 모니터링부는, 상기 블레이드의 형상 이미지를 획득하고, 상기 제어부는, 상기 모니터링부로부터 상기 블레이드의 형상 이미지를 수신하고, 수신한 형상 이미지로부터 상기 블레이드의 변형 여부를 판별할 수 있다.
이 때, 상기 모니터링부는 상기 블레이드의 외주와 임의의 간격만큼 이격된 베인 캐리어에 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 압축기에 있어서, 상기 제어부는 상기 형상 이미지로부터 상기 리딩 엣지와 상기 트레일링 엣지를 연결한 캠버라인을 추출할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스터빈은, 외부로부터 유입되는 공기를 압축하는 압축기; 상기 압축기에서 압축된 공기에 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기; 및 상기 연소기에서의 연소에 의해 회전동력을 생성하는 터빈;을 포함하고, 상기 압축기는, 회전축을 중심으로 회전하는 로터, 상기 로터의 둘레를 따라 형성되는 복수개의 블레이드. 상기 블레이드의 구동태양을 모니터링하는 모니터링부, 및 상기 모니터링부로부터 모니터링 정보를 수신하고 상기 모니터링 정보를 기초로 상기 블레이드의 변형 여부를 판별하는 제어부를 포함한다.
또한 상기 가스터빈에 있어서 상기 압축기의 모니터링부는, 상기 블레이드의 트레일링 엣지 및 리딩 엣지가 통과하는 시점을 감지하고, 감지된 시점의 감지시각정보를 획득하며, 상기 제어부는, 상기 모니터링부로부터 상기 트레일링 엣지 및 리딩 엣지의 감지시각을 수신하고, 상기 트레일링 엣지의 감지시각 및 상기 리딩 엣지의 감지시각을 기초로 상기 블레이드의 변형 여부를 판별할 수 있다.
또한 상기 가스터빈에 있어서 상기 모니터링부는, 구동 중인 상기 블레이드의 형상 이미지를 획득하고, 상기 제어부는, 상기 모니터링부로부터 상기 블레이드의 형상 이미지를 수신하고, 수신한 형상 이미지로부터 상기 블레이드의 변형 여부를 판별할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 블레이드 변형 여부를 판별하는 방법은, (a) 상기 블레이드의 구동태양을 모니터링하고, 상기 블레이드의 구동태양에 대한 모니터링 정보를 획득하는 단계; (b) 상기 모니터링 정보를 이용하여 상기 블레이드의 변형 여부를 판별하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 블레이드 변형 여부를 판별하는 방법에 있어서 상기 (a)단계는, 상기 블레이드의 트레일링 엣지 및 리딩 엣지가 통과하는 시점을 감지하고, 각각 감지된 시점의 감지시각을 획득하는 단계이고, 상기 (b)단계는, 상기 트레일링 엣지의 감지시각 및 상기 리딩 엣지의 감지시각을 이용하여 상기 블레이드의 변형 여부를 판별하는 단계로 구현할 수 있다.
또한, 상기 블레이드 변형 여부를 판별하는 방법에 있어서 상기 (b) 단계는 상기 트레일링 엣지의 감지시각과 상기 리딩 엣지의 감지시각 간 시간차를 연산하는 (b-1)단계; 상기 시간차, 로터의 회전 속도, 및 기 설정된 너비값을 이용하여 상기 블레이드의 추정코드길이를 연산하는 (b-2)단계; 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 블레이드 변형 여부를 판별하는 방법에 있어서 상기 (b)단계는, 상기 블레이드의 추정코드길이 값이 기 설정된 범위를 벗어났는지 여부에 따라 상기 블레이드의 변형 여부를 판별하는 (b-3)단계;를 더 포함하거나 또는 상기 블레이드의 추정코드길이 값과 기 저장된 레퍼런스 데이터 간 비교 결과를 기초로 상기 블레이드의 변형 여부를 판별하는 (b-4)단계;를 더 포함할 수 있다.
한편, 또 다른 실시예에 따른 블레이드 변형 여부를 판별하는 방법에 있어서, 상기 (a)단계는, 회전하는 블레이드의 형상 이미지를 촬영하는 단계일 수 있으며, 상기 (b)단계는, 상기 블레이드의 형상 이미지를 미리 저장된 레퍼런스 데이터와 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 블레이드의 변형 여부를 결정하는 단계;로 구현할 수 있다.
본 발명에 따르면 모니터링부, 더 구체적으로는 팁 센서부를 이용해 엣지들의 회전 시간이라는 간단한 수치 데이터만을 활용하여 블레이드의 변형 여부를 비교적 정확하게 판단할 수 있게 된다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 엣지들의 회전 시간을 블레이드 변형 여부 판단에 활용하는 것에서 더 나아가 블레이드의 형상 이미지를 레퍼런스 데이터와 비교함으로써 블레이드 변형 여부에 대한 보다 더 정확한 판단을 할 수 있게 된다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해 될 수 있을 것이다.
도 1및 도 2는 본 발명에서 설명하고자 하는 가스터빈장치의 내부를 도시한 것으로, 도 1은 가스터빈장치의 전반적인 구조를, 도 2는 압축기 부분을 확대하여 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 압축기의 세부구성을 도시한 것이다.
도 4는 블레이드의 리딩 엣지 및 트레일링 엣지의 감지시각을 측정하는 모습을 도시한 것이다.
도 5는 리딩 엣지 및 트레일링 엣지가 감지된 시각 간 시간 차이로부터 산출된 블레이드의 코드 길이와 미리 저장된 레퍼런스 데이터, 즉 미리 저장된 정상 상태 블레이드의 코드 길이를 비교하는 모습을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압축기의 세부구성을 도시한 것이다.
도 7은 모니터링부가 블레이드의 형상 이미지를 획득하는 모습을 도시한 것이다.
도 8은 획득한 형상 이미지를 레퍼런스 데이터, 즉 레퍼런스 이미지와 비교하는 모습을 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다.
또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
명세서에서 사용되는 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은 언급된 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
먼저 도 1 및 도 2를 참조하여 가스터빈장치 및 압축기의 개략적인 구조에 대해 살펴본다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 가스터빈장치(1000)는 압축기(1100), 연소기(1200), 및 터빈(1300)을 포함한다. 압축기(1100)는 외부 공기를 흡입하여 압축하고, 연소기(1200)는 압축기(1100)에서 압축된 공기에 연료를 혼합해 연소시키며, 터빈(1300)은 연소기(1200)로부터 배출되는 연소 가스에 의해 회전하게 된다.
도 2를 참조할 때, 압축기(1100)는 로터 디스크(1110), 센터 타이로드(1120), 블레이드(1130), 베인(vane; 1140), 및 하우징(1150)을 포함한다.
로터 디스크(1110)는 그 외주면 상에 블레이드(1130)가 형성되고, 센터 타이로드(1120)의 회전에 따라 회전하여 블레이드(1130)를 회전시킨다. 한편, 도면 2에서도 볼 수 있듯 로터 디스크(1110)는 복수개 일 수 있다.
복수개로 형성된 로터 디스크(1110)들은 하나의 센터 타이로드(1120)에 의해 축 방향으로 이격되지 않도록 체결된다. 각각의 로터 디스크(1110)들은 센터 타이로드(1120)에 의해 관통된 상태로 축 방향을 따라서 정렬된다. 로터 디스크(1110)의 외주부에는 복수 개의 돌기(미도시)가 형성될 수 있고, 인접한 로터 디스크(1110)와 함께 회전하도록 결합되는 플랜지(1111)가 형성될 수 있다.
한편, 복수 개의 로터 디스크(1110) 중 적어도 어느 하나에는 압축 공기 공급 유로가 형성될 수 있다. 압축 공기 공급 유로를 통해 블레이드(1130)에 의해 압축된 압축 공기가 터빈(1300) 측으로 이동되어 터빈 블레이드를 냉각시킬 수 있다.
센터 타이로드(1120)는 로터 디스크(1110)를 관통하여 정렬한다. 센터 타이로드(1120)는 터빈(1300)에서 발생된 토크를 전달 받아서 로터 디스크(1110)를 회전시킨다. 이를 위해 압축기(1100)와 터빈(1300) 사이에는 터빈(1300)에서 발생된 회전 토크를 압축기(1100)로 전달하는 토크 전달부재로서 토크튜브(1400)가 배치될 수 있다.
센터 타이로드(1120)의 일측 단부는 최상류 측에 위치한 로터 디스크 내에 체결되고, 타측 단부는 토크튜브(1400)에 삽입된다. 센터 타이로드(1120)의 타측 단부는 토크튜브(1400) 내에서 가압너트(1121)와 체결된다. 가압너트(1121)는 토크튜브(1400)를 로터 디스크(1110) 측으로 가압하여 각각의 로터 디스크(1110)들이 기밀하게 밀착되게 한다.
블레이드(1130)는 로터 디스크(1110)의 외주면에 방사상으로 결합되는데, 이 때 블레이드(1130)는 복수 개일 수 있으며, 다단으로 형성될 수 있다. 각각의 블레이드(1130)는 로터 디스크(1110)에 체결되기 위한 도브 테일(1131)이 형성된다. 본 실시예에서는 블레이드(1130)와 로터 디스크(1110)가 도브 테일 방식으로 결합되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 다양한 방식으로 결합될 수 있음을 이해해야 할 것이다. 블레이드(1130)는 로터 디스크(1110)의 회전에 따라 회전하면서 유입된 공기를 압축하면서 압축된 공기를 후단의 베인(1140)으로 이동시킨다.
베인(1140)은 전단의 블레이드(1130)로부터 이동된 압축 공기를 후단 블레이드(1130) 측으로 가이드한다.
한편, 하우징(1150)은 압축기(1100)의 외형을 형성한다. 하우징(1150)은 내부에 로터 디스크(1110), 센터 타이로드(1120), 블레이드(1130), 베인(1140) 등을 수용한다.
하우징(1150)에는 다단의 블레이드(1130)에 의해 여러 단계로 압축된 압축 공기를 터빈(1300) 측으로 유동시켜서 터빈 블레이드를 냉각시키는 연결관이 형성될 수 있다.
이상 가스터빈장치 및 상기 가스터빈장치의 일 구성인 압축기에 대해 개략적으로 살펴보았다. 이하에서는 본 발명에 따른 압축기의 세부구성에 대해 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 압축기는 기본적으로 회전축을 중심으로 회전하는 로터, 상기 로터의 둘레를 따라 형성되는 복수개의 블레이드, 상기 블레이드의 구동태양을 모니터링하는 모니터링부, 그리고 상기 모니터링부로부터 모니터링 정보를 수신한 뒤 이를 기초로 블레이드의 변형 여부를 판별하는 제어부를 포함할 수 있으며, 후술하는 바와 같이 모니터링부와 제어부를 어떠한 방식으로 구현하는지에 따라 제1실시예, 제2실시예로 구분될 수 있다.
이하에서는 도 3 내지 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 압축기에 대해 자세하게 살펴보기로 한다.
먼저 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 압축기를 보다 확대하여 도시한 것으로, 이에 따르면 본 발명에서의 압축기는 복수 개의 로터 디스크(1110), 복수 개의 블레이드(1130), 모니터링부(3000a,b)를 포함하며, 도 3에는 도시되어 있지 않지만 블레이드의 변형 여부를 판별하는 로직을 수행하기 위한 제어부를 포함할 수 있다.
먼저, 복수 개의 로터 디스크들(1110)은 결합되어 하나의 몸체로서 로터를 구성할 수 있으며, 로터(100)는 회전축을 중심으로 회전한다.
다음으로, 상기 로터 디스크(1110)의 외주면 둘레에는 복수개의 블레이드(1130)가 형성되는데, 블레이드(1130)는 앞서도 언급되었듯 로터 디스크(1110)의 회전에 따라 같이 회전하면서 공기를 압축시키는 기능을 한다.
다음으로, 모니터링부(3000a,b)는 상기 블레이드의 엣지가 정해진 지점을 통과하는 시점을 감지하고, 그 통과 시점의 시각을 획득하는 구성이며, 나아가 블레이드의 엣지가 한 바퀴 회전하는 데에 얼마나 걸리는지를 측정할 수도 있다. 상기 모니터링부(3000a,b)는 바람직하게는 적어도 하나 이상의 팁 센서부로 구성될 수 있다. 팁 센서부는 도 3에서도 볼 수 있듯 블레이드(1130)의 팁에 대향되는 위치에 구비될 수 있으며, 더 바람직하게는, 예를 들어 블레이드 외측에 존재하는 구조물, 즉 베인 캐리어(4000) 내에 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 가스터빈장치는 특히 모니터링부를 두 개의 팁 센서부(3000a,b)로 구현한 것을 하나의 특징으로 하는데, 이 때 제1 팁 센서부는 블레이드의 트레일링 엣지(trailing edge)가, 그리고 제2 팁 센서부는 블레이드의 리딩 엣지(leading edge)가 감지된 시각을 각각 측정할 수 있다.
모니터링부를 두 개의 팁 센서부(3000a,b)로 구현할 때, 각각의 팁 센서부(3000a,b)는 통과 시점을 측정하고자 하는 엣지와 대향되도록 위치되는 것이 바람직한데, 예를 들어 제1 팁 센서부는 트레일링 엣지와 마주보는 위치에, 그리고 제2 팁 센서부는 리딩 엣지와 마주보는 위치에 구비됨이 바람직하다. 즉, 제1 팁 센서부는 회전하는 블레이드의 트레일링 엣지가 주기적으로 통과하는 지점을 감지할 수 있는 위치에, 제2 팁 센서부는 회전하는 블레이드의 리딩 엣지가 주기적으로 통과하는 지점을 감지할 수 있는 위치에 구비됨이 바람직하다.
한편, 상기 모니터링부는 앞서 언급한 베인 캐리어(400) 에 구비되는 것이 바람직하나, 상기 블레이드의 엣지들과 대향될 수 있는 위치라면 가스터빈장치 내 또는 압축기 내 어느 구조체에 구비가 되더라도 무방하다.
다음으로, 제어부는 앞서 모니터링부로부터 획득된 감지시각을 수신하고, 수신한 감지시각으로부터 미리 정해진 알고리즘에 따라 상기 블레이드의 변형 여부를 판별한다. 블레이드의 변형 여부를 판별하는 과정에 대해서는 이어지는 도 4 및 도 5에 대한 설명에서 자세히 하기로 한다.
상기 제어부는 컨트롤러(controller), 마이크로 컨트롤러(microcontroller), 마이크로 프로세서(microprocessor), 마이크로 컴퓨터(microcomputer) 등으로도 불릴 수 있다. 또한, 제어부는 하드웨어(hardware) 또는 펌웨어(firmware), 소프트웨어, 또는 이들의 결합에 의해 구현될 수 있는데, 하드웨어를 이용하여 구현하는 경우에는 ASIC(application specific integrated circuit) 또는 DSP(digital signal processor), DSPD(digital signal processing device), PLD(programmable logic device), FPGA(field programmable gate array) 등으로, 펌웨어나 소프트웨어를 이용하여 구현하는 경우에는 위와 같은 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차 또는 함수 등을 포함하도록 펌웨어나 소프트웨어가 구성될 수 있다.
도 4 및 도 5는 앞서 언급한 제어부가 블레이드(1130)의 변형 여부를 어떻게 판별하는지에 대한 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
먼저 도 4는 로터 디스크(1110) 및 그 외주면에 형성된 블레이드(1130)를 위에서 바라보았을 때의 평면도를 도시한 것이다. 참고로, 발명의 이해를 돕기 위해 팁 센서부들(3000a, 3000b)는 도면 좌측에 도시하였으나, 상기 팁 센서부들(3000a, 3000b)은 전술하였듯 상기 블레이드의 리딩 엣지(2100), 트레일링 엣지(2200)와 대향하여 구비되어 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 4는 블레이드 변형 여부를 판별할 때에 블레이드의 추정 코드길이(estimated chord length; Lchord)를 활용하는 실시예를 설명하기 위한 도면으로, 도 4에는 팁 센서부들(3000a,b)에 의해 획득된 감지시각들을 이용하여 블레이드의 코드 길이를 추정하는 과정을 설명하기 위한 것이다.
도 4를 참조할 때, 제1 팁 센서부(3000a)가 리딩 엣지(2100)를 감지한 시각 (t1)을 측정하고, 제2 팁 센서부(3000b)가 트레일링 엣지(2200)를 감지한 시각(t2)을 측정한다고 가정할 때, 리딩 엣지(2100)와 트레일링 엣지(2200)는 블레이드의 만곡 정도, 그리고 블레이드가 형성된 기울기 정도에 따라 시간 차이(Δt)를 두고 정해진 위치를 통과하게 되는데, 리딩 엣지(2100)를 감지한 시각(t1)과 트레일링 엣지(2200)를 감지한 시각(t2) 간 시간차(Δt)에 로터의 회전 속도(Vrotor )를 곱하는 경우 도 4에서와 같이 트레일링 엣지에 접하는 수평선과 리딩 엣지에 접하는 수평선 사이의 거리, 즉 높이(h)를 구할 수 있다. 한편, 높이(h)를 구한 후, 너비(w)를 알면 블레이드의 코드길이를 추정할 수 있는데, 이 때 너비(w)는 로터 디스크(1110)의 스펙에 따라 정해진 값이므로 이들 값들로부터 상기 블레이드의 추정코드길이(Lchord) 값을 구할 수 있다. 참고로 상기 로터의 회전 속도(Vrotor)는 각속도 값을 활용할 수도 있겠으나, 본 실시예에서는 발명의 이해를 돕기 위해 선형에서의 속도로 가정하기로 한다.
한편, 도 4에서와 같은 과정을 거쳐 연산된 추정코드길이(Lchord)는 실제 블레이드(1130)에 변형이 일어났는지 여부를 판별하는 데에 활용될 수 있다. 구체적으로, 제어부는 상기 추정코드길이(Lchord)가 기 설정된 범위 값을 벗어난 경우 이를 블레이드(1130)의 변형이 일어난 것으로 판별할 수 있으며, 또는 상기 추정코드길이(Lchord)를 미리 저장되어 있던 레퍼런스 데이터, 즉 정상상태의 블레이드 코드길이와 비교해 봄으로써 블레이드(1130)에 변형이 일어났는지 여부를 판별할 수 있다.
도 5는 제어부가 앞서 도 4에서 연산한 추정코드길이(Lchord)를 미리 저장되어 있던 레퍼런스 데이터와 비교하는 모습을 도시한 것이다. 참고로 도 5는 이해를 돕기 위해 캠버라인과 코드길이를 함께 표시하였다.
도 5를 참조할 때, 본 발명에 따른 가스터빈장치 내 저장부에는 도면부호 510과 같이 정상상태일 때의 블레이드 코드길이가 레퍼런스 데이터로서 저장될 수 있으며, 제어부는 앞서 연산한 추정코드길이(520)를 상기 레퍼런스 데이터와 비교해 봄으로써 블레이드(1130)의 변형 여부를 판별할 수 있다. 한편, 가스터빈장치 내 저장부는 ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), 플래쉬(flash) 메모리, SRAM(Static RAM), HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Drive) 등으로 구현될 수 있다.
도 5의 도면부호 520은 블레이드에 변형이 일어났음을 가정한 상태의 캠버라인 및 추정코드길이를 도시한 것으로, 이에 따르면 해당 블레이드는 변형에 의해 리딩 엣지 및 트레일링 엣지의 위치가 어긋나 있음과 동시에 이에 따라 추정코드길이 역시 레퍼런스 데이터와 다름을 쉽게 확인할 수 있다.
이상 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 압축기의 제1실시예에 대해 살펴보았다. 이하에서는 도 6 내지 8을 참조하여 압축기의 제2실시예에 대해 알아보기로 한다.
도 6은 본 발명에 따른 또 다른 압축기 부분을 확대하여 도시한 것으로, 이에 의하면 압축기는 로터 디스크(1110), 복수 개의 블레이드(1130), 모니터링부(3000c)를 포함하며, 도 6에는 도시되어 있지 않지만 블레이드의 변형 여부를 판별하는 로직을 수행할 수 있는 제어부를 더 포함할 수 있다. 이 중 로터 디스크(1110), 블레이드(1130)에 대해서는 앞선 실시예에서의 설명을 참조하기로 하며, 본 실시예에서는 모니터링부(3000c) 및 제어부의 기능에 대해 자세히 살펴보기로 한다.
모니터링부(3000c)는 회전하는 블레이드(1130)의 형상 이미지를 획득하는 구성으로, 구체적으로는 상기 블레이드(1130)가 회전할 때 블레이드(1130)의 통과 시점을 감지하고, 해당 순간 상기 블레이드(1130)의 평면 형상 이미지를 획득하는 구성이다. 이 때 상기 모니터링부(3000c)는 블레이드의 팁과 대향되는 위치에 구비될 것을 전제로 하며, 바람직하게는 도 6에서와 같이 베인 캐리어(4000) 내에 구비될 수 있다. 도 7은 모니터링부(3000c)가 블레이드(1130)의 평면 형상 이미지를 획득하는 모습을 도시한 것이다. 참고로, 발명의 이해를 돕기 위해 모니터링부(3000c)는 도면 좌측에 도시하였으나, 상기 모니터링부(3000c)는 상기 블레이드의 평면 형상 이미지를 효과적으로 획득할 수 있게 하기 위해 블레이드의 팁과 대향하여 구비되어 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
상기 모니터링부(3000c)에 의해 블레이드의 평면 형상 이미지가 획득된 이후, 제어부는 앞서 획득한 형상 이미지를 블레이드(1130)의 변형 여부를 판별하는 데에 이용할 수 있다. 예를 들어, 제어부는 상기 형상 이미지를 미리 저장되어 있던 레퍼런스 데이터, 즉 정상상태의 블레이드 형상 이미지와 비교해 봄으로써 블레이드에 변형이 일어났는지 여부를 판별할 수 있다. 이 때, 상기 제어부는 상기 형상 이미지 내 블레이드의 외곽선만을 트레이싱(tracing) 하여 추출한 선만을 상기 레퍼런스 데이터의 외곽선과 비교하는 방식, 또는 상기 형상 이미지 내 블레이드의 리딩 엣지로부터 트레일링 엣지에 이르는 캠버라인만을 추출한 뒤 이를 레퍼런스 데이터의 캠버라인과 비교하는 방식 등을 이용하여 블레이드의 변형 여부를 판별할 수 있다. 도 8은 제어부가 앞서 모니터링부(3000c)에 의해 획득된 형상 이미지로부터 캠버라인 이미지를 추출해 내고, 이를 저장부 내 저장되어 있던 레퍼런스 데이터, 즉 정상상태 블레이드의 캠버라인과 비교하는 실시예를 도시한 것이다.
이상 설명한 것과 같이 본 발명에 따른 가스터빈장치는 블레이드의 팁과 대향하는 위치에 팁 센서부, 또는 모니터링부를 구비할 수 있으며, 이들 구성으로부터 획득한 정보, 예를 들어 엣지들이 통과한 시각, 블레이드의 평면 형상 이미지 등을 활용하여 상기 블레이드의 변형 여부를 판별할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1000 가스터빈장치
1100 압축기 1110 로터 디스크 1111 플랜지
1120 센터 타이로드 1121 가압너트 1130 블레이드
1140 베인(vane) 1150 하우징
1200 연소기
1300 터빈
2100 리딩 엣지 2200 트레일링 엣지
3000a, b, c 모니터링부
4000 베인 캐리어

Claims (20)

  1. 회전축을 중심으로 회전하는 로터;
    상기 로터의 둘레를 따라 형성되는 복수개의 블레이드;
    상기 블레이드의 구동태양을 모니터링하는 모니터링부; 및
    상기 모니터링부로부터 모니터링 정보를 수신하고, 상기 모니터링 정보를 기초로 상기 블레이드의 변형 여부를 판별하는 제어부;
    를 포함하는,
    압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모니터링부는, 상기 블레이드의 트레일링 엣지(trailing edge) 및 리딩 엣지(leading edge) 가 통과하는 시점을 감지하고, 감지된 시점의 감지시각정보를 획득하며,
    상기 제어부는,
    상기 모니터링부로부터 상기 트레일링 엣지 및 리딩 엣지의 감지시각을 수신하고, 상기 트레일링 엣지의 감지시각 및 상기 리딩 엣지의 감지시각을 기초로 상기 블레이드의 변형 여부를 판별하는,
    압축기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 모니터링부는,
    상기 블레이드의 리딩 엣지가 통과하는 시점을 감지하고, 감지된 시점의 제1감지시각을 획득하는 제1 팁 센서부; 및
    상기 블레이드의 트레일링 엣지가 통과하는 시점을 감지하고, 감지된 시점의 제2감지시각을 획득하는 제2 팁 센서부;
    를 포함하는 압축기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 팁 센서부는 상기 리딩 엣지와 대향하는 위치에 구비되고,
    상기 제2 팁 센서부는 상기 트레일링 엣지와 대향하는 위치에 구비되는,
    압축기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1감지시각과 제2 감지시각의 시간차, 상기 로터의 회전 속도, 및 기 설정된 너비값을 이용하여 상기 블레이드의 추정코드길이(Estimated Chord Length)를 연산하는,
    압축기.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 블레이드의 추정코드길이 값이 기 설정된 범위를 벗어났는지 여부에 따라 상기 블레이드의 변형 여부를 판별하는,
    압축기.
  7. 제5 항에 있어서,
    레퍼런스 데이터를 저장하는 저장부;
    를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 블레이드의 추정코드길이를 상기 레퍼런스 데이터와 비교하여 상기 블레이드의 변형 여부를 판별하는,
    압축기.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 모니터링부는,
    상기 블레이드의 간극값을 더 측정하고,
    상기 제어부는, 상기 측정된 간극값이 기 설정된 범위를 벗어났는지 여부를 더 판단하여 상기 블레이드의 변형 여부를 판별하는,
    압축기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 모니터링부는,
    구동 중인 상기 블레이드의 형상 이미지를 획득하고,
    상기 제어부는,
    상기 모니터링부로부터 상기 블레이드의 형상 이미지를 수신하고, 수신한 형상 이미지로부터 상기 블레이드의 변형 여부를 판별하는,
    압축기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 모니터링부는,
    상기 블레이드의 외주와 임의의 간격만큼 이격된 베인 캐리어에 구비되는, 압축기.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 형상 이미지로부터 리딩 엣지와 트레일링 엣지를 연결한 캠버라인을 추출하는,
    압축기.
  12. 가스터빈에 있어서,
    외부로부터 유입되는 공기를 압축하는 압축기;
    상기 압축기에서 압축된 공기에 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기; 및
    상기 연소기에서의 연소에 의해 회전동력을 생성하는 터빈;
    을 포함하고,
    상기 압축기는,
    회전축을 중심으로 회전하는 로터, 상기 로터의 둘레를 따라 형성되는 복수개의 블레이드. 상기 블레이드의 구동태양을 모니터링하는 모니터링부, 및 상기 모니터링부로부터 모니터링 정보를 수신하고 상기 모니터링 정보를 기초로 상기 블레이드의 변형 여부를 판별하는 제어부를 포함하는,
    가스터빈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 압축기의 모니터링부는, 상기 블레이드의 트레일링 엣지 및 리딩 엣지가 통과하는 시점을 감지하고, 감지된 시점의 감지시각정보를 획득하며,
    상기 제어부는, 상기 모니터링부로부터 상기 트레일링 엣지 및 리딩 엣지의 감지시각을 수신하고, 상기 트레일링 엣지의 감지시각 및 상기 리딩 엣지의 감지시각을 기초로 상기 블레이드의 변형 여부를 판별하는,
    가스터빈.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 모니터링부는, 구동 중인 상기 블레이드의 형상 이미지를 획득하고,
    상기 제어부는, 상기 모니터링부로부터 상기 블레이드의 형상 이미지를 수신하고, 수신한 형상 이미지로부터 상기 블레이드의 변형 여부를 판별하는,
    가스터빈.
  15. 압축기 내 블레이드의 변형 여부를 판별하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 블레이드의 구동태양을 모니터링하고, 상기 블레이드의 구동태양에 대한 모니터링 정보를 획득하는 단계;
    (b) 상기 모니터링 정보를 이용하여 상기 블레이드의 변형 여부를 판별하는 단계;
    를 포함하는, 블레이드 변형 여부 판별 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    상기 블레이드의 트레일링 엣지 및 리딩 엣지가 통과하는 시점을 감지하고, 각각 감지된 시점의 감지시각을 획득하는 단계이고,
    상기 (b) 단계는,
    상기 트레일링 엣지의 감지시각 및 상기 리딩 엣지의 감지시각을 이용하여 상기 블레이드의 변형 여부를 판별하는 단계인,
    블레이드 변형 여부 판별 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    상기 트레일링 엣지의 감지시각과 상기 리딩 엣지의 감지시각 간 시간차를 연산하는 (b-1)단계;
    상기 시간차, 로터의 회전 속도, 및 기 설정된 너비값을 이용하여 상기 블레이드의 추정코드길이(Estimated Chord Length)를 연산하는 (b-2)단계;
    를 포함하는,
    블레이드 변형 여부 판별 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 (b)단계는,
    상기 블레이드의 추정코드길이 값이 기 설정된 범위를 벗어났는지 여부에 따라 상기 블레이드의 변형 여부를 판별하는 (b-3)단계;를 더 포함하는,
    블레이드 변형 여부 판별 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 (b)단계는,
    상기 블레이드의 추정코드길이 값과 기 저장된 레퍼런스 데이터 간 비교 결과를 기초로 상기 블레이드의 변형 여부를 판별하는 (b-4)단계;를 더 포함하는,
    블레이드 변형 여부 판별 방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 (a)단계는,
    회전하는 블레이드의 형상 이미지를 촬영하는 단계이고,
    상기 (b)단계는,
    상기 블레이드의 형상 이미지를 미리 저장된 레퍼런스 데이터와 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 블레이드의 변형 여부를 결정하는 단계인, 블레이드 변형 여부 판별 방법.
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