KR820001269B1 - 회전체와 정지체와의 러빙 검출방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

회전체와 정지체와의 러빙 검출방법

제1도는 본 발명에 의한 회전체와 정지체와의 러빙 검출방법의 1실시예를 설명하기 위한 구성도.

제2도는 본 발명에 의한 회전체와 정지체와의 러빙검출방법의 다른 실시예를 설명하기 위한 구성도이다.

본 발명은 회전체와 정지체와의 러빙(접촉)을 검출하는 방법에 관한 것이며 특히, 작동유체(作動流體)에 의해 회전하는 회전부재와, 이 작동유체가 회전부재로 부터 누설되는 것을 방지하기 위하여 회전부재에 설치된 시일과 같은 정지(靜止)부재간에 러빙이 발생한 것을 검출하는데 사용하기 가장 적합한 러빙검출 방법에 관한 것이다.

증기터빈과 같은 회전기계에 있어서는, 기계의 성능상 작동유체의 누설을 방지하는 것이 매우 중요하다.

이 작동유체의 누설을 방지하기 위하여 통상적으로는 빗살형(齒形)의 비접촉 시일법이 채용되고 있다. 이 빗살과 회전부재인 로우터의 간격이 좁으면 좁을수록 작동유체의 누설량은 적어지므로 그 간격을 좁혀주면 좋다.

그러나 터빈이 운전중인 과도상태일때 예컨대, 로우터의 회전수가 상승할때 기계의 부하라든가 운전조건의 변화등으로 인해 로우터와 빗살이 약간의 상태변위를 일으킬때 접촉하는 상태 소위, 러빙이 발생하는 경우가 있다.

또한 슬라이드 축받이 주위에 설치된 윤활제의 누설을 방지하는 방지기에 있어서도 마찬가지다.

이와 같은 회전부재와 정지부재의 접촉은, 증기터빈과 같이 고속으로 로우터가 회전하고 있는 경우에 접촉부에서 마찰열을 발생시킨다. 이 마찰열에 의해 로우터가 휘어져 결과적으로 축의 불균형이 생겨 소위, 러빙진동을 일으킨다. 이 진동은 경우에 따라서는 발산적인 대진동으로 발전할 우려가 있으므로 정지 부재와 회전부재와의 러빙발생과 러빙이 발생된 위치를 조기에 검출하여 신속하게 그에 대처해야 하는 것이다.

그 대처법으로서는 예를 들면, 회전수의 상승을 완만하게 한다든가 부하나 운전조건의 변화를 정지시켜 일정한 상태로 유지하는 등의 대책을 들 수 있다.

종래의 회전체와 정지체의 러빙을 검출방법으로서는, 러빙이 발생되리라고 예상되는 개소에 진동계를 설치하여 그 진동에 따라 러빙을 검출하는 방법에 제안되어 있다.

이 방법은 러빙에 의해 정지체에 발생되는 진동을 포착하는 것이다.

이 방법에 있어서의 문제점의 하나로서는, 정지체의 진동이 러빙에 의한 것인지아니면 기계 자체의 진동에 의한 것인지를 명확하게 구별할 수 없다는 점이다.

즉, 검지된 진동에는 정지체 자체의 고유진동수의 성분이나 증기 변화에 의한 성분이 포함되어 있기 때문에 그 진동값으로써 러빙의 유무를 검출하는 경우에는 운전자의 경험과 감각에 의존할 수 밖에 없다. 그렇지만 운전자의 판단에 의존하는 것은 신뢰성이 결여될 결점이 있다.

상기한 바와 같은 결점을 없애주기 위하여 축상의 진동을 실제로 측정하여 얻은 진동패턴과, 원인별(예컨대, 정지부와 회전부와의 러빙)로 미리 기억된 진동패턴을 비교하여 그 패턴인식의 비교결과에 의해 그 원인(예컨대, 러빙)에 대응해서 미리 기억된 처치(處置)지령신호가 선택됨에 따라 그 원인을 검출하는 방법에 제안되어 있다(일본특개소 50-80874).

그러나 이와 같은 진동패턴을 패턴인식의 수법으로서 비교하는 방법은, 2개의 진동패턴이 어느정도 일치했을때 그 원인(러빙)이 발생되어 있다고 판정해야 할지 애매한 점이 있다.

따라서 검출된 정밀도에 분산이 발생한다는 결점은 피할 수 없다.

또 상기의 방법은, 러빙이 발생되는 원인 판정에 관한 제안만을 하고 있으며, 실제적으로 러빙이 어느위치에서 발생되었는지의 위치표정(標定)에 관해서는 아무런 제안되 되어 있지 않다.

본 발명의 다른 목적은 회전체와 정지체의 러빙을 검출함에 있어서 신뢰할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 회전체와 정지체의 러빙을 검출함에 있어서 검출된 정밀도가 높고 또한 분산이 없는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 회전체와 정지체의 러빙을 검출함에 있어서 신속하게 러빙을 검출하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 회전체와 정지체의 러빙이 발생된 위치를 용이하게 검출할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명은 회전체와 정지체의 최소한 어느 일방의 소정된 위치에서의 진동을 실측하여 그에 의해 얻어진 2개의 실측 데이터나, 또는 1개의 실측 데이터와 소정의 참조 데이터 등에 의해 상관계수를 산출하여 그 산출된 상관계수를 소장의 상관계수값과 비교하여 그 결과에 의하여 러빙을 검출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 상관계수를 이용하여 러빙의 발생을 검출하고 있기 때문에 객관성이 있고 또한 검출된 정밀도도 높으며 분산성이 없는 이점을 얻을 수 있다.

본 발명에 의한 회전체와 정지체의 러빙을 검출하는 방법의 동작원리에 관하여 우선 설명한다.

상관계수를 조사하는 2개의 진동 데이터에 관하여 설명하면, 시각(t)에 있어서의 진동값(진동폭, 또는 속도, 또는 진동 가속도를 나타내는 값)을 각각 y,z로 할 때, 여기서 시각 영은 y,z에 관하여 임의로 취할 수 있다. 데이터의 채취 시간을 T로 했을대, y,z의 각각의 평균값(υ_y),(υ_z) 및 분산값(σ_y), (σ_z)은 아래의 (1)~(4)식으로 나타내진다.

또 y와 z의 상관계수(r)는, (5)식으로 나타내진다.

여기서, 만약 y=z라면, υy=υz, σy=σz이기 때문에 r=1이 된다.

즉, y와 z의 관계가 매우 밀접하여 동일하다면, 2개의 데이터의 상관계수를 나타내는 상관계수는 1이 된다.

반대로, 상호의 관계가 치밀하지 않으면 그만큼 상관계수(r)는 적어지고, 전혀 관계가 없어지게 되면 r=0이 된다.

또 2개의 진동데이터가 소망하는 진동성분(y,z)외에 다른 진동성분(y', z')을 포함하고 있는 경우에 있어서의 상관계수는 다음의, (5')식으로 주어진다.

이식을 전개하면 다음과 같은 식이된다.

여기서, υ_y'과 σ_y' 는 y'의 평균값과 분산값이며,

υ_z'과 σ_z' 는 z'의 평균값과 분산값이다.

상기에서 전개된, (5')식의 제2항 이하는 y와, z', y'와 z 및 y'와, z'의 각각의 사이의 상호관계가 전혀없다면 0이 된다.

따라서 검지된 진동데이터중에 소망하는 진동성분 이외의 다른 진동성분이 포함되어 있어도, 2개의 진동데이터의 상관계수를 구해줌으로써 다른 진동성분의 영향을 받지않고 소망하는 진동성분에 기인하는 진동모드의 변화가 검출된다.

러빙의 현상은 회전체와 정지체가 어떠한 원인에 의해 접촉하게 되면 발생하는 것이기 때문에 회전체와 정지체의 최소한 어느 일방의 진동을 감시함으로써 러빙의 발생이 검출된다.

이상의 동작원리를 토대로 하여 본 발명에 의한 회전체와 정지체와의 러빙을 검출하는 방법을 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.

제1도는 본 발명에 의한 회전체와 정지체와의 러빙을 검출하는 방법의 1실시예의 도면으로서 실측된 정지체의 진동데이터와, 이것과 동일한 기기에 관하여 동일한 조건으로 미리 측정된 러빙이 발생했을때의 정지체의 진동 데이타(참조 데이터)등에 의해 산출된 상관계수를 토대로 하여 러빙의 발생을 검출하는 예를 설명하기 위한 구성도이다.

제1도에 있어서, 정지체인 샤프트 패킹(17a), (17b), (17c), (17d)의 각 소정위치에 있어서의 진동을 실측하기 위하여 진동계(11a), (11b), (11c), (11d)가, 각각 대응하는 샤프트 패킹(17a), (17b), (17c), (17d)에 취부된다.

샤프트 패킹(17a), (17b), (17c), (17d)은 각각 터빈로우터(13)를 수용하는 하우징(19)과 발전기로우터(15)를 수용하는 하우징(21)에 지지되어 있다.

터빈로우터(13) 및 발전기 로우터(15)는 커플링(23)를 통하여 샤프트(25)에 의해 연결되어 있다. 샤프트(25)는 축받이(27a), (27b), (27c), (27d)에 의해 지지되어 있다.

샤프트패킹(17a), (17b), (17c), (17d)의 각 위치에서 실측된 진동데이터(y_a), (y_b), (y_c), (y_d)는 데이터의 전송라인(29a), (29b), (29c), (29d)을 거쳐 데이터 선택기(31)에 보내진다.

데이터 선택기(31)에 있어서는, 진동계(11a), (11b), (11c), (11d)로부터의 진동데이터(y_a), (y_b), (y_c), (y_d)가 이 순서로 순차 선택되어 데이터 기록기(33)에 보내진다.

데이터 기록기(33)에 있어서는, 적당한 시간(샘플링 시간 T에 의해 일시적으로 N개의 데이터가 러빙이 측정되는 위치마다 예컨대, y_ai(i=1~N), y_bi(i=1~N), y_ci(i=1~N), y_di(i=1~N)과 같이 기록된다. 이 기록된 러빙이 실측된 위치 마다의 데이터(y_ai), (y_bi), (y_ci), (y_di)는 평균값 산출기(35)와 분산 산출기(37) 및 상관계수 산출기(39)에 보내진다.

평균값 산출기(35)에 있어서는, 상기의 실측된 위치 마다의 데이터(y_ai), (y_bi), (y_ci), (y_di)를 토대로 하여 각각의 평균값(υ_ya), (υ_yb), (υ_yc), (υ_yd)이, (6)식에 의해 산출된다.

실측된 위치마다 산출된 평균값(υ_ya), (υ_yb), (υ_yc), (υ_yd)은 분산 산출기(37) 및 상관계수 산출기(39)에 보내진다.

분산 산출기(37)에 있어서는, 상기한 실측된 위치마다의 데이터(y_ai), (y_bi), (y_ci), (y_di) 및 각각의 평균값(υ_ya), (υ_yb), (υ_yc), (υ_yd)을 토대로 하여 각각의 분산(σ_ya), (σ_yb), (σ_yc), (σ_yd)식에 의해 산출된다.

산출된 분산(σ_ya), (σ_yb), (σ_yc), (σ_yd)은 상관계수 산출기(39)에 보내진다.

비교데이터 출력장치(41)에는, 참조 데이터로서 상기와 동일한 기기와 동일한 조건으로 미리 측정된 러빙 발생시의 정지체의 진동데이터(z_ai), (z_bi), (z_ci), (z_di)와 각각의 평균값(υ_za), (υ_zb), (υ_zc), (υ_zd)및 각각의 분산값(σ_za), (σ_zb), (σ_zc), (σ_zd)이 실측된 위치에 대응하여 기억되어 있다. 그들의 데이터는 상관계수 산출기(39)에 보내진다.

상관계수 산출기(39)에 있어서는, 정지체의 상기한 실측된 진동데이터(y_ai, υ_ya,σ_ya; y_bi,υ_yb, σ_yb,; y_ci, υ_yc, σ_yc; y_di, υ_yd, σ_yd)와 참조 데이터 즉, 동일한 기기에 관하여 동일한 조건으로 미리 측정된 러빙 발생시의 정지체의 진동데이터(z_ai, υ_za,σ_za; z_bi,υ_zb, σ_zb,; z_ci, υ_zc, σ_zcz_di; υ_zc, σ_zd)로서 (8)식에 의해 실측된 위치마다의 상관계수(r_a), (r_b), (r_c), (r_d)가 산출된다.

산출된 실측된 위치 마다의 상관계수(r_a), (r_b), (r_c), (r_d)는 기록기(43)에 보내져 기록된다.

이들의 러빙이 측정된 위치 마다의 상관계수값은 비교기(5)에 보내진다.

비교기(45)에 있어서는, 비교계수 설정기(47)에 의해 미리 설정된 러빙의 발생을 판정하는 기준이 되는 상관계수값(r_o)과 러빙이 측정된 위치 마다의 상관계수 값(r_a), (r_b), (r_c), (r_d)등이 비교된다. 그리고 러빙의 발생을 판정하는 기준이 되는 상관계수값(r_o)은 실험에 의해 구해진다.

비교기(45)에 있어서의 비교의 결과는, 러빙이 측정된 위치마다 러빙위치 표정기(49)에 보내진다. 이때 러빙이 측정된 위치의 어느 상관계수값 예를 들면, r_a가 상기의 기준이 되는 상관계수값(r_o)을 초과하고 있을 경우에는 그 해당되는 상관 계수값(r_a)과 러빙이 측정된 위치 예를 들면, 17a가 러빙위치 표정기(49)에 의해 출력된다. 이로서 러빙이 발생된 위치의 표정을 할 수 있다.

또 비교기(45)에 있어서의 러빙이 측정된 위치마다의 상관계수값과 기준이 되는 상관계수값(r_o)을 비교하는 동안에 어느 쪽인가의 러빙이 측정된 위치에서의 상관계수값이 기준이 되는 상관계수값(r_o)을 초과했을때 비교기(45)로 부터 경보발생기(51) 및 제어신호출력기(53)에 출력신호가 보내진다.

경보발생기(51)에서는 비교기(45)에서의 출력신호에 응답하여 경보가 발생되어 운전자에게 러빙이 발생된 사실을 알려준다.

한편, 제어신호출력기(53)에서는 비교기(45)에서의 러빙이 발생된 원인에 근거한 출력신호에 응답하여 제어장치(도시않음)에 제어신호가 보내진다.

제어장치에서는 러빙이 발생된 원인에 따라 그 발생된 원인을 제거하는 처리 예를 들면, 회전수를 줄여 준다든가 부하의 변동을 제어한다.

1예로서, 아래의 구성으로 이루어지는 터빈의 실측된 정지체의 진동데이터와, 동일한 기기에 관하여 동일한 조건으로 미리 측정된 러빙이 발생했을때의 진동데이터에서 산출된 상관계수로서, 실측시에 러빙이 발생되어 있으면 0.7~0.8이 얻어지고, 실측시에 러빙이 전혀 발생되어 있지 않으면 0.3~0.6이 얻어진다. 그리고 터빈은 다음과 같이 구성되어 있다.

축받이 : 슬라이드 축받이

하우징 : 강판제(鋼板製)

회전체 : 중실축(中實軸)

정지체 : 샤프트 패킹

진동데이터의 치취위치 : 하우징에 지지된 샤프트 패킹 등으로 구성되어 있다.

이로써, 상기의 터빈의 예에서는 r_o=0.7로 설정하여, 실측정에서 얻어진 상관계수가 예를 들면, 0.7이상이라면 러빙이 발생됐다고 판정하는 것이다.

이상의 설명에서는 산출된 상관계수값을 소정의 기준이 되는 상관계수값과 비교하여 그 결과를 토대로하여 러빙의 발생을 검출하고 있기 때문에 신뢰성이 높은 이점이 얻어지지만 한편, 산출된 상관계수값의 시간적인 변화량 즉, 미분값과 소정의 기준이 되는 미분값의 비교 결과에 의하여도 러빙의 발생이 검출되는 것이다.

이것에 의하면 러빙의 검출이 더욱 정밀하고 양호하게 검출된다.

즉, 제1도에 있어서, 상관계수 산출기(39)에서의 러빙이 측정된 위치 마다의 상관계수값(r_a), (r_b), (r_c), (r_d)은 미분기(55)에 보내져 각각의 샘플링 시간에서의 상관계수값은 시간에 따라 축적된다.

미분기(55)에서는 러빙이 측정된 위치마다의 상관계수값의 시간에 관해서의 미분값(α_a), (α_b), (α_c), (α_d)이, (9)식에 의해 산출된다.

상관계수의 미분값을 구하는 것은, 진동성분 중에 다른 요인에 의한 진동성분이 다수 함유되어 있는 경우에 그것들을 판별할 수 있는 이점이 있다.

(9)식에 의해 구해진 러빙이 측정된 위치 마다의 미분값은 기록기(57)에 보내져 기록된다. 이것들의 미분값은 비교기(59)에 보내져 비교계수설정기(61)에 의해 미리 설정된 러빙의 발생을 판정하는 기준이 되는 미분값(이것은 실험에 의해 구해진다)과 비교된다.

비교기(59)에 있어서의 비교 결과는, 상관계수의 비교의 경우와 마찬가지이며 러빙위치 표정기(49)에 보내진다. 이때 러빙이 측정된 위치의 어느 쪽인가에 있어서의 미분값 예를 들면, α_a가 상기의 기준이 되는 미분값(α_o)을 초과하고 있는 경우에는 그 해당되는 미분값(α_a)과 러빙이 측정된 위치 예를 들면, 17a가 러빙위치 표정기(49)에 의해 출력된다.

또 비교기(59)에 있어서의 러빙이 측정된 위치마다의 미분 값과 기준이 되는 미분값(α_o)을 비교하는 동안에 어느쪽인가의 러빙이 측정된 위치에서의 미분값이 기준이 되는 미분값(α₀)을 초과했을 때 비교기(59)에서 경보발생기(51) 및 제어신호 출력기(53)에 출력신호가 보내진다.

이와 같이 상관계수값과 상관계수의 미분값의 OR조건에서 러빙이 발생됨을 알려주는 것에 의해 러빙의 발생에 대한 검출이 보다 정밀하게 행해진다.

상기한 구성의 터빈에 있어서, 상관계수를 연속적으로 구했을때의 러빙 발생 전후의 상관계수의 미분값로서는 0.1~0.5가 얻어졌다. 따라서 이 경우, α_o=0.1로 설정하여 상관계수를 구하는 동안에 상관계수의 미분값(α)이 0.1이상이 되면 러빙이 발생되었다고 판정하는 것이다.

그리고 상기의 실시예에서는 상관계수값과 상관계수의 미분값의 OR조건에서 러빙을 검출하도록 구성하고 있지만 상관계수값과 상관계수의 미분값 AND 조건에서 러빙을 검출하도록 구성하여도 좋다.

이 구성에 의하면 더욱 검출 정밀도가 향상되어 분산을 줄일수 있는 이점이 있다. 특히 러빙의 발생을 연속적으로 감시하는 경우에 효과적이다.

상기의 OR 조건과 AND 조건의 설정은 공지의 OR 회로나 AND회로로서 적당하게 행할 수 있다.

이상의 설명에서는 진동계를 정지체인 샤프트 패킹에 취부하여 정지체의 진동 실측데이터와, 미리 측정된 정지체의 러빙이 발생 되었을때의 진동의 참조데이터로 부터 상관계수값 및 상관계수의 미분값을 구하여 러빙의 발생을 검출하도록 구성되어 있으나, 회전축에 진동계를 취부하여 회전체의 진동의 실측 데이터와, 동일한 기기에 관하여 동일한 조건으로 미리 측정된 회전체의 러빙이 발생했을때의 진동의 참조 데이터 등에 의해 그리고상관계수값 및 상관계수의 미분값을 구하여 러빙 발생의 검출을 행하도록 구성하여도 좋다.

제2도는 본 발명에 의한 회전체와 정지체의 러빙의 검출방법의 다른 실시예로서, 회전체의 진동과 정지체의 진동의 양자를 실측하여 그에 의해 얻어진 진동데이터로 상관계수를 검출하여 이 상관계수값을 토대로 하여 러빙의 발생을 검출하는 예를 설명하기 위한 구성도이다.

이 방식은 미리 측정된 러빙 발생시의 정지체 또는 회전체의 진동데이터가 참조데이터로서 충분하게 축적되어 있지 않은 경우에 사용하면 효과적이다.

이 방식에 의해 얻어진 결과는 참조 데이터로서 이용된다.

제2도에 있어서, 제1도와 동일한 부호는 동일물 또는 등가물이다. 제1도와 구성상 다른 점은 정지체의 진동계(11a~11d)가 취부되어 있는 위치의 근방에 회전축(25)의 진동을 검출하는 진동계(11e), (11f), (11g), (11h)가 각각 새로이 배치된점, 그에 수반하여 진동계(11e~11h)로 부터의 진동 데이터를 처리하기 위한 데이터 선택기(31'), 데이터 기록기(33'), 평균값 계산기(35') 및 분산 산출기(37')(이것들은 제1도에서 설명한 것과 실질적으로 같다)가 새로이 설치된 점이다.

데이터 선택기(31), (31')에 있어서는, 샤프트패킹(17a~17d)에 취부된 진동계(11a~11d)에서의 진동 데이터와, 회전축(25)에 취부된 진동계(11e~11h)로 부터의 진동데이터가 각각 대응하여 취입된다. 이들의 데이터는 기록기(33), (33')에 각각 보내져 기록된다.

샘플링 시간(T)의 시간내에 있어서, 샤프트 패킹 및 회전축의 소정의 러빙이 측정된 위치 예컨대, 진동계(11a), (11e)가 설치된 위치에서의 진동데이터를 각각, y_ai(i=1~N), X_ei(i=1~N)으로 했을때, 제1도의 실시예에서와 같이 이들의 데이터에 관하여 다음의, (10)~(14)식으로 상관계수가 구해진다.

이와 같이 하여 구해진 상관계수(r_ae)에 관해서의 후 처리는 제1도의 실시예에서 설명한 바와 같다. 또다른 러빙이 측정된 위치에 있어서의 상관계수(r_bf), (r_cg), (r_dh)도 마찬가지로 하여 구해진다.

제1도의 실시예에서 설명한 터빈을 이용한 실험에 의하면, 러빙이 발생했을때의 상관계수로서 0.5~0.8이 얻어졌다.

한편, 러빙이 전혀 일어나 있지 않은 경우의 상관계수로서 0.3~0.4가 얻어졌다.

따라서 이와 같은 경우는, r_o=0.5로 설정하여 실측된 정지체와 회전체의 진동데이터에서 산출된 상관계수값(r)이 설정된 r_o=0.5를 초과하면 러빙이 발생하였다고 판정하는 것이다.

또 러빙 발생전후의 상관계수의 미분값을 산출한 결과 0.1~0.5가 얻어졌다. 단, 샘플링 시간은 0.5초이다.

따라서 이경우, α_o=0.1로 설정하여 같은 0.5초의 샘플링 간격으로 상관계수의 미분값(α)이 α_o=0.1이상의 값을 나타내면 러빙이 발생했다고 판정하는 것이다.

그리고 제2도의 실시예에서는 회전체의 진동 데이터로서 축 진동의 데이터를 채취하고 있으나 회전체의 진동모드와 상관성이 높은 정지체의 진동 예컨대, 축받이의 진동을 채취하여도 좋다.

Claims (1)

1. 작동유체(作動流體)에 의해 회전하는 회전체와, 이 회전체를 지지하는 정지체와의 사이에 발생하는 러빙을 검출하는 회전체와 정지체와의 러빙 검출방법에 있어서, 상기한 회전체와 정지체의 최소한 어느 일방의 복수점의 진동을 소정의 시간 간격으로 실측하여, 그에 의해 얻어진 양방의 실측 데이터로 이루어지는 조(組), 또는 일방의 실측 데이터와 이것과 동일한 조건하에서 미리 측정되어 축적된 러빙 발생시의 진동데이터로 이루어지는 조의 어느 1조의 데이터를 토대로 하여 상관계수를 구하여 그에 의해 얻어진 상관계수 값을 소정의 상관계수 값과 비교하여 그 결과를 토대로 러빙을 검출하는 것을 특징으로하는 회전체와 정지체와의 러빙 검출방법.

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