KR960014013B1 - 터빈 블레이드 약화 감시장치 - Google Patents

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Abstract

내용없음.

Description

터빈 블레이드 약화 감시장치
제1도는 본 발명의 구성에 따른, 터빈축과, 센서를 가진 블레이드의 한 행을 도시한 투시도.
제2도는 본 발명의 바람직한 한 실시예에 대한 블럭도.
제3도는 블레이드가 시스템에 의해 어떻게 이동되는지를 예시한 개략도.
제4a도 및 제4b도는 터빈 블레이드가 진동에 의해 야기된 기대위치로부터 어떻게 변위되는지를 그래프식으로 도시한 도면.
제5도는 누산된 약화를 평가하기 위한 본 발명에 의해 사용되는 방법에 대한 순서도.
제6도는 터빈 블레이드 진동을 도시한 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 로우터축 12 : 터빈 블레이드
14 : 터빈 블레이드 디스크(행) 16-22 : 센서
24 : 신호조절회로 26 : 디지타이저
28 : 데이타 처리장치 30 : 데이타 기억장치
본 발명은 진동에 의해 야기되는 금속 약화를 측정하기 위한 것으로서, 구체적으로 말하자면, 터빈 로우터에서의 누산된 금속약화를 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 터빈 블레이드에서의 응력은 다른 장치에서와 마찬가지로 터빈 블레이드에 직접 부착되어 슬립링이나 혹은 원격 계측기를 통해 그 터빈 외측의 감시장치와 신호를 교신하는 응력 게이지를 사용하여 측정되고 있다. 현재, 미합중국 공군 시스템 사령부의 아놀드 공학개발센터에서는 이를 위한 다른 시스템이 개발되고 있는 중이다. 이러한 아놀드 시스템은 제트 엔진 터빈 로우터 블레이드 편차의 비간섭 측정을 행하는 선형 집속 광검출기를 사용한다. 엔진 케이스의 주변에는 센서들이 밀접하게 간격져 있는데, 각각의 센서는 방사형으로 정렬되어 있고, 그 센서그룹은 로우터 블레이드 팁의 통로와 정렬되어 있다. 그러한 센서들중 2개의 센서는 비적분 진동, 예컨대 회전속도의 배수성과는 다른 주파수에서의 진동을 검출하는데 사용된다. 또, 4개의 센서는 적분 진동, 즉 여러가지 회전속도를 갖는 주파수에서의 진동을 검출하기 위한 사용된다. 이러한 센서에서 발생된 신호들은 각 블레이드 행의 진동에 대한 진폭, 주파수 및 위상을 결정하기 위한 매회전당(once-per-revolution)의 신호로서 처리된다. 이들 센서를 추가하고자 하는 경우에는 감시되는 각각의 행에 대해 필요하다.
센서에 의한 편차 데이타를 이용하는 경우 각 행마다 설치된 모든 블레이드에 대한 응력 정보는 편차 데이타를 응력으로 변환하는 전달기능을 이용함으로써 온-라인(on-line)으로 결정될 수 있는데, 이러한 전달기능은 연산시험 이전에 블레이드의 각 행마다 부품 분석과 탁상 시험을 행함으로써 결정될 수 있다. 아놀드 시스템에 의해 제공되는 정보가 최근 정비된 터빈을 시험하는데, 특히 유용하기는 하지만 연산중 터빈을 감시하는데 사용되는 온-라인 시스템의 경우에는 추가의 정보가 있어야 한다.
본 발명은 목적은 장치에 있어서, 누산된 약화량을 지시하는 온-라인 감시장치를 제공하는 것이며, 본 발명의 한 실시예는 진동 응력 및 정상 응력 모두를 측정하는 온-라인 약화의 사용량 감시장치를 제공하는 것이다.
본 명세서에서 다루고 있는 누산력으로 인한 손상을 측정하는 방법은 구체적으로, 누산력으로 인한 변위를 검출하고, 그 검출된 변위로부터 누산력의 진폭 및 순시 주파수를 계산하여, 상기 계산된 진폭 및 순서 주파수에 따라 누산된 손상을 계측하는 단계로 이루어진다. 또한, 본 발명의 진동 약화 측정장치는 진동으로 인한 그 물체의 변위 지시신호를 발생하는 센서수단 및 상기 변위신호에 따라 그 물체의 약화를 계산하는 약화 누산수단을 구비한다. 복수의 블레이드를 갖고 있는 터빈을 사용함에 있어서, 상기 센서수단은 양호하게 상기 터빈 블레이드 통로 바깥쪽에 배치되는 적어도 두개의 센서를 포함하는데, N개의 센서가 사용되는 경우, 제n/2번째의 고조파에 대한 진동 및 약화 사용량이 계산될 수 있다. 24개 센서가 제12번째 모든 고조파에 대해, 효과적이라 할지라도, 기대 이하의 고조파만이 작용하고 있다고 판단된 경우에는, 더욱 적은 갯수의 센서가 필요하다. 터빈 블레이드의 주파수 및 진폭을 측정하는 수단은 변위신호의 힐버트변환(Hilbert trans form)을 사용하는 것이 양호하다.
본 발명은 이하 첨부도면과 관련한 양호한 실시예의 상세한 설명으로부터 보다 상세히 이해할 수 있다.
여러 형태의 장치들에는 금속의 약화의 누적에 대한 응력이 가해지는데, 이러한 금속의 약화는 장치를 구성하는 물질에 따라 결함이 생긴다. 장치가 유지될 수 있는 약화의 양을 약화 수명, 장치가 내구력을 가진 약화의 양을 약화 사용량이라 한다. 약화 사용량을 누산할 경우 잔여 약화 수명은 방정식(1)으로부터 계산될 수 있다.
Figure kpo00001
방정식(1)은 굳맨의 법칙(goodman's Law)과 미녀의 가설(Miner's hypothes is)에서 유도되는데, 여기서 εa(t)는 실제 진동 응력, εF는 플라스틱 힌지의 형성이 없을때 단일 부하의 응용으로부터 결합을 야기하는 응력, εm(t)는 서서히 변화가능한 정상 응력, ε1은 1/100만 진동에서 결함을 야기하는 제한 응력, 그리고 F(t)는 진동의 주파수이다.
εF와ε1값은 통상적으로 실험측정이나 부품분석에 의한 특정 물체를 측정한 값이다. 터빈 로우터의 경우에 있어서, 각 행내에 있는 블레이드들은 동일하게 형성되어 있지만 특정한 항에 있는 블레이드는 나머지와 상이하게 형성되어 있다.
그러므로 εF및ε1값은 터빈 블레이드의 각 행과 분리해서 측정한다. 이와 마찬가지로 본 발명에 따라 모니터될 물체의 정상 응력 εm은 상기 언급한 바와 같이 측정값의 함수에 의해 측정된다. 터빈 블레이드의 경우에 있어서 터빈에 의해 발생된 토오크(torque)는 입구 엔탈피(H1), 출구 엔탈피(H2), 각 속도(w) 및 질량 흐름비(m)의 측정값으로부터 직접 측정되거나 산출될 수 있는데 이러한 질량 흐름비(m)는 스테이지 효율(n), 평균 블레이드 직경(rb) 및 매 행(Mb)당 블레이드의 수와 조합되어 방정식(2)에 예시된 바와같이 정상 응력 εm과 토오크 사이의 관계식이 요도된다.
Figure kpo00002
따라서, 제한 응력 ε1, 단일 부하 결합 응력 εF및 터번에서 토오크 분포를 알려고 할 경우 약화 사용량은 직·간접적으로 측정된 토오크, 개개의 터빈 블레이드의 진폭 또는 주파수에 의해 계산될 수 있다. 블레이드 팁(tip) 편향도에 대한 실제 진동 응력은 응력 및 변형력 게이지가 해제된 터빈 로우터에 장착될때 측정될 수 있다.
제1도에는 터빈 블레이드의 한 행에 있는 특정의 터빈 블레이드(12)와 터빈 로우터 축(10)이 도시되어 있다.
본 발명에 따라, 센서(16-22)는 블레이드에 방사상 방향으로 터빈 블레이드의 경로 외측에 위치설정된다. 제1도에는 7개의 센서만이 도시되었지만 틱 마크(tick mark)에 의해 표시된 바와같이 기타 나머지 센서가 터빈 블레이드 디스크 (14) 주위에 위치설정될 수 있다.
제2도에는 블레이드의 터빈에 대해 각각의 한 그룹이 감시되도록 구성된 그룹(23)이 도시되어 있다. 그러나 제2도에는 터빈의 구조, 터빈의 유지 및 실행 등에 따른 각 행이 도시생략되었다. 예컨대, 여러 블레이드에 센서가 있을 경우, 하나 이상의 행내에 제1파손이 항상 생기도록 실행되므로 약화되기 쉬운 이런 행에만 센서가 감시되도록 구성되어 있다. 센서의 그룹(23)은 진동으로 인해 야기된 터빈의 변위를 나타낸 변위신호를 발생하는 수단을 포함한다. 센서의 그룹(23)에 의해 발생된 변위신호는 신호조절회로(24)에 공급되는데 이런 신호조절회로(24)는 신호가 된다.지타이저(26)에 공급되기전 필요한만큼 인지가능한 잡음과 신호의 세기를 제거하도록 한다. 디지타이저(26)는 A/D 변환을 실행하므로 센서의그룹(23)에 의해 신호출력의 변화를 측정하고 또한 디지타이저(26)는 데이타 처리장치(28)에 의해 처리될 수 있는 디지탈 데이타를 공급한다.
데이타 처리장치(28)는 포뮬러(formula)와 데이타 기억장치(30)에 기억된 데이타를 이용하여 변위신호에 따른 약화 사용량을 계산하기 위한 약화 누산수단을 구비하게 된다. 이러한 약화 사용량은 피로 사용량 데이타 기억장치(30)에 기억되어 메시지(32)로서 오퍼레이터에 출력된다.
데이타 처리장치(28)는 약화 사용량을 계산하기 위해 여러 기능을 수행한다. 우선 블레이드가 센서에 의해 검출되어야 한다. 본 발명에 있어서, 이러한 측정은 센서(34)에서 공급되는 매 회전당 신호를 이용한다. 매 회전당 신호가 발생될때, 블레이드의 각 위치를 알 수 있다. 매 회전당 발생시간은 블레이드의 각 속도를 계산하는데 사용될 수 있다. 또한 매 회전당 신호는 블레이드의 위치를 측정하는데 사용되므로 제3도에 도시된 바와 같이 실행된다.
매 회전당 신호가 수신될 경우, 하나의 블레이드(12)가 정위치(36)에 장착된다. 따라서 하나의 블레이드(12)가 각 변위 α만큼 이동되어진 후 정위치(38)에 접근하게 된다. 터빈 블레이드가 정위치(36)에서 정위치(38)까지 이동되는데 필요한 시간은 각 속도로부터 측정될 수 있다. 데이타 처리장치(28)는 매 회전당 신호를 바탕으로 한 각 센서(16-22)에 각 블레이드에 대한 기대 도달시간을 계산할 수 있다.
제4a도에는 매 행 시스템당 24개의 센서에 대한 기대시간과 실제 도달시간간의 차이가 도시되어 있다. 기대 도달시간은 점선으로 도시되어 있고 기대시간에서 로우터 블레이드의 실제위치는 실선으로 도시되어 있다. 제1도에 도시된 감지기에 대응하는 감지기 위치가 제4a도의 참조부호와 일치한다. 제4a도에 도시된 로우터 블레이드는 터빈 블레이드의 매 회전동안 약 2배로 진동한다. 제4a도에 도시된 바와같이 블레이드가 기대시간 감지기(16)에 도달되는 것을 감시한다. 블레이드가 기대시간전에 센서(17,18,19)에 도달하고 기대시간후에 센서(20)에 도달한다. 제4a도를 통해서 알 수 있듯이, 각각의 센서(18,20)에는 센서에 의해 측정된 최대＋변위 및 최대－변위가 있다. 블레이드가 터빈의 회전속도당 두배로 진동하기 때문에 센서(18,20)에 대향한 센서들에 의해 동일하게 변위가 측정된다. 회전속도가 3배만큼 빠른 속도로 진동한다면, 각각 3배의 최대 ＋, －변위가 생기게 된다.
제4b도에는 각 센서에 대해 측정된 다량의 변위가 도시되고 있다. 센서(18)에 의한 변위 측정치가 y축을 따라 도시되고 센서(16,20)에 의한 변위 측정치가 x축을 따라 도시되어 있다. 제4b도의 그래프를 통해서 본래 진동의 발진을 용이하게 이해할 수 있다.
제5도에 있어서, 블레이드 위치 데이타(40)와 정상상태 데이타(42)를 사용하여 단계(44)에서 진동과 정상상태 응력을 계산하게 된다. 터빈 블레이드의 행주 위에 일정한 간격으로 이격된 24개의 센서를 사용할 경우, 변위신호에 따라 회전축(10)(제12고주파)의 속도에 12배까지 증가되어 주파수에서 진동의 진폭 변조와 주파수 변조를 측정할 수 있다.
이러한 측정이 필요하다면 데이타 처리장치(28)는 검출점들 사이에 배열될 수 있다. 터빈 로우터 블레이드의 모든 진동은 제12번째 고조파 이하로 발생될 것이다. 몇몇의 센서가 사용될 경우, 고주파수 진동는 주파수의 검출범위내에 있다. 따라서, 2개의 센서만이 사용될 수 있다.
약 135°로 이격된 2개의 점검구는 흔히 전기발전 설비에 사용되는 터빈에 장착된다. 이러한 점검구는 자기나 용량 근접 탐침같은 2개의 수동 근접 탑침 또는 광학 센서로 하여금 터빈의 작동 동안 설치되어 사용된다. 제1도에는 센서(16)가 약 135°이격해서 한 행당 두개의 센서가 있으므로, 탐침에 대해 터빈 블레이드의 근접을 지시하는 2개 센서(16) 및 (20) 신호를 발생하게 된다.
두개의 센서(16),(20)중 하나만 사용될 경우, 터빈 회전 진동수 이하의 진동수에서 모든 진동을 검출할 수 있다. 따라서, 터빈이 3600rpm으로 회전한다면, 주파수 진동은 60Hz 이하의 진동수가 검출된다. 고주파는 명칭된 신호로 검출된다. 본 발명의 양호한 실시예에 따라서, 블레이드 위치 데이타(40)를 구비하는 힐버트 변위신호의 변환방법은 터빈 블레이드의 주파수와 진폭을 측정하는데 사용된다. 힐버트 진동신호 V(t)의 변환방법은 방정식(3)으로 정의된다.
Figure kpo00003
신호 V(t)의 크기나 진폭 포락선은 방정식(4)으로 정의된다.
Figure kpo00004
따라서 제6도에는 진폭 포락선에 해당하는 것이 점선으로 도시되었다. 순시 주파수 θ는 방정식(5)으로 정의되는데, 여기서 θ(t)는 방정식(6)에서 정의된다.
Figure kpo00005
Figure kpo00006
진폭 포락선 A(t)와 순시 주파수 θ(t)를 산출하는데는 다른 기법이 사용될 수 있다. 이러한 기법들은 정상상태 응력 S-S을 단계(44)에 제공하므로서, 약화 사용량이 터빈 블레이드(12)의 진동에 따라 누진될 수 있다. 순시 주파수 θ(t)는 F(t)값을 제공하고, 진폭 A(t)가 팁 편향 및 응력과 관련해서 실험할때 발생되는즉,데이타기억장치(30)에 기억되는 데이타를 이용하여 실제 진동 응력으로 변환된다. 따라서, 약화 사용량을 누산하기 위해 방정식(1)에는 약화 사용량이 발생된 것이 필요하게 된다.
방정식(1)에서, 정상상태 응력 em(t)와 진동 응력 ea(t)이 대수적으로 가산되므로 가산되므로 누산된 약화값을 계산할 수 있다. 유한 부품을 분석할 경우, 모니터되는 물체의 약화 수명을 예측할 수 있다면 적절한 방식을 판단하는데 사용되므로 진동과 정상상태를 응력을 가산하게 된다.
본 발명은 터빈 로우터에 금속의 약화가 누산된 것이 설명되었다. 본 발명의 응용된 여러 형태의 물체로는 항공기 날개 프로펠러 블레이드 및 제트 엔진의 압축기 단면부를 들 수 있다. 또한, 금속의 피로와 같은 진동때문에 증기 터빈 튜브에 마멸이 생긴다.
대체로 본 발명에 따라 제6도에는 단시간 동안 진폭을 급격하게 증가시키고, 누산되는 손상을 계산함에 따라 누산되는 손상이 감시되는 진동이 도시되어 있다.
따라서, 지금까지 기술된 본 발명의 많은 특징 및 장점들을 본 명세서에서 명백히 알 수 있는데, 이는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도내에서 많은 변경 및 수정이 가능하다는 것을 이러한 기술에 숙련된 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다. 그러므로, 이러한 모든 변경 및 수정은 본 발명의 범위 및 사상 이내에서만 제한되도록 해석되어야 한다.

Claims (12)

  1. 진동부재(12)의 누산된 기계적 약화량을 계산하여 그 진동부재가 피괴되기 이전에 그에 대한 잔여 수명을 알 수 있도록 상기 진동부재의 누산된 약화량을 측정하기 위한 것으로서, 상기 진동부재에 근접 배치되어 그 진동부재의 진동에 의한 변위를 가리키는 변위신호를 발생시키기 위한 센서수단(16,22)을 갖는 연속측정장치에 있어서, 상기 변위신호의 발생에 따라 상기 진동부재에서의 약화량을 계산하기 위한 약화량 누산수단(28,30)을 구비하는 것을 특징으로 하는 연속측정장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 센서수단은 상기 진동부재의 근접을 가리키는 신호를 발생시키는 수동 근접 탐침(23)과, 이 수동 근접 탐침에 의해 발생되는 신호의 변화를 검출하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연속측정장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 센서수단은 상기 진동부재의 변위를 광학적으로 검출하기 위한 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연속측정장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 진동부재는 다수의 터빈 블레이드이고, 상기 센서수단은 터빈 블레이드의 경로 외측에 설치된 적어도 2개의 센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 연속측정장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 센서수단은 터빈 블레이드의 행 둘레에서 이격 배치된 대략 24개의 센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 연속측정장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 24개의 센서는 터빈 블레이드의 행 둘레에 균등하게 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 연속측정장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 센서수단은 24개 이하의 센서를 구비하고, 상기 약화량 누산수단은 상기 변위 신호의 발생에 따라 터빈 블레이드의 진동에 대한 주파수 변조 및 진폭 변조를 결정하는 주파수-진폭수단과; 터빈 블레이드의 진동에 따라 약화량을 누산하는 약화량 누산수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연속측정장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 주파수-진폭수단은 터빈 블레이드의 주파수 및 진폭을 결정하기 위해 변위신호에 대한 힐버트 변환식을 이용하고, 상기 약화량 누산수단은 약화량을 계산하기 위해 굳맨의 법칙을 이용하는 것을 특징으로 하는 연속측정장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 센서수단은 터빈에 의해 발생된 토오크를 감지하기 위한 토오크 감지수단을 추가로 구비하고, 상기 약화량 누산수단은 그 약화량을 계산할때 상기 토오크 감지수단에 의해 측정된 토오크에 따라 결정되는 터빈 블레이드에 대한 정상 응력을 판단하도록 구비하는 것을 특징으로 하는 연속측정장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 센서수단은 단지 2개의 센서만이 사용되는 것을 특징으로 하는 연속측정장치.
  11. 터빈에서의 터빈 블레이드에 대한 약화량을 측정하기 위한 것으로서, 상기 터빈 블레이드의 행 외측에 적어도 2개의 센서를 배치시켜 그들이 서로 접촉함이 없이 터빈 블레이드의 통과를 검출하는 단계와, 터빈에 의해 발생된 토오크를 토오크 감지수단으로 감지하는 단계를 포함하는 진동부재의 약화량 측정방법에 있어서, 상기 2개의 센서에 의해 발생된 센서신호에 따라 터빈 블레이드의 진동에 대한 주파수 및 진폭을 결정하기 위해 힐버트 변환수단을 사용하는 단계와; 상기 터빈 블레이드의 진동에 대한 주파수 및 진폭과 그리고 터빈의 토오크에 따라 결정되는 상기 터빈 블레이드에 대한 정상 응력에 대해, 굳맨 법칙의 응용으로 상기 터빈 블레이드의 약화를 누산하여 그 약화량을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동부재의 약화량 측정방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 2개의 센서를 원주상에서 135°로 이격되게 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동부재의 약화량 측정방법.
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