KR102201477B1 - 모델링 시스템 및 상기 모델링 시스템을 이용하여 터빈 로터를 수리하는 방법 - Google Patents

모델링 시스템 및 상기 모델링 시스템을 이용하여 터빈 로터를 수리하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 가동 중에 손상된 터빈 로터를 수리하기 위한 터빈 로터 수리 방법은 터빈 로터, 및 터빈 로터에 결합되는 블레이드를 모델링하여 블레이드-터빈 로터 모델을 생성하는 생성 단계, 블레이드-터빈 로터 모델에 터빈 로터 및 블레이드 각각의 물성치, 블레이드가 결합된 터빈 로터의 고유 진동수를 반영하는 보정 단계, 및 블레이드-터빈 로터 모델에 기초하여, 터빈 로터에 대한 노치 설계를 전산으로 결정하는 결정 단계를 포함한다. 결정 단계는 블레이드-터빈 로터 모델을 시뮬레이션하여, 노치 설계가 적용되는 경우 블레이드가 결합된 터빈 로터가 회전할 때 발생하는 응력 및 균열 진전을 예측하는 예측 단계, 및 응력 및 균열 진전이 안전 기준을 만족하지 않는 경우, 노치 설계를 수정하는 수정 단계를 포함한다.

Description

모델링 시스템 및 상기 모델링 시스템을 이용하여 터빈 로터를 수리하는 방법{MODELING SYSTEM AND METHOD FOR REPAIRING TURBINE ROTOR USING THE MODELING SYSTEM}
본 발명은 터빈 로터를 수리하는 방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 모델링 시스템을 이용하여 터빈 로터를 수리하는 방법에 관한 것이다.
국내 화력발전소의 핵심 설비인 터빈(Turbine)은 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충동력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계 장치이다. 터빈 로터(Turbine Rotor)는 터빈에서 유입된 유체에 의하여 회전하는 부분을 일컫는다. 터빈 로터는 일반적으로 설계수명이 40년 정도이다. 터빈 로터는 약 3,600rpm으로 회전하는데, 로터의 회전 시 로터에 결합되어 있는 블레이드가 원심력을 받는다. 이에 따라 블레이드가 결합되는 스티플(steeple) 부분에 균열이 발생할 수 있다. 특히, 블레이드 중 상대적으로 그 길이가 가장 길고 무거운 최종단 블레이드가 결합된 스티플 부분에 균열이 발생할 가능성이 크다.
한편, 현재 국내에는 터빈 로터 제작 기술이 없어, 국내 발전소들은 터빈 로터의 공급-을 해외 수입에 의존하고 있다. 국외 터빈 제작사들은 수명 한계에 다다른 로터에 대해 교체 또는 수리를 권고 있다. 그러나, 이러한 교체 또는 수리를 위한 로터의 해외 반출과 신규 제작에는 많은 비용 및 시간이 소요되는 문제가 있다.
따라서, 로터의 해외 반출 또는 로터 전체를 교체하는 것 없이, 로터를 수리하기 위한 방법이 요구된다.
본 발명은 상술된 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로써, 본 발명의 목적은 모델링 시스템에 의해 터빈 로터 모델을 시뮬레이션 한 결과에 기초하여, 터빈 로터에 가해지는 응력이 저감되고, 균열 진전이 최소화되도록 터빈 로터를 가공 및/또는 수리하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 가동 중에 손상된 터빈 로터를 수리하기 위한 터빈 로터 수리 방법은 모델링 시스템에 의해, 터빈 로터, 및 터빈 로터에 결합되는 블레이드를 모델링하여 블레이드-터빈 로터 모델을 생성하는 생성 단계, 모델링 시스템에 의해, 블레이드-터빈 로터 모델에 터빈 로터 및 블레이드 각각의 물성치, 블레이드가 결합된 터빈 로터의 고유 진동수를 반영하는 보정 단계, 및 모델링 시스템에 의해, 블레이드-터빈 로터 모델에 기초하여, 터빈 로터에 대한 노치 설계를 전산으로 결정하는 결정 단계를 포함할 수 있다. 결정 단계는 블레이드-터빈 로터 모델을 시뮬레이션하여, 노치 설계가 적용되는 경우 블레이드가 결합된 터빈 로터가 회전할 때 발생하는 응력 및 균열 진전을 예측하는 예측 단계, 및 응력 및 균열 진전이 안전 기준을 만족하지 않는 경우, 노치 설계를 수정하는 수정 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 모델링 시스템은 터빈 로터 및 터빈 로터에 결합되는 블레이드를 스캔하여, 터빈 로터 모델과 블레이드 모델을 생성하는 모델 생성부, 터빈 로터 및 블레이드 각각의 물성치, 블레이드가 결합된 터빈 로터의 고유 진동수를 반영하는 모델 보정부, 블레이드-터빈 로터 모델에 기초하여, 터빈 로터에 대한 노치 설계를 결정하는 설계부, 및 노치 설계가 적용된 블레이드-터빈 로터 모델을 시뮬레이션하여, 노치 설계가 적용되는 경우 블레이드가 결합된 터빈 로터가 회전할 때 발생하는 응력 및 균열 진전을 계산하는 계산부를 포함할 수 있다. 설계부는 응력 및 균열 진전이 안전 기준을 만족하지 않는 경우, 응력 및 균열 진전이 저감되도록 블레이드를 가공하기 위한 블레이드 설계를 결정할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 터빈 로터를 모델링하여 터빈 로터 모델을 생성할 수 있다. 본 발명은 터빈 로터 모델을 시뮬레이션하여, 터빈 로터에 가해지는 응력이 저감되고, 균열 진전이 최소화되도록 노치를 설계할 수 있다. 또한, 필요한 경우, 본 발명은 터빈 로터 모델을 시뮬레이션하여, 공명을 발생시키지 않으면서 터빈 로터에 가해지는 응력을 저감시키고 균열 진전을 최소화하는 블레이드를 설계할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 터빈 로터의 사시도와 터빈 로터에 블레이드가 결합되는 스티플 부를 보여주는 확대도이다.
도 2는 도 1의 스티플 부에 균열이 발생한 것을 보여주기 위한 개념도이다.
도 3은 터빈 로터를 수리하는 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 도 1의 터빈 로터(10)를 모델링하기 위한 모델링 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 5는 도 1의 터빈 로터(10)를 모델링 하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 도 1의 터빈 로터(10)를 가공하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은 도 4의 모델링 시스템(100)에 의해 계산된 터빈 로터가 받는 응력을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 터빈 로터(10)와 블레이드(20)의 결합상태를 나타내는 정면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예들에 대해 상세히 설명하고자 한다. 본 문서에서 도면 상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
본 문서에 개시되어 있는 본 발명의 다양한 실시 예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 다양한 실시 예들은 여러 가지 형태로 실시될 수 있으며 본 문서에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
다양한 실시 예에서 사용된 "제1", "제2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 해당 구성 요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성 요소로 바꾸어 명명될 수 있다.
본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 발명의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 터빈 로터의 사시도와 터빈 로터에 블레이드가 결합되는 스티플 부를 보여주는 확대도이다. 도 2는 도 1의 스티플 부에 균열이 발생한 것을 보여주기 위한 개념도이다.
국내 화력발전소의 핵심 설비인 터빈(Turbine)은 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충동력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계 장치이다. 터빈 로터(Turbine Rotor, 10)는 터빈에서 유입된 유체에 의하여 회전하는 부분을 일컫는다.
터빈 로터(10)에는 블레이드(20)가 결합될 수 있다. 블레이드(20)는 터빈 로터(10)에 부착되는 날개를 의미한다. 스티플 부(11)는 터빈 로터(10)의 일 부분으로써, 블레이드(20)가 결합된 부분을 의미한다. 터빈 로터(10)는 약 3,600rpm으로 회전하는데, 터빈 로터(10)의 회전 시 터빈 로터(10)에 결합되어 있는 블레이드(20)가 원심력을 받을 수 있다. 블레이드(20)가 결합된 터빈 로터(10)가 회전할 때 발생하는 원심력에 의해, 스티플 부(11)에 균열이 발생할 수 있다. 특히, 블레이드(20) 중 상대적으로 그 길이가 가장 길고 무거운 최종단 블레이드가 결합된 스티플 부에 균열이 발생할 가능성이 크다. 또한, 터빈 로터(10)의 기동 정지에 따라 스티플 부(11)에 균열이 발생할 수도 있다. 도 2를 참조하면, 스티플 부(11)에 균열(c)이 발생된 것을 확인할 수 있다.
한편, 현재 국내에는 터빈 로터 제작 기술이 없어, 국내 발전소들은 터빈 로터의 공급을 해외 수입에 의존하고 있다. 국외 터빈 제작사들은 수명 한계에 다다른 로터에 대해 교체 또는 수리를 권고 있다. 그러나, 이러한 교체 또는 수리를 위한 로터의 해외 반출과 신규 제작에는 많은 비용 및 시간이 소요되는 문제가 있다. 따라서, 로터의 해외 반출 또는 로터 전체를 교체하는 것 없이, 로터를 수리하기 위한 방법이 요구된다
도 3은 터빈 로터를 수리하는 방법을 보여주는 흐름도이다.
사용자(또는, 기술자)는 터빈 로터(10)를 가공 중에 터빈 로터(10)에 균열이 발생하거나 터빈 로터(10)를 점검할 필요가 있다고 판단되는 경우, 터빈 로터(10)의 가동을 중단하고, 터빈 로터(10)를 검사할 수 있다. 사용자는 터빈 로터(10)에 균열이 발생한 경우, 균열을 제거하고, 추가 균열이 발생하지 않도록 터빈 로터(10)를 수리 및/또는 가공할 수 있다. 사용자는 터빈 로터(10)에 균열이 발생하지 않았더라도, 터빈 로터(10)의 수명을 연장하기 위해 터빈 로터(10)를 수리 및/또는 가공할 수 있다. 또한, 필요한 경우, 사용자는 블레이드(20)를 가공할 수도 있다. 이하 S110 동작 내지 S170 동작을 참조하여, 사용자가 터빈 로터(10)를 수리하는 방법이 설명된다.
S110 동작에서, 사용자는 도 1의 블레이드(20)를 터빈 로터(10)로부터 취외할 수 있다.
S120 동작에서, 사용자는 블레이드(20)가 취외된 터빈 로터(10)에 대해 비파괴 검사를 수행할 수 있다. 구체적으로, 사용자는 스티플 부(11)에 비파괴 검사를 수행할 수 있다. 사용자는 장치에 결함이 있는지 여부를 파악하기 위해, 비파괴 검사를 수행함으로써, 장치에 균열이 발생하였는지 여부, 균열이 발생한 위치 등에 대한 정보를 실제로 장치를 파괴하지 않고 획득할 수 있다. 비파괴 검사는 자동 초음파탐상검사(AUT), 수동 초음파탐상검사(MUT), 방사선투과검사(RT), 액체침투탐상검사(PT), 자분탐상검사(MT), IGSCC 검사, TBN-GEN 비파괴 검사, 터빈 블레이드 초음파검사, Swirl Vane 비파괴검사 등 중 하나일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
S130 동작에서, 사용자는 비파괴 검사 결과에 기초하여, 스티플 부(11)에 발생한 균열을 확인할 수 있다. 구체적으로, 사용자는 스티플 부(11)에 발생한 균열의 크기 및 위치를 파악할 수 있다.
S140 동작에서, 사용자는 스티플 부(11)에 발생한 균열을 제거할 수 있다.
S150 동작에서, 사용자는 터빈 로터(10)에 대한 노치를 설계할 수 있다. 노치란 터빈 로터(10)에서 블레이드(20)가 결합되는 움푹 패인 부분을 의미한다. 노치 설계(notch design)는 터빈 로터(10)(구체적으로, 스티플 부(11))를 어떤 형태로 가공할 것인지에 대한 설계를 의미한다. 예로서, 사용자는 터빈 로터(10)의 어느 부분을 어느 정도 깎을 것인지 등에 대해 설계할 수 있다.
S160 동작에서, 사용자는 S150 동작에서의 노치 설계가 적용된 터빈 로터(10)의 동작을 해석할 수 있다. 터빈 로터(10)의 동작 해석을 위해, 사용자는 터빈 로터(10)를 모델링할 수 있다. 사용자는 터빈 로터(10)에 노치 설계를 반영하기 전에, 모델링된 터빈 로터(이하, 터빈 로터 모델)에 노치 설계를 반영해볼 수 있다. 사용자는 노치 설계가 반영된 터빈 로터 모델의 동작을 해석하여, 터빈 로터(10)가 받게 될 응력, 터빈 로터(10)에 생성될 균열 진전 등을 예측할 수 있다. 사용자는 예측되는 응력 및 균열 진전이 정해진 안전 기준을 만족하는지 등에 기초하여 최종 노치 설계를 결정할 수 있다. 사용자는 노치 설계만으로 예측되는 응력 및 균열 진전이 정해진 안전 기준을 만족하지 않는 경우, 블레이드 설계를 계획할 수도 있다.
S170 동작에서, 사용자는 S160 동작에서 결정된 최종 노치 설계에 따라, 터빈 로터(10) 및 블레이드(20)를 가공할 수 있다.
다만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 본 발명은 도 3을 참조하여 설명된 S140 동작 내지 S170 동작의 순서에 한정되지 않는다. 사용자는 S150 동작 및 S160 동작을 수행한 후, S140 동작 및 S170 동작을 수행할 수 있다. 즉, 사용자는 터빈 로터(10)의 동작에 대한 해석을 미리 수행한 후, 터빈 로터(10)의 균열을 제거하고, 최종 노치 설계에 따라 터빈 로터(10)를 가공할 수 있다.
본 명세서에서는, S150 동작 내지 S170 동작이 집중적으로 설명된다. 사용자는 도 4의 모델링 시스템을 이용하여, S150 동작 내지 S160 동작을 수행할 수 있다. 사용자는 S150 동작 내지 S160 동작을 반복하며, 최종 노치 설계를 결정할 수 있다. 도 4 내지 도 6을 참조하여 사용자가 최종 노치 설계를 결정하는 방법이 구체적으로 설명된다.
도 4는 도 1의 터빈 로터(10)를 모델링하기 위한 모델링 시스템을 보여주는 블록도이다.
사용자는 모델링 시스템(100)을 이용하여 도 1의 터빈 로터(10)를 모델링할 수 있다. 사용자는 모델링된 터빈 로터를 시뮬레이션한 결과에 기초하여, 터빈 로터(10)를 가공 및/수리할 수 있다. 사용자는 시뮬레이션을 통해, 터빈 로터(10)의 수명을 연장하고, 터빈 로터(10)에 추가 균열이 발생하지 않도록 하는 설계를 찾을 수 있다.
모델링 시스템(100)은 모델 생성부(110), 보정부(120) 및 계산부(130)를 포함할 수 있다.
모델 생성부(110)는 터빈 로터(10)를 스캐닝하여 모델링할 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 모델 생성부(110)는 모델 생성부(110)에 입력되는 파라미터들에 기초하여, 터빈 로터(10)를 모델링할 수 있으며, 이외의 다양한 방법을 통해 터빈 로터(10)를 모델링할 수 있다.
모델 생성부(110)는 터빈 로터(10) 뿐만 아니라, 블레이드(20)도 모델링할 수 있다. 모델링된 블레이드는 블레이드 모델로도 표현된다. 터빈 로터(10)는 블레이드(20)가 결합된 구조, 블레이드(20)가 분리된 구조 등 다양한 구조로 모델링될 수 있다. 모델 생성부(110)는 터빈 로터(10)를 2D 또는 3D 형태로 모델링 할 수 있다.
보정부(120)는 모델 생성부(110)에서 생성된 터빈 로터 모델의 고유 진동수를 계산할 수 있다. 보정부(120)는 사용자로부터 블레이드(20)가 결합된 터빈 로터(10)의 고유 진동수에 대한 정보를 입력받을 수 있다. 보정부(120)는 터빈 로터 모델의 고유 진동수와 터빈 로터(10)의 고유 진동수를 비교할 수 있다. 보정부(120)는 터빈 로터 모델의 고유 진동수와 터빈 로터(10)의 고유 진동수가 상이한 경우, 터빈 로터 모델이 터빈 로터(10)의 고유 진동수를 갖도록 터빈 로터 모델을 보정할 수 있다.
보정부(120)는 모델 생성부(110)에서 생성된 터빈 로터 모델의 물성치에 대한 정보를 획득할 수 있다. 보정부(120)는 사용자로부터 터빈 로터(10)의 물성치에 대한 정보를 입력받을 수 있다. 예로서, 터빈 로터(10)의 물성치는 재질, 질량, 밀도 및 포아슨비 등 터빈 로터(10)의 성질을 나타내는 값들을 포함할 수 있다. 보정부(120)는 터빈 로터 모델의 물성치와 터빈 로터(10)의 물성치를 비교할 수 있다. 보정부(120)는 터빈 로터 모델의 물성치와 터빈 로터(10)의 물성치가 상이한 경우, 터빈 로터 모델이 터빈 로터(10)의 물성치를 갖도록 터빈 로터 모델을 보정할 수 있다.
다만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 모델 생성부(110)는 모델 생성시, 터빈 로터(10)의 고유 진동수 및 물성치를 갖도록 터빈 로터 모델을 생성할 수 있다. 이 경우, 터빈 로터 모델이 터빈 로터(10)의 물성치를 갖도록 터빈 로터 모델을 보정하는 과정이 생략될 수 있다.
설계부(130)는 터빈 로터 모델을 기초로, 터빈 로터(10)에 적용될 노치를 설계할 수 있다. 예로서, 설계부(130)는 사용자의 제어 또는 조작에 따라, 노치를 설계할 수 있다. 다른 예로서, 설계부(130)는 사전에 프로그램된 코드에 따라, 노치를 설계할 수도 있다. 또는, 설계부(130)는 사용자로부터 입력되는 노치 설계에 대한 정보를 입력받을 수도 있다.
설계부(130)는 스티플 부(11)의 어느 부분을 어느 정도로 깎을 것인지 등에 대해 설계할 수 있다. 계산부(140) 및 설계 보정부(150)에 의해, 노치 설계만으로는 응력 및 균열 진전이 정해진 안전 기준을 만족하지 않는 것으로 판단되는 경우, 설계부(130)는 블레이드 설계를 계획할 수도 있다. 블레이드 설계는 블레이드(20)의 길이를 조절하는 것과 관련될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 설계에 대한 정보는 사용자로부터 입력될 수도 있다. 설계부(130)는 설계된대로 터빈 로터 모델을 보정할 수 있다. 즉, 설계부(130)는 터빈 로터(10)를 실제로 가공하기 전에, 노치 설계를 터빈 로터 모델에 적용시킬 수 있다.
계산부(130)는 설계부(130)에 의해 보정된 터빈 로터 모델의 응력, 균열 진전, 고유 진동수 등 터빈 로터(10)의 수명에 영향을 미치는 요소들에 대한 값들을 계산할 수 있다. 즉, 계산부(130)는 실제로 터빈 로터(10)를 가공하기 전에, 전산으로 가공된 터빈 로터(10)가 받을 응력, 가공된 터빈 로터(10)의 균열 진전, 고유 진동수 등을 예측할 수 잇다.
사용자는 계산부(130)에 의해 계산된 터빈 로터 모델의 응력, 균열 진전, 고유 진동수 값에 기초하여, 터빈 로터(10)에 노치 설계를 반영하기 전에 노치 설계를 보정할 수 있다. 이하, 계산부(130)에서 이용되는 터빈 로터 모델은 설계부(130)에서 설계된대로 보정된 터빈 로터 모델을 의미한다. 또한, 계산부(130)는 블레이드가 결합된 터빈 로터 모델을 시뮬레이션하여, 터빈 로터(10)의 동작을 해석할 수 있다. 따라서, 이하, 계산부(130)에서 이용되는 터빈 로터 모델은 블레이드가 결합된 터빈 로터 모델인 것으로 가정된다. 블레이드가 결합된 터빈 로터 모델은 "블레이드-터빈 로터 모델"로도 표현된다.
계산부(130)는 사용자로부터 블레이드가 결합된 터빈 로터가 회전할 때 발생하는 회전 원심력에 대한 정보를 입력받을 수 있다. 계산부(130)는 블레이드가 결합된 터빈 로터 모델을 회전시켜, 이 때 발생하는 회전 원심력에 대한 정보를 얻을 수도 있다. 계산부(130)는 블레이드가 결합된 터빈 로터 모델에 회전 원심력을 부여하여, 유한 요소 법(Finite element method)을 통해 터빈 로터(10)가 받을 응력을 계산할 수 있다. 유한 요소 법은 구조물이나 연속체를 해결하기 위한 수치 해석 법 중 하나일 수 있다. 계산부(130)는 터빈 로터 모델을 여러 조각들로 나눈 후 각 조각들의 움직임에 대한 방정식을 만들 수 있다. 계산부(130)는 유한 요소 법을 이용하여, 각 조각들의 움직임에 대한 방정식을 통합하여 터빈 로터 모델의 움직임에 대한 방정식을 생성할 수 있다. 계산부(130)는 터빈 로터 모델의 움직임에 대한 방정식을 수치해석하여, 터빈 로터(10)가 받을 응력을 계산할 수 있다.
계산부(130)는 파괴 역학에 기초하여, 터빈 로터(10)에 대한 균열 진전을 예측할 수 있다. 계산부(130)는 터빈 로터 모델을 시뮬레이션하여, 터빈 로터(10)에 대한 균열 진전을 예측할 수 있다. 예로서, 계산부(130)는 터빈 로터 모델의 균열이 진전하기 시작하는 기준 값과 현재 터빈 로터 모델에 발생한 균열이 처한 상태를 나타내는 특성 값을 비교하여, 균열 진전 여부를 예측할 수 있다.
계산부(130)는 터빈 로터 모델을 시뮬레이션하여, 노치 설계 및 블레이드 설계가 반영된 터빈 로터(10)의 고유 진동수를 예측할 수 있다. 계산부(130)는 터빈 로터 모델을 실제 터빈 로터(10)가 회전하는 속도로 회전시켜, 터빈 로터 모델에 실제 터빈 로터(10)에 작용할 응력이 작용하도록 시뮬레이션 할 수 있다. 계산부(130)는 터빈 로터 모델에 응력이 작용하는 상태에서, 터빈 로터 모델의 고유 진동수를 계산할 수 있다. 즉, 계산부(130)는 터빈 로터 모델에 응력 강성 효과를 적용하여, 보다 정확한 고유 진동수를 얻을 수 있다.
설계 보정부(150)는 계산부(140)에 의해 계산된 응력, 균열 진전 및 고유 진동수에 대한 정보를 획득할 수 있다. 설계 보정부(150)는 예측된 응력, 균열 진전 및 고유 진동수가 안전 기준을 만족하는 경우, 설계부(130)에서 생성된 노치 설계를 보정하지 않을 수 있다. 이 경우, 사용자는 설계부(130)에서 생성된 노치 설계대로 터빈 로터(10)를 가공 및/또는 수리할 수 있다.
설계 보정부(150)는 터빈 로터 모델이 받는 응력이 기준 값보다 낮은 경우 예측된 응력이 안전 기준을 만족하는 것으로 판단할 수 있다. 여기에서 기준 값은 터빈 로터(10)에 균열을 야기할 수 있는 응력의 최소 값일 수 있다. 설계 보정부(150)는 파괴 역학적 해석에 의해 터빈 로터(10)에 균열 진전이 더 이상 진행되지 않을 것으로 판단되는 경우, 균열 진전이 안전 기준을 만족하는 것으로 판단할 수 있다. 설계 보정부(150)는 터빈 로터 모델의 고유 진동수가 터빈 로터(10)의 회전 진동수의 배수와 일치하지 않는 경우, 고유 진동수가 안전 기준을 만족하는 것으로 판단할 수 있다. 예를 들어, 우리나라의 경우, 회전 진동수가 60Hz이므로, 터빈 로터 모델의 고유 진동수가 60Hz의 배수에 해당하지 않는 경우, 고유 진동수가 안전 기준을 만족하는 것으로 판단된다.
설계 보정부(150)는 예측된 응력, 균열 진전 및 고유 진동수가 안전 기준을 만족하지 않는 경우, 설계부(130)에서 생성된 노치 설계 및/또는 블레이드 설계를 수정할 수 있다. 이 경우, 설계 보정부(150)는 수정된 설계대로 보정된 터빈 로터 모델에 대해 안전성을 재평가할 수도 있다. 설계 보정부(150)는 노치 설계 및/또는 블레이드 설계가 안전하다고 평가될 때까지, 노치 설계 및/또는 블레이드 설계를 수정할 수 있다.
스티플 부 중 가장 큰 회전 원심력을 받는 곳이 최종단 스티플 부이므로, 설계부(130), 계산부(140) 및 설계 보정부(150)는 최종단 스티플 부에 대해 상기 동작들을 수행할 수 있다. 모델링 시스템(100)은 최종단 스티플 부에 대한 설계가 안전한 것으로 확인되는 경우, 상기 설계를 나머지 스티플 부에 대해서도 적용할 수 있다. 이 경우, 모델링 시스템(100)은 나머지 스티플 부에 대해서는 설계의 안전성을 확인하는 과정을 생략할 수도 있다.
도 5는 도 1의 터빈 로터(10)를 모델링 하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
S210 동작에서, 모델링 시스템(100)은 도 1의 터빈 로터(10)를 모델링할 수 있다. 모델링 시스템(100)은 터빈 로터(10) 뿐만 아니라, 블레이드(20)도 모델링 할 수 있다.
S220 동작에서, 사용자는 블레이드(20)가 결합된 터빈 로터(10)의 고유 진동수를 측정할 수 있다. 사용자는 터빈 로터(10)를 다양한 속도로 회전시켜, 회전 속도에 따른 터빈 로터(10)의 반응에 기초하여 터빈 로터(10)의 고유 진동수를 측정할 수 있다. 사용자는 블레이드(20)가 결합된 터빈 로터(10)를 회전시켜, 고유 진동수를 측정할 수 있다. 또한, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 사용자는 터빈 로터(10)를 직접 회전시키는 것 이외의 방법을 이용해서 터빈 로터(10)의 고유 진동수를 측정할 수도 있다.
S230 동작에서, 사용자는 터빈 로터(10) 및 블레이드(20)의 물성치를 측정할 수 있다. 예로서, 터빈 로터(10) 및 블레이드(20)의 물성치는 재질, 질량, 밀도 및 포아슨비 등 터빈 로터(10) 및 블레이드(20)의 성질을 나타내는 값들을 포함할 수 있다.
S240 동작에서, 모델링 시스템(100)은 터빈 로터(10)의 특성과 터빈 로터 모델의 특성이 일치하는지 여부를 판단할 수 있다. 모델링 시스템(100)은 사용자로부터 터빈 로터(10) 및 블레이드(20)의 고유 진동수 및 물성치에 대한 정보를 수신할 수 있다. 모델링 시스템(100)은 터빈 로터 모델 및 블레이드 모델의 고유 진동수 및 물성치에 대한 정보를 획득할 수 있다. 모델링 시스템(100)은 터빈 로터(10)의 고유 진동수 및 물성치가 터빈 로터 모델의 고유 진동수 및 물성치와 일치하는지 여부를 판단할 수 있다.
터빈 로터(10)의 특성과 터빈 로터 모델의 특성이 일치하지 않는 경우, S250 동작이 수행된다. S250 동작에서, 모델링 시스템(100)은 터빈 로터 모델의 특성 터빈 로터(10)의 특성과 동일해지도록, 터빈 로터 모델을 보정할 수 있다. 보정을 통해, 터빈 로터 모델을 이용한 시뮬레이션 결과가 실제 결과와 최대한 가까워질 수 있다.
터빈 로터(10)의 특성과 터빈 로터 모델의 특성이 일치하는 경우, S310 동작 내지 S360 동작이 수행된다. 모델링 시스템(100)은 S310 동작 내지 S360 동작을 통해, 터빈 로터(10)에 대한 설계를 세울 수 있다. 도 6을 참조하여 S310 동작 내지 S360 동작이 자세하게 설명된다.
도 6은 도 1의 터빈 로터(10)를 가공하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5를 참조하여 설명된 것처럼, 모델링 시스템(100)은 S210 동작 내지 S250 동작을 통해, 도 1의 터빈 로터(10)를 모델링 할 수 있다.
S310 동작에서, 모델링 시스템(100)은 노치를 설계할 수 있다. 예로서, 모델링 시스템(100)은 스티플 부(11)의 어느 부분을 어느 정도로 깎을 것인지 등에 대해 설계할 수 있다.
S320 동작에서, 모델링 시스템(100)은 S310 동작에서 설계된 대로 터빈 로터 모델을 보정할 수 있다. 모델링 시스템(100)은 S310 동작에서의 설계가 반영된 터빈 로터 모델의 응력 및 균열 진전을 분석할 수 있다.
S330 동작에서, 모델링 시스템(100)은 터빈 로터 모델의 응력 및 균열 진전이 안전 기준을 만족하는지를 평가할 수 있다. 안전 기준은 사용자에 의해 사전에 모델링 시스템(100)에 입력될 수 있다. 안전 기준은 터빈 로터(10)에 추가 균열이 발생하지 않도록 하고, 이미 발생한 균열이 더 진전되지 않도록 하기 위한 기준일 수 있다.
터빈 로터 모델의 응력 및 균열 진전이 안전 기준을 만족하지 않는 경우, S340 동작이 수행된다. S340 동작에서, 모델링 시스템(100)은 노치 설계를 보정하거나, 블레이드(20)를 보정하기 위한 블레이드 설계를 세울 수 있다. 모델링 시스템(100)은 노치 설계에 대한 보정만으로는 터빈 로터 모델의 응력 및 균열 진전이 안전 기준을 만족하지 못할 것으로 판단되는 경우, 블레이드 설계를 세울 수 있다. 블레이드 설계는 블레이드의 길이를 조정하거나, 블레이드의 너비를 변형하는 것과 관련될 수 있다.
터빈 로터 모델의 응력 및 균열 진전이 안전 기준을 만족하는 경우, S350 동작이 수행된다. S350 동작에서, 모델링 시스템(100)은 터빈 로터(10)를 설계대로 보정할 경우, 공명이 발생할지 여부를 예측할 수 있다. 모델링 시스템(100)은 설계대로 보정된 터빈 로터 모델의 고유 진동수와 터빈 로터(10)가 회전될 회전 속도에 따른 회전 진동수가 일치하는지를 비교할 수 있다. 터빈 로터 모델의 고유 진동수와 터빈 로터(10)가 회전될 회전 속도에 따른 회전 진동수의 배수인 경우, 공명이 발생하여, 터빈 로터(10)가 정상적으로 동작하지 못하거나, 파괴될 수 있다.
터빈 로터 모델의 고유 진동수와 회전 진동수가 일치하는 경우, S310 동작이 수행된다.
터빈 로터 모델의 고유 진동수와 회전 진동수가 일치하지 않는 경우, S360 동작이 수행된다. S360 동작에서, 사용자는 S310 동작 및/또는 S340 동작에서 설계된 대로 터빈 로터(10) 및 블레이드(20)를 가공할 수 있다.
도 7은 도 4의 모델링 시스템(100)에 의해 계산된 터빈 로터가 받는 응력을 나타내는 그래프이다.
모델링 시스템(100)은 터빈 로터 모델을 시뮬레이션 하여, 터빈 로터(10)가 받을 응력을 예측할 수 있다. 그래프의 x축은 터빈 로터(10)에 수행되는 작업을 나타내고, 그래프의 y축은 터빈 로터(10)가 받을 응력을 나타낸다. 모델링 시스템(100)은 터빈 로터 모델을 시뮬레이션함으로써 상기 그래프의 값들을 획득할 수 있다.
실선으로 표시된 그래프는 제 1 위치의 스티플 부가 받는 응력을 나타낼 수 있다. 점선으로 표시된 그래프는 제 2 위치의 스티플 부가 받는 응력을 나타낼 수 있다. 제 1 위치의 스티플 부는 최종단 스티플 부이거나, 제 2 위치보다 최종단 스티플 부에 가까운 스티플 부일 수 있다. 그래프를 참조하면, 제 1 위치의 스티플 부가 받는 응력이 제 2 위치의 스티플 부가 받는 응력보다 크다. 이는, 최종단에 가까워질수록 길이가 길고, 무거운 최종단 블레이드가 결합되기 때문이다.
도 7에 도시된 작업은 본 발명에 의한 설계를 적용하는 것을 의미한다. 그래프를 참조하면, 본 발명에 의한 설계가 적용된 후, 제 1 위치의 스티플 부가 받는 응력 및 제 2 위치의 스티플 부가 받는 응력이 저감된다. "작업 전", "작업 후"구간의 응력 값들은 터빈 로터(10)가 통상 회전 속도(예로서, 3600rpm)로 회전할 때 받는 응력을 예측한 것일 수 있다.
초과 속도는 통상 회전 속도(예로서, 3600rpm) 보다 더 빠른 속도를 의미한다. "초과 속도"구간의 응력 값들은 터빈 로터(10)가 통상 회전 속도 보다 빠른 속도로 회전할 때 받는 응력을 예측한 것일 수 있다. 터빈 로터(10)가 초과 속도로 회전하는 경우 발생하는 응력은 터빈 로터(10)가 통상 속도로 회전하는 경우 발생하는 응력보다 클 수 있다.
따라서, 모델링 시스템(100)은 초과 속도로 회전하는 제 1 위치의 스티플 부가 받는 응력이 기준 값을 초과하는지 여부에 따라, 설계의 안전성을 확인할 수 있다. 모델링 시스템(100)은 통상 회전 속도보다 10% 증가한 초과 속도에 대해서 상기 검사를 수행함으로써, 설계의 안정성을 보다 엄격하게 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 터빈 로터(10)와 블레이드(20)의 결합상태를 나타내는 정면도이다.
도 4의 모델링 시스템(100)은 블레이드(20)가 터빈 로터 회전축(C1)의 길이 방향의 중심에 대해 대칭되게 결합되도록 블레이드(20)의 길이를 결정할 수 있다. 모델링 시스템(100)은 블레이드(20)와 터빈 로터(10)의 각 결합 부위(스티플 부(11))에 대해 전술한 설계 동작들을 수행할 수 있다. 모델링 시스템(100)은 예측된 응력이 기준 값 이하이고, 예측된 고유진동수가 회전진동수의 배수와 일치하지 않는 블레이드(20)의 길이 중에서, 블레이드(20)가 터빈 로터 회전축(C1)의 길이방향의 중심에 대해 대칭되게 결합될 수 있는 블레이드(20)의 길이로 결정할 수 있다.
터빈 로터(10)가 회전할 때 터빈 로터 회전축(C1)의 길이 방향의 중심에서 외측으로 풍력이 작용하는데, 중심의 양 측이 대칭되게 형성되지 않으면 어느 한쪽으로 힘이 쏠려 터빈 로터(10)가 추력을 받을 수 있다. 터빈 로터(10)가 추력을 받으면 터빈 로터(10)의 손상이 야기될 수 있으므로, 터빈 로터 회전축(C1)의 길이 방향의 중심에 대해 대칭되도록 블레이드(20)를 결합하는 것이 터빈 로터(10)의 손상을 방지할 수 있는 최적화된 설계일 수 있다.
한편, 도 1 내지 도 8을 참조하여 설명된 모델링 시스템(100) 및 상기 모델링 시스템(100)을 이용하는 수리 방법은 저압증기터빈에 이용되는 대형 터빈 로터에 적용할 때 그 효과가 극대화될 수 있다. 대형 터빈 로터는 제작, 교체 및 수리에 더 많은 비용이 소요될 수 있다. 터빈 로터에 손상이 발생하기 전에 전산을 통해 시뮬레이션하여 터빈 로터의 손상을 방지하거나, 터빈 로터에 손상이 발생한 경우 전체를 교체할 필요없이 수리할 수 있다면, 터빈 로터의 교체 및 수리에 사용되는 비용 및 시간을 크게 절약할 수 있다.
본 발명은 가스 터빈, 증기 터빈, 압축기 및 송풍기 등 모든 회전체에 적용될 수 있다. 또한, 터빈 로터를 긴급하게 정비할 필요가 있거나, 터빈 로터에 돌발 사고가 발생하는 경우, 사용자는 본 발명의 수리 방법을 통해 터빈 로터에 작용하는 응력을 완화시킬 수 있고, 터빈 로터의 균열 진전을 막을 수 있습니다. 따라서, 본 발명의 수리 방법에 의해, 터빈 로터 공급 및 수리에 대한 외산 의존도 및 처리 비용을 낮출 수 있습니다.
상술된 내용은 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시 예들이다. 본 발명은 상술된 실시 예들뿐만 아니라, 단순하게 설계 변경되거나 용이하게 변경할 수 있는 실시 예들 또한 포함할 것이다. 또한, 본 발명은 실시 예들을 이용하여 용이하게 변형하여 실시할 수 있는 기술들도 포함될 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술된 실시 예들에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 가동 중에 손상된 터빈 로터를 수리하기 위한 터빈 로터 수리 방법에 있어서,
    모델링 시스템에 의해, 상기 터빈 로터, 및 상기 터빈 로터에 결합되는 블레이드를 모델링하여 블레이드-터빈 로터 모델을 생성하는 생성 단계;
    상기 모델링 시스템에 의해, 상기 블레이드-터빈 로터 모델에 상기 터빈 로터 및 상기 블레이드 각각의 물성치, 상기 블레이드가 결합된 상기 터빈 로터의 고유 진동수를 반영하는 보정 단계; 및
    상기 모델링 시스템에 의해, 상기 블레이드-터빈 로터 모델에 기초하여, 상기 터빈 로터에 대한 노치 설계를 전산으로 결정하는 결정 단계를 포함하며,
    상기 결정 단계는:
    상기 블레이드-터빈 로터 모델을 시뮬레이션하여, 상기 노치 설계가 적용되는 경우 상기 블레이드가 결합된 상기 터빈 로터가 회전할 때 발생하는 응력 및 균열 진전을 예측하는 예측 단계; 및
    상기 응력 및 상기 균열 진전이 안전 기준을 만족하지 않는 경우, 상기 노치 설계를 수정하는 수정 단계를 포함하는 터빈 로터 수리 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 물성치는 재질, 질량, 밀도 및 포아슨비 중 하나 이상을 포함하는 터빈 로터 수리 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 노치 설계는 상기 터빈 로터 중 상기 블레이드가 결합되는 스티플 부를 어떤 형태로 가공하는지와 관련되는 터빈 로터 수리 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 예측 단계는 상기 모델링 시스템에 의해, 상기 블레이드-터빈 로터 모델에 대한 회전 시뮬레이션을 수행하여 상기 블레이드-터빈 로터 모델이 회전할 때 발생하는 회전 원심력에 대한 정보를 획득하고, 상기 회전 원심력에 기초하여 상기 터빈 로터가 받을 응력을 예측하는 터빈 로터 수리 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 결정 단계는 상기 응력 및 상기 균열 진전이 안전 기준을 만족하지 않는 경우, 상기 블레이드의 길이 또는 너비를 가공하기 위한 블레이드 설계를 전산으로 결정하고,
    상기 예측 단계는 상기 블레이드 설계가 추가로 반영된 상기 블레이드-터빈 로터 모델을 시뮬레이션 하여, 상기 블레이드 설계가 적용되는 경우 상기 블레이드가 결합된 상기 터빈 로터의 고유 진동수를 예측하고,
    상기 수정 단계는 상기 응력, 상기 균열 진전 및 상기 고유 진동수가 상기 안전 기준을 만족하지 않는 경우, 상기 노치 설계 또는 상기 블레이드 설계를 수정하는 터빈 로터 수리 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 예측 단계는 상기 모델링 시스템에 의해, 상기 블레이드-터빈 로터 모델을 이용하여, 상기 응력이 작용하는 동안의 상기 블레이드가 결합된 상기 터빈 로터의 고유 진동수를 예측하는 터빈 로터 수리 방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 수정 단계는 상기 응력이 기준 값 이하이고, 상기 균열 진전이 더 이상 진행되지 않고, 상기 고유 진동수가 상기 터빈 로터가 회전하는 속도에 따른 회전 진동수의 배수와 일치하지 않는 경우, 상기 응력, 상기 균열 진전 및 상기 고유 진동수가 상기 안전 기준을 만족하는 것으로 판단하고,
    상기 기준 값은 상기 터빈 로터에 균열을 야기하는 응력의 최소 값인 터빈 로터 수리 방법.
  8. 가동 중에 손상된 터빈 로터를 수리하기 위한 모델링 시스템에 있어서,
    터빈 로터 및 상기 터빈 로터에 결합되는 블레이드를 스캔하여, 블레이드-터빈 로터 모델을 생성하는 모델 생성부;
    상기 터빈 로터 및 상기 블레이드 각각의 물성치, 상기 블레이드가 결합된 상기 터빈 로터의 고유 진동수를 상기 블레이드-터빈 로터 모델에 반영하는 모델 보정부;
    상기 블레이드-터빈 로터 모델에 기초하여, 상기 터빈 로터에 대한 노치 설계를 결정하는 설계부; 및
    상기 노치 설계가 적용된 상기 블레이드-터빈 로터 모델을 시뮬레이션하여, 상기 노치 설계가 적용되는 경우 상기 블레이드가 결합된 상기 터빈 로터가 회전할 때 발생하는 응력 및 균열 진전을 계산하는 계산부를 포함하되,
    상기 설계부는 상기 응력 및 상기 균열 진전이 안전 기준을 만족하지 않는 경우, 상기 응력 및 상기 균열 진전이 저감되도록 상기 블레이드를 가공하기 위한 블레이드 설계를 결정하는 모델링 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 계산부는 상기 블레이드 설계가 추가로 적용된 상기 블레이드-터빈 로터 모델을 시뮬레이션하여, 상기 블레이드 설계가 적용되는 경우 상기 블레이드가 결합된 상기 터빈 로터의 고유 진동수를 계산하고,
    상기 고유 진동수가 상기 터빈 로터가 회전하는 속도에 따른 회전 진동수의 배수와 일치하는 경우, 상기 블레이드 설계를 수정하는 설계 보정부를 더 포함하는 모델링 시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 계산부는 유한 요소법을 통해 상기 응력을 계산하는 모델링 시스템.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 계산부는 파괴 역학에 기초하여 상기 균열 진전을 예측하는 모델링 시스템.
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