KR102654746B1 - 가스터빈의 블레이드 검사장치 - Google Patents

가스터빈의 블레이드 검사장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는 발전용 가스터빈의 로터에 체결된 블레이드 내부 유로에서의 결함을 전기 역학적 임피던스(EMI)기반으로 신속하고 용이하게 검출할 수 있는 가스터빈의 블레이드 검사장치를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈의 블레이드 검사장치는 가스터빈의 로터에 결합되는 블레이드의 일면에 접촉하여 전기 역학적 임피던스 방법을 이용하여 미리 설정된 일정한 경계조건하에서 블레이드 포인트마다 임피던스 값을 측정하고, 로터의 가진에 대응하는 임피던스 차이를 검출하여 해당되는 임피던스 검출값을 발생하는 검출부, 검출부의 이동력을 발생하는 구동부, 그리고 가이드봉 형상을 갖고 구동부에 일측이 축 연결되고 타측에 검출부가 결합되며, 구동부의 구동에 연동되어 검출부의 축 방향 이동을 안내하는 종동부를 포함한다.

Description

가스터빈의 블레이드 검사장치{BLADE INSPECTION DEVICE OF GAS TURBINE}
본 발명은 가스터빈의 블레이드 검사장치에 관한 것이다.
발전용 가스터빈의 로터에 체결된 블레이드의 검사는 크게 2가지 상황에 따라 검사한다. 첫 번째는 로터에서 블레이드를 분리해서 검사하는 경우이고, 두 번째는 로터에 블레이드가 체결된 상태에서 검사하는 경우이다. 로터에서 블레이드를 분리해서 전수 검사하는 경우는 블레이드의 특별한 결함이 있거나, 정해진 A급 계획예방정비 기간에 진행한다.
다음으로 로터에 블레이드가 체결된 상태에서의 검사는 계획예방정비 기간에 일반적인 정비점검으로 로터에 체결된 블레이드 검사에서 결함이 발견되었을 경우 로터에서 블레이드를 분해하여 정밀 검사한다. 이처럼 블레이드가 로터에 체결된 상태에서 결함을 검사하는 것이 계획예방정비기간 정비점검에 매우 중요한 요소이다.
한편, 블레이드가 로터에 체결된 상태에서의 블레이드 검사는 액체 침투 탐상 검사(Liquid Penetrant Examination), 와전류검사(Eddy Current Test), 초음파 탐상검사(Ultrasonic Testing)를 포함한다.
그런데, 종래기술에 따른 가스터빈의 로터에 체결된 블레이드 검사방법은 검사 범위가 국한되고, 검사자의 기량차이에 의해서 그 결과 값이 불분명하다. 또한, 가스터빈의 로터에 체결된 블레이드의 경우 내부와 외부로 블레이드 냉각을 위한 냉각홀을 가지고 있어, 블레이드 내부 유로에서의 결함이 발생되는데 이러한 블레이드의 결함을 검사할 수 있는 기술개발이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 발전용 가스터빈의 로터에 체결된 블레이드 내부 유로에서의 결함을 전기 역학적 임피던스(EMI)기반으로 신속하고 용이하게 검출할 수 있는 가스터빈의 블레이드 검사장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 가스터빈의 블레이드 검사장치는 가스터빈의 로터에 결합되는 블레이드의 일면에 접촉하여 전기 역학적 임피던스(EMI)방법을 이용하여 미리 설정된 일정한 경계조건하에서 블레이드 포인트마다 임피던스 값을 측정하고, 로터의 가진에 대응하는 임피던스 차이를 검출하여 해당되는 임피던스 검출값을 발생하는 검출부, 검출부의 이동력을 발생하는 구동부, 그리고 가이드봉 형상을 갖고 구동부에 일측이 축 연결되고 타측에 검출부가 결합되며, 구동부의 구동에 연동되어 검출부의 축 방향 이동을 안내하는 종동부를 포함한다.
검출부는 블레이드의 형상에 대응하여 구비되며, 블레이드의 응답파를 전달하는 접촉 매질, 가진되는 에너지를 접촉 매질을 통해 블레이드로 전달하고 블레이드의 응답파를 전달받는 압전재료, 압전재료의 가진과 응답성을 고려하여 형성되어 후면 반사파를 제거하는 백킹 에폭시, 압전재료의 일면을 그라운드(ground)로 유지하는 전도성링, 일측은 압전재료와 전기적으로 연결되고 타측은 전선과 전기적으로 연결되어 데이터 수집부(DAQ ; Data Acquisition)에서 발생하는 신호를 압전재료에 전달하는 매칭부, 그리고 블레이드와 검출부가 접촉하는 접촉압력을 측정하는 로드셀을 포함할 수 있다.
종동부에 결합되어 구동부와 검출부의 사이에 구비되며, 검출부의 일측이 블레이드의 일면에 접촉할 때 접촉위치를 안내하는 가이드부를 더 포함할 수 있다.
가이드부는 가이드 레이저를 포함하며, 가이드 레이저의 포인트로 측정지점을 확인하고 구동부의 구동으로 검출부를 블레이드의 측정지점에 미리 설정된 접촉압력으로 접촉할 수 있다.
로드셀에 의해서 측정된 접촉압력이 미리 설정된 일정값이 되면 구동부의 기동은 중지될 수 있다.
구동부는 서브모터를 포함하며, 검출부로부터 입력되는 임피던스 검출값을 분석하여 미리 설정된 일정 값의 접촉압력을 지지할 수 있다.
체결이 간편한 검출부를 블레이드에 접촉하여 전기 역학적 임피던스(EMI)를 측정함으로써 블레이드의 임피던스 값을 용이하게 측정할 수 있고, 측정신호를 분석하여 블레이드의 내부와 외부 결함 유무를 블레이드 당 짧은 측정시간으로 신속하게 검사할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈의 블레이드 검사장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈의 블레이드 검사장치를 이용한 블레이드 검사상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3과 도 4는 EMI 상태진단 결과를 예시한 도면이다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈의 블레이드 검사장치를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈의 블레이드 검사장치를 이용한 블레이드 검사상태를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 3은 EMI 상태진단 결과를 예시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈의 블레이드 검사장치는 검출부(1), 구동부(4), 종동부(3)를 포함하며, 발전용 가스터빈의 로터(100)에 체결된 블레이드(110) 내부 유로에서의 결함을 용이하게 검사할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가스터빈의 블레이드 검사장치는 EMI(Electro-Mechanical Impedance)방법을 이용한 로터 체결 블레이드 검사장치이다. 발전소 계획예방정비 기간에는 블레이드(110)가 체결된 로터(100)를 하우징에서 분리하여 정비하게 되는데, 회전 선반에 안착된 로터(100)에 체결된 블레이드(110)를 대상으로 검사할 수 있다.
검출부(1)는 가스터빈의 로터(100)에 결합되는 블레이드(110)의 일면에 접촉하여 전기 역학적 임피던스(EMI ; Electro-Mechanical Impedance)방법을 이용하여 미리 설정된 일정한 경계조건하에서 블레이드 포인트마다 임피던스(Impedance) 값을 측정하고, 로터(100)의 가진에 대응하는 임피던스 차이를 검출하여 해당되는 임피던스 검출값을 발생한다. 검출부(1)는 블레이드(110)에 접촉하여 로터(100)를 가진하고 그 결과에 따르는 임피던스 차이를 분석하는 검사센서 기능을 한다.
구동부(4)는 검출부의 이동력을 발생한다. 구동부(4)는 서브모터를 포함하며, 검출부(1)로부터 입력되는 임피던스 검출값을 분석하여 미리 설정된 일정 값의 접촉압력을 지지한다.
종동부(3)는 가이드봉 형상을 갖고 구동부(4)에 일측이 축 연결되고 타측에 검출부(1)가 결합되며, 구동부(4)의 구동에 연동되어 검출부의 축 방향 이동을 안내한다.
본 발명의 실시예에 따른 가스터빈의 블레이드 검사장치는 종동부(3)에 결합되어 구동부(4)와 검출부(1)의 사이에 구비되며, 검출부(1)의 일측이 블레이드(110)의 일면에 접촉할 때 접촉위치를 안내하는 가이드부(2)를 더 포함한다.
가이드부(2)는 가이드 레이저를 포함하며, 가이드 레이저의 포인트로 측정지점을 확인하고 구동부(4)의 구동으로 검출부(1)를 블레이드(110)의 측정지점에 미리 설정된 접촉압력으로 접촉한다. 가이드부(2)는 가이드 레이저로 최초 검출부(1)가 블레이드(110)에 접촉할 때 접촉위치를 가늠하는 센서 기능을 한다.
한편, 로터(100)의 양쪽 끝단에 설치된 회전모터로 로터(100)를 회전시키며 블레이드 포인트 마다 데이터를 취득하여 분석장비로 분석할 수 있다. 여기서, 분석장비는 가이드부(2)로 측정지점을 확인하고 구동부(4)를 구동하여 검출부(1)의 접촉 매질(5)을 블레이드(110)에 접촉시키는 일련의 제어동작을 수행한다. 블레이드(110)에 접촉되는 압력은 검출부(1)에 의해서 측정 값이 계산되고 일정 값이 되면 구동부(4)의 기동은 중지할 수 있다. 결과적으로 일정한 경계조건 하에서 블레이드 포인트 마다 임피던스 값을 측정하고, 이를 이용하여 블레이드(110)의 표면 결함 유무 결과를 분석할 수 있다.
분석장비는 검출부(1)로부터 공급되는 블레이드(110) 내부와 외부 결함 유무 상태신호를 분석하여 블레이드(110) 내부와 외부 결함 유무 검사와 관련된 전반적인 제어동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 분석장비는 미리 설정된 블레이드(110) 내부와 외부 결함 유무 검사 제어조건에 따라 구동부(4)의 구동과 검출부(1)의 블레이드(110) 내부와 외부 결함 유무 검사 관련 제어동작을 제어할 수 있다. 분석장비는 타이머를 포함할 수 있다.
분석장비는 정보 처리 장치의 프로세서에 의하여 연산, 처리 등이 되는 것으로, 컴퓨터에서 특정한 기능을 수행하는 프로그램의 논리적인 일부분을 뜻하며, 소프트웨어, 하드웨어 등으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 정보 처리 장치는 퍼스널 컴퓨터(personal computer), 핸드헬드 컴퓨터(handheld computer), PDA(personal digital assistant), PLC(programmable logic controller), 휴대폰, 스마트 기기, 태블릿(tablet) 등이 있다. 예를 들어, 분석장비는 컴퓨터 또는 PLC에 블레이드(110) 내부와 외부 결함 유무 검사와 관련된 프로그램이 프로그래밍되어 블레이드(110) 내부와 외부 결함 유무 검사와 관련된 전반적인 제어동작을 수행하도록 운영될 수 있다.
분석장비는 블레이드(110) 내부와 외부 결함 유무 검사와 관련된 데이터를 저장하는 메모리를 별도로 구비할 수 있다. 메모리는 블레이드(110) 내부와 외부 결함 유무 검사와 관련된 프로그램 제어 및 정보 처리, 관련 데이터와 프로그램을 저장하는 장치로, 고속 랜덤 액세스 메모리(high-speed random access memory), 자기 디스크 저장 장치, 플래시 메모리 장치, 기타 비휘발성 고체 상태 메모리 장치(non-volatile solid-state memory device) 등의 비휘발성 메모리 등 다양한 종류의 메모리를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리에는 블레이드(110) 내부와 외부 결함 유무 검사에 대한 기준값이 설정되어 저장될 수 있다.
도 1과 도 2를 참조하면, 검출부(1)는 접촉 매질(5), 압전재료(6), 백킹 에폭시(7, Backing Epoxy), 전도성링(8), 매칭부(9), 로드셀(10)을 포함하며, 전기 역학적 임피던스(EMI ; Electro-Mechanical Impedance)를 이용하여 로터에 체결된 블레이드(110) 내부와 외부 결함 유무를 검사할 수 있다.
접촉 매질(5)은 블레이드(110)의 형상에 대응하여 구비되며, 블레이드(110)의 응답파를 전달한다.
압전재료(6)는 가진되는 에너지를 접촉 매질(5)을 통해 블레이드(110)로 전달하고 블레이드(110)의 응답파를 전달받는 압전센서를 포함한다. 압전재료(6)는 블레이드(110)의 사이즈와 크기를 고려하여, 재질과 크기를 설정할 수 있다.
백킹 에폭시(7)는 압전재료(6)의 가진과 응답성을 고려하여 형성되어 후면 반사파를 제거한다.
전도성링(8)은 압전재료(6)의 일면을 그라운드(ground)로 유지한다.
매칭부(9)는 일측은 압전재료(6)와 전기적으로 연결되고 타측은 전선과 전기적으로 연결되어 데이터 수집부(DAQ ; Data Acquisition)에서 발생하는 신호를 압전재료(6)에 전달한다.
로드셀(10)은 블레이드(110)와 검출부(1)가 접촉하는 접촉압력을 측정한다. 로드셀(10)에 의해서 측정된 접촉압력이 미리 설정된 일정값이 되면 구동부(4)의 기동은 중지된다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 가스터빈의 블레이드 검사장치를 이용하면, 로터(100)에 체결된 블레이드(110)를 전기 역학적 임피던스(EMI ; Electro-Mechanical Impedance)를 이용하여 블레이드(110) 내부와 외부 결함 유무를 판단할 수 있다. 전기 역학적 임피던스(EMI)기반의 블레이드 손상평가는 압전방식을 이용하여 블레이드(110)를 가진하고 동시에 그 블레이드(110)의 전기적 임피던스와 역학적 임피던스의 변화를 검사할 수 있다. 이때, 블레이드(110)의 임피던스(Zs)는 압전재료(6)의 임피던스(Za)가 되며 압전재료(6)와 블레이드(110)의 상호 연계된 전기적 임피던스 값은 미리 설정된 식으로 산출될 수 있다. 결과적으로 본 발명의 실시예에 따른 검출부(1)를 블레이드(110)에 접촉하여 전기 역학적 임피던스(EMI)를 측정하면, 블레이드(110)의 임피던스(Zs)값을 측정할 수 있고, 측정신호를 분석하면 블레이드(110)의 내부와 외부 결함 유무를 판단할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 검출부(1)로 블레이드(110)를 검사할 경우 체결이 간편하고 블레이드(110)당 측정시간이 5분 이내로 짧기 때문에 신속하게 블레이드(110)의 결함 유무를 판단할 수 있다. 결과적으로 얻게 되는 최종 결과는 도 3과 도 4에 도시한 바와 같이 나타나게 되며 추후 결과데이터를 분석하여, 블레이드(110) 내부와 외부 결함 유무, 구속조건 상태 등을 판단하는 용도로 활용할 수 있다. 본 발명의 실시예는 정부과제 ‘F(1350'C)급 이상 가스터빈 블레이드 시제품 성능 검증기술개발’와 관련하여 국산 개발되는 가스터빈 블레이드를 대상으로 데이터를 축적하여 국산 터빈 블레이드 유지 보수 및 안정성 제고에 기여할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 여기에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 다양하게 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이것도 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1 ; 검출부 2 ; 가이드부
3 ; 종동부 4 ; 구동부
5 ; 접촉 매질 6 ; 압전재료
7 ; 백킹 에폭시 8 ; 전도성링
9 ; 매칭부 10 ;로드셀
100 ; 로터 110 ; 블레이드

Claims (9)

  1. 가스터빈의 로터에 결합되는 블레이드의 일면에 접촉하여 전기 역학적 임피던스(EMI ; Electro-Mechanical Impedance)방법을 이용하여 미리 설정된 일정한 경계조건하에서 블레이드 포인트마다 임피던스(Impedance) 값을 측정하고, 상기 로터의 가진에 대응하는 임피던스 차이를 검출하여 해당되는 임피던스 검출값을 발생하며, 상기 블레이드의 전기적 임피던스와 역학적 임피던스의 변화를 검사하여 상기 블레이드의 내부와 외부 결함 유무 상태신호를 발생하는 검출부,
    상기 검출부의 이동력을 발생하는 구동부, 그리고
    가이드봉 형상을 갖고 상기 구동부에 일측이 축 연결되고 타측에 상기 검출부가 결합되며, 상기 구동부의 구동에 연동되어 상기 검출부의 축 방향 이동을 안내하는 종동부
    를 포함하며,
    상기 검출부는
    상기 블레이드의 형상에 대응하여 구비되며, 상기 블레이드의 응답파를 전달하는 접촉 매질,
    가진되는 에너지를 상기 접촉 매질을 통해 상기 블레이드로 전달하고 상기 블레이드의 응답파를 전달받는 압전재료,
    일측은 상기 압전재료와 전기적으로 연결되고 타측은 전선과 전기적으로 연결되어 데이터 수집부(DAQ ; Data Acquisition)에서 발생하는 신호를 상기 압전재료에 전달하는 매칭부,
    상기 압전재료의 가진과 응답성을 고려하여 형성되어 후면 반사파를 제거하는 백킹 에폭시,
    상기 압전재료의 일면을 그라운드(ground)로 유지하는 전도성링, 그리고
    상기 블레이드와 상기 검출부가 접촉하는 접촉압력을 측정하는 로드셀
    을 포함하며,
    가이드부로 측정지점을 확인하고 상기 구동부를 구동하여 상기 검출부의 상기 접촉 매질을 상기 블레이드에 접촉시키는 일련의 제어동작을 수행하며, 블레이드 포인트 마다 임피던스 값을 측정하고, 이를 이용하여 상기 블레이드의 표면 결함 유무 결과를 분석하는 분석장비를 더 포함하고,
    상기 블레이드의 임피던스(Zs)는 상기 압전재료의 임피던스(Za)가 되며 상기 압전재료와 상기 블레이드의 상호 연계된 전기적 임피던스 값은 미리 설정된 식으로 산출되므로, 상기 검출부를 상기 블레이드에 접촉하여 전기 역학적 임피던스(EMI)를 측정하고, 상기 블레이드의 임피던스(Zs)값을 분석하여 상기 블레이드의 내부와 외부 결함 유무를 판단하는 가스터빈의 블레이드 검사장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에서,
    상기 로드셀에 의해서 측정된 접촉압력이 미리 설정된 일정값이 되면 상기 구동부의 기동은 중지되는 가스터빈의 블레이드 검사장치.
  7. 제6항에서,
    상기 구동부는 서브모터를 포함하며, 상기 검출부로부터 입력되는 임피던스 검출값을 분석하여 미리 설정된 일정 값의 접촉압력을 지지하는 가스터빈의 블레이드 검사장치.
  8. 제1항에서,
    상기 가이드부는 상기 종동부에 결합되어 상기 구동부와 상기 검출부의 사이에 구비되며, 상기 검출부의 일측이 상기 블레이드의 일면에 접촉할 때 접촉위치를 안내하는 것을 특징으로 하는 가스터빈의 블레이드 검사장치.
  9. 제8항에서,
    상기 가이드부는 가이드 레이저를 포함하며,
    상기 가이드 레이저의 포인트로 측정지점을 확인하고 상기 구동부의 구동으로 상기 검출부를 상기 블레이드의 측정지점에 미리 설정된 접촉압력으로 접촉하는 가스터빈의 블레이드 검사장치.
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