핵발전소의 비상 전력 디젤 엔진에 대한 실험적 스트레스 분석

핵 발전소는 일반적으로 비상 전력으로 디젤 발전기 세트에 의존하는데, 이는 선박 추진 체로써, 오랜 기간 동안의 높은 신뢰성을 보여주었기 때문입니다. 비상 발전기 세트로써, 수초 내에 작동할 준비가 반듯이 되어 있어야 하고, 그런 뒤에, 일정 속도로 운영 되어야 하는데, 이는 직접 결합된 발전기를 구동하기 위함입니다.

문제점

핵 발전소는 일반적으로 비상 전력으로 디젤 발전기 세트에 의존하는데, 이는 선박 추진 체로써, 오랜 기간 동안의 높은 신뢰성을 보여주었기 때문입니다. 비상 발전기 세트로써, 수초 내에 작동할 준비가 반듯이 되어 있어야 하고, 그런 뒤에, 일정 속도로 운영 되어야 하는데, 이는 직접 연결된 발전기를 구동하기 위함입니다.
한 대의 그러한 비상 디젤 엔진(20개의 실린더, 출력)이 연래 정기 점검일 때, 손상된 밀대(push-rod)는 밸브 액추에이터의 배기 및 흡입에서 발견 됩니다. 비슷한 고장은 몇 년 전에도 발생 했었고, 단순 고장으로 판단 되었습니다.
밀대(push-rod)는 실린더 모양의 파이프로 750 mm 길이에, 양 끝이 구 형태의 머리 형태입니다. 벨브 레버(valve lever) 및 로커 암(rocker arm) 사이의 절반인 쉘(shell)에 유연하게 장착 되있습니다. 절반인 쉘(shell)에서 밀대(push-rod)가 매끄럽게 움직이게 하기 위해서, 벨브 레버(valve lever)가 영구적인 윤활을 보장하여야 합니다.

압축 부하에 영향을 받는 컴포넌트가 휨 진동에 의해 손상 된다는 것에 대한 질문이 결함이 처음 발생했을 때 제기 되었습니다. 그 당시에 결함의 재발을 방지하기 위해 취해진 조치는 방사형 런-아웃(radial run-out)에 대해 태핏을 시험 하는 것이 였는데, 가늘고 완전히 곧지도 않은 막대로 인해, 좌굴 응력(挫屈應力)이 가능성 있는 원인으로 보였습니다. 향후에, 오직 0.1 mm 이하의 동심 런-아웃(concentric run-out) 공차만이 사용 되었습니다. 같은 결함이 재발 된 것은, 이제 분명한 설명이 필요하다는 것을 의미 합니다. 이 결함(태핏 균열)은 거의 태핏의 중앙에서 발생합니다. 야금학적인 조사는 상당히 많은 수의 진동 로드 사이클이 발생한다는 것을 지적 하였습니다.

4행정 엔진에서, 캠축은 절반의 속도로 회전합니다. 1500 rpm에서, 이는 12.5 Hz의 반복 주파수에서 태핏(tappet)의 역동적 여기(勵起, excitation)를 의미 하니다. 생산업자는 고유 휨 주파수가 100 Hz 이상이라고 하는데, 이는 다시말해, 너무 많이 이동 했고, 공진 여기(resonance excitation)에서 나왔다는 것입니다.

측정 프로그램

프로그램은 다음의 실험 절차로 이어집니다:
 
1. 태핏(tappet)의 고유 주파수를 설정하기. 고유 주파수는 115 Hz에서 펄스 모양 여기(勵起, excitation)로 정의 되었습니다. 이 벨브는, 고유 휨 주파수의 근원 분석에 잘 맞습니다.

 
2. 전기 스트레인 게이지(strain gages (SGs))로 두개의 시험 시료 준비하기 및 디젤 엔진이 작동하기 시작하여 온라인이 되어 여러 출력 레벨에 이를 때, 부하 측정 하기.
다음의 설명은 밸브 기어를 통한 단면 및 개별 스트래인 게이지의 위치를 보여 줍니다:

첫째, 중요한 측정 기술 정보는 아래와 같습니다:

• 설비 정지 동안에, 스트레인 게이지(strain gages)로 준비된 태핏(tappet)을 장착 하기
• 준비된 밸브 커버를 통해 신호 케이블을 설치하기
• 밸브 기어의 바깥측 개별 스트래인 게이지를 절반 브릿지(bridge)로 추가 보충하기.
• 반송 주파수 증폭기로 연결하기.
• 출력 및 속도에 관한 동작 변수 포함하기.
• 디젤 제어 스테이션 가까운 곳에서 디지털 화하기 및 데이터 수집
 
부하를 측정하기 위해, 두개의 태핏(tappet)은 HBM의 type K-LY41-3/120 strain gages가 장착 되었습니다. 90 °각도로 길이방향으로 퍼져 있는 4 개의 스트래인 게이지가 Z70 접착제(Z70 adhesive)로 각각의 태핏(tappet)의 중앙에 적용 됩니다. K-LY41 스트래인 게이지는 이미 테프론으로 절연된 케이블로 연력이 되어있고, 이는 준비된 밸브 커버로부터 가져 오기에 충분한 길이 입니다. 측정 포인트는 밀봉된 플라스틱 투브로 보호됩니다. 역동적인 스트래인 만이 관심이 되기에, 단순한 2-와이어 회로가 사용 되며, 추가적인 더미 저항을 사용합니다. 개별적인 스트래인 신호를 사용하는 것, 이는 가산 연산으로 축방향 스트래스 및 힘을 정의 하는 것과 차등 연산에 의한 휨 스트래인을 정의 하는 것을 가능하게 하고, 이것에서 유도하여, 최대 휨 진동의 방향을 포함하여, 힘 스트래스 및 모멘트를 정의 하는 것이 가능합니다. 요구되는 계산은 아래에서 보는 바와 같습니다.

1. 법선력(法線力, Normal force) Fz

2. 휨 모멘트 Mx

3. 휨 모멘트 My
 

교정

측정 체인은 태핏 중앙에 정확하게 알려진 개별적인 부하(무게 10 kg)을 적용하여 교정 되는데, 이는 양끝에 유연하게 장착 되어 있습니다. 자신의 무게로 인한 라인 부하를 더하여 중앙의 개별 부하에 의한 휨에, 가로 태핏은 스트래스가 가해 집니다. 지지(支持) 상의 태핏 스피닝은 중심 축에서 교차적인 휨 스트래인을 유발 했습니다. 기하학과 물질의 법칙에 따라 기대 값으로 측정 값을 비교하는 것은 단지 0.5 % 편차가 발생 하였습니다 (그림 2, Vtarget, Vactual 참조). 

 

그림. 2: 측정 포인트 교정 도표

측정 및 분석

실험실에서 준비된 두 개의 태핏은 비상 전력용 디젤 엔진의 다른 실린더에 설치 되었습니다. 두 개의 교체 밸브 커버는 구멍과 크기가 맞고, 4개의 중심 쌍(core pair)을 통하여, 측정 포인트는 하프-브릿지(to half bridge)에 추가 됩니다.
밸브 태핏은 볼 컵(ball cup)에서 회전 할 수 있습니다. 비록 이것이 바람직 하지만, 이를 강제적으로 회전하게 만드는 메커니즘은 없습니다. 원격 측정 신호 전송은 연속적인 측정 또는 더 길어질 측정 기간에 맞게 설치 되어 야만 합니다. 이러한 전체적인 소모는 필요해 보이지는 않으며, 더 짧은 가동 시간으로, 고려할만한 몇가지의 태핏 회전이 있습니다. 연결 선은 나선으로 감기고 적절한 길이가 됩니다.

 약 25 m 정도 떨어져, 측정 포인트는 반송 주파수 증폭기에 연결 되었고, 신호는 데이터 수집 시스템(샘플링 레이트 2 kHz)에 기록 되었습니다. 시작 초기에, 디젤 엔진은, 압축 공기가 트리거를 거는 턴오버 메커니즘으로 시동이 되었습니다. 이러한 늦은 회선에서의 측정은, 벨브 스프링에서의 태핏 상의 순수 부하를 보여 줍니다 (그림 3).

 

그림. 3: 터닝 모드에서 압축 공기로 작동되는 엔진의 초기 턴오버에 대한 시간 상의 평균 축 스트레인

다이얼 게이지로 이전에 측정된 고정 스프링 힘을 가진 축 방향 힘을 비교함으로써, 측정은 다시 점검할 수 있습니다. 아래의 그림4는 디젤 엔진의 실제 부하 곡선 및 최대 스트레인의 변동 범위를 보여 줍니다.

그림. 4: 개별 스트래인의 가변 범위의 파동

운영 되는 동안, 케이블을 인입하는 곳에서, 태핏이 천천히 회전 하는데 이는 다른 것보다 조금 더 빠른 것을 쉽게 볼 수 있습니다. 이는 휨 스트레인의 교차하는 오름과 내림에서 볼 수 있습니다. 그림4를 참조. 이는 휨 진동이 태핏에 관련하여 고정된 방향이 없음을 보여 줍니다. 그러나, 기계에 관련하여서는 간섭을 받을 수 있습니다. 이는 단지 가능성이 있다는 것으로 여기는데, 왜냐하면, 거기서 기준 표시 발생기(generator)가 태핏 각도에 맞게 설치가 되어 있지 않기 때문입니다. 태핏의 불균등에서오는 좌굴 응력(挫屈應力)이 휨 진동의 원인이 아니라는 것은 또한 명확 합니다.
예상대로, 태핏 힘은 엔진력에 확실히 의존적인 것을 보여주는데, 이는 실린더의 압력이 벨브에 영향을 주고, 또한 스프링 힘에 영향을 주기 때문입니다.

아래에서, 그림5는 정지 부분 부하 운영(stationary partial load running) 동안에 하이-패스-필터링된 휨 스트레인의 확대된 단면을 보여 줍니다.

그림. 5: 고정 가동 동안에 야 쪽 태핏에서의 휨 스트래인

 휨 진동은 약 115 Hz에서, 고유 주파수가 매우 활성화 되는 것을 보여 줍니다.
엔진 감속 분광 스펙트럼(그림6)은 더 높은 조화파가 속도에 관련된 이 주파수를 활성화 시키는 것을 보여 줍니다.

매우 흥미로운 것은 더 높은 조화파에서 높은 휨 스트레인 입니다. 이는 분명히 9번째 조화파에서 뚜렷하게 보입니다.

그림. 6: 엔진 감속 동안, 휨 스트래인의 분광사진

엔진 감속에서, 그림 7은 느린 가동 사이틀을 보여줍니다

 
그림. 7: 축 및 휨 스트래인에 관련한 가동 사이클의 분석

지속 사이클 T는 대략 다음과 같이 나뉘는 데, 열기(opening)에 T/4, 닫기(closing)에 T/4, 그리고 수동적인 단계에 T/2입니다. 능동적 탄계의 T/2에서, 축 방향 힘이 다른 스프링들의 액츄에이션(actuation)에 따라 오르고 떨어 집니다. 휨 스트레인으로, 최대 힘 및 운동 반전의 시간대에 우세한 휨 스트레스에서 뚜렷한 변화가 있습니다. 이에 대한 설명은 다음과 같습니다. 이 운동은 태핏과 록커 암(rocker arm) 사이의 각도를 변하게 하는데, 볼 컵(ball cup)에서 마찰 토크를 유발 합니다. 위로 향하는 것에서 아래로 방향이 바뀌는 것은 마찰 토크의 방향을 바꿉니다.

이들 단계 모두에서, 더 높은 주파수 오실레이션은 휨 스트레인과 겹치게 됩니다. 이는 115 Hz에서의 공진 진동 인데, 힘 펄스 및 베어링에서의 불안정한 마찰로 활성과 되었습니다.
위로 향하는 것에서 아래로 방향이 바뀌는 것은 마찰 토크의 방향을 매우 빨리 바꿉니다. 캠샤프트에서 캠의 모양에서, 회전의 360 °로, 각도의 일부에서 변화가 일어나고, 이것이 9번째 조화파의 도미넌스(dominance)를 야기 한다는 것을 추정 할 수 있습니다.
1500 rpm의 일반적인 운영에서, 이는, 그림7에서 보여진 것 보다 훨신 더 짤은 기간 인데, 휨 모멘트에서 변화의 가파른 끝(steep edge)은 공진 진동의 에너지를 동기화 합니다.

요약 및 전망

측정은 부하 메커니즘을 명확하게 하는 것을 가능하게 합니다. 록커 암(rocker arm)을 가진 기계는 추측된 불연속성의 태핏이 아니라, 휨 진동의 방향을 규정 합니다.
레밸 및 주파수에 의한 진동 부하의 평가는, 본래의 재료로써, 지속적으로 부하를 거는 것이 어떤 상태에 도달 하는 것이 가능하고 태핏이 때때로 고장이 난다는 것을 보여 줍니다.
해결책은 더 좋은 품질의 재료로 태핏을 제작하는 것입니다.