고유 주파수, 진동 모드 형상, 동적 변형률을 비접촉 방식으로 측정하고 3D 모델에 직접 표시합니다.
레이저 도플러 진동계를 통해 Optomet은 터빈 및 압축기 블레이드의 진동을 정확하게 비접촉 방식으로 측정하며, 다양한 부하 및 온도 조건에서도 측정이 가능합니다. SMART 시리즈 제품을 사용하면 1축 또는 3축 방향의 움직임을 측정할 수 있습니다. 여러 각도에서 측정하여 터빈 블레이드 전체를 파악하고, 결과를 3D 모델에 직접 표시합니다. 이 보고서는 터빈 블레이드의 측정 과정을 소개하고, 측정 데이터를 진동 모드 형상 분석, 시뮬레이션과의 비교, 부품 검사에 활용하는 방법을 설명합니다.
터빈 부품의 진동을 표면 전체에서 3차원으로 측정해야 하는 이유
변동하는 압력장, 열 하중, 반복적인 가진은 터빈 블레이드에 부하를 가합니다. 가진 주파수가 고유 주파수에 가까우면 강한 진동이 발생할 수 있습니다. 이러한 진동은 동적 변형률을 유발하며, 재료에 위험 수준의 응력을 발생시킬 수 있습니다. 따라서 설계 시 정적 하중만 고려해서는 충분하지 않습니다. 3차원 진동과 하중 반복 횟수도 핵심적으로 고려해야 합니다.
소수의 센서 측정점만으로는 부족한 경우가 많은 이유
저주파에서 나타나는 전체적인 진동 모드 형상은 소수의 측정 위치만으로도 파악할 수 있는 경우가 많습니다. 그러나 주파수가 높아질수록 진동의 공간적 패턴은 일반적으로 더 복잡해집니다. 국부적인 진동 최대점, 절선, 연성 운동이 서로 멀리 떨어진 센서 위치 사이에 나타나면 감지되지 않을 수 있습니다.
개별 센서를 부착해 측정하는 방식에는 한계가 있습니다. 선택된 위치에서만 측정할 수 있고, 경량 터빈 블레이드의 진동 거동에 영향을 줄 수 있습니다.
국부 진동 모드 형상을 포착하는 높은 측정점 밀도
스캐닝 진동계는 자유롭게 지정한 수백에서 수천 개의 위치에서 측정합니다. 측정 격자는 형상, 예상 공간 파장, FE 모델의 주요 영역에 맞춰 조정할 수 있습니다. 이를 통해 고주파 영역에서 공간적으로 국한된 진동 모드 형상까지 확인할 수 있습니다.
기존 센서
- 소수의 측정 위치로는 전체 모드를 파악할 수 있습니다. 하지만 센서 사이에서 발생하는 국부 최대값, 절선, 연성 운동은 놓치는 경우가 많습니다.
- 센서, 접착제, 케이블은 경량 또는 박벽 터빈 블레이드의 진동 특성을 변화시킵니다.
- 부품에 케이블을 연결하고 측정을 위한 사전 준비를 해야 합니다.
- 고온으로 빛나는 표면에는 센서를 부착할 수 없으며, 진폭이 크면 센서가 떨어질 수 있습니다.
스캐닝 레이저 진동 측정
- 형상, 예상 파장, FE 모델에 맞춰 수백에서 수천 개의 측정점을 자유롭게 지정할 수 있습니다. 이를 통해 고주파 영역의 국부 모드까지 확인할 수 있습니다.
- 센서 질량이나 케이블이 가하는 힘이 없어 고유 주파수와 진동 모드 형상에 영향을 주지 않습니다.
- 거의 모든 표면을 별도의 전처리 없이 측정할 수 있으며, 일반적으로 반사 필름도 필요하지 않습니다.
- 고온으로 빛나는 부품과 매우 큰 진폭도 측정할 수 있습니다. 220 dB의 동적 범위와 0–50 MHz의 측정 범위는 다른 어떤 진동 측정 원리로도 달성할 수 없습니다.
측정 과정: 3D 모델에서 실제 측정까지
공간적으로 국한된 진동 모드 형상까지 포착하기 위해 측정점을 직접 3D 형상 위에 지정합니다. CAD 모델 또는 유한요소 모델(FE 모델)이 이를 위한 공통 좌표계를 제공합니다. 이를 통해 측정점, 측정 방향, 측정 결과를 명확하게 대응시킬 수 있습니다.
측정 준비는 카메라 영상 단계에 앞서 CAD 또는 FE 모델에서 시작됩니다. 이 디지털 형상 위에서 향후 시뮬레이션과의 비교에 필요한 위치에 측정점을 지정합니다.
측정점 정의
3D 형상에서 측정 영역과 측정점 밀도를 설정합니다. 측정점은 자동으로 생성한 후 필요에 따라 조정할 수 있습니다. 이를 통해 곡면에서도 간격이 균일한 360° 측정 격자가 형성됩니다. FE 모델의 노드를 측정점으로 직접 가져올 수도 있습니다.
카메라 영상과 3D 모델 정합
기하학적 교정은 두 단계로 진행됩니다. 먼저 알고리즘이 3D 형상을 실제 부품의 카메라 영상과 자동으로 정합합니다.
레이저 정렬
이어서 3D 모델에 정의된 교정점을 실제 부품에 대응시킵니다. 레이저는 이 점들을 향해 자동으로 정렬되며, 이 과정에서 터빈 블레이드에 대한 레이저의 공간적 위치 관계가 결정됩니다. 스캐닝 측정 헤드 하나당 몇 분이 소요되며, 전체 3D 측정 시스템의 정렬은 약 3~10분 안에 완료됩니다.
디지털 모델 생성
이 과정을 거치면 터빈 블레이드, 측정 헤드, 시선 경로 및 측정점이 하나의 공통 좌표계에 배치됩니다.
블레이드 가진
터빈 블레이드는 임팩트 해머, 자동 모달 해머, 가진기 또는 음향을 이용해 가진합니다. 기준 신호 기반으로 주파수 응답 함수(FRF)를 계산할 수 있습니다. 제시된 예에서는 모달 해머에 내장된 힘 센서가 이 신호를 제공합니다.
데이터 실시간 확인
측정이 진행되는 동안 SMART Lab 소프트웨어는 시간 영역 데이터, 기준 신호, 측정 진행 상황 및 이미 측정된 점들의 애니메이션을 표시합니다. 이를 통해 신호 품질과 설정을 초기에 확인할 수 있습니다.
주파수 응답과 진동 형상 분석
SMART Lab은 측정 신호와 기준 신호를 바탕으로 모든 측정점과 방향의 주파수 응답 함수(FRF) 값을 계산합니다. 선택한 각 주파수에 해당하는 진동 형상을 부품 모델 위에서 직접 애니메이션으로 표시할 수 있으며, 공진 주파수에서도 가능합니다. 기준 신호를 기준으로 공간 방향 x, y, z와 레이저 방향 u, v, w 각각에 대해 분석할 수 있습니다.
예시: 터빈 블레이드의 3D 전체 표면 모달 해석
시연 측정에서는 약 30 × 10 cm 크기의 터빈 블레이드를 대상으로 측정 과정을 보여줍니다. 터빈 블레이드를 고정한 후 자동화된 모달 해머로 가진했습니다. 3대의 SMART Scan+ 장비가 동기화된 3D 시스템으로 작동했습니다. 터빈 블레이드 주위의 보정된 여섯 시점 에서 가시 표면을 측정했습니다.
- 시험 대상
- 고정된 터빈 블레이드, 약 30 × 10 cm
- 측정 시스템
- SMART 3D-Scan / 전체 표면 3D 측정 구성으로 운용되는 3 × SMART Scan+
- 측정 시점
- 기하학적 보정을 거친 6개 시점
- 측정점
- 3D 모델상의 약 800개 측정점
- 주파수 범위
- 최대 약 30 kHz
- 가진
- 기준 신호를 활용한 해머 가진
- 측정 시간
- 측정점당 약 2 s; 순수 데이터 취득 시간 약 27 min
- 보정 시간
- 시점당 약 3 min; 총 약 18 min
- 총 소요 시간
- 설치 완료 후 약 45 min, 초기 준비 시간 제외
측정 결과: 전체 표면의 3방향 진동 형상
FE 모델 검증 및 동적 변형률 산출
동적 변형률 시각화
인접한 측정점의 공간적으로 분해된 3D 움직임을 바탕으로 SMART Lab은 동적 변형률도 계산합니다. 이를 통해 공진 주파수뿐 아니라 변형률이 특히 큰 위치도 확인할 수 있습니다. 비접촉 측정은 기존 스트레인 게이지(DMS)를 보완하며, 면 전체를 분석할 때 필요한 게이지 수를 줄일 수 있습니다.
측정과 시뮬레이션 직접 비교
측정점이 3D 모델상에 정의되어 있으므로 동일한 위치에서 측정과 시뮬레이션을 비교할 수 있습니다. 특히 고주파 및 국부적인 진동 모드에서는 모델의 재료 매개변수, 경계 조건, 세부 형상이 실제 거동을 얼마나 잘 반영하는지 확인할 수 있습니다. 측정 데이터는 FE 모델 검증을 여러 방식으로 지원합니다:
- 실험을 통한 고유 주파수 및 모달 매개변수 산출
- 전체 및 국부 진동 모드 비교
- FE 절점과 주요 영역에 맞춘 정밀한 측정점 배치
- CAE 및 모달 해석 소프트웨어용 측정·형상 데이터 내보내기
- 공간 해상도가 높은 실험 데이터를 활용한 모델 업데이트 지원
Mistuning, 부품 비교 및 End-of-Line 검사
형상, 재료, 코팅 또는 제조 과정의 작은 차이는 개별 터빈 블레이드의 고유 주파수와 진동 모드를 변화시킵니다. 명목상 동일한 터빈 블레이드 사이의 이러한 편차를 Mistuning 이라고 합니다. 측정 위치를 재현 가능하게 설정하면 서로 다른 부품, Blisk 내 개별 터빈 블레이드, 제조 또는 수리 전후의 상태를 비교할 수 있습니다:
- 고유 주파수, 주파수 응답 및 선정된 진동 모드 특성값 비교
- 명목상 동일한 터빈 블레이드 사이의 편차 검출
- 제조, 코팅 또는 수리 후 검사
- 정의된 측정 위치 및 검사 절차 재사용
- 승인된 한계값을 기준으로 고객별 합격·불합격 판정
SMART Multi-Fiber: 동시 측정과 유연한 구성
양산 검사에서 항상 약 800개 지점의 전체 스캔이 필요한 것은 아닙니다. 검출하려는 결함과 필요한 특성값에 따라, 적절히 선정한 소수의 측정 위치만으로도 충분할 수 있습니다. 여러 지점을 동시에 측정하면 검사 시간을 단축할 수 있습니다.
이를 위해 SMART Multi-Fiber가 스캐닝 시스템을 보완합니다. 장치당 최대 4개의 Fiber Heads가 위상 관계를 정확하게 유지하며 동기 측정합니다. 여러 시스템을 연결해 더 큰 측정 네트워크를 구성할 수도 있습니다.
구성에 따라 자동 초점 기능이 있는 측정 헤드, 소형 측정 헤드 또는 3D-Fiber-Heads를 선택할 수 있습니다. 공간이 좁거나 열 조건이 까다로운 환경에서도 기준 측정, 전달 경로 측정, 비교 측정에 활용할 수 있습니다. 단일 지점의 3D 측정도 가능합니다.
검사 요구에 맞춘 스마트 측정 시스템
자주 묻는 질문
3D 측정에 진동계 세 대가 필요한 이유는 무엇인가요?
각 레이저 빔은 해당 측정 방향의 운동 속도를 측정합니다. 기하학적으로 알려진 방향에서 동기화된 세 개의 빔으로 측정하면, 이를 바탕으로 공간상의 세 방향 모두에 대한 운동을 구할 수 있습니다.
측정 지점은 FE 모델에 어떻게 매핑되나요?
측정 지점은 가져온 3D 형상 위에 직접 지정합니다. 카메라와 레이저를 교정하면 실제 부품과 진동계가 동일한 좌표계에 정렬됩니다.
Full-Body 측정에 Stitching이 필요한가요?
아니요. 추가 측정 시점도 동일한 3D 모델을 기준으로 다시 교정합니다. 따라서 모든 지점과 결과가 처음부터 공통 프로젝트 좌표계에 배치됩니다.
고온 표면도 측정할 수 있나요?
네. 측정 헤드와 광 경로가 보호되고 충분한 후방 산란광이 확보되면 가능합니다. 실제 측정 가능 여부는 시험 구성과 표면 상태에 따라 달라집니다.
시험을 자동화할 수 있나요?
반복 시험을 위해 측정 절차, 측정 위치, 고객별 한계값을 미리 설정할 수 있습니다. 필요한 경우 자동화 파트너와 함께 대상물 핸들링과 공정 통합을 구현합니다.
귀사의 용도에 적합한 측정 전략은 무엇인가요?
측정 지점은 몇 개가 필요한가요? 시험에 적합한 주파수 범위와 가진 방식은 무엇인가요? 1D 측정으로 충분한가요, 아니면 SMART 3D-Scan 측정이 필요한가요? 초기 검토를 위해 부품 유형, 대략적인 치수, 예상 주파수 범위, 시험 조건, 원하는 결과를 알려주세요.