KR101343870B1 - 터보 기계의 추력 측정 장치 - Google Patents

터보 기계의 추력 측정 장치 Download PDF

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박철훈
최상규
함상용
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 터보 기계의 추력을 측정할 수 있는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터보 기계의 회전축에 스러스트 자기베어링을 설치하고 회전축의 축 방향 변위를 감지할 수 있는 갭 센서를 설치하여, 스러스트 자기베어링에 공급되는 전류와 축 방향 변위를 이용하여 스러스트 자기베어링에 발생하는 축 방향 힘을 계산하고 이에 반대방향 값으로 터보 기계의 추력을 계산함으로써 터보 기계의 추력을 측정할 수 있는 터보 기계의 추력 측정 장치에 관한 것이다.

Description

터보 기계의 추력 측정 장치 {Measuring apparatus for thrust of turbo machine}
본 발명은 터보 기계의 추력을 측정할 수 있는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터보 기계의 회전축에 설치되는 스러스트 자기베어링을 이용하여 추력을 측정할 수 있는 터보 기계의 추력 측정 장치에 관한 것이다.
터보 기계는 일반적으로 임펠러를 용기 속에서 고속으로 회전시켜 유체를 방사상으로 흐르게 하여 원심력을 이용해서 기체를 압축 또는 압송하거나, 이와 같은 유체의 흐름을 반대로 이용하여 작동하는 기계를 말하며, 터보 기계에는 터보 압축기, 터보 송풍기, 터보 팬 및 터보 발전기 등이 있다.
이와 같은 터보 기계는 설계 시 임펠러, 회전축 및 베어링을 설계해야 하며, 특히 축 방향 베어링(trust bearing)을 설계하기 위해서는 임펠러의 회전에 의해 발생하는 추력의 크기를 예측해야 한다. 이때, 추력은 실험적 측정으로 확인하며 수력 성능시험 시 동시에 측정하는 것이 보통이다. 그리고 해석적으로 사용된 추력을 실험치와 비교하여 해석기법 검증에 사용하게 된다.
그런데 종래의 터보 기계에서는 회전축(10)의 일측에 임펠러(20)가 형성되고 타측에는 모터 또는 발전기 등이 결합되며, 회전축(10)은 양측이 래디얼 베어링(30)으로 지지된다. 여기에서 터보 기계는 임펠러(20)의 회전에 의해 회전축(10)의 축 방향으로 작용하는 추력이 발생하는데, 종래에는 축 방향으로 작용하는 추력을 측정하기 위해 베어링에 의해 지지된 회전축(10)의 일단과 임펠러(20) 사이에 로드셀(40)을 결합하여, 이 로드셀을 통해 터보 기계의 추력을 실험적으로 측정하였다.
그런데 이와 같이 로드셀을 이용하여 추력을 측정하는 것은 로드셀의 설치를 위한 구조가 복잡하고, 베어링의 진동 등에 의한 노이즈가 발생되어 추력 측정값의 정확도가 저하될 수 있으며, 회전축의 추력을 지지하기 위한 별도의 구조 설계가 이루어지거나 스러스트 베어링이 설치되어야 하는 문제점들이 있다.
이와 관련된 종래기술로는 한국공개특허(2006-0058426)인 "터보형 펌프의 축추력 측정장치"가 개시되어 있다.
KR 2006-0058426 A (2006.05.30.)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 스러스트 자기베어링에 공급되는 전류와 축 방향 변위를 이용하여 스러스트 자기베어링에 발생하는 축 방향 힘을 계산하고 이에 반대방향 값으로 터보 기계의 추력을 계산함으로써 간단하고 정확하게 추력을 측정할 수 있는 터보 기계의 추력 측정 장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 터보 기계의 추력 측정 장치는, 래디얼 베어링에 의해 양측이 지지되는 회전축; 상기 회전축의 일측에 고정되는 임펠러; 상기 회전축의 타측에 고정되는 스러스트 칼라; 상기 스러스트 칼라의 외측에 구비되어 추력을 지지하는 스러스트 자기베어링; 상기 회전축의 축 방향 변위를 측정하는 갭 센서; 및 상기 스러스트 자기베어링 및 갭 센서에 연결되어, 상기 스러스트 자기베어링에 공급되는 전류를 제어하며 추력을 측정하는 제어부; 를 포함하여 이루어지며, 상기 제어부는 스러스트 자기베어링에 공급되는 전류 및 갭 센서에서 측정되는 축 방향 변위를 이용하여 추력을 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부에서 측정되는 추력(Ftrust)은 아래의 식(1) 및 식(2)에 의해 계산되는 것을 특징으로 한다.
Fbearing = Ki × ｉ - Kx × x 식(1)
Ftrust = - Fbearing 식(2)
(Ki : 전류게인, Kx : 위치게인, ｉ : 공급전류, x : 축 방향 변위)
또한, 상기 스러스트 칼라는 중앙에 삽입홈이 형성되어 상기 회전축의 단부가 삽입홈에 삽입되어 고정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 갭 센서는 스러스트 칼라의 일면에서 축 방향으로 이격되어 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 회전축의 양측을 지지하는 래디얼 베어링은 비접촉식 래디얼 베어링인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 터보 기계의 추력 측정 장치는, 터보 기계의 회전축에 작용하는 추력을 지지할 수 있도록 형성된 스러스트 자기베어링을 이용하여, 회전축에 작용하는 추력을 지지하면서 동시에 스러스트 자기베어링에 발생하는 힘을 이용하여 추력을 측정할 수 있는 장점이 있다.
또한, 추력 측정 장치의 구조가 간단하며, 정확하게 추력을 측정할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 터보 기계의 및 추력 측정을 위한 구조를 나타낸 단면 개략도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 기계의 추력 측정 장치를 나타낸 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 스러스트 자기베어링 및 갭 센서의 배치를 나타낸 개략도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 터보 기계의 추력 측정 장치를 나타낸 구성도.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 터보 기계의 추력 측정 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터보 기계의 추력 측정 장치를 나타낸 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 스러스트 자기베어링 및 갭 센서의 배치를 나타낸 개략도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 터보 기계의 추력 측정 장치(1000)는, 래디얼 베어링(110)에 의해 양측이 지지되는 회전축(100); 상기 회전축(100)의 일측에 고정되는 임펠러(200); 상기 회전축(100)의 타측에 고정되는 스러스트 칼라(300); 상기 스러스트 칼라(300)의 외측에 구비되어 추력을 지지하는 스러스트 자기베어링(400); 상기 회전축(100)의 축 방향 변위를 측정하는 갭 센서(500); 및 상기 스러스트 자기베어링(400) 및 갭 센서(500)에 연결되어, 상기 스러스트 자기베어링(400)에 공급되는 전류를 제어하며 추력을 측정하는 제어부(600); 를 포함하여 이루어지며, 상기 제어부(600)는 스러스트 자기베어링(400)에 공급되는 전류(i) 및 갭 센서에서 측정되는 축 방향 변위(x)를 이용하여 추력을 측정할 수 있다.
우선, 회전축(100)의 양측에는 래디얼 베어링(110)이 결합되어, 회전축(100)이 반경 방향으로의 움직임은 고정되고 회전 가능하도록 결합된다.
임펠러(200)는 회전축(100)의 일측에 결합되어 고정되어, 임펠러(200)와 회전축(100)이 함께 회전되도록 구성된다. 이때, 임펠러(200)의 외측을 둘러싸도록 케이스가 구비되어, 임펠러의 회전에 의해 케이스의 일측으로 유체가 유입되어 타측으로 배출되도록 구성될 수 있다.
스러스트 칼라(300)는 회전축(100)의 타측에 결합되어 고정되며, 스러스트 칼라(300)는 회전축(100)의 반경 방향 외측으로 돌출되는 원판 형태로 형성될 수 있다.
스러스트 자기베어링(400)은 스러스트 칼라(300)의 외측을 감싸도록 배치되어 추력을 지지하며, 스러스트 칼라(300)의 원판형 테두리부(310)가 스러스트 자기베어링(400)의 내측에 배치된다. 그리고 스러스트 자기베어링(400)은 코어(410)의 내측에 홈(411)이 형성되어 이 홈(411)에 스러스트 칼라(300)의 테두리부(310)가 배치되며, 홈(411)과 테두리부(310)는 일정한 간격을 두고 이격되도록 형성된다. 또한, 스러스트 자기베어링(400)은 코어(410)의 내측에 영구자석(420)과 코일(430)이 구비되어, 추력에 의해 축 방향으로 회전축(100)이 이동되었을 때 스러스트 자기베어링(400)에 의해 스러스트 칼라(300)가 홈(411)과 이격된 간격이 일정하게 유지될 수 있다.
갭 센서(500)는 회전축(100)의 축 방향 변위를 측정하며, 스러스트 칼라(300)가 결합된 회전축(100)의 단부에 이격되어 구비된다. 그리하여 갭 센서(500)는 회전축(100)이 축 방향으로 이동되는 거리인 축 방향 변위를 측정할 수 있다.
여기에서 스러스트 자기베어링(400) 및 갭 센서(500)는 제어부(600)에 연결되어, 제어부(600)에 의해 스러스트 자기베어링(400)에 공급되는 전류가 제어되며 추력이 측정된다. 이때, 제어부(600)는 스러스트 자기베어링(400)에 공급되는 전류(i) 및 갭 센서에서 측정되는 축 방향 변위(x)를 이용하여 추력을 측정하게 된다.
즉, 회전축(100)에 결합된 임펠러(200)가 회전되면 회전축(100)의 축 방향으로 추력이 발생하고, 추력에 의해 회전축(100)이 일측 방향으로 이동되면 회전축(100)에 결합된 스러스트 칼라(300)도 함께 이동된다. 그리고 갭 센서(500)에서 축 방향 변위(x)가 측정되면 제어부(600)에서 스러스트 자기베어링(400)에 전류(i)를 공급하여 스러스트 자기베어링(400)에서 스러스트 칼라(300)를 반대측 방향으로 미는 축 방향 힘(Fbearing) 발생하게 된다.
이때, 스러스트 자기베어링(400)에서 스러스트 칼라(300)를 미는 축 방향 힘(Fbearing) 즉, 스러스트 자기베어링(400)에서 발생하는 축 방향 힘(Fbearing)은 임펠러의 회전에 의해 발생하는 추력과 동일한 크기이며 방향만 반대이므로, 이와 같이 제어부(600)에서 스러스트 자기베어링(400)에 공급되는 전류(i) 및 갭 센서에서 측정되는 축 방향 변위(x)를 이용하여 추력을 측정할 수 있다.
그리하여 본 발명의 터보 기계의 추력 측정 장치는, 터보 기계의 회전축에 작용하는 추력을 지지할 수 있도록 형성된 스러스트 자기베어링을 이용하여, 회전축에 작용하는 추력을 지지하면서 동시에 스러스트 자기베어링에 발생하는 힘을 이용하여 추력을 측정할 수 있으며, 추력을 측정할 수 있는 장치의 구조가 간단하고 정확하게 추력을 측정할 수 있는 장점이 있다.
이때, 상기 제어부(600)에서 측정되는 추력(Ftrust)은 아래의 식(1) 및 식(2)에 의해 계산될 수 있다.
Fbearing = Ki × ｉ - Kx × x 식(1)
Ftrust = - Fbearing 식(2)
(Ki : 전류게인, Kx : 위치게인, ｉ : 공급전류, x : 축 방향 변위)
이때, 전류게인(Ki)과 위치게인(Kx)은 스러스트 자기베어링(400)의 형태에 따라 결정되는 값이다.
또한, 상기 스러스트 칼라(300) 중앙에 삽입홈(320)이 형성되어 상기 회전축(100)의 단부가 삽입홈(320)에 삽입되어 고정될 수 있다. 즉, 도 3과 같이 스러스트 칼라(300)가 모자 형태로 형성되어 중앙에 삽입홈(320)이 형성되고 바깥쪽으로 테두리부(310)가 형성되어, 회전축(100)에 스러스트 칼라(300)를 용이하게 결합하여 고정되도록 할 수 있다. 이때, 스러스트 칼라(300)는 체결수단을 이용하여 회전축(100)에 더욱 견고하게 고정될 수 있다.
또한, 상기 갭 센서(500)는 스러스트 칼라(300)의 일면에서 축 방향으로 이격되어 구비될 수 있다. 즉, 회전축(100)의 단부를 감싸도록 스러스트 칼라(300)가 결합되어 스러스트 칼라(300)의 일면에서 축 방향으로 이격되어 갭 센서(500)가 설치되어 회전축(100)의 축 방향 변위를 측정할 수 있으며, 이에 따라 갭 센서(500)의 배치를 용이하게 할 수 있다.
또한, 상기 회전축(100)의 양측을 지지하는 래디얼 베어링(110)은 비접촉식 래디얼 베어링일 수 있다.
즉, 회전축(100)을 지지하는 래디얼 베어링(110)이 접촉식으로 회전축의 반경 방향 하중을 지지하는 볼 베어링 또는 구름 베어링으로 형성될 경우, 임펠러(200)의 회전에 의해 발생되는 추력이 회전축(100)에 결합된 래디얼 베어링(110)에서 일부 지지되므로 정확한 추력을 측정할 수 없으며, 래디얼 베어링(110)에 추력이 작용하여 베어링의 수명이 단축될 수 있다. 그러므로 도 4와 같이 래디얼 베어링(110)이 비접촉식인 공기베어링 또는 자기베어링(111) 등으로 형성되면, 추력이 전부 스러스트 자기베어링(400)에 의해 지지되며 마찰이 매우 적어지므로 정확한 추력을 측정할 수 있는 장점이 있다.
그리고 래디얼 자기베어링(111)도 제어부(600)에 연결되어, 회전축(100)의 반경 방향으로 작용하는 하중에 대해 지지되도록 할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1000 : 터보 기계의 추력 측정 장치
100 : 회전축
110 : 래디얼 베어링 111 : 래디얼 자기베어링
200 : 임펠러
300 : 스러스트 칼라 310 : 테두리부
320 : 삽입홈
400 : 스러스트 자기베어링
410 : 코어 411 : 홈
420 : 영구자석 430 : 코일
500 : 갭 센서
600 : 제어부

Claims (5)

  1. 래디얼 베어링에 의해 양측이 지지되는 회전축;
    상기 회전축의 일측에 고정되는 임펠러;
    상기 회전축의 타측에 고정되는 스러스트 칼라;
    상기 스러스트 칼라의 외측에 구비되어 추력을 지지하는 스러스트 자기베어링;
    상기 회전축의 축 방향 변위를 측정하는 갭 센서; 및
    상기 스러스트 자기베어링 및 갭 센서에 연결되어, 상기 스러스트 자기베어링에 공급되는 전류를 제어하며 추력을 측정하는 제어부; 를 포함하여 이루어지며,
    상기 스러스트 칼라는 중앙에 삽입홈이 형성되어 상기 회전축의 단부가 삽입홈에 삽입되어 고정되고,
    상기 갭 센서는 스러스트 칼라의 일면에서 축 방향으로 이격되어 구비되며,
    상기 제어부는 스러스트 자기베어링에 공급되는 전류 및 갭 센서에서 측정되는 축 방향 변위를 이용하여 추력을 측정하되,
    상기 제어부에서 측정되는 추력(Ftrust)은 아래의 식(1) 및 식(2)에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 터보 기계의 추력 측정 장치.
    Fbearing = Ki × ｉ - Kx × x 식(1)
    Ftrust = - Fbearing 식(2)
    (Ki : 전류게인, Kx : 위치게인, ｉ : 공급전류, x : 축 방향 변위)
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 회전축의 양측을 지지하는 래디얼 베어링은 비접촉식 래디얼 베어링인 것을 특징으로 하는 터보 기계의 추력 측정 장치.
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