KR101943751B1 - 토크 교정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 토크 교정 장치는, 중심을 축으로 하여 일방향으로 토크를 인가하는 원형의 중량부, 상기 중량부의 중심축과 동축선상에 위치되도록 제1 샤프트로 연결되며, 중량부에 의해 인가되는 토크를 측정하는 제1 측정부, 상기 제1 측정부의 일단과 척을 통해 어댑터로 연결되는 가이드부, 상기 가이드부에 인접한 부분에 위치되며 상기 어댑터의 일측 표면 상에 형성된 제2 측정부, 및 상기 가이드부의 상하면을 지지하여 상기 가이드부가 고정단으로 기능하도록 고정하는 복수개의 바를 가지는 지그부를 포함하며, 상기 중량부에 의해 인가되는 토크에 의해 상기 제1 측정부 및 상기 제2 측정부가 동시에 측정을 수행하고, 상기 제1 측정부는 토크 센서, 상기 제2 측정부는 스트레인게이지를 포함한다.

Description

토크 교정 장치{TORQUE CALIBRATION APPARATUS}

본 발명은 토크 교정 장치에 관한 것이다.

수력 발전은 수차(water turbine)의 회전에 의하여, 수차의 회전축과 연결된 발전기를 통해 전기를 생산하는 발전 방식이다. 물의 낙차에 의하여 물이 수차를 통해 흐르면, 수차의 블레이드를 통해 수차가 회전하게 되어 전기를 생산하게 된다.

수력 발전의 발전 효율에 가장 큰 영향을 미치는 것은 수차의 성능인데, 실물 수차를 제작하여 바로 사용하게 되면 예상하지 못한 영향에 의하여 발전 효율에 손실이 발생하거나, 또는 실물 수차에 사용되는 부품의 마모 및 파손이 발생할 가능성이 높아진다. 이러한 부품의 마모 및 파손은 수력 발전기의 운행에 치명적이며, 교체 비용이 추가로 드는 문제가 있다.

한편, 국제 규격 IEC-60193에 의하면, 국제 기준에 따라 모델수차의 성능시험을 수행하도록 하고 있다. 모델수차 성능시험은 수력발전 효율, 캐비테이션, 수류안정화, 및 압력 맥동, 러너 블레이드 및 가이드베인의 회전 토크 측정을 통해 이들에 가해지는 토크 등을 예측하여 실물 수차의 효율 및 설계방안을 결정하기 위한 정보를 제공한다.

KR 10-1064795 B1

본 발명의 일실시예에 따른 목적은, 중량부를 통하여 인가한 토크가 가이드부에서 어느 정도의 힘으로 가해지는지 두 부분에서 동시에 측정하여, 가이드부에 인가되는 토크를 조절하기 위한 토크 교정 장치를 제공하기 위함이다.

또한 본 발명의 일실시예에 따른 목적은, 다양한 형상을 가지는 가이드부의 가이드베인을 사용하더라도 가이드부의 가이드베인을 움직이지 않게 고정하도록 지지하여 토크를 측정하기 위한 토크 교정 장치를 제공하기 위함이다.

본 발명의 일실시예에 따른 토크 교정 장치는, 중심을 축으로 하여 일방향으로 토크를 발생시키는 원형의 중량부, 상기 중량부의 중심축과 동축선상에 위치되도록 제1 샤프트로 연결되며, 중량부에 의해 발생되는 토크를 측정하는 제1 측정부, 상기 제1 측정부의 일단과 척과 어댑터를 통해 순차적으로로 연결되며, 상기 어댑터와 직접 연결되는 가이드축 및 상기 가이드축의 말단에 형성되는 가이드베인을 포함하는 가이드부, 상기 가이드축의 일측에 형성되며 전달받은 토크를 전기적으로 측정하는 제2 측정부, 및 상기 가이드베인의 양면을 지지하도록 개별적으로 조작가능하며, 복수개의 바가 상기 가이드베인의 양면에 대향되는 방향에 형성되며, 상기 가이드베인을 고정단으로 기능하도록 하는 지그부를 포함하며, 상기 중량부에 의해 발생한 토크는 상기 제1 측정부 및 상기 제2 측정부가 동시에 측정을 수행하고, 상기 제1 측정부는 토크 센서, 상기 제2 측정부는 스트레인게이지를 포함한다.

또한, 상기 지그부의 복수개의 바가 상기 가이드베인의 양면을 지지하기 위한 상기 복수개의 바의 각 말단부는 원통형의 탄성 부재로 형성된다.

또한, 상기 가이드부와 연결된 어댑터의 일단은 원형의 척의 일면 중심부에 의해 지지되고, 상기 척은 상기 제1 측정부의 타단과 타면 중심부에 연결된 제2 샤프트 및 커플링을 통해 연결되며, 상기 어댑터, 상기 척, 및 상기 중량부는 동축선상에 위치된다.

또한, 상기 중량부의 일측에 연결되되 상기 중량부의 양 방향으로 연장된 벨트의 말단에 각각 연결되어 상기 중량부와 수직인 축을 가지도록 연결된 토크인가부를 더 포함한다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 제1 측정부의 토크 센서에서 측정되는 토크와, 제2 측정부의 스트레인게이지에서 측정되는 전압값의 환산으로부터 측정되는 토크 값을 동시에 측정하여 대응시킴으로써 측정의 신뢰성을 높일 수 있는 이점이 있다.

또한, 토크 교정 장치에서 실물 수차의 제작 이전에 가이드베인 또는 러너블레이드에 가해지는 토크를 예상할 수 있으므로 실물 수차에서 발생할 수 있는 부품의 마모 또는 파손의 위험을 줄일 수 있으며, 이에 따라 가이드베인의 개폐 및 안정적인 운영이 가능하다는 이점이 있다.

또한, 지그부의 복수개의 바의 각 말단을 탄성 부재로 형성함으로써 가이드부의 가이드베인의 형상이 다양하더라도 간극 없이 지지할 수 있어 토크값 측정의 신뢰성을 높이는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 토크 교정 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 토크 교정 장치의 지그부의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 토크 교정 장치의 지그부의 정면도이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "일면", "타면", "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명하기로 하며, 동일한 참조부호는 동일한 부재를 가리킨다.

본 발명의 일실시예에 따른 토크 교정 장치(10)는, 중심을 축으로 하여 일방향으로 토크를 인가하는 원형의 중량부(100), 상기 중량부(100)의 중심축과 동축선상에 위치되도록 제1 샤프트(320)로 연결되며, 중량부(100)에 의해 인가되는 토크를 측정하는 제1 측정부(200), 상기 제1 측정부(200)의 일단과 척(700)과 어댑터(800)를 통해 순차적으로 연결되며 상기 어댑터(800)와 직접 연결되는 가이드축 및 상기 가이드축의 말단에 형성되는 가이드베인(410)을 포함하는 가이드부(400), 상기 가이드부(400)의 가이드축 일측에 형성되며 전달받은 토크를 전기적으로 측정하는 제2 측정부(500), 및 상기 가이드베인(410)의 양면을 지지하도록 개별적으로 조작가능하며, 복수개의 바(610)가 상기 가이드베인(410)의 양면에 대향되는 방향에 형성되며, 상기 가이드베인(410)을 고정단으로 기능하도록 하는 지그부(600)를 포함하며, 상기 중량부(100)에 의해 발생한 토크는 상기 제1 측정부(200) 및 상기 제2 측정부(500)가 동시에 측정을 수행하고, 상기 제1 측정부(200)는 토크 센서, 상기 제2 측정부(500)는 스트레인게이지를 포함한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 토크 교정 장치(10)의 사시도이다.

도 1을 참조하면, 먼저 원형의 중량부(100)가 형성되어 중심을 축으로 일방향으로 토크를 발생시킨다. 이 때, 중량부(100)가 토크를 발생시키는 방향은 시계 방향일 수 있고, 또는 시계 반대 방향일 수 있으며, 이는 중량부(100)에서 중량을 발생시키는 방향에 따라 변화할 수 있다. 토크 교정 장치(10)를 이용한 모델 시험에서는 장치에 유체를 흘려보내지 않는 대신, 이러한 중량부(100)를 통해 토크를 발생하여 가이드부(400)에 전달되는 힘을 측정하는 것이다. 한편, 중량부는 원형으로 형성됨으로써 중량부가 회전하더라도 중량부의 반경 방향으로의 길이가 일정하기 때문에, 토크인가부(120)에 인가하는 중량에 대해 정밀한 토크를 인가할 수 있는 이점이 있다.

또한, 중량부(100)의 중심에는 제1 샤프트(320)의 일단이 결합되고, 제1 샤프트(320)의 타단은 제1 결합수단인 커플링(310)에 결합된다. 커플링(310)의 일단은 제1 샤프트(320)의 타단과 결합되어 중량부(100)에 의해 가해지는 토크를 전달받아 커플링(310)의 타단으로 전달하는 역할을 한다. 도 1에서는 제1 샤프트(320)의 타단이 커플링(310)에 결합되는 것으로 도시되었지만 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 샤프트(320)의 타단을 수용할 수 있는 어떠한 결합수단이라도 사용될 수 있다.

제1 샤프트(320)가 결합된 커플링(310)의 타단에는 제1 측정부(200)의 일단이 결합된다. 또한 제1 측정부(200)의 타단은 다시 제2 결합수단인 커플링(340)에 결합된다. 제1 측정부(200)는 중량부(100)에서 제1 샤프트(320)를 통해 전달받은 토크를 측정한다. 제1 측정부(200)는 동력전달축의 비틀림 각과 변형으로부터 전달 토크를 계측하는 토크 센서일 수 있다. 제1 측정부(200)의 토크 센서는 위상차 검출형 토크 센서일 수 있다.

또한, 제1 측정부(200)의 타단은 다시 제2 결합수단인 커플링(340)의 일단에 결합되고, 커플링(340)의 타단에는 제2 샤프트(330)가 결합된다. 커플링(340)은 제1 측정부(200)의 타단이 가하는 토크를 커플링(340)의 타단에 결합된 제2 샤프트(330)로 전달하는 역할을 한다. 제2 샤프트(330)의 일단은 커플링(340)의 타단이 결합되어 있고, 제2 샤프트(330)의 타단은 척(700)의 후면부에 결합된다. 척(700)은 전면부에 복수개의 클로(710)를 가지고 있으므로, 클로(710)를 조임으로써 다양한 규격의 축 부재를 고정시킬 수 있다.

척(700)에 의해 어댑터(800)가 결합되고, 어댑터(800)에는 가이드부(400)가 결합된다. 가이드부(400)는 어댑터(800)와 연결되는 가이드축과 가이드베인(410)으로 이루어져 있다. 가이드베인(410)은 실물 수차에서는 스파이럴 케이싱으로부터 흘러들어온 유체를 원하는 유량과 흐름 방향을 가지도록 제어하는 역할을 한다.

한편, 가이드부(400)에 인접하여 제2 측정부(500)가 형성된다. 중량부(100)와 인접한 제1 측정부(200)와 달리, 제2 측정부(500)는 가이드베인(410)에 가해지는 토크를 측정해야 하기 때문에, 가이드베인(410)에 인접하여 형성되는 것이다. 한편, 제2 측정부(500)는 가이드베인(410)과 어댑터(800) 사이에 형성된다. 제2 측정부(500)는 가이드부(400)의 가이드축 일측 표면 상에 형성될 수 있다. 또한, 제2 측정부(500)는 변형 게이지식 토크 센서를 사용할 수 있고, 변형 게이지식 토크 센서는 스트레인게이지일 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 토크 교정 장치(10)의 지그부(600)의 정면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 가이드부(400)의 가이드베인(410)은 중량부(100), 제1 샤프트(320), 제1 측정부(200), 제2 샤프트(330), 척(700), 어댑터(800)를 통해 전달되는 중량부(100)에 의해 가해진 토크에 의해 회전하기 않기 위하여, 지그부(600)에 의해 고정단으로 기능하도록 고정된다. 가이드부(400)의 가이드베인(410)이 지그부(600) 내에 형성된 개구(630) 내부에 위치되도록 형성되고, 가이드부(400)의 가이드베인(410)은 복수 개의 바(610)에 의해 움직이지 않도록 고정된다. 도 1에서는 3 쌍의 바(610)에 의하여 가이드베인(410)의 상하 부분을 고정하고 있는 것으로, 도 2에서는 4 쌍의 바(610)에 의하여 가이드베인(410)의 상하 부분을 고정하고 있는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 가이드부(400)의 가이드베인(410)이 전달받은 토크에 의해 움직이지 않도록 고정할 수 있는 어떠한 구성이라도 가능하다.

한편, 제1 측정부(200)와 제2 측정부(500)는 각각 중량부(100)에서 가해지는 토크 및 가이드부(400)의 가이드베인(410)에서 전달받는 토크를 측정한다. 이러한 제1 측정부(200)와 제2 측정부(500)에서의 토크 측정은 동시에 이루어지고, 제1 측정부(200)에서 측정된 토크는 N·m의 단위로, 제2 측정부(500)에서 측정된 토크는 mV/V의 단위로 각각 측정된다. 두 개의 측정부에서 동시에 측정을 시행함으로써, 토크 측정의 신뢰성을 높이는 이점이 있다.

제1 측정부(200)와 제2 측정부(500)에서 각각 동시에 측정된 토크값은 수집되어 데이터베이스를 형성한다. 이와 같이 데이터베이스로 구성된 측정값들을 이용하여 실물 수차를 운행할 때 어느 정도의 유량을 수차에 인가할 수 있는지를 파악할 수 있으며, 가이드부(400)의 가이드베인(410)에 인가되는 토크에 의해 발생하는 전단응력을 예측하여 수차 발전기의 안정적인 설계 및 운영이 가능하다는 이점이 있다.

한편, 상기 지그부(600)의 복수개의 바(610)가 상기 가이드부(400)의 양면을 지지하기 위한 상기 복수개의 바(610)의 각 말단(620)부는 원통형의 탄성 부재로 형성된다.

지그부(600)의 복수개의 바(610)는 가이드부(400)의 가이드베인(410)을 움직이지 않도록 지지하는데, 이 과정에서 복수개의 바(610)가 가이드부(400)의 가이드베인(410)을 손상시키지 않고 간극없이 지지해야 한다. 가이드부(400)의 가이드베인(410)을 간극없이 지지하기 위해 복수개의 바(610)가 가이드부(400)의 가이드베인(410)에 접촉하는 각 말단(620)부는 원통 모양의 탄성 부재로 형성된다. 복수개의 바(610)의 각 말단(620)부를 탄성 부재로 형성함으로써 가이드부(400)의 가이드베인(410)이 지그부(600)에 의해 간극 없이 고정되어 지지될 수 있으며, 이로써 제2 측정부(500)에서 가이드부(400)의 가이드베인(410)에 가해지는 토크 측정값의 신뢰도를 높이는 이점이 있다. 또한, 가이드부(400)의 가이드베인(410)의 형상이 변경되더라도 토크 교정 장치(10)의 구성을 교체하지 않고 측정이 가능하다는 이점이 있다. 다만, 복수개의 바(610)가 가이드부(400)의 가이드베인(410)에 접촉하는 각 말단(620)부는 가이드베인(410)의 표면을 손상시키지 않으면서 가이드베인(410)에 가해지는 토크를 정밀하게 측정할 수 있도록 변형률이 작은 부재로 형성할 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 토크 교정 장치(10)의 지그부(600)의 정면도이다.

도 3을 참조하면, 가이드부(400)의 가이드베인(410)은 지그부(600) 내에 형성된 개구(630) 내부에 위치하는데, 이 때 가이드부(400)의 가이드베인(410)의 형상은 모델수차의 종류에 따라 다양할 수 있다. 따라서 지그부(600)의 복수개의 바(610)는 다양한 가이드부(400)의 가이드베인(410)의 형상에 맞게 개별적으로 조절될 수 있으며, 복수개의 바(610)의 각 말단(620)부 또한 가이드부(400)의 가이드베인(410)의 표면에 접하여 가이드베인(410)을 간극없이 지지하고 그 표면을 손상시키지 않도록 조절될 수 있다. 이로써 지그부(600)를 교체하지 않더라도 다양한 형상을 가지는 가이드부(400)의 가이드베인(410)에 본 발명 토크 교정 장치(10)를 적용하여 토크를 측정 및 교정을 수행할 수 있다는 이점이 있다.

한편, 상기 가이드부(400)와 연결된 어댑터(800)의 일단은 원형의 척(700)의 일면 중심부에 의해 지지되고, 상기 척(700)은 상기 제1 측정부(200)의 타단과 타면 중심부에 연결된 제2 샤프트(330) 및 커플링(340)을 통해 연결되며, 상기 어댑터(800), 상기 척(700), 및 상기 중량부(100)는 동축선상에 위치된다. 어댑터(800)와 척(700), 중량부(100)가 동축선상에 위치함으로써 질량중심 또한 동축선상에 위치하게 되므로, 질량중심이 동일 축에 있지 않은 경우 발생할 수 있는 관성력의 발생을 방지한다.

한편, 상기 중량부(100)는 상기 중량부(100)의 일측에 연결되되 상기 중량부(100)의 양 방향으로 연장된 벨트(110)의 말단(620)에 각각 연결되어 상기 중량부(100)와 수직인 축을 가지도록 연결된 토크인가부(120)를 더 포함한다.

중량부(100)의 일측에는 중량부(100)에 걸쳐질 수 있도록 벨트(110)가 연결된다. 벨트(110)는 그 양 말단(620)이 서로 다른 회전방향에 위치하도록 형성된다. 또한, 벨트(110)의 각 말단(620)에는 중량부(100)의 중심축과 수직한 방향으로 축을 가지는 토크인가부(120)가 형성된다. 토크인가부(120)에 중량을 인가함으로써 토크 교정 장치(10)에 대해 토크를 인가할 수 있다. 토크인가부(120)에 중량을 인가하여 토크 교정 장치(10)에 대해 토크가 인가되면, 이를 제1 측정부(200)와 제2 측정부(500)에서 동시에 측정하여 토크 교정을 수행할 수 있다. 또한, 토크인가부(120)에 인가한 중량에 따라 중량부(100)에서 인가하는 토크를 알 수 있으므로, 토크인가부(120)에 인가한 중량에 따른 토크값, 제1 측정부(200)에서의 측정값, 제2 측정부(500)에서의 측정값을 얻을 수 있어 측정의 신뢰성을 높일 수 있는 이점이 있다. 도 1에서는 토크인가부(120)가 오목한 형태로 형성되어 무게추를 올려놓는 것과 같이 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니며 직접 벨트(110)에 무게추를 결합하는 등 토크 교정 장치(10)에 토크를 인가할 수 있는 어떠한 구성이라도 가능하다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 토크 교정 장치는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

10 : 토크 교정 장치
100 : 중량부
110 : 벨트
120 : 토크인가부
200 : 제1 측정부
310 : 커플링
320 : 제1 샤프트
330 : 제2 샤프트
340 : 커플링
400 : 가이드부
500 : 제2 측정부
600 : 지그부
610 : 바
620 : 말단
630 : 개구
700 : 척
710 : 클로
800 : 어댑터

Claims (4)

1. 중심을 축으로 회전하여 토크를 발생시키는 원형의 중량부;
   상기 중량부의 중심에 결합되어 상기 중량부의 회전에 따라 발생한 토크를 전달하는 제1 샤프트;
   상기 제1 샤프트와 제1 결합수단을 통해 연결되며, 상기 중량부에 의해 발생한 토크를 상기 제1 샤프트를 통해 전달받는 제1 측정부;
   상기 제1 측정부와 제2 결합수단을 통해 연결되며, 상기 중량부에 의해 발생한 토크를 상기 제1 측정부를 통해 전달받는 제2 샤프트;
   상기 제2 샤프트와 척과 어댑터를 통해 순차적으로 연결되며, 상기 어댑터와 직접 연결되는 가이드축 및 상기 가이드축의 말단에 형성되는 가이드베인을 포함하는 가이드부;
   상기 가이드축의 일측에 형성되며 상기 중량부에 의해 발생한 토크를 상기 제2 샤프트를 통해 전달받고, 전달받은 토크를 전기적으로 측정하는 제2 측정부; 및
   상기 가이드베인의 양면을 지지하도록 개별적으로 조작가능하며, 상기 가이드베인과 접촉하는 각 말단부에 원통형의 탄성부재를 포함하는 복수개의 바가 상기 가이드베인의 양면에 대향되는 방향에 형성되며, 상기 가이드베인을 고정단으로 기능하도록 하는 지그부;를 포함하며,
   상기 중량부의 회전에 의하여 발생한 토크는 상기 제1 샤프트, 상기 제1 측정부, 상기 제2 샤프트, 상기 어댑터 및 상기 가이드부를 통해 전달되고,
   상기 제1 측정부는 토크 센서를 포함하고 상기 제2 측정부는 스트레인게이지를 포함하여 상기 중량부로부터 전달받은 토크를 동시에 측정하며,
   상기 척은 상기 어댑터가 연결되는 면에 복수개의 클로를 포함하는 토크 교정 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서
   상기 중량부의 일측에 연결되되 상기 중량부의 양 방향으로 연장된 벨트의 말단에 각각 연결되어 상기 중량부와 수직인 축을 가지도록 연결된 토크인가부를 더 포함하는 토크 교정 장치.

Images