KR101745688B1 - 터빈 로터 변위 측정 기능이 포함된 저널 베어링 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 저널 베어링의 일측 오일 씰에 로터 변위만을 정밀하게 측정하는 센서를 내장하여 제공함으로써 기존 발전 설비에 용이하게 설치가 가능하고, 미크론 이하의 정밀한 로터 변위를 제공함으로써 각종 회전 이상 상태를 조기에 진단할 수 있다.

Description

터빈 로터 변위 측정 기능이 포함된 저널 베어링{Journal Bearing Capable of Measuring Turbine Rotor Runout}
본 발명은 저널 베어링의 양측에 구비된 베어링 오일 씰(oil seal) 또는 오일 디플렉터(oil deflector) 및 이에 내장된 로터(rotor) 변위 센서를 구비한 터빈용 저널 베어링에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
일반적으로 화력발전기용 고압 증기터빈은 터빈 로터의 하중을 지지하고 안정된 회전을 제공하기 위하여 축 양단에 틸팅패드 저널 베어링(tilting pad journal bearing)을 사용한다. 이러한 저널 베어링은 하중 지지 및 윤활을 위해서 베어링에 냉각된 오일이 연속적으로 공급되며, 틸팅패드를 빠져 나오는 오일은 베어링의 측면 및 배유 구멍(drain hole)을 통해 배출된다. 이때 저널 베어링 양측면에는 오일이 외부로 누설되지 않도록 오일 디플렉터 혹은 오일 씰이 설치된다.
약 3,600 rpm의 고속으로 회전하는 터빈 로터의 회전 중 이상 상태를 진단하기 위해서 통상 저널 베어링에 근접하여 와전류방식(eddy-current type)의 작은 원통형 프루브(probe) 변위 센서가 설치되어 로터의 회전 진동을 측정한다. 화력발전기용 고압 증기터빈에서 진동이 발생하여 동적 안정성이 확보되지 않으면 파손에 의한 운전 정지, 보수 작업 등으로 엄청난 경제적 손실이 발생한다. 따라서 설치, 정비 후의 운전 상태 및 운전 중 상태 변화 등 운전 상태 모니터링은 신뢰성을 확보하기 위해 필수적인 요소이다. 진동의 대표적인 원인으로는 로터, 베어링, 버켓(bucket) 등 핵심 기계요소의 이상, 허용치 이상의 편심 질량, 축 정렬 불량, 설치 잘못, 운전 미숙 등이 있다. 직접 접촉에 의한 진동으로는 터빈 회전부와 정지부의 금속 접촉이 있으며, 오일 디플렉터의 씰에 오일 미스트가 탄화, 퇴적되어 로터와 접촉하여 고진동이 발생하는 경우도 있다.
다양한 진동을 사전에 파악하여 대처하기 위해서는 현재와 같은 단일 원통형 프루브 변위 센서보다 높은 정밀도의 센서가 필요하다. 통상 수 미크론 수준의 정밀도로 파악되는 진동 변화나 최대값을 기준으로 하는 감시 시스템은 이상 상태를 조기에 진단하고 파악하는데 충분하지 않다. 특히 원통형 프루브 변위 센서가 측정하는 로터의 측정면은 운전 전후의 열팽창 정도가 크고, 수 미크론 수준의 표면 거칠기 및 형상오차가 존재하며, 로터의 회전 중심이 200 μm 이상 변화하는 환경에서 동작하고, 운전시 로터의 축 방향 열팽창량이 5 mm에 달할 정도로 상당하므로 측정 위치가 수시로 변하기 때문에 정밀한 측정이 이루어질 수 없다. 따라서 현장에서는 측정값의 변화 추세를 정상상태를 기준으로 비교하여 이상 상태를 판단하고 있다. 이상 진동에 대해 신속한 원인 분석과 이에 따른 방지 기술을 확보하는 것은 안정적인 전력공급을 위해 매우 중요하며, 이를 위해 운전시 로터의 변위를 보다 높은 정밀도로 측정할 필요가 있다.
본 발명은 대용량 화력발전기용 고압 터빈에 사용되는 틸팅패드 저널베어링에 부착되어 저널 베어링의 오일 누설을 방지하고 외부로부터의 고온 스팀의 유입을 막는 통상의 오일 씰을 터빈 로터의 운전 상태 측정에 특화된 변위 센서를 내장한 오일 씰로 대체하여 로터의 회전 궤적 및 진동을 통상의 경우보다 더욱 정밀하게 측정함으로써 터빈-발전기의 동적 안정성 확보 및 신뢰성 향상이 주된 목적이다.
본 개시의 실시예에 따른 터빈용 저널 베어링에 있어서, 로터를 지지하기 위한 베어링 몸체; 저널 베어링 몸체의 일측에 로터와 동심원상으로 배치되며, 중공을 갖는 원통형 형상을 이루도록 조립되는 상측 씰 부재 및 하측 씰 부재를 포함하고, 상측 씰 부재 및 하측 씰 부재가 조립된 원통형 형상의 내경면에 터빈용 베어링의 일단부로부터 상기 베어링 몸체의 타단부 방향으로 제1차단벽, 요홈 및 제2차단벽을 순차적으로 구비하는 제1오일 씰; 저널 베어링 몸체의 타측에 로터와 동심원상으로 배치되는 제2오일 씰; 및 제2차단벽 내에 배치되어 로터의 변위를 감지하는 환형의 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 저널 베어링의 일측 오일 씰에 로터 변위만을 정밀하게 측정하는 센서를 내장하여 대체함으로써 기존 발전 설비에 용이하게 설치할 수 있고, 미크론(micron) 이하의 정밀한 로터 변위를 제공하여 각종 회전 이상 상태를 조기에 진단할 수 있다. 특히 터빈 레트로피트(retrofit) 수행 시에 본 발명의 변위 센서가 내장된 오일 씰을 저널 베어링에 적용한다면 발전 설비의 운전 신뢰성 향상을 기대할 수 있다.
도 1은 일반적인 틸팅패드 저널 베어링의 분해사시도이다.
도 2는 일반적인 틸팅패드 저널 베어링이 터빈의 하부 케이싱에 조립되는 형태를 나타내는 사시도이다.
도 3은 정전용량형 변위 센서 전극이 추가된 하측 씰 부재의 사시도이다.
도 4는 하측 씰 부재 및 상측 씰 부재에 추가된 센서 전극 패턴을 나타내는 전개도이다.
도 5는 변위 센서가 구비된 씰 부재의 변위 측정 개념을 설명하는 개념도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 일반적인 틸팅패드 저널 베어링의 분해사시도이다.
도 1은 틸팅패드 저널 베어링의 일례일 뿐이며 다른 형태의 구조일 수 있다. 통상 저널 베어링(1) 양측에는 라비린스 씰(labyrinth seal) 혹은 에어포켓 등이 구비되어 있어 저널 베어링(1) 내부에서 틸팅패드(10)를 빠져 나온 오일이 외부로 유출되지 않고 내부 배유 구멍(미도시)으로 빠져나가도록 한다. 본 개시에서는 일측에 위치하는 씰 부재(60, 70)가 기존 씰 기능은 동일하게 포함하고 추가로 로터의 변위를 측정할 수 있는 센서를 내장한 씰 부재(61, 71)로 대체된다. 저널 베어링(1)에 설치되는 오일 씰(40, 50, 60, 70)은 라비린스 씰, 에어포켓, 플로팅(floating) 라비린스 씰 등 다양한 형태일 수 있다.
도 2는 일반적인 틸팅패드 저널 베어링(1)이 터빈의 하부 케이싱(80)에 조립되는 형태를 나타내는 사시도이다.
틸팅패드 저널 베어링(1)은 터빈 발전기의 하부 케이싱(80)에 도 2와 같이 내부 홈에 안착되도록 조립된다. 대개의 경우 틸팅패드 저널 베어링(1)의 오일 씰(40, 50, 60, 70)의 외측으로는 여유 공간이 존재하므로 하부 케이싱(80)에 조립되는 부분의 설계변경 없이 씰 부재(60, 70)의 폭을 어느 정도 확장할 수 있다. 본 개시에서는 도 2의 하부 케이싱(80)과의 조립에 영향을 주지 않는 외경 크기를 가지는 추가적인 실린더 형상의 돌출부를 형성하고 변위 센서를 돌출부 내에 내장한다.
도 3은 정전용량형 변위 센서 전극이 추가된 하측 씰 부재의 사시도이다. 도 4는 하측 씰 부재 및 상측 씰 부재에 추가된 센서 전극 패턴을 나타내는 전개도이다. 도 5는 변위 센서가 구비된 씰 부재의 변위 측정 개념을 설명하는 개념도이다.
정전용량형 변위 센서는 센서 전극면과 측정면 사이에 형성되는 정전용량 값의 변화를 이용하여 변위를 측정하는 센서이다. 일반적으로 마주보는 두 판형 도체 사이의 정전용량 값은 유전율, 면적에 비례하고 틈새 간극에 반비례한다. 정밀한 변위 측정의 경우 틈새 간극의 변화에 비례하여 전압 측정값이 얻어지도록 회로를 구성할 수 있다. 본 개시에서는 로터를 감싸는 실린더 형태로 센서 전극을 배치하여 로터의 움직임에 따른 틈새 간극의 변화를 측정한다.
발전용 터빈 로터에 사용되는 저널 베어링 부위는 100 ℃에 가까운 높은 온도에 노출될 수 있는 환경으로서 일반적인 방식으로 제작된 정전용량형 변위 센서는 적용이 어렵다. 본 개시에서는 센서 설치 환경을 고려하여 내열온도 및 강도가 높고 열팽창계수가 금속과 9~11x10-6/℃로 비슷하며 비전도체인 지르코늄(ZrO2) 세라믹을 몸체로 하고 그 위에 센서 전극이 패터닝 된 형태의 정전용량형 변위 센서를 적용한다.
본 개시에서, 기존의 씰 부재(60, 70)는 저널 베어링(1)의 외측 방향으로 환형 형상의 돌출부가 추가로 구비되도록 변형된다. 돌출부는 7~10 mm 정도의 폭인 것이 바람직하며, 기존의 하부 케이싱(80) 및 주변부와 간섭이 없는 크기로 돌출되는 것이 바람직하다. 라비린스 씰과 에어포켓의 경우와 같이 씰 양단에 로터와 근접한 오일 차단벽이 형성되어 있는 경우 일측 단을 센서 및 가드 전극면을 형성하는 내경면에 포함하여 패턴을 형성함으로써 추가되는 돌출부의 폭을 최소화할 수 있다. 돌출부의 내경은 씰 부재(60, 70)의 내경과 동일하게 형성할 수 있다. 정전용량형 변위 센서의 전극면(610, 620, 630, 640, 650)은 메탈라이징 처리된 세라믹 몸체에 금속을 50~100 μm 두께로 코팅한 후 패터닝하여 형성되므로 돌출부의 최종 내경은 금속 코팅 두께를 감안하여 설정하는 것이 바람직하다.
일 실시예에서 로터와 센서는 편측으로 약 300 μm의 틈새(직경 차이 600 μm)를 가지도록 설정될 수 있다. 통상 로터의 중심 이동은 200 μm 수준이며, 런아웃(run-out)은 50 μm 정도이고, 이상 상태에서의 런아웃은 이보다 큰 100 μm 수준으로서 상기 틈새는 직접 접촉을 방지하며 센서 민감도를 확보하기 위한 적절한 값이라 할 수 있다. 설치 틈새는 베어링의 특성에 따라 다른 값을 가질 수 있다. 오일 씰의 내경은 로터와 작은 틈새를 가질수록 누설이 줄어 유리하지만 로터와의 직접 접촉을 방지하기 위한 최소한의 틈새를 고려하여 설계된다. 변위 측정 정밀도를 높이기 위해서는 정전용량형 변위센서의 평균 틈새는 작을수록 바람직하다. 따라서 센서의 내경은 운전 특성이 고려된 오일 씰 내경을 기준으로 설정하는 것이 바람직하다.
다른 예로, 터빈 발전 시스템의 유압 펌프, 워터 펌프 등에도 오일 저널베어링이 사용된다. 이 경우 예상되는 회전축의 런아웃은 터빈의 경우보다 작다. 본 개시의 변위 센서 내장형 오일 씰은 펌프 축에도 적용이 가능하며, 예를 들어, 오일 씰의 틈새가 100 μm 보다 작게 설정된 경우라면 다음의 사항을 고려하여 틈새를 결정한다.
정전용량형 변위 센서는 두 전도체의 틈새에 형성된 전기장에 의해 결정되는 정전용량 값을 변위로 환산한다. 이 틈새가 너무 가까워지면 두 전도체 틈새를 채우고 있는 매질의 내전압(dielectric strength)을 넘어서는 전압이 걸리게 되어 절연파괴(electrical breakdown)이 일어난다. 즉, 두 전도체가 통전(short circuit)이 되어 정전용량 측정이 불가한 상태가 된다. 예를 들어, 두 전도체 사이가 공기인 경우 통상 30 μm 이하로 가까워지면 절연파괴의 확률이 높아진다. 또한, 두 전도체의 표면 거칠기, 틈새의 습기, 이물질 등에 의해서도 두 전도체가 국부적으로 가까워짐으로써 절연파괴의 가능성은 커질 수 있다. 따라서 측정 대상체인 로터의 최대 변위에서 센서와의 틈새가 30 μm 이상은 유지되도록 센서의 내경 크기를 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 이를 고려하여, 본 개시의 경우나 펌프에 적용되는 경우 센서의 내경부의 진원도는 예컨대 최소한 3~5 μm 이하가 되도록 제작되는 것이 바람직하다.
변위 측정을 위해 일반적으로 많이 사용되는 프루브(probe) 형 센서는 작은 원형 센서면을 가지며 범용성이 높으나 회전체의 변위를 정밀하게 측정하기 위해서는 3개 이상의 센서가 사용되는 것이 바람직하다. 센서 면적이 좁기 때문에 측정 대상의 움직임뿐만 아니라 측정 대상의 형상 오차도 같이 측정되기 때문이다. 측정 대상의 형상 오차를 제외한 움직임만을 측정하기 위해서는 센서의 설치 각도 정보를 이용하여 iFFT(inverse fast Fourier transform)을 통해 수치적으로 형상과 움직임을 분리할 수 있는데, 계산이 복잡하고 측정하고자 하는 회전체 변위 정밀도보다 센서가 정밀해야 하는 등 비용이 증가하는 단점이 있다.
움직임만을 측정하기 위한 더 직접적인 방법으로는 센서 면적을 최대한 넓게 형성하여 센서 면적보다 작은 형상이 측정되지 않도록 하는 방법이 있다. 측정 대상체가 로터인 경우, 만약 이를 완전히 감싸는 실린더 형태의 전극을 설치하는 경우를 가정해 보면, 로터가 움직이더라도 실린더와의 평균 틈새는 일정하기 때문에 일정한 정전용량 값을 가지게 되어 측정 대상체의 형상뿐만 아니라 움직임도 측정할 수 없게 된다. 본 개시에서는 도 5와 같이 원주면을 4분할하는 형태로 센서 전극을 구비함으로써 수평 및 수직 방향의 로터 변위를 측정할 수 있다. 수학식 1과 같이 수평 X 방향 변위 측정은 우측 2개 센서의 합산 값에서 좌측 2개 센서의 합산 값을 뺀 값으로 얻어지고, 수직 Y 방향 변위 측정은 상측 2개 센서의 합산 값에서 하측 2개 센서의 합산 값을 뺀 값으로 얻어진다. 각 방향의 변위는 로터 전체를 감싸며 4분할된 센서 전극을 이용하여 측정함으로써 본 개시의 센서는 측정체인 로터의 형상 오차에는 둔감하고 로터의 움직임만을 측정하게 된다.
Figure 112016106777010-pat00001
정전용량형 센서의 회로는 여러 방식이 있으나 터빈용 저널베어링의 설치 환경을 감안하면 센서와 회로부가 근접하여 설치되기 어려우므로 센서 케이블이 길어질 수 있다. 센서 케이블이 길어지면 케이블 내부의 정전용량 값이 증가하여 센서 부위 및 케이블 내의 기생정전용량 값이 상대적으로 크게 측정될 수 있다. 이 경우 전하전달법 방식의 회로를 이용하는 것이 바람직하다. 전하전달법 방식의 회로는 기생정전용량을 배제하기 위하여 스위치 가드 방법을 이용하고 센서부와 측정 타겟 사이의 정전용량을 제외한 센서부와 가드(guard), 가드와 접지 사이의 정전용량의 영향을 최소화할 수 있다.
본 개시에 따른 변위 센서의 구조 및 제작 방법에 대해 도 3 및 도 4를 참조하여 상세히 기술하면 다음과 같다.
하측 씰 부재(61)에 형성된 전극 패턴을 축 중심에서 바라본 전개도를 도 4의 (a)에 도시하였고, 상측 씰 부재(71)에 형성된 전극 패턴을 축 중심에서 바라본 전개도를 도 4의 (b)에 도시하였다. 하측 씰 부재(61)와 상측 씰 부재(71)에 각각 두 개의 센서 전극면(610, 620, 630, 640)과 이를 감싸며 소정 틈새로 전기적으로 분리된 가드 전극면(650, 652)을 포함하되 각 센서 전극면(610, 620, 630, 640)은 로터를 감싸는 원주를 4분할하는 크기를 가지고 띠 모양이며 축 방향 폭은 예컨대 3~7 mm로 형성될 수 있다. 센서 전극면(610, 620, 630, 640)과 가드 전극면(650, 652)은 예컨대 0.3~0.5 mm의 간극을 가지도록 형성되고 센서 전극면(610, 620, 630, 640)을 둘러싸는 가드 전극면(650, 652)은 예컨대 1~2 mm의 폭으로 형성될 수 있다. 가드 전극은 센서 전극에 형성되는 전기장을 측정 타켓에 집중되도록 하여 센서의 변위 민감도 증가에 기여하며, 외부 노이즈가 센서로 유입되는 것을 방지한다.
센서 전극면(610, 620, 630, 640)의 상하측 씰 부재(61, 71)의 결합부(62)와 내경이 만나는 모서리에 근접하여 예컨대 0.3~0.5 mm의 절연 간극(616, 626, 636, 646)을 형성하는 것이 바람직하다. 또한 하측 씰 부재(61)의 센서 전극면(630, 640)에서 결합부(62)로 연장되는 배선과 상측 씰 부재(71)의 센서 전극면(610, 620)에서 결합부(72)로 연장되는 배선은 상하측 씰 부재(61, 71)가 결합되었을 때 전기적으로 간섭이 없이 하나의 기판에 배선된 것처럼 배치되도록 도 4와 같이 서로 겹치지 않도록 배치하는 것이 바람직하다.
한편, 센서 전극면에 대한 다른 실시예로서, 센서 전극 패턴의 직사각형의 모서리는 코너 반경 1 mm 이하의 라운드 형태로 형성하여 센서 전극면과 로터 사이에 형성되는 전기장이 날카로운 모서리 부위에서 국부적으로 집중되는 현상을 방지할 수 있다. 국부적으로 밀도가 높은 전기장이 존재하면 측정 타켓의 미세하게 뾰족한 표면 형상이 근접할 때 절연파괴가 일어나 통전되어 측정 신호가 왜곡될 가능성이 높아질 수 있다. 즉, 센서 전극면에 형성되는 전기장을 보다 균일하게 함으로써 더욱 안정된 계측이 가능하다. 라운드 형태로 모서리를 가공하는 경우 이를 둘러싸는 인접하는 가드의 형태도 센서 전극면과 가드 전극면이 일정한 틈새를 가지도록 라운드 형태로 형성한다.
가드 전극면(650, 652)의 결합부(62, 72) 표면의 배선은 상하측 씰 부재(61, 71)의 결합에 의해 전기적으로 접촉되도록 서로 포개지는 위치에 형성하는 것이 바람직하다. 결합부(62, 72)에 형성되는 가드 배선은 내경에 형성된 방식과 마찬가지로 센서 배선(612, 622, 632, 642)을 예컨대 0.3~0.5 mm의 간극을 가지고 둘러싸도록 배치되는 것이 바람직하다.
센서 전극면(610, 620, 630, 640)과 가드 전극면(650, 652)은 센서 내경에서 결합부(62, 72) 단면으로 배선 패턴이 이어지며 상하측 씰 부재(61, 71)의 외부로 실장되는 배선을 연결하기 위한 패드 전극(614, 624, 634, 644, 656, 660)이 구비될 수 있다. 외부 배선을 위한 패드 전극(614, 624, 634, 644, 656, 660)은 납땜 작업등으로 연결할 수 있으며, 땜납 비드(bead) 및 외부 배선의 두께를 감안하여 결합부(62, 72)보다 낮게 국부적으로 홈을 형성하여 공간을 확보할 수 있다. 땜납으로는 사용 온도범위가 280~305 ℃인 고온용 땜납을 사용하여 외부 배선과 연결하는 것이 바람직하다.
하측 씰 부재(61)의 결합부(62) 양 측면 및 상측 씰 부재(71)의 결합부(72) 양 측면에서 각 전극과 전기적으로 연결되어 외부로 인출되는 신호선(미도시)은 상측 씰 부재(71)의 중앙 상단 혹은 일측면에 구비된 소켓(미도시)에 연결되어 저널베어링(1)의 외부로 인출되고 센서 회로부(미도시)와 연결될 수 있다. 결과적으로 상하측 씰 부재는 결합 후 결합부로부터 외측으로 각각 두 개의 센서 선이 인출되고, 가드 선과 접지 선을 포함하여 총 6개의 신호선이 외부로 인출된다.
상하측 씰 부재(61, 71)가 결합된 상태에서 4개의 센서 전극면(610, 620, 630, 640)은 각각의 씰 부재(61, 71) 중앙부의 센서 전극면(610, 620, 630, 640) 사이에 형성된 가드 전극면(650), 상하측 씰 부재(61, 71)의 결합부(62)에 근접하여 형성된 절연 간극(616, 626, 636, 646)을 제외하면 도 5와 같이 전체 원주면을 감싸는 구성이 된다.
하측 씰 부재(61)와 상측 씰 부재(71)에는 결합 시 조립 형상 정밀도를 확보하기 위한 다우웰 핀(Dowel pin) 구멍(64)을 복수로 형성할 수 있다. 도시의 편의상 내경과 결합부에만 전극 패턴을 도시하였으나 측면 및 외경면에도 도금이 되어 센서와 가드 전극을 둘러싸는 접지 전극(660)을 형성할 수 있고 상하측 씰 부재(61, 71)가 결합되면 접지가 서로 연결되도록 할 수 있다. 가드 전극면(650, 652)은 상하측 씰 부재를 결합하면 4개 센서 전극면(610, 620, 630, 640)을 감싸는 형태로 하나로 연결된다. 접지 전극(660)은 가드 전극면(650, 652)을 감싸는 위치에 구비되되 측정면에 대향되도록 배치되지 않아도 무방하다. 본 개시와 같이 설치 공간을 최소로 하는 것이 바람직한 경우 가드 전극면(650, 652)에 근접하여 로터를 향하지 않고 측면에 구비되어도 무방하다.
이와 같은 정전용량형 변위 센서 전극은 메탈라이징 및 레이저가 장착된 복합 밀링 가공기에서 레이저 패터닝을 활용하여 다음의 방법으로 형성할 수 있다.
본 개시의 변위 센서 내장형 씰 부재는 지르코늄(ZrO2) 세라믹 소재로 제작하는 것이 바람직하다. 지르코늄 세라믹은 코팅되는 금속과 유사한 수준인 9~11x10-6/℃의 열팽창계수를 가져 코팅층이 열에 의한 잔류 응력으로 박리 혹은 파손될 확률이 낮으며 강도가 높고 내충격성이 우수하여 본 발명의 목적에 부합한다. 또한, 비전도체이므로 금속을 코팅한 후 패터닝을 통해 원하는 형태의 전극면을 형성할 수 있다. 지르코늄 세라믹은 교체될 씰 부재의 형태로 소결성형 후 각종 구멍 및 홈 가공을 포함하여 최종 정밀도로 기계 가공한다.
다음으로 메탈라이징 브레이징법(metalizing brazing)으로 세라믹 표면에 금속층을 형성시킨 후에 브레이징 합금을 사용하여 금속을 접합한다. 대표적인 메탈라이징 방법은 몰리브덴 옥사이드(MoO3 ), 망간 옥사이드(MnO2) 분말을 유기용매에 바인더로 페이스트 상으로 만들어 세라믹에 도포한 후 1400~1600 ℃로 소결하는 방법이 있다. 이렇게 표면 개질된 부재 표면에 예컨대 니켈 도금함으로써 높은 결합 강도를 가진 도금층을 형성할 수 있다. 메탈라이징에 의한 몰리브덴 침투층 깊이는 20 μm 이상, 니켈 코팅 두께는 50 μm 이상인 것이 바람직하다. 센서 및 배선 패턴이 형성될 부위를 포함하는 영역에 도금이 완료된 부재는 가공용 레이저가 장착된 복합 밀링 가공기에서 도 3 내지 도 4와 같은 3차원 패턴이 형성되도록 가공될 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
61: 하측 씰 부재 66: 오일 차단벽
71: 상측 씰 부재 80: 하부 케이싱
610: 제1센서 전극면 620: 제2센서 전극면
630: 제3센서 전극면 640: 제4센서 전극면
650: 제1가드 전극면 652: 제2가드 전극면

Claims (10)

  1. 회전하는 로터를 지지하기 위한 터빈용 저널 베어링에 있어서,
    상기 로터를 지지하기 위한 베어링 몸체;
    상기 베어링 몸체의 일측에 상기 로터와 동심원상으로 배치되며, 중공을 갖는 원통형 형상을 이루도록 조립되는 상측 씰 부재 및 하측 씰 부재를 포함하고, 상기 원통형 형상의 내경면에 상기 터빈용 저널 베어링의 일단부로부터 상기 베어링 몸체의 타단부 방향으로 제1차단벽, 요홈 및 제2차단벽이 차례로 구비되는 제1오일 씰;
    상기 몸체의 타측에 상기 로터와 동심원상으로 배치되는 제2오일 씰; 및
    상기 제2차단벽 내에 배치되어 상기 로터의 변위를 감지하는 환형의 센서;
    를 포함하되,
    상기 제2차단벽은, 상기 제1차단벽보다 넓은 폭을 가지도록 형성되고,
    상기 내경면을 원주 방향으로 4등분한 영역의 내부에 일정 간격으로 서로 이격되어 형성되는 센서 전극면; 및
    상기 센서 전극면을 절연 간극을 가지고 둘러싸도록 형성되는 가드 전극면;을 포함하고,
    상기 상측 씰 부재에 구비된 상기 두 센서 전극면의 측정값의 합 및 상기 하측 씰 부재에 구비된 상기 두 센서 전극면의 측정값의 합을 이용하여 상기 로터의 수직 방향 변위를 측정하고,
    상기 상측 씰 부재 및 상기 하측 씰 부재의 수평 방향 일측에 구비된 상기 두 센서 전극면의 측정값의 합 및 수평 방향 타측에 구비된 상기 두 센서 전극면의 측정값의 합을 이용하여 상기 로터의 수평 방향 변위를 측정하여
    상기 로터의 런아웃을 판정하는 것을 특징으로 하는 터빈용 저널 베어링.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1,2 오일 씰은 비전도체 소재로 이루어지되, 지르코늄(ZrO2) 세라믹 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈용 저널 베어링.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 센서 전극면의 모서리부는 코너 반경 1 mm 이하의 라운드 형태로 형성되고, 상기 센서 전극면에 인접하는 상기 가드 전극면도 상기 절연 간극이 유지되도록 라운드 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 터빈용 저널 베어링.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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