KR20070019910A - 축하중 측정시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반경방향 하중 및 온도 변화에 의한 영향을 받지 않고, 로드셀과 베어링 지지부간의 마찰력에 의한 비선형 신호에 의한 왜곡 없이 베어링에 작용하는 축하중(axial load)을 측정하기 위하여, 베어링 외륜의 측면과 축방향으로 직접 연결되어 있으며, 베어링 외륜의 외경보다 작은 외경을 가짐으로써 로드셀과 베어링 지지부간의 반경 방향으로는 갭이 형성되는 것을 특징으로 하는 로드셀을 구비하는 축하중 측정시스템을 제공한다.

Description

축하중 측정시스템 {Measurement system for axial load}

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 축하중 측정시스템의 개략적인 단면도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 로드셀을 구비하는 베어링을 개략적으로 나타내는 사시도이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 로드셀을 구비하는 베어링을 개략적으로 나타내는 사시도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명 *

1 : 회전축 2a : 베어링 내륜(inner race)

2b, 12b : 베어링 외륜 2c, 12c : 볼

4 : 베어링 지지부 5, 15 : 로드셀(load cell)

5a : 감지부 5b : 제1 지지부

5c : 제2 지지부 6 : 스토퍼(stopper)

7, 17 : 스트레인 게이지(Strain gauge)

15a, 15b : 링 15c : 링 지지부

F : 축하중 D : 갭(gap)

본 발명은 축하중 측정시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 압축기, 가스터빈과 같은 산업용 기계에 사용되는 볼 베어링에 걸리는 축하중 측정시스템에 관한 것이다.

터보 기계와 같이 유체의 압력과 속도가 유동 방향에 따라 크게 변하는 기계는 축방향으로 작용하는 힘인 축하중이 발생된다. 이때 축하중은 로터와 연결된 볼 베어링이 주로 담당한다.

특히 볼베어링은 하중 지지 능력이 크기 때문에 대용량의 압축기나 산업용 가스터빈에 많이 쓰인다. 베어링은 엔진에서 가장 중요한 부품 중 하나로서 회전체의 자중을 감당할 뿐만 아니라 회전력을 지지하는 역할을 한다. 또한 터보 기계는 고속으로 회전하기 때문에 회전 속도의 제곱에 비례하는 마찰력을 받게 된다.

이와 같이 다양한 하중을 감당해야 하는 베어링에 축 하중까지 더해질 경우 베어링의 강도를 넘는 하중에 의하여 베어링 표면이 손상되면서 파괴되어 엔진 전체의 파괴로 이어질 수 있기 때문에 베어링 냉각용 오일 온도와 진동 수준은 항상 측정하고 분석해야한다. 최근에는 터보 기계의 축하중이 조절되도록 설계하여 축하중이 과도하지 않도록 조절한다. 이와 같은 중요성 때문에 베어링에 작용하는 하중 중 조절이 가능한 축 하중은 항상 최소화를 시키기 위한 노력이 필요하다.

하지만 정확한 축 하중 평가는 유로에 대한 정확한 압력 평가가 선행되어야 하는 데 어려움이 있다. 이와 같은 어려움의 근본 원인은 과도 상태에서 구성품들 의 공력 특성 계산에 있다. 공력 특성은 크게 압력과 속도, 온도로 나눌 수 있는 데 유로 면적 변화, 유동 각도 변화, 유동의 누설, 유동의 마찰 등에 의한 예측하기 어려운 손실 때문에 정확한 계산이 상당히 어렵다.

따라서 축하중은 개발시 측정될 뿐 아니라 모니터링을 실시하여 운용중 축하중을 적절히 조절하는 것이 필요하다.

종래 터보 기계의 축하중을 측정하는 시스템으로 엔진 부품에 스트레인 게이지를 장착하는 방법은 베어링 하우징이나 외륜(Outer Race)에 스트레인 게이지를 장착한 후 축하중을 측정하는 방법으로서 가장 간단한 방법이다.

그런데, 위 방법은 첫째, 온도에 의한 영향과 반경 방향 하중에 의한 신호 왜곡이 나타날 수 있는 문제점이 있다.

둘째, 최근에는 외륜과 하우징의 강성이 높아지는 경향이 있기 때문에 축하중에 의한 외륜이나 하우징의 변형량이 작아서 측정의 정밀도가 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 베어링 외륜의 외경보다 작은 외경을 갖는 로드셀이 베어링 외륜의 측면과 축방향으로 직접 연결되어 있는 축하중 시스템을 제공함으로써 온도에 의한 영향을 줄이고, 반경 방향에 의한 하중에는 영향을 받지 않도록 하는 데 그 목적이 있다.

위와 같은 목적 및 그 밖의 여러 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 회전 축; 상기 회전축과 결합된 내륜, 외륜 및 상기 내륜과 외륜 사이에서 회전하는 회전체를 포함하여 이루어진 베어링; 상기 외륜의 외표면과 접촉하면서 상기 베어링을 지지하는 베어링 지지부; 및 상기 베어링 외륜의 일측에 축방향으로 설치되며, 축 방향으로 가해지는 하중을 측정하기 위한 하중측정수단을 구비하는 축하중 측정 시스템을 제공한다.

상기 베어링 외륜의 축방향 이동을 방지하기 위하여 베어링 지지부에는 돌출된 스토퍼(stopper)가 구비되어 있으며, 상기 스토퍼가 베어링 외륜의 일측면에 접하고 있는 것이 바람직하다.

상기 하중측정수단은 스트레인 게이지를 구비한 링 형상의 로드셀(load cell)이며, 상기 로드셀의 외경은 상기 볼 베어링 외륜의 외경보다 작은 것을 특징으로 한다.

상기 로드셀은, 링 형상의 감지부; 상기 감지부의 상기 볼 베어링쪽 측면에 일정 간격으로 배치된 적어도 세 개의 제1 지지부; 상기 감지부의 타측면에 상기 제1 지지부와 엇갈리는 위치에 일정 간격으로 배치된 제2 지지부; 및 상기 지지부 사이의 상기 감지부상에 스트레인 게이지를 구비하며, 상기 제1 지지부는 상기 볼 베어링의 외륜과 고정되고, 상기 제2 지지부는 베어링 지지부와 축방향으로 접촉하고 있는 것이 바람직하다.

다른 실시예로서의 로드셀은, 축방향으로 이격되어 대향하는 두 개의 링; 상기 링 사이에 개재되어 상기 두 개의 링을 고정시키는 적어도 세 개의 링 지지부; 및 상기 링 지지부상에 형성된 스트레인 게이지를 구비하며, 로드셀의 일측면과 상 기 베어링 외륜의 일측면은 고정되어 있으며, 상기 로드셀의 타측면은 상기 베어링 지지부와 축방향으로 접촉하는 것이 바람직하다.

상기 로드셀의 재질은 상기 볼 베어링 외륜과 같은 재질을 사용하는 것이 열응력(thermal stress)을 줄이기 위하여 바람직하다.

이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1 은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 축하중 측정시스템의 개략적인 단면도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 로드셀을 구비하는 베어링을 개략적으로 나타내는 사시도이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 축하중 시스템은 로터와 같은 회전축(1); 엔진부에 대하여 적은 마찰을 일으키며 회전할 수 있도록 회전축(1)과 결합된 내륜(2a), 외륜(2b) 및 상기 내륜(2a)과 외륜(2b) 사이에서 회전하는 회전체(2c)를 포함하여 이루어진 베어링; 베어링을 지지하는 베어링 지지부(4); 및 베어링의 축방향 측면에 결합되어 있는 하중측정수단(5)을 구비한다.

회전축(1)은 로터나 임펠러축과 같이 고속으로 회전함으로써 축하중을 발생시키는 축은 어느 것이든 본 발명의 보호범위에 속한다.

베어링의 내륜(2a)과 외륜(2b)의 폭은 같지만 지름은 다르며, 내륜(2a)의 외면에는 홈이 있고 내면에는 로터(1)와 억지끼움 되어 있어서 고정되어 있다. 외륜(2b)의 내면에는 홈이 있으며, 외면은 엔진과 같은 기계 부품의 일부분인 지지부(4)와 접촉만 되어 있다. 그리고 볼 베어링의 경우, 볼(2c)은 베어링의 내륜(2a) 과 외륜(2b) 사이의 공간에 들어 있어 홈 안에서 마찰이 거의 없이 회전한다.

로드셀(5)은 링 형상으로 되어 있으며, 베어링 외륜(2b)의 일측에 축방향으로 설치된다.

본 발명의 제1 실시예로서 로드셀(5)은 도 2에 도시된 바와 같이. 소정의 두께를 가지는 링 형상의 감지부(5a); 상기 감지부(5a)의 상기 볼 베어링쪽 측면에 일정 간격으로 배치된 적어도 세 개의 제1 지지부(5b); 상기 감지부(5a)의 타측면에 상기 제1 지지부(5b)와 엇갈리는 위치에 일정 간격으로 배치된 제2 지지부(5c); 및 상기 지지부 사이의 상기 감지부(5a)상에 스트레인 게이지(7)를 구비한다.

제2 지지부(5c)는 베어링 외륜(2b)의 측면과 일체로 결합되어 있다. 상기 결합은 두 부재를 고정할 수 있는 어떠한 방식도 다 포함하며, 바람직하게는 용접에 의한 결합일 수 있다.

제1 지지부(5b)는 베어링 지지부(4)와 축방향으로 접촉만 되고 있을 뿐, 고정되어 있지 않다.

로드셀(5)의 외경은 베어링의 외경보다 작기 때문에, 도 1에 도시된 바와 같이 로드셀(5)과 베어링 지지부(4)간의 반경 방향 갭(gap)(D)이 형성된다.

로드셀(5)은 로드셀(5)과 베어링 외륜(2b)간의 열응력을 줄이기 위하여 베어링 외륜(2b)과 같은 재질을 사용한다. 왜냐하면, 열팽창계수가 다른 상이한 재질을 사용하면 온도 변화에 의한 열팽창률이 달라져서 두 부재간 열응력을 발생시키기 때문이다.

로드셀(5)의 감지부(5a)의 두께는 스트레인 게이지(7)가 부착되는 위치의 부 재의 변형률(strain)과 관계되는 강성(stiffness)에 영향을 준다. 두께가 두꺼워지면 강성이 커져, 변형률이 줄어들어서 정밀한 측정이 어려워진다. 그러나 두께를 너무 얇게 하면 강성이 작아지고, 변형량이 너무 커져서 진동을 발생시키는 요인이 될 수 있으므로 적절하게 결정할 필요가 있다.

상기 설명한 스트레인 게이지(7) 부착 위치의 부재의 변형률은 제1 지지부(5b)와 제2 지지부(5c)의 부착위치 달리함으로써도 조절 가능하다. 예를 들면, 제1 지지부(5b)와 제2 지지부(5c) 사이의 거리를 가깝게 하면 변형률이 줄어들게 되고, 거리를 멀게 하면 변형률은 커지게 될 것이다.

스트레인 게이지(7)는 감지부(5a)의 일측면 또는 양측면 모두에 배치될 수 있고, 배치 위치는 축하중(F)에 의한 변형량 즉, 감지부(5a)의 강성을 고려하여 결정될 수 있다.

위와 같은 구성에 의한 본 발명의 제1 실시예에 따른 축하중 측정시스템의 기능 및 작용을 설명한다.

로터(1)에 축하중(F)이 가해지면, 축하중(F)은 베어링 내륜(2a)과 볼(2c)을 통하여 베어링 외륜(2b)에 전달되고, 베어링 외륜(2b)과 고정 결합된 로드셀(5)의 제1 지지부(5b)에 압축력이 작용하게 된다. 또한 로드셀(5)의 제2 지지부(5c)도 베어링 지지부(4)에 접촉하고 있으므로 제2 지지부(5c)에도 압축력이 작용하여 로드셀(5)의 감지부(5a)는 축방향으로 변형이 발생된다.

로드셀(5)의 감지부(5a)에 부착된 스트레인 게이지(7)도 따라서 변형이 일어나고, 이는 전기저항의 변화로 변환되어 휘트스톤 브릿지(wheatstone bridge) 회로 (미도시)와 같은 전기회로를 통하여 정밀한 전기적 신호로 변환되어 출력된다. 이 때, 온도 보상을 위하여 하프 브릿지(half bridge)회로가 이용될 수 있다.

여기서, 로드셀(5)과 베어링 지지부(4)간의 반경 방향으로는 갭(D)이 형성된 채로 로드셀(5)이 베어링 외륜(2b)에 용접에 의해 결합되어 있으므로 반경방향으로 발생한 하중에 의해 로드셀(5)은 영향을 받지 않고, 로드셀(5)과 베어링 지지부(4)간의 마찰력도 없어서 비선형 신호도 발생하지 않는 효과가 있다.

또한, 로드셀(5)이 베어링 외륜(2b)에 고정되어 있음으로써 리그 시험을 위한 별도의 치구도 필요 없게 되어 치구의 영향에 의한 변형량의 변화에 의해 영향을 받지 않는 효과가 있다.

그리고, 스트레인 게이지(7)를 베어링의 외륜(2b)에 부착시키는 종래의 방법과는 달리 스트레인 게이지(7)를 베어링의 외륜(2b)과 작은 면적의 면접촉을 하며 이격되어 있는 로드셀의 감지부(5a)에 부착함으로써 온도의 변화에 의한 영향을 현저히 줄이는 효과가 있다.

도 3은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 로드셀(15)을 구비하는 베어링을 개략적으로 나타내는 사시도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 로드셀(15)은 축방향으로 이격되어 대향하는 두 개의 링(15a,15b); 상기 링(15a,15b) 사이에 개재되어 상기 두 개의 링(15a,15b)을 고정시키는 적어도 세 개의 링 지지부(15c); 및 상기 링 지지부(15c)상에 형성된 스트레인 게이지(17)를 구비한다.

로드셀(15)의 일측면은 베어링 외륜(12b)(2b)의 일측에 용접과 같은 방법에 의하여 고정 결합되어 있으며, 로드셀(15)의 타측면은 베어링 지지부(4)와 축방향으로 접촉하고 있다. 또한, 로드셀(15)은 로드셀(15)과 베어링 외륜(12b)(2b)간의 열응력을 줄이기 위하여 베어링 외륜(12b)과 같은 재질을 사용한다.

링 지지부(15c)는 두 개의 링(15a,15b)이 일정 간격으로 대향될 수 있도록 적어도 세 개의 링 지지부(15c)를 사용하여야 하며, 본 발명에서는 바람직하게 여덟 개의 링 지지부(15c)를 일정 간격으로 링(15a,15b) 사이에 개재시켰다.

위와 같은 구성에 의한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축하중 측정시스템이 나타내는 기능 및 작용에 대해 설명한다.

회전축(1)에서 발생한 축하중(F)이 베어링 내륜(2a)과 볼(2c)을 통하여 베어링 외륜(12b)에 전달되면, 베어링 외륜(12b)은 두 개의 링(15a,15b)을 구비하는 로드셀(15)에 압축력을 가하여 밀게 되고, 이에 의하여 링 지지부(15c)는 압축되어 길이 변형이 일어나게 된다. 링 지지부(15c)에서의 변형률은 스트레인 게이지(17)를 통하여 정밀한 전기적인 신호로 변환되어 출력된다.

이상과 같은 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 로드셀(15)에 의하여 출력된 전기적인 신호는, 로터에 베어링을 장착하기 전에 만능 인장 시험기로 베어링 케이스에 압축력을 가하여 로드셀(15)의 축하중(F)에 대한 변형률을 측정하여 출력된 전기적인 신호를 기준신호로 삼아 보정(calibration)함으로써 최종적으로 축하중(F)을 결정할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 축하중 측정시스템에 의하면, 베어링 외륜의 측면과 축방향 으로 직접 연결되어 있으며, 베어링 외륜의 외경보다 작은 외경을 갖는 로드셀을 구비하고 있다.

따라서, 첫째 로드셀과 베어링 지지부간의 반경 방향으로는 갭이 형성되어 있으므로 반경방향으로 발생한 하중에 의해 영향을 받지 않고, 로드셀과 베어링 지지부간의 마찰력도 없어서 비선형 신호도 발생시키지 않는 효과가 있다.

둘째, 스트레인 게이지를 베어링의 외륜과 작은 면적의 면접촉을 하며 이격되어 있는 로드셀의 감지부에 부착시킴으로써 온도의 변화에 의한 영향을 현저히 줄이는 효과가 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

1. 회전축;

   상기 회전축과 결합된 내륜, 외륜 및 상기 내륜과 외륜 사이에서 회전하는 회전체를 포함하여 이루어진 베어링;

   상기 외륜의 외표면과 접촉하면서 상기 베어링을 지지하는 베어링 지지부; 및

   상기 베어링 외륜의 일측에 축방향으로 설치되며, 축 방향으로 가해지는 하중을 측정하기 위한 스트레인 게이지를 구비한 링 형상의 로드셀(load cell)을 가지는 하중측정수단을 구비하는 축하중 측정 시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 로드셀의 외경은 상기 베어링 외륜의 외경보다 작으며,

   링 형상의 감지부;

   상기 감지부의 상기 볼 베어링쪽 측면에 일정 간격으로 배치된 적어도 세 개의 제1 지지부; 및

   상기 감지부의 타측면에 상기 제1 지지부와 엇갈리는 위치에 일정 간격으로 배치된 제2 지지부를 구비하며, 상기 제1 지지부는 상기 볼 베어링의 외륜과 고정되고, 상기 제2 지지부는 베어링 지지부와 축방향으로 접촉하고 있는 축하중 측정시스템.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 로드셀의 외경은 상기 베어링 외륜의 외경보다 작으며,

   축방향으로 이격되어 대향하는 두 개의 링;

   상기 링 사이에 개재되어 상기 두 개의 링을 고정시키는 적어도 세 개의 링 지지부; 및

   상기 링 지지부상에 형성된 스트레인 게이지를 구비하는 축하중 측정시스템.

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