KR20130013259A - 유체기계의 축추력 측정 장치 - Google Patents

유체기계의 축추력 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 구동모터와 유체기계 사이에 설치되어 유체기계에서 발생하는 축추력을 측정하는 유체기계의 축추력 측정장치에 있어서, 케이스와, 상기 케이스의 내부를 관통하며 일단이 유체기계의 회전축과 펌프측 커플링으로 연결되어 유체기계의 축추력이 전달되며, 타단이 모터측 커플링으로 구동모터의 구동축과 연결되는 주축과, 상기 케이스 내에서 축추력을 받는 주축의 양단을 축 지지하는 볼 베어링과, 상기 볼 베어링의 일측에 배치되어 상기 볼 베어링에 지지되는 축추력을 측정하는 센서를 포함하는 유체기계의 축추력 측정 장치를 제공한다.
따라서, 축 추력 측정 장치의 내부에 구비되는 롤러 베어링이 볼 베어링으로 전달되는 반경방향 추력을 제거하여 볼 베어링으로 전달되는 축방향 축추력을 정확하게 측정할 수 있고, 롤러 베어링과 볼 베어링에 예압을 가하는 베어링 케이스와 베어링 어댑터 및 베어링 커버를 구비하여, 축추력을 측정하는데 진동이나 미끄러짐 등으로 인하여 오차가 생기는 것을 방지할 수 있으며, 축 추력 측정 장치의 내부 온도를 측정하는 센서를 구비하여, 유체 기계 운전 시 내부 베어링 온도를 측정하여 측정 장치 내의 온도 변화량을 알 수 있고, 이를 통해 축추력 측정용 센서의 특성변화를 측정값에 적용할 수 있다.

Description

유체기계의 축추력 측정 장치{Axial thrust measurement device for fluid machine }
본 발명은 유체기계의 축추력 측정 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유체기계의 임펠러 회전축에 발생하는 축추력을 측정하는 유체기계의 축추력 측정 장치에 관한 것이다.
일반적으로 펌프는 도 1에 도시된 바와 같이 흡입구(35)와 토출구(36)를 갖는 펌프 케이싱(31) 내에 임펠러(34)가 설치되는 임펠러 회전축(32)이 볼 베어링(33a)에 축 지지되어 구성된다.
그리고, 구동모터(40)의 구동축(41)이 상기 임펠러 회전축(32) 일단과 커플링(50)으로 연결되어 구동모터(40)가 회전하면 임펠러 회전축(32)이 회전하게 되며, 이로 인해 임펠러(34)가 회전하면서 흡입구(35)에서 유체를 흡입하여 토출구(36) 측으로 토출시키는 것이다.
이와 같이 임펠러(34)가 회전하여 유체를 흡입구(35)에서 흡입하여 토출구(36)로 토출시키는 과정에서 임펠러(34)의 전면과 후면에는 유동하는 유체의 압력차에 의해 임펠러 회전축(32)에 흡입구(35) 측으로 축 방향으로 작용하는 외력이 발생한다.
즉, 축추력이 발생하는 것인데 공지의 펌프는 이 축추력에 의해 임펠러 회전축(32)에 축 방향 압력이 발생하는 것을 감안하여 펌프의 설계 및 제작 시 축방향으로 작용하는 축추력을 지지하는 볼 베어링(33a)에 상기 임펠러 회전축(32)을 축 지지시켜 구성된다.
그러나, 축추력은 펌프 제작 후 예상치 보다 높게 발생될 경우 이미 설치된 볼 베어링(33a)에는 기준치 이상의 축추력이 받게되어 베어링의 손상이 발생되며 이는 펌프의 고장원인이 되는 문제점이 발생한다.
본 발명은 유체기계의 설계 및 제작 시 유체기계의 임펠러 회전축에 발생하는 축추력을 미리 측정하여 유체기계의 회전축을 지지하는 베어링을 합리적으로 선정하여 유체기계의 작동 시 발생하는 축추력에 의해 베어링이 손상되는 것을 방지하여 유체기계의 고장을 방지하도록 하는 유체기계의 축추력 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 구동모터와 유체기계 사이에 설치되어 유체기계에서 발생하는 축추력을 측정하는 유체기계의 축추력 측정장치에 있어서, 케이스와, 상기 케이스의 내부를 관통하며 일단이 유체기계의 회전축과 펌프측 커플링으로 연결되어 유체기계의 축추력이 전달되며, 타단이 모터측 커플링으로 구동모터의 구동축과 연결되는 주축과, 상기 케이스 내에서 축추력을 받는 주축의 양단을 축 지지하는 볼 베어링과, 상기 볼 베어링의 일측에 배치되어 상기 볼 베어링에 지지되는 축추력을 측정하는 센서를 포함하는 유체기계의 축추력 측정 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 유체기계의 축추력 측정 장치의 케이스 내에 설치되어 상기 주축을 축 지지하여 유체기계의 축추력이 상기 주축에 전달되도록 하는 롤러 베어링을 더 포함할 수 있고, 상기 케이스 내에 설치되어 상기 볼 베어링의 위치를 잡아주어 볼 베어링이 미끄러지지 않게 하는 베어링 시트를 더 포함할 수 있으며, 상기 케이스 내에 설치되어 상기 볼 베어링의 외륜을 일정한 압력으로 감싸며 예압을 가하는 베어링 케이스를 더 포함할 수 있고, 상기 축추력 측정 장치에 의해 감지된 데이터를 출력하는 출력수단을 더 포함할 수 있으며, 상기 출력수단은 센서로부터 수신되는 신호를 디지털 신호로 변환하고, 변환된 데이터를 컴퓨터로 전송하여 이를 분석하는 DAQ 시스템이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 유체기계의 축추력 측정 장치의 케이스는 각 부를 지지하는 베어링 하우징과, 상기 베어링 하우징 내부의 오일이 외부로 누출되는 것을 방지하며, 상기 볼 베어링에 예압을 가하는 상부 및 하부 베어링 커버로 이루어질 수 있고, 상기 베어링 하우징에는 온도센서를 삽입하여 베어링의 온도를 측정하는 온도센서 취부좌가 형성될 수 있으며, 상기 케이스 구비되어 주축을 지지하는 롤러 베어링과 상기 케이스의 베어링 하우징 사이에는 상기 롤러 베어링의 지지 및 상기 상부와 하부 베어링 커버의 힘을 볼 베어링으로 전달하는 상부 및 하부 베어링 어댑터가 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 유체기계의 축추력 측정 장치는 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 축 추력 측정 장치의 내부에 구비되는 롤러 베어링이 볼 베어링으로 전달되는 반경방향 추력을 제거하여 볼 베어링으로 전달되는 축방향 축추력을 정확하게 측정할 수 있다.
둘째, 롤러 베어링과 볼 베어링에 예압을 가하는 베어링 케이스와 베어링 어댑터 및 베어링 커버를 구비하여, 축추력을 측정하는데 진동이나 미끄러짐 등으로 인하여 오차가 생기는 것을 방지할 수 있다.
셋째, 축 추력 측정 장치의 내부 온도를 측정하는 센서를 구비하여, 유체 기계 운전 시 내부 베어링 온도를 측정하여 측정 장치 내의 온도 변화량을 알 수 있고, 이를 통해 축추력 측정용 센서의 특성변화를 측정값에 적용할 수 있다.
도 1은 종래의 터보형 펌프의 축추력 측정장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 유체기계의 축추력 측정 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 축추력 측정 장치를 확대하여 도시한 확대도이다.
도 4는 도 2의 작동 상태도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하면, 도 2는 본 발명에 따른 유체기계의 축추력 측정 장치를 도시한 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 축추력 측정 장치를 확대하여 도시한 확대도이며, 도 4는 도 2의 작동 상태도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 유체기계의 축추력 측정 장치(100)는 케이스(110)와, 주축(120)과, 볼 베어링(130)과, 센서(140)를 포함한다.
상기 케이스(110)는 구동모터(200)와 유체기계(300) 사이에 구비되며, 후술되는 주축(120)과 볼 베어링(130) 및 센서(140) 등을 외부에서 감싸는 역할을 한다.
상기 케이스(110)는 베어링 하우징(112)와 상부 베어링 커버(114) 및 하부 베어링 커버(116)으로 이루어진다. 상기 베어링 하우징(112)는 주축(120)을 외측에서 감싸는 역할을 하고, 상기 상부 베어링 커버(114)와 하부 베어링 커버(116)는 상기 베어링 하우징(112) 내부의 오일이 외부로 누출되는 것을 방지하고, 후술되는 볼 베어링(130)에 예압(Pre-Load)을 가하는 역할을 한다. 볼 베어링(130)에 예압(Pre-Load)을 가함으로 인하여 베어링의 강성이 높아지고, 레이디얼 방향이나 축방향의 위치결정 정도 및 축의 흔들림을 억제하여 볼 베어링(130)의 회전 정도가 향상되게 된다.
상기 베어링 하우징(112)에는 본 발명에 따른 유체기계의 축추력 측정 장치(100)의 내부에 구비되는 볼 베어링(130)과 롤러 베어링(150)의 온도를 측정하는 온도센서(S)가 삽입되는 온도센서 취부좌(112-1)가 형성된다.
상기 온도센서 취부좌(112-1)는 온도센서(S)를 삽입하여 볼 베어링(130)과 롤러 베어링(150)의 온도를 측정하고, 측정된 온도를 측정값에 반영하도록 한다.
상기 온도센서(S)는 볼 베어링(130)과 롤러 베어링(150)의 온도를 측정함으로 인하여 유체기계의 축추력 측정 장치(100) 내의 온도 변화량을 알 수 있고, 이를 통해 축추력 측정용 센서의 특성변화를 측정값에 적용할 수 있다.
상기 주축(120)은 상기 케이스(110)의 내부를 관통하며 일단이 유체기계(300)의 회전축(310)과 펌프측 커플링(122)에 의해 연결되어 유체기계(300)의 축추력이 전달되고, 상기 주축(120)의 타단은 모터측 커플링(124)에 의해 구동모터(200)의 구동축(210)과 연결된다.
상기 주축(120)는 구동모터(200)의 동력을 전달받아 유체기계(300)의 회전축(310)에 전달하는 역할을 한다.
상기 케이스(110) 내에서 축추력을 받는 주축(120)의 지지는 볼 베어링(130)에 의해 이루어진다. 상기 볼 베어링(130)은 상기 주축(120)의 양단을 축 지지하며 상기 볼 베어링(130)의 일측에는 축추력을 측정하는 센서(140)가 배치된다.
상기 센서(140)는 상기 볼 베어링(130)의 일측에 배치되어 상기 볼 베어링(130)에 지지되는 축추력을 측정한다.
상기 케이스(110) 내에는 롤러 베어링(150)이 설치된다. 상기 롤러 베어링(150)은 볼 베어링(130)과 함께 상기 주축(120)를 지지하는 역할 및 상기 유체기계(300)에서 발생한 추력을 볼 베어링(130)으로 전달하는 역할을 한다.
상기 케이스(110) 내에는 베어링 시트(160)가 설치된다. 상기 베어링 시트(160)는 상기 케이스(110) 내에 설치되어 상기 주축(120)을 지지하는 볼 베어링(130)의 위치를 잡아주고 상기 볼 베어링(130)이 미끄러지지 않도록 하는 역할을 한다.
또한, 상기 케이스(110) 내에는 베어링 케이스(170)가 설치된다. 상기 베어링 케이스(170)는 상기 볼 베어링(130)의 외륜을 일정한 압력으로 감싸며 상기 볼 베어링(130)에 예압을 가하는 역할을 한다.
상기 케이스(110)에 구비되어 상기 주축(120)을 지지하는 롤러 베어링(150)과 상기 케이스(110)의 베어링 하우징(112) 사이에는 상부 베어링 어댑터(192)와 하부 베어링 어댑터(194)가 구비된다.
상기 상부 베어링 어댑터(192)와 상기 하부 베어링 어댑터(194)는 상기 롤러 베어링(150)을 지지하고, 상기 상부 베어링 커버(114)와 상기 하부 베어링 커버(116)의 힘을 볼 베어링(130)으로 전달하는 역할을 한다.
본 발명에 따른 유체기계의 축추력 측정 장치(100)는 출력수단(180)을 더 포함한다. 상기 출력수단(180)는 상기 측정 장치(100)에서 감지된 데이터를 출력하는 역할을 하며, 상기 출력수단(180)는 상기 센서(140)로부터 수신된 신호를 디지털 신호로 변환하고, 변환된 데이터를 컴퓨터로 전송하여 이를 분석하는 DAQ 시스템이 적용되고, DAQ 시스템이 적용됨으로 인하여 축추력 측정 데이터를 보다 빠르게 분석할 수 있다.
본 발명에 따른 유체기계의 축추력 측정 장치(100)와 유체기계(300) 사이에는 브라케트(190)가 구비되며, 상기 브라케트(190)는 축추력 측정 장치(100)와 유체기계(300) 사이의 지지대 역할을 수행한다.
이하, 본 발명에 따른 유체기계의 축추력 측정 장치(100)를 이용하여 축추력 측정 과정을 설명하면 다음과 같다.
설계 및 제작단계의 유체기계의 축추력 측정 장치(100)의 케이스(110) 내의 주축(120)에 유체기계(300)의 축추력이 전달되게 하여 상기 주축(120)의 양단에 위치한 센서(140)가 그 축추력을 감지하도록 한 것이다.
구동모터(200)를 구동하여 유체기계(300)를 작동시키면 유체가 흡입구(미도시)를 통해 토출구(미도시)로 토출되는 과정에서 임펠러(320)의 전후면의 유체압에 의해 축추력이 발생되어 임펠러 회전축(310)이 흡입구(미도시) 측으로 축 방향 압력이 발생하게 된다.
이에 임펠러 회전축(310)과 연동하는 주축(120)의 일단에 축추력이 전달되며, 이에 케이스(110) 내부에 구비되는 볼 베어링(130)에 축추력이 전가되어 볼 베어링(130)과 연결된 센서(140)가 축추력을 감지하여 출력수단(180)으로 데이터를 전소하여 출력수단(180)에 축추력이 표시되므로 설계 및 제작자가 이를 확인한다.
따라서, 축 추력 측정 장치의 내부에 구비되는 롤러 베어링이 볼 베어링으로 전달되는 반경방향 추력을 제거하여 볼 베어링으로 전달되는 축방향 축추력을 정확하게 측정할 수 있고, 롤러 베어링과 볼 베어링에 예압을 가하는 베어링 케이스와 베어링 어댑터 및 베어링 커버를 구비하여, 축추력을 측정하는데 진동이나 미끄러짐 등으로 인하여 오차가 생기는 것을 방지할 수 있으며, 축 추력 측정 장치의 내부 온도를 측정하는 센서를 구비하여, 유체 기계 운전 시 내부 베어링 온도를 측정하여 측정 장치 내의 온도 변화량을 알 수 있고, 이를 통해 축추력 측정용 센서의 특성변화를 측정값에 적용할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 축추력 측정 장치 110 : 케이스
112 : 베어링 하우징 114 : 상부 베어링 커버
116 : 하부 베어링 커버 120 : 주축
122 : 펌프측 커플링 124 : 모터측 커플링
130 : 볼 베어링 140 : 센서
150 : 롤러 베어링 160 : 베어링 시트
170 : 베어링 케이스 180 : 출력수단
190 : 브라케트 192 : 상부 베어링 어댑터
194 : 하부 베어링 어댑터 200 : 구동모터
210 : 구동축 300 : 유체기계
310 : 임펠러 회전축 320 : 임펠러

Claims (8)

  1. 구동모터와 유체기계 사이에 설치되어 유체기계에서 발생하는 축추력을 측정하는 유체기계의 축추력 측정장치에 있어서,
    케이스;
    상기 케이스의 내부를 관통하며 일단이 유체기계의 회전축과 펌프측 커플링으로 연결되어 유체기계의 축추력이 전달되며, 타단이 모터측 커플링으로 구동모터의 구동축과 연결되는 주축;
    상기 케이스 내에서 축추력을 받는 주축의 양단을 축 지지하는 볼 베어링;
    상기 볼 베어링의 일측에 배치되어 상기 볼 베어링에 지지되는 축추력을 측정하는 센서를 포함하는 유체기계의 축추력 측정 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이스 내에 설치되어 상기 주축을 축 지지하여 유체기계의 축추력이 상기 주축에 전달되도록 하는 롤러 베어링을 더 포함하는 유체기계의 축추력 측정 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이스 내에 설치되어 상기 볼 베어링의 위치를 잡아주어 볼 베어링이 미끄러지지 않게 하는 베어링 시트를 더 포함하는 유체기계의 축추력 측정 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이스 내에 설치되어 상기 볼 베어링의 외륜을 일정한 압력으로 감싸며 예압을 가하는 베어링 케이스를 더 포함하는 유체기계의 축추력 측정 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 축추력 측정 장치에 의해 감지된 데이터를 출력하는 출력수단을 더 포함하고,
    상기 출력수단은, 센서로부터 수신되는 신호를 디지털 신호로 변환하고, 변환된 데이터를 컴퓨터로 전송하여 이를 분석하는 DAQ 시스템이 사용되는 것을 특징으로 하는 유체기계의 축추력 측정 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이스는,
    각 부를 지지하는 베어링 하우징과,
    상기 베어링 하우징 내부의 오일이 외부로 누출되는 것을 방지하며, 상기 볼 베어링에 예압을 가하는 상부 및 하부 베어링 커버로 이루어지는 유체기계의 축추력 측정 장치.

  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 베어링 하우징에는 온도센서를 삽입하여 베어링의 온도를 측정하는 온도센서 취부좌가 형성되는 유체기계의 축추력 측정 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이스 구비되어 주축을 지지하는 롤러 베어링과 상기 케이스의 베어링 하우징 사이에는 상기 롤러 베어링의 지지 및 상기 상부와 하부 베어링 커버의 힘을 볼 베어링으로 전달하는 상부 및 하부 베어링 어댑터가 구비되는 유체기계의 축추력 측정 장치.
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