KR20140072062A - 액추에이터 장치 및 터보기계류 내에 액추에이터를 통합하기 위한 방법 - Google Patents

액추에이터 장치 및 터보기계류 내에 액추에이터를 통합하기 위한 방법 Download PDF

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KR20140072062A
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주세페 이우리시
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누보 피그노네 에스피에이
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Abstract

터보기계류 내에 액추에이터를 통합하고, 액추에이터를 터보기계류와 관련된 공정 유체에 근거하여 액추에이터를 작동시키기 위한 장치 및 방법. 통합 액추에이터 기구(204)는 액추에이터 케이싱과; 래버린스 시일(214)을 갖는 밸런스 드럼(218)과; 액추에이터 케이싱 내에서 밸런스 드럼에 힘을 가하도록 구성된 회복 스프링(212)과; 밸런스 드럼에 연결되고 밸런스 드럼의 방향으로 선형으로 이동하도록 구성된 작동 바(206)와; 스프링 힘의 반대 방향으로 밸런스 드럼에 힘을 가하기 위해, 터보기계류 공정 유체의 전환된 부분을 액추에이터 케이싱에 연결하는 연결 기구를 포함한다. 래버린스 시일은 전환된 터보기계류 공정 유체가 터보기계류를 통해 유출되어 터보기계류로 복귀될 수 있도록 한다.

Description

액추에이터 장치 및 터보기계류 내에 액추에이터를 통합하기 위한 방법{AN ACTUATOR APPARATUS AND A METHOD FOR INTEGRATING THIS ACTUATOR INTO TURBOMACHINERY}
본 명세서에 개시된 개시내용의 실시예는 일반적으로 방법 및 장치에 관한 것이고, 특히, 터보기계류의 하나 이상의 이동 가능한 시스템을 작동시키기 위한 기구 및 기술에 관한 것이다.
터보기계류는 일반적으로 내부 회전 구성요소, 전형적으로, 예를 들면 터보기계류의 작동 상태에 근거하여 조정 가능한 베인을 구비한다. 자동화 시스템에 있어서, 이동 가능한 구성요소를 조정하려면 이동 가능한 구성요소에 연결된 레버에 부착된 액추에이터를 사용해야 한다. 이용 가능한 액추에이터 해법에 있어서, 도 1의 종래 기술에 도시한 바와 같이, 액추에이터(102)는 터보기계류의 외측에 장착되고, 레버로의 기계식 연결부는 터보기계류 케이싱(108)을 통과해야만 한다. 이 디자인 요건으로 인해 과제중 하나가 드러나는데, 이 과제는 액추에이터 아암을 레버에 연결하고 액추에이터/레버 연결부를 터보기계류의 케이싱으로 통과시키기 위한, 고비용의 복잡한 밀봉 플랜지(106, 108) 요건을 변경하도록 시장 압력이 증가하고 있다는 것이다.
현재 디자인 기술의 다른 관점에 있어서는, 액추에이터의 움직임을 작동시키기 위해서 제어 요소 동력원이 액추에이터(102)에 제공되어야 한다. 예를 들어, 액추에이터(102)가 전기, 유압 유체 또는 공압에 의해 작동될 수 있지만, 어떤 동력원이든지간에, 동력 공급 장치로부터 터보기계류의 액추에이터(102)까지 와이어, 라인 또는 파이프가 연결되어야 한다. 또 다른 쟁점으로서는, 외부 동력원이, 액추에이터(102)를 작동시키는 매체의 손실로 인해서 터보기계류 다운타임의 또다른 위험 요인을 제공한다는 것이다.
터보기계류상의 외부적으로 장착된 액추에이터(102)와 관련된 또다른 쟁점은 액추에이터(102) 아암이 터보기계류 케이싱(108)을 통과할 때 공정 가스가 플랜지 시일(106, 108)로부터 누설될 위험성, 또는 직접 액추에이터(102)로부터 누설될 위험성이 있다는 것이다. 어떤 경우에, 공정 가스는 가연성, 유독성, 극히 고온 등일 수 있고, 시일이 고장나서 공정 가스를 대기중으로 배기시키는 경우에, 심각한 사고를 야기할 수 있다. 게다가, 액추에이터(102)가 터보기계류 케이싱(108)으로부터 돌출되는 경우, 액추에이터(102)가 다른 장치와 접촉해서 손상되어, 터보기계류를 작동 불능으로 만들거나 공정 가스를 대기중으로 배기하는 재해를 야기할 수 있는 위험이 있다.
따라서, 상술된 문제 및 단점을 회피하는 장치 및 방법을 제공하는 것이 바람직할 것이다.
하나의 예시적인 실시예에 따라, 액추에이터 케이싱의 내표면에 끼워맞춤된 밸런스 드럼과, 유체가 액추에이터 케이싱에 유입해서, 밸런스 드럼에 제 1 힘을 가하게 하도록 구성된 액추에이터 케이싱 상의 제 1 연결부와, 밸런스 드럼의 제 1 측에 제 2 힘을 가하도록 구성된 회복 스프링과, 유체가 액추에이터 케이싱을 빠져나가게 하도록 구성된 액추에이터 케이싱 상의 제 2 연결부를 포함하는 액추에이터 케이싱이 있다. 예시적인 실시예의 일 관점에 있어서, 작동 바는 밸런스 드럼에 연결된다. 예시적인 실시예의 다른 관점에 있어서, 조절 밸브는 제 1 연결부와 관련된 라인 내에 있고 제 1 연결부로의 유체 유동을 제어한다.
다른 예시적인 실시예에 따라, 터보기계류와, 케이싱 내에 이음매 없이 통합되고 유체의 유입을 조절하도록 구성된 액추에이터를 밀폐하는 케이싱이 있다. 예시적인 실시예는, 밸런스 드럼과, 유체가 액추에이터 케이싱에 유입해서 밸런스 드럼에 제 1 힘을 가하게 하도록 구성된 액추에이터 케이싱 상의 제 1 연결부와, 밸런스 드럼에 제 2 힘을 가하도록 구성된 회복 스프링과, 유체가 액추에이터 케이싱을 빠져나게 하도록 구성된 액추에이터 케이싱 상의 제 2 연결부를 포함하는 액추에이터 케이싱을 포함하는 액추에이터와 관련된다. 예시적인 실시예에 계속해서, 작동 바는, 일단부 상에서는 밸런스 드럼에 연결되고 타단부 상에서는 액추에이터 링의 레버에 연결된다. 그 다음에, 예시적인 실시예에 있어서, 조절 밸브는 제 1 연결부와 관련되어 제 1 연결부로의 유체 유동을 제어하는 라인 내에 있다.
다른 예시적인 실시예에 따라, 액추에이터를 터보기계류 내에 이음매 없이 통합하기 위한 방법이 있다. 이 방법은 액추에이터 케이싱을 이음매 없이 포함하도록 터보기계류 케이싱을 구성하는 단계가 포함한다. 그 다음에, 예시적인 실시예에 있어서, 끼워맞춤된 밸런스 드럼을 액추에이터 케이싱에 삽입한다. 예시적인 실시예에 계속해서, 밸런스 드럼에 제 1 힘을 가하도록 회복 스프링을 구성하는 단계가 있다. 계속해서 예시적인 실시예는, 작동 바가 밸런스 드럼에 의해 이동되는 방향으로 선형으로 이동하도록 작동 바를 밸런스 드럼에, 그리고 터보기계류와 관련된 레버에 연결한다. 예시적인 실시예에 계속해서, 터보기계류 공정 유체의 일부를 조절 밸브를 통해 액추에이터 케이싱 내로 전환시켜서, 밸런스 드럼에 제 1 힘과 반대로 제 2 힘을 가한다.
본 명세서에 합체되고 또한 본 명세서의 일부분을 구성하는 첨부 도면은, 하나 이상의 실시예를 도시하고, 상세한 설명과 함께 이러한 실시예를 설명한다.
도 1은 외부 플랜지에 부착된 액추에이터를 구비한 터보기계류의 종래 기술의 예시적인 실시예를 도시한 도면,
도 2는 통합 액추에이터를 구비한 터보기계류의 예시적인 실시예를 도시한 도면,
도 3은 예시적인 실시예에 따라 터보기계류에 통합된 액추에이터를 작동시키는 단계를 나타내는 흐름도.
예시적인 실시예의 이하의 설명은 첨부 도면을 참조한다. 상이한 도면에 있어서 동일한 참조 부호는 동일한 요소 또는 유사한 요소를 나타낸다. 이하의 상세한 설명은 본 발명을 한정하지 않는다. 대신에, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 규정된다. 이하의 실시예는 편의상, 압축기 및 팽창기를 포함하는 터보기계류의 구성 및 용어에 대해 설명하지만, 터보기계류가 압축기 및 팽창기만을 포함하는 것으로 제한되지는 않는다.
본 명세서 전체에 걸쳐서 "하나의 실시예" 또는 "일 실시예"에 대한 언급은, 일 실시예와 관련하여 설명된 특정한 특징, 구조, 또는 특성이 개시된 개시내용의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸쳐서 다양한 부분에서 문구 "하나의 실시예에 있어서" 또는 "일 실시예에 있어서"의 기재는 반드시 동일한 실시예를 나타내는 것은 아니다. 게다가, 특정한 특징, 구조, 또는 특성이 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수도 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 예시적인 실시예(200)는 통합 액추에이터(204)를 구비한 터보기계류를 도시한다. 예시적인 실시예의 일 관점에 있어서, 터보기계류 케이싱(202) 및 통합된 액추에이터는, 연결 플랜지가 필요 없는, 터보기계류의 단일 구성요소 쉘이다. 예시적인 실시예에서, 통합 액추에이터(204)는 터보기계류 케이싱에 대한 부속물로서 보일 수 있지만, 터보기계류와의 사이에 밀봉을 필요로 하는 어떠한 이음매(seam)도 갖지 않음에 유의해야 한다. 예시적인 실시예의 다른 관점에 있어서는, 통합 액추에이터(204)의 가시적인 표시가 없도록 통합 액추에이터가 터보기계류 내에 내장될 수 있다.
예시적인 실시예에 계속해서, 통합된 액추에이터는 터보기계류의 작동 하에서 공정 유체의 압력 차이에 의해 작동된다. 예를 들어, 유입구와 유출구 사이에 가스 압력의 차이를 갖는 압축기는 통합 액추에이터(204)를 작동시킬 수 있다. 예시적인 실시예의 다른 관점에 있어서, 통합 액추에이터(204)를 갖는 터보기계류는 작동 바(206), 동력 유체 전달 라인(208), 압력 조절 밸브(210), 회복 스프링(212), 래버린스 시일(214) 및 액추에이터 밸런스 드럼(218)을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 동력 유체 전달 라인(208)은 터보기계류 상의 고압(P2) 위치에 연결되고 압력 조절 밸브(210)를 통과한 후, 밸런스 드럼(218) 일측 상의 액추에이터(204)에 연결되는 점에 유의해야 한다. 밸런스 드럼(218) 상의 래버린스 시일(214) 때문에, 동력 유체는 밸런스 드럼(218) 주위 및 액추에이터 바(206)를 따라 유출되어 터보기계류 상의 저압(P1) 위치로 복귀한다는 점에 추가로 유의해야 한다. 예시적인 실시예의 추가의 관점에 있어서, 압력 조절 밸브(210)의 하류측에서 동력 유체 압력(P1)은 압력 조절 밸브(210)의 설정에 기초해서 PB로 감소될 수 있다.
다음에, 예시적인 실시예에 있어서, 액추에이터 바(204)는 밸런스 드럼(218)에 연결되고, 밸런스 드럼(218)이 이동할 때 밸런스 드럼(218)의 방향으로 선형으로 이동한다. 예시적인 실시예의 다른 관점에 있어서, 밸런스 드럼(218)은, 동력 유체의 압력(PB) 하에서 일측에 작용하는 동력 유체의 힘과, 회복 스프링(212)에 의해 가해지는 밸런스 드럼(218)의 반대측에 작용하는 힘 사이에서 균형을 이룬다. 예시적인 실시예에 있어서, 회복 스프링은 동력 유체로부터의 힘과 동일한 밸런스 드럼(218) 측에 연결되지만, 동력 유체 힘의 반대 방향으로 회복 스프링 힘을 가할 수 있음에 유의해야 한다. 예시적인 실시예에 대해 계속하면, 압력 조절 밸브(210)의 폐쇄 또는 터보기계류의 운전 정지에 의하여 동력 유체의 힘이 제거될 때, 회복 스프링(212)은 밸런스 드럼(218) 및 부착된 액추에이터 바(206)를 개시 위치로 복귀시킨다.
따라서, 예시적인 실시예는, 압력 조절 밸브(210)의 위치를 제어함으로써, 액추에이터 바(206)의 선형 위치를 제어하는 것을 설명한다. 액추에이터 바(206)는 작동 동안에 밸런스 드럼(218)의 방향으로 선형 운동을 수용하는 임의의 레버에 연결될 수도 있다. 예를 들어, 액추에이터 바(206)는 압축기의 성능을 최적화하기 위해 압축기 작동 링(216) 상의 베인을 작동시키는 레버에 연결될 수 있다.
이제 터보기계류를 액추에이터와 통합하기 위한 예시적인 방법의 실시예를 도 3을 참조하여 논의한다. 도 3은 터보기계류에서의 공정 유체의 압력 차이에 근거하여 작동 동안에 액추에이터를 터보기계류 내에 통합시키기 위한 예시적인 방법의 실시예 단계를 나타낸다. 예시적인 방법의 실시예는 액추에이터를 터보기계류 케이싱 내로 통합하는 단계(302)를 포함한다. 예시적인 실시예의 일 관점에 있어서, 액추에이터는 터보기계류 케이싱의 부속물로서 보이지만, 시임을 갖지 않거나 또는 액추에이터와 터보기계류 사이에 시일을 필요로 하지 않는 통합된 구성요소이다. 예시적인 방법의 실시예의 다른 관점에 있어서, 액추에이터는 터보기계류 내에 완전히 밀폐되고, 터보기계류의 케이싱 상에서 구별 가능하지 않다.
다음에, 예시적인 방법의 실시예의 단계(304)에서, 밸런스 드럼이 액추에이터 케이싱의 공동 내로 삽입된다. 예시적인 방법의 실시예의 다른 관점에 있어서, 밸런스 드럼의 외표면과 액추에이터 케이싱의 내표면 사이에 밀봉 시스템이 위치된다. 예시적인 방법의 실시예에 있어서, 밀봉 시스템은 래버린스 시일일 수 있지만, 이에 한정되지 않는다는 것에 유의해야 한다. 래버린스 시일은, 밸런스 드럼 주위의 유체 유동을 제한하지만, 유체가 밸런스 드럼을 통해 유출되어 밸런스 드럼 주위로 유동하는 것을 허용한다.
이어서, 예시적인 방법의 실시예의 단계(306)에 있어서, 회복 스프링이 밸런스 드럼을 액추에이터 케이싱의 일단부로 변위시키는 힘을 밸런스 드럼 상에 가하도록, 회복 스프링이 액추에이터 케이싱 내로 삽입되어, 밸런스 드럼에 인접하게 위치된다. 예시적인 방법의 실시예에 있어서, 회복 스프링은, 이 회복 스프링의 유형 및 밸런스 드럼에 대한 연결에 따라 압축력이나 팽창력중 어느 하나를 밸런스 드럼 상에 가함으로써 작동할 수 있음에 유의해야 한다. 예시적인 방법의 실시예의 다른 관점에 있어서, 스프링의 유형 및 연결의 유형에 상관없이, 단독으로 작동될 경우, 회복 스프링 힘은 밸런스 드럼을 터보기계류를 위한 개시 위치로 변위시킨다.
다음에, 예시적인 방법의 실시예의 단계(308)에서는, 작동 바를 밸런스 드럼에 연결한다. 예시적인 실시예에 있어서, 작동 바가 밸런스 드럼의 이동 방향으로 선형 운동으로 이동한다는 점에 유의해야 한다. 예시적인 실시예의 다른 관점에 있어서, 래버린스 시일을 통해 밸런스 드럼 주위로 유출되는 공정 유체는 작동 바의 경로를 따라 터보기계류의 저압 영역으로 되돌아간다. 예시적인 실시예에 있어서, 작동 바는 터보기계류로의 제어된 움직임의 전달을 위한 연결점으로서의 역할을 한다.
이어서, 단계(310)에서, 예시적인 방법의 실시예는, 액추에이터 케이싱에 연결되고 조절 밸브를 포함하는 라인을 통해 고압 공정 유체의 일부분을 전환(divert)한다. 예시적인 방법의 실시예에 있어서, 공정 유체는, 회복 스프링에 의해 밸런스 드럼 상에 가해진 힘의 반대 방향으로 밸런스 드럼의 표면 상에 가압력을 가한다. 예시적인 실시예에 있어서, 공정 유체 압력 및 작동 바의 관련된 이동에 의해 가해지는 힘은, 소망된 이동에 근거하여 조절 밸브를 개폐함으로써 조절된다. 예를 들어, 압축기 출력의 최대화는, 작동 바를 레버에 연결하여 작동 링 상의 베인을 제어하고, 조절 밸브를 조절하여 압축기의 처리량을 극대화하도록 베인을 위치설정함으로써 달성될 수도 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 밸런스 드럼에 관련된 래버린스 시일은 공정 유체가 밸런스 드럼 주위로 유출되어 터보기계류의 저압 영역으로 복귀되도록 한다. 이러한 방식으로, 공정 유체는 통합된 액추에이터를 통해 흐르고, 터보기계류가 운전 정지될 때에, 통합된 액추에이터가 개시 설정으로 자동 복귀하도록 한다는 점에 유의해야 한다.
개시된 예시적인 실시예는 액추에이터를 터보기계류 내로 통합시키고 터보기계류를 가로지른 공정 유체의 압력 구배에 근거하여 액추에이터를 작동시키기 위한 장치 및 방법을 제공한다. 이러한 설명은 본 발명을 한정하고자 의도된 것이 아님을 이해해야만 한다. 오히려, 예시적인 실시예는 첨부된 특허청구범위에 의해 규정된 본 발명의 사상 및 범위 내에 포함되는 대체예, 변형예 및 등가물을 커버하도록 의도된다. 게다가, 예시적인 실시예의 상세한 설명에 있어서는, 청구된 발명의 포괄적인 이해를 제공하기 위해 다양한 구체적인 설명이 기재된다. 그러나, 당업자라면, 다양한 실시예가 이러한 구체적인 상세 없이 실시될 수도 있다는 점을 이해할 것이다.
본 예시적인 실시예의 특징부 및 요소가 실시예에서 특정한 조합으로 설명되지만, 각 특징부 또는 요소가 실시예의 다른 특징부 및 요소 없이 단독으로 사용되거나, 또는 본 명세서에 개시된 다른 특징부 및 요소와 함께 또는 이들 다른 특징부 및 요소없이 다양한 조합으로 사용될 수도 있다.
상기에 기재된 내용은, 예를 들어, 최상의 모드를 포함하는 본 발명의 몇몇 실시예를 개시하고, 또한 당업자가 임의의 디바이스 또는 시스템을 제조 및 사용하고 임의의 포함된 방법을 수행하는 것을 비롯하여 본 발명의 실시예를 실시할 수 있게 한다. 본 발명의 특허가능한 범위는 청구범위에 의해 규정되고, 당업자에 의해 이루어지는 다른 예를 포함할 수도 있다. 이러한 다른 예는, 청구범위의 문자적 언어와 상이하지 않은 구조적 요소를 포함한다면, 또는 청구범위의 문자적 언어로 기재된 것과 실질적으로 차이가 없는 균등한 구조적 요소를 포함한다면, 특허청구범위 내에 포함되도록 의도된다.

Claims (10)

  1. 액추에이터 장치에 있어서,
    액추에이터 케이싱으로서,
    상기 액추에이터 케이싱의 내표면에 끼워맞춤된 밸런스 드럼과,
    유체가 상기 액추에이터 케이싱에 유입해서 상기 밸런스 드럼에 제 1 힘을 가하게 하도록 구성된 액추에이터 케이싱 상의 제 1 연결부와,
    상기 밸런스 드럼의 제 1 측에 제 2 힘을 가하도록 구성된 회복 스프링과,
    상기 유체가 상기 액추에이터 케이싱을 빠져나가게 하도록 구성된 액추에이터 케이싱 상의 제 2 연결부를 포함하는,
    상기 액추에이터 케이싱과,
    상기 밸런스 드럼에 연결된 작동 바와,
    상기 제 1 연결부와 관련되어 상기 제 1 연결부로의 유체 유동을 제어하는 라인 내의 조절 밸브를 포함하는
    액추에이터 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액추에이터 케이싱은 상기 밸런스 드럼의 외표면과 상기 액추에이터 케이싱의 내표면 사이에 구성된 래버린스 시일을 포함하는 시일을 더 포함하는
    액추에이터 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 회복 스프링은 상기 조절 밸브가 폐쇄될 때 상기 밸런스 드럼을 개시 위치로 복귀시키는
    액추에이터 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작동 바는 상기 밸런스 드럼의 선형 이동과 관련된 선형 방향으로 이동하는
    액추에이터 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작동 바는 상기 제 2 연결부를 통해 상기 액추에이터 케이싱의 외부로 연장하는
    액추에이터 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 연결부에서의 상기 유체는 상기 제 2 연결부에서의 상기 유체보다 고압인
    액추에이터 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 래버린스 시일은 상기 유체를 상기 밸런스 드럼 주위로 유출시키는
    액추에이터 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스프링은 상기 제 1 측으로부터 상기 밸런스 드럼의 반대측에 반대 방향으로 상기 제 2 힘을 가하는
    액추에이터 장치.
  9. 장치에 있어서,
    터보기계를 밀폐하는 케이싱과,
    상기 케이싱 내로 이음매 없이 통합되고 유체의 유입을 조절하도록 구성되며 액추에이터 케이싱을 구비하는 액추에이터로서, 상기 액추에이터 케이싱은,
    상기 액추에이터 케이싱의 내표면에 끼워맞춤된 밸런스 드럼과,
    유체가 상기 액추에이터 케이싱에 유입되고 상기 밸런스 드럼에 제 1 힘을 가하게 하도록 구성된 액추에이터 케이싱 상의 제 1 연결부와,
    상기 밸런스 드럼에 제 2 힘을 가하도록 구성된 회복 스프링과,
    상기 유체가 상기 액추에이터 케이싱을 빠져나가게 하도록 구성된 액추에이터 케이싱 상의 제 2 연결부를 포함하는,
    상기 액추에이터와,
    상기 밸런스 드럼, 및 상기 터보기계와 관련된 레버에 연결된 작동 바와,
    상기 제 1 연결부와 관련되고 상기 제 1 연결부로의 유체 유동을 제어하는 라인 내의 조절 밸브를 포함하는
    장치.
  10. 액추에이터를 터보기계류 내로 통합하기 위한 방법에 있어서,
    액추에이터 케이싱을 포함하도록 터보기계류 케이싱을 구성하는 단계와,
    상기 액추에이터 케이싱에 끼워맞춤된 밸런스 드럼을 상기 액추에이터 케이싱 내로 삽입하는 단계와,
    상기 밸런스 드럼에 제 1 힘을 가하도록 회복 스프링을 구성하는 단계와,
    작동 바를 상기 밸런스 드럼 이동과 관련해 이동할 수 있도록 상기 밸런스 드럼에, 그리고 상기 터보기계류와 관련된 레버에 연결하는 단계와,
    상기 터보기계류 공정 유체의 일부를 조절 밸브를 통해 상기 액추에이터 케이싱 내로 전환시켜서, 상기 밸런스 드럼에 상기 제 1 힘과 반대로 제 2 힘을 가해서 상기 작동 바의 위치를 제어하는 단계를 포함하는
    액추에이터 통합 방법.
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