The Location of Temperature Sensor & Measurement
온도는 베어링내의 상태를 감시할 수 있는 파라미터 중의 하나이다. 유막 두께, 유막의 압력, 축진동 등도 베어링의 상태를 감시하는 데 사용될 수 있지만, 앞의 처음 두 가지는 사실 측정하기가 매우 곤란하고 해석하기가 어렵다. 베어링에서 배출오일 온도는 계측하기가 보다 용이하고, 전통적으로 상태 감시 수단으로 수행되어 왔다. 불행히도 오일 온도는 베어링내 상태 변화에 대한 낮은 감도와 상태변화에 대한 응답이 좋지 않아 감시하는데 최상의 파라미터는 아니다. 예를 들면 원통형 저널베어링의 경우 오일 공급 홈에 인접해 있는 라이닝이 깨지면 부가적인 오일 흐름이 형성되어, Drain 온도가 떨어지는 경우도 있다.
베어링 온도를 감시할 때는 감도 및 응답이 좋은 Active 부위에서 측정하여야 한다. 그러나, 이러한 측정치를 분석하는데는 세심한 주의가 필요하다. 베어링에서 측정치만 가지고 경보나 운전정지 값을 설정하는 것은 적절하지 않다. 베어링 온도는 고장 발생 온도 훨씬 이하에서 원활하게 운전되도록 설계하고, 측정장비로는 운전 중 유막 온도가 변화가 생기는 것을 감지해야 한다. 그러나 베어링내 열전달 지연효과 때문에 급격한 윤활 소실 상태에서는 측정치만 가지고는 안전하게 기계를 정지할 수 없다. 베어링이나 기계에서 잠재적인 위험성이 있긴 하지만, 비교적 점진적인 변화(베어링 피로, 불평형, 축정렬 악화)에 대한 안전장치로 경보나 운전정지치를 제공할 수는 있다. 측정장비의 유형과 설치위치의 선택은 매우 중요하다.
7.1 溫度센서 種類 (The Kind of Temperature Sensor)
대형 베어링에서 보통 직접 눈금표시 센서(즉, 수은 온도계)를 사용할 수 있으나, Thermocouple이나 온도 저항 측정기(Resistance Temperture Detector:RTD)는 회전기계에서 보통 사용되는 온도센서이다.
7.2 熱傳帶와 溫度 抵抗 測定器 (Thermocouple and RTD)
열전대 혹은 RTD중 어느 것을 사용할 것인지에 대한 선택은 주어진 설비에서 여러 가지 요구조건에 따라 결정되나 최적의 방법은 아니다. 온도 센서의 유형 결정에는 장치의 설치 비용이 주요 인자로 감안된다. 과거에 RTD가 열전대보다 저렴했으나 지금은 차이가 거의 없다.
베어링 설계자의 관점에서 보면 열전대가 RTD보다 선호된다. 이것은 공업용 RTD는 최소 3.2 ㎜(0.125 in)직경 이상에만 사용할 수 있는 반면에 열전대는 베어링에 따라 적절하게 맞추어 제작하여 사용할 수 있기 때문이다. 스러스트 패드에 추천되는 최고 구멍 크기는 그림 1-92에서 보여주고 있다. RTD의 또다른 단점은 팁의 유형에 따라 민감하지 않은 것들이 있다는 것이다. 즉 감지부위가 약 10 ㎜(0.4 in)정도로 길어 평균 온도를 계측하기 때문이다.
7.3 센서 케이블 類型 (The Style of Sensor Cable)
온도센서 케이블은 연성, 강체, 반강체(그림 1-93) 유형의 도선 케이블과 함께 사용된다. 반강체 유형의 도선은 광물 절연물과 스테인레스강으로 피복된 두 개의 전기도체로 구성되어 있다. 이러한 유형은 내부 반경이 Sheath(피복) 반경과 같아서 쉽게 구부릴 수 있고, 요구하는 최소 저항에 대해 충분한 강성(Rigid)을 갖는다. 단순한 전형적 연선은 플라스틱 피복으로 싸여진 도체를 가지고 있으나 산업용에는 그 위에 강한 외부 피복(스테인레스강이나 테프론, 혹은 때때로 둘 다 사용함)을 씌운 것을 사용한다. 마지막으로 강선은 절연된 전기 도체 위에 두꺼운 스테인레스 커버를 씌워서 제작한다.
그림 1-92 스러스트 패드의 최대 허용 구멍 크기 그림
1-93 온도센서 케이블 유형
열전대는 베어링의 온도 측정에 흔히 사용되는데, 그 이유는 보다 소형이고 감지가 보다 정확하기 때문이다. 케이블 유형은 중요하지 않지만 절연된 스테인레스강으로 피복한 반강성체 형태가 연선과 강선의 여러 장점들을 조합하기 때문에 사용에 유리하다.
7.4 센서 位置 (Location of Sensor)
베어링 면의 축방향이나 패드 또는 베어링 Shell의 깊이(두께)에 따른 베어링 내 온도 구배는(즉 스러스트 패드에서 실험적으로 규명된 온도구배는 그림 1-94에서 보이고 있음)매우 높다. 베어링 면에서 발생하는 최고 온도를 측정하는 것은 실제로 어렵다. 새로 설계된 기계에서는 실제 상태와 예측치 사이의 상관 관계를 점검할 필요가 있으나, 생산라인에서 최고 온도를 측정하는 것은 별 유익함이 없다.
제한된 장비로 베어링 최고 온도를 측정하는 것은 좋은(안전한) 감시 데이터를 제공하지 못한다. 예를 들어 재래의 타원형 보어 베어링에서 온도 분포를 살펴 보자. 원주 방향으로 온도 분포는 그림 1-95의 곡선 A와 같은 형태를 가질 것이다. 온도는 오일 유입 지점에서 온도가 증가하여 하중라인 위치(Load Line Position)를 지나서 유막의 두께가 최소인 지점에서 최고치가 될 것이다.
그림 1-94 스러스트 패드의 전형적 온도 구배
그림 1-95 평면 저널베어링의 온도변화
하중방향과 최소 유막 두께 사이의 각은 25～40°정도이므로, 베어링 최고 온도측정은 하중라인에서 이 각도만큼 떨어진 위치에서 할 필요가 있다. 그러나, 하중의 증가나 라이닝 표면의 손상으로 인해 베어링 유막 두께가 감소하면, 최소 유막 두께는 감소하고, 온도는 상승하며, 양태각은 감소하여 온도분포가 그림 1-95의 곡선 B와 같이 나타날 것이다. 이 예에서 당초 최소 유막 두께가 있는 지점에서 측정된 온도는 실제 최고 온도가 증가함에도 불구하고 온도가 감소한다. 많은 경우 최소 유막 두께 지점에서 나타나는 온도상승은 실제 최대치보다 상당히 낮게 나타날 수도 있다. 그러나 만약 하중라인 위치에서 온도를 측정하면 하중 증가에 따라 온도가 상승하는 것이 측정된다. 기계상태 변화에 의해 하중 방향이 바뀔 수 있는 기계라면 여러 개의 센서를 베어링 보어 주위에 설치해야 한다. 하중 라인 위치에 센서를 부착하는 또다른 잇점은 측정 장치가 축의 회전 방향에 무관하다는 점이다.
기본적인 기준은 하중라인 즉, 베어링과 축 혹은 칼라 사이에서 유막이 파괴될 가능성이 가장 큰 지점에 가능한 가까이 설치하는 것이다. 이 지점은 단순한 형태의 베어링에서 잘 정의되어 있으나 제조나 운전중 열적 비틀림때문에 유막 형상이 넓게 분포되는 경우에는 불분명하다.
대부분이 양방향(피봇중심)으로 움직이는 틸팅 패드 저널베어링의 경우, 피봇 위에 센서를 부착하는 방식이 선호된다. 만약 최고 온도가 발생되는 후단부(Trailing Edge) 부근에 센서를 부착하면 실제로 종종 어려움이 생기기 때문에 이러한 방법을 더 선호한다. 스러스트 틸팅 패드 베어링은 하중을 받으면 처짐이 일어나기 때문에 센서는 원주방향으로 피봇지점과 패드의 후단부 중간지점에 설치해야 한다. 반경방향으로의 최적 위치는 패드의 중심과 패드의 외곽 사이 지점이다. 이러한 조합된 반경/원주 지점은 보통 그림 1-96에서 보듯이 75/75 지점이라 하며, 75/75지점에서의 측정치는 대체로 신뢰성이 있다. 만약 기계가 양방향으로 운전 가능한 구조이거나 한 방향으로만 회전하도록 설계한 패드가 양방향으로 사용된다면, 센서는 보통 피봇(그림 1-96에서처럼 50/75지점) 위에 설치해야 할 것이다. 온도 감시 센서의 위치는 다음과 같다.
그림 1-96 스러스트 패드의 추천 온도측정 위치
저널 베어링 경우 축방향 위치와 추력 베어링에서 어느 패드에 센서를 설치할 것인가에 주의를 기울여야 한다. 저널 베어링의 축방향의 온도분포는 축과 베어링 면사이의 축정렬 상태에 크게 의존한다. 베어링의 축방향 양단 인근에서의 온도 측정은 축정렬 상태에 극도로 민감하다. 이것은 축방향 정렬 기능을 가진 틸팅 패드 저널 베어링에서는 해당되지 않지만, 추력 베어링의 경우 축정렬 불량 및 가공 공차에 기인하여 추력 베어링의 패드 각각에서 상당한 차이가 일어난다. 자동 조심되는 틸팅 패드 추력 베어링에서도 이러한 차이가 상당히 있기 때문에, 적어도 두 개의 패드에서 약 180° 떨어져 센서를 설치하는 것이 좋은 관례이다.
베어링의 두께방향에 따라 온도분포가 높을 수 있기 때문에 베어링의 Active면으로부터 센서 위치의 미세한 차이에 따라 측정온도값이 크게 달라질 수 있다. 틸팅 패드 추력 베어링에서 얻은 온도 구배에 대한 실험결과들이 그림 1-97에 나타나 있다.
그림 1-97 스러스트 패드 두께에 따른 온도 변화
7.5 設置 方法 (Install Method)
설치방법의 선택은 베어링내 Sensor Tip과 기계 외부(즉, 케이블 배열)와의 연결, 그리고 베어링내에서 센서를 고정하는 방법에 따라 다르다.
베어링과 센서 연결시 중요한 점은 센서가 기계의 외부에서 철거될 수 있는가, 어떻게 접근할 수 있는가, 그리고 센서를 철거하기 전에 베어링의 부분적인 해체가 가능한가의 여부에 달려 있다. 이러한 설치 방법에 대한 전형적인 사례들에 대해 그림 1-98에서 보여주고 있다. 일반적으로 외부에서 철거할 수 있는 센서의 사용을 선호하지만 다음 사항들을 유의해야 한다.
∙ 센서는 강체(Rigid)이거나 반강체(Semi-rigid)이어야 하며, 패드의 움직임을 제한하지 않아야 한다. 센서가 패드의 움직임을 제한하면 틸팅 패드 베어링에서 중요한 문제가 될 수 있다.
∙ 베어링 면에 센서를 접착하거나 심어서는 안된다.
∙ 구조상 기계 외부 케이싱의 제한 조건 때문에 원하는 지점에 센서를 부착하기 위해 일직선으로 관통해서 구멍 뚫기가 어려울 수 있다.
∙ Flexible선 설치의 장점은 센서를 원하는 지점에 설치(그림 1-98)할 수 있고, 필요하다면 베어링에 접착 또는 심을 수 있다. 고려되어야 할 문제점들은 다음과 같다.
– 선은 베어링에 손상을 주지 않고도 설치 및 해체하는데 충분히 유연해야 한다.
– 선은 베어링내에서 종종 공간부족으로 인해 배열하기가 어려울 때가 있다. 조립과 분해 절차에 센서와 선의 장애를 최소한 감안해야 한다. 특히 틸팅 패드 추력 베어링에서 2개 이상의 패드에 센서를 설치하는 경우, 배열이 더욱 어려워진다. 이를 해결하는 한가지 방법이 그림 1-98에서 보여주고 있다.
그림 1-98 온도센서 설치 방법
7.6 베어링에 센서 固定 (Fixing Sensor to Bearing)
고정 방법은 센서의 위치, 베어링 표면 재료(보통 화이트메탈), 혹은 베어링의 모재(보통 강)에 매우 의존적이다. 만약 센서가 화이트메탈(White Metal)내에 있다면 매우 큰 베어링을 제외하고는 대부분 퍼드링(Puddling) 공정에 의해 화이트메탈 자체에 심어야 한다. 베어링 표면의 결함이 발생할 수 있으므로 이러한 공정은 전문화되고 숙련된 설치 과정이 필요하다. 이외에도 표면 가까이 센서를 설치할 경우 저속 운전중 마멸이 일어날 때 축 뿐만 아니라 센서에 손상을 줄 수 있다. 만약 센서가 패드나 베어링 모재(Bearing Back Metal)에 설치된다면
∙ 접착제에 의한 부착
∙ 스프링 하중에 의한 밀어맞춤(Push-in Fit)
∙ 클립부착에 의한 밀어맞춤
에 의해 설치할 수 있다. 이러한 세 가지 방법이 그림 1-99에 나와 있다. 접착제에 의한 센서부착이 가장 좋은 방법이지만, 센서가 작동하지 않을 시에는 베어링이나 패드를 완전히 교체해야 한다. 두 번째 방법은 좋은 절충안일 수 있으나 스프링 특징을 살리기 위하여 상대적으로 큰 구멍이 필요하기 때문에 작은 베어링에는 적합치 않다. 예로 틸팅 패드 추력 베어링에서 스프링 하중이 걸리는 시스템은 일반적으로 패드 크기가 75 ㎜이하에는 보통 실효성이 없다. 세 번째 방법은 일반 현장에서 가장 실용적으로 사용되는 방법인데 가장 양호한 측정치를 보여주고 있으며 문제 발생시에도 쉽게 교체가 된다. 이러한 센서에 대한 추천 조립방법들이 그림 1-99에 나타내었다. 센서의 Active 부위가 베어링 재료에 잘 접착되는 것이 중요하며 그렇지 않으면 측정치가 부정확해진다.
그림 1-99 센서 고정방법
그림 1-99의 (b)의 방법은 설치 및 사용상 유의사항이 제작사로부터 자세히 제공된다면 사용할 수 있다. 그렇지 않으면 베어링 모재(클립되거나 스프링력이 걸리는 방법)내에 설치하는 Internal Push-in 방법이 차선의 선택이다.
7.7 警報/運轉停止 設定置 (Setting Value of Alarm/Trip)
센서로부터 읽어들인 온도는 보통 기계의 경고 혹은 운전정지 절차를 활성화하는데 사용된다. 이들 값은 정상 운전시 최고 측정 온도보다 높게 즉, 10℃(18℉) 혹은 15℃(27℉)가 되어야 한다. 사전에 예측할 수 있도록 하려면 Proto-type을 운전해 본 후 최종값을 설정해야 한다. 값이 너무 높으면 경고의 민감도가 상실되는데 반해 너무 낮으면 정상운전중에도 그릇된 경보가 발생할 것이다. 이러한 경고 혹은 운전정지 온도는 베어링 라이닝 재료의 항복 온도보다 훨씬 낮아야 한다.