T40MAR 토크센서를 사용한 선박 엔진 최적화

정밀성과 신뢰성이 뛰어난 HBM의 T40MAR 토크 센서 를 사용하여 선박 엔진의 성능을 최적화 시켜 연료 소비 효율을 높이다.

점진적인 오염물질 배출량 감소에 관한 국제 MARPOL 협약에 따라 선박 엔진 업계는 연료가 추가될 때 이중 연료 엔진으로 배기가스를 필요한 수준으로 확실하게 줄여야 하기 때문에 일반적인 선박용 연료와 액화 천연 가스(LNG) 같은 다양한 연료를 함께 사용할 수 있는 새로운 엔진을 개발해야 합니다. 이렇게 서로 다른 종류의 연료를 사용할 수 있는 엔진은 가급적 동력 손실 없이 연료를 신속하게 전환할 수 있어야 합니다. 그리고 LNG 모드로 엔진을 사용할 때는 노킹, 실화 또는 과부하(그림 1 참조) 같은 (실린더 압력의) 임계 작동 모드도 확실하게 방지할 수 있어야 합니다.

 

 

 

이를 보장하는 변수는 부하 신호의 정밀 식별입니다. 이것은 동력의 손실 없이 일반적인 선박 연료와 LNG를 전환하고, 구동 상황과 상관없이 최적의 작동 범위에서 엔진의 작동 지점을 항상 구동할 때 모두 적용됩니다[1]. 따라서 연료 투입이 크게 줄고, 동시에 효율성도 눈에 띄게 증가합니다(그림1 참조).

부하 신호를 식별하기 위해 엔진의 토크 M과 각속도 ω의 정밀 측정치로 구동력 P를 계산하여 중앙 전자 유닛으로 이를 전송합니다.

P = ω*M              (1)

Fig. 1: 이중 연료 엔진의 가스 모드 작동 범위

부하 측정치의 측정 정확도가 충분할 때 이러한 선박 엔진을 최적의 작동 범위에서 정확하게 제어할 수 있습니다[1]. 토크 정보의 정확도가 높을수록 제어 정밀도가 높습니다. 토크는 직접 측정과 간접 측정이 가능합니다.

 

 

부하를 측정하는 방법

간접 부하 측정

동력 전달 장치의 샤프트에서 이루어지는 간접 부하 측정에서는 토크 관련 매개변수를 측정한 후 값을 계산합니다. 이러한 토크 관련 매개변수는 주로 다음으로 계산합니다.

  • 입력 샤프트 표면의 변형(스트레인) 측정치. 이를 위해 스트레인 게이지를 샤프트에 직접 접착한 후 측정 브릿지에 연결합니다. 측정 브릿지의 여기 전압과 측정 신호 둘 다 비접촉식으로 전송됩니다.
     
  • 샤프트 비틀림 각을 측정합니다.

직접 부하 측정

직접 부하 측정에서는 드라이브 샤프트에 통합되어 있는 인라인 토크 변환기가 사용됩니다(그림 2 참조). 토크 변환기는 제조업체 현장에서 적절한 보정 기계를 사용하여 보정된 상태로 출고됩니다. 변환기는 간편하게 설치, 분리, 교체 및 재보정할 수 있습니다.

Fig. 2: 선박용으로 인증 받은 T40MAR 토크 센서

두 방법 모두 장점이 있습니다(예: 기존 시스템의 개장). 설치 품질과 사용되는 구성부품에 따라 추후에 계산될 토크 값의 불확도가 상대적으로 높을 수 있는데 그 이유는 마지막에 측정 불확도를 상당히 높이는 원인이 되는 허용 오차(탭 1 참조) 때문입니다.

입력 변수 간접: Strain gauge  직접: Torque Sensor
영률 2 … 5% ~ 0%
게이지 계수 ~ 1% ~ 0%
샤프트 모양 ~ 1% ~ 0%
스트레인 게이지 위치 조정 1 … 5% ~ 0%
T° 임팩트 2 … 5% ~ 0,1%
총계 5 … 7% , 검출 불가 ~ 0,2 … 0,3%, 검출

교정(Calibration) 과 추적(Traceability)

높은 토크 값 측정 외에도 선박 엔진 산업의 엄격한 환경 규정을 충족하기 위해 필수적인 구동력 또는 효율의 정밀성을 보장하기 위해 이 물리량의 보정과 추적에 대한 관심이 커지고 있습니다[2]. 기본적으로 토크 보정 방법은 다음 세 가지로 구분됩니다.

  • 레버 암 질량 시스템(Lever-arm-mass systems) – 일정 길이의 레버 암에 의해 보정된 질량의 중량력이 검사 시편에 작용할 때 정밀하게 정의된 토크가 생성됩니다[4].
  • 두 번째 토크 보정 기법에서는 레버 암이 있는 힘 참조 변환기를 사용합니다[3].
  • 세 번째 원리는 참조값을 제공하는 토크 참조 변환기입니다.

토크 참조 변환기가 있는 시스템은 어떤 장치를 사용하든 토크를 생성할 수 있으며, 이후 토크 참조 변환기로 측정합니다[2] [3].

 

 

Fig.3 : 400 kN·m Calibration Machine at HBM Darmstadt

HBM의 토크 보정 기계

참조 표준 보정 방법에 따라 이 새로운 보정 기계(그림 3 참조)는 토크 보정에 사용되는 레버 암 질량 시스템과 참조 토크를 제공하는 토크 참조 변환기 방법의 특징을 모두 갖고 있습니다. 수정된 T10FH/150kN·m 및 T10FH/400kN·m 토크 변환기를 참조 변환기로 선택했습니다. 이 두 개의 정밀 참조 변환기 덕분에 측정 불확도를 0.1%로 낮출 수 있었습니다.

이렇게 놀라운 수준의 불확도 결과는 이 두 토크 변환기를 문서화된 독일 국가 표준의 참조 변환기와 끊임 없이 추적 비교하여 얻을 수 있었습니다. 이 새로운 400kN·m 보정 기계의 추적 대상인 1.1MN·m의 최고 등급 보정 기계("토크 표준 기계"라고도 하며 PTB에 위치)는 독일 국가 표준의 측정 불확도가 0.08%입니다.

 

결론

HBM의 T40MAR은 선박 추진 시스템에 사용하기 위해 개발하여 인증을 받은 토크 플랜지입니다. 측정 정확도가 높아 선박 산업의 현재 환경 규정에서 요구하는 것보다 10배 이상 높은 정확도로 부하 신호를 계산할 수 있습니다.


참고 자료

[1]   K. Weissbrodt, Direct torque measurement on large drives with very small tolerances, Paper Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH (2011)

[2]   H. Frais, L. Lioba, D. Röske, Development of a New 400KN.m Torque Calibration Machine, Paper, Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH (2015)  

[3]   R. Schicker and G. Wegener, Measuring Torque Correctly. Bielefeld: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH. (2002)

[4]   Davis, F.A. The 1st UK National Standard Static Torque Calibration Machine-New Design Concepts Lead The way. Measurement Science Conference in Anaheim, USA. (2002)

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