탐색 건너뜀

증분형 엔코더는 항공기 엔진의 연료 효율을 최적화하는 데 도움이 됩니다

How fuel efficient is a commercial airliner? 보잉 747은 마일당 총 5갤런의 연료를 소비하며 런던에서 홍콩까지 비행 시 총 30,000갤런(98톤)의 연료를 사용합니다. 이러한 연료비는 항공사가 지출하는 비용 중 큰 부분을 차지합니다. 하니컴 씰-링은 광범위하게 사용되는 구성품으로, 항공기 엔진의 연료 효율을 최적화하는 것으로 입증되었지만 이러한 씰의 측정은 까다로운 엔지니어링 과제를 안고 있습니다.

HAESL (Hong Kong Aero Engine Services Limited)은 새로운 옵티컬 SRMS (Seal Ring Measurement System) 안에 Renishaw의 TONiC 증분형 리니어 및 로터리(앵글) 엔코더를 통합하여 이 문제를 성공적으로 해결했습니다.

20년 가까이 HAESL에서 근무해 온 선임 엔지니어인 Eric Lau와 엔지니어 Raymond Siu는 설명합니다. “SRMS는 HAESL과 홍콩이공대학(PolyU)이 만든 공동 개발 시스템으로, 우리의 하니컴 검사 방식에 변화를 가져다주었습니다. SRMS 전에는 버니어 캘리퍼스를 사용해서 수동으로 링을 측정했는데, 이 수동 작업은 시간이 많이 소요되며 운전자의 능력과 경험에 크게 좌우되는 문제가 있습니다. 이 새로운 시스템이 모든 것을 바꿨습니다. SRMS는 더 빨라 작업 효율을 50%까지 높여줄 뿐 아니라 작업자에 의한 오류를 없애 일관된 결과를 얻을 수 있도록 지원합니다.”

하니컴 씰은 터빈 블레이드에 나란히 놓이는 장착 링에 부착되며, 연료 소비와 항공기 엔진 서비스 수명을 최적화하기 위해 회전 블레이드와 터빈 벽 사이의 래디얼 갭을 밀봉하는 데 사용됩니다. 그런데 로터 블레이드는 작동 온도가 증가하면서 팽창하게 됩니다. 따라서 하니컴 씰-링은 회전 블레이드가 씰을 잘라내 블레이드와 터빈 벽 모두의 무결성을 유지할 수 있는 희생적 표면을 제공합니다. 링의 육각 셀 크기는 로터 블레이드 크기에 따라 결정됩니다. 셀 직경은 0.8 mm ~ 3 mm 사이이며 최대 깊이는 13 mm입니다.

믿을 수 있는 성능

Patrick Ng는 SRMS 책임 설계자입니다. “통합 옵티컬 측정 헤드, 볼 스크류 축, 서보-모터 및 엔코딩된 로터리 테이블 조합으로 정확하고 신뢰할 수 있으며 유지보수가 필요치 않은 시스템이 만들어집니다. 기존 프로브 시스템과 달리, SRMS는 비접촉식 옵티컬 검사 기술을 채용하여 업계가 직면하는 가장 일반적인 씰-링 측정 문제를 해결합니다. Renishaw를 선택한 것은 당연했습니다. 과거 여러 프로젝트를 성공적으로 완료한 Renishaw의 경험을 알고 있었기 때문에 그 품질과 신뢰도에 확신을 가질 수 있었습니다. Renishaw의 TONiC 시리즈 엔코더는 내분진성이 탁월하며 크기가 작고 설치가 쉬워 다양한 방법으로 시스템을 설계할 수 있었습니다. 두 개의 TONiC 엔코더를 SRMS의 X-Y 스테이지 선형 축에 장착했으며, 탁월한 성능과 최고의 지원이 만족도를 높여주었습니다.”

Mr Ng는 덧붙입니다. “측정 결과에 직접적인 영향을 미치므로 로터리 테이블의 올바른 위치에 링을 적재하는 것이 중요합니다. 여러 브랜드를 비교해보았고, Renishaw 제품이 비용 대비 성능이 가장 우수하다는 결론을 얻었습니다. 매끄럽고 안정적인 회전을 위해서는 주기적 오차가 적어야 하는데, TONiC이 이 점에서 가장 적합한 제품입니다.”

Renishaw의 TONiC RESM 앵글 엔코더 시스템은 주기적 오차가 통상 ±30 nm으로 매우 낮으며 분해능은 최대 86.4M CPR(Counts Per Rev)로, 까다로운 대부분의 요건을 충족합니다. 높은 정확도의 링 스케일은 질량과 관성이 적도록 설계되어 동적 성능이 더 우수하며 판독 헤드가 저소음(지터) 필터링 옵틱을 채용하고 있어 위치 안정성과 반복정도가 한층 개선됩니다.

첨단 기계 설계

Renishaw의 모든 링 스케일은 특허를 받은 테이퍼 마운트를 가지고 있어 설치 오류가 최소화되고 통합 방법이 간편합니다. “테이퍼 마운트는 Renishaw 엔코더의 큰 장점 중 하나로, 로터 편심을 보정하는 데 있어 시간과 작업량을 줄여준다”고 Mr Ng는 말합니다. 또한 모든 판독 헤드에 혁신적인 통합 셋업 LED가 있어 설치 시간이 단축되며 복잡한 외부 셋업 장비나 오실로스코프가 필요치 않습니다.

SRMS는 원격 제어 패드에서 모드를 전환하는 방식으로 씰 링 구멍의 원형도, 편평도 및 PCD(Pitch Circle Diameter)를 측정하도록 설계된 고정밀 옵티컬 측정 시스템입니다. 이 시스템은 로터리 테이블, 메인 콘솔의 통합 옵티컬 측정 헤드, 소프트웨어 콘솔 등 세 가지 모듈로 구성됩니다.

Mr Ng는 설명합니다. “우리의 SRMS 측정 헤드는 고정밀 클래스 3R 레이저 변위 센서(LDS)와 메인 콘솔에서 가로(X), 세로(Y)로 움직이는 산업용 카메라를 내장하고 있습니다. 레이저는 내부 및 외부 원형도를 모두 측정하며 카메라는 PCD 주변 구멍 영상을 촬영하고 LDS 레이저 스팟 위치를 원격으로 모니터링합니다. 따라서 프로브 시스템으로는 불가능한 정도까지 측정 정밀도를 개선시켜줍니다.”

검사용 씰 링은 로터리 테이블에 운전자에 의해 배치되며 내장된 자동 센터링 기능을 통해 ±2 mm의 배치 공차를 제공합니다. 그런 다음 운전자는 라이브러리에서 해당 링 유형을 선택하고 측정을 시작합니다. 측정 헤드는 고정된 상태로 유지되며 데이터를 캡처한 후 처리를 위해 소프트웨어 콘솔로 보냅니다. 헤드에서 진행되는 모든 개별 측정 판독은 엔코더의 해당 로터리 테이블 위치 데이터와 결합된 후 사후 처리를 거쳐 샘플에 대한 전체적인 형상 측정값을 계산합니다.

공작 기계 신뢰성 개선

Renishaw 엔코더를 사용하는 SRMS 외에도 HAESL은 공작 기계 성능을 평가하기 위해 Renishaw의 QC10 볼바도 사용합니다. “볼바를 사용하여 문제점을 더 쉽게 찾아낼 수 있어 예방 차원의 유지 관리가 가능합니다. 이 때문에 생산 중단을 최소화하고 생산된 부품의 정확도를 높일 수 있습니다. 우리는 현재 기존 볼바를 Renishaw의 최신 QC20-W 무선 볼바 시스템으로 업그레이드하는 것을 고려하고 있습니다. 이 신형 볼바는 Bluetooth 무선 연결, ‘부분 원호’ 테스트, 3평면 테스트를 위한 단일 셋업 등 더 우수한 기능을 제공합니다”고 Eric Lau는 말합니다.

HAESL은 또한 부품 검사를 위해 3차원 측정 시스템(CMM)에 PH10 모터 구동식 프로브 헤드 시스템과 함께 Renishaw의 TP200 고정밀 접촉식 프로브를 사용합니다. Raymond Siu가 설명합니다. “항공업계에서 검사는 매우 중요하고 필수적인 절차입니다. Renishaw는 CMM 프로빙 기술에 있어 누구나 인정하는 시장 리더로, 우리는 아무런 망설임 없이 Renishaw를 선택했습니다.”

HAESL 정보

홍콩에 소재하고 있는 HAESL은 Hong Kong Aircraft Engineering Company Ltd(HAECO)와 Rolls Royce plc 및 SIA Engineering Company(SIAEC)가 합작해서 설립한 회사입니다. 이 조직은 Airbus 및 Boeing 항공기에 Rolls-Royce를 선택한 전 세계 유수의 항공사에 세계적 수준의 항공기 엔진 수리, 점검 및 구성품 수리 서비스를 제공합니다.

이 분야에서 35년에 걸친 경험을 축적한 HAESL은 최고의 품질과 포괄적인 엔진 수리 및 점검 서비스를 전 세계 고객들에게 제공하면서 세계에서 가장 명성이 높은 엔지니어링 기업 중 한 곳으로 성장했니다. 2002년 이후 HAESL은 다수의 공동 벤처 프로젝트에서 홍콩이공대학(PolyU)과 긴밀하게 협력해 왔으며 항공업계를 대상으로 최신 기술을 가르치는 맞춤형 교육 프로그램을 운영해 왔습니다.