커플링의 도전과 진화

커플링은 많은 중요한 애플리케이션에서 사용되며, 가장 고정하기 까다로운 볼트 체결부 중 하나입니다. 기계가 점점 더 대형화되고 강력해짐에 따라, 커플링에 요구되는 성능 역시 더욱 높아지고 있습니다.

커플링은 산업화의 시작만큼이나 오래되었으며, 면직기나 풍차와 같은 초기의 단순한 기계에도 샤프트를 연결하는 방법이 필요했습니다. 그리고 1884년 증기 터빈이 발명된 이후, 샤프트 커플링은 발전 및 해운 산업에서 필수적인 구성 요소가 되었습니다. 터빈과 선박의 크기가 커지면서 전달해야 하는 동력과 토크가 함께 증가했습니다. 이에 따라 샤프트와 커플링, 특히 볼트 체결식 커플링의 경우 볼트 자체에 대한 수요도 크게 증가했습니다.

"발전 및 해양 산업에서 커플링은 오랜 역사를 가지고 있으나, 실제로 기술 발전은 크게 없었습니다."라고 대규모 볼트 커플링 분야에서 30년 이상의 경험을 가진 엔지니어 Martin Walsh는 말합니다. "60-70년 전의 커플링을 보면 오늘날과 거의 동일한 설계와 컨셉을 가지고 있습니다. 하지만 기술적 진보를 통해 특히 볼트 분야에서는 상당한 발전이 이루어졌고 이를 통해 더 작은 커플링도 더 많은 토크를 전달할 수 있게 되었습니다."

커플링 볼트의 가장 중요한 기능은 샤프트 정렬을 유지하는 것입니다. 일반적으로 샤프트가 저속으로 회전하는 조선/해양 애플리케이션에서 샤프트 정렬이 잘못되면 진동이 발생하여 불필요한 하중이 가해집니다. 최대 3,600rpm까지 고속으로 회전하는 발전 애플리케이션에서 아주 작은 진동이나 고르지 못한 하중도 최대 출력으로 작동해야 하는 터빈의 성능을 크게 제한할 수 있습니다. 이러한 이유로 샤프트 정렬 최적화에는 많은 시간과 자원이 투자됩니다.

“샤프트 정렬 후에는 볼트가 설정한 축력만큼 이를 고정하고 샤프트 정렬 상태를 가동 기간동안 유지를 해야 합니다.”라고 Walsh는 설명합니다. “향후 유지보수 시점에서 볼트를 해체하고 샤프트를 분리하게 될 것입니다. 다시 조립할 때는 이미 정렬을 올바르게 하기 위해 많은 투자를 했기 때문에 이전과 똑같은 상태로 되돌리고 싶을 것입니다.”

오랜 기간 동안 일반적인 볼트 체결 솔루션은 상대적으로 저렴하고 쉽게 수할 수 있는 표준 관통 볼트였습니다. 관통 볼트는 보어에 삽입한 후 양쪽 끝을 너트로 조여 마찰 연결을 형성합니다. 하지만 마찰을 통해 전달할 수 있는 토크의 양은 극히 제한적이며 과도한 토크는 미끄러짐과 정렬 불량으로 이어질 수 있습니다. 그 결과 미세한 움직임과 고르지 않은 하중으로 인해 볼트와 보어가 손상될 수 있습니다. 따라서 커플링을 재조립하고 샤프트 정렬을 다시 설정해야 합니다.

반면, 보어를 채우는 맞춤형 볼트는 이론적으로는 더 높은 토크를 전달할 수 있습니다. 이는 토크가 볼트 단면을 가로질러 직접 전단을 통해 전달되기 때문입니다. 그러나 실제로는 볼트 체결 시 직경이 줄어들어 완벽한 맞춤 체결이 어려워지며, 미끄러짐과 볼트 고장의 문제가 반복됩니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 익스팬션 슬리브 볼트(expanding sleeve bolt)의 사용이 증가하고 있습니다. 익스팬션 슬리브 볼트는 보어 내부에서 확장하여 완벽한 맞춤 체결을 보장하며, 더욱 균일한 하중 분포를 제공합니다. 이는 미끄러짐과 움직임을 방지하며, 재조립 후에도 자동으로 샤프트 정렬 상태를 복원할 수 있게 합니다.

“익스팬션 슬리브 볼트는 지난 30년간 정밀도 향상에서 가장 큰 혁신입니다.”라고 Nord-Lock Group의 글로벌 제품 매니저 Steve Brown이 말합니다. “설치 용이성, 정밀한 체결, 간편한 제거, 정렬의 복원, 적절히 준비된 보어를 통한 동심도 복원 및 재사용 가능성과 같은 여러 장점을 제공합니다.”

커플링 볼트 발전을 이끈 핵심 요소는 엔지니어링 분석 기법의 발전입니다. "약 70~80년 전에는 엔지니어들의 보수적인 설계로 인해 커플링과 볼트가 과도하게 높은 스펙으로 설계되었으며 필요 이상으로 크기가 컸습니다."라고 Walsh는 말합니다. "정교한 공학적 계산과 엔지니어링 시뮬레이션 기술이 부족하여 많은 산업에서 이러하 상황이 존재했습니다."

이제 많은 OEM이 컴퓨터 모델링과 시뮬레이션을 사용하여 온도, 다양한 재료 및 작동 조건의 영향을 테스트할 수 있는 능력을 갖추게 되었습니다. 회전 커플링의 복잡성으로 인해 특정 설비의 약점과 토크 허용 오차를 식별하는 데 유한 요소법(FEM) 이 점점 더 보편화되고 있습니다. 전단 테스트는 다양한 볼트 솔루션의 물리적 한계를 입증하는 데도 성공적으로 사용되었습니다.

“익스팬션 슬리브를 채택한 최신 볼트 설계가 높은 토크 전달 능력에서 기존 볼트와 어떻게 비교되는지를 더욱 심도 있게 분석할 여지가 있습니다. 이를 통해 유의미한 결과를 얻을 수 있을 것입니다.”라고 Walsh는 덧붙입니다. “특히 유한요소(FE) 분석을 전면적으로 수행하면, 볼트 개수 및 커플링 크기 감소 가능성을 명확히 제시할 수 있다는 점에서 큰 이점을 가져올 것입니다. 이는 공간 제약으로 인해 볼트 체결 커플링 사용을 기피하는 풍력 터빈과 같은 산업에서 특히 유용합니다.”

터빈 및 선박이 점점 더 대형화되고 높은 출력이 요구됨에 따라, 더 높은 토크를 전달할 수 있는 스마트하고 소형화된 커플링 설계의 필요성은 앞으로도 지속적으로 중요할 것입니다.

C.A. Parsons와 '터비니아(Turbinia)'호

1884년, 영국의 엔지니어 찰스 알저넌 파슨스 경(Sir Charles Algernon Parsons)은 최초의 증기 터빈을 발명했습니다.

그의 첫번째 모델은 7.5kW의 전력만을 생산했지만, 전기를 생산하고 선박에 동력을 공급할 수 있는 엄청난 잠재력을 보여주었습니다. 1893년, 파슨스 해양 증기 터빈 회사(Parsons Marine Steam Turbine Company)가 설립되었으며, 새로운 기술의 성능을 입증하기 위해 시험용 선박 터비니아호를 개발하기 시작했습니다.

이 새로운 선박에는 3개의 샤프트에 3개의 축류 터빈이 장착되어 각 샤프트가 3개의 프로펠러를 구동했습니다. 1894년 완공 당시 터비니아 호는 최대 34노트(63km/h)의 속도를 낼 수 있는 세계에서 가장 빠른 선박이었으며, 이에 비해 영국 해군의 가장 빠른 선박은 27노트(50km/h)에 불가했습니다.

1897년, 터비니아 호는 빅토리아 여왕의 다이아몬드 주빌리를 기념하는 해군 시찰에 등장하여 황실 왕족과 해군 고위 인사들 앞에서 높은 속도와 출력의 우월성을 확실히 입증할 수 있었습니다. 2년 만에 파슨의 터빈은 영국 해군에 채택되었고 이후 곧 대서양 횡단 여객선에 동력을 공급하는 데 사용되었습니다.

찰스 앨저넌 파슨스 경의 설계는 증기 터빈을 빠르게 확장하여 값싸고 풍부한 전기를 생산할 수 있게 했습니다. 1899년 독일의 한 발전소에 최초의 메가와트 급 터빈이 건설되었고, 파슨스 경의 생애 동안 전 세계의 모든 주요 발전소에서 그의 발명품이 채택되었습니다.

함께 힘을 합칩시다

볼트 체결부로 부품을 조립해야 하는 필요성은 오래전으로 거슬러 올라갑니다. 오랜 기간 동안 관통 볼트는 표준 나사산 패스너로 사용되었습니다. 관통 볼트는 보어에 삽입한 후 양쪽 끝을 너트로 조여 마찰 연결을 형성합니다. 그러나 과도한 토크는 미끄러짐과 정렬 불량으로 이어질 수 있으며, 이로 인해 볼트와 보어가 손상될 수 있습니다.

익스팬션 슬리브 커플링 볼트는 이러한 문제를 해결한 최신 기술입니다. 이 볼트는 보어 내부에서 확장되어 볼트가 제대로 체결되고 하중이 보다 고르게 분산됩니다. 또한 설치와 제거는 물론 리트로핏도 간편합니다.