KR100764635B1 - 축 진동 및 메탈 온도를 줄이기 위한 터빈발전기용 5-패드틸팅패드 저널베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축 진동 및 메탈 온도를 줄이기 위한 터빈발전기용 5-패드 틸팅패드 저널베어링에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 터빈발전기에서 사용되는 틸팅패드 저널베어링에서 발생하고 있는 베어링 메탈의 고온 현상, 회전 축계의 고진동 현상, 베어링의 상부 패드 입구부가 파손되는 스프레깅(spragging) 현상을 근본적으로 저감 또는 방지하기 위하여, 예하중(preload), LBP(load between pad), 최적 피봇(pivot) 위치를 가지는 5-패드 틸팅패드 저널베어링에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 터빈발전기의 틸팅패드 저널베어링에 있어서, 상기 틸팅패드 저널베어링의 내부에 축방향 또는 원주방향으로 틸팅되도록 패드가 설치되고, 상기 틸팅패드는 축의 하중 방향에 대해 대칭이 되는 위치에 피봇이 있도록 설치되고, 상기 각각의 틸팅패드의 내면은 축이 보호되도록 원심주조방법으로 화이트메탈이 접합된 형상인 것을 특징으로 한다.

터빈, 발전기, 틸팅패드, 저널베어링, 예하중, 옵셋 피봇, LBP타입

Description

축 진동 및 메탈 온도를 줄이기 위한 터빈발전기용 5-패드 틸팅패드 저널베어링{Tilting 5-pad journal bearing of turbine and generators for the reduction of shaft vibration and bearing metal temperature}

도 1은 종래기술에 따른 터빈발전기를 나타낸 개략도이고,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 틸팅패드 저널베어링을 나타낸 단면도이고,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 틸팅패드 저널베어링의 압력분포를 나타낸 개략도이고,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 옵셋 피봇 패드 형상을 나타낸 단면도이고,

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 옵셋 피봇 비율과 베어링 성능 비율을 나타낸 개략도이고,

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 예하중을 갖는 틸팅패드를 나타낸 단면도이고,

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 예하중의 변화에 대한 강성 및 감쇠, 메탈 온도를 나타낸 개략도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 틸팅패드 2 : 옵셋피봇

3 : 베어링 케이스 4 : 상하부 체결용 볼트

5 : 베어링 고정용 볼트 구멍 6 : 윤활유 급유 구멍

7 : 오일 홈 8 : 오리피스

9 : 락킹 핀 10 : 피봇스폿트

본 발명은 축 진동 및 메탈 온도를 줄이기 위한 터빈발전기용 5-패드 틸팅패드 저널베어링에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 터빈발전기에서 사용되는 틸팅패드 저널베어링에서 발생하고 있는 베어링 메탈의 고온 현상, 회전 축계의 고진동 현상, 베어링의 상부 패드 입구부가 파손되는 스프레깅 현상을 근본적으로 저감 또는 방지하기 위하여, 예하중, LBP 타입, 최적 피봇 위치를 가지는 5-패드 틸팅패드 저널베어링에 관한 것이다.

일반적으로 발전소의 증기 터빈에 대한 개략도를 도 1에 나타내었으며, 도1에서 보는 바와 같이 증기터빈은 고중압 터빈(high and intermediate pressure turbine), 저압 터빈 A (low pressure turbine), 저압 터빈 B로 구성되어 있다. 각각의 터빈 로터는 2개의 저널베어링에 의해 지지되고 있으며, 고중압 터빈 로터의 베어링과 저압 터빈의 첫 번째 베어링(100, 200, 300)은 틸팅패드 저널베어링을 사용하고 있으며, 그 이외의 베어링(400, 500, 600)은 타원형 저널베어링을 사용하고 있다.

이와 같이 고중압 터빈 로터와 저압 터빈에서 틸팅패드 저널베어링을 사용하는 이유는 스팀 훨(steam whirl) 등과 같은 불안정 진동(unstable vibration)의 발생을 억제하고, 증기의 부분개도에 의해 베어링에 작용하는 하중의 방향이 변화되더라도 안정된 특성을 유지하기 위함이다.

여기서, 상기 터빈발전기에서 사용되고 있는 틸팅패드 저널베어링은 저널의 회전에 의해 동수압(hydrodynamic pressure)이 발생하여 하중을 지지하는 패드, 패드에서 지지하는 하중을 베어링 케이스에 전달하고 패드가 운전 중 틸팅되는 피봇, 상부 및 하부 베어링 케이스, 유체의 점성 마찰력에 의한 패드의 회전을 방지하는 락킹 핀 등의 부품으로 이루어진 6 패드, LOP(load on pad), 예하중이 없는 센터 피봇형으로 구성되어 있다.

상기 패드는 축을 보호하기 위해 탄소강에 원심주조 또는 중력주조법을 이용하여 저널의 유막이 형성되는 표면에 화이트 메탈이 접합되어 제작되며, 화이트 메탈은 주석 성분이 약 85% 이상 차지하고 있어 약 160 ℃ 정도의 낮은 온도에서도 용융되기 때문에 패드의 메탈 온도를 가능한 낮게 유지하여야 한다. 틸팅패드 저널베어링에서 LOP 타입이라함은 하중의 방향이 패드의 피봇 위에 작용하는 것을 뜻한다.

그런데, 상기 패드의 개수가 4개 또는 6개를 갖는 LOP 타입의 틸팅패드 저널 베어링은 일반적으로 수평 강성(stiffness)이 매우 작기 때문에 수평 방향의 진동이 발생하게 되면 과대한 진동이 발생할 수 있으며, 축정렬에 있어서 패드의 움직임에 의해 정확한 축정렬 데이터를 취득하는데에 어려운 단점이 있다.

또한, 예하중이 없는 센터 피봇은 유량을 많이 공급하더라도 패드에 유입되는 유량이 작기 때문에 냉각 효과가 현저히 떨어져 패드의 온도가 높게 발생뿐만 아니라 상부 패드에서는 쐐기 작용에 의한 동수압이 전혀 발생하지 않아 패드가 무부하 상태로 되어 패드의 양 끝단에서 손상이 발생하는 스프레깅 현상의 직접적인 원인이 된다.

따라서, 현재 터빈발전기에서 사용되고 있는 6 패드, LOP(load on pad), 예하중이 없는 센타 피봇형으로 구성된 틸팅패드 저널베어링은 메탈 온도가 높고, 밸브의 부분개도(partial admission) 운전 시 과대 진동 발생, 베어링 상부 패드의 스프레깅에 의한 파손 그리고 축정렬 시 데이터 취득의 어려움 등과 같은 문제점이 발생하고 있다.

따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로,

터빈발전기용 틸팅패드 저널베어링에서 상부패드의 스프레깅 현상 방지와, 베어링 냉각 효가 증대 그리고 터빈 회전 축계의 수평 방향 진동 저감을 이루고자 하고, 이를 위해 예하중, LBP 타입, 최적 피봇 위치를 갖는 5-패드 틸팅패드 저널베어링을 설계, 제작하여 베어링의 성능 향상 및 터빈 축계의 안정성을 극대화 하 는데 그 목적을 두고 있다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.

본 발명은 터빈발전기의 틸팅패드 저널베어링에 있어서, 상기 틸팅패드 저널베어링의 내부에 축방향 또는 원주방향으로 틸팅되도록 패드가 설치되고, 상기 틸팅패드는 축의 하중 방향에 대해 대칭이 되는 위치에 피봇이 있도록 설치되고, 상기 각각의 틸팅패드의 내면은 축이 보호되도록 원심주조방법으로 화이트메탈이 접합된 형상인 것을 특징으로 한다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시예를 통해 더욱 명확히 설명될 수 있을 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 더불어 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 틸팅패드 저널베어링을 나타낸 단면도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 저널의 회전에 동수압(hydrodynamic pressure)이 발생하여 하중을 지지하는 패드(1)와, 상기 패드(1)에서 지지하는 하중을 베어링 케이스(3)에 전달하고 패드(1)가 운전 중 틸팅되는 피봇(2)과, 상기 패드(1)를 둘러싸고 외측을 형성하며 터빈의 베어링 받침대에 조립되어 상부와 하부 케이스로 분리되는 베어링 케이스(3)와, 상기 상부와 하부 베어링 케이스(3) 조립을 위한 체결용 볼트(4)와, 상기 터빈의 베어링 받침대와 조립되기 위한 상부 케이스의 체결 용 볼트 구멍(5)과, 상기 베어링 받침대로부터 유입되는 베어링 급유 구멍(6)과, 상기 베어링의 급유 구멍으로부터 각각의 패드(1) 사이에 윤활유를 공급하기 위한 오일 홈(7)과, 각각의 패드(1) 사이에 윤활유의 공급 유량을 결정하며 최종적으로 패드(1)에 윤활유를 공급하는 오리피스(8)와, 축이 회전함에 따라 유막의 전단력에 의해 패드(1)의 회전을 방지하는 락킹 핀(9)과, 더블 틸팅에 의한 피봇(2)을 지지하는 피봇스폿트(10)와, 축을 보호하기 위한 화이트 메탈(11)과, 윤활유의 과도한 누설을 방지하는 오일 씰(12)과, 오일 씰 체결용 볼트(13), 오일 홈 카버(14), 운반용 볼트 구멍(15), 축정렬을 위한 조정용 블록(16), 축정렬 조정용 블록의 체결용 볼트(17), 윤활유 배유 구멍(18)로 구성된다.

상기 틸팅패드 저널베어링 내부에는 축 방향뿐만 아니라 원주 방향으로도 틸팅되면서 로터의 하중을 지지하는 5개의 틸팅패드(1)가 설치된다.

여기서, 상기 2개의 하부 패드(1)는 하중의 방향이 2개의 패드(1) 사이에 작용하도록 LBP 타입으로 설치되며, 패드(1) 메탈의 온도를 측정하여 감지할 수 있도록 온도센서가 장착된다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 틸팅패드 저널베어링의 압력분포를 나타낸 개략도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 상기 틸팅패드 저널베어링은 하부 2개의 패드(1)에서 같은 크기의 압력이 크게 발생하였을 뿐만 아니라 상부 3개의 패드(1)에서도 압력이 발생하고 있음을 보여주고 있다. 그러므로 LBP 타입의 패드(1) 설치는 수평 방향의 압력 발생에 의해 베어링 유막의 수평 강성이 크게 증가하여 축정렬 시 하 부 패드(1)가 움직이지 않기 때문에 보다 정확한 축정렬 데이터를 취득할 수 있다.

또한, 상기 틸팅패드 저널베어링의 상부 패드(1)에서는 동수압이 적절한 크기로 발생함으로써 스프레깅 현상을 억제할 수 있어 패드(1)의 손상을 방지하는 효과가 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 옵셋 피봇 패드 형상을 나타낸 단면도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 옵셋 피봇 비율과 베어링 성능 비율을 나타낸 개략도이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 각각의 패드(1)의 내면에는 축을 보호할 수 있도록 화이트 메탈(11)이 접합되되, 상기 화이트 메탈(11)은 원심주조 방법에 의해 접합되며, 상기 피봇(2)은 축 방향뿐만 아니라 원주 방향으로도 틸팅되기 위해 구 형상의 경도(hardness)가 강한 재질로 도 4의 (a)와 같이 피봇(2)은 조립형 또는 (b)와 같이 일체형으로 제작되며, 피봇(2)의 설치 위치는 원주방향에 대해 패드(1)의 중심이 아닌 일정한 각도 편차(offset) 및 예하중을 갖는다.

여기서, 각도 편차 즉, 옵셋량을 결정하기 위해 피봇(2) 옵셋 비율을 도 4에 표시한 피봇(2) 각도(λ)에 대한 패드(1) 각도(β)의 비율(λ/β)로 정의한다.

도 5에 도시한 바와 같이, 5개의 패드(1)를 갖는 LBP 타입의 틸팅패드(1) 저널베어링의 일례로써 피봇(2)의 위치 변화, 즉 피봇(2) 옵셋 비율에 따른 패드(1)의 메탈 온도를 나타내고 있으며, 피봇(2) 옵셋 비율을 증가시킴으로써 패드(1)의 메탈 온도는 현저히 감소되고, 최소 유막 두께는 피봇(2) 옵셋 비율이 약 0.6 부근에서 최대된다.

그러므로, 상기 터빈발전기용 틸팅패드(1) 저널베어링에서 옵셋 피봇(2)을 갖는 패드(1)는 메탈 온도를 현저히 감소시키는 효과가 있다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 예하중을 갖는 틸팅패드를 나타낸 단면도이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 예하중의 변화에 대한 강성 및 감쇠, 메탈 온도를 나타낸 개략도이다.

도 6에 도시한 바와 같이, 상기 예하중은 저널 중심과 패드(1) 내경의 중심 사이의 최단거리(d)에 대한 가공 틈새(Cp)의 비율로 정의한다. 여기서 가공 틈새(Cp)는 패드(1) 내경의 반지름(Rp)와 저널 축경의 반지름(Rj) 차이이다. 즉, 베어링 예하중이 0의 값을 갖는다는 것은 도 6의 최단거리(d)가 0으로써 저널 중심과 패드(1) 내경의 중심이 일치하여 제작하는 것을 뜻하며, 예하중이 0이 아닌 값을 갖는다는 것은 저널 중심과 패드(1) 내경의 중심이 불일치하여 제작하는 것이다.

도 7에 도시한 바와 같이, 상기 5-패드(1) 저널베어링의 일례로써 예하중에 따른 강성(Kxx, Kyy) 및 감쇠(Dxx, Dyy) 계수, 그리고 메탈온도를 나타내고 있으며, 아래첨자 x 및 y는 각각 수평 및 수직 방향으로 형성된다.

또한, 예하중의 증가에 따라 강성 및 감쇠 계수는 크게 증가하였고, 베어링의 메탈 온도는 예하중이 약 0.3 부근에서 최소가 되었다. 따라서, 상기 터빈발전기용 틸팅패드(1) 저널베어링에서 예하중을 0.2 ～ 0.6을 갖는 틸팅패드(1) 저널베어링은 강성 및 감쇠 계수를 크게 증가시켜 진동을 저감할 수 있으며, 메탈 온도를 감소시키는 효과가 있다.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명은 5-패드, LBP 타입, 옵셋 피봇, 그리고 예하중이 적용되는 틸팅패드 저널베어링으로 형성됨으로써, 패드 메탈의 고온 현상 및 고진동 발생, 스프레깅 발생에 의한 패드의 손상, 축정렬 시 데이터 정확한 데이터 취득의 어려움 등을 근본적으로 방지하거나 또는 억제 할 수 있어 상기 틸팅패드 저널베어링의 수명을 연장할 수 있게 되었으며, 터빈발전기 회전 축계의 안정성을 증대시키게 되었을 뿐만 아니라 베어링 수리, 교환에 소요되는 경비 및 시간을 절감시켜 생산성 향상에 효과가 있다.

Claims (4)

1. 터빈발전기용의 틸팅패드 저널베어링에 있어서,

   상기 틸팅패드 저널베어링의 내부에 축방향 또는 원주방향으로 틸팅패드(1)가 설치되되, 상기 틸팅패드(1)는 축의 하중 방향에 대해 대칭이 되는 위치에 틸팅패드(1)의 피봇이 있도록 설치되고, 상기 각각의 틸팅패드(1)의 내면에는 축을 보호할 수 있도록 화이트메탈(11)이 원심주조방법으로 접합되는 것을 특징으로 하는 축 진동 및 메탈 온도를 줄이기 위한 터빈발전기용 5-패드 틸팅패드 저널베어링.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 틸팅패드(1)는 하중의 방향이 패드(1)와 패드(1) 사이에 작용되는 LBP타입으로 형성하는 것을 특징으로 하는 축 진동 및 메탈 온도를 줄이기 위한 터빈발전기용 5-패드 틸팅패드 저널베어링.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 틸팅패드 저널베어링에는 예하중이 형성되어 유막의 강성 및 감쇠 계수를 증가시켜 진동이 저감되도록 상기 예하중의 범위를 0.2 ~ 0.6으로 형성하는 것을 특징으로 하는 축 진동 및 메탈 온도를 줄이기 위한 터빈발전기용 5-패드 틸팅패드 저널베어링.
4. 삭제

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