KR100826994B1 - 발전기용 축봉장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전축과 시일링과의 접촉을 유인으로 하는 진동의 저감과, 밀봉유에 용입하여 유출되는 수소의 소비량을 저감하는 것이다.

베어링과 다른 부재에 지지된 한쪽의 축봉부의 시일링은 원주방향으로 분할되어 있고, 베어링과 동일한 부재에 지지된 다른쪽 축봉부의 시일링은 일체인 것으로 한다.

Description

발전기용 축봉장치{SHAFT SEALING DEVICE FOR GENERATOR}

도 1은 일반적인 수소 냉각 발전기의 개략 구성도,

도 2는 일반적인 수소 냉각 발전기에 설치된 축봉장치의 확대 단면도,

도 3은 다른 구성을 구비한 일반적인 수소 냉각 발전기의 개략 구성도,

도 4는 본 발명의 일 실시예를 구비한 시일링의 정면도,

도 5는 본 실시예의 효과를 설명하는 시일링의 정면도,

도 6은 축봉장치에서의 회전축의 상대 편심량과 진동 진폭의 관계를 나타내는 그래프도,

도 7은 시일링 각 형태에 의한 밀봉유 유량을 비교한 그래프도,

도 8은 다른 실시예를 설명하는 축봉장치의 단면도,

도 9는 종래의 케이싱과 시일링 접촉면의 간극과 접촉 압력구조의 접촉상태를 나타내는 도,

도 10은 본 발명에 의한 케이싱과 시일링 접촉면의 간극과 접촉 압력구조의 접촉상태를 나타내는 도면이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 발전기 로우터 2 : 회전축

3 : 발전기 케이싱 4 : 축봉장치

4a : 축봉장치 5a : 베어링

6 : 냉각 수소 7 : 베어링대(bearing pedestal)

11a, 11b : 둥근 고리형상 시일링 12 : 스프링

13 : 시일 케이싱 14 : 급유수단

15a, 15b : 간극

본 발명은 수소에 의하여 냉각되는 발전기용 축봉장치에 관한 것이다.

대형 터빈 발전기에서는 기체 중에서 가장 열전달 효율이 높은 수소가스를 발전기 내 냉각용으로서 봉입하고 있다. 이 수소가스의 시일구조로서 예를 들면 특허문헌 1에 나타내는 바와 같은 축 시일장치가 있다. 이 축 시일은 2중의 시일링으로 이루어지고, 한쪽의 시일링은 발전기 내의 수소가스와 고압 급유측에 면하고, 한쪽의 시일링은 고압 급유측과 발전기 바깥쪽에 면하고 있다.

[특허문헌 1]

일본국 특개평5-146118호 공보

상기 특허문헌 1은, 한쪽 대기에 대해서는 기재되어 있으나 회전축이 크게 편심하는 경우의 시일링의 추종에 대해서는 기재되어 있지 않다.

본 발명의 목적은, 회전축의 면과 시일링면 사이의 급유 압력을 올려 회전축 의 편심에 추종 가능한 시일링을 갖춘 발전기의 축봉장치를 제공하는 것에 있다.

상기 목적은 내부에 수소가스를 봉입하는 케이싱의 내부에 설치된 로우터와, 이 로우터를 상기 케이싱의 내부에서 회전 지지하기 위한 회전축과, 이 회전축의 양쪽 끝과 상기 케이싱과의 사이를 밀봉하기 위한 축봉장치에 설치된 시일링과, 이 시일링과 인접하여 상기 회전축을 지지하는 베어링을 구비한 발전기용 축봉장치에서 상기 축봉장치는 상기 케이싱에 지지되고, 상기 회전축의 한쪽 끝측의 베어링이 상기 케이싱과는 다른 재질의 베어링대로 지지된 것으로, 상기 축봉장치의 시일링을 원주방향에서 복수개로 분할되어 이루어지고, 다른쪽 축봉장치의 시일링은 일체 시일링으로 함으로써 달성된다.

또, 상기 목적은 분할된 상기 시일링의 상기 회전축과 접촉하는 면을, 상기 일체 시일링의 상기 회전축과 접촉하는 면보다 넓게 함으로써 달성된다.

또, 상기 목적은 상기 시일링의 상기 회전축과 접촉하는 면은 상기 회전축의 축방향으로 길게 함으로써 달성된다.

또, 상기 목적은 상기 케이싱과 상기 시일링과의 접촉부분의 시일 케이싱 위 또는 시일링 위에, 저강성체층을 설치함으로써 달성된다.

또, 상기 목적은 상기 저강성체층을 폴리에테르에테르케톤(Polyetherether Ketone, 'PEEK') 수지로 형성함으로써 달성된다.

먼저, 일반적인 수소 냉각 발전기의 축봉장치를 도 1, 도 2를 사용하여 설명한다.

도 1은 일반적은 축봉장치의 배치를 나타내는 개략 구성도,

도 2는 일반적인 축봉장치의 단면도이다.

도 3은 다른 일반적인 축봉장치를 나타내는 개략 구성도이다.

도 1에서 발전기 로우터(1)는 회전축(2)에 설치되고, 발전기 케이싱(3)에 들어가 있다. 발전기 케이싱(3) 내에는 발전기 로우터(1) 등을 냉각하기 위하여 냉각수소(6)가 봉입되어 있다. 이 수소(6)는 도시 생략한 열교환기와 발전기 케이싱(3)을 순환하여 발전기 케이싱(3) 내를 일정 온도 이하로 유지하도록 온도조절되어 있다. 발전기 케이싱(3)으로부터의 수소(6)의 누출을 방지하기 위한 축봉장치(4a, 4b)가 발전기 케이싱(3)과 회전축(2)과의 사이에 설치되어 있다. 이 축봉장치(4a, 4b)는 로우터(1) 양쪽 끝에 있는 회전축(2)을 밀봉하도록 2개소 설치되어 있다.

축봉장치(4a, 4b)는 회전축(2)의 외경보다 큰 내경을 가지고, 회전축(2) 표면과 축봉장치(4a, 4b)의 내벽면과의 사이에 소정의 간극을 설치하고 있다. 5a, 5b는 베어링이고, 축봉장치(4a, 4b)와 함께 케이싱(3)에 고정되어 있다.

도 2에서 축봉장치(4)(4a, 4b)는, 회전축(2)의 외경보다 큰 내경을 가지고 축방향으로 일정한 간극을 두고 설치되는 한 쌍의 둥근 고리형상 시일링(11a, 11b)과 , 이 한 쌍의 시일링(11a, 11b)에 고압의 밀봉유를 공급하는 급유수단(14)과, 이 한 쌍의 시일링(11a, 11b) 및 밀봉유를 포함하는 시일 케이싱(13) 및 시일링(11a, 11b)의 바깥 둘레에 접하도록 설치된 스프링(12)으로 이루어져 있다.

급유수단(14)으로부터 한 쌍의 시일링(11a, 11b)에 공급된 밀봉유는, 시일링(11a, 11b)과 회전축(2)과의 간극(15a 또는 15b)을 통하여 발전기 밖 또는 발전 기 내로 흘러 나도록 되어 있다. 이 밀봉유가 간극(15a 및 15b)을 완전히 채움으로써 발전기 내의 수소가 발전기 밖으로 누출되는 것을 방지하고 있다.

도 3에서 도 3도 도 1과 마찬가지로 일반적인 수소 냉각 발전기이나 유일하게 다른 차이는 베어링(5a)이 시일 케이싱(13)과는 다른체의 베어링대(bearing pedestal)(7)로 지지되어 있는 점이다.

이와 같이 베어링(5a)이 축봉장치(4a)를 지지하는 케이싱(3)과는 다른 재료의 베어링대(7)로 지지되어 있으면, 운전시에 회전축(2)의 축심은 축봉장치(4a)의 축심방향으로 크게 어긋나기 쉽다. 이것은 축봉장치(4a)를 지지하는 케이싱(3)에 비하여 베어링대(7)의 열용량이 작기 때문에 베어링대(7)의 열신장이 크기 때문이다.

베어링대(7)가 열신장하면 회전축(2)은 베어링(5b)(도 3에서 우측)을 축으로 하여 베어링(5a)과 함께 연직 윗쪽으로 들어 올려진다. 이것에 대하여 축봉장치(4a)를 지지하는 발전기 케이싱(3)의 열신장은 작기 때문에, 축봉부(4a)의 연직 윗쪽으로의 이동은 작다. 따라서 회전축(2)의 축심은 상대적으로 축봉장치(4a)에서 보아 연직 윗쪽으로 편심하게 된다.

이와 같이 회전축(2)의 편심이 시일링(11a 및 11b)과 회전축(2)과의 간극인 15a 및 15b보다 큰 경우, 시일링(11a 및 11b)의 추종성에 따라서는 회전축(2)은 그 연직 윗쪽에서 도 2에 나타내는 시일링(11a 및 11b)에 접촉하기 쉬워져 접촉부분이 손상될 가능성이 있다. 가령 손상에 이르지 않을 정도의 경미한 접촉이더라도 열굽힘에 의한 진동을 유기하는 원인이 된다.

그런데, 수소가스는 밀봉유에 용입하기 쉬운 성질이 있고, 밀봉유가 발전기 밖으로 흘러 나오는 것은 수소가스의 유출이 되어 수소가스의 보충이 필요하게 되고, 그 만큼 비용상승으로 연결된다. 수소가스의 보충은, 수소가스의 저하에 의하여 냉각효과가 저하하여 접촉부분에서의 마찰열에 의하여 회전축이 열변형되고, 이것에 따라 회전진동의 증가로 연결되기 때문이다.

이와 같이 베어링이 케이싱과 다른 재질의 다른 부재로 지지된 발전기의 경우, 진동이 큰 것이 판명되었기 때문에, 본 발명의 발명자들은 회전축의 움직임(진동)에 따라 고체 접촉에 의한 진동을 저감 가능한 시일링의 검토를 행한 것이다.

(실시예 1)

이하, 본 발명의 일 실시예를 도 4, 도 5를 사용하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예를 구비한 시일링의 정면도이다.

도 5는, 유막이 형성된 상태를 나타내는 시일링의 정면도이다.

도 3에서 나타낸 바와 같이 도면을 향하여 좌측에 위치하는 베어링(5a)이 케이싱(3)과는 별체의 베어링대(7)로 지지되면, 오히려 우측의 베어링(5b)을 축으로 하여 편심되는 것을 알았기 때문에, 축봉장치(4)(4a)의 시일링(11a, 11b)을 도 4의 좌측에 나타내는 링과 같이 분할링으로 한 것이다. 도 4의 우측에 위치하는 베어링(5b)측의 시일링(11)은 종래와 같이 미분할의 시일링으로 되어 있다.

시일링(11)(a, b)으로 한 경우의 유막의 상태를 도 5에서 설명하면, 회전축(2)의 바깥 둘레면과 분할 시일링(11)(a, b)과의 사이에는 유막(14a)이 형성되나, 본 실시예에서는 시일링(11)(a, b)이 분할되어 있기 때문에 회전축(2)의 편심 상태에 따라 시일링(11)(a, b)은 유연하게 이동함과 동시에 유막(14a)의 두께도 변화된다.

본 실시예에 의하면, 발전기는 도 3에 나타내는 바와 같이 가스터빈이나 증기터빈에 의하여 구동되나, 이들 터빈이 설치되는 구동측의 베어링(5a)은, 터빈 끝부의 베어링(5a)과 공유하는 등의 이유에 의하여 발전기 케이싱(3)으로부터 떨어진 위치의 독립된 베어링대(7) 위에 설치되는 경우가 있다. 이와 같은 경우에도 축봉장치(4a)는 발전기 케이싱(3) 내에 설치된다. 이와 같은 구조에서는 베어링(5a)과 축봉장치(4a)를 지지하는 베어링대(7)의 발전기 운전 중의 열신장이 다르다. 회전축(2)은 베어링대(7)의 신장에 의하여 연직 윗쪽으로 밀어 올려지기 때문에, 축봉장치(4a)에서는 회전축(2)이 상대적으로 크게 편심하게 된다.

또 한 쪽의 회전축(2)의 끝부에서는 베어링(5b)과 축봉장치(4b)는 동일한 부재의 케이싱(3)에 의하여 지지되어 있기 때문에, 축봉부에서의 회전축의 상대적인 편심량은 크게는 되지 않는다.

본 실시예에 의하면, 베어링(5a)이 베어링대(7)로 지지된 축봉부에서 시일링을 원주방향으로 분할하고 있기 때문에, 시일링과 회전축과의 사이의 유막 강성을 높여 진동을 저감할 수 있다.

이것을 도 5, 도 6을 사용하여 설명한다.

도 5에 나타내는 바와 같이 회전축(2)의 회전에 따르는 간극에서의 동압(動壓)의 발생에 의하여 분할된 각 시일링은 서로 약간 어긋난 상태가 된다. 이 때문에 쐐기효과가 높아져 유막 중의 동압이 더욱 발생하기 쉬워져 유막 강성을 올릴 수 있다.

도 6에 나타내는 바와 같이 상대 편심량이 임계값보다 커지면 시일링(11)과 회전축(2)이 접촉하게 되고, 이것을 유인으로 한 진폭이 큰 진동이 생기게 된다. 예를 들면 일체형 시일링에서는 상대 편심량과 진동량을 나타내는 곡선은 21a와 같이 되나, 이 때의 임계값은 A가 된다. 이것에 대하여 분할형의 시일링에서는 상대 편심량과 진동량을 나타내는 곡선은 21b와 같이 된다. 이때의 임계값은 B이고 A보다 커진다. 즉, 분할형으로 함으로써 진동 증대의 임계값이 커지기 때문에, 진동을 회피할 수 있다.

본 실시예에서는 베어링과 축봉부가 동일한 부재에 의하여 지지되어 있는 축봉부에서는, 시일링은 일체형으로 하고 있다. 도 7에 나타내는 바와 같이 일체형의 시일링과 분할형의 시일링을 비교하면, 일체형의 시일링의 쪽이 밀봉유 유량을 적게 하는 것이 가능하다. 또한 「일체형」시일링에는 단일한 부재로 만들어진 시일링 뿐만 아니라, 복수로 분할된 세그먼트를 접합, 체결함으로써 일체로 하여 사용하는 형식의 것을 포함한다.

(실시예 2)

실시예 2에 대하여 도 8을 사용하여 설명한다.

도 8에서 실시예 1에서는 베어링(5)이 베어링대로 지지된 축봉부의 시일링을 원주방향으로 분할함으로써 회전축과 시일링과의 사이의 접촉을 발생하기 어렵게 함으로써, 축 진동의 증가를 회피하는 것으로 하였다. 그러나 시일링(11)을 분할하면 도 4의 우측에 나타내는 바와 같은 일체형 시일링보다 밀봉유량이 많아질 가 능성이 있고, 수소 소비량이 많아질 가능성이 있다.

따라서 본 실시예에서는 도 8에 나타내는 바와 같이 베어링(5)이 베어링대(7)로 지지된 축봉부의 시일링의 축방향 폭(W2)을, 베어링과 동일한 부재에 지지된 축봉부의 시일링 축방향 폭을 도 2에 나타낸 W1보다 넓게 한 것이다.

이와 같이 축방향 폭을 넓게 함으로써, 도 7에 나타내는 바와 같이 밀봉유 유량을 저감하는 것이 가능해진다. 이것은 시일링의 축방향 폭이 넓어짐으로써 밀봉유의 유로 저항이 증가하기 때문에 유출량이 스로틀되기 때문이다.

(실시예 3)

실시예 3에 대하여 도 9, 도 10을 사용하여 설명한다. 양 도면은 도 6에서의 C점을 통하여 회전축과 동심의 원주상에서의 시일 케이싱과 시일링과의 발전기 운전시의 접촉상태를 나타내는 것이다. 도 9는 종래 구조의 접촉상태를 나타내고, 도 10은 본 발명에 의한 구조의 접촉상태를 나타낸다.

본 예에서는 시일 케이싱 위의 시일링과 접촉하는 표면에, 저강성체층을 설치한 것으로 하여 설명한다. 시일 케이싱에 설치하는 저강성체층의 재료는, 예를 들면 폴리에테르에테르케톤(Polyetherether Ketone, 'PEEK') 수지 등의 내열성의 수지이다. 이 재질은 강화용 첨가물의 배합량에도 의하나, 기껏 수 GPa 정도의 강성이다. 층의 두께로서는 수 mm 정도이다.

발전기 운전시는, 시일링과 회전축과의 종동부에서의 발열에 의하여 가열되는 것에 의한 열변형이나, 봉입수소의 압력에 의한 응력변형에 의하여 시일 케이싱은 원주방향으로 물결치듯이 변형된다. 이 때문에 시일 케이싱과 시일링과의 접촉부는 도 9에 나타내는 바와 같이 불균일한 것이 된다. 이와 같은 상태에서는 케이 싱과 링은 부분적으로는 접촉하나, 다른 부분에서는 수 ∼ 수십 ㎛의 간격이 벌어진상태가 된다. 이와 같은 간극부분에서는 밀봉유가 유출되기 쉽게 되어 있어, 밀봉유 유량, 나아가서는 수소 소비량을 증가시키는 하나의 원인으로 되어 있었다.

시일 케이싱에 저강성체층을 설치하면, 접촉을 일으키는 부분은 눌려 찌그러지기 때문에 도 10과 같이 간극부분의 간격을 좁힐 수 있다. 이에 의하여 밀봉유량을 저감할 수 있기 때문에, 수소 소비량의 저감도 가능해진다.

또, 본 실시예와 같이 수지재료를 사용하면, 일반적으로 철강재보다 수지의 쪽이 열전도는 나쁘기 때문에, 단열효과에 의하여 시일링과 회전축과의 종동면의 발열이 시일 케이싱에 전해지는 것을 억제하여, 시일 케이싱의 열변형을 억제하는 것이 가능해진다. 또한 일반적으로 철강재보다 수지의 쪽이 윤활특성이 좋기(마찰계수가 낮다) 때문에 도 6에서의 점 B를 우측으로 이동시키는 효과도 있기 때문에, 진동 저감에도 효과가 있다.

이상과 같이, 베어링과 다른 부재에 지지된 축봉부에서는 시일링을 원주방향으로 분할하였다. 이 때문에 시일링과 회전축과의 사이의 접촉이 생기기 어렵게 되어 접촉을 유인으로 하는 진동을 방지하는 것이 가능해진다. 또 베어링과 동일한 부재에 지지된 축봉부에 있어서는, 시일링을 일체의 것으로 하였다. 이 때문에 밀봉유 량을 저감시킬 수 있다. 이상과 같이 본 발명에 의한 축봉장치에서는 진동의 방지와, 밀봉유 유량 저감을 양립시킬 수 있다.

본 발명에 의하면, 회전축의 편심에 추종 가능한 시일링을 구비한 발전기의 축봉장치를 제공할 수 있다.

Claims (5)

1. 내부에 수소가스를 봉입하는 케이싱의 내부에 설치된 로우터와, 상기 로우터를 상기 케이싱의 내부에서 회전 지지하기 위한 회전축과, 상기 회전축의 양쪽 끝과 상기 케이싱과의 사이를 밀봉하기 위한 축봉장치에 설치된 시일링과, 상기 시일링과 인접하여 상기 회전축을 지지하는 베어링을 구비한 발전기용 축봉장치에 있어서,

   상기 축봉장치는 상기 케이싱에 지지되고, 상기 회전축의 한쪽 끝측의 베어링이 상기 케이싱과는 다른 재질의 베어링대로 지지된 것이고,

   상기 축봉장치의 시일링을 원주방향에서 복수개로 분할하여 이루고, 다른쪽측 축봉장치의 시일링은 일체 시일링으로 한 것을 특징으로 하는 발전기용 축봉장치.
2. 제 1항에 있어서,

   분할된 상기 시일링의 상기 회전축과 접촉하는 면을, 상기 일체 시일링의 상기 회전축과 접촉하는 면보다 넓게 한 것을 특징으로 하는 발전기용 축봉장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 시일링의 상기 회전축과 접촉하는 면은 상기 회전축의 축방향으로 길게한 것을 특징으로 하는 발전기용 축봉장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 케이싱과 상기 시일링과의 접촉부분의 시일 케이싱 위 또는 시일링 위에 저강성체층을 설치한 것을 특징으로 하는 발전기용 축봉장치.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 저강성체층을 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 수지로 형성한 것을 특징으로 하는 발전기용 축봉장치.

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