KR102090145B1 - 스러스트 베어링 및 터빈 발전 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 형태에 의한 양방향 스러스트 베어링은, 스러스트 칼라의 양측에 배치되는 한 쌍의 베어링 하우징; 상기 베어링 하우징의 일측에 배치되어 상기 스러스트 칼라를 지지하는 복수의 틸팅 패드; 상기 베어링 하우징과 상기 틸팅 패드 사이에 구비되어 틸팅 패드의 기울어짐을 방지하는 한 쌍의 밸런스 스프링; 상기 스러스트 칼라와 상기 틸팅 패드 사이에 윤활유를 공급하는 윤활유공급유닛; 및 상기 윤활유공급유닛을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

스러스트 베어링 및 터빈 발전 시스템 및 그 제어방법{Thrust bearing and turbine generator system and method for controlling the same}
본 발명은 스러스트 베어링 및 터빈 발전 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
터빈이란 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충동력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치로, 증기를 이용하는 증기터빈 및 고온의 연소 가스를 이용하는 가스 터빈 등이 있다.
이 중, 가스 터빈은 크게 압축기와 연소기와 터빈으로 구성된다. 상기 압축기는 공기를 도입하는 공기 도입구가 구비되고, 압축기 하우징 내에 복수의 압축기 베인과, 압축기 블레이드가 교대로 배치되어 있다.
연소기는 상기 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 버너로 점화함으로써 고온고압의 연소 가스가 생성된다.
터빈은 터빈 하우징 내에 복수의 터빈 베인과, 터빈 블레이드가 교대로 배치되어 있다. 또한, 압축기와 연소기와 터빈 및 배기실의 중심부를 관통하도록 로터가 배치되어 있다.
상기 로터는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된다. 그리고, 상기 로터에 복수의 디스크가 고정되어, 각각의 블레이드가 연결되는 동시에, 배기실측의 단부에 발전기 등의 구동축이 연결된다.
터빈의 회전축은 연소 가스 또는 스팀이 블레이드를 밀고 나가면서 회전됨에 따라 회전력은 물론 축방향으로 추력이 발생하게 된다. 이러한 추력을 지지하기 위해 스러스트 베어링이 구비된다.
터빈의 회전축은 고속으로 회전되는바, 스러스트 베어링으로 틸팅 패드형 스러스트 저널 베어링이 사용된다. 또한, 스러스트 칼라의 추력은 양방향으로 작용하므로 스러스트 칼라의 양측에서 지지하는 양방향 스러스트 베어링이 사용된다.
면과 면이 슬라이딩 접촉하는 저널 베어링의 경우 틸팅 패드와 스러스트 칼라 사이에 윤활유가 공급된다.
그런데, 스러스트 칼라의 추력은 동시에 양방향 스러스트 베어링 양측에 작용하지 않고 일측에만 추력이 가해지므로, 무부하측 패드의 경우 스러스트 칼라를 지지하지 않음에도 불구하고 윤활유가 계속 공급되어 낭비되는 문제가 있다.
또한, 틸팅 패드의 피봇은 그 무게중심에서 일측으로 치우친 위치에 배치되는바, 틸팅 패드가 중력에 의해 기울어져서 스러스트 칼라와 접촉하여 마찰 손실이 발생하는 문제가 있다.
대한민국 등록실용신안공보 제20-0368652호
본 발명은 양방향 스러스트 베어링에서 틸팅 패드에 부하가 걸리지 않을 때 중력에 의해 기울어지지 않도록 잡아주어 스러스트 칼라와 접촉하여 마찰 손실이 발생하는 것을 방지하고, 무부하측 패드에 윤활유 공급을 차단하여 윤활유 낭비를 줄일 수 있는 스러스트 베어링 및 터빈 발전 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 형태에 의한 양방향 스러스트 베어링은, 스러스트 칼라의 양측에 배치되는 한 쌍의 베어링 하우징; 상기 베어링 하우징의 일측에 배치되어 상기 스러스트 칼라를 지지하는 복수의 틸팅 패드; 상기 베어링 하우징과 상기 틸팅 패드 사이에 구비되어 틸팅 패드의 기울어짐을 방지하는 한 쌍의 밸런스 스프링; 상기 스러스트 칼라와 상기 틸팅 패드 사이에 윤활유를 공급하는 윤활유공급유닛; 및 상기 윤활유공급유닛을 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는 상기 양방향 스러스트 베어링 중 무부하측 스러스트 베어링의 틸팅 패드에 윤활유 공급을 차단하도록 상기 윤활유공급유닛을 제어하는 것이 바람직하다.
상기 윤활유공급유닛은, 윤활유를 저장하는 윤활유 저장부; 상기 윤활유 저장부의 윤활유를 펌핑하는 펌프; 상기 틸팅 패드로 윤활유 공급을 조절하는 밸브; 및 상기 밸브를 통과하는 윤활유를 상기 틸팅 패드로 공급하는 노즐을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 틸팅 패드의 피봇은 상기 틸팅 패드의 무게중심에서 원주방향으로 치우친 위치에 배치되고,
상기 한 쌍의 밸런스 스프링의 탄성력 차이는 상기 틸팅 패드가 중력에 의해 기울어져서 상기 스러스트 칼라에 접촉하는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
상기 복수의 틸팅 패드 중 적어도 하나에는 스러스트 칼라의 추력을 감지하는 로드셀이 구비되고, 상기 제어부는 상기 로드셀에 추력이 감지되지 않을 때 상기 밸브를 닫아 윤활유 공급을 차단하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 형태에 의한 가스 터빈 발전 시스템은, 공기를 압축시키기 위한 압축기; 상기 압축기로부터 압축된 공기를 유입받아 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기; 상기 연소기로부터 연소된 가스에 의해 회전하여 동력을 발생시키는 터빈; 상기 터빈의 회전축과 연결되어 발전하는 발전기; 및 상기 터빈과 발전기 사이의 회전축에 구비되어 회전축을 지지하는 양방향 스러스트 베어링을 포함하고,
상기 양방향 스러스트 베어링은, 스러스트 칼라의 양측에 배치되는 한 쌍의 베어링 하우징; 상기 베어링 하우징의 일측에 배치되어 상기 스러스트 칼라를 지지하는 복수의 틸팅 패드; 상기 베어링 하우징과 상기 틸팅 패드 사이에 구비되어 틸팅 패드의 기울어짐을 방지하는 한 쌍의 밸런스 스프링; 상기 스러스트 칼라와 상기 틸팅 패드 사이에 윤활유를 공급하는 윤활유공급유닛; 및 상기 윤활유공급유닛을 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 일 형태에 의한 스팀 터빈 발전 시스템은, 보일러에 의해 발생되는 스팀에 의해 회전하여 동력을 발생시키는 고압 터빈; 상기 고압 터빈을 통과한 스팀이 통과하면서 동력을 발생시키는 저압 터빈; 상기 고압 터빈 및 저압 터빈의 회전축과 연결되어 발전하는 발전기; 및 상기 고압 터빈과 저압 터빈 사이에 구비되어 회전축을 지지하는 양방향 스러스트 베어링을 포함하고,
상기 양방향 스러스트 베어링은, 스러스트 칼라의 양측에 배치되는 한 쌍의 베어링 하우징; 상기 베어링 하우징의 일측에 배치되어 상기 스러스트 칼라를 지지하는 복수의 틸팅 패드; 상기 베어링 하우징과 상기 틸팅 패드 사이에 구비되어 틸팅 패드의 기울어짐을 방지하는 한 쌍의 밸런스 스프링; 상기 스러스트 칼라와 상기 틸팅 패드 사이에 윤활유를 공급하는 윤활유공급유닛; 및 상기 윤활유공급유닛을 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는 상기 양방향 스러스트 베어링 중 무부하측 스러스트 베어링의 틸팅 패드에 윤활유 공급을 차단하도록 상기 윤활유공급유닛을 제어하는 것이 바람직하다.
상기 윤활유공급유닛은, 윤활유를 저장하는 윤활유 저장부; 상기 윤활유 저장부의 윤활유를 펌핑하는 펌프; 상기 틸팅 패드로 윤활유 공급을 조절하는 밸브; 및 상기 밸브를 통과하는 윤활유를 상기 틸팅 패드로 공급하는 노즐을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 틸팅 패드의 피봇은 상기 틸팅 패드의 무게중심에서 원주방향으로 치우친 위치에 배치되고, 상기 한 쌍의 밸런스 스프링의 탄성력 차이는 상기 틸팅 패드가 중력에 의해 기울어져서 상기 스러스트 칼라에 접촉하는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
상기 복수의 틸팅 패드 중 적어도 하나에는 스러스트 칼라의 추력을 감지하는 로드셀이 구비되고, 상기 제어부는 상기 로드셀에 추력이 감지되지 않을 때 상기 밸브를 닫아 윤활유 공급을 차단하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 형태에 의한 터빈 발전 시스템은, 터빈과 발전기 사이에 연결되는 회전축을 지지하는 양방향 스러스트 베어링을 구비하는 터빈 발전 시스템의 제어방법에 있어서, 상기 터빈을 작동시켜 상기 회전축을 회전시키는 단계; 상기 회전축의 스러스트 칼라와 상기 스러스트 베어링의 틸팅 패드 사이에 윤활유를 공급하는 단계; 상기 틸팅 패드에 구비되는 로드셀로 스러스트 칼라의 추력을 감지하는 단계; 및 상기 로드셀에 추력이 감지되지 않으면 무부하측 스러스트 베어링의 틸팅 패드에 윤활유 공급을 차단하는 단계를 포함한다.
상기 로드셀에 추력이 다시 감지되면 부하측 스러스트 베어링의 틸팅 패드에 윤활유를 공급하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 스러스트 베어링은 베어링 하우징과 상기 틸팅 패드 사이에 구비되어 틸팅 패드의 기울어짐을 방지하는 한 쌍의 밸런스 스프링을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 틸팅 패드의 피봇은 상기 틸팅 패드의 무게중심에서 원주방향으로 치우친 위치에 배치되고, 상기 한 쌍의 밸런스 스프링의 탄성력 차이는 상기 틸팅 패드가 중력에 의해 기울어져서 상기 스러스트 칼라에 접촉하는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
상기한 본 발명의 스러스트 베어링 및 터빈 발전 시스템 및 그 제어방법에 의하면, 양방향 스러스트 베어링에서 틸팅 패드에 부하가 걸리지 않을 때 중력에 의해 기울어지지 않도록 잡아주어 스러스트 칼라와 접촉하여 마찰 손실이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 무부하측 패드에 윤활유 공급을 차단하여 윤활유 낭비를 줄일 수 있다.
도 1은 가스 터빈 발전 시스템의 일예를 나타내는 개략도이다.
도 2는 스팀 터빈 발전 시스템의 일예를 나타내는 개략도이다.
도 3은 스러스트 베어링에 배열되는 틸팅 패드들을 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 양방향 스러스트 베어링을 나타내는 개략도이다.
도 5는 하나의 틸팅 패드에서 밸런스 스프링의 탄성력 차이를 계산하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 4에서 두 틸팅 패드에 동시에 윤활유가 공급되는 것을 나타내는 개략도이다.
도 7은 도 4에서 두 틸팅 패드 중 일측의 부하측 틸팅 패드에만 윤활유가 공급되는 것을 나타내는 개략도이다.
도 8은 도 4에서 두 틸팅 패드 중 타측의 부하측 틸팅 패드에만 윤활유가 공급되는 것을 나타내는 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 양방향 스러스트 베어링이 적용되는 가스 터빈 발전 시스템을 나타내는 개략도이다.
압축기(10)는 유입되는 외부 공기를 압축하여 터빈(30) 쪽으로 공급한다.
터빈(30)에 연결되어 있는 연소기(20)는 압축된 공기에 연료를 공급하고 버너로 점화함으로써 고온 고압의 연소 가스를 생성한다.
연소 가스는 터빈(30)의 회전축(41)을 회전시키고 터빈 하우징 외부로 배출된다.
터빈(30)의 회전축(41)은 한 쌍의 래이디얼 저널 베어링(70)에 의해 반경방향으로 지지되고, 양방향 스러스트 베어링(200)에 의해 축방향으로 지지된다.
터빈(30)의 회전축(41)은 커플링(60)에 의해 발전기(50)의 회전축(42)과 연결되고, 결국 터빈(30)의 회전력이 발전기(50)로 전달되어 발전한다.
발전기(50)의 회전축(42)도 한 쌍의 래이디얼 저널 베어링(70)에 의해 반경방향으로 지지된다.
터빈(30)의 회전축(41)은 양방향 스러스트 베어링(200)에 지지되는 스러스트 칼라(45, thrust collar)를 구비한다.
상기한 터빈(30)의 회전축(41)과 스러스트 칼라(45)와 발전기(50)의 회전축(42)은 터빈 발전 시스템의 회전축(40)을 구성한다.
도 2는 본 발명에 따른 양방향 스러스트 베어링이 적용되는 스팀 터빈 발전 시스템을 나타내는 개략도이다.
보일러(미도시)에 의해 발생되는 스팀은 고압 터빈(110)의 블레이드를 회전시키고 다시 중압 터빈(120)을 통과하면서 그 블레이드를 회전시켜서 회전축(141)을 회전시킨다.
중압 터빈(120)을 통과한 스팀은 다시 저압 터빈(130)을 통과하면서 그 블레이드를 회전시켜서 회전축(142)을 회전시킨다.
고압 터빈(110) 및 중압 터빈(120)의 회전축(141)은 저압 터빈(130)의 회전축(142)과 커플링(160)에 의해 연결된다.
저압 터빈(130)의 회전축(142)은 발전기(150)의 회전축(143)과 커플링(160)에 의해 연결되고, 결국 터빈들(110, 120, 130)의 회전력이 발전기(150)로 전달되어 발전한다.
상기 회전축(141)은 한 쌍의 래이디얼 저널 베어링(170)에 의해 반경방향으로 지지되고, 상기 회전축(142)도 한 쌍의 래이디얼 저널 베어링(170)에 의해 지지되며, 상기 회전축(143)도 한 쌍의 래이디얼 저널 베어링(170)에 의해 지지된다.
상기 회전축(141)에는 스러스트 칼라(145)가 구비되고 이 스러스트 칼라(145)의 좌우를 지지하는 양방향 스러스트 베어링(200)이 구비되어 회전축(141)을 축방향으로 지지한다.
상기 터빈의 두 회전축(141, 142)과 스러스트 칼라(145)와 상기 발전기(150)의 회전축(143)은 서로 결합되어 하나의 회전축(140)을 구성한다고 볼 수 있다.
도 3은 스러스트 베어링에 배열되는 틸팅 패드들을 나타내는 개략도이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 양방향 스러스트 베어링을 나타내는 개략도이다.
도 3에 도시된 스러스트 베어링은 6개의 틸팅 패드들이 배치된 것을 예시적으로 나타낸다.
도 3에서 우측에 있는 것을 제1 틸팅 패드(220-1)라 할 때 그 반대쪽에 있는 것은 제4 틸팅 패드(220-4)가 된다.
각 틸팅 패드에는 그 무게중심에서 원주 방향을 따라 치우친 위치에 피봇(230)이 배치될 수 있다. 이 피봇(230)은 도 4에 도시된 바와 같이 반구 형태로 이루어질 수 있다.
도 4는 하나의 스러스트 칼라(45 또는 145)의 양측에 배치되는 한 쌍의 스러스트 베어링의 각 틸팅 패드를 모식적으로 도시한 단면도이다.
본 발명의 양방향 스러스트 베어링(200)은, 스러스트 칼라(45)의 양측에 배치되는 한 쌍의 베어링 하우징(210), 베어링 하우징(210)의 일측에 배치되어 스러스트 칼라를 지지하는 복수의 틸팅 패드(220), 베어링 하우징과 틸팅 패드 사이에 구비되어 틸팅 패드의 기울어짐을 방지하는 한 쌍의 밸런스 스프링(250)을 포함한다.
상기 베어링 하우징(210)은 회전축이 통과할 수 있도록 중심부가 관통되어 있고, 복수의 틸팅 패드(220)를 수용할 수 있는 홈이 형성될 수 있다. 도 4에서 베어링 하우징(210)은 편의상 하나의 틸팅 패드를 지지하는 부분만 도시하였다.
각 틸팅 패드(220)의 후면, 즉 스러스트 칼라(45)와 접촉하는 면의 반대쪽 면에 반구 형태의 피봇(230)이 구비된다. 이 피봇(230)은 베어링 하우징(210)에 구비되는 피봇지지부(213)에 회동가능하게 장착된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 스러스트 칼라(45)는 반시계 방향으로 회전되면서 틸팅 패드들과 접촉한다. 도 4에도 스러스트 칼라(45)의 회전방향(R)이 화살표로 표시되어 있다.
도 3에서 제1 틸팅 패드(220-1)에 접촉하는 스러스트 칼라(45)는 도 4에서 상방으로 회전되고, 도 3에서 제4 틸팅 패드(220-4)는 도 4에서 하방으로 회전된다.
상기 한 쌍의 밸런스 스프링(250)은 베어링 하우징(210)과 틸팅 패드(220)의 양단부 사이에 구비되어 틸팅 패드가 중력에 의해 기울어지는 것을 방지한다. 이를 위해, 한 쌍의 밸런스 스프링(251, 252)은 한 쪽의 탄성력이 더 크도록 이루어진다.
양방향 스러스트 베어링은 스러스트 칼라(45)와 틸팅 패드(220) 사이에 윤활유를 공급하는 윤활유공급유닛(260)과 윤활유공급유닛을 제어하는 제어부를 더 포함한다.
상기 틸팅 패드(220)는 스러스트 칼라(45)와 면-접촉하면서 지지하므로 그 사이에 윤활유가 공급되어야 한다.
이를 위해, 윤활유공급유닛(260)은 윤활유를 저장하는 윤활유 저장부(262), 윤활유 저장부의 윤활유를 펌핑하는 펌프(264), 틸팅 패드(220)로 윤활유 공급을 조절하는 밸브(266), 밸브를 통과하는 윤활유를 틸팅 패드로 공급하는 노즐(268)을 포함한다.
상기 윤활유 저장부(262)는 스러스트 베어링(200)의 부근에 구비되어 베어링으로 공급되는 윤활유를 저장하고 보충하는 일종의 컨테이너이다.
상기 펌프(264)는 윤활유를 펌핑하여 스러스트 베어링(200)으로 강제 급유한다.
상기 밸브(266)는 윤활유 공급을 조절하는 밸브로서, 개폐 밸브가 예시적으로 도시되어 있으나, 밸브 개도를 순차적으로 조절할 수 있는 밸브일 수도 있다.
상기 노즐(268)은 윤활유를 틸팅 패드(220)의 스러스트 칼라(45) 접촉면으로 공급하여 마찰 손실을 줄인다.
도시하지 않았지만, 윤활유공급유닛(260)은 공급된 윤활유를 회수할 수 있도록 순환 유로로 연결될 수 있다.
상기 제어부는 양방향 스러스트 베어링(200) 중 무부하측 스러스트 베어링의 틸팅 패드(220)에 윤활유 공급을 차단하도록 상기 윤활유공급유닛(260)을 제어한다.
스러스트 칼라(45)는 그 양측에 있는 한 쌍의 스러스트 베어링(200) 중 한 쪽에만 접촉하여 추력, 즉 부하를 가하는 것이 일반적이다. 다만, 순간적으로 스러스트 칼라(45)가 양측의 틸팅 패드(220)에 접촉할 수는 있다.
그래서, 제어부는 스러스트 칼라(45)가 접촉하지 않아 부하가 걸리지 않는 무부하측 스러스트 베어링의 틸팅 패드(220)에 윤활유 공급을 차단하도록, 상기 밸브(266)를 오프한다.
이 경우, 중력에 의해 틸팅 패드(220)가 기울어져서 회전 중인 스러스트 칼라(45)와 접촉하여 마찰하게 되므로, 틸팅 패드(220)가 스러스트 칼라(45)와 접촉하지 않도록 구속하여 최소 간극을 유지하도록 할 필요가 있다.
이를 위해, 두 밸런스 스프링(251, 252)의 탄성력을 서로 다르게 형성하여 그 차이로 인해 무부하측 틸팅 패드(220)가 중력에 의해 기울어져서 스러스트 칼라(45)에 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
도 5는 하나의 틸팅 패드에서 밸런스 스프링의 탄성력 차이를 계산하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 5(a)는 틸팅 패드(220)가 기울어진 것을 수직으로 바로 세우기 위해 필요한 스프링 힘 F s 를 구하기 위한 도면이고, 도 5(b)는 두 스프링의 탄성력을 조절하는 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 5(a)에서 수직 방향의 힘의 합력은 0이므로,
Figure 112018086436112-pat00001
또한, 틸팅 패드(220)의 지점 O에서의 모멘트의 합은 0이므로,
Figure 112018086436112-pat00002
Figure 112018086436112-pat00003
일 때, 즉 틸팅 패드(220)를 수직으로 바로잡기 위해 필요한 스프링 힘 F s 를 구하면,
Figure 112018086436112-pat00004
여기서, 패드의 무게 W=5.3kgf, 패드의 길이 L=20mm, 피봇중심으로부터 지점 O의 이격 거리 h=20mm, 피봇중심으로부터 패드 무게중심까지의 거리 a=15mm 라고 하면,
Figure 112018086436112-pat00005
가 된다.
즉, 틸팅 패드를 수직으로 세우려면 스프링 작용력이 2.1kgf 즉, 틸팅 패드의 상하 단부에 스프링을 연결하는 경우 두 스프링 탄성력의 차이(F s1 -F s2 )가 2.1 kgf이면 된다는 뜻이다.
도 5(b)는 이러한 두 스프링에 대하여 탄성력의 차이가 2.1 kgf가 되도록 스프링 힘을 조절하는 메커니즘을 나타낸다.
만약, 스프링이 없어서 F s =0이라면,
Figure 112018086436112-pat00006
여기서, h=20mm, a=15mm인 경우
Figure 112018086436112-pat00007
까지 기울어질 수 있다.
이렇게 많이 기울어지는 경우라면 53°까지 기울어지기 전에 스러스트 칼라에 접촉하여 마찰하게 될 것이다.
이와 같이, 본 발명에 의하면 두 밸런스 스프링의 탄성력 차이를 조절함으로써 틸팅 패드에 부하가 가해지지 않는 경우에 틸팅 패드가 기울어져서 스러스트 칼라에 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 틸팅 패드(220) 중 적어도 하나에는 스러스트 칼라(45)의 추력을 감지하는 로드셀(270)이 구비되고, 상기 제어부는 로드셀에 추력이 감지되지 않을 때 밸브(266)를 닫아 윤활유 공급을 차단하는 것이 바람직하다.
양방향 스러스트 베어링(200)은 스러스트 칼라(45)의 양측에 각각 복수의 틸팅 패드(220)가 배치되는데, 어느 일측의 베어링에서 하나 이상의 틸팅 패드에 스러스트 칼라(45)가 누르는 추력, 즉 무게를 감지하는 센서가 구비될 수 있다.
제어부는 터빈이 작동되면 윤활유를 공급하다가 로드셀(270)에서 부하가 감지되지 않으면 밸브(266)를 닫아 윤활유 공급을 차단함으로써 자원 낭비를 줄일 수 있다.
다음으로, 도 6 내지 도 8을 참조하여 양방향 스러스트 베어링을 구비하는 터빈 발전 시스템의 제어방법을 설명한다. 터빈 발전 시스템은 도 1을 참조하여 설명한 가스 터빈 발전 시스템이거나, 도 2를 참조하여 설명한 스팀 터빈 발전 시스템을 포함한다.
먼저, 터빈을 작동시켜 회전축을 회전시키면 회전축에 구비된 스러스트 칼라도 함께 회전된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 터빈이 작동되면 곧바로 또는 그와 동시에, 회전축의 스러스트 칼라와 상기 스러스트 베어링의 틸팅 패드 사이에 윤활유를 공급한다.
즉, 제어부는 펌프를 작동시키고 밸브를 열어 틸팅 패드에 윤활유를 공급한다.
이어서, 틸팅 패드에 구비되는 로드셀(270, 도 4 참조)로 스러스트 칼라의 추력을 감지한다. 일측의 로드셀 하나에 추력이 감지되면 일측의 베어링 전체에 부하가 가해지는 것으로 판단할 수 있다.
그러다가, 로드셀에 추력이 감지되지 않으면 무부하측 스러스트 베어링의 틸팅 패드에 윤활유 공급을 차단한다. 즉, 제어부는 밸브를 닫아서 무부하측 틸팅 패드에 윤활유를 공급하지 않도록 한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 좌측 베어링에는 추력이 작용하지 않아 무부하측 베어링이 되고, 그래서 좌측 베어링에는 윤활유 공급이 차단된다. 이때, 두 밸런스 스프링은 그 탄성력의 차이에 의해 틸팅 패드가 기울어져서 스러스트 칼라에 접촉하지 않도록 잡아준다.
도 8에 도시된 바와 같이, 우측 베어링에는 추력이 작용하지 않아 무부하측 베어링이 되고, 그래서 우측 베어링에는 윤활유 공급이 차단된다. 이때, 두 밸런스 스프링은 그 탄성력의 차이에 의해 틸팅 패드가 기울어져서 스러스트 칼라에 접촉하지 않도록 잡아준다.
다음으로, 무부하측 스러스트 베어링의 로드셀에 추력이 다시 감지되면 그 부하측 스러스트 베어링의 틸팅 패드에 밸브를 열어 윤활유를 다시 공급한다.
이와 같이, 추력이 작용하는 스러스트 베어링에는 마찰 감소를 위해 윤활유가 공급되고, 추력이 작용하지 않는 스러스트 베어링에는 윤활유 공급을 차단하여 윤활유 낭비를 방지하고 윤활유 공급의 안정성을 제고할 수 있다.
본 발명에 의하면, 양방향 스러스트 베어링에서 틸팅 패드에 부하가 걸리지 않을 때 중력에 의해 기울어지지 않도록 잡아주어 스러스트 칼라와 접촉하여 마찰 손실이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 무부하측 패드에 윤활유 공급을 차단하여 윤활유 낭비를 줄일 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
10: 압축기 20: 연소기
30: 가스 터빈 40: 회전축
50: 발전기 60: 커플링
70: 래이디얼 베어링
110: 고압 터빈 120: 중압 터빈
130: 저압 터빈 140: 회전축
150: 발전기 160: 커플링
170: 래이디얼 베어링
200: 스러스트 베어링 210: 베어링 하우징
220: 틸팅 패드 230: 피봇
250: 밸런스 스프링 260: 윤활유공급유닛
270: 로드셀

Claims (15)

  1. 스러스트 칼라의 양측에 배치되는 한 쌍의 베어링 하우징;
    상기 베어링 하우징의 일측에 배치되어 상기 스러스트 칼라를 지지하는 복수의 틸팅 패드;
    상기 베어링 하우징과 상기 틸팅 패드 사이에 구비되어 틸팅 패드의 기울어짐을 방지하는 한 쌍의 밸런스 스프링;
    상기 스러스트 칼라와 상기 틸팅 패드 사이에 윤활유를 공급하는 윤활유공급유닛; 및
    상기 윤활유공급유닛을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 틸팅 패드의 피봇은 상기 틸팅 패드의 무게중심에서 원주방향으로 치우친 위치에 배치되며,
    상기 한 쌍의 밸런스 스프링의 탄성력 차이는 상기 틸팅 패드가 중력에 의해 기울어져서 상기 스러스트 칼라에 접촉하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 양방향 스러스트 베어링.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 양방향 스러스트 베어링 중 무부하측 스러스트 베어링의 틸팅 패드에 윤활유 공급을 차단하도록 상기 윤활유공급유닛을 제어하는 것을 특징으로 하는 양방향 스러스트 베어링.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 윤활유공급유닛은,
    윤활유를 저장하는 윤활유 저장부;
    상기 윤활유 저장부의 윤활유를 펌핑하는 펌프;
    상기 틸팅 패드로 윤활유 공급을 조절하는 밸브; 및
    상기 밸브를 통과하는 윤활유를 상기 틸팅 패드로 공급하는 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 스러스트 베어링.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 틸팅 패드 중 적어도 하나에는 스러스트 칼라의 추력을 감지하는 로드셀이 구비되고,
    상기 제어부는 상기 로드셀에 추력이 감지되지 않을 때 상기 밸브를 닫아 윤활유 공급을 차단하는 것을 특징으로 하는 양방향 스러스트 베어링.
  6. 공기를 압축시키기 위한 압축기;
    상기 압축기로부터 압축된 공기를 유입받아 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기;
    상기 연소기로부터 연소된 가스에 의해 회전하여 동력을 발생시키는 터빈;
    상기 터빈의 회전축과 연결되어 발전하는 발전기; 및
    상기 터빈과 발전기 사이의 회전축에 구비되어 회전축을 지지하는 양방향 스러스트 베어링을 포함하고,
    상기 양방향 스러스트 베어링은,
    스러스트 칼라의 양측에 배치되는 한 쌍의 베어링 하우징;
    상기 베어링 하우징의 일측에 배치되어 상기 스러스트 칼라를 지지하는 복수의 틸팅 패드;
    상기 베어링 하우징과 상기 틸팅 패드 사이에 구비되어 틸팅 패드의 기울어짐을 방지하는 한 쌍의 밸런스 스프링;
    상기 스러스트 칼라와 상기 틸팅 패드 사이에 윤활유를 공급하는 윤활유공급유닛; 및
    상기 윤활유공급유닛을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 틸팅 패드의 피봇은 상기 틸팅 패드의 무게중심에서 원주방향으로 치우친 위치에 배치되며,
    상기 한 쌍의 밸런스 스프링의 탄성력 차이는 상기 틸팅 패드가 중력에 의해 기울어져서 상기 스러스트 칼라에 접촉하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 발전 시스템.
  7. 보일러에 의해 발생되는 스팀에 의해 회전하여 동력을 발생시키는 고압 터빈;
    상기 고압 터빈을 통과한 스팀이 통과하면서 동력을 발생시키는 저압 터빈;
    상기 고압 터빈 및 저압 터빈의 회전축과 연결되어 발전하는 발전기; 및
    상기 고압 터빈과 저압 터빈 사이에 구비되어 회전축을 지지하는 양방향 스러스트 베어링을 포함하고,
    상기 양방향 스러스트 베어링은,
    스러스트 칼라의 양측에 배치되는 한 쌍의 베어링 하우징;
    상기 베어링 하우징의 일측에 배치되어 상기 스러스트 칼라를 지지하는 복수의 틸팅 패드;
    상기 베어링 하우징과 상기 틸팅 패드 사이에 구비되어 틸팅 패드의 기울어짐을 방지하는 한 쌍의 밸런스 스프링;
    상기 스러스트 칼라와 상기 틸팅 패드 사이에 윤활유를 공급하는 윤활유공급유닛; 및
    상기 윤활유공급유닛을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 틸팅 패드의 피봇은 상기 틸팅 패드의 무게중심에서 원주방향으로 치우친 위치에 배치되며,
    상기 한 쌍의 밸런스 스프링의 탄성력 차이는 상기 틸팅 패드가 중력에 의해 기울어져서 상기 스러스트 칼라에 접촉하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 스팀 터빈 발전 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 양방향 스러스트 베어링 중 무부하측 스러스트 베어링의 틸팅 패드에 윤활유 공급을 차단하도록 상기 윤활유공급유닛을 제어하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 발전 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 윤활유공급유닛은,
    윤활유를 저장하는 윤활유 저장부;
    상기 윤활유 저장부의 윤활유를 펌핑하는 펌프;
    상기 틸팅 패드로 윤활유 공급을 조절하는 밸브; 및
    상기 밸브를 통과하는 윤활유를 상기 틸팅 패드로 공급하는 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 발전 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 양방향 스러스트 베어링 중 무부하측 스러스트 베어링의 틸팅 패드에 윤활유 공급을 차단하도록 상기 윤활유공급유닛을 제어하는 것을 특징으로 하는 스팀 터빈 발전 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 틸팅 패드 중 적어도 하나에는 스러스트 칼라의 추력을 감지하는 로드셀이 구비되고,
    상기 제어부는 상기 로드셀에 추력이 감지되지 않을 때 상기 밸브를 닫아 윤활유 공급을 차단하는 것을 특징으로 하는 가스 터빈 발전 시스템.
  12. 터빈과 발전기 사이에 연결되는 회전축을 지지하는 양방향 스러스트 베어링을 구비하는 터빈 발전 시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 터빈을 작동시켜 상기 회전축을 회전시키는 단계;
    상기 회전축의 스러스트 칼라와 상기 스러스트 베어링의 틸팅 패드 사이에 윤활유를 공급하는 단계;
    상기 틸팅 패드에 구비되는 로드셀로 스러스트 칼라의 추력을 감지하는 단계; 및
    상기 로드셀에 추력이 감지되지 않으면 무부하측 스러스트 베어링의 틸팅 패드에 윤활유 공급을 차단하는 단계를 포함하고,
    상기 스러스트 베어링은 베어링 하우징과 상기 틸팅 패드 사이에 구비되어 틸팅 패드의 기울어짐을 방지하는 한 쌍의 밸런스 스프링을 포함하며,
    상기 틸팅 패드의 피봇은 상기 틸팅 패드의 무게중심에서 원주방향으로 치우친 위치에 배치되고,
    상기 한 쌍의 밸런스 스프링의 탄성력 차이는 상기 틸팅 패드가 중력에 의해 기울어져서 상기 스러스트 칼라에 접촉하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 터빈 발전 시스템의 제어방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 로드셀에 추력이 다시 감지되면 부하측 스러스트 베어링의 틸팅 패드에 윤활유를 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 발전 시스템의 제어방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
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