KR20020068588A - 틸팅패드 저어널베어링의 스프레깅 방지 패드 - Google Patents

틸팅패드 저어널베어링의 스프레깅 방지 패드 Download PDF

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양승헌
나운학
김득한
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두산중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 회전하는 저어널(10)과 저어널(10)의 외주면을 둘러싸고 있는 틸팅패드(20)중 상부패드의 입구부(24)로부터 중앙부(25)까지 일정 폭이 항상 쐐기형상이 유지되도록 상향 경사진 홈(23)을 형성시켜 상부패드의 유막 내부에는 점성 마찰력을 이길 수 있는 동수압(hydrodynamic pressure)을 발생시켜 패드의 입구부
(24)가 저어널에 충돌되는 스프레깅(spragging) 현상을 방지시켜주는 스프레깅 방지 패드에 관한 것이다.

Description

틸팅패드 저어널베어링의 스프레깅 방지 패드{anti-spragging pad for tilting pad journal bearing}
본 발명은 틸팅패드 저어널베어링의 스프레깅방지 패드에 관한 것으로, 상세하게는 상부패드의 입구부에서 중심부까지 경사진 홈을 형성시켜 상부패드의 유막 내부에서 점성 마찰력을 이길 수 있는 동수압을 발생시켜 패드의 입구부가 저어널에 충돌되는 스프레깅(spragging) 현상을 방지시켜 주는 스프레깅방지 패드에 관한 것이다.
베어링은 회전기계의 운전 신뢰성 및 성능에 직접적인 영향을 미치는 중요한 기계요소이다. 이와 같은 이유로 베어링에서 발생되는 각종 문제점들은 회전기계 시스템의 전체적인 안정적인 운전에 지대한 영향을 미치게 된다. 특히, 터빈발전기에 사용되는 베어링이 손상되면 발전설비 시스템이 정지되어 운전정지에 따른 생산손실은 물론 관련 산업계에 미치는 영향이 매우 크게 된다.
따라서, 증기터빈과 같이 고속으로 회전하는 대형 회전축을 안정하게 구속지지하기 위해서는 축을 지지하는 베어링의 부하지지 능력은 물론, 공진과 불안정 진동 등이 발생되지 않도록 적절한 형상의 베어링을 선정하고 설계해야 한다.
이러한 이유로 증기터빈에 사용되는 저어널베어링으로는 주로 틸팅패드 저어널베어링과 타원형 저어널베어링이 사용되는데, 틸팅패드 저어널베어링은 패드가 회전하는 로터의 움직임에 따라 축방향 및 접선방향으로 자동조심(調芯) 작용을 하기 때문에 타원형 저어널베어링에 비하여 우수한 동적 안전성을 갖는다.
반면, 타원형 저어널베어링은 틸팅패드 저어널베어링 보다 큰 부하지지 능력을 가지므로 큰 부하하중이 예상되는 곳에 많이 사용되나, 상대적으로 틸팅패드 저어널베어링에 비하여 동적 안정성이 떨어지는 단점이 있다. 따라서, 증기압이 크고 불안정 요인이 많은 고압의 증기터빈에는 틸팅패드 저어널베어링이 사용되고 있다.
도 1은 종래 틸팅패드 저어널베어링의 구조를 도시한 개략도이며, 도 2A는 틸팅패드 저어널베어링의 패드 평면도이고, 도 2B는 도 2A의 E-E선 단면도이며, 도 2C는 도 2A의 A-A선 단면도이고, 도 2A의 A-A선 단면도이고, 도 2D는 도 2C의 C 방향에서 본 정면도이다.
틸팅패드 저어널베어링은 회전하는 저어널(10), 저어널의 움직임에 따라 축방향 및 원주방향으로 자유롭게 틸팅되면서 로터의 하중을 지지하는 틸팅패드(20)와, 상기 틸팅패드를 둘러싸며 외측을 형성하는 베어링 쉘(40)과, 상기 베어링 쉘에 고정되어 틸팅패드(20)를 지지하는 로킹 핀(30)과, 상기 쉘 내부에 형성되어 오일을 공급, 배출하는 오일 주입구(41)와 오일 배출구(42), 그리고 오일 통로(50) 등으로 구성되어 있다.
유체윤활 저어널베어링에서 동수압이 발생되기 위한 필수 요건은 쐐기형 틈새(wedge shape), 상대운동, 점성유체 등이다(도 6 참조). 즉, 두 평판이 상대운동을 하게 되면, 점성을 가진 윤활유가 움직이는 평판의 표면에 부착되어 쐐기형 틈새로 흘러 들어간다. 이때, 쐐기형 틈새 내부를 통과하는 윤활유는 앞으로 갈수록 틈새가 점점 좁아지게 되므로 그 부피가 압축되려는데 대한 반발력 즉, 동수압이 발생된다. 일반적으로 저어널베어링은 운전중에 점성유체 조건하에서 상대운동이 발생하므로 유막의 형상이 쐐기형상으로만 되어지면, 항상 동수압이 발생하게 된다.
그러나 상술한 틸팅패드 저어널베어링은 도 4에서 보듯이 패드 내면의 곡률반경이 일정하게 가공되어 있다. 이 형상의 패드가 예압이 없이 상부패드로 조립되면, 운전중 축의 자중에 의해 하부방향으로 쳐지게 됨으로써 상부패드는 무부하 패드가 되고, 축의 표면과 저어널 표면이 거의 평형한 상태로 된다. 즉, 동수압은 거의 발생하지 않고, 점성 마찰에 의한 토오크가 크게 작용한다. 이 상태에서 유부족 현상에 의해 선단압력이 발생하지 않으며 패드는 평형상태를 유지하지 못하고 피봇을 중심으로 쉽게 진동(fluttering) 하게 된다.
이로 인해 종래의 예압이 없이 틸팅패드 저어널베어링에서는 스프레깅 현상에 의해 상부패드의 입구부와 회전하는 저어널이 충돌됨으로써 상부패드의 입구부에서 배빗메탈이 피로 파손되거나 상부패드를 지지하는 로킹 핀이 절단되거나 또는핀홀이 변형되는 손상이 빈번히 발생하고 있다.
도 3는 상부패드의 스프레깅 현상을 도시한 도면이고, 도 4A는 스프레깅 현상에 따른 로킹 핀의 절단 현상을 보여주는 사진이며, 도 4B는 스프레깅 현상에 따른 핀홀의 마모상태를 보여주는 사진이다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상술한 문제점을 해소할 수 있도록 상부패드의 입구부에서 중심부까지 경사진 홈을 형성시켜 상부패드의 유막내부에서 점성 마찰력을 이길 수 있는 동수압이 발생되도록 함으로써 스프레깅에 의한 베어링 손상을 방지시킬 수 있는 스프레깅 방지용 패드를 제공함에 있다.
도 1은 틸팅패드 저어널베어링의 개략도
도 2A는 틸팅패드 저어널베어링의 기존 패드 평면도
도 2B는 도 2A의 E-E 단면도
도 2C는 도 2A의 A-A 단면도
도 2D는 도 2C의 C 방향 정면도
도 3는 상부패드의 스프레깅 현상을 도시한 개략도
도 4A는 스프레깅 현상에 따른 핀의 절단을 도시한 사진
도 4B는 스프레깅 현상에 따른 핀홀(pin hole)의 마모상태를 도시한 사진
도 5A는 본 발명에서 제안한 안티-스프레깅(anti-spragging) 패드의 평면도
도 5B는 도 5A의 E-E 단면도
도 5C는 도 5A의 A-A 단면도
도 5D는 도 5C의 C 방향 정면도
도 6은 틸팅패드 저어널베어링의 동수압 발생 메카니즘을 도시한 도면
〔도면중 주요부호에 관한 설명〕
10 ... 저어널20 ... 틸팅패드
21 ... 백메탈22 ... 배빗메탈
23 ... 홈24 ... 입구부
25 ... 중앙부26 ... 출구부
30 ... 로킹 핀40 ... 베어링 쉘
41 ... 윤할유 주입구42 ... 윤할유 배출구
50 ... 오일 통로L ... 패드 폭
Lg ... 홈 폭d ... 홈 깊이
상술한 기술적 과제는 운전중에 상부패드의 유막내부에서 점성 마찰력을 이길 수 있는 충분한 동수압을 발생시킴으로써 달성될 수 있으며, 그 구성은 상부패드의 입구부로부터 중심부까지의 내주면 상에는 쐐기형상이 유지되도록 일정한 폭을 갖는 경사진 홈을 형성시킴으로 구성된다.
이하 본 발명의 실시예를 도시한 도면을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5A는 본 발명이 구비된 스프레깅 방지용 상부패드의 평면도이고,
도 5B는 도 4A의 E-E선 단면도이며, 도 5C는 도 A의 A-A선 단면도이고, 5D는 도 5C의 C 방향에서의 정면도이다.
상부패드의 입구부(24)로부터 패드의 중앙부(25)까지의 내주면을 따라 경사진 홈(23)을 형성하되, 상기 홈은 입구측이 깊게 형성되고 중앙부(25)로 갈수록 얕게 형성되어 전체적으로 쐐기형상이 형성되도록 하고, 중앙부(25)로부터 출구부
(26)까지의 내주면은 종래의 패드처럼 일정한 곡률반경을 가진 패드가 되도록 구성된다.
본 발명에 의한 스프레깅 방지용 패드를 틸팅패드 저어널베어링의 상부패드로 사용하게 되면 운전중에 상부패드가 무부하 패드가 되더라도 상부패드의 반이상이 항상 쐐기형상이 유지되어 상부패드에서도 항상 동수압이 발생됨으로써 스프레깅 현상이 근본적으로 방지할 수 있다.
도 5C에서의 d는 홈의 깊이를 표시한 것으로 d는 패드의 중심으로 향할 수록 작아지게 된다.
또한, 도 5D에서 Lg는 홈의 폭을 표시한 것으로, 폭의 양 가장자리에는 홈에 유입된 유량의 누유를 방지함으로써 내부에서 발생되는 동수압의 손실을 막기 위하여 그대로 남겨둔다.
본 발명에 따르면, 운전중에 상부패드가 무부하 패드가 되더라도 상부패드의 내부에는 항상 쐐기형상의 유막이 유지되도록 하여 동수압이 발생된다. 또한, 경사된 양만큼의 유막두께 증가로 인해 점성 마찰력은 더 작아지기 때문에 불안정 토오크도 줄어들게 된다. 따라서, 상부패드에서의 스프레깅 현상을 근본적으로 방지시킴으로써 베어링의 수명연장, 운정안정성을 증대시키고 수리 및 교환에 소요되는 경비를 절감하는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 회전하는 저어널(10)과, 저어널(10)의 외주면을 둘러싸며 외측은 백메탈(21)로 형성되며 저어널(10)과, 유막으로 접촉되는 내측이 배빗메탈(22)로 형성된 틸팅패드(20)에 있어서, 상기 상부패드의 입구부(24)로부터 패드의 중앙부(25)까지의 내주면에 일정한 폭을 갖는 경사진 홈(23)을 형성하되, 상기 홈은 입구측이 깊게 형성되고 중앙부(25)로 갈수록 얕게 형성되는 것을, 특징으로 하는 틸팅패드 저어널베어링의 스프레깅방지 패드.
KR1020010008670A 2001-02-21 2001-02-21 틸팅패드 저어널베어링의 스프레깅 방지 패드 KR20020068588A (ko)

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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6234B2 (ko) * 1977-03-16 1987-01-06 Mac Gregor International Sa
JPS6353915U (ko) * 1986-09-29 1988-04-11
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