KR20050009471A - 나노윤활유 및 이를 이용한 터빈로터용 윤활 및 냉각시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발전용 터빈로터의 윤활과 냉각성능을 향상시키기 위한 나노윤활유와 이를 이용한 터빈로터용 윤활 및 냉각시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 의한 나노윤활유는 기존의 윤활유에 탄소나노튜브가 0.2 내지 3부피％가 포함되어 있고 이 탄소나노튜브가 윤활유에서 콜로이드 상태로 잘 분산되도록 하는 분산제도 포함되어 있다.

본 발명에 의한 나노윤활유는 기존의 윤활유 보다 30％ 이상 윤활특성과 냉각 특성이 우수하고, 터빈로터의 윤활 및 냉각시스템에 적용할 경우 터빈로터의 내구성과 효율을 높일 수 있다.

Description

나노윤활유 및 이를 이용한 터빈로터용 윤활 및 냉각시스템{Nano-fluid based lubricant and lubricating and cooling system for turbine rotor thereof}

본 발명은 나노윤활유 및 이를 이용한 터빈로터용 윤활 및 냉각시스템에 관한 것이다.

발전용 터빈로터는 베어링에 의해 지지되는데 베어링과 접촉하는 터빈 축수부분을 저널이라 한다. 터빈이 회전하면 저널표면이 빠르게 회전하며, 표면에 묻은윤활유를 베어링과의 틈새로 빨아들이면서 저널이 유막 위에 뜨게 되는데 이 틈새부의 두께 즉 유막의 두께는 최소부위가 불과 수 미크론에 불과하고 이 영역에서는 기름이 격렬하게 마찰하여 온도가 상승하게 된다.

오일온도가 상승하면 오일의 점도가 낮아져 부력이 약해지고 유막 최소 두께는 더욱 감소하게 되며, 대략 150℃를 초과할 경우 베어링 표면에 용착된 배빗층을 물러지게 하여 유체동력학적 형태를 유지하지 못하게 하거나 피로균열로 표면상태를 훼손하여 베어링을 손상시키게 된다. 유막이 극단적으로 얇아 고체간의 직접적인 마찰이 발생할 경우 베어링 표면을 용융시키기도 한다.

따라서 터빈오일 냉각의 기본목적은 베어링 최소 유막면에서의 오일온도를 약 80℃ 수준 이하로 억제할 필요가 있으므로 베어링에 공급되는 오일의 온도를 40 내지 60℃ 영역으로 유지하는데 있다.

첨부 도면 중 도 1은 기존의 터빈로터의 윤활 및 냉각시스템의 개념도를 나타낸 도면으로써, 도 1에 도시한 바와 같이, 저널(11)과 베어링 표면에서의 전단운동으로 가열된 윤활유(12)는 윤활유 탱크로 회수된 후 오일 쿨러(13)에서 미네랄 성분이 제거된 보조 냉각수(14)에 의해 냉각되고, 보조 냉각수는 보조 냉각수 열교환기(15)에서 해수 보조 냉각수(16)에 의해 냉각되어지게 된다.

보조 냉각수 열교환기(15)에서 냉각된 보조 냉각수(14)는 터빈 오일용 쿨러뿐만 아니라 발전기 고정자 권선 냉각수용 열교환기, 제어유 냉각기, 여자기 냉각기, 발전기 수소냉각기 등 거의 모든 발전소 시스템의 냉각기에 공급되는데 터빈 오일 쿨러에 공급되는 유량은 전체 유량의 1/6 정도로 큰 비중을 차지하고 있다.

터빈의 축 정렬 상태 불량, 진동 증가 등의 상황에서 베어링의 최소 유막부분의 온도가 상승할 경우 베어링 부하 부담 능력이 낮아져 베어링 손상을 방지하기 위해서는 운전을 정지해야 한다. 통상 베어링 손상시 터빈을 정지시키려면 터빈이 완전 냉각되어야 하고, 이러한 여건에서 대개 1주일 이상의 정비기간이 소요되어 1일 발전정지로 인한 영업 손실을 3억원으로 보면 1회 고장방지로 20억원의 잠재적 손실이 발생하게 된다.

또한, 하절기의 연안수온 상승시나 장마철 해파리 유입 등으로 정상적인 냉각수 취수가 곤란할 때 많은 보조 냉각수를 사용하는 오일 쿨러의 냉각수 사용이 늘어나 다른 냉각계통 운전이 각박해진다. 특히 하절기 냉각수 온도 상승시 수소냉각기 등의 온도과다로 발전기의 출력이 제한받는 경우도 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로써 냉각 및 윤활특성이 우수한 윤활유를 제공하여 효율과 내구성이 높아진 터빈로터를 제공하고자 하는데 그 목적이 있는 것이다.

도 1은 기존의 터빈로터 윤활 및 냉각시스템의 개념도 이다.

도 2는 탄소나노튜브 함량에 따른 윤활유의 윤활특성을 나타낸 그래프이다.

도 3은 탄소나노튜브 함량에 따른 윤활유의 열전도도를 나타낸 그래프이다.

도 4는 본 발명에 따른 터빈로터 윤활 및 냉각시스템의 개념도 이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11,41 ---- 저널 12,42 --- 윤활유

13,43 ---- 오일 쿨러 14 ---- 보조 냉각수

15 ---- 보조 냉각수 열교환기 16,46 ---- 해수 보조냉각수

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 직경이 20 내지 100nm이고, 길이가 10 내지 100㎛인 탄소나노튜브가 0.2 내지 3부피％ 함유된 윤활유와 이 윤활유를 이용한 터빈로터용 윤활 및 냉각 시스템인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 나노윤활유는 다음과 같은 방법으로 제조한다. 즉, 평균직경이 20 내지 100nm 이고, 길이가 10 내지 100㎛인 탄소나노튜브를 0.2 내지 3부피％로 터빈로터용 윤활유와 혼합을 하고, 나노튜브를 잘 분산시키기 위하여 계면활성제로 올레산을 혼합한 후, 나노입자와 윤활유의 혼합물을 초음파 진동기로 10시간 이상 처리하여서 제조한다. 이렇게 제조된 나노윤활유를 투과현미경으로 관찰해 본 결과 탄소나노튜브가 윤활유에 잘 분산되어 있었고, 1주일 이상 정지된 상태에서 방치하여도 침전물이 생성되지 않았다.

본 발명에서 탄소나노튜브의 함량을 0.2부피％ 이하로 할 경우에는 마찰계수가 높아지면서 열전도도는 낮아지게 되어 바람직하지 않고, 반대로 3부피％를 초과할 경우에는 마찰계수가 더 이상 낮아지지 않게 되며, 열전도도는 높아지지만 로타터빈에 대한 윤활특성이 더 이상 좋아지지 않게 되므로 상기 범위로 하는 것이 바람직하다.

첨부 도면 중 도 2는 탄소나노튜브 함량에 따른 윤활유의 윤활특성을 나타낸 그래프이고, 도 3은 탄소나노튜브 함량에 따른 윤활유의 열전도도를 나타낸 그래프이며, 도 4는 본 발명에 따른 터빈로터 윤활 및 냉각시스템의 개념도를 나타낸 도면이다.

한편, 상기와 같은 방법으로 제조된 나노윤활유의 윤활특성(마찰 및 마모)은 다음과 같은 방법으로 측정한다.

마찰 마모시험은 링-블록(ring-block) 시험기를 이용하였으며, 시험조건은 속도=0.5 m/sec, 로드(load)는 600 N으로 하였다. 마찰계수는 탄소나노튜브가 없는 윤활유의 경우 약 0.15로 측정되었으며, 윤활유내 탄소나노튜브의 부피％가 증가함에 따라 도 2와 같이 3부피％에서 0.07까지 감소함을 알 수 있었다.

또한, 상기와 같은 방법으로 제조된 나노윤활유의 열전도도(K _stat )는 다음과 같은 방법으로 측정하였다.

탄소나노튜브가 분산된 나노윤활유의 정적인 열전도도를 상온에서 열선법(transient hot wire : THW)으로 측정한 결과, 도 3에 도시한 바와 같이, 상온에서 열전도도는 탄소나노튜브가 1부피％ 첨가된 나노윤활유의 경우 134％ 증가하였고, 3부피％ 나노윤활유의 경우 552％ 증가함을 알 수 있었다.

기존의 터빈로터의 윤활 및 냉각은 도 1에 나타낸 바와 같이, 저널(11)과 베어링 표면에서의 전단운동으로 가열된 윤활유(12)는 윤활유 탱크로 회수된 후 오일 쿨러(13)에서 보조 냉각수(14)에 의해 냉각되고 보조 냉각수(14)는 보조 냉각수 열교환기(15)에서 해수 보조냉각수(16)에 의해 냉각된다.

기존의 윤활유 대신에 냉각속도가 높아진 나노윤활유(42)를 적용하면 열전달 속도가 높아져 보조 냉각수를 사용하지 않고 직접 해수(46)로 냉각할 수 있다. 즉, 개선된 터빈로터의 윤활 및 냉각 시스템에서는 도 4에 나타낸 바와 같이 저널(41)과 베어링 표면에서의 전단운동으로 가열된 윤활유(42)는 윤활유 탱크로 회수된 후 오일 쿨러(43)에서 해수 보조 냉각수(46)에 의해 냉각시킬 수 있다.

상술한 바와 같은 나노윤활유 및 이를 이용한 터빈로터용 윤활 및 냉각 시스템은 다음과 같은 이점을 가진다.

첫째, 기존의 윤활유 보다 마찰계수가 낮아 터빈로터의 효율을 높이며, 마찰열에 의한 윤활유의 온도의 상승을 억제한다.

둘째, 기존의 윤활유 보다 열전달 속도가 높아 터빈로터 마찰에 의한 윤활유의 열을 신속히 배출하여 윤활유 온도의 상승을 억제한다.

셋째, 회전축이 정지상태에서 회전을 시작할 시점에 베어링 표면과 저널이 접촉하며 고체마찰을 일으켜 베어링 표면이 마모되는데 이럴 때 탄소입자의 존재로 마찰력이 감소한다.

넷째, 기존의 터빈로터의 윤활 및 냉각시스템에서 윤활유 냉각을 위한 펌프동력을 획기적으로 감소시킬 수 있다.

다섯째, 터빈 윤활유 냉각시 보조 냉각수의 사용량을 감소하거나 사용하지 않고 직접 해수로 냉각할 수 있어 시스템이 소형화될 수 있다.

Claims (2)

1. 직경이 20 내지 100nm이고, 길이가 10 내지 10㎛인 탄소나노튜브가 0.2 내지 3부피％ 함유된 것을 특징으로 하는 나노윤활유.
2. 제 1항에 따른 나노윤활유를 이용한 발전용 터빈로터의 윤활 및 냉각 시스템.