KR20180055585A - 개선된 틸팅 패드 스러스트 베어링 - Google Patents

Abstract

개시되는 틸팅 패드 스러스트 베어링은, 로터에 마련된 스러스트 칼라에 대해 서로 반대 방향의 추력을 받도록 각각 배치되는 제1 틸팅 패드 스러스트 베어링 및 제2 틸팅 패드 스러스트 베어링; 및 상기 제1 틸팅 패드 스러스트 베어링 및 제2 틸팅 패드 스러스트 베어링 내부에 구비되는 피봇 상에 각각 장착되고, 상기 피봇이 틸팅 패드를 피봇 지지하는 지지점을 기준으로 상기 스러스트 칼라의 반경 방향 내측 쪽으로 배치되는 제1 자성체 및 제2 자성체;를 포함하고, 상기 제1 틸팅 패드 스러스트 베어링과 제2 틸팅 패드 스러스트 베어링 중 무부하 상태에 있는 틸팅 패드 스러스트 베어링의 틸팅 패드는 상기 자성체의 자력에 의해 구속되는 것을 특징으로 한다.

Description

개선된 틸팅 패드 스러스트 베어링{Improved tilting pad thrust bearing}

본 발명은 틸팅 패드 스러스트 베어링에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 자기력을 이용하여 무부하측 틸팅 패드의 움직임을 제어함으로써 틸팅 패드의 불안정성을 해소하는 한편 마찰 손실을 줄일 수 있는 틸팅 패드 스러스트 베어링에 관한 것이다.

고온, 고압의 연소가스로 터빈을 회전시키는 가스 터빈이나, 발전소에 주로 설치되어 고온, 고압의 증기를 이용하는 증기 터빈은 전력생산을 위해 로터가 고속으로 회전(3,600rpm, 즉 60㎐)하도록 되어 있다. 따라서, 고속으로 회전하는 로터를 안정적으로 지지하기 위한 베어링이 필수적으로 설치된다.

여기서 가스 터빈이나 증기 터빈(이하, '터빈 기관'이라 함)에 설치된 로터를 보유 지지하는 베어링은 터빈 기관의 로터 하중을 지지하고 안정적인 동 특성(dynamic characteristics)을 유지하기 위해 틸팅 패드 베어링(tilting pad bearing)을 적용하는 것이 일반적이다. 틸팅 패드 베어링은 원주방향의 하중을 지지하기 위한 틸팅 패드 저널 베어링과, 축 방향 하중을 지지하기 위한 틸팅 패드 스러스트 베어링의 두 종류가 있으며, 로터의 양단으로 각각 한 쌍씩 설치된다.

도 1은 터빈 기관의 로터(2)를 지지하는 틸팅 패드 저널 베어링(3)과 틸팅 패드 스러스트 베어링(4)의 설치 구조를 보여준다. 도 1은 로터(2)의 한쪽 단부를 도시하고 있는데, 터빈 기관의 주 몸체(미도시)에 대해 직경 방향 내측에서 원주 방향을 따라 스트럿(1, strut)이 복수 개 이격 배치되어 있으며, 이 스트럿(1)에 틸팅 패드 저널 베어링(3)의 하우징(10)이 설치된다.

틸팅 패드 스러스트 베어링(4)은 로터(2)에 마련된 디스크 형상의 스러스트 칼라(5)에 설치된다. 로터의 추력은 길이방향을 따라 어느 한 방향으로 작용하므로, 틸팅 패드 스러스트 베어링(4)은 스러스트 칼라(5)의 양편에 각각 배치된다. 각 틸팅 패드 스러스트 베어링(4)의 내부에는 피봇 지지되는 필팅 패드가 배치되어 있으며, 외부에서 압송되는 윤활유를 이용한 유체 윤활을 통해 마모를 방지하고 냉각을 하게 된다.

전술한 바와 같이, 로터에 작용하는 추력은 어느 일 시점을 기준으로 하였을 때 길이방향을 따라 어느 한 방향으로만 작용하게 된다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 틸팅 패드 스러스트 베어링(4) 중 어느 한쪽의 틸팅 패드 스러스트 베어링(4)은 무부하 또는 매우 낮은 부하상태에 있게 된다. 이처럼 무부하 상태에 있는 틸팅 패드는 스프래깅(spragging)으로 정의되는 현상에 의해 불안정하게 되어 진동이 발생하고, 이에 따라 금속 접촉에 의해 베어링 메탈이 손상되는 경우가 종종 발생한다.

참고로, 도 1은 하나의 스러스트 칼라(5) 양편에 한 쌍의 틸팅 패드 스러스트 베어링(4)이 배치되는 구조이고, 도 2는 두 개의 스러스트 칼라(5) 사이에 한 쌍의 틸팅 패드가 설치된 하나의 틸팅 패드 스러스트 베어링(4)이 배치되는 구조로 도시되어 있다. 틸팅 패드 스러스트 베어링(4)의 구조에서는 약간의 차이가 있지만 원리적으로는 동일하다.

한편, 발전용 터빈 기관은 전력망에 연결되어 있기 때문에 로터(2)의 회전속도는 60㎐의 거의 일정한 속도로 회전한다. 따라서, 급격한 부하 변동이 없는 한 추력은 거의 한 방향으로만 작용한다.

그러나, 도시된 바와 같이, 틸팅 패드 스러스트 베어링(4)은 두 개가 한 쌍으로 배치되어 있기 때문에, 어느 한쪽의 틸팅 패드 스러스트 베어링(4)은 거의 무무하 상태로 있는 경우가 대부분이다. 따라서, 무부하 상태에 있는 틸팅 패드 스러스트 베어링(4)의 틸팅 패드는 실질적인 기능은 거의 하지 않은 채 유체 마찰에 기인하는 베어링 손실만 만들게 된다. 보통 베어링 손실은 300∼500㎾h 수준에 달하는데, 이 중 절반 정도가 추력 지지 기능은 전혀 하고 있지 않은 무부하측 틸팅 패드 스러스트 베어링(4)에서 기인하는 것이다.

따라서, 무부하측 틸팅 패드 스러스트 베어링(4)에서의 베어링 손실을 줄일 수 있다면 터빈 기관의 효율 개선에 큰 도움이 될 수 있다.

일본공개특허 제2010-077970호 (2010.04.08 공개) 한국등록특허 제10-1127213호 (2012.03.29 공고)

본 발명은 무부하측 틸팅 패드 스러스트 베어링의 틸팅 패드 움직임을 효과적으로 제어함으로써 틸팅 패드의 불안정성을 해소할 수 있는 개선된 틸팅 패드 스러스트 베어링을 제공하는 것에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 무부하측 틸팅 패드 스러스트 베어링에서 발생하는 불필요한 베어링 손실을 효과적으로 줄일 수 있는 틸팅 패드 스러스트 베어링을 제공하는 것에 또 하나의 목적이 있다.

본 발명에 따른 틸팅 패드 스러스트 베어링은, 로터에 마련된 스러스트 칼라에 대해 서로 반대 방향의 추력을 받도록 각각 배치되는 제1 틸팅 패드 스러스트 베어링 및 제2 틸팅 패드 스러스트 베어링; 및 상기 제1 틸팅 패드 스러스트 베어링 및 제2 틸팅 패드 스러스트 베어링 내부에 구비되는 피봇 상에 각각 장착되고, 상기 피봇이 틸팅 패드를 피봇 지지하는 지지점을 기준으로 상기 스러스트 칼라의 반경 방향 내측 쪽으로 배치되는 제1 자성체 및 제2 자성체;를 포함하고, 상기 제1 틸팅 패드 스러스트 베어링과 제2 틸팅 패드 스러스트 베어링 중 무부하 상태에 있는 틸팅 패드 스러스트 베어링의 틸팅 패드는 상기 제1 또는 제2 자성체의 자력에 의해 구속되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 제1 자성체 및 제2 자성체는 전자석이고, 상기 제1 틸팅 패드 스러스트 베어링과 제2 틸팅 패드 스러스트 베어링 중 무부하 상태에 있는 쪽의 전자석에만 착자하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 제1 틸팅 패드 스러스트 베어링과 제2 틸팅 패드 스러스트 베어링에 윤활 유체를 각각 공급하는 제1 윤활장치와 제2 윤활장치를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제1 틸팅 패드 스러스트 베어링과 제2 틸팅 패드 스러스트 베어링 중 부하를 받는 틸팅 패드 스러스트 베어링에만 상기 윤활 유체를 공급할 수 있다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 틸팅 패드 스러스트 베어링은 자성체의 자력을 이용하여 무부하측 틸팅 패드 움직임을 자연적으로 구속할 수 있기 때문에 무부하시의 틸팅 패드의 불안정성을 효과적으로 해소할 수 있다.

또한, 본 발명은 무부하측 틸팅 패드 스러스트 베어링에 대해서는 윤활 유체의 공급을 정지시킴으로써 유체 마찰로 인해 발생하는 불필요한 베어링 손실을 효과적으로 줄일 수 있다.

도 1은 터빈 기관의 로터를 지지하는 틸팅 패드 저널 베어링과 틸팅 패드 스러스트 베어링의 설치 구조를 보여주는 도면.
도 2는 종래의 틸팅 패드 스러스트 베어링의 작동 상태를 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 틸팅 패드 스러스트 베어링의 작동 상태를 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 틸팅 패드 스러스트 베어링의 작동 상태에 따라 윤활 장치가 연동되는 구성을 보여주는 도면.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 개재되어 간접적으로 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 틸팅 패드 스러스트 베어링을 도시한 도면으로서, 도 2에 도시된 종래의 틸팅 패드 스러스트 베어링과 대비하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 틸팅 패드 스러스트 베어링은, 로터(2)에 마련된 스러스트 칼라(5)에 대해 서로 반대 방향의 추력을 받도록 각각 배치되는 제1 틸팅 패드 스러스트 베어링(10) 및 제2 틸팅 패드 스러스트 베어링(20)을 구비한다는 점에서는 종래의 틸팅 패드 스러스트 베어링과 유사하다.

여기서, 본 발명의 주요한 기술적 특징은 제1 틸팅 패드 스러스트 베어링(10) 및 제2 틸팅 패드 스러스트 베어링(20) 내부에 구비되는 피봇(30) 상에 각각 장착되는 제1 자성체(50) 및 제2 자성체(60)를 더 포함하고 있다는 것에 있다.

제1 자성체(50) 및 제2 자성체(60)는 각각 제1 틸팅 패드 스러스트 베어링(10)과 제2 틸팅 패드 스러스트 베어링(20) 중 무부하 상태에 있는 틸팅 패드 스러스트 베어링(10 또는 20)의 틸팅 패드(40)에 대해 자력을 작용함으로써 해당 틸팅 패드(40)의 움직임을 구속하게 된다.

도 3에서는 제2 틸팅 패드 스러스트 베어링(20)이 무부하 상태에 있는 것으로 예시되어 있으며, 반대편의 부하는 받고 있는 제1 틸팅 패드 스러스트 베어링(10)의 틸팅 패드(40)는 부하가 자성체(50, 60)의 자력에 비해 월등히 크기 때문에 틸팅 패드(40)로서 기능을 하고 있다.

여기서, '무부하 상태'라 함은 용어 그대로 부하가 전혀 없는 상태는 물론 부하가 극히 낮아 무부하 상태로 간주할 수 있는 상태를 모두 포괄하는 것이다. 다른 말로 표현한다면, 틸팅 패드(40)에 자성체(50, 60)의 자력이 작용함에 따라 틸팅 패드(40)의 움직임이 구속될 정도로 부하가 낮은 상태를 의미하는 것이라 할 수 있다.

그리고, 제1 자성체(50) 및 제2 자성체(60)의 설치 위치는 부하를 받을 때의 틸팅 패드(40)의 움직임을 고려하여 피봇(30)이 틸팅 패드(40)를 피봇 지지하는 지지점(32)을 기준으로 하여 스러스트 칼라(5)의 반경 방향 내측 쪽에 배치하여야 한다.

피봇(30)의 지지점(32)을 기준으로 할 때 스러스트 칼라(5)의 반경 방향 바깥쪽의 선속도가 더 빠르기 때문에 윤활 유체의 압력이 상대적으로 낮아지고, 이에 따라 부하를 받는 틸팅 패드(40)는 스러스트 칼라(5)의 반경 방향 바깥쪽 부분이 피봇(30) 쪽으로 기울어지고, 이후 윤활 유체에 작용하는 마찰력으로 인해 기울어진 자세를 계속 유지하게 된다.

따라서, 지지점(32)을 기준으로 하여 스러스트 칼라(5)의 반경 방향 내측 쪽에 제1 자성체(50)와 제2 자성체(60)가 배치되어야만 틸팅 패드(40)의 움직임을 방해하지 않게 된다.

이상의 설명과 같이, 본 발명의 틸팅 패드 스러스트 베어링은 자성체(50, 60)를 구비함에 따라 어느 한쪽의 틸팅 패드 스러스트 베어링(10 또는 20)이 무부하 상태에 있을 때에는 자연적으로 해당 자성체(50, 60)의 자력이 무부하 상태의 틸팅 패드(40)를 구속하게 되고, 이에 따라 스프래깅 현상에 의해 발생하는 불안정한 진동이 방지되어 금속 접촉에 의한 베어링 메탈의 손상되는 문제가 해결된다.

도시되지는 않았지만, 틸팅 패드(40)에 대한 제1 자성체(50)와 제2 자성체(60)의 거리는 얇은 심(shim)으로 조정할 수 있다.

도 4는 제1 자성체(50)와 제2 자성체(60)가 전자석인 경우의 실시형태를 보여준다. 이러한 경우 제1 틸팅 패드 스러스트 베어링(10)과 제2 틸팅 패드 스러스트 베어링(20) 중 무부하 상태에 있는 쪽의 전자석에만 착자/탈자 장치(90)를 통해 착자하는 것이 바람직하다. 물론, 영구자석을 사용하는 경우와 같이, 전자석인 제1 자성체(50)와 제2 자성체(60)를 항상 착자 상태로 하는 것도 가능하지만, 불필요한 에너지 소모를 줄인다는 측면에서 부무하 상태에 있는 쪽의 전자석만 착자하고, 반대편 전자석은 탈자하는 것이 적절할 것이다.

여기서, 제1 틸팅 패드 스러스트 베어링(10)과 제2 틸팅 패드 스러스트 베어링(20) 중 어느 쪽의 틸팅 패드 스러스트 베어링(10 또는 20)이 무부하 상태에 있는지를 감지하는 기술은 이미 공지되어 있다. 로드 센서를 이용하여 부하가 작용하는지 여부를 감지할 수 있으며, 이외에도 초음파 센서를 이용하여 틸팅 패드(40)의 움직임을 파악하거나, 응답성이 조금 늦기는 하지만 유체 마찰에 의한 온도 변화를 측정하여 판단하는 것도 가능하다. 축에 작용하는 추력을 측정하는 센서를 베어링에 구비하는 기술로는 특허문헌 2를 참조할 수 있다.

본 발명의 경우에는 이러한 센서 두 개를 피봇(30)에 설치하여 제1 틸팅 패드 스러스트 베어링(10)과 제2 틸팅 패드 스러스트 베어링(20)에 각각 작용하는 부하를 측정할 수 있다. 또는, 추력은 어느 한 방향으로만 작용한다는 것을 이용하여, 어느 한쪽의 틸팅 패드 스러스트 베어링(10 또는 20)에 작용하는 부하만 감지하도록 하나의 센서만 장착하는 대신 반대편 틸팅 패드 스러스트 베어링(20 또는 10)의 상태를 역으로 추정하는 것도 가능할 것이다.

또한, 본 발명은, 도 4에 도시된 것과 같이, 제1 틸팅 패드 스러스트 베어링(10)과 제2 틸팅 패드 스러스트 베어링(20)에 윤활 유체를 각각 공급하는 제1 윤활장치(70)와 제2 윤활장치(80)를 더 포함할 수 있다. 즉, 제1 틸팅 패드 스러스트 베어링(10)과 제2 틸팅 패드 스러스트 베어링(20) 각각에 대해 독립적으로 윤활 유체를 공급하도록 구성될 수 있다.

이러한 경우, 제1 틸팅 패드 스러스트 베어링(10)과 제2 틸팅 패드 스러스트 베어링(20) 중 부하를 받는 틸팅 패드 스러스트 베어링(10 또는 20)에만 윤활 유체를 공급하도록 제어한다. 이는 전술한 바와 같이, 무부하 상태에 있는 틸팅 패드 스러스트 베어링(10 또는 20)의 틸팅 패드(40)는 실질적인 기능은 거의 하지 않은 채 유체 마찰에 기인하는 베어링 손실만 만들므로, 무부하 상태에 있는 틸팅 패드 스러스트 베어링(10 또는 20)에 대한 윤활 유체의 공급을 중단하면 베어링 손실을 크게 줄일 수 있다는 점에서 유리하기 때문이다.

이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 스트럿 2: 로터
3: 틸팅 패드 저널 베어링
4: 틸팅 패드 스러스트 베어링
5: 스러스트 칼라
10: 제1 틸팅 패드 스러스트 베어링
20: 제2 틸팅 패드 스러스트 베어링
30: 피봇 32: 지지점
40: 틸팅 패드 50: 제1 자성체
60: 제2 자성체 70: 제1 윤활장치
80: 제2 윤활장치 90: 착자/탈자 장치

Claims (4)

1. 로터에 마련된 스러스트 칼라에 대해 서로 반대 방향의 추력을 받도록 각각 배치되는 제1 틸팅 패드 스러스트 베어링 및 제2 틸팅 패드 스러스트 베어링; 및
   상기 제1 틸팅 패드 스러스트 베어링 및 제2 틸팅 패드 스러스트 베어링 내부에 구비되는 피봇 상에 각각 장착되고, 상기 피봇이 틸팅 패드를 피봇 지지하는 지지점을 기준으로 상기 스러스트 칼라의 반경 방향 내측 쪽으로 배치되는 제1 자성체 및 제2 자성체;
   를 포함하고, 상기 제1 틸팅 패드 스러스트 베어링과 제2 틸팅 패드 스러스트 베어링 중 무부하 상태에 있는 틸팅 패드 스러스트 베어링의 틸팅 패드는 상기 제1 또는 제2 자성체의 자력에 의해 구속되는 것을 특징으로 하는 틸팅 패드 스러스트 베어링.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 자성체 및 제2 자성체는 전자석이고, 상기 제1 틸팅 패드 스러스트 베어링과 제2 틸팅 패드 스러스트 베어링 중 무부하 상태에 있는 쪽의 전자석에만 착자하는 것을 특징으로 하는 틸팅 패드 스러스트 베어링.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 틸팅 패드 스러스트 베어링과 제2 틸팅 패드 스러스트 베어링에 윤활 유체를 각각 공급하는 제1 윤활장치와 제2 윤활장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 틸팅 패드 스러스트 베어링.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 틸팅 패드 스러스트 베어링과 제2 틸팅 패드 스러스트 베어링 중 부하를 받는 틸팅 패드 스러스트 베어링에만 상기 윤활 유체를 공급하는 것을 특징으로 하는 틸팅 패드 스러스트 베어링.

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