5. 저압 터빈 Rotor Dick 이완

Detection of Vibrational Transient Problem due to Loose Rotor Disk on a Low Pressure Turbine

 

5.1 運轉 狀況 (Operating Status)

고리 원자력 4호기 터빈 발전기는 그림 2-28과 같이 고압터빈, 3개의 저압터빈, 발전기 및 여자기가 Tandem Compound 형태로 각 기계간에는 강성 커플링으로 연결되어 있다. 특히 저압터빈 로터는 Blade가 삽입되는 Disk Wheel은 축에 억지 끼워 맞춤(Shrink Fit) 하는 형식이고, Disc Wheel의 축방향 이동을 방지하기 위한 Thrust Ring 및 Disc Locking Ring이 Thrust Collar에 고정되어 있다.

1990년 12월 14일 Electrical Trip Valve의 "Solenoid on Load Test"중 유니트 Trip되어 재기동한 결과 #6, 7, 8 베어링 진동이 안정되지 않았고 특히 #7 베어링의 진동 진폭이 최고 219 ㎛ p-p까지 상승(보통은 140~170 ㎛) 하였다.

그림 2-28 터빈 개략도

 

5.2 터빈 諸元 (Turbine Specifications)

∙ 형식 : Impulse Reaction

∙ 출력 : 993 ㎿

∙ 터빈단수 : HP : 1대 × 2열 × 7단/열 = 14단

LP : 3대 × 2열 × 8단/열 = 48단

∙ 추기 단수 : 6단

∙ 진공도 : 38.1 ㎜Hg abs.

∙ 회전수 : 1800 rpm

∙ 최종단 동익 길이 : 1,143 ㎜

∙ 중량 :HP 로터 : 58.5 tons

LP 로터 : 168 tons

 

5.3 振動의 傾向과 特性 (Vibration Trend and Characteristics)

(1) '90년도 계획예방 정비 검사후 전출력인 990 ㎿에서(7월 23일) 각 베어링에서의 수직 및 수평방향의 진동값은 대체적으로 운전허용치 이내에 있으나 #6, 7 베어링의 축방향 진동값은 210 및 235 ㎛ p-p으로 이는 C-coupling의 Face Misalignment에 의한 것으로 예상되었다 (표 2-1 참조).

(2) 계속운전중 ‘90. 3월 19일 #6, 7, 8 베어링의 반경방향 진동이 10~12 ㎛ p-p 씩 3회에 걸쳐 Step 감소하였고 이때 #6, 7 베어링의 축방향 진동값도 92 및 103 ㎛ p-p로 크게 감소하였다 (표 2-1 참조).

표 2-1 고리 4호기 터빈 발전기의 진동 경향

(3) ‘90. 12월 14일 ETV Solenoid On-Load Test중 유니트 Trip 되어 재기동한 결과 출력 450 ㎿에서 #7 베어링의 수직방향 진동이 219 ㎛ p-p까지 상승하였으나 전 출력시에도 175 ㎛ p-p으로 높게 유지되었다. 한편 #6, 7의 축방향 진동은 다시 380 ㎛와 400 ㎛ p-p로 증가하였다. 주진동 주파수는 표 2-1에서 보는 바와 같이 1× 진동이 탁월하여 Weight Balancing이 요구되었다.

 

5.4 Disc Locking Ring의 弛緩 (Loose of Disc Locking Ring)

고진동의 원인이 될만한 C-Coupling의 Misalignment 상태를 점검한 결과 이상점을 발견하지 못하여 우선 진동치를 저감시키기 위하여 Weight Balancing을 실시할 것을 결정하였다.

과거의 로터 Balance Sensitivity를 이용하여 계산한 결과 LP2 Front Disc 측에 435g ∠310˚, LP2 Rear Disc 측에 435g∠130˚를 부착시키고 기동하였다.

1차 Balancing 결과의 Sensitivity를 이용하여, 2차 Balancing을 시도코자 Weight 부착위치를 확인한 결과 LP2 Rear Disc측의 Weight의 위치는 처음 취부한 곳과 일치했으나 LP2 Front Disc측은 처음 취부한 위치(310˚)와는 달리 435gr ∠190˚에 위치하고 있음이 확인되었다.

이러한 현상으로부터 과도진동의 근본 원인을 추적하기 위해서는 로터의 구조를 정확하게 알 필요가 있으며 간략하게 설명코자 한다.

그림 2-29(저압터빈 로터의 구조)에서 보는 바와 같이 저압터빈 로터는 Shaft와 Disc가 한 몸체를 이루기 위하여 억지 끼워 맞춤(Shrink-fit)으로 된 Shrunk-on Type 이다. 그림 2-29는 반쪽의 로터(1 Flow)만을 나타낸 것으로 디스크의 수는 6개이고, 이 6개의 디스크는 디스크 Locking Ring 및 Thrust Ring에 의해 축방향의 움직임이 제한되고 있다. 즉, 그림 2-29의 세부도면에서 보는 바와 같이 Thrust Ring은 축의 Collar와 함께 전단 6개 디스크의 열팽창으로 인한 Axial 방향의 움직임을 설계 제한치 이내로 유지하도록 되어있다. 축과 디스크사이의 Shrink-Fitting Force는 설계에 의하면, 1800 rpm에서 Bore Hoop Stress로 27.2 tsi(420 N/㎜2)이며 Com Free Speed인 2261 rpm(125.6%)에서는 이 Hoop Stress가 “0”이 되고 디스크는 Shaft에 고정되지 않고 Loose 해진다. 일반적으로 로터가 제작되면 Balancing Shop에서 120% Overspeed Test를 하게끔 되어있다. 비록 120%의 Overspeed (2160 rpm)는 Come Free Speed인 2261 rpm보다 작지만 Overspeed Test중 디스크가 Free되는 것을 방지하기 위해 각 단마다 Dowel Pin이 있어 이를 고정시키고 있고 각단의 Dowel Pin은 180 간격으로 위치하고 있다.

마지막 6단 디스크와 디스크 Locking Ring은 또 하나의 Dowel Pin에 의해 연결되도록 설계되어 있다. 이러한 장치를 구성함으로써 디스크가 Come Free가 되더라도 디스크가 축으로부터 이동을 할 수 없게되어 있다.

한편 디스크 Locking Ring에는 Groove 형 Weight Balancing Hole(공장 발란싱용)과 Trim Balancing용(현장 발란싱용) Hole이 36개 있다.

그림 2-29 저압터빈 로터의 구조

현장에서 발란싱할 때 Weight 취부각도 0˚는 #1 Trim Balancing Hole을 기준하는 경우와 진동신호의 기준이 되는 축의 위상각 기준(Phase Angle Reference)을 기준으로하는 2가지 경우가 있다. 따라서 Disc Locking Ring이 축에 억지 끼워 맞춤인 경우는 이 Ring에 Trim Balancing Hole이 있어 Ring이 축으로부터 회전하여도 Weight 취부각도 변화를 알 수 없으므로 반드시 축의 위상각 기준과 비교해 보아야 한다.

앞에서 LP2 Front 디스크 Locking Ring측의 Weight 부착 위치가 변경되었다는 것은 다음 2가지 원인중 하나이다. 첫째는 Weight 부착시에 잘못 실수하여 엉뚱한 위치에 취부한 경우이며 둘째는 디스크 Locking Ring이 축과 같이 회전하지 않고 “Come Free"가 되어 축에 대해 상대적인 회전이 있다고 생각하는 것이다.

즉 디스크가 헛돌고 있다는 것이다. Weight를 잘못 설치할 확률은 Weight Balancing 경험상 전혀 있을 수 없는 일이기 때문에 첫 번째 가정은 불가능하다. 결과적으로 남은 두 번째 가능성은 디스크 Locking Ring의 회전이다.

디스크 Locking Ring이 회전하려면, 적어도 두 가지 조건이 가능해야 한다. 하나는 6단 디스크에 설치된 Dowel Pin이 절단되어야 하고 또 하나는 억지 끼워맞춤이 풀려서 “Come Free"가 되어야만 한다. 즉 Dowel Pin도 절단되고 ”Come Free"가 되어야만 상대 회전이 가능하다는 것을 구조적으로 알 수 있다.

 

5.5 結論 (Conclusion)

Gland Box를 분해하고 점검한 결과 Dowel Pin의 절단과 Shrink Force의 미달로 인해 Locking Ring이 회전되었음이 확인되었다. 과도진동의 근본원인은 Disc Locking Ring의 회전으로 공장 Balancing시 설치된 Weight의 위치가 계속하여 상대적으로 변화함으로 인해서 새로운 Unbalance를 만들고 이로 인해 비정상적인 고진동 및 저진동을 야기했다는 결론을 얻을 수 있었다.

 

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