9. 터빈 베어링 Dry Oil Whip

Detection of High Vibration due to Dry Oil Whip at Turbine Bearing

 

9.1 運轉狀況 (Operating Status)

보령화력 발전소 6호기의 터빈 발전기(베어링 배열도 참조)는 건설 이후 첫 번째 Overhaul 작업을 수행하였는데, 주요 작업은 저압 터빈(#A)의 #3 베어링 교체와 터빈 발전기의 축정렬이었다. 한편 각 베어링에서는 Dual X, Y Probe가 설치되어 있어 축진동 및 케이싱 진동을 감시할 수 있으며, 베어링 메탈 온도 및 배유 온도도 감시할 수 있는 설비를 갖추고 있다.

터빈을 기동한 결과 약 40시간 운전후(‘95. 11. 8) 저압 터빈(#A) #3, 4 베어링 진동 진폭(Peak to Peak)이 각각 98 ㎛에서 138 ㎛로 또 45 ㎛에서 86 ㎛로 약 40 ㎛ 정도 상승하여 현장에서 베어링 유압 조정 및 운전 모드(부분분사 및 전주분사 방식) 변경 조치로 한시적으로 안정되는 듯 싶었으나 같은 현상이 계속 발생하였다.

그림 7-45 터빈 베어링 배열도

 

9.2 터빈 諸元 (Turbine Specifications)

• 터빈 출력 : 500 ㎿

• 터빈 형식 : 초임계압 충동 4류 재열 재생 복수 터빈

• 주증기 압력, 온도, 유량 : 246 ㎏/㎠, 538℃, 1,720 t/h

• 터빈단수 : HP-7, IP-5, LP-6 × 2

• 추기단수 : 8단

• 진공도 : 722 ㎜Hg

 

9.3 振動 特性 (Vibration Characteristics)

(1) 진동 현황

∙ 저압터빈(#A) #3, 4 베어링 외의 다른 베어링의 진동은 양호함.

∙ #3 베어링의 진동은 시간의 경과와 더불어 102 ㎛ → 138 ㎛ → 149 ㎛로,

#4 베어링의 진동은 33 ㎛ → 81 ㎛→ 103 ㎛로 급격히 악화됨.

∙ 동일 운전조건에서도 #3 베어링의 진동은 순간적으로 85 ㎛ ↔ 149 ㎛로,

#4 베어링의 진동은 25 ㎛ ↔ 103 ㎛로 변동됨. 

(2) 베어링 금속 및 배유온도 현황 

∙ #3 베어링의 금속 및 배유온도가 Overhaul 전보다 후에 5℃ 상승하였음.

(3) #3, 4 베어링의 진동 특징

 

그림 7-46 #3(위), #4(아래) 베어링의 진동 스펙트럼

① 진동 주파수 성분

∙ Subsychronous 성분 (0.38×, 0.77×)이 아주 우세함.

∙ #3, 4 베어링 외의 다른 베어링 진동주파수 주성분은 Synchronous 성분 (1×RPM)임.

② 1× 성분의 Orbit 형태

그림 7-47 전형적인 모양을 가진 #3(좌), #4(우) 베어링의 Orbit

③ 진동 Trend

그림 7-48 #3(좌), #4(우) 베어링의 4주간의 진동 경향도

∙ 4주 Trend('95. 12. 5~'96. 1. 9) : 운전조건의 큰 변화없이 #3 베어링은 최대값으로 100 ㎛에서 150~180 ㎛로, #4 베어링은 최대값으로 40 ㎛에서 90~120 ㎛로 증감 변동함.

그림 7-49 #3(좌), #4(우) 베어링의 24시간 진동 경향도

∙ 24시간 Trend('96. 1. 4. 09:00~'96. 1. 6. 12:00) : 운전조건의 큰 변화없이 #3 베어링은 최대값으로 100 ㎛에서 160 ㎛로, #4 베어링은 최대값으로 40 ㎛에서 110 ㎛로 증감 변동함.

그림 7-49 #3(좌), #4(우) 베어링의 진동 변화 상태도

∙ Fast Trend('96. 1. 4. 18:26~'96. 1. 4. 19:43) : 운전 조건의 큰 변화없이 #3 베어링은 최대 진동변동폭 15~20 ㎛로, #4 베어링은 최대 진동변동폭 10~15 ㎛로 Hunting함.

 

9.4 診斷 結果 (Diagnostic Results)

저압터빈(#A)의 불안정 진동의 원인은 베어링 온도 상승 및 우월 진동주파수 성분이 0.38×으로 보아 #3 베어링으로의 윤활유 공급 부족으로 인한 유체 불안정(Dry Oil Whip)에 기인한 것으로 판단되었다.

 

9.5 措置 結果 (Results of Corrective Actions)

(1) 임시 조치 및 결과

① 운전변수 조정

터빈 운전상태 하에서 베어링 메탈의 고온과 Oil Whip에 의한 고진동을 저감시키기 위해서는 윤활유의 압력 또는 온도 조정, 주증기 또는 재열 증기의 온도 조정 및 복수기의 진공도 조정에 의한 운전중의 Rotor Alignment 상태를 변화시켜 베어링 부하를 설계치에 가깝도록 유지시키는 것이다. 따라서 다음과 같이 운전변수를 조정하였더니 유체 불안정 현상이 소멸되었다.

∙ 재열 증기온도 하향조정 : 538℃ → 520℃

∙ 터빈 Hood온도 상승조정 : 34℃ → 40℃

② 임시 조치후 진동 현황

∙ 조치후 #3 베어링 진동은 155 ㎛ ↔ 83 ㎛로, #4 베어링의 진동은 100 ↔ 22 ㎛로 Step증감 반복되다가 Oil Whip 현상이 소멸되고 저압터빈의 진동이 낮은 값에서 안정화됨.

그림 7-50 Oil Whip의 발생과 소멸이 반복되고 있는 #3, 4 베어링의 진동 스펙트럼

③ 진동 주파수 성분 및 진동 변동폭

그림 7-51 0.38× 진동 주파수 성분이 소멸되고, 변동폭도 10 ㎛미만으로 다소 안정화된 진동 스펙트럼

(2) 근본조치

임시 조치로 운전해 오다가 설날 연휴기간(96. 2. 16~96. 2. 21)을 이용하여 #3 Tilting Pad 저널 베어링을 정밀 점검하여 근본 조치함.

① 점검결과

• Tilting Pad 베어링의 모서리부에서 접촉흔적이 있었음.

• 베어링 전 Pad(6 ea)의 Contact이 약 40%로 불량함(80%이상이면 양호)

• Tilting Pad 선단부 Rounding처리는 4.5R로 미흡(설계치는 9.5R임)

• 하부 좌측 Tilting Pad 고정핀 Hole이 편마모되고 고정핀이 절단됨.

② 점검 결과로 본 진동의 원인 검토

Tilting Pad 저널 베어링은 Self-Align되는 가장 안정성이 좋은 베어링 형식으로 유체 불안정 진동이 발생되지 않는 장점이 있다. 그러나 Tilting Pad 저널 베어링인 #3 베어링의 유체 불안정 진동 원인은 Pad 선단부 Rounding처리가 4.5R로 미흡하게 되어 베어링 Pad로의 윤활유 공급 및 배유 부족으로 ,즉 #3 베어링으로 윤활유가 적게 공급되어 베어링 온도가 Overhaul 전보다 5℃ 높아지고, 이 윤활유 공급부족 및 베어링 Contact 불량으로 인해 Oil Whip현상이 발생되었다.

또한 Tilting Pad 형식인 #3 베어링이 원활히 Self-Align(Tilting)되지 못하여 최소 유막 두께부가 형성되는 하부 좌측 Tilting Pad의 고정핀 Hole이 고정핀에 의해 편마모되고, 또한 고정핀도 절단된 것으로 판단되었다.

③ 정비 내용

• 베어링 전 Pad의 Contact를 80%이상으로 수정함.

• 모든 Pad 선단부(즉 Pad로의 윤활유 입출구부)를 Rounding 개선 조치 하고(4.5R→9.5R) Locking Pin Hole이 손상된 하부 좌측 Pad 및 Locking Pin을 교체함.

④ 정비후 시운전 현황

진동현황

임시조치시 조정한 운전 변수들을 모두 정상으로 하고 기동한 결과 진동 상태가 다음과 같이 감소되었다.

∙ #3 베어링의 진동은 157 ㎛→90 ㎛로, #4 베어링의 진동은 106→36 ㎛로 개선됨.

베어링 온도 현황

∙ #3 베어링의 금속온도는 거의 변화없으나 베어링의 배유온도는 81.4℃→75.7℃로 낮아짐.

 

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