3.8 이중 틸팅패드 베어링의 정비

Operation and Maintenance of Double Tilt Pad Bearings

 

3.8.1 개요 (Instruction)

Double Tilt Pad 저널 베어링의 설치, 운전, 정비와 일반적인 설계 이론에 관한 내용이며, 다음 세가지 형태의 DTP 저널 베어링의 설계에 대하여 설명된다. 즉,

A형. 표준 수평 접합부 오일이 공급되는 설계방식 (그림 1-36)

B형. 각각의 Pad로 오일 공급되는 1974형 설계방식 (그림 1-37)

C형. 각각의 Pad로 오일 공급되는 1976형 설계방식 (그림 1-37)

그림 1-36 수평 접합면에서 오일이 공급되는 방식

그림 1-37 각각의 Pad로 오일이 공급되는 방식

 

3.8.2 一般的인 設計 (General Design)

3000이나 3600 rpm으로 운전되는 터빈에서 어떤 베어링은 상대적으로 가벼운 로터 하중을 받는 경우가 있으며, 부하 조건에 따라 하중이 적어질 수도 있다. 이 경우 축의 불안정성을 방지하기 위하여 Double Tilting Pad(DTP) 베어링이 사용된다. 이들 베어링은 보통 고중압 터빈에서 사용된다. 최근에는 저압 터빈의 앞쪽에도 사용되고 있다. 모든 DTP 설계는 베어링 표면에 원심 주조법으로 Babbitt가 입혀진 여섯 개의 Pad로 구성되어 있다. 각 Pad는 상하부 3개씩 6개가 베어링 Ring내에서 원통형 Bore를 이루면서 축을 지지한다. 축에 대해 자유롭게 피봇 선회될 수 있도록 각 Pad의 뒷면은 베어링 Ring의 내경보다 약간 적은 곡률 반경을 가지고 있다. 이것은 각 Pad가 최적의 유막 Wedge를 형성할 수 있도록 해준다. 또한 Pad의 뒷면이 축방향으로도 큰 반경을 가지도록 기계 가공되어 있어 Pad가 저널에 정렬될 수 있도록 해준다. 베어링 Ring의 Hook Fit는 Handling하는동안 Pad의 위치를 유지시켜 주고 고정핀이 느슨해졌을 때 각 Pad가 회전되는 것을 막아준다.

이러한 형식의 베어링의 내경(원통형 Bore)은 저널 직경이 15인치 이하인 경우 저널 직경보다 저널 직경의 0.0013배만큼 크게 하고, 저널 직경이 16인치 이상인 경우에는 저널 직경의 0.0015배만큼 크게 한다. 세 개의 상부 Pad에는 간극 조정에 사용될 수 있는 조정용 Plate가 있다.

설계 A형은 회전시 저널이 올라오는 쪽의 수평 접합면으로 오일이 공급된다. Oil Drain은 반대편 수평 접합면으로 배출되는데 이 구멍은 배출구측에 약간의 압력이 형성될 정도로만 오일 흐름을 제한한다. 이 구멍을 통과하는 오일은 Sight Box로 흐르게 된다. 베어링 Ring의 양끝에는 오일의 누설을 최소화하기 위하여 Seal Strip이 설치되어 있다. 하중이 많이 걸리는 Pad로 오일이 잘 흘러가도록 하기 위해서 상부 Pad에는 유효 베어링 길이의 절반만큼 Overshot Groove가 가공되어 있다. Groove의 깊이는 저널의 크기에 따라 1.6~4.8 ㎜ 정도이다.

설계 B형은 베어링 Ring내에 360° 환형으로 가공되어 있는 Hole로 오일이 공급된다. 이 환형 Hole에는 각각의 Pad가 각기 저마다의 윤활유를 공급 받도록 오일 통로가 가공되어 있다. 하부 베어링 Ring의 Down-comming Side의 양끝에 가공되어 있는 두 개의 Drain Hole은 약간의 Drain Oil이 Sight Box로 흘러갈 수 있도록 한다. 나머지 오일은 베어링 단부를 지나 배출된다. 이 단부의 누설을 최소화하기 위해서 베어링 Ring의 양단에 Seal Strip이 설치되어 있다.

내부의 오일 공급 및 배출 통로의 점검이 가능하도록 하기 위해 볼트로 접합되는 Cover Plate가 설치되어 있다. 하부 베어링의 각 Pad 밑에는 원형의 Wear Plate가 설치되어 있다. 따라서 여섯 개의 Pad 모두 개별적으로 베어링 간극 조정을 위해 Shim을 가감할 수 있게 되어 있다. 상부 세 개의 Pad에 설치되어 있는 조정용 Palte에는 고정핀에 의하여 손상(Indenting)되는 것을 방지하기 위해 회전 방지용 경화 붓싱이 끼워져 있다. 상부 베어링의 Pad에는 Overshot Groove가 설치되어 있지 않다.

설계 C형은 한가지를 제외하고 설계 B형과 똑같다. 이 설계형은 오일의 공급 및 배출 통로에 볼트 접합형이 아닌 끼워 넣는 Type의 Cover Plate가 설치되어 있다.

 

3.8.3 運轉上의 勸告事項 (Operational Recommendations)

하부 중앙 Pad에 적절하게 설치된 열전대는 운전중 베어링의 손상을 감지하는데 가장 유용한 수단이다. 열전대는 연속적으로 감시되어야 하지만 자동으로 터빈을 Trip시키도록 회로를 구성해서는 안된다.

DTP 베어링은 동일 크기의 타원형 베어링보다 베어링 금속 온도가 약간 더 높게 운전되는 경향이 있다. 부분분사 운전시에는 금속 온도가 82~104℃ 범위에 있게 될 것이다. 부분 분사 운전시 베어링 부하가 가장 커지는 시점에서는 베어링 금속 온도가 이 범위보다 2.8~5.6℃ 정도 증가할 것이다. 오일의 배출 온도는 공급 오일 온도보다 22~25℃ 높아야 한다.

표준 Alarm Limit : 107℃, 표준 Trip Limit : 121℃

만일 Alarm Limit가 초과되면 베어링 금속 온도가 부분 분사 운전의 영향을 받아 증가되는 것이 아닌 경우에는 즉시 원인을 조사하고 조치가 취해져야 한다. 정상 운전 상태에서 113℃ 이상의 온도는 비정상이다. 베어링 금속 온도의 스파이크 현상은 Babbitt가 Wiping되었다는 표시이다. 만일 온도 스파이크 현상이 발생되면 Alarm Limit인 107℃를 초과하였든지 초과하지 않았든지 간에 그 베어링은 가능한 빨리 점검되어야 한다 (차기 기동전까지).

만일 Trip Limit인 121℃가 초과되면 터빈을 수동으로 Trip시켜야 한다.

 

3.8.4 整備上의 勸告事項 (Maintenance Recommendations)

다음 항목은 DTP 베어링이 분해될 때마다 수행되어야 하는 포괄적인 검사 기술 등을 설명한다.

(1) 운전 이력

베어링 분해에 앞서 지난번 분해 점검 이후의 베어링 운전 이력을 조사해야 한다. 이것은 베어링 진동이나 베어링 금속 온도 등의 자료를 조사하는 것을 의미한다. 진동이 증가되는 추세였는가? 베어링 온도가 점차적으로 증가되었는가? 다음 몇몇 항목에 특히 주의한다면 그 질문에 대한 답이 나올 것이다.

2) 볼트 조임 상태와 Pedestal과의 접촉상태 (분해시)

만일 전항에서 베어링에서의 축진동 문제가 발견되었다면, 분해하기 전에 베어링이 얼마나 견고하게 Standard나 Hood에 조립되어 있는지를 확인하는 것이 중요하다. 0.030 ㎜의 Feeler Gage를 사용하여 베어링 Pedestal 면과 하부 베어링 밑에 있는 축정렬용 베어링 Pad의 접촉상태를 점검하라. 어떤 Pad이든지 이 Feeler Gage가 들어가면 점검 기간 동안에 수정되어야 한다.

상부 베어링 Flange면에 다이얼 게이지를 설치하고 Flange 볼트를 풀어 Flange 변형이 어떤 변화가 생기는지를 확인하라. 또한 Flange 볼트를 푸는데 얼마만큼의 Troque가 필요한지를 측정하라. 0.030 ㎜의 Feeler Gage를 사용하여 상하부 수평 접합면이 얼마나 밀접되어 있는지를 확인하라. 수평 접합면 볼트를 빼내면서 얼마만큼의 토오크가 필요한지를 측정하라.

(3) 베어링 수직 간극 (분해시)

상부 베어링을 분리하여 참고Ⅰ Part A “틸팅 패드 저널 베어링의 수직 간극 점검 절차”에 주어진 절차를 이용하여 수직 간극을 측정한다.

이 측정은 이러한 형식의 베어링의 적정한 점검에 아주 중요하다. 수직 간극이 증가하였다는 것은 Babbitt가 마멸되었다는 표시이거나 고진동으로 인해 Ring에 맞닿는 Pad 피봇 부위가 오목해졌을 경우이다. 과도한 간극이 발생되었는지의 여부는 적정한 교정 조치가 계획될 수 있도록 검사 초기에 확인하는 것이 중요하다.

만일 분해시에 축이 너무 뜨거워 정확한 수직 간극 측정이 어려우면 상하부 베어링을 꺼내어 적정 크기의 Mandrel을 사용하여 수직 간극을 측정한다 (참고Ⅰ Part B - 틸팅 패드 저널 베어링의 수직 간극 측정 절차 참조).

최대 허용 수직 간극은 저널 직경의 0.002배이다. 이 값이 초과되면 교정 조치가 취해져야 한다. 이 제한치에 근접한 상태라면 교정 조치를 취할지 취하지 않을지는 진동 이력, 온도 자료, 간극 증가율과 다음 점검 기간까지 남은 시간 등을 고려하여 결정하여야 한다. 만일 운전 자료가 나쁘거나 이 제한치가 다음 점검 기간 이전에 초과될 것으로 예상되면 교정 조치를 취해야 한다.

(4) 회전 방지용 핀의 검사

베어링 Ring으로부터 회전방지용 핀을 빼낸다. 각 핀의 길이가 동일한지를 파악하여 같지 않다면 핀을 빼낸 구멍에 Match-mark를 실시한다.

핀의 상태를 육안 점검하고 액체 탐상 검사를 실시한다. 마모, 굽음, 균열이 발생된 회전방지용 핀은 교체해야 한다. 회전방지용 핀은 특수하게 경화된 것이므로 제작 공장에서 만들어진 것을 사용해야 한다.

(5) 베어링 Ring 검사

베어링 Ring과 각 틸팅 Pad를 Match-marking하고 베어링 Ring으로부터 각 틸팅 Pad를 분리한다. 베어링 Ring의 다음 위치에 마멸이나 Fretting 흔적이 있는지를 검사한다.

① 베어링 Ring Bore에 각 Pad의 피봇이 닿는 위치

② 수평 접합면

③ Alignment Pad 표면

베어링 Ring의 피봇 자리의 손상, 과도한 마모, Fretting 등은 베어링 설계 방식에 따라 다른 방법으로 교정될 수 있다.

설계 B, C형의 경우 베어링 Ring의 Bore를 원래 치수로 재가공하고, 하부 베어링의 각 Pad 밑에 있는 Wear Plate를 깨끗이 청소한 다음, Wear Plate 밑에 Shim을 넣어 교정할 수 있다. 설계 A형의 하부 베어링 Ring에는 Wear Plate가 설치되어 있지 않기 때문에, 이들 베어링 Ring은 Wear Plate를 끼워 넣을 수 있는 구조로 변경하고 설계 치수대로 Bore를 가공해야 한다.

상하부 베어링 Ring 접합면과 Alignment Pad 부위의 크지 않은 손상은 부풀어 오른 부위를 갈아내어 교정할 수 있다. 손상이 큰 경우에는 접합면의 육성 용접 및 재가공이 필요하거나 Alignment Pad의 교체가 필요할 것이다.

베어링 Ring 양쪽의 Seal Strip은 세 부위에서 마이크로미터로 측정되어야 한다. 이 Seal의 직경은 저널의 직경 + 설계 베어링 간극 + 0.010 in(0.25 ㎜)로 설계되어 있다. Seal의 직경이 설계치보다 0.015 in(0.38 ㎜) 이상으로 커졌다면 교체해야 한다.

수평 접합면의 Dowel Fit도 점검되어야 한다. 각 Dowel의 외경과 그것이 조립되는 구멍의 내경을 측정하라. 최대 허용 간극은 0.002 in(0.05 ㎜)이다.

(6) 틸팅 Pad

① 피봇 표면

각 틸팅 Pad 뒷면에 과도한 마멸이나 Fretting이 발생되었는 지의 여부를 점검하라. Pad의 Leading Edge로부터 피봇 위치까지 그리고 Trailing Edge까지의 거리를 측정하라. Leading Edge로부터 피봇점까지의 거리는 Pad의 원주방향 폭의 0.5~0.55배의 위치에 피봇점이 위치해야 한다. 그렇지 않은 경우 전문가와 상의하여야 한다.

Pad 뒷면의 회전방지용 핀의 구멍을 점검한다. 이 구멍은 원형이어야 하며 상부 베어링 Pad에 설치된 경화 붓싱은 깊이 0.010 in(0.25 ㎜)이상의 마멸이 발생되면 교체해야 한다. 하부베어링 Pad의 구멍에 깊이 0.125 in(3.18 ㎜) 이상의 마멸이 발생되면 붓싱을 끼워 넣고 재가공해야 한다 (정비 절차를 나타낸 그림 1-38 참조).

그림 1-38 고정핀 구멍의 정비

 

② Babbitt 표면

Babbitt가 흔들리거나 균열 또는 크게 부서진 Pad는 교체해야 한다.

초음파 검사를 실시하여 Dovetail 상부 Babbitt 접합면의 35% 이상이 박리된 Pad는 교체해야 한다.

초음파 검사를 통과하였더라도 Babbitt 표면에 긁힌 자국(Scoring)이 있거나, Babbitt가 문질러졌거나(Smeared), 과도한 마멸이 발생되었으면 새 Pad로 교체하거나 TIG 용접으로 손상부위를 제거하고 원래의 치수대로 재가공하여야 한다 [(8)-②항 참조]

초음파 검사를 통과하고 표면 손상만을 가지고 있는 Pad는 Mandrel에 조립하여 원형복구되어야 한다 ((7)항 및 (8)-①항 참조).

(7) Pad 형상 검사

마멸량이 적어 Babbitt 용접이나 다른 원인에 의한 교체가 필요치 않는 틸팅 Pad는 개별적으로 적정한 곡률 반경을 가진 Mandrel 위에서 Blue Paint 접촉폭 상태 검사를 하여야 한다. Mandrel은 일직선이어야 하고, 진원도가 0.001 in(0.25 ㎜) 이내이어야 하며, 최소한 63rms의 표면 가공이 되어 있어야 한다 (적정 Mandrel 규격은 참고 Ⅰ 참조).

각 Pad는 Mandrel과 최소한 80% 이상 접촉되어야 한다. 형상 복원을 위한 가벼운 Hand-scraping은 허용된다. 만일 과도한 스크래핑이 필요하거나 과거에 여러번 스크래핑된 적이 있는 베어링 Pad는 기계 가공으로 형상을 복원하여야 한다.

어떤 경우에도 저널면에서 틸팅 Pad의 Blue Paint 접촉폭 검사를 해서는 안된다. Blue Paint Check를 위하여 저널에 적당한 두께의 Shim을 감아 검사를 하는 것은 허용된다.

앞에서의 접촉폭 검사는 Pad의 곡률만을 검사하기 위한 것이다. Babbitt 표면에 형성된 상대적인 마멸 양상을 조사하면 어느 Pad가 부하를 받는지를 알 수 있지만, 실제 곡률에 대해서는 거의 알 수 없다. 만일 틸팅 Pad가 전체적으로 마멸되는 양상을 보이면 이것은 양호한 상태를 나타낸다는 사실을 기억하라. 이러한 Pad는 아마도 저널의 곡률로 마멸되어 있을 것이다. 이 경우 Mandrel을 사용하라.

(8) 실린더형 Bore의 복원

모든 Pad가 반드시 원래의 실린더형 Bore로 형상 복원되어야만 하는데는 몇가지 이유가 있다.

① 기계 가공이 필요한 Pad의 표면 손상의 완화.

② 과도한 수직 간극

③ 베어링에 나타나는 이유없는 불안정 현상

실린더형 Bore를 형상 복원하는 권고할 만한 방법은 두 가지가 있다. 사용되는 방법은 금회 Babbitt 표면에 필요한 작업량의 정도에 따라 주로 결정된다.

① Mandrel에의 조립

Pad의 표면손상을 가볍게 스크래핑하여 Mandrel에서 접촉폭 검사를 한 경우에는((7)항) 여섯 개의 Pad가 모두 동시에 Mandrel에 접촉할 때까지 베어링 Ring의 각 Pad 밑에 Shim을 조정하여 실린더형 Bore를 복원할 수 있다. 이것은 설계 B, C형인 경우에만 가능하다. 앞에서 언급하였듯이 설계 A형은 하부 세 개의 Pad에 제거가능한 Wear Plate가 없기 때문에 구조를 변경하여야 한다. Mandrel Fitting 과정에 대한 자세한 절차는 참고 Ⅰ B, 참고 Ⅱ, 그림 4를 참조하시오.

Mandrel에 맞추기 위해 각 Pad를 가볍게 스크래핑할 때마다 앞의 Mandrel Fit 과정을 수행하는 것이 좋다. 특히 수직간극이 정상보다 0.005 in(0.127 ㎜) 이상 큰 경우에는 더욱 그렇다. 마멸된 부위를 형상 복원하기 위해 스크래핑하면 하부 중앙 Pad는 Side Pad보다 상대적으로 낮아질 것이다. 이 경우 하부 중앙 Pad는 운전중 온도가 더 낮아지겠지만, 베어링의 동적 특성을 크게 변화시킬 것이다. 상부 중앙 Pad에만 Shim을 넣는 경우 수직 간극은 맞춰지겠지만, 남아있는 Pad의 Bore는 다른 인접 Side Pad보다 상부 중앙 Pad는 상대적으로 높고, 하부 중앙 Pad는 상대적으로 낮은 형상이 될 것이다.

정상운전시에 사용할 목적으로 틸팅 Pad와 베어링 Ring의 Bore 사이에는 절대로 Shim을 고여서는 안된다.

② Babbitt 용접 및 재가공

Pad의 표면 손상이 간단한 스크래핑으로 만족스럽게 깨끗해질 수 없는 경우에는 Babbitt 용접후 재가공하여야 한다. 이 과정은 각 Pad를 베어링 Ring에 견고하게 고정하는 것과 손상부위를 깎아내고 TIG 용접으로 표면에 Babbitt를 입히는 것, 그리고 간극에 필요한 직경으로 실린더형 Bore를 재가공하는 것 등이다. 이것은 특수한 기술과 경험을 필요로 하는 복잡한 작업이므로 필요 도면을 가지고 있고 승인된 정비 절차를 가지고 있는 제작 공장에서 작업을 수행하는 것이 좋다.

이러한 정비는 (6)항의 기준을 근거로 재사용이 가능한 Pad에 한해서만 적용된다.

(9) 새 Pad의 설치

타원형 베어링과는 달리 틸팅 Pad를 완벽하게 Rebabbitting하는 것은 경제적으로 또는 기술적으로 가능하지 않다. 이러한 이유 때문에 각 베어링마다 완전한 1 Set의 틸팅 Pad 베어링 예비품이 준비되어 있는 것이 좋다. 공급되는 틸팅 Pad 예비품은 Babbitt의 내경부에 가공여유가 있으며, 실제 저널의 직경에 알맞게 최종 가공되어야 한다. 또한 이들 Pad에는 회전 방지용 핀과 고정 볼트 Hole이 가공되어 있지 않다. 이들 Hole은 베어링 Ring의 구멍과 맞아야 하며, Bore 가공이 완료되기 전에 가공되어야 한다. 상부 Pad에 회전방지용 경화 붓싱이 설치되는 예비 Pad는 이들 붓싱이 Pad와 함께 Box안에 선적될 것이다. 각 Pad는 설치를 용이하게 하기 위하여 네 모퉁이에 한 개씩 네 개의 1/4 in-20 TPI의 볼트 구멍이 가공되어 있어야 한다.

Babbitt의 용접과 재가공시와 마찬가지로 새 Pad의 설치와 가공은 특수한 기술과 경험을 필요로 한다. 이 작업은 경험있는 전문 제작 공장에서 수행되는 것이 좋다.

(10) Pad의 설치 (재조립시)

Match-mark의 표시대로 Pad를 베어링 Ring에 설치한다. 각 Pad는 Leading Edge와 Trailing Edge에 0.375 in(9.53 ㎜) 반경으로 라운딩 가공이 되어 있어야 한다. 각 Pad를 베어링 Ring 위에 정렬하고 회전 방지용 핀을 설치한다. 핀이 Pad 뒷면의 구멍이 아닌 부위에 위치되지 않도록 Pad에 잘 끼워졌는지 확인하여야 한다. 각 Pad가 자유롭게 움직이는지를 확인하고, 하부 중앙 Pad로부터의 열전대 도선이 Pad 뒷부분의 Drain Groove를 통하여 수평 접합면까지 적정하게 위치하고 있는지를 확인한다. 회전 방지용 핀을 조이고 0.0625 in(1.59 ㎜) 직경의 Peening Tool을 사용하여 각각의 핀을 제자리에 Staking한다.

(11) 베어링 Ring (재조립시)

모든 오일 공급 및 배출 통로가 깨끗하고 이물질이 없는지를 확인한다. 어떤 경우에는 설계 B, C형에서 360° 환형 Cover를 열고 이를 확인하여야 할 것이다. 베어링 Ring에 새로운 Pad가 설치되고 가공될 때마다 철저한 청소를 위해서 이 환형 Cover를 분리하여야 할 것이다.

Tongue Fit와 하부 베어링의 Alignment Pad에 거칠은 부위나 파인 부분이 없는가를 확인하고 입자가 고운 Oil Stone과 등유를 사용하여 매끄럽게 만든다. 오일이 관통하여 흐르는 모든 Alignment Pad는 Shim이 오일 흐름을 조금이라도 막지 않도록 특히 주의해야 한다.

만일 로터가 설치되지 않은 상태이고 분해시 Alignment Pad Fit의 접촉상태가 불량하였다면, Standard Fit에 대한 베어링 Alingment Pad의 Blue Paint 접촉면 검사를 시행하여야 한다. 각 Alignment Pad가 최소한 75%의 접촉상태를 유지하고, 특히 오일의 공급 및 배출 구멍 주변에서는 100%의 접촉상태를 유지하도록 스크래핑을 실시하고 Shim 조정을 한다.

만일 로터가 설치되어 있는 상태라면, 0.0015 in(0.038 ㎜) Feeler Gage를 사용하여 접촉상태를 확인하고, 하부베어링을 돌려 빼내어 필요한 만큼 Shim을 조정한다.

커플링 Alignment시에는 로터가 DTP 베어링 중앙에 위치하도록 하여야 한다. 만일 로터가 베어링 중앙에 위치해 있지 않으면 Turning Gear Jog 운전시 점점더 옆으로 움직여서 잘못된 커플링의 다이얼 게이지 지시치를 읽게 될 것이다.

상부 베어링 Ring을 설치하고 접합 볼트를 조인다. 0.0015 in(0.038 ㎜) Feeler Gage를 사용하여 접합면 전 둘레의 접촉 상태를 확인한다.

베어링 Flange 볼트를 끼우고 양쪽 Flange에 0.002 in(0.05 ㎜)의 변형이 생길 때까지 순차적으로 조인다. Lock Plate를 Locking 한다.

(12) 수직 간극 (재조립시)

축에 대한 적정 간극을 확인하기 위하여 재조립시에 수직 간극을 측정 기록하여야 한다. 이 검사를 시행함으로써 Pad가 공장에서 너무 적게 Boring하였다든지, 고정 핀이 Pad를 힘을 가하고 있다든지 하는 치명적인 결함을 발견할 수 있다.

 

<참고 Ⅰ> 틸팅 Pad 저널 베어링의 垂直 間隙 測定 節次
(Procesure for Checking Tilting Pad Journal Bearing Vertical Clearance)


<참고Ⅱ> Mandrel을 使用한 실린더형 Bore(베어링 內徑) 復元 節次
(Procedure for Restoring Cylindrical Bore Using Mandrel)

 

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