Steam Turbines
3.1 蒸氣터빈의 構造 (Construction of Steam Turbine)
증기터빈은 노즐이나 고정익(정익)으로부터 고속증기를 회전익(동익)으로 향하여 분출시켜서 회전 동력을 발생시키는 기계이다. 노즐 또는 정익과 동익의 한 쌍을 증기터빈의 하나의 단이라 말하고(압력 단이라 한다), 각 단마다 증기가 갖는 에너지가 기계적인 일로 전환된다.
그림 11-17은 가장 간단한 커티스형 터빈으로써 노즐, 블레이드, 임펠러, 주축, 베어링, 조속기, 증기조정밸브 등 많은 부품으로 구성되어 있다.
그림 11-17 커티스형 터빈의 예
(1) Casing
터빈케이싱은 터빈실린더라고도 부르며, 여기에는 Diaphragm이나 Nozzle(충동 터빈) 또는 정익(반동 터빈)이 부착되며 다단인 경우, 고압측과 저압측으로 분류된다. 고압측에는 조속밸브, 노즐실, 노즐, 고압측 축밀봉 Packing, Thrust 베어링, 제 1베어링 및 조속용의 최초의 단 등이 설치되어 있다. 또, 저압측에는 나머지 단, 배기 Hood, 복수기에의 연결부, 저압측 축밀봉 Packing, 제 2베어링 등이 설치되어 있다.
고압부분은 최고의 온도와 압력에 노출되기 때문에, 그 재료로서는 400℃까지는 탄소주물이, 그리고 400～500℃ 정도까지는 탄소 몰리브덴 주물강이, 단조 품에서는 니켈-몰리브덴강이 사용된다. 또한, 500～540℃ 사이에서는 저 크롬탄소 몰리브덴강이, 540～570℃ 정도의 온도에서는 안정화 스테인레스강이 사용된다. 특히 500℃ 이상의 온도부에서는 재료의 열화가 심하기 때문에, 그 형상은 가능한 한 간단하게 되도록 설계되고 있다.
(2) Nozzle
Nozzle은 증기의 열 에너지를 속도 에너지로 변화하는 가장 중요한 부분으로, Nozzle의 형상에 따라서 Divergent Nozzle, Convergent Nozzle이 있다. 그림 11-18은 조립식의 한 예이다. 재료로는 13Cr강, 13Cr-Mo강, 5Ni강등이 사용된다.
그림 11-18 조립식 Nozzle의 예
(3) Blade
블레이드는 충동블레이드와 반동블레이드가 있다. 그림 11-19는 충동익이다. 이 경우 익의 상부에는 Tennon이 있고, 그 위에 Shroud를 설치한다. Shroud는 익을 수개 내지는 10개 정도씩 하나의 Group으로 설치한다.
그림 11-19 충동익의 삽입구와 Shroud
(4) Disk Wheel
Wheel은 1열 또는 수열의 익을 부착하여 고속 회전시키는 것으로 Limb, Disk, Boss의 3가지의 부분으로 이루어진다. 그림 11-20(a)와 같이 축과 일체로 만들어진 것, (b)와 같이 축과 별도로 만들어져서 삽입된 것, (c)와 같이 볼트 또는 용접에 의해서 조립된 것들이 있다.
Wheel은 터빈의 구성부품 중에서 가장 큰 응력을 받는 부분이기 때문에, 적당한 재료의 선택 및 기계가공이 이루어 져야한다. Disk에는 임펠러 양측의 증기압이 평형을 이루도록 하여, 원판 진동의 원인을 제거하기 위해, 평형구멍을 설치하는 것이 있다. Wheel은 제작공장에서 완전하게 Balancing을 잡지만, 현지에 설치한 후에도 공장과 현지와의 기초의 차이, 다른 축을 결합한 경우의 Mode의 변화, Alignment의 오차, 베어링 강성의 차이 등의 원인으로 진동이 크게 되는 일이 있기 때문에, 이와 같은 경우에는 현장 Balancing을 한다.
더욱이, 오랜 기간 사용하면 자연적으로 변형이 생기고 불평형을 초래하는 일도 있기 때문에, 사용재료는 충분하게 담금질하고, 내부변형을 제거하는 것이 중요하다. 재료에는 연강, 니켈강, 크롬-니켈강의 단조품을 주로 사용하고, 또 고온부에는 크롬-니켈-몰리브덴강을 사용하다.
그림 11-20 임펠러
(5) Governing Device
발전용이나 생산 공장에서의 대형 터빈은 부하의 변동에 대해서 공급 증기나 압력을 조정하여 회전속도를 최대한 일정하게 유지할 필요가 있다. 조속장치는 이를 위한 것으로 증기의 공급밸브를 좁혀서 압력을 변화시키는 교축조속법과 증기공급량을 조절하는 체절조절법이 있다.
3.2 터보機械의 振動特性 (Vibration Characteristics of Turbomachinery)
증기터빈을 비롯하여 원심 압축기, 고속 원심펌프, 터빈 발전기 및 가스터빈과 같은 터보기계에서 발생하는 진동의 일반적 원인으로는 ① 불평형, ② 축정렬 불량, ③ Oil. Whirl ④ Rubbing ⑤ Looseness ⑥ 기체 역학 및 수력학적힘 등이 있으나 이미 각 항에서 언급하였고, 이 외에 터보기계에서 발생될 수 있는 문제점에 대하여 기술한다.
3.2.1 內部摩擦 훨 [Internal Friction(Hysteresis) Whirl]
드문 경우이긴 하지만 Hysteresis 또는 내부마찰 Whirl은 로터의 1차 임계속도 이상에서 운전되는 터보기계에서 발생한다. 임계속도 이상에서 운전되는 로터는 불평형 Heavy Spot의 반대쪽으로 변형하거나 구부러지는 경향이 있다. 따라서 통상적으로 변형을 제한하려고 작용하는 로터의 내부마찰 댐핑은 역상으로 나타나게 될 것이며, 이러한 내부 댐핑은 로터의 변형을 더욱 증가시키게 된다. 이런 상태는 베어링의 댐핑에 의한 것으로 확인되고 있다. 그러나 정적인 댐핑이 적은 경우는 이는 부적절한 베어링 윤활 때문이며 내부 로터 댐핑이 증가한 경우는 부족한 윤활 커플링 때문이므로 마찰을 촉진시키는 즉 Hysteresis Whirl이 발생될 수 있다. 또한 이러한 상태는 축에 터빈 Wheel의 과도한 억지 끼워 맞춤에 의해 발생되기도 한다.
Hysteresis Whirl에 의한 진동은 앞에서 언급된 오일 Whirl에 의한 진동과 유사하다. 그러나 Hysteresis Whirl은 로터 및 베어링의 1차 임계속도에서 항상 발생한다. 마찰 훨의 주파수는 80%가 로터 rpm의 0%～40%사이, 10%가 로터 rpm의 40%～50%사이, 나머지 10%가 로터 rpm의 50%～100% 사이에서 발생하게 된다. 만일 로터가 3600 rpm에서 운전하고 베어링 및 로터의 1차 임계속도가 2200 cpm이라면 Hysteresis Whirl은 2200 cpm의 주파수에서 발생하게 될 것이다. 오일 훨 주파수는 로터 rpm의 1/2보다 낮기 때문에(42%～47%), Hysteresis Whirl은 오일 훨과 구별할 수 있다. 그러나 아주 심한 진동 문제는 오일 훨 주파수와 Hysteresis 주파수와 일치할 때 발생된다.
때때로 Hysteresis Whirl은 기계 rpm 변화와 진동주파수에 미치는 영향을 점검하므로써 확인될 수 있다. 만약 오일 훨 문제라면 기계 rpm을 변화시키면 오일 훨 진동 주파수의 상응하는 변화를 가져온다. 만일 문제가 Hysteresis Whirl이라면 기계 rpm을 변화 시켜도 Hysteresis Whirl 진동주파수를 변화시키지 않는다. 왜냐하면 이 주파수는 로터 및 베어링의 1차 임계속도에 의해서만 결정되어 지기 때문이다. Hysteresis Whirl이 확인될 때마다 윤활을 포함한 베어링 상태를 세심하게 확인할 필요가 있다. 또한 로터는 로터나 Seal의 마찰, 간섭에 의한 흔적을 확인해야만 한다. Hysteresis Whirl의 또 다른 원인으로 기어 커플링상에서의 마찰이 있다. 부적당한 커플링 윤활, 커플링 마모 및 원래보다 치수가 작은 커플링 등은 Hysteresis Whirl을 일으키게 한다.
3.2.2 空氣力學的인 Cross-Coupling (Aerodynamic Cross-Coupling)
공기역학적인 Cross-coupling은 1차 임계속도 이상에서 운전되는 터빈과 원심 압축기에서 종종 발생하며 일반적으로 로터의 휨이나 변형에 의한 로터의 편심에 의해 발생한다. 원심 압축기의 경우에 슬리브 베어링의 유막의 회전과 마찬가지로 압축된 공기나 다른 가스층이 로터의 회전속도 보다 낮은 속도로 회전하게 된다. 이때 로터가 약간 휘어졌다면 로터와 하우징 사이의 회전 가스층은 로터상에 토오크 반력을 발생하게 되어 가스층의 회전속도에서 로터가 Whirl을 일으키게 된다 (그림 11-21). 이러한 Whirl의 발생 주파수는 기계마다 다를 수 있다. 진동은 로터 베어링 시스템의 가장 낮은 고유진동수가 여기될 때 Oil Whirl이나 Hysteresis Whirl 주파수 특성을 갖게 된다. 대부분의 경우에 진동 주파수는 회전속도 주파수 보다 낮게 된다. 1/2, 1/3또는 1/4×RPM에서 차동기 공진 주파수들이 가진된 경우들도 있음이 보고되었다.
공기역학적인 Cross-Coupling에 의해 발생된 로터 Whirl은 압축 공기나 가스에 의해 여기되기 때문에 이러한 상태는 기계부하에 의해 영향을 받는다는 것이 논리적으로 보인다. 일반적으로 기계가 높은 부하상태하에 일을 때 이런 상황이 잘 발생하므로 진동에 미치는 영향을 구하기 위하여 부하를 변동시키는 것이 이런 문제를 진단하는데 유용할 수 있다.
그림 11-21 편심되거나 휘어진 로터는 Whirl을 발생시키는 공기역학적 토오크를 발생시킬 수 있다.