The kind and Characteristic of Thrust Bearing
4.1 槪要 (Introduction)
증기터빈에서 회전부와 정지부의 축방향 간극은 아주 작기 때문에, 운전중에 발생되는 축방향 힘을 흡수하고 축의 위치를 고정시킬 수 있는 추력 베어링이 필요하다 (그림 1-64).
추력 베어링은 큰 하중이 견디는 배빗트가 입혀진 Plate로 되어 있는데, 이것이 축의 위치 고정과 추력 흡수 역할을 하게 된다. 추력은 스러스트 칼라에 의하여 축으로부터 추력 베어링 Plate로 전달된다. 고정체인 Thrust Plate와 스러스트 칼라(런너)면 사이에서는 미끄럼 작용이 발생하고 수력학적 유막 압력이 발생한다.
그림 1-64 Thrust 베어링과 Runner
저널 베어링에서는 축의 외경과 베어링 내경이 간극만큼 차이가 나므로, 축이 회전하고 베어링이 하중을 받으면 자연적으로 수력학적 유막 압력이 발생되지만, 추력 베어링에서는 두 평행면간에 오일 유막이 생기도록 하여야 하고, 이것이 추력을 감당하게 된다. 윤활의 수력학적 원리가 규명된 후 추력 베어링에도 이를 이용하여 추력 베어링의 부하 용량을 저널 베어링 만큼 향상시키게 되었다.
대부분의 터빈에서 추력 하중의 방향은 운전 조건에 따라 전후로 변하나 어느 방향의 추력이든 흡수 가능토록 두 개의 Thrust Plate를 설치한다. 정상 운전 중에는 보통 어느 한 방향으로 큰 추력이 발생하며, 이 방향(보통 증기의 흐름 방향)의 Thrust Plate를 Active Thrust Plate라고 부르고, 반대 방향의 것을 Inactive Thrust Plate라고 한다.
만약 Inactive 방향의 추력 부하가 작다면 Inactive Plate는 Active측보다 작게 만드는 경우도 있으나, 보통 Active와 Inactive Plate는 같은 크기로 만든다.
대부분의 경우 추력 베어링의 스러스트 면에는 반경 방향의 홈을 여러 개 가공하여 충분한 양의 윤활유가 통과하도록 한다. 스러스트 면을 보면 이 홈에 의하여 여러 개의 분리된 Pad로 이루어진 것처럼 보인다. 이 패드를 Land라고 부르며 추력 베어링의 형식은 이 Land의 형식에 의하여 구별된다.
저널 베어링에서처럼 베어링의 추력 하중은 얇은 유막에 의하여 지지되며, 정상상태에서는 운전시 금속 대 금속의 접촉이 발생되지 않는다.
추력 베어링은 설계 추력을 지탱하기에 충분한 면적을 가져야 하며, 필요한 면적은 지지할 부하, 속도, 오일의 점도, 베어링 형식에 따라 결정된다. 추력 베어링 면적은 내경과 외경 사이의 배빗트 면 중에서 반경 방향의 오일 홈이나 패드 사이의 공간을 뺀 면적이다.
보통 추력 베어링의 Land 또는 Pad의 크기는 원주방향 길이가 반경방향 길이의 2배를 넘지 않도록 하고 있다. 이 비는 패드가 너무 길어 유막이 긴 길이를 횡단함에 따라 유막 온도가 상승하는 것을 방지하기 위한 것이며, 이 비를 초과하면 Pad의 수를 증가시켜 조정한다.
추력 베어링은 유막 형성과 오일 유동을 위해 Thrust Plate와 Thrust Runner간에 축방향으로 약간의 간극이 있도록 설계한다. 터빈 내부 각 부위의 축방향 간극이 작기 때문에 추력 베어링 간극을 너무 크게 할 수 없으며, 간극은 보통 베어링 크기, 운전 조건, 베어링 형식 등에 따라 0.127～0.51 ㎜로 한다. 이 간극은 Thrust Plate 뒤에 있는 Shim의 두께를 변화시켜 조정할 수 있다
운전시간의 증가와 비례하여 이 간극이 증가되며, 이 증가량 및 증가 특성은 베어링 형식과 운전 조건, 윤활유 오염도에 따라 변한다.
4.2 Flat Land Thrust Bearing
Flat Land 형식은 현존하는 추력 베어링 중에 가장 구조가 간단하고 면이 편평하므로 제작하기 쉽고 값이 싸다. 스러스트 면에 홈을 가공하여 많은 오일이 흐르도록 되어 있으며, 이 홈은 베어링 면을 여러 개의 Land로 나누는 역할도 한다.
Flat Land 추력 베어링의 부하용량은 극히 낮으며, 추력을 흡수한다기 보다는 로터의 위치를 잡아주는 역할을 할 때가 많다.
이 형식은 소형 터빈의 Inactive Thrust 면에 사용되며 대형 터빈에는 거의 사용되지 않는다. 보통 5.3～7 ㎏/㎠ 정도의 부하에 일반적으로 쓰이며, 10.5 ㎏/㎠까지도 사용할 수 있다.
4.3 Tapered Land Thrust Bearing
Tapered Land 추력 베어링은 그림 1-65와 같이 Flat Land와 비슷한 모양을 갖고 있으나 Land를 테이퍼 가공한 것이 다르며, 신뢰성이 있어 널리 사용되는 추력 베어링 중의 하나이다.
그림 1-65 Tapered Land Thrust Plate
베어링 면은 같은 수의 오일 홈으로 분리된 여러 개의 Pad로 구성되어 있고, 각 Pad는 런너가 회전시 오일을 쐐기부위로 밀어 넣어 부하를 지지할 수 있는 유압이 발생토록 반경방향과 원주방향으로 Taper져 있다. 경사각은 외경 부분보다 내경부를 더 크게 함으로써 유량을 같게 하여 오일온도를 동일하게 유지하도록 되어 있다.
Taper 부분은 보통 패드의 80～90%로 하고 그 나머지만 평면으로 하여 기동, 정지시 수력학적 유막이 발생되지 않는 저속에서 오일 웻지가 형성되지 못할 때 추력을 흡수하도록 한다.
패드 사이 홈의 크기는 규정되어 있지 않으나 보통 넓고 깊게 만들어 충분한 양의 오일이 흐를 수 있도록 한다. 반경 방향 홈의 바깥쪽 끝에는 턱(Dam)을 만들어 홈으로부터 Plate 밖으로 흘러나가는 오일량을 조절해야 한다. 이 턱은 입구 오일과 출구오일의 온도차가 17℃ 정도가 되도록 만든다.
보통 경사도가 작으면 부하 용량이 증가하고 유막 두께가 두꺼워 진다. 그러나 베어링 냉각을 위해 충분한 오일이 흐를 수 있도록 부하용량에 의해 결정된 값보다 테이퍼량을 더 크게 한다. 패드가 커지면 냉각을 위한 오일량이 더 많아야 하므로 테이퍼량이 더 커져야 한다. Tapered Land Plate의 크기는 유효면적의 단위 면적당 부하나 유막 두께에 의하여 결정된다.
만약 마모가 발생하여 테이퍼진 부분이 감소하면 부하용량이 급감하므로 교체해야 한다. 경사부가 복잡하므로 특수장비나 제작기술없이 베어링을 재가공, 재주조, 혹은 핸드 스크래핑하는 것을 삼가해야 한다.
4.4 틸팅 패드 推力 베어링 (Tilt Pad Thrust Bearing)
틸팅 패드 추력 베어링은 각 패드가 피봇에서 자유롭게 경사되는 독립 세그먼트라는 점에서 Flat 또는 Tapered Land 베어링과 다르다.
오일은 축부근으로 유입되어 반경방향으로 외측으로 흐르는데, 패드사이의 공간이 크기 때문에 Plat형 베어링이나 테이퍼 랜드 베어링보다 더 많은 오일량을 필요로 한다.
상대적으로 부품수가 많고 Leveling Ring과 지지기초링에서 작은 접촉점이 많아 고부하시 변형되기 쉬우며, 패드도 고부하에서 변형되기 쉬워 유막 온도 상승을 야기하며 부하용량이 감소한다. 틸팅 패드 베어링은 보통 14～28 ㎏/㎠의 부하를 받도록 설계되며, 최고부하는 42～63 ㎏/㎠이다.
틸팅 패드 베어링에는 크게 나누어 미첼 베어링과 킹스베리 베어링이 있다.
4.4.1 Kingsbury 推力 베어링 (Kingsbury Thrust Bearing)
킹스베리 추력 베어링은 틸팅 패드 추력 베어링의 개조형으로서, 각 개별로 되어 있는 패드가 피봇 위에서 자유롭게 경사된다는 점에서 테이퍼 랜드 베어링과 구별된다.
보통 피봇은 표면이 경화된 반구형의 형상이며 패드 뒷면에 설치된다. 이 피봇에 의하여 패드는 반경방향, 원주방향 혹은 이 두방향의 조합방향으로 자유롭게 경사될 수 있어 축정렬 불량에 잘 적응하도록 되어 있다.
축이 회전하면 유막이 런너와 패드 사이에 발생하며, 각 패드는 적절한 유막 압력이 발생되도록 경사진다.
피봇 외에 패드가 장착되는 Plate가 있는데 이것을 Leveling Plate라고 하며, 이 Plate의 배열은 그림 1-66과 같다.
그림 1-66 킹스베리 베어링의 단면도
이 Leveling Plate는 정확히 기계가공된 단조품이며, 추력을 베어링에 균일하게 분산시키는 역할을 한다. 상부 Leveling Plate는 하부 Leveling Plate 위에 놓여 있어 각 Pad를 지지하며, 하부 Leveling Plate는 전부하를 Base Ring에 전달한다.
축정렬 불량에 의한 부하가 걸리면 Plate가 고하중점에서 경사지게 되어 다른 Pad를 앞으로 밀어내어 모든 패드에서 부하가 균일하게 걸리도록 한다. 상부 Leveling Plate의 수직 상부면과 맞닿는 Base Ring의 외경부에 Set Screw가 장착되어 있어 Plate가 회전하는 것을 방지하며, 조립체가 축방향으로 탈락되는 것을 방지한다.
킹스베리 베어링의 단점은 구조가 복잡하다는 것이며, 하중에 의하여 각 부품에 영구변형이 생길수도 있다. 이러한 변형은 간극을 증가시키게 되는데, 이 간극 증가 현상은 보통 운전초기에 발생되며, 이후의 변형은 서서히 발생한다.
킹스베리 베어링의 이점은 축정렬 불량하에서도 운전가능하다는 것이며, 이런 면에서는 어떤 형식의 베어링보다 우수하다.
부하용량은 테이퍼 랜드 베어링보다 작은데 이는 패드가 고부하시에 변형되기 때문이며, 패드가 변형되면 고온부가 생겨나고 손상이 발생한다. 실험에 의하면 42.2 ㎏/㎠의 저부하에서도 손상이 발생되는 것으로 나타났다. 따라서 킹스베리의 허용부하는 테이퍼 랜드 베어링보다 낮게 정한다.
4.4.2 미첼 推力 베어링 (Michell Bearing)
킹스베리 추력 베어링은 주로 미국에서 사용되는데 비해 미첼 추력 베어링은 유럽에서 주로 사용하는 형식이다. 미첼 베어링은 그림 1-67과 같이 패드는 피봇에 의해 지지되며, 이 피봇에 의하여 패드는 반경방향, 원주방향, 혹은 이 두 방향의 조합방향으로 자유롭게 경사될 수 있어 축정렬 불량에 잘 적응하도록 되어 있다. 이 피봇은 Leveling Plate에 의해 지지되는데, 이 Leveling Plate는 일체형이지만 패드별로 구획이 나뉘어져 있어, 각각의 패드에 걸리는 하중은 Leveling Plate의 각 구획별로 걸리게 된다. 피봇은 나뉘어진 구획의 중앙에 위치하여 있어, 하중이 많이 걸리면 그 부분의 Plate만 뒤쪽으로 밀려나가게 되어 양옆의 패드가 부하를 더 받게 되어 부하 분담이 이루어진다. 피봇은 Pad를 약간 편심된 위치에서 지지하므로 피봇을 중심으로 패드 양측면의 면압이 다르게 되어 유막 Wedge 형성이 자연스럽게 이루어진다.
그림 1-68은 추력 베어링 유형별 특징을 보이고 있다.
그림 1-67 미첼 베어링
그림 1-68 추력 베어링 유형별 특징 비교