Casing Alignment Using Piano Wire
증기터빈과 같이 여러 개의 케이싱을 중심축에 일렬로 정밀하게 조정하는 공정을 Casing Alignment라 한다. 터빈 Casing Alignment의 경우는 다음 항목을 포함한 조정 공정이 있다.
• 전 Bearing Pedestal을 기준한 전 터빈 케이싱의 정렬
• 단위 Bearing Pedestal을 기준한 단위 터빈 케이싱의 정렬
• 외부 케이싱을 기준한 내부 케이싱의 정렬
• 터빈 케이싱을 기준한 내부 Diaphragm의 정렬
“Casing Alignment” 기준선은 터빈 설계에 따라 다르나 축중심선 기준과 베어링 페데스탈 기준으로 대별할 수 있다. 터빈을 수년간 운전하면 기초 변화, 열응력 및 진동에 의한 위치 변동, 각종 “Casing Key”, “Shim Plate”, 고정 볼트의 마멸과 이완 또는 배관을 포함한 구조물의 변화 등으로 정밀하게 조정된 케이싱의 배열이 변동하게 된다. 터빈 케이싱은 외부 케이싱과 내부 케이싱이 2중으로 구성되어 있으며, 우선 외부 케이싱을 정렬한 다음 외부 케이싱을 기준하여 내부 케이싱을 정렬하는 것이 순서이다. 터빈 정비 공사시에는 반드시 케이싱의 변동 사항을 확인하여야 하며 이 경우 일정한 측정점을 정하여 측정 결과를 기록해 둔다. 이 기록을 계속 정리해 두면 터빈 케이싱의 경년 변화를 판단할 수 있고 케이싱 정렬 시행 여부도 판단할 수 있다.
“Casing Alignment” 방법으로는 ① 피아노선 (Piano Wire 또는 Tight Wire) 방법 ② 기준축 (Dummy Shaft) 방법 ③ 광선 방법 및 ④ Laser선 방법이 있는데 기본 원리는 모두 같다. 여기서는 피아노선 방법에 대하여 상세히 언급하며 근래 사용이 확대되는 Laser Shaft Alignment System에 대하여는 다음에 별도로 소개한다.
전체 터빈의 전후 기준점에 피아노 선을 팽팽히 쳐서 이 선을 기준으로 하여 케이싱 또는 Diaphragm과의 거리를 측정, 중심 조정을 한다. 측정은 정밀도를 필요로 하기 때문에 측정을 잘하는 두 사람을 선정하여 이들로 하여금 각기 측정토록 하여 두 데이터를 비교하면 좋다. 또 피아노선이 움직이면 정렬을 하는데 많은 시간이 소요되며 정확한 측정이 어려우므로 측정자 이외는 출입하지 못하도록 해야하며, 바람이 불어도 피아노선이 흔들리므로 그 대책을 세워야 한다. 또 측정시 주의할 것은 피아노선이 녹이나거나 구부러진 것을 사용해서는 안되며 측정중 종종 피아노선에 부착된 먼지를 닦아준다. 또 하나 유의하여야 할 것은 Piano Wire Setting 및 측정 Point 선정이다. 끼워 맞춤부나 녹이 많이 발생한 부위는 피해야 하며 기계 가공으로 진원이 확보된 위치를 선정한다.
2.1 計測 器具 (Measuring Instruments and Tools)
• 전자식 Inside Micrometer 및 Receiver
• Inside Micrometer 연결봉
– 철제 ( 3/8″ 환봉의 선단에 Stellite 육성할 것 )
– 목제 ( 떡갈나무의 선단에 금속을 씌울 것 )
• 피아노선 B종, 직경 0.4 ㎜ (0.16″)
• 추의 중량 13.608 ㎏ (30 lb± 2 oz : Hook 포함)
• 피아노선 지지 Jig (조정 기구)
• 알루미늄 봉
그림 2-21 Piano Wire Alignment 측정 기구
2.2 피아노 선의 처짐량 (Amount of Piano Wire Sag)
피아노 선을 그림 2-22와 같이 설치했을 때 피아노 선 자체의 중량에 의해 선이 밑으로 처지는 현상이 생긴다. 이 처짐 현상을 Sagging이라 하며 두 고정점간의 중간 위치에서 최대 처짐량이 생기고 고정점으로부터 거리에 따라 처짐량이 다르다. 이 처짐량 계산식은 다음과 같으며 여기서 구한 처짐량에다 상/하 실측치를 더하면 이론적인 기준선과의 실제 거리(상/하)가 된다.
여기서 S : 피아노선의 처짐량(m)
W : 피아노선의 중량(㎏/m)
피아노 선의 비중 7.85, 중량 0.986 ㎏/m
P : 추의 중량(㎏)
D : 고정점 간의 거리(m)
L : 고정점부터 측정점까지의 거리(m)
처짐량은 상기 공식에 의하여 일일이 계산하여도 되지만 번거럽고 또한 기계의 고정점간의 거리는 변하는 것이 아니며 동일한 피아노선과 추를 사용한다면 표 2-1과 같이 공식에 의거 미리 계산된 Sag Chart를 이용하면 현장에서 사용시 대단히 편리하다.
그림 2-22 피아노선의 처짐
표 2-1 Sag Chart (단위: 1/1000 ㎜)
2.3 計測 (Measuring)
① 피아노선의 지지점간의 거리를 기록한다.
② 피아노선 지지점에서 각 측정점까지의 거리를 계측, 기록한다. 지지점간의 1/2까지 측정했으면 반대측의 지지점에서 계측한다.
③ 피아노선의 처짐량을 계산하여 기록한다.
④ 그림 2-21과 같은 이어폰이 달린 Inside Mecrometer를 사용하여 각 측정점에서 좌, 우, 하 3곳의 거리를 계측하여 기록한다.
2.4 Casing Alignment 施行 豫 (Instance for Casing Alignment)
그림 2-23과 같이 저압 터빈 케이싱 A, B의 Alignment 상태를 측정하고자 피아노 선을 쳤다. 케이싱 A의 후(Rear)측이 설정값에 있다고 가정한다. 또 케이싱 A 및 B의 전/후 측에서의 피아노선 처짐량 X, Y, G, H는 처짐량 공식에 의해 구할 수 있으나 이미 계산해놓은 Sag Chart를 이용하면 쉽게 알 수 있다. 또 케이싱에서 피아노 선까지 실측한 거리를 C, D, E, F라 하자. X, Y, G, H를 Sag Chart에서 찾아 이 값에 실측치를 더하여 얻은, 케이싱 A, B의 전/후측에서 기준선까지 실제 거리는
C+X = 69.85 ㎜ + 0.267 ㎜ = 70.117 ㎜
D+Y = 61.60 ㎜ + 0.854 ㎜ = 62.454 ㎜
E+G = 55.25 ㎜ + 0.900 ㎜ = 56.15 ㎜
F+H=52.70 ㎜+0.535 ㎜=53.235 ㎜
그림 2-23 Casing Alignment 상태 측정
케이싱 A의 후측이 설정 목표치상에 있으므로( D+Y=62.454 ㎜), 케이싱 A의 전측은 (D+Y)-(C+X)=62.454 ㎜-70.117 ㎜=-7.663 ㎜(올림). 케이싱 B의 전측은 (D+Y)-(E+G)=62.454 ㎜-56.15 ㎜=6.304 ㎜(내림). 케이싱 B의 후측은 (D+Y)-(F+H)=62.454 ㎜-53.235 ㎜=9.219 ㎜(내림). 이와 같이 내리거나 올리면 상/하 조정이 완료된다.
2.5 Diaphragm 整列 施行 豫 (Instance for Diaphragm Alignment)
케이싱을 정렬한 후 다음 단계는 Diaphragm을 정렬하는 것이다. 케이싱 이동 방법과 마찬가지로 측정 및 계산에 의하여 Diaphragm을 이동시켜야할 값이 산출되면 실제로 Diaphragm을 어떻게 이동시키는가 하는 문제에 직면하게 된다. 통상 Diaphragm은 그림 2-24와 같이 좌/우 2개의 Support Bar와 하부 중앙에 1개의 Centering Pin에 의하여 지지되는데 이것들을 조정하여 Diaphragm을 이동시킨다.
그림 2-24 Diaphragm의 지지 형태
첫 번째 방법은 이동하는 량만큼 Key를 조정하는 방법이다. 즉 상/하 이동을 위하여는 좌, 우 Support Bar의 Shim량을 조정하고, 좌/우 이동을 위하여는 Centering Pin을 조정(Shim 조정 형식인 경우 Shim을 조정하고 아니면 Pin을 가공)하는 방법이다. 예를 들면 Diaphragm을 위로 0.15 ㎜ 이동시키고 싶으면 좌, 우 Support Bar에 각각 0.15 ㎜의 Shim을 추가하며, 우측으로 0.3 ㎜ 이동시키려면 Centering Pin의 우측에 0.3 ㎜를 Shim 추가 혹은 육성하고 좌측은 0.3 ㎜ Shim 제거 혹은 절삭한다.
두 번째 방법은 상/하 이동은 첫 번째 방법과 같으나 좌/우 이동이 다른 경우인데 좌/우 이동을 위하여 첫 번째 방법은 Centering Pin을 직접 조정한데 반하여 이는 Centering Pin은 그대로 두고 좌, 우 Support Bar를 조정하여 좌/우로 이동시키는 것이다. 즉 Centering Pin을 기준으로 Diaphragm을 굴리는 것과 같은 원리이다. 이 방법으로 Diaphragm을 좌측으로 0.2 ㎜ 이동시키려면 좌측 Support Bar의 Shim은 0.2 ㎜를 제거하고 우측 Support Bar에는 0.2 ㎜를 추가하는 것이다. 이의 원리를 설명하면 다음과 같다. 이해를 쉽게 하기 위하여 Diaphragm을 그림 2-25와 같이 “T”로 간략화 하여 생각한다.
그림 2-25 Diaphragm을 T자로 생각한 모양
만약 그림 2-26과 같이 Pivot Point를 “A”로 하여 “B”를 위로 움직이면 “C”는 선분 AB=BC이므로 같은 크기로 아래로 이동한다. 또한 D는 선분 AB=BC=AD이므로 같은 량으로 좌측으로 이동한다. 만약 이동량이 아주 작다면 이동 궤적은 화살표로 표시한 것처럼 거의 직선이 된다. 이제 Pivot Point를 그림 2-27과 같이 “A”에서 “D”로 옮기고 “B”를 위로, “C”를 아래로 같은 량 이동하면 “D”는 고정되어 있으므로 “A”가 우측으로 같은 크기로 이동한다
그림 2-26 A점을 중심으로 Diaphragm 굴리기
그림 2-27 D점을 중심으로 Diaphragm 굴리기
그러나 Centering Pin의 Clearance 한계, 수평 접합면의 상, 하 이동 허용 한계 등으로 Diaphragm을 굴려서 이동할 수 있는 크기에는 제한이 있으며 Diaphragm 설계에 따라 다르기는 하나 통상 수평 상태로부터 Diaphragm 직경 1 inch당 0.001″이다. 예를 들어 Diaphragm 직경이 30 inch이면 0.030″를 이동시킬 수 있다. 만약 이 이상 이동하여야 할 경우 Centering Pin을 좌/우 비대칭으로 가공하여야 한다.