Plot, Calculation and Exercise for Shaft Alignment
4.1 축정렬 공식 (Formula for Shaft Alignment)
4.2 베어링 Shim Plate 조정 방법 (Adjustment of Bearing Shim Plate)
4.3 축정렬 선도 작성법 (How to Draw Shaft Arrangement Plot)
4.4 축정렬 도상 연습 (Exercise on the Map of Shaft Alignment)
1 축정렬 공식
Formula for Shaft Alignment
4.1.1 槪要 (Summary)
이 축정렬 교정방법은 Rigid Coupling을 가지는 모든 회전기계 특히 고속, 대형 및 다축 회전기계 축정렬에 아주 적합한 방법이다. 또한 이 방법은 큰 Spool Piece가 없는 Flexible Coupling에도 적용할 수 있다.
축간의 축정렬 상태를 측정한다는 것은 일반적으로 커플링에서 Face값과 Rim값을 측정하는 것이고, 축정렬의 이상적인 최종 목표는 회전기계가 정상운전 조건(Hot 상태)하에서 Face 및 Rim 값이 모두 “0”인 Smooth Alignment 상태가 되도록 정지중 상온 상태(Cold 상태)하에서 미리 조정하는 것이다. 이와같이 열성장하는 회전기계에 대해서는 제작자가 상온상태(Cold 상태)에서의 축정렬 설계도(Catenary Diagram)를 제공하고 있다. 그러나 이 축정렬 선도 (기준치)는 열계산 결과의 값이므로 실 기계에서는 운전상태에 따라 다를 수 있으므로 운전 및 정비이력을 면밀히 조사 분석하여 최적 축정렬 상태를 구하여 이를 기준하여 축정렬을 재시도 하여야 한다.
Alignment 값은 인접 로터 Coupling간의 상대적인 값이므로 한 로터를 기준으로 할 때 조정하고자 하는 로터의 Face 및 Rim 값이다. 예를들면 그림 2-39와 같이 LP Rotor를 기준으로 하여 HP Rotor를 조정하고자 한다. 축정렬은 베어링을 이동하는 것이므로 Bearing Alignment라고도 한다. 따라서 HP Rotor를 이동, 조정할 때 #1 베어링을 이동하는 경우와 #2 베어링을 이동하는 방법 및 #1, 2 베어링을 동시에 이동하는 방법이 있게된다.
그림 2-39 기준 로터와 조정 로터
4.1.2 #1 베어링 調整 (Movement of #1 Bearing)
그림 2-40은 조정 로터인 HP Rotor의 #1 베어링을 h만큼 이동 시켰을 때 Face(f)와 Rim(r)의 변화치를 구하려는 것이다. 이 그림에서 △MON
2 베어링 Shim Plate 조정
Adjustment of Bearing Shim Plate
축정렬 작업은 축을 상, 하, 좌, 우로 이동하여 축을 정렬하는 것이다. 그런데 그림 2-42와 같이 축은 베어링 위에 얹혀있고, 베어링은 조정 Ring 위에 놓여있으며 또 조정 Ring은 베어링 페데스탈과 구면 접촉면을 갖는 베어링 Shim Pad에 의해 지지된다. Shim Pad와 베어링 사이에 Shim Plate가 있는데 이 두께를 가감하여 축을 이동하게 된다.
그림 2-42 베어링의 구조도
베어링을 상, 하, 좌, 우로 이동하고자할 때 Shim Pad의 위치가 수직(아래) 및 수평(좌, 우)에만 있으면 축정렬표 2-2를 그대로 이용하면 되는데 이 Shim Pad 위치가 회전기계마다 또 같은 회전기계라도 베어링마다 다른 경우가 많다.
이러한 경우 베어링의 상, 하, 좌, 우 이동량에 해당하는 Shim Plate의 조정량을 산출할 필요가 있다. 그림 2-43은 Shim Plate 조정량 산출 공식이다.
여기서 V = 베어링의 수직방향 이동량
Vc = Shim Plate의 수직 방향 가감량
H = 베어링의 수평방향 이동량
Hs = Shim Plate의 수평 방향 가감량
θ1,θ2 = Shim Plate 위치 각도
발전소 터빈 베어링의 Shim Plate 위치는 대략 표 2-3의 그림과 같으므로 베어링 이동량에 해당하는 각 Shim Plate 위치별로 Shim Plate 조정량을 앞의 공식에 따라 계산하여 조정하면 되며 이를 이용하기 쉽게 표로 만든 것이 표 2-3의 Bearing Shim Table이다.
그림 2-43 베어링 이동량과 실제 쉼 조정량 계산 공식
표 2-3 Bearing Shim Table
3 축정렬 선도 작성법
How to Draw Shaft Arrangement Plot
축정렬 상태 측정용 Dial Gauge를 그림 2-44와 같이 설치하고(실제로 이와 같이 설치하면 회전시 축의 축방향 이동으로 Face 측정값에 오류가 발생하나 여기서는 축방향 이동이 발생치 않는 것으로 가정하며 또한 Face 측정용 Dial Gauge 지침이 커플링 뒷면을 읽도록한 것은 Block Gauge로 측정한 값과 부호가 같도록 하기 위해 이렇게 설정한 것임), 기준 로터와 조정 로터를 동시에 90°씩 회전시켜 측정한 값은 다음과 같다. 이 경우 로터의 Alignment 상태를 수직면(상, 하 방향)과 수평면(좌, 우 방향)으로 나누어 작도해 본다.
그림 2-44 Alignment 측정용 Dial Indicator 설치 예 (단위 : 1/100 ㎜)
4.3.1 垂直(上, 下) 狀態圖 (Side View Plot)
㉮ Dial Gauge를 상부에 놓고 지침을 영(Zero)로 조정해 놓는다. 즉 Rim이나 Face 모두 시발점이 영(Zero)이다.
㉯ 두 로터를 180° 회전시켰을 때 Dial Gauge에 나타난 Rim값은 -0.20 ㎜, Face 값은 +0.15 ㎜를 나타냈다.
㉰ 상부를 기준(Zero Setting)으로 했을 때 Rim 값의 -0.20 ㎜는 조정 로터 커플링이 기준 로터 커플링보다 0.1 ㎜ 올라가 있는 상태이다. 즉 측정값은 Dial Gauge의 지시치(TIR 값)이므로 Rim 측정 Dial Gauge 지시치 -0.20 ㎜의 반인 -0.10 ㎜ 만큼 커플링의 중심이동이 Offset 되어있는 상태이다. 또한 부호가 (-)인 것은 기준 로터보다 조정 로터가 올라가 있는 상태를 말한다. 만일 (+) 기호이면 조정 로터가 기준 로터보다 밑으로 내려가 있는 상태이다. 이 상태를 그림으로 나타내면 그림 2-45와 같다.
㉱ 상기 ㉰항에서와 같이 Face 값도 상부에서 영(Zero)이고 두 로터를 동시에 180°회전시켰을 때 하부에서의 Gauge 지시치가 +0.15 ㎜이었다. 앞의 그림 2-44와 같이 계측기를 설치했기 때문에 (+) 부호는 기준 로터 커플링과 조정 로터 커플링이 상부보다 하부에서 0.15 ㎜ 더 벌어져 있음을 나타낸다. 만일 (-) 부호라면 좁아져 있는 상태가 된다. 이를 그림으로 나타내면 그림 2-46과 같다.
그림 2-45 Rim의 수직(상, 하) 상태도
그림 2-46 Face의 수직(상, 하) 상태도
㉲ 상기 ㉰ 및 ㉱항에서 작도한 두 그림을 종합하면 그림 2-47과 같이 기준 로터에 대한 조정 로터의 상/하 방향의 상대 위치를 나타낸다. 즉 기준 로터에 대하여 조정 로터가 0.1 ㎜ 올라가 있고 하부가 0.15 ㎜ 벌어져 있는 상태이다.
그림 2-47 Rim 및 Face의 수직(상, 하) 상태도
4.3.2 水平(左, 右) 狀態圖 (Top View Plot)
㉮ 수직 상태도에서는 상부를 기준점(Zero)으로 잡았으나 수평 상태도에서는 좌측을 기준점으로 삼는 것으로 한다.
㉯ 기준 로터와 조정 로터를 동시에 90° 및 270°회전 시켰을 때 Rim 및 Face의 TIR 값이 각각 -0.05 ㎜, -0.15 ㎜와 +0.05 ㎜, +0.10 ㎜이므로 좌측을 기준점으로 하면 Rim 값은 90°에서 0.0 ㎜, 270°에서 -10 ㎜, Face 값은 90°에서 0.0 ㎜, 270°에서 +0.05 ㎜가 된다.
㉰ ㉯항에서 Rim의 TIR값이 -0.10 ㎜ 이므로 기준로터와의 중심선으로부터는 TIR값의 반인 -0.05 ㎜ 차이가 있게된다. Rim 값을 작도하면 그림 2-48과 같다.
그림 2-48 Rim의 수평(좌, 우) 상태도
㉱ Face의 TIR 값이 +0.05 ㎜이므로 조정 로터의 우측 커플링 면이 기준 로터의 커플링 면으로부터 0.05 ㎜ 벌어져 있는 상태가 된다. 이를 작도하면 그림 2-49와 같다.
그림 2-49 Face의 수평(좌, 우) 상태도
㉲ 상기 ㉰ 및 ㉱항에서 작도한 두 그림을 종합하면 기준로터에 대한 조정 로터의 상대위치를 나타낸다. 즉 기준 로터에 대하여 조정 로터가 좌측으로 0.05 ㎜ 이동되었고 우측이 0.05 ㎜ 벌어져 있는 상태이다. 이를 종합 작도하면 그림 2-50과 같다.
그림 2-50 Rim 및 Face의 수평(좌, 우) 상태도
4 축정렬 도상 연습
Exercise on the Map of Shaft Alignment
4.4.1 軸整列 基準値 및 測定値 (Design Value and Readings of Shaft Alignment)
평택화력 1, 2호기 터빈 로터의 Alignment 설계 기준치가 그림 2-51과 같다고 하자.
또한 그림 2-51 로터에서 후측 커플링에 브라켓을 고정시키고 전측 커플링에 Dial Gauge를 설치, 전체 로터의 Alignment 상태를 측정한 결과 그림 2-52와 같았다. Rotor Position을 측정한 결과 LP2 Rotor는 기준선 위에 있다고 가정한다. 측정값을 기록할 때 보통 단위를 1/100 ㎜로 하기 때문에 여기서 사용된 단위도 1/100 ㎜로 하였다.
그림 2-51 평택화력 1호기 터빈의 축정렬 기준치
4.4.2 軸整列 線圖 作成 (Plotting Top and Side View of Shaft Alignment)
터빈에서 발전기측을 보아 방향을 상, 하, 좌, 우로 정하며 상/하 상태도에서는 상측을 기준(Zero)하고 좌/우 상태도에서는 좌측을 기준(Zero)하여 상대 편차를 고려한다.
(1) Face 상태도
상하 또는 좌우 Face 측정값을 상대 비교하여 수직 및 수평 상태도를 작도할 때 상측 또는 좌측값을 기준(0)으로 하기 때문에 하측값 또는 우측값이(+)이면 커플링의 하측면 또는 우측면이 벌어진 상태이고, (-)이면 상측 및 좌측면이 벌어진 상태이다.
그림 2-52 축정렬 상태 측정치
(2) Rim 상태도
상하 또는 좌우 Rim 측정값을 상대비교하여 수직 및 수평 상태도를 작도할 때 상측 또는 좌측값을 기준(0)으로하기 때문에 하측값 또는 우측값이 (+)이면 다이얼 인디케이터가 설치된 전측 커플링이 기준(후측) 커플링보다 하부로 또 우측으로 이동된 상태이다.
Rim 측정값은 TIR 값이므로 두 축간의 축중심 편차는 TIR값의 1/2이다.
그림 2-52의 Face 및 Rim 측정값을 4.3항과 같은 방법으로 축정렬 상태를 작도한 것이 그림 2-53이다.
그림 2-53 축정렬 상태도
4.4.3 베어링 垂直 方向(上/下) 移動 (Vertical Movement of Bearing)
축정렬하는 순서는 LP2 Rotor가 기준선 위에 있는 기준 로터이므로 이를 기준하여 LP1 Rotor를 이동하여 설계치로 축정렬 한 후 같은 방법으로 이미 이동한 LP1 Rotor를 기준하여 HIP Rotor를 이동하여 축정렬 한다. 그런후 LP2 Rotor를 기준하여 Generator Rotor를 축정렬하는 것으로 한다.
Shaft Alignment Table은 표 2-2(평택화력 발전소의 경우)를 이용하며, 표 2-4와 같은 양식을 사용, 일목 요연하게 계산 과정을 정리 하면 최종 이동 필요량을 쉽게 계산할 수 있다. 여기서 기호는 편의상 사용한 것이며 화살표(↑↓)는 베어링을 이동해야할 방향을 나타내고 별표(*)는 Rim 상태(Rim값을 나타내는 숫자를 중심으로 좌 혹은 우측에 별표(*)를 하는데 *가 표시된 측의 커플링이 위로 돌출하였음을 나타냄)를 표시하고 꺽쇠(∧,∨)는 커플링 Face의 모양을 나타낸다.
또한 이러한 계산 과정을 모두 컴퓨터에서 수행하는 Alignment Program이 개발, 운영되고 있다. Program에서 목표치(설계치)와 현재 상태를 입력하면 베어링 이동량 뿐만 아니라 베어링 심(Shim)의 조정량까지 계산하여 출력한다.
표 2-4 베어링 수직 방향(상, 하) 이동량 계산표
4.4.4 베어링 水平 方向(左/右) 移動 (Horizontal Movement of Bearing)
베어링의 수평방향 이동량 산출결과는 표 2-5와 같으며 계산 방법은 상/하 이동 계산 방법과 같다. 그러나 Alignment 상태도의 방향이 수직 이동시와 달라 혼동하기 쉽다. 따라서 左는 上이라고 생각하고 右는 下라고 생각하여 작성하면 된다. 어느 터빈이든 특별한 경우를 제외하고는 좌/우 Alignment 기준치는 Rim 및 Face 모두 영(Zero)임을 유의해야 한다. 여기서도 기호는 편의상 사용한 것이며 화살표(←, →)는 베어링의 이동해야할 방향을 나타내고 별표(*)는 Rim 상태(Rim값을 나타내는 숫자를 중심으로 좌 혹은 우측에 별표(*)를 하는데 *가 표시된 측의 커플링이 돌출하였음을 나타냄)를 표시하고 부등호(<, >)는 커플링 Face의 모양을 나타낸다.
표 2-5 베어링 수평 방향(좌, 우) 이동량 계산표
4.4.5 베어링 Shim Plate 調整 (Bearing Shim Plate Adjustment)
앞의 “4.4.3” 및 “4.4.4”항에서 베어링의 수직 및 수평방향 이동량을 산출하였다. 그러나 평택화력 터빈 베어링의 Shim Plate 위치는 베어링별로 각각 다르다. 따라서 상기 “4.2”항에 의거 각 베어링 별로 베어링의 상/하, 좌/우 이동량에 해당하는 Shim Plate 두께량을 표 2-6 및 2-7과 같이 산출하여야한다.
(1) 수직(상, 하) 방향의 Shim Plate 조정
표 2-6 수직(상/하) 방향의 Shim Plate 조정량 계산
(2) 수평(좌, 우) 방향의 Shim Plate 조정
표 2-7 수평(좌/우) 방향의 Shim Plate 조정량 계산
(3) 최종 베어링 Shim Plate 조정량
베어링의 상/하나 좌/우 이동은 모두 Shim Plate를 삽입 혹은 취외하므로써 행해지므로 이를 종합하여 조정하면 동시에 상, 하, 좌, 우 이동을 하게되고 또 각 베어링 별로 동시에 작업하면 일시에 터빈/발전기 Bearing Alignment가 완료된다. 표 2-8은 앞의 “(1), (2)”항의 Shim Plate량을 합한 값이다.
표 2-8 최종 베어링 Shim 조정량
