[논문]터빈-발전기 Rubbing 진동 이론과 사례

김하용

문제 정의

Rub 진동 신호가 불분명하게 나타나면 다른 진동원인, 즉 회전체 불평형(unbalance)이나 열 변형(thermal growth) 또는 공진에 의한 진동으로 오인하여 문제 해결을 어렵게 할 수 있다. 여기서는 회전기계의 일반적인 rub 이론을 간략히 설명하고, 현장 기술자들에게 도움이 될 수 있는 터빈増전기의 rub 진동특성과 필자가 경험하고 진단한 실제 rub 사례를 소개하고자 한다.

가설 설정

2) 냉간 기동 중 critical speed 부근에서 발생하기 쉽다. 탄성 로터는 critical speed에서 축 휨이 가장 크게 발생하기 때문에 간日이 가장 작은 seal 부위에서 rub가 발생한다.
3) Rub가 발생하면 축에 충격력과 마찰력이 발생한다.
3) 열 응력에 의한 케이싱 뒤틀림은 rub를 발생한다.
4) 베어링 또는 축의 정렬상태가 불량하면 rub가 발생한다.

제안 방법

Rub 를 확인하기 위하여 회전수를 320rpm에서 400rpm으로 승속하자 진동은 더욱 증가하였다. 과도한 rub일 경우 축을 영구적으로 휘게 할 수 있으므로 터빈을 보호하기 위하여 정지하였다. 정지 도중에 는 더욱 격렬한 rub가 발생하면서 lOOrpm에서 진동은 250如를 초과하였다.
그래서 rub를 해소하기 위한 가장 효과적이고 간단한 작업으로 케이싱을 이동시켜 rub 발생을 해소하기로 하였다. 작업 방법은 터빈 베어링과 로터는 움직이지 않고, 케이싱만 상부로 이동시키기는 것이다.
것으로 예상되었다. 그래서 터빈 정지 후 3시간동안 터닝 및 증기워밍을 추가로 실시하여 케이싱 온도편차를 30도 이내로 감소시킨 후 재기동하였다.
그래서 진동교정은 2가지 방법을 검토하였다. 먼저 터빈 rub는 아주 심각한 정도는 아니므로 weight balancing을 실시하여 축 진동감소 만으로 rub 현상이 개선될 것으로 예상되었고, 발전기 rub는 매우 심각한 상태이므로 베어링 oil deflector와 발전기 air seal을 점검하여 교정하고 추가로 balancing도 실시하기로 하였다. Balancing을 실시하는 이유는 IX 진동을 감소시키면 진동에 의한 rub 발생 조건이 줄어들기 때문이다.
오배홀 공사 중 N₂ packing(증기밀봉 시스템)을 교체하였다. N₂ packinge [그림 15]에서 HP 터빈과 IP 터빈 사이에 설치되어 두 터빈간의 증기 누성을 방지하는 역할을 하며, labyrinth seaJS 구성되어 있다,

성능/효과

1) 로터의 과도한 축 진동은 케이싱과 rub를 일으킬 수 있다.
2) 로터와 고정부품 사이의 불충분한 간극은 rub가 발생하기 쉽다.
2) 비선형적이고, 무질서하며, 과도적인 진동 특성을 갖는다.
3) Seal과 축의 rub는 축을 국부적으로 과열시키기 때문에 축 휨과 함께 unbalance 성분의 IX 진동이 발생하는 것이 대부분이다. 이 경우 효과적인 rub 감시는 축 진동을 분석하는 것이다.
4) Se&l에서 rub가 심하게 발생할 경우 분수배 주파수가 발생하지만 경미한 rub일 경우 분수배 주파수가 발생하지 않는다. 이 경우에는 IX 진동 진푹과 위상각 변화로 진단할 수 있다.
Balancing 및 seal rub 교정작업 후 터빈 및 발전기 모두 rub 현상이 완전히 소멸되어 터빈 베어링 최대진동은 170即1에서 70邮로, 발전기 베어링 진동은 37珈响 서 UQm로 감소하여 정상운전을 할 수 있게 되었다.
또 운전 데이터 분석결과도 HIP 터빈의 상/하부 케이싱 온도 편차가 80S 이상 크게 발생하고 있었다. I파라서 rub 발생은 온도 편차에 의한 케이싱 뒤틀림과 새로 교체한 N₂ packing seal 간극의 협소가 복합적으로 작용한 것으로 최종 판단되었다.
그러므로 진동 원인은 rub로 판단되며, 그 영향으로 축 휨이 발생하면서 운전시간 경과에 따라 진동이 증가하고, 분수배 주파수가 발생하는 것으로 진단하였다.
케이싱만 상부로 이동할 경우 rub가 발생하는 seal의 상부에서 간극은 커지므로 rub는 해소되지만 케이싱 하부의 seal 간극은 줄어들며, 또 다른 문제로 blade 간극변화 및 로터 편심 등이 불량해 질 수 있기 때문에 신중한 검토가 이루어졌다. 운전 및 정비관련 각종 데이터들을 검토한 최종결론은 케이싱을 상부로 O.25mm 이동하는 것이다.
진동교정 작업 검토결과 신품 seal의 마모가 조금 더 진행되고, 케이싱 온도 편차가 줄어들면 rub가 자연 해소될 것으로 예상되었다. 그래서 터빈 정지 후 3시간동안 터닝 및 증기워밍을 추가로 실시하여 케이싱 온도편차를 30도 이내로 감소시킨 후 재기동하였다.
정지 도중에 는 더욱 격렬한 rub가 발생하면서 lOOrpm에서 진동은 250如를 초과하였다. 진동분석 결과 rub는 새로이 교체한 N₂ packing이며, 케이싱 상부의 seal과 축이 rub를 일으키는 것으로 판단되었다.
진동원인을 분석하기 위하여 주파수를 분석한 결과 진동은 모두 IX 진동이었으며, 분수배 주파수 진동은 발생하지 않았다. j차 critical speed에서 진동 증가는 unbalance인 경우가 대부분이지만 [그림 16]을 보면 lOOOrpm 증기워밍 중 진동이 이미 증가하기 시작하였으며, 기동과 정지 과정의 진동 및 위상각 차이가 발생하였다.

후속연구

진동계측 설비는 정상 운전 중에 연속적으로 진동감시를 할 뿐 아니라 rub를 진단할 수 있는 진동주파수 분석 (FFT), Cascade, Bode, Orbit plot 등을 취득할 수 있게 한다. 또한 이것은 Rubbing이 일어날 때 Rubbing을 탐지할 가능성을 높일 뿐 아니라 진동 제한치를 설정하여 탐지되지 않는 Rub에 의한 대형사고와 특히 파손 고장이 수 초 안에 일어날 수 있는 사고에 대하여 보호해 줄 것이다.

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