증기터빈은 고온·고압의 증기를 이용해 터빈을 회전시켜 발전기를 구동함으로써 전기를 생산하는 장치입니다. 이 과정에서 베어링, 커플링, 터닝기어는 시스템의 효율성과 안전성을 보장하는 중요한 부품들로, 각각 고유의 역할을 수행합니다. 이번에는 증기터빈의 안정적인 작동을 위해 필수적인 베어링, 커플링, 터닝기어의 기능과 역할을 상세히 알아보겠습니다.
증기터빈 베어링의 역할과 종류
증기터빈 베어링은 터빈의 회전 축을 지지하고 안정적으로 회전할 수 있게 해주는 장치로, 고온 및 고압의 환경에서도 안정적으로 작동해야 합니다. 베어링은 회전 부품이 마찰을 최소화하고, 고속 회전 시 발생하는 진동을 줄이며 시스템의 내구성을 높이는 중요한 역할을 합니다.
저널 베어링 (Journal Bearing)
저널 베어링은 로터를 지지하는 반경 방향의 힘을 감당하는 장치로, 터빈의 회전 축과 접촉하여 안정성을 제공합니다. 로터의 중심선과 베어링의 중심을 일치시키고, 베어링 하부로 공급된 윤활유가 베어링과 로터 사이에 윤활층을 형성하여 마찰을 줄입니다. 저널 베어링의 간극은 윤활유 점도와 축의 속도에 따라 조정되며, 간극이 너무 크거나 작으면 진동이 발생할 수 있으므로 적절한 관리가 필요합니다. 일반적으로 터빈 로터 양 끝단에 설치되며, 강제 급유 시스템을 통해 약 1.8 kg/cm²의 압력으로 윤활유를 공급합니다.
추력 베어링 (Thrust Bearing)
추력 베어링은 증기 흐름에 의해 발생하는 축 방향 힘을 지지하는 역할을 합니다. 터빈 회전체와 고정체가 추력에 의해 마찰이 발생하면 로터가 손상될 수 있으므로, 추력 베어링을 설치하여 축 방향의 이동을 방지하고, 시스템의 안정성을 유지합니다. 주로 Tilting Pad형과 Taper Land형이 있으며, 대용량 터빈에 적합한 형태가 선택됩니다.
베어링 온도 관리
베어링의 온도는 효율과 안전에 중요한 요소입니다. 온도가 상승하면 윤활유의 점도가 감소하여 윤활층이 얇아지고, 유막이 파괴되면서 베어링 금속이 손상될 수 있습니다. 보통 윤활유는 약 43~49°C의 온도로 공급되며, 베어링 통과 후에는 60°C 내외로 온도가 상승합니다. 일반적으로 베어링 온도가 80°C를 초과하면 경고 알람이 울리며, 120°C에 도달하면 터빈이 자동 정지됩니다. 따라서 온도 관리를 통해 베어링 손상을 방지하는 것이 매우 중요합니다.
증기터빈 커플링의 기능과 중요성
증기터빈 커플링은 터빈 회전력을 발전기로 전달하는 부품으로, 두 축을 결합하여 동력을 전달하고 정렬 상태를 유지해줍니다. 터빈과 발전기 사이에 설치된 커플링은 토크 전달을 가능하게 하여 전기 생산을 원활하게 하고, 시스템의 신뢰성을 높입니다. 커플링은 볼트 결합을 통해 안정적으로 연결되며, 과부하가 걸릴 경우에는 축 연결 볼트가 먼저 파손되도록 설계하여 시스템의 과부하 충격을 완화할 수 있습니다.
커플링은 또한 축과 발전기 간의 미세한 정렬 불일치에도 유연하게 대응하며, 안정적인 동력 전달을 위해 중요한 역할을 합니다. 만약 커플링이 잘못 설치되면 정렬 불량으로 인해 진동과 마모가 발생할 수 있어, 정확한 설치와 정기적인 점검이 필요합니다.
증기터빈 터닝기어의 역할과 작동 방식
터닝기어는 터빈의 기동 전후 또는 정지 후에 로터가 저속으로 회전하도록 하여 축 변형을 방지하는 장치입니다. 터빈이 정지할 때 로터의 온도 차가 발생할 수 있는데, 이때 터닝기어가 작동하여 로터를 일정 속도로 회전시키면 온도 불균형을 줄일 수 있습니다. 이로 인해 정지 후에도 터빈 내부 구성 요소들이 균일하게 식으며, 터빈이 다시 기동될 때 변형 없이 원활하게 작동할 수 있습니다.
터닝기어의 구동 방식은 크게 전동기 구동 방식과 고압유 터빈 구동 방식 두 가지로 나뉩니다.
전동기 구동 방식: 터빈의 축 이음부를 감속 기어와 연결하여 전동기로 구동합니다. 회전 속도가 저하되기 시작하면 전동기가 터빈을 저속으로 회전시켜 정지 전 안정성을 확보합니다.
고압유 터빈 구동 방식: 고압유를 사용하여 유압 모터를 구동하며, 터빈 축을 회전시킵니다. 이는 윤활유 펌프에서 발생하는 압력을 이용하여 회전 동력을 제공합니다.
터닝기어는 보통 약 25 rpm의 저속으로 회전하며, 터빈의 회전 속도가 증가하면 자동으로 정지합니다. 터닝기어는 터빈의 온도가 약 100150°C 수준에서 정지되며, 더 낮은 온도에서 냉각이 필요할 경우 상온까지 냉각 후 완전 정지시키기도 합니다.
증기터빈 시스템에서 베어링, 커플링, 터닝기어의 중요성
증기터빈의 베어링, 커플링, 터닝기어는 각각 중요한 기능을 수행하여 증기터빈 시스템의 안정성과 효율을 보장합니다. 베어링은 터빈 회전의 지지와 윤활을 제공하여 시스템의 내구성과 효율을 높이고, 커플링은 동력 전달과 정렬을 유지하여 안전한 운전을 보장합니다. 터닝기어는 정지 시 로터의 온도 차로 인한 변형을 방지하여 시스템의 안정성을 높이며, 터빈을 재가동할 때도 손상이 없도록 돕습니다.
이러한 부속품들은 모두 증기터빈이 고온과 고압 환경에서 안전하게 운영되기 위해 필요한 장비들로, 정기적인 유지보수와 정확한 설치가 필수적입니다. 증기터빈 시스템의 효율성과 안전을 위해, 베어링의 온도 관리, 커플링의 정렬 유지, 터닝기어의 저속 회전 등 각 장치의 정확한 운용이 필요합니다.
증기터빈의 안정적 운영은 발전소와 산업 현장의 에너지 효율을 높이는 중요한 요소입니다. 따라서 각 장치의 특성과 유지 방법을 이해하고 적절히 운용하는 것이 증기터빈의 성능을 최적화하는 열쇠가 됩니다.