– Part I : Bearing Performance Analysis
An Sung Lee
†Dept. of System Dynamics Research, Mechanical Systems Safety Research Div.
Korea Inst. of Machinery and Materials
(Received July 8, 2012; Revised August 23, 2012; Accepted August 27, 2012)
Abstract − In this study, with the purpose of fundamentally improving the unbalance response vibration of a large PRT motor-generator rotor by design, a performance improvement design analysis is carried-out by ret- rofitting tilting pad bearings, replacing the plain partial journal bearings that were originally applied for operation at a rated speed of 1,800 rpm. In this process, a goal of the design analysis is to obtain a design solution for max- imizing the direct stiffness of the bearings while satisfying the key basic lubrication performance requirements such as the minimum lift-off speed and maximum oil-film temperature. The results show that with a careful design application of tilting pad journal bearings for operation at such a relatively low speed of 1,800 rpm, direct stiffness increment of the bearings by about two times can be effectively achieved. Prevention of pad unloading is also considered in the analysis. Moreover, the designs of elliptical and offset half journal bearings are also ana- lyzed and reviewed.
Keywords − large motor-generator(대형 모터-발전기), plain partial journal bearing(평 부분 저어널 베어 링), fixed geometry journal bearing(고정 형상 저어널 베어링), tilting pad journal bearing(틸팅 패드 저 어널 베어링), design retrofit(설계 개선), lubrication analysis(윤활 해석), rotordynamics(로터다이나믹스)
1. 서 론
중·소형 모터 또는 발전기에서는 로터의 지지회전을 위해 흔히 구조의 간편성 및 경제성을 고려하여 구름 베어링이 널리 사용된다. 그러나, 정유·석유화학 플랜 트 등에서 사용되는 프로세스용 또는 산업용 대형 모터, 발 전기의 경우는 높은 지지 하중, 효과적 냉각, 그리고 상 대적으로 낮은 운전속도 등을 고려하여 고정 형상을 갖 는 2-축 그루브(2-axial groove) 또는 평 부분(plain partial) 저어널 베어링 등이 사용되곤 한다. 이들 저어널
베어링은 다른 저어널 베어링 형식에 비해 형상이 단순 하여 제작이 용이한 반면, 윤활 또는 로터다이나믹스 설 계 특성을 변경시키는 데에는 설계적으로 매우 제한적 이다. 한편, 타원형, 오프셋 해프(offset half), 틸팅 패드 저어널 베어링으로 갈수록 형상과 제작이 어려워지는 반 면, 윤활 또는 로터다이나믹스 설계 특성을 변경시키기 는 데에 설계적으로 보다 자유롭게 된다.
Fig. 1 은 정유 고도화공정인 RFCC(Residue Fluid Catalytic Cracking)의 PRT(Power Recovery Train)에 적용된 외국사 제작 대형 모터-발전기 로터의 단순화된 해석 모델을 보여주며, 여기서, 전체 축 길이는 약 4 m
†주저자·책임저자 : [email protected]
에 로터의 총 질량은 약 8 ton에 달한다. 그림에서 모 터 휠은 중심부의 2개 집중 관성 디스크로, 그리고 여 자기(exciter)와 영구자석 발전기 휠은 왼쪽 끝단 부로 부터 2개의 집중 관성 디스크로 표현되어 있다.
상기 모터-발전기는 약 17년 전에 설치되어 운전되 고 있는 핵심 설비로, 로터는 2개의 평 부분 저어널 베어링에 지지되어 정격 1,800 rpm으로 회전한다. 당 설비는 상용 운전이래 윤활 또는 진동에 기인한 유지 관리 문제를 여러 차례 일으켰으며, 이를 해소하기 위 한 베어링 교체 및 저속 밸런싱 작업 후에도 그 효과 가 일관성에 있게 나타나지 않아 계속적으로 현안문제 가 되고 있다. 이는 베어링의 제작 품질 관리가 취약 하고, 여자기와 발전기 휠 그리고 모터 휠이 한 축상 에서 비대칭적으로 배치되어 있어 밸런싱 품질의 관리 또한 용이하지 않기 때문인 것으로 판단된다. 따라서, 베어링의 기본적인 요구 윤활성능을 만족하면서도, 제 작 품질의 정밀한 유지달성이 가능하고, 특히, 로터의 불균형 응답진동을 근본적으로 개선할 수 있는 베어링 의 설계 적용이 요구된다.
Nicholas[1,2] 는 다양한 고정 형상의 저어널 베어링 들과 틸팅 패드 베어링의 설계 특성을 상세 하게 보고 하였으며, API 684[3]는 이들 베어링에 대한 설계 지 침 등을 기술하고 있다. 국내에서도 특정 회전기계들 의 운전특성을 고려한 일부 고정형 베어링들의 설계 적용[4,5]과 함께 틸팅 패드 베어링의 적용[6]이 보고
되고 있다. 특히, Lee와 Kim[7]은 원자력 보일러 급수 부스터 펌프의 진동 개선을 위해 OEM(원제작사)의 압 력 댐 베어링(pressure dam bearing)을 틸팅 패드 베 어링으로 교체 설계 해석하였으며, 1,800 rpm의 비교 적 저속에서도 틸팅 패드 베어링이 효과적으로 적용될 수 있음을 보여주었다. 이때, 정격 1,800 rpm에서의 불 균형 진동 저감을 위해서 베어링의 강성을 최대화하는 설계가 주요한 것으로 검토되었다.
본 Part I 연구에서는, 대형 PRT 모터-발전기 로터의 불균형 응답진동을 근본적인 설계적으로 개선할 목적으 로, 원래 평 부분 저어널 베어링에서 최종 틸팅 패드 저어널 베어링으로 부상 속도(lift-off speed), 최대 유막 온도의 기본 윤활 성능을 대등하게 만족하면서 강성을 최대화하는 성능개선 설계해석을 수행하고자 한다. 아 울러, 타원형 및 오프셋 해프 저어널 베어링 설계에 대 한 해석 검토도 진행된다. 한편, Part II 연구[8]는 원래 평 부분 저어널 베어링과 설계 개선 틸팅 패드 저어널 베어링을 적용한 대형 PRT 모터-발전기 로터-베어링 시 스템의 로터다이나믹스 성능개선 확인 해석을 다룬다.
2. 베어링 설계 성능해석
각 베어링에 작용하는 지지 하중을 해석한 로터의 정적해석 결과가 Fig. 2에 나타나 있다. 좌측 #1 베어 링과 우측 #2 베어링의 지지 하중은 각각 39,506 N과 Fig. 1. A FE rotordynamic model of PRT motor-
generator rotor.
Fig. 2. Static analysis result of rotor with bearing
support loads.
38,576 N으로, #1 베어링의 지지하중이 약간(2.4% 정 도) 더 크다. 본 논문의 성능해석 결과는 #1 베어링을 중심으로 소개된다. 두 베어링 공통으로 공칭 저어널 직경은 200 mm이며, 베어링의 L/D = 0.816이다. 오일 종류는 ISO VG 32, 공급 온도는 40
oC, 그리고 공급 유량은 20 l/m이다.
2-1. 평 부분 저어널 베어링
Fig. 3 은 제작사의 원래 베어링인 평 부분 저어널 베어링의 개략 기하형상을 보여준다. 패드 각은 130
o이 며, 베어링 틈새는 C/R = 0.0015을 갖는다. 정격속도 1,800 rpm 에서의 압력분포가 Fig. 4에 나타나 있으며, 이때, 편심율은 0.594, 최대 유막 온도는 54.7
o, 평균 직접(direct) 강성은 6.0×10
8N/m이며, 연성(cross- coupled) 강성의 크기는 직접 강성에 비교할 만하다.
한편, 최소 부상속도 4 rpm으로 예측된다.
2-2. 타원형 저어널 베어링
Fig. 5 는 후보로 검토된 타원형 저어널 베어링의 개 략 기하형상을 보여준다. 패드 각은 130
o, 베어링의 가 공 틈새는 C
m/R = 0.0015 을 가지며, 패드 예압(preload) m = 0.5 이다. 정격속도 1,800 rpm에서의 압력분포가 Fig. 6 에 나타나 있다. 그림으로부터, 상부 오른편에 약 간의 압력이 생성되는 것이 관찰되며, 이것은 베어링 의 기하학적 특징으로 상부 오른편에 수렴 틈새가 형 성되고 저어널이 오른쪽으로 이동하기 때문이다. 이때, 편심율은 0.353, 최대 유막 온도는 58.1
o, 평균 직접 강성은 7.2×10
8N/m 이며, 연성 강성의 크기는 직접 강 성에 비교할 만하다. 한편, 최소 부상속도 52 rpm으로 예측된다.
2-3. 오프셋 해프 저어널 베어링
Fig. 7은 후보로 검토된 오프셋 해프 저어널 베어링 Fig. 3. Schematic geometry of original plain partial
journal bearing.
Fig. 4. Generated pressure distribution of original plain partial journal bearing at 1,800 rpm.
Fig. 5. Schematic geometry of candidate elliptical journal bearing.
Fig. 6. Generated pressure distribution of elliptical
journal bearing at 1,800 rpm.
의 개략 기하형상을 보여준다. 패드 각은 130
o, 베어링 의 가공 틈새는 C
m/R = 0.0015 을 가지며, 패드 예압 (preload) m = 0.35 이다. 정격속도 1,800 rpm에서의 압 력분포가 Fig. 8에 나타나 있다. 그림으로부터, 상부 왼편을 중심으로 일부 압력이 생성되는 것이 관찰되며, 이것은 베어링의 기하학적 특징으로 상부 왼편에도 수 렴 틈새가 형성되기 때문이다. 이때, 편심율은 0.337, 최대 유막 온도는 52.4
o, 평균 직접 강성은 7.6×10
8N/m 이며, 연성 강성의 크기는 직접 강성에 비교할 만하다.
한편, 최소 부상속도 330 rpm으로 예측된다.
2-4. 틸팅 패드 저어널 베어링
Fig. 9 는 최종 선정된 5패드 LBP(load between pads) 틸팅 패드 저어널 베어링의 개략 기하형상을 보 여준다. 패드 각은 58
o, 베어링의 패드 가공 틈새는 C
m/R = 0.0017, 패드 예압(preload) m = 0.5, 그리고 패 드 오프셋 χ = 0.5(즉, center pivot)이다. 여기서, 오일
의 공급 유량은 30 l/m이다. 정격속도 1,800 rpm에서의 압력분포가 Fig. 10에 나타나 있다. 그림으로부터, 상 부 패드에도 압력이 생성되어, 패드 무부하(unloading) Fig. 7. Schematic geometry of candidate offset half
journal bearing.
Fig. 8. Generated pressure distribution of offset half journal bearing at 1,800 rpm.
Fig. 9. Schematic geometry of finally-selected tilting pad journal bearing.
Fig. 10. Generated pressure distribution of tilting pad journal bearing at 1,800 rpm.
Fig. 11. Generated pressure distribution of tilting pad
journal bearing at a lift-off speed of 8 rpm.
작용에 의한 패드 플러터 진동의 발생이 없는 것으로 검토된다. m = 0.37 미만에서는 무부하가 발생되는 것 으로 예측되어 이를 방지하고 또한 가공 또는 조립 공 차에 의한 m의 가능한 감소에도 설계적으로 대응하기 위해 m = 0.5로 결정되었다. 1,800 rpm에서, 편심율은 0.455, 최대 유막 온도는 53.4
o, 평균 직접 강성은 11.5 ×10
8N/m 이며, 연성 강성은 실질적으로 무시된다.
한편, 최소 부상속도 8 rpm으로 예측되었으며, 이때의 생성 압력분포가 Fig. 11에 나타나있다.
3. 종합 토의
원래 설계인 평 부분 저어널 베어링에서부터, 타원 형, 오프셋 해프, 그리고 최종 틸팅 패드 저어널 베어 링까지 설계해석을 수행한 종합 결과가 Table 1에 정 리 비교되어 있다.
모터-발전기 로터의 질량이 약 8 ton으로 비교적 높 은 하중이 작용하기 때문에, 최소 기동 부상 속도의 달성이 초기 기동시 베어링 베빗의 마멸을 최소화하기 위해 중요하다. 원 제작사의 평 부분 저어널 베어링의 기동 부상 속도가 4 rpm으로 가장 우수하였으며, 틸팅 패드 저어널 베어링의 부상 속도도 8 rpm으로 대등하 게 우수한 것으로 평가된다. 오프셋 해프 저어널 베어 링의 부상 속도는 330 rpm으로 적용에 적합하지 않은 것으로 검토된다.
타원형 저어널 베어링의 부상 속도는 52 rpm으로 가 능성은 있으나, 최대 유막 온도가 58.1
oC로 타 베어링 대비 다소 높고, 특히, 평균 직접 강성의 증대가 원래 평 부분 저어널 베어링 대비 가장 낮게 예측되어, 타
원형 저어널 베어링도 금번 설계개선에 적합하지 않은 것으로 검토된다.
반면, 제시된 틸팅 패드 저어널 베어링 설계는 최대 유막 온도와 최소 부상 속도의 기본 윤활 성능에서 원 래 평 부분 저어널 베어링 설계와 대등할 뿐만 아니라, 모터-발전기 로터의 설계적 진동저감에 가장 중요한 성 능 인자로 추정되는 평균 직접 강성이 11.5×10
8N/m 로 원래 베어링 설계의 약 2배 값을 갖는 것으로 해 석되어, 앞서 언급된 모터-발전기 로터의 진동 개선에 가장 적합한 설계로 종합 최종 검토된다.
4. 결 론
본 Part I 연구는, 대형 PRT 모터-발전기 로터의 불균형 응답진동을 근본적인 설계적으로 개선할 목적 으로, 먼저 원래 평 부분 저어널 베어링으로부터 시작 하여 최종 틸팅 패드 저어널 베어링으로 베어링 개선 설계해석을 수행하였다.
결과 제시된 틸팅 패드 저어널 베어링 설계는, 최소 부상 속도 8 rpm과 최대 유막 온도 53.4
oC 를 갖는 것 으로 예측되어 기본 윤활 성능에서 원래 평 부분 저어 널 베어링 설계와 대등할 뿐만 아니라, 모터-발전기 로 터의 설계적 진동저감에 가장 중요한 성능 인자인 평 균 직접 강성이 11.5×10
8N/m로 원래 베어링 설계의 약 2배 값을 갖는 것으로 해석되어, 모터-발전기 로터 의 진동 개선에 매우 적합한 베어링 설계로 종합 결론 된다.
한편, 다음 Part II 연구는 원래 평 부분 저어널 베 어링과 설계 개선 틸팅 패드 저어널 베어링을 적용한 Tilting Pad
5 pads, LBP Oil flow = 30 l/m
8 53.4 11.5
대형 PRT 모터-발전기 로터-베어링 시스템의 로터다이 나믹스 해석을 수행하여, 베어링 개선에 따른 로터다 이나믹스 진동개선 효과를 다룬다.
참고문헌
