스팀 터빈 - 베어링 (Bearing)

스팀 터빈은 회전 운동을 전기로 변환하는 데 사용되는 장치로, 효율적인 작동을 위해 다양한 부품들이 협력합니다. 이 중에서도 베어링은 스팀 터빈의 회전 운동을 부드럽고 안정적으로 유지하는 데 필수적인 역할을 합니다. 베어링은 기계 부품들 간의 마찰을 줄이고, 회전 운동을 원활하게 만들어줍니다. 이번 글에서는 스팀 터빈의 베어링, 특히 저널 베어링(Journal Bearing)과 축부 베어링(Thrust Bearing)에 대해 자세히 알아보겠습니다.

저널 베어링 (Journal Bearing)

저널 베어링은 회전축 주변의 가장자리에 위치하여 회전축이 베어링 속에서 회전할 수 있도록 지지하는 역할을 합니다. 스팀 터빈은 매우 빠른 속도(60Hz의 경우 3,600rpm, 50Hz의 경우 3,000rpm)로 회전하기 때문에 안정성과 부드러운 운전이 매우 중요합니다. 이를 위해 저널 베어링은 필수적인 부품 중 하나입니다.

 

1. 저널 베어링의 동작 원리

• 유체 막 형성 : 저널 베어링은 회전축 주변에 설치되며, 회전축과 베어링 사이의 공간에 유체(일반적으로 오일이나 윤활유)가 주입되어 오일 필름을 형성합니다. 이 오일 필름은 마찰을 줄여 회전축이 부드럽게 회전하도록 돕습니다.
• 유체 막 지지 : 회전축이 회전할 때, 저널 베어링은 오일 필름에 의해 지지됩니다. 이 오일 필름은 베어링과 회전축 사이의 접촉 면을 완전히 분리시켜 마찰을 최소화하고 부드럽게 회전할 수 있도록 합니다.
• 하중 분산 : 회전축이 하중을 받으면, 저널 베어링은 이 하중을 유체 오일 필름을 통해 고르게 분산합니다. 이로 인해 하중이 축의 모든 부분에 균등하게 분산되어 안정적인 운전을 제공합니다.
• 열 분산 : 저널 베어링은 오일이나 윤활유를 사용하여 회전축과 베어링 사이의 마찰을 줄이고 열을 효과적으로 분산합니다. 이는 베어링과 회전축의 온도 상승을 최소화하여 베어링의 수명을 연장하고 안정성을 유지하는 데 도움이 됩니다.

2. 저널 베어링의 재질

 

저널 베어링은 고온과 고압 환경에서 사용되기 때문에 고강도와 내열성을 가진 재질로 제작됩니다. 주로 사용되는 재질로는 고강도 강철, 합금 강철, 니켈 합금 등이 있습니다. 이러한 재질은 높은 온도와 압력에서도 변형되지 않고 안정적으로 작동할 수 있도록 합니다.

축부 베어링 (Thrust Bearing)

축부 베어링은 축(회전축)의 방향으로 가해지는 하중을 지지하는 역할을 합니다. 스팀 터빈에서는 터빈 로터의 축 방향으로 가해지는 하중을 지지하는 데 사용됩니다. 축부 베어링은 회전하는 부분을 안정적으로 유지하고, 축 방향의 힘을 견딜 수 있도록 설계되어 있습니다.

 

1. 대용량 스팀 터빈의 Tilt Pad Thrust Bearing

 

대용량 스팀 터빈에서는 일반적으로 Tilt Pad Thrust Bearing이 사용됩니다. 이러한 유형의 베어링은 고속 및 고하중 환경에서 효과적으로 작동할 수 있습니다. Tilt Pad Thrust Bearing은 여러 개의 패드로 구성되어 있으며, 각 패드는 회전축의 축방향 하중을 지지하는 역할을 합니다.

 

Tilt Pad Thrust Bearing의 동작 원리

 

1) 패드의 틸팅(Tilting) 기능 : 틸트 패드 축부 베어링은 각 패드가 회전하는 축을 따라 틸팅할 수 있도록 설계되어 있습니다. 이러한 패드의 틸팅은 하중이 가해질 때 패드의 경사 각도를 조절하여 하중을 균등하게 분산시킵니다.

2) 오일 필름 형성 : 패드와 회전축 사이의 공간은 오일이나 윤활유와 같은 유체로 채워져 있습니다. 이러한 유체는 오일 필름을 형성하여 패드와 회전축 사이의 접촉 면을 완전히 분리시켜 마찰을 최소화합니다.

3) 하중 분산 : 하중이 가해지면 패드는 틸트되어 하중을 받아들입니다. 이 과정에서 하중은 패드에 고르게 분산되고, 오일 필름을 통해 회전축의 모든 부분에 균등하게 전달됩니다.

4) 열 분산 : 오일 필름은 열을 효과적으로 분산하여 베어링과 회전축의 온도를 안정화시킵니다. 이는 베어링의 수명을 연장하고 안정성을 유지하는 데 도움이 됩니다.

 

2. 축부 베어링의 재질

 

축부 베어링 역시 고강도와 내열성이 요구되며, 주로 고강도 합금 강철, 니켈 합금, 티타늄 등이 사용됩니다. 이러한 재질은 고온과 고압 조건에서도 견딜 수 있으며, 장기간 안정적인 작동을 보장합니다.

결론

스팀 터빈에서 저널 베어링과 축부 베어링은 터빈의 안정적인 작동을 보장하는 핵심 부품입니다. 저널 베어링은 회전축의 회전을 지지하고, 축부 베어링은 축 방향의 하중을 지지하며, 각각의 베어링은 고강도와 내열성을 가진 재질로 제작됩니다. 스팀 터빈의 베어링은 마찰을 줄이고 열을 효과적으로 분산하여 터빈의 수명을 연장하고 효율성을 높이는 데 중요한 역할을 합니다.