발전소 터빈의 구조2

4. 날개 (Blades)
가. 날개
회전날개(moving blade)는 축에 심어진 비틀림 날개(curved blade)로서 노즐로부터 나온 증기의 속도 에너지를 직접 회전력으로 변환되는 부분이다.
고정날개(Fixed Blade)는 회전날개에서 유출되는 증기의 운동 방향을 바꾸어 다음 회전날개로 유효하게 분출시키는 역할을 한다. 
날개는 노즐과 같이 터빈 효율에 영향을 미치며, 운전의 안전성 또는 내구성에 크게 관계된다. 날개 길이가 짧을 때는 단면 형상이 뿌리(ROOt) 부분에서 끝부분(Tip)까지 균일한 두께의 날개를 사용하며, 긴 날개는 원심력 등에 견딜 수 있도록 두께 및 폭을 끝으로 갈수록 작게 하여 사용한다.
저압터빈 마지막 단의 크기는 증기터빈 효율과 밀접한 관계가 있어 가능한 한 크게 하는 것이 효율 면에서는 유리하나 길이가 크면은 원심력 증가하여 크기가 제한된다
긴 날개에서는 뿌리(ROOT) 부분과 끝(Tip)부분의 원주속도에 차이가 발생하므로 증기 유입 각과 날개 입구 각이 전체 길이에 걸쳐 일정하도록 비틀림 날개를 사용한다. 날개 단면 형상은 입구 각과 출구에 의하여 결정되며, 단면 형상에 따라 충동 날개와 반동 날개로 분류한다.
증기와 직접 접촉하는 유효 부의 모양이 중심선에서 좌우 대칭으로 입구 각과 출구 각이 같은 두께로 두꺼운 반월 형상이 충동 날개이며, 입구 압력 P1과 출구 압력 P2는 같다. 입구 면적을 넓게 하고, 출구 면적을 좁게 하여 끝이 가는 노즐과 같은 모양을 한 것이 반동 날개이며, 고정날개에서 일부 팽창하여 압력이 P1으로 되며, 회전날개 내에서 P2까지 팽창한다.
회전날개는 고정날개와 비슷한 형상으로, 증기의 압력 강하가 발생하며 출구의 상대속도가 증가하기 때문에 반동력이 발생한다. 날개를 축에 심는 부위를 휠(Wheel) 또는 디스크(Disc)라 하며, 회전에 따른 원심력에 견딜 수 있는 구조로 되어야 한다.
또 날개와 날개 사이 간격을 일정하게 유지하기 위하여 날개의 끝부분에 슈라우드 판(Shroud Band)을 끼워서 날개의 간격을 유지하고 증기가 원심력에 의하여 반경 방향으로 튀어나오는 것 방지한다. 또한 날개의 진동방지 및 날개 강도를 유지한다.
나. 날개의 문제
(1) 공진(Resonance)
회전날개의 고유진동수와 회전에 따른 회전속도의 정수배 진동수가 일치되는 것을 공진이라 한다. 공진이 발생하면 기하급수적으로 진동이 증가하여 결국 로터를 파괴한다.
따라서 운전원은 공진이 발생하는 회전속도를 신속하게 통과시켜야 한다.
공진 점을 정적 회전수에서 분히 멀리하기 위하여 회전날개의 단편 형상 변경, 슈라우드(Shroud)결합법, 타이 와이어(Tie Wire) 고정법 등을 이용하여 공진 특성을 변경한다.
(2) 침전물 부착
날개에 침전물이 부착되면 침식 및 부식 작용이 발생한다.
일정한 부하로 정상 운전 중일 때 각 단의 압력은 일정하지만, 날개에 침전물이 부착될 경우에는 각 날개 사이의 공간이 축소되어 압력이 높게 나타난다. 이 경우 터빈 효율 저하 및 운전 신뢰도가 떨어져 동일 증기량에 대하여 증기가 흐르는 단면적이 감소하여 날개 전• 후의 차압이 증가되므로 축 추력을 증가시켜 추력 베어링에 과부하를 초래한다.
단시일에 염분 및 실리카 침전이 발생하면 날개에 심한 기계적 응력을 발생시킬 수 있다.
저압 터빈 최종 단과 그 앞 2~3단은 습도 10 % 전 • 후의 습증기 상태에서 운전되므로 생성된 물방울이 날개의 입구 뒷면에 충돌하여 제동(Brake)작용을 할 뿐만 아니라 부식 및 침식을 초래한다.
그러므로 철저한 물 처리는 물론 저압 터빈 최종이란 날개 부근의 온도가 지나치게 내려가지 않도록 하여야 한다. 침식이 가장 심하게 발생하는 부위 즉, 날개 입구 뒷면의 날개 끝(Tip)에서 약 1/3 정도를 경질 금속(Stelite)으로 은랍 용접(Siver Soldering)을 하여 침식을 방지한다.

5. 베어링 (Bearing)
가. 저널 베어링 (Journal Bearing)
로터(Rotor)를 지지하는 베어링으로 축의 저널과 접촉되어 있다.
구조는 주철제 셸(Shell)에 주석(Sn)을 주성분으로 한 배빗메탈(Babbitt
Meral)이 입혀져 있다. 베어링 본체는 수평으로 2 분할되고, 축 중심선과 베어링 중심선이 자동으로 일치하게 되어 있다. 베어링의 윤활은 윤활유펌프에 의한 강제 급유 방식이며, 윤활유는 베어링 하부 또는 측면으로 들어가 기름 홈에서 베어링 전체로 공급한다.
터빈 기동, 정지 시에는 유막이 형성되지 않으므로 베어링 메탈 면의 손상 위험이 있어 고압(100~150kg/cm)의 윤활유를 베어링 하부에서 분출시켜 축을 들어주므로 회전이 원활하여진다.
베어링과 축 사이의 간격(clearance)은 기름의 점도, 축 직경, 회전속도에 따라 달라지며 간격이 과대 또는 과소할 경우 진동의 원인이 되므로 주의하여야 한다. 일반적으로 저널 베어링은 케이싱 또는 로터 단위로 2개를 로터 양단에 설치한다.
나. 추력 베어링 (Thrust Bearing) 
추력(Thrust) 발생에 의하여 터빈 회전부와 고정부의 접촉에 의한 로터 손상을 방지하기 위하여 추력 베어링을 설치한다.
추력이란 터빈 케이싱 내부를 흐르는 증기가 회전날개와 부딪혀 발생한 힘을 말하며, 증기 흐름방향과 동일하게 발생한다. 추력 베어링은 로터의 팽창 기준점이 된다. 추력 베어링은 스러스트킥 칼라(Thrust Collar)와 스러스트킥 패드(Thrust Pad) 사이의 유막에 의하여 추력을 흡수하는 구조이다.
추력 베어링은 여러 개의 스러스트킥 패드로 조립되어 스러스트킥 칼라 전• 후에 설치한다. 추력 베어링은 추력을 받는 각각의 스러스트킥 패드의 중심에서 중심점(Pivot)이 되어 지지하므로 각 스러스트 패드가 받는 추력의 분포가 균등하게 된다.
스러스트 패드는 액티브(Active) 패드와 인 액티브(Inactive) 패드가 있으며, 구분은 정상 운전상태에서 큰 부하(일반적으로 저압 터빈 측)를 담당하는 패드를 액티브라 하고, 그 반대(고압 터빈 측)를 인 액티브라 한다.
설치 수량은 발전 설비(Unit)당 1개이며. 설치 위치는 발전소마다 다르지만, 최근 설비는 고압터빈 앞쪽 Front Standard에 설치하는 추세이고, 그 위치는 다음과 같다.
1. 고압 터빈 앞쪽
2. 고압 터빈과 중압 터빈 사이
3. 고• 중압 터빈은 중압 터빈과 저압 터빈 사이

다. 베어링 온도
운전 중 베어링 금속 온도의 상승은 윤활유 점도가 저하되어 유막 두께가 얇아지므로 유막이 파괴된다.
그러므로 금속 간의 접촉으로 베 빗 메탈이 손상되는 문제가 발생하며, 그 원인은
1. 베어링 조립상태 불량
2. 터빈 축 정렬(Alignment) 불량
3. 윤활유에 불순물이 섞여 있거나 열화된 경우
4. 윤활유 공급량이 부족한 경우
5. 윤활유 공급 온도가 너무 높은 경우 등이 있으며 
허용 한계치에 이르기 전에 조처를 하여야 한다. 윤활 방법은 베어링 입구에서 약 1.8kg/㎠의 강제 급유 방식이며, 윤활유 공급온도는 43~49℃다.
일반적으로 베어링을 통과한 윤활유 온도는 60~65℃가 정상이며 80℃에 경보가(Alarm) 울리고 120°C에 터빈이 정지(Trip)된다.

6. 축이음(Coupling)
터빈의 축과 축사의, 고압 터빈 축과 주 윤활유 펌프(Main Oil Pump, MOP)
축 사이, 터빈과 발전기 사이, 발전기와 여자기 사이를 연결하여 회전력을 전달하는 부품을 축이음(Coupling)이라 한다.
축이음은 볼트로 결합하며, 어떤 이유로 과부하가 걸릴 경우, 축이음 볼트가 먼저 파손되어야 하며 축 이음부가 파손되어서는 안 된다. 축이음의 외면에 기어(Gear)를 가공하여 터닝 기어 연결용으로 사용된다.

7. 터닝 기어 (Turning Gear)
가. 기능
'더빈 기동전 또는 정지 후 축을 서서히 돌려주어 로터의 편심(Fccentricity) 발생을 최소화하는 장치이다.
터빈 정지 후 축을 그대로 두면 터빈 각 부위가 점차 냉각됨에 따라 축의 상부에는 증기가 고여 있으므로 상•하부 온도 차가 생길 뿐만 아니라, 축의 자 중에 의하여 변형되므로 이것을 최소화하기 위하여 설치한다.
또한 장기간 정지하였던 터빈은 축이 약간 굽어 있으므로 이런 상태에서 고속 회전을 시키면 심한 진동을 일으킨다.
따라서 기동하기 전에 축을 서서히 회전시켜서 축의 온도분포를 균등하게 하여 굽었던 축을 바르게 한다.
나. 구동 방법 
터닝 기어를 구동하는 방법은
(1) 모터 구동 방식(Rlectric Motor Driven) : 터빈의 축이 음부를 전동기 회전자로 삼아 회전시키는 방법과 감속 기어를 통한 회전 방법이 있으며, 감속 기어를 이용하는 것이 가장 많이 사용된다.
(2) 고압요 터빈에 의한 구동(oil Turbine Driven) 방식 : 축에 날개를 부착하여 터닝 기어 오일펌프(Turning Gear Oil Pump 또는 윤활유펌프 출구 측 압력으로 터닝 기어의 날개에 출동력을 주어 회전시킨다.
다. 윤활유 온도
터닝기어 운전 시 공급되는 윤활유 온도는 점도를 고려하여 10℃ 이상으로 하되, 27~32℃가 적당하다.
윤활유 온도가 적당하지 않으면 원활한 회전이 안 된다.
라. 설치 및 운전
터닝 기어의 설치 위치는 일반적으로 저압 터빈과 발전기 사이에 설치한다. 회전속도는 대부분 발전소가 2~4rpm 사이에서 회전하며, 일부 발전소는 60~120rpm으로 회전하는 경우도 있다.
터빈이 기동 되어 회전속도가 점차 증가하면 터닝 기어는 자동으로 풀려 정지되며, 이때 분리되지 않을 경우는 고장 원인이 된다.
터닝 기어 기동 시 윤활유 압력만으로는 축의 자중으로 인한 유막 파괴 때문에 회전이 불가능하므로 100~150k/m의 유압(Jacking Oil Pump 기동)을 저널 베어링 하부에 공급하여 축을 약 0.015 mm 정도 들어서 회전시킨다.
일반적으로 고압터빈 1단 측 금속 온도가 100~150℃ 이하로 내려가면 터닝 기어 운전은 중지할 수 있으나, 시간적 여유가 있으면 축의 온도가 상온으로 냉각될 때까지 계속 운전하는 것이 좋다.
또 터빈이 소내 전원 상실 등 여러 가지 이유로 비상정지 되거나, 터빈 금속 온도가 100~1502℃ 이상일 때 또는 정비 등의 목적으로 정지시는 반드시 수동으로 운전하여 조금씩 회전시켜야 한다.
이때 축이 회전되지 않을 경우 무리한 기계적 힘을 가하여 회전시켜서 터빈 내부를 손상하는 일이 없도록 하여야 한다.