터빈의종류와윤활 - klc.kstle.or.krklc.kstle.or.kr/Upload/Board/(2-B-1)한국쉘.pdf · Lubricants Specialist - Shell 3 터빈종류 기존 기체유도용(aeroderivative)

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터빈의 종류와 윤활

7th Oct/2005

2Lubricants Specialist - Shell

순서순서

터빈의 종류증기/가스/복합/수력

작동원리 소개

터빈윤활의 요구조건


터빈터빈 종류종류

기존

기체 유도용(aeroderivative)

응축형non-condensing (back pressure)추출형재가열형

Turbine

증기

가스

수력

결합cycle

FrancisKaplanPeltonTubular

Single shaft

Multi-shaft


1.1.화석연료의화석연료의 발전소발전소 심장부인심장부인 증기터빈증기터빈

Coal supply

Stack

Steam line

Boiler

Turbine

Generator

Transformer

CondenserCooling water

River / reservoir

Pulverizer

Fan

① 석탄은 plant에 연료로 공급하기 위해 미세가루로 분쇄되어진다

② 보일러 장치는 석탄을 연소시켜 열을 발생시킨다l

③ 보일러로 부터 열로 물을 스팀으로 바꾼다

④ 가압 된 증기는 발전기에 연결된 터빈을 돌린다

⑤ 냉각기는 재사용을 위해 스팀을 물로 응축시킨다


1.1.핵발전소의핵발전소의 핵심인핵심인 증기터빈증기터빈

핵발전소에서 , 증기터빈들은석탄발전소에 요구되는 동등한 윤활제가사용되어 진다


핵핵 에너지는에너지는 분열반응으로분열반응으로 부터부터 온다온다

Uranium atom

NeutronsSpit atoms

핵발전소가 가동될 때, 분리된 중성자가 연료봉안에 있던우라늄 원자를 쳐서 우라늄 원자들이 작게 분리되거나

분열되어진다.


분리분열된분리분열된 원자들은원자들은 다시다시 중성자를중성자를 방출하면서방출하면서열을열을 발생한다발생한다

Heat

Neutrons


열은열은 증기를증기를 생산하고생산하고 전기를전기를 발생발생

Heat

Steam produced

Steam

TurbineGenerator

Electricity

이공정은 체인반응으로 연속되며 대단한 양의 열을 발생시킨다

원자 분열로 열의 발생은 물을 증기로 만든다. 이 증기는 반응기로부터 전기를 만드는 터빈 –발전기로 움직인다

모든 방사성 용수는 반응기안에 머무르며 외부로 누출되지 않는다


11--11--1.Boiling Water Reactor (1.Boiling Water Reactor (끓는끓는 물물 반응기반응기))

끓는 물 반응기 안쪽에서, 연결반응로 부터의 열은 물을 가열시키고 스팀(증기)을 변환시킨다.증기는 직접 반응용기로 부터 터빈으로 배송된다. 이 스팀은 거대한 발전기축을 돌리는 터빈의추진체 즉 Blades를 돌린다. 발전기내 정류자에서 전기를 발생한다


11--11--2.2. 가압가압 된된 물물 반응기반응기

가압 된 물 반응기에서 , 물은 핵연료로 가열되나 압력용기내의 압력을 유지 함으로서 증기화되지 않는다. 압력용기내의 물은 증기발전기와는 분리된 튜브를 통하여 순환한다. 이 증기 발전기는 열교환기 같은 역할을 한다.증기발전기안에서는 2번째 물공급이 있으며압력용기로 부터의 물에 의해 가열됨으로서 이것이 터빈을 돌리기 위한 증기를 만드는 것이다.


증기터빈증기터빈

열어네지 동적에너지

기계적에너지

Steam @ high P & T

증기는 정지blade(날:Casing) & 움직이는 날 또는 HP to IP to LP로부터 buckets (shaft) 들을 지나도록확산한다Velocity , pressure

브레드(날)을 때리는 제트의 힘은샤프트회전으로 기계적에너지를 생산한다

터빈조절기 시스템은터빈샤프트속도와 부하를감지하고 증기조절밸브를거쳐 터빈으로의 증기흐름을 조절한다


11--2.2.증기터빈증기터빈 –– 분류분류

응축 터빈 -Condensing turbine– Most commonly found in power gen application– Condenses steam into water after expansion

재가열 터빈-Reheat turbine– Reheats the steam after expansion– Improves efficiency

비응축 (or Back Pressure)터빈 Turbine– For large quantities of process steam– Ultilise the low Pressure steam for plant use after

expansion

추출 응축 터빈 -Extraction condensing turbine– Extracts high pressure steam for plant use


11--22--1.1.증기터빈증기터빈 --Steam TurbinesSteam Turbines• 소형터빈은 단독 케이싱에 HP/IP/LP turbine 갖고

있다

• 발전기용 대형 증기터빈은 다단계형으로

즉

• High power (HP) cylinder

• Intermediate power (IP) cylinder

• Low pressure (LP) cylinder or multiple cylinder

각 단계별로 증기의 열에너지부분을 기계적 에너지로 바꾼다

• 이 실린더들이 한 공동샤프트에 서로 병행되어배치되었다면 이를 tandem-compound turbine이라부른다

•이 실린더들이 분리된 샤프트에 배치된 경우는cross-compound type이라 부른다


K cylinder combined HP/IP

증기증기터빈터빈--Steam TurbinesSteam Turbines

Bearing Pedestals

N cylinder LPSiemens tandem-compound steam turbine


증기터빈증기터빈 --Steam TurbinesSteam Turbines

출력: 25 MW – 1300 MW증기온도 & 압력은 효율을 결정한다

50

Effic

ienc

y %

Sub Critical SuperCritical Ultra SuperCritical35

40

45

<2400 psi 538ºCto 37%

>3,200 psi 550-566ºC41 – 45%

>4,500 psi >566ºC(600ºC to 700ºC)

47- 49%

과거 & 현재 현재 & 미래


증기증기 터빈터빈 –– New DesignsNew Designs

Supercritical and ultra-super critical steam turbines– 고온 고압에서의 증기발생은 대단히 큰

효율을 제공한다

– 저감 된 연료사용으로 높은 효율(48%) 제공

– 청정전력생산 (less CO2 production) – less flexibility with coal type– 초기 투자비가 크다 (high temperature

metallurgy)– water has a critical pressure of 221 bar

(3,200psi) at which point, when heated, it passes from a liquid (water) to a vapour(steam) without going through an intermediate liquid and vapour phase.


22..가스터빈가스터빈 -- 기존설비기존설비

3 major components– Compressor (usually axial flow for power gen)– Combustion chamber– Turbine

Compressor는 고압공기를 combustion chamber에 공급한다

연소 Chamber에 가스 상 또는 액상의 스프레이연료가 주입 되고 연소되어진다

고압,고온의 가스들은 샤프트를 돌리는 터빈 blades에 재역할을 한다

터빈은 운전되는 기계 뿐 아니라 콤프레샤를 돌리도록 되어져 있다.

Power output :5 MW – 478 MW

효율: 35-58%


가스터빈가스터빈--기존기존

Source: Alstom Power Service, 2004

공기입구 압축

연소

터빈으로부터 확산

가스터빈 (Alstom, 43 MW)


22--2.2.가스터빈가스터빈 --항공기술항공기술 유도형유도형((AAeroderivativeeroderivative))

설계상 함축된 이름은 항공제트엔진에 사용된 기술에 근본을 두고있다.

매우 높은 파워-무게비율– Compact design– Typically lower power output cf conventional gas turbines (to ~50MW)

극도로 높은 열적 스트레스– Synthetic polyol ester aviation turbine engine oils used– ASTO 5 cSt series NOT conventional Turbo grades

공동 모델들– GE LM (land & marine series) / Rolls Royce Trent, Avon, RB 211– Pratt & Whitney FT8, FT 12 / Solar Centaur, Mars, Saturn


3.3.복합터빈복합터빈((Combined Cycle)Combined Cycle)의의 이점이점

C T 낮은 공장가동비

HP IP LP

고연료 효율 저공해물질 단순한 공정제어

짧은 건설공기 공간의 효율적이용

가스터빈윤활유의 공유

효율적인 정비비 공장휴지의 최소화

스팀터빈 발전기

고성능 복합터빈유가 절대적


터빈터빈 종류별종류별 특성특성

가스터빈 스팀터빈 복합터빈 증기터빈27% 30%

(65%) (55%)기계적효율

운전 우수 보통 우수 보통

% 정지가동 우수 보통 양호 보통

가스 1300℃

스팀>500℃

Turbo GT/T Turbo TTurbo GT/CC

Turbo T

산업용(중소 형 터빈) 발전용(대형 터빈)

추천유종

열효율% 40-43% 35-40%

증기 & 가스온도 1000℃ <500℃ 500℃


3. 3. 복합터빈의복합터빈의 중요부품중요부품CC power plant 는 가스 터빈들이 소모하고 사용한 열을 회수하여 추가적인전기를 생산하기 위한 HRSG (스팀재생 열발전기:heat recovery steam generator) 에서 열은 스팀을 만드는데 사용한다

– 이는 최대 효율을 만든다

– (approaching 60%) in power generation

Single shaft(싱글샤프트)– 가스터빈과 스팀터빈은 같은 발전기를

돌리는 한 운전 시스템으로 되어있다.– eg “2+1 multi” = 2 gas turbines + 1

steamer on a single shaft

Multi-shaft (멀티샤프트)– 가스터빈과 증기터빈이 별도로

구성되어 각자의 발전기를 사용한다.


복합사이클복합사이클-- multiple shaftmultiple shaft의의 열효율열효율 경로경로

• 각 터빈에 맞는 독자적인 윤활유시스템을

Lubricants Specialist - Shell

AIR

GENERATOR

MP/LPHPCT

COMB.

STEAM TURBINE

Heat Recovery steam generator DISCHARGE

LP STEAM

DISCHARGEGAS TURBINE

복합사이클복합사이클-- single shaftsingle shaft의의 흐름흐름

•두 터빈용 공동 luboil system이 필요

터빈 콤프레샤


4. 4. 수력수력 터빈터빈 --Hydro TurbinesHydro TurbinesHydro turbines work by converting kinetic energy of flowing water into mechanical rotary energy which drives the generatorDesign differences to accommodate differences in available head (pressure) of water and flow (quantity) of water available

Water head

Larger head with high flow implies higher power output


수력터빈수력터빈

터빈의 흐름 체제에 따라 분류

추진 터빈-Impulse Turbine– Runners operate in air driven by one or more high-velocity jets of water -

the water pressure is converted into kinetic energy before entering the runner.

– typically used with high-Head systems and use nozzles to produce the high-velocity jets that strikes the buckets, mounted on the periphery of the runner.

– eg Pelton, Turgo, cross-flow

재생터빈 -Reaction Turbine– runner fully immersed in water - the water stream flowing over the

blades rather than striking each individually– The water pressure can apply a force on the face of the runner blades,

which decreases as it proceeds through the turbine.– eg Francis, Propeller and Kaplan.


수력터빈수력터빈 –– 추진타입추진타입

Pelton 터빈– 수평 또는 수직형shaft– For use with water heads up

to 70-1800M– jets of water are directed by

nozzles against the shaped buckets on the rim of the runner, causing the peltonwheel and its shaft to rotate

– Inside the nozzle is an adjustable needle to control the velocity of the water. The needle is controlled by an electro-hydraulic governor system

Source: European Small Hydropower Association, "Layman's Guidebook

Source: Va Tech Hydro


수력터빈수력터빈 –– 리액션타입리액션타입

Francis Turbine– Vertical shaft– For use with water heads 50-

600m– Water is fed to the turbine

through a spiral casing from where it is directed into turbine guide vanes (wicket gates) by fixed vanes in a stay ring

– The water is directed by the guide vanes onto the runner blades where it is turned through 90ºC before flowing to the tail race outlet.

– The moveable guide vanes control the flow of water into the turbine

Stay Vanes

Wicket gates

Runner

Spiral casing

Source: Voith Siemens Hydro


터빈윤활의터빈윤활의 요구조건요구조건


터빈유의터빈유의 오일오일 처방처방 변화변화

소비자요구:

• 긴 오일수명• 비용절감오일• 공장휴지시간 감소• 정비 비 감소• 트러블 Free 서비스

장비업체와 오일 공급 사 및 Plant Operator(소비자)

performance requirements set against minimum specification levels & turbine operating severity


터빈윤활의터빈윤활의 요구조건요구조건1. 베아링표면에 충분한 윤활(윤활성)

2. 베아링에 발생하는 열을 제거(냉각성)

3. 베이랑으로 부터 마모분을 세척 제거(세척성)

모든 요구조건을 수행하는 유체의 능력은유체형태 및 기유품질과 처방에 크게 좌우된다


윤활이윤활이 요구되는요구되는 터빈터빈 부품들부품들

터빈부품 요구윤활성 필요 윤활유특성저어널 베아링 유체윤활 적절 점도 및 유막

트러스트 베아링 열적안정성 산화안정도, 항 유화성

유압조절시스템 청정성 청정성 및 필터 통과성

오일샤프트 밀봉제 상용성 선택된 기유, 첨가제

기어 내마모성 극압성

변환 커플링 부식방지 내부식성

변환기어 냉각성, 소포성 방기, 소포성


윤활을윤활을 요구하는요구하는 터빈터빈 부품들부품들

15 cm

Journal bearings (유체역학적인)– 터빈 Rotor 의 무게를 지지하는 데

사용된다. 저널 Bearing은 Shaft를 둘러싼2개의 half-cylinder를 구성하고 내부적으로 는 주석,동, 안티몰리 등으로 구성된금속 합금인 babbite와 연결되어 있다.

Thrust bearings (유체역학적인 )– 터빈로터에 축(굴대)으로 놓여

있다. 트러스트 베아링은 터빈 로터에부착된 위치디스크에 대해 같이작동되는 pad와 연결된Babbitt시리즈와 구성되어 있다.


윤활을윤활을 요구하는요구하는 터빈터빈 부품들부품들

3 wedge bearing (jacking hole off centre)Pocket타입 베아링 (jacking hole in centre)

Tilting pad journal bearing Tilting pad thrust bearing


윤활을윤활을 요구하는요구하는 터빈터빈 부품들부품들회전기어(Turning Gear)– 시동과 and shut down동안, rotor는 베아링 한곳에 힘이

가해주는 현상을 방지하고 샤프트를 구부리거나뒤틀림을 주는 일정치 않은 가열이나 냉각을 피하기위해 서서히 회전하여야 한다

– A barring mechanism 이나 turning gear는 이를 하도록사용

– 회전(변환)동안, 고압의 “jacking oil” 은 오일 막 두께를증가시키는데 사용된다. 그리고 회전을 시작하기전에샤프트를 띄워야 한다.

터닝동안 Jacking oil 은 hydrostatic(유체정역학적) 윤활을만든다. Animation of jacking oil


감속기어감속기어--Reduction GearingReduction Gearing

터빈속도는 부하가 걸리는운전발전기의 작동속도와 다르다

터빈에 운전장비를 연결한감속기들을 이용하며 속도를싱크로나이즈로 조절시킨다(1,200 to 1,800 RPM)

주윤활유 시스템으로 윤활되어진다.– For turbo-sets with gears often require

high FZG rated turbine oils


증기터빈의 윤활시스템 구조

Lube line

Main lubefilter

To bearings

Thrustbearing

HP MP LP LP LP

Jacking oilfeed

Hydrogensealing

Generator and exciter

Main lubeoil tank

Vacuum extract pump

Lube oil purifier

Stator water cooling

Main pump

Control system not shown

• Purifier• Stages (HP, MP, LW)• Bearings


1. Turbine2. Gear box3. Generator or other

system4. Main lube pump

(mechanical drive)5. Auxiliary lube pump6. Emergency lube

pump7. Vapor extractor8. Oil tank9. Oil cooler (Duplex)10. Filter (Duplex)11. Oil temperature

control valve12. Orifice13. Pressure relief

valve14. Check valve

가스터빈가스터빈 윤활구윤활구조조


중요한중요한 기계적기계적 이슈와이슈와 주요오일의주요오일의 특성특성

Oil의 목적 주요이슈 Key Oil 특성Cooling deposits 1.oxidation resistanceBearing lubrication deposits,

entrained air, 2. air separationentrained water, 3. water separationentrained abrasive particles* 4. corrosion protection

Hydraulic control fluid deposits on control valvesSeal oil deposits Oil system protection corrosion, if water is presentOil system behaviour foaming,

filter blockage 5. tolerance to contamination

Gearbox lubrication wear on gear teeth 6. extra load-carrying

Endurance decline in oil properties* 7. + new issue:

cleanliness

PLUS: Correct viscosity, at

- Start up

- Operating temperature


오일성능에오일성능에 미치는미치는 요소들요소들

기유: 형태, 품질, 청결도

첨가제: 형태,희석도 및 시너지 효과

– 산화에 대한 저항: 유제 및 첨가제 팩키지

– varnishes, gums & deposits형성을 방지

– 공기방기성, 수분리, 휠터통과성

– 부식에 대한 보호

Lubricants Specialist - Shell

터빈유터빈유 산화산화 원인과원인과 영향영향

퇴적물 생성(슬러지)

오일끈적거림

라커물

오일 산화물 증가

영향원인

•불용해 산화 물질• 용해성 유기산 및•용해성 고분자물질

•불용해성 산화부산물

•용해성 유기산

오일수명감소오일산화

오일산화과정에서 발생된 불용해 분은오일의 수명을 반감하는 주요인

오일산화과정에서 발생된 불용해 분은오일의 수명을 반감하는 주요인

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