이 원고는 일본 《電氣現場伎術》誌에서 번역 전재한 것입니다.신소재 축수(분산형 무급유 축수)의 가이드 밴 미세요동 마모억제에 관한 성능검증가이드 밴 등의 접동부에 사용되고 있는 축수는 보호성 향상 및 환경 대책을 위해 그리스 급유방식에서 무급유식으로 바뀌었다. 가이드 밴 조작기구 부의 무급유 축수 사용개소를 <그림1>에 표시했다.그러나 출력 변동 및 기동 정지횟수가 적은 유입식 발전소 등에서는 가이드 밴의 개폐 빈도가 적고 기존 형식의 고체 윤활제 매입 형은 윤활성이 저하되어 국부적으로 이상마모가 발생하는 경우가 있다. 이제까지는 무급유 축수는 소모품이며 12년에 1회 분해점검에 맞춰 교환함으로써 크게 장해에 이르는 경우는 거의 없었다.그러나 CBM(Condition Based Maintenance)의 도입으로 정기적인 메인트넌스를 폐지하고 적절한 시기에 필요한 메인트넌스를 실시하는 점검방법으로 변경됐다. 때문에 가이드 밴의 무급유 축수의 마모가 수차(발전기) 전체 수리의 크리티컬 원인이 되는 것을 생각할 수 있어 미세요동 마모(축의 요동 스트로크가 적은 경우에 발생하는 마모)를 억제한 축수가 필요해 졌다.그래서 신소재 축수(윤활제 분산형)를 이용해 실제 기기를 모의한 조건에서 미세요동 마모 억제에 관한 성능평가를 실시했다.
신소재 축수의 선정·개요
종래의 가이드 밴에 사용되고 있는 무급 축수는 고체윤활제 매입형을 사용하고 있다. 고체 윤활제 매입형은 고체 윤활제의 피치가 비교적 넓고 요동 스트로크가 미소한 피치이며 <그림2>와 같이 부분적으로 금속접촉이 되어 이상마모가 발생한다고 생각했었다.따라서 미세한 요동이라도 금속접촉을 하지 않는 축수로 테프론 축수, 분산형 축수 중에서 종래 제품과 동등한 면압 성능을 가지고 이물혼입성이 뛰어난 윤활제 분산형 축수 2종을 선정했다.윤활제 분산형 축수는 윤활제(흑연)를 베이스 금속에 균일하게 분산된 금속계 고밀도 소결의 무급유 축수이다. 성능검증 시험을 실시한 축수는 윤활성분에 흑연가루를 사용하고 있는 BB타입과 흑연입자를 사용하고 있는 T타입을 선정했다. <표1>에 각 축수 개요를 나타낸다.
검증시험1. 시험조건시험조건은 일반 수력발전소의 실적을 조사하고 <표2>와 같이 진행했다. 시험방법은 실제 기기의 가이드 밴 미세 요동을 모의하고 축을 21만회 미세 요동(요동 각도 ±1.5도)시켜 기중성능 평가와 진흙 수중(JISZ 89017종, 혼입율 0.3Wt%)에서의 수중 성능을 평가했다. 또 시험에서는 축수 본래의 성능을 판단하기 위해, 통상 축수 표면에 도포하는 그리스 등은 사용하지 않는 상태로 시험을 실시했다.기중 시험장치의 외관, 수중 시험 개요도를 <그림3><그림4>에 나타낸다.
성능평가의 허용 값은 아래와 같다.a. 마모량 허용 값 : 0.24㎜설계 갭의 2배b. 마찰계수 허용 값 : 0.33설계 마찰계수의 1.5배2. 시험결과시험결과를 <표3>, <그림5~9>에 나타낸다.
a. 마모량① 매입형(종래)기중·수중 시험 모두 마모량은, 초기 마모는 크지만 허용 값 0.24㎜이하이다. 그러나 수중시험 후의 축수 표면은 국부 마모가 발생하고 있어 윤활제 플러그의 소모가 현저하다.② 분산형 BB타입기중·수중 시험 모두 마모량은 허용 값을 초과해 면이 현저하게 거칠어졌다.③ 분산형 T타입기중·수중시험 모두 마모량은 가장 적고, 면의 거칠기도 적다.b. 마찰계수① 매입형(종래)기중시험인 경우 마찰계수는 초기단계에서 허용 값 0.33까지 상승하고 그 후 0.10으로 안정되어있다. 수중시험일 때도 똑같은 경향을 나타내지만 21만회 미세 요동 후는 허용 값의 1/3 이하로 안정되어 문제가 없다.② 분산형 BB타입기중시험, 수중시험 모두 허용 값의 1/3이하로 안정되어 있어 문제없다.③ 분산형 T타입기중시험, 수중시험 모두 허용 값의 1/2 이하로 안정되어 있어 문제없다.평가매입형(종래)은 가동하는 축의 마찰열로 인해 윤활제를 팽창시키기 때문에 연속요동 시험에서는 윤활피막을 형성할 수 있으며, 기중·수중 시험 모두 21만회 후의 마모량, 마찰계수는 허용치 이내이다.그러나 가이드 밴이 장시간 동작하지 않는 등 윤활제가 팽창되기 힘든 경우나 토사의 유입량이 많은 경우 등의 사용 환경에서는 윤활제의 공급부족이나 소모로 인해 마모량이 증대하는 경우가 있다고 볼 수 있다. 이것은 초기단계에서 마찰계수의 급증과 마모량의 증가현상으로 판단할 수 있다.분산형 BB타입 축수는 흑연가루를 사용하고 있기 때문에 분산형 T타입의 흑연가루와 비교해 합금부 자체의 재료 강도가 낮고 또 여잉마모 분자 축으로 응착이 상승해 마모량을 증가시키고 있다고 생각할 수 있다. 따라서 가이드 밴 축수에는 적합하지 않다고 본다. 분산형 T타입 축수는 윤활제를 베이스 금속 내에 균일하게 분산시키고 있으며 축수의 접동으로 윤활피막을 형성하기 때문에 초기 마찰 저항과 21만회의 마모량이 매입형(종래)보다 작고, 장기간 안정된 성능을 지니고 있다.향후 전개이번 검증시험으로 분산형 T타입 축수는 매입형(종래)보다 가이드 밴의 미세한 요동마모를 억제할 수 있고 실제 기기 적용이 가능하다는 사실을 얻을 수 있었다.향후, 가이드 밴의 미세요동 등으로 이상 마모, 고착이 발생하고 있는 발전소에는 분산형 축수 T타입의 적용을 검토해 나갈 예정이다.
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