DOI https://doi.org/10.9725/kts.2019.35.2.99
DN 250 만 250
oC 고온 스팀환경에서 운전되는 단열 브러쉬 실 마모효과에 관한 실험적 연구
하윤석1ㆍ하태웅2†ㆍ이용복3†
1연합기술대학원대학교(UST) 에너지-환경융합학과 학생연구원
2가천대학교 기계공학과 교수
3한국과학기술연구원 국가기반기술연구본부 책임연구원
Experimental Study on the Wear Effects of a Brush Seal in DN 2.5million in a 250
oC High - temperature Steam Environment
YunSeok Ha1, TaeWoong Ha2 and YoungBok Lee3†
1Research Student, University of Science and Technology Department of Energy Environment Convergence
2Professor, Gachon University Department of Mechanical Engineering
3Senior Researcher, Korea Institute of Science and Technology of National Foundation Technology Research Center (Received January 31, 2019 ; Revised March 20, 2019 ; Accepted April 9, 2019)
Abstract – This study presents an experimental investigation of the wear and oxidation of the bristles of a brush seal in a super-heated steam environment. We construct a model reflecting normal force and radial interference to predict the amount of wear. To monitor the volume loss of the bristle induced by the swirl phenomenon of the rotor, we measure the clearance between the rotor and the brush seal by using a non-contact 3-D device. We calculate the area by using the area-wise measurement method. Considering the obvious brush seal wear variables, we use two disks with different roughness(Ra = 0.1µm and 100µm) to determine the effect of roughness on wear. Considering an actual steam turbine, we utilize a steam generator and super-heater to generate a working fluid (0.95MPa, 523.15K) that has high kinetic energy. We observe the abrasion of the bristles in the hot steam environment through a scanning electron microscope image. This study also conducted energy dispersive X-ray (EDX) analysis for a qualitative evaluation of local chemistry. The results indicate that the wear and elimination of bristles occur on the disk with high roughness, and the weight increases due to oxidation. Furthermore these results, reveal that the bristle oxidation is accelerated more under super-heated steam conditions than under conditions without steam.
Keywords – brush seal(브러쉬실), wear(마모), Bristle(강모), Surface roughness(표면거칠기), super-heated steam(과열증기)
Nomenclature
V : Wear volume rate (m3/s) (부피감소) F : Normal force (N) (수직항력)
k : Wear coefficient (mm3/Nm) (마모 영향계수) S : Circumferential velocity (m/s) (원주속도)
L : Bristle free length (m) (강모자유길이) δ : Radial bristle to disk interference (m)
(반경방향간섭길이)
θ : Lay angle (degree) (강모각도)
Db: : Bristle bore diameter (m) (강모 구멍 직경) Df: : Pinch point diameter (m)
(강모 병목 구간 직경)
D: : Diameter of rotor (m) (로터의 직경) ρ: : Density of bristle (kg/m3) (강모의 밀도)
†Corresponding author: [email protected] Tel: +82-2-958-5663, Fax: +82-2-958-5659 https://orcid.org/0000-0001-6700-221X
ⓒ 2019, Korean Tribology Society
1. 서 론
터보기계 산업(turbo machinery industry)에서는 작 동유체(working fluid)의 누출을 최소화하는 것이 중요 하다. 왜냐하면 스팀터빈에서 발생하는 에너지 손실 비율 중 누설로 인한 손실이 약 30% 정도를 차지하 기 때문이다. 따라서 운용 중 누설 양을 줄이는 것은 매 우큰경제적이익을도모할수있기때문에로터리실
(rotary seal)에 대한 연구가 활발하게 진행되어 왔다[1].
오래전부터작동유체의누출을막기위해값이싸며제
작이간단한래버런스실(labyrinth seal)을산업에서사
용해왔다. 하[2,3]는 래버런스 실의 설계개선 및 해석
을 FLUENT를 사용한수치해석을 통하여누설량예
측 및 동특성을 추출하였다. 비 접촉(non-contact) 실인
래버런스실(labyrinth seal)의치아는누설유동의와류
(vortex)를 형성하여 누설 흐름의 에너지를 감소시켜
효과적으로 누설 양을 줄일 수 있는 실이다. 그러나
로터(rotor)의진동과구조적한계때문에로터 와실
간의 간극은 항상 확보되어야 하며 높은 회전속도에서
유동의 휘둘림(whirl)은 시스템의 불안전성을 초래할
수있다. 이를보완하기위해브러쉬실(brush seal)은로 터리 실로서 터보기계 산업에 사용되어 왔다[4,5]. 브
러쉬실은기존의래버런스실과달리접촉(contact) 실
로서 누설량을 크게 줄일 수 있는 장점뿐 아니라 시스 템의안전성을가져올수있다. 하지만브러쉬실을사 용하기위해서는강모(bristle)의스플라싱효과(splicing
effect)[6] 및 블로우 다운(blow down) 효과와 같은 여
러설계조건을고려하여운전영역에서알맞은실을적 용해야 하는 문제점이 있다[7].
브러쉬실의전체적인형상은 Fig. 1에서확인할수
있다. 브러쉬실은크게용접(welded)과클램프(clamp) 형으로 구분되며 구성요소로는 앞판(front plate), 뒤판 (back plate) 그리고강모 다발(bristle pack)로이루어 져 있다. 브러쉬 실의 강모는 크게 금속(metallic) 및 비금속(nonmetallic)으로 구분된다. 대표적인 브러쉬 실
의강모는코발트베이스의 Haynes 25가사용되며높
은 온도 및 차압(pressure difference)에서 운용이 가능
하다. 비금속재질의강모는주로아라미드(aramid) 섬
유 기반의 Kevlar소재로 만들어지며 Haynes 25보다 낮은 온도와 차압 조건에서 사용 되어 지지만 강모의 밀
도가높기때문에누설양을크게줄일수있다[8-10].
브러쉬 실은 접촉 실이기 때문에 수명 예측 및 성능을 평가하기 위해 다양한 조건에서 마모에관한 연구가
이루어져 왔다[11-14]. 브러쉬 실의 마모는 로터와 맞 닿는 강모의 산화 및 로터 재질에 따라 마모가 달라진 다. 이를확인하기위해 Stott와 Wood [12]는산화가표 면 필름 형성에 미치는 영향을 조사하였다. Jiang et
al.[13-15]은산화층의형성에영향을끼치는핵심매개
변수로 접촉면에서 산화물 파편이 재인입되는 점을 규 정지었다. 산화나 재질에 의한 강모의 마모뿐 아니라 브러쉬실의 파손에영향을 끼치는 요인으로로터의 휘둘림(whirl) 현상을 꼽을 수 있다. 로터가 작동하는 동안로터의진동은외력으로작용하여브러쉬실의강 모에 계속해서 영향을 준다. 이 경우 브러쉬 실의 강모 는 구부러지거나 반복적으로 응력을 받게 되어 마모 및불규칙한파손에이르게된다. 마모로인한브러쉬 실의 파손은 누설량을 증가시켜 시스템 효율을 감소시 킬뿐아니라시스템의동적특성을변화시켜설계시 고려해야 할 부분이다. Fig. 2는 외력에 의해 손상된 브러쉬 실의 몇 가지 현상을 보이며 최악의 경우 고압 증기터빈부분에시스템파손이관찰되기도 한다. 시 스템의 효율 및 안전성을 위해 로터 표면의 거칠기 및 과열증기가브러쉬실어떠한영향을끼치는지에관한 연구가 필요하다.
따라서 본 연구에서는 과열증기(super-heated steam) 환경에서거칠기(roughness)에따른강모(bristle)의마 모 및 산화에 대한 연구를 실험 및 예측 모델을 통해 분석한다. 강모의마모를예측하기 위하여브러쉬실 강모의 예측 모델을 이용하였으며 로터의 휘둘림 현상 으로 발생된 국부적인 강모의 마모를 3-D 장비를 활 용하여측정하였다. 또한거칠기가다른두개의디스 크를 이용하여 거칠기가 마모에 미치는 영향을 실험적 으로파악하였으며 추가적으로과열증기환경에서브
Fig. 1. Configuration of brush seal.
러쉬실의 마모 및산화도를 SEM(Scanning Electron Microscope) 및 EDX(Energy Dispersive X-ray) 데이터 를통해분석하였다.
2. 연구방법 및 내용
2-1. 마모량 예측 모델
시간에따른강모의마모량을예측하기위해마모에 영향을 끼치는 변수[5] 및 무차원 마모 영향 계수를 정 리하였다. 마모 영향 계수 식은 (1)과 같이 정의된다[16].
(1)
여기서 k는 마모 영향 계수이며 V는 마모로 인한 부 피 감소, F는 브러쉬 실 강모에 대한 수직항력, 그리 고 S는움직인거리(회전속도)를나타낸다. 식(1)을다 시 정리하면 식(2)와 같이 다시 정리할 수 있다.
(2)
식 (2)에서 확인할 수 있듯이 마모로 인한 강모의 부피 감소는 수직항력 및 마모 영향 계수의 함수로 표 현될 수 있다. Fellenstein et al.s[5] 실험식에 기반하여 k= 1.2 × 10−6mm3/Nm를인용하였다. 강모가로터에주는 F를 구하기 위해서는 식 (3), (4)를 이용하였다[17,18].
여기서 L은 강모의 자유 길이 이며 Db, Df는 강모의 구멍 및 병목구간 직경이다. δ는 반경방향 간섭(radial
interference)이며선형적으로힘에영향을끼치는변수
이다. 본 마모 모델에서는 간섭을 0.1 mm~0.5 mm로 설정하였으며 회전속도는 터빈의 원주속도(132.72m/s) 를고려하여설정하였다.
(3)
(4)
2-2. 시험 브러쉬 실 및 디스크
과열증기 환경에서 브러쉬 실 강모의 마모를 실험하
기위한테스트브러쉬실의형상은 Fig. 1에나타나있
다. 테스트 브러쉬 실은 용접형이며 실제 증기터빈에 널 리사용되기때문에테스트실로선정하였다. 브러쉬실
의 lay angle 및강모 두께등의정확한형상정보는
Table 1에서 확인할 수 있다. 로터 표면의 거칠기에 따
른강모의마모및탈락현상확인을위해거칠기가다 른 2개의 마모 실험용 디스크를 제작하였다. Fig. 3,4는 디스크 각도에 따른 중심선 평균 거칠기 값을 나타낸 다. Case A의경우에는 Ra 값이약 0.01μm이며 Case B는 약 100μm의 평균 거칠기 값을 지니는 디스크를 제작하였다. 디스크의기계적물성치는 Table 2에 정 리되어 있다.
2-3. 실험 장치 및 절차
Fig. 5는 브러쉬 실 마모 실험을 위한 실험 장치의
k v FS---
=
v=kF
L Db
---4 Df
---4 Db×Df
---2 θ arc Db
Df
---×sinθ
⎝ ⎠
⎛ ⎞
sin cos –
× – +
=
F 3π ---64 Ed4
L3sin2θ ---δ
=
Table 1. Specification of brush seal Geometry parameters of brush seal Radius of seal stator [mm] 84.78
Radius of seal rotor [mm] 75
Lay angle [degree] 45
Diameter of bristle [mm] 0.127 Bristle pack width [mm] 1.27 Bristle free height [mm] 2.54
Upper region [mm] 0.76
Fence height [mm] 1.78
Bristle modulus of elasticity [GPa] 204 Diameter of bristle bore [mm] 150
Front plate bore [mm] 183
Material of bristle Haynes 25 Fig. 2. Failure types of brush seal (Courtesy of Turbo
Power Tech Co.).
단면이다. 1은드라이빙모터, 2는유연커플링(flexible coupling), 3은 하우징, 4는 테스트 브러쉬 실, 5와 6은 지지대의앵귤러콘택트볼베어링(angular contact ball bearing)이며 7은 시험용 축을 나타낸다. Fig. 5에서 확 인할 수 있듯이 2개의 브러쉬 실 유닛을 포함하는 하 우징은로터중앙에위치하고있다. 테스트리그(test rig) 의 전체적인 도식은 Fig. 6에 나타내었다. 스팀 제너레
이터(steam generator) 와 슈퍼히터를통해 생성된과
열증기는 파이프라인을 통해 브러쉬 실 테스트 하우징 으로 유입된다. 온도 및 압력센서는 하우징의 입구 및
출구측에설치되어있다. 센서를통해수집된데이터
는 DAQ 장비에수집되어시험중과열증기의상태를
모니터링할 수 있다. 역방향 유동(reverse flow)으로 인 한시스템의문제를대비하여출구파이프라인의면적 을 입구 파이프라인 면적의 2배로 설계하였다. 56 kW 급 영구자석 모터는유연 커플링을 통해 연결된 로터를 회전시키며 왼쪽과 오른쪽에 앵귤러 콘택트 볼베어링 에 의해 지지되어 있다. 영구자석 모터는 실제 증기 터
빈원주속도보다약 3배높은 50,000 rpm까지로터를
회전시킬 수 있으며 회전 속도는 타코미터(tachometer) 를사용하여실시간으로측정된다. 실제증기터빈의원 주속도를고려해운전영역은 16,900 rpm으로설정하였 으며 운전영역에서 유연 커플링 모드를 관찰하였지만 진동은크지 않았다. 마모에영향을끼치는독립변수 로는 식(1)에서 확인할 수 있듯이 마찰계수 및 수직항 력(normal force) 그리고 회전속도이다. 회전속도 및 수직항력이 마찰에 영향을 끼치기 때문에 강모의 길이 는 일정하고 운전영역은 Case A, B둘 모두 16,900 rpm 에서실험을진행하였다. 또한로터휘둘림(whirl) 현상 에 의해 생성된 불균일한 마모 및 과열증기 환경에서 브러쉬실의산화를분석하기위하여실험후의강모 Fig. 3. Surface roughness of Case A.
Fig. 4. Surface roughness of Case B.
Fig. 6. Experimental set up.
Fig. 5. Layout of brush seal wear apparatus.
Table 2. Mechanical property of disk (Forging 12Cr) Mechanical property
UTS (Ultimate Tensile Strength) [MPa] 827-965 Y.S (Yield Strength) [MPa] 620
Elong (Elongation) [%] 13
RA (Reduction of Area) [%] 40 HB (Brinell Hardness) 248-300
를 SEM 및 EDX 데이터를 활용하여 분석하였다.
3. 결과 및 고찰
3-1. 시간에 따른 마모량 예측
시간에 따른 강모의 마모량 예측 및 산화를 연구하 기 위해서 Case B 의 디스크를 사용하여 실험을 진행 하였다. 로터의휘둘림으로 인해 발생된강모의부피 감소를 측정하기 위해 면적 측점 접근(area-wise) 방법 을활용하였다. 면적측점 접근은 와이어끝과 로터사 이의 빛을 투사하여 컴퓨터 비전 알고리즘에 의해 면 적을 측정한다. 이를 통해 조명 영역이 계산되고 식은 아래와같다.
(5)
여기서 ρ은 강모의 밀도이며 D는 로터의 직경이다.
측정된간극을통해측정된강모의부피감소를구하 였으며 이는 Fig. 8에서 확인할 수 있다. Fig. 7은 시간 에따른 강모의 부피감소 예측 모델 그래프이다. 식
(2), (4)에서 확인할 수 있듯이 강모의 부피 감소는 반
경 방향 간섭에 따라 선형적으로 증가하는 것을 확인 하였다. 마모예측모델을통해 2시간동안이뤄진강 모의 마모 실험 결과 로터와 강모의 반경 방향 간섭은 약 0.1 mm로예측된다.
3-2. 과열증기 공급에 따른 강모의 산화현상
과열증기및로터의진동으로인한불규칙한로터의 진동이 브러쉬 실 강모의 마모에 어떤 영향을 미치는지
SEM과 EDX 데이터를활용하여 분석하였다. SEM은
고체 상테에서 작은 크기의 미세 조직과 형상을 분석 할 때 널리 쓰이는 현미경이다.
Fig. 8은 과열증기 환경에서 마모 실험을 한 후의
강모를 SEM으로 측정한 이미지이다. Fig. 8에서 확인 할수있듯이과열증기를공급하기전에 SEM 이미지에 서는 확인할 수 없었던 강모 부분의 산화층이 형성되 는 것을 가시적으로 확인할 수 있다. 이를 정성적 및 정량적으로 확인하기 위해 EDX 데이터를 활용하여 강모의 성분을 분석하였다. Table 3는 스팀 공급 이전
이후의 EDX 데이터를보여준다. 스팀공급전에서는
확인할 수 없었던 산소원자가 과열증기 환경에서 실험 후 측정된 강모에서는 발견되었다. 이를 통해 높은 운
동에너지(high kinetic energy)를가지는과열증기는강
모의 산화를 가속화하는 것을 정량적으로 확인하였다.
3-3. 거칠기에 따른 강모의 마모현상
거칠기가 다른 두 개의 디스크를 사용한 브러쉬 실 강모의실험결과는 Fig. 9, 10이다. Case A의경우특 정 브러쉬 유닛에 질량 5~72 mg정도의 질량감소현상 이발생하였다. 접착성마모는고온에서응착된두물 Cavg D
----2 1 4Ap
π(ρD)2 --- 1–
⎝ + ⎠
⎛ ⎞ 27.6μm
= =
Fig. 7. Comparison wear prediction with experimental result for 132.73 m/s.
Fig. 8. SEM analysis of the bristle after experiment [19].
Table 3. EDX data of bristle
Before steam operation After steam operation
Element Wt [%] Element Wt [%]
C 3.25 C 6.44
Cr 18.83 O 7.04
Fe 2.37 Cr 16.67
Co 49.90 Fe 3.89
Ni 10.83 Co 41.62
W 13.32 Ni 9.35
체가떨어질때한물체에서다른물체로파편이떨어 져 나가는 현상으로서 고온에서는 접촉부가 연화되어 변형이 쉽게 일어나고 두 물체간의 화학적 확산 반응 이 활발하게 일어난다. 따라서 상대적으로 Ra값이 작 았던 Case A의 경우에서도 마모가 발생하게 되었다.
Fig. 11에서확인할수있듯이디스크표면이거칠었던
Case B에서는 연삭 마모가 발생하게 되었다. 이는 거
친입자를포함한물질이상대적으로연한 표면과상 대운동할때발생하게되는대표적인마모적인특성이 다. 본 실험결과에서는 강모의 엉킴 및 탈락현상까지 발생하는것을확인할수있었다.
4. 결 론
본 연구에서는 증기 터빈용 브러쉬 실의 밀봉 성능 에영향을끼치는마모및산화도측정을위한시험이 과열증기 환경에서 수행되었다. 실제 증기터빈의 환경 을 모사하기 위해 과열증기를 작동유체로 사용하였으
며 터빈의 원주속도를 고려해 디스크의 회전속도를 설 정하였다. 로터 표면의 거칠기에 따른 마모를 관찰하 기위해중심선평균거칠기가다른두개의디스크를 활용하여 강모의 마모 및 탈락 실험을 진행했다. 또한 시간에따른 강모의마모를 예측하기 위하여모델을 구성하였으며 이를 실험값과 비교하였다. 마모된 강모 다발 분석을 통해 다음과 같은 결론을 내릴 수 있었다.
1. 로터의불균일한진동(whirl)으로인해브러쉬실
의 강모는 국부적으로 큰 마모가 발생시킬 수 있으며 이 는브러쉬실의예기치못한파손을가져올수있다. 따 라서로터의설계 시운전영역에서의로터의모드형 상을 파악하여 국부적인 손상이 야기되는 것을 미리 예측하여설계해야한다.
2. 수직항력과 반경 방향의 간섭을 고려한 브러쉬 실강모의마모예측 모델을통하여강모의마모량을 예측하였다. 실험값(27.6µm을 토대로 로터와 브러쉬 실 간의 반경 방향 간섭은 약 0.1 mm로 추정된다.
3. Case A의경우에는특정유닛에서질량감소현상
이 발생하였다. 이는 점착성 과열증기가 점착성 마모를 가속화시킨것으로판단된다. 거칠기가상대적으로컸
던 Case B의경우에는강모의마모및엉킴현상이발
생하였으며 심한 경우에는 탈락현상이 발생하는 것을 실 험을통해확인하였다. 로터의표면의거칠기를확보하 지 못하면 예기치 못한 브러쉬 실의 파손을 가져올 수 있으며이를방지하기위해로터의표면거칠기관리및 브러쉬실강모의일정한길이가확보되어야한다.
4. 과열증기 환경에서 강모의 산화를 측정하기 위해 SEM과 EDX를활용하였다. 과열증기가공급되기전에 는 강모의 산화가 진행되지 않았지만 과열증기가 공급
된후 Fig. 8의 SEM 이미지를통해 강모 부분의산
화층이형성되는것을확인하였다. 정량적으로산화도 를 확인하기 위하여 EDX 데이터를 활용하였고 이를 통해 과열증기 현상이 강모의산화를 가속화시키는 것을 위의 데이터를 통해 확인하였다.
향후 진행되는 연구에서는 과열증기 환경에서 브러
쉬실의강모의소재를변경하여마모층(tribo-film)이
구성되는 것을 연구하여 강모의 산화도를 줄이는 로터 의재질을확보할예정이다.
Acknowledgements
이 논문은 2018년도 정부(과학기술정보통신부)의 재 원으로한국연구재단의지원을받아수행된기초연구 Fig. 9. Case A Experimental results of bristle
Fig. 10. Case B Experimental results of bristle.
Fig. 11. Failure of bristle after experiment.
사업임(No. 2017R1A2A17069515). 또한 증기 터빈용 브러쉬 실에 유용한 정보를 제공한 Turbo Power Tech
Co.에게특별한감사를표합니다.
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