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틸팅 패드 베어링은 안정적인 샤프트 지지, 예측 가능한 오일 필름 동작 및 제어된 로터 역학이 중요한 회전 기계에 사용됩니다. 하나의 연속적인 고정 베어링 표면에 의존하는 대신 샤프트 또는 스러스트 칼라가 움직일 때 작은 각도로 회전할 수 있는 여러 개의 패드를 사용하도록 설계되었습니다. 각각의 로드된 패드는 자체 유체역학적 압력장을 개발하여 베어링이 속도, 하중, 온도 및 샤프트 위치의 변화에 반응할 수 있도록 합니다.
이 아키텍처는 베어링 동작이 진동과 로터 안정성에 영향을 미칠 수 있는 터빈, 원심 압축기, 발전기, 펌프, 기어박스 및 기타 기계에서 일반적입니다. 그러나 모든 고정 프로파일 베어링보다 자동으로 우수하지는 않습니다. 올바른 선택은 기계 작동 영역, 베어링 하중, 윤활유 상태, 샤프트 역학, 사용 가능한 공간 및 유지 관리 요구 사항에 따라 달라집니다.
틸팅 패드 베어링은 피벗에 지지되는 여러 개의 개별 베어링 패드로 만들어진 유체 역학적 유체 필름 베어링 유형입니다. 회전하는 표면과 윤활유 사이의 상대 운동은 오일을 수렴 간극으로 끌어당겨 정상적인 유체 역학 작동 중에 움직이는 표면을 분리하는 압력을 생성합니다. 패드는 하나의 견고한 원통형 또는 평면 프로파일의 일부로 남아 있지 않고 작은 각도 위치를 자유롭게 설정할 수 있습니다.
일반적인 흰색 금속 베어링은 라이닝이 유체 역학 작동에 적합한 인터페이스를 제공하고 대형 회전 장비의 특정 설계 요구 사항을 수용할 수 있기 때문에 Babbitt 작동 표면이 있는 강철 지지대를 사용할 수 있습니다. 틸팅 패드 디자인은 각 세그먼트가 독립적으로 반응하는 데 필요한 회전 메커니즘을 추가합니다. Waukesha 및 Michell과 같은 제조업체는 마찬가지로 틸팅 패드 베어링을 저널 및 스러스트 배열에 사용되는 분할된 유체 역학 베어링으로 설명합니다.
따라서 가장 중요한 차이점은 단순히 베어링 재질이 아닙니다. 형상, 피벗 설계, 간격, 윤활제 전달, 패드 로딩 및 베어링 주변의 로터 시스템이 모두 성능에 영향을 미칩니다.
유체역학적 윤활은 상대 표면 운동, 윤활제 점도, 하중 및 수렴 필름 형상에 따라 달라집니다. 저널이 회전함에 따라 윤활유는 샤프트와 로드된 패드 사이의 공간으로 흡입됩니다. 수렴 영역 내에서 압력이 상승하고 하중을 지지하는 유막이 생성됩니다.
틸팅 패드 베어링을 사용하면 패드가 작용하는 국지적 힘에 의해 결정되는 작동 자세에 도달할 때까지 각 세그먼트가 피벗을 중심으로 약간 회전할 수 있습니다. 이 움직임은 고정된 베어링 프로파일 주위에 하나의 연속적인 압력 필드가 아닌 별도의 유체역학적 쐐기를 설정하는 데 도움이 됩니다. 최종 필름 두께와 패드 온도는 여전히 작동 조건에 따라 달라지므로 패드 움직임을 모든 윤활 또는 정렬 문제에 대한 자동 보상으로 해석해서는 안 됩니다.
석유 공급도 똑같이 중요합니다. 불충분한 흐름, 부적합한 점도, 과도한 입구 온도, 제한된 배수 또는 뜨거운 오일 잔해는 베어링 형상 자체가 올바른 경우에도 유막 두께와 열적 거동에 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 이유로 유체역학적 베어링 설계와 윤활 시스템 설계를 함께 평가해야 합니다.
고정 프로파일 저널 베어링은 많은 기계에서 안정적으로 작동할 수 있지만 속도, 하중, 틈새, 윤활제 특성 및 로터 특성의 특정 조합으로 인해 불안정한 교차 결합 유체 힘이 발생할 수 있습니다. 이러한 힘은 오일 소용돌이(oil whirl) 및 불리한 로터 동역학 조건 하에서 오일 휩(oil Whip)과 같은 비동기 진동에 영향을 줄 수 있습니다.
틸팅 패드 저널 베어링은 각 패드가 보다 국부적인 압력장을 개발하기 때문에 동적 동작을 변경합니다. 독립적인 패드 모션은 일부 고정 형상 저널 베어링 배열에 비해 불안정한 교차 결합 강성을 크게 줄일 수 있습니다. 이 효과는 특히 유체 필름 역학이 중요한 장비에서 로터 설계자가 사용할 수 있는 안정성 마진을 향상시킵니다.
이는 아닙니다 . 베어링이 모든 진동 원인을 제거한다는 의미는 로터 불균형, 정렬 불량, 구조적 공진, 부적절한 간격, 잘못된 예압, 피벗 손상, 윤활 불량 및 기초 문제는 여전히 불안정하거나 허용할 수 없는 기계 동작을 유발할 수 있습니다. 따라서 베어링 선택은 완전한 회전동력 평가의 일부로 남아 있어야 합니다.
틸팅 패드 설계는 패드 배열 방식에 따라 방사형 또는 축방향 하중을 지원할 수 있습니다. 저널 베어링은 샤프트를 둘러싸고 주로 방사형 위치를 제어하는 반면 스러스트 베어링은 스러스트 칼라 또는 러너에 작용하여 축 이동을 제어합니다. 많은 대형 기계는 동일한 샤프트 시스템 내에서 두 기능을 모두 사용합니다.
| 베어링 유형 | 주하중 | 주요 기능 | 일반 장비 |
|---|---|---|---|
| 틸팅 패드 저널 베어링 | 방사형 | 샤프트를 지지하고 로터 강성과 댐핑에 영향을 줍니다. | 압축기, 터빈, 발전기, 펌프, 기어박스 |
| 틸팅 패드 스러스트 베어링 | 축방향 | 축 위치를 제어하고 추력을 지지 구조물에 전달합니다. | 터빈, 압축기, 펌프, 해양 추진 장치 |
| 결합 배열 | 방사형 및 축형 | 하나의 기계 시스템 내에서 별도의 방사상 지지 및 추력 제어 제공 | 터보기계 및 기타 복잡한 회전 시스템 |
저널 디자인은 일반적으로 샤프트 주위에 분산된 여러 개의 패드를 사용합니다. 4개 및 5개 패드 배열이 일반적이지만 패드 수와 하중 방향은 보편적인 설계 규칙이 아닌 응용 분야별로 유지됩니다. Waukesha는 유사하게 패드 번호, 예압, 피벗 오프셋, 여유 공간 및 하중 방향을 기계에 맞게 변경할 수 있는 변수로 식별합니다.
스러스트 어셈블리에서 각 패드는 회전하는 칼라에 대해 유체 역학적 쐐기를 형성합니다. 에이 따라서 Babbitt 스러스트 패드는 베이스 링, 지지 장치, 윤활유 공급 및 필요한 경우 부하 균등화 기능을 포함하는 더 큰 베어링 시스템의 일부를 형성할 수 있습니다. TOTEM의 제품군에는 틸팅 패드 스러스트 베어링 어셈블리용으로 설계된 스러스트 패드가 포함되어 있습니다.
어느 베어링 아키텍처도 보편적으로 더 낫다고 설명되어서는 안 됩니다. 고정 프로파일 베어링은 속도, 부하, 작동 범위 및 로터 역학이 해당 특성과 호환되는 경우 실용적입니다. 틸팅 패드 베어링은 안정성 요구 사항이나 작동 조건 변경으로 인해 더욱 구성 가능한 유체 필름 설계가 정당화될 때 특히 유용합니다.
| 팩터 | 고정 프로파일 베어링 | 틸팅 패드 베어링 |
|---|---|---|
| 로터 동적 거동 | 적절한 작동 범위 내에서 안정적으로 수행할 수 있지만 일부 고속 시스템에서는 더 강력한 교차 결합 효과가 나타날 수 있습니다. | 일반적으로 불안정한 교차 결합이 낮고 설계 유연성이 뛰어납니다. |
| 기하학 | 연속 고정 프로필 | 독립적으로 회전하는 여러 개의 패드 |
| 설계 복잡성 | 일반적으로 더 간단합니다. | 더 많은 구성요소와 더 많은 설계 변수 |
| 오정렬 반응 | 베어링 형상 및 기계 정렬에 따라 크게 달라집니다. | 개별 패드 동작은 샤프트 자세의 적당한 변화를 수용할 수 있습니다. |
| 엔지니어링 유연성 | 더욱 제한된 기하학적 튜닝 | 클리어런스, 예압, 피벗, 패드 번호 및 방향 조정 가능 |
| 윤활 요구 사항 | 애플리케이션에 따라 다름 | 오일 분포 및 패드 열 거동에는 신중한 평가가 필요합니다. |
| 최고의 사용 사례 | 베어링 설계 영역 내에서 안정적인 하중 및 작동 조건 | 로터 안정성 또는 다양한 작동 조건으로 인해 추가적인 복잡성이 정당화되는 기계 |
실질적인 선택 문제는 현대적인 디자인이 오래된 디자인을 대체해야 하는지 여부가 아닙니다. 엔지니어는 로터에 실제로 필요한 베어링 특성이 무엇인지, 그리고 예상되는 개선이 추가 제조, 윤활, 모니터링 및 유지 관리 요구 사항을 정당화하는지 여부를 결정해야 합니다.
성능은 하나의 선호 구성이 아닌 여러 변수의 상호 작용에서 비롯됩니다. 간격, 예압, 피벗 위치 또는 윤활유를 변경하면 최소 필름 두께, 패드 온도, 강성, 댐핑 및 전력 손실이 동시에 변경될 수 있습니다. 따라서 한 기계에 최적화된 설계를 다른 기계에 직접 복사해서는 안 됩니다.
| 설계 변수 | 중요한 이유 | 엔지니어링 고려 사항 |
|---|---|---|
| 베어링 클리어런스 | 유막 두께, 온도, 강성 및 동적 계수에 영향을 미칩니다. | 샤프트 크기, 속도, 하중, 오일 특성 및 열 상태를 반영해야 합니다. |
| 예압 | 패드-필름 형상 및 베어링 동적 특성 변경 | 예압이 0이거나 높거나 예압이 높은 것은 보편적으로 바람직하지 않습니다. |
| 피벗 위치 | 패드 자세, 압력 분포 및 방향성에 영향을 미칩니다. | 중심 또는 오프셋 배열은 회전 및 설계 요구 사항과 일치해야 합니다. |
| 패드 번호 및 방향 | 하중 분포 및 강성 특성을 변경합니다. | 4패드 및 5패드 저널 배열이 일반적이지만 선택은 응용 프로그램에 따라 다릅니다. |
| 윤활유 공급 | 열 제거 및 유체역학적 필름 형성을 제어합니다. | 오일유량, 점도, 입구온도, 공급방식, 배수량 등 검토 필요 |
| 패드 소재와 안감 | 주행 표면 동작, 제조 가능성 및 수리 전략에 영향을 미칩니다. | 재료 사양은 기계 요구 사항 및 승인된 도면을 따라야 합니다. |
클리어런스는 유막 베어링에서 가장 민감한 치수 중 하나입니다. 과도한 간극은 동적 계수를 변경하고 의도된 샤프트 운동 제어를 감소시킬 수 있으며, 간극이 부족하면 유막 발달을 제한하고 열 민감도를 증가시킬 수 있습니다. 올바른 조립 값은 공칭 치수보다는 실제 샤프트 및 하우징 치수를 고려해야 합니다.
예압은 패드 곡률과 조립된 베어링 형상 간의 관계를 수정합니다. 낮은 예압은 일부 시스템에서 유리한 안정성 특성을 제공할 수 있는 반면, 다른 곳에서는 필요한 강성, 필름 동작 또는 패드 제어를 달성하기 위해 다른 값을 선택할 수 있습니다. 따라서 이는 보편적인 설정으로 취급되기보다는 유체 역학, 열 및 회전 역학 분석을 통해 확립되어야 합니다.
피벗은 각 패드가 작동 각도를 설정하는 지지대를 제공합니다. 중앙 피벗은 적절한 설계의 양방향 요구 사항에 적합할 수 있는 반면, 회전이 정의되고 압력 분포는 비대칭 피벗 위치에서 이점을 얻을 때 오프셋 피벗을 선택할 수 있습니다. 피벗 유형과 유연성도 전체 어셈블리의 동적 반응에 영향을 미칠 수 있습니다.
패드 위 하중 및 패드 간 하중 방향은 저널 베어링에서 또 다른 설계 선택을 제공합니다. 그 효과는 패드 수, 베어링 하중 방향, 로터 강성 및 필요한 동적 계수에 따라 달라집니다. 선택은 일반 규칙 대신 시스템 수준 계산을 따라야 합니다.
안정적인 유체역학적 작동은 베어링 하우징에 오일을 공급하는 것 이상에 달려 있습니다. 윤활제는 적절한 압력, 점도, 온도 및 흐름 조건에서 패드 표면에 도달한 다음 과도한 재순환 없이 베어링을 떠나야 합니다. 오일 분포는 최소 필름 두께와 패드 금속 온도에 영향을 미칠 수 있습니다.
일부 베어링 설계에서는 범람 윤활을 사용하는 반면, 일부 베어링 설계에서는 오일을 패드 입구 영역으로 보다 구체적으로 유도합니다. 직접 윤활은 불필요한 오일 재순환을 줄이고 전력 손실이나 온도 동작을 변경할 수 있지만 적절한 배치는 베어링 및 기계 설계에 따라 다릅니다. 예를 들어 Waukesha는 방향성 윤활, 패드 형상 및 작동 조건을 독립적인 기능이 아닌 관련 설계 고려 사항으로 취급합니다.
개조 중에 기존 오일 시스템이 자동으로 적합하다고 가정해서는 안 됩니다. 베어링 구성을 변경하기 전에 공급 통로, 배수 용량, 오일 온도, 여과, 계측 및 하우징 형상을 함께 검토해야 합니다.
이해하는 가장 유용한 방법은 틸팅 패드 베어링 응용 분야를 해결하려는 기계적 문제를 식별하는 것입니다. 높은 회전 속도는 일반적인 이유이지만 이것이 유일한 이유는 아닙니다. 무거운 축 추력, 로터 유연성, 작동 조건 변화, 열 증가 및 까다로운 신뢰성 요구 사항도 결정에 영향을 미칠 수 있습니다.
증기 및 가스 터빈 로터에는 제어된 방사형 지지가 필요하고 스러스트 베어링은 축 로터 위치를 유지합니다. 온도 변화, 샤프트 라인 이동, 압력 및 엄격한 진동 제한으로 인해 베어링 동적 동작이 특히 중요해질 수 있습니다. 틸팅 패드 저널 베어링은 반경 방향 안정성을 위해 사용될 수 있으며 스러스트 배열은 축 하중을 관리합니다.
베어링은 나머지 증기 터빈 부품 과 함께 고려해야 합니다. 로터 샤프트, 케이싱, 샤프트 씰 및 지지 구조를 포함한 TOTEM의 터빈 제품 범주에는 터빈 응용 분야를 위한 로터 샤프트, 스러스트 베어링, 슬리브 베어링 및 틸팅 패드 베어링 구성 요소가 포함됩니다.
원심 압축기 로터는 변화하는 공정 조건에서 작동할 수 있으며 비동기식 진동에 민감할 수 있습니다. 구성 가능한 저널 베어링은 설계자가 적절한 강성과 감쇠를 얻는 데 도움이 되며, 별도의 스러스트 베어링은 압축기 단계에서 생성된 축력을 관리합니다.
펌프와 기어박스는 다양한 하중 시스템을 제공하지만 방사형 하중, 축 추력, 샤프트 유연성, 온도 및 진동에 관해 유사한 질문을 제기할 수 있습니다. 이러한 작동 요구 사항이 명확한 엔지니어링 이점을 제공하는 경우 틸팅 패드 베어링이 정당화됩니다. 덜 까다로운 기계에서는 단순한 베어링 배열이 적절할 수 있습니다.
해양 추진 시스템은 샤프트 라인에서 선박 구조로 전달되어야 하는 상당한 축 추력을 생성할 수 있습니다. 틸팅 패드 스러스트 베어링은 안정적인 유막 작동과 제어된 축 위치 지정이 필요한 곳에 사용할 수 있습니다. 샤프트 정렬, 선체 처짐, 베어링 반응, 윤활유 상태 및 추진 부하는 동일한 시스템 수준 평가의 일부로 유지됩니다.
대형 수력 발전 기계는 속도만으로는 불완전한 선택 기준이 되는 또 다른 예를 제공합니다. 무거운 로터 또는 런너 하중과 수직 샤프트 배열로 인해 하중 용량과 유막 거동이 회전 속도만큼 중요해질 수 있습니다.
베어링 카탈로그보다는 기계부터 선택해야 합니다. 엔지니어는 일반적으로 샤프트 직경, 회전 속도 범위, 방사형 하중, 해당하는 경우 축 추력, 회전 방향, 윤활유 특성, 흡입 오일 상태, 베어링 하우징 형상, 샤프트 정렬, 열 성장 및 알려진 로터 동적 요구 사항을 정의해야 합니다.
기존 장비의 진동 이력, 베어링 온도, 시동 및 종료 동작, 오일 상태, 샤프트 저널 상태 및 이전 베어링 손상도 검토해야 합니다. 이러한 관찰은 실제 베어링 설계 문제를 불균형, 공진, 정렬 불량, 윤활 부족 또는 기타 시스템 결함과 구별하는 데 도움이 됩니다.
개조의 경우 고정 프로파일 베어링을 틸팅 패드 베어링으로 교체하려면 로터역학 및 기계적 호환성 검토를 따라야 합니다. 하우징 외피, 오일 연결, 배수구, 프로브, 샤프트 위치, 설치 접근 및 작동 과도 현상이 모두 변환의 실제 여부에 영향을 미칠 수 있습니다.
베어링 성능은 제조된 부품이 의도한 형상을 재현하는지 여부에 따라 달라집니다. 에이 흰색 금속 틸팅 패드는 패드 두께, 내부 반경, 피벗 위치, 라이닝 무결성, 표면 마감 및 오일 홈 형상에 대한 제어가 필요할 수 있습니다. 이러한 기능의 오류로 인해 설계 조건에서 실제 간격이나 유체역학적 표면이 변경될 수 있습니다.
TOTEM은 강철 백킹 준비, Babbitt 라이닝, 정밀 가공, 치수 검사 및 접착된 백색 금속층 검사를 포함하는 제조 경로를 설명합니다. 제품 정보에는 사용 가능한 검사 단계 중 좌표 측정 장비, Babbitt 결합의 초음파 검사, 표면 거칠기 검사, 오일 홈 검사도 나와 있습니다.
검사 요구 사항은 승인된 도면, 고객 사양 및 해당 프로젝트 문서를 따라야 합니다. 특히 기존 베어링 어셈블리용 교체 패드를 생산할 때 일반적인 수치 공차가 기계별 요구 사항을 대체해서는 안 됩니다.
시운전에서는 단순히 기계가 회전할 수 있는지 확인하는 것이 아니라 기준선을 설정해야 합니다. 베어링 온도, 샤프트 진동, 모니터링되는 샤프트 위치, 윤활유 입구 및 출구 조건, 작동 하중은 승인된 작동 범위 전체에서 관찰되어야 합니다. 시작, 감속 및 프로세스 전환은 하나의 정상 상태 조건에서는 명확하지 않은 동작을 나타낼 수 있습니다.
| 증상 | 가능한 베어링 관련 원인 | 확인 사항 고려 사항 |
|---|---|---|
| 패드 온도 상승 | 오일 흐름 제한, 부적절한 간극, 과도한 하중, 뜨거운 오일 캐리오버, 표면 손상 | 오일 상태, 온도 패턴, 하중, 여유 공간, 패드 표면 확인 |
| 비동기 진동 | 베어링 동특성, 과도한 클리어런스, 로터 상호작용 | 스펙트럼, 속도 의존성, 샤프트 궤도, 로터 모델 및 베어링 상태 검토 |
| 국부적인 Babbitt 손상 | 엣지 로딩, 윤활 손실, 오염, 형상 오류 | 패드 표면, 피벗, 저널, 오일 공급, 정렬 및 치수 검사 |
| 개조 후 온도가 불안정함 | 오일 분배, 변경된 로딩, 하우징 또는 배수 제한 | 시운전 기준선과 비교하고 전체 윤활 경로를 검사합니다. |
증상을 하나의 실패 메커니즘의 증거로 취급해서는 안 됩니다. 예를 들어 베어링 온도는 부하, 오일 점도, 공급 온도, 간격, 정렬 또는 기계의 다른 부분 변경으로 인해 변경될 수 있습니다. 효과적인 문제 해결은 수리 또는 교체 결정이 내려지기 전에 검사 증거를 작동 데이터와 연결합니다.
틸팅 패드 베어링은 로터 안정성, 제어된 하중 전달 및 안정적인 오일 필름 동작이 중요한 기계에 구성 가능한 유체 역학 지원 시스템을 제공합니다. 성능은 베어링 유형 자체보다는 틈새, 예압, 피벗 형상, 패드 배열, 윤활, 재료 상태 및 로터 동역학의 완전한 조합에 따라 달라집니다. 저널 및 스러스트 설계는 다양한 하중 방향을 제공하며 신중한 제조 및 검사는 엔지니어링 설계 중에 가정된 형상을 유지하는 데 도움이 됩니다. 따라서 실제 기계 부하 및 작동 조건을 고려하여 선택을 시작한 다음 시스템 수준 분석 및 검증된 제조 요구 사항을 따라야 합니다.
주요 장점은 유체 필름 역학의 제어가 향상된다는 것입니다. 독립 패드는 불안정한 교차 결합 효과를 크게 줄이는 동시에 엔지니어에게 강성, 댐핑, 여유 공간, 예압 및 하중 방향에 대한 추가 제어 기능을 제공합니다.
일부 고정 프로파일 저널 베어링에 비해 오일 소용돌이 불안정성을 유발하는 유막 메커니즘을 크게 줄일 수 있지만 진동 없는 로터를 보장하지는 않습니다. 전반적인 동작은 여전히 로터, 베어링 형상, 정렬, 윤활, 구조 및 작동 조건에 따라 달라집니다.
4개 및 5개 패드 구성이 일반적이지만 특정 응용 분야에 맞게 다른 배열을 설계할 수도 있습니다. 패드 번호는 고정된 산업 규칙보다는 하중 방향, 여유 공간, 예압, 피벗 설계, 로터 역학 및 열 요구 사항과 함께 선택해야 합니다.
틸팅 패드 저널 베어링은 주로 방사형 샤프트 하중을 지원하고 측면 로터 동역학에 영향을 미칩니다. 틸팅 패드 스러스트 베어링은 스러스트 칼라 또는 러너에 대한 축방향 하중을 전달하고 샤프트의 축방향 위치를 제어합니다.
중요한 입력에는 샤프트 및 하우징 치수, 속도 범위, 하중, 회전 방향, 윤활제 사양, 작동 온도, 필요한 간격, 패드 형상, 피벗 구성 및 관련 기계 도면이 포함됩니다. 개조 또는 반복되는 고장의 경우 진동 이력, 저널 상태, 정렬 정보 및 이전 검사 결과도 중요합니다.
반드시 그런 것은 아닙니다. 개조하려면 하우징, 윤활 통로, 배수, 계측 또는 베어링 형상을 변경해야 할 수 있으며 결과적인 로터 동적 특성은 설치 전에 평가해야 합니다.
