DN 250만 250℃고온 스팀환경에서 운전되는 단열 브러쉬 실 마모효과에 관한 실험적 연구

Experimental Study on the Wear Effects of a Brush Seal in DN 2.5million in a 250℃ High - temperature Steam Environment

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($Ra=0.1{\mu}m$ and $100{\mu}m$) 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.

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) (강모 자유길이)

δ : Radial bristle to disk interference (m) (반경방향 간섭길이)

θ : Lay angle (degree) (강모 각도)

D_b : : Bristle bore diameter (m) (강모 구멍 직경)

D_f : : Pinch point diameter (m)(강모 병목 구간 직경)

D: : Diameter of rotor (m) (로터의 직경)

ρ: : Density of bristle (kg/m3 ) (강모의 밀도)

 

1. 서 론

터보기계 산업(turbo machinery industry)에서는 작동유체(working fluid)의 누출을 최소화하는 것이 중요하다. 왜냐하면 스팀터빈에서 발생하는 에너지 손실비율 중 누설로 인한 손실이 약 30% 정도를 차지하기 때문이다. 따라서 운용 중 누설 양을 줄이는 것은 매우 큰 경제적 이익을 도모할 수 있기 때문에 로터리 실(rotary seal)에 대한 연구가 활발하게 진행되어 왔다[1].오래전부터 작동유체의 누출을 막기 위해 값이 싸며 제작이 간단한 래버런스 실(labyrinth seal)을 산업에서 사용해왔다. 하[2,3]는 래버런스 실의 설계개선 및 해석을 FLUENT를 사용한 수치해석을 통하여 누설량 예측 및 동특성을 추출하였다. 비 접촉(non-contact) 실인래버런스 실(labyrinth seal)의 치아는 누설 유동의 와류(vortex)를 형성하여 누설 흐름의 에너지를 감소시켜효과적으로 누설 양을 줄일 수 있는 실이다. 그러나로터(rotor)의 진동과 구조적 한계 때문에 로터 와 실간의 간극은 항상 확보되어야 하며 높은 회전속도에서 유동의 휘둘림(whirl)은 시스템의 불안전성을 초래할 수 있다. 이를 보완하기 위해 브러쉬 실(brush seal)은 로터리 실로서 터보기계 산업에 사용되어 왔다[4,5]. 브러쉬 실은 기존의 래버런스 실과 달리 접촉(contact) 실로서 누설량을 크게 줄일 수 있는 장점뿐 아니라 시스템의 안전성을 가져올 수 있다. 하지만 브러쉬 실을 사용하기 위해서는 강모(bristle)의 스플라싱 효과(splicing effect)[6] 및 블로우 다운(blow down) 효과와 같은 여러 설계조건을 고려하여 운전영역에서 알맞은 실을 적용해야 하는 문제점이 있다[7].

 

Fig. 1. Configuration of brush seal.

브러쉬 실의 전체적인 형상은 Fig. 1에서 확인할 수 있다. 브러쉬 실은 크게 용접(welded)과 클램프(clamp)형으로 구분되며 구성요소로는 앞판(front plate), 뒤판(back plate) 그리고 강모 다발(bristle pack)로 이루어져 있다. 브러쉬 실의 강모는 크게 금속(metallic) 및비금속(nonmetallic)으로 구분된다. 대표적인 브러쉬 실의 강모는 코발트 베이스의 Haynes 25가 사용되며 높은 온도 및 차압(pressure difference)에서 운용이 가능하다. 비금속 재질의 강모는 주로 아라미드(aramid) 섬유 기반의 Kevlar소재로 만들어지며 Haynes 25보다 낮은 온도와 차압 조건에서 사용 되어 지지만 강모의 밀도가 높기 때문에 누설 양을 크게 줄일 수 있다[8-10]. 브러쉬 실은 접촉 실이기 때문에 수명 예측 및 성능을 평가하기 위해 다양한 조건에서 마모에 관한 연구가 이루어져 왔다[11-14]. 브러쉬 실의 마모는 로터와 맞닿는 강모의 산화 및 로터 재질에 따라 마모가 달라진다. 이를 확인하기 위해 Stott와 Wood [12]는 산화가 표면 필름 형성에 미치는 영향을 조사하였다. Jiang et al.[13-15]은 산화층의 형성에 영향을 끼치는 핵심 매개변수로 접촉면에서 산화물 파편이 재인입되는 점을 규정지었다. 산화나 재질에 의한 강모의 마모뿐 아니라 브러쉬 실의 파손에 영향을 끼치는 요인으로 로터의휘둘림(whirl) 현상을 꼽을 수 있다. 로터가 작동하는 동안 로터의 진동은 외력으로 작용하여 브러쉬 실의 강모에 계속해서 영향을 준다. 이 경우 브러쉬 실의 강모는 구부러지거나 반복적으로 응력을 받게 되어 마모 및 불규칙한 파손에 이르게 된다. 마모로 인한 브러쉬실의 파손은 누설량을 증가시켜 시스템 효율을 감소시킬 뿐 아니라 시스템의 동적 특성을 변화시켜 설계 시 고려해야 할 부분이다. Fig. 2는 외력에 의해 손상된브러쉬 실의 몇 가지 현상을 보이며 최악의 경우 고압증기터빈 부분에 시스템 파손이 관찰되기도 한다. 시스템의 효율 및 안전성을 위해 로터 표면의 거칠기 및 과열증기가 브러쉬 실 어떠한 영향을 끼치는지에 관한 연구가 필요하다.

 

Fig. 2. Failure types of brush seal (Courtesy of Turbo Power Tech Co.).

따라서 본 연구에서는 과열증기(super-heated steam)환경에서 거칠기(roughness)에 따른 강모(bristle)의 마모 및 산화에 대한 연구를 실험 및 예측 모델을 통해 분석한다. 강모의 마모를 예측하기 위하여 브러쉬 실강모의 예측 모델을 이용하였으며 로터의 휘둘림 현상으로 발생된 국부적인 강모의 마모를 3-D 장비를 활용하여 측정하였다. 또한 거칠기가 다른 두 개의 디스크를 이용하여 거칠기가 마모에 미치는 영향을 실험적으로 파악하였으며 추가적으로 과열증기 환경에서 브러쉬 실의 마모 및 산화도를 SEM(Scanning Electron Microscope) 및 EDX(Energy Dispersive X-ray) 데이터를 통해 분석하였다.

 

2. 연구방법 및 내용

 

2-1. 마모량 예측 모델

시간에 따른 강모의 마모량을 예측하기 위해 마모에 영향을 끼치는 변수[5] 및 무차원 마모 영향 계수를 정리하였다. 마모 영향 계수 식은 (1)과 같이 정의된다[16].

\(k=\frac{v}{F S}\)       (1)

여기서 k는 마모 영향 계수이며 V는 마모로 인한 부피 감소, F는 브러쉬 실 강모에 대한 수직항력, 그리고 S는 움직인 거리(회전속도)를 나타낸다. 식(1)을 다시 정리하면 식(2)와 같이 다시 정리할 수 있다.

\(v=kF\)       (2)

식 (2)에서 확인할 수 있듯이 마모로 인한 강모의 부피 감소는 수직항력 및 마모 영향 계수의 함수로 표현될 수 있다. Fellenstein et al.s[5] 실험식에 기반하여 k =1.2×10^{− 6} mm³ /Nm를 인용하였다. 강모가 로터에 주는 F를 구하기 위해서는 식 (3), (4)를 이용하였다[17,18]. 여기서 L은 강모의 자유 길이 이며 D_b , D_f는 강모의 구멍 및 병목구간 직경이다. δ는 반경방향 간섭(radialinterference)이며 선형적으로 힘에 영향을 끼치는 변수이다. 본 마모 모델에서는 간섭을 0.1 mm~0.5 mm로 설정하였으며 회전속도는 터빈의 원주속도(132.72m/s) 를 고려하여 설정하였다.

\(L=\sqrt{\frac{D_{b}}{4}+\frac{D_{f}}{4}-\frac{D_{b} \times D_{f}}{2} \times \cos \left[\theta-\arcsin \left(\frac{D_{b}}{D_{f}} \times \sin \theta\right)\right]}\)       (3)

\(F=\frac{3 \pi}{64} \frac{E d^{4}}{L^{3} \sin ^{2} \theta} \delta\)       (4)

 

2-2. 시험 브러쉬 실 및 디스크

과열증기 환경에서 브러쉬 실 강모의 마모를 실험하기 위한 테스트 브러쉬 실의 형상은 Fig. 1에 나타나 있다. 테스트 브러쉬 실은 용접형이며 실제 증기터빈에 널리 사용되기 때문에 테스트 실로 선정하였다. 브러쉬 실의 lay angle 및 강모 두께 등의 정확한 형상 정보는 Table 1에서 확인할 수 있다. 로터 표면의 거칠기에 따른 강모의 마모 및 탈락현상 확인을 위해 거칠기가 다른 2개의 마모 실험용 디스크를 제작하였다. Fig. 3, 4는 디스크 각도에 따른 중심선 평균 거칠기 값을 나타낸다. Case A의 경우에는 Ra 값이 약 0.01μm이며 Case B는 약 100 μm의 평균 거칠기 값을 지니는 디스크를 제작하였다. 디스크의 기계적 물성치는 Table 2에 정리되어 있다.

 

Table 1. Specification of brush seal

 

Fig. 3. Surface roughness of Case A.

 

Fig. 4. Surface roughness of Case B.

 

Table 2. Mechanical property of disk (Forging 12Cr)

 

2-3. 실험 장치 및 절차

Fig. 5는 브러쉬 실 마모 실험을 위한 실험 장치의 k단면이다. 1은 드라이빙 모터, 2는 유연 커플링(flexiblecoupling), 3은 하우징, 4는 테스트 브러쉬 실, 5와 6은지지대의 앵귤러 콘택트 볼 베어링(angular contact ball bearing)이며 7은 시험용 축을 나타낸다. Fig. 5에서 확인할 수 있듯이 2개의 브러쉬 실 유닛을 포함하는 하우징은 로터 중앙에 위치하고 있다. 테스트 리그(test rig)의 전체적인 도식은 Fig. 6에 나타내었다. 스팀 제너레이터(steam generator) 와 슈퍼히터를 통해 생성된 과열증기는 파이프라인을 통해 브러쉬 실 테스트 하우징으로 유입된다. 온도 및 압력센서는 하우징의 입구 및 출구 측에 설치되어 있다. 센서를 통해 수집된 데이터는 DAQ 장비에 수집되어 시험 중 과열증기의 상태를 모니터링할 수 있다. 역방향 유동(reverse flow)으로 인한 시스템의 문제를 대비하여 출구 파이프라인의 면적을 입구 파이프라인 면적의 2배로 설계하였다. 56 kW 급영구자석 모터는 유연 커플링을 통해 연결된 로터를 회전시키며 왼쪽과 오른쪽에 앵귤러 콘택트 볼베어링에 의해 지지되어 있다. 영구자석 모터는 실제 증기 터빈 원주 속도보다 약 3배 높은 50,000 rpm까지 로터를 회전시킬 수 있으며 회전 속도는 타코미터(tachometer)를 사용하여 실시간으로 측정된다. 실제 증기터빈의 원주속도를 고려해 운전영역은 16,900 rpm으로 설정하였으며 운전영역에서 유연 커플링 모드를 관찰하였지만진동은 크지 않았다. 마모에 영향을 끼치는 독립변수로는 식(1)에서 확인할 수 있듯이 마찰계수 및 수직항력(normal force) 그리고 회전속도이다. 회전속도 및 수직항력이 마찰에 영향을 끼치기 때문에 강모의 길이는 일정하고 운전영역은 Case A, B둘 모두 16,900 rpm에서 실험을 진행하였다. 또한 로터 휘둘림(whirl) 현상에 의해 생성된 불균일한 마모 및 과열증기 환경에서 브러쉬 실의 산화를 분석하기 위하여 실험 후의 강모를 SEM 및 EDX 데이터를 활용하여 분석하였다.

 

Fig. 5. Layout of brush seal wear apparatus.

 

Fig. 6. Experimental set up.

 

3. 결과 및 고찰

 

3-1. 시간에 따른 마모량 예측

시간에 따른 강모의 마모량 예측 및 산화를 연구하기 위해서 Case B 의 디스크를 사용하여 실험을 진행하였다. 로터의 휘둘림으로 인해 발생된 강모의 부피감소를 측정하기 위해 면적 측점 접근(area-wise) 방법을 활용하였다. 면적측점 접근은 와이어 끝과 로터 사이의 빛을 투사하여 컴퓨터 비전 알고리즘에 의해 면적을 측정한다. 이를 통해 조명 영역이 계산되고 식은 아래와 같다.

\(C_{a v g}=\frac{D}{2}(\sqrt{\left.1+\frac{4 A_{p}}{\pi(\rho D)^{2}}-1\right)}=27.6 \mu \mathrm{m}\)         (5)

여기서 ρ은 강모의 밀도이며 D는 로터의 직경이다. 측정된 간극을 통해 측정된 강모의 부피 감소를 구하였으며 이는 Fig. 8에서 확인할 수 있다. Fig. 7은 시간에 따른 강모의 부피 감소 예측 모델 그래프이다. 식 (2), (4)에서 확인할 수 있듯이 강모의 부피 감소는 반경 방향 간섭에 따라 선형적으로 증가하는 것을 확인하였다. 마모 예측 모델을 통해 2시간 동안 이뤄진 강모의 마모 실험 결과 로터와 강모의 반경 방향 간섭은약 0.1 mm로 예측된다.

 

Fig. 7. Comparison wear prediction with experimental result for 132.73 m/s.

 

3-2. 과열증기 공급에 따른 강모의 산화현상

과열증기 및 로터의 진동으로 인한 불규칙한 로터의 진동이 브러쉬 실 강모의 마모에 어떤 영향을 미치는지SEM과 EDX 데이터를 활용하여 분석하였다. SEM은 고체 상테에서 작은 크기의 미세 조직과 형상을 분석할 때 널리 쓰이는 현미경이다.

 

Fig. 8. SEM analysis of the bristle after experiment [19].

Fig. 8은 과열증기 환경에서 마모 실험을 한 후의 강모를 SEM으로 측정한 이미지이다. Fig. 8에서 확인할 수 있듯이 과열증기를 공급하기 전에 SEM 이미지에서는 확인할 수 없었던 강모 부분의 산화층이 형성되는 것을 가시적으로 확인할 수 있다. 이를 정성적 및 정량적으로 확인하기 위해 EDX 데이터를 활용하여 강모의 성분을 분석하였다. Table 3는 스팀 공급 이전이후의 EDX 데이터를 보여준다. 스팀 공급 전에서는 확인할 수 없었던 산소원자가 과열증기 환경에서 실험 후 측정된 강모에서는 발견되었다. 이를 통해 높은 운동에너지(high kinetic energy)를 가지는 과열증기는 강모의 산화를 가속화하는 것을 정량적으로 확인하였다.

 

Table 3. EDX data of bristle

 

3-3. 거칠기에 따른 강모의 마모현상

 

Fig. 9. Case A Experimental results of bristle

 

Fig. 10. Case B Experimental results of bristle

거칠기가 다른 두 개의 디스크를 사용한 브러쉬 실강모의 실험 결과는 Fig. 9, 10이다. Case A의 경우 특정 브러쉬 유닛에 질량 5~72 mg정도의 질량감소현상이 발생하였다. 접착성 마모는 고온에서 응착된 두 물체가 떨어질 때 한 물체에서 다른 물체로 파편이 떨어져 나가는 현상으로서 고온에서는 접촉부가 연화되어 변형이 쉽게 일어나고 두 물체간의 화학적 확산 반응이 활발하게 일어난다. 따라서 상대적으로 Ra값이 작았던 Case A의 경우에서도 마모가 발생하게 되었다. Fig. 11에서 확인할 수 있듯이 디스크 표면이 거칠었던Case B에서는 연삭 마모가 발생하게 되었다. 이는 거친 입자를 포함한 물질이 상대적으로 연한 표면과 상대운동할 때 발생하게 되는 대표적인 마모적인 특성이다. 본 실험결과에서는 강모의 엉킴 및 탈락현상까지 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

 

Fig. 11. Failure of bristle after experiment

 

4. 결 론

본 연구에서는 증기 터빈용 브러쉬 실의 밀봉 성능에 영향을 끼치는 마모 및 산화도 측정을 위한 시험이과열증기 환경에서 수행되었다. 실제 증기터빈의 환경을 모사하기 위해 과열증기를 작동유체로 사용하였으며 터빈의 원주속도를 고려해 디스크의 회전속도를 설정하였다. 로터 표면의 거칠기에 따른 마모를 관찰하기 위해 중심선 평균 거칠기가 다른 두 개의 디스크를 활용하여 강모의 마모 및 탈락 실험을 진행했다. 또한 시간에 따른 강모의 마모를 예측하기 위하여 모델을 구성하였으며 이를 실험값과 비교하였다. 마모된 강모다발 분석을 통해 다음과 같은 결론을 내릴 수 있었다.

(1)로터의 불균일한 진동(whirl)으로 인해 브러쉬실의 강모는 국부적으로 큰 마모가 발생시킬 수 있으며 이는 브러쉬 실의 예기치 못한 파손을 가져올 수 있다. 따라서 로터의 설계 시 운전영역에서의 로터의 모드형상을 파악하여 국부적인 손상이 야기되는 것을 미리 예측하여 설계해야 한다.

(2)수직항력과 반경 방향의 간섭을 고려한 브러쉬실 강모의 마모 예측 모델을 통하여 강모의 마모량을 예측하였다. 실험값(27.6 µm을 토대로 로터와 브러쉬실 간의 반경 방향 간섭은 약 0.1 mm로 추정된다.

(3) Case A의 경우에는 특정 유닛에서 질량 감소 현상이 발생하였다. 이는 점착성 과열증기가 점착성 마모를 가속화 시킨 것으로 판단된다. 거칠기가 상대적으로컸던 Case B의 경우에는 강모의 마모 및 엉킴 현상이 발생하였으며 심한 경우에는 탈락현상이 발생하는 것을 실험을 통해 확인하였다. 로터의 표면의 거칠기를 확보하지 못하면 예기치 못한 브러쉬 실의 파손을 가져올 수 있으며 이를 방지하기 위해 로터의 표면 거칠기 관리 및브러쉬 실 강모의 일정한 길이가 확보되어야 한다.

(4)과열증기 환경에서 강모의 산화를 측정하기 위해 SEM과 EDX를 활용하였다. 과열증기가 공급되기 전에는 강모의 산화가 진행되지 않았지만 과열증기가 공급된 후 Fig. 8의 SEM 이미지를 통해 강모 부분의 산화층이 형성되는 것을 확인하였다. 정량적으로 산화도를 확인하기 위하여 EDX 데이터를 활용하였고 이를 통해 과열증기 현상이 강모의 산화를 가속화 시키는 것을 위의 데이터를 통해 확인하였다.

향후 진행되는 연구에서는 과열증기 환경에서 브러쉬 실의 강모의 소재를 변경하여 마모 층(tribo-film)이구성되는 것을 연구하여 강모의 산화도를 줄이는 로터의 재질을 확보할 예정이다.