journal bearing

진단기술강습회 발표자료, 부경대, 2001. 6. 26

저널 베어링의 손상 및 대책저널저널 베어링의베어링의 손상손상 및및 대책대책

하 현 천 박사(㈜터보링크, 대표이사)

Intelligent Mechanics Lab. PukyungPukyung National Univ.National Univ.

진단기술강습회 발표자료, 부경대, 2001. 6. 26

머 릿 말

베어링은 회전기계의 운전 신뢰성 및 성능에 직접적인 영향을 미치는 가장 중요한

핵심 기계요소 중의 하나이다. 일반적으로 회전기계에서 발생하는 많은 문제점들은

주로 베어링 자체의 결함이나 또는 베어링과 연관되어 발생하고 있다.

따라서 베어링에서 발생되는 사소한 문제점은 회전기계 시스템 전체의 안정운전에

영향을 미칠 뿐만 아니라 시스템의 운전정지에 따른 엄청난 경제적 손실 (downtime

loss)을 초래한다.

따라서 회전기계를 사용하는 운전자들은 베어링의 손상을 가능한 빨리 검출하여 더

이상의 손상이 진전되지 않도록 올바른 조치를 취해야 한다. 회전기계 시스템에서

베어링의 손상을 조기에 발견하고 그 발생주기를 줄이거나 파손요인을 제거하는

매우 중요한 일이다.

본 고에서는 산업 회전 기계용 저널 베어링에서 자주 발생하는 손상에 대한 원인과

방지를 위한 대책에 대해 간략하게 소개코자 한다.

Intelligent Mechanics Lab., Pukyong National Univ.


3진단기술강습회 발표자료, 부경대, 2001. 6. 26

회전기계의 고장에 대한 통계 자료

산업 회전기계에서 발생하는 고장의 대부분(70 % 이상)이 핵심 부품과 관련

베어링은 고속, 고밀도, 고정밀 회전기계에서 중요한 핵심 부품

우리나라에서의 설비 보전비용은 총 생산의 15-40% 차지 (downtime loss 포함)

산업 회전기계에서 발생하는 고장의 대부분(70 % 이상)이 핵심 부품과 관련

베어링은 고속, 고밀도, 고정밀 회전기계에서 중요한 핵심 부품

우리나라에서의 설비 보전비용은 총 생산의 15-40% 차지 (downtime loss 포함)

핵심 부품인 베어링을 단순 소모품으로만 인식

회전기계의 베어링시스템 설계를 전적으로 해외 기술에 의존

설비 진단/수리 비용 과다 : 외국 maker에 consulting 의뢰 및 부품 수입

문 제 점

Downtime에의한손실 (48 %)

재료비(22 %)

인건비(16 %)

외주비(11 %) 기타

(3)

회전 기계에서의 triboligical problems 설비 보전비의 구성



회전기계의 고장에 대한 통계 자료 Ref. Allianz Handbook of Loss Prevention

Distribution of Faults on Steam TurbinesDistribution of Faults on Steam Turbines



회전기계의 고장에 대한 통계 자료 Ref. Allianz Handbook of Loss Prevention

Distribution of Faults on Turbo-compressors and BlowersDistribution of Faults on Turbo-compressors and Blowers



회전기계의 고장에 대한 통계 자료 Ref. EPRI CS-3344 pp.1-3

Problem Areas in the Fossil Power PlantProblem Areas in the Fossil Power Plant

Fans (0.6%)

Stack

Boiler tubes (4.2%)

Fouling/slagging (2.8%)

Pulverizers (0.6%)

Bearings (2.0%)Pumps (1.7%)

Condenser (3.8%)Turbine blades (2.7%)

Generator (3.8%)

Gas cleanup

Air heater

Pulverizer

Coal prep Coal

H.P. heater

L.P. heater

Water treatment

Condenser

Water

Turbines

H.P. I.P.L.P.

Turbines

Econ

S.H.R.H.

AshAsh

I.D. fan

F.D. fan

Generator



터보 회전기계에서의 핵심 부품

sealmovingblade

stationaryblade

sealseal

tip seal

신뢰성 향상

Bearings

Anti-swirl & brush seals

Rotordynamics

Structure/blade dynamics

Clearance control seals

25 50 75 100 125Z [in]

50

75

100

R[in

]

2 .1972.0591.9221.7841.6461.5081.3701.2321.0950.9570.8190.6810.5430.4050.268

성능 향상

Through-flow analysis

Stage flow analysis

Long buckets

Advanced vortex blades

Bearing, seal, bladeBearing, seal, blade



베어링(bearing)이란?

상대운동 하는 두 물체 사이에 어떤 물질 (rolling elements or lubrication)을개입시켜 마찰을 줄임으로써 운동을 원활하게 해 주는 기계 요소

상대운동 하는 두 물체 사이에 어떤 물질 (rolling elements or lubrication)을개입시켜 마찰을 줄임으로써 운동을 원활하게 해 주는 기계 요소

With rolling elements or lubrication

Without rolling elements or lubrication



Bearing classes and types

Dry Friction

Mixed-filmLubrication

BoundaryLubrication

Journal bearingsCircular, EllipticalTilting pad, Offset

Pressure dam..

Thrust bearingsPivot pad,

Self-equalizingTaper land ...

Hydrodynamic

Hybrid

Hydrostatic

ROLLINGELEMENTROLLINGELEMENT FLUID FILMFLUID FILM ACTIVE

CONTROLACTIVE

CONTROL

Magnetic

Electrorheological

Piezoelectric

Ball

Spherical

Roller

BearingsBearingsBearings

Full-filmLubrication



Bearing Classes and Types

Rolling Element BearingsRolling Element Bearings

장 점 단 점

표준화되어 호환성 우수

구조 간단

보수와 점검이 용이

적은 기동 마찰 토오크

반경/축방향 하중 동시 지지가능

구름요소의 피로파손으로 인한

유한 수명

열악한 감쇠 특성

제한된 하중 지지 능력

소형/저속용




Fluid Film BearingsFluid Film Bearings

장 점 단 점

고 하중 지지 능력

대형/고속용

충격에 강함

우수한 감쇠 특성

저 소음

긴 수명

자려 진동 (유체 여기 불안정)

구조 복잡 (많은 부대설비 필

요- 윤활유 공급 시스템)

열에 취약

고가

Damping effects on the vibrationamplitude at the resonanceJournal bearing Thrust bearing




Radial or Journal BearingRadial or Journal Bearing

G

Thrust BearingThrust Bearing

Double actingSingle acting



Bearing Classes and Types Ref., Journal Bearing Databook

Types of journal bearingsTypes of journal bearings




Types of Typical Journal BearingsTypes of Typical Journal Bearings



Principle of Lubrication(1)

Full Film ModesFull Film Modes

HydrodynamicHydrostaticSqueeze filmHybrid




Concepts of Hydrodynamic FilmConcepts of Hydrodynamic Film

Film PressureDistribution

Q2

Qs

BX

Q1h2

h1

U

(P)Q-h2UQ '

111 =

(P)Qh2UQ '

222 +=

s21 QQQ +=

W α µAUB (h1/h2)2

W: Load capacity

µ: Oil viscosity

A: Shoe area

U: Runner velocity

h1: Inlet film thickness

h2: Outlet film thickness

Q: Flow rate

Qs: Side flow rate

X/B: Pivot ratio




Geometry and film thickness, hydrodynamic pressure of a circular journal bearingGeometry and film thickness, hydrodynamic pressure of a circular journal bearing

동압 발생 원리

축의 회전 (속도)Oil 흡입 (전단력)쐐기 효과 (편심)

주요 설계 변수

크기, 회전수

간극, Oil 점성

하중, 형상 등




Hydrodynamic Film Developed in Journal BearingsHydrodynamic Film Developed in Journal Bearings

Cylindrical Elliptical Step

Three lobe Three lobe(canted)

Tilting pad



Double Tilting Pad Journal Bearing

High Stability, Self-aligning, Complex and ExpensiveHigh Stability, Self-aligning, Complex and Expensive

ANNULUS GROOVE

LOCKING PIN

ADJUST PLATE

FEED HO

ALIGNMENT PAD

SEAL TOOTH

COVER HALF

RING

PAD

LE



Elliptical Journal Bearing

High Load Carrying Capacity, Simple and CheapHigh Load Carrying Capacity, Simple and Cheap

RING

CASING

END LEAKAGE GROOVE

DOWEL

FEED HOLE

OVERSHOTGROOVE



Typical Applications of Journal Bearings

Steam turbineGas turbine

Hydraulic turbineGenerator

Power PlantsPower Plants




Petrochemicals & Refinery PlantsPetrochemicals & Refinery Plants

TurbinesCompressors

GearboxesPumps




VehiclesVehicles

EngineGearbox

PropulsionTurbocharger



저널 베어링 손상(1)

Tin or lead base white metal (babbitt) 손상을 의미

Babbitt 은 경도와 용융점이 낮기 때문에 베어링 계에서 손상 발생 시

가능한 한 축의 손상을 방지하고 손상이 베어링에만 국한되도록 할 수 있음

베어링은 상대적으로 가격이 싸고 교환이 쉽기 때문에 가능

Tin or lead base white metal (babbitt) 손상을 의미

Babbitt 은 경도와 용융점이 낮기 때문에 베어링 계에서 손상 발생 시

가능한 한 축의 손상을 방지하고 손상이 베어링에만 국한되도록 할 수 있음

베어링은 상대적으로 가격이 싸고 교환이 쉽기 때문에 가능

Yield strength of Babbitt metal versus temperatureSuggested temperature limits for Babbitt metal bearings




손상을 최소화 하기 위해서는 베어링에 무리가 가지 않도록 운전 지침을 준수해야 함

Film thickness limit Metal temperature limit Allowable specific load손상을 최소화 하기 위해서는 베어링에 무리가 가지 않도록 운전 지침을 준수해야 함

Film thickness limit Metal temperature limit Allowable specific load

Tmax

Bearing

Journal

Oil

hmin

Pmax

Hydrodynamicpressure

Design limits in the journal bearing Diagram for safe operation




• 손상 또는 파손에 대한 정확한 진단과 대책으로 더 이상의 재발 방지

• 베어링은 손상에 대한 수리비용은 낮지만, 설비의 운전 정지에 따른 엄청난

downtime loss 초래

• 손상 또는 파손에 대한 정확한 진단과 대책으로 더 이상의 재발 방지

• 베어링은 손상에 대한 수리비용은 낮지만, 설비의 운전 정지에 따른 엄청난

downtime loss 초래

Has bearing been worn-in? When was it last lubricated?Was bearing damaged earlier?Repair & troubleshooting records- Was the bearing recently replaced?

Has there been a change in operating conditions or duty cycle?Operation history- Vibration and temperature trends

A 발전소의 베어링 손상 사례

원인: Oil control system 고장

조치: 시스템 & 베어링 보수 후 기동

손실 금액:- 베어링 보수: 2 억원

- 노 무 비: 1 억원

- Downtime loss: 120 억원

Considerations for failure analysis




손상 원인 분류손상 원인 분류

부적절한 형상 선정

Excessive loadLight loadExcessive clearanceSmall clearance

설계 불량

운전 지침 이해 부족

Flushing 불량

이물질 혼입

Frequent start & stopLubrication breakdown

운전 불량

재질 불량 (소재,열처리)Poor bondingUnder/over cuttingMisalignmentUnbalance

제작 불량

Load capacity diagram for plain journal bearings




손상 형태 분류손상 형태 분류

Fatigue failure by cyclic loadingBy inadequate design

Fatigue

Abrasive wear by hard particleErosive wear

Wiping failureWhite metal meltingOverheating

Lubricationbreakdown

Wear

Unsuitable lubricantBy oil contamination

Chemicaleffects

Electrical erosionElectrical arcing

Electricaldamage

Over/under cutting Misalignment

Mfg faults &Ass’y errors

Adhesive wear by small oscillation By inadequate interference fit

Fretting

Reciprocating engineBy high frequency vibration

Cavitation erosion

Thermal ratcheting of tin-rich metalBy cyclic heating

Thermalfatigue

Nitrided shaftBy use of Cr alloy steel

Incompatiblematerial




Fatigue FailureFatigue Failure

반복하중(cyclic loads)에의한 babbitt metal 의피로파손축정렬 불량, 저어널 편심, 질량 불균형, 축의 휨, 반복 열, 진동 등에 의함

Tilting pad damaged by fatigue failure

Cracked babbitt surface by fatigue failure




Spragging (by fatigue and fretting)Spragging (by fatigue and fretting)

A

Tilting pad 베어링의 상부 unloaded pad의 fluttering에 의한 피로 파손 현상

Tilting pad 베어링의 설계 불량에 의해 발생됨

Preload형으로 설계 변경 ( 0.5 < m < 1.0 ) 하면 해결 가능

Enlarged pin hole by fretting

Damaged pad by fatigue failure Detail of “A” Cracked pin




Abrasive WearAbrasive Wear

윤활유와함께베어링내부로유입된경한불순물의연삭작용

베어링제작, 설치, 운전시의혼입된이물질에의한연삭작용철저한정제관리, 조립시철저한세척으로예방

Deep circumferential abrasive wearby hard particlesDirt particles embedded in bearing surface




Start-up Wiping (by lubrication breakdown)Start-up Wiping (by lubrication breakdown)

기동 시의 윤활유 부족과 완전 유체 윤활이 형성되기 이전의 minor rubbing 현상

Misalignment, heavy loading 등에 의해 손상 흔적이 심해짐

베어링의 운전 특성(부하, 공급 유량/온도, 최소유막두께 등) 검토해서 조치

Start-up wiping by heavy loading Start-up wiping damage by minor-rub




Wiping of White Metal (by lubrication breakdown)Wiping of White Metal (by lubrication breakdown)

White metal 과열, 과대 마찰력에 녹거나 문드러져 다른 위치에 부착되거나 탈락하는 현상

정상운전 또는 기동 시 배관 파손, 펌프 고장등에 의해 윤활유가 공급 안될 경우 발생

과 하중 및 윤활유의 부족 상태에서 무리하게 기동 시 발생

정확한 진단 해서 대책을 세운 후 베어링 교환

Wiping by loss of hydrodynamic film during running Wiping by loss of hydrodynamic film at start-up




Overheating and Thermal Ratcheting (by lubrication breakdown)Overheating and Thermal Ratcheting (by lubrication breakdown)

순간적 또는 지속적인 금속간 마찰에 의한 발열현상에서 기인

축정렬 불량, 과하중, 비정상적 윤활유 공급 등에 의한 유막 파손 또는 경계윤활 하에서 운전

베어링면의 변색, 파손, 변형 등이 초래 됨

Tin-rich babbitt 면의 thermal ratcheting 발생

Thermal ratcheted surface of tin-rich white metal by overheatingDamaged by overheating




Cavitation ErosionCavitation Erosion

베어링 유막 내 기체상태인 공동(vaporous cavity)이나 기공(void)들의 갑작스러운파괴로 인한 충격이 베어링면을 변형 또는 손상시키는 현상

하중의 변화가 심한 내연 엔진 베어링에서 많이 발생

베어링의 운전속도와 하중의 증가에 따라 비례하여 증가함

베어링 그루브 변경, 베어링 간극 감소, 윤활유 점도 증가 등으로 해결




Electrical ErosionElectrical Erosion

베어링 면과 축 표면 사이의 통전에 의한 전기적 스파크

자성을 띈 요소들의 회전에 의한 전자기적 전류 등에 의해 발생

접지(Grounding brush 이용)나 베어링 절연 등을 통한 정전기적 전류 제거

Damaged bearing Damaged journal surface




Misaligned Bearing의 운전 특성Misaligned Bearing의 운전 특성

부하지지 능력(load carrying capacity)이 줄어듦

동일 하중 하에서 misaligned 베어링의 안정성 특성이 좋아짐

마찰계수(friction coefficients)는 큰 변화 없음

Misalign 방향 (수직 또는 수평)에 따라 강성 및 감쇠계수가 약간 변함

Misalignedbearing

Aligned bearing




Wear Dented Bearing의 운전 특성Wear Dented Bearing의 운전 특성

베어링 마모 손상의 가장 일반적인 형태

일반적으로 마모에 의해 늘어난 간극이 설계 간극의 두 배까지는 운전 가능

hmin/c > 0.1이면

특성 변화는 거의 없음

δ0/c < 0.5 인 경우

베어링 부하능력 증대

Rubbing이 과도할 경우

베어링 부하능력 저하

유막의 동특성 변화

안정성 특성 저하

hmin/c > 0.1이면

특성 변화는 거의 없음

δ0/c < 0.5 인 경우

베어링 부하능력 증대

Rubbing이 과도할 경우

베어링 부하능력 저하

유막의 동특성 변화

안정성 특성 저하



저널 베어링 손상 사례(1)

Wiping of Elliptical Journal Bearing

건전부 AES depth profile

Wiping of Elliptical Journal Bearing

건전부

손상부

손상 베어링 (U원자력 발전소)

손상부 AES depth profile

AES에 의한 depth profile 분석

건전 부위는 표면 깊이에 따라 carbon 양이 거의 일정함

손상 부위의 검은 표면에는 carbon 이 소착 되어 있음

이 carbon은 열에 의해 윤활유가 소착 되어 나타남

검은 부위의 두께는 약 50 A 인 것으로 추정됨

*AES: Auger electron spectroscopy




Wiping of Elliptical Journal BearingWiping of Elliptical Journal Bearing 손상부와 건전부의 경도와 미세조직은 거의 동일함

손상부가 베어링의 성능에 미치는 영향은 거의 없음

구 분 Sb C u Pb As B i Fe C d Al Zn Sn

기준 사양

(B 21A14)

7.0 ~ 8.0

3.0 ~ 4.0

M ax. 0.35

M ax. 0.10

M ax. 0.10

M ax. 0.08

M ax. 0.05

M ax. 0.005

M ax. 0.005

R

손상부 표면 7.47 2.35 0.04 0.01 0.01 0.01 0.01 0.001 0.002 R

손상부 내부 7.44 2.45 0.01 0.01 0.01 1.29 0.01 0.002 0.002 R

Wt %Babbitt 의 화학 성분 분석

Babbitt 면의 표면 경도

측정 회수 1 2 3 평 균

건 전 부 23.8 22.8 21.0 22.5

손 상 부 24.9 23.3 21.8 23.3

브리넬 경도




Schematic view of a hydraulic pump-turbineSchematic view of a hydraulic pump-turbine

Max power: 300 MWHead: 600 mSpeed: 450 rpm

Design faults에 의한 고진동/온도 문제Design faults에 의한 고진동/온도 문제

펌프/터빈용 수직형 안내베어링의 설계 불량으로

인해 기동 초기부터 높은 진동 및 과대 온도 발생

설계 변경으로 문제 해결 및 최적 설계 방안 제시

Journal diameter, D 1450.0 mmBearing length, L 400.0 mmAssembled radial clearance, Ca 0.2 mmMachined radial clearance, Cp 0.2, 1.5 mmPreload ratio, m=1-Ca/Cp 0.0, 0.87 Number of pads 8Pad arc, β 26 oPivot position, βp Center

ROTATION




설계 변경: preload를 가함설계 변경: preload를 가함

베어링의 지지강성을 증가 시킴으로써 불평형 진동치를 줄임

냉각효과를 증대 시킴으로써 베어링 온도 줄임

Preload: m = (Cp-Ca)/Cp

m=0.0

m=0.87

Optimal designregion




Preload Effects on the Amplitude of Shaft VibrationPreload Effects on the Amplitude of Shaft Vibration

m=0.0

m=0.87

1x (7.5 Hz)

1x (7.5 Hz)

Increase of preload from 0.0 to 0.87

축의 진동치가 약 1/5로 줄어들었음

m=0.0 m=0.87

40

200µm

Shaft vibration (80 % down)

Comparison of vibration amplitudeComparison of vibration amplitude




Preload Effects on the Bearing Metal TemperaturePreload Effects on the Bearing Metal Temperature

Increase of preload from 0.0 to 0.87

베어링 메탈온도가 약 10 oC 줄어들었음 Low preload ratio

Qr

Qside=Qi-Qr

Qih2h1

m=0.0 m=0.8750

oC

60

Metal temp (10 oC down)

Qside is small.So, low cooling effect

High preload ratio

Qr

Qside=Qi-Qr

Qi

h2h1

Qside is large.So, high cooling effect

journal bearing

Documents

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bladeintelligent mechanics

blowersintelligent mechanics

pukyung pukyung national

bearing classes

journal bearingradial

inlet film thicknessh2

outlet film thicknessq