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1. 고정자 FRAME 관련 구성품의 구조 및 기본 개념
1.1. 고정자 FRAME
1.1.1. COMPONENT 개요
고정자 FRAME은 고정자 CORE, 회전자, COOLER 및 HIGH VOLTAGE BUSHING등의 각 구성품이 제 기능을 할 수 있도록 공간 제공 및 지지하는 제관 구조물로서 발전기의 뼈대기능을 한다. 보다 구체적인 기능은 다음과 같다.
가) COMPONENT 지지
STATOR FRAME 은 발전기 주요 구성품인 고정자 CORE, 회전자, HYDROGEN COOLER, OUTER END SHIELD 및 HIGH VOLTAGE BUSHING 등의 중량을 지지하는 지지 구조물이다 FRAME은 또한 이들 수직적 힘의 지지 외에 발전소 현지에서 발생 할 수 있는 지진뿐만 아니라, 정상 작동 중 열 팽창 시 터빈과 ALIGNMENT를 유지하기 위해 FOUNDATION에 KEY로 측면 및 축 방향으로 지지 되어 있다.
나) CONTAIN HYDROGEN GAS
수소 가스 냉각식 발전기용 고정자 FRAME은 정상 운전 중 일정압력의 수소 가스를 수용한다. 따라서 운전 중 수소의 누설이 없도록 설계 및 제작되어야 한다. 수소가스가 공기중의 농도 4.1% - 74.2% 범위로 혼합될 경우, 점화에 의해서 폭발되며 동일한 농도에서 주위의 환경이 약 570C 이상의 온도에서는 자연 발화하여 폭발하게 된다.
폭발 시 순간 압력은 1,000 PSIG 이며, 지속 압력은 200 PSIG에 도달 한다. FRAME은 이러한 폭발 압력에 대하여 안전하게 견딜 수 있도록 설계된다.
다) 통풍 통로 제공
발전기 고정자 CORE 및 회전자 등의 COMPONENT는 전기적 특성에 의해서 열을 발생하며 이 열로 인하여 온도가 일정 기준 이상으로 상승되면 발전기내 절연체의 기능은 파괴된다. 이를 방지하기 위하여 발생되는 열을 제거하여야 한다. 열 제거를 위한 냉각 매체로서 공기 또는 수소가스를 이용하고 이들 냉각 매체는 발전기 내부에서 강제 순환된다. STATOR FRAME은 냉각 매체가 적절히 순환될 수 있도록 순환 통로를 제공한다.
라) WITHSIAND TORSIONAL FORCES
발전기 운전 중 단락이나 SYNCHRONIZING OUT OF PHASE와 같은 비정상적 사고 시 발생하는 FAULT TORQUE와 정상 운전 시 발생하는 고유한 TORSIONAL FORCE를 지지하는 기능을 한다.
또한 고정자 FRAME을 형상에 따라 다음과 같이 분류하여 명명한다.
가) SINGLE PIECE VERTICAL COOLER 형식
이 형식의 고정자 FRAME은 200-500 MVA 범위의 2 POLE, 4 POLE 발전기에서 가장 넓게 사용 된다. 형상은 그림1-1과 같이 HYDROGEN COOLER가 고정자 CORE 외경에 수직으로 위치한 COOLER TOWER에 설치된다. 이것은 다른 형태의 발전기에 비해서 운송 및 조립이 편리한 경제적인 형식의 고정자 FRAME이다.
나) TWIN DOME HORIZONTAL COOLER 형식
이 형식의 고정자 FRAME 그림1-2와 같으며 SINGLE PIECE VERTICAL COOLER 형식의 FRAME 보다 비 경제적이라 할 수 있다. 수소 냉각기는 발전기 양끝 TOP 부에 설치된 DOME에 수평하게 설치된다.
이 설계는 일반적으로 CORE의 외경이 발전기 크기에 영향을 미쳐 제작 후 발전소 운송을 위하여 요구되는 크기 제한을 만족 시킬 수 없어 VERTICAL COOLER형식의 설계를 할 수 없는 대 용량 발전기에 이용 된다.
다) FULL DOME 형식
이 형식은 TWIN DOME COOLER 형식의 FRAME이 개발되기 전까지 초기 HORIZONTAL COOLER형식의 발전기에 사용 되었다. 그 형상은 그림1-3과 같으며 제관 제작이나 기계 가공 중 DOME HANDLING에 어려움이 있어 비 경제적인 형식이기 때문에 현재는 거의 사용되지 않는다.
라) SECTIONAL 형식
이 형식의 FRAME은 SINGLE PIECE VERTICAL COOLER 형식이나 DOME 형식으로 제작될 경우 운송이 불가능 하였던 과거에 사용 되었다.
중앙 부분은 WINDING과 CORE 가 포함되었고 FRAME 의 양끝 부분과 분리되어 운송되었다. 1972년 이후로 제작되지 않는다.
마) CAGE 형식
그림 1-4와 1-5와 같은 형상의 FRAME으로 발전기 중량과 크기가 SINGLE PIECE VERTICAL COOLER 형식이나 DOME 형식의 FRAME으로 육상 운송이 불가능 하였던 과거에 사용되었다.
CORE는 제관된 INNER CAGE에 조립되어 OUTER CAGE와 분리되어 운송되었다.이 설계는 1969년 이후로 제작되지 않는다.
이외에 그림 1-6과 같은 중.소형 발전기에 주로 사용되는 PACKAGE형식의 FRAME이 있다.
1.1.2. 설계 개념
발전기의 전기적 설계 특히 COSTOMER에 의해 지정되는 KVA RATING 등의 각종 DATA를 비교 검토하여 CORE SIZE, SHIPPING 제한, COOLER의 유무를 근간으로 FRAME 설계를 시작하며 FRAME내에서 냉각매체의 흐름에 필요한 공간 및 FRAME 내에 조립되는 구성품의 기능 수행에 필요한 공간을 고려하여 크기를 결정하고 또한 구조적인 건전성을 확보하기 위하여 강도 및 진동해석이 수행된다.
결정된 FRAME 의 각종 치수를 1/8 SCALE LAYOUT을 통해 CORE, 회전자 및 각종 조립되는 구성품의 CLEARANCE, ALIGNMENT 등을 고려한 후 결정된 치수를 가지고 다시 한번 강도 및 진동해석이 이루어 진다. 또한 VENTILATION상 각종 VENT HOLE 크기를 최종 확정한 후 고정자 FRAME 의 최종치수를 결정한다. 그 결정된 치수를 가지고 각종 기능을 고려한 제작용 도면화로 FRAME 설계를 마친다.
FRAME 설계 시 수행되는 기계적인 설계 고려사항은 수소 압력, HANDLING LOAD 및 FAULT TORQUE를 고려한 응력해석, 구조물의 NATURAL FREQUENCY, BOUNCE FREQUENCY를 고려한 진동 해석 및 수소 가스의 유동 해석 등이 있다. 이러한 해석에 대한 검증은 시험을 통하여 이루어 진다.
그림1-7은 운전중 고정자 FRAME의 진동 PATTERN을 보여준다.
1.1.3. 고정자 FRAME의 부품
FRAME은 WRAPPER PLATE, END PLATE, SECTION PLATE, TUBE, BAFFLE등의 구성품으로 용접 되어지는 원통형의 구조물이다. 각 부품별 주요 특성은 다음과 같다.
WRAPPER PLATE : FRAME 의 외부를 구성하는 통상 원통형 모양으로 냉각 매체를 수용하는 제관 구조물이다.
가) END PLATE : FRAME 의 양단에 취부되어 OUTER END SHIELD가 체결되는 부품으로 수소 가스 압력 및 강성을 고려하여 결정된다.
나) SECTION PLATE : FRAME 의 내부의 골격을 이루어 FRAME 요구되는 강성을 부여하며 냉각 매체를 위치별로 구분하는 기능을 한다.
다) TUBE 및 BLISTER : 냉각 매체의 통로 역할을 한다.
BORE RING : KEY BAR 와 SPRING BAR 의 조립을 위한 공간제공 및 FRAME의 강성을 제공한다.
라) KEYBAR & SPRING BAR
KEY BAR는 고정자 CORE 및 CORE STACKING 시 STACKING LOAD를 지지한다. 그 형상은 대용량 발전기에 있어서, ROUND BAR에 CORE STACKING을 위한 DOVETAIL이 가공되어 고정자 FRAME의 SECTION PLATE 내경에 취부된 형태의 것과 SQURE BAR에 DOVETAIL이 가공되어 SPRING BAR에 의해 SECTION PLATE에 볼트로 조립되는 형태의 것이 있다. 전자에 해당하는 ROUND BAR 형태의 KEY BAR는 4POLE 발전기에 사용되며 후자는 2POLE 발전기에 사용된다.
2 POLE인 중.소형 발전기의 KEY BAR는 대용량 발전기의 4POLE에서 사용되는 ROUND BAR 형태의 KEY BAR를 사용하나 SECTION PLATE (중.소형 발전기에서는 SUPPORT RING이라 함)에 취부되지 않고 BORE RING에 취부된다. KEY BAR가 취부된 BORE RING은 SPRING BAR에 용접되고 이 SPRING BAR가 SECTION PLATE(SUPPORT RING)에 용접된다.
고정자 CORE는 운전 중 동기속도의 2배의 주파수(100 또는 120 Hz)로 작용하는 MAGNETIC FORCE에 의하여 진동한다. MAGNETIC FORCE에 의한 CORE의 진동 PATTERN은 발전기 회전자의 POLE 수에 따라 다르다. 2POLE 발전기 CORE의 진동에 의한 고정자 FRAME의 진동 PATTERN은 그림1-7과 같이 FOUR NODAL VIBRATION PATTERN이며 4POLE의 경우 EIGHT NODAL VIBRATION PATTERN이다. 따라서 4POLE 보다 2POLE의 경우 MAGNETIC FORCE에 의한 진동이 더 크다. 이러한 이유로 2POLE 발전기에는 진동 저감을 위한 SPRING BAR가 조립된다.
SPRING BAR의 형상은 대용량 발전기와 중.소형 발전기는 서로 다르다. 그림 1-8과 그림 1-9는 2 POLE 대용량 발전기의 KEY & SPRING BAR ASSEMBLY가 고정자 FRAME 내부에 조립된 형상과 KEY & SPRING BAR의 조립 형태를 보여 준다. 그림 1-10은 중.소형 발전기의 KEY BAR & SPRING BAR의 조립 구조를 보여 준다.
마) WATER HEADER
고정자 CORE와 회전자는 냉각 매체를 수소 가스나 공기로 하여 열을 제거하나 대용량 발전기의 고정자 권선은 DEIONIZED WATER를 이용하여 냉각 시킨다. 따라서 대용량 발전기에는 냉각수 공급시스템이 보조기기로 필요하다. WATER HEADER는 냉각수 공급 시스템으로부터 공급된 냉각수를 고정자 권선 각각으로 분류.공급하는 기능을 한다.
기능상 하나의 RING으로 2개가 각각 COLLECTOR END와 TURBINE END에 부착되는 SINGLE PASS SYSTEM 이 있고 두개의 RING으로 TURBINE END에 부착되는 DOUBLE PASS SYSTEM 이 있다.
바) FLEXIBLE WATER CONNECTION
WATER HEADER와 WINDING BAR 사이를 연결하는 것으로 재질은 TEFLON HOSE 이다.
1.1.4. 제작 절차
STATOR FRAME의 공정 순서는 아래와 같이 이루어 진다.
1.2. LOWER FRAME EXTENSION
1.2.1. COMPONENT의 개요
LOWER FRAME EXTENSION ( LFE)은 발전기 고정자 권선에서 유기된 유도전류의 외부통로인 HIGH VOLTAGE BUSHING (HVB)을 지지하는 제관구조물로써 고정자 FRAME의 TERMINAL BOX에 설치된다.(그림 1-11)
LFE는 형상에 따라 RECTANGULAR 형식, CYLINDRICAL 형식 그리고 OVAL 형식으로 나누어지나 6개의 HVB 가 설치되는 LFE에서의 CYLINDRICAL 형식은 RECTANGULAR 형식으로 대체되었다. 발전기의 형태에 따라 1대의 발전기에 2개의 LFE가 설치되는 경우도 있다.
1.2.2. 설계 개념
LFE의 볼트와 TERMINAL PLATE 그리고 RIB 의 강도는 수소 가스의 압력을 고려하여 해석하고 또한 진동에 대한 해석도 이루어 진다.
LFE 의 기본 설계는 다음의 특성을 고려하여 이루어 진다.
HIGH VOLTAGE BUSHING 의 수 ; 3개 또는 6개
HISGH VOLTAGE BUSHING 의 크기 ; 4” 또는 6”
HIGH VOLTAGE BUSHING 의 냉각 매체 ; GAS 또는 LIQUID
발전기의 수소압력 ; 30,45,60,75 Psig
HIGH VOLTAGE BUSHING의 전류 ; 0-41000Amps
발전기에는 3HVB와 6HVB가 사용된다. 3HVB는 EXCITAITON SYSTEM이 GENERREX CPS(COMPOUND POWER SOURCE) TYPE인 저 용량 발전기에 적용되는 것으로 발전기의 PHASE CONNECTION RING에서 나온 6개의 LEAD 가운데서 3개의 POWER LEAD 만이 HVB를 통하여 외부와 연결되며 나머지 3개의 NEUTRAL LEAD 는 EXCITATION DOME으로 연결된다. 반면, 그림 1-12와 같이 언급한 이외의 EXCITAITON SYSTEM에서는 PHASE CONNECTION RING에서 나온 6개의 LEAD 모두가 HVB를 통하여 외부와 연결된다.
HVB의 냉각은 가스 냉각식과 수 냉각식이 있다. 가스 냉각방식에서는 HVB냉각을 위하여 LFE에 VENT DUCT가 설치되어야 하며, 수 냉각방식에서는 HVB에 DEIONIZED WATER를 공급하기 위하여 LFE에 FEED LINE이 설치되어야 한다.
이외에 HVB의 크기와 흐르는 전류 그리고 발전기의 수소 압력을 포함하여 이상의 5가지 특성으로 표준화되어 있는 LFE를 선택하거나 새로 설계함으로써 기본 설계가 이루어 진다. 기본 설계 시 ELECTRICAL CLEARANCE, STANDOFF INSULATOR 사이의 거리, VERTICAL HYDROGEN COOLER의 PIPE LINE과 LFE 사이의 간격, 그리고 HVB사이의 거리등을 고려하여 LFE를 설계한다.
1.2.3. COMPONENT 의 구성
LFE는 TERMINAL PLATE, STANDOFF INSULATOR SUPPORTN (가스 냉각 시), FEED PIPE ASM (수 냉각식), VENTILATED FLUX SHIELD, 그리고 SIDE PLATE로 구성된다. TERMINAL PLATE는 HVB에 부가되는 고 전류로 인하여 발생되는 유도 전류의 생성을 방지하기 위하여 비 자성체 재질 (NON-MAGNETIC MATERIAL)인 스테인레스강 또는 알루미늄 제작된다. STANDOFF INSULATOR SUPPORT는 가스 냉각방식의HVB가 채용되는 LFE에 설치되어 STANDOFF INSULATOR와 조립하여 HVB를 지지하며 HVB 와 가스 VENT DUCT 사이에 연결되어 OUTLET 가스의 통로가 된다. 이 SUPPORT는 HVB의 위치와 관계되므로 제 위치에 용접될 수 있도록 주의를 요한다. FEED PIPE ASM은 STAINLESS STEEL PIPE로 제작되면 냉각매체인 DEIONIZED WATER을 HVB에 공급한다.
LOWER FRAME EXTENSION의 구조
1.2.4. 제작 절차
LFE 의 제작 공정중 주의가 요구되는 부분 또는 작업절차를 살펴보면 다음과 같다.
가) 용접 및 제관 공정
TERMINAL PLATE의 용접 : 스테인레스강 혹은 알루미늄강인 TERMINAL PLATE를 SIDE PLATE에 용접할때 용접열에 의하여 변형이 최소화될 수 있도록 관심을 가져야 한다.
VENTILATED FLUX SHIELD 의 제관 및 용접 : VENTILATED FLUX SHIELD은 드물게 적용되는 부품으로 한국 표준형 1000mw에 적용되고 있다. LFE의 SIDE PLATE에 약 5-15 MM 정도의 간격을 두고 용접되며 VENTILATION OPENING부위가 많이 있다. 제작시 이 OPENING 부위로 이 물질이나 가공칩이 들어가기 쉬우며 일단 이물질이나 가공칩이 들어가면 제거하기가 어려우므로 안전한 MASKING 이 요구된다.
LIQUID FEED PIPE ASSEMBLY : HVB 의 냉각매체가 LIQUID인 경우, 발전기 운전 시 PIPE ASSEMBLY를 통하여 LIQUID가 공급되므로 PIPE내부에 이물질이 유입되어 부식되거나 HVB의 LIQUID통로가 차단되는 것을 방지하기 위하여 PIPE ASSEMBLY의 OPENING 부위의 MASKING 을 확실히 해야 한다.
STANDOFF INSULATOR SUPPORT ; LFE에 HVB의 설치가 용이하도록 STANDOFF INSULATOR SUPPORT의 용접 시 치수 및 공차에 벗어나지 않도록 주의가 필요하다.
나) 조립 공정
LFE 의 HYDRO & AIR TEST는 STATOR FRAME에 조립되어 함께 행하여진다. TEST 후에는 STATOR FRAME에서 분리하여 내부에 HVB와 STANDOFF INSULATOR를 조립하고 출하 전까지 STATOR FRAME의 LEAD부와 연결되는JOINT부에 보호용 테이프를 감아야 한다. HVB가 LIQUID 냉각 방식일 경우 HVB 조립 후 FLUSHING 작업과 LEAK TEST를 수행해야 한다.
다) 발전소 설치
LFE 의 발전소 설치 작업은 다음과 같이 이루어진다.
MACHANICAL OUTLINE DWG에 표시되어 있는 LFE의 설치위치를 확인한다.
LFE 설치 위치의 3” – 4” 아래에 TEMPORARY SUPPORT를 설치한다.
TEMPORARY SUPPORT 위에 LFE를 가 설치하고 발전기의 축 방향 중심선과 축의 직각방향 중심선의 위치에 맞춰 볼트로써 STATOR FRAME의 TERMINAL BOX에 LFE를 조립한 후에 TERMIAL BOX와 SEAL 용접을 한다.
1.3. HYDROGEN COOLER (H2 COOLER)
H2 COOLER는 발전기의 열에 의해서 더워진 냉각매체를 냉각시키는 열 교환기이다. 발전기에 사용되는 H2 COOLER는 PLATE FIN 형식의 열 교환기로서 HORIZONTAL H2 COOLER와 VERTICAL H2 COOLER로 분류된다. 주요 구성품은 TUBE, TUBE SHEET, FIN, WATER BOX, FRAME 및 WATER HEADER가 있다. 그림 1-12는 VERTICAL HYDROGEN COOLER의 구성품을 보여 준다.
1.4. FRAME FOOT
1.4.1. COMPONENT의 개요
STATOR FRAME FOOT 는 발전소 T-G FLOOR에 발전기의 설치 및 지지를 위한 제관 구조물로써 STATOR FRAME의 FOOT RAIL에 조립되어 발전소의 FOUNDATION PLATE위에 설치된다.
1.4.2. 설계 개념
발전기를 지지하는 STATOR FRAME FOOT의 수와 크기는 FOUNDATION BOLT의 수와 일치하고 기초(FOUNDATION)에 응력이 300 Psi 이하가 될 수 있게 충분한 GROUT PAD가 설치되도록 설계한다. 그리고 FOOT의 설계 인장응력을 항복응력의 0.9, 설계 전단응력을 설계 인장응력의 0.6으로하여 강도상 최악의 조건인 ROTOR BURST 상태에서도 어떠한 손상없이 견딜수 있도록 한다.
FOOT 의 설계는 가능한 다음의 사항들을 적용시켜 표준화를 하고있다.
FOUNDATION BOLT : 3”-4산 (STRESS AREA = 5.9659 in 2 )
FOOT BOLT : 1½” - 6산 (STRESS AREA = 1.4041 in 2 )
RIB 의 두께 : 1½”
RIB 의 중심선간의 거리 : 16” (1개의 FOUNDATION BOLT는 RIB간의 중심부에 위치하도록함)
FOOT BOLT는 RIB 사이에 8개를 2열로 4개씩 설치되도록 함.
1.5. FOUNDATION PLATE (SOLE PLATE)
1.5.1. COMPONENT의 개요
FOUNDATION PLATE (SOLE PLATE)는 발전소 T-G FLOOR의 기초(FOUNDATION)위에 설치되는 PLATE로써 FOUNDATION BOLT(ANCHOR BOLT)로 발전기의 FOOT와 체결되어 발전기를 지지한다. FOUNDATION PLATE는 FOOT KEY, JACK BOLT, SHIM과 LEVELING BOLT로 구성된다. FOOT KEY는 발전기의 운전이 시작될 때 일어나는 열팽창과 지진으로 인한 발전기의 축방향 이동을 방지하기 위하여 발전기의 좌우측(축방향을 기준) 각각1개씩 모두 2개가 설치된다.
1.5.2. 설계 개념
FOUNDATION PLATE에는 발전기 무게에 의한 수직하중, 단락 (ELECTRICAL SHORT CIRCUIT)과 같은 발전기 사고시 발생하는 토르크 하중 그리고 발전기의 운전이 시작될 때 일어나는 열팽창과 지진에 의한 축방향의 횡하중등이 작용하여 기초(FOUNDATION)에 전달된다. 이러한 점들을 고려하여 설계가 이루어 진다.
2. OUTER END SHIELD 관련 구성품의 구조 및 기본 개념
OUTER END SHIELD 관련 구성품으로 OUTER END SHIELD, OIL DEFLECTOR, H2 SEAL ASSEMBLY, JOURNAL BEARING 그리고 INNER END SHIELD로 구분하였고 이들 구성품의 조립 구조는 그림2-1과 같다.
2.1. OUTER END SHIELD
2.1.1. COMPONENT의 개요
OUTER END SHIELD는 ROTOR의 중량을 지지하고 발전기 최대 압력하에서도 큰 변형 없이 수소 가스를 수용하는 제관 구조물로서 압력 용기에서 경판과 같은 기능을 한다. OUTER END SHIELD 내부에는 BEARING, OIL DEFLECTOR, H2 SEAL이 조립되고 또한 이들 부품의 OIL FEED 및 DRAIN PASSAGES 가 포함되어 있다.
OUTER END SHIELD는 제작 및 조립을 편리하게 하기위해 수평중심선에 대하여 HALF RING으로 분리되어 있다. HALF RING간의 결합면, END SHIELD와 STATOR FRAME의 결합면은 고정자 FRAME 내부의 수소 가스를 밀봉하기 위하여 SEALING COMPOUND 삽입용 GROOVE가 가공되어 진다.
2.1.2. 설계개념
OUTER END SHIELD는 구조적 건전성을 확보해야 한다. 이를 위하여 설계 시 강도해석을 하고 회전자를 지지하고 있기 때문에 공진현상을 피하도록 진동해석을 한다. 강도해석 시 주요 고려사항은 수소 가스의 압력으로 인한 변형 시 고정자 FRAME과 조립되는 결합부를 통한 수소 가스누설을 방지할 수 있도록 변형량을 제한하고 ASME CODE를 만족하는 강도를 유지하도록 하는 것이다. 이외에 기능적으로 고정장의 외경, BEARING의 크기 등이 고려되어 설계된다.
AXIAL FLOW FAN을 가지고 있는 모든 3600 RPM 발전기의 경우 FAN 특성상 INLET부의 수소 가스 흐름을 유연하게 하기 위하여 NOZLE RING SEGMENT를 채용하고 있다. 이외에 OUTER END SHIELD는 BEARING CAP, WEB PLATE, RIB, JOINT PLATE LIFT PUMP, OIL SIGHT 관련OIL FEED & DRAIN PIPING등으로 구성 된다.
2.1.3. 제작 공정
INSIDE PLATE (SUPPORT RING)를 FORGING으로 제작하여 PRE-MACHINING 후 WEB PLATE, RIB, PIPING의 제관작업을 한다. 완성된 제관 구조물을 가공하고 건전성을 확인하기 위하여 수압시험 및 기밀시험을 한다. 건전성이 확인된 OUTER END SHIELD는 CORE CENTERLINE에 대한 ALIGNMENT를 SHOP에서 실시하여 DOWEL 작업을 한 후 분해되어 출하된다.
2.2. OIL DEFLECTOR
2.2.1. COMPONENT 의 개요
BEARING과 H2 SEAL ASSEMBLY에 공급되는 윤활유가 SHAFT를 따라 발전기 내.외부로 유입되거나 방출되는 것을 방지하기 위하여 OIL DEFLECTOR가 설치된다. BEARING을 기준으로 발전기 바깥쪽으로 설치되어 윤활유가 발전기 외부로 유출되는 것을 방지하는OUTER OIL DEFLECTOR와 발전기 내부쪽으로 설치되어 윤활유가 발전기 내부로 유입되는 것을 방지하는INNER OIL DEFLECTOR가 있다. 그림 2-2는 INNER OIL DEFLECTOR의 구조를 보여 준다
2.2.2 설계개념
OIL DEFLECTOR는 기능적인 면을 고려하여 설계된다. OIL DEFLECT의 내경은 회전자의 SHAFT 외경에 의하여 결정된다. OIL 유입을 방지하기 위하여 회전자 SHAFT와의 간격을 최소화하기 위하여 TOOTH가 설치되고 TOOTH에 의해서 걸러진 OIL이 DRAIN LINE으로 흐를 수 있도록 OIL PASSAGE를 만들어야 한다.
2.3. H2 SEAL ASSEMBLY
2.3.1. COMPONENT 의 개요
H2 SEAL ASSEMBLY는 회전자와 고정자 사이에서 발생되는 간격을 통한 수소 누설을 차단하는 기능을 한다. 주요 구성품은 그림 2-3에서 보여 주는 것과 같이 SEAL CASING, SPRING 및 SEAL RING등으로 구성된다. SEAL CASING은 제관 구조물로서 SEAL OIL PASSAGE 제공 및 SEAL RING등 관련 부품이 제 기능을 할 수 있도록 공간을 제공하고 OUTER END SHIELD에 조립되어 OUTER END SHIELD와 같이 수소 가스를 발전기 내부에 유지하는 기능을 한다. SEAL RING은 대부분 2의 RING SEGMENTS가 1개의 SEAL RING으로 구성되며 1개의 SEAL CASING에 2개의 SEAL RING으로 구성된다. 그림 2-4와 같이 SPRING에 의해서 SEAL RIGN은 각각 SEAL CASING의 HOOK FIT FACE에 밀착되며 발전기 내부 쪽으로 밀착된 SEAL RING을 GAS SIDE SEAL RING으로, 발전기 외부쪽으로 밀착된 SEAL RING을 AIR SIDE SEAL RING으로 구분한다. SPRING은 회전자의 회전에 따라 SEAL RING이 FLOATING될 수 있도록 한다. SEAL OIL은 GENERATOR GAS 압력보다 더 높은 압력으로SEAL CASING에 공급되어 그림2-5와 같이 SEAL RING과 SHAFT 사이를 흐르면서 OIL 유막을 형성하여 GENERATOR 내부로부터 SHAFT를 따라 누설될 수 있는 수소 가스를 차단한다.
SPRING은 TOP 과 BOTTOM SPRING은 2개로 구성되며 BOTTOM SPRING은 SEAL RING의 중량을 지지할 수 있도록 TOP SPRING 보다 약간 더 TIGHT 하게 조립된다.
GAS SIDE SEAL RING HOOK-FIT SHOULDER의 DIA. 는 AIR SIDE SEAL RING보다 1/8” 크다. 이것은 조립 시 AIR SIDE와 GAS SIDE SEAL RING이 서로 잘 못 조립되는 것을 방지하기 위한 것이다.
SEAL CASING UPPER HALF와 LOWER HALF의 수평 결합면, SEAL HOUSING 과 OUTER END SHIELD의 수직 결합면은 METAL-TO-METAL 결합이다. 이들 결합면에는 OIL홈이 가공되고 이 홈에 SEAL OIL이 공급되어 결합면을 통하여 수소 가스가 누설되는 것을 방지한다.
TURBINE END측과 달리 COLLECTOR END측은 SEAL CASING이 INNER SEAL CASING 과 OUTER SEAL CASING으로 구분되며 INNER SEAL CASING과 OUTER SEAL CASING 사이, OUTER SEAL CASING과 OUTER END SHIELD 사이에는 SHAFT CURRENT의 흐름을 방지하기 위하여 INSULATION RING을 사용하며 INSULATION ENAMEL PAINTING을 한다. 그 밖에 GAS SIDE SEAL RING을 통과한 OIL이 발전기 내부쪽으로 과다하게 흐르는 것을 방지하기 위하여 OIL DEFLECTOR가 SEAL CASING에 조립된다.
2.3.2. 설계개념
SEAL CASING에 대하여 수소 압력을 고려한 강도 계산이 수행되며 이 외에 기능적으로 END SHIELD SEAL OIL FEED PIPE & DRAIN PIPE, SEAL CASING FEED HOLE SIZE & DRAIN ENLARGEMENT SIZE 는 H2 SEAL OIL SYSTEM MODEL NO.에 의하여 결정된다.
2.4. JOURNAL BEARING
2.4.1. COMPONENT의 개요
발전기에 사용되는 JOURNAL BEARING은 ELLIPTICAL BEARING으로 운전 시 안정성을 제공하고 다른 형태의 BEARING 보다 높은 LOAD 수용력과 낮은 OPERATING TEMPERATURE를 유지한다. 최고의 DAMPING 이 요구될 때는 TILTING PAD BEARING이 사용된다. 중.소형 발전기에 있어서 ELLIPTICAL BEARING에 비하여 LOAD 수용력은 낮으나 운전 시 안정성이 더 뛰어난 TILTING PAD BEARING이 사용되는 경우가 있다. 그러나 ELLIPTICAL TYPE 보다 LOSS와 제작단가가 높다.
2.4.2. 설계개념
BEARING LOAD란 BEARING PROJECTED AREA ( I.D X LENGTH)에 작용하는 압력이다. T/G BEARING JOURNAL DIA는 TORSIONAL STRESS와 TRANSVERSE TORSIONAL CRITICALS에 의하여 결정된다.
DIA가 결정되면 적절한 LENGTH를 결정한다. 허용되는 최고의 LOAD는 BEARING의 위치에 따라 결정된다.
2.5. INNER END SHIELD
2.5.1. COMPONENT의 개요
INNER END SHIELD는 ARMATURE WINDING 의 끝과 OUTER END SHIELD 사이에 위치한다. 이것은 FAN으로부터 나오는 유출 가스와 FAN으로 들어가는 유입 가스를 분리 시킨다. INNER END SHIELD에 부착된 FAN INLET VANE과 NOZZLE RING은 OUTER END SHIELD에 부착된 NOZZLE RING SEGMENT와 함께 FAN에 대하여 최적의 가스 유입과 유출 조건을 제공한다. INNER END SHIELD의 설계는 고유 진동수가 회전자에 의한 가진 주파수에 대해서 공진 범위에 벗어나도록 한다.
3. 고정자 CORE 관련 구성품의 구조 및 기본 개념
3.1. COMPONENT의 개요
STATOR CORE의 기능은 ROTOR에서 발생하여 전기자 권선을 쇄교하는 자속에 대한 저 저항 통로를 제공함과 동시에 고정자 권선의 코일을 지지한다.
고정자 CORE 주요 구성 요소 PUNCHINGS( LAMINATIONS), INSIDE SPACE BLOCK (CORE DUCT) 그리고OUTSIDE SPACE BLOCKS로 구성된다. 그림3-1는 고정자 CORE 관련 구성품을 보여준다.
PUNCHINGS은 자속에 대한 저 저항 통로를 제공하고 형상에 따라 분류한다면 STEP PUNCHING, SLIT PUNCHING 그리고 NORMAL PUNCHING으로 구분할 수 있다. PACKAGE 사이에 위치하는 DUCT 는 가스의 통로 역할을 한다. STEP PUNCHING과 SLIT PUNCHING은 END FRINGING FLUX(END LEAKAGE FLUX)로 인하여 CORE면에 EDDY CURRENT가 발생하는 것을 감소시키기 위한 것이다. STEP PUNCHING 구조는 AIR GAP LENGTH를 증가 시키고 SLIT PUNCHING은 TOOTH부의 면적을 감소 시킨다. 그림3-2와 그림3-3은 SLIT PUNCHING와 STEP PUNCHING의 형상을 보여준다.
CORE와 CLAMPING FLANGE (STATOR FRAME FLANGE)사이에 위치하는 OUTSIDE SPACE BLOCK은 FLANGE의 CLAMPING PRESSURE를 CORE에 전달하며 END FINGER를 지지하면서 통풍 통로의 역할도 한다.
3.2. 설계 개념
고정자 CORE 설계는 전기적인 설계 고려사항과 기계적인 설계 고려사항이 있다. 다음은 CORE의 설계 시 고려되어야 하는 사항에 대하여 설명한다.
가) 포화 자속 밀도(SATURATION INDUCTION)
그림3-4의 자화곡선(MAGNETIZATION CURVES)은 각종 자성체 재질의 자화 능력을 보여준다. 현재 대형 발전기용 STATOR CORE 설계는 자속 밀도가 높은 범위에서 투자성이 좋은 SILICON STEEL을 사용한다.
자화곡선은 높은 자화 범위에서 자화력의 증가에 비하여 자화의 증가 정도는 감소함을 보여준다. 이 처럼 자화력의 증가에 비하여 자화의 증가 정도가 현저히 적게 되는 지점에서의 자화 정도를 그 재질의 포화 자속 밀도(SATURATION INDUCTION)라 한다.
자속 밀도는 발전기에서 유기되는 전압과 비례하고 CORE의 면적과 FREQUENCY 및 COIL TURN 수에 반비례한다. 그러므로 CORE 단면적을 줄이기 위해서는 자화가 증가되어야 하므로 가능한 포화 자속 밀도가 높은 재질을 선정해야 한다.
나) CORE LOSS
고정자 CORE를 통과하는 자속에 의해서 CORE에서 LOSS가 발생하며 그 LOSS는 HYSTERESIS LOSS 와 EDDY CURRENT LOSS로 구분할 수 있다.
HYSTERESIS LOSS
CORE 내부의 여자와 감자의 반복할 때 잔류 자속이 0이 되지않는 재질의 특성으로 인하여 발생하는 손실을 HYSTERESIS LOSS라 한다. 자화되지 않은 강자성체를 순환적으로 변화 시키는 자화력 H로 자화하면 자속 밀도 B는 이것에 따라 어느 면적을 싸고 LOOP를 그린다.
그림 3-5은 그 예로써 H의 O → A → C → O → D → E → O → C인 변화에 따르는 B의 변화를 나타내는 LOOP이다. 이 같이 B는 그때의 H만으로 정해지지 않고 그 이전에 거쳐온 자기적인 이력에 의함을 알 수 있다.
이것을 단지 HYSTERESIS라고 하며 그림3-5와 같은 LOOP를 HYSTERESIS LOOP라 한다. 이 LOOP의 면적은 에너지 손실과 동일하며 이것을 HYSTERESIS LOSS 라고 한다. 이 LOSS에 해당하는 에너지가 운전 중 열로서 발산한다.
이 LOOP의 형상 및 크기는 그 최대 자화력 Hm 또는 최대 자속 밀도 Bm의 크기에 의할 뿐만 아니라 자성체의 종류에 따라서도 달라진다.
또 일단 자화된 것은 외부 자계를 제거해도 어느 정도의 자화 상태가 남는다. 남은 자기(그림3-5의 O-F’)를 잔류자기(RESIDUAL MAGNETISM)라 하고 이것을 제거하기 위해 반대로 주어야 할 자화력 (그림 3-5의 O-D )을 COERCIVE FORCE라고 한다.
EDDY CURRENT LOSS
자성체나 금속체들의 도체에서 자속이 변할 때 렌쯔 법칙에 의해 그 자속 변화를 방해하는 전류가 도체에 흐른다. 이 전류를 EDDY CURRENT라고 하며 EDDY CURRENT에 의한 저항손을 EDDY CURRENT LOSS라고 한다. 그림 3-6는 CORE 설계에 있어 박판 PUNCHING 사용의 장점을 보여 준다.
다) STACKING FACTOR
ELECTRICAL STEEL CORE COMPACTNESS의 측정은 STACKING FACTOR(SPACE FACTOR 라고도 함)로 정의되어 지며, STACKING FACTOR 는 STATOR CORE의 EFFECTIVE MAGNETIC LENGTH (유효자기 길이)를 결정하기 위하여 ELECTRICAL DESIGN 에 사용된다.
STACKING FACTOR를 계산 하는데 OLD METHOD와 NEW METHOD 두가지 방법이 적용되며 모두 규정 압력하에서 약 1” 두께로 가압된 EPSTEIN STRIPS STACK,의 중량과 체적으로부터 계산되어 진다.
현재 ELECTRICAL DESIGN CALCULATIONS에서 사용되는 STACKING FACTOR 는 0.928 이다.
라) CORE VIBRATION
CORE는 그림3-7과 같이 ROTATING MAGNETIC FLUX에 의해서 RADIAL 4-NODAL VIBRATION PATTERN으로 진동한다. 따라서 동일한 MODE SHAPE의 고유 진동수를 공진 범위에서 벗어나도록 하여야 하며 또한 STATOR FRAME에 전달되는 VIBRATION을 최소화 하기 위한 CORE MOUNTING SYSTEM 설계를 하여야 한다. 뿐만 아니라 STATOR BAR VIBRATION 또는 LOAD TORQUE에 의한 SPLIT END TEETH 진동에 의한 변위 및 ENAMEL COATING 을 손상 시키는 LAMINATION 간의 상대운동을 조절하는 CORE TIGHTNESS 정도도 고려되어야 한다.
특히 CORE TIGHTENESS는 진동에 미치는 영향이 크므로 제작 시 주의를 요한다.
CORE TIGHTENNESS목적은
(가) CORE TANGENTIAL STIFFNESS (RING BEND STIFFNESS) 극대화
(나) VIBRATION OF INDIVIDUAL PUNCHINGS 최소화
(다) STACKING FACTOR 향상
(라) 열전도율 향상
이며 설계 시 CORE TIGHTENESS 향상을 위해서
(가) OUTSIDE SPACE BLOCK TAPER
(나) TAPER SHIM
(다) PERIODIC PRESSING
(라) INTER-LAMINAR BONDING OF END PACKAGES
(마) CORE BAKING 및 BAKING후 KEY BAR NUT RE-TORQUING
등을 고려한다.
이상의 설계 고려사항 외에 INSIDE & OUTSIDE SPACE BLOCK 및 STATOR FRAME FLANGE에 대하여 BENDING 및 CRUSHING STRESS를 고려한다.
3.3. COMPONENT 의 구성
가) CORE PUNCHINGS
주로 ELECTRICAL STEEL로 알려진 CILICON-IRON STEEL 의 주요 특성은 CORE LOSS, PERMEABILITY, RESISTIVITY, SATURATION VALUE, INTERLAMINATION RESISTANCE. AGING CHARACTERISTICS 등이다.
ELECTRICAL STEEL은 화학조성 보다는 전기적 성질의 사양에 따라 고려된다.
1950년 이전에는 무 방향성 SILICON IRON MATERIAL (B50A115) 가 사용되었으나, 1950년에서 1960년 중반 까지는 SX-10(B3E9T)으로 알려진 SEMI-PROCESSED GRAIN ORIENTED 3.2% SILICON MATERIAL 이 사용 되었다.
SX-10의 FINAL ANNEALING CYCLE 은 CORE LAMIATIONS의 PUNCHING 후 ENAMELING하기 전에 PUNCHING LINE에서 행해진다.
1960년대 중반에서 1980년대 중반까지는 14 MIL GRAIN-ORIENTED, 3.2% SILICON MATERIAL인 SX-15(B50A487)이 사용되었으며 SX-15는 STEEL COILS의 모든 ROLLING 과 ANNEALING이 STEEL MILL에서 행해지는 강판으로 VENDOR와 특별한 등급 계약하에서 개발되고 구입 되었으나, 1980년 중반에는 주문생산이 중단되고 B50A740A의 상업등급으로 구매 되었다.
1981년 이래로 G.E 의 CORE MAT’L이 상업 등급 M-6(B50A740C)가 되었으며, M-6은 ANNEALING CYCLE 을 제외하고는 SX-15와 유사하다.
“ ORIENTED (방향성의)” 란 용어는 방향에 따라 변하는 자기성을 띈 수정 격자를 말한다. SILICON – IRON ALLOYS에서 원자 구조는 CUBIC 이며, 결정체는 입방체의 모서리와 평행한 방향에서 가장 쉽게 자화 된다.
강의 정확한 조성, 엄격히 통제된 냉간 압연 및 ANNEALING 절차를 조합하여, 이들 ORIENTED STEEL의 수정 격자는 압연 방향에 평행되게 입방체 모서리가 배열된다. 그 결과, ORIENTED STEEL은 이 방향에서 자화 될 때 뛰어난 PERMEABILATY와 낮은 CORE LOSS를 갖는다.
나) LAMINATION INSULATION
STATOR CORE LAMINATION에 사용되는 INSULATION SYSTEM 은 PHENOLIC CORE PLATE ENAMEL 과 C-2 와 C-5의 합성물인 C-10의 두성분으로 구성 된다.
C-5라고 불리는 INORGANIC MAGNESUIM SILICATE COATING 은 SILICON STEEL VENDOR에 의해 MILL에서 마지막 ANNEALING 중에 행해지며 C-2라고 불리는 MAGNESIUM PHOSPHATE COATING 은 이 마지막 ANNEALING 후에 VENDOR에 의해 행해진다. PHENOLIC CORE PLATE ENAMEL에 의한 INSULATION COATING은 제작 시 PUNCHING 후 ROLLER에 의해 COATING되어 OVEN에서 경화되므로서 이루어 진다.
4. VENTILATION 구조
발전기 운전 중 CORE에는 자계가 형성되며 권선에는 전류가 생성된다. 따라서 발전기는 전기적인 현상으로 철손과 동손이 발생하여 내부온도 상승 원인이 된다. 이렇게 발전기 내부에서 발생한 열량은 냉각매체로 열전달되어 발산하게 된다. 그러나 전기적인 현상으로 발생된 열량을 냉각 매체로 적절하게 제거하지 못하여 발전기 내부 온도가 일정 수준 이상으로 상승될 경우, 발전기 내부에 구성된 많은 종류의 절연체가 파괴되어 전량 교체해야만 하는 심각한 상황에 직면하게 된다. 따라서 발전기 설계 시 발생 열량을 적절히 제거할 수 있도록 VENTILATION 설계를 하여야 한다.
발생 열량을 제거하기 위하여 발전기 VENTILATION 설계에 사용되는 냉각 매체는 수소 가스와 공기이다. 수소 가스는 중.대형 발전기의 냉각 매체로 사용되며 공기는 소형 발전기에 사용된다.
냉각 매체로서 수소 가스를 사용하는 이유는
가) 높은 열 제거 능력 보유 (30 PSIG에서 공기의 3배, 45 PAIG에서 4배)
나) 동일 크기의 발전기로서 더 높은 성능 제공
다) 수소 환경에서 INSULATION 수명 연장 및 녹 발생 방지 가능
라) WINDAGE LOSS 감소로 발전기 효율향상
등이 있다. 그러나 수소가스가 공기와 일정한 범위로 혼합될 경우 폭발하므로 수소가스를 냉각 매체로 사용하려면 이에 대한 추가적인 구조 설계가 수행되어야 한다.
냉각 매체를 수소로 하는 발전기의 VENTILATION SYSTEM은 GAP PICK-UP DIAGONAL FLOW, RADIAL FLOW 및 ONCE THROUGH FLOW가 있다. 대 용량 2POLE 발전기는 대부분 GAP PICK-UP DIAGONAL FLOW를 채택하고 있으며, 대 용량 4POLE 발전기는 RADIAL FLOW 또는 ONCE-THROUGH FLOW를, 중형 발전기는 RADIAL FLOW를 채용하고 있다. 냉각 매체를 공기로 하는 소형 발전기의 VENTILATION 설계는 개방형 설계방식( OPEN VENTILATED DESIGN)과 밀폐형 설계방식(TEWAC : TOTALLY ENCLOSED WATER & AIR COOLED DESIGN)이 있다. 발전기 내의 냉각 매체의 순환은 회전자 양단에 설치된 FAN에 의해서 이루어 진다. 그림 4-1은 GAP PICK-UP DIAGONAL FLOW의 개략적인 구조를 보여준다. 그림과 같이 FAN으로부터 내부로 유입된 냉각 가스가 고정자 FRAME에 제공된 INLET 통로를 따라 INLET SECTION에 위치한 CORE에 도달한다. INLET SECTION의 CORE에 공급된 냉각 매체는 INSIDE SPACE BLOCK에 의해서 반경방향으로 형성된 DUCT를 거쳐 AIR GAP으로 안내되고, 회전자 COIL에 DIAGONAL PATTERN으로 제공된 VENT DUCT를 따라 COIL의 내부에 유입되어 인접한 OULET SECTION에 위치한 AIR GAP으로 다시 유출된다. 유출된 가스는 OUTLET SECTION의 CORE에 위치한 DUCT를 통과한 후 FRAME의 OUTLET 통로를 따라 H2 COOLER를 거치면서 냉각되어 다시 FAN으로 공급되는 순서로 순환된다. 그림4-2는 RADIAL FLOW의 개략 구조로서 FAN에서 출발한 일부 냉각 가스는 GAP PICK-UP DIAGONAL FLOW와 동일하게 고정자 FRAME의 INLET 통로와 INLET SECTION CORE의 DUCT를 거쳐 AIR GAP에 도달하고 그 나머지 일부는 회전자의 SUBSLOT를 통하여 AIR GAP에 도달한다. FRAME의 INLET 통로와 회전자의 SUBSOLT을 통하여 AIR GAP에 도달한 냉각 가스는 합류하여 OUTLET SECTION CORE의 DUCT와 FRAME의 OUTLET 통로를 통과하여 H2 COOLER를 거쳐 다시 FAN에 이르게 된다. GAP PICK-UP DIAGONAL FLOW와 RADIAL FLOW의 구조적 동일한 점은 CORE의 배열이 발전기 양단으로부터 OUTLET SECTION으로 시작하여 INLET SECTION과 OUTLET SECTION이 반복하여 배열되어 있는 것이다. ONCE-THROUGH FLOW는 가장 단순한 VENTILATION 구조이다. 이 FLOW는 FAN으로부터 시작한 냉각 가스의 대부분이 회전자의 SUBSLOT으로 유입되어 AIR GAP에 도달하게 된다. AIR GAP에 도달한 냉각 가스는 OUTLET SECTION만으로 배열된 CORE의 DUCT와 FRAME의 통로를 통하여 H2 COOLER로 안내되어 FAN에 이르게 된다. 그림 4-3은 ONCE-THROUGH FLOW의 구조를 보여준다. 이외에 그림 4-4와 같은 구조의 REVERSE FLOW가 있다.
공기를 냉각 매체로 하는 소형발전기의 VENTILATION SYSTEM은 크게 개방형과 밀폐형 구조로 분류된다. 개방형은 COOLER가 없으며 냉각 가스인 공기의 SOURCE는 대기로서 대기로부터 유입되어 발전기를 냉각시킨 공기는 SILENCER를 거쳐 대기로 방출된다. 이 방식의 장점은 대기의 찬 공기를 직접 이용할 수 있다. 반면에 대기의 먼지 및 재등으로 발전기가 오염되고 계절에 따라 대기의 온도가 높아지면 발전기의 성능이 떨어 진다. 밀폐형은 냉각 매체를 수소 가스로 하는 발전기와 동일하게 대기의 공기와 구분된 발전기내의 공기가 밀폐된 VENTILATION 회로에 따라 발전기 내부와 COOLER를 통과하도록 한다. AIR 냉각식 발전기를 TEWAC (TOTALLY ENCLOSED WATER AIR COOLED)이라 한다.
이상은 FRAME내에 설치되는 구성품을 중심으로 VENTILATION에 대해여 설명하였다. 이외에 LOWER FRAME EXTENSION에 설치되는 HIGH VOLTAGE BUSING 역시 흐르는 고 전류에 의해 주요 발열체가 되므로 적절한 양의 냉각 가스가 순환될 수 있도록 VENTILATION 설계를 하여야 한다. 그림4-5는 LOWER FRAME EXTENSION의 VENTILATION 구조를 보여준다. 또한 GENERREX 형식의 EXCITATOIN을 채용하는 발전기의 경우, REACTOR 및 TRANSFORMER가 FRAME 또는 DOME 내부에 설치되도록 설계한다면 이에 대한 VENTILATION 설계가 필요하다.
이상과 같이 발전기의 열을 제거하기 위하여 모든 발전기에 대해서 VENTILATION 설계를 고려하여야 하며 VENTILATION 설계는 냉각 가스의 손실을 최소화하여 발전기 내부의 주요 발열체를 효과적으로 냉각시킬 수 있도록 수행되어야 한다.
효과적인 VENTILATION을 위하여, 즉 주요 발열체를 집중적으로 냉각시킬 수 있도록 AIR GAP ENTRANCE BAFFLE, AIR GAP SEPARATE BAFFLE, BACK OF CORE BAFFLE, COOLER BAFFLE 및 FLANGE BAFFLE등 각종 BAFFLE 들이 사용된다.
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