12. 커플링

Couplings

 

12.1 槪要 (Abstract)

터보기계의 커플링 문제점으로 2배의 운전속도 주파수를 가지는 진동이 나타나고 있다. 때로는 이것이 사실이지만 1× 및 1/2×RPM을 포함하는 다른 주파수들도 나타난다. 실시간 스펙트럼 분석기 및 축의 Orbit 표시기를 포함하는 분석 장비는 커플링 문제점인 진동의 근원을 보다 잘 이해하는데 도움을 준다.

대부분의 커플링 문제점들은 축의 Misalignment에 대한 보상능력이 부족하기 때문에 진동을 일으킨다. 이것은 축상에 정적인 우력 또는 Preload의 원인이 된다. 기본 진동은 구속된 타원형의 Orbit을 가지는 1×RPM이다. 축의 Misalignment 또는 커플링이 피로가 심해지면 베어링의 비선형성 때문에 2×RPM 진동이 증가함과 더불어 Orbit 모양이 바나나 또는 8자 모양이 된다.

해상도가 높은 실시간 분석기로 1/2×RPM 진동을 조사해 본 결과 일괄하여 Oil Whip이라고 하는 몇 가지 다른 현상이 나타났다. 이들 현상의 하나가 Mathieu Effect 즉, 비선형 강성에 의한 정확히 1/2×RPM 진동이다. 이의 한 예가 축방향 Rub에 의한 1/2×RPM진동이다. 이것은 커플링에서의 Rubbing에 의해서도 발생할 수 있다.

 

12.2 잠긴 커플링 (Locked up Coupling)

이 경우는 실질적인 2×RPM 진동을 나타낸다. 커플링은 그리스 윤활방식이고 18,000 HP, 7,500 rpm의 Hot Gas Expander와 기어박스간에 설치된 Gear Type이다. 그림 10-56에서 2×RPM 진동은 20 mils이며, Orbit은 하나의 Keyphasor와 심한 구속 상태의 닫히지 않은 Loop 모양을 하고 있다. 기계를 정지하여 점검한 결과 커플링 이빨이 서로 용융되어 있었다.

다른 커플링으로 교체하고 기동후 몇일후 상태가 악화되기 시작했다. 정지후 점검 결과 커플링은 전과 마찬가지로 서로 용융되었다. 이 손상은 암 이빨의 뿌리와 수 이빨의 Crown간의 불충분한 간극이 원인이었다. 이 간극은 Balancing용으로는 통상 작아야 하지만 600℃ 이상에서 운전되는 이 기계에서는 Female Sleeve에 대한 Male Hub의 열팽창 차이로 간극이 줄어들었다.

그림 10-56 2×RPM 진동을 나타내는 용융된 커플링을 가지는 기계의 커플링 끝부분이 아닌 곳에서의 스펙트럼과 Orbit

 

12.3 Coupling Rub

이 경우는 앞과 유사한 원인을 가지지만 그 결과는 상당히 다르다. 이 커플링은 Gear Type이고 연속적으로 윤활되며 기어와 18,000 HP, 4230 rpm의 냉동기의 압축기 사이에 설치되어 있다. 그림 10-57은 높은 1/2×RPM 진동을 가지나 Orbit은 구속되지 않음을 보여주고 있다. 이 고장은 정기점검 정비기간 중에 새로운 커플링으로 교체한 후에 발생하였다. 기계를 정지한 후 커플링을 점검한 결과 수 이빨의 Crown과 암 이빨의 뿌리 사이에 Rubbing 흔적이 있었다. Crown을 Relieving한후 1/2×RPM 주파수가 없어졌다.

그림 10-57 1/2×RPM 진동을 나타내는 커플링 이빨의 Rubbing이 있는 기계의 커플링 끝에서의 스펙트럼과 Orbit

 

12.4 非同心 토-크 튜브 (Non-Concentric Torque Tube)

이 경우는 로터 불평형을 야기 시키는 커플링 제작상의 잘못인 경우이다. 이 기계는 Diaphragm 커플링을 통해 증기터빈으로 구동되는 Overhung 압축기이다. 터빈은 정기점검을 수행하였고 커플링은 새것으로 교체되었다. 압축기는 어떤 작업도 수행하지 않았다. 이 기계는 기동시부터 저속에서 고진동으로 운전되어 그 원인을 Runout이나 Probe의 Glitch로 가정하였다 (그림 10-58). 축의 Glitch가 아주 작음이 판명됨에 따라 그 가정은 잘못이었다. 700 rpm의 신호를 제거하기 위하여 2-Channel Runout 보상기가 사용되었다. 기계가 운전속도인 4,100 rpm에 도달하자 실제 진동은 700 rpm시와 비교하여 크기는 약간 감소하였고 위상각은 약 135˚ 변화하였다 (그림 10-58). 그러나 소위 보상된 Orbit은 상당히 크고 모양은 거의 원형이었다. 이것은 속도에 따라 증가하려는 불평형을 나타내고 있었다. 압축기는 운전속도 이하에서는 임계상태를 갖지 않고 있어 위상 변화를 고려하지 않았다.

그림 10-58 1×RPM 진동을 나타내는 Off Center Torque Tube를 가지는 기계의
700 rpm과 4,100 rpm에서의 스펙트럼과 Orbit

저속에서 가정했던 Glitch가 변화하였고, 위상이 틀린 방향으로 변화한 것으로 보였기 때문에 보상된 Orbit으로 Balancing 함으로써 성공적이었다. 보상하지 않은 Orbit(실제 진동)은 운전속도에서 결국은 Balancing 되었다(그림 10-59). 저속에서 고진동이었던 것이 속도 증가와 더불어 감소되었다.

그림 10-59 운전속도에서 Balancing 한 후의 진동 대 속도

 

Balancing 과정에서 취한 자료를 보면 3가지 특이한 점이 있다(그림 10-60).

① 저속에서 진동이 높았으나 계속 감소해 최저가 되었다가 다시 증가하기 시작했다.

② Weight를 변화시킴에 따라 최저진동이 나타나는 회전수가 변화하였다.

③ Weight의 취부 각도를 변화시킴에 따라 최저 진동진폭이 변화하였다.

그림 10-60 Balancing 과정중 진폭 대 회전속도

이 사례는 축과 회전하는 것을 제외하고는 축의 Misalignment인 경우와 유사한 회전하는 우력에 관한 것이다(그림 10-61). 커플링의 임계상태가 없다고 가정할 때 회전하는 우력으로 인해 일정한 진폭과 위상으로 1×RPM 진동이 생긴다. 불평형이 있으면 진폭은 각속도의 제곱에 비례하고 위상각은 일정한 1×RPM 진동이 발생한다. 이들 두 힘의 벡터합이 진동이며 처음 기동시에는 회전하는 우력에 의한 진폭만이 있고 속도가 증가함에 따라 상대 위상각에 따라 각속도의 제곱에 비례하여 진동이 증가하거나 감소한다. 회전하는 우력은 비동심 Torque Tube에 의해 발생되었다. 이로 인한 힘은 운전속도에서 불평형력과 평형을 이루어 진동이 극감하였다.

커플링은 동일한 형태의 신품 커플링으로 교체되었고 기동한 결과 진동도 극히 감소되었다(그림 10-62). 커플링의 볼트 홀이 몸체의 볼트와 잘 맞지 않아 커플링 Torque Tube가 회전 중심으로부터 떨어져 있게 되었다. 이로 인해 커플링의 불평형이 생기게 되었을 뿐만 아니라 일정한 변형을 가지는 Rotating Spring 역할을 하도록 하였다.

그림 10-61 불평형과 회전 우력에 의한 진동 응답

 

그림 10-62 커플링 교체후 진동 상태

 

12.5 커플링의 不純物 (Coupling Sludging)

연속적으로 윤활 시키는 기어 커플링의 원활한 운전을 위해서는 청정유가 중요하다. 이 기계는 터빈과 전동기에 의하여 기어박스를 통하여 구동되는 Overhung 원심 압축기이다.

이 압축기는 1년 이상 낮은 진동(거의 0.8 mils)으로 운전되어 왔다. Proximity Probe 감시 시스템에 의해 진동이 2.2 mils에서 경보가 발생되었다. 운전원은 경보 발생 이전의 경향을 확실히 알 수 없었지만 그림 10-63과 같이 컴퓨터에 의해서 진동 경향이 나타내졌다. 이 그림에서 보면 4월 한달 동안 진동이 계속 증가 하다가 4월말에는 증가율이 둔화되었다.

그림 10-63 불순물이 있는 상태로 기동시 압축기 커플링의 진동 경향도 * 5월초 Filter 교체후 진동이 감소되었다.

 

그림 10-64의 진동과 Orbit은 축의 Misalignment에 의한 전형적인 베어링 Preload 양상을 띄고 있다. 이 증상은 가는 타원형의 Orbit과 점진적으로 시간에 따라 증가하는 것으로 커플링이 불순물로 오염되었음을 확인시켜 주고 있다.

그림 10-64 불순물로 오염된 커플링을 가지는 압축기의 진동 스펙트럼과 Orbit

 

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