6. 회전체의 마찰

Rotor Rub

 

6.1 槪要 (Abstract)

회전체의 Rub는 기계의 회전부가 정지부와 접촉할 때 일어나는데, 어느 부분이 서로 접촉하는가, 각 부의 재질 구성, 마찰을 유발하는 회전속도, 회전부와 고정부의 구조적인 강성 및 충격속도 자체 등에 따라 치명적일 수 있다. 회전체 Rub는 다양한 고장을 초래하는데 어떤 경우는 파국적이고 또 다른 경우는 덜한 경우도 있으나 여전히 심각하다. 이러한 예는 다음과 같다.

[중대 Rub 고장]

베어링 Babbitt과 접촉하는 저널

전동기의 고정자와 접촉하는 Rotor

디퓨져 베인과 접촉하는 임펠러 베인

디퓨져 베인과 접촉하는 터빈 Blade

[경미 Rub 고장]

Seal과 접촉하는 축

축과 접촉하는 커플링 Guard

Shroud와 접촉하는 Fan 동익

 

6.2 回轉體 Rub의 特徵 (Characteristics of Rotor Rub)

① Rub가 일어나면 회전체의 강성이 변화하고 따라서 회전체의 고유 진동수도 변화한다. 회전체가 이전에는 비공진 상태에서 운전되었으나 고유 진동수 변화로 인하여 공진 상태로 옮겨진다면 이것은 실제적인 문제로 될 수 있다.

② 충격은 영입각(Attack Angle) 및 충격속도에 따라 국부적인 마멸과 변형의 원인이 될 수 있다.

③ 충격에 의해 큰 힘이 생길 뿐만 아니라 거의 동시에 전기적인 특성에 영향을 줄 수 있는 큰 회전 토오크를 생기게 하는데, 이것은 때때로 전류량 증가의 원인이 된다. 물론 Rub가 계속되면 접촉부는 물론 원동기 자체가 손상된다.

④ Rub가 일어날 때 마찰계수와 같은 표면 특성과 힘의 크기에 따라 마찰은 회전을 방해한다. 이러한 큰 마찰력은 역세차운동(Backward Precession)으로 알려진 역선회 운동의 원인이 된다. 이것은 축 회전 방향을 변화시킨다는 의미는 아니지만, 이 역선회운동은 회전속도와 독립한 주파수로 축은 실제로 회전 반대 방향으로 궤도를 그릴 수 있다는 의미이다.

⑤ 전 원주 Rub 발생 전에 보통 부분 Rub가 먼저 일어난다.

⑥ 일명 Cascade라 불리는 Waterfall Plot은 반경 방향의 Rub 진단에 아주 유용하다. 예로써 그림 10-14는 부분 Rub을 설명해 주는 Cascade Plot이다. 이 Cascade Plot은 진동 진폭과 주파수가 회전속도에 따라 어떻게 변화하는가를 보여준다. 그림 10-14를 볼 때 이 그림은 주파수 대비 진폭을 구성한 일련의 단일 스펙트럼이며, 속도가 증가함에 따라 이 스펙트럼이 어떻게 변화하는가를 보여준다 (1×RPM은 약 1,500~1,600 rpm에서 고유 진동수를 통과하는데 주의하라). 나중에 1/2×RPM에서의 진폭도 같은 고유 진동수를 통과하는데 이 점에서 1/2×RPM 진폭은 속도가 약 3,600~3,800 rpm일 때의 1×RPM 진폭보다 아주 크다. 이것은 아주 드문 경우이고 1/2×RPM 진폭이 1×RPM 진폭보다 아주 클 경우, 가장 의심해야 하는 것 중에 하나는 Rubbing이다.

⑦ 그림 10-15에서 나타낸 축의 Orbit도 Rub를 진단하는데 있어서 아주 유용하다. 이 Orbit은 베어링 내에서의 축자체의 경로를 보여준다. Orbit의 모양은 Rub 본질 및 가혹 정도, 그리고 예상 주파수 내용의 식별은 물론 현상을 결정하는데 유용하다.

그림 10-14 큰 힘이 작용하고 있는 부분 Rub

그림 10-15 분수조화 주파수를 발생하는 작은 힘이 작용하고 있는 부분 Rub

 

⑧ 반경 방향 Rub의 형태에는 부분 Rub와 전 원주 Rub가 있는데, 두 형태 모두 개별적으로 또는 동시에 일어날 수 있고, 또한 과도한 진동에 의해 발생하고 축이 기하학적인 중심선 상에서 회전하지 않거나 회전부와 고정부 사이의 간극이 불충분할 경우는 낮은 진동에서도 발생한다.

부분 Rub와 전 원주 Rub 사이에는 공통점이 많이 있는 반면 각 Rub 형태별로 고유한 특성이 있다.

 

6.3 部分接觸 (Partial Rub)

부분 Rub는 시간의 경과와 더불어 가혹정도 및 지속기간이 증대하기도 하는 일시적이고 과도적인 고장으로 보통 시작한다. 이러한 Rub 사고의 대부분은 과도적이기 때문에 역방향 선회나 역세차 운동은 보통 일어나지 않는다. Rub를 수정하지 않고 내버려두면 축을 휘게 하고 더 가혹한 Rub와 회전체 불안정을 유발하는 국부 가열이 일어난다. 물론 Rub가 심해질수록 축에서 열이 더 발생되어 축은 휘어져 종국에는 파국적인 사고를 초래한다. 그러므로 형세가 더 심각해지기 전에 부분 Rub를 인식하고 판단하는 것이 중요하다. 다음은 부분 Rub을 확인하는데 도움을 주는 특징들이다.

① 부분 Rub는 차동기 진동(1×RPM보다 낮은 진동)이 주진동 성분이고 또한 현저한 충격 현상이 일어나면 고주파 진동도 일으킨다. 그러나 중요한 사실은 차동기 진동 자체만 일어나는 것이 아니다. 차동기 진동이 일어나고 있다는 사실이 중요하고, 그것의 근원을 규명하는 것이 필요하다. 만일 현저한 충격 현상이 일어나면 중주파수에서 고주파수 범위에 있는(속도와 관계없이) 시스템 고유 진동수를 여기 시킬 수 있다.

② 만일 차동기 진동이 부분 Rub에 의해 일어나면 보통은 분수 조화파(1/2×, 1/3×, 1/4× 등)를 나타낸다. 분수 조화파가 일어나는 것은 회전체계의 고유 진동수에 대한 상대적인 축속도에 따라 다르다. 일반적으로 축속도가 높을수록 더 낮은 분수 조화파 진동이 일어날 수 있다.

③ 반경 방향의 작은 힘에 의한 경미한 Rub가 일어날 때에는 여러 가지 다른 분수 조화파가 동시에 발생할 수 있다. 이러한 응답이 그림 10-15에 보여지는데 1×, 1/2×, 1/3×, 1/4×, 1/5×RPM에 대한 스펙트럼과 Orbit 응답을 나타낸다.

④ 반경 방향의 큰 힘에 의한 부분 Rub가 일어날 때에는 가끔 유일한 분수 조화파가 존재하게 되는데, 이 때에는 1/2×RPM이 우세하게 남는다.

⑤ 격렬한 충격이 일어나면 이러한 분수 조화파 진동수의 배수들(0.5×, 1×, 1.5×, 2.0×, 2.5×등)이 고주파 공진 응답과 마찬가지로 나타날 수 있다. 이것은 격렬한 충격이 일어날 때 FFT 스펙트럼 분석기에서 일어나는 고유한 비선형성 때문이다 (매끄러운 형태의 시간 파형 대신에 충격 동안에 잘려서 거의 사각 파형을 발생시켜 FFT 스펙트럼 상에 일련의 운전 속도 Peak를 갖게 된다). Reactor Blade가 Stainless Steel Tank 벽과 Rubbing을 시작할 때 일어나는 일련의 1/2×RPM 분수 조화파를 가지는 스펙트럼이 그림 10-16이다. 그림 10-17은 9 rpm에서 Rub를 정비 전 후에 취한 스펙트럼을 비교한 것이다.

⑥ 부분 Rub가 일어나는 동안 응답은 크게 방향성이 있어 차동기 진동의 수평과 수직 방향의 위상 차이가 180˚에 이르게 된다. 이것을 그림 10-15에서 보여준다. 1/4×RPM 뿐만 아니라 1/2×RPM에서의 길다란 Orbit의 모양은 수직과 수평 방향에서 Proximity Probe 진동 위상이 180˚ 차이가 나서 거의 직선 운동에 가까워진다.

그림 10-16 34.5 rpm의 Reactor Blade가 Stainless Steel Wall과의 Rub시 포착한
Spectrum(1/2×RPM의 고조파들은 점선으로 표시되었음)

 

그림 10-17 Rub 문제 해결 전후의 스펙트럼 비교 (9 rpm시)

 

6.4 全 圓周 接觸 (Full Annular Rub)

전에 언급한 바와 같이 부분 Rub 고장이 지속 기간이 길어져 결국에는 전 원주 Rub로 이끄는 충격일 경우에는 사실상 연속적인 Rub 고장을 일으킨다. 전 원주 Rub는 역세차운동으로 알려진 즉, 축은 같은 방향으로 계속 돌아가지만 궤도는 반대 방향인 역회전 운동의 원인이 된다. 이 역세차 운동은 접촉점에서 반대 방향의 힘을 발생시키는 회전체에 가해진 마찰에 기인한다. 이 힘은 역회전 방향으로 회전 토오크를 야기시켜 기계 상태에 해로울 뿐만 아니라 에너지 필요조건에 영향을 미친다. 일반적으로 전 원주 Rub는 다음과 같은 특징이 있다.

① 그림 10-18은 Seal이 축상에서 Rubbing될 때 축의 Orbit과 더불어 전 원주 Rub가 일어나는 동안 수집한 스펙트럼이다. 이것은 속도가 증가함에 따라 응답이 어떻게 변화하였는가를 보여준다. 회전체가 2,500~3,500 rpm 이하의 저속에서는 거의 진동이 없는 것이 주목된다. 이 속도에서 회전체는 Orbit에서 보는 바와 같이 Seal 주위에서 Bouncing을 시작했고, 3,500 rpm의 높은 차수 약 7,000 cpm에서의 응답은 5,000 rpm에 이를 때까지도 같은 주파수로 남아 있다. 이 7,000 cpm Peak는 회전체와 Seal계의 고유 진동수에 해당되는데, Rubbing하는 동안 Seal에 의해 증가된 강성 때문에 회전체가 Seal과 접촉하기 전의 회전체만의 고유 진동수보다 더 높다. 이 7,000 cpm 주파수는 역세차운동의 속도이다. 즉 이 역세차운동은 공진 주파수에서 시작하여 속도가 증가하던가 감소하든지 간에 축 회전속도와 독립하여 같은 주파수 위치에 남는다.

그림 10-18 7000 cpm의 Rotor/Seal 고유 진동수를 가진 시키는
약 3500 rpm에서 역세차 운동을 일으킨 충격 Seal Rub

 

② 역세차 운동은 원래 불안정하고 파국적인 회전체 파괴의 원인이 될 수 있다.

③ 그러므로 전 원주 Rub는 회전체와 접촉 표면계의 고유 진동수에서 역세차 운동으로 인도하는 계에서의 불평형에 해당하는 1×RPM에서 정방향 세차운동으로 특징 지어진다. 이런 경우에는 1×RPM과 회전체와 접촉 표면의 고유 진동수가 모두 나타나는데 낮은 진폭에서 1×RPM이 종종 있다.

④ 역세차 운동을 일으키는 촉매제는 회전부와 고정부 사이의 마찰이다. 마찰 자체가 비선형이기 때문에 일련의 회전속도 고조파를 발생한다. 여기서 다시 높은 고조파들은 비선형 시간 파형으로 FFT 스펙트럼 상에서 발생된다.

⑤ 그림 10-19에서는 다소 낮은 진폭으로 운전속도의 고조파가 있고 1×RPM에서의 응답이 탁월한 또 다른 형태의 전 원주 Rub을 보여준다.

⑥ 그림 10-20과 10-21은 자려 역세차 운동이 1차 임계속도 바로 아래에 있는 속도에서 일어난 전 원주 Rub의 예이다. 역세차 운동은 Runup중에 내내 있고 그림 10-21에서는 Coastdown시에도 계속 일어난다. 역세차 운동이 일어나고 있을 때는 1×RPM에서의 비교 진폭은 매우 낮다.

⑦ 전원주 Rub 내내 마찰이 계속해서 발생하기 때문에 많은 운전속도의 고조파를 발생하는 비선형성을 이끌기도 한다.

⑧ 전원주 Rub을 초래하는 진동 진폭은 간극과 계의 감쇠에 따라 다르다.

그림 10-19 동기 속도에서 정방향 세차운동에 의해 우세한 전원주 Rub

그림 10-20 자려 역세차 운동을 가지는 Runup중 전원주 Rub.

 

그림 10-21 Coastdown중 전원주 Rub
(아주 낮은 속도까지 역세차운동이 계속됨)

90˚ 떨어져 설치된 수평 및 수직 Probe를 가지는 영구 감시 설비들은 Rub가 일어날 수 있는 모든 중요 기계에 추천되며, 이것은 보통 슬리브 베어링이 갖추어진 대형 터보 기계나 압축기이다. 회전체의 Rub는 이러한 기계에만 한정되지 않고 구름 베어링이 갖추어진 다소 작은 기계나 설비에서도 일어날 수 있다. 그러므로 기계가 중요 기계이고 Rub 고장이 일어날 가능성이 있다면 영구 진동 감시장치를 갖추어야 한다. 이것은 정상운전중에 스펙트럼을 취득할 수 있도록 해주고, 그림 10-14와 같은 Waterfall Spectrum과 축 Orbit Display를 취득할 수 있게 해준다. 또한 이것은 Rubbing이 일어날 때 Rubbing을 탐지하는 기회를 높이는 장기 대책일 뿐만 아니라, 영구 감시 설비들은 측정하지 않아 탐지되지 않는 파국적인 사고, 특히 전체적인 Rub와 파국적인 파손 고장이 수 초 안에 일어날 수 있는 사고에 대하여 보호해 준다.

 

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