6.1 일반 회전기계

General Rotating Machinery

 

(1) T.C. Rathbone Chart(1939年) [베어링 진동규격]

허용 진동치에 관한 최초작품중의 하나가 1939년판 발전소 Engineering이라는 출판물에 게재된 T. C. Rathbone의 “Vibration Tolerance”이다.

Rathbone은 그 당시 New York에서 터빈 및 기계를 제작하는 회사의 선임기술자였는데 그림 12-18과 같은 Chart를 만들었다.

이 차트는 6,000 cpm이하의 저주파 진동을 평가하는데 아직도 사용되고 있다.

이 차트의 제한치는 축진동과 베어링 하우징 진동이 2:1 또는 3:1 비율을 가진 무겁고 저속인 기계의 베어링이나 구조물로부터 측정한 진동에 대해 적용되며 축진동을 이 차트에 적용해서는 안된다. 더욱이 ㎛로 나타낸 진동진폭과 cpm으로 표시된 진동주파수를 알아야 이 차트를 이용할 수 있으므로 오직 Filter를 통하여 측정된 진동값만을 이 차트에 적용해야 한다.

그림 12-18 Rathbone의 진동 허용곡선

 

Rathbone Chart를 살펴보면 600 cpm 이상에서 허용 진동폭이 감소함을 알 수 있다. 실제로 600 cpm이상에서 허용운전구역(Severity Region)을 나누는 사선은 거의 직선이며 속도치와 거의 같다. 이것은 흥미있는 사실인데 왜냐하면 허용 진동치를 알기 위해 지금은 전체 진동 속도값(Overall Velocity Measurement)을 이용하고 있는 것과 일맥 상통하기 때문이다. 이 차트를 발표할 때엔 물론 진동 진폭만을 측정할 수 있는 장비만 사용됐었다.

이 챠트는 경험을 정리한 지침으로서 제안한 것으로, 많은 회전기계를 대상으로 현장의 기계 기술자나 기능자의 손끝감각에 의한 판단을 기초로 작성한 것이다. 사람의 감각을 기본으로 하고 있으므로 현장기술자의 감각과 잘 일치하고 현재에도 사용되고 있다. 이 곡선은 그 후 제정된 많은 규격의 기초가 되었다. 즉 독일 기술자협회(VDI)가 1964년 제정 완료한 VDI 2056 규격의 그룹 G(높은 고유진동수를 갖는 견고한 기초상의 대형기계)는 이 진동 허용곡선을 그대로 Copy한 것으로 알려져 있다.

이 규격은 주로 대형기계에 있어서 운전시의 진동에 대한 평가를 「매우 좋다(조용하다)」에서 「매우 나쁘다」까지 6종류의 레벨로 나누어 나타내고 있다. 진동의 평가척도는 변위진폭(㎛, peak-peak)이다. 허용 곡선은 10 ㎐(600 rpm)이상에서는 진동수(회전수) n(rpm)에 거의 반비례(1/n)하고 있고, 이것이 이후에 제정된 규격들에서 진동속도를 평가척도로서 채용하는 근거가 되었다. 또한 그는 베어링의 수평방향 강성이 수직방향의 강성에 비해 낮으므로, 진동 평가에 대해서도 강성을 고려하여 판단해야 할 것이라고 주장하였다. 이 규격은 이후 제정된 규격들의 기본이 되어 왔고, 설득력이 있는 것으로 오랜 기간동안 이용되어 왔다.

(2) Yates 규격(1949년) [베어링 진동규격]

H.G. Yates는 1949년에 사람의 감각을 기초로 작성한 Rathbone의 진동허용곡선을 진동속도가 일정한 방법으로 수정하여 평가기준을 발표하였다 (그림 12-19). 현재 ISO, JIS 등의 각종 규격 및 각 제작사의 권장치 등은 모두 이 Yates의 규격을 본보기로 한 수정판이다. 이는 진동 시베리티가 진동속도에 비례한다는 가정에 기초한 것으로, 오랫동안 현장에서 실용되어 왔으나 본질적인 면에서 몇 가지 문제점을 가지고 있다. 즉

① 운전속도 1,200 rpm 이하의 저속회전 기계에 대해서는 허용기준이 너무 커서 매우 느슨하다.

② 운전속도 7,000 rpm 이상의 고속회전 기계에 대해서는 허용기준이 너무 작고 매우 엄하다.

그림 12-19 Rathbone과 Yates 규격의 비교

 

(3) IRD Mechanalysis Chart [베어링 진동규격]

그림 12-20(일반 수평 회전기계에 대한 진동속도 및 가속도 시베리티 챠트)와 그림 12-21(일반 수평 회전기계에 대한 진동 변위 및 속도 시베리티 챠트)을 사용할 때 다음 사항을 고려해야 한다.

• 변위값을 사용할 때는 Filtering된 값만 사용해야 하지만, 시베리티 영역을 나누는 선은 일정한 속도선이므로 Filter되지 않은 즉, 총진동 속도값은 그대로 적용할 수 있다.

• 이 Chart는 기계의 구조물이나 베어링에서 취한 측정치에만 적용하며, 축진동 측정에는 적용하지 않는다.

• 이 Chart는 강성기초에 볼트로 견고하게 체결한 경우에 적용한다. Coil Spring이나 Rubber Pad와 같은 탄성 진동절연체에 얹힌 기계는 강성 기초 위에 설치된 기계보다 2배의 진동을 허용한다. 그러나 이 규칙은 기어와 결함이 있는 구름베어링과 같은 고주파진동에는 적용해서는 안된다.

그림 12-22는 기계별 진동 평가 기준을 나타낸 것으로 다음 사항을 고려해야 한다.

• Rigid Foundation(Vibration Isolator 설치시는 30~50% 추가 허용)

• 전동기의 Alarm치는 특별한 언급이 없는 한 해당 기계의 값에 준용

• External 기어 박스의 Alarm치는 해당 기계의 값에 25% 추가로 설정

• Alarm 1값 이상인 경우는 문제점이 확인되고 교정되지 않으면 조기 고장이 예상되는 경우

• Alarm 2값 이상인 경우 긴급조치를 하지 않으면 중대사고가 예상되는 경우

 

그림 12-20 일반 수평 회전기계에 대한 진동속도 및 가속도 시베리티 챠트

 

그림 12-21 일반 수평 회전기계에 대한 진동변위 및 속도 시베리티 챠트

그림 12-22 기계별 총진동의 평가 기준(Peak Overall Velocity, in/sec)

 

(4) VDI 2056(1964년) [베어링 진동규격]

독일기술자 협회(VDI)가 1955년에 조사를 시작하여 1964년 제 2편으로서 완성한 베어링 진동의 규격이다 (표 12-3). 이 협회에서는 Rathbone 이후의 각종 규격을 조사함과 동시에 독자적으로 계측 자료를 수집하여 넓은 분야의 기계에 적용 가능하도록 규격을 제정하였고, 이후 여러 나라에서 채용되어 왔다. 평가척도로서는 진동속도의 실효치(rms치, ㎜/s)를 이용한다. 이 규격의 특징은

① 진동 시베리티를 평가척도로서 채용하였다.

② 기계의 크기와 종류에 따라 6개의 그룹으로 나누고, 그중 4개 그룹(K, M, G, T)에 대한 한계치를 제공하고 있다 (표 12-3).

그룹 K : 약 15 ㎾까지의 전동기 및 이에 상당하는 소형기계

그룹 M : 15~75 ㎾의 전동기 및 특별한(견고한) 기초상의 약 300 ㎾까지의 중형 기계

그룹 G : 높은 고유진동수를 가지는 강성 기초상의 대형기계

그룹 T : 낮은 고유진동수를 가지는 경량구조 기초상의 대형기계(예로, 터보기계)

그룹 D : 발란싱이 이루어지지 않는 질량을 갖는 강성 기초상의 기계(예로, 왕복동 기계)

그룹 S : 그룹 D와 같은 종류의 기계로 탄성기초(예로, 방진지지)상의 기계

③ 그룹 G/T는 기계의 크기(출력)가 같아도 기초나 베어링 강성의 차이에 맞추어 그룹을 나누고 한계치를 달리하였다. 주의할 것은 같은 기계라도 측정방향에 따라 평가의 그룹이 달라질 수 있다는 것이다. 예로, 수직방향의 진동은 그룹 G의 기계로 평가하고, 수평방향의 진동은 그룹 T의 기계로 평가하는 일이 있을 수 있다.

④ 진동레벨은 진동속도(㎜/s)를 0.18에서 45 ㎜/s까지의 범위에 대해 양호(Good), 허용(Allowable), 견딤(Just Tolerable) 및 허용불가(Not Permissible)의 4종류로 규정하고 있다.

표 12-3 VDI 2056의 Vibration Criterion Chart

(5) ISO 2372(1974년)와 KS B 0142(1991년) [베어링 진동 규격]

독일 기술자협회(VDI)가 1964년 제정 완료한 VDI 2056규격을 기초로 측정방법, 평가척도, 기계의 그룹(Class)별 분할, 평가등급을 정하고 있다. 회전속도가 600~12,000 rpm 범위에서 회전되는 기계의 진동평가 기준이다. 10~1000 ㎐ 진동수 범위에서 진동속도의 RMS값이 같으면, 경험적으로 진동 시베리티는 같은 정도라 볼 수 있고, 그 시베리티의 레벨을 1 : 1.6의 비(4 dB)로 구획지어 0.28~71 ㎜/s 범위내의 단계를 정하고 있다. 지지조건에 따라 기계 전체의 1차 고유진동수가 회전속도보다 아래 있을 때를 탄성지지(Flexible Support) 또는 탄성기초(Flexible Foundation)라 하고, 위에 있을 때를 강성지지(Rigid Support) 또는 강성기초라고 한다. 평가는 단지 A, B, C, D의 4등급을 나타낼 뿐 구체적인 판정의 표현은 이후로 미루고 있다. 참고로 이를 국가 규격으로한 일본규격(JIS B 0906)에서는 A : 양호, B : 약간 나쁨, C : 나쁨, D : 아주 나쁨으로 표현하고 있다. 이 규격은 독일뿐만 아니라, 영국, 프랑스, 일본, 한국 등이 국내규격화 하였으며, 최근 ISO 10816에 흡수되었다. 표 12-4는 이 규격의 진동 기준표 이다.

표 12-4 ISO 2373의 기계 진동 시베리티

진동 시베리티의 범위

평가영역

범위

vrms(㎜/s)

Class Ⅰ
(소형기계)

ClassⅡ
(중형기계)

ClassⅢ
(대형기계)

ClassⅣ
(터보기계)

0.28

0.28

0.45

0.71

1.12

1.8

2.8

4.5

7.1

11.2

18

28

45

A A A A
0.45
0.71
1.12 B
1.8 B
2.8 C B
4.5
C B
7.1
D C
11.2
D C
18
D
28
45
D
71

 

Class Ⅰ : (15 ㎾ 이하의 일반전동기)

Class Ⅱ : 15~75 ㎾의 전동기, 300 ㎾ 이하의 중형기계

Class Ⅲ : 강성기초 또는 진동측정 방향으로 높은 강성을 갖는 무거운 기초 위에

설치된 대형기계

Class Ⅳ : 비교적 탄성기초에 설치된 대형기계(터보발전기 세트)

(6) ISO 3945(1977년) [베어링 진동규격]

베어링 진동의 규격으로 평가척도는 진동 시베리티를 이용하고 있고, 지지조건에 따라 기초의 고유진동수가 회전속도보다 높은 강하고 무거운 기초(Heavy Foundation)를 갖는 대형기계와, 기초의 고유진동수가 회전속도보다 낮은 탄성기초를 갖는 터보기계 등의 대형기계로 구분하고 있다. 그리고 양호(Good), 허용(Permissible), 아직 허용(Still Permissible) 및 허용 불가(Not Permissible)의 4등급으로 구분하고 있다. 이 규격은 VDI 2056의 그룹 G(높은 고유진동수를 갖는 견고한 기초상의 대형기계)와 그룹 T(낮은 고유진동수를 갖는 경량구조의 기초상의 대형기계)와 완전히 동일하다. 이 규격도 최근 ISO 10816에 흡수되었다. 표 12-5는 이 규격을 나타낸다.

표 12-5 대형 회전기계의 진동 기준(ISO 3945)

진동 시베리티의 범위

기계기초의 형태

υrms[㎜/s]

υrms[in/s]

강성, 중량 기초

탄성, 경량 기초

 

0.46

0.71

1.12

1.8

2.8

4.6

7.1

11.2

18.0

28.0

71.0

   

0.018

0.028

0.044

0.071

0.11

0.18

0.28

0.44

0.71

1.10

2.80

  양호

양호

       
       
       
       

허용

       

허용

       

제한적 허용

       

제한적 허용

       

허용 불가

       

허용 불가

       
       

 

 

(7) ISO 10816-3(1996년) [베어링 진동규격]

ISO 10816 시리즈는 기존 베어링 진동의 평가규격으로 널리 사용되던 ISO 2372(1974년)와 ISO 3945(1985년)를 대체하여 제정되었다. 이 국제규격은 다음과 같이 6편(Part)으로 구성되어 있다.

제 1편 : 일반적인 지침

제 2편 : 50 ㎿를 초과하는 대형육상 증기터빈 발전기세트

제 3편 : 현장 측정시 15 ㎾이상의 정격출력과 120 rpm에서 15,000 rpm 사이의 정격

속도를 가지는 산업용 기계

제 4편 : 항공기 추진을 제외한 가스터빈 구동세트

제 5편 : 수력발전 및 양수플랜트의 기계세트

제 6편 : 100 ㎾ 이상의 정격출력을 가지는 왕복동기계

이 중에서 제 1편인 ISO10816-1은 베어링 하우징과 같은 비회전부에서 측정된 기계 진동의 측정과 평가를 위한 일반적인 지침을 제공하고, 제 2편부터 6편까지는 각종 기계들에 대한 평가기준과 평가방법을 규정하고 있다. 제 5편과 6편은 현재 위원회에서 규격안을 심의 중에 있고, 향후 제정, 공표될 예정이다.

이 규격(10816-3)은 출력 15 ㎾이상, 운전속도 120~15,000 rpm 사이의 산업용 기계장치의 진동평가에 적용된다. 구체적으로 이 규격에 적용되는 기계들은 다음과 같다.

∙ 50 ㎿까지의 출력을 가지는 증기 터빈

∙ 1500 rpm 이하나 또는 3600 rpm 이상의 속도와 50 ㎿ 이상의 출력을 가지는 고속 증기 터빈장치

∙ 원심식 압축기

∙ 3 ㎿까지의 출력을 가지는 산업용 가스터빈

∙ 원심식, 혼류식 또는 축류식 펌프

∙ 발전기

∙ 모든 형태의 전동기

∙ 경량 박판 구조가 아닌 송풍기(Blower)나 Fan

이 국제 규격에서 제외되는 기계들은 다음과 같다.

∙ 50 ㎿ 이상의 출력을 가지고 1500 rpm, 1800 rpm, 3000 rpm, 3600 rpm의 속도를 가지는 육상용 증기 터빈 발전기 장치 (ISO 10816-2를 참조)

∙ 3 ㎿ 이상의 출력을 가지는 가스 터빈 (ISO 10816-4를 참조)

∙ 수력 발전과 양수 플랜트에 쓰이는 기계장치 (ISO 10816-5를 참조)

∙ 왕복동 기계와 연결된 기계 (ISO 10816-6을 참조)

∙ 왕복동 펌프

∙ 왕복동 압축기

∙풍력 터빈

이 기준은 공칭 운전속도 범위 내에서 정상상태 운전조건하에 기계의 베어링, 베어링 지지부 또는 하우징에서 현장 광대역(Broad-Band) 진동 측정을 할 때 적용된다.

표 12-6 산업용 기계 진동 Severity (ISO 10816-3)

 

지지분류

영역경계

진동변위(㎛, rms)

진동속도(㎜/s, rms)

그룹 1

그룹 2

그룹 3

그룹 4

그룹 1

그룹 2

그룹 3

그룹 4

강성지지

A/B
B/C
C/D
29
57
90
22
45
71
18
36
57
11
22
36
2.3
4.5
7.1
1.4
2.8
4.5
2.3
4.5
7.1
1.4
2.8
4.5

탄성지지

A/B
B/C
C/D
45
90
140
37
71
113
28
57
90
18
36
56
3.5
7.1
11.0
2.3
4.5
7.1
3.5
7.1
11.0
2.3
4.5
7.1

 

그룹 1 : 대형기계(300 ㎾~50 ㎿), 전기기계(축높이 H = 315 ㎜이상)

그룹 2 : 중형기계(15~300 ㎾), 전기기계(160≤H≤315 ㎜)

그룹 3 : 원심, 혼류 또는 축류펌프(15 ㎾이상, 다익 임펠라와 분리된 구동장치)

그룹 4 : 원심, 혼류 또는 축류펌프(15 ㎾이상, 다익 임펠라와 연결된 구동장치)

 

〈주의〉

① 이들 값은 정격속도 또는 특정속도 영역내의 정상상태 운전 조건하에서 모든 베어링, 베어링 지지대 또는 기계의 하우징 부에서의 반경방향 진동과, 스러스트 베어링 상에서 축방향 진동의 측정에 적용한다. 기계가 과도상태(즉, 속도 또는 하중이 변할 때)에 있을 때에는 이들 값을 적용할 수 없다.

② 다른 값 그리고 높은 값이 특수한 기계 또는 특별한 지지나 운전조건에 대해 허용할 수 있을지 모른다. 이런 모든 경우들은 제작자와 고객사이의 합의에 맡겨진다.

③ 현재 이들 기계의 가속도치를 감시하는 것은 일반적으로 실행되지 않고 있다. 가속도치에 대한 정보는 환영되고 있고, ISO/TC 108/SC2 사무국(Secretariat)으로의 전송을 위해 발원지의 국가표준기구에서 논의되어야 한다.

④ 막힘 방지(Clogless)를 위한 특수한 임펠러를 가지거나 또는 유사한 운전을 하는 펌프의 경우, 일반적으로 높은 진폭이 예상될 수 있다 (예를 들어 단일 깃 임펠러 경우는 3 ㎜/s까지).

(8) ISO 7919-3(1996년) [축진동 규격]

적용 대상은 유막베어링으로 지지되는 운전속도 1,000~30,000 rpm의 산업용 기계로서, 크기와 동력의 제한이 없이 증기터빈(50 ㎿ 이하), 터보압축기, 터보펌프, 터보발전기, 터보 Fan 및 기타 전기구동장치 및 부속기어에 사용될 수 있다. 이는 축의 최대 상대 변위가 축회전속도 n(rpm)의 제곱근에 반비례하는 형태로 영역경계의 값 S(p-p)이 추천된다.

표 12-7 산업용 기계와 가스터빈(ISO 7913-3/4)

영역 경계

축의 최대상대변위(Peak-Peak, ㎛)

A/B 4,800/
B/C 9,000/
C/D 13,200/

 

그림 12-23 표 12-7을 작도한 산업용기계에 대한 최대 상대 축진동 변위 (ISO 7919-3/4)

 

(9) API 611(1997년) [상대 축진동 규격] / API 612(1987년) [상대 축진동 규격]

API 611은 석유, 화학 및 가스 산업용 범용 증기터빈에 관한 규격이고, API 612는 석유 정제용 특수 증기 터빈에 관한 규격으로 진동 허용치는 모두 같으며, 베어링 부근의 상대 축진동을 비접촉 변위계로 계측하고, 이 값이 아래 식에 의한 값 또는 2.0 mil( = 50.8 ㎛, Peak-Peak) 중 어느 것을 초과해서는 안되도록 규정하고 있다.

변위진폭 = 25.4(㎛, Peak-Peak, Unfiltered Value)

여기서 n은 최대연속 회전속도(rpm) 이다. 상기 변위 진폭값은 편심량(Runout)을 포함한 값이다.

 

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