2. 축 및 케이싱 진동

Shaft and Casing Vibration

 

터빈 발전기 세트는 고압터빈, 중압터빈, 1~3개의 저압터빈, 발전기 및 여자기로 구성되어 있고 발전소에서 가장 중요한 회전기계이다. 이들 단위 기계의 축은 서로 커플링으로 연결되어 구동되고 있으며 이 축들은 각기 하나 또는 두개의 저널 베어링에 의해 지지되고 있다.

터빈 발전기 세트의 진동 상태감시를 위해서 1950년대 초까지는 속도 Pickup을 케이싱(베어링)에 설치하여 케이싱의 절대 진동만을 측정하였고, 1960년대 초에는 터빈 발전기 세트의 용량 증대와 복잡화함에 따라 감도가 증가된 동일한 진동 변환기를 사용한 Shaft-Rider가 개발되어 한 방향의 축진동을 측정할 수 있게 되었다.

오늘날에는 신형 대형 터빈 발전기 세트의 경우 각 베어링마다 서로 90°떨어진 2개의 비접촉식 X-Y Probe를 설치하여(그림 4-2) 베어링과 축간의 상대 축진동을 검출할 수 있다.

그림 4-2 전형적인 X-Y Probe

 

한편 X-Y 각각의 Probe로부터 발생한 정현파 진동 파형을 화면에서 보면(그림 4-3) 수평면(X-Probe)의 상대진동은 3 mils이고, 수직면(Y-Probe)의 상대진동은 2 mils임을 알 수 있다.

특히 탄성 지지대를 갖은 기계나 높은 케이싱 진동이 일어나기 쉬운 기계에서는 축의 절대 진동측정이 대단히 중요하다. 그림 4-4에서와 같이 지진계식 속도 변환기를 설치하여 케이싱의 절대 진동을 측정한 후 이 값에서 축의 상대진동을 벡터적으로 더하면 축의 절대진동이 구해진다. 이와 같이 축의 절대 및 상대 축진동을 동시에 측정할 수 있는 변환기를 Dual Probe라 한다.

그림 4-3 X-Y 각 Probe에서의 상대 진동치

 

그림 4-4 축의 절대 및 상대진동을 동시에 측정할 수 있는 Dual Probe

 

축변위 감지기는 시스템의 이용을 용이하게 하기 위하여 각 베어링마다 같은 위치가 되도록 설치되어야 한다. 시간영역 상에서 정확한 Orbit을 얻기 위해서는 수평 Probe가 축회전 방향에 상관없이 구동측에서 보아 수직 중심선의 오른쪽에 위치해야 한다. 이러한 규칙은 오실로스코프나 진동 분석기상에서 X-Y Probe에 대응하는 축운동과 동일한 운동을 발생시킨다.

베어링과 케이싱의 수평 분할에 의한 간섭으로 종종 수평면에 변위 Probe를 설치하는 것이 불가능하기 때문에 API Standard 670은 수직 중심선의 45°상방향으로 각 Probe를 설치할 것을 요구한다. 이러한 구성에서도 축회전 방향과 관계없이 구동측에서 보아 오른쪽에 있는 Probe는 수평 Probe라하고 정확한 Orbit 회전 방향을 설정하기 위한 시간 영역 표시에서 X축이 되며 이때 Display되는 것은 실제의 축운동으로부터 45°기울어진다.

만일 변위 Probe를 이용하여 기계 상태를 나타내려면 변위 Probe 자체가 축상의 적절한 곳에 위치해야 한다. Probe가 진동이 없거나 극히 작은 부분인 Nodal Point나 또는 그 가까이 위치되지 않도록 하기 위해 측정점에서의 축의 휨 모드와 응답이 회전체 역학적 계산에 의해 평가되어야 한다.

Probe 위치가 Nodal Point로부터 멀어지면 회전체 축의 휜 정도는 일정한데도 불구하고 변위가 커진다. 추천된 진동 한계치를 유지하기 위해서는 기본적으로 베어링에 바로 인접하여 반경 방향 축변위 Probe를 설치해야 한다 (API 670은 반경 방향 Probe는 베어링으로부터 3 인치(75 ㎜)안에 설치되어야 하는 것을 요구한다). 그러나 추력 베어링과 같은 기계구성 요소로부터의 간섭으로 인해 이와 같은 위치에 설치하지 못하는 경우가 종종 있다. 이러한 경우에는 부득이하게 Probe를 축진폭이 훨씬 높아질 수 있는 위치인 베어링으로부터 멀리 떨어진 곳에 설치해야 한다. 하지만 이런 경우는 가능한 한 피해야 한다.

보통 반경방향 축변위 Probe는 Gap 전압이 선형 범위의 중간 정도에 있도록 조정된다. API 670은 반경 방향 Probe의 Gap 전압을 -10 VDC±.2 V로 추천하고 있다.

Probe에 의해 관찰되는 축표면은 베어링 저널과 동심이어야 하고 Scratch와 같은 어떤 기계적인 결함도 없어야 한다. API 670에 축의 표면 조도는 호닝이나 버니싱에 의해 16~32 마이크로 인치(0.4~0.8 ㎛ rms)로 명시되어 있다. 또한 API 670은 Probe와 마주보는 축표면은 기계적 및 전기적 총 Runout이 최대 허용 진폭의 25%, 즉 0.25 mils를 초과하지 않도록 탈자되어야 하는 것을 명시하고 있다. Probe면의 가우스(Gauss) 레벨은 1 가우스보다 더 적은 변화를 가지고 ±2 Gauss를 초과하지 않아야 한다.

Casing 진동을 측정하는데 있어서 중요한 주의 사항은 변환기의 설치가 견고해야 하고 감시해야 할 주파수 범위 안에 고유 진동수를 가지지 않도록 하는 것이다. 이완된 변환기나 기계 상태와 무관하고 설치대 자체의 공진으로 인한 잘못된 케이싱 진동측정이 많이 있었다.

기계의 케이싱에 직접 볼트로 고정 설치하는 방법이 선호된다. Faced and Tapped Head를 가지거나 Single-Point Block Mount를 가지는 볼트는 비싸지 않고 측정결과도 대단히 양호하다. 기계의 부착면이 평평하다면 전자석 고정 방법 또한 효과적이다. 일반적으로 외팔보식 고정 방법은 피해야 한다.

상태감시를 위해 사용되어지는 케이싱 진동 변환기는 가능한한 가장 견고한 베어링부에 부착되어야 한다. 여기서 다시 고유 진동수는 중요한 관심사이다. 케이싱 진동 변환기는 점검창이나 과도한 가진이 고유 진동수에서 일어날 수도 있는 가벼운 구조 부재 등에 설치되지 않아야 한다.

주의할 사항은 가진이 시험 주파수 범위밖에 있을지라도 큰 가진은 이 스펙트럼밖에 있는 신호를 찌그러뜨리도록 시스템에서 비선형성을 발생시킬 수 있다는 것이다. 그러므로 측정 시스템을 찌그러뜨리거나 혹사하는 일이 관심 주파수 안에서나 밖에 아무 것도 없는지 항상 확인하라.

임피던스가 큰 케이블은 독립된 변환 전자장치가 있는 가속도계로 케이싱을 측정할 때 어느 정도 움직이지 않아야 한다. 그렇지 않으면 케이블이 신호를 발생시켜 변환기로부터 얻어진 진동 신호에 더해진다. 일체의 전자장치를 가진 가속도계로부터의 케이블은 유도 잡음 운동에 다소 덜 민감하지만, 케이블의 운동으로 인해 가속도계 Case에 응력이 가해지지 않도록 케이블을 견고하게 묶어야 한다.

 

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