1.2 회전기계의 공진문제

Machinery Resonance Problems

 

진동 분석 관점에서 보면, 지지 구조물, Piping, Ducting, Conduit 등을 가지는 기계들에서 각각의 수많은 Spring-Mass 시스템의 각각의 요소들은 각 자유도마다 강성의 차이를 가지는 다 자유도(수평, 수직, 축방향, Pitch, Roll 및 Yaw)를 가짐으로써 각 자유도마다 다른 공진점 즉 고유 진동수를 가진다. 예를 들면 콘크리트 베이스에 볼트로 체결된 전동기의 단순한 경우를 생각해 보자. 전동기의 강성은 수평방향보다는 수직방향으로 더 클 것이다. 수평 강성과 수직 강성간의 차이로 수직방향에서는 하나의 공진 주파수가, 그리고 수평방향에서는 이보다 낮은 공진 주파수가 생길 것이다. 그리고 축방향의 전동기의 강성은 수평 및 수직방향과도 다르기 때문에 전동기는 축 방향으로 다른 공진 즉 고유 진동수를 가질 것이다. 보다 복잡한 물체인 경우에 특정 요소는 동일한 자유도 내에서 다수의 공진 주파수를 가질 수 있다. 예를 들면 그림 9-3은 단순보 즉 양쪽 끝에서 지지하고 있는 축의 1차, 2차 및 3차 공진 Mode를 보여주고 있다. 보다 높은 진동주파수에서도 추가 공진 Mode를 가진시킬 수 있다. 이론적으로 요소는 무한한 공진 Mode를 나타낼 수 있다.

그림 9-3 양쪽 끝에서 지지되고 있는 단순보의 1차, 2차, 3차 공진 Mode.

 

불평형, Misalignment, 전기적인 문제 등과 같은 비록 작은 문제에서 생기는 여러 가지 가진 주파수를 함께 가지는 수많은 잠재적인 공진 주파수는 조합되어 공진을 일으켜 진동 분석자들에겐 빈번하고 공통적인 문제이다. 실제로 전형적으로 발생되는 진동 문제의 40~50%가 공진과 관련된 문제라고 제안되기도 했다.

분명히 공진 문제는 복잡한 시스템에서는 피하기 어렵지만 베이스, 기초, 파이핑 등과 연관된 대부분의 구조적으로 관련한 공진 문제점들은 진단될 수 있으며 쉽게 교정될 수 있다. 그러나 증기터빈, 가스터빈, 다단 원심 펌프나 압축기와 같은 고속 회전기계에서 가진되는 로터의 임계주파수는 어떤 대가를 치르고서라도 피해야 한다. 이러한 문제들이 발생될 때 그 결과는 기계에 가공할 만한 손상을 줄뿐만 아니라 복구하는데 많은 자금과 시간이 소요되며 회전체나 지지 베어링의 재설계가 요구되기도 한다. 이러한 상황에서는 기계의 구매 및 설치 전에 설비 제작자로부터 "Critical Speed Map"("Interference Map")을 요구할 것을 추천한다.

그림 9-4의 임계속도표(Critical Speed Map)는 이미 알고 있는 로터의 임계속도와 구조적인 공진 (Rigid Mode)을 수직축 상에 나타내고 있다. 대각선은 불평형이나 Angular Misalignment에 의한 1×RPM, Off-Set Misalignment에 의한 2×RPM, Rubbing이나 내재된 Oil Whirl 경향에 의한 1/2×RPM 등과 같은 회전속도(rpm) 항으로 예상되는 공통적인 가진 주파수를 나타내고 있다. 수평축은 필요한 회전속도를 나타내고 있다. 일단 기계의 회전 속도가 형성되면 임계속도표는 어떤 잠재적인 문제가 구조적 공진 또는 로터 임계주파수의 가진 항으로 있는지 또는 없는지 나타낼 것이다. 그림 9-4의 예에서 7000 rpm에서 압축기를 운전하면 3150 cpm의 Oil Whirl 주파수에서 로터의 1차 임계속도를 가진하게 됨이 아주 분명하다. 일단 문제가 예상되면 축 또는 베어링에서 교정 또는 개선이 이루어질 수 있으며, 또 기계 설치 전에 분명한 문제점을 피하기 위해서 운전속도의 조정이 이루어질 수 있다.

그림 9-4 임계속도표는 기계 설치 및 운전전에 잠재적인 공진이나 로터의 임계 가진력을 아는데 유용하다.

초기에 공진 문제가 없었던 기계를 설치해도 나중에 공진 문제가 발생할 수 있다. 어떤 Spring-Mass 시스템의 고유 진동수는 강성에 따라 다르며 강성은 여러 가지 이유로 인해 변할 수 있다는 사실을 기억하라. 베이스나 기초의 균열, 체결 볼트의 풀림 또는 Grouting의 변형은 고유 진동수를 낮추도록 시스템의 초기 강성을 감소시킬 수 있다. 베어링 간극의 변화는 유효 베어링 강성에 상응하는 변화를 초래할 수 있어 베어링에 의해 지지되는 로터의 임계속도의 변화를 가져온다.

베어링 간극을 감소시키면 베어링 강성이 증가되며 로터의 임계속도가 높아진다. 반면에 마멸에 의해 베어링 간극이 증가되면 베어링 강성이 감소되고 로터 임계속도가 낮아진다. 축의 균열은 축의 강성을 낮추게 하여 축의 임계속도가 낮아진다. 실제로 축의 임계속도의 상당한 감소는 균열된 축의 진단 수단으로 이용된다.

질량이 변화하면 공진 주파수가 변화될 수 있다. 또한 동일한 베이스나 기초 상에 있는 움직이는 기계나 기계 구성품도 이전에는 없었던 공진 문제가 쉽게 일어날 수 있다. 과열되어 Aluminium 로터 Bar가 녹아 내린 대형 유도 전동기의 관심이 가는 예가 있다. Armature는 다시 제작되었고 로터 Bar는 보다 무거운 동 Bar로 교체되었다. 기동시 전동기는 1×RPM에서 아주 높은 진동을 나타내었다. 진동 분석결과 동 Bar의 추가 중량으로 로터 임계속도를 낮춘 것이 판명되었다.

Piping 및 기타 다른 관련 부품의 개조도 시스템의 고유 진동수를 변경시키는 질량 및 강성 모두의 상당한 변화를 초래할 수 있다. 이와 같은 변화는 주의를 기우려 행해져야 한다.

운전속도의 변화도 역시 이전에는 없었던 공진 문제를 일으킬 수 있다. 예를 들면 많은 구형 제지기계 및 공작기계는 생산 수요에 부응하기 위해서 근년에 들어 운전속도를 증가시켰다. 이들 기계중 대부분이 더 높은 운전속도에서 운전하도록 설계되지 않았기 때문에 구조적 공진뿐만 아니라 로터 임계속도의 가진에 의하여 많은 진동 문제가 발생한 바 있다.

 

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