1. 해수 순환수 펌프 진동 해석

Vibration Analysis of Sea Water Circulating Pump System

 

1.1 要約 (Summary)

대형 수직 펌프는 설치 면적이 적고 대용량 저수위용이라는 특징으로 인하여 발전 설비의 각종 펌프에 이용되고 있다. 그러나 수직 펌프는 외팔보 형태의 전동기대 위에 대형 중량물인 전동기가 위치하기 때문에 일반적으로 구조물의 고유 진동수가 낮아 저속 회전하는 운전 주파수와 접근하거나 일치됨으로써 심각한 공진 특성을 갖는 경향이 있다. 평택화력 1, 2호기 해수 순환수 펌프의 경우 10년이상의 과대 진동(최대 진동 550~600 ㎛, 기준치 : 210 ㎛)을 저감시키기 위하여 임시 방편으로 전동기 하부 플랜지와 지상 사이에 지지봉 4~6개를 설치하는 등 설비 운영에 상당한 어려움을 겪고 있었다. 따라서 이의 해결을 위하여 펌프의 동특성을 논리적으로 해석 및 실험할 수 있는 기술을 개발, 기존의 펌프를 새로운 형태의 시제품으로 제작하여 현장에 설치한 결과 진동 문제점이 완전히 해소되었다.

 

1.2 펌프 諸元 (Pump Specifications)

해수 순환수 펌프(CWP)의 용량은 23.100 m3/h, 양정 7.5 m, 전동기 용량 700 ㎾급으로 회전속도는 321 rpm이고 주요 제원은 다음과 같다.

탄성계수 = 210 G/m2 포아송비 = 0.3

밀도 = 7.850 kg/m3 전동기의 총질량 = 14.800 ㎏

고유 진동수 및 진동 측정에 사용한 진동 측정 위치는 그림 14-1과 같다.

 

1.3 構造 解析 및 實驗(Structural Analysis and Experiment)

일반적으로 펌프의 고유 진동수가 1, 2차 회전 주파수(5.4, 10.8 ㎐)의 20-30%이상 떨어지도록 설계할 필요가 있으나 1, 2차 고유 진동수인 8.75 ㎐와 9.75 ㎐가 회전 주파수의 2배 주파수 근처에 가까워 공진 현상을 일으키므로 전동기대의 강성 변경을 통해 2차 회전 주파수의 20%이상 떨어지도록 구조물의 고유 진동수를 변경하기 위한 구조 해석을 수행하였다.

(1) 유한 요소 모델

유한 요소 해석을 위해 상용 프로그램인 ANSYS 4.4A를 이용하여 모델링 및 해석을 수행하였다. 그림 14-2와 같이 유한 요소간의 연결성을 확보하기 위해 케이싱의 모든 부분은 면으로 표현하였다. 또한 해석의 정확도를 높이기 위해 요소의 가로와 세로간의 비 즉 형상비(Aspect Ratio)를 고려하여 먼저 선을 분할시킨 후 메쉬를 생성하였다.

그림 14-1 가진위치 및 측정위치 그림 14-2 유한요소 모델

 

토출 곡관부의 경우 그 형상도 복잡하고 토출구가 수직리브 및 수평리브와 서로 교차되고 있으므로 요소간의 연결성 및 형상비를 고려하여 요소를 분할하였다.

기존 모델에서 전체 요소의 개수는 2091개, 노드의 수는 2173개인데 반해, 시제품 모델은 전체 요소의 개수는 3673개, 노드의 수는 3326개이며 해석에서 나타난 전체 질량은 37969kg(전동기 14800, 지지 구조물 23169)이다. 또한 모델링에서 Key Point 수는 235개, Line Segment는 493개, Area수는 234개이었으며 Total Master D.O.F는 200으로 해석하였다.

(2) 유한요소 해석결과

기존 펌프의 정확한 동특성을 규명하기 위하여 유한요소해석 및 실험 해석을 병행하여 정확한 해석 모델을 구하고 이 모델의 취약한 강성을 보강하기 위해 전동기 지지 구조물의 형상 즉, 원통의 직경 및 두께, 리브의 두께 및 개수, 점검창의 크기, 플랜지의 두께 등을 변화시켜 전체 시스템의 고유 진동수가 운전 속도의 하모닉 성분으로부터 충분히 멀어지도록 시제품에 대한 경계 조건을 결정한 후 해석한 결과 1, 2차 고유 진동수는 아래 표 14-1과 같이 상당히 강성이 높아져서 고유 진동수가 대폭 증가되었으며 펌프 설치 상태에서 측정한 고유 진동수는 해석 결과와 잘 일치하였다.

표 14-1 유한 요소법에 의한 기존 펌프와 시제품의 고유 진동수 변화
(단위 : ㎐)

구 분

Mode 1 Mode 2 Mode 3 Mode 4 Mode 5

기존 펌프

8.75
(8.75)
10.9
(9.75)
21.8
(32.9)
22.1
(39.6)
53.9
(41.6)

시작품

13.91
(13.25)
14.02
(14.25)
24.87
(32)
25.16
(37)
47.08
(45)

**( )는 측정치임

 

특히 1, 2차 고유 진동수가 기존의 전동기대에 비해 4.5 ㎐이상 증가하여 2배의 회전 주파수로부터 41%이상 멀어져 공진 특성이 사라진 것을 알 수 있었으며, 전동기대의 형상 및 두께 변화에 의한 강성 변경이 기대 이상의 효과가 있음을 알 수 있었다. 해석 실험한 결과를 바탕으로 설계 제작한 시제품을 현장에 설치후 운전중에 진동을 측정한 결과 표 14-2와 같이 222 ㎛(임시 지지봉이 설치 상태에서 측정한 값)에서 21 ㎛로 줄어졌으나 최대 진동치(600 ㎛)와 비교해 보면 1/30로 감소되었다.

표 14-2 구조변경 전, 후 펌프의 운전시 진동 비교
(단위 : ㎛, p-p)

위 치

전동기 상부

전동기 플랜지

전동기대 하부

비 고

측정 방향

토 출

토출직각

토 출

토출직각

토 출

토출직각

기존 펌프 222 71 190 24 7 4 1994.10

시 작 품

21 8.6 19 10 4 3 1995. 6

 

1.4 結論 (Conclusions)

평택화력 1, 2호기 해수 순환수 펌프 과도 진동 문제를 해결하기 위하여 기존펌프 구조물에 대한 고유 진동수를 측정한 결과와 ANSYS 코드를 이용한 해석 결과를 비교 검토하였으며 진동 저감 목적으로 펌프 지지 구조물 및 토출 곡관부의 진동 특성에 영향을 주는 여러 가지 설계변수(원통직경 및 두께, 리브 두께 및 개수, 플랜지 두께)를 정량적으로 규명하여 시제품으로 제작, 현장에 적용함으로써 평택화력의 장기 현안 문제점을 해결하였으며 과감한 투자를 하여 기존의 나머지 펌프도 확대 적용하였다.

 

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