10. 수직 슬러리 펌프에서 유체에 의한 진동

Fluid Induced Vibration on a Vertical Slurry Pump

 

10.1 運轉狀況 (Operating Status)

원자력 폐수설비의 하나인 수직 슬러리 펌프는 그림 15-63과 같이 배열되어 있다. 이 펌프는 감속 기어박스를 통하여 300 HP 전동기에 의해 구동되고 방사능이 있는 슬러리의 고형물이 침전되는 것을 막기 위해 사용된다. 이 펌프는 제작사의 설비에서 시험을 위해 새로이 제작된 펌프이다. 유사 펌프가 얼마 운전하지 못하고 현장에서 고장난바 있다. 이 시험펌프는 상하 카본 베어링 가까이에서 축을 감시는 XY 변위 검출기가 설비되어 있다. XY 속도 변환기가 기어박스 및 임펠러 바로 위의 하우징에 설치되어 있다. 하부베어링에 있는 변환기 및 케이블은 수중 환경에서 운전 가능하도록 방수 및 밀봉 처리되어 설치되었다. 진동 진단 전문가로서 고장원인을 규명하기 위해 시험펌프의 진동특성을 기록․관찰하도록 요청 받았다. 분석을 수행하기 전에 먼저 다음의 운전 및 정비에 관한 정보를 고려해야 한다.

현장에서 고장난 펌프에서 임펠러 베인 Tip의 마멸과 임펠러 위에 있는 Throttle Bushing의 과도한 마멸 및 고장이 발생했음이 보고되었다

그림 15-63 수직 슬러리 펌프의 구조와 진동 변환기 설치 위치

 

10.2 電動機 諸元 (Motor Specifications)

전 동 기

펌 프

정격 용량 : 300 HP

형식 : 2극 유도전동기

운전 속도 : 3585 rpm



운전 속도 : 2,212 rpm

단수 : 1

상부 카본 베어링 간극 : 0.005″

하부 카본 베어링 간극 : 0.005″

Throttle Bushing : 0.030″

 

10.3 振動 分析者의 診斷結果 (The Results Diagnosed by Analyst)

이 사례용 자료로써 3개의 진동 데이터 베이스가 있다. 처음 2개의 데이터 베이스는 펌프가 정상운전 조건하에서 운전되는 동안 첫 번째 기동 정지시의 운전 자료이다. 세 번째의 데이터 베어스는 Dry Impeller 상태로 두 번째 운전중에 샘플링한 것이다. 펌프가 잠기는 Test Pit는 두 번째 운전을 위해 배수되었으나 윤활을 위해 카본 베어링과 축 칼럼에는 물이 공급된다. 진동 전문 기술자는 첫 번째 운전동안 하부 베어링에서 1× 진동이 높은 원인은 임펠러의 기하학적 형상 잘못으로 인한 수력학적인 불평형으로 진단했다. 이것은 첫 번째 기동시와 두 번째 기동시를 비교하므로 규명되었다. 최소 1× 진동이 두 번째 운전시 나타났는데 이는 불평형의 원인이 Pit를 배수하므로써 제거되었다는 것을 나타낸다. 또한 유체에 의한 불안정은 두 번째 운전시 나타났다. 칼럼과 베어링은 물로 윤활되고 있고 펌프는 최소의 정적 및 동적인 부하를 받고 있어 낮은 축속도에서 불안정이 시작된다. 첫 번째 운전시에 기어박스 및 하부 하우징에서 높은 진동을 나타내는 것은 수중 와류에 의해 지하에 매달린 펌프 축 칼럼과 하우징의 고유진동수를 가진함에 기인한 것으로 드러났다.

 

10.4 診斷 結果의 細部內容 (Details of Diagnostic Results)

(1) 제공된 사례의 개요를 읽은 후 조사목적을 정의하고 나열한다.

∙ 기계 Train의 총체적인 기계상태를 측정하고 기록한다.

∙ 정상운전 조건하에서 비정상 진동 특성 및 고진동을 규명하기 위해 첫 번째 기동시의 데이터 베이스로부터 기동, 정상 상태 및 정지시의 자료를 분석한다.

∙ 첫 번째 기동 자료로 관찰한 증상의 근원을 평가한다.

∙ Dry Impeller 상태에서 기계 거동을 규명하기 위해 두 번째 기동시의 데이터 베이스로부터 기동시, 정상상태 및 정지시의 자료를 분석한다.

∙ 첫 번째 및 두 번째 운전 자료 정보를 이용하여 현장에서 발생한 펌프 고장 원인을 평가한다.

(2) 이 사례에서 나타난 기계와 상황에 대해 알고 있는 바를 열거한다.

∙ 이 기계는 감속 기어 박스를 통해 유도 전동기에 의해 구동되는 수직 단단 펌프이다.

∙ 펌프축은 상하 카본 베어링 가까이에 XY 변위 검출기가 설비되어 있다.

∙ XY 속도 변환기는 기어박스 및 펌프 바로 위의 하우징에 설치되어 있다.

∙ 이 펌프는 제작사의 설비에서 시험을 위해 새로이 조립된 펌프이다. 유사 설비가 현장에서 얼마 운전하지 못하고 고장이 발생한바 있다.

∙ 임펠러 베인 Tip의 마멸과 임펠러 위에 있는 Throttle Bushing의 과도한 마멸 및 고장이 있음이 보고되었다.

∙ 3개의 데이터베이스는 2회의 기동중에 수집되었다. 첫 번째 기동은 정상운전 상태에서, 두 번째 기동은 Dry Impeller 상태에서 기동시 취해졌다.

∙ 기계 Train 및 변환기 구성은 그림 15-63과 같다.

(3) 데이터 베이스를 조사하는 동안 관심 항목이나 문제들을 요약한다.

∙ 첫 번째 기동 직후 하부 베어링에서 축 상대진동이 높다고 보고되었다.

∙ 첫 번째 기동시 하부 베어링의 우월한 진동주파수는 1× 이었다.

∙ 첫 번째 기동시 하부 베어링에서의 1× 진폭은 기동시 11mil에서 기동 23분후 정지시에는 약 15mil까지 점진적으로 상승하였다.

∙ 양 베어링에서의 축 Orbit는 측면 하중이 아주 작아 원형으로 나타났다.

∙ 상대축진동의 위상분석을 통하여 상하 베어링 위상차가 180˚인 것으로 나타났는데 이는 양 베어링 사이에 절점이 있는 것을 의미한다.

∙ 기동 정지 자료 모두는 하부베어링에서 속도증가와 더불어 위상각 이동이 앞서는 것을 나타낸다.

∙ 두 번째 운전시 하부베어링은 상대축진동이 높은 것으로 보고되었다.

∙ 두 번째 운전시 하부 베어링의 진동 주파수 성분은 원형의 정방향 세차 운동을 하는 0.49× 이다.

∙ 두 번째 운전시 하부 베어링의 1× 진동은 아주 작다.

∙ 첫 번째 운전시 하부 베어링의 진동 주파수 성분은 원형의 정방향 세차 운동을 하는 0.49×이다.

∙ 첫 번째 운전시 기어박스와 하부 펌프 하우징의 진동은 0.4~0.5 in/s로 높다.

∙ 첫 번째 운전시 하우징 진동 주파수 성분은 750 cpm으로 0.34×이다.

∙ 속도 변환기로부터의 기동 Polar Plot는 800 cpm과 1900 cpm 가까이에 공진이 있는 것을 보여준다.

(4) 관찰한 기계거동의 근본원인과 이러한 관찰을 확인하는 Plot Format들을 열거한다.

∙ 첫 번째 운전시 자료(Orbit 참조)에 의하면 하부 베어링에 나타난 높은 1× 진동은 기계적인 불평형이나 수력학적인 불평형에 의한 것으로 보인다.

∙ 첫 번째 운전시 1× 진동이 시간의 경과와 더불어 점진적으로 상승한 것으로 보아(1× Filtered Orbit, 1× Trend 참조) 하부 베어링, 부싱 및 임펠러 베인 Tip의 마멸은 점진적으로 일어난 것으로 판단된다.

∙ 펌프 로터는 1차 공진속도보다 낮은 속도에서 잘 운전되어 왔다 (Polar, Bode 참조).

∙ 첫 번째 기동시 하부베어링에 나타난 속도 상승에 따른 선행 위상각은 Rubbing에 기인한 시스템 강성의 급격한 증가를 나타낸다(Polar, Bode 참조).

∙ 펌프축은 외팔보 형태의 질량을 가지는 회전체에 대한 고전적인 1차 공진형태로 임펠러에서의 가장 큰 처짐과 베어링사이에 절점이 있는 것으로 가정해왔다. 나아가서 이것은 하부베어링, Throttle Bushing 및 임펠러 베인 Tip에서의 Rubbing 가능성을 뒷받침해준다.

∙ 두 번째 운전시 물로 윤활되는데도 0.49× 회전속도에서 하부베어링 및 펌프 축 칼럼에서 유체불안정 진동이 일어났다( Cascade 참조).

∙ 두 번째 운전시의 유체 불안정 진동은 정방향 원형 세차운동을 Orbit 모양을 보고 확인할 수 있다.

∙ 두 번째 운전시 기계적 불평형의 영향은 낮은 1× 진폭으로 나타난 바와 같이 아주 낮다 (Filtered 1× Orbit 참조).

∙ 두 번째 운전시 기계적 불평형의 영향이 아주 작기 때문에 두 번째 운전시 불평형의 원인은 임펠러 날개의 기하학적인 잘못에 의한 수력학적인 불평형이다.

∙ 유체불안정은 첫 번째 운전시에는 일어나지 않고 두 번째 운전시 일어났는데, 이는 Pit를 배수하므로써 수력학적인 불평형이 제거되었기 때문이다. 이 배수 작업으로 임펠러에서 큰 동적인 편심을 발생시키기 때문에 이 배수작업이 곧 안정화하는 힘이다.

∙ 750 cpm에서 높은 하우징 진동은 지하에 매달린 펌프 하우징의 고유주파수에 기인하는 것으로 판단된다 (Polar, 스펙트럼 참조). 이 구조 공진은 난류에 의해 가진되는 것 같다.

(5) 지금은 이용할 수 없지만 당신의 가설을 확인 또는 부정하는 다른 정보들도 열거한다.

∙ Rubbing과 마멸이 일어났는지를 확인하기 위한 시험운전후 하부 베어링, 교축 Bushing 및 임펠러를 점검한다.

∙ 개선된 임펠러로 정상운전시의 시험자료가 필요하다.

∙ 배수 Pit 상태에서의 펌프 칼럼과 하우징의 고유진동수를 확인하기 위한 펌프시험을 수행한다.

(6) 문제를 교정하기 위한 권고사항

∙ 임펠러를 개조한다. 임펠러 베인을 기하학적으로 개선하여 수력학적 불평형 힘을 감소시킨다.

∙ 축을 개조한다. 가능한한 임펠러 가까이에 직경이 큰 축을 유지시켜 외팔보형 축부분의 처짐을 감소시킨다.

∙ 외팔축 길이를 개조한다. 하부 베어링을 임펠러에 더 가까이 놓아 임펠러에서 축처짐을 감소시킨다.

 

10.5 調査에 使用된 Plot (Plots Used during the Investigation)

(1) Orbit

그림 15-64 첫번째 운전중 하부베어링의 1× 진동이 시간의 경과와 더불어
증가하는 것을 보여준다 

(2) 1× Trend Plot

그림 15-65 하부베어링에서 1× 진동진폭이 증가하는 것을 보여주는 1× 진동 Trend

3) Polar Plot

그림 15-66 첫번째 운전중 속도 증가와 더불어 선행하는 위상각을 보여주는
기동시 하부베어링의 Polar Plot

그림 15-67 820 cpm과 1860 cpm에서 공진의 가능성을 보여주는
첫 번째 운전중 하부하우징의 Polar Plot

4) Cascade Plot

그림 15-68 윤활 부싱과 칼럼에서 유체 불안정 상태를 나타내는 배수 상태
두 번째 정지중 하부베어링의 Cascade Plot

5) Spectrum Plot

그림 15-69 공진가진에 기인하여 750 cpm에서 진동을 나타내는
첫번째 운전중 하부 하우징의 속도 Spectrum Plot

 

10.6 診斷 專門家의 結論 要約 (Summary of Diagnostic Expert Engineer's Conclusions)

∙ 이 시험자료의 분석에 기초하면 현장에서의 고장원인은 임펠러에서의 수력학적인 불평형이다.

∙ 시험 펌프에서의 수력학적 불평형 상태는 정상운전 상태하에서 첫번재 운전시와 배수후의 두 번째 운전시의 기동 자료를 비교하여 규명되었다. 기계적인지 수력학적인지는 알 수 없지만 첫 번째 운전시 큰 불평형이 인지되었다. 임펠러에서 수력학적 불평형의 근원을 제거한 상태인 두 번째 운전중에는 1× 진폭은 아주 작았는데, 이는 기계적인 불평형은 문제의 원인이 아니라는 것이 드러났다.

∙ 유체불안정 진동은 수력학적인 불평형이 없는 두 번째 운전시 발생되었는데, 수력학적 불평형이 없는 상태는 동적인 큰 편심을 유발하여 안정화하는 힘으로 작용해왔다. 유체불안정 진동은 배수 상태이었지만 두 번째 운전중 물로 윤활되는 베어링과 축 칼럼에서 일어났다.

∙ 시험 펌프에서 수력학적 불평형은 부싱의 급격한 마멸과 임펠러 베인 Tip의 Rubbing을 발생시켰다.

∙ 지하에 매달린 펌프 하우징의 구조물 고유진동수는 750~800 cpm 가까이에서 일어나는 것으로 나타났다. 이 공진의 가진은 첫 번째 운전중 750 cpm에서 인지된 큰 하우징 진동이 원인인 것으로 판단된다.

∙ 진동전문 엔지니어의 추천사항은 다음과 같았다.

① 선진화된 가공 기술을 이용하여 임펠러 깃의 기하학적 정밀도가 개선되었다.

② 직경이 큰 축을 가능한 임펠러 가까이 유지하므로 축강성을 증가시켰다. 이로 인해 외팔보 형태의 축과 임펠러의 처짐을 감소시켰다.

③ 또한 하부 베어링을 임펠러 가까이 위치시키므로 외팔보 형태의 축 강성을 증가시켜 운전한 결과는 성공적이었다.

 

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