3. Fan 결함 검출과 교정

Detection and Correction of Faults on Fan

 

3.1 背景 (Background)

그림 2-18과 같은 200마력 전동기로 구동되는 벨트구동 Fan의 연속되는 문제를 해결해 달라는 요청을 기술지원부서가 받았다. Fan은 약 472 rpm, 전동기는 1185 rpm으로 운전되고 있었다. 수년동안 이 Fan은 여러 번의 손상을 경험한바 있었는데 그중 가장 극적인 예가 3번 있었는데 한번은 Fan 축이 실제로 반으로 절단되었다. 또한 전동기와 Fan 모두 연속적인 베어링과 벨트의 손상을 경험하였다.

그림 2-18 Fan의 배열도와 위상분석 결과

기술지원팀은 현장에 도착하자 곧 2개의 절단된 축을 포함하여 기계의 손상 부품들을 검사하였다. 손상된 축의 정밀 점검결과 굽힘이나 전단에 의한 분명한 피로 손상 형태를 찾아내지 못했다. 그러나 Fan 베어링의 내외륜들이 한쪽으로만 부하가 집중 되는 등 Misalignment 상태를 나타내었다. 다음 내용은 분석 결과의 요약, 권고사항 및 교정조치 전후의 진동 스펙트럼에 관한 것이다.

 

3.2 結果와 結論 (Results and Conclusions)

진동 측정은 그림 2-18에서와 같이 전동기와 Fan 베어링 하우징 각각에서 행해졌다. 그림 2-19에서 전동기의 외측 베어링에서 축방향으로 (위치: 1A) 측정한 전체 진동이 0.632 in/sec로 크게 나타났다. 놀랍게도 전동기의 운전속도 진동은 약 1192 cpm에서 단지 0.090 in/sec이었으나 탁월 진동은 427 cpm에서 0.585 in/sec로 높았다. 물론 427 cpm 진동의 근원은 Fan의 운전속도 이었다. 따라서 이것은 활차(Sheave)의 Misalignment를 나타내는 전형적인 사례인데, 이러한 Misalignment는 전동기에서 진동을 측정할 때 Fan 운전속도에서 축방향으로 과도한 진동을 일으키곤 한다.

또 다른 놀라운 스펙트럼은 그림 2-20에서 활차측 Fan 베어링(위치 3A)에서의 축방향 진동이다. 여기서 427 rpm Fan 속도에서 진동은 낮았지만 진동이 크게 나타나는 대단히 뚜렷한 300 cpm의 주파수가 있었다. 이것은 벨트 속도(또는 이의 배수)에 의해 발생된 주파수일 것으로 예상되었기 때문에 현장 사람들로 하여금 전동기와 Fan의 활차에 대한 Pitch 직경 뿐만 아니라 벨트의 길이를 확인하도록 구매 의뢰서를 검토하도록 하였다. 이에 대한 정보를 갖고 벨트 속도를 계산한 결과 약 149.5 rpm 이었다. 따라서 이것은 2× 벨트 손상주파수인 300 cpm의 진동원으로 나타났다. 벨트 결함시 2× 벨트속도 주파수(벨트는 1회전마다 2개의 활차와 접촉하기 때문임)가 우선 발생한다는 것은 통상적인 일이 아니다. 그러나 통상적이지 않은 것이 그림 2-20의 위치 3A에서 결과적으로 나타난 심각한 진동진폭 이었다. 따라서 Fan의 고유 진동수 시험을 하도록 Fan을 정지할 것을 의뢰했다. 전동기와 Fan 베어링 하우징에 대한 수평, 수직 및 축 방향으로 고유 진동수 시험을 행하였다.

그림 2-19 전동기 외측 베어링 (위치: 1A)의 축방향 진동

그림 2-20 Fan 내측베어링 (위치 : 3A)의 축방향 진동

놀라울 만한 일은 아니지만 활차측 베어링에서 축방향으로 시험을 했을 때 그림 2-21에서와 같이 뚜렷한 축 방향의 고유 주파수는 315 cpm이었다(2× 벨트 손상 주파수인 300 cpm으로부터 불과 5% 떨어져 있다).

즉 벨트에 조그만 결함이 있어도 공진에 의해 진동은 10~30배나 증폭된다. 또한 벨트 마멸이 심하면 이로 인해 축방향 진폭은 허용치 이상으로 크게 증가한다.

그림 2-21 Fan 내측 베어링에서 축방향 (위치: 3A)으로 시행한 Impulse Test

그림 2-22의 스펙트럼을 보면 같은 활차측 베어링(위치 3H)에서 수평방향으로 취한 425 rpm Fan 속도에서 진동이 0.427 in/sec로 높은 것으로 보아 Fan Wheel이 불평형 상태임을 나타내고 있었다. 흥미롭게도 이 방향에서 취한 스펙트럼에는 2× 벨트 손상 주파수의 진동이 전혀 나타나지 않았지만 Fan의 축방향으로는 상당한 공진문제점이 나타났다. 높은 1×RPM의 Fan 진동의 원인을 확인하기 위하여 위상분석 자료를 수집하였다 (그림 2-18 참조). 위치 3과 4에서 취한 위상자료를 보면 외측 및 내측 베어링(위치3과 4)간의 수평방향의 위상차이는 약 110˚이었고 한편 수직 방향의 위상차이는 약 130˚이었다. 수평 및 수직 방향에서의 위상차이가 거의 같고 1×RPM에서 높은 진동을 가지므로 Fan Wheel의 불평형이 예상되었다.

[참고]

 

그림 2-22 Fan 내측 베어링에서 수평방향 (위치: 3H)으로 시행한 Impulse Test

 

3.3 勸告事項 (Recommendations)

① 벨트를 교체하고, 전동기와 Fan 풀리 상태를 정밀 점검할 것.

벨트 교체후(필요시 풀리도 교체), 전동기와 Fan 풀리 간의 정확한 축정렬을 시행할 것

② 벨트 손상시 2× 벨트속도와 아주 가까운 315 cpm 이상으로 고유 진동수를 올리도록 축방향으로 Fan Frame의 강성을 높일 것, 그러나 고유 진동수를 올릴 때 3×나 4× 벨트 속도와 일치하지 않도록 주의 할 것. 즉 강성 보강시 Frame 고유 진동수가 어떻게 변화하는지 확인하기 위하여 FFT 분석기를 이용할 것.

③ 앞의 ①, ② 내용을 완료한 후 5월 18일에 측정한 0.427 in/sec의 1× Fan 속도에서 진동을 상당히 낮추도록 Fan Wheel을 발란싱 할 것.

 

3.4 矯正作業의 結果 (Results of Corrective Actions)

기술 지원팀은 시험 당일은 물론 시험 이후에도 교정 작업을 시도했다. 우선 축 방향의 고유 진동수를 2× 벨트속도( 및 3× 벨트 속도이하)로부터 임시로 떨어트리기 위하여 Hydraulic Jack을 축방향으로 설치하였다. 그러나 Frame 그 자체는 고유 진동수를 상당히 변화 시킬 만큼 충분한 구속력을 주기에는 단면이 불충분하였다. 따라서 5월 18일에 전동기와 Fan의 활차간의 거리를 변화시킬 것을 권하였는데 이것은 Frame의 강성이나 고유 진동수를 변화시킬 수는 없지만 벨트 속도를 축방향 고유 진동수와 일치하지 않도록은 할 수 있다.

벨트를 교체하고, 전동기를 Fan으로부터 더욱 이동시켜 중심간의 거리를 크게 한후 6월 22일 다음 시험을 행하였다. 중심 거리의 증가로 인해 벨트속도가 약 150 rpm에서 약 125 rpm으로 낮아졌다. 따라서 2× 벨트속도(250 cpm)나 3× 벨트속도(375 cpm) 어느 것도 Fan Frame의 축방향 공진 주파수인 약 315 cpm과는 근접하지 않았다. 다음으로 6월 22일 기술지원팀은 Fan Wheel 발란싱을 시행하였다.

그림 2-23 및 2-24는 내측(위치: 3H) 및 외측(위치: 4H) Fan 베어링에서의 발란싱한 결과이다. Fan Wheel은 Slow Roll 상태에서는 상당히 불안정하였지만 위치 3H에서 취한 그림 2-23을 보면 현장 발란싱으로 Fan 속도에서 진동이 0.444 in/sec에서 0.052 in/sec로 낮아졌으며 또한 위치 4H에서 취한 그림 2-24를 보면 0.365 in/sec에서 0.052 in/sec로 낮아졌다.

그러나 그림 2-24에서 외측 Fan 베어링 (위치:4H)의 2× Fan 속도에서의 진동 Peak값은 발란싱 이후에도 감소되지 않았음에 주의하라(실제는 0.241 in/sec로 약간증가). 외측 Fan 베어링을 지지하는 Frame을 검사한 결과 Frame 자체가 균열 된 것이 발견되었다. 이러한 사실을 지적하였고 이 Frame을 교체하거나 용접할 것을 권고하였다.

그림 2-23 Fan 발란싱 전후 Fan Pulley 측 베어링에서의 스펙트럼 비교(위치: 3H)

 

그림 2-24 Fan 발란싱 전후 Fan 외측 베어링에서의 스펙트럼 비교(위치: 4H)

 

3.5 鎔接後 結果 (Later Followup After Welding of Frame)

그림 2-25는 외측 Fan 베어링을 지지하는 Frame을 용접한 후의 스펙트럼이다. 용접후 2×RPM 진동이 0.241 in/sec에서 0.078 in/sec로 낮아졌다. 이 스펙트럼은 원래의 교정작업후에 취한 것이며, 1× Fan 속도에서의 진동은 0.193 in/sec까지 증가하였음에 주의할 것임. 점검결과 이것은 Fan Wheel에서 생긴 것으로 보였다. Fan Wheel에서 1×RPM 진동이 0.20 in/sec 이하인 것은 허용할 만한 값이었고, 2×RPM에서 진동이 상당히 감소된 것은 유익한 것이었다.

그림 2-25 Fan 외측 베어링을 지지하는 Frame 용접후 스펙트럼

 

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