1. Blade 공진에 의한 Fan손상

Fan Failures Traced to Blade Resonance Excitation

 

한 발전소의 몇몇 냉각탑 Fan Blade가 손상되어, 진동 진폭 및 주파수 성분을 측정하기 위한 조사를 하게 되었다. 조사가 진행되면서 Blade 손상 원인을 정확히 이해하고 진단하기 위해서는 혁신적인 장비를 사용하는 것이 필수적이라는 것이 명백해졌다.

냉각 Fan은 7개의 Blade가 있고, 직경은 11 Meter 이다. 200마력(150 ㎾), 1785 rpm의 전동기의 수평구동축이 직각 방향의 기어 박스에 연결되어 있으며, 출력 축 속도는 103 rpm이다 (그림 6-1).

그림 6-1 냉각탑 평면도

초기 데이터는 일반적인 방법으로 수집하였는데, 기어 박스에 입․출력축과 수직방향으로 속도 Pickup을 부착하여 측정하였다.

이로부터 얻어진 진동 스펙트럼은 그림 6-2에서와 같이 가장 큰 진동원으로 721 cpm의 주파수를 나타내었다. Fan 회전속도가 103 rpm이고 Blade가 7개이므로 이 721 cpm은 회전속도에 7을 곱한 Blade Passing Frequency로 생각된다. 이 주파수와 진폭은 어떤 한 개의 Blade가 아닌 전체 Blade에 의해 생긴다는 점에 주목하여야 한다. 이 정보로부터 무엇인가가 Blade를 가진 시킨다고 단정하게 되었다.

그림 6-2 높은 Blade Passing Frequency가 나타난 Blade 7개가 있는 Fan의 진동 스펙트럼

각각의 Blade 진동이 정상인지를 알아보기 위하여, 몇몇 냉각탑 Fan Blade의 고유 주파수 즉 공진 시험을 실시했다. Blade를 가진시켜 생기는 고유진동수 및 진폭을 측정하기 위하여 두 가지 형태의 변환기를 사용하였다. 저주파수용 속도 Pickup을 Blade의 중간 부위에 부착하였고, 가속도 Pickup을 Blade 끝에 부착하였다. 이 두 개의 Pickup은 Fan을 통과하는 공기의 흐름과 일치하는 수직 방향으로 부착하였다.

초기 데이터는 Fan이 정적 상태에 있을 때 수집되었다. 각각의 Blade를 약 2 inch 정도 변형될 때까지 잡아당겼다가 놓는 방식으로 가진 시켰다. 속도 및 가속도 Pickup에서 취해진 데이터는 거의 비슷하였으며, 정확성을 위해 여러 번 시행하였다. Bently Nevada 108 Data Acquisition 장비(DAIU)는 10초 간격으로 Sample하도록 프로그램 되었다. 가속도 신호는 전기적으로 적분하여 속도값으로 환산하였으며, 108 DAIU내에서 10 : 1의 비율로 감소시켰으며, 데이터는 ADRE 3를 이용하여 컴퓨터로 전달되도록 했다. 그림 6-3은 ADRE 3에서 9개의 Sample을 평균해서 만들어진 것이다. 평균치를 사용하면 계측기로 입력될 수도 있는 기계적, 전기적인 오신호의 영향을 줄일 수 있다. 그림에서 나타난 바와 같이 탁월 주파수는 412~420 cpm대에 있다. 이것이 Fan에 장착된 Blade의 고유 진동주파수이다. 처음에는 이 주파수 성분이 그다지 중요하게 여겨지지 않았지만, 그러나 이번 경우에는 발전소가 이제까지 경험한 Fan Blade 고장과 직접적인 관련이 있다.

그림 6-3 Blade의 고유공진주파수를 나타내는 진동 스펙트럼

Fan 운전중에 Blade의 진동 형태를 관찰하기 위하여, 가속도 Pickup이 부착된 Blade Tip에서 Fan Hub의 중심까지 선을 연결하였고, Fan Hub에 Battery로 작동되는 Tape Recorder를 부착하였다. Tape Recorder, Signal Conditioners, Battery Pack은 Nema 4X라는 보호 케이스에 설치되었다. Hub의 중앙에 이 장치를 설치하므로써 원심력을 최소화시켰다.

기어 박스 출력축에 Keyphasor Probe를 설치하였으며, 이것은 Fan의 한바퀴당 한번의 기준신호를 제공하였다. Recorded Tape의 데이터를 전송하고 처리하는데 ADRE 3 시스템을 사용하였다.

그림 6-4에서 보여주는 21개의 운전중 데이터는 10초 간격으로 수집된 것이다. Keyphasor 신호가 가속도 신호와 동시에 기록되었기 때문에, 보통 ×라고 불리는 운전속도의 배수의 항으로 Plot을 나타내었다(즉, 1×, 2× 등․․․․). 08시 23분 29초에 수집된 데이터(그림 6-5)는 21개의 스펙트럼을 평균한 값이다. 이 Plot은 Fan Cell 설계와 관련이 있는 4× 성분이 높게 나타났다.

Fan Cell의 설계는 Blade가 일을 수행할 때 부하를 받게되는(Load up) 정상운전 Mode와 같게 한다. 이러한 Loading Up은 Cell을 통과하는 공기의 움직임에 의한 것이다. 부하를 받은 Blade의 상태는 Blade가 Cell 내에서 4개의 콘크리트 지지빔의 하나를 통과할 때를 제외하고는 일정하다. Blade가 빔의 한 곳에 위치할 땐 공기흐름이 순간적으로 차단된다. 이러한 흐름의 차단은 Blade에 순간적인 무부하 상태를 야기 시킨다. 이러한 부하의 상실은 Fan의 1회전당 각각의 Blade에서 4번씩 발생한다. 따라서 각각의 Blade는 Fan 회전속도(103 rpm)의 4배로 가진되므로 412 cpm의 4× 주파수를 발생한다.

그림 6-4 10초 간격으로 수집된 스펙트럼 Sample을 보여주는 Waterfall 그림.

그림 6-5 Fan Cell 설계문제 때문에 4× 주파수 성분이 높게 나타남.

설명한 바와 같이 Fan Cell은 Blade의 고유주파수를 가진 시키는 가진력을 제공하도록 설계되었다. 이것은 가진된 Blade가 높은 진폭으로 진동하는 것을 의미한다. 당연히 이러한 형태의 Blade 가진은 좋지 못하다. 부주의로 이렇게 설치되었다면 이러한 비표준 Blade는 특히 고장나기 쉽다. 확실한 해결책은 Blade의 공진주파수를 변경하는 것이다. 이것은 각 Blade에 Foam을 채우거나 섬유유리 형태로 Blade를 만듦으로써 변경할 수 있다. 이러한 해결책들은 고유주파수를 증가시킬 것이다. 이러한 조치는 제작 방법의 변경 등 광범위한 재작업이 요구되므로, 그 문제에 대한 조사가 더 이루어졌다.

가속도 Pickup의 시간기준 신호와 주파수 스펙트럼을 관찰하여 Fan Blade Hub가 역방향으로 움직이는 현상(Wobble)이 발견되었다. 그림 6-1에서와 같이 빔 위에 겹쳐진 한 개의 Blade가 무부하 상태가 된 후 다음 Blade가 무부하 상태가 될 때까지 0.02초가 소요되며, 앞서 무부하 상태였던 Blade로부터 약 103도 차이가 난다. 이러한 현상은 Fan 회전 방향과 반대로 움직이는 Hub로부터 측정되었다.

또한 그림 6-6에서와 같이 Timebase 신호상에서 네 번째 진동 사이클의 진폭이 가장 크게 나타나는 것이 주목되었다. 이것은 구동축 바로 밑의 콘크리트 지지대가 다른 3개 지지빔에 비해 두께가 두 배이기 때문인 것으로 밝혀졌다. 이러한 사실은 Fan 출구에서의 Velocity Profile에 설계상의 심각한 결함이 있음을 말해준다. Fan이 운전되면서 공기가 부상되고 동시에 Blade 앞쪽으로 공기를 밀어내게 된다. 이러한 공기 체적은 다른 3개의 빔을 지나칠 때보다도 더 높게 Blade를 밀어 올리는 원인이 된다. 이러한 현상은 설계자에게 커다란 놀라움을 안겨 줄 것이다.

그림 6-6 가속도계가 부착된 Blade의 Timebase 신호.
화살표는 Blade가 다른 것보다 더 두꺼운 지지빔을 지나갈 때이다.

현장에서 이 문제를 해결하기 위하여 10개의 Blade가 설치될 수 있도록 Hub Ring을 수정했다. 10개 Blade를 설치함으로써 두 개의 대칭 Blade가 동시에 무부하 상태로 된다는 것이다. 그림 6-7에서 볼 수 있는 것과 같이 10개의 Blade일 때 진동은 감소되었다.

현재 우리는 냉각탑 제작자에게 Fan 성능과 진동 문제를 고려하여 모든 Fan을 10개 Blade가 장착된 형태로 개선해 달라고 요청하고 있는 중이며, 반면에 Blade 제작자는 Blade 공진주파수를 변화시키려고 유리 섬유를 압축한 형태의 Blade를 시험하고 있다.

그림 6-7 10개의 Blade를 새로 설치한 후의 진동 스펙트럼

 

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