5. 원심 압축기 로터 공진

Detection and Correction of a Serious Rotor Resonance on a Centrifugal Compressor

 

5.1 背景 (Background)

본 과제의 목적은 전기적인 문제점이 있는가를 확인하기 위하여 원심 공기 압축기에 대한 실시간 진동분석을 하는데 있었다. 이 1호기 압축기는 1035마력, 3580 rpm의 2극 전동기로 구동되며, 전동기 베어링에서 1×RPM 진폭이 1.2 mils이었는데 정지시 진동이 급격히 떨어진다.

1호기 압축기의 진동 이력은 오랫동안 증가하여 왔다. 따라서 전동기를 분해 청소하였으나 고온으로 전동기가 트립되어 전동기 베어링을 교체하였다. 이때 전동기 축과 커플링이 주저앉아 전동기가 Magnetic Center에 있지 못하게 되었고 진동 수준은 아직도 높았다(사전에 Soft Foot가 발생했다는 주의를 주어 그후 Shimming 하였으나 충분치 못했다. 또한 현장에서는 Soft Foot에 기인한 진동준위를 줄이기 위하여 계속 고정 볼트를 이완 시켰었다). 현장에서 전동기 발란싱을 시도하였으나 성공적이지 못했다. 로터는 Trial Balance Weight의 크기나 위치를 변화시켜도 응답을 하지 않았다. 또한 위상 역시 불안정하였다.

기술지원팀이 1월 27일 이 기계에 대한 실시간 진동분석을 실시하였다. 진단후 전동기 베어링은 교체되었고 진동 크기는 허용치 이내로 유지되었음을 보고했다. 그러나 이 보고서는 진단방법 접근론에 대한 서류로 제출되었다.

다음 내용은 보고서 내용을 요약한 것이다.

 

5.2 結論 (Conclusions)

 

5.2.1 電動機의 電氣的 問題 (Motor Electrical Problems)

우선 부록에 있는 도해 진동 진단표중 “전기적 문제” 항목을 참조할 것.

① 전동기의 전기적 상태는 양호하였다. Rotor Bar 통과 주파수와 운전속도에서 Slip 주파수 측대파가 존재하는데 이는 전기적 문제점이 진전되고 있음을 의미하며, 로터와 고정자 간의 가변공극 변화에 의한 것으로 보인다. 그러나 많은 전기적인 진동은 기계적인 문제로 유도 되어왔다. 즉 전동기 베어링의 가변 간극과 후에 언급할 공진 운전은 고정자 내에서 로터 Orbit에 아주 나쁘게 영향을 미칠 수 있다.

② 전동기의 전력공급 중단시 운전속도에서 진동의 급속한 감소는 전기적인 문제로 인한 것이 아니었다.

 

5.2.2 전동기 Alignment

① 압축기와 연결되는 커플링에서 약간의 Misalignment가 감지되었다. 그러나 다른 것에 비하여 이 문제점은 작은 것이었다.

② 전동기 베어링과 하우징 내에서도 Misalignment가 감지되었다.

③ 전동기 하우징의 비틀림을 일으키는 Soft Foot가 존재한다. 이로 인해 베어링 얼라인먼트와 전동기의 전기적 진동에 영향을 미친다.

 

5.2.3 共振 (Resonance)

분명히 1호기 전동기에서의 주요 문제점은 전동기 로터와 베어링 지지 시스템 자체의 수평방향 고유 진동수와 운전속도의 공진으로 판명되었다. 고유진동수 시험 결과는 다음과 같다.

① 시스템의 고유 진동수는 1×, 2× 및 3× 전동기 rpm 및 그 근방에 존재했다.

② 2×와 3×RPM 응답은 수평방향으로 기초를 보강하기 위하여 받침을 용접하므로써 감소되었다.

③ 수평 방향의 1×RPM 전동기 공진은 추가 Bracing을 하여도 영향을 받지 않았다. 이것은 수평방향 공진이 전동기 설치대나 기초에 반대되는 것으로서 축과 베어링 및 하우징의 간섭을 통한 조합된 시스템 전체의 응답임을 의미한다. 로터의 고유 진동수가 운전속도 아주 가까이에 있는 것은 흔한 일이 아니기 때문에 이상의 사실은 놀라운 일이었다. 로터 고유진동수가 운전속도와 거의 공진 상태에 있다면 동일한 전동기가 10년 이상이나 성공적으로 운전하여 왔다는 사실을 알고 대단히 당혹스러웠다. 그러나 시험을 완료한후, 고진동은 전동기 베어링 교체후 아주 최근에 시작되었다는 사실을 알았다. 로터 공진 그 자체가 포함되었다는 사실이 너무나 명백하게 나타났으므로 베어링 지지 강성의 변화를 가져온 베어링 교체와 관련 있는 문제가 틀림없이 있었을 것으로 결론 지었다. 이로 인해 고유 진동수가 직접 변화한 것이다.

 

5.3 勸告事項 (Recommendations)

① 베어링 간극, 재질선정, 원래 Alignment로부터 설계 변경 내용 및 전동기 하우징의 고정상태 등을 점검 할 것.

② 전동기 베어링을 교체하고 베어링과 저널간의 접촉상태가 좋도록 Scraping할 것(최소 80%~90% 접촉). 간극을 주의를 기우려 측정하고 제원에 맞는가 확인할 것.

 

5.4 措置 結果 (Results of Corrective Action)

이상의 권고사항을 수행한후, 문제점들이 전동기의 내측 베어링간극(동일 베어링에서 한쪽 끝은 0.004 “다른 쪽은 0.009”)에 있었음을 확인했다. 이런 사실이 전동기 베어링 지지강성 및 로터 고유진동수에 영향을 미친 이유를 설명했다. 조치후 진동측정결과 전동기 운전속도에서 이전에는 0.315 in/sec 이상이었던 것이 0.045 in/sec로 86%이상 크게 감소하여 베어링과 고유진동수 문제가 성공적으로 해결되었다.

그림 6-27 원심 공기 압축기에 가속도계 설치 위치

표 6-2 베어링 교체후 전동기 진동 (in/sec peak)

위치 3600 cpm 7200 cpm OVERALL
7-27-89 7-27-90 8-2-90 7-27-89 7-27-90 8-2-90 7-27-89 7-27-90 8-2-90
1A
1H
1V
.047
.114
.060
.017
.286
.063
.006
.062
.006
.025
.052
.055
.059
.028
.020
.018
.054
.026
.059
.133
.087
.065
.289
.074
.033
.074
.038
2A
2H
2V
.023
.258
.078
.033
.337
.105
.011
.046
.011
.041
.053
.033
.033
.067
.091
.019
.082
.016
.060
.280
.096
.103
.347
.163
.038
.089
.035

 

* 7-27-89 : 전동기 연결상태에서의 측정

7-27-90 : 전동기 단독 운전상태에서의 측정

8-2-90 : 베어링 교체후 전동기 단독운전 상태에서의 측정

표 6-3 위상 대 진동

위치 위상각(도) 위상차(도) 진동
1A
2A
3A
119
162
- 71

43
127
.071
.097
.046
1H
2H
3H
- 143
- 1
- 165

142
164
.150
.492
.021
1V
2V
3V
- 82
- 41
85

41
126
.009
.099
.084



그림 6-28 위치 2H에서 진동 스펙트럼 (전동기 운전속도 주변에
2배의 Slip 주파수에 해당하는 측대파가 있다).

그림 6-29 위치 1H에서 진동 스펙트럼

그림 6-30 위치 2H에서 진동 스펙트럼

그림 6-31 위치 2H에서 전동기 커플링 연결하고 무부하 상태에서 진동 스펙트럼

그림 6-32 위치 2V 및 2H에서 교정후 진동 스펙트럼

 

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