3. 설계 문제로 인한 Oil Whirl

Oil Whirl Caused by Design Problem

 

이 Turbo-expander는 44,000 rpm 근처의 회전속도로 운전되는 매우 작은 4.5 ㎏의 회전축을 가지고 있다. 회전축의 고속으로 인한 열의 제거를 위해 베어링을 통해 많은 윤활유 흐름이 필요로 하게 되었다. 3개의 나선형 홈이 베어링에서의 많은 윤활유 흐름을 용이하게 하기 위해 파여 있었다. 불행하게도, 이러한 베어링설계는 윤활유의 원주방향 흐름(소용돌이)을 유발하여, Oil Whirl에 의한 불안정성을 야기 시켰다.

이 새 기계를 기동하던중, 압축기와 터빈 사이의 축의 양끝에 설치한 Probe로부터 높은 진동이 관찰되었다. 컴퓨터를 이용한 해석결과 그림 7-9~7-11에 나타난 바와 같이 낮은 속도에서부터 정격속도까지 사이에서 가장 두드러진 주파수 성분은 축의 회전속도 주파수의 43%이었음이 나타났다.

Spectrum Cascade Plot(그림 7-11)은 기계가 높은 속도에 도달했을 때, Whirl 성분이 감소함에 따라, 잔류 불평형에 의해 야기된 1× 동기성분이 증가하여 탁월하게 되었다. 불평형에 의한 Oil Whirl의 억제는 특별한 것이 아니라는 사실이 논문에서 발표되었다.

이 Turbo-expander는 그림 7-12에 나타난 바와 같이 1차 공진(임계속도) 이하에서 운전되었다. 그러나, 약간의 위상변화는 시스템이 공진에 접근함에 따라 불평형을 증폭시킨 것을 나타낸 것이었다.

Oil Whirl의 진단은 회전체 역학을 연구하는 사람들의 관점에서 보면 간단한 것이었다. 그러나 기계 제작자에게 문제점을 납득시키기 위해 증빙서류가 필요하였다.

그림 7-9 1× 이하의 진동주파수를 나타내는 여러 개의 Keyphasor 표시를 보여주는 Timebase Plot.

그림 7-10 1/2× 보다 약간 낮은 진동주파수의 존재를 확증하는 스펙트럼 Plot.

그림 7-11 기계가 정격 회전속도에 접근할때 1× 잔류 불평형 진동의 증가로 인해
0.43× 진동 진폭의 감소를 나타내는 Cascade Plot.

그림 7-12 기계가 정격속도에 이르렀을 때 위상변화는 공진에의 접근과 이로 인한
1× 불평형 응답의 증폭을 나타내는 Polar Plot.

기계의 가동중지로 인한 생산손실은 사업자에게 많은 금전상의 손실이므로, 문제를 빨리 해결하는 것이 요구되었다. 그림 7-11에 나타난 데이터는 기계제작자의 Service 대표자가 입회한 상태에서 MDS 사무실에서 정리되었다.

제작자는 베어링에서 나선형 홈대신 축방향의 직선 홈을 가공함으로써 문제를 해결하였다. (서로 반대방향으로의 나선형 홈들이 아마도 가장 좋은 해결책일 것이다). 그림 7-13의 Spectrum Cascade Plot은 새로운 베어링이 설치된 후 작성된 것인데 Oil Whirl이 제거된 것을 보여준다. 운전중인 유사한 설계의 여러 개의 다른 Turbo Expander도 유사한 경험을 갖고 있으나 진단이 이루어지지 않았다. 이들 기계에 축방향의 직선 홈을 가진 베어링이 설치되었더라면 문제는 해결되었을 것이다.

그림 7-13 베어링에 대한 수정이 좋은 해결책이었다는 사실을 증명하는
Oil Whirl 진동주파수의 사라짐을 보여주는 Cascade Plot.

 

TRAC Mark INCOSYS