4. 증기에 의한 Whip

Diagnosing Steam-Induced Whip on a Steam Turbine

 

이 사례에 나타난 데이터는 이 프로젝트로부터 취한 데이터의 일부분이다. 이 정보의 양, 그 자체는 컴퓨터의 절대적인 도움으로 얻어진 것이다. 이 Plot들은 기계의 폭 넓은 분석으로부터 얻어질 수 있는 정보의 범위를 보여주고 있다.

Overspeed Trip 이 되었을 때, 이 압축기상의 터빈 구동부인 축의 상대 진동은 150μm p-p까지 상승하였다. 진동은 1차 공진 주파수로 차동기이었는데 이것은 Whip 상태에 있음을 나타낸다.

처음에는 구동기구(Driving Mechanism)가 베어링에서 있었는지, 아니면 Seal 또는 터빈의 다른 증기영역에서 있었는지 불명확하였다. 압축기로부터 분리되었을때 터빈의 불안정성을 크게 줄이기 위해 베어링이 수정되었다.

그러나, 터빈이 압축기와 결합되었을 때는 진동의 크기는 증기유량의 증가를 포함하는 어떤 운전조건의 변화에도 매우 민감하다는 사실이 명확하게 드러났다.

나타낸 데이터는 결합된 기계의 기동시와 2일전 터빈이 압축기에서 분리되었을때 정지시의 자료이다. 그림 7-14는 승속중 조속기 끝부분에 위치한 Outboard Proximity Probe 중 한 개로부터 얻어진 Spectrum Cascade Plot이다. 이 Plot은 그림 7-14에서 볼 수 있는 바와 같이 불안정의 시작이 매우 빠르고 그때의 주파수는 1차 공진(임계속도)인 대략 3,500 cpm과 같음을 보여주고 있다.

그림 7-14 승속시 차동기 진동이 매우 빨리 시작됨을 보여주는 Cascade Plot.
차동기 주파수는 1차 공진(임계속도)에 근접하여 일치한다 (결합상태의 경우).

그림 7-15와 7-16은 이 운전과정중 최대속도에서의 Orbit/Timebase Plot과 Spectrum Plot이다. Orbit을 컴퓨터를 통해 나타내는 것은 특히 유용하다. Plot 상의 Keyphasor 표시는 Orbit 이나 진동 사이클당 2회의 축 회전보다 약간 큰 것을 보여주는데, 이것을 오실로스코프상에서 실시간으로 관찰하기는 매우 어렵다.

Timebase Plot에서 Keyphasor 규약은 시간축 상에서 즉 왼쪽에서 오른쪽으로 "Bright Spot 앞에 Blank Space"가 있도록 나타낸다. 이 규약을 Orbit에서 적용해보면 반시계방향의 세차운동을 하는데 이것을 정방향 세차운동(Forward Precession)이라 한다. 즉, 축의 회전방향과 같은 방향으로의 세차운동이다.

그림 7-15 진동 주파수가 1/2×보다 작음을 나타내는, 진동 사이클당 2개 이상의
Keyphasor 표시를 보여주는 Orbit/Timebase Plot.
Timebase Plot상의 Keyphasor 표시의 Blank/Bright Sequence는
Orbit Plot으로 전환되었을 때 축의 정방향 세차운동을 나타낸다.

그림 7-16 우세한 진동 주파수가 1/2× 근처에서라는 것을 확증시키는 Spectrum Plot.

세차운동의 방향은 이 경우에서와 같이 공진이 불안정성에 의해 가진 되었는지, 아니면 Rub에 의해 가진 되었는지를 구분하는데 있어 중요할 수 있다. Rub는 역방향 세차운동(Backward Precession)을 일으킨다.

그림 7-17과 7-18은 같은 승속과정에 대한 Polar Plot과 Bode Plot이다. 이들 Plot에서 4.4μm의 Slow Roll Runout Vector가 공제(보상)되었다. 이 작은 양의 Runout은 축 표면의 상태가 매우 좋다는 것을 나타낸다. 보상된, 운전속도에서의 1× 진폭은 매우 작았는데(대략 5μm) 이것은 질 높은 Balance Quality임을 보여주는 것이다.

기동시, 기계는 2,000 rpm까지 너무 빨리 승속되었다. 그 다음, 500 rpm까지 속도를 내린 후 적당한 Slow-roll Time동안 유지되었다. 이런 기동형태는 축에 일시적인 잔류 휨(Residual Bow)과 이에 따른 불평형을 일으켰다. 기동시 얻어진 그림 7-17과 7-18, 그리고 정지시 얻어진 그림 7-19와 7-20의 저속에서의 데이터를 비교하여 보면 일시적 잔류 휨에 의한 기계의 응답을 알 수 있다. 대략 3,500 cpm 근처에서 1차 공진(임계속도)이 매우 명확하다. 기계가 결합된 상태에서의 진동 Plot과 분리된 상태에서의 진동 Plot은 단일 모드, 단일 자유도의 시스템의 응답으로 거의 교과서적인 형태로 나타나 있다.

그러나 이들 Plot 상에서 혼란을 주는 정보사항은 공진의 동기 증폭계수이다. 10의 값을 계산하기 위해 API 계산법이 사용되었는데, 이 10의 값은 회전체/베어링/지지 구조물의 감쇠가 매우 작다는 것을 암시한다. 감쇠가 작은 시스템에서는 증기의 원주방향 흐름에 의해 야기된 접선력(Tangential Force)을 받을 때 축은 불안정해지게 된다.

축과 지지물의 중량과 강성의 증가를 포함한 주요한 설계변경으로 결국 증기에 의한 Whip 문제를 해결하였다.

그림 7-17 운전속도가 1차 공진(임계속도) 이상이라는 사실과 공진이 높은
동기 증폭 계수를 갖는다는 것을 보여주는 Polar Plot (승속시의 데이터).

그림 7-18 회전축/베어링/지지 구조물이 약간 감쇠 되었다는 것을 나타내는
높은 동기 증폭계수를 보여주는 Bode Plot.

그림 7-19 축이 낮은 회전속도에서 승속하는 동안(그림 7-17) 관찰된 상당히 높은 1× 진동진폭이
나타나지 않음을 보여주는 정지시의 Polar Plot. 낮은 속도에서 승속시의 높은 1× 성분은
축의 일시적 잔여 휨을 야기하는 매우 빠른 가속의 결과였다.

그림 7-20 낮은 회전속도에서 승속하는 동안(그림 7-18) 관찰된 상당히 높은 1× 진동진폭이
나타나지 않음과 높은 동기증폭계수를 보여주는 정지시의 Bode Plot.

 

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