6. 스톨영역

Stall Zone

 

Bently Nevada의 기계진단팀(MDS)은 최근 Gas Injection Process 프로젝트의 한 부분인 바렐 타입 다단 저압 압축기의 성능 시험에 대한 진동 진단 계약을 체결하여 API 기준과 계약자의 제원에 따라 시험을 수행하였다.

이들 압축기는 8단으로 구성되었고 입구 안내 베인과 디퓨져를 개량하여 가스터빈용 고압, 저압 압축기 모듈로 설계되었으며 Squeeze-Film 댐핑 베어링이 압축기 각단을 지지한다.

저압 압축기의 시험에서 정격(설계)부하보다 낮은 부하에서 차동기 진동 성분이 나타났는데 처음에는 차동기 진동의 가진원으로 베어링 유체에 의한 불안정성 Whirl 및 Whip)이 아닌 것으로 생각했다. 모든 상(Phase)에 대해 베어링 및 Seal Oil의 온도와 압력을 조정해 가며 시험한 결과 불일치되는 것은 없었으나, 현저한 차동기 진동이 베어링 유체의 Whirl 및 Whip의 전형적인 주파수인 0.35× 및 0.48× 주파수보다 낮은 저주파수에서 발생되었기 때문에 공기역학적 인자를 고려해야 했다.

진동 자료를 얻기 위하여 압축기 입구 및 출구 베어링에 레디얼 Probe와 입구측에 Thrust Probe를 설치하였고, 또한 진동 분석에 더 많은 도움을 얻기 위해 압축기 1단부터 7단까지 가스 입구 Loop와 출구 Spool에 특별한 압력 계측기를 설치하여 각단과 입구 Loop에서 실시간 압력 변화를 조사하였다 (그림 7-27).

그림 7-27 압축기 단면도 및 Probe 설치 위치

1992년에 실시한 공장 성능 시험에서는 아무 이상이 없었으나 현장 성능 시험에서는 저압 압축기에서 불안정성 문제가 발생하였다. 원심 압축기의 유동 불안정에 대한 메커니즘은 일반적으로 공급받는 전력의 함수이며, 이것은 가스밀도, 몰 중량, 작용압력, 입․출구의 압력차와 관련이 있고 압축기에서 이러한 유동 불안정을 Surge 또는 Stall이라 부른다.

다음의 유체 동역학적 현상은 압축기 입구 공기량이 줄어들 때 발생할 수 있으며 아래와 같이 정의한다.

• Local Stall

임펠러 또는 디퓨져에서의 유동 분리(Flow Separation)를 말한다.

• Stage Stall

임펠러내의 한 지점에서 Local Stall이 증가할 때 역류가 발생하는 현상으로 전체적인 흐름은 압축되는 방향으로 흐른다.

• Stall Zone

원심 압축기에서 Stall의 징후가 명백하고 유동 교란이 일어나는 임펠러 또는 디퓨져 지역을 말한다.

• Surge

주기적인 유동 진동 및 압력 변동을 말하며 이러한 유동 진동이 역류를 유발시키 게 되면 이것을 Deep Surge라 한다. 또한 안내 날개 사이의 공간에 가스가 충분히 채워지지 않는 것을 Extreme Stall이라고도 한다. Surge는 축 방향으로 전파되어 나간다.

• Rotating Stall

Propagating Stall Zone이라고도 한다 (그림 7-28). Large Stall Zone으로 이루어지고 아주 낮은 Rotor Speed에서 원주 방향으로 전파되어 나가며, Stall Zone의 수와 전파율은 상당히 변화된다.

그림 7-28 Rotating Stall의 예

Stall과 Surge 현상은 압축기에 있어서 매우 위험한 것이다. 그 이유는

• Streamline Degradation으로부터 발생하는 로터 진동은 단락 사이의 레비린스 패킹을 손상시킬 수 있다.

• 유동 역류는 임펠러 베인 입구에서 계속적인 온도의 상승(토출 수두 저하)을 초래 할 수 있다.

• 입․출구 사이의 압력 변화는 추력의 변화를 가져오며, 따라서 추력 베어링의 손상을 초래할 수 있다.

• 갑작스런 부하와 속도의 변화를 일으킬 수 있다. 이것은 결정적으로 임펠러 및 다른 부속품에 영향을 미친다.

Stall의 징후와 진동 응답의 추적

이 압축기에서 경험한 공기역학적 Stall 현상을 정의하기 위해 운전 속도에서의 압력 변동과 Stall Zone에서의 압력 변화를 비교하였다.

다른 운전 속도에서의 압축기 토출량을 비교할 수 있는 비유량계수(Specific Flow Coefficient) Q/N(Gas Flow Rate/Operating Speed)값과 관련해서 Stall이 처음 일어났던 단을 조사하였으며, 또한 이 Stall이 단 전체에 퍼져 나가는데 걸리는 시간과 단에서의 압력변화의 크기 및 이에 대응하는 진폭을 조사하였다.

진동 응답과 압력 계측 정보를 기록한 후 108 Data Acquisition Instrument(108 DAIU)로 처리하였고 진동 진단 Software인 ADRE로 Diagnostic Plots를 만들었으며 Windows용 ADRE는 Microsoft Windows하에서 구동되는 강력한 진동 진단 소프트웨어다. 그림 7-29~7-32는 제4단에서의 Stall을 보여주는 Time-mapped Spectrum Waterfall이다. 이 4단은 압력차가 증가한 맨 처음 단이며, 이것은 횡진동 응답 Plot에서 관찰된 차동기 가진과 밀접한 관계가 있다.

그림 7-29 출구측(Free End) 수평 방향 Probe에서의 Spectrum Waterfall Plot.
Stall 및 4 ㎐ 차동기 진동 성분의 징후가 현저하게 나타남 (운전 속도=57.7 ㎐)

그림 7-30 구동측 수평 방향 Probe에서의 Spectrum Waterfall Plot. Stall 및
4 ㎐ 차동기 진동 성분 출현 징후가 있음 (운전 속도=57.7 ㎐)

그림 7-31 Thrust probe에서의 Spectrum Waterfall Plot. Stall의 징후와 4 ㎐
차동기 진동 성분이 현저하게 나타남.(운전 속도 = 57.7 ㎐)

그림 7-32 4단 압력 변환기에서 Stall의 징후가 나타난다.

또한 압력과 진동응답 추적에서는 4단에서 Stall이 발생한 직후 6단과 3단에서 동시에 나타났고, 잇따라서 5, 7, 2, 1단 순으로 발생하였으며 Q/N값의 감소와 함께 대부분의 내측 단에서 첫 Stall이 나타났다. 여기서 흥미있는 것은 3, 4, 6단은 동일하게 설계되었고 Stall 징후를 일으키는 첫 단이라는 것이다.

가장 큰 압력변동은 6단에서 0.26~1.0 bar까지 거의 4배 증가하였고 그 외 다른 단에서는 3 : 1 정도의 증가를 나타내었는데 이러한 압력 변화는 기계적 안정에 큰 영향을 미치기 때문에 매우 중요하다. 그것은 운전속도 주파수(57.7 ㎐)의 7%(4 ㎐) 근처에서 차동기 진동을 야기 시키며 특히 출구측(Free End)에서 진폭이 크게 된다.

여러 단에서 Stall이 심하게 나타날 때는 4 ㎐에서의 진폭은 38 ㎛까지 크게 되는데 이것은 운전속도(1×)에서 보다 거의 3배이상 큰 값이다. 이 압축기는 내부 간극이 매우 작아 44~51 ㎛의 진동은 래비린스 밀봉장치를 손상시킬 수 있기 때문에 시험중 진동이 매우 높게 나타나는 것을 보고 즉시 압축기를 정지시켰다. Drive End Vibration은 체결효과(Coupling Effect)로 인하여 진동이 낮아지고 Drive End Stages는 Stall에 덜 영향을 받는 것으로 나타났다. 이것은 아마도 Balance Piston의 안정효과 때문인 것 같다. 이러한 현상은 Hydrocarbon(High Horsepower and High Pressure)시험 중에는 현저하게 나타나진 않았으며, 저압 압축기는 터빈/압축기 모듈로 연결되어 있다.

Stall이 발생하는 동안에 한단 또는 그 이상의 단에서 압력이 점진적으로 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 로터의 안정성은 임펠러와 디퓨져의 공기역학적 환경과 베어링, 축, 다이아프램의 강성관계에 지배를 받는다. 입구가스 유동 조건의 조절이나 또는 압축기 내부 요소의 설계 변경은 이들 두 인자의 선택에 따라 압축기 성능에 큰 영향을 미친다. 사실 차동기 진동은 설계 변경에 매우 민감한 것으로 나타났는데 이것은 후에 압축기 내부 요소를 설계 변경 해봄으로서 사실로 입증되었으며, 입구 안내 베인, 밸런스 피스톤 형상, 디퓨져, 래비린스의 개선은 진동응답의 변화를 야기 시킨다. Stall의 전형적인 저주파수 진동 외에 여러 설계 형태의 분석을 통해 2800 cpm 부근에서 로터의 첫 공진을 재가진하는 다른 차동기 진동 요소가 있는 것을 알았다.

Stall이 발생될 때의 Orbit 및 Timebase Plot에서는 어떤 흥미로운 현상을 보여준다 (그림 7-33, 7-34). 이 Plot는 시계 방향의 축회전과 No Stall에서 Surge 발생까지의 진동과정을 나타내고 있다. 이 Plot에서 유니트가 불안정할 때 격렬한 반응이 나타난 것을 알 수 있으며, 가스 압력 증가와 갑작스런 로터의 증․감속에 따라 맥동 영향이 Stall과 Surge에서 명백하게 나타나 있는 것을 볼 수 있다. 출구측 수평방향 Probe에 나타난 진동진폭은 정상상태에서 Surge상태에 이르기까지 20 ㎛에서 40 ㎛까지 증가하였고, 구동측 수평방향 Probe에서는 단지 21 ㎛에서 25 ㎛로 증가하였다. Stall 증상은 사용자가 규정한 제한치인 전체 진동 29.7 ㎛ p-p보다 더 큰 진폭에서 설계 유량점 아래에서 잘 일어나므로 이 유니트는 부적합한 것이다. 임펠러 설계에서 충분히 발달한 Stall 상태로 수행한 여러 번의 시험에서 3:1의 단락 압력 변화비는 Free End Radial Probe에서 전체 진동의 2:1 증가와 일치하였다. 같은 기계적 조건하에서 압축기 속도를 바꿔 가며 시험함으로써 정상 운전 조건중에 압축기를 시험할 수 있고, Stall 발생중에 가장 나쁜 진동 상태를 예측할 수 있다는 것을 알았다. 그러나 Thrust나 Drive End Radial Probe 때문에 같은 조건하에서 동일한 비교를 할 수가 없었다.

그림 7-33 정상 운전시 자유단에서의 Orbit 및 Timebase Plot

그림 7-34 Orbit 및 Timebase Plot은 회전하는 로터의 전체 움직임을 잘 나타내고
Keyphasor Dots는 Orbit 및 Timebase Plot에서 저주파 성분이 나타남을 보여준다.

가스 유량이 감소될 때 한 단에서 가스 밸브 조절에 따라 2~3초간 Stall이 발생되는 것이 관찰되었으며, 이와 같은 거동을 각단에서 여러 운전 속도에서 시험하였다. 마지막으로 Stall에서 벗어난 더 높은 유량 계수나 안정 영역으로 이동시켰다. 또한 불안정에 관해 압력과 관련된 Hysteresis Effect를 관찰하였다. 일단 몇몇 단에서 Stall이 발생하면 유동이 불안정하게 되는데 걸리는 시간보다는 안정한 상태로 복귀될 때 더 많은 시간이 걸린다.

임펠러나 디퓨져에서 Stall Flow의 변질성이 혼합된 영향을 압축기 성능 커브(그림 7-35)에 나타내었다. 여기서 각 단에서 감소된 출력을 반영하고 있는데 이것은 시험중에 Flow/Isotropic Head Data를 Plot하는 과정에서 발견하였다.

그림 7-35 압축기 성능 곡선

 

결 론

기계 제작자는 Stall 유량 범위, 기계적 형상, 진동 특성, Q/N의 관계를 면밀히 검토하였으며 이러한 정보는 최적 설계와 신뢰성을 향상시키는데 이용되고 있다. 임펠러나 디퓨져에서의 Stall의 구분은 다른 참고문헌에서는 물론 이 프로젝트 결과에서도 명확하게 정의하지 못하였다. 그러나 어떤 중요한 Rotating Stall은 Surge 발생에 앞서 일어난다는 것이며, 이것이 심해지면 압축기와 구동부품들을 손상시킬 수 있다는 것이다.

성능시험에서 유량의 감소에 따라 가스평균 속도와 유체입구 각도가 감소하는 것으로 나타났으며 이것은 레이놀드수, 운동에너지, 압력비, Surge Margin등을 상당히 변화시킨다. Stall 방(Cell)은 저주파 가진이 되는 특별한 위치에서 형성되는데 이는 운전속도의 7% 근방에서 일어나는 것을 알았다. 압축기 베어링의 형상에 따라 축과 씰 및 로터의 강성 특성이 변화될 수 있으며, 이것은 다른 차동기 진동요소에 가진을 유발시킬 수 있고 또한 안정성을 저하시키기 때문에 바람직하지 못하다.

Stall 발생중의 압력 측정값은 단(Stage) 압력과 진동변화에 따른 압축기 로터의 거동을 이해하는데 아주 중요하다. 압축기의 부품 변경에 대한 영향을 평가함으로써 Stall Zone의 특성을 더욱 잘 알 수 있었으며, 이에 따라 OEM은 Balance Piston, Labyrinth, Eye Seal을 개선하여 압축기의 성능을 향상시켰다.

진동 이외의 데이터는 여러 계측장치를 208 DAIU에 연결하여 ADRE에서 적절하게 Scale하여 수집하였다. 이것은 압력, 유량 등 여러 인자를 환산 Factor 없이 직접 구할 수 있게 해준다. ADRE for Windows Software는 보관된 ADRE 3 Database를 쉽게 검색, 정리 및 분석을 할 수 있어 여러 가지로 유용하게 해준다.

 

TRAC Mark INCOSYS