1.3 오정렬의 동력학/원인

Rotor Dynamics, Causes and Symptoms of Misalignment

 

그림 2-1은 Misalignment된 회전체에서 일어나는 현상을 설명하고 있다. 여기서 소개된 Misalignment 상태는 과장되어 있지만 수직 및 수평방향의 부하가 축에서 축으로 전달될 때 기계의 회전축은 비틀리거나 휜다는 사실을 잘 설명하고 있다.

이 그림은 이해를 돕기 위한 것으로 탄성 커플링(Flexible Coupling)은 작은 Misalignment만을 흡수하도록 설계되어 있다는 것이다. 하지만 축의 탄성이 큰 상태이고 Misalignment가 더욱 심해질수록 축 또한 더욱더 휘어진다. 하지만 축은 영구 변형이 일어나지 않고 회전할때 탄성적으로 휘어짐을 염두에 두어라.

그림 2-1 Misalignment 상태일 때 축의 탄성적인 휨

그림 2-1에서 전동기축을 펌프 회전 중심선과 일치시키기 위해서는 펌프축은 전동기의 내측 베어링을 밑으로 내리는 힘을 일으키며 역으로 펌프축을 전동기 회전 중심선과 일치시키기 위해서는 펌프의 내측 베어링을 위로 올리는 힘을 일으킨다. 만약 축에서 축으로 전달되는 힘이 매우 크다면 전동기 외측 베어링에 작용하는 Force Vector는 위쪽으로 작용하고 펌프 외측 베어링에 작용하는 Force Vector는 아래쪽으로 작용할 것이다. Misalign된 회전체에서 과도한 진동이 발생하지 않는 이유는 이 힘이 모두 같은 방향으로 작용하기 때문일 것이다.

예로 불평형된 회전체로부터 방생하는 힘은 축이 회전함에 따라 ‘Heavy Spot'이 연속적으로 이동하기 때문에 힘의 방향이 변화할 것이며 진동이 발생하게 되는 것이다. 하지만 Misalignment된 축의 힘은 이동하지 않고 통상 한 방향으로만 작용한다.

그림 2-2는 축정렬 상태를 변화시킴에 따른 회전체의 전형적인 부품이 고장에 이르는 개략적인 시간을 나타내고 있다. 여기서 ‘고장’이란 말은 기계의 씰, 베어링, 커플링, 축 등과 같은 핵심 부품의 성능 저하를 말한다. 이 자료는 기계 고장의 근원이 축의 Misalignment에 있었음이 확인된 사례를 수집 분석한 결과이다.

그림 2-2 Misalignment 값에 따른 회전기계의 전형적인 운전수명

회전 기계의 회전체 부품의 손상 또는 탈락 등으로 발생되는 Weight Unbalance와 더불어 축정렬 상태는 기계의 성능 및 진동에 큰 영향을 미친다. 축정렬 상태가 부적절하면 진동 특성도 복잡하여 Misalignment인가를 현장에서 진단하는 것이 어려울 뿐만 아니고 다음과 같은 현상이 발생하여 운전도 어렵게 된다.

• 각 베어링의 Level 변화가 부적절하게 발생하면 Level이 낮은 베어링의 유막 압력이 저하되어 Oil Whip에 의한 진동이 발생할 수 있다.

• 회전축의 이동으로 Rubbing이 발생하여 축진동이 생긴다.

• Level이 높은 베어링에 과부하가 걸려 온도가 상승하고 심하면 Babbitt가 손상된다.

증기 터빈 베어링에서의 진동치가 부하 변화시 또는 일정 부하중에도 조금씩 변화되는 경우가 있는데 그 원인은 일반적으로 다음과 같다.

① 기초대의 변화

② 케이싱의 변형

③ Bearing Metal의 온도차

④ Pedestal의 열변형

⑤ 진공도 변화

⑥ Oil Whip

⑦ 위험 속도에서의 과다한 진동

⑧ 로터 부위간 열팽창 차이에 의한 로터 변형

축이 휜 경우는 외형이 Angular(Face) Misalignment와 매우 유사하므로 그 특성도 Misalignment와 같다. Misalignment 및 Bent Shaft로 인한 진동의 중요한 특성은 축 및 원주방향 양쪽으로 힘이 작용한다는 것이다. 따라서 Misalignment의 양이 크면 커플링에서의 과열, Shaft Crack 및 Fatigue 증가, 베어링 손상 등이 발생할 수 있다.

회전하는 기계에서 Misalignment인 것을 감지하는 것은 매우 어렵다. 축에서 축으로 전달되는 반경방향 힘은 전형적인 정적인 힘(일정한 방향성)이고 외부에서 측정하기는 매우 어렵다. 유감스럽게 축, 베어링, 커플링에 얼마만큼의 힘이 작용하는지 기계에 부착하여 측정할 수 있는 센서나 분석기가 없다.

따라서 우리가 알 수 있는 것은 다음과 같은 징후들을 나타내는 이들 힘의 2차적인 결과를 관찰하여 축의 Misalignment 상태를 아는 것이다.

• 베어링, 씰, 축 또는 커플링의 조기 손상

• 과도한 반경방향, 축방향 진동

• 베어링 부근에서 높은 케이싱의 온도 또는 높은 윤활유 출구 온도

• 베어링 씰에서 많은 량의 윤활유 누설

• 기초 볼트의 풀림

• 커플링 볼트의 풀림과 손상

• 설비의 운전중 및 정지직후 커플링의 높은 온도. 커플링이 탄성중합체 형태인 경우 커플링 안쪽에서 고무가루가 묻어 나오는지 관찰하라.

• 일정시간 운전후 축의 Runout이 증가하는 경향이 있다.

• 설비의 특정부위는 진동이 감소하고 수명이 오래가는 경향이 있다.

• 커플링에서 사고가 자주 일어나거나 마멸이 빨리 발생한다.

• 내측 베어링이나 커플링과 가까운 위치에서 축의 절단이나 손상이 일어난다.

• 커플링 보호대 내부에 많은 오일이나 그리스가 묻어 나온다.

 

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