6.3 연성 로터의 발란싱 특성

Balancing Characteristics of Flexible Rotor

 

강성 로터를 발란싱하는데는 앞서 기술한 2면 발란싱 절차를 이용하여 2면에서 2개의 Weight를 사용하면 충분하다. 그러나 로터가 불평형력의 영향으로 휜다면 이것은 강성 로터로는 간주할 수 없으며 여러개의 교정면에서 발란스 교정이 필요하게 된다. 또한 1차 임계속도 부근에서 운전하는 로터는 휜상태로 나타나며 2면 이상에서의 발란싱이 필요하게 된다.

다면 발란싱은 직경에 비해 길이가 긴 축이나 또는 불평형에 의한 원심력이 로터를 휘게 하는 경우에 필요하다 (그림 3-31 참조).

그림 3-31 5면 발란싱 교정을 보여주는 탄성 로터

탄성 로터는 정격속도와 정격온도에서 운전할 때 정적상태로부터 휘거나 비틀린다. 이러한 휨 또는 비틀림은 로터의 질량 분포상태를 변화시켜 불평형 상태가 된다. 따라서 탄성 로터는 저속이나 정상적인 운전조건과 다른 조건하에서 발란스가 되었더라도 정상운전중에는 또 다른 불평형 상태가 나타나게 된다.

정확한 발란스를 위해서는 탄성 로터는 운전상태의 속도, 온도 및 부하에따라 Trim Balancing이 필요하다.

로터가 강성이 아니고 축의 임계속도 부근이나 그 이상에서 운전할때 축 길이에 따라 발란싱 Weight의 위치는 대단히 중요하다. 만일 로터가 전운전 속도에 걸쳐 만족 스럽게 운전해야 한다면 2면 이상의 발란싱이 필요하다.

일반적으로 탄성 로터의 2면 발란싱은 발린싱을 시행한 속도에서만의 발란싱이 된다. 2면 이상에서 로터를 발란싱하기 위해서는 운전속도로 올리기까지 몇 개의 속도에서 로터를 운전할 수 있어야 하고 휨이나 비틀림을 검출하고 교정하기 위한 로터의 휨 또는 비틀림을 구하는 방법이 필요하다.

베어링은 강성이고 여러 속도에서 축의 처짐과 비틀림이 관계되었다면 그 결과를 초래할 수 있는 상황을 그림 3-32부터 3-35까지에서 볼 수 있다.

불평형중 가장 단순한 경우는 그림 3-32와 같이 가늘고 긴 축중심에 설치된 얇은 Wheel이다. 축은 무게가 없고 Wheel의 무게중심은 축의 중심선으로부터 "E"만큼 떨어져 있다고 가정하자. 그러면 불평형량은 Wheel의 무게 "W"와 그 편심 "E"의 곱과 같을 것이다. 만일 Wheel과 축이 수평으로 놓였더라면 불평형의 무게 영향으로 회전하다가 아래쪽에 불평형이 위치한 상태로 정지하였을 것이다. 이것이 Static Unbalance의 간단한 예이다.

그림 3-32 단순처짐

축이 회전하면 불평형에 의한 원심력으로 축은 휘어져 그림에서 점선으로 나타낸 바와 같이 하나의 Loop 모양을 가진다. 불평형력이 클수록 휨량이 더 커진다. 축과 함께 Wheel이 회전하기 때문에 이것은 진동으로 나타난다. Wheel을 발란싱 하기 위하여 Balancing Weight "Wt"를 축 중심으로부터 반경 "R"인 거리에 불평형 위치와 180°인 곳에 달았다. 따라서 Balancing Weight는 WE = WtR로 구할 수 있다.

이번에는 그림 3-33에서와 같이 발란스가 안된 2개의 Wheel을 가지는 로터에 대해 생각해 보자. 양쪽 Wheel의 편심이 같고 같은 각 위치에 불평형이 있다면 이 로터는 정적으로 불평형 되었고 점선으로 나타난 하나의 Loop 모양으로 운전하게 될 것이다. 이러한 경우는 각 Wheel에 동일한 무게의 Weight를 동일한 반경과 동일한 각도 위에 달게되는 Static Pair 형태로 발란싱하면 교정될 수 있다.

각 Wheel에서의 편심은 같고 180° 떨어져 있다면(그림 3-33B)이 로터는 정적으로는 발란스되어 있지만 동적으로는 그렇지 못하다. 회전하면 점선으로 나타난 2개의 Loop 형태로 휘게 될 것이다. 이러한 불평형의 형태는 동일한 반경과 180° 떨어져서 각 Wheel에 동일한 무게의 Weight를 달면 교정된다. 그림 3-33B와 같은 터빈 발전기에서 탄성 로터의 순수한 Couple Unbalance는 2개의 Loop 모양을 한 로터 휨을 발생시킨다. 불평형 위치는 180° 떨어져 있다. 로터 양끝에서의 Weight와 편심은 같다.

그림 3-33 2개의 Wheel에서 단순처짐

축의 길이가 길고 고속인 탄성 로터에서는 불평형력에 의해 그림 3-34 및 그림 3-35와 같이 3개 또는 4개의 Loop 모양으로 운전될 수 있다.

일반적으로 Static 및 Couple Unbalance는 로터의 양쪽끝 부근의 2개 교정면에서 발란싱 Weight를 달면 교정이 된다. 그러나 3-Loop 형태의 불평형은 각 Wheel에서의 불평형을 교정하기 위해서는 그림 3-34와 같이 3면에서의 발란싱이 필요하다. 마찬가지로 4-Loop 형태의 불평형은 로터가 4-Loop 형태의 휨이 발생할 수 있을만큼 고속으로 회전한다면 그때만 교정이 필요하다.

그림 3-34 3개 Wheel 에서의 그림 3-35 4개 Wheel 에서의
불평형에 의한 형태 불평형에 의한 형태

많은 대형 로터는 저속에서 Balancing Machine상에서 발란싱 한다. 2개의 선정한 교정면에서의 불평형량과 각도 위치에 관한 자료를 Balancing Machine의 계측기로부터 읽는다. 로터는 저속에서는 상대적으로 강성이기 때문에 불평형은 벡터적으로만 계산하여 발란싱한다.

 

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