압축기(Compressor)-결함유형4-Screw compressor관련 문제들

압축기(Compressor)-결함유형4-Screw compressor관련 문제들

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컴프레샤 중에서 가장 시끄럽고 진동 때문에 구조적인 문제가 있는 종류는 왕복동(Reciprocating)일 것이나 구조는 작지만 방음시설(Enclosure)없이 가동하기에는 너무 고주파이며 큰 소음을 내는, 진동문제가 잦은 종류는 단연 스크류(Screw)일 것이다.  스크류식 압축기는 겉보기에는 엔클로져로 덮혀 있어서 파이프가 연결된 사각박스이지만 많은 기어와 베어링, 파이프으로 구성된 복잡한 그리고 진동이 많은 압축기의 형식이다. 여기서 발생할 수 있는 진동의 원인은 어떠한 것이 있을까?

Compressor결함진단- 로터리 스크류 컴프레샤

로터리 스크류 압축기(Rotary screw compressor)의 진동문제라고 하면 아마도 가장 복잡한 기계진동이라고 해도 과언이 아닐 것이다. 기본적으로 2단 이상으로 구성되어 있고 큰기어(Bull gear)는 모터에 연결되어 구동축이 되고2개의 작은 기어(Pinion gear)기어와 맞물려서 돌아가고 각 피니언기어는 압축기의 짝이 될 ‘암lobe(스크류날개)’가 부착되어 있는 구조이다. 피니언기어의 반대측에는 각 lobe의 맞물림을 맞추도록 타이밍기어가 설치되어 ‘수lobe’를 움직인다. 이러한 수lobe와 암lobe로 구성된 짝은 같은 주파수로 회전할 필요는 없으므로 2단으로 구성되어 저압, 고압을 컨트롤 한다.

로터리 스크류 압축기에 설치된 모든 기어는 GMF(Gear mesh frequency)가 생성되므로 이 때 발생하는 4가지 종류의 GMF를 살펴보면 다음과 같다.

1.     불기어와 저압 수 피니언기어의 GMF

2.     불기어와 고압 수 피니언기어의 GMF

3.     수 저압타이밍기어와 암 저압타이밍기어의 GMF

4.     수 고압타이밍기어와 암 고압타이밍기어의 GMF

컴프레샤의 설계에 따라 다르지만 모든 기어맞물림주파수(GMF)는 각기 다를 수 있고 그들 모두가 진동문제를 가질 수 있다. 따라서 분석자는 컴프레샤의 제원(기어이수, 각 축의 회전수 등)을 알고 서로 진동이 중첩되지 않는지를 확인한다.

압력맥동은 ‘lobe’의 맞물림접촉에 의해서 발생하는데 이러한 펄스는 각 축의 회전수에 lobe의 개수를 곱한 값과 같다. 이를 펄스주파수(pulse frequency)라고 부르는데 컴프레샤의 각 단에서 생성되고 다시 컴프레샤의 설계마다 다르지만 저압펄스주파수와 고압펄스주파수로 서로 달라서 구분될 수 있다. 이러한 펄스 주파수는 컴프레샤가 공기를 압축하기 때문에 발생하는 구조이다. 즉, lobe의 고회전 때문에 펄스주파수는 펄스필터나 서지 챔버 등으로 감소시킬 수는 없다.

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키워드	압축기의 진동진단, 스크류압축기, lobe, GMF, 펄스주파수

압축기(Compressor)-진동분석 순서

압축기(Compressor)-진동분석 순서

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 진동문제의 해결을 위하여 진동이 크다고 진동량(Overall)만을 알려주고 원인을 분석해달라고 요청하는 분들이 있다. 또는 스펙트럼 데이타를 보내주고 진단진단을 의뢰하는 경우도 있다. 그리고 또 다른 관리자들은 이력 데이타, 측정 데이타를 모두 주고 최적의 대책을 위한 객관적인 의견을 묻는 경우도 있다. 그런데 이 모든 경우에 질문자의 수준만을 판단할 수 있고, 간단한 지식을 묻는 경우에만 대답할 수 있을 뿐, 현장을 확인하지 않았기 때문에 진정한 도움을 줄 수는 없다는 것을 정확히 알지는 못한다. 대한민국의 약점은 아직 이것이다. 컨설팅에 대한 의뢰와 솔루션이 쉽게 할 수 있고 무료로 해 줄 수도 있는 것이라는 것에 익숙하다는 것이다. 한 번 취득하여 같은 실수가 나오지 않는 솔루션이라면 큰 대가를 지불해도 아깝지 않아야 한다. 프로는 단순히 움직이지 않는다. 그리고 진정한 프로라면 현장을 반드시 확인한다.

Compressor결함진단- 진동분석절차

진동분석과 진동문제들의 해답도출은 다분히 논리적인 절차가 필요하다. 분석가는 가진원인 분석에 근거하여 필요한 정보를 모아야 하는데 무작위 데이터가 좋은 것만은 아니므로 다음의 순서를 참조하는 것이 좋다.

1.     문제를 정의하기-무엇이 문제이고 어디가 어떻게 증상을 나타내는지 그리고 얼마만큼 심각한 문제인지를 알고 사용자와 함께 공유하여야 한다. 이 때 주의할 점은 한 번에 하나의 문제를 풀도록 노력하여야 하고 다중의 문제가 있는 경우에는 가장 심각한 것부터 해결한다는 원칙이 중요하다.

2.     시스템을 조사하기-시스템의 상태를 확인하기위해 반드시 현장을 살펴보고 마모나 크랙 그리고 looseness(기계적이완)을 관찰한다. 기계요소의 수와 형식(커플링, 베어링, 모터 등등)을 확인하고 기계데이타(클리어런스, 직경, RPM, 지지구조 등)을 취득한다.

3.     정적인 데이터 취득하기-시스템내부요소(축, 베어링지지축, 하우징, 베이스, 날개 등)의 공진여부를 경험예측(수치계산)한다. 그리고 필요하면 챠트를 확인하여 컴프레샤의 가진원인분석을 위한 가진주파수를 조사한다(베어링결함주파수, 날개통과주파수 등). 시스템의 축정렬을 확인하고 배경진동(Back ground vibration)을 조사 또는 측정한다.

4.     동적인 데이터 측정하기-기계가 시동하는 동안 진동데이타를 취득하고 정상하중에서 측정하고 또한 기계를 멈추는 동안에 시간파형과 주파수 데이타를 모두 취득한다.

5.     가진원인을 분석하기-위의 3번 사항에서 조사한 주파수 중에서 가장 심각한 것을 판단한다. 또한 동기성 주파수인지, 비동기성인지 또는 sub주파수군의 파악을 한다. 시간파형에서 중요한 근거자료인 충격파형이나 비주기성 또는 비대칭성여부를 확인한다.

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키워드	압축기의 진동진단, 스펙트럼분석, 진동분석, 진동문제컨설팅.

압축기(Compressor)-결함유형8-데이터취득-dynamic

압축기(Compressor)-결함유형8-데이터취득-dynamic

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동적인 데이터(Dynamic)는 시간에 따른 힘의 변동이 있는 즉, 진동 같은 파장(wave)을 가진 데이터이다. 데이터를 취득하기 전에 가장 중요한 것은 센서가 적당한 위치에 잘 설치되어 있는 것이며 그 다음에 취할 수 있는 조건으로는 가동시(start up)와 상시 부하상태의 값, 그리고 정지시(coast down) 상태의 결과라고 할 것이다. 이에 대해서 조금 더 구별하여 알아보기로 한다.

Compressor결함진단- 동적인 데이타

동적인 데이터는 위의 언급처럼 세가지 조건에서 취득할 것으로 구별할 수 있는데 이

중에서 상시 부하 상태의 값은 시간파형의 관점과 주파수의 관점에서 따로 구분하기로 한다.

1.     가동시(start up)

-우선적으로 가동시의 데이터는 시간파형(time domain)관점에서 취득한다. 때때로 가동시 강한 에너지 충격파를 가진 토크 쇼크(torque shock)를 가져올 수 있는데 이 것은 마운팅(모터나 컴프레샤)과 관련된 첫번째 공진과 관련이 있다. 시간파형에서 명백하게 관찰되며 별도의 임팩트 테스트로부터 구하기 힘든 대형 컴프레샤의 첫번째 모드와 공진을 찾을 때 매우 유용하다.

-다채널 진동분석기가 유용한 이유는 다양한 위치와 방향에서 회전수신호와 같이 동시에 데이터를 취득하기 때문인데 만약 다채널이 갖춰지지 않았다면 각기 측정한 데이터를 위상과 진폭을 일정한 한 포인트와 방향(예: 모터 부하측 수평방향)에 맞춰서 비교해야 한다.

2.     상시부하(Normal Load)상태

-상시 부하상태에서 측정한 데이터는 시간파형관점과 주파수관점에서 고려해야 하는데 충격, 비주기성, 비대칭성의 확인은 시간파형으로 하며 이완, 마찰, 전기적문제, 써어지 등을 확인할 수 있다. 반면에 주파수관점에서는 다양한 공진, 정적인데이터로부터 계산된 결함가능주파수들을 확인하는데 사용한다.

-시간파형관점

; 충격(Impact), 비주기성(non-periodic), 비대칭성(non-symmetrical)의 확인을 가속도센서로부터 취득된 신호로 확인한다. 충격을 가진 시간파형으로 하여금 관찰되는 결함은 이완, 베어링 결함주파수, 축의 크랙, 축과 컴프레샤와의 이완(wheel loose)이며 비주기성의 시간파형은 이물질의 침투, 외부 가진요소의 침투, 전기적문제(SCR타이밍), 써어지(surge)와 관련이 깊다. 그리고 비대칭성 시간파형은 마찰(rubs), 컴프레샤의 거동에 제한되는 문제를 들 수 있다.

-주파수관점

; 우선 저해상도의 고주파를 포함한 스펙트럼 데이터를 수평, 수직, 축방향에 걸쳐서 측정한다. 베어링과 베어링 지지대, 컴프레샤 하우징, 파이프, 모터, 모터의 기초가 해당 포인트가 된다. 이 광대역 스펙트럼데이타는 진동에너지가 집중된 지점을 매우 빨리 찾는데 유용한 자료가 된다. 그 다음에 추가적으로 자세한 스펙트럼을 측정하면 된다. 많은 경우에 모든 지점에서 고해상도 주파수를 취득하지 못해서 정확히 진단할 수 없다고 하지만 저해상도 스펙트럼 데이터로도 에너지가 집중된 위치나 방향을 확인할 수가 있고 상세한 고해상도 스펙트럼은 그 다음에 측정하면 되는 것이다. 그 때에는 각 베어링의 각 방향, 지지부, 모터, 모터의 베이스 등으로 세분화한다. 타코펄스(tach pulse)를 이용하여 위상과 진폭을 각 방향별로 동기화하여 자료를 비교한다. 또한 같은 축방향(axial)에서라도 상부, 중간, 하부, 왼쪽, 오른쪽간에도 서로 달리 움직이는 것을 확인할 필요가 있는데 베어링의 코킹(cocking, 정렬불량, 휨), rocking(부분고착) 등을 확인할 수 가 있는 것이다. 가능하다면 3차 성분까지 데이터를 검토하여 기계적인 비선형성(Non-linearity)을 체크할 수 있다.

; 위상(phase)값은 공진과 축정렬불량을 확인할 때 매우 중요한 자료가 된다. 공진을 증명하려면 각베어링에 수평으로부터 수직까지 위상을 서로 비교하여 크게 위상차이가 나는 각도를 확인하면 되고, 축정렬불량을 확인하려면 각 베어링간, 커플링 너머 수평과 수평, 수직과 수직간의 위상을 체킹해 본다.

; 컴프레샤 또는 로터와 관련된 유용한 시험기술로서 회전당 1~4번의 펄스를 취득하는 방법이 있다. 한가지는 tracking아답터와 4개로 균등 부착된 반사판의 활용이다. 대부분의 경우4개~8개로 구성된 커플링 볼트는 Proximity probe로 측정하여 위와 같이 대용할 수 도 있다. 즉, 트랙킹 아답타를 이용하게 되면 회전당 1펄스~2펄스 등으로 데이터를 나눌 수 있고 각 오더(order)당 진동요소를 별도로 분석할 수 있는 것이다. 물론 최신 계측기는 하나의 펄스로 여러 개의 하모닉 파형을 관찰할 수도 있다.

3.     정지시(Coast down) 데이타

-컴프레샤의 정지시 완전히 가동을 멈출 때까지 데이터를 취득한다. 그 동안 가능하다면 불량상태의 베어링일 경우 3X까지 주파수에 관한 위상과 진폭을 측정하며 여러 포인트에서 동시에 데이터를 측정하고 저장하도록 다채널 분석기를 사용하는 것이 좋다.

키워드	압축기의 진동진단, 스펙트럼분석, 진동분석, 진동문제컨설팅, 진동분석전 사전조사

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압축기(Compressor)진동-결함유형2-공진과 헐거움

압축기(Compressor)-결함유형2-공진과 헐거움

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기계를 운전하면 진동이 발생하기 마련이지만 유사한 다른 기계보다 더 큰 진동의 원인은 공진과 헐거움 때문인 경우가 많다. 특히 각 부품의 고유 주파수와 운전상에서 발생되는 주파수와 일치되지 않아야 한다. 운전 중에서 발생되는 주파수로는 Compressor rotor의 작동주파수, Blade Pass frequency, Compressor 베어링 주파수, 구동부(Driver)의 작동주파수, Imbalance, Angular Misalignment, Bent Shaft 등이 있다. 또한, 각 파이프의 고유주파수도 Surge와 Stall상태 등에서 상황에 따라 큰 사고를 발생시킬 수 있다.

Compressor결함진단- Resonance와 Looseness

압축기의 축과 베어링지지대(pedestal)의 공진(resonance)은 압축기의 작동주파수에 있어서 치명적일 수 있다. 특히 이 1X 주파수는 줄이기 위해서 필드발란싱(Field balancing)을 수행할 수 있는데 아주 불가능한 작업은 아니다. 컴프레샤의 회전축(rotor) 또는 크랭크샤프트 자체에는 조립체로서 기본적인 고유주파수가 있고 또한 각 블레이드나 베인(vane)도 자체의 공진주파수가 존재한다. 그래서 작동주파수와 날개주파수가 이러한 고유주파수들과 일치하지 않도록 해야 한다.

컴프레샤의 구동부는 강제주파수를 발생하고 이 것 또한 컴프레샤의 고유주파수를 가진시키지 말아야 한다. 컴프레샤는 구동부에 직결커플링으로 연결되므로 구동부의 작동주파수와 컴프레샤의 1X RPM이 같다. 따라서 모터에서 발생하는 Imbalance, Angular Misalignment, Bent Shaft 등도 컴프레샤로 그대로 전달되기 마련이다. 흡입과 토출측 파이프의 고유주파수 또한 압축기의 강제력 특히 stall(선회실속)이나 서어지(surge)상태에서 비롯된 강제력과 공진을 일으킨다.

 

느슨한 베어링과 풀린 볼트 등은 시스템의 강성을 변화시켜 높은 진동을 유발시킬 수 있다. 또한 축상의 회전체의 loose (Wheel bore와 축사이의 과도 Clearance)는 작동 중 축이 shift 되어서, 적절한 balancing작업을 수행할 수도 없게 되니 이를 잘 유념하여 진단하여야 한다.

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키워드	압축기의 진동진단, 컴프레샤의 공진, 컴프레샤의 기계적이완, 헐거움, Looseness

 

압축기(Compressor)-결함유형5-콤프레샤의 진동분석 순서

압축기(Compressor)-결함유형5-콤프레샤의 진동분석 순서

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 진동이 크다고 진동량(Overall)만을 알려주고 원인을 분석해달라고 요청하는 분들이 있다. 또는 스펙트럼데이타를 보내주고 진단진단을 의뢰하는 경우도 있다. 그리고 또 다른 관리자분들은 이력데이타, 측정데이타를 모두 주고 최적의 대책을 위한 객관적인 의견을 묻는 경우도 있다. 그런데 이 모든 경우에 질문자의 수준만을 판단할 수 있고, 간단한 지식을 묻는 경우에만 대답할 수 있을 뿐, 현장을 확인하지 않았기 때문에 진정한 도움을 줄 수는 없다는 것을 정확히 알지는 못한다. 대한민국의 약점은 아직 이것이다. 컨설팅에 대한 의뢰와 솔루션이 쉽게 할 수 있고 무료로 해 줄 수도 있는 것이라는 것에 익숙하다는 것이다. 한 번 취득하여 같은 실수가 나오지 않는 솔루션이라면 큰 대가를 지불해도 아깝지 않아야 한다. 프로는 단순히 움직이지 않는다. 그리고 진정한 프로라면 현장을 반드시 확인한다.

Compressor결함진단- 진동분석절차

진동분석과 진동문제들의 해답도출은 다분히 논리적인 절차가 필요하다. 분석가는 가진원인분석에 근거하여 필요한 정보를 모아야 하는데 무작위 데이터가 좋은 것만은 아니므로 다음의 순서를 참조하는 것이 좋다.

1.     문제를 정의하기-무엇이 문제이고 어디가 어떻게 증상을 나타내는지 그리고 얼마만큼 심각한 문제인지를 알고 사용자와 함께 공유하여야 한다. 이 때 주의할 점은 한 번에 하나의 문제를 풀도록 노력하여야 하고 다중의 문제가 있는 경우에는 가장 심각한 것부터 해결한다는 원칙이 중요하다.

2.     시스템을 조사하기-시스템의 상태를 확인하기위해 반드시 현장을 살펴보고 마모나 크랙 그리고 looseness(기계적이완)을 관찰한다. 기계요소의 수와 형식(커플링, 베어링, 모터 등등)을 확인하고 기계데이타(클리어런스, 직경, RPM, 지지구조 등)을 취득한다.

3.     정적인 데이터 취득하기-시스템내부요소(축, 베어링지지축, 하우징, 베이스, 날개 등)의 공진여부를 경험예측(수치계산)한다. 그리고 필요하면 챠트를 확인하여 컴프레샤의 가진원인분석을 위한 가진주파수를 조사한다(베어링결함주파수, 날개통과주파수 등). 시스템의 축정렬을 확인하고 배경진동(Back ground vibration)을 조사 또는 측정한다.

4.     동적인 데이터 측정하기-기계가 시동하는 동안 진동데이타를 취득하고 정상하중에서 측정하고 또한 기계를 멈추는 동안에 시간파형과 주파수데이타를 모두 취득한다.

5.     가진원인을 분석하기-위의 3번사항에서 조사한 주파수 중에서 가장 심각한 것을 판단한다. 또한 동기성주파수인지, 비동기성인지 또는 sub주파수군의 파악을 한다. 시간파형에서 중요한 근거자료인 충격파형이나 비주기성 또는 비대칭성여부를 확인한다.

키워드	압축기의 진동진단, 스펙트럼분석, 진동분석, 진동문제컨설팅.

 

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