Flow-Induced Vibration
불평형, Misalignment, 공진 등과 같은 기계적 진동과는 달리 유체에 의한 진동은 흔히 운전 조건에 많은 영향을 받는다. 즉 이것은 기계의 형식에 따라 부하에 의해 또한 기계에 의하여 수행되는 일에 의해서도 영향을 받는다. 유체에 의한 진동은 다음의 경우를 포함한다.
• 수력학적 및 공기역학적 힘
• 케비테이션 및 Starvation
• 재순환
• 난류
• Surge
• Choking
이들의 각 현상은 극히 높은 에너지를 발생시키므로 적절한 설계와 운전으로 이를 피하여야 한다. 또한 이들은 부하와 기타 운전조건에 따른 특별한 진동 주파수를 발생시킨다. 다음에 유체에 의한 진동의 각 종류에 대하여 설명한다.
7.1 水力學的 및 空氣力學的 힘 (Hydraulic and Aerodynamic Forces)
펌프, 송풍기, 터빈, 진공 펌프 등을 포함한 여러 가지 형식의 기계는 임펠러가 취급하는 유체(액체나 기체)에 일을 시작할 때 수력학적 혹은 공기역학적 힘을 발생시킨다. 대부분의 경우에 유체 역학적 혹은 공기역학적 힘으로부터 발생된 진동은 만약 그것이 고유 진동수를 가진 시키지 않는다면 비록 케비테이션으로 알려진 잠재적 파괴현상이 발생하거나 혹은 임펠러 자체에 의하여 발생된 진동이 과도하게 커져서 고가의 기계부품을 크게 진동시킨다 하더라도 문제가 되지 않는다. 또한 Blade Pass Frequency의 진동이 갑자기 뛰면 기계의 회전부에서 어떤 좋지 않은 상황이 발생하고 있음을 나타내는 것이며 이에 대해서는 다음에 설명한다.
일반적으로 수력학적 혹은 공기역학적 힘은 다음 공식과 같이 발생한다.
Blade (혹은 베인) Pass Frequency = # 베인 × 임펠러 RPM (cpm 혹은 ㎐)
이들 힘은 Blade(베인)가 근접한 고정체(디퓨져 베인이나 Discharge Volute와 같은)를 통과할 때 발생하는 압력 변동 혹은 맥동에 기인한다. 즉 사람이 공간의 고정점에 위치하여 6개의 날개를 가진 펌프 임펠러를 보고 있다면 그는 임펠러가 한 회전할 때마다 6개의 맥동을 느낄 것이다 (이 경우 회전당 6개의 Event).
수력학적 및 공기역학적 강제 진동의 특징은 다음과 같다.
① 만약 임펠러가 하우징 안에서 중심에 위치하지 못하고 디퓨져와 적절히 정렬되지 않으면 Blade Pass Frequency와 그 고조파에서 큰 진동이 발생할 것이다. 예를 들어 만약 임펠러와 디퓨져 베인 사이의 간격이 한쪽은 0.25 inch이고 다른 한쪽은 0.5 inch이면 일련의 모든 Blade Pass Frequency에 걸쳐서 높은 진동이 발생할 수 있다. 전 원주에 걸친 간극도 특별한 설계상의 이유가 없는 한 같아야 한다 (특별한 형식의 펌프와 Fan의 경우 원주 방향의 간극이 다르도록 설계되어 있다).
② Blade Pass Frequency와 그 고조파가 로터나 지지 구조물의 고유 진동수와 일치하지 않도록 하는 것이 중요하다. 만약 이렇게만 하면 과도한 진동은 발생하지 않을 수 있다.
③ 만약 디퓨져 베인을 잡아주는 용접부가 손상되어 디퓨져의 위치가 임펠러와 상대적으로 변하면 Blade Pass Frequency 진동이 크게 증가한다. 이 상대적 위치 변화가수력/공기 역학적 유동에 영향을 주는데 이를 주기적으로 측정하면 진동 스펙트럼의 경향을 보여주는 Waterfall에서 분명하게 나타난다. 이러한 예를 그림 10-22에 나타내었다. 아래쪽 Plot을 보면 Blade Pass Frequency인 14,310 cpm (16×RPM)의 진동이 한 측정과 다음 측정 사이에 0.01에서 0.1 in/sec로 약 10배 증가했음을 알 수 있다. 디퓨져 용접부 피로에 의하여 그 다음 측정시에는 0.193 in/sec로 약 2배 증가하였다.
④ Blade Pass Frequency 진동의 큰 증가는 펌프 Impeller Wearing Ring이 축에 눌러 붙을 때도 발생될 수 있다.
⑤ 어떤 특별한 형식의 Fan은 Blade Pass Frequency 진동이 Damper Setting에 아주 민감하게 발생한다. 다시 말하면 이들 Fan에서 Damper Setting만 바꾸어도 Blade Pass Vibration에 큰 영향을 미친다. 여기에서 만약 진동값이 대부분의 Blower에서 약 0.30에서 0.40 in/sec Peak를 초과하지 않으면 기계 부품에 특별히 파괴적이지는 않다
⑥ 회전하는 베인과 고정된 디퓨져로 구성된 원심 펌프에서 발생될 수 있는 또 다른 주파수는 Blade Rate Frequency(BRF)로 알려져 있다. Blade Rate Frequency는 회전 및 고정 베인이 서로 일치하는 수 및 율과 관계가 있다. 그것들이 일치할 때 회전 및 고정 베인 사이의 유체(가스 혹은 액체)의 압축에 기인한 Pulse가 발생할 수 있다. 베인의 두 Set 이상이 동시에 일치할 때 발생하는 이들 Pulse는 하나의 회전 및 고정 베인이 서로 일치할 때보다 훨씬 더 클 수 있다. 이것이 서로 공통 분모를 가지도록 회전 베인과 디퓨져의 수를 정하는 것이 좋지 않은 이유이다. Blade Rate Frequency(BRF)는 다음과 같다.
여기서 BRF ＝ Blade Rate Frequency (cpm or ㎐)
K ＝ 임펠러 베인 수와 디퓨져 베인 수의 최대공약수
예를 들어 만약 임펠러 베인의 수가 18개이고 디퓨져 베인의 수가 24개인 기계가 있다면 K는 6이 되므로 BRF는 다음과 같이 된다.
그러므로 BRF(72×RPM)는 이 경우 BPF(18×RPM)의 4배가 된다. 그리고 위에서 언급한 것처럼 이 기계는 임펠러와 디퓨져 베인의 한 쌍 이상이 서로 일치할 수 있기 때문에 더 높은 맥동이 발생할 수 있다 (이 경우 6개의 임펠러 베인이 0˚, 60˚, 120˚, 180˚, 240˚, 300˚의 각도에서 동시에 반대측 베인과 정확히 일치한다). 대신에 임펠러 베인의 수를 17로 하던가 디퓨져 베인의 수를 25개로 하면 어떤 경우에도 임펠러와 디퓨져 베인의 한 쌍 이상이 서로 일치하지 않기 때문에 기계는 훨씬 낮은 진동으로 운전될 것이다.
7.2 케비테이션 및 Starvation
케비테이션은 원심펌프에서 일반적으로 발생되는 문제이며 펌프 내부부품에 손상을 줄 수도 있다. 계속적인 케비테이션이 발생하는 펌프에는 임펠러에 심한 Pitting과 Erosion이 발생한다. 어떤 경우에는 임펠러 베인을 완전히 침식시키기도 한다.
케비테이션은 대부분의 경우 펌프가 과부하나 낮은 흡입압력으로 운전될 때 발생한다. 본질적으로 펌프의 흡입이 부족하므로 펌프로 유입되는 유체는 그것이 빈 공간을 채우면서 말 그대로 거의 끌려 들어온다. 때문에 거의 진공인 Pocket이 형성되었다가 급격히 파괴된다. 이들 Pocket이 파괴될 때의 충격이 임펠러와 그 주위 부품의 국부적 고유 진동수를 가진 시킨다. Pocket의 파괴는 부정기적인 간격으로 펌프나 연결 파이프 전체에 걸쳐서 발생되기 때문에 진동의 진폭과 주파수 모두 아주 불규칙하게 발생된다.
그림 10-22 디퓨져 베인(베인이 16개인 Fan)을 안전하게 하는 용접부의 피로에 의한 높은 Blade Pass 진동 발생
케비테이션은 다음과 같은 특징을 나타낸다.
① 케비테이션을 나타내는 전통적인 스펙트럼은 약 20,000 cpm에서 120,000 cpm까지의 주파수 범위에서 무작위의 넓은 에너지 밴드를 갖고 있다. 이것은 특정한 주파수 성분을 갖지 않는 혹은 때때로 Vane Pass Frequency가 포개어 나타난 “White Noise”로 나타나기도 한다. 즉, 수 개의 Blade Pass Frequency 고조파가 때때로 더 높은 주파수의 진동과 함께 나타난다.
② 케비테이션이 발생하면 초음파 측정치(Spike Energy, HFD, Shock Pulse 등)를 증가시킨다. 그림 10-23은 케비테이션 문제를 나타내는 스펙트럼이다. 불규칙 광대역 진동뿐만 아니라 펌프 양측 베어링(3H와 4H 둘 다 Spike Energy에서 경보 상태에 있다)에서 높은 Spike Energy가 있음을 유의하여 볼 필요가 있다. 정상적으로 케비테이션은 펌프 양측 베어링에서 높은 Spike Energy를 발생시키는 반면 윤활이나 베어링의 마멸에 의한 경우의 Spike Energy는 오직 문제가 발생한 베어링에서만 발생한다.
③ 케비테이션은 흔히 독특한 소음을 발생시킨다. 가벼운 케비테이션은 통상 모래가 Pumping되는 듯한 소리를 내며, 반면 심한 케비테이션은 실제로 자갈이 펌프를 통과하는 것과 같은 소리를 낸다(그러므로 만약 진동 분석자가 펌프 진동진단 중 이러한 소리를 들었으면 즉시 이를 기록하여야 하며 또한 Data Collector를 사용하고 있으면 이를 Inspection Code로 입력하여야 한다. 그 다음 사무실로 돌아가서 무작위의 고주파 진동과 비정상적인 소음의 기록을 보면 진동 진단의 정확성을 훨씬 높일 수 있다).
④ Starvation은 케비테이션의 현상을 공기역학에서 사용하는 용어이다. 이것은 케비테이션과 같이 Fan 용량과 관련하여 공기 유량의 부족을 의미한다. 통상 이것은 Damper Setting과 관계되나 때때로 장비의 부적절한 사용에 기인하기도 한다. 전형적인 Starvation Spectrum은 거의 케비테이션의 Spectrum과 일치하는데(높은 주파수와 에너지 밴드의 넓음) 이것은 때때로 Fan 자체뿐만 아니라 흡입 및 출구 Duct의 고진동을 발생시킬 만큼 높을 수 있다.
그림 10-23 물 공급 펌프에서의 케비테이션 발전 과정
7.3 再循環 (Recirculation)
펌프의 경우 재순환은 케비테이션의 반대되는 현상이다. 재순환은 펌프가 너무 낮은 유량으로 혹은 너무 높은 흡입압력으로 운전될 때 발생할 수 있다. 이것이 발생하면 펌프가 과도한 유량을 펌프를 통하여 보내려고 하기 때문에 유체의 일부가 출구로부터 임펠러로 되돌아온다. 이 때문에 역류가 발생하여 2개 이상의 유체가 반대 방향으로 유동하여 소음과 진동을 발생시킨다. 재순환은 다음과 같은 특징을 나타낸다.
① 재순환에 의하여 발생된 진동의 스펙트럼은 케비테이션에 의한 진동 스펙트럼과 매우 유사하다. 즉 이것은 무작위의 고주파 진동을 발생시키는데 때로는 Vane Pass Frequency와 중첩되어 나타난다.
② 케비테이션과는 달리 재순환은 펌프 부품의 침식이나 마멸을 발생시키지 않는다. 그렇지만 만약 진동이 과도해지면 베어링, Wearing Ring, Valve 등 관련 부품의 손상을 발생시킨다.
7.4 亂流 (Flow Turbulence)
난류는 어떤 원인으로 펌프, Fan, 압축기 혹은 진공펌프 등에서 액체나 기체의 정상적인 유동이 방해를 받을 때 발생한다. 이러한 난류는 Duct나 파이프 등에 직경의 급격한 변화나 급격한 방향 전환부와 같은 장애물이 존재할 때도 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 장애물 제거 즉, 급격한 방향 전환이 이루어지는 곳에서는 Turning Vane을 설치하고 Duct나 파이프의 단면적이 변해야 하는 곳에서는 직경이 완만하게 변하도록 하여야 한다.
그림 10-24는 난류를 나타내는 전형적인 스펙트럼이다. 난류는 다음과 같은 특징을 나타낸다.
① 때로는 불규칙한 고주파 진동이 발생되기도 하나 일반적으로 1×이하의 불규칙한 저주파 진동이 발생한다. 문헌에 의하면 난류는 Fan이나 Blower의 경우 기계, 구조물 혹은 덕트 등의 고유 진동수와 일치하는 약 50 cpm에서 2000 cpm의 범위에 집중된 불규칙한 저주파 진동을 발생시키며, 펌프의 경우에는 Wearing Ring, Seal 혹은 Balancing Disc, Drum 등의 문제에 의한 수력학적 불안정의 경우에 0.55×에서 0.78× 범위의 진동이 여진 됨을 보여주고 있다.
② 난류 진동의 진폭 및 주파수는 불규칙적이며(Erratic) 때로는 맥동 한다.
③ 때로는 기계에서의 진동치가 상대적으로 낮음에도 난류에 의하여 발생된 소음은 클 수 있다. 그 이유는 난류 자체의 조건이 기계밖에 존재하기 때문이다.
그림 10-24 Blower에서 발생된 난류 문제
7.5 Surge
고속의 원심 혹은 축류 압축기에서 문제가 되는 가장 중요한 것 중의 하나는 Surge이다. 전형적으로 압축기에서 Surge의 발생은 설계 범위를 벗어난 상태로 운전하는데 기인하는 경우가 대부분이다. Surge는 출구 압력이 너무 높을 때 혹은 특정 운전속도에서 체적 유량이 설계치와 비교하여 너무 낮을 때 발생한다. Surge가 발생하면 압축기에서 가스의 유동은 역방향으로 발생한다. Surge 현상이 경미할 때 이러한 역방향 유동은 오직 Impeller Blade의 경계층에서만 발생한다. 그렇지만 Surge가 심해지면 전 유체의 유동이 역방향으로 되어 출구에서 입구 쪽으로의 흐름이 발생한다. Surge는 대형 손상을 발생시킬 수 있기 때문에 압축기에서 필히 방지하여야 한다. 다행히 근래에는 여러 가지 전자제어에 의한 기계 내부의 즉각적인 조정으로 Surge를 방지하는 것이 가능케 되었다. Surge는 다음과 같은 특징을 나타낸다.
① 경미한 Surge가 발생하면 수초 내에 Blade Pass Frequency와 이의 조화파를 크게 증가시킨다. 이 경우 Blade Pass Frequency의 진폭이 2배, 심지어는 3배에 달할 수도 있다.
② Surge가 심해지면 전 Spectrum의 진동을 상승시킨다. 즉 Spectrum의 전 “Noise Floor”가 올라가 진폭이 커지며 불규칙한 응답이 넓은 주파수 범위에 걸쳐서 나타난다. 이는 압축기 내에서 난류가 Impeller Wheel, Rotor Blade, 디퓨져 Blade, Casing, Shaft, 기어 및 기타 부품의 고유진동을 가진 시키기 때문이다. Surge 발생을 방지하지 않으면 짧은 기간 내에 압축기를 파괴시킨다.
7.6 Choking
Choking(때때로 “Stone Walling” 이라고 불려짐)은 압축기에서 Surging의 반대되는 현상이다. Choking은 출구압력이 너무 낮아 디퓨져 Section에서의 속도가 높아질 때 발생한다. 유동속도가 Mach 1에 달하면 디퓨져 Blade 사이에 와류가 발생하고 이로 인하여 유체 흐름의 폐쇄 효과가 발생한다. 이렇게 되면 와류에 의하여 진동이 상승할 뿐만 아니라 압축기 효율과 압력비가 크게 감소한다. Choking이 발생하였을 때 진동 스펙트럼은 Surge의 그것과 아주 유사하다. 그러므로 정확한 원인을 규명하기 위하여 압력, 질량 유량 등의 운전 변수를 점검하여야 한다.