Types of Unbalance
앞에서 불평형이란 회전체의 회전 중심선에 대하여 회전체 무게의 불균일한 분포라고 정의하였다. 한편 불평형은 회전 중심선과 회전체의 주관성축선(Central Principal Axis)이 같지 않을때 있게 되는 상태라고도 정의할 수 있다.
주관성축선이란 회전체의 무게가 균등하게 분포되어 있는 질량 중심선이며 회전체가 원활하게 회전하는 축선이라고 생각할 수 있다. 만일 회전체가 베어링 내에서 제약을 받으면 회전 중심선과 주관성축선이 일치하지 않게 될 때 진동이 발생한다.
실제로 회전체의 불평형 형태에는 회전체에 존재하는 불평형 형태에 따라 4가지 즉 Static(또는 Force 또는 Kinetic), Couple, Quasi-Static 및 Dynamic Unbalance가 있으며 2개 이상의 교정면에서 발란싱이 필요하다.
2.1 정적 불평형 (Static Unbalance)
Static Unbalance는 그림 3-7과 같이 주관성 축선이 회전 중심선과 평행하게 놓인 불평형 상태이다. Static Unbalance는 때로는 Force 또는 Kinetic Unbalance라고 불리우며 평행한 두 개의 Knife Edge 위에 회전체를 놓았을 때 회전체의 무거운쪽이 아래로 내려오게 될 것이다. 교정 Weight는 필요한 만큼 추가하거나 제거할 수 있으며 이 회전체는 그것이 놓인 위치에 관계없이 Knife Edge 위에서 회전하지 않을 때 정적으로 Balance 되었다고 한다.
Static Unbalance는 축 또는 베어링에서의 진폭과 위상을 비교하므로써 알아낼 수도 있다. 실제로 Static Unbalance라면 양쪽베어링에서나 축에서 측정한 진동진폭과 위상치가 똑같게 나타날 것이다. 그러나 Overhung Rotor에 대해서는 이것이 적용되지 않는다. 또 위험속도에서는 진동이 높으나 정격속도 부근에서는 낮다.
그림 3-7 Static Unbalance
Static Unbalance에는 2가지 형태가 있다. 하나는 그림 3-7에서와 같이 불평형 Weight가 회전체 중앙에 위치한 Mid Span Static Unbalance이고 다른 하나는 동일한 크기의 불평형 Weight가 회전체 양쪽 끝에 동일한 위치에 있는 Pair Static Unbalance 이다. 이 두 경우는 진동특성이 같아 교정방법도 같다. 이 경우에는 불평형 Weight의 반대편 180° 위치에 동일한 크기의 Weight를 달면 교정된다. Mid Span Unbalance를 교정하는 경우 Mid Span에 교정 Weight를 다는 대신에 Pair Static Unbalance 교정방법인 양쪽 끝에 같은 크기의 교정 Weight를 달아도 되며 이 반대의 경우도 성립한다.
Static Unbalance는 다음과 같은 특징을 나타낸다.
① 1×RPM에서 불평형력은 일반적으로 양쪽 베어링 하우징상에 거의 동일하게 나타난다 (그러나 수평과 수직에서의 응답은 각 방향에서의 지지강성에 의해 다소 다르게 나타날 수도 있다).
② 순수한 Static Unbalance라면 동일 축의 내측 및 외측 베어링에서의 수평위상은 같을 것이다 (즉, 축의 양끝이 같이 움직이므로 만약 외측 베어링 수평위상이 6시 방향이라면 내측 베어링의 수평위상도 약 6시 방향이어야 한다).
③ 마찬가지로 동일 축에서는 외측 베어링 수직위상은 내측 베어링의 수직위상과 거의 같다.
④ Static Unbalance는 무게중심을 통해 동작하는 Counterweight를 가지고 1면 교정만으로도 된다.
⑤ 내-외측 베어링 수평 위상차는 수직 위상차와 거의 같아야 하며, 만약 불평형이 우세하면 커플링 전후의 위상변화는 작아야 한다 (60°～90°이하).
2.2 커플 불평형 (Couple Unbalance)
Couple Unbalance는 주관성축이 회전체의 무게중심에서 회전 중심선과 교차하는 Unbalance 상태이다.
“Couple”이란 다른 교정면에서 서로 반대 방향으로 작용하는 두 개의 평형한 힘이다. 따라서 Couple Unbalance는 그림 3-8과 같이 회전체의 양끝에서 반대 방향으로 동일한 Heavy Spot에 의하여 생긴 상태이다. Static Unbalance와는 달리 Couple Unbalance는 Knife Edge 위에 물체를 놓으므로서 알아낼 수 없고 회전체가 회전할 때 축 또는 베어링에서의 진폭과 위상을 비교하므로써 확인할 수 있다.
회전체의 불평형이 Couple Unbalance라면 양쪽끝의 축 또는 베어링에서 진동진폭은 같으나 위험속도에서는 낮고 정격속도 부근에서는 높다. 그리고 위상은 180°차가 난다. 이 내용은 Overhung Rotor에는 적용되지 않는다.
Single Plane에서 교정될 수 있는 Static Unbalance와는 달리 Couple Unbalance는 Two Plane에서만 Unbalance 상태를 교정할 수 있다.
순수한 Static 또는 순수한 Couple Unbalance를 갖는 경우는 드물다. 통상적으로 불평형된 회전체는 이 두 형태의 특성을 어느 정도 갖고 있다.
그림 3-8 Couple Unbalance
Couple Unbalance는 각각 다음과 같은 특징을 나타낸다.
① Couple Unbalance는 내․외측 베어링 하우징에서 1×RPM의 높은 진동진폭이 나타나는데 한 베어링에서의 진폭이 다른 베어링 진폭보다 다소 크게 나타날 수도 있다.
② 상당한 크기의 Couple Unbalance는 때때로 높은 축 방향 진동을 발생시킨다.
③ 내․외측 베어링 사이의 수평 위상차는 대략 180°가 된다 (Rocking Motion이 양끝에서 서로 반대로 움직이기 때문에 외측 베어링의 수평위상이 6시 방향이라면 내측 베어링의 수평위상은 거의 약 12시 방향이 될 것이다).
④ 마찬가지로, 내․외측 베어링의 수직 방향 위상차도 거의 180°이다.
⑤ Couple Unbalance에 대하여 위상이 어떻게 작용하는지를 보여주는 그림 3-6의 표 B를 참조하라. ①과 ②의 위치 사이에서 수평성분 위상차(210°-30°)는 180°이며, 수직 성분 위상차(295°-120°)는 175°임을 주목하라. 만약 문제가 Couple Unbalance라면(Misalignment가 아니라면) 수평과 수직성분의 양 위상차는 서로 거의 같으며 둘 다 내․외측 베어링 사이에서의 위상차는 대략 180°이다.
2.3 쿼지-정적 불평형 (Quasi-Static Unbalance – Single Unbalance)
Quasi-Static Unbalance는 주관성축이 회전체의 무게중심이 아닌곳에서 회전 중심선과 교차되는 상태이다. 이 형태의 불평형은 그림 3-9에서 보는 바와 같이 Static과 Couple Unbalance의 조합으로 생각할 수 있다. 그림 3-9에서 Mid Span Weight는 Pair Weight로 분배할 수 있으므로 한쪽 회전체 끝에서는 Weight가 서로 반대 방향으로 있게되어 자체 발란스가 된 상태이고 반대쪽 회전체 끝에는 Weight가 2배로 되어 마치 한쪽끝에만 Weight가 있는 상태가 되어 Single Unbalance라고도 한다.
Quasi-Static Unbalance(Single Unbalance)의 경우는 위험속도 및 정격속도에서 진동이 높다. 특히 불평형이 된 교정면에서는 더욱 높다. 또 양베어링에서의 위상은 위험속도까지는 Static Unbalance의 경우에서처럼 동상(0°)이나 정격속도 부근에서는 Couple Unbalance의 경우에서처럼 역상(180°)이다.
그림 3-9 Quasi-Static(Single) Unbalance
2.4 동적 불평형 (Dynamic Unbalance)
Dynamic Unbalance는 가장 일반적인 형태의 불평형이며, 주관성축과 회전 중심선이 일치하거나 만나지 않는 불평형이다. 이 형태의 불평형은 Static 및 Couple Unbalance가 존재하지만 Static 성분이 어떠한 Couple 성분과도 일치하지 않는 곳에 있는 경우이다. 그 결과 그림 3-10에서와 같이 주관성축은 회전 중심선과는 어느 곳에서도 교차되지 않는다.
일반적으로 Dynamic Unbalance 상태는 서로 같지도 않고 정반대도 아닌 위상차를 나타낸다. 이 형태의 불평형은 최소 2개의 교정면에서 Weight 교정을 해야 발란스될수 있다.
Dynamic Unbalance는 각각 다음과 같은 특징을 나타낸다.
① Dynamic Unbalance는 1×RPM에서 높은 진동이 발생하지만, 외측 베어링에서의 진폭은 내측 베어링 위에서의 진폭과 약간 다르게 나타날 수 있다. 다른 중요한 문제가 나타나지 않는 한 진폭의 크기가 동일하거나 약 3:1 이하가 되어야 한다.
② Static 및 Couple Unbalance와 같이 Dynamic Unbalance가 주성분일 때도 위상은 여전히 안정된 상태이고 재현성이 있다.
그림 3-10 Dynamic Unbalance
③ 비록 내측 및 외측 베어링 사이의 수평 방향 위상차가 0°에서 180°이지만, 수직 방향의 위상차도 거의 같아야 한다. 예를 들면 만약 수평 방향의 위상차가 약 60°라면, 수직 방향의 위상차도 약 60°(±30°)로 마찬가지라는 것을 그림 3-6의 표 C에 나타내고 있다. 이 예제에서 ①과 ②의 위치에서의 수평 및 수직 방향의 양 위상차가 약 60°이고 커플링 전후의 위상차는 180°에 가깝지 않다는 것에 주목하라. Dynamic Unbalance는 최소 2개 교정면에서 교정을 해야 한다.
④ Static 또는 Couple Unbalance가 주성분이든 아니든 간에 ①과 ②번 베어링에서의 수평 방향 위상차는 이들 두 베어링 수직 방향의 위상차와 거의 같다 (만약 수평 방향의 위상차가 약 150°에서 큰 Couple Unbalance가 보여지면 수직 방향의 위상차도 역시 거의 150°가 될 것이다).
2.5 매달린 축 불평형 (Overhung Rotor Unbalance)
그림 3-11은 Overhung Rotor를 나타낸다. 이 경우에, 구동되는 로터는 ①과 ②의 베어링 외측에 설치되어 있다 (베어링 사이에 위치한 로터는 단순지지 로터로 알려져 있다). Overhung Rotor들은 여러 가지 재미있는 진동 징후들을 발생시킬 수 있으며, 발란싱을 시도하는 분석가에게 실제 문제로 종종 나타난다.
Overhung Rotor들의 특징은 다음과 같다.
① Overhung Rotor는 1×RPM에서 반경 방향의 진동진폭보다 큰 축 방향 진동을 일으킬 수 있는 축 방향의 힘을 발생시킬 수 있다.
② Overhung Rotor는 Static Unbalance에 추가하여 더 큰 Couple Unbalance를 발생하며, 이들 둘 다 교정되어야 한다.
③ 그림 3-11에 의하면, Overhung Rotor의 순수한 불평형 성분 때문에 ①번 베어링에서의 Axial Phase는 ②번 베어링의 Axial Phase(±30°)와 거의 같을 것이다. 여기서 이 위상차는 Misalignment나 공진과 같은 다른 것들에 비해서 불평형 문제가 얼마나 우세한가에 따라 다르다.
④ 일반적으로 Overhung Rotor Unbalance는 먼저 Static Unbalance 성분을 없애고, 그 다음에 서로 180° 반대인 2면에서 교정 Weight를 달아 Couple 성분을 없애 교정될 수 있다.
그림 3-11 Overhung Rotor의 진동측정