5MW급 발전용 가스터빈을 개발하기 위해 주요 구성품 중의 하나인 압축기의 성능을 시험 평가하고자 하며, 이를 위한 사전 작업으로 압축기 시험 리그의 진동 특성을 분석하여 압축기 운전시 구동 방법에 대한 정보를 확보하였다. 압축기 시험 설비는 입 출구 배관과 시험부 및 구동부로 구성되어 있고, 특히 구동부와 시험부에서 가속도계를 이용하여 진동 특성을 계측하였다. 압축기 주 하우징과 콜렉터, 베어링캐리어, 토크미터, 기어박스, 전동 모터 등에 가속도계를 장착하여 진동 속도 및 주파수 분석을 수행하였다.
5MW급 발전용 가스터빈을 개발하기 위해 주요 구성품 중의 하나인 압축기의 성능을 시험 평가하고자 하며, 이를 위한 사전 작업으로 압축기 시험 리그의 진동 특성을 분석하여 압축기 운전시 구동 방법에 대한 정보를 확보하였다. 압축기 시험 설비는 입 출구 배관과 시험부 및 구동부로 구성되어 있고, 특히 구동부와 시험부에서 가속도계를 이용하여 진동 특성을 계측하였다. 압축기 주 하우징과 콜렉터, 베어링캐리어, 토크미터, 기어박스, 전동 모터 등에 가속도계를 장착하여 진동 속도 및 주파수 분석을 수행하였다.
Vibration analysis of a turbo compressor test rig was carried out in order to investigate the vibrational characteristics of the compressor facility in KARI before conducting the compressor performance test of 5MW-class gas turbine engine for generation. The overall compressor test facility consists...
Vibration analysis of a turbo compressor test rig was carried out in order to investigate the vibrational characteristics of the compressor facility in KARI before conducting the compressor performance test of 5MW-class gas turbine engine for generation. The overall compressor test facility consists largely of inlet and exit ducts, a test section and a driving part. Vibration was measured with accelerometers at the test section and the driving part, especially at a main housing, a collector, a bearing carrier, a torquemeter, a gearbox, and an electric motor. Gap sensors are also installed to measure the rotordynamic characteristics of compressor shaft.
Vibration analysis of a turbo compressor test rig was carried out in order to investigate the vibrational characteristics of the compressor facility in KARI before conducting the compressor performance test of 5MW-class gas turbine engine for generation. The overall compressor test facility consists largely of inlet and exit ducts, a test section and a driving part. Vibration was measured with accelerometers at the test section and the driving part, especially at a main housing, a collector, a bearing carrier, a torquemeter, a gearbox, and an electric motor. Gap sensors are also installed to measure the rotordynamic characteristics of compressor shaft.
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문제 정의
압축기 성능시험을 수행하기에 앞서 시험리그의 진동 분석을 통해 압축기를 안정적으로 운전할 수 있는지에 대한 연구를 수행하였다.
압축기의 설계 회전수는 8940 rpm이지만, 설계값까지 압축기 속도를 증가시키기 전에 공진 모드가 존재하여 본 연구를 통해 이 문제를 해결하고자 하였다. 시험리그 진동 모드의 주요 주파수는 7200~7400 rpm 영역의 모터 진동에 의한 75 Hz 부근과 8600~9000 rpm 영역의 압축기 축진동에 의한 90 Hz 부근, 그리고 모터 회전수 12차 성분이 90 Hz 근방일 때 기어박스에 의해 2차적으로 발생하는 영역으로 추정되는 150 Hz 부근이다.
이러한 압축기의 성능시험과 불안정 영역 확보를 위해 한국항공우주연구원의 압축기 시험 설비를 활용하여 시험리그를 구축하였고, 성능시험에 대한 사전 작업으로 회전체에 대한 동특성 해석과 압축기 운전 조건에 따른 시스템 진동 특성을 파악하고자 하였다.
제안 방법
간극센서를 사용하여 축변위를 계측함과 동시에 가속도계를 사용하여 시험리그의 주요 부품에서의 진동속도를 측정하였다.
간극센서를 축의 전·후단에 설치하여 진동변위를 계측하였고, 임펠러(impeller)의 후연(trailing edge) 날개 끝에 운전 익단간극센서(running tip clearance sensor)를 장착하여 접촉 마모(rubbing)가 발생하지 않도록 모니터링 하였으며, 3축 가속도계를 시험리그 주요부에 장착하여 시스템 진동을 계측하였다.
본 연구에서는 회전축계 전·후단에 각각 x, y, z축 방향으로 간극센서를, 시험부의 주하우징(main housing) 및 콜렉터, 또는 베어링 캐리어, 토크미터, 기어박스, 전동 모터 등에 4개의 3축 가속도계를 장착하여 진동 시험을 수행하였다.
압축기 성능시험을 수행하기에 앞서 시험설비의 진동 특성을 조사하였는데, 구동부(모터 및 기어박스)의 진동 모드가 시험설비 베드를 통해 압축기 리그에 전달됨을 확인하였고, 베드 지지대의 진동 특성을 감쇠시키기 위해 보강 작업을 수행하였다. I-형 철강으로 구성된 베드의 강성을 증가시키기 위해 콘크리트 타설 작업을 하였고, 그 결과 고유 진동수(natural frequency)에서의 진폭이 상당히 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
압축기 시험설비의 진동 특성을 분석하기 위해 4차례에 걸쳐 진동시험을 수행하였고, 각 시험 방안은 아래와 같다.
압축기의 성능시험을 수행하기 위해 온도 및 압력을 측정하는 계측기(5)를 선정하는 것과 마찬가지로 압축기 시험리그의 진동 분석을 수행하기 위해 본 연구에 적합한 간극센서(gap sensor)와 가속도계(accelerometer)를 선택하여 활용하였다.
그림 5를 보면, Bently 사의 간극센서 보정곡선과 마찬가지로 각 센서의 선형성이 잘 나타나고 있다. 이러한 간극 센서의 출력값은 NI(National Instruments) 사의 PXI DAQ 장비를 통해 디지털 신호로 변환된 후 저장매체에 수집되며, 그림 6에 도시한 바와 같이 실시간 모니터링을 통해 문제 발생시 곧바로 정지할 수 있도록 하였다.
이러한 압축기 성능시험설비의 회전체 동역학적 진동 특성을 조사하기 위해 가속도계를 이용하여 진동 분석을 수행하였다. 그림 13과 같이 모터 축 출력부, 기어박스 출력부, 토크미터 출력부, 베어링 캐리어 및 컬렉터에 3축 가속도계를 각각 부착하여 진동속도를 계측하였고, 베드 지지대 보강에 따른 각 구성요소에서의 진동 특성 변화를 그림 14~16에 도시하였다.
진동의 원인을 찾기 위해 진동 시험을 여러 차례 진행하면서 시스템의 임계속도(critical speed)나 고유 진동수, 축정렬(alignment), 베어링 윤활유의 온도 및 압력에 따른 점도(viscosity) 등에 의한 문제를 다각도로 접근하였다. 특히 베어링 캐리어의 횡방향 진동 문제가 두드러져 이에 대한 대책 방안으로 베어링캐리어의 양 옆에 횡방향 지지대를 장착하였지만 진동을 감소시키는 최적의 방법은 아니었다.
한편 고속으로 회전하는 압축기의 성능시험은 운전 안전성이 확보되어야만 진행이 가능하므로 회전체를 지지하는 베어링부에 대하여 그 특성을 고찰하였고 구동부와 임펠러를 연결한 후 각 회전수에서의 진동을 분석하여 고속 회전에 대한 안전성을 조사하였다.
한편 주요 진동원을 구동부의 진동이 커플링으로 체결되어 직접 전달되는 진동과 시험대를 통해 간접적으로 전달되는 진동, 축정렬 및 동심도 정렬 오차에 의한 진동 등으로 구분하여 분석하였다.
대상 데이터
AEC 사의 간극센서는 본 연구에서 사용하는 원심압축기의 출구 온도가 100℃ 미만으로 이러한 온도 범위에 적합한 모델을 사용하였고, 측정 범위는 0~4 mm이며, 1 μm의 정확도를 가진다.
본 연구에서 사용된 압축기는 5MW급 발전용 가스터빈의 주요 구성품으로서 10단의 축류압축기와 1단의 원심압축기로 구성된다. 특히 상대적으로 단단(single stage)에서의 압력비가 큰 원심 압축기의 성능시험을 수행하였고, 향후 축류압축기에서 주기적으로 발생하는 후류가 원심압축기의 성능에 어떠한 영향을 미치는지 조사하기 위해 원심압축기 상단에 축류압축기 9, 10단을 장착하여 성능시험을 수행할 계획이다.
본 연구에서는 회전축계 전·후단에 각각 x, y, z축 방향으로 간극센서를, 시험부의 주하우징(main housing) 및 콜렉터, 또는 베어링 캐리어, 토크미터, 기어박스, 전동 모터 등에 4개의 3축 가속도계를 장착하여 진동 시험을 수행하였다. 축방향(x축) 진동을 감지하기 위해 그림 2에 나타낸 것과 같이 Bently Nevada 사의 축진동 간극(proximity) 센서를 사용하였고, 횡방향(y축) 및 종방향(z축) 축변위를 측정하기 위해 그림 3에서와 같은 AEC 사의 간극센서를 사용하였다.
한편 언쉬라우드 임펠러(unshrouded impeller)의 운전 익단간극을 측정하기 위해 그림 7과 같은 Rotadata 사의 익단간극센서(Rotacap)를 사용하였다. 익단간극센서는 임펠러 케이싱과 언쉬라우드 임펠러 익단과의 거리를 측정하는데, 임펠러 후연의 날개 끝에 장착하며, 임펠러 날개가 통과할 때에는 실제 익단간극 값을 보여주고 임펠러 날개 사이의 유동 영역을 지날 때에는 null 값을 출력한다.
성능/효과
압축기 성능시험을 수행하기에 앞서 시험설비의 진동 특성을 조사하였는데, 구동부(모터 및 기어박스)의 진동 모드가 시험설비 베드를 통해 압축기 리그에 전달됨을 확인하였고, 베드 지지대의 진동 특성을 감쇠시키기 위해 보강 작업을 수행하였다. I-형 철강으로 구성된 베드의 강성을 증가시키기 위해 콘크리트 타설 작업을 하였고, 그 결과 고유 진동수(natural frequency)에서의 진폭이 상당히 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
이와 같이 압축기 시험리그의 진동 분석을 통해 본 연구에서 사용하고자 하는 압축기 축계가 베어링 캐리어의 지지 한계를 벗어남으로써 발생하는 문제임을 확인할 수 있었다.
진동 시험의 결과를 분석하면, 압축기 시험리그의 진동 특성으로 기어박스(기어비 19.36)를 전후하여 2개의 주요 회전 성분이 존재하였다. 기어박스 입력단에서는 모터 회전수에 대한 12차 성분이 나타나고, 출력단에서는 압축기 회전수와 그 하모닉 성분이 나타났다.
시험리그 진동 모드의 주요 주파수는 7200~7400 rpm 영역의 모터 진동에 의한 75 Hz 부근과 8600~9000 rpm 영역의 압축기 축진동에 의한 90 Hz 부근, 그리고 모터 회전수 12차 성분이 90 Hz 근방일 때 기어박스에 의해 2차적으로 발생하는 영역으로 추정되는 150 Hz 부근이다. 특히 베어링 캐리어와 토크미터에서 질량이 큰 전동 모터, 기어박스에 비해 주로 횡방향 진동에 취약한 것으로 측정되었다.
후속연구
본 연구에서 사용된 압축기는 5MW급 발전용 가스터빈의 주요 구성품으로서 10단의 축류압축기와 1단의 원심압축기로 구성된다. 특히 상대적으로 단단(single stage)에서의 압력비가 큰 원심 압축기의 성능시험을 수행하였고, 향후 축류압축기에서 주기적으로 발생하는 후류가 원심압축기의 성능에 어떠한 영향을 미치는지 조사하기 위해 원심압축기 상단에 축류압축기 9, 10단을 장착하여 성능시험을 수행할 계획이다.
하지만 압축기 축계를 지지하는 베어링 캐리어의 강성이 부족하여 공진주파수를 회피할 수 없기 때문에 베어링 재설계를 수행하였으며 새로운 베어링 캐리어를 활용하여 진동 분석을 다시 수행한 후 성능시험을 추진할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
압축기 시험 설비는 어떻게 구분되는가?
압축기 시험 설비는 크게 입·출구 배관과 시험부, 구동부, 보조장치 등으로 구분할 수 있다. 입구 배관은 공기 필터와 압력 조절용 제어 밸브, 유량계 등으로 구성되는데, 밸브와 유량계 사이에는 유량 측정의 정확도를 향상시키기 위해 유동을 균일하게 만들어주는 유동 조정기(flow conditioner)가 설치되어 있다.
터보 압축기의 성능은 무엇으로 나타낼 수 있는가?
터보 압축기의 성능(1)은 작동 회전수에서 유량에 대한 압력비와 효율로 나타낼 수 있는데, 설계값을 검증하기 위한 시험 평가 작업이 필요하다. 또한 압축기 불안정(2) 영역에서 운전할 경우선회실속(rotating stall)이나 서지(surge)로 인해 소음, 진동 등의 문제가 발생하고 심각할 경우 압축기나 엔진의 작동이 멈추거나 파손될 우려가 있으므로 불안정 영역을 확인하는 작업도 필요하다.
참고문헌 (7)
S. L. Dixon, Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery, 5th Ed.
R. C. Pampreen, Compressor Surge and Stall, Concepts ETI, 1993
박태춘, 한정엽, 강신형, "연구용 저속축류압축기의 내부 유동 특성에 관한 실험적 연구", 유체기계저널, 제11권, 제6호, 2008, pp.54-63
ISO 3945, "Mechanical Vibration of Large Rotating Machines with Speed Range from 10 to 200 r/s - Measurement and Evaluation of Vibration Severity in Situ", 1985
ISO 10816, "Mechanical Vibration - Evaluation of Machine Vibration by Measurements on Non-Rotating Parts", 1995
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