[논문]터보차져용 터빈의 스핀 테스트를 위한 로터다이나믹 특성분석

김병옥; 양성진; 이명호

doi:10.5293/kfma..2011.14.6.091

터보차져용 터빈의 스핀 테스트를 위한 로터다이나믹 특성분석
Rotordynamic Characteristics Analysis of Turbocharger Turbine for Spin Test 원문보기

유체기계저널 = Journal of fluid machinery, v.14 no.6 = no.69, 2011년, pp.91 - 95

김병옥 (한국기계연구원 시스템다이나믹스연구실) , 양성진 (STX 종합기술원) , 이명호 (STX Metal 주식회사)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with the detail rotordynamic analysis for the assembly rotor composed of turbine wheel, turbine shaft, connecting arbor, and flange & spindle in order to perform the spin test of turbocharger turbine. Prior to rotordynamic analysis, the 1st spin test was performed but the test was failed by excess vibration in the neighborhood rated speed. It is the reason for this fail that the separation margin between the rated speed and critical speed is not enough, confirmed by rotordynamic analysis results. Since then, the dimension of turbine shaft was modified and the critical speeds were again reviewed for modified assmebly rotor. In results, the separation margin between the rated speed and critical speed is over 20% and then the 2nd spin test was performed successfully. In preparing spin test for turbine, compressor wheels and etc., the geometry design of connecting arbor and dimension of rough machining should be reviewed by considering rotordynamic results, and the separation margin should be enough for successful spin test.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이런 경우, 지그를 포함한 상세 로터다이나믹(rotordynamic) 해석을 수행하여 회전 신뢰성 문제점을 사전에 검토하고 테스트를 수행하여야 한다. 본 논문에서는 터보차져용 터빈의 스핀 테스트를 위한 설계해석 및 테스트 사례를 제시함으로써 향후 각종 터빈 및 압축기 휠의 스핀 테스트 애로사항 해결에 도움을 주고자 한다.
본 연구에서는 터보차져용 터빈의 스핀 테스트를 수행하기 위하여 터빈, 터빈축, 연결아버, 플랜지 및 스핀들 조립체에 대한 상세 로터다이나믹 해석을 수행하였다. 1차 스핀 테스트에서는 정격속도 근방에서 과도한 진동으로 인하여 테스트를 실패하였으며, 해석결과 위험속도와의 분리여유가 충분치 않음으로 인한 공진문제가 실패의 원인이었다.
앞서 기술한 바와 같이, 1차 스핀 테스트에서 정격속도 근방으로 접근할수록 진동레벨이 급격히 높아져 스핀 테스트가 불가능함을 보였다. 이는 공진으로 인한 진폭증가가 예상되는 바 터빈 조립체에 대한 로터다이나믹 해석을 수행하여 위험속도를 파악하고자 한다. Fig.

가설 설정

구름베어링의 강성은 반경방향 하중을 파악한 후 산출하여야 하나, 수직로터의 경우 반경방향 하중을 파악하는 데 애로사항이 있기 때문에 본 연구에서는 비교적 낮은 강성값인 1×107 N/m으로 가정하였고, 감쇠는 10%로 설정하였다.

제안 방법

이는 공진으로 인한 진폭증가가 예상되는 바 터빈 조립체에 대한 로터다이나믹 해석을 수행하여 위험속도를 파악하고자 한다. Fig. 2에 제시한 테스트 모델을 토대로 로터다이나믹 FE(finite element) 해석모델을 구축하였다. 로터-베어링 시스템을 개개의 빔(beam) 요소, 등 가질량·관성요소, 불균형 가진요소, 그리고 베어링 강성 및 감쇠요소 등으로 조합하였으며, Fig.
매우 낮은 속도(100∼200rpm)에서 흔들림이 관찰되었으며, 이후 9,000rpm에서 진폭이 최대로 상승하였다가 다시 낮아지고, 정격속도에 근접할수록 진동진폭이 급격히 상승하여 약 88,000rpm에서 시스템이 자동 트립(trip)되어 더 이상의 테스트가 불가능하였다. 과다 진동의 원인은 위험속도와의 공진으로 판단되어 조립체에 대한 상세 로터다이나믹 해석을 수행하여 공진여부를 판별하기로 하였다.
로터-베어링 시스템을 개개의 빔(beam) 요소, 등 가질량·관성요소, 불균형 가진요소, 그리고 베어링 강성 및 감쇠요소 등으로 조합하였으며, Fig. 5에 해석모델을 제시하였다.
로터다이나믹 FE 해석모델로부터 얻어진 식(1)의 운동방정식을 적용하여 위험속도 및 모드해석, 켐벨선도 및 불균형 응답해석을 수행하였다.
상기 위험속도 맵 결과에서 언급한 공진 가능성을 상세하게 고찰하기 위하여 회전속도에 따른 선회고유진동수 해석을 수행하여 켐벨선도를 작성하였다. 구름베어링의 강성은 반경방향 하중을 파악한 후 산출하여야 하나, 수직로터의 경우 반경방향 하중을 파악하는 데 애로사항이 있기 때문에 본 연구에서는 비교적 낮은 강성값인 1×10⁷ N/m으로 가정하였고, 감쇠는 10%로 설정하였다.
정격속도와 위험속도의 분리여유는 20% 이상이지만 실제 진동치를 예측하기 위하여 불균형 응답해석을 수행하였다. 이를 위해 ISO G2.5 등급에 해당하는 불균형을 터빈측에 부가하여 불균형 응답해석을 수행하였다. 각 위험속도에서 시스템 전체의 진동응답을 Fig.
1차 스핀 테스트에서는 정격속도 근방에서 과도한 진동으로 인하여 테스트를 실패하였으며, 해석결과 위험속도와의 분리여유가 충분치 않음으로 인한 공진문제가 실패의 원인이었다. 이후 터빈축을 변경하였고, 변경한 모델에 대한 상세 로터다이나믹 해석을 수행하여 위험속도를 검토하였다. 그 결과 위험속도와의 분리여유가 20% 이상이었으며, 다시 2차 스핀 테스트를 수행하여 성공적인 테스트를 수행하였다.

데이터처리

정격속도와 위험속도의 분리여유는 20% 이상이지만 실제 진동치를 예측하기 위하여 불균형 응답해석을 수행하였다. 이를 위해 ISO G2.

성능/효과

이후 터빈축을 변경하였고, 변경한 모델에 대한 상세 로터다이나믹 해석을 수행하여 위험속도를 검토하였다. 그 결과 위험속도와의 분리여유가 20% 이상이었으며, 다시 2차 스핀 테스트를 수행하여 성공적인 테스트를 수행하였다. 이상에서 언급한 결과를 토대로 다음의 결론을 도출하였다.
10에 켐벨선도를 제시하였다. 그 결과, 시스템의 1차, 2차, 3차 위험속도는 각각 161rpm, 9564rpm, 108660rpm으로 예측되었으며, 특히 3차 위험속도는 터빈축 변경 전 모델보다 17.6%가 증가하였으며, 정격속도와의 분리여유도 20% 이상임을 알 수 있다. 추가로 각각의 위험 속도에서 시스템의 진동모드를 Fig.
매우 낮은 속도(100∼200rpm)에서 흔들림이 관찰되었으며, 이후 9,000rpm에서 진폭이 최대로 상승하였다가 다시 낮아지고, 정격속도에 근접할수록 진동진폭이 급격히 상승하여 약 88,000rpm에서 시스템이 자동 트립(trip)되어 더 이상의 테스트가 불가능하였다.
회전속도와 동일한 가진력은 정선회 위험속도와 공진을 일으키기 때문에 1X-동기회전수선과 교차되는 곳이 정선회 위험속도이다. 본 시스템의 경우 1차, 2차, 3차 정선회 위험속도는 각각 166.5rpm, 9748rpm, 92361rpm으로 산출되었으며, 3차 정선회 위험속도의 경우 정격속도와의 분리여유가 2.6%로 매우 작음을 알 수 있다. 또한 Fig.
003 이하로 매우 낮아 진동억제 능력이 부족할 것으로 판단된다. 상기 사항을 종합적으로 검토해 볼 때, 정격속도 90,000rpm까지 과도한 진동으로 스핀 테스트가 불가능할 것으로 판단되며, 이는 1차 스핀 테스트의 결과를 반증하는 것이다.
앞서 기술한 바와 같이, 1차 스핀 테스트에서 정격속도 근방으로 접근할수록 진동레벨이 급격히 높아져 스핀 테스트가 불가능함을 보였다. 이는 공진으로 인한 진폭증가가 예상되는 바 터빈 조립체에 대한 로터다이나믹 해석을 수행하여 위험속도를 파악하고자 한다.
언급한 바와 같이 현재 시스템으로는 스핀 테스트가 불가능하기 때문에 시스템을 일부 수정하여 정격속도와 위험속도의 분리여유를 좀 더 크게 가져가는 것을 검토하였다. 전용장비의 스핀들이나 플랜지는 변경이 불가능하므로 Fig.
위험속도 맵 해석결과, 베어링의 강성이 3×106 N/m 이상이면, 3차 굽힘 위험속도에서 정격속도와의 공진(resonance)이 발생될 것으로 추정되며, 베어링 강성을 증가시키더라도 위험속도는 거의 동일함을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	터빈, 터빈축, 연결아버, 플랜지 및 스핀들 조립체에 대한 상세 로터다이나믹 해석을 통해 터보차져용 터빈의 스핀 테스트를 수행한 결과는?	본 연구에서는 터보차져용 터빈의 스핀 테스트를 수행하기 위하여 터빈, 터빈축, 연결아버, 플랜지 및 스핀들 조립체에 대한 상세 로터다이나믹 해석을 수행하였다. 1차 스핀 테스트에서는 정격속도 근방에서 과도한 진동으로 인하여 테스트를 실패하였으며, 해석결과 위험속도와의 분리여유가 충분치 않음으로 인한 공진문제가 실패의 원인이었다. 이후 터빈축을 변경하였고, 변경한 모델에 대한 상세 로터다이나믹 해석을 수행하여 위험속도를 검토하였다. 그 결과 위험속도와의 분리여유가 20% 이상이었으며, 다시 2차 스핀 테스트를 수행하여 성공적인 테스트를 수행하였다. 이상에서 언급한 결과를 토대로 다음의 결론을 도출하였다. 스핀 테스트 준비시 연결아버의 형상설계 및 황삭가공 등은 반드시 사전에 로터다이나믹 해석결과를 피드백(feed back) 받아서 수행하여야 하며, 성공적인 스핀 테스트를 위해서는 조립체의 위험속도와 정격속도의 분리여유가 충분하여야 한다.
	강도문제의 사전 점검 항목 중 스핀 테스트는 무엇인가?	그러나, 강도문제는 휠이 파손되면 전체 시스템에 치명적인 영향을 끼치기 때문에 반드시 사전 점검을 필요로 한다. 강도문제의 사전 점검 항목 중 스핀 테스트(spin test)는 정격속도 120%까지 회전시켜 재료의 원심강도를 테스트하는 필수적인 시험항목으로 테스트가 통과되어야만 양산이 가능하다. 스핀 테스트를 위해서는 전용 장비(4)가 요구되나, 전용장비를 갖추었더라도 고속회전을 위한 지그(jig)설계 등 사전 설계해석을 고려하지 않으면 전용 장비에서도 진동으로 인해 정격속도의 120%까지 시험을 할 수 없는 경우가 흔히 있다.
	터보 챠저의 문제점은?	최근 터보 챠저는 단위 중량 당 효율을 높이기 위하여 회전속도를 증가시키는 설계 경향(2)을 띄고 있으나, 고속 회전으로 인한 많은 운전 문제점을 내포하고 있다. 즉, 터보챠저 터빈 및 압축기 휠의 원심강도와 지지 베어링의 불안정성 등이 대표적인 문제점으로 지적되고 있다. 지지베어링의 불안정성 문제는 안정성(3)이 높은 베어링을 적용하거나, 저널과 베어링에서 러빙(rubbing)이 발생되지 않는다면 불안정성을 감안한 운전이 이루어지고 있다.

참고문헌 (6)

김기두 외, 2004, "중형 디젤엔진의 터보챠저 과급 시스템 최적화에 관한 연구," 한국박용기관학회지, Vol. 28, No. 7, pp. 1138-1144.

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양보석, 김용한, 석호일, 유광택, 2003, "과급기 축계의 진동해석," 한국박용기관학회지, Vol. 27, No. 2, pp. 190-197.

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김병옥, 이안성, 2010, "터보차져의 로터다이나믹 해석모델 개발 및 진동응답 해석," 유체기계공업학회, Vol. 13, No. 5, pp. 35-42.

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Schenck, 2002, Balancing and diagonostic systems, Catalog 2002.
ISO 1940-1, 2003, Mechanical vibration-Balance quality requirement for rotors in a constant(rigid) state.
Lund, J. W., 1974, "Stability and Damped Critical speeds of a Flexible Rotor in Fluid Film Bearings," ASME Journal of Engineering for Industry, Vol. 96, No. 2, pp. 509-517.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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