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문제 정의
- 본 논문은 발전소에서 운전되고 있는 디젤 엔진에서 발생된 고진동의 원인 분석과 대책 수립을 위한 시험 및 해석, 대책 수립과 진동 저감 효과에 대하여 기술하였다. 본 논문의 대상은 저속 2 행정 디젤엔진으로써 기기의 안정적 운전을 위해 정격 출력 대비 80% 이하의 부하 감발 운전을 하였다.
제안 방법
- 디젤엔진의 고진동에 대한 대책을 수립하기 위하여 엔진 구조물에 대한 유한요소 해석을 수행하였다. Fig. 9 는 해석 모델로써 본 연구에서는 일반적으로 단순화된 엔진 또는 국부 구성에 대한 단순 모델을 피하고 과급기와 선박용 엔진에서 고려되지 않는 엔진 베이스를 포함하여 해석을 수행하였다. 상용 유한요석 해석 프로그램인 ANSYS 를 이용하였으며 총 요소 수는 60,000 개 이다.
- 디젤엔진에 질량을 분산 부가한 후 진동 상태를 측정함으로써 대책 수립 전 후에 대한 진동 저감 효과를 분석하였다. Fig.
- 디젤엔진의 고진동에 대한 대책을 수립하기 위하여 엔진 구조물에 대한 유한요소 해석을 수행하였다. Fig.
- 디젤엔진의 고진동의 원인을 종합 분석하기 위하여 엔진 기동 조건에서 속도에 따른 엔진 본체의 진동 특성시험을 수행하였다. 비틀림 진동을 측정하기 위하여 Fig.
- 디젤엔진의 진동 수준을 파악하기 위하여 먼저 Fig. 3 과 같이 엔진의 실린더 상부의 각 위치에서 진동을 계측하였다. 그 결과, Table 2 와 같이 엔진 본체의 경우 과급기 방향의 7 번 실린더 측에서 25.
- 디젤엔진의 진동 원인 분석을 통하여 엔진의 고진동 원인을 엔진 구조물의 공진 현상으로 규명하였다. 이는 비틀림 가진으로 인한 엔진 진동의 4차 성분이 디젤엔진의 운전 속도인 138.
- 특히 과급기에서의 진동이 55mm/sec, o-p 이상으로 매우 크게 나타났으며 엔진의 구조 진동 원인 규명을 위하여 엔진 구조 분석과 진동 측정 및 특성 시험을 수행하여 진동 원인을 규명하였다. 또한 유한 요소 해석을 통하여 규명된 원인에 따른 대책을 수립하고 실제 발전소에 적용함으로써 유효성을 검증하였다. 대책 수립 후 디젤엔진은 40% 이상의 진동 저감 효과를 가져왔으며 현재 출력을 상승하여 정격 출력으로 운전하고 있다.
- 발전소에서 운전되는 디젤엔진의 부품 손상과 더불어 출력을 80% 이하로 감발하여 운전하던 진동의 원인을 현장 시험 및 분석을 통하여 규명하고 대책을 수립하였다. 진동의 원인은 발전기 축의 비틀림 진동 가진 주파수와 엔진 본체의 공진으로 4 차 성분의 진동 특성이 주도적으로 나타났다.
- 디젤엔진의 고진동의 원인을 종합 분석하기 위하여 엔진 기동 조건에서 속도에 따른 엔진 본체의 진동 특성시험을 수행하였다. 비틀림 진동을 측정하기 위하여 Fig. 6 과 같이 갭 센서를 설치하였으며 엔진 구조진동은 #1(Generator side, Fig. 1), #4, #7(T/C side) 실린더 위치에 각각 가속도 센서를 설치하여 진동을 계측하였다. Fig.
- 5rpm 근접에서 나타나는 현상으로 엔진 구조물의 고유 특성을 변경하여야 한다. 엔진의 고유 특성을 변경하는 방법으로 강성 또는 질량을 변경하는 방법이 있으나 본 논문의 경우에는 질량 부가 방법이 보다 경제적이라고 판단되어 이를 채택하였다. 이를 위하여 엔진 상부의 7 번 실린더와 과급기 사이에 엔진 전체 질량(350ton)의 1~1.
- 엔진의 고유 특성을 변경하는 방법으로 강성 또는 질량을 변경하는 방법이 있으나 본 논문의 경우에는 질량 부가 방법이 보다 경제적이라고 판단되어 이를 채택하였다. 이를 위하여 엔진 상부의 7 번 실린더와 과급기 사이에 엔진 전체 질량(350ton)의 1~1.5% 질량 부가를 고려하여 해석하였으며 Fig. 11 은 약 4.8ton 의 질량 부가에 대한 시뮬레이션 결과이다. 그림에서 보는 바와 같이 질량 부가 후의 엔진 고유 주파수가 질량 부가 전의 엔진 고유 주파수인 10.
- 본 논문의 대상은 저속 2 행정 디젤엔진으로써 기기의 안정적 운전을 위해 정격 출력 대비 80% 이하의 부하 감발 운전을 하였다. 특히 과급기에서의 진동이 55mm/sec, o-p 이상으로 매우 크게 나타났으며 엔진의 구조 진동 원인 규명을 위하여 엔진 구조 분석과 진동 측정 및 특성 시험을 수행하여 진동 원인을 규명하였다. 또한 유한 요소 해석을 통하여 규명된 원인에 따른 대책을 수립하고 실제 발전소에 적용함으로써 유효성을 검증하였다.
대상 데이터
- 본 논문은 발전소에서 운전되고 있는 디젤 엔진에서 발생된 고진동의 원인 분석과 대책 수립을 위한 시험 및 해석, 대책 수립과 진동 저감 효과에 대하여 기술하였다. 본 논문의 대상은 저속 2 행정 디젤엔진으로써 기기의 안정적 운전을 위해 정격 출력 대비 80% 이하의 부하 감발 운전을 하였다. 특히 과급기에서의 진동이 55mm/sec, o-p 이상으로 매우 크게 나타났으며 엔진의 구조 진동 원인 규명을 위하여 엔진 구조 분석과 진동 측정 및 특성 시험을 수행하여 진동 원인을 규명하였다.
- 본 논문의 대상인 디젤엔진은 2 행정 7 실린더 형식으로써 발전기의 회전수는 138.5 rpm 이고 극수는 52 이다. Fig.
데이터처리
- 9 는 해석 모델로써 본 연구에서는 일반적으로 단순화된 엔진 또는 국부 구성에 대한 단순 모델을 피하고 과급기와 선박용 엔진에서 고려되지 않는 엔진 베이스를 포함하여 해석을 수행하였다. 상용 유한요석 해석 프로그램인 ANSYS 를 이용하였으며 총 요소 수는 60,000 개 이다.
성능/효과
- 3 과 같이 엔진의 실린더 상부의 각 위치에서 진동을 계측하였다. 그 결과, Table 2 와 같이 엔진 본체의 경우 과급기 방향의 7 번 실린더 측에서 25.5mm/s, o-p 로 제작사의 허용 권고치를 초과하였으며 과급기 지지대의 진동 수준은 45mm/s, op 로 매우 높았다. Fig.
- 8ton 의 질량 부가에 대한 시뮬레이션 결과이다. 그림에서 보는 바와 같이 질량 부가 후의 엔진 고유 주파수가 질량 부가 전의 엔진 고유 주파수인 10.2Hz(Fig.10-b)에서 8.1Hz 로 변경되었으며 이를 통하여 약 1%의 질량 부가를 통하여 디젤엔진의 공진 영역을 유효하게 벗어날 수 있음을 확인 하였다.
- 또한 유한 요소 해석을 통하여 규명된 원인에 따른 대책을 수립하고 실제 발전소에 적용함으로써 유효성을 검증하였다. 대책 수립 후 디젤엔진은 40% 이상의 진동 저감 효과를 가져왔으며 현재 출력을 상승하여 정격 출력으로 운전하고 있다.
- 디젤엔진에 대한 시뮬레이션 결과, 4.8ton 의 질량 부가를 통하여 공진 영역을 회피할 수 있다는 것을 알 수 있다. 그러나 실제 엔진 구조상 4ton 이상의 질량을 집중하여 부가 할 수 없어 0.
- 진동의 원인은 발전기 축의 비틀림 진동 가진 주파수와 엔진 본체의 공진으로 4 차 성분의 진동 특성이 주도적으로 나타났다. 따라서 유한 요소 해석을 통하여 부가 질량에 의한 엔진의 고유 특성 변화의 유효성을 확인한 후 실제 발전소에 적용함으로써 디젤 엔진의 진동을 40% 이상 저감하였다.
- 발전소에서 운전되는 디젤엔진의 부품 손상과 더불어 출력을 80% 이하로 감발하여 운전하던 진동의 원인을 현장 시험 및 분석을 통하여 규명하고 대책을 수립하였다. 진동의 원인은 발전기 축의 비틀림 진동 가진 주파수와 엔진 본체의 공진으로 4 차 성분의 진동 특성이 주도적으로 나타났다. 따라서 유한 요소 해석을 통하여 부가 질량에 의한 엔진의 고유 특성 변화의 유효성을 확인한 후 실제 발전소에 적용함으로써 디젤 엔진의 진동을 40% 이상 저감하였다.
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