[논문]대형 입형펌프 운전 중 공진현상의 진동 저감을 위한 스티프너 설계 및 성능 검증

류길수; 봉석근; 한승우; 노철우; 이동민; 이정우; 박준홍

doi:10.5050/ksnve.2013.23.1.065

[국내논문] 대형 입형펌프 운전 중 공진현상의 진동 저감을 위한 스티프너 설계 및 성능 검증
Design of Stiffeners for Reducing Resonant Vibration of Large Vertical Pumps and Its Performance Verification 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.23 no.1, 2013년, pp.65 - 72

류길수 (KEPCO KPS Technical Solution Center) , 봉석근 (KEPCO KPS Technical Solution Center) , 한승우 (KEPCO KPS Technical Solution Center) , 노철우 (KEPCO KPS Technical Solution Center) , 이동민 (KEPCO KPS Technical Solution Center) , 이정우 (KEPCO KPS Technical Solution Center) , 박준홍 (Dept of Mechanical Engineering, Hanyang University)

Abstract ▼ AI-Helper

This case study presents a practical method to reduce resonant vibration of large vertical pumps. The pumps are driven at 400 rpm rated speed by induction motor. The vibration was not significantly large when operated at this rated speed. Large vibration was occurred when the pump was operated below the rated speed for flow control. Due to the large vibration resonance, variable speed operation of the pump was not possible for several months at worst cases. To find an efficient vibration control method, the flexural responses of pumps for both normal and transient operations were measured. The measured modal characteristics were compared with those of finite element analysis. When the pump was operated at a specific rpm, the natural mode whose resonance frequency is twice the rotating angular speed induced the large vibration. The retrofit utilizing stiffeners to reduce this resonant vibration were performed. Effects of designed stiffeners on reducing vibration were validated through tests after actual installation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구는 대형수직 전동기-펌프의 변속운전 중공진으로 진동이 높게 발생하여 정상적인 변속운전을 실시하지 못하는 설비를 대상으로 실험적인 방법과 해석적인 방법을 적절하게 조화시켜 문제를 해결한 연구사례로 다음과 같은 내용을 알 수 있다.
이들 대형수직 전동기-펌프 중 정격속도에서 운전되던 어떤 순환수펌프가 유량조절을 위해 속도조절용 인버터가 설치된 이후 변속 운전을 하면서 예상치 못한 공진이 발생한 현상⁽¹⁾에 대하여 이 논문은 이러한 진동현상을 분석하고 실험 및 해석적인 방법으로 접근하여 상대적 저비용으로 공진회피 설계를 실시한 연구사례이다.

제안 방법

과도상태 진동을 측정 ‧ 분석하기 위해 다채널 신호수집장비(ADRE/Sxp)를 사용하여 전동기 상 ‧ 하부측 케이싱에 설치한 가속도 센서로 변속운전 및 정격속도 운전 중 진동을 측정하고, 펌프 축면의 노치를 이용한 진동 절대위상 측정 상시감시용 센서 중간단자에 연결하여 회전수도 동시에 측정하였다. 또, 실험적 모드해석 소프트웨어(ME'scope)를 이용하여 전동기 전체와 펌프 구조물 일부를 134노드로 나누어 설비에 직접 표시하고, ODS와 모드해석을 위해 미리 정한 순서로 가속도 센서와 장비를 이용하여 측정 및 분석하였다.
이 설비를 기동 및 정지와 변속운전을 실시하면서 과도상태 진동응답 시험을 실시하고, 정상속도 운전 중 ODS(operational deflection shape)를 실시하였다. 그리고, 정지 상태에서 충격 가진햄머를 이용하여 공진시험을 실시하였으며, 설비에 대한 시험의 개략도는 Fig. 2와 같다.
운전 중 물속에 잠기는 펌프측 임펠러와 축에는 부력이 작용하여 트러스트 하중이 적어지므로 이들을 적절히 고려하여 상부에 lumped mass 조건으로 설정하였다. 그리고, 펌프측 컬럼은 바닥에 설치되어 있어 자유도를 구속조건으로, 펌프토출배관은 유연한 연결이음(flexible flangejoint)장치이여서 모든 자유도를 유지하는 조건으로 해석을 실시하였다. 또한 이러한 수직형 펌프는 흡입측 유체(해수) 레벨에 따라 고유진동수가 변화되지만, 이 경우 흡입수두가 일정하므로 고려대상에서 제외하였다⁽⁵⁾.
스티프너가 설치 될 조건이 ‘X’방향은 후면에 콘크리트 벽면이 있어 구조보강 설계가 비교적 용이하지만, ‘Y’방향은 지지할 벽면이 없어 곤란하다. 따라서 스티프너 두개를 교차형태로 설계하여 고유진동수를 조정하고, 이 구조물이 인접기기에 영향을 주지 않고, 튼튼한 벽면의 효과를 가지도록 Fig. 10과 같이 지지위치를 보구조물로 돌출시켜 설치하여야만 하였다.
또, 실험적 모드해석 소프트웨어(ME'scope)를 이용하여 전동기 전체와 펌프 구조물 일부를 134노드로 나누어 설비에 직접 표시하고, ODS와 모드해석을 위해 미리 정한 순서로 가속도 센서와 장비를 이용하여 측정 및 분석하였다.
또, 실험적 모드해석 소프트웨어(ME'scope)를 이용하여 전동기 전체와 펌프 구조물 일부를 134노드로 나누어 설비에 직접 표시하고, ODS와 모드해석을 위해 미리 정한 순서로 가속도 센서와 장비를 이용하여 측정 및 분석하였다. 또한, 정지 중 충격가진 시험을 위해 측정장비(pulse)와 12lb 가진햄머를 활용하여 동일한 순서로 FRF(frequency response function) 시험을 하였고, 측정한 FRF 데이터는 실험적 모드해석을 실시하여 고유진동수와 모드를 파악하였다^(2,3). 이러한 측정과 실험적 해석은 구조변경 전/후에도 동일하게 실시하였다.
설계한 스티프너는 Fig. 13과 같이 콘크리트 벽면을 이용하여 빔 구조물로 고정시키고, 이 구조물을 교차형태의 스티프너로 전동기 몸체와 연결시켜 향후 정비측면에서 전동기와 펌프의 분해점검을 할 경우 분리가 가능하도록 제작되었다.
또, 내부 회전체는 전동기 상부에 있는 트러스트 베어링에 정하중으로 작용하고, 펌프운전 중에 작용되는 임펠러로부터 출구배관까지의 물의 무게와 임펠러 전/후 차압 역시 트러스트 베어링에 하중으로 작용한다. 운전 중 물속에 잠기는 펌프측 임펠러와 축에는 부력이 작용하여 트러스트 하중이 적어지므로 이들을 적절히 고려하여 상부에 lumped mass 조건으로 설정하였다. 그리고, 펌프측 컬럼은 바닥에 설치되어 있어 자유도를 구속조건으로, 펌프토출배관은 유연한 연결이음(flexible flangejoint)장치이여서 모든 자유도를 유지하는 조건으로 해석을 실시하였다.
이 설비를 기동 및 정지와 변속운전을 실시하면서 과도상태 진동응답 시험을 실시하고, 정상속도 운전 중 ODS(operational deflection shape)를 실시하였다. 그리고, 정지 상태에서 충격 가진햄머를 이용하여 공진시험을 실시하였으며, 설비에 대한 시험의 개략도는 Fig.
이 연구 대상설비의 유한요소법을 통해 전산실험 모드해석을 하기 위하여 3차원 모델링은 구조변경 설계를 감안하여 단순화시키지 않고, 기기의 모든 설치 부품을 도면과 실제 치수를 측정하여 183973노드와 94094메쉬로 모델링하고, ANSYS(ver.12)로 결과해석을 하였다. 연구대상 설비의 재료특성이 전동기 구조물은 STS316L로 밀도 7980 kg/m³, 영계수 193 GPa이고, 펌프측 구조물인 컬럼은 SS400으로 밀도는 전동기와 동일하고, 영계수는 200 GPa 이다.
전동기 정지상태에서 가진햄머와 다채널 분석장비를 이용하여 각 134개소에서 진동을 측정하고, 모드 해석 상용툴을 사용하여 고유진동수와 모드형태를 분석하면, 1차 및 2차 모드의 고유진동수가 A는 9.8(‘Y’방향), 12.2 Hz(‘X’), B는 9.7(‘Y’), 11.8 Hz(‘X’) 이다.

대상 데이터

12)로 결과해석을 하였다. 연구대상 설비의 재료특성이 전동기 구조물은 STS316L로 밀도 7980 kg/m³, 영계수 193 GPa이고, 펌프측 구조물인 컬럼은 SS400으로 밀도는 전동기와 동일하고, 영계수는 200 GPa 이다. 또, 내부 회전체는 전동기 상부에 있는 트러스트 베어링에 정하중으로 작용하고, 펌프운전 중에 작용되는 임펠러로부터 출구배관까지의 물의 무게와 임펠러 전/후 차압 역시 트러스트 베어링에 하중으로 작용한다.

성능/효과

결과 중 ‘Y’방향은 변속구간 중 2X rpm 범위 이내에 고유진동수가 존재하지만 이 방향은 Fig. 4와 5에서와 같이 2X rpm성분의 가진력이 거의 없어 이 형태가 적정한 설계모델로 결정되었다.
설계변경 전에서와 마찬가지로 동일한 위치에서 충격 가진시험을 통해서 FRF(frequency response function)를 측정하고, 실험적 모드해석을 한 결과‘A’는 12.5/15.5 Hz(‘Y/X’), ‘B’는 13.0/16.2 Hz(‘Y/X’)로 변경되었음이 확인되었다.
설치된 스티프너에 대해 전산실험모델을 이용하여 응력해석을 실시하고, Fig. 17과 같이 최대응력이 발생되는 부위와 그 주변에 스티프너 설치 후 직접 진동을 측정한 결과 최대진동값은 50 μm이었다.
운전 중 진동형태를 알아보기 위해 이미 정해놓은 134개소에서 가속도센서를 사용하여 ODS 측정을 실시한 결과 Fig. 6과 같이 펌프토출 배관 방향인 ‘X’방향으로 진동이 상대적으로 높고, 전동기 상부로 갈수록 높은 진동이 발생하는 것을 알 수 있다.
이것의 4배인 200 μm 변위를 적용하여 발생된 최대응력은 20.9MPa이며, 피로수명을 평가하기 위해 스티프너와 유사재질인 탄소, 저합금, 고장력강에 사용되는 S-N curve를 준용하면, 무한수명인 106 cycle에 해당하는 응력이 86.2 MPa로(8) 예측되는 최대응력의 24.2 %에 불과해 설치구조물인 스티프너는 안전하다고 평가되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원자력 및 화력발전소에서 전력 생산 방법은?	원자력 및 화력발전소에서는 증기터빈을 이용하여 발전기를 구동시켜 전력을 생산하는데, 저압터빈을 거쳐 일을 마치고 회수된 증기는 응축시켜 다시 사이클에 이용된다. 이렇게 증기를 다시 물로 만들기 위해 많은 유량의 냉각수를 필요로 하게 되고, 이외에도 추가로 냉각을 필요로 하는 곳에 냉각수를 공급해야만 한다.
	증기는 응축시켜 다시 사이클에 이용하기 위해서는 무엇이 필요한가?	원자력 및 화력발전소에서는 증기터빈을 이용하여 발전기를 구동시켜 전력을 생산하는데, 저압터빈을 거쳐 일을 마치고 회수된 증기는 응축시켜 다시 사이클에 이용된다. 이렇게 증기를 다시 물로 만들기 위해 많은 유량의 냉각수를 필요로 하게 되고, 이외에도 추가로 냉각을 필요로 하는 곳에 냉각수를 공급해야만 한다. 여기에 많은 유량의 해수가 사용되며, 순환수펌프(circulation water pump)라 불리우는 대용량의 수직형 전동기와 펌프들이 이 목적으로 설치되어 운전되고 있고, 원자력 발전소의 경우 보다 많은 개소에 냉각이 필요하여 설치대수가 많아진다.
	발전소에서 인버터를 설치하는 이유는?	여기에 많은 유량의 해수가 사용되며, 순환수펌프(circulation water pump)라 불리우는 대용량의 수직형 전동기와 펌프들이 이 목적으로 설치되어 운전되고 있고, 원자력 발전소의 경우 보다 많은 개소에 냉각이 필요하여 설치대수가 많아진다. 그리고, 출력에 따른 유량제어가 필요하지만, 이 펌프의 출구측 밸브 특성 상 유량제어가 어려워 이를 용이하게 하고 구동 전력비를 절감하기 위해 최근 몇몇 발전소에서부터 전동기 운전속도를 조절할 수 있는 인버터를 설치하여 운전하고 있다. 또, 우리나라 서해안의 경우 조수간만의 차이가 심해 이연구대상 발전소에서는 순환수펌프의 전 단계에 또다른 수직형 펌프(sea water lift pump)를 설치함으로써 순환수 펌프는 수로형식의 대형 저수조를 흡입 측으로 하여 일정 수두를 확보하고 있다.

참고문헌 (8)

Ryu, K. S., Roh, C. W. and Han, S. W., 2011, Maintenance Engineering Report, KEPCO KPS.
Ewins, D. J., 1984, Modal Testing: Theory and Practice, Research Studies Press, pp. 87-152.
Lee, J. M., 1998, Theory and Application of Modal Analysis, Seoul National University, pp. 6-1-6-13.
Donald, E. Bently with Charles T. Hatch, Edited by Bob Grissom, 2002, Fundamentals of Rotating Machinery Diagnostics, Bently Pressurized Bearing Press, pp. 209-272.
Song, A. H., Song, J. D., Kim, H. S. and Jung, G. C., 2012, A Case Study on Vibration of Vertical Pumps According to Changing Water, Proceedings of the KSNVE Annual Spring Conference, pp. 274-278.
Choi, W. H., Yang, B. S., Joo, H. J., Son, H. S. and Noh, C. W., 1994, Vibration Problems of Large Vertical Pumps, Proceedings of the KSNVE Annual Spring Conference, pp. 148-153.
Choi, W. H. and Yang, B. S., 1994, Reed Resonance Problem of Large Vertical Pumps, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 4, No. 4, pp. 425-433.
ASME, 1992, Design Fatigue Curves for Carbon, Low Alloy and High Tensile Steels for Metal, Section III Division I Appendix, pp. 5-6.

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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