물 분사 펌프는 심해 유정의 시추작업 후 유정 내 높은 압력으로 인하여 원유를 1 차 생산하고 이후 유정 내 압력이 낮아져 유정 자체의 압력 만으로 생산이 어려울 때 고압의 해수를 유정에 주입해 회수율을 높이는 해양플랜트에서 사용되는 핵심 기자재이며, 여러 기업에서 개발 중이다. 본 논문은 회전체의 동특성 을 분석하여 베어링 강성에 따른 고유진동수 변화분석, 운전속도 변화에 따른 고유진동수의 변화와 위험속도 분석, 안정성 평가, 불평형 응답을 통하여 변위와 틈새 관계 분석 등의 수학적 해석을 통하여 개발 중의 제품의 신뢰성에 기여하였다.
물 분사 펌프는 심해 유정의 시추작업 후 유정 내 높은 압력으로 인하여 원유를 1 차 생산하고 이후 유정 내 압력이 낮아져 유정 자체의 압력 만으로 생산이 어려울 때 고압의 해수를 유정에 주입해 회수율을 높이는 해양플랜트에서 사용되는 핵심 기자재이며, 여러 기업에서 개발 중이다. 본 논문은 회전체의 동특성 을 분석하여 베어링 강성에 따른 고유진동수 변화분석, 운전속도 변화에 따른 고유진동수의 변화와 위험속도 분석, 안정성 평가, 불평형 응답을 통하여 변위와 틈새 관계 분석 등의 수학적 해석을 통하여 개발 중의 제품의 신뢰성에 기여하였다.
Water injection pump outputs oil with high pressure during this process, seawater is injected into the well to recover the well pressure and maintain high productivity. A water injection pump has high productivity, and therefore, it serves as a key piece of equipment in marine plants. In this light,...
Water injection pump outputs oil with high pressure during this process, seawater is injected into the well to recover the well pressure and maintain high productivity. A water injection pump has high productivity, and therefore, it serves as a key piece of equipment in marine plants. In this light, water injection pumps are being studied widely in industry. In this study, the rotor dynamics is analyzed to determine the natural frequency according to the bearing stiffness and operation speed change. This study aims to establish the pump reliability through critical speed, stability, and unbalance response analysis.
Water injection pump outputs oil with high pressure during this process, seawater is injected into the well to recover the well pressure and maintain high productivity. A water injection pump has high productivity, and therefore, it serves as a key piece of equipment in marine plants. In this light, water injection pumps are being studied widely in industry. In this study, the rotor dynamics is analyzed to determine the natural frequency according to the bearing stiffness and operation speed change. This study aims to establish the pump reliability through critical speed, stability, and unbalance response analysis.
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문제 정의
그러므로 본 연구에서는 개발과정 중의 펌프의 동특성 해석을 통하여 연구모델의 위험요소를 파악하여 제품의 신뢰성을 확보하고자 한다.
가설 설정
연구 모델은 Fig. 1 과 같으며, 3D 와 2D 유한요소법 해석(2)을 사용하였으며 2D 의 복잡한 모델은 집중질량의 디스크 형태로 가정을 하였다.
제안 방법
베어링의 강성 선정을 위하여 Table 2 와 같이 각 베어링의 반력 을 계산 하여 6000rpm 에 대한 베어링 강성을 산출 하였으며 베어링 타입은 tilting pad bearing 을 적용하였다.
적용된 베어링은 특성상 Kxy, Kyx, Cxy, Cyx에 대한 성분은 0 에 가깝기 때문에 고려하지 않았으며 Fig. 2 와 같이 베어링 강성에 따른 회전축계의 고유치 변화 분석을 수행하였다. 또한 연구 모델의 신뢰성을 얻기 위하여 두 가지 의 프로그램을 사용하여 해석을 수행 하였으며, 3D 는 Ansys Workbench(3)를 사용하였으며, 2D 는 자체개발 프로그램을 사용하였다.
고유치 평가는 운전속도에 중점을 두어 6000rpm 에 대해서 해석을 수행하였고, 운전 영역은 1000rpm ~ 10000rpm 의 영역으로 선정 하였으며, 1000rpm 간격으로 변화되는 베어링 강성을 각 rpm 마다 적용하여 해석을 수행 하였다. Fig.
불평형 응답해석을 위하여 ISO1940(5)의 규격을사용하였으며, G2.5 의 허용 불평형량을 Fig 6 처럼 Rotor 와 Coupling 에 1390.4mm·g 을 등분할 하여 적용 하였고, Static Unbalance 와 Couple Unbalance 의 응답을 분석 하였다.
회전체의 가진 주파수가 케이싱의 고유진동수와의 일치 여부에 대해 해석을 수행하였으며 케이싱 고유치 분석 통하여 운전 주파수 1x 와 베인 가진 주파수 7x 에 영향을 받을 수 있는 흡기구와 토출구를 중점적으로 Fig. 9 와 같이 확인하였다. 1 차 고유진동수가 운전 성분에 비하여 상당히 높은 값을 가지는 것으로 확인 되었으며, 가진 주파수 7x 성분을 고려하였을 때 실제로 영향을 미치는 흡기구나, 토출구가 아닌 부분에 상대적으로 기여도가 높기 때문에 7x 가진 성분 역시 케이싱에 미치는 영향은 작을 것으로 사료된다.
데이터처리
2 와 같이 베어링 강성에 따른 회전축계의 고유치 변화 분석을 수행하였다. 또한 연구 모델의 신뢰성을 얻기 위하여 두 가지 의 프로그램을 사용하여 해석을 수행 하였으며, 3D 는 Ansys Workbench(3)를 사용하였으며, 2D 는 자체개발 프로그램을 사용하였다.
성능/효과
운전속도와 1 차 고유진동수와의 공진분리 여유가 충분한 것을 확인하였다. 하지만 7x 운전 성분이 4 차 고유진동수와 교차하여 확인결과 공진분리여유 10%로 여유가 충분치 않음을 확인하였다.
운전속도와 1 차 고유진동수와의 공진분리 여유가 충분한 것을 확인하였다. 하지만 7x 운전 성분이 4 차 고유진동수와 교차하여 확인결과 공진분리여유 10%로 여유가 충분치 않음을 확인하였다.
따라서 API 684 규격(4) 인 공진 회피설계 기준으로 damping 과 Q-Factor 확인 결과 Table 4 와 같으며, damping 이 음의 영역에 존재하지 않는 것으로 분석되었지만 기준상으로 최소 분리여유가 약 15%~21%가 요구된다. 따라서 본 연구모델의 경우 10% 공진분리여유를 가지고 있어 분리 여유가 부족하며, 7x 가진 성분이 4 차 고유진동수와 교차하여 위험속도가 발생할 가능성이 있을 것으로 사료 된다.
인 공진 회피설계 기준으로 damping 과 Q-Factor 확인 결과 Table 4 와 같으며, damping 이 음의 영역에 존재하지 않는 것으로 분석되었지만 기준상으로 최소 분리여유가 약 15%~21%가 요구된다. 따라서 본 연구모델의 경우 10% 공진분리여유를 가지고 있어 분리 여유가 부족하며, 7x 가진 성분이 4 차 고유진동수와 교차하여 위험속도가 발생할 가능성이 있을 것으로 사료 된다.
9 와 같이 확인하였다. 1 차 고유진동수가 운전 성분에 비하여 상당히 높은 값을 가지는 것으로 확인 되었으며, 가진 주파수 7x 성분을 고려하였을 때 실제로 영향을 미치는 흡기구나, 토출구가 아닌 부분에 상대적으로 기여도가 높기 때문에 7x 가진 성분 역시 케이싱에 미치는 영향은 작을 것으로 사료된다.
베어링 강성 선정 을 위하여 Critical speed map 을 확인한 결과 정적 해석을 근거로 설계된 베어링의 강성이 약 108 N/m 에 존재하였으며 그 이하의 강성은 강체모드를 가지는 것으로 나타났다.
Campbell diagram 확인 결과 1x 가진 성분이 3000rpm 부근에서 통과하여 6000rpm 에서 운전이 되며 운전속도와 1 차고유진동수는 공진분리 여유가 충분하다. 하지만 7x 가진 성분은 4 차 고유진동수와 공진분리 여유 10%를 가지고 있어 공진영역 560Hz~840Hz 을 API684 규격의 근거로 Q-Factor 를 확인하였으며, 3000rpm 에서 Q-Factor 은 11.1 이며 5000rpm 과 6000rpm 의 Q-Factor 은 각각 3.86 과 4.14 로 확대율 3.55 보다 다소 높은 값을 가지는 것으로 확인이 되었다. 6000rpm 까지의 동력 전달속도가 빠르게 진행되기 때문에 3000rpm 에서의 Q-Factor 의 높은 수치는 고려하지 않아도 될 것으로 사료되며, 7x 가진성분에 대한 Q-Factor 는 위험속도가 발생할 가능성이 있는 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Water Injection Pump가 중요한 이유는?
유정 내의 압력만으로 추출할 수 있는 원유의 양은 전체 유정의 30%에 불과하기 때문에, 심해 유정의 회수율 및 생산량을 동시에 증진 시킬 수있는 회수율 향상의 핵심 기자재인 Water Injection Pump 의 중요성이 증가하고 있다.
Water Injection Pump의 중요성은?
Water Injection Pump 는 해양플랜트에서 사용되는 핵심 기자재로 심해 유정의 시추작업 후 유정내 높은 압력으로 인하여 원유를 1 차 생산하고 이후 유정 내 압력이 낮아져 유정 자체의 압력만으로 지상으로의 생산이 불가능할 때 고압의 해수를 유정에 주입(Injection)하여 회수율을 높여 원유의 생산량을 극대화 하는 필수 장비이다.
본연구의 Campbell diagram 확인 결과 위험성이 있다고 판단된 것은 무엇인가?
Campbell diagram 확인 결과 1x 가진 성분이 3000rpm 부근에서 통과하여 6000rpm 에서 운전이 되며 운전속도와 1 차고유진동수는 공진분리 여유가 충분하다. 하지만 7x 가진 성분은 4 차 고유진동수와 공진분리 여유 10%를 가지고 있어 공진영역 560Hz~840Hz 을 API684 규격의 근거로 QFactor 를 확인하였으며, 3000rpm 에서 Q-Factor 은 11.1 이며 5000rpm 과 6000rpm 의 Q-Factor 은 각각 3.86 과 4.14 로 확대율 3.55 보다 다소 높은 값을 가지는 것으로 확인이 되었다. 6000rpm 까지의 동력 전달속도가 빠르게 진행되기 때문에 3000rpm 에서의 Q-Factor 의 높은 수치는 고려하지 않아도 될 것으로 사료되며, 7x 가진성분에 대한 Q-Factor 는 위험속도가 발생할 가능성이 있는 것으로 사료된다.
참고문헌 (5)
Yang, B. S., 2003, Vibration of rotating machinery, Intervision, seoul.
Dong, S, G., 2010, Development of Rotor dynamics Program Based on the 2D Finite Element Method for Flywheel Energy Storage System, korea Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A (Vol.34,No.11,pp.1757-1763)
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