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문제 정의
- 이 연구는 물 분사 펌프를 개발하고 있는 기업에서 제품의 시 운전 중 발생한 문제를 해결하기 위하여 해석 및 실험으로 접근하여 문제해결에 대한 방안을 제안하였다. 축계의 동특성해석을 근거로 설계된 축계의 거동에 대해서 측정을 통해 검증을 하였으며 측정 시 발생되었던 문제를 해석적으로 접근하여 설계변수를 제안하였다.
제안 방법
- 공진회피를 하기위해 실험적으로 설계변수 적용의 어려움이 있기 때문에 해석적으로 설계변수를 적용하여 modal analysis를 수행하였다. 측정 모델의 해석결과 casing의 impact hammering test 결과와 유사하게 108.
- 3 Hz의 모드가 1X와 근접해지므로 강성을 높여 회피 하는 것이 타당 할 것으로 사료된다. 따라서 강성을 높이기 위하여 취약부분인 pedestal과 lube oil system 부분의 보강을 수행하였으며 강성 상승효과로 인해 해석적으로 공진회피 설계가 이루어 졌다. 그리고 추후에 시제품에 해석적으로 제안된 설계변경이 적용이 되었을 때 해석에 대한 신뢰성 확인과 ISO 7919(6)가 제시한 허용기준의 만족 여부를 확인할 예정이다.
- 설계변경 전 최종적으로 공진발생가능성에 대해 판단하기 위하여 모드형상을 확인하였다. 모드형상은 유체가 토출되는 임펠러 부분이 아닌 축의 우측인 thrust 부분의 모드 기여도가 큰 것으로 나타났다.
- 이 연구는 물 분사 펌프를 개발하고 있는 기업에서 제품의 시 운전 중 발생한 문제를 해결하기 위하여 해석 및 실험으로 접근하여 문제해결에 대한 방안을 제안하였다. 축계의 동특성해석을 근거로 설계된 축계의 거동에 대해서 측정을 통해 검증을 하였으며 측정 시 발생되었던 문제를 해석적으로 접근하여 설계변수를 제안하였다.
대상 데이터
- 측정에 사용된 센서는 displacement sensor를 사용하였다. 왜냐하면 이 연구모델에 사용된 베어링은 저널베어링을 사용하기 때문이다.
데이터처리
- 4와 같이 coupling side(1)과 thrust side(2)에 각각 자중 방향을 기준으로 +45°의 x, −45°의 y방향에 센서를 설치하였다. 데이터는 수집은 rpm에 따른 주파수의 정보를 보기위한 FFT spectrum과 각 rpm의 overall value를 수집한 bode plot그리고 고유진동수를 구하기 위한 impact hammering test를 수행하였다. 측정은 공장의 전력여건을 고려하여 구간(2980 rpm, 3973 rpm, 4470 rpm, 4967 rpm, 5463 rpm, 5960 rpm, 6000 rpm)을 선정하여 각각 취득하여 분석하였다.
- 왜냐하면 마운트를 설계변경 하는 것이 제작성이나 비용측면에서 효율적이기 때문이다. 따라서 3D 해석 프로그램인 Ansys Workbench(4)를 사용하여 펌프 부분에 영향을 주는 모드를 보기 위하여 modal analysis를 수행하였다. 해석은 전체 part를 모두 고려하여 수행하였으며 Fig.
성능/효과
- 따라서 강성을 변경(5)하여 고유치 회피가 이루어져야 할 것으로 사료된다. 왜냐하면 modal analysis 결과 100 Hz 이하의 주파수에서는 펌프가 거동하는 모드는 나타나지 않았고 127.3 Hz에서 펌프가 영향을 받는 모드가 나타남을 확인하였으므로 강성을 낮추어 회피하게 되면 127.3 Hz의 모드가 1X와 근접해지므로 강성을 높여 회피하는 것이 타당할 것으로 사료된다.
- 축계의 측정 결과 7X 성분에 의한 공진 발생 가능성은 배제하여도 무방할 것으로 사료되었지만 1X성분의 진폭이 지속적으로 성장하는 것이 확인되었다. 1X의 진폭상승원인을 분석하기 위해 casing의 impact hammering test가 수행되었으며 1차 고유진동수가 conical mode로 107 Hz에 존재함을 확인하였다. 따라서 운전성분 1X에 의한 casing 공진으로 판단되며 설계변경은 불가피 한 것으로 사료된다.
- 따라서 1X의 진폭발생 원인을 찾기 위해 Fig. 7과 같이 casing의 impact hammering test를 수행하였으며 1차 고유진동수가 107 Hz에 존재함을 알 수 있었다. 그리고 test signal의 신뢰성을 확인하기 위하여 1차 고유진동수가 발생한 위치의 위상이 out of phase됨을 확인하고 가진의 응답을 보기위한 coherence를 확인하였다.
- 결론적으로 축계가 공진영역에 속해있고 Q-factor가 기준치 보다 높으며 실질적으로 가진을 하는 부분의 모드 기여도가 높아야 공진이 발생할 수 있는 조건임을 확인하였다.
- 공진회피를 하기 위해 실험적으로 설계변수 적용의 어려움이 있기 때문에 해석적으로 설계변수를 적용하여 방안을 제안하는 것이 타당할 것으로 사료된다. 왜냐하면 아무런 근거 없이 고유치 변화를 위하여 질량이나 강성을 변화시킬 경우 다른 주파수에 의한 영향 또한 고려해야 되기 때문이다.
- 6의 bode plot 또한 5500 rpm 부근에서 7X에 의해 발생한 진폭은 약 5700 rpm에서 급격히 하락하며 1X에 의해 다시금 진폭이 상승한 것을 볼 수 있다. 따라서 7X에 의한 공진 발생 가능성은 배제하여도 무방할 것으로 사료되며 1X 진폭상승 원인을 분석하는 것이 타당할 것으로 사료된다.
- 그리고 test signal의 신뢰성을 확인하기 위하여 1차 고유진동수가 발생한 위치의 위상이 out of phase됨을 확인하고 가진의 응답을 보기위한 coherence를 확인하였다. 따라서 운전성분 1X에 의한 casing 공진으로 판단되며 설계변경은 불가피 한 것으로 사료된다.
- 축계 동특성해석 결과 임펠러의 7X 성분에서 공진 발생 가능성이 있음을 판단하였고 공진 발생 가능성의 정확한 판단을 위하여 측정을 수행하였다. 축계의 측정 결과 7X 성분에 의한 공진 발생 가능성은 배제하여도 무방할 것으로 사료되었지만 1X성분의 진폭이 지속적으로 성장하는 것이 확인되었다.
- 축계 동특성해석 결과 임펠러의 7X 성분에서 공진 발생 가능성이 있음을 판단하였고 공진 발생 가능성의 정확한 판단을 위하여 측정을 수행하였다. 축계의 측정 결과 7X 성분에 의한 공진 발생 가능성은 배제하여도 무방할 것으로 사료되었지만 1X성분의 진폭이 지속적으로 성장하는 것이 확인되었다. 1X의 진폭상승원인을 분석하기 위해 casing의 impact hammering test가 수행되었으며 1차 고유진동수가 conical mode로 107 Hz에 존재함을 확인하였다.
- 공진회피를 하기위해 실험적으로 설계변수 적용의 어려움이 있기 때문에 해석적으로 설계변수를 적용하여 modal analysis를 수행하였다. 측정 모델의 해석결과 casing의 impact hammering test 결과와 유사하게 108.2 Hz에 모드 형상이 존재함을 알 수 있었다. 100 Hz이하의 주파수에서는 펌프가 거동하는 모드는 나타나지 않았고 127.
후속연구
- 따라서 강성을 높이기 위하여 취약부분인 pedestal과 lube oil system 부분의 보강을 수행하였으며 강성 상승효과로 인해 해석적으로 공진회피 설계가 이루어 졌다. 그리고 추후에 시제품에 해석적으로 제안된 설계변경이 적용이 되었을 때 해석에 대한 신뢰성 확인과 ISO 7919(6)가 제시한 허용기준의 만족 여부를 확인할 예정이다.
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