로터 동역학의 임계 속도 설명

정의: 임계 속도란 무엇인가?

A 임계 속도 회전자의 고유 진동수와 일치하는 회전 속도입니다. 기계가 임계 속도 중 하나 또는 그 근처에서 작동할 때, 공명 발생합니다. 이는 로터 진동을 극적으로 증폭시켜 종종 위험할 수 있습니다. 아주 작은 잔류 불균형이라도 엄청난 원심력을 생성할 수 있기 때문입니다. 모든 로터 시스템은 다양한 진동 모드(예: 1차 굽힘 모드, 2차 굽힘 모드 등)에 따라 여러 가지 임계 속도를 갖습니다.

임계 속도가 왜 중요한가요?

임계 속도를 이해하고 관리하는 것은 회전 기계 설계 및 분석의 가장 기본적인 측면 중 하나입니다. 기계를 임계 속도로 작동하는 것은 단시간이라도 치명적인 결과를 초래할 수 있습니다. 그 결과는 다음과 같습니다.

• 과도한 진동: 진폭은 시스템의 감쇠에 따라 10배, 20배 또는 그 이상으로 증가할 수 있습니다.
• 구성 요소 오류: 강한 진동과 샤프트 처짐은 베어링 고장, 씰 손상, 회전 부품과 고정 부품 사이의 마찰로 이어질 수 있습니다.
• 심각한 샤프트 파손: 심각한 경우, 굽힘 응력이 재료의 피로 한계를 초과하여 샤프트에 균열이나 파손이 발생할 수 있습니다.
• 안전 위험: 고속으로 기계가 고장나면 인력과 주변 장비에 심각한 위험을 초래합니다.

이러한 이유로 기계는 항상 "분리 여유"를 두고 작동하도록 설계됩니다. 즉, 정상 작동 속도는 의도적으로 임계 속도로부터 안전한 거리를 유지하게 됩니다.

강성 로터 vs. 유연 로터

임계 속도의 개념은 "강성" 로터와 "유연한" 로터를 구별하는 것입니다.

• 강성 로터: 첫 번째 임계 속도 *이하*에서 작동하는 로터입니다. 작동 중 샤프트가 크게 휘어지지 않습니다. 일반적으로 속도가 느리고, 더 단단한 로터입니다.
• 유연한 로터: 첫 번째 (때로는 두 번째나 세 번째) 임계 속도 *이상*에서 작동하도록 설계된 로터입니다. 시동 및 정지 시 샤프트가 임계 속도를 지날 때 휘어지고 구부러집니다. 터빈이나 압축기에 사용되는 고속의 가느다란 로터는 유연한 로터입니다.

기계 작동 시 임계 속도 관리

첫 번째 임계 속도보다 낮은 속도를 유지하는 고속 기계를 설계하는 것이 실용적이지 않은 경우가 많기 때문에 엔지니어는 이를 관리하기 위해 여러 가지 전략을 사용합니다.

1. 분리 마진

가장 일반적인 전략은 기계의 연속 작동 속도가 임계 속도에 너무 가깝지 않도록 하는 것입니다. 일반적인 분리 여유는 ±20~30%입니다. 예를 들어, 임계 속도가 3,000RPM인 경우, 기계는 2,400RPM에서 3,600RPM 사이에서 연속 작동해서는 안 됩니다.

2. 급가속/급감속

임계 속도를 통과해야 하는 플렉시블 로터의 경우, 시동 및 정지 절차는 가능한 한 빨리 임계 속도 범위를 통과하도록 설계되었습니다. 임계 속도에 머무르면 진동 진폭이 위험 수준까지 증가할 수 있습니다. 빠른 임계 속도 통과는 이러한 증폭이 발생하는 시간을 최소화합니다.

3. 댐핑

감쇠는 진동 에너지의 소산이며, 공진 시 최대 진폭을 제한하는 요소입니다. 베어링, 특히 유막 베어링은 로터 시스템에서 감쇠의 주요 원인입니다. 베어링 설계를 최적화함으로써 엔지니어는 임계 속도에서 최대 진동을 안전하고 관리 가능한 수준으로 제어할 수 있습니다.

4. 정밀 밸런싱

임계 속도에서의 진동은 불균형에 대한 증폭된 반응입니다. 로터의 균형이 좋을수록, 강제 함수가 작아지고, 따라서 임계 속도를 지날 때 최대 진동이 낮아집니다. 유연한 로터의 경우, 특수한 다중 평면 균형 기술이 필요합니다.

임계 속도는 어떻게 식별되나요?

위험 속도는 여러 가지 방법을 사용하여 식별됩니다.

• 로터 동역학 분석(RDA): 회전자의 임계 속도와 모드 형상을 예측하기 위해 설계 단계에서 컴퓨터 모델(종종 유한 요소 해석 사용)이 생성됩니다.
• 런업/코스트다운 테스트: 가장 일반적인 실험 방법입니다. 기계가 시동되거나 정지할 때 진동 진폭과 위상을 속도에 대해 그래프로 표시합니다. 임계 속도는 진폭의 뚜렷한 피크와 특징적인 180도 위상 편이로 식별됩니다. 이러한 테스트는 다음과 같은 진단 그래프를 생성합니다. 보드 플롯 및 폭포 플롯.
• 충격 테스트(충격 테스트): 정지해 있는 회전자를 계측용 망치로 때리면 임계 속도에 해당하는 고유 진동수가 자극될 수 있습니다.

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