회전 기계의 샤프트 보우 이해
정의: 샤프트 보우란 무엇인가?
샤프트 보우 (샤프트 굽힘, 로터 활 또는 간단히 "활"이라고도 함)은 다음과 같은 상태입니다. 로터 샤프트에 영구적 또는 반영구적 곡률이 발생하여 직선 중심선에서 벗어났습니다. 임시적인 것과는 다릅니다. 런아웃 느슨한 구성 요소나 편심 장착으로 인해 발생할 수 있는 샤프트 휘어짐은 샤프트 소재 자체의 실제 변형을 나타냅니다.
샤프트 활이 생성됩니다 진동 표면적으로 유사한 증상 불균형, 그러나 기존의 방법으로는 교정이 불가능합니다. 밸런싱 절차입니다. 따라서 휘어진 샤프트의 균형을 맞추는 데 시간을 낭비하지 않으려면 정확한 진단이 매우 중요합니다.
샤프트 보우의 종류
샤프트 휘어짐은 원인과 지속 기간에 따라 다음과 같이 분류할 수 있습니다.
1. 영구 기계식 활
이는 다음으로 인해 발생하는 샤프트 소재의 플라스틱(영구적) 변형입니다.
- 기계적 과부하 또는 충격
- 유지관리 중 부적절한 들어올리기 또는 취급
- 로터를 떨어뜨리다
- 작동 중 과도한 굽힘 응력
- 제조상의 결함 또는 부적절한 열처리
샤프트가 변형되면(영구적으로 변형되면) 샤프트가 정지하고 모든 하중이 제거되더라도 활은 그대로 유지됩니다.
2. 열 곡선(일시적)
또한 ~라고도 불린다 열 활 또는 핫보우, 이는 샤프트의 불균일한 가열로 인해 발생하는 일시적인 현상입니다. 가열된 면이 냉각된 면보다 더 많이 팽창하여 일시적인 곡선을 형성합니다. 원인은 다음과 같습니다.
- 비대칭 열원(한 쪽은 뜨거운 공정 유체, 다른 쪽은 냉각 공기)
- 샤프트의 한쪽을 가열하는 베어링 마찰
- 로터 마찰로 국부 가열 발생
- 야외 장비의 태양열 난방
- 대형 터빈의 부적절한 예열 절차
열 휨은 일반적으로 샤프트가 균일하게 냉각되거나 열 평형에 도달하면 사라집니다. 그러나 반복적인 열 휨 사이클은 결국 영구 변형을 유발할 수 있습니다.
3. 잔류응력 보우
용접, 열처리 또는 제조 공정에서 발생하는 내부 잔류 응력으로 인해 샤프트가 시간이 지남에 따라 천천히 휘어질 수 있습니다. 특히 응력 완화를 유발하는 작동 온도나 기계적 부하에 노출될 때 그렇습니다.
샤프트 보우의 원인
근본 원인을 이해하면 샤프트 휘어짐을 방지하고 시정 조치를 취하는 데 도움이 됩니다.
기계적 원인
- 초과 적재: 설계 한계를 초과하는 부하에서 작동
- 부적절한 보관: 적절한 지지 없이 샤프트를 수평으로 보관하면 시간이 지남에 따라 처짐이 발생합니다.
- 잘못된 취급: 지정된 리프팅 지점 대신 샤프트로 리프팅
- 사고 또는 충격: 낙하, 충돌 또는 이물질 손상
- 베어링 압착: 압착된 베어링은 구동 토크에 의해 샤프트가 구부러지는 원인이 될 수 있습니다.
열적 원인
- 불균일한 난방: 샤프트 원주 주변의 불균일한 온도 분포
- 급격한 온도 변화: 시동 또는 종료 시 열 충격
- 인기 지역: 마찰, 마찰 또는 공정 조건으로 인한 국부 가열
- 불충분한 워밍업: 차가운 터빈이나 대형 기계를 너무 빨리 시동하는 경우
- 종료 절차: 냉각되기 전에 뜨거운 샤프트의 회전을 멈추게 함(열 처짐)
재료 및 제조 원인
- 재료 품질이 좋지 않음: 포함물, 공극 또는 재료 불균일성
- 부적절한 열처리: 담금질 또는 템퍼링으로 인한 잔류 응력
- 용접 변형: 잔류응력을 생성하는 비대칭용접
- 가공 응력: 제조 중 발생하는 응력
샤프트 보우가 진동을 유발하는 방식
휘어진 샤프트는 두 가지 메커니즘을 통해 진동을 생성합니다.
1. 기하학적 불균형
휘어진 축이 회전하면, 곡선 중심선이 원뿔이나 기타 비원형 경로를 따라 뻗어 나갑니다. 로터의 질량 분포가 완벽하게 균형을 이루더라도, 휘어진 형상은 편심 회전 질량을 생성하여 원심력을 발생시켜 1배의 진동(축 회전 주파수에서의 진동)을 발생시킵니다.
2. 베어링의 모멘트 하중
곡률은 베어링으로 전달되는 굽힘 모멘트를 생성하여 베어링 하중과 진동의 변동을 유발합니다.
샤프트 보우 감지
효과적인 문제 해결을 위해서는 샤프트 휘어짐과 실제 질량 불균형을 구별하는 것이 중요합니다.
증상 비교: 활형 vs. 불균형
| 특성 | 불균형 | 샤프트 보우 |
|---|---|---|
| 진동 주파수 | 1X 실행 속도 | 1X 실행 속도 |
| 위상 관계 | 일관되고 항상 동일함 | 워밍업 중에 변경될 수 있습니다 |
| 슬로우 롤 진동 | 현재 (속도²에 비례) | 매우 낮은 속도에서도 존재하며 종종 중요합니다. |
| 균형에 대한 대응 | 올바른 밸런싱으로 진동 감소 | 최소한의 개선 또는 전혀 개선되지 않음; 악화될 수 있음 |
| 열 감도 | 온도에 따라 비교적 안정적 | 워밍업/쿨다운 시 상당한 변화 |
| 런아웃 측정 | 로터가 정지 상태일 때 낮음 | 정지 상태에서도 높은 런아웃(영구 활주) |
진단 검사
1. 슬로우 롤 측정
샤프트를 매우 천천히 회전시키고(일반적으로 작동 속도의 5-10%) 측정합니다. 런아웃 근접 프로브 또는 다이얼 인디케이터를 사용하여 측정합니다. 느린 롤에서 높은 런아웃은 샤프트 휨이나 기계적 런아웃을 나타내며, 불균형(속도 제곱에 비례하는 힘을 발생시킴)을 나타내는 것이 아닙니다.
2. 셧다운 위상 변화
진동 모니터링 위상각 기계가 꺼질 때. 진정한 불균형은 속도와 관계없이 일정한 위상을 유지합니다. 휘어진 샤프트는 특히 냉각될 때 위상 변화를 보일 수 있습니다.
3. 열 활강 테스트
열 휨이 의심되는 경우, 시동 및 예열 중 진동을 모니터링하십시오. 열 휨은 일반적으로 기계가 예열됨에 따라 진동이 증가하다가 열 평형에 도달하면 진동이 안정되거나 감소할 수 있습니다.
4. 기계 외부 런아웃 점검
로터를 제거하고 V-블록이나 선반에 지지한 후 다이얼 인디케이터로 반경 방향 런아웃을 측정하면서 천천히 회전시킵니다. 상당한 런아웃(일반적으로 0.001인치 또는 25µm 이상)은 영구적인 휨을 확인합니다.
5. 시각적 검사
대형 샤프트의 경우, 샤프트 길이를 따라 시각적으로 관찰하거나 광학적 방법(레이저 정렬)을 사용하면 뚜렷한 활 모양을 발견할 수 있습니다.
교정 방법
적절한 교정은 활의 심각도와 유형에 따라 달라집니다.
영구 기계식 활용
1. 샤프트 교정
약간에서 중간 정도의 활(일반적으로 < 0.005인치 또는 125µm)의 샤프트는 유압 프레스를 사용하여 냉간 또는 열간으로 곧게 펴질 수 있습니다. 이 작업에는 특수 장비와 숙련된 기술자가 필요합니다. 샤프트는 지지되고 조심스럽게 하중을 가하여 소성 변형을 통해 곧게 펴집니다.
2. 열 스트레스 완화
샤프트를 열처리하여 잔류 응력을 완화하고, 응력 관련 원인으로 인한 휨을 줄이거나 제거할 수 있습니다. 이를 위해서는 적절한 용광로 장비와 공정 제어가 필요합니다.
3. 샤프트 교체
심하게 휘거나 중요한 용도에서는 샤프트 교체가 가장 안정적인 해결책인 경우가 많습니다. 새 샤프트의 비용은 가동 중단 시간과 교정 실패 위험을 고려하여 결정해야 합니다.
4. “활 주위에서 균형을 잡다”
경우에 따라, 특히 대형 터빈의 경우, 선수 효과를 상쇄하기 위해 보정 중량을 계산하여 설치할 수 있습니다. 이는 선수를 고정하는 것이 아니라 진동을 최소화하는 것입니다. 하지만 이러한 접근 방식에는 한계가 있으며 일반적으로 임시방편일 뿐입니다.
열 활용
1. 운영 절차 변경
- 느린 워밍업 절차를 구현하세요
- 열 처짐을 방지하기 위해 정지 중에도 지속적인 회전 기어 작동을 유지하십시오.
- 증기 유입이나 공정 유체 온도를 보다 신중하게 제어합니다.
- 대칭적인 난방/냉방을 보장합니다
2. 디자인 수정
- 열 기울기를 줄이기 위해 단열재를 추가하세요
- 균일한 워밍업을 위해 가열 재킷을 설치하세요
- 균일한 온도 분포를 보장하기 위해 냉각 시스템을 개선합니다.
3. 터닝 기어 작동
대형 터빈의 경우, 예열 및 냉각 시 회전 기어(저속 회전 구동)를 작동하여 샤프트를 회전시키고 열 휘어짐이 발생하는 것을 방지합니다.
예방 전략
샤프트 휘어짐을 예방하는 것은 교정하는 것보다 훨씬 쉽습니다.
설계 및 제조
- 잔류응력을 최소화하기 위해 적절한 열처리 절차를 사용하십시오.
- 응용 프로그램에 적합한 샤프트 강성을 설계하세요.
- 열 환경에 적합한 재료를 지정하세요
설치 및 유지 관리
- 항상 지정된 리프팅 지점을 사용하여 로터를 들어 올리고 샤프트를 사용해서는 안 됩니다.
- 처짐을 방지하기 위해 적절한 지지대를 사용하여 예비 로터를 보관하십시오.
- 취급 중 기계적 충격을 피하십시오.
- 샤프트 직진도를 주기적으로 점검하세요(연간 또는 제조업체 일정에 따라)
작업
- 제조업체의 예열 및 종료 절차를 따르세요.
- 급격한 온도 변화를 피하세요
- 시동 중 열 휘어짐 징후를 모니터링합니다.
- 진동 단계에서 설명할 수 없는 변화를 조사하세요.
밸런싱 절차에 미치는 영향
휘어진 샤프트의 균형을 맞추려는 시도는 일반적으로 무의미하며 오히려 역효과를 낳을 수 있습니다.
- 비효율적인 수정: 질량 불균형을 위해 계산된 균형추는 기하학적 활 모양을 교정하지 않습니다.
- 문제를 가리는 방법: 휘어진 샤프트의 "균형"을 부분적으로 성공적으로 맞추면 진동이 일시적으로 줄어들 수 있지만 근본적인 문제는 해결되지 않은 채로 남습니다.
- 시간 낭비: 성공 없이 여러 번 균형을 맞추는 반복은 활을 확인해야 함을 나타냅니다.
- 잠재적인 손상: 휘어진 샤프트에 큰 보정 가중치를 추가하면 응력이 증가하고 추가 손상이 발생할 수 있습니다.
모범 사례: 특히 로터에 취급 이력, 열적 현상 또는 설명할 수 없는 진동 문제가 있는 경우, 밸런싱 작업을 시작하기 전에 항상 샤프트 휘어짐 여부를 확인하세요.
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