회전 기계의 샤프트 휩 이해
정의: 샤프트 휩이란 무엇인가?
샤프트 휩 (유체역학 베어링에서 발생하는 경우 오일 휘핑이라고도 함)은 심각한 형태입니다. 로터 불안정성 폭력적인 특징이 있다 자기 여기 진동 유체 필름 베어링에서 작동하는 로터가 임계 속도(일반적으로 첫 번째 속도의 약 2배)를 초과할 때 발생합니다. 임계 속도. 휘핑이 발생하면 진동 주파수는 로터의 첫 번째에 "잠깁니다" 고유 진동수 속도가 더 증가하더라도 그 상태를 유지하며, 진폭은 베어링 간극이나 치명적인 고장에 의해서만 제한됩니다.
샤프트 휘핑은 고속 회전 기계에서 가장 위험한 상태 중 하나입니다. 왜냐하면 갑자기 발생하고 몇 초 내에 파괴적인 진폭으로 커지며 다음과 같이 수정할 수 없기 때문입니다. 밸런싱 또는 기타 기존 방법을 사용할 수 있습니다. 재발을 방지하려면 즉각적인 가동 중단 및 베어링 시스템 수정이 필요합니다.
진행: 오일 훨에서 샤프트 휩으로
1단계: 안정적인 운영
- 로터는 불안정 임계값 이하에서 작동합니다.
- 정상적인 강제 진동만 불균형 현재의
- 베어링 오일 필름은 안정적인 지지력을 제공합니다.
2단계: 오일 소용돌이 시작
속도가 첫 번째 임계 속도의 약 2배를 넘어 증가하면:
- 오일 소용돌이 ~0.43-0.48× 샤프트 속도에서 비동기 진동이 발생합니다.
- 진폭은 처음에는 적당하고 속도에 따라 달라집니다.
- 주파수는 샤프트 속도에 비례하여 증가합니다.
- 간헐적이거나 지속적일 수 있습니다
- 불균형으로 인한 일반 1X 진동과 공존할 수 있습니다.
3단계: 휘핑 전환
오일 소용돌이 주파수가 첫 번째 자연 주파수와 일치하도록 증가하면:
- 주파수 고정: 진동 주파수는 자연 주파수에서 고정됩니다.
- 공진 증폭: 진폭은 다음과 같은 이유로 극적으로 증가합니다. 공명
- 갑작스러운 발병: 소용돌이에서 채찍으로의 전환은 즉각적일 수 있습니다.
- 속도 독립성: 속도가 더 증가해도 주파수는 변하지 않고 진폭만 변합니다.
4단계: 샤프트 휩(위험 상태)
- 일정한 주파수에서의 진동(첫 번째 고유 주파수, 일반적으로 40~60Hz)
- 정상 불균형 진동보다 5~20배 높은 진폭
- 샤프트가 베어링 클리어런스 한계에 닿을 수 있습니다.
- 베어링과 오일의 급속 가열
- 종료하지 않으면 몇 분 안에 치명적인 오류가 발생할 가능성이 있습니다.
물리적 메커니즘
오일 휩이 어떻게 발달하는가
이 메커니즘에는 베어링 오일 필름의 유체 역학이 포함됩니다.
- 오일 쐐기 형성: 샤프트가 회전하면서 베어링 주위로 오일이 끌려 가압된 쐐기가 생성됩니다.
- 접선력: 오일 웨지는 반경 방향(접선 방향)에 수직인 힘을 가합니다.
- 궤도 운동: 접선력으로 인해 샤프트 중심이 샤프트 속도의 약 절반으로 궤도를 이룹니다.
- 에너지 추출: 시스템은 궤도 운동을 유지하기 위해 샤프트 회전에서 에너지를 추출합니다.
- 공명 잠금: 궤도 주파수가 자연 주파수와 일치하면 공진은 진동을 증폭시킵니다.
- 한계주기: 진동은 베어링 클리어런스 또는 파손으로 인해 제한될 때까지 증가합니다.
진단 식별
진동 시그니처
샤프트 휩은 진동 데이터에서 특징적인 패턴을 생성합니다.
- 스펙트럼: 아동기 주파수(첫 번째 고유 주파수)에서 큰 피크가 발생하며 속도 변화에 관계없이 일정합니다.
- 폭포 플롯: 비동기식 구성 요소는 대각선(속도 비례)이 아닌 수직선(일정 주파수)으로 나타납니다.
- 주문 분석: 속도가 증가함에 따라 감소하는 분수 순서(예: 0.5×에서 0.4×로, 0.35×로 변경)
- 궤도: 자연 주파수에서 큰 원형 또는 타원형 궤도
발병 속도
- 일반적인 임계값: 2.0-2.5× 첫 번째 임계 속도
- 베어링 의존형: 특정 임계값은 베어링 설계, 예압 및 오일 점도에 따라 다릅니다.
- 갑작스러운 발병: 작은 속도 증가로 안정에서 불안정으로의 빠른 전환이 발생할 수 있습니다.
예방 전략
베어링 설계 수정
1. 틸팅 패드 베어링
- 샤프트 휘핑을 방지하기 위한 가장 효과적인 솔루션
- 패드는 독립적으로 회전하여 불안정한 교차 결합력을 제거합니다.
- 광범위한 속도 범위에서 본질적으로 안정적입니다.
- 고속 터보기계 산업 표준
2. 압력 댐 베어링
- 홈이나 댐이 있는 변형 원통형 베어링
- 효과적인 감쇠 및 강성을 증가시킵니다.
- 틸팅 패드보다 가격이 저렴하지만 효과는 떨어짐
3. 베어링 예압
- 베어링에 방사형 예압을 가하면 강성이 증가합니다.
- 불안정성을 위해 임계 속도를 높입니다.
- 오프셋 보어 설계를 통해 달성 가능
4. 필름 댐퍼를 압착하세요
- 베어링을 둘러싼 외부 댐핑 요소
- 베어링 설계를 변경하지 않고도 추가 감쇠를 제공합니다.
- 개조 적용에 효과적
운영 조치
- 속도 제한: 최대 작동 속도를 임계값 이하로 제한합니다(일반적으로 < 1.8× 첫 번째 임계)
- 부하 관리: 가능하면 더 높은 베어링 부하에서 작동하세요(감쇠 증가)
- 오일 온도 제어: 오일 온도가 낮을수록 점도와 감쇠력이 증가합니다.
- 모니터링: 비동기식 구성 요소에 대한 알람이 설정된 연속 진동 모니터링
결과 및 피해
즉각적인 효과
- 격렬한 진동: 진폭은 수 밀리미터(수백 밀)에 달할 수 있습니다.
- 소음: 정상 작동과는 다른 크고 독특한 소리
- 빠른 베어링 가열: 베어링 온도는 몇 분 안에 20~50°C까지 상승할 수 있습니다.
- 오일 분해: 고온 및 전단은 윤활제를 분해합니다.
잠재적 실패
- 베어링 와이프: 베어링 바빗 소재가 녹아서 닦아내집니다.
- 샤프트 손상: 점수, 긁힘 또는 영구 굽힘
- 씰 실패: 과도한 샤프트 움직임은 씰을 파괴합니다.
- 샤프트 파손: 격렬한 진동으로 인한 고주기 피로
- 커플링 손상: 전달된 힘으로 인해 커플링이 손상됨
관련 현상
오일 소용돌이
오일 소용돌이 는 채찍의 선구자입니다.
- 동일한 메커니즘이지만 주파수가 자연 주파수에 고정되지 않았습니다.
- 덜 심각한 진폭
- 속도에 비례하는 주파수(~0.43-0.48×)
- 일부 응용 프로그램에서는 허용될 수 있음
증기 소용돌이
증기 터빈에서도 베어링 오일 필름보다는 미로형 밀봉재의 공기역학적 힘으로 인해 유사한 불안정성이 발생합니다. 고유 진동수에 고정되는 유사한 아동기 진동을 보입니다.
드라이 프릭션 휩
씰 위치 또는 로터-스테이터 접촉에서 발생할 수 있습니다.
- 마찰력은 불안정화 메커니즘을 제공합니다.
- 오일 휩보다 덜 흔하지만 똑같이 위험합니다.
- 다른 교정 접근 방식이 필요합니다(접촉 제거, 씰 설계 개선)
사례 연구: 압축기 샤프트 휩
대본: 평원통 베어링을 사용한 고속 원심 압축기
- 정상 작동: 2.5mm/s의 진동으로 12,000RPM
- 속도 증가: 더 높은 용량을 위해 운영자가 13,500RPM으로 증가했습니다.
- 습격: 13,200 RPM에서 갑자기 격렬한 진동이 발생했습니다.
- 증상: 45Hz에서 25mm/s 진동(일정), 베어링 온도는 3분 만에 70°C에서 95°C로 상승
- 비상 조치: 즉각적인 종료로 베어링 고장 방지
- 근본 원인: 첫 번째 임계 속도는 2700RPM(45Hz)이었고, 2× 임계 속도 = 5400RPM에서 휘핑 임계값이 초과되었습니다.
- 솔루션: 플레인 베어링을 틸팅 패드 베어링으로 교체하여 최대 15,000RPM까지 안전하게 작동할 수 있습니다.
표준 및 산업 관행
- API 684: 고속 터보기계에 대한 안정성 분석이 필요합니다.
- API 617: 압축기의 베어링 유형 및 안정성 요구 사항을 지정합니다.
- ISO 10814: 안정성을 위한 베어링 선택에 대한 지침을 제공합니다.
- 업계 관행: 2배의 첫 번째 임계 속도 이상에서 작동하는 장비에 대한 틸팅 패드 베어링 표준
샤프트 휩은 적절한 베어링 선택 및 설계를 통해 예방해야 하는 치명적인 고장 모드입니다. 샤프트 휩의 독특한 준동기식, 주파수 고정 진동 특성을 파악하면 신속한 진단 및 적절한 비상 대응이 가능해져 중요 고속 회전 장비의 값비싼 손상을 방지할 수 있습니다.
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