스팀터빈 - 임계속도 (Critical Speed)

스팀 터빈의 Critical Speed(임계 속도)는 터빈의 안정성과 성능에 중요한 영향을 미치는 개념입니다. 임계 속도는 터빈이 특정 주파수에 도달했을 때 구조물이 공진 현상을 경험하며, 이는 터빈의 안전한 운전에 큰 위협이 될 수 있습니다. 이번 글에서는 스팀 터빈의 임계 속도에 대해 알아보고, 이를 예방하고 관리하는 방법에 대해 설명하고자 합니다.

임계 속도의 의미

임계 속도는 터빈의 회전 속도 중에서 특정한 주파수에 해당하는 속도로, 이 속도에서 터빈 구조물이 공진 주파수에 도달하게 됩니다. 공진 현상이 발생하면 터빈은 특정한 빈도로 진동하거나 느슨해질 수 있으며, 이는 터빈의 안정성과 성능을 위협할 수 있습니다.

만약 공진 주파수에서의 진동이 충분히 크다면 터빈 구조에 손상을 초래할 수도 있습니다.

임계 속도의 원인

• 임계 속도는 여러 요인에 의해 발생합니다.
• 구조 및 재질 : 터빈의 구조와 재질은 공진 주파수를 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.
• 회전 부품의 형태 및 무게 분포 : 회전 부품의 형태와 무게 분포도 임계 속도에 영향을 미칩니다. 특히, 불균형이 있는 경우 공진 주파수에 더 쉽게 도달할 수 있습니다.
• 운전 조건 : 터빈의 운전 속도와 조건도 임계 속도에 영향을 미칩니다. 고속으로 운전할수록 공진 주파수에 도달할 가능성이 높아집니다.

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임계 속도를 피하는 방법

임계 속도를 피하기 위해서는 설계 및 운전 단계에서 여러 가지 예방 조치를 취해야 합니다.

 

1. 설계 단계

• 구조물의 강성 및 회전 부품의 무게 분포 최적화 : 터빈 설계 시 구조물의 강성을 높이고 회전 부품의 무게 분포를 최적화하여 임계 속도를 예측하고 조정할 수 있습니다.
• 공진 주파수 예측 : 유한 요소 해석(Finite Element Analysis, FEA) 등의 시뮬레이션을 사용하여 공진 주파수를 예측하고, 이에 따른 설계 수정이 필요합니다.

2. 운전 단계

• 임계 속도의 일시적 통과 : 터빈을 가동할 때 임계 속도를 가능한 한 빠르게 통과시켜 터빈 및 회전 부품의 손상을 최소화합니다.
• 운전 속도 조절 : 임계 속도의 범위를 피하기 위해 터빈의 정격 속도에서 상하로 15~20% 이상 이격된 속도로 운전합니다.

공진(Resonance) 주파수

공진 주파수는 구조물이나 시스템의 자유 진동 주파수를 의미합니다. 이 주파수에서 구조물은 외부 힘의 영향을 받지 않아도 고유한 주파수로 진동할 수 있습니다. 공진 주파수에서의 진동은 큰 진폭을 가지며, 시스템의 안정성과 안전성에 영향을 미칠 수 있습니다.

 

공진 주파수 사전 확인 방법

 

1. 모델링 및 시뮬레이션

유한 요소 해석(FEA) : 구조물의 공진 주파수를 예측하기 위해 유한 요소 해석을 사용합니다. 이를 통해 설계 단계에서 공진 주파수에 대한 초기 평가를 수행할 수 있습니다.

 

2. 진동 테스트

현장 진동 테스트 : 구조물에 진동 센서를 부착하여 다양한 주파수와 진폭의 진동을 시도하여 공진 주파수를 확인합니다.

 

3. 주파수 응답 분석

FFT(Fast Fourier Transform) : 진동 테스트 데이터를 수집한 후 주파수 응답 분석을 통해 공진 주파수를 식별합니다.

 

4. 모의 실험

모의 실험실 테스트 : 실제 환경에서 직접 테스트하는 대신, 모의 실험실에서 모형을 사용하여 공진 주파수를 확인합니다.

결론

스팀 터빈의 임계 속도는 터빈의 안전하고 효율적인 운전에 중요한 요소입니다. 설계 단계에서부터 공진 주파수를 예측하고 최적화하는 것이 중요하며, 운전 단계에서는 임계 속도를 일시적으로 통과시키고 적절한 속도 범위를 유지하는 것이 필요합니다. 공진 주파수를 정확하게 파악하고 이를 피하는 전략을 통해 터빈의 안전성과 성능을 극대화할 수 있습니다.