입형 펌프 구조진동 (Structure Vibration for Vertical Pump)

수직 펌프, Vertical Pump, FEM, API 610, Modal Analysis, Harmonic Response

이너턴스는 API 610, HI 9.6.8-2014에 따라 입형 펌프의 구조진동(Structure Vibration)을 분석하였습니다. 분석 대상 펌프는 3000kW 용량의 인덕션 모터(Induction Motor)에 의해 구동되며, 425 rpm 회전속도로 운전되도록 설계된 수직 펌프(Vertical pump)입니다. 검토는 모달 분석(modal analysis), 고유진동수 평가, 하모닉 응답 분석 등을 포함하였습니다.

목차

  1. 검토 범위
  2. 모델 (Structure Model)
  3. 설계 기준 (Design Criteria)
  4. 모달 분석 (Modal Analysis)
  5. 하모닉 응답 분석 (Harmonic Response Analysis)
  6. 핵심 키워드
  7. 유사 사업영역

1. 검토 범위

입형 펌프의 구조진동 분석은 다음과 같은 내용을 포함하고 있습니다.

  • 3D 구조 모델링 (Structure modelling)
  • 구조 진동 분석 (Structural vibration analysis)
  • API 610, HI 9.6.8-2014 규격에 따른 분석
  • 입형 원심식 펌프 (Vertical centrifugal pump)
  • 모달 분석 (Modal Analysis)
  • 고유진동수 평가 (Natural Frequency)
  • 비감쇠, 감쇠 조건 분석 (Case Study for Dry, Wet condition)
  • Case Study for High liquid level, Low liquid level
  • 하모닉 응답 분석 (Harmonic response analysis)

2. 구조진동 모델 (Structure Model)

이너턴스는 수직 펌프(Vertical Pump)의 진동 해석을 상용 소프트웨어 유한요소해석 프로그램인 ANSYS Mechanical Enterprise를 이용하여 수행하였습니다. 축 (Shaft), 임펠러 (Impeller), 커플링 (Coupling), 베어링 (Bearing), 웨어링 (Wearing)등의 회전체와 아래 펌프 단면도에서 표현된 케이싱 (Casing)을 함께 모델링 하였습니다.

수직 펌프 단면도
[ 펌프 단면도 ]

입형 펌프가 설치되는 수조의 유체 높이 (Liquid Level)와 감쇠, 비감쇠 조건에 대한 진동 분석을 각각 수행하였습니다. 추가로 펌프 토출측에 연결되는 배관 노즐의 하중 조건 검토도 HI 9.6.8-2014에  따라 함께 수행하였습니다.

  • 비감쇠 조건 (Dry condition)
  • 감쇠 조건 (Wet condition, High liquid level)
  • 감쇠 조건 (Wet condition, Low liquid level)

아래 그림은 감쇠 조건의 유한요소해석 모델과 그 단면 현황을 나타내고 있습니다.

 유한요소해석 모델, 수직 펌프, 고유진동수
[ 유한요소해석 모델 ]

3. 설계 기준 (Design Criteria)

API 610, HI 9.6.8-2014에서 언급하고 있는 고유진동수 분리여유와 하모닉 응답 (Harmonic Response) 해석 등과 관련된 진동 설계 기준이 적용되었습니다.

  • 고유진동수 분리 여유 (Separation Margin)

펌프의 회전속도(Operating Speed)와 비교하여, 구조체 고유진동수(Natural Frequency)의 분리여유 설계 기준이 +/-15% 수준으로 적용되었습니다.

  • 하모닉 응답 해석 (Harmonic Response Analysis)

펌프 구조체의 고유진동수가 회전속도와의 분리여유가 확보되지 못할 경우, 운전 시 발생 가능한공진 (Resonance) 위험을 회피하기 위하여, 하모닉 응답 해석을 추가로 수행하였습니다.

4. 구조진동 분석 – 모달 해석 (Modal Analysis)

모달 해석을 위해, 모터 무게중심 위치와 하중을 고려하여 펌프 구조체에 적용하였으며, 아래 그림은 구조체에 대한 1차, 3차 모드 형상을 나타내고 있습니다.

모드 형상, 1차 & 3차, 구조진동, 수직 펌프, mode shape, 고유진동수
[ 모드 형상, 1차 & 3차 ]

모드 형상 (Mode Shape), 고유진동수 결과를 바탕으로 켐벨 다이어그램 (Campbell Diagram) 분석을 수행하였으며, 감쇠(Wet)와 비감쇠 (Dry) 조건을 각각 검토하였습니다. 펌프 운전 시 발생 가능한 가진 주파수는 회전속도, 임펠러 형상 (Impeller Vane) 등의 조건을 고려하여 선정하였습니다.

  • 회전속도 1배수 (One times of running speed, 1x)
  • 회전속도 2배수 (Two times of running speed, 2x)
  • 임펠러 형상 (Number (five, 5) of impeller vane, 5x)

감쇠 조건에서의 분석 결과가 아래 그림의 켐벨 다이어그램에서와 같이 표현되고 있으며, 3차, 4차, 6차, 7차, 8차 고유진동수 모드에서 분리여유(Separation Margin)가 확보되지 못하는 것을 확인할 수 있었습니다.

캠벨 다이어그램 분석, 구조진동, 수직 펌프, mode shape, 하모닉 응답 분석, 고유진동수 평가
[ 캠벨 다이어그램 분석 ]

5. 구조진동 분석 – 하모닉 응답 해석 (Harmonic Response Analysis)

펌프 운전 시 발생 가능한 진동원의 크기를 정량적으로 분석하여 하모닉 응답 해석을 수행하였습니다. 진동원 크기는 로터다이나믹스 (Rotordynamics) 과도해석(Transient Analysis)으로 평가하였으며, 분석된 주파수별 진동 변위 값을 회전축의 베어링 (Shaft) 위치에 적용하는 것으로 해석을 수행하였습니다. 아래 그림은 Thrust bearing 위치에서의 회전축 변위를 나타내고 있습니다.

축 진동 변위, mm, 구조진동, 하모닉 응답 분석, 고유진동수
[ 축 진동 변위, mm ]

아래 그림은 8Hz 주파수에서의 입형 펌프 구조체 전체에 대한 진동 변위 값을 나타내고 있습니다. 펌프 회전속도(425 rpm)와 유사한 주파수 8Hz에서 가장 높은 진동 변위가 예상되었으며, 해당 위치는 펌프 임펠러(Impeller)로 분석되었습니다. 

 진동 변위, 0-P (mm), 위상 (deg) , 하모닉 응답 분석
[ 진동 변위, 0-P (mm), 위상 (deg) ]
진동 형상, Deflected shape, 구조진동, mode shape
[진동 형상, Deflected shape]

아래 그림은 펌프 베어링 하우징 (Bearing Housing)에 대한 진동 속도 (Velocity) 크기를 나타내고 있습니다. 하모닉 응답 해석 결과 베어링 하우징에서의 진동 크기는 API 610 11th 기준을 만족하는 범위에서 예측되었습니다.

베어링 하우징 진동, 구조진동, mode shape, 하모닉 응답 분석
[ 베어링 하우징 진동 ]

6. 핵심 키워드

  • 구조진동 (Structure Vibration)
  • 수직 펌프 (Vertical Pump)
  • 모드 형상 (Mode Shape)
  • 진동 형상 (Deflected Shape)
  • 하모닉 응답 분석 (Harmonic Response Analysis)
  • 분리 여유 (Separation Margin)

7. 유사 사업 영역 

주식회사 이너턴스(INERTANCE)는 소음 진동 엔지니어링 업체로서 상기 언급된 펌프 구조진동 (Structure Vibration) 평가를 포함하여, 아래와 같은 유사 엔지니어링 업무 수행이 가능합니다.

문의 사항은 02-707-1545 또는 당사 이메일(mountain@inertance.com)로 연락주시면 성실히 업무 수행토록 하겠습니다


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