축정렬(Shaft Alignment)

축정렬(Shaft Alignment)

정렬(Alignment)이란 기계부품들을 서로 조정하여 가지런히 놓는 행위를 말하는데 터빈, 발전기, 압축기, 펌프, 왕복동 압축기 등 고속 및 저속의 모든 회전기계에는 필요 불가결한 것이다. 완벽한 Alignment 시행을 강조하는 이유는 Alignment가 잘못되었을 때 발생하는 진동 때문이며 회전기계의 진동문제의 상당 부분이 바로 Misalignment에 의한 것이다.

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Misalignment가 된 회전기계가 전 산업현장에서 미치는 재정적 손실은 매우 엄청나다. 통계학적으로 볼 때 이들 회전기기의 반 이상이 심각한 Misalignment로 운전되고 있고 아마 곧 정지되거나 16개월 이내에 교체나 수리를 해야 하는 것이 태반이다. 설비운영 조직 내에서도 대형 회전체에만 관심이 있고 소형 회전체에 대해서는 상대적으로 관심이 작아 베어링, 축, 누설장치. 커플링에서 많은 문제점을 나타내고 있다.

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축정렬의 목적 (The Objective of Shaft Alignment)

- 동적 운전 조건하에서도 축의 안정성과 베어링의 수명을 연장할 수 있도록 베어링에 작용하는 과도한 축방향, 반경방향의 힘을 감소시킨다.

- 축의 피로손상 가능성을 제거한다.

- 커플링 부품의 마멸량을 최소화 시킨다.

- 커플링의 동력전달 지점과 커플링 끝단 베어링사이의 축 굽힘을 최소화 시킨다. 또한 적정한 케이싱 내부 간극을 유지시킨다.

- 동력 소비를 줄인다. (2~17 % 정도 동력 감소 효과가 있다는 보고가 있다).

- 케이싱, 축, 베어링의 진동을 감소시킨다.

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[그림 1] Misalignment 상태일 때 축의 탄성적인 휨

[그림 2] Misalignment 값에 따른 회전기계의 전형적인 운전수명

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회전 기계의 회전체 부품의 손상 또는 탈락 등으로 발생되는 Weight Unbalance와 더불어 축정렬 상태는 기계의 성능 및 진동에 큰 영향을 미친다. 축정렬 상태가 부적절하면 진동 특성도 복잡하여 Misalignment인가를 현장에서 진단하는 것이 어려울 뿐만 아니고 다음과 같은 현상이 발생하여 운전도 어렵게 된다.

- 각 베어링의 Level 변화가 부적절하게 발생하면 Level이 낮은 베어링의 유막 압력이 저하되어 Oil Whip에 의한 진동이 발생할 수 있다.

- 회전축의 이동으로 Rubbing이 발생하여 축진동이 생긴다.

- Level이 높은 베어링에 과부하가 걸려 온도가 상승하고 심하면 Babbitt가 손상된다.

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회전하는 기계에서 Misalignment인 것을 감지하는 것은 매우 어렵다. 축에서 축으로 전달되는 반경방향 힘은 전형적인 정적인 힘(일정한 방향성)이고 외부에서 측정하기는 매우 어렵다. 유감스럽게 축, 베어링, 커플링에 얼마만큼의 힘이 작용하는지 기계에 부착하여 측정할 수 있는 센서나 분석기가 없다. 따라서 우리가 알수 있는 것은 다음과 같은 징후들을 나타내는 이들 힘의 2차적인 결과를 관찰하여 축의 Misalignment 상태를 아는 것이다.

- 베어링, 씰, 축 또는 커플링의 조기 손상

- 과도한 반경방향, 축방향 진동

- 베어링 부근에서 높은 케이싱의 온도 또는 높은 윤활유 출구 온도

- 베어링 씰에서 많은 량의 윤활유 누설

- 기초 볼트의 풀림

- 커플링 볼트의 풀림과 손상

- 설비의 운전중 및 정지직후 커플링의 높은 온도. 커플링이 탄성중합체 형태인 경우 커플링 안쪽에서 고무가루가 묻어나오는지를 관찰 하여야 한다.

- 일정시간 운전후 축의 Runout이 증가하는 경향이 있다.

- 설비의 특정부위는 진동이 감소하고 수명이 오래가는 경향이 있다.

- 커플링에서 사고가 자주 일어나거나 마멸이 빨리발생한다.

- 내측 베어링이나 커플링과 가까운 위치에서 축의 절단이나 손상이 일어난다.

- 커플링 보호대 내부에 많은 오일이나 그리스가 묻어 나온다.

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축정렬 방법과 지침

기계의 축정렬 상태를 측정하는데는 Face and Rim 기법과 Reverse Indicator 기법이 주로 사용된다. Face and Rim 방법에서는 Face(축방향, Angular) 측정과 Rim(반경 방향, Parallel, Offset) 측정(그림 1)은 다른 축에 대한 한 축의 각(Angle)과 편차(Offset)를 각각 구하는 것이다. Reverse Indicator 방법은 각각의 커플링에 Indicator를 1개씩 설치하여, 다른 축 중심선에 대한 한 축의 상대적인 중심선 위치를 찾는 2개의 Rim 측정법이다. Face 및 Rim의 값은 일반적으로 Rim은 Dial Indicator로 측정하고 Face는 Dial Indicator나 내경 마이크로미터로 측정하거나(커플링 사이의 거리가 큰 경우) Block 혹은 Feeler Gauge로 측정한다. 측정 후 각 제품의 제조사 Specification Sheet 명시된 허용오차 내 또는 사용사업장 설비 유지 보수 지침에 의거하여 Shim Plate등을 이용하여 허용오차 범위내로 축정렬을 실시 하여야 한다.

[그림 3] Dial Indicator를 이용한 축정렬 모습

[그림 4] Laser 장비를 이용한 축정렬 모습

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[그림 5] 정확한 축의 정렬을 위하여 Shim Plate를 삽입하는 모습

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축정렬(Shaft Alignment)