Rotor Thermal Bow가 기동·정지 과정에서 1X 진동을 변화시키는 이유

거대한 터빈이 떨리는 이유

발전소나 대형 플랜트에서 일하는 엔지니어들이 가장 긴장하는 순간 중 하나는 거대한 터빈이나 압축기를 켜고 끌 때입니다. 거대한 기계가 빠른 속도로 돌기 시작할 때, 내부의 회전체(Rotor)는 눈에 보이지 않는 미세한 변화를 겪게 됩니다. 이 과정에서 발생하는 진동은 기계의 건강 상태를 보여주는 가장 솔직한 신호입니다. 특히 회전 속도와 정확히 일치하는 주파수로 떨리는 현상을 1X 진동이라고 부릅니다. 이 진동의 크기와 양상이 기동하고 정지하는 동안 시시각각 변하는 주된 원인 중 하나가 바로 로터 열적 휨 현상입니다. 기계 내부의 온도 차이가 금속을 휘게 만들고, 이로 인해 무게 중심이 한쪽으로 치우치면서 진동을 유발하는 것입니다.

로터 열적 휨 현상의 정체

로터 열적 휨 현상은 회전체 전체가 고르게 뜨거워지지 않고 부분적으로 온도 차이가 생길 때 발생합니다. 터빈 내부는 수백 도가 넘는 고온의 증기가 지나가기 때문에 매우 뜨겁습니다. 하지만 기계를 멈춘 상태에서 한쪽 면만 계속 열을 받거나, 반대로 차가운 공기가 특정 방향으로 유입되면 금속이 열팽창하는 정도에 차이가 생깁니다. 금속은 온도가 올라가면 팽창하므로, 뜨거운 쪽은 늘어나고 상대적으로 차가운 쪽은 그대로 남아있게 됩니다. 이로 인해 곧아야 할 거대한 회전축이 바나나처럼 휘어지는 현상이 나타납니다. 이렇게 축이 휘어진 상태로 회전하면 마치 세탁기에 빨래가 한쪽으로 쏠린 채 탈수할 때 심하게 흔들리는 것처럼 1X 진동이 급격히 증가하게 됩니다.

회전체가 정지 부품과 스치듯 접촉(러빙)하면서 생긴 마찰열이 축을 휘게 만드는 유형은 1924년 테일러(H. D. Taylor)의 보고서와 1926년 뉴커크(B. L. Newkirk)의 논문이 처음 보고했고, 지금은 뉴커크 효과(Newkirk effect)라고 부릅니다. 이 유형은 특히 위험한데, 축이 휘면서 불균형이 커지고 진동이 커질수록 러빙이 더 심해지고 그로 인해 열이 더 많이 발생해 휨이 더 커지는 악순환, 즉 일종의 열적 폭주(thermal runaway) 양상을 보일 수 있기 때문입니다. 반면 이 글에서 주로 다루는 정지 중 자연대류에 의한 열적 휨은 러빙 없이도 발생하는 더 일반적인 현상이라는 점에서 구분됩니다.

기동과 정지 과정에서 진동이 요동치는 이유

기계를 켜거나 끌 때는 열의 흐름이 끊임없이 변하기 때문에 1X 진동 역시 드라마틱한 변화를 겪습니다. 현장에서 자주 관찰되는 대표적인 상황들을 살펴보면 다음과 같습니다.

• 터빈을 막 켜기 시작하는 초기 단계에서는 멈춰 있는 동안 위쪽에만 열이 쌓여 축이 휘어있다가 회전을 시작하면서 진동이 크게 발생합니다.
• 회전 속도를 서서히 올리면서 특정 속도 구간을 통과할 때 기계의 고유 진동수와 맞물려 진동이 일시적으로 증폭됩니다.
• 운전 속도에 도달한 후 시간이 지나 전체적으로 온도가 균일해지면 휨 현상이 해소되면서 진동이 다시 안정화됩니다.
• 발전소를 멈추기 위해 출력을 낮추고 정지시킨 직후에는 내부의 뜨거운 열이 위로 쏠리면서 냉각되는 과정에서 일시적인 휨이 다시 발생해 진동이 튀어 오르기도 합니다.

실제로 산업 현장에서 보고된 한 사례에서는, 정격 속도에 도달한 터빈이 러빙에 의한 열적 휨 때문에 불과 20분 사이에 1X 진동값이 0.8밀(mil)에서 4배가 넘는 3.6밀까지 치솟은 경우도 있었습니다(베이커 휴즈 「Orbit」 2022년 1분기호의 증기 터빈 사례, 정격 약 4,350 rpm · 1밀 = 약 25마이크로미터, 위아래 전체 폭 기준). 이처럼 열적 휨은 몇 분 단위의 짧은 시간 안에도 진동 수준을 극적으로 바꿔놓을 수 있어, 기동 직후 한동안은 진동 트렌드를 방심하지 않고 지켜봐야 합니다. 열이 고르게 자리 잡는 데 걸리는 시간은 로터 크기와 설계에 따라 크게 다릅니다. 미국 전력연구소(EPRI) 지침은 주요 제조사 기종의 기동 전 터닝 기어 운전을 최소 4시간으로 적고, 아주 큰 증기 터빈은 고르게 데우며 속도를 올리는 데 며칠이 걸리기도 합니다(Nicholas 외 1976). 반드시 제조사의 권장 절차를 따라야 합니다.

그림으로 본 휜 축과 불평형의 차이

휜 축과 불평형은 둘 다 1X로 보이지만, 회전수에 따라 달라지는 모양이 다릅니다. 공개 논문(Nicholas·Gunter·Allaire 1976, Flack 외 1981)은 휨과 불평형이 함께 있는 단순 축의 1X 응답을 하나의 식으로 정리했습니다. 이 식으로 그려 보면 휜 축은 아주 느리게 돌 때도 휨만큼의 1X가 보이고, 불평형은 느리게 돌면 거의 0입니다.

그래서 저속 회전(슬로 롤)에서 근접 센서로 읽은 1X는 축의 휨을 보여 줍니다(Nicholas 외 1976). 다만 Flack 외(1981)는 휨 응답이 속도에 따라 변하므로, 저속에서 읽은 값을 모든 속도에서 그대로 빼는 보정은 충분하지 않다고 지적합니다.

밸런싱과 터닝 기어를 두고 짚어 둘 두 가지

회전체 진동을 다루는 현장 실무자들 사이에서는 열적 휨 현상과 관련해 몇 가지 오해가 존재합니다. 이를 바로잡는 것이 설비를 안전하게 운영하는 지름길입니다.

진동이 커지면 무조건 밸런싱 작업부터 해야 한다고 생각하는 경우가 많습니다. 물론 무게중심이 맞지 않아 생기는 불균형도 1X 진동의 원인이지만, 열적 휨으로 인한 진동은 균형추를 단다고 해결되지 않습니다. 기계가 식으면서 축이 펴지면 진동이 사라지기 때문입니다. 밸런싱은 철저히 상온에서의 불균형을 잡는 것이며, 열적 휨은 온도 관리를 통해 해결해야 합니다. 실무에서는 이 둘을 구분하기 위해 진동의 위상각(phase angle) 변화를 함께 확인하는 방법이 활용되는데, 위상각이 안정된 채로 진폭만 변한다면 열적 휨이나 정렬 변화일 가능성이, 반대로 진동이 커지는 동안 위상각 자체가 계속 회전하듯 바뀐다면 러빙과 같은 동적 접촉 문제일 가능성이 크다는 점이 현장 진단 사례에서 확인되고 있습니다.

또 다른 오해는 기계를 멈춘 후 바로 터닝 기어를 끄거나 회전을 멈춰도 된다는 생각입니다. 멈춘 직후에 회전축을 돌려주지 않으면 뜨거운 공기는 위로 올라가고 찬 공기는 아래에 머물면서 심각한 온도 편차가 생깁니다. 이는 곧바로 축을 휘게 만드는 지름길이므로, 정지 후에도 터닝 기어를 이용해 축을 계속 천천히 돌려주어야 전체적으로 골고루 식힐 수 있습니다.

현명한 설비 운영을 위한 실용적인 조언

대형 회전기기를 다루는 엔지니어와 운전원들이 실무에서 1X 진동을 관리하고 열적 휨을 예방하기 위해 실천할 수 있는 유용한 방법들이 있습니다.

• 기동하기 전에는 반드시 터닝 기어를 충분한 시간 동안 가동하여 회전체 전체의 온도 편차를 최소화해야 합니다.
• 시동을 걸고 속도를 올리는 램프 업 과정에서 진동 수치가 허용 범위를 넘지 않는지 모니터링 시스템을 통해 실시간으로 주시해야 합니다.
• 정지 작업을 수행할 때는 급격한 냉각을 피하고 제조사가 권장하는 규정된 냉각 속도와 절차를 엄격히 준수해야 합니다.
• 축의 변형 상태를 정확히 파악하기 위해 비접촉식 변위 센서인 프락시미티 프로브의 데이터를 주기적으로 점검하고 기록해야 합니다.
• 기동 중 진동이 비정상적으로 튈 경우 무리하게 속도를 올리지 말고 쏘크 타임을 주어 온도가 안정될 때까지 기다리는 여유를 가져야 합니다.
• 진동이 커지는 구간에서는 진폭뿐 아니라 위상각의 변화 양상도 함께 기록해두면, 추후 열적 휨과 러빙을 구분하는 데 중요한 근거 자료가 됩니다.

진동 데이터 분석을 통한 비용 절감 전략

열적 휨 현상으로 인한 1X 진동 변화를 정확히 이해하고 대처하는 것은 단순히 설비를 보호하는 것을 넘어 막대한 경제적 비용을 아끼는 방법이기도 합니다. 휨 현상을 기계적 결함으로 오인하여 불필요하게 대정비에 들어가거나 로터를 통째로 교체하는 비용은 엄청납니다. 정확한 진단을 통해 온도 관리 소홀이나 터닝 기어 작동 불량 등의 원인을 찾아내어 수정한다면 큰돈을 들이지 않고도 설비 수명을 크게 늘릴 수 있습니다.

특히 예지보전 시스템을 도입하여 기동 및 정지 시점의 1X 진동 트렌드를 빅데이터로 축적하면, 열적 휨이 발생하는 임계점을 미리 예측할 수 있습니다. 이는 정비 계획을 세울 때 매우 유용한 지표가 되며, 예상치 못한 불시 정지로 인한 발전 손실이나 생산 중단 사고를 미연에 방지해 줍니다.

정지 중 휨·1X·다시 펴짐·겨울철 기동에 대한 질문

회전체 진동과 열적 휨에 대해 현장에서 자주 제기되는 의문점들을 정리했습니다.

기계가 완전히 멈춘 상태에서도 휨 현상이 일어날 수 있는지 궁금해하는 사람들이 많습니다. 그렇습니다. 오히려 기계가 정지해 있을 때 내부의 대류 현상으로 인해 위아래 온도 차이가 가장 극심해지며, 이로 인해 축이 휘는 현상이 빈번하게 발생합니다. 그래서 정지 후에도 터닝 기어로 계속 돌려주는 것입니다.

1X 진동만 유독 커지는 이유가 무엇인지 묻는 질문도 자주 나옵니다. 회전축이 한쪽으로 휘거나 무게중심이 치우치면 축이 한 바퀴 돌 때마다 한 번씩 큰 충격이나 원심력이 발생합니다. 이 주기가 정확히 회전 속도와 일치하기 때문에 진동 주파수 분석상에서 1X 성분으로 가장 두드러지게 나타나는 것입니다.

열적 휨으로 휘어진 축은 다시 곧아지는지도 궁금해하는 경우가 많습니다. 온도가 균일해지면 금속은 원래의 성질에 의해 대부분 곧은 상태로 돌아옵니다. 다만, 온도가 너무 높거나 심한 변형이 오래 지속된 경우에는 영구적인 변형이 올 수도 있으므로 온도 관리가 매우 중요합니다.

겨울철에 기동할 때 진동이 더 심해지는 경향이 있는지 묻는 질문도 있습니다. 주변 환경 온도가 낮으면 케이싱과 로터 외부가 차가워지기 쉬우므로 기동 초기 온도 차이가 더 크게 벌어질 수 있습니다. 따라서 겨울철이나 추운 환경에서는 웜업 과정을 평소보다 더 철저히 진행해야 진동 문제를 예방할 수 있습니다.

참고 자료

• Yu(Baker Hughes), Rub Diagnostics based on Vibration Data, Orbit Q1 2022 — 증기 터빈 정격 속도 20분 동안 1X 0.8 → 3.6 mil pp · 러빙 때 1X 벡터가 회전 반대 방향으로 돎 · 테일러(1924)와 뉴커크(1926)가 처음 보고
• EPRI 1019645, Turning Gear Maintenance Guide (2010) — 멈춘 채 식거나 데워지면 로터가 일시적으로 휨, 천천히 돌리면 둘레 온도가 고르게 유지 · 기동 전 터닝 기어 최소 4시간
• Wikipedia, Turning gear — 온도가 위아래로 층을 이루면 축이 위로 휨(hogging)
• Nicholas, Gunter, Allaire, Effect of residual shaft bow on unbalance response and balancing of a single mass flexible rotor, J. Eng. Power 98(2) (1976) — 저속에서 읽은 축 진폭 = 남은 휨 · 아주 큰 증기 터빈은 고르게 데우며 속도를 올리는 데 며칠
• Flack, Rooke, Bielk, Gunter, Comparison of the unbalance responses of Jeffcott rotors with shaft bow and shaft runout, ASME 81-DET-47 (1981) — 휨과 불평형이 함께 있는 축의 응답 식 (2)