Critical Speed for Reciprocating Compressor

Critical Speed for Reciprocating Compressor

 

 

 왕복동 압축기는 피스톤(Piston) 왕복운동 시 크랭크 축(Crankshaft)에 높은 토크(Torque)가 발생하며, 이러한 현상을 정량적으로 평가하여 비틀림 진동(Torsional Vibration)에 대한 적정성을 검토해야 한다. 왕복동 압축기의 설계 코드인 API 618, 6TH (Reciprocating Compressors for Petroleum, Chemical and Gas Inductry Services)는 비틀림 진동 평가 시 고려하는 위험속도(Critical Speed)의 분리 여유(Separation Margin)에 대한 요구사항에 대한 내용을 포함하고 있다.

 

[크랭크 축, Crankshaft Model for Reciprocating Compressor]

 

 

API 618에서 제시하고 있는 위험속도(Critical Speed)에 대한 요구사항은 다음과 같다.

6.7.1 The compressor vendor shall perform the necessary torsional studies to demonstrate the elimination of any torsional vibrations that may hinder the operation of the complete unit within the specified operating speed range in any specified loading step. The vendor shall  provide copies of the studies and shall inform the purchaser of all critical speeds from zero to trip speed or synchronous speed that occur during acceleration or deceleration. 6.7.2 With the exception of belt-driven units, the vendor shall provide a torsional analysis of all machines furnished. Torsional natural frequencies of the complete driver-compressor system (including couplings and any gear unit) shall not be within 10 % of any operating shaft speed and within 5 % of any multiple of operating shaft speed in the rotating system up to and including the tenth multiple. 6.7.3 For drive trains that include a turbine and gear, the requirements of API 611 , API 612, API 613, and API 616, as applicable, shall govern in calculation and evaluation of critical speeds. For units requiring the use of a low-speed quill shaft and coupling, a separate lateral critical speed analysis shall be performed. Any lateral critical speed of a quill shaft shall be separated by at least 20 % from any operating speed of any shaft in the system. 6.7.4 When torsional resonances are calculated to fall within the margin specified in 6.7.2, and the purchaser and the vendor have agreed that all efforts to remove the critical from within the limiting frequency range have been exhausted, a stress analysis shall be performed to demonstrate that the resonances have no adverse effect on the driver-compressor system. The assumptions and acceptance criteria for this analysis shall be agreed.

[API 618 Requirement for Critical Speed]

 

 

[캠벨다이어그램, Campbell Diagram for Critical Speed]

 

• Critical Speed의 검토 결과는 캠벨다이어그램(Campbell diagram)으로 평가할 수 있다.
• 비틀림 진동 해석(Torsional vibration analysis)은 크랭크 축(Crahkshaft), 커플링(Coupling), 기어(Gear), 드라이버(Driver-Motor, Engine, etc.)를 포함하는 전체 System을 포함해야 함.
• 운전속도(Operating Speed) 대비 10% 이상의 분리여유(Separation Margin)를 확보해야 함.
• 운전속도의 2배수 ~ 10배수의 가진 성분(Excitation Force) 대비 5% 이상의 분리 여유를 확보해야 함.
• 분석된 위험속도(Critical Speed)가 언급된 분리여유를 확보하지 못할 경우, 회전체에 대한 3D 모델 분석을 통한 비틀림 피로해석(Torsional Stress Analysis)을 수행해야 함.

 

[Modeling for Torsional Stress, 비틀림 피로해석]

 

 

비틀림 피로 해석(Torsional Stress Analysis)은 피스톤 왕복운동 시 발생하는 토크 발생량 설계, 비틀림 고유모드 분석, 토크 응답 해석(Torque Response Analysis) 등의 분석 절차를 포함하고 있다.

 

 

 

 

 

[Torque Excitation Study, 토크-가진]

 

• 운전속도(Running Speed), 가스 물성치(Gas Properties), 회전체 형상(Rotor Geometry) 등을 고려하여 토크 가진 힘(Torque Excitation Force)의 정량적인 평가
• 비틀림 고유진동수(Natural Frequency)에 따른 고유 모드(Torsional Mode Shape)를 분석하여, 비틀림 토크 가진 응답 해석(Forced Response Study)을 수행함.

 

 

[Torsional Mode Shape, 비틀림 고유모드]