CAMPBELL DIAGRAM(캠벨선도)를 활용한 회전기계 진동 분석

CAMPBELL DIAGRAM(캠벨선도)를 활용한 회전기계 진동 분석

 

1. 개요

Campbell Diagram(캠벨 선도)은 회전 기계 및 구조물의 진동 특성을 분석하기 위해 사용되는 대표적인 시각화 도구입니다. 이 선도는 기계의 회전 속도(RPM)와 발생하는 진동 주파수(Frequency) 사이의 관계를 한눈에 보여줍니다.

일반적으로 가로축(X축)에는 기계의 운전 속도를, 세로축(Y축)에는 주파수를 배치하여, 기계가 회전함에 따라 변하는 진동 성분이 구조물의 고유한 진동 특성과 어떻게 만나는지를 분석합니다.

 

 

[Campbell Diagram 예시]

2. Campbell Diagram 필요성

2-1. 공진(Resonance)의 사전 예측 및 회피

모든 기계와 구조물은 고유 진동수(Natural Frequency)를 가지고 있습니다. 만약 회전 기기에서 발생하는 가진 주파수(Excitation Frequency)가 이 고유 진동수와 일치하게 되면 공진 현상이 발생하여 진동이 급격히 증폭됩니다. 캠벨 선도는 이러한 공진이 발생하는 지점인 '위험 속도(Critical Speed)'를 시각적으로 찾아내어 설계 단계에서 이를 피할 수 있게 해줍니다.

 

2-2. 복잡한 진동 성분의 체계적 분류

회전 기기에서는 단순히 회전 속도(1X)뿐만 아니라, 날개 통과 주파수(Blade Passing Frequency), 엔진의 폭발 차수 등 다양한 '차수(Order)' 성분의 진동이 발생합니다. 캠벨 선도는 이러한 다양한 가진원들이 각각 어떤 속도에서 구조물에 영향을 주는지 명확하게 구분해 줍니다.

 

2-3. 안전한 운전 범위(Operating Range) 설정

왕복동 압축기/펌프, 원심식 펌프, 스팀 & 가스 터빈과 같은 정밀 기계는 특정 속도 구간에서 과도한 진동이 발생할 수 있습니다. 캠벨 선도를 통해 분석하면, 기계가 안정적으로 운전될 수 있는 속도 영역을 정의하고, 공진 구간을 빠르게 통과하거나 회피하도록 운전 가이드를 제시할 수 있습니다.

 

 

[Campbell Diagram 예시, 공진]

3. CAMPBELL DIAGRAM 구성 요소

캠벨 선도는 기계의 회전 속도와 그에 따른 진동 주파수를 매핑하여 공진 위험을 시각화합니다.

 

● 가로축 (x축): 기계 회전 속도(Pump, Compressor Speed)

   기계의 운전 속도를 나타내며, 보통 RPM(분당 회전수) 단위로 표시됩니다.

 

● 세로축 (Y축): 주파수(Frequency)

   구조물이나 기계 부품의 응답 주파수(Hz)를 나타냅니다.

 

● 가진 차수 라인(Excitation/Order Lines) -[사선]

   회전 속도에 비례하여 발생하는 진동 성분을 나타냅니다.

 

   *주요 엔진 가진: 엔진 실린더의 점화 순서 등에 따라 발생하며, 회전 주파수의 정수배(Orders) 또는 반정수배 

    (Half orders)로 나타납니다. 예를 들어, 2차(2nd order), 6차(6th order) 엔진 가진 등이 있습니다.

    *임펠러 가진: 임펠러 날개의 수에 따라 발생하는 날개 통과 주파수(Blade-passing frequency) 성분입니다.

 

 

[ 진동 Excitation Source]

 

● 고유 진동수 (Natural Frequencies) - [수평선]

  회전기계 구조물이 가진 고유한 진동 특성입니다. 회전 속도와 관계없이 일정하므로 그래프상에서 수평선으로

  표시됩니다.

 

● 운전 영역 (Operating Ranges) - [수직 밴드]

   기계가 운전되는 속도 범위를 나타냅니다.

 

● 교차점 및 공진 리스크 (lnterference Points)

   사선(가진선)과 수평선(고유진동수)이 만나는 지점이 **공진(Resonance)**이 발생할 수 있는 지점입니다.

   특히 이 교차점이 실제 운전 영역(수직 밴드) 내에 위치할 경우, 구조적 손상을 일으킬 수 있는 위험 요소로 간주

   하여 집중적인 검토와 대책 수립이 필요합니다.

 

 

 

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