KR101190827B1 - 복합 진동 저감 장치 - Google Patents

복합 진동 저감 장치 Download PDF

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Abstract

복합 진동 저감 장치가 개시된다. 복합 진동 저감 장치는 구조물이 탑재되는 상부 평판, 상부 평판의 하부에 위치하는 에어 스프링(Air Spring), 에어 스프링의 하부에 위치하는 하부 평판, 상부 평판과 하부 평판을 연결하는 마찰 감쇠기(Friction Damper)를 포함하는 수직방향 진동 저감부 및 하부 평판의 하부에 위치하며 볼 베어링(Ball Bearing)을 포함하는 볼 케스터(Ball Caster), 볼 케스터의 볼 베어링과 접촉하여 미끄러짐 또는 흔들림을 조절하는 수평방향 밀림방지부를 포함하는 수평방향 진동 저감부를 포함한다.

Description

복합 진동 저감 장치{Complex Vibration Reduction Apparatus}
본 발명은 방진 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복합 진동 저감 장치에 관한 것이다.
발전설비는 초대형의 터빈, 펌프, 팬 및 배관계로 구성되어 터빈 등의 회전체 및 배관계 내부 유동에 의한 기진력의 발생으로 큰 진동을 유발한다. 이와 같은 진동은 건물이나 인접 설비로 전달되어 기기파손, 건물의 크랙(Crack) 등을 유발한다. 방진 장치가 설치되지 않은 발전소에서는 진동에 의한 정밀기기의 오작동, 손상 등으로 인한 발전정지 사고가 발생할 수 있다.
특히, 발전소의 중앙 제어실이나 자동전압조정기는 대형 터빈이나 펌프의 주위에 설치되어 있고 배관계는 배관 지치 장치에 의하여 기초 바닥에 고정되어 있다. 그래서, 터빈이나 배관계에서 발생한 진동이 기초 바닥을 통해 중앙 제어실의 전자기기나 자동전압조정기로 바로 전달되어 발전 시스템의 안정성을 크게 저해하고 있다. 이에 따라, 기초 바닥을 통해 전달되는 진동을 저감하기 위하여 전자기기 시스템의 하부에 방진패드가 설치되거나 Wire Sus 방진장치가 설치되었다.
또한, 최근에 지진 발생 빈도의 증가로 건물의 내진설계와 함께 건물내부에 설치되는 전자기기의 지진 진동에 의한 손상을 방지하기 위한 대책이 절실히 요구되고 있다. 즉, 지진이 발생할 경우, 내진 설계가 되어 있는 건물은 피해가 없으나, 건물 내에 설치된 전자기기는 지진 진동에 의하여 손상될 수 있다. 이에 따라, 지진 진동을 저감하기 위하여 적층식 러버베어링이 사용되고 있다.
하지만, 러버베어링은 구조 및 특성에 있어서 여러가지 문제점과 한계성을 가지고 있다. 첫번째로, 지진에 의한 수평방향의 진동 저감을 위해서는 러버베어링의 고유진동수가 지진 발생 주파수인 2㎐ 이하가 되어야 하는데 기술적으로 어려움이 많다. 예를 들어, 러버베어링의 적층높이를 증가시켜 고유진동수를 감소시킬 수 있으나, 적층높이를 무한정으로 증가시키는 것은 불가능하다. 두번째로, 러버 베어링의 적층높이를 높게 하면 시스템의 불안이 가중되고, 설치 상에도 많은 문제점이 따르게 된다. 세번째로 적층높이를 낮게 하면 러버베어링의 고유진동수가 보통 4㎐ 이상 되기 때문에 수평방향 진동 절연 효과가 낮게 된다. 또한, 기존에는 상하방향의 진동을 절연하기 위하여 러버나 코일스프링이 사용되었으나, 이것은 진동절연 효과는 낮고 미세 진동은 절연할 수 없었다.
따라서, 터빈, 펌프, 및 배관계에서 발생한 진동 및 미세한 진동 까지도 전자기기로 전달되는 것을 절연할 수 있으면서, 지진 진동에 의해 발생하는 수평진동을 효과적으로 절연할 수 있는 기술이 요구된다.
본 발명은 수평방향 및 수직방향의 복합적인 진동을 절연할 수 있는 복합 진동 저감 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 미세 진동 및 지진 진동을 절연할 수 있는 복합 진동 저감 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 수평방향 및 수직방향의 복합적인 진동을 절연하는 복합 진동 저감 장치가 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 복합 진동 저감 장치는 구조물이 탑재되는 상부 평판, 상기 상부 평판의 하부에 위치하는 에어 스프링(Air Spring), 상기 에어 스프링의 하부에 위치하는 하부 평판, 상기 상부 평판과 상기 하부 평판을 연결하는 마찰 감쇠기(Friction Damper)를 포함하는 수직방향 진동 저감부 및 상기 하부 평판의 하부에 위치하며 볼 베어링(Ball Bearing)을 포함하는 볼 케스터(Ball Caster), 상기 볼 케스터의 볼 베어링과 접촉하여 미끄러짐 또는 흔들림을 조절하는 수평방향 밀림방지부를 포함하는 수평방향 진동 저감부를 포함한다.
상기 수평방향 진동 저감부는 상기 볼 베어링의 크기에 따라 수평방향의 고유 진동수가 결정된다.
상기 수평방향 밀림 방지부는 바닥에 고정되는 고정용 평판, 상기 고정용 평판의 상부에 설치되며, 상기 볼 케스터의 미끄러짐 또는 흔들림을 조절하는 밀림 제한 평판 및 흔들림의 크기를 제한하는 밀림 제한 고감쇠부를 포함한다.
상기 밀리 제한 평판이 바닥면과 이루는 각도에 따라 상기 수평방향 진동 저감부의 고유 진동수가 결정된다.
상기 수직방향 진동 저감부는 상기 에어 스프링의 높이 및 고유 진동수를 조절하는 레벨 조절 벨브를 더 포함한다.
상기 에어 스프링은 수직방향으로 발생하는 미세 진동을 절연한다.
상기 마찰 감쇠기는 순간적인 외력과 과도한 동적 힘이 전달되는 경우 흔들림을 흡수한다.
상기 수평방향 진동 저감부는 지진에 의한 진동을 절연한다.
본 발명은 수평방향 및 수직방향의 복합적인 진동을 절연할 수 있는 복합 진동 저감 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 미세 진동 및 지진 진동을 절연할 수 있는 복합 진동 저감 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 상시 발생하는 진동의 종류가 다양하고 진동의 크기 매우 큰 환경에 노출되어 있는 전자기기에 전달되는 미세 진동 또는 지진 진동을 저감함으로써 전체 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 복합 진동 저감 장치의 구성을 개략적으로 예시한 구성도.
도 2는 복합 진동 저감 장치의 단면도.
도 3은 진동 전달율 그래프.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.
도 1은 복합 진동 저감 장치의 구성을 개략적으로 예시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 복합 진동 저감 장치(100)는 수직방향 진동 저감부(110) 및 수평방향 진동 저감부(120)로 구성될 수 있다.
수직방향 진동 저감부(110)는 에어 스프링(Air Spring)을 구비하여 미세 진동을 포함하는 진동을 절연할 수 있다. 예를 들어, 고유진동수가 최대 1.5Hz인 에어 스프링을 사용하는 경우, 수직방향 진동 저감부(110)는 터빈, 펌프 및 배관에서 발생하는 수직방향의 진동뿐만 아니라, 미세 진동까지 절연할 수 있다.
또한, 수직방향 진동 저감부(110)는 마찰 감쇠기(Friction Damper)를 구비하여 수직방향의 진동 절연 기능을 제공하고, 상시 작업이나 큰 외력작용 시 시스템의 흔들림을 방지할 수 있다.
수평방향 진동 저감부(120)는 수평방향의 밀림을 제어하면서 고유진동수를 가능한 낮게 유지하는 볼베어링(ball bearing)과 수평방향 밀림방지 부를 구비한다. 볼베어링은 접촉면과 점접촉을 이루기 때문에 고유진동수를 최소 0.5Hz까지 가능하게 할 수 있으며, 자유도를 무한대로 증가시킬 수 있어 모든 방향의 지진 진동을 절연할 수 있다. 또한, 볼베어링은 자체가 금속이므로 내구성이 매우 강하고, 크기에 따라 고유 진동수가 정해지므로, 볼베어링의 크기가 조절됨으로써 볼베어링의 고유진동수가 조정될 수 있다.
볼베어링 하부에 설치되는 수평방향 밀림방지부는 볼베어링과의 접촉면 각도에 따라 볼베어링의 이동 속도 및 복원력에 영향을 미친다.
도 2는 복합 진동 저감 장치의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 복합 진동 저감 장치(100)는 상부 평판(Plate)(10), 브라켓(bracket)(15), 에어 스프링(Air Spring)(20), 마찰 감쇠기(Friction Damper)(25), 하부 평판(30), 볼 케스터(Ball Caster)(35), 밀림 제한 평판(40), 밀림 제한 고감쇠부(45), 고정용 평판(50) 및 레벨 조절 벨브(Leveling Valve)(55)를 포함한다.
에어 스프링(20)은 상부 평판(10)과 하부 평판(30) 사이에 위치하며, 상부 평판(10)과 하부 평판(30)은 브라켓(15)을 통해 마찰 감쇠기(25)와 연결된다. 여기서, 상부 평판(10)은 하부의 구성부들과 조립되면서 높이 조절이 가능하다. 마찰 감쇠기(25)는 수직방향으로 발생하는 급격한 진동을 절연하며, 에어 스프링(20)은 수직방향으로 발생하는 미세 진동을 절연시킬 수 있다. 예를 들어, 미세 진동은 터빈, 펌프, 및 배관 등에서 발생하여 자동전압조정기 등으로 전달되는 진동이 될 수 있다. 에어 스프링(20)은 고유 진동수가 1.5Hz 이하로 설정되어 미세 진동을 포함하는 수직방향의 진동을 절연하므로, 절연 범위가 광범위하다. 마찰 감쇠기(25)는 순간적인 외력과 과도한 동적 힘이 전달되는 경우 흔들림을 흡수할 수 있다.
즉, 수직방향 진동 저감부(110)는 상부 평판(10), 브라켓(15), 에어 스프링(20), 마찰 감쇠기(25) 및 하부 평판(30)으로 구성될 수 있다. 또한, 수직방향 진동 저감부(110)는 에어 스프링(20)의 높이 및 고유 진동수를 조절할 수 있는 레벨 조절 벨브(55)를 더 포함할 수 있다.
수평방향 진동 저감부(120)는 하부 평판(30)의 하부에 연결되는 볼 케스터(35) 및 수평방향 밀림방지부를 포함하여 구성될 수 있다.
볼 케스터(35) 볼 베어링을 포함하고, 수평방향 밀림방지부는 밀림 제한 평판(40), 밀림 제한 고감쇠부(45) 및 고정용 평판(50)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 볼 베어링은 수평방향의 진동을 절연하기 위하여 고유 진동수가 1Hz이하이고, 수평방향으로의 자유도가 무한대일 수 있다. 진동 절연에서 중요한 변수인 고유 진동수는 볼의 크기에 따라 조절될 수 있다.
밀림 제한 평판(40) 및 밀림 제한 고감쇠부(45)는 수평방향으로의 미끄러짐 또는 흔들림을 조절한다. 수평방향의 고유 진동수는 볼 베어링의 볼의 크기에 따라 결정되지만, 밀림 제한 평판(40)이 바닥면과 이루는 각도에 따라 조정될 수 있다. 밀림 제한 고감쇠부(45)는 지진 진동과 같은 매우 큰 진동에 대하여 흔들림의 크기를 제한한다.
고정용 평판(50)은 밀림 제한 평판(40)을 설치하기 위하여 바닥에 설치되며, 높이 조절용으로 이용될 수 있다.
이하에서는, 복합 진동 저감 장치(100)의 성능 실험에 대해서 설명하기로 한다.
실험 시스템은 도 2에 도시된 H Beam 구조물(60)의 상부에 2톤의 무게를 갖는 납덩어리를 올리고, 복합 진동 저감 장치(100)의 하부에 진동을 발생시키는 유압 가진기를 위치시켜 구성된다. 여기서, 복합 진동 저감 장치(100)는 4개가 적용되었다.
진동측정을 위한 진동측정 시스템은 가속도계, 진동신호증폭기, 신호전달용 케이블 및 진동신호 분석용 진동측정기로 구성된다.
진동감소 효과를 측정하기 위하여 진동신호 획득용 센서인 가속도계가 H Beam 구조물(60)의 상부에 설치되고, 유압 가진기에서 진동이 발생된다. 여기서, 유압 가진기는 2~5Hz/1000㎛의 수평방향 진동과 2~60Hz/1000㎛의 수직방향 진동을 발생시키도록 설정된다.
가속도계는 H Beam 구조물(60)에서 진동을 측정하여 측정된 진동 신호를 진동신호증폭기를 통해 진동신호 분석용 진동측정기로 전송한다. 진동신호 분석용 진동측정기는 측정된 진동 신호에 따라 진동 진폭의 크기를 출력한다. 이를 통해 분석한 결과는 다음 표 1과 같다.
발생 진동 크기(㎛) 측정 진동 크기(㎛) 진동 저감 효과(%)
수평 수직 수평 수직 수평 수직
1000 1000 30 20 97 98
표 1에 도시된 바와 같이, 복합 진동 저감 장치(100)는 97%이상의 진동 저감 효과가 있는 것으로 나타났다.
도 3은 진동 전달율 그래프이다. 도 3에서는 복합 진동 저감 장치(100)의 수직방향에 대한 고유 진동수가 1.5Hz이고, 수평방향에 대한 고유 진동수가 0.5Hz인 경우, 복합 진동 저감 장치(100)의 진동 저감 효과에 대하여 설명하기로 한다.
도 3에 도시된 진동 전달율 그래프는 하기의 수학식 1에 따른 그래프이다. 하기의 수학식 1은 진동 전달율 방정식(Vibration Transmission Equation)이다.
[수학식 1]
Figure 112010049279365-pat00001
여기서, T는 진동 전달율로서, 실제 바닥에서 발생하는 진동이 바닥에 설치된 전자기기에 진동이 전달되는 정도를 나타내는 것이고, f는 터빈이나 펌프 등에서 발생하는 진동이 바닥에 전달되는 가진 진동수(Hz)이고, f0는 전자기기 하부에 설치되는 복합 진동 저감 장치(100)의 고유 진동수(Hz)이다. r은 가진 진동수와 고유 진동수의 비이고, ζ는 감쇠비(Damping Ratio)이다.
수학식 1에서 감쇠비가 아주 적을 경우(ζ=0으로 가정), 진동 차단율(I)는 다음의 수학식 2로 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112010049279365-pat00002
복합 진동 저감 장치(100)의 가진 진동수가 결정되면, 사용되는 방진재(예를 들어, 에어 스프링, 볼 베어링 등)의 고유 진동수는 상기의 수학식 2가 이용되어 결정될 수 있다. 도 3의 도시된 진동 전달율 그래프를 참조하면, 가진 진동수와 고유 진동수 비가 √2배 이상이 되어야 진동 차단율이 발생하고, 진동수비가 증가할수록 진동 차단율은 증가(진동 전달율은 감소)한다.
따라서, 지진 진동의 진동수가 2Hz임을 감안하면, 수직방향에 대한 고유 진동수가 1.5Hz이고, 수평방향에 대한 고유 진동수가 0.5Hz인 복합 진동 저감 장치(100)는 진동 절연 효율이 매우 높은 것을 알 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 복합 진동 저감 장치
110: 수직방향 진동 저감부
120: 수평방향 진동 저감부

Claims (8)

  1. 구조물이 탑재되는 상부 평판(10), 상기 상부 평판(10)의 하부에 위치하는 에어 스프링(Air Spring)(20), 상기 에어 스프링(20)의 하부에 위치하는 하부 평판(30), 상기 상부 평판(10)과 상기 하부 평판(30)을 연결하는 마찰 감쇠기(Friction Damper)(25)를 포함하는 수직방향 진동 저감부; 및
    상기 하부 평판(30)의 하부에 위치하며 볼 베어링(Ball Bearing)을 포함하는 볼 케스터(Ball Caster)(35), 상기 볼 케스터(35)의 볼 베어링과 접촉하여 미끄러짐 또는 흔들림을 조절하는 수평방향 밀림방지부를 포함하는 수평방향 진동 저감부를 포함하되,
    상기 수평방향 밀림 방지부는
    바닥에 고정되는 고정용 평판(50);
    상기 고정용 평판(50)의 상부에 설치되며, 상기 볼 케스터(35)의 미끄러짐 또는 흔들림을 조절하는 밀림 제한 평판(40); 및
    흔들림의 크기를 제한하는 밀림 제한 고감쇠부(45)를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 진동 저감 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수평방향 진동 저감부는 상기 볼 베어링의 크기에 따라 수평방향의 고유 진동수가 결정되는 것을 특징으로 하는 복합 진동 저감 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 밀림 제한 평판(40)이 바닥면과 이루는 각도에 따라 상기 수평방향 진동 저감부의 고유 진동수가 결정되는 것을 특징으로 하는 복합 진동 저감 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수직방향 진동 저감부는 상기 에어 스프링(20)의 높이 및 고유 진동수를 조절하는 레벨 조절 벨브(55)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 진동 저감 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 에어 스프링(20)은 수직방향으로 발생하는 미세 진동을 절연하는 것을 특징으로 하는 복합 진동 저감 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 마찰 감쇠기(25)는 순간적인 외력과 과도한 동적 힘이 전달되는 경우 흔들림을 흡수하는 것을 특징으로 하는 복합 진동 저감 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 수평방향 진동 저감부는 지진에 의한 진동을 절연하는 것을 특징으로 하는 복합 진동 저감 장치.
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JP2008169681A (ja) * 2006-09-05 2008-07-24 Nobuyoshi Kaneko 建物の免震装置

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