항공기 가스터빈엔진의 진동 스펙트럼 분석을 통한 진동감쇠 방안 = Vibration Reduction for Gas Turbine Engine by Vibration Spectral Analysis Method

국문 초록 (Abstract)

진동이란 기준위치 주위에서 일어나는 주기적인 흔들림이다. 일반적으로 진동측정을 하는 목적은 시스템의 고유 진동수를 구하거나 여러 기타 목적에 따라 유용하게 사용되기도 한다.
하지만 항공기나 엔진 시운전실에서 측정하는 진동은 안정성의 확보와 엔진의 유지 보수적인 측면에서 엔진의 상태진단의 판단 기준으로 고려되어야 한다. 기본적으로 항공기는 사고 발생시 대형 사고로 이어질 수 있기 때문에, 판단의 근거로 제시되는 자료들에 대한 정확한 이해가 먼저 이루어 져야 하며, 자료의 모니터링시 유효한 자료 및 무효한 자료를 판단할 수 있어야 한다. 이를 통해 정비사가 다음 어느 시점에 어떤 행동을 취하고 계획을 세울수 있게 한다. 항공기 엔진의 경우 가속도계로 진동을 측정하게 되고, 필터링되며 이를 모니터링 한다. 그리고, 현대 제트 엔진에서 발생하는 임발란스(Imbalance) 진동은 RPM의 증가에 영향을 크게 받는다.
본 논문에서는 실제 항공기에 사용하는 엔진 진동 모니터링(EVM) 시스템을 소개하고, 실제 측정된 진동 신호와 임발란스 진동을 스펙트럼 분석을 통해 해소 할수 있음을 보여주고자 한다.
이를 통해, 엔진 성능측정을 위한 시운전시 엔진의 회전에 따른 진동 및 신호의 유형을 분석 및 감시하며, 각 부분품이 진동에 미치는 특성 및 원인을 조기에 발견 할 수 있는 판단의 근거 자료로써 사용 할 수 있는 방법으로서 활용하고자 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The airborne EVM(Engine Vibration Monitoring) system uses piezo-electric transducers(accelerometers) to sense engine vibration. The charge signal generated by the accelerometers is then wired through special low-noise cabling to the EVMU. The signal processing is provided by the EVMU, which extracts the relevant information from the total vibration signal provided by the accelerometers. The area of interest in airborne engine vibration monitoring is relatively limited and confined to the once-per-revolution vibration (out-of-balance) of the engine shaft(N1 and N2). The reason for this limited monitoring is that experience has shown that for all modern turbofan engines, the monitoring of these vibration components is sufficient as a criterion to determine the safety margin in order to avoid a catastrophic engine failure. In other words, all engine failure modes that could lead to a catastrophic engine failure will first of all lead to an increase in out-of-balance vibration.

This primary goal of the this paper is to summarize the feasibility of detecting vibration abnormality on the commercial aircraft engine by means of the spectral analysis method. During the operation of turbofan engine, blade natural frequencies coupled with shaft torsional natural frequencies, which may then be measured. However, the problem is to determine whether how much vibration from an enigne is "normal" or it is real vibration. This can be determined through experience from operating a given engine type with spectral analysis. Through this study, the paper shows that the vibration estimation is an effective tool to obtain unbalance engine movement.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 요 약 -------------------------------------------- ⅰ
• 그 림 목 록 ------------------------------------------- ⅵ
• 표 목 록 ------------------------------------------- ⅷ
• 약 어 목 록 ------------------------------------------ ⅸ
• 기 호 목 록 ------------------------------------------ ⅹ
• 제 1 장 서 론 ----------------------------------------- 1
• 제 2 장 진동의 정의 ----------------------------------- 3
• 2.1 조화 운동 (Harmonic Motion)------------------------ 3
• 2.2 진동의 진폭 (Vibration Amplitude)-------------------- 5
• 2.2.1 진동 변위 (Vibration Displacements)--------------- 5
• 2.2.2 진동 속도 ( Vibration Velocity)---------------------- 5
• 2.2.3 진동 가속도 (Vibration Accelerometer)------------ 6
• 2.2.4 가속도 속도 그리고 변위의 관계------------------ 6
• 2.3 진동의 측정 단위--------------------------------- 8
• 2.4 진동 주파수----------------------------------- 11
• 2.4.1 진동 주파수의 정의------------------------------- 11
• 2.4.2 진동주파수 측정에 의한 정보---------------------- 12
• 2.4.3 진동 스펙트럼 (Vibration Spectrum)-------------- 14
• 2.4.4 진동 위상각 (Vibration Phase)------------------- 18
• 제 3 장 진동의 분석 및 이해----------------------------- 23
• 3.1 진동계의 구성-------------------------------------- 24
• 3.1.1 가속도계 ---------------------------------------- 24
• 3.1.1.1 가속도계의 종류 ------------------------------- 25
• 3.1.1.2 가속도계의 특성-감도, 질량, 동적범위----------- 26
• 3.1.1.3 가속도계의 주파수 영역----------------------- 26
• 3.1.2 전하 증폭기------------------------------------- 27
• 3.1.3 필터-------------------------------------------- 28
• 3.1.3.1 저대역 통과 필터------------------------------- 28
• 3.1.3.2 고대역 통과필터-------------------------------- 29
• 3.1.3.3 대역 통과필터---------------------------------- 29
• 3.1.3.4 대역 거부필터---------------------------------- 29
• 3.1.3.5 필터의 감도------------------------------------ 29
• 3.1.3.6 옥타브----------------------------------------- 30
• 3.1.3.7 필터의 대역특성-Rolloff ------------------------- 31
• 3.1.3.8 트래킹 필터(Tracking Filter)--------------------- 33
• 3.1.4 적분기 (Integrator) ----------------------------- 33
• 3.1.5 AC에서 DC로의 변환---------------------------- 37
• 3.2 감쇠 요소 ----------------------------------------- 42
• 3.2.1 점성 감쇠계의 운동 방정식 ----------------------- 42
• 3.3 운동 방정식 -------------------------------------- 44
• 3.3.1 조화가진에 대한 감쇠 시스템의 응답------------- 45
• 제 4 장 항공기의 EVM 신호처리------------------------- 55
• 4.1 항공기 진동주파수 특성----------------------------- 55
• 4.2 EVM 시그날 프로세싱------------------------------ 55
• 4.2.1 브로드밴드 프로세스 ----------------------------- 57
• 4.2.2 네로우 밴드 프로세싱----------------------------- 58
• 제 5 장 적용 및 결과----------------------------------- 60
• 5.1 실험 환경 ------------------------------ 60
• 5.2 수집 자료 ----------------------------------------- 62
• 5.2.1 수정 자료 --------------------------------------- 66
• 5.3 실험 결과 ----------------------------------------- 67
• 참 고 문 헌 ------------------------------------------ 68
• ABSTRACT --------------------------------------- 70