비틀림 진동(Torsional Vibration)이란 무엇인가요?

비틀림 진동은 회전 축계에서 발생하는 비틀림 방향의 진동입니다. 정상 회전 운동에 추가되는 응력을 유발하여 커플링 파손, 기어 손상, 축 피로 파괴 등의 원인이 됩니다. 선박 추진 축, 압축기 구동 계통, VFD 구동계 등 모든 회전 구동계에서 발생할 수 있습니다.

비틀림 고유주파수(TNF)는 어떻게 식별하나요?

Runup/Coastdown 측정 데이터로 Waterfall(3D) Plot을 작성합니다. 회전수(RPM)와 무관하게 특정 주파수에서 에너지가 집중되는 수평 고정 피크가 TNF입니다. 차수선(Order Line)과 TNF 수평선의 교점 RPM이 가장 위험한 공진 운전 구간(Barred Speed Range)입니다.

VFD(인버터) 구동계에서 비틀림 진동이 특히 위험한 이유는 무엇인가요?

VFD는 넓은 속도 범위에서 운전하므로 다양한 주파수의 가진원이 발생합니다. 1X_Elec(VFD 출력 전기 주파수), 2X_Elec(토크 리플 주가진원) 등이 회전수에 따라 이동하며 TNF와 교차하는 위험 RPM이 여러 지점에 생깁니다. 이 교차점을 사전에 식별하고 운전 회피 구간을 설정해야 합니다.

비틀림 진동 측정에 어떤 센서를 사용하나요?

두 가지 방식이 있습니다. ① 스트레인게이지 방식: 축에 45° 방향으로 게이지를 부착하고 텔레메터리로 신호를 전송합니다. ② 비접촉 센서 방식: 광학 또는 자기 센서를 이용해 축의 각도·변위를 측정합니다. 각 방식 모두 PULSE, LabVIEW 등 계측 소프트웨어와 연동하여 FFT·차수 분석을 수행합니다.

교번 토크와 전달 토크는 어떻게 분리하나요?

저장된 Time Waveform 데이터의 수학적 평균값이 전달 토크(DC 성분)입니다. 전체 신호에서 평균값을 차감하면 교번 토크(AC 성분, 순수 진동 성분)를 분리할 수 있습니다. 커플링 정격 비교 시에는 Zero-to-Peak 값((T_max - T_min)/2)을 기준으로 사용합니다.

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SHAFT POWER · TORSIONAL VIBRATION · 축마력·비틀림 진동

축마력·비틀림 진동
(Torsional Vibration)
측정·분석 가이드

Q: API 684 분리여유(Separation Margin) 기준은 무엇인가요?

API 684 기준 SM(%) = |f_TNF - f_가진| / f_TNF × 100으로 계산합니다. SM ≥ 15%이면 적합(Acceptable), 10~15%이면 주의(Marginal), SM < 10%이면 부적합(Unacceptable)으로 커플링 강성 변경이나 운전 속도 회피 구간 설정이 필요합니다.

Q: 축마력(Shaft Power)은 어떻게 계산하나요?

축마력 P[kW] = T[Nm] × 2π × N[rpm] / 60,000으로 계산합니다. 비틀림 진동 측정과 동일한 스트레인게이지+텔레메터리 시스템으로 토크를 측정하고, 타코미터로 RPM을 동시 취득하면 실시간 축마력을 자동 산출할 수 있습니다. 선박 프로펠러 축 시운전 시 표준적으로 사용되는 방법입니다.

텔레메터리(Telemetry) 시스템을 이용한 축마력(Shaft Power) 계측과, 동일한 스트레인게이지 방식으로 구현하는 비틀림 진동(Torsional Vibration) 측정·분석을 하나의 가이드로 통합해 설명합니다. Runup·정속·과도 3가지 운전 모드, Waterfall/Campbell Diagram을 이용한 TNF(비틀림 고유주파수) 식별, API 684 분리여유 판정까지 씨앤디테크 현장 측정 자료를 기반으로 다룹니다.

MODES

운전 측정 모드

API

684

분리여유 판정 기준

TNF

Waterfall 고유주파수 식별

±15

% SM

적합 분리여유 기준

01 · SHAFT POWER

축마력(Shaft Power) 계측

선박 축마력(Shaft Power)은 주 추진 기관에서 생산되어 프로펠러 축으로 전달되는 실제 동력입니다. 스트레인게이지 + 텔레메터리 시스템을 이용해 회전축의 토크를 측정하고 타코미터로 RPM을 동시에 취득하면 실시간 축마력을 산출할 수 있습니다. 아래에서 설명하는 비틀림 진동(Torsional Vibration) 측정과 센서·전송 방식이 동일하기 때문에, 하나의 시운전 계측 세션에서 두 데이터를 함께 취득하는 경우가 많습니다.

P [kW] = T [Nm] × 2π × N [rpm] / 60,000

P: 축마력(kW) · T: 토크(Nm) · N: 회전수(rpm)

조선소 시운전 현장 — 프로펠러 축 축마력(SHP) 계측

씨앤디테크 축마력 계측 시스템 특징

🔩

모든 직경 샤프트

소형 펌프 축부터 대형 선박 프로펠러 축까지 모듈화 장착

📡

비접촉 무선 전송

텔레메터리로 회전 중 신호 전송, 슬립링 마모 없이 고속 회전 가능

📊

실시간 마력 모니터링

전용 계측 프로그램으로 토크·RPM·마력 동시 표시

국내 주요 조선소에 축마력 계측 시스템을 다수 납품한 실적을 보유하고 있으며, 캘리브레이션(예: 0V = 0Nm, 10V = 3,500Nm)을 소프트웨어에 입력해 실시간 물리량으로 환산합니다.

02 · WHAT IS TORSIONAL VIBRATION

비틀림 진동이란?

비틀림 진동(Torsional Vibration)은 회전 구동계에서 발생하는 비틀림(Torsion) 방향의 진동입니다. 정상적인 회전 운동에 추가되는 교번 응력을 유발하며, 방치할 경우 커플링 반복 파손, 기어 손상, 축 피로 파괴로 이어질 수 있는 기계 신뢰성의 핵심 진단 항목입니다.

선박 추진 축계, 압축기·펌프 구동 계통, VFD(인버터) 구동 전동기, 왕복동 엔진 계통 등 모든 회전 동력 전달 시스템에서 발생할 수 있습니다. 비틀림 진동은 일반 가속도 센서로는 측정이 어려우며, 전용 측정 시스템이 필요합니다.

비틀림 진동 개념 — 회전 방향에 중첩되는 비틀림 파형과 시간에 따른 토크 응답

03 · MEASUREMENT METHOD

비틀림 진동 측정 방법

비틀림 진동 측정에는 두 가지 방식이 사용됩니다.

METHOD 01 · 정밀

스트레인게이지 + 텔레메터리

측정 대상비틀림 변형률 → 토크

게이지 부착축 표면 45° 방향

신호 전송텔레메터리 (무선)

출력절대 토크값(Nm) 취득

특징DC + AC 성분 동시 분리 가능

METHOD 02

광학·자기 센서 (비접촉)

측정 대상각도·각변위

설치축 근접 고정 설치

신호 전송유선 (비접촉 감지)

출력각변위·각속도 파형

특징설치 간편, 주파수 특성 우수

현장 설치 사진

T = (με × E × Ip) / (r × (1 + ν))

με: 측정 변형률 · E: 탄성계수 · Ip: 극관성 모멘트 · r: 반경 · ν: 포아송비
캘리브레이션: (예) 0V = 0 Nm, 10V = 3,500 Nm → 소프트웨어 Scale Factor 입력

타코미터(Tachometer) 동기화 필수 — RPM 센서 신호를 토크 데이터와 동일 시간축에 동기화해야 차수(Order) 분석이 가능합니다.
사양: TTL input / Trigger level 2~2.5V / Falling Edge / negative pulse / input range 0~10V

04 · MEASUREMENT MODES

3가지 운전 측정 모드

비틀림 진동의 완전한 특성 파악을 위해 세 가지 운전 모드를 병행해 Raw Time Data를 수집합니다.

MODE 01

Runup / Coastdown

과도 상태 (Transient)

저속 → 최대속도 서행 Sweep 또는 전원 차단 후 타력 감속. TNF 위치 식별에 핵심.

목적TNF 위치 식별, Waterfall Plot 작성

PULSE 설정Run-up Mode, RPM Tracking ON

MODE 02

Steady-State

정속 운전

주요 타깃 RPM에서 10~15초 이상 유지. 복수 운전점 반복 측정.

목적평균·교번 토크 정량화, FFT Spectrum 취득

PULSE 설정Timed Acquisition, Linear Averaging

MODE 03

Transient Event

과도 이벤트

VFD 기동/정지, 비상 정지(ESD), 동기 전동기 직입 기동 시 측정.

목적피크 토크 확인, 충격 토크 평가

PULSE 설정Trigger Recording, Peak Hold

권장 샘플링 레이트 설정

관심 주파수 대역	권장 샘플링 레이트	PULSE Block Size	적용 대상
~200 Hz	2,000 Hz 이상	2,048	일반 회전기계 커플링 진단
~500 Hz	5,000 Hz 이상	4,096 권장	VFD 고조파 포함 분석 (표준)
~1,000 Hz	10,000 Hz 이상	8,192	왕복동 압축기, 고속 기어계

FFT 주파수 해상도 Δf = fs / N (예: 5,000Hz / 4,096 = 1.22 Hz/bin) · FFT Window: 정상 운전 Hanning, 진폭 정밀도 필요 시 Flat Top · Averaging: Linear (RMS), Overlap 50~75%

05 · DATA ANALYSIS

Waterfall·Campbell Diagram 및 차수 분석

WATERFALL PLOT

X축=주파수, Y축=RPM, Z축=토크 진폭으로 구성. Runup/Coastdown 데이터에서 회전수와 무관하게 특정 주파수에서 에너지가 집중되는 수평 고정 피크 → TNF 판별.

CAMPBELL DIAGRAM

차수선(1X, 2X, 3X 등)을 오버레이. TNF 수평선과 차수선의 교점 RPM이 가장 위험한 운전 속도 — 운전 회피 구간(Barred Speed Range) 설정 기준.

⚠ VFD(인버터) 구동계 특별 주의사항

1X_Mech (기계 회전 주파수): N[rpm] / 60
1X_Elec (VFD 출력 전기 주파수): N[rpm] × 극쌍수 / 60 (예: 6극 모터 → 3쌍 × N/60)
2X_Elec: 1X_Elec × 2 — 토크 리플의 주가진원 (PWM VFD에서도 잔존 가능)

케이스스터디: TNF 58Hz가 VFD 1X_Elec과 1,000~1,200 RPM 구간에서 교차 → 커플링 반복 파손

전달 토크 vs 교번 토크 분리

성분	계산 방법	의미	비교 기준
전달 토크 (DC)	Time Waveform 수학적 평균값	정적 구동 부하	커플링 정격 토크
교번 토크 (AC)	전체 신호 - 평균값	순수 진동 성분	피로 평가 기준
Zero-to-Peak 진폭	(T_max - T_min) / 2	교번 토크 진폭	커플링 정격 비교 기준

06 · STRESS CONVERSION

비틀림 전단 응력(τ) 환산

도출된 교번 토크 진폭을 축 내부 응력으로 환산하여 피로 평가에 활용합니다.

원형 실축 (Solid Shaft)

τ = T × r / Ip

Ip = π × d⁴ / 32 r = d / 2

원형 중공축 (Hollow Shaft)

τ = T × r_o / Ip

Ip = π(d_o⁴ - d_i⁴) / 32 r_o = d_o / 2

T: 교번 토크[Nm] · r: 외경 반경[m] · Ip: 극관성 모멘트[m⁴] · d: 직경[m]

07 · API 684 SEPARATION MARGIN

분리여유(Separation Margin) — API 684 기준

TNF와 가진 주파수 사이의 분리여유(SM)로 운전 안전성을 판정합니다.

SM [%] = |f_TNF − f_가진| / f_TNF × 100

f_TNF: 비틀림 고유주파수 · f_가진: 차수 가진 주파수

≥ 15%

ACCEPTABLE · 적합

추가 조치 불필요
정기 모니터링 유지

10~15%

MARGINAL · 주의

운전 모니터링 강화
감쇠 특성 확인

< 10%

UNACCEPTABLE · 부적합

커플링 강성 변경
관성 조정 또는 운전 속도 회피 구간 설정

일반 구동계 SM ≥ 10% / 고위험 VFD 구동계 SM ≥ 15% 권고 (API 684)

스펙트럼 및 차수 분석표 (보고서 양식)

운전 RPM	차수	주파수 [Hz]	교번 토크 Zero-Pk [Nm]	교번 전단 응력 [MPa]	커플링 정격 대비 [%]
측정 데이터 입력 후 작성

08 · APPLICATIONS

비틀림 진동 측정 주요 적용 분야

🚢

선박 추진 축계

주 추진 기관 ~ 프로펠러 축 비틀림 진동 분석

💨

VFD 구동 압축기

전기 고조파 가진 교차점 식별, 커플링 파손 예방

⚙️

왕복동 기계

왕복동 압축기·엔진 폭발 위상 고조파 분석

🌬️

풍력발전기

로터 ~ 발전기 축 비틀림 공진 평가

🔁

감속기·커플링

반복 파손 원인 규명, 커플링 정격 검토

🏭

플랜트 설비 진단

정기 진단·시운전 시 비틀림 진동 측정

자주 묻는 질문

비틀림 진동은 회전 구동계에서 발생하는 비틀림 방향의 진동입니다. 정상 회전 운동에 추가되는 응력을 유발하여 커플링 파손, 기어 손상, 축 피로 파괴 등의 원인이 됩니다. 일반 가속도 센서로는 측정이 어렵고 전용 계측 시스템이 필요합니다.

Runup/Coastdown 측정 데이터로 Waterfall(3D) Plot을 작성합니다. 회전수(RPM)와 무관하게 특정 주파수에서 에너지가 집중되는 수평 고정 피크가 TNF입니다. Campbell Diagram에서 차수선과의 교점 RPM이 가장 위험한 공진 운전 구간(Barred Speed Range)입니다.

SM(%) = |f_TNF - f_가진| / f_TNF × 100으로 계산합니다. SM ≥ 15%이면 적합(Acceptable), 10~15%이면 주의(Marginal), SM < 10%이면 부적합(Unacceptable)으로 커플링 강성 변경이나 운전 속도 회피 구간 설정이 필요합니다.

VFD는 넓은 속도 범위에서 운전하므로 1X_Elec(전기 주파수), 2X_Elec(토크 리플 주가진원) 등이 회전수에 따라 이동합니다. TNF와 교차하는 위험 RPM이 여러 지점에 생기며, 사전에 이를 식별하고 운전 회피 구간을 설정하지 않으면 커플링 반복 파손으로 이어질 수 있습니다.

Time Waveform의 수학적 평균값이 전달 토크(DC 성분)입니다. 전체 신호에서 평균값을 차감하면 교번 토크(AC 성분)를 분리할 수 있습니다. 커플링 정격 비교 시에는 Zero-to-Peak 값((T_max - T_min)/2)을 기준으로 사용합니다.