위험속도 (Critical Speed)
쉽게 풀면
그네를 밀어주는 타이밍이 그네가 흔들리는 리듬과 딱 맞을 때 진폭이 크게 커지는 것처럼, 회전하는 축도 특정 회전 속도에서 축 자체의 진동 리듬과 회전이 맞아떨어지면서 진동이 급격히 커지는 순간이 있습니다. 이 특정 속도를 위험속도라고 부르며, 이 근처에서는 아주 작은 불균형만 있어도 축의 흔들림이 크게 증폭될 수 있습니다. 그래서 회전기계를 설계할 때는 실제 운전 속도가 이 위험속도와 가깝지 않도록 미리 계산해두는 것이 중요합니다.
왜 중요한가
위험속도 근처에서 운전하면 축의 진동 진폭이 급격히 커져 베어링 손상, 축 파손, 심한 경우 기계 전체의 고장으로 이어질 수 있습니다. 따라서 터빈, 압축기, 모터와 같은 회전기계를 설계하고 운전할 때 위험속도를 정확히 파악하여 정상 운전 속도 범위를 이 값에서 충분히 떨어뜨려 설정하는 것이 핵심적인 설계 절차입니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
축을 받치는 베어링의 조건을 여러 가지로 바꿔가며, 그때마다 위험속도가 어떻게 달라지는지를 컴퓨터 해석으로 확인했다는 뜻입니다.
기계가 가동을 시작해 속도를 올리는 과정에서 위험속도 구간을 지날 때 진동이 시간에 따라 어떻게 변하는지를 살펴본 연구입니다.
조금 더 깊게 보면
회전축은 여러 개의 굽힘 고유진동수를 가질 수 있으며, 이에 대응하는 만큼 여러 개의 위험속도가 존재할 수 있어 이를 각각 1차, 2차 위험속도 등으로 구분합니다. 위험속도보다 낮은 속도에서 운전하는 경우를 아임계, 위험속도를 넘어서 운전하는 경우를 초임계 운전이라고 부르며, 일부 대형 회전기계는 설계상 위험속도를 신속히 통과해 그보다 높은 속도에서 안정적으로 운전하기도 합니다.
주의할 점
위험속도는 축의 질량, 강성, 베어링 조건 등에 따라 달라지므로, 설계가 변경되면 위험속도도 다시 계산해 확인해야 하며 하나의 고정된 값으로 단정해서는 안 됩니다.