오일 휩

왜 배우는가: 오일 휩은 고속 회전기기의 슬라이딩 베어링에서 축과 베어링을 함께 파손시킬 수 있어, 설계와 진단에서 가장 먼저 떠올려야 하는 불안정 현상이다. 시험에서는 발생 원인, 특징, 방지대책을 묶어 묻는 경우가 많으므로 원리와 대책을 함께 정리해야 한다.

출제 이력: 제131회 1교시 3번, 제108회 1교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

오일 휩은 유막의 자기 유도 진동이 축의 임계속도에 고정되는 현상이다.

오일 휩(Oil Whip)은 유체 윤활 베어링에서 저널이 유막 위에서 불안정하게 공전하다가 그 주파수가 축의 임계속도와 일치하여 진폭이 급격히 커지는 현상이다. 고속 회전기기에서는 저널이 베어링 면과 접촉하면서 베어링이 빠르게 마모되고 축까지 손상되므로, 설계와 운전 단계에서 반드시 막아야 하는 현상이다.

• 오일 휩: 유막 불안정으로 생긴 자기 유도 진동이 임계속도에 고정된 상태이다.
• 오일 휠(Oil Whirl): 저널이 베어링 안에서 공전하는 자기 유도 진동의 초기 단계이다.
• 자기 유도 진동: 축의 불균형과 무관하게 유막이 스스로 만드는 진동이다.
• 유막 쐐기: 회전하는 저널과 베어링 사이의 좁은 틈에서 생기는 유압 지지 작용이다.
• 임계속도: 축의 고유진동수와 회전수가 일치하는 속도이다.
• 저널: 베어링에 지지되는 축의 원통형 회전 부분이다.
• 슬라이딩 베어링: 축과 베어링이 미끄럼 접촉하며 유막으로 하중을 지지하는 베어링이다.

2. 개념 풀이

오일 휩은 유막 베어링에서 저널의 자기 유도 진동 주파수가 축의 임계속도와 일치하여, 축 중심이 베어링 중심 둘레를 공전하며 진폭이 증폭되는 현상이다. 정상 운전과 달리 축의 굽힘 변위가 베어링 틈새를 넘는 수준까지 커지는 것이 특징이다.

정상 운전에서 저널은 유막 쐐기가 만든 압력에 떠 있고, 축 중심은 베어링 중심에 대해 일정한 편심과 각도를 유지한다. 저널이 미세하게 교란되면 유막은 반력을 발생시키고, 이 반력이 저널을 같은 방향으로 더 밀어내는 되먹임 구조가 만들어진다. 되먹임이 유막의 감쇠보다 우세해지면 저널은 베어링 안에서 공전을 시작하며, 그 공전 주파수는 축 회전 주파수의 약 42% 수준으로 관측된다.

오일 휠은 축의 불균형이나 정렬 불량과 무관하게 유막이 만드는 진동이므로 강제 진동과 구분된다. 슬라이딩 베어링의 강제 진동 주파수는 회전 주파수와 그 2배 주파수이다. 반면 자기 유도 진동은 회전 주파수보다 낮은 주파수로 나타나며, 특정 속도에서 갑작스럽게 발생한다. 오일 휩은 강제 진동이 아니라 유막이 만드는 자기 유도 진동이다. 이 차이는 진동의 주파수 성분을 분석하여 원인을 가려내는 진단의 출발점이 된다.

오일 휠 주파수가 축의 임계속도에 접근하면 두 주파수가 맞물려 고정된다(lock-on). 이 고정 상태가 오일 휩이며, 진폭은 임계속도 부근에서 급격히 커진다. 축 중심의 공전 반경이 베어링 틈새보다 커지면 저널이 베어링 면과 직접 접촉하고, 이 접촉 마모가 빠르게 진행되어 베어링이 짧은 시간에 손상된다.

주파수 관계는 다음과 같이 정리한다. 오일 휠 주파수를 f_w(Hz), 축 회전 주파수를 f_r(Hz)로 두면 오일 휠은 f_w ≈ 0.42 f_r로 나타난다. 오일 휩은 이 오일 휠 주파수가 축의 고유진동수 f_n(Hz)에 맞물린 상태이며, 식으로 쓰면 다음과 같다.

$f_w ≈ f_n$

발생 조건은 베어링 하중과 편심에 좌우된다. 하중이 가볍고 편심률이 작은 운전 조건에서는 유막 감쇠가 부족해 불안정 영역이 넓어진다. 반대로 하중이 충분하면 유막 강성이 커져 불안정 진동이 억제되므로, 경부하 고속 운전에서 특히 주의해야 한다.

핵심 용어를 정리하면 다음과 같다.

• 유막 쐐기는 회전하는 저널이 끌어들인 윤활유가 좁은 틈에서 압력을 만들어 저널을 띄우는 작용이다. 이 압력이 하중을 떠받치므로 유막 강성의 근원이 된다.
• 임계속도는 축의 고유진동수와 회전수가 일치하는 속도이며, 이 부근에서 굽힘 변위가 급증한다.
• 저널은 베어링에 지지되는 축의 원통형 회전 부분이며, 유막이 저널과 베어링 내면 사이의 간극을 채운다.
• 베어링 틈새는 저널과 베어링 내경의 반경 차이로, 틈새와 윤활유 점도가 유막의 감쇠와 안정 영역을 좌우한다.

3. 등장 배경과 필요성

기계가 고속화되면서 압축기와 터빈 같은 회전기기는 임계속도를 넘는 영역에서 운전되는 경우가 많아졌다. 동적 압축기는 가스 밀도가 낮은 만큼 높은 회전수로 운전해야 고압을 얻을 수 있으며, 이때 동적 압축기의 회전수는 최대 20,000rpm까지 올라간다. 이처럼 고속 영역에서는 슬라이딩 베어링의 유막 불안정이 곧바로 진동 문제로 나타나므로, 오일 휩을 막는 특수한 베어링 설계가 요구된다.