Abstract 37 th Turbomachinery Symposium Case Study: VFD Induced Coupling Failure Authors

21
Abstract 37 th Turbomachinery Symposium Case Study: VFD Induced Coupling Failure Authors: John Kocur, Jr. Ph.D Machinery Specialist, ExxonMobil Joe Corcoran Manager Global Services & Training, Kop-Flex A catastrophic failure of a high performance disc coupling connecting the speed increaser and LP compressor in a VFD controlled 18,300 HP motor/speed increaser/LP compressor/HP compressor train, led to months of reduced plant operation while the root cause of the failure, and corrective action, both outlined in this Case Study, were determined.

Transcript of Abstract 37 th Turbomachinery Symposium Case Study: VFD Induced Coupling Failure Authors

Abstract

37th

Turbomachinery Symposium

Case Study:

VFD Induced Coupling Failure

Authors:

John Kocur, Jr. Ph.D

Machinery Specialist, ExxonMobil

Joe Corcoran

Manager Global Services & Training, Kop-Flex

A catastrophic failure of a high performance disc coupling connecting the speed increaser and LP compressor in a VFD controlled 18,300 HP motor/speed increaser/LP compressor/HP compressor train, led to months of reduced plant operation while the root cause of the failure, and corrective action, both outlined in this Case Study, were determined.

����������� �� ����������������������� �� �������������� ���������� ����������

����������������������������������������������������

���!"�#����$� �" ���!"�#����$� �"

�����%"��������� �����%"���������

Turbomachinery Symposium 2008

����������������������

•• &��'���������(��������&��'���������(��������

•• ��������������������������������

•• ��������(����)��!��������(����)��!

•• *�����������!��+���*�����������!��+���

•• �����������,������������������,�������

•• ���-���.����������-���.�������

•• ����������!��+�������������!��+���

•• ��������������������

Turbomachinery Symposium 2008

&��'���������(�������&��'���������(�������

•• �������������*�������+��������������������*�������+�������

��*����/�0�1�2��%�3�0242�)%*�*����/�0�1�2��%�3�0242�)%*�

����������������������������������

��5%5%6��%�6��%�������������37����)%*������������37����)%*

•• ����������������������������������������������

��!(�������������(���������!(�������������(���������

�� ≈≈≈≈≈≈≈≈08�$���$����� ����08�$���$����� ����

��%����%������ 5%�������������������5%�������������������

����(�� �����������������������������(�� ���������������������������

Turbomachinery Symposium 2008

����������������������

MotorBull Gear

Pinion LP Comp HP Comp

Failed Coupling

Turbomachinery Symposium 2008

������������������������������������������

CrackInitiation

Spiral Propagation

Turbomachinery Symposium 2008

�������� ��������������� �������

Flailing split

retained hub

releasing piece

Turbomachinery Symposium 2008

9�����%���������9�����%���������

Turbomachinery Symposium 2008

)��!)��!

•• ��������������������������(�������������������������������(�����

��9�������������� ���������+����������9�������������� ���������+����������

01"4��:01"4��:

�����������;��0���������;��0��������������������������������������

(��-���� (��-����

•• �������������5����������(�������������������������5����������(������������

������������������������

�� �������������������;��������(���������������������;��������(��

�� �;���������(��������+��+���;���������(��������+��+��

Turbomachinery Symposium 2008

���������*��������������������*�����������

Speed sensor on LS gear

shaft (used for torsional

measurement) confirmed

existence of pulsations

Turbomachinery Symposium 2008

��������*�������������������*�����������

Both peaks coincident

Increased speed

Reflected in speed

sensor at LSS

Turbomachinery Symposium 2008

�������.��������������.�������

�=1.1%

�=1.6%

Damping estimation from the response around the

natural frequency

Seems to confirm the popular assumption that trains w/ disk/diaphragm couplings have 1.6% of

critical damping

Turbomachinery Symposium 2008

������������������������

•• ��������'����������������������(����%<*���������'����������������������(����%<*�

(��-���� (��-����

*

512

sb pwm odd o

odd

o

sb

pwm

f f I f

I

f

f

f

= −

===

=

�����������

��� � ������

������������������

���

Turbomachinery Symposium 2008

�����������-���� �=00>?�����������-���� �=00>?

22 22.5 23 23.5 24 24.5 250

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

2 * Motor Speed (Hz)

Side

Ban

d Fr

eque

ncy

(Hz)

Coincident with 1st

torsional natural

frequency

Turbomachinery Symposium 2008

)�)�@@�>��������(�0�>��������(�0�������������A����������A�

•• &��������'�����������;����&��������'�����������;����@@�>��������(�0�>��������(�0����

��������

•• )�)�@@�>����������������������� ������>����������������������� �����

����������������������������������

�� ���-���������������������������������������������������-������������������������������������������������

��������������������������������

•• B�(�����������������������������01�:�B�(�����������������������������01�:�

����������������������������������������������������������������

*( )t d al

r

I f fT

t−=

Where:tr = response timeIt = train inertiafd = desired speedfa = actual speedTl = limit torque

Turbomachinery Symposium 2008

����*�����&��+������*�����&��+��

• Initial discussions w/ vendor showed speed feedback signal to be filtered

• Further investigations revealed the existence of an unfiltered branch

Turbomachinery Symposium 2008

.��������(�*�����%�����������-��.��������(�*�����%�����������-��

�=1.6%

Torsional Model Damping Estimation

Torsional Response @ Gear Shaft

+

=

Alternating Torque

+

Turbomachinery Symposium 2008

�������!��� ���������!��� ��

•• ����������������������������

����������������������������������������������������������������

�����C�������+�"������������-�������C�������+�"������������-��

����������������������������-��������������������������������������-������������

�>�����7�D ��(��������������������>�����7�D ��(�������������������

•• %�����������-��%�����������-��

��!��� ����������������������������-���!��� ����������������������������-���

���������D ��(�������(���������������������D ��(�������(������������

������������;������'��������������������������;������'��������������

��)������������������ �EF��������������)������������������ �EF��������������

;����������������������;��0;����������������������;��0�����A��A�

Turbomachinery Symposium 2008

��������������������

•• )�)�@@�>��������(�0�>��������(�0�����A��������((���������������A��������((��������������

(�����(�����

�� ��������������� �����+���������������������������������������� �����+�������������������������

���-��������D ��(���������-��������D ��(������

•• ����������������;������������������������������������;��������������������

���-��������������D ��(���������-��������������D ��(������

�� ��+�����������������������+���������������������

�� �������������������(���������������������������(��������

�� �����>���������������(����������>���������������(�����

*

150 3*sb pwm odd o

sb o

f f I f

f f

= −

= −

Turbomachinery Symposium 2008

�������+��!������������+��!�����

•• ����������������������������������������������������������������GG��������HH ������������(����������������(����+����������������������������:��0+����������������������������:��0�����A���A���>�����������������������������������>������������������������������������+�����+���

��������������������+����C�:��������������������������+����C�:����������A��������(������'�A��������(������'�

��9����+�����������������E�9����+�����������������E���������������������������������

����������������������������������������������������������������������������������+���������+�����������+���������+���

•• A�;�������������������(���;���� �����A�;�������������������(���;���� ���������������������

Turbomachinery Symposium 2008

9������������9������������

6817 6756 6669 6498 6389 6303 6233 6082 5890 5738 5479

23 .75 @ 96.25 5312 33.75@ 88.125 5183 35.625@ 86.875 5121

4982 34 .375@ 88.125 4933 25.625@ 95 4838 18 .75@ 100

4790