16 터보방식 공기압축기

◆터보방식 공기압축기(Turbo Compressor)

Turbo Compressor 원리

Suction Filter(1)를 통해 여과된 공기를 흡입, 1st Stage(2)에서 약 0.12Mpa(1.2Kg/㎠.G)까지 압축을 하여 압축시 발생하는 압축열을 냉각하기 위해 Inter Cooler(3)를 통해 약 40℃까지 냉각을 한 다음 2nd Stage로 흡입 이 되어 2nd Stage에서 0.3Mpa까지 다시 승압을 하고 다시 냉각 과정을 거쳐 3rd Stage로 흡입이 됩니다.

3rd Stage에서 사양압력(설계 압력)까지 승압을 한 다음 After Cooler를 통해 냉각 과정을거쳐 Plant로 Air를 보내게됩니다. 사양 압력에 따라 1stage ~ 4stage를 구성하게 됩니다.

1~3 Stage는 Impeller라 불리는 회전체의 고속 회전력에 의해 Impeller의 중심부로 흡입되는 공기는 (340~400m/sec) Impeller의 날개 사이를 통해 원주 방향으로 흘러 Diffuser라 불리는 고정체, 공기 유로를 통해 공기의 속도를 서서히 감소시켜 감소되는 공기의 속도를 압력으로 변환시킨다.

Turbo Compressor 내부 구조 (3Stage의 경우)

Turbo Compressor 구성부품 특성

Impeller

◆ 가공 : Maker에 따라서는 정밀 주조에 의해 제작하기도 하지만 IHI의 경우 기계 사양별 최적 설계에 의한 100%가공을 원칙으로 한다.

가공의 경우 1개 가공 소요시간이 62시간이 소요되고 생산원가가 높으나 그만큼 효율이 높은 Aero Dynamic의 결정체이다.

Impeller 특징

Impeller는 설계 시 아래와 같은 조건에 의해 Q(유량) 와, P(압력)이 결정된다.

Impeller는 Maker에 따라 100% 가공을 하는 방법과 정밀 주조로 형상을 만든 후 사양에 따라 상기 그림의 외경을 가공하 여유량을 맞추고 길이를 가공하여 압력을 맞추는 방법을 적용한다.

정밀 주조에 의한 방법은 주조의 특성상 Impeller의 Blade의 형상이 단조롭고 효율이 낮으나 제작 원가가 낮기 때문에 이 방법을 택하는 Maker도 있다.

Diffuser

◆ 역할 : Impeller를 통해 고속으로 흡입된 공기의 속도 Energy를 압력 Energy로 바꾸는 역할을 한다.

◆ 재질 : 일반적으로 AL합금이나 SUS 합금을 적용한다.

◆ 가공 : Impeller와의 Aero Dynamic 조합에 의한 정밀 설계로 100% 가공을 기준으로 한다.

100% 가공에 의한 제작은 Impeller와의 조합에의해 그 성능 및 효율이 한층 우수하게 된다.

Diffuser는 Maker에 따라 그 형상 및 제작 방법도 다르다. Diffuser는 Impeller와 Aero Dynamic조합에 의해 기계 효율을 결정하는 요소이기 때문에 정밀한 설계 및 제작을 한다. Maker에 따라서는 Scroll의 배면에 주강재 Vane을 Pin을 이용 고정시키는 Maker도 있다.

Air Oil Seal (Labyrinth Type Seal)

◆ 역할 : Gear Box내부의 Oil이나 Air가 밖으로 유출되는 것을 차단하는 기능을 한다.

Maker에 따라 접촉식 Seal을 사용하기도 하고비 접촉시 Labyrinth Seal을 적용한다. 비 접촉시 Labyrinth Seal은 Shaft와 접촉을 하지않기 때문에 반영구적인 사용이 가능하다.

◆ 재질 : 일반적으로 AL합금이나 SUS 합금을 적용한다.

Air Oil Seal Type

Maker에 따라서 Labyrinth Type Seal을 적용 하기도 하고 Carbon Ring Type을 적용하는 Maker도 있으나 Carbon Ring Type은 SHAFT와 직접 접촉을 하기 때문에 Carbon의 마모가 발생, 정기적인 교환이 필요하다.

Aluminum재질의 형상 에Carbon Ring을 끼운 구조

Carbon Steel 재질의 형상에 Carbon Ring을 끼운 구조(마모에 따라 교환을 한다.)

좌측 Maker의 교환을 위한 신품

◆여러 종류의 레버런스 씰(Others Of Labyrinth Honeycomb Seal)

PEEK Polymer Labyrinth Seal

•

Quadrant Duratron with continuous service temperatures up to 500˚F / 260˚C

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Quadrant Ketron PEEK with continuous service temperatures up to 480˚F / 248˚C

•

Self lubricated materials for rub tolerant seals, flexing not bending

•

High resistance to fuels, lubricants and chemicals

•

Better physical properties than conventional aluminum seals

•

Near net shapes, machining and molded parts

고온(650˚C) 고압용 428 bar(high temperatures and pressures)

Oil 회수 System

◆ Gear Box에 공급된 Oil은 자유 낙하차에 의해 Oil Tank로 회수 되지만 Gear Box 내부의 압력 발생에 따라 Shaft를 통해 외부로의 Oil 방출을 차단하기 위해 별도의 회수 System을 갖는다.

Ejector에 의한 방법

오른쪽 그림과 같이 Ejector를 통해 고속으로 분사되는Air의 힘에 의해 Oil Tank 내부의 Oil Mist와 Air가 빠져 나와 Oil Tank 내부의 압력을 Vacuum으로 유지시키고 빠져나온 Oil Mist와 Air는 Filter를 통해 Oil Mist는 포집을 하고 Air는 대기중으로 방출된다.

이와 같은 System은 Labyrinth Type Seal을 채용한 경우에 많이 적용하고 있다.

이 방식을 적용하는 Maker의 Gear Box는 Air Side 와 Oil Side가 완벽하게 분리되어 있는 방식에서 채용하는 방식이다.

Seal Air에 의한 방법

이 방법은 Air, Oil Seal에 Seal Air을 직접 넣어주는 방식이다.

Air Side와 Oil Side가 분리되어 있지 않기 때문에 Oil Side에서 Oil 유출되면 Air Side로 혼입 가능성 이커서 이를 차단하기 위해 Seal에 강제적으로 Seal Air를 공급한다.

이 방법을 적용한 경우는 대부분 Carbon Ring Type Seal을 적용하고 있으며 기계의 운전시 Seal Air의 공급이 차단되면 기계를 Trip시키는 구조로 되어있다.

Tilting PAD Journal Bearing : 고속으로 회전하는 Shaft를 지지합니다.

5개의 PAD로 지지되는 Shaft는 초기 Start할 때만Bearing과 접촉을 하나 정상 회전속도를 유지한 다음에는 Bearing과 Shaft사이에 Oil Film막이 형성되어 접촉을 하지 않은 채 Shaft가 회전을 하게 되어 마모가 없기 때문에 반영구적인 수명이 유지 됩니다.

Maker에 따라 적용되는 Bearing도 Type별 구조별 차이가 있으나 IHI Turbo는 Tilting Pad Journal Bearing을 적용합니다. (요구하는 Oil압력 0.14~0.16Mpa)

Pinion Shaft와 Tilting PAD Journal Bearing의 조합

Tilting PAD Journal Bearing의 구조

Journal Bearing Type

1) Tilting PAD Journal Bearing 5개의 PAD가 Shaft를 지지하는 방식이다

정상 운전 시 PAD와 Shaft는 거의 비접촉 운전을 하기때문에 반영구적인 수명을 유지한다.

교환 시 PAD만을 교환한다.

2) Plexible PAD Journal Bearing 4개의 PAD가 Shaft를 지지하는 방식이다

PAD는 별개품이 아닌 Wire Cutting되어 본체에 붙어있다.

교환 시 Bearing Ass`y 전체를 교환하여야 한다.

Tilted Fixed Journal Bearing

중간 그림과 같은 형상에 Oil홈을 만들어 Oil 홈에 Oil충만 되고 그 내부에서 Shaft가 회전되는 구조이다.

통상 3~5년 마다 Bearing을 교환하는 것으로 알려져 있다.

Thrust 하중의 지지

Pinion Shaft & Pinion Gear는 Impeller에서 발생시키는 압력에 의해 Thrust 하중이발생한다.

이 Thrust 하중의 흡수 방법은 Maker에 따라 3가지로 구분된다.

Bull Gear에 의한 지지 Pinion shaft에서 발생하는 Thrust 하중은 Pinion Shaft의 Thrust Collar를 통해 가장 저속이면서 안정적인 회전을 하는 Bull Gear에 전달이 된다. Bull Gear에 전달된 Thrust 하중은 Bull Gear 자체에서 거의 흡수되고 여분의Thrust 하중은 Bull Gear Bearing의 Thrust에 흡수된다.

Pinion Bearing에 의한 지지 Pinion shaft에서 발생하는 Thrust 하중을 Pinion Bearing에서 직접 흡수하는 방법이다.

따라서 이 방식을 채용하는 Maker의 Pinion Bearing은 Thrust 하중을 지지하는 방식으로 되어있다.

Pinion Shaft에서 Thrust하중 지지

Pinion shaft가 Bull Gear를 중심으로 원주 방향으로 배열된 Air End 구조를 갖는 특성상 Impeller의 방향이 모두 한 방향 이기 때문에 Thrust 하중은 Impeller의 반대쪽 한쪽으로 작용한다.

즉 3 Stage의 압축 System이라면 1,2,3 Stage 각각 개별로 구성되고 각 Stage의 한쪽에 Impeller가 배열되어 Shaft의 뒤쪽에 Thrust Bearing으로 받치는 구조이다.

각 Stage의 Thrust 하중이 각각 한쪽으로 작용하기 때문에 각 Stage마다 각 Shaft의 후단에 각각의 Thrust Bearing을 배열하게 된다.

Gear Box의 분할 방식

수평 분할 방식

대부분의 Maker에서 적용하는 방식으로 몆개의 Bolt로 고정된 Gear Box Cover를 상부로 개방하면 바로 내부의 Gear, Bearing, Seal, Shaft 등 핵심 부품의 점검이 용이한 구조이다.

수직 분할 방식

일부 Maker에서 적용하고 있는 방식으로 수직 개방형이다.

내부 점검을 위해서는 먼저 배관을 해체하고 나서 Cooler부를 분리한 다음 앞쪽 Impeller를 분해하고 뒤쪽 Case를 제거하여야만 Bearing, Seal을 점검할 수 있는 구조로 구조가 매우 복잡하다.

이런 복잡한 구조 특성상 간단하게 점검이 되지 않기 때문에 Operator의 간단한 점검은 되지 않고 전문인력에 의존하여야 한다.

Cooler 방식

Shell & Tube

앞에서 뒤쪽 까지 관통된 Tube를 통해 냉각수가 흐르고 압축공기는 Fin을 통하면서 열교환을 하는 Type이다.

대부분의 Maker들이 적용하는 방식으로 Cover만을 열고 Tube의 오염 상태를 간단하게 점검이 가능하고 Brush로 간단하게 청소가 가능한구조이다.

냉각수의 오염원에 따라 청소방법은 다르나 일반적인 오염은 Brush에 의한 청소로 간단하게 해결이 된다.

Cooler내장 Type

특정 Maker에서 적용하고 있는 방식으로 Cooler가 내부에 내장되어 공기 흡입구와 일체형 구조이다. 특이하게 생긴 구조의 Cooler의 중앙으로 흡입 Air가 흐르고 Tube를 통해 냉각수가 흐르나 Tube의 특이한 구조 때 문에 Brush에 의한 세관은 불가능하고 화학세관에 의존해야 한다.

이는 내부에 내장하는 구조의 특성상 크기에 제한을 받기 때문에 Tube 내부에 Coil을 넣어 열교환을 위한 단면적을 늘리기 위한 방식에서 채용된 것으로 보인다.

Cooler 청소 자체도 Operator에 의한 작업은 어렵기 때문에 전문업체에 의존해야 한다.

분해 시간이 많고 화학세관을 해야 하므로 시간 및 비용이 많이 소요된다.

증속기어에 대하여

Turbo Compressor는 Impeller의 고속 회전력에 의해 공기를 흡입하므로 Impeller를 고속으로 회전시켜야 한다.

이렇게 고속 회전을 위해 증속 Gear를 활용한다.

위 그림과 같이 3600으로(Motor Slip무시) 회전하는 Motor와 증속 Gear를 Coupling 로 연결 증속 Gear를 동일 회전력으로 회전시키고 증속Gear와 Pinion Gear와의 Gear비에 의해 Pinion Gear를 증속시킨다.

이때 사용되는 증속 Gear 및 Pinion Gear는 고속 회전력을 위해 Helical Gear를 사용하며 일반적인 기준은 AGMA 13 Grade의 Gear를 사용한다.

AGMA 기준과 KS기준 비교표는 아래와 같다.

이들 증속Gear, Pinion Gear는 정밀도에 따라 접촉이 달라지므로 마모율 및 소음, 진동도 달라진다.

대부분의 선진 Turbo Maker에서는 AGMA13 Grade의 Gear 사용을 기준으로 하고 있다.

그러나 국내의 경우는 가공기술의 미흡으로 AGMA13 Grade는 가공이 어렵다.

홍보로는 KS O급 Gear가 가능하다고 하지만 실제 제품생산 능력을 보면 KS1.5급 정도가 한계인 점이 현재 국내의 현실이다.

따라서 국내에서 Gear를 조달하는 Turbo Compressor의 경우 증속 Gear 및 Pinion Gear의 정밀도를 신뢰할 수 없는 것이 현재의 국내 가공기술의 슬픈 현실이다.

Turbo Compressor의 Oil Flow System (3 Stage)

Air Compressor 기동 전

보조 Oil Pump에서 Oil을 Pumping하여 Oil Cooler에서 Oil을 냉각하고 Oil Filter에서 Oil을 여과하여 Gear Box에 Oil을 공급하여 Air Compressor를 운전 가능한 조건이(Oil온도 : 20℃이상 / Oil압력 0.012 Mpa이상) 되도록 합니다.

Air Compressor 기동 후

보조 Oil Pump의 동작에 의해 기동 조건이 성립된 Air Compressor를 운전 시키면 보조 Oil Pump와 Main Oil Pump 2개의 Pump가 동작을 하다가 Oil압력이 정상이라고 판단을 하면 보조 Oil Pump는 Main Oil Pump운전 30초 후에 자동 정지하여 대기 Mode로 들어 갔다가 Main Oil Pump의 압력이 저하하거나 기계를 정지하게 되면 자동 Back-up기동을 하여 운전을 하다가 정해진 시간이 지나면 자동 정지합니다.

Oil Heater

Oil Heater는 보조 Oil Pump와 연동으로 Oil온도가 20℃미만이면 동작을 하다가 Oil온도가 30℃가 되면 자동 Power가 차단됩니다.

Ejector 장치 및 Air Breather

Oil Tank에 공급된 Oil은 자유 낙하차에 의해 Gear Box에서 하부에 있는 Oil Tank로 자연 회수가 되지만 Oil Tank에서 Oil Pump의 동작에 의해 Gear Box에 공급된 Oil은 액체 상태에서 공급되어 Gear Box의 Gear 맞물림 부에 Splay분사를 하기 때문에 Gear Box내부는 Oil분사체의 과포화 상태가 되기 때문에 대기압 이상의 압력이 형성됩니다.

이 압력이 형성된 Oil이 Shaft를 타고 비접촉 Labyrinth Seal을 통해 대기중으로 흘러나올 수 있으므로 이것을 방지하기 위해 Ejectoe장치를 통해 고속으로 Air를 분사하면 Oil Tank내부의 공기와 Hum상태의 Oil Mist가 같이 Ejector Air와 함께 빠져 나옵니다. 이때 빠져나온 Air속에는 Oil Mist가 함유되어 있기 때문에 Air Bretther라 칭하는 Mist Filter를 통해 Air는 대기중으로 발출되고 Oil은 분리 포집되게 됩니다.

이러한 Ejector의 역할에 의해 Oil Tank의 압력은 80~120mmAq의 진공압이 형성, Gear Box의 대기압보다 높은 압력이 압력차에 의해 Oil Tank로 들어가는 이중 Oil 회수System에 의해 Oil의 대기중 유출을 차단합니다.

윤활유 압력 조정 Valve

Gear Box에 공급되는 Oil의 압력이 요구하는 압력이 되도록 조정하는 Valve입니다. Oil의 압력은 Oil의 온도가 40℃조건일 때 0.14 ~ 0.16Mpa정도의 Oil 압력을 유지하도록 조정합니다.

Turbo Compressor 제어의 종류

ON/OFF (Load/Unload 제어)

일반적인 Screw Compressor에서 적용하는 제어 방식으로 아래 그림과 같이 Start된 Air Compressor는 설계점에 도달하면 Unload로 전환이 되고 Air Compressor 후단 Plant측의 압력이 [압력 L 재부하 압력]까지 Plant의 압력이 저하하면 다시 Load로 전환이 되는 가장 간단한 제어 방식이다. 이 경우 흡입 Valve는 일반적인 Butter Fly Valve를 적용한다.

Auto Dual (정압 + Load/Unload)제어

초기 기계 Start와 함께 설계점 까지 도달한 제어점은 Compressor에서 생산하는 Air량과 Plant에 서의사용량에 따라 그 위치가 변하게 됩니다. Plant에서의 Air사용량이 감소하면 I.G.V는 열림을 줄여서 감량 운전을 하게 됩니다. 감량 운전에 따라 일량이 감소하기 때문에 소요동력도 감소합니다.

I.G.V 제어에 의해 감량 제어를 하는 제어점은 Surge Control Line까지 닫혀 가다가 일단 동작을 멈추게 됩니다. 그 위치의 생산량 보다 사용량이 감소하게 되면 압력이 상승하기 때문에 압력이 [압력 H 무부하 지점-g]의 압력까지 도달하면 기계는 자동으로 무부하 운전으로 전환하였다가(아래그림의 붉은색 제어) Plant의 압력이 [압력 L 재부하 지점-h]까지 내려가면 다시 부하 운전으로 전환이되어 압축을 시작합니다. 불필요한 제어점에서는 압축을 하지 않고 무부하 운전을 하기 때문에 [성-Energy]제어라 불립니다.(무부하 운전 시의 전류는 정격대비 약30%수준) 초기 기계 Start와 함께 설계점 까지 도달한 제어점은 Compressor에서 생산하는 Air량과 Plant에서의 사용량에 따라 그 위치가 변하게 됩니다. Plant에서의 Air사용량이 감소하면 I.G.V는 열림량을 줄여서 감량 운전을 하게 됩니다. 감량 운전에 따라 일량이 감소하기 때문에 소요동력도 감소합니다. I.G.V 제어에 의해 감량 제어를 하는 제어점은 Surge Control Line까지 닫혀 가다가일단 동작을 멈추게됩니다.그 위치의 생량량 보다 사용량이 감소하게 되면 압력이 상승하기 때문에 압력이 [압력 H 무부하 지점-g]의 압력까지 도달하면 기계는 자동으로 무부하 운전으로 전환하였다가(아래 그림의 붉은색 제어) Plant의 압력이 [압력 L 재부하 지점-h]까지 내려가면 다시 부하 운전으로 전환이 되어 압축을 시작합니다.

불필요한 제어점에서는 압축을 하지 않고 무부하 운전을 하기 때문에 [성-Energy]제어라 불립니 다.(무부하 운전시의 전류는 정격대비 약30%수준)

Auto Dual제어라 함은 I.G.V가 제어를 하는 지점(그림의 e) 구간에서는 압력의 변동이 없이 사용량에 따른 감량 운전을 하지만 사용량이 I.G.V 제어구간 보다 더 감소하게 되면 자동으로 Unload로 전환 하였다가 Plant의 압력이 감소하면 다시 Load로 전환되는 압력이 일정한 [정압제어]와 Load / Unload의 두가지 제어를 자동으로 제어 하기 때문에 Auto Dual제어라 칭하게 됩니다. Plant의 Air사용량의 변동이 많은 경우에 적용하나 변동폭이 너무 커서 부하/무부하의 주기가 너무 빈번하여 Valve(I.G.V / B.O.V)의 최소 동작속도 보다 주기가 빈번하게 되면 Valve의 동작이 대응을 하지 못하기 때문에 Surge에 돌입하는 경우가 있습니다. 이 경우에는 Air Compressor와 Plant의 사이에 대용량의 Receiver Tank 등의 공기저장조의 확보로 공기저장조에서 어느 정도 압력 및 량의 완충을 할 수 있도록 배려하는 것이 좋습니다.

Constant + Anti Surge 제어 (일부 Maker에서는 Modulator 제어라고도 칭함) 초기 기계 Start와 함께 설계점 까지 도달한 제어점은 Compressor에서 생산하는 Air량과 Plant에서의 사용량에 따라 그 위치가 변하게 됩니다. Plant에서의 Air사용량이 감소하면 I.G.V는 열림량을 줄여서 감량 운전을 하게 됩니다. 감량 운전에 따라 일량이 감소하기 때문에 소요동력도 감소합니다.

I.G.V 제어에 의해 감량 제어를 하는 제어점은 Surge Control Line까지 닫혀 가다가 일단 동작을 멈추게 됩니다. 그 위치의 생산량 보다 사용량이 감소하게 되면 압력이 상승하기 때문에 압력이 PIC2-SP 압력까지 도달하면 B.O.V가 압력에 따라 열림을 시작합니다. 사용량이 감소하면 B.O.V의 열림량은 더 많아져서 I.G.V의 닫힘 한계점 미만에서 흡입하는 Air는 Silencer를 통해 대기중으로 방출하다가 Plant의 사용량이 증가하면 B.O.V는 서서히 닫혀서 방출량을 줄여 가다가 완전히 닫히게 되고 그 이상 사용량이 증가하여 압력이 h점 까지 도달하면 다시 I.G.V가 열려서 흡입량을 늘리게 됩니다

이 제어의 특징은 Unload가 없어 압력 변동을 일으키지 않고 항상 일정한 압력을 유지시켜 준다는 장점 때문에 대용량의 기계에 의해 공장의 공기 동력원으로 사용하는사업장에서 많이 적용하고 있는 제어 방법입니다.

단 Plant의 부하 변동이 많아 대기중으로 방출하는 Air의 량이 많아지면 그 만큼 에너지가 낭비되기 때문에 주의가 필요합니다.

(방출되는 Air자체가 에너지 낭비) 즉 공기 공급압력 및 량에 변동이 발생하지 않아야 하는 설비에 Air를 공급하는 사업장에서 많이 적용하는 제어 방법입니다.

[제어]

1) I.G.V : 비례제어

2) B.O.V : ON/OFF제어

출처 : 자유인님 : ICK Co., Ltd IHI Compressor Korea Co.,Ltd(통본)