KR101948648B1

KR101948648B1 - 터보 공기압축기 성능시험장치

Info

Publication number: KR101948648B1
Application number: KR1020170139102A
Authority: KR
Inventors: 이재형; 손석우; 김준호; 은동기
Original assignee: (주)대주기계
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2019-02-15

Abstract

터보 공기압축기 성능시험장치에 관한 것으로,
외기를 유입하여 압축하는 임펠러유니트; 구동모터의 회전력을 임펠러유니트의 임펠러로 전달하는 기어박스; 기어박스를 통해 임펠러유니트의 임펠러를 회전시키는 구동모터; 임펠러유니트의 유입배관에 설치되고, 임펠러유니트의 유입부로 유입되는 유량, 압력, 온도를 측정하는 유입측정유니트; 임펠러유니트의 토출배관에 설치되고, 임펠러유니트에서 토출되는 공기의 압력을 측정하는 토출압력센서; 임펠러유니트의 토출배관에 설치되고, 임펠러유니트에서 토출되는 공기의 온도를 측정하는 토출온도센서; 임펠러유니트의 토출배관에 설치되고, 임펠러유니트에서 토출되는 토출 유량을 조절하는 토출유량조절밸브; 기어박스에 설치되고, 성능시험과정에서 발생되는 진동을 측정하는 진동센서; 임펠러유니트의 유입배관과 토출배관 사이에 마련되는 바이패스배관에 설치되고, 임펠러유니트의 토출 공기의 일부를 바이패스배관과 유입배관을 통해 임펠러유니트로 공급하는 서지제어밸브; 진동센서의 진동 감지값을 따라 서지제어밸브의 작동을 제어하는 제어유니트;를 포함하는 기술 구성을 통하여
서지점에서 일정수준이상의 진동이 발생하는 경우 토출유량을 증가시켜 서지상태를 회피할 수 있도록 함으로써 서지점에서 지속 운전을 방지할 수 있게 되어 서지 진동에 의한 임펠러, 회전축, 베어링 등의 주요부품의 파손을 방지할 수 있게 되는 것이다.

Description

터보 공기압축기 성능시험장치 { TURBO AIR COMPRESSOR TEST APPARATUS}

본 발명은 터보 공기압축기 성능시험장치에 관한 것으로, 더 자세하게는 기어박스에 설치한 진동센서의 진동 감지값에 따라 바이패스배관에 설치한 서지제어밸브의 작동을 제어함으로써 서지 진동에 의한 임펠러, 회전구동축, 베어링 등의 주요부품의 파손을 방지할 수 있도록 한 것에 관한 것이다.

최근 국제사회는 기후변화 문제에 적극적으로 대응 및 CO₂ 배출 감소를 위한 각종 협약 및 의정서 등을 체결하고 있으며, 이와 병행하여 소비 에너지 절감을 위한 다각적 노력을 기울이고 있다.

이에 세계 각국은 구체적으로 감축목표를 설정하여 국가의 주요 전략으로 채택하고 있으며, 우리나라의 경우, 2030년까지 배출전망치(BAU) 대비 37%까지 온실가스 배출을 감축하는 목표를 설정하고 있다.

그런데 자동차, 전기전자, 기타 중공업 등의 분야에서 많이 사용되는 중형압축기(100HP)의 경우 대부분 오일 윤활 시스템을 이용하는 스크루 방식을 채택하고 있어 폐오일의 발생, CO₂ 배출 등의 환경문제에 노출되어 있는 상황이다.

이에 전 세계적으로 오일프리(Oil-Free) 압축기 수요가 크게 증가하고 있고, 이에 맞추어 고속 고효율 터보 공기 압축기의 개발이 요구되고 있다.

일반적으로 공기압축기(air compressor)는 피스톤, 임펠러, 스크류 등에 공기압축 기구를 사용하여 공기를 필요한 압력으로 압축시켜 탱크 등에 저장하는 장치를 지칭한다.

공기압축기는 압축방식에 따라 크게 원심형과 용적형으로 구분될 수 있다.

원심형은 회전에 의한 원심력을 통해 공기의 압력과 속도를 높이는 것으로, 축류식과 다류식으로 다시 구분될 수 있고, 회전자의 각도에 따라 다익형, 레디얼형, 터보형 등으로 구분되기도 한다.

통상적으로 사용되는 원심형 공기압축기는 터보형이 주를 이루고 있다.

용적형은 왕복동식과 회전식으로 구분될 수 있는데, 왕복동식은 피스톤을 구비하고 실린더 내에서 피스톤이 왕복 운동됨에 따라 공기를 압축시키는 방식이고, 회전식은 메일(male), 피메일(female) 스크류 로터가 회전되면서 압축 공기를 만들어내는 통상 스크류식 공기압축기로 지칭되는 방식이다.

이처럼 공기압축기는 상당히 다양한 방식 및 종류가 존재하나, 통상적으로는 운용환경에 따라 왕복동식 또는 스크류식이 선택되어 사용된다.

왕복동식은 상대적으로 고압에 유리하나 압축 용량이 피스톤의 크기와 직결되므로 용량면에서는 단점을 가지고 있고, 스크류식은 2개의 스크류 로터가 회전하는 동안 흡입, 압축, 토출이 연속적으로 이뤄지므로 용량 면에서는 유리한 이점이 있지만 왕복동식에 비해 고압의 압축에는 적합하지 않다.

이러한 제약으로 인해, 통상적으로 대용량의 공기를 저압으로 압축시키는 경우에는 스크류식이 주로 사용되고, 보다 적은 용량의 공기를 고압으로 압축시키는 경우에는 왕복동식이 주로 사용된다.

한편, 고압 공기압축기의 일종으로 다단압축식 공기압축기가 알려져 있다.

다단압축식은 하나의 압축기로 충분한 압력에 다다를 수 없는 경우, 복수의 공기압축기를 거쳐 공기가 연속적으로 다단 압축되도록 함으로써, 고압 또는 초고압 영역에서의 압축을 가능케 한다.

이러한 다단압축식 공기압축기는 복수의 왕복동식 공기압축기를 순차적으로 직렬 연결한 구조로 이뤄지게 되며, 복수의 피스톤이 중앙의 크랭크 축에 설치되어 크랭크 축의 회전에 따라 왕복운동됨에 따라 각 단(satge)에서의 압축과정을 수행하게 된다.

그러나 상기와 같이 왕복동식이 조합된 다단압축식 공기압축기는 필요한 압축용량을 충족시키기 위해 저단(low stage)에서 피스톤의 크기가 커지게 되며, 이로 인해 장치의 무게나 부피가 커지게 되어 장치의 소형화에 한계가 있다.

또한, 고단(high stage)으로 갈수록 피스톤의 크기가 급격히 작아지면서 저단과 고단의 피스톤 간에 중량이나 기진력이 크게 차이나게 되고, 이와 같은 중량이나 기진력의 불균형은 구동시 소음 및 진동을 일으키게 된다.

상기와 같은 소형화의 한계나 소음 진동의 문제점은 설치공간이 제한되거나 소음 진동에 민감한 환경에서 보다 크게 문제될 수 있다.

하기의 특허문헌 1에는 냉각 시스템의 효율을 우수하게 유지함과 아울러 구성을 단순하고 컴펙트하게 구성할 수 있는 고속모터 직결구동 3단 터보압축기가 개시되어 있다.

특허문헌 1의 3단 터보압축기는 제1 임펠러와, 제2 임펠러 및 제3 임펠러를 구비하고, 제1,2,3 임펠러를 회전 구동시키는 2개 이상의 구동용 모터를 포함하여 압축을 수행하는 것으로서, 단일개의 냉각용 임펠러를 사용하여 2개 이상의 구동용 모터를 냉각하는 형태이다.

하기의 특허문헌 2에는 저단 영역의 스크류식과 고단 영역의 왕복동식이 조합된 다단압축식 공기압축기가 개시되어 있다.

특허문헌 2의 다단압축식 공기압축기는 케이스 조립체; 베드 조립체; 스크류식 압축기로 구성되는 1단 압축기; 왕복동식 압축기로 구성되는 2개의 2단 압축기; 왕복동식 압축기로 구성되는 3단 압축기; 왕복동식 압축기로 구성되는 4단 압축기; 및 상기 크랭크 축을 회전시켜 상기 2단 내지 4단 압축기의 피스톤에 구동력을 제공하며, 벨트를 통해 상기 1단 압축기의 스크류 로터로 구동력을 제공하는 전동기;를 포함하는 형태이다.

도 1은 전형적인 터보 공기압축기의 압축비 대비 유량곡선을 나타낸 그래프이다.

도 1에서 A 지점은 설계점(Desugn Point)로 임펠러 설계의 기준이 되며, 터보 공기압축기 IGV(Inlet Guide Vane)가 최대로 열렸을 때 기준이 되는 압력대비 유량이다.

설계점의 압력과 유량은 압축기의 성능을 나타내는데 이용된다.

B 지점은 시스템 압력저항(System Resistanxe) 증가로 인한 압축기의 압축비가 설계점보다 높아지고, 유량이 감소한 상태이고, E 지점은 시스템 압력저항 감소로 인한 터보 공기압축기의 압축비가 설계점보다 낮아지고 유량이 증가한 상태이다.

C 지점은 서지점(Surge Point)이다.

시스템의 압력저항이 계속 증가하면 성능곡선과 서지곡선의 교차점에 도달하게 되고, 성능곡선과 서지점의 교차점이 바로 서지점이다.

서지점은 성능곡선의 정점으로, 이때부터 터보 공기압축기의 역류가 생기는 서지현상이 일어난다.

터보 공기압축기를 이해하는데 필요한 중요한 특성중의 하나인 서지(Surge)는 터보 공기압축의 제어(Control) 및 여러가지 운전상의 제약을 가지고 온다.

서지가 일어날 때에 압력과 유량은 진동하게 되며, 이와 같은 서지현상은 시스템 압력저항보다 터보 공기압축기가 큰 압력을 생산하지 못하여 역류가 반복적으로 발생하기 때문이다.

도 2는 터보 공기압축기 서지발생시 압력변동 상태도이다.

서지의 진행상태를 도 1의 각 지점으로 보면, 예를 들어 C-D-E-C-D-E-C의 순서로 진행되며, 연속적으로 반복할 때마다 변동의 폭이 커진다.

상기에서 C-D 구간은 시스템의 압력저항이 큰 관계로 역류가 생겨 유량이 감소하는 과정이고, 유량이 0인 D점에 도달한다.

D-E 구간은 터보 공기압축기의 생성압력이 시스템 압력저항보다 커서 유량이 정방향으로 바뀌면서(역류-정류) E 지점으로 이동한다. 이때 압력변화는 일정하고 생성유량만 증가한다.

E-C 구간은 터보 공기압축기의 압력이 과다한 관계로 성능곡선을 따라 C점으로 이동한다.

A-D 과정을 1사이클로 보며, 약 5초 사이에 일어나면 서지 1회로 규정하고 5사이클(서지 5회) 이상 연속 진행되면 터보 공기압축기의 구성부품인 베어링과 임펠러에 손상의 우려가 많게 된다.

대한민국 등록특허공보 제10-1318800호 (2013년 10월 10일 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-1752308호 (2017년 06월 23일 등록)

터보 공기압축기의 성능을 시험하는 과정에서 터보 공기압축기의 성능곡선을 도출하기 위해서는 서지점(Surge Point)까지 압력 및 유량을 측정해야한다.

그런데 종래 기술에 따른 터보 공기압축기 성능시험장치의 경우 서지점 근처까지 알력 및 유량을 측정하는 도중에 터보 공기압축기가 서지상태가 되면 압력 및 유량이 주기적인 진동을 하게 되며, 이때 터보 공기압축기의 주요부품인 임펠러, 회전축, 베어링 등이 파손될 우려가 많게 되는 문제가 있었다.

본 발명은 상기 종래 기술에 따른 터보 공기압축기 성능시험장치의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적이 터보 공기압축기 성능시험과정에서 발생하는 서지 진동에 의해 임펠러, 회전축, 베어링 등의 주요부품이 파손되는 것을 방지할 수 있도록 하는 터보 공기압축기 성능시험장치를 제공하는 데에 있는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 터보 공기압축기 성능시험장치는 외기를 유입하여 압축하는 임펠러유니트; 구동모터의 회전력을 임펠러유니트의 임펠러로 전달하는 기어박스; 기어박스를 통해 임펠러유니트의 임펠러를 회전시키는 구동모터; 임펠러유니트의 유입배관에 설치되고, 임펠러유니트의 유입부로 유입되는 유량, 압력, 온도를 측정하는 유입측정유니트; 임펠러유니트의 토출배관에 설치되고, 임펠러유니트에서 토출되는 공기의 압력을 측정하는 토출압력센서; 임펠러유니트의 토출배관에 설치되고, 임펠러유니트에서 토출되는 공기의 온도를 측정하는 토출온도센서; 임펠러유니트의 토출배관에 설치되고, 임펠러유니트에서 토출되는 토출 유량을 조절하는 토출유량조절밸브; 기어박스에 설치되고, 성능시험과정에서 발생되는 진동을 측정하는 진동센서; 임펠러유니트의 유입배관과 토출배관 사이에 마련되는 바이패스배관에 설치되고, 임펠러유니트의 토출 공기의 일부를 바이패스배관과 유입배관을 통해 임펠러유니트로 공급하는 서지제어밸브; 진동센서의 진동 감지값을 따라 서지제어밸브의 작동을 제어하는 제어유니트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 터보 공기압축기 성능시험장치의 진동센서는 임펠러 구동축의 회전을 지지하는 베어링의 진동을 감지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 터보 공기압축기 성능시험장치의 제어유니트는 진동센서로 측정된 진동 감지값이 설정값보다 크게 되면 서지제어밸브를 개방하여 임펠러유니트의 토출배관으로 토출되는 압축공기의 일부가 바이패스배관 및 유입배관을 통해 임펠러유니트로 공급되도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 터보 공기압축기 성능시험장치에 의하면, 서지점에서 일정수준이상의 진동이 발생하는 경우 토출유량을 증가시켜 서지상태를 회피할 수 있도록 함으로써 서지점에서 지속 운전을 방지할 수 있게 되어 서지 진동에 의한 임펠러, 회전축, 베어링 등의 주요부품의 파손을 방지할 수 있게 된다.

도 1은 전형적인 터보 공기압축기의 압축비 대비 유량곡선을 나타낸 그래프,
도 2는 터보 공기압축기 서지발생시 압력변동 상태도,
도 3은 본 발명에 따른 터보 공기압축기 성능시험장치의 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 터보 공기압측기 성능시험장치의 제어구성도,
도 5는 본 발명에 따른 터보 공기압축기 성능시험장치의 서지제어밸브의 제어흐름도.

이하 본 발명에 따른 터보 공기압축기 성능시험장치를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

이하에서, "상방", "하방", "전방" 및 "후방" 및 그 외 다른 방향성 용어들은 도면에 도시된 상태를 기준으로 정의한다.

도 3은 본 발명에 따른 터보 공기압축기 성능시험장치의 구성도이다.

본 발명에 따른 터보 공기압축기 성능시험장치(10)는 임펠러유니트(11), 기어박스(12), 구동모터(13), 유입측정유니트(14), 토출압력센서(15), 토출온도센서(16), 토출유량조절밸브(17), 진동센서(18), 서지제어밸브(19), 제어유니트(20)를 포함한다.

임펠러유니트(11)는 외기를 유입하여 압축하는 부분으로, 일측에 유입부가 마련되고, 타측에 회전접속부가 마련되고, 상부에 토출부가 마련된다.

기어박스(12)는 구동모터(13)의 회전력을 임펠러유니트(11)의 임펠러로 전달하기 위한 것으로, 구동모터(13)와 임펠러유니트(11)의 사이에 설치된다.

구동모터(13)는 임펠러유니트(11)의 임펠러를 회전시키기 위한 것으로, 기어박스(12)에 접속된다.

구동모터(13)와 기어박스(12) 사이에는 토크센서가 설치된다.

유입측정유니트(14)는 임펠러유니트(11)의 유입부로 유입되는 유량, 압력, 온도 등을 측정하기 위한 것으로, 임펠러유니트(11)의 유입배관(21)에 설치된다.

토출압력센서(15)는 임펠러유니트(11)에서 토출되는 공기의 압력을 측정하기 위한 것으로, 임펠러유니트(11)의 토출배관(22)에 설치된다.

토출온도센서(16)는 임펠러유니트(11)에서 토출되는 공기의 온도를 측정하기 위한 것으로, 임펠러유니트(11)의 토출배관(22)에 설치된다.

토출유량조벌밸브(17)는 임펠러유니트(11)에서 토출되는 유량을 조절하기 위한 것으로, 임펠러유니트(11)의 토출배관(22)에 설치된다.

토출배관(22)에는 소음기가 설치된다.

진동센서(18)는 성능시험과정에서 발생되는 진동을 측정하기 위한 것으로, 기어박스(12)에 설치된다.

진동센서(18)는 임펠러 구동축의 회전을 지지하는 베어링의 진동을 감지하도록 하는 것이 바람직하다.

서지제어밸브(19)는 서지점에서의 지속운전을 방지할 수 있도록 하는 것으로, 임펠러유니트(11)의 유입배관(21)과 토출배관(22) 사이에 마련되는 바이패스배관(23)에 설치된다.

도 4는 본 발명에 따른 터보 공기압측기 성능시험장치의 제어구성도이다.

제여유니트(20)는 구동모터(13) 및 토출유량조절밸브(17), 서지제어밸브(19)의 작동을 제어하는 것으로, 유입측정유니트(14), 토출압력센서(15), 토출온도센서(16), 진동센서(18)가 접속된다.

본 발명에 따른 터보 공기압축기 성능시험장치(10)에 있어서 구동모터(13)가 작동되면 임펠러유니트(11)의 임펠러가 회전하게 되고, 임펠러유니트(11)의 유입배관(21)을 통해 임펠러유니트(11)로 유입되는 공기가 압축되어 임펠러유니트(11)의 토출배관(22)으로 토출된다.

상기 터보 공기압축기 성능시험장치(10)의 시험과정에서 제어유니트(20)는 토출유량조절밸브(17)를 통해 토출유량을 조절한다.

상기 터보 공기압축기 성능시험장치(10)의 시험과정에서 유입측정유니트(14)에서 측정된 유입 유량 및 유입 압력, 유입 온도, 그리고 토출압력센서(15) 및 토출온도센서(16)를 통해 측정된 토출 유량 및 토출 온도는 제어유니트(20)에 입력.되며, 제어유니트(20)는 측정값을 통해 터보 공기압축기의 성능곡선을 도출한다.

도 5는 본 발명에 따른 터보 공기압축기 성능시험장치의 서지제어밸브의 제어흐름도이다.

본 발명에 따른 터보 공기압축기 성능시험장치(10)의 시험과정에서 임펠러유니트(11)의 유입배관(21)과 토출배관(22) 사이에 마련되는 바이패스배관(23)에 설치되는 서지제어밸브(19)는 일정수준 이상의 서지 진동이 발생하게 되면 개방되어 토출 유량의 일부를 유입 유량으로 전환한다.

본 발명에 따른 터보 공기압축기 성능시험장치(10)의 시험과정에서 진동센서(18)는 기어박스(12) 내부의 베어링의 진동을 감지하고, 그 진동 감지값을 제어유니트(20)로 전송한다.

상기 진동 감지값은 임펠러유니트(11)의 토출배관(22)으로 토출되는 토출 유량이 적을 때에 커지게 된다.

제어유니트(20)는 진동센서(18)로 측정된 진동 감지값이 설정값보다 크게 되면 서지제어밸브(19)를 개방한다.

서지제어밸브(19)가 개방되면 임펠러유니트(11)의 토출배관(22)으로 토출되는 압축공기의 일부가 바이패스배관(23) 및 유입배관(21)을 통해 임펠러유니트(11)로 공급되고, 그에 따라 유입 유량 및 토출 유량이 증가하게 되어 서지 구간을 벗어날 수 있게 된다.

이처럼 본 발명에 따른 터보 공기압축기 성능시험장치(10)는 터보 공기압축기 성능시험장치(10)의 시험과정의 서지 상태에서 생기는 반복적인 진동을 해소하여 임펠러, 회전구동축, 베어링 등의 주요부품의 파손을 방지할 수 있게 된다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

10 : 터보 공기압축기 성능시험장치
11 : 임펠러유니트
12 : 기어박스
13 : 구동모터
14 : 유입측정유니트
15 : 토출압력센서
16 : 토출온도센서
17 : 토출유량조절밸브
18 : 진동센서
19 : 서지제어밸브
20 : 제어유니트
21 : 유입배관
22 : 유출배관
23 : 바이패스배관

Claims

외기를 유입하여 압축하는 임펠러유니트(11);
구동모터(13)의 회전력을 임펠러유니트(11)의 임펠러로 전달하는 기어박스(12);
기어박스(12)를 통해 임펠러유니트(11)의 임펠러를 회전시키는 구동모터(13);
임펠러유니트(11)의 유입배관(21)에 설치되고, 임펠러유니트(11)의 유입부로 유입되는 유량, 압력, 온도를 측정하는 유입측정유니트(14);
임펠러유니트(11)의 토출배관(22)에 설치되고, 임펠러유니트(11)에서 토출되는 공기의 압력을 측정하는 토출압력센서(15);
임펠러유니트(11)의 토출배관(22)에 설치되고, 임펠러유니트(11)에서 토출되는 공기의 온도를 측정하는 토출온도센서(16);
임펠러유니트(11)의 토출배관(22)에 설치되고, 임펠러유니트(11)에서 토출되는 토출 유량을 조절하는 토출유량조절밸브(17);를 포함하는 터보 공기압축기 성능시험장치에 있어서,
기어박스(12)에 설치되고, 성능시험과정에서 발생되는 진동을 측정하는 진동센서(18);
임펠러유니트(11)의 유입배관(21)과 토출배관(22) 사이에 마련되는 바이패스배관(23)에 설치되고, 임펠러유니트(11)의 토출 공기의 일부를 바이패스배관(23)과 유입배관(21)을 통해 임펠러유니트(11)로 공급하는 서지제어밸브(19);
진동센서(18)의 진동 감지값을 따라 서지제어밸브(19)의 작동을 제어하는 제어유니트(20)를 포함하되;
진동센서(18)는 임펠러 구동축의 회전을 지지하는 베어링의 진동을 감지하며,
제어유니트(20)는 진동센서(18)로 측정된 진동 감지값이 설정값보다 크게 되면 서지제어밸브(19)를 개방하여 임펠러유니트(11)의 토출배관(22)으로 토출되는 압축공기의 일부가 바이패스배관(23) 및 유입배관(21)을 통해 임펠러유니트(11)로 공급되도록 하되;
구동모터(13)와 기어박스(12) 사이에는 토크센서가 설치되고,
토출배관(22)에는 소음기가 설치되며,
유입측정유니트(14)에서 측정된 유입 유량 및 유입 압력, 유입 온도, 그리고 토출압력센서(15) 및 토출온도센서(16)를 통해 측정된 토출 유량 및 토출 온도는 제어유니트(20)에 입력되며, 제어유니트(20)는 측정값을 통해 터보 공기압축기의 성능곡선을 도출하는 것을 특징으로 하는 터보 공기압축기 성능시험장치.
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