1. INGERSOLL-RAND AIR COMPRESSOR 구성품

1) ROTOR ASS’Y

- AIR을 흡입하여 압축하는 실질적인 부품으로 IMPELLER, PINION SHAFT,

THRUST COLLER로 구성되어진다.

2) INTER COOLER

- 압축된 AIR는 약 110℃ ~ 120℃상태로 COOLER을 통하면서 35℃ ~ 45℃

사이로 냉각되어지면서 각 단을 통과하게 된다.

- AIR 온도가 비정상적 상승시 SURGE 등 여러가지 문제가 발생 될 수 있다.

3) 회전부위

- ROTOR ASS’Y는 최소 20,000RPM에서 60,000RPM까지 회전하며

BEARING은 ROTOR을 지지하는 PLAIN BEARING, THRUST력 및 지지하는

THRUST BEARING OIL FREE AIR을 구연하기 위한 AIR, OIL SEAL 등으로

구성 되어진다.

4) 압축부위 내부구조도

5) AIR FLOW도

1. 터보 공기 압축기의 장점

1) Inlet Guide Vane 장착

현장의 공기사용량은 점심시간, 휴식시간 및 장비 가동률 저하시에는 고익사용량이

현저히 감소된다. 이때 압축기를 정지시킬 경우 현장의 공기 압력이 낮아지므로 항상

균일한 압력을 요구하는 자동화 기기의 경우는 고장을 유발할 수 있다. 터보 압축기에

개발 적용한 Inlet Guide Vane 시스템은 기존에 적용한 Butterfly Valve와 달리 흡입 공

기량을 조절하여 압축공기 생산량을 현장 소요변화에 탄력적으로 대응할 수 있도록 하

였으며 최소량의 여분의 압축공기만 Blow Off Valve를 통하여 배출시킴으로 전력비를

절감하게 되었고, 이 때 압축기 회전체에 걸리는 부하를 최소화 하여 압축기 수명연장

의 효과를 얻을 수 있었다.

2) 시스템 최적제어로 운용비용 절감

- 토출유량 65 ~ 100% 범위 자동제어

- 전력소모량 절감 : Throttle Valve Type 대비 9% 절감

3) 고성능 Backward Lean Impeller 적용

최신 항공기 엔진에 사용되는 고성능 Backward Lean Impeller를 적용하여 고효율을

보장하고 전부하 운전과 부분부하 운전에서도 고효율로 운전되며, Blow-Off 또는 잦은

By-Pass 없이 넓은 용량조절 범위를 갖고 있어 기존에 소개된 해외 선진업체의 제품

보다 운전 소비전력 절감이 가능하다.

4) AGMA 표준에 따른 엄격한 품질관리

- Bull Gear : AGMA 12

- Pinion Gear : AGMA 13

- 반영구적 수명 : 질화열처리 수행

2. 사용단위 정의 및 환산

1) 체적유량 (Volume Flow Rate)

시간당 흐르는 공기나 가스의 부피로 정의된다. (부피/시간)

압축기 유량측정 단위로는 시간당 입방 미터 (㎥/h)를 사용하며, 이것을 루베

(Lube: ㎥/h) 라고 한다.

유량은 공기나 가스의 밀도에 영향을 받고, 다시 밀도는 온도와 압력에 영향을 받기

때문에, 정확한 유량을 표현하기 위해서는 루베를 다음과 같이 3가지로 분류 정의한다.

① 표준루베(S ㎥/h)

표준대기압 조건(Standard condition)에서 측정한 유량,

표준대기압 조건은 20℃, 1기압 그리고 상대습도 65%(RH=0.65)이다.

② 기준루베(N ㎥/h)

기준대기압 조건(Normal condition)에서 측정한 유량이다.

기준대기압 조건은 0℃, 1기압 그리고 상대습도0%(RH=0.0)이다.

③ 실제루베(A ㎥/h)

실제대기압 조건(Actual condition)에서 측정한 유량이다.

3가지 각기 다른조건에성의 정량차이가 크므로, 기준루베(Normal Lube)나 표준루베

(Standard Lube)를 사용하는 방법이다.

A ㎥/h = S ㎥/h X X

(표준루베)

또는,

A ㎥/h = N ㎥/h X X

(기준루베)

표준상태 0℃, 1기압, 상대습도 65%와, 기준상태 20℃, 1기압, 상대습도 0% 이므로,

위에 두식을 다시 쓰면,

A ㎥/h = S ㎥/h X X

(표준루베)

A ㎥/h = N ㎥/h X X

(기준루베)

이다.

흡입 절대온도

표준 절대온도

대기압 - (표준상대습도 X 표준포화증기압)

흡입절대압 - (흡입상대습도 X 흡입포화증기압)

흡입 절대온도

기준 절대온도

대기압 - (기준상대습도 X 기준포화증기압)

흡입절대압 - (흡입상대습도 X 흡입포화증기압)

T′(흡입)

294.15K

1(atm) - { 0.65 X 0.02382 }

P′(흡입) - { RH′(흡입) X H′(흡입) }

T′(흡입)

274.15K

1(atm) - { 0.0 X 0.006225 }

P′(흡입) - { RH′(흡입) X H′(흡입) }

참고로 1 기압 상태에서 포화증기압표를 보면 다음과 같다. <보기 15>

온도(℃) 포화증기압(atm) 온도(℃) 포화증기압(atm)

0 0.006225 60 0.2032

10 0.1251 70 0.3178

20 0.2382 80 0.4830

30 0.4326 90 0.7149

40 0.07521 100 1.0332

50 0.1258 150 4.584

<보기 15> 포화증기압표

Lube (㎥/h) 외에 많이 쓰는 유량의 단위로는 CFM (Cubic Feet Per Minute)이 있으며,

여기서도 ACFM(Actual Cubic Feet Per Minute)와 SCFM(Standard Cubic Feet Per

Minute) 있으며, 다음과 같은 차이점을 갖고 있다.

SCFM은 표준온도; 표준압력에서의 유량을 말하며, 표준상태는 60F(15.5℃), 그리고

14.7 PSIG 이다.

ACFM은 SCFM을 알면 다음과 같이 쉽게 계산할 수 있다.

● ACFM = SCFM X 14.7/(14.7+P) X (460+T)/520

(P는 흡입압력(PSI)이고, T는 흡입온도 ℉ (Fahrenheit)이다.)

3. 질량유량(Mass Flow Rate)

시간당 흐르는 공기나 가스의 질량으로 정의된다. (질량/시간)

단위는 Kg/s이며, 계산식은 다음과 같다. <보기 16>

ρ = 밀도 (kg/㎥)

A = 단면적 (㎡)

V = 유속 (m/s)

질량유량(Mass Flow) = ρ x A x V (kg/s)

<보기 16> 질량유량식

여기서 질량유량(kg/s)를 부피유량(㎥/h)로 환산식은 다음과 같다.

● 부피유량(㎥/h) = 1/ ρ * 질량유량(Kg/s) * 3600

밀도(ρ)로 나누어주고, 시간당으로 환산해주면 바로 루베가 된다.

4. 온도 (Temperature)

온도에 단위는 여러종류가 있으며, ℃(Celsius)에 대한 환산식은 다음과 같다.

Celsius(℃) Fahrenheit(℉) Kelvin (K) Rankine (R)

℃ 9/5 ℃ + 32 ℃ + 274.5 9/5 ℃ + 491.69

5. 진동(Vibration)

진동의 단위는 Metric인 경우 Micron(0.001mm)애며, English인 경우 Mils(0.001inch)

를 사용한다.

Mils(inch) Micron (Metric)

1 25.4

6. 압력

압력단위에는 여러 가지가 있으며, 우선 압력의 정의를 정확하게 이해하는 것이 단위

를 이해하는데 도움이 된다.

1기압을 표준 대기압이라 하며, 이것은 수은(Hg)이 760mmHg 일때를 뜻한다.

기압 atm Kg/㎠ mmHg Bar PSI Pa

1 1 1.033 760 1.0132 14.69 101325

0.9869 0.9869 1.0197 750.06 1 14.50 100000

압력은 완전진공(절대영)을 기준으로 하는 국지 대기압으로 구분된다. 국지 대기압은

지방에 따라 다르며, 760mmHg를 기준으로 한 대기압을 표준 대기압이라 한다.

압축기의 압축비를 계산할 때에는 절대압력을 기준으로 한다.

절대압력은 다음과 같다.

절대압력 = 대기압 + 계기압력

= 대기압 – 진공압력

7. 유량측정방식(Pitot Tube법)

유량을 측정하는데 필요한 베르누이공식의 기본은 ‘총압(總壓)=정압(靜壓) + 동압(動

壓)’ 이다.

● P(total) = P(static) + ρ V²/2

[기본조건 : 비압축성; 비점성 ; 정상류]

Pitot Tube으로 유속(V)를 구하면, 체적유량(Q = AV)과 질량유량(Q= ρAV)를 계산할 수

있다.

정압은 유속에 직각 방향으로 작용하는 원리를 이용한 Pitot Tube 측정방법은 다음과

같다. <보기 17>

<보기 17> Pitot Tube 측정법

● P(총압) – P(정압) = ρ1* V²/2 = (ρ2 – ρ1) * g * h

V에 관해 정리하면,

2 * (ρ2 – ρ1) * g * h

V = √ ρ1

ρ1(공기밀도)는 다음과 같이 구한다.

PV = mRT ……………………………[보일-샤를 법칙]

(P:압력; V:체적; m:질량; R:일반기체상수; T:온도)

PV P P

= RT -> = RT -> ρ1 =

M ρ1 RT

(V/m = ρ)

V와 ρ를 구하고 나면, 질량유량과 체적유량은 아래의 식에서 구할 수 있다.

● 질량유량 = ρAV(kg/s)

● 체적유량 = AV(㎥/s)

공기 압축기는 공장 및 설비가동에 소요되는 필수장비로서 이의 형태는 황복동식, 스

크류식, 터보식으로 크게 분류되며, 이중 터보형 공기 압축기는 왕복동식, 스크류식 보

다 대용량, 저소음, 낮은 유지보수 비용 등의 장점을 가지고 있으며, 오일이 함유되지

않은 깨끗한 압축공기를 생산할 수 있는 환경 친화적인 산업장비로서 꾸준히 수요가

증대하고 있는 설비이다.

공기 압축기의 발전단계를 보면 왕복동 → 스크류 → 터보형으로 발전되어 왔으며, 점

차 고효율화로 인한 전력소비량의 감소, 토출유량의 대용량화, 그리고 유지 및 보수의

편리성이 부각되고 있는 추세이다.

터보압축기 (Tubo Compressor)

왕복동 압축기와 로타리 압축기의 단점을 보완한 것이 바로 터보 압축기이며, 터보는

회전체(Rotor)에 따라, 원심구동(Centrifugal/Radial flow) 압축기와 축형(Axial flow) 압

축기로 나누어진다. <보기 4>

원심구동 압축기 축형 압축기

회전체(Rotor) 인듀서/임펠라 블레이드

최고 생성유량 70,000 cf, 2,000,000 cfm

압축비/stage 4/stage 1.1 ~ 1.2/stage

<보기 4> 터보 압축기의 회전체에 따른 분류

터보압축기의 장점은 유량을 압력변동 없이 조절할 수 있으며, 다른 종류의 압축기보

다 전력당 많은 유량을 생산할 수 있다. <보기 5>

<보기 5> 압축비 대비 유량에 따른 압축기 선택기준

<보기 5>를 보면 써지곡선(Surge Line)이란 것이 있는데, 터보 압축기만이 갖는 특성

중에 하나이다. 써지(Surge)란 유량 대비 압축비가 높을 때 일어나며, 이때 압축기의

회전체가 공회전을 하게 되어 유동의 흐름이 불규칙하게 되고, 결국 제어가 안되는 불

안정한 상태를 뜻한다.

3. 원심구동 압축기의 기본원리

3-1. 회전체(Rotor) 구성 및 기능

터보 압축기 중에서 원심구동 압축기의 압축기기(器機)와 압축원리를 알아보자.

<보기 7> 원심구동 압축기의 압축원리

<보기 7>을 보면, 회전체는 인듀서(Inducer)와 임펠러(Impeller)로 구성되어 있다. 공기

와 가스는 인듀서를 통해 운동에너지(Kinetic energe) 즉, 속도(Velocity)가 생기면서,

임펠러쪽으로 유입된다. 임펠러에 유입된 공기나 가스는 초기유입 방향과 직각으로 방

향을 선회하며, 디퓨져(Diffuser)로 확산되어 나아가는 동시에 회전체의 원심력을 받아,

압력이 급격히 증가한다.

결국, 임펠러를 통과한 고익나 가스는 디퓨져로 들어가면서, 속도는 줄고 압력은 상승

하게 된다. 이것은 회전체로 인한 운동 에너지나 속도가 고정체인 디퓨져로 유입되면

서, 정압 에너지(Static energy)나 압력으로 전환되는 과정이다. 디퓨져를 통해 나온 공

기나 가스는 스크롤(Scroll)에서 압력으로의 변환작업을 끝낸다.

3-2. 압력생성 곡선

압력생성 과정을, 각 단계별(흡입구 → 임펠러 → 디퓨져 → 스크롤)로 속도, 온도(정

온:靜穩) 그리고 압력(정압 : 靜壓)곡선으로 나타내면 다으과 같다. <보기 8>

<보기 8> 1단 원심구동 압축기의 압력생성 곡선

임펠러의 압축비는 4:1까지 가능하며, 그 이상은 임펠러 날개 끝(Trailing edge)에 응력

집중으로 인한 파열로 한계가 있다.

여러 단을 사용할수록 전력소비는 낮아지고, 임펠러 날개 끝에 공기나 가스의 속도도

쉽게 초음속에 도달한다.

3-3. 성능곡선 (Performance map)

<보기 9>는 정형적인 터보압축기의 압축비 대비 유량곡선으로, 압축기의 성능과 특성

을 나타낸다.

<보기 9> 터보압축기의 압축비 대비 유량 곡선

A : 설계점(Design Point)은 임펠러 설계의 기준이 되며, 압축기의 IGV(Inlet Guide

Vane)가 최대로 열렸을 때, 기준이 되는 압력대비 유량이다. 설계점의 압력과 유량은

압축기의 성능을 나타내는데 이용된다.

B : 시스템 압력저항(System Resistance) 증가로 인한 압축기의 압축비가 설계점보다

높아지고, 유량이 감소한 상태이다.

E : 시스템 압력저항 감소로 인한 압축기의 압축비가 설계점보다 낮아지고, 유량이 증

가한 상태이다.

C : 시스템 압력저항이 계속 증가하면, 성능곡선과 써지(Surge) 곡선의 교차점에 도

달하게 되고, 성능곡선에 정점에 있다. ‘C’점을 써지점(Surge Point)라고 하고, 이때부

터 압축기의 역류(逆流)가 생기는 써지현상이 일어난다.

3-4. 써지(Surge) 현상

터보 압축기를 이해하는데 필요한 중요한 특성중에 하나인, 써지(Surge)는 터보 압축

기의 제어(Control) 및 여러 가지 운전상의 제약을 가지고 온다.

써지가 일어날 때 압력과 유량은 진동을 하게되며, 이와 같은 현상은 시스템 압력저항

보다 압축기가 큰 압력을 생산하지 못하여, 역류(逆流)가 반복적으로 발생하기 때문이

다. <보기 10>

<보기 10> 써지 발생시 압력 변동

써지의 진행과정을 <보기 9>로 보면,

위와 같이 진행되며, 연속적으로 반복할 때마다 변동의 폭이 커진다.

C → D : 시스템 압력저항이 큰 관계로 역류가 생겨 유량이 감소하는 과정이고, 유량

이 0(Zero)인 D 점에 도달한다.

D → E : 압축기의 생성압력이 시스템 압력저항보다 커, 유량이 정방향으로 바뀌면서

(역류→정류), 점 E로 이동한다. 이때, 압력변화는 일정하고, 생성유량만 증가한다.

E → C : 압축기의 압력이 과다한 관계로 성능곡선을 따라 점 C로 이동한다.

A → D과정을 1사이클로 보며, 약 5초 사이에 일어나면 써지(Surge) 1회로 규정하

고, 5 사이클(써지 5회) 이상 연곳 진행되면 장비의 베어링과 회전날개의 손상을 준다.

써지 발생시 바로 벗어나도록, 무부하(Unloading)상태로 만들어야 하며, 이때

BOV(Blow Off Valve)나 By Pass 밸브를 열어주고, 흡입 유량을 증가시킨다.

3-5. 회전체의 써지곡선과 써지파라미터(Surge Parameter)

<보기 11> 회전체와 써지파라미터(Surge Parameter)

써지 발생곡선을, 에너지 대비 유량 곡선으로 나타내면 다음과 같이 된다.

<보기 12> 에너지 대비 유량 곡선

써지의 기본 파라미터를 유량(Volume flow) 대비 압축비(Pressure ratio)로 나타내면 다

음과 같다. <보기 13>

<보기 13> 유량(Volume flow) 대비 압축비(Pressure ratio)

<보기 13>을 보면, 압축기가 써지를 일으키는 데에는 두 가지 조건이 있다. 만일 압축

기가 점 A에서 운행된다고 가정하면, 써지 곡선(Surge Line)에 도달하기 위해서는 X

만큼 좌로 이동(유량감소)하거나, Y만큼 위로 이동(압축비 상승) 두 가지 경우이다.

압축기가 운전 중 써지가 안 생기도록 하기 위해서는 IGV(Inlet Guide Vane)의 속도를

알맞게 조절하여야 하고, 또한 압축기 구동시 써지를 피하기 위해서 IGV 최소값(IGV

minimum Position)을 정하는 이유도 여기에 있다.

3-6. Choking & Turndown Ration

써지현상으로 인해 터보 압축기는 최소유량(Minimum Flow)이 정해지며, 반대로 초킹

(Choking)현상으로 최대유량(Maximum Flow)이 결정된다. <보기 14>

<보기 14> 써징과 초킹에 대한 유량 대비 압축비

압축기가 점 E 이상의 유량을 생산하면, 더 이상 압력을 생산하지 못하는 초킹현상이

발생한다. 이 때 압축비는 유량 및 속도와 무관하게 떨어진다.

이와 같이 써징(Surging)과 초킹(Choking)으로 인하여, 압축기의 최소유량과 최대유량

이 정해지며, 설계점(Design Point)에서 써징이 발생하는 점까지의 유량 변화폭을

‘Turndown’이라고 한다.

Turndown이 크면 클수록 압축기의 효율이 좋으며, 이것은 곧 회전체(Impeller)의 성능

과 직접적인 관계가 있다.

Turndown을 비율(%)로 나타낸 것이 바로 ‘Turndown Ratio’이다.

Turndown Ratio의 공식은 다음과 같다.

◎ Turndown Ratio = Turndown/최대유량 X 100

= (최대유량 – 최소유량)/최대유량 X 100