제 4 장 축류압축기

(1)

제 4 장 축류압축기

How Axial Compressors Works Axial Flow Air Compressor

전남대 강보선 24

1. 구조

•동익(로터에 고정)과 정익(케이싱에 고정)의 교대 배열

1단락의 비속도 : 800 ~1500 m³/min, m, rpm 축류 속도 : 110 ~120 m/s

•후단으로 갈수록 비체적이 감소 : 통로 면적을 감소시킴

1) 바깥지름 일정 방식 : 각 단의 원주속도를 일정하게 높게 잡을 수 있음 단수를 적게 할 수 있고, 중량도 경감됨

2) 안지름 일정 방식 : 각 단에 동일 날개 사용, 끝만 깍음, 공작이 편리

•로터 : 180 m/s를 경계로 원판식 : 고속, 항공기용 원통식 : 저속, 지상용, 선박용

•단실린더 : 압력비 4 정도까지 2실린더 : 압력비 10 ~20

(2)

1. 구조

2. 회전차의 축방향 요소

1. 압력상승에 관한 Euler의 식

i) ii)

i) 동익에서의 운동에너지 증가 : 정익에서 감속에 의하여 압력에너지로 변환 ii) 동익에서의 감속에 의한 압력상승

     

²2

 

2 1 2 1 2 2 1

2 2

1

1 v v w w

v g v gu

H_th _u _u    

(3)

2. 회전차의 축방향 요소

1.압력상승과 온도상승의 관계

2. 반동도 (degree of reaction) : 정압상승과 전압상승의 비

3. 깃 효율

- 동익과 정익의 1조에 대하여 각각의 항력에 의한 손실로 인한 1단당의 깃효율 )

T T ( k R ) k v v g( u

) T T ( k R H k g RT v k

k g RT v k

k

k RT T k Jc Ji pv p Ju g Ju

v Ju p

g v Ju p

u u

th s

s

s s

p

01 02 1

2

01 02 2

2 2 2

1 1

2 2 2 2 2 2 1 1 1 1

1

1 2

1 2 1

1 2

2

 





 



 



 

 













  

 

u w u

v v

H g / w k w

u u u

th r

 

 



 

1 2

2

1 2

2 2 2 1

m

b uv

v w L D ² ² 1 ^ ^



 

2. 회전차의 축방향 요소

4. 깃의 배열 (1) 정익-동익 배열

* 1단 축류 송풍기 : 축방향 유출형 반동도k_r> 1

정익 : 정압강하

동익 : 정압상승 > 전압상승 -> 평균 상대속도가 커져서 좋지 않음

* 다단 축류압축기 : 대칭형 속도선도,

반동도k_r= 0.5 -> 정압상승을 정익과 동익에서 반씩 부담, 깃 효율 최대 실제k_r= 0.5 – 0.7

제트 엔진, 가스 터빈용

2 1 1 1 2 1

1 1





 



 ^

u v u

v u u

k_r w û û û

 

5 5 0

0

2 1

2

1 .

w w

w w . u k w

u u

r u 



 

 ^



  v w

(4)

2. 회전차의 축방향 요소

(2) 동익- 정익 배열

* 1단 축류 송풍기 : 축방향 유입형

동익에서의 평균 상대속도가 커짐, 고속 회전시 부적합

* 다단 축류압축기 : 대칭형 속도선도 반동도k_r= 0.5, 깃 효율 최대

(3) 정익-동익- 정익 배열 : (1) 전치 정익 + (2) 후치 정익 -> 전후치 정익식 50% 반동도형이 많이 사용됨

3. 회전차의 반지름 방향 요소

1. 자유 보텍스형

- 절대유속 v: 축방향v_m, 회전방향v_u, 반경방향v_r - 자유소용돌이의 선회류 : v_r = 0, v_m= 일정

- 기준 반지름 기준으로 깃 안지름에서v가 큼, k_r= 0.5 -> 최고 효율, 대칭속도선도 - 깃 바깥지름 : , v 는 적어지고, w 가 커짐

비대칭 속도선도, 깃의 비틀림, 반동도 커짐

- 저속 회전에 적합 : 축류 송풍기, 산업용 축류압축기(저속) 2. 일정 반동도형

- 반지름r 에 따라, 전압, 반동도를 일정하게 유지, 고속 회전에 적합 - v_u ~ u 강체 회전과 흡사(solid body type)

- v_m: 안지름에서는 크고, 바깥지름에서는 작음 -w, v : 과대해지는 일이 없음

- 안지름과 바깥지름에서의 유동 방향의 차이가 적어 깃의 비틀림이 적음 3. 반보텍스형

- 축류속도, 깃의 반지름 방향 분포는 균일 - 선회속도 : 1, 2의 산술 평균치

const v rv

dv r dr

u u

u   

 0

const rv_u

(5)

3. 회전차의 반지름 방향 요소

4. 설계

1. 각 단의 일의 배분

•첫 단에서 끝 단까지의 통로 단면의 형태 (1) 바깥지름 일정형

- 회전차의 안지름을 크게 하여 통로 단면적을 축소시킴 - 후단일수록 압력 상승이 큼

(2) 안지름 일정형 - 바깥 지름 축소

- 후단으로 갈수록 동익 주속 및 1 단당 압력, 각 단 일도 작아짐 - (1)보다 효율은 좋음

(3) 안^.바깥지름 변화형

- 후단으로 갈수록 1단당 압력 증가, 단수가 적어도 됨

(6)

4. 설계

1. 깃 이론과 설계 순서 (1) 동익

(2) 정익

) (

V V V t C l

m u

L u  







 

 





sin sin 2 cos

2 1

2

2 tan

1

2u u

m

V u V

V

 

 





 







 

 





 









 tan tan sin V 1

2 V t C l

m u L 2

tan 2

2 / V

V

u

 m





제 5 장 용적형 압축기

reciprocating compressor

3D animation of screw compressor working principle

(7)

2. 왕복압축기

- 용적형 압축기 : 외부에서 기체를 흡입, 밀폐 공간 속에서 압축, 고압의 장소로 송출 - 종류 : 왕복형과 회전형

1. 개설

1. 구조, 작동원리 및 분류

- 흡입, 송출밸브를 갖는 실린더 속에서 피스톤의 왕복운동 - 고압 획득 용이

- 밸브 개폐에 시간 소요 : 피스톤 이동 속도가 낮음(소형 2~3, 대형 3~4 m/s) - 크기, 중량이 커짐, 왕복 운동으로 인한 진동 발생

- 분류

1) 실린더 배치 : 횡형, 입형, V형, 반성형, 대향형 등 그림 5-1, 5-2 2) 작동방식 : 단동형, 복동형

3) 단수 : 단단, 다단식 - 각 단의 압력비

소형(0.1 ~ 0.5 m³/min) : ~ 12 중형(1.5 ~ 15 m³/min) : 5 ~ 18 대형(20 m³/min 이상) : 2 ~ 5 - 밸브 : 윤형 자동밸브가 많이 쓰임

- 압축기의 냉각

1) 저압용 : 실린더에 핀을 붙인 공냉식 2) 고압용 : 물재킷을 이용한 수냉식

3) 다단식 : 단과 단 사이의 중간 냉각기(권관식:고압, 다관식:대용량) 최종단 이후의 후부냉각기 설치

- 공기저장기(air receiver)

맥동 현상의 완화, 공기의 일시 저장, 기름, 응축수의 분리 2. 사이클

- 압축기의p-v선도

AB: 압축 BC: 송출 CD: 잔류가스 팽창 DA: 흡입 - 실린더 간극체적

실린더와의 충돌을 피하기 위한 약간의 간격, 밸브의 빈틈 (1) 행정체적과 체적효율

a) 행정체적 : b) 체적효율

C, D

2. 왕복압축기

L πD V0 ²

4















  

 



 





 



 



 



 1 1 1 1

1

1 2 0

0 0 0 0

n

p p εV

ε V V

V V + V V

ηv V  ^A ^A 

An

n pV

) V (

p₂  ₀  ₁

(8)

(2) 제동력 a) 등온공기동력

(kgf·m/s) Q₁: 흡입쪽의 유량 (m³/min) b) 단열공기동력

- 1 단 (kgf·m/s)

- 다단 (kgf·m/s)

c) 도시동력 : 피스톤에 의하여 공기에 전해진 동력

(kgf·m/s) p_m: 평균 유효 압력

d) 축동력 : L L_is <L_ad<L_I< L

2. 왕복압축기

1 2 1 1

60 p

logp Q L_is p 











  



 



 

 



60 1 1

1

1 2 1

1 ^k

k

p p Q p k L_ad k











  

 



 

 



60 1 1

1zk k

s D s ad s

p p Q p k L zk

60 60

0N V p area N ABCD

L_I   ^m

(3) 제 효율

a) 송출효율과 이용효율

흡입풍량Q_s, 흡입상태로 환산한 송출풍량Q_d 송출효율 : 이용효율 :

b) 기계효율 : c) 등온도시효율 : d) 전등온효율 : e) 단열도시효율 : f) 전단열효율 :

2. 왕복압축기

s d Qd

η Q

V0

η_uQ^d

L η_m L^I

축동력 도시동력

I

is/I Lis

η  L

도시동력 등온공기동력

L η₍_is₎ L^is

축동력 등온공기동력

I

ad/I Lad

η  L

도시동력 단열공기동력

L η(ad) L^ad

축동력 단열공기동력

(9)

• 원리 : 케이싱 내의 로터의 회전에 의해 로터와 케이싱 사이에 기체를 폐입, 압축

• 종류

2축식 : 루츠압축기(roots compressor), 나사압축기(screw compressor) 편심식 : 가동익 압축기(sliding vane compressor), Rotasco 압축기

• 특징

- 왕복식에 비해 소형, 경량

- 회전수 일정인 경우, 압력비 무관하게 유량 일정 - 유량이 회전수에 비례

- 큰 맥동, 서어징 현상이 없고 균일한 송출 기류

- 회전 일정하에서 유량 변화시킬 때 : 여분의 공기 방출, 흡기를 교축할 필요성 - 급격한 압력 변화에 의한 편하중이 베어링에 작용

- 루츠형 : 소음이 큼

3. 회전압축기

1. Roots 압축기 : 2개의 로터를 90^o위상을 달리해서 역방향으로 회전 (1) 이론 송출 체적

- 로터의 치형

cycloid 형 V₀=0.7854 d ²b b: 로터의 길이

involute 형 V₀=0.8545 d ²b d: 로터의 최대 바깥지름 envelope 형 V₀=0.7967 d ²b V₀: 1회전당 이론 송출체적 (2) 체적효율 : 로터 1회전당 실제 송출량 V 와 이론 송출량 V₀와의 비

슬립 회전수N_se: 송출밸브 전개, 압력비 유지하기 위한 필요 회전수 (3) 이상 루츠의 공기동력 : L_th 면적 1234

가정: 1) 송출체적V₂> 흡입체적V₁ 2) 누설, 마찰저항 없음

기체 단위중량당 일량 :

3. 회전압축기

N N N N V

G V

η_vV    ^se

0

0



 



 





 



 





 1 1

1 2 1 1

2 1 1 1 2

1 p

GRT p p

V p p ) p (p V L_th

) p (p v₁ ₂ ₁



 



 









 1

60 60

60 1

2 1 1 1 2 1 1 2

1 p

p Q ) p p Q (p ) p (p Gv L_th

(10)

(4) 단열 공기 동력 : L_ad그림 5-9 의 면적 12″34

(5) 전단열효율

(6) 이상루츠의 단열효율 (이론 단열 효율)

n을 polytropic 지수라고 하면 단열온도 효율

3. 회전압축기











  

 



 

 



60 1 1

1

1 2 1

1 ^k

k

p p Q p k Lad k

L η₍_ad₎ L^ad

축동력 단열공기동력



 



 



 















  



 





 





1 1 1

1 2 1 2

1

p p p p k

k L L

k k

th th ad /

ad











  

 















  

 



 



1 1

1 2 1

2 ⁿ

k n k

p / p p

p

ad

2. 나사 압축기

- 헬리컬 기어를 케이싱 내에서 맞물린 것, 기체를 회전축의 방향으로 이송 - 이론 송출량 :

D: 로터의 지름, L : 로터의 길이, n: 회전수, C_Q: 계수(0.44~0.60) - 체적효율 : 75~90%

- 사용압력 : 1단(4 kgf/cm²), 2단(10 kgf/cm²), 3단(30 kgf/cm²) - 풍량 : 5~1,000 m³/min

3. 가동익 압축기 - 이론 송출량 :

m: 편심거리, D: 실린더 지름, L : 실린더 길이, t: 깃판 두께, z : 깃판 수 - 체적효율 : 85~90%

-1단식 : 7 kgf/cm², 풍량 : 4 m³/min 2단식 : 8.5 kgf/cm², 풍량 : 1~100 m³/min

3. 회전압축기

60

2Ln D Q_thC^Q



D tz



mLn Qth2  

(11)

제 6 장 진공펌프

• 진공펌프 : 대기압 이하 절대진공까지의 저압력의 기체를 대기압까지 압축하는 기계

• 주요 구조 및 작동원리 = 압축기

• 송출압력 = 대기압

• 진공도 : 대기압 기준 음의 방향으로 측정한 압력

1기압 절대진공

진공도V_c% 0 % 100 %

Hg 0 mmHg 760 mmHg 1 mmHg = 1 torr 절대압력 1.033 kgf/cm² 0

760 mmHg 0

• 풍량의 표시 : 진공조 내의 상태에서의 흡입량 흡입량을 대기 상태로 환산한 풍량

• 진공펌프 종류와 작동압력의 범위 : 그림 6-2

1. 진공펌프의 분류



 

 





 

 

 1 100

1 760 _a ^c

a V

Hg p p p

(12)

1. 진공도가 높을수록 압력비가 상당히 커짐 : 틈새체적이나 누설을 가능한 작게 2. 진공화에 따라, 액체, 증기, 가스의 흡입이 쉬워져 도달진공도가 저하 3. 비체적이 커서 실린더 체적은 축동력에 비해 커짐

4. 송출, 흡입압력의 차가 적음 : 유로저항이 크면 손실동력이 증대 5. 최대 압축일은 중간진공이 되었을 때 흡입하는 경우 발생

- 도달 최고 진공도 : 99%

- 이론일 :

-p₁의 변화에 따른L_th의 최대값

2. 진공펌프와 압축기의 차이점

3. 왕복형 진공펌프











  

 





 



1 1

1

1 2 1 1

n n

p V p n p Lth n

1 1 1

1 1

1pV(n ) npV n

Lthmax n  

 

1. Roots형 진공펌프 : 진공도 1단 (~ 400 mmHg), 2단(~ 650 mmHg) 2. 액봉형 진공펌프 : Nush 진공펌프, 엘모펌프

- 상하로 튀어나온 케이싱의 중심에서 회전차가 회전 3. 유회전 진공펌프 : Cenco 형, Gaede 형, Kinney 형

- 특히 높은 진공도용에 적합

- 보조진공펌프(보통 유회전 진공펌프, 0.1 mmHg 정도) 필요 - 작동액(수은, 기름)을 가열, 노즐에서 고속분출,

기체분자와 혼입되어 유증기는 응축되고 흡입된 기체는 배기구로 배출

4. 회전형 진공펌프

5. 확산펌프

(13)

제 7 장 송풍기와 압축기에 일어나는 제현상

-송출쪽 저항이 증가하면 풍량이 감소하여 우향상승특성풍량까지 오면 불안정운전 : 관로에 격심한 공기의 맥동과 진동

- 서징의 사이클 - 서징 방지 방법

1) 우향상승이 없는 특성으로 하는 방법 : 대단히 곤란 2) 방출밸브에 의한 방법 : 여분의 기체를 외부에 방출 3) 동, 정익의 각도를 조절하는 방법

4) 원심식의 경우 흡입구 베인 콘트롤에 의한 방법 5) 교축밸브를 송풍기에 근접하여 설비하는 방법 6) 회전수를 변화시키는 방법

1. 서징

(14)

- 한 깃에 발생된 실속현상이 인접 깃으로 이동해나가는 현상

• 축류압축기 익렬에서 압력상승 , 어느 Mach 수에서 최대값

• 그 이상 Mach 수 증가하면, 압력, 유량 일정한 상태 : 초킹

• 원인 : 충격파 발생

• 그림 7-7 : 축류 압축기의 서징선과 초킹선

• 원심압축기 초킹 : 유속＝음속 충격파발생

제 4 장 축류압축기