Tech Story ▶ ▶ ▶ ※자료 : 한국과학기술정보연구원

압축기는 탄광, 조선, 터널, 토목건축 및 일반기계제작소 등에서의 착암기, 리베터, 공기해머 및 공기드릴 등으로 산업현장에서 많이 사용되어지는 필수장비다. 최근에는 압축기의 고성능화, 대용량화에 따라 압축기에서 발생하는 소음과 진동 역시 커졌는데, 이러한 고소음과 진동은 작업여건을 저해하는 요소로 작업환경측면에서는 필수적으로 해결해야 할 중요과제라 하겠다. <편집자 주>

압축기 일반 개요

공기 압축기는 전기모터나 터빈 등의 동력 발생장치로부터 동력을 전달받아 공기나 냉매 또는 그 밖의 특수 가스에 압축 일을 가함으로써 작동가스를 압축시켜 압력을 높여주는 기계로 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다.

일반적으로 압축기는 외부의 동력을 이용하여 로터(rotor)의 회전 작용으로 인해 가스 상태인 작동유체의 전압(total pressure)을 증가시켜 압축작업을 수행하는 유체기계로 정의한다. 입구와 출구를 통하여 작동유체의 밀도상승분이 대략 7% 이상인 경우를 압축기라고 말하고, 그 미만인 경우에는 팬(fan)이나 송풍기(blower)로 분류한다.

압축기는 특성상 크게 다음의 <표 1>에서와 같이 분류되는데, 압축을 이루는 방식에 따라 용적형 압축기(positive displacement compressor)와 터보형 압축기(dynamic compressor 또는 turbo compressor)로 분류할 수 있다. 용적형 압축기는 체적의 감소를 통해 압력을 증가시키는 압축 방식을 지니며, 터보형 압축기는 기체의 운동에너지를 압력에너지로 변환시켜 압축을 행한다.

<표 1> 압축기의 분류

용적형 압축기

용적형 압축기는 외부에서 기체를 흡입하여 이것을 밀폐된 공간 속에 압축하고, 고압의 가스를 필요장소로 송출하는 기계의 총칭이다. 이것에는 크게 왕복형과 회전형으로 분류할 수 있다.

왕복압축기는 흡입밸브와 송출밸브를 장치한 실린더 속에서 피스톤을 왕복운동시킴으로써 기체를 흡입하고, 이것을 압축하여 송출하는 기계이다.

쉽게 고압을 얻을 수 있으나 밸브의 개폐에 시간이 걸리기 때문에 피스톤의 이동속도를 낮게 하지 않으면 안 되고(소형은 2~3m/s 정도), 기계의 치수 및 중량이 크게 된다. 또, 피스톤의 왕복운동에 의하여 진동 및 소음이 쉽게 발생한다.

압축기에 있어서 구성요소인 밸브의 구조 및 그 작동의 좋고 나쁨은 압축기의 효율에 크게 영향을 미치는데, 밸브의 치수는 실린더의 크기에 따라 제한을 받지만, 될 수 있는 대로 통로의 면적을 크게 잡아 기체가 통과할 때의 저항을 감소시킨다. 또 작동이 경쾌하고 고속회전에 알맞은 구조로 하며, 수명을 길게 하기 위하여 내구성이 있는 재료를 사용할 필요가 있다. 왕복압축기에 있어서는 륜형(輪形)의 자동밸브가 널리 쓰이고 있다.

압축에 의하여 기체의 온도가 상승하면 구동동력의 증대, 윤활의 불량, 나아가서는 기계의 파손을 초래하므로 가능한 한 저온을 유지하도록 해야 한다. 그러므로 저압용 압축기에 있어서는 실린더에 핀을 붙여 공기로 냉각하는 공냉식이 채용되고, 고압용 압축기에 있어서는 실린더의 주위에 물재킷을 장치하여 물로 냉각하는 수냉식이 채용된다. 또, 다판식의 경우에는 전판에서 압축되어 고온으로 된 기체를 다음 단으로 유도할 때까지 냉각하는 중간냉각기와 최종 단을 나온 기체를 냉각하는 후부냉각기가 설치된다.

왕복압축기에는 송출공기에 맥동이 있기 때문에 이것을 완화하는 목적과 송출된 공기를 일시적으로 저장하여 다소의 수요의 변동에 따르고, 또 기름과 응축수의 분리를 동시에 할 목적으로 공기저장기(air receiver)를 부설한다. 맥동을 실용상 지장이 없을 정도로 하기 위해서는 공기저장기의 체적Vr[㎥]는 최종 단의 피스톤의 한쪽 행정체적 Vc[㎥], 최종단의 압력비를 γd라 하면 Vr=200Vc/γd로 표시된다.

현재 국내에서 흔히 말하는 터보압축기(turbo compressor)는 회전하는 원심형 임펠러(centrifugal impeller)에 의해 작동가스가 압축되는 원심압축기를 의미하며, 이는 엄밀한 의미에서 볼 때, 일본과 국내에서만 주로 쓰이는 용어라고 본다.

· 왕복동식 압축기(Reciprocating compressors)

왕복동 압축기는 산업현장에서 오랫동안 사용되어 온 압축기로서, 여러 방면에 가장 넓게 사용되고 있다. 일반적인 왕복동식 압축기는 <그림 1>과 같은 구조로 되어 있다.

밀폐용기 내에 흡입된 가스(10, 9A)는 윗부분에 위치한 모터의 고정자(스테이터, 4)와 회전자(로터, 5) 사이를 통과하면서 모터의 과열을 냉각시키고 밑 부분에 위치한 압축기 상부의 밸브 시스템(98)을 통과하여 실린더 내부로 흡입된다.

흡입된 가스는 모터와 동일 축으로 이루어 졌으나 모터 축과는 편심된 압축기 축(크랭크 축, 16)에 커넥팅 로드(18)로 연결된 피스톤(17)의 왕복운동에 의해 압축된 후 다시 밸브 시스템(98)을 거쳐 토출된다. 한편 모터 축 베어링, 실린더 벽, 커넥팅 로드 등의 윤활을 위하여 밑 부분에 윤활유가 있으며, 이는 윤활펌프를 통하여 상부로 공급되도록 되어 있다.

<그림1> 왕복동식 압축기의 실제 예

왕복동 압축기의 특징은 다음과 같다.

- 쉽게 높은 압력을 얻을 수 있다.
- 압축효율이 좋다.
- 압력-유량 특성이 비교적 안정되어 있다.
- 가격이 저렴한 편이다.

반면, 왕복동 압축기는 피스톤의 왕복운동에 의해 압축을 하므로 단점도 가지고 있다.

- 왕복부분의 관성 때문에 회전속도에 한계가 있다.
- 관성력 때문에 진동이 발생한다.
- 압축공기에 맥동이 있다.
- 무급유식 이외는 실린더 내에 윤활유가 필요하게 되고, 압축공기 중에 유분이 포함된다.

과거 공기 압축기의 대명사로 불리던 왕복동 압축기는 많은 풍량을 요구하는 경우에는 스크류 및 터보압축기로 변화하고 중형 압축기 분야에서는 패키지화된 스크류 압축기로 대체되는 경향이 있다.

소형분야에서도 점차 스크류 압축기로 전환되고 있지만, 여전히 높은 비중을 차지하고 있으며, 중-고압의 압축기 분야에서 왕복동 압축기는 매우 중요한 위치를 차지하고 있다.

일반적으로 사용되는 왕복동 압축기에 사용되는 구성요소들은 다음과 같다.

① 윤활장치(Lubrication System)

크랭크케이스(Crank case) 내의 윤활의 경우, 압축기의 윤활시스템은 다른 제어 시스템(control system)과 같이 정확히 취급되어야 하며, 양질의 윤활유를 공급하여 압축기가 충분한 성능을 발휘할 수 있도록 해야 한다. 압축기의 윤활장치는 일반적으로 전동기 축동력 50마력[Hp] 이하에서는 자연급유방식(Splash type)을 채택하고 있으며, 그 이상에서는 강제급유방식(Force Feed Lubrication System)을 채택하고 있다.

그리고 크랭크 케이스(crank case)내의 윤활 시스템과 실린더의 윤활 시스템은 그 기능 및 용도가 엄격히 다르다.

또한 크랭크케이스 윤활(강제 급유방식)에 대해서는 크랭크케이스내의 윤활은 오일펌프에 의해서 강제 급유된다. 오일펌프는 크랭크샤프트 끝에 직접 연결되거나 별도의 모터에 의해서 구동하게 된다.

오일펌프는 크랭크샤프트에 의해 여과되며, 오일펌프에 의해 가입된다. 가입된 오일은 오일 쿨러에 의해서 냉각된 후 급유를 필요로 하는 곳에 급유하게 된다. 급유된 오일은 다시 크랭크케이스 하부에 모이게 된다. 장치내의 유압을 조정하는 유압 조정 밸브(Relife valve)과 압력계, 유압 스위치 등의 장치가 기본적으로 부착된다.

② 냉각장치(Cooling System)

압축기의 냉각 장치는 공기를 압축하면 분자들의 운동이 활발해져 압축열을 발생시키므로 압축열을 냉각시키기 위한 장치이다. 소형 압축기의 경우는 냉각팬을 이용하며, 압축기 용량이 커지면 발생 열량이 증가하게 되어 이를 냉각시키기 위해서는 냉각수를 이용한다. 냉각수의 공급원으로부터 냉각수를 공급받아 압축기의 실린더 중간 냉각기 및 후 냉각기, 오일 냉각기 등을 거쳐 냉각을 시킨 후 저장 탱크로 회수된다.

③ 용량조절장치(Unloader System)

압축기의 토출량과 소비량의 균형을 유지하여 토출압력이 일정하도록 유지시켜 주는 장치이다. 특별한 경우를 제외하고 흡입밸브 개방형(Suction Unloader System)을 채택하고 있다.

④ 흡입필터(Suction Filter)

압축기가 대기로부터 공기를 흡입할 때 흡입 공기 중에 있는 먼지, 쇳조각, 이물질 등을 분리시켜서 이물질의 흡입에 의한 밸브, 압축실, 압축링 등 부품의 손상을 방지한다. 흡입필터는 설치장소에 따라 사용수명이 차이가 나므로 온도가 낮고, 깨끗한 공기를 흡입 할 수 있는 장소에 설치하는 것이 좋다.

⑤ 실린더(Cylinder)

실린더는 실린더와 실린더 헤드 그리고 필요에 따라 실린더 라이너로 구성, 제작되며, 일반적으로 주철로 제작되며, 실린더 내부는 경질 ‘크롬(Cr)’도 금을 시행 후 호닝가공을 아주 세심하게 하여 피스톤 링과 라이더 링의 수명을 길게 하였다. 실린더와 실린더 헤드에는 넓은 워터 재킷이 있어 냉각수에 의해 충분한 냉각작용을 한다.

⑥ 피스톤과 피스톤 링(Piston & Piston Ring)

피스톤과 피스톤 링은 압축실 내에 위치하고 있어서 직접 기체의 압축을 행하는 아주 중요한 부위이다. 피스톤은 일반적으로 알루미늄으로 만들어졌고 피스톤링은 급유식인 경우 주철량, 무급유식인 경우, 그라파이트(Graphite) 테프론(Teflon) 등이 일반적으로 조립되어 있다.

실린더 내면과 피스톤의 간격은 피스톤과 피스톤 링의 재질에 따라 엄격히 설계, 제작되며 충분한 기밀을 유지한다.

⑦ 피스톤 로드와 그랜드 패킹(Piston Rod & Gland Packing)

피스톤 로드는 고강도의 재질을 사용하여 피스톤을 연직운동 하도록 하는 역할을 한다. 고강도의 특수재질을 사용하며 표면은 ‘Cr’ 도금을 한 후 경질연마를 하여 습동 부분의 긴 수명을 유지한다. 그랜드 패킹은 피스톤 로드의 기밀을 유지하며 실린더로부터 압축공기의 유출을 방지한다.

⑧ 인터쿨러(Inter Cooler)

인터쿨러는 저압실린더 토출측과 고압실린더 흡입측에 연결되어 압축시 발생되는 열을 적당한 온도로 냉각시켜 주는 역할을 하며, 수냉식 열교환기이다. 인터쿨러는 쉘-튜브형(shell & tube type)으로 제작되며 많은 양의 응축수가 발생되어, 고압 실런더로 유입되지 않도록 한다.

⑨ 애프터 쿨러와 세퍼레이터(After Cooler & Separator)

애프터 쿨러는 압축기 토출측과 공기저장탱크 사이에 부착, 설치되어서 압축시 발생되는 압축열을 사용처에서 사용하는데 지장이 없도록 냉각시켜주는 역할을 하며, 수냉식 열교환기이다. 애프터 쿨러는 쉘-튜브 형으로 제작된다.
세퍼레이터는 애프터 쿨러에서 냉각된 압축공기는 많은 양의 응축수를 배출하게 되는데, 이 응축수를 압축공기와 분리시키는 역할을 한다(기수분리기). 세퍼레이터는 애프터 쿨러 후부에 설치된다.

⑩ 안전밸브(Pressure Safety Value)

안전밸브는 압축기의 용량에 맞도록 선정되어져야 하며, 취급이 간단하고 운전 중의 온도변화, 진동 등에 의한 기체의 누설이 없어야 한다. 보통 밀폐식과 레버식의 2종류가 있으며, 이는 사용기체에 따라 사용이 구분되며, 공기 압축기에는 보통 레버식을 사용한다.

⑪ 공기저장탱크(Receiver Tank)

공기저장탱크는 압축기로부터 토출되는 압축 기체의 맥동을 제거하며, 소요량의 증가나 감소 등의 불규칙적인 변화에 적응할 수 있도록 설계한다.

또 압축기체가 탱크 내에서 자연 냉각되어 응축수를 분리시켜 배출시킬 수 있어야 하며, 압축기의 용량에 맞는 안전변을 설치하여 이상 압력 상승에서도 탱크의 파손이나 고장을 막아주며, 압력계를 부착하여 항상 압력을 직접 확인할 수 있어야 한다.

· 회전 스크류 압축기(Rotary screw compressors)

스크류 압축기 로터리 용적식 압축기의 가장 일반적인 형태는 스크류 압축기이다. 스크류 압축기는 케이싱 내에 맞물려 회전하는 로터(rotor)라고 불리는 수 로터(male rotor)와 암 로터(female rotor)를 갖고 있다. 암수 로터가 회전하면서 공기를 흡입, 압축하여 토출구를 통하여 압축공기가 배출된다.

스크류 압축기는 압축공기 중에 유분을 포함하지 않는 무급유식과 윤활유를 주입하여 밀봉, 윤활, 압축열을 제거하는 급유식으로 나눠질 수 있다.

① 급유식 스크류 압축기

급유식 스크류 압축기는 적당량의 윤활유를 분사하여 압축과정에서 발생하는 열을 제거하고, 압축공간의 밀폐, 윤활을 동시에 하는 것으로서 다음과 같은 장점이 있다.

- 적당량의 윤활유를 직접 냉각함으로써 토출 온도가 낮게 되고 압축과정이 등온 압축에 가까우므로 높은 효율을 얻을 수 있다.
- 윤활유에 의한 직접냉각을 하므로 단당 압력비를 높일 수 있다.
- 주입되는 윤활유에 의해 로터와 로터 사이, 로터와 케이싱 사이의 밀폐가 유지되며, 냉각에 의해 내부의 열팽창이 적어 틈새를 적게 할 수 있으므로 저속으로 높은 효율을 얻을 수 있다.
- 저속으로 높은 효율을 얻을 수 있으므로 진동이 적고 저소음화가 가능하다.
- 내부 윤활식이기 때문에 숫로터가 암로터를 직접 구동할 수가 있다.
- 적절한 용량조절방식을 채택하여 효율적으로 운전할 수 있다.
- 토출 가스에 맥동이 없다.

② 무급유식 스크류 압축기

무급유식 스크류 압축기는 압축공기 중에 유분이 포함되지 않는 압축기로서 다음과 같은 특징이 있다.

- 로터와 케이싱 사이, 로터와 로터가 접촉하지 않고 내부 윤활을 필요로 하지 않으므로 압축가스 중에 유분이 포함되지 않는 깨끗한 공기를 얻을 수 있다.
- 토출 가스에 맥동이 없다.
- 유지 보수가 간단하다.
- 진동이 적다.
- 단점으로 최고 토출압력에 제한이 있다.

· 원심 압축기(Centrifugal compressors)

원심 압축기는 회전축의 기계적 에너지를 운동에너지로 변환시킨다. 원심식 압축기의 특징으로는 회전식으로서 다음과 같은 장점이 있다.

- 토출가스가 맥동이 없고 안정적이다.
- 윤활유가 혼입되지 않아 깨끗한 가스를 얻을 수 있다.
- 고속 회전형으로 같은 마력의 다른 압축기보다 소형 경량이다.

또, 원심식 압축기의 단점은 다음과 같다.
- 압력 상승이 가스의 비중 및 회전부분의 속도에 관련되므로 1단당 압력상승은 용적형과 비교하면 훨씬 낮고, 유량이 적은 경우에는 효율이 저하된다.
- 압축 특성이 설계, 기계 가공의 정밀도, 사용조건에 민감하다.
- 압력-풍량 특성에 불안정 영역이 있어서 운전시의 풍량이 계획시의 풍량의 70~80% 이하로 되면 서징(surging)이 발생한다.

현재 국내에서 흔히 말하는 터보압축기는 회전하는 원심형 임펠러(centrifugal impeller)에 의해 작동가스가 압축되는 원심압축기를 의미하며, 이는 엄밀한 의미에서 볼 때, 일본과 국내에서만 주로 쓰이는 용어라고 본다.

원심압축기는 일반 산업현장에서부터 화학 프로세스 플랜트에 이르기까지 공기를 포함한 다양한 종류의 가스를 압축하기 위해 사용되는 가장 기본적이고 중요한 요소기계라고 할 수 있다.

설계 변수에 따른 압축기 특성

선행된 연구를 통하여 얻어진 압축기의 설계변수들에 의한 소음·진동특성에 관한 내용을 정리하면 다음과 같다.

· 흡입파이프의 압력

흡입밸브는 설정된 탄성에 의해 밸브의 개폐가 이루어진다. 흡입파이프에서 압력이 증가하면 단위면적당의 힘이 증가하게 되어 흡입밸브의 최대변위(maximum displacement)와 열림 횟수(fluttering)가 증가된다.

변위 및 개폐회수의 증가는 흡입방에서 압력맥동을 증가시키는 원인이 된다. 이로 인한 진동과 소음이 증가할 것이다.

<그림2> 흡입 밸브 거동

· 토출파이프의 압력

토출파이프에서 압력이 증가할수록 흡입밸브의 지연시간(time delay)이 증가하며, 흡입방에서 압력맥동의 크기가 증가할 것이다. 그리고 토출밸브의 시간지연도 증가하며, 열림 횟수는 감소할 것이다.

<그림3> 토출 밸브 거동

· 상사체적의 크기

상사체적의 크기가 증가하면 흡입밸브의 시간지연이 증가할 것이며, 흡입방에서 압력맥동의 크기가 증가한다.

· 흡입방의 크기

흡입방의 크기가 증가하면 흡입방에서 압력맥동의 크기가 감소하고 압력맥동의 횟수가 감소하여 흡입파이프에서 진동과 소음이 감소할 것이다.

· 토출방의 크기

토출방의 크기가 증가하면 토출방에서 압력맥동의 크기가 감소하고 압력맥동의 횟수도 감소하여 토출파이프에서 소음이 감소할 것이다.

· 토출밸브의 예하중의 크기

예하중의 크기가 증가하면 흡입방에서 압력맥동의 크기가 감소할 것으로 예상된다. 그리고 토출밸브의 변위가 감소하게 되어 토출방에서 압력맥동의 크기가 감소할 것이다.

· 흡입밸브의 강성

흡입밸브의 강성이 증가하면 흡입밸브의 최대변위는 감소하고 열림횟수가 증가하여 흡입방에서 압력맥동의 크기가 감소하고 흡입소음이 감소한다.

· 밸브판에서 멈추개까지의 거리(ys)

밸브판에서 멈추개까지의 거리가 증가하면 토출밸브의 변위가 증가하게 되어 토출방에서 압력맥동이 약간 증가하는 것을 알 수 있다. 그리고 ys의 크기가 일정수준 이상이 되면 멈추개가 작동하지 않게 되어 밸브거동과 압력백동에 미치는 영향이 없는 것을 알 수 있다.

· 흡입밸브의 감쇄

흡입밸브의 감쇄가 밸브거동과 압력맥동에 미치는 영향은 적다.

· 흡입방에 연결된 파이프의 유효길이

파이프의 길이가 증가하면 흡입방에서 압력맥동의 크기는 증가하고, 압력맥동의 횟수는 증가하다가 서서히 감소하는 것을 알 수 있다.

· 모터의 회전속도

모터의 회전수가 증가할수록 흡입밸브와 토출밸브의 최대변위는 증가하나 열림 횟수는 감소하고, 흡입방과 토출방에서 압력맥동의 크기가 증가하나 맥동의 횟수는 감소한다. 즉, 흡입관과 토출관에서 소음은 증가하나 단위시간에 많은 양의 유체를 수송하게 되어 압축기의 효율은 증가한다.

압축기 방음 방진 대책

압축기와 같은 고소음 발생 기계류에 대한 소음·진동에 대한 대책수립을 위해서는 수동적인 방음·방진 대책보다는 근본적으로 소음, 진동원을 발생시키는 기계의 구조적인 측면을 포함한 전체적인 검토가 모색되어야 한다. 다음 <표 2>에 나타낸 사항은 압축기에서 검토될 수 있는 소음 감소 방안들이다.

<표2> 압축기의 방음 방진 대응 기술

기술 개발 동향 및 전망

· 왕복동식 압축기

왕복동식 압축기는 크랭크기구에 의해서 실린더 내에서 왕복 운동하는 피스톤으로 인하여 가스를 압축하는 형식의 것을 말한다. 압축기의 소음저감에서는 압축기 내부 공간에서 가스가 압축되면서 발생하는 압력맥동이나, 공간에 따른 공명주파수에 의해서 발생하는 소음, 부품간의 충돌이나 습동에 기인한 소음, 압축기의 밀폐용기의 강성이나 구조적인 강성의 최적화, 공간공명음과 토출밸브에서 토출되는 가스 사이에서 발생하는 소음의 발생이 연구된 바 있다.

또한 압축기의 소음을 저감하는 방법 중에는 공진기(Resonator)와 머플러를 사용하는 경우가 많은 데, 공진기에 대해서는 토출 포트의 근처에 작은 공진기를 설치해서 대폭 소음을 저감시킨 결과도 나오고 있다.

· 터보 압축기

터보 압축기는 고속회전이 가능하기 때문에, 개방형 임펠러의 설계에 따른 익말단 간극의 조절 및 케이싱 표면의 처리, 그리고 윤활오일이 누설되는 것을 방지하기 위하여(oil-free) 임펠러의 출구 하단에서 압축공기의 일부를 빼내어(bleed) 기밀(air seal)쪽으로 보내는 2차 유로(secondary flow net) 설계기술이 매우 중요하다.

특히, 프로세스 압축기의 경우에는 가스의 누설을 방지하는 밀봉(sealing)이 매우 중요하기 때문에 일반 공기 압축기에서 사용하는 시일(seal)보다도 더욱 정밀하고 우수한 시일(예를 들면, dry gas seal)을 설계해야 한다.

고속회전으로 인하여 증속기어의 정밀도도 더욱 요구되어 보통 AGMA-12 이상의 수준을 필요로 하고, 베어링 또한 최소한 tilting-pad type이어야 하며 때로는 hydro-static film damping type도 쓰인다.

Single-shaft type의 프로세스 압축기의 경우에는 회전축의 진동특성이 상대적으로 좋지 않아 이에 대한 고려가 충분히 있어야 한다. 공력설계 기술과 관련해서는 Atlas Copco사의 제품에서만 볼 수 있는 가변형 디퓨저 베인이 주목을 끈다.

기존의 IGV와 함께 디퓨저 베인의 설치각도를 제어함으로써 부분부하 특성을 향상시켜 운전범위를 더욱 확장할 수 있다고 알려져 있다.