[논문]왕복동식 압축기 저널 베어링부의 마찰손실 측정

박성환; 김영환; 박상신

doi:10.9725/kstle.2010.26.4.224

왕복동식 압축기 저널 베어링부의 마찰손실 측정
Measurements of Friction Losses at Journal Bearings in a Reciprocating Compressor 원문보기

박성환 (영남대학교 대학원 기계공학부) , 김영환 (LG전자) , 박상신 (영남대학교 기계공학부)

A new test rig is presented to measure friction losses at journal bearings in a reciprocating compressor. This rig consists of a test bearing, torque sensor, driving motor and loading parts especially for vertical shaft. Friction losses are obtained by measuring torque between motor and test bearing. The experiments are carried out at several rotational speeds and temperatures. The test results are presented and discussed.

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문제 정의

하지만 왕복동 압축기의 대부분은 축이 수직으로 설치되어 있으며, 축의 회전에 의해 윤활유가 공급되는 방식으로 수직축으로 실험을 할 수 있는 방법이 개발될 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 이 목적의 일환으로 왕복동 압축기의 수직축 지지 베어링을 대상으로 압축기의 환경을 모사하고, 그 환경하에서 마찰손실을 측정하는 실험장치를 개발하였다.

제안 방법

압축가스에 의한 부하는 외부에서 하중을 주는 방식으로 모사하였고, 직렬로 설치된 로드셀에 의해서 그 크기를 측정하였다. 그리고 아래쪽에 테스트 베어링 및 회전축을 설치하고, 축의 끝에는 실제 왕복동 압축기에 서 사용하는 프로펠러가 달린 피스가 설치되어 회전하면서 윤활유를 끌어올리게 하여, 실제 왕복동 압축기의 환경을 그대로 모사하였다. 다만 토크센서와 테스트 베어링 사이에는 회전력 전달을 위한 회전축 하나가 더 설치되었고, 이 회전축을 지지하기 위한 깊은 홈 볼 베어링 2개와 하중을 전달하기 위한 부위에 1 개의 깊은 홈 볼 베어링이 설치되어 있다.
따라서 본 연구에서는 스러스트 베어링의 간극을 10~ 50 µm 사이로 변화시켜가며 마찰 손실을 측정하였다.
2 N·m이며 최대 회전 속도가 20,000 rpm이다. 또한, 1회전당 사각펄스 60개가 출력되므로 이 펄스를 세어 분당 회전수를 측정하였다.
축은 상부에 있는 BLDC모터에 의해서 회전하게 되고, 그 아래에 토크센서가 설치되어 입력 모터와 저널베어링 사이의 토크를 측정하였다. 압축가스에 의한 부하는 외부에서 하중을 주는 방식으로 모사하였고, 직렬로 설치된 로드셀에 의해서 그 크기를 측정하였다. 그리고 아래쪽에 테스트 베어링 및 회전축을 설치하고, 축의 끝에는 실제 왕복동 압축기에 서 사용하는 프로펠러가 달린 피스가 설치되어 회전하면서 윤활유를 끌어올리게 하여, 실제 왕복동 압축기의 환경을 그대로 모사하였다.
왕복동 압축기의 회전축과 저널베어링 사이의 순수 마찰 손실만을 측정할 수 있는 시험기를 고안하여 설계 제작하였으며, 온도와 회전수 및 부가하중을 바꾸어 가며 저어널 베어링만의 마찰 손실을 성공적으로 측정하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
이를 바탕으로 스러스트의 간극이 10, 20 µm보다는 30, 40, 50 µm 일 때 저어널 베어링에 의한 마찰 손실이 없다고 생각되어서 스러스트 간극을 50 µm로 맞추고, 하중을 부과하는 실험을 수행하였다.
2에는 본 연구에서 설계한 시험장치의 개략도를 나타내었다. 축은 상부에 있는 BLDC모터에 의해서 회전하게 되고, 그 아래에 토크센서가 설치되어 입력 모터와 저널베어링 사이의 토크를 측정하였다. 압축가스에 의한 부하는 외부에서 하중을 주는 방식으로 모사하였고, 직렬로 설치된 로드셀에 의해서 그 크기를 측정하였다.
4에는 테스트 베어링이 없는 상태에서 시험장비의 오일 온도를 40도에서 80도까지 변경시켜가며, 회전수 500 rpm에서 3600 rpm의 범위에서 100 rpm 간격으로, 토크센서에서 나오는 신호의 평균전압을 나타내었다. 평균전압은 나오는 신호를 FFT 처리하여 첫 항의 값을 취하였다. 이 결과 회전수에 따라 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있었으며, 실장 실험에서 보정용으로 사용하였다.
히터기는 디지털 방식의 제어기를 사용하였으며, 제어량이 설정치의 상하로 진동하여 멈추지 않는 현상, 즉, 헌팅이라 하고, 초기 압력에 대하여 제어량이 설정치를 초과한 후 최초로 취하는 과도 편차의 극치를 오버슈트를 사용하여 설정치에 근접하게 하도록 한 방식을 사용하였고, 제어는 1도 단위로 하였다.

대상 데이터

로드셀은 BONSHIN 사의 DBBP-20을 사용하였으며, 최대용량은 20 kgf이고, 앰프에서의 출력은 0.6 V/kgf로 설정하였다.
실험에서 사용된 BLDC모터는 최대출력 1,000 W, 정격토크 1.91 N·m이며 순간적으로 허용하는 토크는 3.82 N·m이다.
토크센서는 비접촉식으로 0.1%의 정확도를 갖는 KISTLER 사의 4503A를 사용하였으며, 최대 측정 범위가 0.2 N·m이며 최대 회전 속도가 20,000 rpm이다.

성능/효과

(1) 일정한 온도에서 회전수가 증가할수록 마찰손실량이 증가하는 것을 알 수 있다.
(2) 온도의 변화에 따라서 일정한 회전수에서 마찰손실량이 감소하는 것을 알 수 있다.
하중이 증가함에 따라 또한 회전 속도가 증가함에 따라 마찰 손실이 증가하는 것을 옆의 그래프에서 알 수 있으며, 온도가 올라감에 따라, 마찰 손실이 줄어들고 있음도 알 수 있다. 본 연구에서 제시한 방법대로 측정하면 순수한 저어널 베어링만의 마찰 손실을 정확히 측정할 수 있다.
이 결과에서 보듯이 스러스트 간극이 10 µm일 때보다 간극이 커질수록 마찰 손실이 조금씩 줄어드는 것을 알 수 있으며, 스러스트의 간극이 30 µm을 넘어가게 되면 스러스트의 간극에 의해서 발생하는 마찰 손실보다는 축의 정렬상태에 따라 마찰 손실에 영향을 미친다는 것을 알 수있다.

후속연구

(3) 실험적인 정확한 측정을 바탕으로 이론식의 검증 과정을 거친다면, 마찰손실의 정확한 예측이 가능할 것으로 판단된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

왕복동 압축기의 밀폐용기는 어떻게 구성되는가?

최근에 에어컨, 냉장고 등의 냉동용으로 사용되고 있는 왕복동 압축기는 구조가 소형화 되고 있는 반면에 저소음화, 고성능화 및 고신뢰성을 요구 받고 있다. 왕복동 압축기는 냉매의 밀봉을 고려하여 밀폐용기형식으로 제작되는데, 이 내부에는 4개의 코일스프링, 토출파이프(loop-pipe), 피스톤, 실린더, 커넥팅로드(connecting load), 핀, 모터, 저어널 베어링, 스러스트 베어링 등으로 구성되며, Fig. 1에는 이의 구조를 간략하게 나타내었다.

왕복동 압축기의 대부분은 어떠한 형태로 설치되어 있는가?

하지만 두 경우 모두 축을 수평으로 설치하고 실험을 수행하였다. 하지만 왕복동 압축기의 대부분은 축이 수직으로 설치되어 있으며, 축의 회전에 의해 윤활유가 공급되는 방식으로 수직축으로 실험을 할 수 있는 방법이 개발될 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 이 목적의 일환으로 왕복동 압축기의 수직축 지지 베어링을 대상으로 압축기의 환경을 모사하고, 그 환경하에서 마찰손실을 측정하는 실험장치를 개발하였다.

입력 전력대비 출력 효율을 측정하는 방법의 한계점은 무엇인가?

그러나 지금까지 마찰손실을 측정하는 방법으로는 입력 전력대비 출력 효율을 측정하는 방법으로만 수행하여 왔다. 이러한 방법은 마찰부위 전체의 손실을 측정하는 방법으로 전체 성능을 측정할 수는 있지만, 각 부품마다의 마찰 손실을 측정할 수 있는 방법은 아니다. 하지만 압축기의 부품들을 설계하기 위해서는 마찰이 일어나는 각 부분마다의 마찰 손실을 정확히 측정하여야만 설계에 따른 마찰을 예측할 수 있고, 손실을 줄이는 부품 설계가 가능하다.

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