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가설 설정
- 새로운 5×6조 에어엔드 성능시험으로 8 bar 를 기준압력으로 하여 7∼10 bar 까지 시험을 수행하였다. 또한, 성능시험 조건은 Table 3에 나타내었는데, 흡입과정 중에 발생하는 저항계수의 값은 흡입구 크기가 적합한 크기로 설계되었다고 가정하여 1로 설정하고 시험을 수행하였다.
- 25이다. 이때 생기는 로터 외경 차이와 중심거리의 차이는 로터 형상 설계 시 생기는 차이로 가정하였다.
제안 방법
- (18) 따라서 본 연구에서는 5×6조 로터 형상을 선택하였고, 이를 기반으로 하는 새로운 로터 형상과 에어엔드를 설계, 제작하였다.
- Type-1과 Type-2는 형상비가 같고 권선각이 다른 경우인데, 동일한 회전속도와 압력비 조건에서 에어엔드 직경 변화에 따른 성능실험을 수행하였다. Type-2와 Type-3의 경우 형상비는 1.
- 공기량, 축동력, 소음, 오일온도 및 회전수를 측정하였으며, 축동력은 규정압력에서 원동기의 정격출력 범위 내에서 측정하였고, 오일온도 시험은 7∼9 bar의 토출압력으로 토출구와 에어엔드 내부에 설치한 온도센서에서 30분간 연속운전 후 측정하였다.
- 본 연구에서는 5×6조 로터 프로파일을 선택하여 에어엔드의 권선각과 형상비(L/D)를 변경하였고, 이에 수반한 에어 엔드의 토출부 형상을 설계하였다. 누설삼각형에 인한 누설을 최소화하였으며, 에어엔드와 케이싱 사이 압축영역의 증감에 따른 토출공기량 (free air delivery, FAD), 체적효율(volumetric efficiency)과 동력소비량 (specific power consumption, SPC)을 측정, 비교하였다.
- 본 연구에서는 5×6조 로터 프로파일을 선택하여 에어엔드의 권선각과 형상비(L/D)를 변경하였고, 이에 수반한 에어 엔드의 토출부 형상을 설계하였다.
- 새로운 5×6조 에어엔드 성능시험으로 8 bar 를 기준압력으로 하여 7∼10 bar 까지 시험을 수행하였다.
- 96 m3/min 이상, 축동력은 40 kW 이상이며, 동력소비량(SPC)은 7 kW/ (m3/min) 이하로 설정하였다. 성능시험은 회전수 1780 rpm에서 압력비를 7.01, 7.51 bar 와 2980 rpm 에서 압력비는 각각 7.01, 8.01, 9.03 bar 로 수행하였으며, 시험시간은 각 4시간이었다. 케이스별로 5회를 실시하였고, 시험 결과의 평균값을 계산하여 적용하였다.
- 성능시험을 수행하기 위해 5×6조 로터 형상을 갖는 세 가지 타입의 에어엔드 유니트를 제작하였으며, 스크류 압축기 성능에 가장 많은 영향을 미치는 권선각과 형상비를 다르게 설계하여 성능시험을 수행하였다.
- 시험기는 자체 제작한 성능시험기를 사용하였으며, KS B6351(용적형 압축기-시험 및 검사 방법)(21)과 KS B 6880(급유식 스크류 공기압축기)(22)을 기준으로 압축기를 운전하여 각부의 열평형이 이루어진 후 배관 및 각 부품에서 누설이 없는 상태에서 성능시험을 수행하였다. 공기량, 축동력, 소음, 오일온도 및 회전수를 측정하였으며, 축동력은 규정압력에서 원동기의 정격출력 범위 내에서 측정하였고, 오일온도 시험은 7∼9 bar의 토출압력으로 토출구와 에어엔드 내부에 설치한 온도센서에서 30분간 연속운전 후 측정하였다.
- 암/수 로터 형상 각 성분의 수치를 구한 후 컴퓨터를 이용한 설계 작업을 진행하였으며, 형상 설계는 Auto CAD를 사용하였고, 에어엔드 설계는 CATIA(19)를 이용하여 3-D 모델링 작업을 수행하였다. 설계한 형상과 에어엔드 모델은 Fig.
- 암로터 내경 (female root diameter, Dfi) Rfo를 Rmo으로 변경하여 계산하였다. 로터 길이 (rotor length, L)는
- 토출구 형상은 복잡한 곡선으로 이루어져 있으며, 로터 형상과 권선각의 변화에 따라 설계되어야 한다. 에어엔드의 권선각과 형상비 차이에 따라 에어엔드 유니트는 세 가지 타입으로 설계하였으며, Fig. 3에 Type-2의 에어엔드 유니트와 토출구 형상을 도시하였다.
- Figure 4에 스크류 공기압축기의 작동 계통도를 도시하였다. 컴퓨터 제어를 통한 입력값과 출력값을 성능시험과 동시에 확인하였으며, 모터와 에어엔드를 직접 연결한 방법으로 회전수를 제어하였다. 이러한 1대 1 구동 방식을 통하여 기어구동 방식에서 발생하는 오차를 줄일 수 있었다.
- 이러한 1대 1 구동 방식을 통하여 기어구동 방식에서 발생하는 오차를 줄일 수 있었다. 회전수는 정격회전수를 사용하였으며, 모터출력은 정격출력을 적용하였다. 성능실험기와 에어엔드의 결합부를 설치하는 방법과 시험기 모델을 Fig.
대상 데이터
- 에어엔드 유니트 케이스는 회주철(GC 250), 에어앤드는 탄소강(SM 45C)을 사용하였으며, 내구성 향상을 위하여 큰 하중에도 견딜 수 있는 베어링(contact ball bearing)을 채택하였다.
데이터처리
- 03 bar 로 수행하였으며, 시험시간은 각 4시간이었다. 케이스별로 5회를 실시하였고, 시험 결과의 평균값을 계산하여 적용하였다.
이론/모형
- 성능시험은 KS B 6351(용적형 압축기-시험 및 검사 방법)(21) 기준을 따랐는데, 정량적 목표는 토출 공기량 6.96 m3/min 이상, 축동력은 40 kW 이상이며, 동력소비량(SPC)은 7 kW/ (m3/min) 이하로 설정하였다. 성능시험은 회전수 1780 rpm에서 압력비를 7.
성능/효과
- (3) 에어엔드를 구성하는 로터의 형상은 스크류 공기압축기 성능에 지대한 영향을 미치는 요소로 대칭형(symmetric profile)과 비대칭형(asymmetric profile)이 있으며, 현재 대부분의 스크류형 공기압축기에 사용되는 로터 형상은 비대칭형이다.(4,5) 비대칭 형상은 스크류 공기압축기의 주요 누설경로인 누설삼각형(blow-hole)의 면적을 감소시키기 위하여 로브(lobe)가 암/수 로터의 케이싱(casing)과 만나는 로브 끝 부분(trailing lobe) 방향으로 경사를 가진 형상이다(Fig.
- 성능시험 결과, Type-3는 로터 직경이 작기 때문에 토출 공기량 및 체적효율(volumetric efficiency)이 Type-2와 비교하였을 때 낮게 나타났다. 또한, 동력소비량은 낮은 압력비에서는 우수하였으나, 압력비가 상승하면 흡입구를 통한 공기의 속도가 감소하여 다른 타입에 비해 동력소비량이 많음을 확인할 수 있었다 (Figs. 6와 7 참조).
- 본 연구에서 설계된 에어엔드는 기존의 로터 형상이 갖는 로브 수를 4×6조에서 5×6조로 변경한 것인데, 세 가지 타입의 에어엔드 성능시험 결과, Type-2의 경우 기준압력 8 bar, 회전속도 2980 rpm 에서 토출 공기량 11.7 m3/min, 축동력 65.4 kW, 동력소비량(SPC) 6.5 kW/(m3/min)로 우수한 성능을 나타내었다.
- 본 연구에서는 선행 연구의 일환으로 4×6조와 5×6조 로터 형상을 가공 제작하여 성능시험을 수행하였으며 Table 1에 결과를 제시하였는데, 5×6조 로터 형상을 사용한 스크류 공기압축기의 성능이 우수함을 알 수 있었다.
- 성능시험 결과, Type-3는 로터 직경이 작기 때문에 토출 공기량 및 체적효율(volumetric efficiency)이 Type-2와 비교하였을 때 낮게 나타났다. 또한, 동력소비량은 낮은 압력비에서는 우수하였으나, 압력비가 상승하면 흡입구를 통한 공기의 속도가 감소하여 다른 타입에 비해 동력소비량이 많음을 확인할 수 있었다 (Figs.
후속연구
- 향후에는 기존 성능시험에서 요구되는 고비용 및 인력을 줄이기 위하여 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션(computer simulation)기법 및 설계기술 개발이 필요하다. 이를 통하여 설계한 에어엔드 모델에 대한 다양한 성능해석이 가능하므로 보다 나은 제품 개발이 가능할 것으로 기대된다.
- 향후에는 기존 성능시험에서 요구되는 고비용 및 인력을 줄이기 위하여 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션(computer simulation)기법 및 설계기술 개발이 필요하다. 이를 통하여 설계한 에어엔드 모델에 대한 다양한 성능해석이 가능하므로 보다 나은 제품 개발이 가능할 것으로 기대된다.
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