[논문]200 마력급 터보 블로워 적용을 위한 자기베어링 설계

박철훈; 윤태광; 박준영

doi:10.5293/kfma.2015.18.6.012

200 마력급 터보 블로워 적용을 위한 자기베어링 설계
Design of Magnetic Bearings for 200 HP Class Turbo Blower 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.18 no.6, 2015년, pp.12 - 18

박철훈 (한국기계연구원 첨단생산장비연구본부) , 윤태광 (한국기계연구원 첨단생산장비연구본부) , 박준영 (한국기계연구원 극한기계연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the development trend of turbomachinery is high capacity and high efficiency. Most of turbomachinery in the market are adopting ball bearings or air foil bearings. However, ball bearings have a limit for high speed product over $2.0{\times}10^6DN$(product of the inner diameter of the bearing in mm (D) and the maximum speed in rpm (N)). Air foil bearings have a limit for high axial load for high power products over 200~300 HP(horse power). Magnetic bearing is one of the solutions to overcome the limits of high speed and high axial load. Because magnetic bearings have no friction between the rotor and the bearings, they can reduce the load of the motor and make it possible to increase the rotating speed up to $5.0{\times}10^6DN$. Moreover, they can have high axial load capacity, because the axial load capacity of magnetic bearing depends on the capacity of the designed electromagnet. In this study, the radial and thrust magnetic bearings are designed to be applied to the 200 HP class turbo blower, and their performance was evaluated by the experiment. Based on the tests up to 26,400 rpm and 21,000 rpm under the no-load and load condition, respectively, it was verified that the magnetic bearings are stably support the rotor of the turbo blower.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

^(6,7) 이러한 추세에 따라 국내에서도 자기 베어링이 적용된 사례들이 증가하고 있다.^(8-10) 본 논문에서는 기존의 베어링 시스템의 대안이 될 수 있는 자기 베어링을 대표적 터보 기기인 200 마력급 터보 블로워에 적용할 수 있도록 설계하고, 터보 블로워에서 발생되는 반경방향, 축방향의 부하를 안정적으로 지지하는지 실험적으로 검토하여 향후 개발될 고출력 터보 기기에 적합한 베어링임을 제시하고자 한다.
본 논문에서는 200 마력급 터보 블로워에 적용하기 위한 반경방향 및 쓰러스트 자기베어링을 설계하고 실험을 통해 그 적용가능성을 검증하였다. 26,400 rpm의 정격운전속도 이상까지 수행된 무부하조건 실험 및 21,000 rpm까지 수행된 부하조건 실험을 통해 자기베어링이 터보 블로워 회전체를 안정적으로 지지함을 확인하였다.

가설 설정

외부에서 가해지는 예상치 못한 충격의 외란 요인 까지 고려하여 반경방향 자기베어링의 제어력을 결정하기에는 많은 어려움이 있다. 그래서 예기치 못한 충격 등은 별도의 안전장치를 통해 대응하는 것으로 가정하였다. 따라서, 반경방향 자기베어링의 제어력 선정에 있어서 가장 고려해야하는 것은 강체 모드 위험 속도에서의 불균형력이다.

제안 방법

1과 같이 300 마력급 터보 압축기에 자기 베어링을 적용하여 상업화하였다.⁽⁵⁾스위스의 MECOS사에서는 자기베어링을 적용한 13.6 마력, 54,000 rpm의 터보블로워를 상용화하였으며, 미국의 Vycon사에서는 36,000 rpm으로 회전하는 플라이휠 에너지 저장장치에 자기베어링을 적용하여 상업화하였다.^(6,7) 이러한 추세에 따라 국내에서도 자기 베어링이 적용된 사례들이 증가하고 있다.
다음은 회전체 상단에 메인임펠러를 부착한 상태의 부하 조건에서 회전실험을 진행하였다. 부하조건 회전실험은 21,000 rpm까지 수행되었으며, Fig 9에 부하조건 회전실험에서 회전체 상하부의 반경방향 진동과 축방향 진동의 회전 속도에 대한 waterfall plot을 나타내었다.
먼저 정격회전속도인 26,000 rpm까지의 샤프트 구조강도를 확인하기 위하여, 회전체 상단에 부착된 메인임펠러를 제거한 무부하 조건에서 회전실험을 진행하였다. 본 실험을 통해 샤프트에 일체형으로 조립된 모터용 영구자석, 슬리브, 자기베어링용 자성체 코어의 조립상태 및 구조강도를 검증할 수 있다.
본 연구의 200 마력급 터보 블로워의 쓰러스트 자기베어링에는 참고문헌 10의 설계방법 및 이론에 따라 축방향 착자하이브리드 자기베어링(AM-HMB, Axially magnetized-Hybrid magnetic bearing)을 적용하였다. AM-HMB의 링형 영구자석에서 나온 자속이 쓰러스트 칼라 윗면과 아랫면의 공극을 통과한 후 자성체 코어를 거쳐 영구자석으로 돌아가는 바이어스 자속(Bias flux)을 형성한다.
터보 블로워에 조립되어 있는 자기베어링이 설계한 대로 축방향 힘을 발휘할 수 있는지 검증하기 위하여, 회전체를 반경방향과 축방향 자기베어링을 이용하여 모두 부상시킨후 질량 10kg의 추를 설계력의 최대치인 120 kg까지 단계적으로 쌓는 실험을 수행하였다. 그 결과, 1,200 N의 하중이 가해졌을 때 필요로 하는 전류는 7.
따라서 쓰러스트 자기베어링에 작용하는 축방향 부하는 정지 상태에서는 약 -170 N, 정격회전속도에서는 약 230 N이 작용하게 된다. 통상 자기베어링 설계시 안전율은 2~3을 적용하지만 터보 블로워 동작 시 발생할 수 있는 서지(surge) 등의 예외 상황에 대비하기 위하여 안전율 4를 적용하여 쓰러스트 자기베어링이 -1,200~1,200 N의 부하지지력을 발생할 수 있도록 설계하였다. Table 1은 200 HP급 터보 블로워에 적용하기 위한 쓰러스트 자기 베어링의 부하지지력 설계 요구 사양이며, Table 2는 설계 결과를 나타낸다.

데이터처리

쓰러스트 자기베어링의 설계 결과를 이용하여 유한요소 전자기장 해석 상용 프로그램인 MAXWELL을 이용하여 축 방향 힘을 예측하였으며, 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 설계치와 해석 결과를 비교하였을 때, 설계된 자기 베어링은 설계 요구력을 만족할 것으로 예측되었다.
이기 때문에 이 편심에 의한 간섭력에 대한 추가 설계 요구력이 필요 간섭력은 하부 반경 방향 자기베어링에 부하로 작용하하다. 이때 발생할 수 있는 간섭력의 크기를 계산하기 위해 전자기장 해석 프로그램 MAXWELL을 사용하여 해석을 수행하였다. 최대로 작용할수 있는 0.

이론/모형

반경방향 자기베어링은 참고문헌 8, 9의 호모폴라 자기베어링 설계방법 및 이론에 따라 설계되었다. 그 구성을 Fig.

성능/효과

(8) 회전체에 부착된 쓰러스트 칼라의 중심과 축방향 자기베어링의 링형 자성체의 중심이 정확히 일치하지 않는다면, 이로 인해 쓰러스트 칼라에 반경 방향 흡인력이 작용하게 된다. 이기 때문에 이 편심에 의한 간섭력에 대한 추가 설계 요구력이 필요 간섭력은 하부 반경 방향 자기베어링에 부하로 작용하하다.
본 논문에서는 200 마력급 터보 블로워에 적용하기 위한 반경방향 및 쓰러스트 자기베어링을 설계하고 실험을 통해 그 적용가능성을 검증하였다. 26,400 rpm의 정격운전속도 이상까지 수행된 무부하조건 실험 및 21,000 rpm까지 수행된 부하조건 실험을 통해 자기베어링이 터보 블로워 회전체를 안정적으로 지지함을 확인하였다. 본 연구에서 제작된 터보 블로워 시스템에는 회전체의 냉각수단이 적절히 반영되지 못하였기 때문에, 회전체의 길이방향 열팽창으로 인해 부하조건에서 정격속도까지 회전실험을 수행하지는 못하였다.
불균형력은 회전속도의 제곱에 비례하여 증가하기 때문에, 자기베어링의 제어력은 불균형력을 충분히 견딜 수 있도록 충분한 여유를 가지고 선정해야한다. Fig. 2의 구성도로 부터 회전체의 1차, 2차 강체모드 위험속도는 모두 10,000 rpm 이하에 존재하고 회전체의 질량은 약 17 kg 정도 일 것으로 예측되었으며, 이 회전체에 존재한 불균형량이 ISO 1940 grade 2.5수준으로 관리된다고 가정하면 10,000 rpm에서의 불균형력은 약 58 N이 될 것으로 예측되었다.
터보 블로워에 조립되어 있는 자기베어링이 설계한 대로 축방향 힘을 발휘할 수 있는지 검증하기 위하여, 회전체를 반경방향과 축방향 자기베어링을 이용하여 모두 부상시킨후 질량 10kg의 추를 설계력의 최대치인 120 kg까지 단계적으로 쌓는 실험을 수행하였다. 그 결과, 1,200 N의 하중이 가해졌을 때 필요로 하는 전류는 7.8 A수준으로 설계와 유사한 결과를 나타내었다.
회전속도가 상승함에 따라 모터에 의한 발열량은 상승하게 되고 이에 따른 열팽창에 의해 회전체의 길이는 점점 길어지게 된다. 본 실험에서는 블로워 하우징을 냉각함으로써 모터 고정자의 냉각에 도움을 주기위한 하부 임펠러가 설치되어있지만, 이러한 냉각수단만으로는 회전체의 냉각에 아무런 효과가 없었다. 쓰러스트 자기베어링의 제어에 의해 회전체의 하단은 일정한 위치에 부상되어 유지되기 때문에 길어진 회전체는 상부의 메인임펠러와 쉬라우드 케이싱 사이의 갭을 줄이는 효과로 나타나게 되어 메인임펠러가 쉬라우드 케이싱과 충돌하는 사고로 이어질 수 있다.
먼저 정격회전속도인 26,000 rpm까지의 샤프트 구조강도를 확인하기 위하여, 회전체 상단에 부착된 메인임펠러를 제거한 무부하 조건에서 회전실험을 진행하였다. 본 실험을 통해 샤프트에 일체형으로 조립된 모터용 영구자석, 슬리브, 자기베어링용 자성체 코어의 조립상태 및 구조강도를 검증할 수 있다. 회전실험은 26,400 rpm까지 수행되었으며, Fig.
4에 나타내었다. 설계치와 해석 결과를 비교하였을 때, 설계된 자기 베어링은 설계 요구력을 만족할 것으로 예측되었다.
9(a)의 속도에 대한 상부 불평형응답의 상승 추세로 부터 26,000 rpm에서의 불평형응답은 최대 30μm (zero-to–peak) 이하로 발생할 것으로 예상되며 회전체 밸런싱이 수행된다면 최대 10 μm (zero-to–peak)의 상부 불평형응답이 발생할 것으로 예상된다. 이상의 결과를 통해 무부하조건 뿐만 아니라 부하조건에서도 자기베어링이 회전체를 안정적으로 지지할 수 있음을 확인함으로써 200마력급 터보 블로워에 적용될 수 있는 가능성을 확인할 수 있다.
이때 발생할 수 있는 간섭력의 크기를 계산하기 위해 전자기장 해석 프로그램 MAXWELL을 사용하여 해석을 수행하였다. 최대로 작용할수 있는 0.3 mm의 편심조건을 적용하였을 때 약 110 N의 간섭력이 작용할 것으로 예측되었다. Table 3는 200 HP급 터보 블로워에 적용하기 위한 반경방향 자기 베어링의 부하지 지력 설계 요구 사양을 나타내며 Table 4는 설계된 반경방향 자기베어링의 사양을 나타낸다.
축방향 진동 역시 모든 진동성분이 5 μm 이하의 크기를 가지며 안정적으로 지지됨을 확인하였다.
축방향 진동은 전 구간에 걸쳐 눈에 띄는 특별한 진동성분없이 모든 진동성분이 1 μm하의 크기를 가지며 안정적으로 지지됨을 확인하였다.
쓰러스트 자기베어링을 설계하기 위해서는 먼저 지지해야할 부하를 파악해야 한다. 회전체의 질량은 약 17 kg으로 아래 방향으로 약 170 N이 작용할 것으로 예측되었으며, 정격회전속도에서 블로워에 의해 발생하는 추력은 1차원 공력 기본설계로부터 위 방향으로 최대 400 N이 발생할 것으로 예측되었다. 따라서 쓰러스트 자기베어링에 작용하는 축방향 부하는 정지 상태에서는 약 -170 N, 정격회전속도에서는 약 230 N이 작용하게 된다.

후속연구

따라서 자기베어링은 향후 개발될 고출력·고속화 터보기기에 많이 적용될 것으로 예측된다.
26,400 rpm의 정격운전속도 이상까지 수행된 무부하조건 실험 및 21,000 rpm까지 수행된 부하조건 실험을 통해 자기베어링이 터보 블로워 회전체를 안정적으로 지지함을 확인하였다. 본 연구에서 제작된 터보 블로워 시스템에는 회전체의 냉각수단이 적절히 반영되지 못하였기 때문에, 회전체의 길이방향 열팽창으로 인해 부하조건에서 정격속도까지 회전실험을 수행하지는 못하였다. 추후 회전체를 강제 냉각할 수 있는 냉각수단이 반영된 개선된 시스템을 통해 자기베어링이 적용된 터보 블로워의 성능을 계속 평가하고 시스템의 완성도를 높여나갈 계획이다.
본 연구에서 제작된 터보 블로워 시스템에는 회전체의 냉각수단이 적절히 반영되지 못하였기 때문에, 회전체의 길이방향 열팽창으로 인해 부하조건에서 정격속도까지 회전실험을 수행하지는 못하였다. 추후 회전체를 강제 냉각할 수 있는 냉각수단이 반영된 개선된 시스템을 통해 자기베어링이 적용된 터보 블로워의 성능을 계속 평가하고 시스템의 완성도를 높여나갈 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	터보 블로워는 어떤 분야에 사용되는가?	터보 블로워(Turbo Blower)는 하/폐수처리장의 폭기설비, 생활폐기물 관로이송 설비, 석유화학 및 시멘트 설비의 원료이송, 발전소 탈황설비 및 냉각장치, 연료전지용 개질기의 공기공급기 등에 사용되는 대표적인 유체기계이다.(1-4) 터보 블로워는 고속으로 회전하는 임펠러와 운동에너지를 압력에너지로 바꾸는 디퓨저, 시스템의 배관과 연결하는 볼 류트로 구성된다.
	터보 블로워는 어떻게 구성되는가?	터보 블로워(Turbo Blower)는 하/폐수처리장의 폭기설비, 생활폐기물 관로이송 설비, 석유화학 및 시멘트 설비의 원료이송, 발전소 탈황설비 및 냉각장치, 연료전지용 개질기의 공기공급기 등에 사용되는 대표적인 유체기계이다.(1-4) 터보 블로워는 고속으로 회전하는 임펠러와 운동에너지를 압력에너지로 바꾸는 디퓨저, 시스템의 배관과 연결하는 볼 류트로 구성된다. 임펠러가 구동하면서 임펠러의 전· 후방에서 압력차가 발생되며, 이는 축방향 부하로 작용하게 된다.
	현재 시장에 나와 있거나 많은 연구가 진행되고 있는 터보기기에 사용되는 에어 범프 포일 베어링이나 볼 베어링의 한계를 극복하기 위한 대안에는 어떤 것이 있는가?	현재 시장에 나와 있거나 많은 연구가 진행되고 있는 터보기기에는 에어 범프 포일 베어링이나 볼 베어링이 많이 사용되고 있지만, 개발이 진행되고 있는 200~300 마력(HP)이상 고출력 터보 기기에 사용하기에는 축방향 부하지지 능력이 부족하다는 한계가 있다. 기존 베어링의 축방향 부하지지 능력의 한계를 극복해줄 대안의 하나로 자기베어링(Magnetic bearings)이 있다. 자기베어링은 자기부상의 원리를 이용하여 비접촉식으로 회전체를 지지하는 시스템으로 소음 적고 윤활장치가 필요하지 않는 친환경 베어링이며, 모든 동작속도 영역에서 회전체와 베어링 사이의 마찰, 마모가 없어 유지보수가 불필요하고, 모터의 부하를 감소시킴으로써 고속 회전이 가능하다는 장점이 있는 베어링 시스템이다.

참고문헌 (11)

박준택, 2008, "하수처리시설에서의 에너지저감기술," 설비저널, 37권, 8호, pp. 70-76.

원문보기 상세보기
Yang, S. H., Kim, K. Y., and Jang, C. M., 2009, "Study on the Operation Characteristics of Turbo Blower used in a Refuse Collection System", In the KFMA Annual Meeting, Jeju, Korea, pp. 149-154.
Lee, Y. B., Lee, H. S., and Chung, J. T., 2008, "An Experimental Study on the Durability Test for PEM Fuel Cell Turbo-blower", Transactions of KSAE, Vol. 16, No. 5, pp. 37-43.
김경수, 윤주식, 박기철, 김승우, 2008, "300 마력 Oil-Free 고속 터보 블로워 개발," 유체기계저널, 11권, 2호, pp. 89-94.

원문보기 상세보기
www.absgroup.com
www.mecos.com
www.vyconenergy.com
Park, C. H., Choi, S. K., and Ham, S. Y., 2014, "Design of magnetic bearing for turbo refrigerant compressors", Mechanics & Industry, Vol. 15, No. 4, pp. 245-252.

상세보기
Park, C. H., Kim, S. H., and Kim, K. S., 2013, "Vacuum chamber-free centrifuge with magnetic bearings", Review of Scientific Instruments, Vol. 84, No. 9, 095106.

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Park. C. H., Choi, S. K., Ahn, J. H., Ham, S. Y., and Kim, S. H., 2013, "Thrust Hybrid Magnetic Bearing using Axially Magnetized Ring Magnet", Journal of Magnetics, Vol. 18, No. 3, pp. 302-307.

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Park. C. H., Choi, S. K, Son, Y. S., and Han, Y. H., 2009, "Development of 5kWh flywheel energy storage system using MATLAB/xPC Target", In Computer Science and Information Engineering, 2009 WRI World Congress on. IEEE, 2009. pp. 701-705.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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