공기압축기의 종류 및 구조, 압축 원리, 반동도, 실속

공기압축기 개요

가스터빈에 사용되는 회전식 압축기는 원심형과 축류형으로 나눈다. 가스터빈 개발초기엔 원심형 압축기가 중점적으로 연구 개발되었으나, 원심 압축기가 축류 압축기에 비해 성능이 떨어지기 때문에 점차 감소하여 현재는 소형 엔진, 왕복기관의 과급기에 주로 사용되고 있다. 한편 발전용 가스터빈은 회전속도가 높고 대유량의 압축기가 요구되므로 대부분 축류형이 사용된다.

원심형 압축기

원심식 압축기는 회전 부분인 임펠러(Impeller)와 고정 부분인 디퓨저(Diffuser)로 구성되어 있다. 압축기를 회전시키는 축동력 즉, 기계적 에너지는 임펠러를 통하여 작동유체에 운동 에너지를 전달하고 운동 에너지는 디퓨저를 통과하면서 압력으로 변환된다. 원심식 압축기의 장단점은 아래와 같다.

• 단당 압력상승이 높고, 넓은 범위의 회전수에서 효율이 높다.
• 제작이 간단하여 가격이 저렴하고, 중량이 가벼워서 시동동력이 적다.

축류형 압축기

축류 압축기는 흡입된 공기에 운동 에너지를 가하고 이를 압력으로 변환시키며, 압축과정은 공기가 축 방향으로 흐르면서 이루어진다. 축류 압축기는 회전 부분인 로터(Rotor)와 고정 부분인(Stator)로 구성되며 스테이터와 로터에는 각각 고정날개와 회전날개가 취부 된다. 회전날개는 공기를 압축하는데 필요한 힘을 주고, 고정 날개는 뒷단의 회전 날개에 압축공기를 적절한 각도로 안내하는 역할을 한다. 압축 공기의 일부는 터빈 냉각과 밀봉 그리고 기동 시 맥동방지를 위해 압축기로부터 추기된다. 장단점은 아래와 같다.

• 효율이 높으며 대유량에 적합하다.
• 단수를 증가시키는 손실 없이 압력을 증가시킬 수 있다.
• 효율이 높은 회전수의 범위가 좁다.
• 제작이 어려워 가격이 비싸며, 비교적 무겁다.
• 압축기 오염에 의한 성능저하가 크다.
• 압축기 서징 발생에 대한 대책이 필요하다.

축류 압축기의 구조

축류 압축기는 로터(Rotor)와 스테이터(Stator)로 구성된다. 로터는 여러 개의 원판을 축 방향으로 배치하여 조립한 형식과 단조된 하나의 축에 회전날개를 열박음한 형식이 있다. 대부분은 여러 개의 원판을 축 방향으로 배치한 형식으로 원판의 바깥둘레에 여러 개의 회전날개를 조립하여 날개열을 이룬다.

스테이터에는 고정날개가 압축기 케이싱의 내면에 고정되어 있는데, 여러 개의 고정날개가 하나의 날개열을 만들고, 이 날개열이 회전 날개 사이사이 축방향으로 배치되어 있다. 특히, 압축기 입구 공기압력과 압축기 출구 공기압력의 비를 압력비라고 하며, 산업용 가스터빈의 압력비는 10~30 정도이다. 

회전날개 한열과 고정날개 한열을 한쌍으로 압축기 단(Stage)이라 하고, 압력비를 높이기 위해 10~22단을 사용한다. 압축기 맨 앞부분 고정날개를 입구 안내익(Inlet Guide Vane)이라 하는데 날개각도를 조절하여 기동, 정시 시는 서징 현상을 방지하고 정상 운전 중에는 터빈 배기가스 온도를 조절한다.

 

축류 압축기의 압축 원리

로터가 회전하면 회전날개는 수평방향으로 원주선 속도 u의 크기로 회전하며 수직축은 축방향의 공기속도이다. 입구 안내익에서 들어오는 공기의 속도를 W1이라 하면 실제 회전날개에 작용하는 공기의 상대속도는 속도 u와 W1의 합성벡터 V1으로서 회전날개에는 V1이 작용한다고 볼 수 있다. 회전날개와 회전날개 사이, 즉 날개열 간격은 일종의 공기유동 통로로서 출구면적이 입구 면적보다 더 큰 확산통로 모양을 하고 있으며, 압축기에서 회전 날개열과 고정 날개열은 모두 확산 통로 형식이다. 회전날개의 입구에 V1의 속도로 들어간 공기는 속도 에너지(운동 에너지)가 압력으로 바뀌어 출구를 나오게 된다. 그러므로 속도가 V2로 줄었으며 방향도 날개열 출구와 일치하는 방향으로 바뀌었다. 회전날개열의 출구도 입구와 같은 원주선속도 u를 가지므로 V2와 u의 벡터 합성으로 실제 날개열 출구를 나오는 절대속도 W2이다. 절대속도 W2는 고정날개열에 들어가 확산통로에서 압력으로 바뀌고 W3으로 나오게 된다. 절대속도 W3은 다음 단 회전날개의 원주선속도 u와 합성하여 회전 날개열의 입구에 상대속도 V3으로 들어가게 된다. 이러한 과정을 반복하면서 압축된다. 축류 압축기 내부에서의 흐름 상태변화를 살펴보면 다음과 같다.

 

구분	절대속도 W	상대속도 V	흐름유로 면적	정압	전압력
로터	증가	감소	증가	증가	증가
스테이터	감소	증가	증가	증가	거의불변

압축기 반동도

축류 압축기에서 공기 압력 상승은 로터와 스테이터에서 모두 일어나는데, 로터에서 일어나는 압력 상승과 총 압력상승의 비를 반동도라고 한다. 축류압축기는 대체로 반동도가 50% 정도에서 단효율이 가장 좋으며, 반동도가 50%에서 멀어질수록 로터나 스테이터 중 하나가 더 큰 압력증가를 받게 된다.

압축기 실속방지계통

압축기 실속의 정의와 영향

축류형 압축기에서 회전날개와 고정날개에 작용하는 공기의 상대운동은 항공기의 날개에 작용하는 현상과 똑같다. 항공기의 날개에 영각이 커지면 양력계수가 증가하나 영각이 너무 크면 양력계수가 급격히 감소한다. 마찬가지로 압축기 회전날개에 부딪치는 공기흐름각도가 커지면 공기흐름과 단압축비는 커지나, 만약 영각이 너무 크면 날개 위 표면을 지나는 공기흐름은 난류로 되고 압축과 공기흐름을 감소시킨다. 이러한 현상을 실속(Stall)이라 한다. 

실속현상은 영각변화 뿐만 아니라 공기 흐름상태의 영향을 많이 받으며, 압축기를 지나는 공기속도를 늦추어 정체, 역류현상을 일으킨다. 더욱이 실속현상이 전체 단으로 확산되면 서지(Surge)가 발생되는데, 서징 현상은 심한 소음과 함께 회전속도가 동요하게 되며 운전 중에는 배기 온도 상승으로 나타난다. 압축기 서지는 날개와 케이싱 내면을 열화 시키고, 심하면 압축기 케이싱을 파손시킬 수 있다. 가스터빈 운전 중 압축기 실속은 다음과 같은 원인으로 일어날 수 있다.

• 가스터빈 흡입구에서 난류가 일어나거나 필터가 오염되어 공기흐름이 방해받은 때
• 기동, 정지 시 가스터빈 속도를 급가속 혹은 급감속할 때
• 압축기가 오염되었거나 손상되었을 때
• 터빈 구성품의 오염, 손상에 의해 가스유동 통로가 좁아졌을 때
• 입구안내익 및 추기밸브가 동작하지 않을 때

압축기 실속방지장치

1) 고정날개의 입구안내날개 각도 조정

압축기의 입구 안내익 및 고정날개를 유량(유속)에 적합하게 각도를 변경시켜 주면 회전날개의 영각은 항상 일정하게 유지되므로 압축기 실속을 방지하고 압축기를 높은 압력비(효율)로 작동시킬 수 있다. 일반적으로 발전용 가스터빈은 입구안내익만을 가변익으로 설계한다. 

 

2) 추기밸브의 설치

추기밸브의 목적은 압축기 회전수에 비해 압축기를 통과하는 공기의 축방향 유속이 작으면(영각이 커짐) 실속을 발생하므로 압축기 중간단 혹은 후방단에 있는 추기밸브를 열어 압축공기의 일부를 대기 중으로 배출시킨다. 저속운전 시 즉, 가스터빈 기동, 정지 시 추기밸브가 열려서 압축기 저압단을 통과하는 공기의 축방향 유속을 증가시키고 고속운전 시는 추기밸브가 닫힌다.