압축기 기어박스의 세 가지 유형 - 헬리컬 기어의 활용 사례
별도의 밀폐된 공간 헬리컬 기어 모터와 원심 압축기 사이에 기어박스를 설치하여 모터 속도(1,500 또는 3,000 RPM)를 임펠러 속도(5,000~30,000 RPM)로 1단 또는 2단으로 승압합니다. 이는 대형 산업용 원심 압축기(500kW~50MW)에 가장 일반적으로 사용되는 구성이며, 석유, 화학 및 가스 산업용 특수 목적 기어 장치에 관한 API 613 규격을 따릅니다.
임펠러는 고속 피니언 샤프트의 연장된 끝단에 직접 장착되며, 기어와 압축기 사이에 별도의 커플링이 없습니다. 기어 본체가 공정 경계의 일부를 형성합니다. 모터 입력 샤프트에 있는 하나의 중앙 불기어에서 구동되는 서로 다른 기어비로 피니언 샤프트의 여러 연장부에 임펠러를 장착함으로써 다단계 압축을 구현할 수 있습니다.
오일 프리 스크류 압축기는 수컷 로터와 암컷 로터 사이의 물리적 접촉 없이 정확한 간극을 유지하기 위해 동기화 타이밍 기어를 사용합니다. 헬리컬 기어 공정 부하를 전달하지 않지만(유압식에서는 로터 접촉이 토크 전달을 담당함) 정확한 로터 위상 관계를 유지해야 하므로 백래시와 피치 정확도가 중요한 매개변수입니다.
원심 압축기 속도 증속기 - 기어 설계 요구사항
고속 헬리컬 기어 원심 압축기 속도 증속기의 경우, DIN 3~5 등급의 정밀도, Ra ≤ 0.2 µm의 치면 표면 조도, 그리고 낮은 나선각(β = 5~15°) 설계의 조합으로 기어 진동이 베어링 하우징에서 API 613에서 허용하는 최대 25 µm 피크-투-피크 진동에 미치는 영향을 최소화합니다.
투구 속도 - 가장 중요한 설계 제약 조건
원심 압축기 속도 증속기 피니언의 피치 라인 속도 v = π × d₁ × n₁ / 60,000 [m/s]는 저속 천연가스 압축기의 경우 25m/s에서 고속 다단 공기 압축기의 경우 200m/s 이상까지 다양합니다. 이러한 속도에서:
- 치아 맞물림 마찰 손실이 주요 원인입니다. v > 30 m/s에서 무부하 점성 메쉬 손실 P_VZO ∝ v²는 전달 동력의 상당 부분을 차지하게 됩니다. API 613 압축기 속도 증속기의 경우 헬리컬 기어고속 회전 시 교반 손실을 최소화하기 위해 ISO VG 32-68 터빈 오일(기어 오일 아님)이 지정되어 있습니다. 이는 적절한 EHL 필름을 유지하는 가장 낮은 점도 등급입니다.
- 동적 부하 계수(KV)가 중요해집니다. DIN 8등급 기어의 경우, v = 50m/s에서 KV 값은 1.5~2.0에 달하여 정격 토크에서 필요한 기어 크기의 두 배가 필요합니다. DIN 3~5등급은 KV 값을 1.02~1.05로 낮춰 소형 기어 설계를 가능하게 합니다. 이것이 고속 압축기에 적합한 기어를 찾는 근본적인 이유입니다. 헬리컬 기어 소음이 아니라 기어 본체 크기 때문에 DIN 클래스 3~5에 맞춰 연마해야 합니다.
- 오일 미스트 윤활 시스템: 속도가 80~100m/s를 초과하면 노즐을 통한 분무 윤활 방식으로는 오일이 치면의 맞물림 영역에 도달할 수 없습니다. 표면 속도가 오일을 침투시키기 전에 휩쓸어 버리기 때문입니다. 이러한 속도에서는 양쪽에서 오일을 맞물림 영역으로 분사하는 노즐을 이용한 가압 주입 윤활 방식이 필요합니다.
고속 압축기 헬리컬 기어의 헬릭스 각도
원심 압축기 속도 증속기 헬리컬 기어 일반적으로 소음 감소를 위해 높은 헬릭스 각도를 선호하는 경향과는 달리, 낮은 헬릭스 각도(β = 5–15°)를 사용합니다. 그 이유는 다음과 같습니다. 매우 높은 피치 라인 속도에서 축 방향 추력 F_a = F_t × tan β는 로터 샤프트에 상당한 축 방향 변위를 발생시키며, 이는 샤프트 스러스트 베어링에 의해 흡수되어야 합니다. v = 100m/s, β = 25°일 때 F_a = 0.466 × F_t이며, 이러한 속도에서 스러스트 베어링은 정밀 틸팅 패드 베어링으로, 축 방향 하중 용량은 설계에 의해 제한됩니다. 표준 API 613 압축기 헬리컬 기어 고속에서 소음(약간 높음)과 제어 가능한 축 방향 추력 사이의 절충안으로 β = 8–15°를 사용합니다.
API 613 압축기 속도 증속 기어 요구사항
| API 613 파라미터 | 요구 사항 | 이론적 해석 |
|---|---|---|
| 기어 정확도 등급 | AGMA 13–15 (DIN 3–5 등급과 유사) | 고속에서 KV를 제어하고 TE로 인한 진동 여기를 제한합니다. |
| 진동 제한(베어링 하우징) | 피크 간 거리 ≤ 25 µm (또는 API 613 표 3 기준) | 임펠러 끝단 간극을 보호하고 로터와 스테이터의 접촉을 방지합니다. |
| 기어 재질 | AISI 4340 또는 동등 재질(17CrNiMo6)로 전체 경화 또는 침탄 처리 | 높은 피로 강도; 고속 주행 시 파편 파손 위험 없음 |
| 윤활유 시스템 | 가압 분사 방식; ISO VG 32–68 터빈 오일; 이중 필터; 오일 쿨러 | 모든 작동 조건에서 오일 흐름이 일정해야 하며, 이러한 톱니 속도에서는 깨끗한 오일이 매우 중요합니다. |
| 임계 속도 여유 | 주행 속도와 임계 속도 간의 간격은 ≥ 20%입니다. | TE 유도 진동의 공명 증폭을 방지합니다. |
스크류 압축기 타이밍 기어 - 백래시 및 위상 정확도
오일이 필요 없는 스크류 압축기는 수컷 로터와 암컷 로터의 위상이 정확하게 동기화되어야 합니다. 만약 로터가 서로 접촉하게 되면(타이밍 기어의 백래시가 너무 커서 로터가 열팽창하여 간극이 줄어들 경우 발생), 로터가 즉시 고착되어 압축기가 파손됩니다. 타이밍은 매우 중요합니다. 헬리컬 기어 따라서 오일 프리 스크류 압축기 사양에서 주요 매개변수는 부하 용량(기어는 가벼운 토크만 전달함)이 아니라 DIN 3967 g 또는 h 등급으로, 전체 열 작동 범위에 걸쳐 로터 간극을 유지하는 것입니다.
타이밍 기어는 압축기 케이싱의 열 순환 동안 일정한 위상 관계를 유지해야 합니다. 이를 위해서는 타이밍 기어 하우징의 팽창(중심 거리 및 백래시를 변화시킴)을 설계 단계에서 보정해야 합니다. 보정 방법은 로터 간극을 유지하면서 제어된 범위 내에서 백래시가 온도에 따라 증가하도록 허용하거나, 타이밍 기어 하우징에 온도 보상형 중심 거리 조절 장치를 사용하는 것입니다.
한국 에버파워 - 압축기 속도 증속기 헬리컬 기어 공급
한국의 에버파워는 교체용 및 신형 디자인의 제품을 생산합니다. 헬리컬 기어 DIN Class 3–5, Ra ≤ 0.2 µm의 원심 압축기 속도 증속기에 대해 API 613 호환 재질(17CrNiMo6 전경화 또는 침탄 처리)로 제작되었으며, 100% 기어 분석기 측정 및 진동 검증 문서가 제공됩니다. 헬리컬 기어 제조업체한국 에버파워는 교체용 기어에 대한 임계 속도 계산 및 진동 예측을 수행하여 생산 전에 지정된 작동 속도에서 API 613 진동 제한을 준수하는지 확인합니다. 스크류 압축기 타이밍 기어의 경우, 한국 에버파워는 기어 분석기를 통해 검증된 백래시 등급 및 피치 정확도를 갖춘 매칭 페어를 생산합니다. 자세한 내용은 웹사이트를 참조하십시오. 헬리컬 기어 제품군 압축기 용도에 사용됩니다.
자주 묻는 질문
표준 기어 오일(ISO VG 220~320, EP 첨가제 함유)은 고점도 기유의 점도 지지력이 필요한 중속 기어박스용으로 제조되었습니다. 압축기 속도 증속기의 피치 라인 속도(50~200m/s)에서 오일막은 고속에서의 유체역학적 작용에 의해 생성되며, EHL 막 두께 h_min은 대략 v^0.68에 비례합니다. 100m/s에서 ISO VG 220을 사용하면 필요 이상으로 많은 오일막이 생성되어 과도한 점성 손실과 열 발생을 초래합니다. ISO VG 32~68 터빈 오일(EP 첨가제 미함유 - EP 첨가제는 압축기 베어링의 구리 합금을 부식성으로 함)은 교반 손실을 최소화하면서 적절한 EHL 막을 유지합니다. 이러한 속도에서는 기어 쌍이 완전한 EHL 영역에 있기 때문에 EP 첨가제가 없어도 괜찮습니다. 즉, 기어 표면의 미세 돌기 접촉이 발생하지 않으므로 EP 보호가 필요하지 않습니다.
API 613은 ISO 6336에 더해 다음과 같은 몇 가지 추가 요구 사항을 규정합니다. (1) 출하 전 최대 속도 및 부하에서 의무적인 진동 수용 시험을 실시하고, 베어링 하우징의 진동은 피크-투-피크 기준으로 25µm 이하여야 합니다. (2) 비틀림 임계 속도, 횡방향 임계 속도, 모든 작동 속도에서의 분리 여유를 포함한 특정 로터 동역학 분석을 수행해야 합니다. (3) 표준 EN/ASTM 조성 범위를 초과하는 기어강의 최대 불순물 함량을 명시하는 재료 요구 사항을 규정합니다. (4) 구매자 또는 구매자 검사관이 참관하는 기계적 작동 시험을 실시해야 합니다. (5) 특정 윤활유 청정도 요구 사항(최소 ISO 16/14/11)을 준수해야 합니다. 이러한 추가 요구 사항 때문에 API 613을 준수하는 압축기가 필요합니다. 헬리컬 기어 일반적으로 동일한 크기의 표준 산업용 기어보다 2~4배 더 비쌉니다.
예, 소음이 치면의 표면 피로(피팅 또는 미세피팅)로 인해 발생하여 원래 Ra ≤ 0.2 µm 이상으로 거칠어졌고, 재료 제거 후 남은 케이스 깊이가 규정된 최소값 이내인 경우에 한합니다. 한국 에버파워는 고속 압축기를 허용합니다. 헬리컬 기어 재연삭을 위해 잔여 재료 상태와 케이스 깊이를 측정하고, 작업 착수 전에 재연삭 가능성 보고서를 제공합니다. 사용 중 거칠어진 표면을 DIN 클래스 4~5로 재연삭하는 것은 필요한 총 재료 제거량이 0.2~0.3mm 미만인 경우 가능하며, 이보다 많을 경우 기어를 교체하는 것이 재연삭을 시도하는 것보다 비용 효율적입니다.
일체형 기어 압축기에서는 임펠러가 기어박스 하우징 내부의 고속 피니언 샤프트 연장부에 직접 장착됩니다. 별도의 압축기 케이싱이 속도 증속기에 플랜지로 연결되지 않습니다. 각 피니언은 서로 다른 압력비로 두 개의 임펠러(샤프트 양 끝에 하나씩)를 구동할 수 있어 하나의 장비에서 다단 압축이 가능합니다. 장점은 기어박스와 압축기 사이에 커플링이 없어 회전 질량이 낮고 설치가 더욱 컴팩트하다는 것입니다. 단점은 기어 설계가 압축기 설계와 분리될 수 없다는 점입니다. 즉, 기어는 공정 경계의 일부이며 기어 하중 외에도 공정 가스의 압력 하중을 견뎌야 합니다. 한국 에버파워는 이러한 이중 기능 역할을 수행하는 데 필요한 특정 재질 인증 및 치수 관리를 충족하는 일체형 기어 압축기용 교체 피니언 기어를 생산합니다.
압축기 속도 증속기 또는 타이밍 기어 문의
피니언 회전 속도(RPM), 피치 직경, 모듈, 헬릭스 각도 및 API 613 요구 사항 충족 여부를 알려주십시오. 한국 에버파워는 표준 헬리컬 기어 납기 내에 Ra ≤ 0.2 µm의 DIN Class 3~5 압축기 기어, 완벽한 기어 분석 문서 및 API 613 진동 예측 자료를 제공합니다.
DIN 등급 3~5 · Ra ≤ 0.2 µm · API 613 준수 · 진동 예측 · 터빈 오일 호환 · 최소 주문 수량 1개
편집자: Cxm
