터보 압축기용 비접촉 베어링 옵션 탐구

베어링은 모든 회전 기계에서 중요한 역할을 합니다. 회전 샤프트 어셈블리 하중을 지지할 뿐만 아니라 움직이는 부품과 고정 부품 간 마찰을 완화합니다. 일반적인 베어링 유형으로는 볼 베어링, 롤러 베어링, 테이퍼 롤러 베어링이 있습니다. 이러한 베어링은 정상 속도 장비에 허용되지만, 발열량 때문에 매우 높은 속도에서는 작동이 제한됩니다. 10,000+ RPM으로 회전 기계를 작동하려면 조기 고장을 방지하기 위한 다른 솔루션이 필요합니다.

비접촉 베어링이 등장합니다. 이름에서 알 수 있듯 이 베어링은 회전 어셈블리가 다른 표면과 접촉하지 않고 지지되도록 합니다. 비접촉 베어링은 구름 요소 간 마찰로 인한 일반적인 베어링 손실을 제거해 최고 효율을 제공합니다. 비접촉 베어링에는 유체 베어링과 자기 베어링 두 가지 주요 유형이 있습니다.

유체 베어링은 수역학적(hydrodynamic) 또는 수역학적(hydrostatic) 베어링으로 더 세분화됩니다. 두 유형 모두 오일, 물, 공기 등 유체를 지지 매체로 사용합니다. 정압형 베어링은 외부 가압 유체 펌프를 사용해 샤프트를 지지합니다. 동압형 베어링은 고속 회전 어셈블리가 샤프트와 베어링 표면 사이에 가압 쐐기를 생성하도록 의존합니다. 이 기사에서는 고속 터보 압축기 옵션으로 공기 포일형 유체 베어링과 자기 베어링에 초점을 맞춰 작동 원리와 장점을 자세히 살펴보겠습니다.

공기 포일 베어링

공기 포일 베어링은 유체의 비미끄럼 조건(no-slip condition) 덕분에 부분적으로 작동합니다. 회전 샤프트 속도가 증가하면 공기 분자가 샤프트에 달라붙고 결국 아래로 끌려가 지지용 공기 쿠션을 형성합니다. 이 쿠션은 샤프트와 주변 부품을 분리해 샤프트가 자유롭게 회전하도록 합니다. 공기 베어링에 필요한 다른 구성 요소는 베어링에 하중 용량을 부여하는 공기 포일과 지지 스프링 구조입니다.

공기 포일 베어링은 공기를 가압하기 위한 외부 펌프나 압축기가 필요 없다는 장점이 있습니다. 포일은 적절한 포일 구조로 성형된 얇은 고온 강철 조각으로 구성됩니다. 이는 운전 중 비접촉과 괜찮은 하중 용량을 매우 낮은 제조 비용으로 제공한다는 의미입니다.

공기 포일 베어링의 단점은 기존 롤러 베어링보다 낮은 하중 용량입니다. 이는 지지 샤프트 어셈블리가 롤러 베어링 지원 것보다 작아야 함을 의미합니다. 이 이유로 이 베어링 유형을 사용하는 기계는 수백 마력으로 제한됩니다. 공기 베어링은 정상 운전 중 비접촉이지만, 기계 시동 및 정지 기간에는 접촉이 발생합니다. 이 슬라이딩 마찰 기간은 테플론 같은 논스틱 코팅을 상부 포일 표면에 적용해 완화하는 경우가 많습니다. 하지만 코팅은 결국 마모돼 시동·정지 시 마찰이 너무 높아지고 베어링이 고장납니다.

자기 베어링

자기 베어링은 전자석을 사용해 운전 중 로터를 부양시킵니다. 로터 주위 코일 어셈블리에 전류를 주입하면 활성화 시 각 코일이 샤프트를 끌어당깁니다. 일반적인 부양 외에도 주입 전류는 로터가 축 중심으로 회전하도록 해 고정 부품과의 접촉을 방지합니다. 높은 회전 속도는 샤프트 위치를 매우 높은 비율로 분석해 적절한 코일에 전류를 주입하고 샤프트가 제자리에 회전하도록 해야 함을 의미합니다. 이는 고급 베어링 컨트롤러를 필요로 합니다.

자기 베어링에는 여러 장점이 있습니다. 첫째, 시동·정지 작업 중에도 기계적 마모가 없습니다. 따라서 이 베어링 유형에 실질적인 피로 수명이 없습니다. 또한 서지(surge)를 경험하는 터보기계는 서지 중 손상으로부터 보호될 수 있습니다. 자기 베어링은 서지 힘을 능동적으로 감지하고 샤프트가 축을 중심으로 회전하도록 전류를 주입할 수 있습니다. 단점은 자기 코일 어셈블리와 능동 베어링 컨트롤러의 추가 비용입니다. 요약하면, 자기 베어링의 추가된 수명과 신뢰성은 베어링 어셈블리 가격 상승으로 이어집니다.

비접촉 베어링을 활용하는 블로워는 더 비쌀 수 있지만, 기존 베어링 마찰 손실을 제거해 에너지 절약 형태의 최고 효율과 ROI를 제공합니다. 에너지 효율적 기계 설치로 얼마나 절약할 수 있는지 전문가에게 문의해 보세요.