펌프(Pump)기술자료

펌프(Pump) 기술자료   1. 펌프의 구조와 형식 3 케이싱은 그 일부가 흡입 측의 관로와 접속되어 유입되는 물을 회전차로 유도하는 흡입관로와 회전차에서 토출되는 높은 에너지의 물을 모아서 토출관로로 유도하는 유로로 구성되며, 전체로서 회전차를 에워싸는 형식의 구조로 되어 있다.   [그림 4(a)] 와 같이 호전차의 토출 측은 보통 바로 벌류트실로 이어지지만, 회전차와 벌류트실 사이에 고정 깃을 가진 디퓨저 등의 비교적 복잡한 유로가 설치되는 경우도 있다.  벌류트의 감기시작점은 벌류트 혀(Tongue)라고 불리며, 경우에 따라서는 그 형상이 성능을 좌우하는 경우도 있다. 벌류트의 끝 부분에서 토출구까지의 부분은 디퓨저형으로 만들어져 있다.   케이싱은 이와 같은 유로로서의 기능 외에 회전차 축을 지지하는 강도구조물로서의 기능도 중요하며, 베어링을 지지하는 구조도 갖추고 있다. 축의 지지는 소형펌프의 경우 한쪽 지지(Overhang)가 많다.  보통 케이싱에는 주조품이 사용되기 때문에 강도와 강성이 함께 필요이상으로 충분한 경우가 많다.   그러나 용접구조로 제작되어지는 경우도 있으며, 그때에는 회전차 지지에 견딜만한 정적, 동적 강도를 가지는 구조로 제작하여야 한다.  또 벌류트실은 펌프 토출압력의 작용을 직접 받으며, 또한 구조상 상당한 크기이므로 일정의 고압용기라고 생각할 수 있다. (엄밀한 정의에 맞는지의 여부는 논외로 한다면) 그러한 의미에서 강도상의 고려가 필요하며, 설계에 임해서는 그 분할이나 구성에 대한 고려가 충분히 되어야 한다.  [그림 5]는 가장 높은 압력을 발생하는 펌프 중의 하나인 보일러 급수펌프에 대한 구조의 예이다. 고압에 견딜 수 있게 케이싱 전체가 원통형으로 만들어져 있다.  회전차의 축은 케이싱을 관통해야 하므로 이 부분에서의 물의 기밀을 위해 글랜드 패킹(Grand Packi -ng) 혹은 기계식 시일(Mechanica -l Seal)이 사용된다.  또한 케이싱 내부에서 [그림 4(b)]에 ‘측판 미끄럼부’라고 표시되어있는 부분에서 고압의 벌류트실과 저압의 흡입유로가 공간적으로 통하고 있는데, 그 통로를 가급적 작게 좁힘으로써 토출측의 고압수가 흡입 측으로 역류 혹은 누설되어서 회전차로 다시 들어가는 것을 가급적 억제하는 대책이 강구되어 있다.  회전차는 원심형의 경우 [그림 4(b)]에서 보는 바와 같이 슈라우드라고 불리는 우산형의 디스크(측판)와 평편한 디스크(주판)로 구성되어 있는 경우가 많다.  그러나 측판 혹은 양 슈라우드를 함께 갖지 않는 개방형 회전차(Open Impeller)라고 불리는 것도 있다. 회전차를 돌리는데 보통 전동기가 사용되지만 보다 빠른 회전속도를 필요로 하는 경우에는 증기터빈으로 구동된다.  현시점에서는 주속도가 130m/s정도까지의 고속운전이 실용화되고 있다.  최근의 펌프로는 9,000rpm정도의 것도 그다지 드물지는 않다. 가령 이 회전으로 주속 130m/s까지 허용된다면 회전차 바깥 둘레에서의 원심력은 무려 12,500G가 된다.   보통의 회전차의 경우도 이 정도는 아니라 하여도 원심력이 상당히 크므로, 강도 상 우선 원심력에 대한 충분한 주의가 필요하다. 이와 같이 회전차를 고속화하는 목적은 한 개의 회전차로 높은 압력을 만들어 내고자 하기 때문이다.  한 개의 회전차로 충분한 압력을 낼 수 없는 경우에는 [그림 5]와 같이 한 개의 축에 직렬로 배치된 여러 개의 회전차를 순차적으로 물이 지나감으로써 고압을 얻는 구조로 한다. 이 구조의 경우에는 물이 회전차와 회전차 사이를 반복적으로 U턴해야만 한다.  그 부분은 회전차 출구와 입구에 각각 연결되는 정교한 안내깃을 가진 유로와 U턴 부분의 귀환유로로 구성된다.   회전차와 이 유로와의 한 조합을 단(Stage)이라고 부르며, 이와 같은 펌프를 다단펌프(Multistage Pump)라고 부른다. [그림 5]는 다단형식의 것 중의 하나이며, 이것과 틀린 형식의 것도 많다.   이 종류의 펌프에는 회전차 축에 회전차 이외에 [그림 5]에서 불 수 있는 평형디스크(Balancing Disk)를 부착하여 회전차에 작용하는 큰 축 추력(Axial Thrust)을 평형(상쇄)시키는 경우가 많다. 축류펌프의 구조도 기본적으로는 원심형의 경우와 다르지 않으나, 유로의 형상이 [그림 6]과 같이 훨씬 간단하며 보통 벌류트실이 없다.  케이싱은 곡관형으로 된 관로이며 곡관의 하류 또는 상류 측에 회전차가 있고 회전차 축의 동력측은 이 곡관 부분에서 밖으로 나와있다.  회전차에는 슈라우드가 없고 날개는 허브에 부착되어 있다.  날개를 지난 후에 물이 가지는 선회속도성분을 압력으로 회수할 목적으로 설치된 안내 깃은 그 허브를 지지하는 기둥역할을 겸하고 있으며, 허브는 회전차의 수중 쪽의 베어링 박스가 된다.

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	펌프의 종류	속도의 범위 (1/min)	이송체적 (cm³)	공칭압력 (bar)	전효율
	외접 기어 펌프	500-3500	1.2-250	63-160	0.8-0.91
	내접 기어 펌프	500-3500	4-250	160-250	0.8-0.91
	스크류 펌프	500-4000	4-630	25-160	0.7-0.84
	로터리 베인 펌프	960-3000	5-160	100-160	0.8-0.93
	축방향 피스톤 펌프	...-3000 750-3000 750-3000	100 25-800 25-800	200 260-250 160-320	0.82-0.92 0.82-0.92 0.8-0.92
	반경류 피스톤 펌프	960-3000	5-160	160-320	0.90

 

 

1. 펌프의 구조와 형식 2

 

일반적으로 원심펌프의 깃은 [그림 1(b)]에 제시되는 뒷굽은 깃이 많다. 따라서 깃 통로를 흐르는 액체는 회전차에 대하여 [그림 1(b)]에서 표시되는 것과 같이 앞을 보는 나선궤적을 그리며, 회전차 출구에서 액체의 절대속도(Absolute Velocity)는 정규운전상태(Normal Running State)의 경우 반경방향성분(Meridian Component)에 비하여 훨씬 큰 원주방향성분(Periph -eral Component)을 가지는 것이 보통이다.

 일반적으로 원심형은 축류형에 비하여 회전차를 통과 하는 사이에 단위 중량당의 물이 받는 에너지(Head)의 양이 크다.축류형 펌프는 [그림 2]에 제시된 바와 같이 원통형의 케이싱 안에 선풍기와 같은 회전차가 들어 있다.

액체는 보통 원심형의 경우와 마찬가지로 회전차에는 축 방향으로 유입되지만, 축과 동심의 원통면 안을 축대칭으로 유동하여 회전차를 지나간다. 따라서 원심형의 경우와 달리 한 개의 유선에 따라서 관계하는 익의 회전주속도는 일정하다.

 그러나 반지름을 달리하는 유선마다 관계하는 익의 회전주속도는 틀리다. 즉, 축에 가까운 보스(Boss)부근의 유선과 축에서 먼 익 끝을 지나는 유선에 대하여는 익의 회전주속도는 크게 다르다.

그 때문에 순 원심형의 회전차 내의 유동을 취급할 때에는 간단하게 대표유선 하나에 대해서만 생각하면  된다. 즉, 완전히 일차원적인 취급이 가능한 데, 축류형의 회전차 내의 유동의 경우는 적어도 적당한 반경방향위치를 지나는 몇 개의 대표유선 각각에 대해 계산하여야 한다.

 축류형의 회전차가 단위 중량당의 유체에 부가하는 일 량은 원심형에 비하여 작지만, 크기에 비해 원심형보다는 훨씬 큰 유량의 물을 취급할 수 있다.이상과 같이 회전차의 형상에 따라 원심형과 축류형으로 구분하였으나, 물론 사류형, 혹은 혼류형(Mixe -d Flow)이라고 불리는 중간적인 형태의 회전차를 가지는 펌프도 있으며, 이것들도 널리 사용되고 있다.

나중에 기술되겠지만 펌프의 특성과 시방을 비속도와 같은 적절한 특성치로 정리하여 이것으로 펌프의 이용영역이나 운전영역을 제시하면 원심형 또는 축류형의 각각의 형식이 이용되는 영역이 정해지게 된다.

 즉, 회전차의 형상은 사용점에 대응하는 특성치에 따라 원심형에서 사류형을 거쳐 축류형으로 거의 연속적으로 변해간다.다음에 펌프구조를 좀더 상세히 보도록 한다. 우선 펌프가 취급하는 액체는 단순한 물만으로 한정되지 않고 석유 및 기타 화학약품, 혹은 흙탕물, 슬러지 등 가지각색이겠지만, 무어라 하여도 청수가 대표적일 것이다.

그래서 청수에 대한 펌프의 특성이나 거동을 밝히고, 이를 기초로 하여 다른 뉴턴유체를 취급하는 경우의 거동을 추정 혹은 표시하는 것이 보통이다.  

여기서는 특히 규정하지 않은 한 취급하는 액체는 청수로하여 설명한다. [그림 3]은 대표적인 벌류트(Volute)펌프의 설치도이다.

낮은 수조로부터의 흡수에서 고형이물의 유입을 피하기 위한 여과기(Strainer)와 펌프의 정지 시에 물빠짐을 막을 수 있도록 역지밸브(Check Valve)의 기능을 가진 풋밸브(Foot Valve)가 설치된다. 단, 펌프토출 측의 토출밸브 직전에는 압력계가, 흡입 측의 회전차입구 직전의 흡입유로에는 진공계(Vacuum Guage)가 부착된다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. 펌프의 구조와 형식 1

 

본고는 펌프 설계에 있어 이론과 실제를 겸비한 총괄 교과서로서 연세대학교 조강래 고문이 국내 집필진으로 참가해 일본 터보기계협회의 교재를 재구성한 것이다.

  1. 펌프의 구조와 형식

펌프는 전동기, 터빈, 내연기관 등의 원동기에 의해 구동되어 액체를 흡입하여 이것에 수력학적 에너지를 부가하여 송출하는 기계이다. 예로부터 여러 형식의 것이 있었으나, 현재 잘 알려져 잇는 것으로 [표 1]과 같은 것이 있으며, 이것은 주로 작동원리에 따라 분류되어 있다. 이중에서 터보형 펌프로 분류된 기계가 이 책에서 취급되고 있다.상세한 것은 나중에 기술하기로 하고 터보형 펌프의 구조와 작동원리를 개략적으로 설명하면 다음과 같다.

유체가 수송되는 통로와 직접 연결되어 비교적 견고하게, 마치 일종의 용기와 같은 모양으로 된 케이싱(Casing)이라 불리는 구조물과 그 안에서 고속 회전하면서 액체에 일을 전달하는 회전차(Impeller)라고 불리는 구조물과의 조합으로 구성되어 있다. 회전하고 있는 회전차는 액체를 연속적으로 흡입하고 송출한다. 케이싱은 흡인관로로부터의 액체를 회전차에 유입시키고, 또 회전차에서 토출되는 높은 에너지의 액체를 모아서 토출관로에 보내는 역할을 한다.

 회전차에 들어간 액체는 여기를 통과하는 사이에 깃(Vane 또는 Blade)에서 기계적인 일, 즉 에너지를 받는다. 이와 같이 터보형 기계는 액체에 연속적으로 일을 부여할 수 있고, 또 기계역학적으로 무리한 점이 적기 때문에 비교적 소형이고 간단한 구조이면서 큰 유량 또는 높은 압력의 형태로 대량의 에너지를 액체에 부여할 수 있는 것이 특징이다. 그 때문에 현재 가장 넓게 이용되고 있는 펌프가 이 터보형이다.

이것에 대하여 [표 1]에 표시되어 있는 용적형 펌프는 실린더 안에 들어있는 피스톤 또는 플런저의 왕복운동, 혹은 적당한 구조의 케이싱 속에 들어있는 편심 로터(Rotor)나 치차의 회전운동에 의해 간헐적으로 액체를 흡입하고 토출 쪽으로 압출한다. 이와 같이 용적형 펌프는 토출에 수반되는 배출작용으로 액체에 에너지가 부여된다. 이는 터보형과는 달리 연속적인 작업을 할 수 없으므로 구조의 크기에 비해 적은 유량밖에 취급할 수 없다.

또 이것은 간헐운동을 하기 때문에 큰 관성력에 견딜만한 견고한 구조로 제작되어져야  하며, 진동 등의 문제도 충분히 고려되어야 한다. 그러나 유량은 부하에 별로 영향을 받지 않으며, 마침 액체를 대두로 채다시피 토출하기 때문에 일정량을 확실하게 수송하는 목적에 적합하다. 따라서 터보형 다음으로 널리 사용되고 있다.이상의 두 형식 이외에도 작동원리를 달리하는 몇 가지 종류의 펌프가 있다. 즉, 와류펌프, 점성펌프, 기포펌프, 제트펌프 등이다.

이들 펌프는 위의 표에서 특수펌프로 구분되어 있다. 이들은 각기 수월한 특징을 가지며 현재에도 여전히 독자적인 이용분야를 확립하고 있다. 그러나 전체적으로 터보형이나 용적형에 비해 생산량도 적고 이용률도 낮다고 할 수 있다.위에서 기술된 바와 같이 터보형 펌프는 가장 널리 이용되어 있는 펌프형식이며, 그 구조도 매우 다양하다. 펌프의 능력도 가지각색이며, 송출용량에 관하여는 매분 수천 세제곱미터(㎥)에서 매분 수십 리터(l)이하, 그리고 양정에 대하여도 기껏 수십 센티미터(㎝) 수주에서 수백기압(kgf/㎠)에까지 이르고 있다. 터보형 펌프는 회전차의 구조상 원심형(Centrifugal Flow)과 축류형(Axial Flow)으로 대별된다.

 원심형의 회전차의 경우, 액체는 우선 회전의 회전축과 평행하게 유입되어 회전차 입구(Eye)라고 불리는 부분에서 회전차의 반경방향으로 전향되어 흐른다. 그리고 전면과 후면 슈라우드(Shroud)로 에워싸인 깃통로 안으로 들어가고 깃에서 힘을 받으면서 반경방향으로 송출된다. 이 때문에 반경류형(Radial Flow Type)이라고도 불린다. 원심형 터보기계의 회전차는 깃의 형상에 따라 세 가지로 구분된다.