원심펌프 기본 이론

사업 현장에서 유체 이송에 가장 많이 사용하고 있는 원심 펌프를 이해하기위해 펌프의 성능곡선 등 기본 이론 내용을 공유하고자 한다.

다음 내용은 태진에프티 기술자료 중 원심펌프 이론 관련 자료를 바탕으로 작성되었다.

 

 

 

원심펌프 기본 이론

펌프 성능곡선

원심펌프의 성능곡선은 오직 단 한 개의 곡선이 아니라 몇 가지 곡선들이 한조를 이룬다

다음 그림 1는 원심펌프의 성능 곡선들이다.양정, 소비전력, 효율 그리고 정미흡입수두 (NPSH)가 유량에 따라 표에 곡선으로 도시 되었다.

 

<그림 1> 원심펌프의 성능 곡선 예(양정, 소비전력, 효율, NPSH가 유량에 따라 도시 됨)(Source: 태진에프티 기술자료)

 

일반적으로, 자료집에 있는 펌프 곡선들은 단지 펌프 (모터 제외)에 대한 곡선들이다. 그래서, 소비 동력, 즉 P 값만 자료집에는 제시되어 있다.이들 동력 값은 펌프에서 소비되는 동력을 측정한 것이다.

그림 1을 보면 앞에 언급된 내용을 다른 곡선들과 같이 효율곡선도 오직 펌프만의 효율값을 표시한다.

 

여러 펌프들 중에 주파수 변환기가 내장된 모터가 펌프에 내장된 종류를 내장형 펌프 (canned pump)라 하는데, 이 경우에 소비동력 곡선과 효율 곡선은 모터와 펌프에 대한 종합적인 효율과 동력이다.이 경우에 P값은 일반적인 동력 값이 된다.

 

 

유량-양정 곡선

 유량-양정 곡선은 설정된 유량에서 펌프가 만들어내는 양정을 나타내는 곡선이다. 

양정은 일반적으로 유체 기둥의 높이로 측정되고, 일반적으로 미터 [m] 단위로 이루어 진다. 펌프의 양정을 나타내는 단위로 미터를 사용해서 얻어지는 이점은 유량-양정 곡선이 펌프에 사용되는 유체의 종류에 따라 곡선이 영향을 받지 않도록 하는데 있다. 

이 곡선에서 X-축은 Q (유량), Y-축은 H (양정) 또는 p (압력)를 표시 하고 있다.

 

<그림 2> 전형적인 원심펌프의 유량-양정 곡선(Source: 태진에프티 기술자료)

 

 

효율(η) 곡선

이 곡선은 펌프의 η(효율)을 % 단위로 나타내고 있다. 

효율은 공급 동력과 소비 동력 사이의 관계를 말한다. 펌프를 사용함에 있어서 효율 ηₚ 는 유체를 이동하는데 드는 동력(PH)과 축에 공급되는 동력(P₂)의 관계로 정의된다.

 

● ηₚ = PH/P₂ = (ρ.g.Q.H)/P₂

 

여기서,

ρ 는 밀도 [kg/m³]

g 는 중력 가속도 [m/s²]

Q 는 유량 [m³/s] 

H 는 양정 [m]

 

모든 펌프의 곡선들은 효율이 가장 높은“최고점 (ηmax)”을 하나씩 가지고 있다.

펌프의 효율은 펌프의 크기 및 생산 품질/설치의 적합성에 따라서 달라진다. 일반적으로 소형 펌프의 효율이 대형 펌프의 효율보다 떨어진다.

 

섭씨 20℃인 물을, 유량 Q [m³/s] , 양정 H [m] 로 이송하는데 소요되는 동력은 아래의 식으로 나타내어 진다.

 ● PH =2.72·Q·H[W]

 따라서, 효율곡선에서 보는 바와같이, 펌프의 효율은 운전점에 따라 다양하게 변화한다. 펌프를 선정할 때 필요 유량에 적합한 펌프를 선정하는 것과 펌프를 최적 유량 범위에서 운전하는 것은 중요한 일이다.

 

<그림 3> 전형적인 원심펌프의 효율 곡선(Source: 태진에프티 기술자료)

 

 

소비 동력(P₂) 곡선

 대부분의 원심펌프 소비 동력 곡선은 다음 그림 4에서 볼 수 있는 그래프와 유사한 그래프이며 소비동력 P₂는 유량이 증가함에 따라 증가한다.

소비 동력 곡선에서 Y-축은 P(유효동력), X-축은 Q를 표시하고 있으며 다음과 같은 식으로 표현된다. 

<그림 4> 전형적인 원심펌프의 소비 동력 곡선(Source: 태진에프티 기술자료)

 

 

NPSH (정미흡입수두) 곡선

NPSH (Net Positive Suction Head) 곡선은 펌프 에서의 압력 손실량을 나타낸다.

정미흡입 수수는 펌프의 흡입에서 캐비테이션이 생기지 않기 위해 필요한 흡입측 최소 압력이다. 정미흡입수두의 단위는 미터[m]이며 이는 유량에 따라 그 값이 변한다. 유량이 증가할 때 정미흡입수두도 같이 증가하는 것을 알 수 있다. 

NPSH 곡선에서 Y-축은 H (양정)이고 X-축은 Q (유량)를 나타낸다.

 

<그림 5> 전형적인 원심펌프의 NPSH 곡선(Source: 태진에프티 기술자료)

 

 

시스템 특성 곡선

시스템 특성 곡선은 시스템의 압력 손실량을 유량에 따라 나타낸 곡선이다.

 

이 곡선의 시작점은 시스템의 종류에 따라서 달라진다.

a. 폐쇄형 시스템 (액체 순환 시스템)의 경우에는

이 곡선이 항상 0.0 좌표 (유량 0, 양정 0)에서 시작한다.

 

b. 개방형 시스템 (액체 이송 시스템)의 경우에는

Hgeo (위치적인 높이)에 따라서 곡선의 시작 점이 달라진다.

 

<그림 6> 시스템 특성 곡선(Source: 한국그런포스펌프 기술자료)

 

 

 

펌프의 실제 운전곡선

구동되는 펌프의 실제 운전곡선은 펌프 유량-성능곡선에서 시스템 특성 곡선 만큼의 값을 제하여 작성한 곡선으로서 펌프의 실제 운전특성을 나타낸다.

운전점은 Q-H 곡선(Pu or X)과 시스템 특성 곡선(C)이 교차 하는 지점이다.

 

● Pu - C = X

이 곡선은 시스템의 수력학적 연결을 도식적으로 보여준다. 

 

<그림 7> 펌프의 실제 운전곡선(Source: 한국그런포스펌프 기술자료)

 

 

펌프의 회전수와 변수간의 관계

펌프의 회전수 (n)가 변하면 펌프 곡선도 변하게 되고, 각 변수간의 관계는 다음 공식으로 나타낼 수 있다.

 

Q1/Q2 = n1/n2

H1/H2 = (n1/n2)^2

P1/P2 = (n1/n2)^3

 

<그림 8> 각 변수간의 관계(Source: 한국그런포스펌프 기술자료)

 

Reference : 1. 태진에프티 기술자료.

                    2. 한국그런포스펌프 기술자료