터보기계의 종류

 

터보기계(turbo machine)란 펌프 및 터빈의 다양한 형태들로 구성되며, 이들 유체기계는 유체 및 회전 블레이드 사이에서 에너지를 전달하는 기계를 말한다.

 

 

터보기계의  종류

• 펌프 : 팬과 압축기, 송풍기를 포함. 유체에 에너지를 추가.
• 터빈 : 유체로부터 에너지를 감소

 

동역학적 유체기계 (dynamic fluid devices) 

유동이 회전 블레이드와의 동적인 상호작용으로 변화하는 기계로서 축류 기계, 반경류 기계, 혼류형 기계를 말한다.

 

• 축류  기계(axial-flow machine) : 유체가 회전축을 따라 흐르는 경우.
• 반경류  기계(radial-flow machine) : 회전 블레이드로 인해 반경방향으로 유동을 형성.
• 혼류형  기계(mixed-flow machine) : 유동을 반경방향 및 축방향으로 형성.

<그림 1> 동역학적 유체기계

 

 

축류 펌프

• 높은 유량을 생산하지만, 상대적으로 낮은 압력 에서 유체를 이동시키는 단점.
• 이러한 펌프의 형태는 낮은 지대로부터 의 액체를 흡입하는 데 효율적.
• 유체를 끌어올리는 과정에서 유동방향의 변화를 없애기 위해서 이러한 장치가 설계. 

  유체들은 축방향으로 들어갔다가 빠져나오게 됨

 

▶임펠러(impeller) : 회전축에 고정된 베인 또는 블레이드로 구성. 유체에 에너지가 공급.
▶고정익(stator vanes) : 고정된 디퓨저 베인은 유체속도의 회전 성분을 제거하기 위해 하류 측에 위치.
  대부분의 경우에는 수직 상승 유동이 발생되지만, 초기 소용돌이가 수반되는 유동일 경우에는 고정익이 상류 측에 위치할 경우도 있음.

 

 

반경류  펌프

• 산업에서 가장 일반적으로 사용되는 펌프의 유형.
• 축류 펌프보다 낮은 유량을 발생.그러나 높은 압력의 유동을 생성. 
• 반경류 펌프는 펌프의 중심에 있는 축방향으로 액체가 유입되도록 설계.

  →유입된 유체는 <그림 2>처럼 반경방향으로 임펠러로 향함. 

 

<그림 2> 반경류 펌프

 

• 펌프의 작동원리
→ 날개의 회전으로 인하여, 액체의 상승유동이 형성된.
→ 축류 펌프일 때와 마찬가지로 날개 입구의 압력을 떨어뜨려서 액체를 상승 

→ 액체는 각각의 블레이드를 흘러나와서 펌프의 케이싱으로 들어감.
▶액체가 유동하는 방식 때문에, 이러한 펌프의 유형을 원심 (centrifugal) 또는  벌류트 펌프(volute pump)라고 함.

 

 

충동  터빈(impulse turbine)

• <그림  3>에 나타낸 바와 같이 바퀴에 연속적으로 부착된 ‘버킷’으로 구성되어 있고, 두 개의 컵 모양의 버킷을 사용하여 유동이 두 방향으로 균일하게 나눠지게 하는 장치를 펠톤  수차(Pelton wheel)라 한다.
• 고속 물 제트가 버킷에 충돌하고, 물의 운동량은 바퀴에 작용하는 각운동량으로 전환.

<그림 3> 충동  터빈

 

 

반동  터빈

• 블레이드 또는 회전차에 상대적으로 유속이 낮은 유체가 지나가지만, 큰 부피의 유체를 처리할 수 있음.
• 결과적으로, 터빈 케이싱에는 유체가 완전히 가득 차게 됨.
▶프로펠러  수차: 터빈이 축방향의 유동에 의해 작동하도록 설계된 경우로 느린 유동과 낮은 낙차에서 사용.

▶카플란  수차 : 블레이드는 다양한 경우의 유동을 수용할 수 있도록 조정이 가능

 

 

<그림 4> 반동  터빈

 

 

공동현상과  정미  유효  흡입  수두

펌프의 성능을 제한할 수 있는 중요한 현상은 케이싱 내의 압력이 공동 현상을 발생시키는 한도 이하로 내려갈 때 발생한다. 

• 공동 현상(cavitation): 액체 내의 압력이 액체의 포화증기압 이하로 떨어질 때 발생.
• 반경류 펌프는 일반적으로 임펠러의 중심에서 압력이 최소가 되기 때문에 흡입면에서 공동현상이 발생.
• 공동현상이  발생할  때, 액체가  비등하게  되어  액체  내에  기포나  공동이  형성. 
→ 기포가 임펠러의 블레이드를 따라 이동할 때, 기포가 갑자기 붕괴될 수 있는 고압 영 역에 도달.
→ 기포의 격렬한 붕괴는 인접한 단단한 표면에 반복적으로 충격을 주는 압력파를 발생 시키며, 결국 재료 피로와 표면의 마모를 발생. 
→ 마모 과정은 부식이나 다른 전기 기계적 효과에 의해 더욱 악화됨.
• 공동현상은 진동과 소음을 유발시키는데, 이 소음은 케이싱의 가장자리에 바위나 조약 돌로 치는 소리와 유사. 공동현상이 한 번 발생하면, 펌프의 효율은 급격하게 떨어짐.

 

▶특정한 펌프에 대해 펌프의 흡입면에서 공동현상이 발생하기 시작하는 임계 흡입 수두가 존재함.
▶임계 흡입 수두: 실험적으로 결정되며, 주어진 유량에서 수면으로부터 펌프의 고 도를 변화시킴으로써 결정할 수 있음. 
▶유체를 펌프로 이동 시키기 위한 파이프의 수직 길이가 증가할 때, 펌프 효율이 갑자기 떨어지는 곳이 임계고도가 됨.

 

 

• 공동현상을 예방하기 위해서는 다음이 요구: (NPSH)avail  ≥ (NPSH)req'd

 

서징(surging)이란?
작동 점을 찾기 위해 임펠러가 앞뒤로 요동하면서 급속한 압력 변화를 일으키는 현상.