사업 현장에서 유체 이송에 가장 많이 사용하고 있는 원심 펌프에 대해 그 이론적인 배경을 공유하고자 한다.
다음 내용은 태진에프티 기술자료 중 원심펌프 이론 관련 자료를 바탕으로 작성되었다.
원심 펌프 개요
기본 작동 원리
임펠러 중앙에 있는 펌프의 흡입구(suction eye)를 통해 유체가 펌프 안으로 들어 간 뒤, 유체와 회전하는 임펠러 사이의 마찰에 의해 유체가 회전하게 되고, 회전하는 유체는 원심력에 의해 임펠러 밖으로 밀려난다. 이는 가운데를 중심으로 회전하는 물체가 중앙에서 밀려나게 하는 현상으로 유체가 운동에너지를 얻는 방법이다.
그림 1은 펌프 내에서 유체의 흐름을 보여 주고 있다.
유체가 얻는 에너지의 양은 세 가지 요소인 액체의 밀도, 회전하는 임펠러의 속도, 임펠러의 직경에 의히 결정된다.
<그림 1> 펌프내부 유체흐름(Source: 태진에프티 기술자료)
원심 펌프 구분
펌프가 정지하고 있더라도 시스템의 압력차이가 있다면, 유체는 임펠러의 개방 구조로 인해 내부를 통과할 수 있다.
원심 펌프는 다음 그림 2와 같이 원류 펌프, 사류펌프, 축류 펌프의 세 가지로 구분되어진다.
<그림 2> 원심 펌프 내부 구조(Source: 태진에프티 기술자료)
다음 그림 3은 유량과 양정에 따라 서로 다른 펌프의 종류를 나타내고 있다.
<그림 3> 원심 펌프에 적용되는 유량과 양정(Source: 태진에프티 기술자료)
임펠러 종류 (축방향 하중)
원심펌프는 압력을 발생시키고, 이러한 압력은 펌프의 정지부 및 회전부에 하중을 가중시킨다. 펌프 부품은 이러한 하중을 견딜 수 있도록 제작된다.
만약 축방향 하중과 반경방향 하중이 펌프 내부에서 평형을 이루지 않는다면, 펌프의 구동기를 선정할때 이를 고려하여야 한다.(모터의 앵귤러 콘택트베어링) 또한 편흡입 펌프에서는 큰 축력이 발생되기도 한다.
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| <그림 4> 단일 흡입 임펠러(Source: 태진에프티 기술자료) | <그림 5> 단일 흡입 임펠러의 표준 펌프(Source: 태진에프티 기술자료) |
케이싱 종류 (반경 방향 하중)
반경 방향 하중은 케이싱 내에 있는 정압의 산물이다. 정압으로 인해 축에 편자가 발생하고 임펠러와 케이싱간의 간섭을 일으키게 된다. 회전력의 크기와 방향은 유량의 비율과 양정에 따라 변하게 된다
펌프의 케이싱을 설계할 때, 수력학적인 반경 방향 하중을 조절하는 것은 가능하다. 다음 그림 6과 같이, 싱글 볼류트 케이싱과 더블 볼류트 케이싱에 있으며, 두 케이싱 모두 볼류트 형태를 하고 있다. 이들 케이싱의 다른 점은 복식 와류 케이싱이 안내 깃을 가지고 있다는 것이다.
<그림 6> 싱글/더블 볼류트 케이싱(Source: 태진에프티 기술자료)
싱글 볼류트 케이싱의 특징은 최적 효율점에서 와류의 압력이 균일하다는 것이다. 여기서 최적 효율점이라는 것은 반경 방향 하중이 0일 때이다. 다른 모든 운전 점에서 임펠러 주변의 압력은 일정치 않고 결과적으로 반경방향 하중은 존재하게 된다.
다음 그림 7에서 보이는 것처럼, 더블 볼류트 케이싱에서는 지속적으로 적은 회전 반발력이 어느 점에서나 나타난다.
<그림 7> 볼류트 케이싱에서 반경 방향 하중(Source: 태진에프티 기술자료)
Reference : 태진에프티 기술자료.
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