펌프의 구조 및 관련 용어

펌프는 전기 모터 등의 원동기에서 기계적 에너지를 받아 유체에 에너지를 전달해 주는 대표적인 유체 기계이다.

펌프의 기본적인 구조와 펌프와 관련된 용어를 공유하고자 한다.

(본 내용은 효일종합상사 PUMP 기술자료에서 발췌한 내용이다.)

 

 

 

펌프의 구조 및 관련 용어

 

펌프의 구조

펌프는 크게 모터부와 펌프부로 나눌 수 있으며 이 두개의 부분을 커플링(Coupling)으로 연결하여 사용한다.

 

<그림 1> 펌프의 기본 구조 명칭(Source:hyoil-pp)

 

<그림 2> 펌프의 주요 구성품 명칭(Source:hyoil-pp)

 

 

펌프 관련 주요 용어

 

다음은 펌프 관련 주요 용어들이다.

 

용어	내용
유량 (Flow, Q)	특정한 시간동안 펌프의 토출구로 분출해내는 유체의 양으로 펌프의 구경과 유속에 의해 결정 -단위 : Liter/min, LPM(분당) 또는 ㎥/hr(시간당)
양정, 수두 (Pump Head)	펌프가 배관을 통하여 얼마나 높이 유체를 밀어 올릴 수 있는 수직 높이 양정(H, m) = 압력(P, kg/㎠) / 비중량(kgf/㎥) -단위 : m
전양정 (Total Head)	펌프가 수면에서부터 끌어 올릴 수 있는(흡입할 수 있는, 흡상) 높이와 토출할 수 있는 (압상) 최대 높이의 합계 -흡입양정 + 토출양정 + 배관마찰손실수두 + 속도수두
실양정 (Actual Head)	물을 높은 곳으로 올릴 경우 수면에서 높은 곳(고가 수조의 수면 또는 배관 최상부 토출부까지의 높이 차이)까지의 수직거리
마찰손실수두 (Friction Head Loss)	토출관 또는 흡입관의 배관을 물이 지날 때 밸브나 관 이음매가 저항을 받기 때문에 이 저항을 일정한 방식에 따라 수두로 환산한 것
속도수두 (Velocity Head)	속도수두는 관중심에서 상부로 올라간 높이 *압력수두 : 관표면(상부)에서 압력에 의해 물수두가 올라가는 높이
토출량 (Capacity, Discharge)	펌프가 토출구를 통해 빠져 나온 유체의 양
토출 양정 (Discharge Head)	펌프 기준면에서 밀어(압상) 올릴 수 있는 높이
흡입 양정 (Suction Head)	펌프 기준면에서 빨아(흡상) 들일 수 있는 높이
운전점 (Operting Point)	성능곡선도에서 실제 펌프가 운전되는 상태를 표시하는 점으로 Q-H 곡선과 시스템 특성 곡선이 교차하는 지점
체절운전 (Shut Off)	펌프의 성능 시험을 목적으로 펌프 토출측의 개폐밸브를 닫은 상태에서 펌프를 운전하는 것 / 펌프가 공회전하고 수온 상승 *체절 양정 : 펌프이 토출측 밸브가 막힌 유량이 0인 상태의 양정
H-Q 곡선 (H-Q Curve)	펌프의 유량과 양정의 관계를 나타낸 곡선, 유량이 증가할수록 펌프의 양정은 감소
펌프효율 (Pump efficiency)	효율이란 출력대비 입력에 대한 비율(공급동력과 소비 동력 사이의 관계)로, 효율이 높다는 것은 낮은 동력원을 바탕으로 많은 일을 할 수가 있다는 것 [펌프 효율] 수동력과 펌프 축동력과의 비 ηp = PH / P2 = ρxgxQxH / P2 x 3600 η:효율 ρ:밀도(kg/㎥) g:중력 가속도(㎨) Q:유량((㎨), H:양정(m)
밀도 (Density)	빽빽히 들어선 정도를 뜻하며 물리학에서는 물질이 포함하고 있는 원자나 분자의 조밀한 정도 의미. 즉, 단위 부피 당 질량을 나타내는 값으로 부피가 일정할 때, 한 물체의 밀도가 클수록 그 물체의 질량은 큼 *단위 체적당 질량 ρ = m/v ρ:밀도, m≒질량, v:체적
비중량 (Specific weight)	단위 부피당 차지하는 무게 *단위 체적당 질량 γ = m/v γ:비중량, w:중량(γ= ρ.g)
비중 (Specific gravity)	어떤 물질의 질량과 그것과 같은 체적의 표준 물질의 질량광의 비. 고체상태에서는 표준물질로 4℃의 물을 사용하고 기체는 표준상태(0℃, 1기압)의 공기, 산소 또는 수소 사용
압력 (Pressure)	단위 면적에 수직으로 작용하는 힘
전압력 (Total Pressure)	면 전체에 작용하는 힘
대기압 (Atmospheric Pressure)	지구를 둘러싼 공기를 대기라 하고 그 대기에 의하여 누르는 압력 표준대기압:1(atm)=760(mmHg)=1033.6mAq
진공계 (Vacuum Gauge)	일정한 탱크나 공간 내부의 진공정도를 나타내는 계기로 펌프의 흡입측에 설치하여 펌프의 흡입 압력을 표시 -측정 범위 : 0~76cmHg
연성계 (Compound Gauge)	진공과 압력을 같이 나타내는 계기, 주로 펌프의 흡입구 측에 설치하여 펌프의 흡입 압력을 표시(0~76cmHg), 토출압력(1~20kg/㎠)도 측정하며 ‘부르동관 압력계’라고 명칭
압력계 (Press Gauge)	배관내의 기체나 액체의 압력을 나타내는 계기(MPa 또는 kgf/㎠) 펌프의 토출측에 설치하여 펌프의 토출 압력을 표시(0.5~200kg/㎠)
임펠러 (Impeller)	임펠러(회전차, Impeller)는 원심 펌프의 내부에서 회전하는 날개로 회전하는 날개의 원심력에 의해 유체에 운동에너지를 주고 이 운동 에너지가 압력으로 변환해 유체를 이송하게 되는 원리로 작동 *Vane(깃) : 액체에 직접 원심력을 가하는 부분 1)closed Impeller : 모래와 결정 같은 고체가 혼입하지 않는 깨끗한 액체에 사용하는 가장 일반적인 Type 2)Semi-open Impeller : 이물질이 퇴적되지 않도록 임펠러 입구측의 Shroud가 붙어 있지 않게 제작한 Impeller 3)Open Impeller : 종이의 원료인 펄프와 같이 큰 마찰이 발생하여 Motor에 과부하 등의 문제가 발생할 수가 있어 이러한 경우에는 Shroud가 모두 붙어있지 않게 제작한 Impeller
캐비테이션 (Cavitation)	펌프 내부에서 흡상 양정이 높거나 유속의 급변, 와류의 발생, 관로에서의 장애 등에 의해 압력이 국부적으로 포화증기압 이하로 내려가 기포가 생성되는 현상 -주로 펌프의 흡입구나 임펠러 날개에서 많이 발생되며 유량과 양정의 감소, 소음 및 진동, 임펠러가 손상되어 고장의 원인이 됨
서징 (Surging)	펌프를 사용하는 관로에서 주기적으로 힘을 가하지 않았어도 토출압력과 토출 유량사이에 주기적인 변동이 일어나 배관에 주기적인 진동과 소음이 발생하는 현상 -서징현상 방지 방법 : 우하향 Q-H 곡선 특성을 갖는 펌프 사용, 공기실 상류측에 위치한 밸브로 유량 조절, 바이패스관을 사용하여 운전점이 우하향 구배 특성 범위에 존재하도록 함
케이싱 (Casing)	Impeller에서 튀어나오는 액체의 속도를 떨어뜨려 압력으로 바꾸는 부품으로 유체가 원심력에 의해 임펠러 바깥쪽으로 빠져나갈 때 방향을 유도해 주면서 유체를 토출구로 보내는 역할
축봉장치 (Shaft Seal)	회전체의 축과 케이싱 사이에 유체가 새지 않도록 기밀을 유지하는 장치 -축봉(軸封) : 펌프 케이싱을 관통하는 축 부분의 기밀(氣密) 또는 수밀을 유지하는 것 -Mechanical Seal : 면 접촉식 밀봉장치로 회전축에 수직된 2개의 섭동면(고정자, 회전자)으로 구성되어 한 면이 회전축과 함께 회전하며 스프링의 장력 또는 유체의 압력으로 회전부의 밀봉을 지속적으로 유지하는 장치 -Gland Packing : 샤프트 축의 밀봉을 유지하고 외부의 오염 물질 유입을 방지하기 위해 설치하는 장치로 일반적으로 섬유 직조로 제작
베어링 (Bearing)	회전체를 지지하는 부분으로 대부분 2군데에 설치, 회전체와 고정부의 마찰손실이 가능한 적도록 주로 구름 베어링(Rolling Bearing)을 사용

 

 

펌프의 양정

 

모든 펌프들의 공통점은 아래쪽에 있는 액체를 위쪽으로 이동시키는 것이다. 펌프는 물을 밀어내는 것은 잘하고 물을 당기는 것은 잘 못한다.

펌프의 사양을 나타내는 대표적인 지표로 토출량(Q)과 양정(H)이 있다. 토출량은 펌프가 단위시간에 뿜어내는 액체의 체적을 나타낸다. 양정은 펌프가 물을 끌어올리는 높이를 나타낸다. 이를 통해 필요로 하는 양의 액체를 목적하는 높이까지 끌어 올릴 수 있는 펌프의 성능을 확인할 수 있다.

 

<그림 3> 흡입양정과 토출양정(Source:hyoil-pp)

 

흡입양정(suction head)은 흡입측 액면에서 펌프 회전차(임펠러)의 중심까지의 높이이다. 흡입양정은 펌프전단에 진공계나 연성계를 설치하여 측정할 수 있다.

 

유효흡입수두(NPSH = Net Positive Suction Head)는 펌프가 캐비테이션(Cavitation) 발생 없이 안전하게 운전될 수 있는가를 나타내는 척도이다.
NPSH 는 NPSHa 와 NPSHr 의 서로 다른 두가지 개념으로 나누어지며, 수두(m) 혹은 압력(bar)으로 표시된다.

1. NPSHa (Available NPSH) - 유효흡입수두, 배관시스템의 설계에 의해 결정됨
펌프의 설치 위치, 흡입관경, 흡입배관 길이, 이송액체의 종류 및 온도 등에 의하여 결정된다.
안전한 펌프 운전을 위해 필요흡입수두(NPSHr) 보다 최소한 1.2~1.3배 정도 크게 유지되도록 시스템을 구성한다.

2. NPSHr (Required NPSH) - 필요흡입수두, 펌프 자체의 설계에 의해 결정됨
펌프 자체에서 발생하는 손실 수두라고 이해하면 무리가 없을 것이며, 펌프의 제작시 펌프 고유의 특성에 의해 결정된다.
* NPSHr값은 펌프 자체에서 발생하는 손실 수두라고 이해해도 무방하다. 즉 펌프 A가 NPSHr 값으로 7m를 가진다면, 대기압 상태에서 기준으로 3m의 물을 흡입할 수 있다는 뜻이 된다. (10m -3m = 7m). 즉 임펠라 중심부터 수면까지의 거리를 3m라고 할 수 있다. NPSHr 값이 낮을수록 펌프 흡입력이 우수하다고 할 수 있다.

 

토출양정(discharge head)은 펌프가 최대로 올릴수 있는 유체의 높이로 흡입양정과 달리 이론적으로는 한계가 없다. 토출 실양정은 펌프의 출력을 증가시킴으로써 높일 수 있다. 토출양정(=토출압)은 토출측에 압력계를 설치해 측정할 수 있다.

 

실양정(actual head)은 펌프가 실제로 양수할 수 있는 높이이다. 즉 실양정은 흡입양정과 토출양정의 합으로 생각할 수 있다. (실양정= 흡입양정+토출양정)

 

전양정(total head)은 실양정에 펌프가 토출한 물의 흐름에 따라 각 관로에 생기는 관내 마찰손실을 고려한 양정을 의미한다. 실제 펌프에서는 배관내 유체의 마찰, 와류, 배관모양, 포화증기압등의 손실이 발생하게 된다. 따라서 전양정은 실양정에 손실양정을 더한 의미이다. (전양정=실양정+손실양정)

 

Reference : https://blog.naver.com/hyoil-pp