펌프의 특성

[hvacyoon]

1-2-3 펌프의 특성

  1. 비교회전도(비속도)

  실제펌프와 기하학적으로 닮은 펌프를 가상하고, 이 가상펌프가 토출량 1[m³/min], 전양정 1[m]가 되도록 그 임펠러에 주어져야 할 매분 회전수를 실제 임펠러의 비교회전도(specific speed)라 하며, 아래와 같은 식으로 나타낸다.     

                Q^1/2

         N_s ＝ -------- N 

                H^3/4

         여기에서,  N_s : 비교회전도[m³/minㆍmㆍrpm]

                    N : 실제 펌프의 회전수[rpm]

                    Q : 펌프의 토출량[m³/min] - 양흡입 펌프에서는 1/2로 한다.

                    H : 펌프의 전양정[m] - 다단펌프일 경우 1단의 양정

  비교회전도는 터보펌프의 임펠러 형식을 나타내는 대표적인 수치로서, 각종 펌프의 특성연구, 설계, 선정을 위하여 수량으로 비교하는 표준치이다.

  N_s가 같으면 펌프의 크기에 관계없이 동일 형식이며 특성도 대체로 같다. 일반적으로 고양정ㆍ소유량일수록 N_s는 작고, 저양정ㆍ대유량 펌프일수록 N_s는 커진다_. 또한 토출량과 양정이 같아도 회전수가 다르면 N_s도 달라지며 회전수가 높을수록 N_s가 높아진다.

     

그림 1.34  임펠러의 모양과 N_s 및 펌프의 종류 비교

            

그림 1.35  임펠러의 형상

  2. 특성곡선

  특성곡선(characteristic curves)이란 펌프의 성능을 나타내는 곡선으로, 펌프를 일정 회전수 N[rpm]으로 운전하여 토출량 Q[m³/min]의 변화에 대해 각각의 전양정 H[m], 효율 η, 축동력 L[PS ; KW]의 변화를 그림 1-36과 같이 하나의 선도로 표시한 것이다. 이 특성곡선은 N_s에 따라 곡선형상이 정해지며, 펌프의 선정이나 운전 시 펌프의 성능을 예측할 수 있다.

              

그림 1.36  특성곡선

  N_s에 따른 특성곡선의 일반적인 경향으로서는 N_s가 높은 것은 토출량-전양정곡선의 구배가 가파르고 토출량이 0일 때의 전양정(체절양정)은 설계점의 전양정에 비해 대단히 높아진다(그림 1.37,a). 이에 비해 축동력곡선은 N_s가 낮을 경우는 토출량의 증가에 따라 증가하나 N_s가 높아지면 반대로 체절점에서 가장 크고 토출량의 증가에 따라서 축동력이 감소하는 경향이 된다(그림 b). 또한 토출량-효율곡선에서는 N_s가 낮을 때 어느 정도 평탄한 형상이 되나 N_s가 높아짐에 따라 곡선의 최고점 근처의 곡율반경이 작아져 토출량이 변화했을 때의 효율저하가 크게 된다(그림 c). 펌프의 선정 시는 이러한 특성상의 점에서 주의할 필요가 있다. 

     (a)토출량-전양정곡선            (b)토출량-축동력곡선             (c)토출량-효율곡선

                             그림 1.37  N_s에 따른 각종 펌프의 특성비교

  3. 상사법칙           

  동일 펌프를 회전수가 다르게 운전 할 경우 토출량 Q[m³/min], 양정 H[m], 축동력 L[KW]은 회전수 N[rpm]에 비례하는 법칙이다. 회전수 N을 N′로 바꿀 때 유량 Q, 양정 H, 축동력 L과의 관계는 다음과 같다.

 1) 토출량은 회전수에 비례하여 변화한다.

           Q′     N′                  N′

 　       ------ = ------    ∴ Q′＝ Q (------)        

           Q       N                    N

 2) 양정은 회전수의 자승에 비례하여 변화한다.

           H′      N′                  N′

          ------ = (------)²   ∴ H′＝ H (------)²       

            H        N                    N          

 3) 축동력은 회전수의 3승에 비례하여 변화한다.

           L′      N′                  N′

           ------ = (------)³   ∴ L′＝ L (------)³       

            L        N                    N   

  위의 관계를 펌프의 상사법칙 또는 비례법칙(law of ratio)이라 한다. 이 법칙은 N, N′의 차이가 크지 않을 때 적용되며 차이가 다소 커지면 효율이 변하므로 다소 비례차가 다르다.

  [예제 1-8]  양정 50[m], 토출량 0.3[m³/min]로 운전되는 펌프에서 회전수가 1800[rpm]에서 1,500[rpm]으로 변화되었다면 토출량과 양정은 각각 얼마인가?

  (풀이)

                      N′       1,500

        　 Q′＝ Q (------)  = (-----------)× 0.3 = 0.249[m³/min]

                     N         1,800

                    N′        1,500

          H′＝ H (------)²  = (-----------)²× 50 = 34.7[m]

                     N          1,800

  4. 캐비테이션과 NPSH

  (1) 캐비테이션

  캐비테이션(cavitation)은 펌프의 내부 또는 흡입관내에서 물이 증발하여 거품이 생김으로서 공동(空洞)이 발생하는 현상이다. 이 공동은 흡입관내 압력이 그 당시 수온의 포화증기압 이하가 되었을 때 물의 증발로 인하여 발생하거나, 또는 흡입관내 물의 온도가 높아졌을 때 물속에 흡수된 공기가 분리되어 발생한다.

  생성된 공동은 압력이 높은 부분으로 왔을 때 급격하게 눌려 국부적으로 비정상적인 진동・소음이 발생하고, 펌프의 성능이 저하되며 압력이 더욱 낮아질 경우 양수불능이 된다. 또한 캐비테이션이 발생하고 있는 상태로 오랜 시간 사용하면 발생부 근처의 표면에 침식(erosion pitting)이 생겨 재료를 손상시키고 심할 경우 파손이 우려된다.

  (2) NPSH

  캐비테이션 발생을 방지하기 위해서는 펌프 내에서 포화증기압 이하의 부분이 생기지 않도록  해야 한다. 즉 펌프 내에서 캐비테이션이 일어나지 않는 압력을 유지해야 하는데, 이 압력을 수두로 나타낸 것을 펌프의 유효흡입수두(net positive suction head)라 한다. 이 유효흡입수두는 펌프가 설치되는 환경조건에 따라 정해지는 수두(유효 NPSH)와, 펌프 자신의 내부조건에서 정해지는 수두(필요 NPSH)의 두 가지를 고려해야 한다.

  캐비테이션이 일어나지 않고 흡상할 수 있는 실양정 즉 유효흡입수두(NPSH_av)는 다음 식으로 정리된다.

         NPSH_av = H_a - H_v - H_s - H_f

         여기에서, NPSH_av =:유효 흡입수두(Available NPSH)[m]

                 H_a : 흡입측 수면의 대기압 수두[m] (P /ρg)

                 H_v : 그대의 온도에 상당하는 포화증기압력을 수두로 나타낸 것[m]

                 H_s : 펌프의 흡입양정[m](흡입시는 : － , 압입에는 : ＋)

                 H_f : 흡입관의 손실수두[m]

  (3) 캐비테이션 방지 방법

  펌프 내에서의 압력이 그 당시 수온에서의 포화증기압 이하가 되지 않도록 해야 한다. 그러기 위해서는 전술한 바와 같이 유효NPSH를 필요NPSH보다 크게 할 필요가 있다. 그러나 필요NPSH를 적게 하는 것은 펌프 설계 제작상의 문제이고, 펌프 사용상 유효NPSH를 크게 하기 위해서는 다음 사항을 고려해야 한다.

    ① 펌프의 설치위치를 될수록 낮추고 흡입양정을 작게 한다.

    ② 흡입관은 가능한 한 짧게 배관한다. 부득이 길게 할 경우는 흡입관을 점차 굵게 해서 손실을 감소시킨다.  

    ③ 흡입측에서 펌프의 토출량을 조여서 줄이는 것은 절대로 피한다.

  5. 수격작용

  (1) 수격작용이란

  배관내의 유체의 흐름을 갑자기 막으면, 막힌 점의 유체는 압축되어 급격히 압력이 상승되고, 이 상승압력은 압력파가 되어 막힌 지점과 급수원 사이를 왕복하며, 마침내 그림 1.38과 같이 점차로 상실되어 정지 상태로 되돌아간다. 또한 정지되어 있는 유체를 갑자기 흐르게 하면 압력이 저하한다. 이와 같이 배관내의 운동 상태를 급격히 변화시킴으로서 정상압력보다 높거나 낮은 압력이 발생하는 현상을 수격작용(water hammering)이라 한다. 

  수격작용에 의해 일어나는 압력상승이 과대한 경우는 소음을 발생시키며, 배관ㆍ이음쇠ㆍ밸브류ㆍ기기류 등을 진동시켜 누수를 발생시키고 파손의 원인이 되기도 한다.

  수격작용에 의한 충격압의 크기는 Joukowsky식에 의하면, 배관 내 유속을 [m/s]로 나타낸 값의 약 14배에 상당하는 압력[kgf/cm²]으로 나타난다. 예를 들어 관내 유속이 2[m/s]일 때에 수격작용이 발생하면, 2× 14 = 28[kgf/cm²]의 순간압력이 발생한다.

                     

그림 1.38  수격작용의 형태

  (2) 펌프의 수격작용  경감대책

  운전 중의 펌프가 정전 등에 의해 급격히 끊길 때, 펌프를 급격히 기동할 때 또는 밸브를 급격히 개폐할 때는 펌프내의 압력이 급격히 상승하거나 하강한다. 순간적인 압력상승은 충격파로 이어지고, 이 충격파의 반복운동으로 펌프에 진동과 소음을 발생시키며, 심한경우 펌프ㆍ밸브ㆍ관로 등이 파손될 우려가 있다.

  이러한 펌프의 수격작용은 1단계로 압력강하가 발생하고 2단계에서 압력상승이 생긴다. 처음의 압력강하가 크면 그만큼 상승도 커진다. 따라서 수격작용을 경감시키기 위해서는 압력강하와 압력상승의 방지대책을 강구해야 한다.

  1단계의 압력강하를 완화하기 위해서는 대용량 펌프의 경우는 플라이 휠(fly wheel)을 설치하거나 펌프 가까이에 서지탱크(surge tank)를 설치한다. 또는 공기실을 설치하거나 관내 유속을 작게 함으로서 완화시킬 수 있다.

  압력상승을 방지하기 위해서는 급폐용 체크밸브를 설치한다. 보통 체크밸브는 역류시 폐쇄지연이 생겨 역류가 커진 후에 밸브가 급히 닫히므로 압력상승이 크게 된다. 또는 폐쇄속도를 2~3단으로 한 완폐용 체크밸브를 설치하거나 안전밸브를 설치한다.

                  (외형도)                                  (구조도)

               그림 1.39  완폐용 체크밸브(스모렌스키 밸브)의 예