1-2 펌 프
1-2-1 펌프의 종류
펌프란 전동기나 내연기관 등의 원동기로부터 기계적 에너지를 받아서, 액체에 운동 및 압력에너지를 주어 액체의 위치를 바꾸어 주는 기계이다. 펌프의 작용은 흡입과 토출에 의해 이루어진다. 흡입작용은 펌프내를 진공상태로 만들어 흡상시키는 것으로, 표준기압 상태에서 이론적으로 10.33[m]까지 흡입시킬 수 있다. 그러나 흡입관내의 마찰손실이나 물속에 함유된 공기 등에 의해 7[m] 이상은 흡상하지 않는다. 표 1.3에 고도에 따른 펌프의 이론상 흡입높이를 나타냈다.
펌프의 종류는 구조 및 작동원리에 따라 표 1.4와 같이 터보형, 용적형, 특수형으로 나누이고, 용도에 따라 급수용, 배수용, 순환용, 소화용, 기름용 등이 있다.
표 1.3 고도에 따른 펌프의 흡입높이
고 도(해 발 m) | 0 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 1,000 | 5,000 |
기 압(수은주 mm) | 760 | 751 | 742 | 733 | 724 | 716 | 674 | 634 |
이론상 흡입높이(수주 m) | 10.33 | 10.20 | 10.08 | 9.97 | 9.83 | 9.7 | 9.0 | 8.6 |
표 1-4 펌프의 종류
형식 | 작동방식 | 종 류 |
터보형 | 원심력식 | 원심펌프 - 볼류트 펌프(volute pump), 터빈 펌프(디퓨저 펌프) |
축류 펌프, 사류 펌프 |
마찰펌프 |
용적형 | 왕복동식 | 피스톤 펌프, 플런저 펌프, 다이어프램 펌프 |
회전식 | 기어 펌프, 나사 펌프, 루츠 펌프, 베인 펌프, 캠 펌프 |
특 수 형 | 기포 펌프, 제트 펌프, 수격 펌프, 와류 펌프, 진공 펌프 점성 펌프, 전자 펌프 |
1. 터보형 펌프
깃(vane)을 가진 임펠러(impeller)의 회전에 의해 유입된 액체에 운동에너지를 부여하고, 다시 와류실(spiral casing)등의 구조에 의해 압력에너지로 변환시키는 형식의 펌프로서, 원심펌프, 사류펌프, 축류펌프가 있다. 그림 1.16에 터보형 펌프의 비교를, 그림 1.17에 임펠러 모양의 계통적 변화를 나타냈다.
터보형 펌프는 용적형 펌프에 비해 진동이 적고 연속송수가 가능하다. 또한 구조가 간단하고, 취급이 용이하며, 운동성능도 양호하다. 토출량은 압력에 따라 변한다.
(a) 원심펌프 (b)사류펌프 (c) 축류펌프
그림 1.16 터보형 펌프의 비교
그림 1.17 임펠러형상의 계통적 변화
(1) 원심펌프(centrifugal pump) 그림 1.16(a)와 같이 물이 축과 직각방향으로 된 임펠러로부터 흘러나와 스파이럴 케이싱에 모아져서 토출구로 이끌리는 펌프로서, 와권펌프라고도 한다. 급수용은 물론 설비의 각종 용도로 가장 많이 사용되고 있는 펌프이다.
원심펌프는 임펠러(회전차;impeller)를 회전시켜 물에 회전력을 주어서 원심력 작용으로 양수하는 펌프로서, 깃(날개;vane)이 달린 임펠러, 안내깃(guide vane) 및 스파이럴 케이싱(spiral casing)으로 구성되었다.
물은 먼저 흡입관을 통하여 임펠러 중심부에 들어가 깃 사이를 통과하는 사이에 회전력을 받아 압력이 증가하고, 안내깃을 지나는 동안 속도에너지는 압력에너지로 변화하면서 스파이럴 케이싱에 들어간다.
안내깃은 임펠러의 바깥둘레에 배치한 고정 깃으로서, 임펠러에서 나오는 빠른 속도의 물을 안내하면서 속도에너지를 압력에너지로 바꾸어 주는 역할을 한다. 스파이럴 케이싱은 임펠러 또는 안내깃에서 나오는 물을 모아서 토출구에 유도하는 것으로, 점차로 통로를 넓게 하여 속도수두를 압력수두로 변화시킨다.
원심펌프는 다음과 같이 분류할 수 있다.
그림 1.18 원심펌프의 구조
① 안내깃의 유무에 따라
○ 볼류트 펌프(volute pump) : 그림 1.19(a)와 같이 임펠러 둘레에 안내깃이 없이 스파이럴 케이싱이 있다. 양정 15[m] 이하의 저양정 펌프이다.
○ 터빈 펌프(turbine pump) : 그림 1.19(b)와 같이 임펠러와 스파이럴 케이싱 사이에 안내깃이 있는 펌프로서, 디퓨저 펌프(diffuser pump)라고도 한다. 양정 20[m] 이상의 고양정 펌프이다. (a) 볼류트 펌프 (b) 터빈펌프
그림 1.19 원심펌프
② 단(stage)수에 따라
○ 단단펌프(single stage pump) : 임펠러가 1개만 있는 펌프로서 저양정에 사용한다.
○ 다단펌프(multi stage pump) : 1개의 축에 임펠러를 여러 개 장치하여 순차적으로 압력 을 증가시켜가는 펌프로서 고양정에 사용한다. 10단 이상의 펌프도 있다.
(a) 단단펌프 (b) 다단펌프
그림 1.20 원심펌프
③ 흡입구의 수에 따라
○ 편흡입펌프(single suction pump) : 흡입구가 한쪽에만 있는 펌프이다.
○ 양흡입펌프(double suction pump) : 흡입구가 양쪽에 있는 펌프로소, 대유량 펌프이다.
(a) 편흡입 펌프 (b) 양흡입 펌프
그림 1.21 원심펌프
그림 1.22 양흡입 펌프의 외형도
(2) 축류펌프(axial flow pump) 그림 1,23에서와 같이 임펠러가 프로펠러형이고 물의 흐름이 축방향인 펌프로서, 저양정(보통 10m이하) 대유량에 사용한다. 농업용의 양수펌프, 배수펌프, 상?하수도용 펌프에 이용되고 있다.
운전중에 임펠러 깃의 각도를 조정할 수 있는 장치가 설치된 가동익 축류펌프와 조정할 수 없는 고정익 축류펌프가 있다. 고정익 축류펌프를 단순히 축류펌프라 부른다.
(a) 구조도 (b) 임펠러의 모양
그림 1.23 축류펌프
(3) 사류펌프(mixed flow pump) 축류펌프와 구조가 거의 같으나 임펠러의 모양은 그림 1.16(b)와 같이 물이 축과 경사방향으로 흐르도록 되어 있으며, 저양정 대유량에 사용되고 있다.
(4) 마찰펌프(friction pump) 그림 1.24와 같이 둘레에 많은 홈을 가진 임펠러를 고속 회전시켜 케이싱 벽과의 마찰에너지에 의해 압력이 생겨 송수하는 펌프로서, 대표적인 것으로는 와류펌프(vortex pump) 일명 웨스코펌프(Westco rotary pump)가 있다. 구조가 간단하고 구경에 비해 고양정이나, 토출량이 적고 효율이 낮다. 운전 및 보수가 쉬어 주택의 소형 우물용 펌프, 보일러의 급수펌프에 적합하다.
(a) 구조도 (b) 임펠러의 모양
그림 1.24 마찰펌프
(5) 보어홀 펌프(bore-hole pump) 깊은 우물물을 양수하는 펌프이나, 수중모터펌프 의 보급에 따라 최근에는 별로 사용되지 않는다. 모터를 지상에 설치하고 펌프의 임펠러 부분과 스트레이너는 우물 속에 넣어 긴 축으로 원동기와 임펠러를 연결하였다. 펌프의 구성은 우물 속에 있는 펌프부분과 이를 구동시키는 지상에 설치된 원동기 부분, 그리고 펌프와 원동기를 연결하는 긴 축부분과 축 외부의 양수관으로 구성되어 있다.
(6) 수중모터펌프(submerged motor pump) 깊은 우물물을 양수하기 위한 펌프이다. 전동기와 펌프를 직결하여 일체로 만들고 여기에 양수관을 접속해서 우물 속에 넣어 전동기도 펌프와 같이 수중에서 작동하는 다단터빈펌프의 일종이다.
그림 1.25 깊은 우물용 펌프(수중 모터펌프)
2. 용적형 펌프
왕복부 또는 회전부에 공간을 두어 이 공간 내에 유체를 넣으면서 차례로 내 보내는 형식의 펌프로서, 왕복펌프와 회전펌프로 나누인다.
용적형 펌프의 특징은 운전 중 토출량의 변동이 있으나, 고압이 발생되며 효율이 양호하다. 압력이 달라져도 토출량은 변하지 않는다.
(1) 왕복펌프(reciprocating pump) 피스톤(piston) 또는 플런저(plunger)가 실린더 내를 왕복운동 함으로서 액체를 흡입하여 소요의 압력으로 압축하여 토출하는 펌프이다. 펌프의 형식에는 여러 가지가 있다. 토출밸브를 피스톤에 장치한 수동형 펌프, 그림 1.27(a)와 같이 봉모양의 플런저가 왕복할 때마다 흡입과 토출을 하는 단동 플런저펌프, 그림 (b)와 같이 플런저의 1왕복마다 2회의 흡입과 토출이 이루어지는 복동 플런저 펌프가 있으며, 이 외에 유량을 많게 하고 토출량의 변화를 적게 하기 위해 단동을 2개 이상 병열로 연결한 펌프도 있다.
왕복펌프는 양수량이 적으나 구조가 간단하며, 고양정(고압용)에 적당하다. 그러나 왕복동에서 생기는 송수압의 변동이 심하므로 토출량의 변화가 있으며 수량조절이 어렵다.
그림 1.26 왕복펌프의 구조
(a) 단동 플런저 펌프 (c) 복동 플런저 펌프 그림 1.27 플런저 펌프
(2) 회전펌프(rotary pump) 1~3개의 회전자(rotor)의 회전에 의해 액체를 압송하는 펌프로서, 구조가 간단하고 취급이 용이하다. 펌프의 특징은 양수량의 변동이 적고, 고압을 얻기가 비교적 쉬우며, 기름 등의 점도가 높은 액체 수송에 적합하다. 회전자의 형상이나 구조에 따라 많은 종류가 있으나 대표적인 것으로는 베인펌프(vane pump), 톱니펌프(gear pump), 나사펌프(screw pump)등이 있다. 그림 1-9는 대표적인 회전펌프의 예를 나타낸 것이다.
(a) 베인펌프 (b) 톱니펌프 (c) 나사펌프
그림 1.28 회전펌프
3. 특수펌프
(1) 기포펌프(air lift pump) 양수관 하단의 물속으로 압축공기를 송입하여 물의 비중을 가볍게 하고, 발생되는 기포의 부력을 이용해서 양수하는 펌프로서 공기양수펌프라고도 한다.
펌프자체에 가동부분이 없어 구조가 간단하고 고장이 적다. 모래나 고형물 등 이물질을 포함한 물의 양수에 적합하다.(그림 1.29)
그림 1.29 공기양수펌프
(2) 분사펌프(jet pump) 수중에 제트(jet)부를 설치하고 벤튜리관의 원리를 이용하여 증기 또는 물을 고속으로 노즐에서 분사시켜 압력저하에 의한 흡인작용으로 양수하는 펌프이다. 가동부가 없어 고장이 적고 취급이 간단하나 효율이 낮다.
증기를 사용하여 보일러의 급수에 사용하는 인젝터(injector), 물 또는 공기를 사용해서 오수를 배출시키는 배수펌프, 깊은 우물의 양수에 사용되는 가정용 제트펌프(흡상높이 12m까지 가능) 등에 사용된다.(그림 1.30)
|
(인젝터) |
그림 1.30 분사펌프
펌프의 용량
1-2-2 펌프의 용량
1. 펌프의 양수량과 구경
(1) 펌프의 양수량 양수량은 단위시간에 펌프에서 송출되는 액체의 양으로서 구경과 유속에 비례한다. 토출량 또는 송출량이라고도 하며, 단위는 [m3/sec], [m3/min], 또는 [ℓ/sec], [ℓ/min] 등이 사용된다.
(2) 펌프의 구경 펌프의 크기는 흡입구경과 토출구경으로 표시한다. 다만, 흡입구경과 토출구경이 동일한 경우는 한 가지 구경으로 표시한다. 일반적으로 흡입구경과 토출구경은 동일하게 하며, 고양정이나 고점성 유체를 취급하는 경우는 흡입관 구경을 1치수정도 크게 한다.
펌프의 구경은 토출량과 흡입구의 유속에 의하여 결정한다.
연속 방정식에 의해,
π
Q = A v = ----- d2 v
4
그러므로
여기에서, Q : 펌프의 양수량 [m3/sec]
A : 흡입관의 단면적 [m2]
v : 흡입구의 유속 [m/sec]
d : 펌프의 흡입구경 [m]
표 1.5 원심펌프의 토출량과 흡입구경의 관계
흡입구경 | 유량범위[㎥/m] | 흡입구경 | 유량범위[㎥/m] |
40mm | ~0.22 | 100mm | 0.8~2.5 |
50mm | 0.12~0.40 | 125mm | 1.0~4.0 |
65mm | 0.25~0.80 | 150mm | 2.0~6.3 |
80mm | 0.50~1.60 | 200mm | 3.15~12.5 |
(3) 펌프 흡입구의 유속 펌프 흡입구의 유속은 1~3[m/sec]를 표준으로 하나, 원동기의 회전수ㆍ흡입양정 등을 고려하여 결정한다. 일반적으로 펌프의 회전수가 큰 경우 유속을 크게 하고 회전수가 작은 경우는 유속도 작게 한다. 또한 흡입양정이 크거나 흡입측의 손실수두가 클 때에는 유입속도를 작게 잡는다.볼류트 펌프의 경우 1.2~1.8[m/sec], 터빈 펌프는 2.0~2.8[m/sec]정도로 한다.
(4) 펌프의 흡입높이
펌프의 흡입높이는 해발높이, 액체의 온도, 액체의 종류에 따라 다르다.
표 1.6 펌프의 흡입높이
(a) 고도와 기압과 펌프 흡입높이와의 관계
해발높이 [m] | 대기압 | 평지에서 흡입 가능양정의 감소량[m] |
[mmHg] | [mAq] |
0 | 760 | 10.33 | 0 |
250 | 740 | 10.06 | 0.3 |
500 | 720 | 9.78 | 0.6 |
750 | 699 | 9.50 | 0.85 |
1000 | 678 | 9.22 | 1.1 |
1250 | 658 | 8.95 | 1.4 |
1500 | 634 | 8.62 | 1.7 |
1750 | 617 | 8.4 | 1.95 |
2000 | 596 | 8.1 | 2.2 |
3000 | 526 | 7.15 | 3.2 |
4000 | 462 | 6.28 | 4.1 |
(b) 물의 온도와 흡입높이와의 관계
급수온도 [℃] | 비 중 | 포화증기압력 [kgf/㎠] | 운전상 안전한 펌프 흡입압력 |
0 | 0.999 | 0.0062 | 7.0 | 흡입양정([m] suction head |
20 | 0.998 | 0.024 | 6.5 |
40 | 0.992 | 0.075 | 5.0 |
60 | 0.983 | 0.203 | 3.0 |
70 | 0.978 | 0.318 | 1.5 |
75 | 0.975 | 0.393 | 1.0 |
80 | 0.972 | 0.483 | 0.0 | 압입압력 [kgf/㎠] Inlet pressure |
85 | 0.969 | 0.589 | 0.1 |
90 | 0.965 | 0.715 | 0.25 |
95 | 0.962 | 0.862 | 0.4 |
100 | 0.958 | 1.03 | 0.5 |
110 | 0.951 | 1.46 | 1.0 |
120 | 0.943 | 2.03 | 1.5 |
130 | 0.935 | 2.76 | 2.3 |
140 | 0.926 | 3.69 | 3.3 |
150 | 0.917 | 4.86 | 4.8 |
160 | 0.907 | 6.3 | 6.4 |
180 | 0.887 | 10.2 | 10.5 |
200 | 0.865 | 15.9 | 16.8 |
(c) 비중과 흡입높이와의 관계
액 체 명 | 수 은 | 유 산 | 바닷물 | 물 | 석 유 | 알 콜 |
평균비중 | 13.596 | 1.85 | 1.026 | 1.0 | 0.88 | 0.794 |
이론상의 흡입높이[m] | 0.762 | 5.578 | 10.058 | 10.336 | 11.375 | 13.015 |
2. 펌프의 양정
펌프가 액체에 주는 압력 에너지?속도 에너지 등 에너지의 총합을 펌프의 전양정(total head)이라 한다. 그림 1.31의 흡수면에서 펌프 중심까지의 수직높이를 흡입양정(suction head), 펌프 중심에서 토출수면까지의 수직높이를 토출양정(delivery head)이라 하며, 흡입양정과 토출양정의 합을 실양정(actual head)이라고 한다. 즉 펌프가 물을 흡입수면에서 토출수면까지 양수하기 위해서는 실양정에 상당하는 에너지와 관내의 마찰손실이나 기타 손실에 상당하는 만큼의 에너지를 물에 가해야한다. 따라서 전양정은 다음과 같다.
v2
H = Ha + Hf + -----
2g
v2
= Hs + Hd + Hf + ----
2g
여기에서, H : 전양정[m]
Ha : 실양정[m]
Hs : 흡입양정[m]
Hd : 토출양정[m]
Hf : 마찰손실수두[m]
v2
----- : 토출구의 속도수두[m]
2g
그림 1.31 펌프의 양정
여기서 토출구의 속도수두 v2/2g은 소요수량을 토출관 말단에서 토출시키는데 필요한 에너지로서, 유속이 작은 경우는 값이 극히 작기 때문에 일반 설비에서는 생략해도 큰 차이가 없다. 따라서 펌프의 전양정을 아래의 식으로 구하는 경우가 많다.
H = Ha + Hf
= Hs + Hd + Hf
펌프의 실양정은 흡입측과 토출측의 수위 또는 펌프의 설치위치에 따라 그림 1.32와 같다.
그림 1.32 수위에 따른 펌프의 실양정
3. 펌프의 동력
펌프의 전양정 H[m]에 대해 토룰량 Q[m3/sec]를 수송하기 위한 펌프의 동력 L[W, KW]은 다음에 의해 구할 수 있다.
(1) 수동력 수동력(water power)이란 펌프가 액체에 주는 에너지, 즉 펌프내의 임펠러가 회전하여 유체에 주어지는 이론동력이다.
Lw = ρgQH [W]
여기에서, Lw : 수동력[W]
ρ : 물의 밀도[kg/m3]
g : 중력 가속도[9.8m/s2]
Q : 펌프의 토출량[m3/sec]
H : 펌프의 전양정[m]
☞ 중력단위계
γQ H γ Q H
Lw = ---------- [KW] 또는 Lw = ---------- [PS]
102 75
여기에서, Lw : 수동력[KW] 또는 [PS]
γ : 물의 비중량[kgf/m3]
Q : 펌프의 토출량[m3/sec]
H : 펌프의 전양정[m]
※ 1[kW] = 102[kgfㆍm/sec] = 1.36[PS]
1[PS] = 75[kgfㆍm/sec] = 0.75[KW]
(2) 축동력 축동력(shaft power ; brake power)은 원동기에 의해 펌프를 운전하는데 필요한 실제동력으로서, 펌프 내에서 생기는 손실동력분많큼 수동력보다 더 커야 한다. 즉 축동력을 Ls라 하면 펌프의 효율ηp는 수동력과 축동력의 비이므로,
Lw
ηp = -------
Ls
따라서 축동력은,
ρgQH
Ls = ----------- [W]
ηp
☞ 중력단위계
γ Q H γ Q H
Ls = ---------- [KW] 또는 Ls = ---------- [PS]
102ηp 75ηp
펌프 효율은 펌프의 형식이나 구경에 따라 값이 다르며, 그 일예를 그림 1.33에 나타냈다. 여기서 A효율은 펌프의 토출량이 최대로 되었을 때의 최저 효율이고, B효율은 시방(示方) 토출량에서의 최저효율이다.
(3) 원동기 소요동력 펌프를 구동하는데 필요한 원동기의 소요동력은 축동력 Ls보다 어느 정도 여유가 있어야 한다.
LS(1+α)
L = -----------
ηt
여기에서, L : 원동기의 소요출력[W] [KW] 또는 [PS]
α : 여유율 (전동기 = 0.1~0.2, 엔진 = 0.15~0.25)
ηt : 전달효율 (전동기 직결 = 1.0, 벨트장치 = 0.9~0.95)
전동기의 경우 전달효율이 1.0이므로
ρgQH
L = ----------- (1+α)[W]
ηp
☞ 중력단위계
γ Q H
L = ---------- (1+α)[KW]
102ηp
γ Q H
또는 L = ---------- (1+α)[PS]
75ηp
물의 경우는 밀도 및 중력 가속도의 값을 위 식에 대입해서, 토출량 Q를 ℓ/min으로 나타내고 축동력의 단위를 KW로 하면 다음 식으로 표시된다.
0.163QH
L = -------------- (1+α)×10-3 [KW]
ηp
(주) 펌프효율의 최고치는 그 토출양이 그림의 A효율 이상이어야 한다. 또 규정 토출량에서의 펌프 효율은 그림의 B효율 이상이 아니면 안 된다.
그림 1.33 펌프의 효율
표 1.7 원심펌프의 구경과 효율과의 관계
구 경(A) | 40 | 50, 65 | 75(80) | 100 | 125 | 150 | 175 |
효 율(%) | 40~48 | 45~55 | 50~62 | 55~65 | 64~72 | 66~75 | 68~76 |
[예제 1-6] 토출량이 600[ℓ/min]이고 관로의 전손실수두가 5[mAq]인 펌프가, 1[m] 아래에 있는 물을 30[m]의 높이에 양수하려 할 때 펌프 원동기의 축동력[KW]을 구하라? 다만, 효율은 70%로 하고 물의 밀도는 4℃를 기준으로 하며, 펌프 토출구의 속도수두는 무시한다.
(풀이)
전양정 ⇒ H = Hs + Hd + Hf = 1 + 20 + 5 = 26[m]
0.6
토출량 ⇒ Q = 600[ℓ/min] = ---------- [m3/sec]
60
ρgQH 103×9.8×0.6×26
Ls = ---------- = ------------------------ = 3,640[W] = 3.64[KW]
ηp 60×0.7
☞ 중력단위계
γ Q H 103×0.6×26
L = ---------- = -------------------- = 3.64[KW]
102ηp 102×60×0.7
[예제 1-7] 35[m] 높이에 있는 고가탱크에 매시 18[m3]의 물을 양수하기 위한 양수펌프의 구경과 원동기의 소요동력을 구하라? 이때 펌프의 흡입높이는 3[m]이고 관로 마찰손살수두는 11[m]이다. 다만, 펌프 흡입구의 유속은 2[m/sec]펌프, 효율은 60%이고 전동기 직결식으로 한다. 또한 물의 밀도는 4℃를 기준으로 하며, 펌프 토출구의 속도수두는 무시한다.
(풀이)
① 펌프의 구경
= 0.0564[m] = 56.4[mm]
② 소요동력
H = Hd + Hs + Hf = 35 + 3 + 11 = 49[m]
ρgQH 103×9.8×18×49
L = ---------- (1+α) = ------------------------- ×1.15 = 4602[W]
ηp 60×60×0.6
☞ 중력단위계
γ Q H 103×18×49
L = ----------(1+α) = ------------------------- × 1.15 = 4.604[KW]
102 ηp 102×60×60×0.6
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.
Q1/2
Ns = -------- N
H3/4
여기에서, Ns : 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.
Ns가 같으면 펌프의 크기에 관계없이 동일 형식이며 특성도 대체로 같다. 일반적으로 고양정ㆍ소유량일수록 Ns는 작고, 저양정ㆍ대유량 펌프일수록 Ns는 커진다. 또한 토출량과 양정이 같아도 회전수가 다르면 Ns도 달라지며 회전수가 높을수록 Ns가 높아진다.
그림 1.34 임펠러의 모양과 Ns 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 Ns에 따라 곡선형상이 정해지며, 펌프의 선정이나 운전 시 펌프의 성능을 예측할 수 있다.
그림 1.36 특성곡선
Ns에 따른 특성곡선의 일반적인 경향으로서는 Ns가 높은 것은 토출량-전양정곡선의 구배가 가파르고 토출량이 0일 때의 전양정(체절양정)은 설계점의 전양정에 비해 대단히 높아진다(그림 1.37,a). 이에 비해 축동력곡선은 Ns가 낮을 경우는 토출량의 증가에 따라 증가하나 Ns가 높아지면 반대로 체절점에서 가장 크고 토출량의 증가에 따라서 축동력이 감소하는 경향이 된다(그림 b). 또한 토출량-효율곡선에서는 Ns가 낮을 때 어느 정도 평탄한 형상이 되나 Ns가 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 Ns에 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(NPSHav)는 다음 식으로 정리된다.
NPSHav = Ha - Hv - Hs - Hf
여기에서, NPSHav =:유효 흡입수두(Available NPSH)[m]
Ha : 흡입측 수면의 대기압 수두[m] (P /ρg)
Hv : 그대의 온도에 상당하는 포화증기압력을 수두로 나타낸 것[m]
Hs : 펌프의 흡입양정[m](흡입시는 : - , 압입에는 : +)
Hf : 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
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