본문내용
1. 유체기계
1.1. 축류펌프
1.1.1. 축류펌프의 분류
축류펌프는 단흡입형, 양흡입형, 혼류형, 스크류형, 반축류형, 축류형으로 분류된다.
단흡입형 축류펌프는 유체가 임펠러의 한쪽 면에서만 흡입되는 형식이며, 양흡입형은 임펠러의 양쪽 면에서 흡입되는 형식이다. 혼류형은 임펠러 내부에서 유체의 유동이 반경 방향과 축방향이 혼합되는 형식이고, 스크류형은 임펠러가 나사 모양으로 되어 있는 형식이다. 반축류형은 임펠러 출구에서 유체의 유동 방향이 축방향과 반경방향이 혼합된 형식이며, 축류형은 임펠러 출구에서 유체의 유동이 축방향으로만 흐르는 형식이다.
이와 같이 축류펌프는 회전차의 구조에 따라 다양한 형식으로 분류된다. 각 형식에 따라 펌프의 특성과 적용 분야가 달라지므로, 용도에 맞는 적절한 축류펌프를 선택하는 것이 중요하다.
1.1.2. 축류펌프의 구조
축류펌프의 구조는 단흡입형, 양흡입형, 혼류형, 스크류형, 반축류형, 축류형 등 다양한 회전차로 분류되며, 그 중 축류펌프의 중요한 구조는 프로펠러형의 회전차와 안내깃으로 이루어져 있다.
회전차는 유체의 흡입과 토출을 담당하는 핵심 부품으로, 회전하며 원심력을 발생시켜 유체를 흡입하고 토출한다. 안내깃은 회전차에서 토출된 유체의 속도에너지를 압력에너지로 전환시키는 역할을 한다. 회전차와 안내깃이 함께 작용하여 펌프의 성능을 발휘하게 된다.
축류펌프는 대유량, 저양정, 대비교회전도의 특성을 가지며 고속운전에 적합하고 소형이다. 또한 구조가 간단하고 취급이 용이하며 가격이 저렴한 장점이 있다. 회전차의 구조가 단순하고 날개가 견고해 고형물을 포함한 물도 양수가 가능하여 하수도, 관개용, 농경, 배수용으로 널리 사용된다.
1.1.3. 축류펌프의 오일러 수두식
축류펌프의 오일러 수두식은 회전차 임의의 반경에서 유체에 작용하는 힘을 나타내는 수식이다. 회전차에서 유체가 받는 힘은 유체의 속도 변화에 따른 것으로, 이는 곧 회전차에서의 에너지 변화를 의미한다.
회전차 임의 반경에서의 오일러 식은 다음과 같다.
H = {u_2^2 - u_1^2} / 2g + {v_2^2 - v_1^2} / 2g + {w_1^2 - w_2^2} / 2g
여기서 u는 회전 속도 성분, v는 반경 방향 속도 성분, w는 접선 방향 속도 성분을 나타낸다. 아래첨자 1은 입구, 아래첨자 2는 출구를 의미한다.
회전차 속도 상태와 속도 삼각형에서 u_1 = u_2, v_1 = v_2, v_2^2 = v_2^2 + y_2^2, v_1^2 = v_1^2 + y_1^2, w_2^2 = w_2^2 + y_2^2, w_1^2 = w_1^2 + y_1^2 의 관계가 성립한다.
이를 오일러 식에 대입하면 다음과 같이 정리된다.
H = {v_u2^2 - v_u1^2} / 2g + {w_u1^2 - w_u2^2} / 2g
여기서 v_u2 = u_2 - w_u2, w_u1 = u_1 = u_2이므로 최종적으로 다음과 같이 정리된다.
H = u_2^2 / g - (u_2 w_u2) / g = u_2^2 / g - (u_2 v_w2) / (g tan β_2) = u_2 v_2 cos α_2 / g
이는 회전차의 날개 끝 주속도 u_2와 출구 속도 v_2, 그리고 출구각 α_2로 표현된 오일러 수두식이다. 이 식은 축류펌프의 성능을 분석하는 데 중요한 역할을 한다.
1.1.4. 축류펌프의 날개 이론
축류펌프의 날개 이론은 축류펌프의 이론적인 수두 계산을 다룬다. 축류펌프의 날개 주위를 지나는 유체에 작용하는 힘을 계산하여 이론적인 수두를 구할 수 있다.
먼저, 날개 반경 dr에 대한 유체에 미치는 힘 R의 주방향 성분은 다음과 같다:
F = ZR cos[(90° - (βꝏ + θ))] = ZR sin(βꝏ + θ)
여기서 Z는 날개 개수, R은 힘의 반경 길이, βꝏ은 날개 입구에서의 상대유속 각도, θ는 날개 각도이다.
이 힘에 의해 발생하는 동력은 다음과 같다:
L = Tω = Fdr ω = ZRu sin(β + θ)
여기서 u는 날개 말단의 주속도이다.
날개 면적 dA는 다음과 같이 표현된다:
dA = ydA = y2πrdr
여기서 y는 날개 높이이다.
이를 이용하여 이론 수두 Hth를 구하면 다음과 같다:
Hth = {Fr ω} / {γ dQ} = {ZRu sin(βꝏ + θ)} / {dQ γ}
= CL l / t u / (γ ωꝏ^2 / 2g) {sin (βꝏ + θ)} / cos θ
여기서 CL은 양력계수, l은 날개 길이, t는 날개 간격, ωꝏ은 날개 말단의 각속도이다.
이를 통해 날개 형상에 따른 이론 수두를 계산할 수 있다. 이론 수두는 실제 수두보다 크며, 실제 수두는 다양한 손실에 의해 감소한다.""
1.1.5. 축류펌프의 공동현상
축류펌프의 공동현상은 압력이 증기압 이하로 떨어짐으로써 발생한다. 공동현상이 발생하면 기포가 생성되어 날개 표면에 부딪히면서 진동과 소음을 유발하고 펌프 부품의 수명을 단축시키며 성능을 저하시킨다.
공동현상은 주로 날개 입구 부근 윗면에서 압력이 가장 크게 떨어져 발생한다. 이 때 날개 입구 부근의 압력수두와 증기압수두, 속도수두, 흡입양정 수두손실의 차가 공동현상 발생을 결정한다.
공동현상의 발생 원인으로는 액체와 배관의 온도가 높은 경우, 임펠러의 회전 속도가 너무 큰 경우, 유량이 크고 배관이 길어 마찰 손실이 큰 경우, 흡입관경이 너무 작은 경우 등이 있다.
이를 해결하기 위해서는 임펠러 회전속도 감소, 배관 길이 축소와 관경 확대, 펌프 설치높이 조절 등의 방법을 사용할 수 있다. 또한 공동현상이 발생하면 날개 표면에서 기포가 파괴되면서 발생하는 충격으로 펌프에 심각한 손상을 줄 수 있으므로 이에 대한 대책 마련이 필요하다.
2. 왕복펌프
2.1. 왕복펌프의 원리
왕복펌프의 원리는 다음과 같다.
왕복펌프는 액체나 기체를 흡입하여 압력을 가해 송출하는 장치이다. 이 펌프는 피스톤...
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