본문내용
1. 원심 펌프
1.1. 원심 펌프의 정의
원심 펌프는 압력작용을 이용하여 관을 통하여 유체를 수송하는 기계를 의미한다. 원심 펌프는 회전 운동에너지를 유체 흐름의 유체 역학적 에너지로 변환하여 유체를 이송하는데 사용된다. 회전 에너지는 일반적으로 엔진 또는 전기모터에 의해 발생하게 되며, 유체는 회전축을 따라 또는 근처에서 펌프 임펠러로 들어가고, 임펠러에 의해 가속되어, 출구에서 배출기 또는 반경 방향 바깥쪽으로 흐르게 된다. 이 펌프에서 중심부의 물이 밖으로 나오면 중심부는 압력이 저하되어 진공에 가까워지고 흡수관의 물이 대기의 압력에 의해 임펠러 중심을 향해 흐르게 되어 물은 연속적으로 펌프 작용을 받아 흡상, 압상 되게 된다.
1.2. 원심 펌프의 원리
원심 펌프는 회전 운동 에너지를 유체 흐름의 유체 역학적 에너지로 변환하여 유체를 이송하는데 사용된다. 회전 에너지는 일반적으로 엔진 또는 전기모터에 의해 발생하게 되며, 유체는 회전축을 따라 또는 근처에서 펌프 임펠러로 들어가고, 임펠러에 의해 가속되어, 출구에서 배출기 또는 반경 방향 바깥쪽으로 흐르게 된다. 이 펌프에서 중심부의 물이 밖으로 나오면 중심부는 압력이 저하되어 진공에 가까워지고 흡수관의 물이 대기의 압력에 의해 임펠러 중심을 향해 흐르게 됩니다. 이렇게 하여 물은 연속적으로 펌프 작용을 받아 흡상, 압상 되게 됩니다. 보통 원심펌프의 흡입구가 임펠러의 중심에 있는 것이 바로 이 때문이다. 원심 펌프는 고속 회전이 가능하고, 소형 경량이며 구조가 간단하며 취급이 용이, 효율이 높고 맥동이 적은 특징을 가지고 있다.
1.3. 원심 펌프의 종류
1.3.1. 수직 원심 펌프
수직 원심 펌프는 펌프의 축이 수직인 펌프이다. 보통 펌프는 대부분 횡축 펌프지만 깊은 우물용 펌프나 오수용 펌프의 경우 수직이 적당하다. 수직 원심 펌프의 장점은 설치 장소의 면적이 좁을 때나, 양정이 높아서 캐비테이션이 일어날 우려가 있을 때 사용하면 좋다. 즉, 설치 공간이 제한적이거나 양정이 높은 경우에 적합한 펌프 형태이다.
1.3.2. Froth pumps
Froth pumps는 광업 산업 또는 오일의 추출에 모래와 점토에서 풍부한 미네랄이나 역청을 분리하기 위해 froth를 생성하게 됩니다. Froth는 기존의 펌프를 차단하고 프라임 손실을 유발하는 경향이 있는 공기도 포함합니다. 오랜기간동안 이 문제를 해결할 다양한 방법을 개발했는데 그 중 하나는 펄프 및 제지 업계에서 임펠러에 구멍을 뚫는 방법입니다. 이러한 방법으로 임펠러의 뒤쪽으로 공기가 빠져 나가고, 특수 배출기가 공기를 다시 흡입 탱크로 배출하게 됩니다.
1.3.3. 다단 원심 펌프
다단 원심 펌프는 둘 이상의 임펠러를 포함하는 원심 펌프로, 각 단계에서 유체가 바깥으로 배출되기 전에 중심 센터로 이동하는 구조이다.
임펠러는 동일한 샤프트 또는 다른 샤프트에 장착될 수 있다. 콘센트에서의 압력이 더 높으면 임펠러를 직렬로 연결할 수 있고, 더 높은 유량 출력을 위해서는 임펠러를 병렬로 연결한다. 다단 원심펌프는 보편적으로 보일러 급수 펌프로 이용되며, 350MW 단위의 경우 병렬로 2개의 급수 펌프가 필요로 한다. 각 피드 펌프는 21MPa에서 150I/s를 생산하는 다단 원심 펌프이다.
유체로 전달되는 모든 에너지는 임펠러를 구동하는 기계 에서지에서부터 나오며, 이것은 등엔트로피 압축에서 측정 할 수 있으며, 이 과정에서 약간의 온도 상승이 발생한다.
1.3.4. 단흡입 / 양흡입 펌프
단흡입 펌프와 양흡입 펌프는 임펠러의 흡입 구조에 따른 원심 펌프의 대표적인 종류이다.
단흡입 펌프는 임펠러의 한쪽 면에서만 유체를 흡입하는 펌프로, 횡축 단흡입 볼류트 펌프와 입축 단흡입 볼류트 펌프가 대표적이다. 일반적으로 임펠러의 바깥 지름, 안 지름 및 그 외의 치수가 동일한 경우 양정은 동일하지만 유량은 양흡입 펌프의 절반 수준이 된다. 따라서 송출량이 양정에 비해 적은 경우에는 단흡입 펌프를 사용하는 것이 경제적이다.
한편 양흡입 펌프는 임펠러의 양쪽 면에서 유체를 흡입하는 펌프로, 횡축 양흡입 볼류트 펌프와 입축 양흡입 볼류트 펌프가 해당된다. 양흡입 펌프는 단흡입 펌프에 비해 두 배의 유량을 발생시킬 수 있다. 또한 요구되는 송출량이 양정에 비해 많은 경우에는 양흡입 펌프를 사용하는 것이 효과적이다.
단흡입 펌프와 양흡입 펌프의 가장 큰 차이점은 임펠러의 흡입 구조로, 이에 따라 유량과 효율 등 펌프의 성능이 달라지게 된다. 단흡입 펌프는 한 면의 흡입으로 인해 상대적으로 작은 유량을 발생시키지만, 구조가 단순하여 제작이 용이하고 가격이 저렴한 장점이 있다. 반면 양흡입 펌프는 두 면의 흡입으로 인해 큰 유량을 발생시킬 수 있지만, 구조가 복잡하여 제작이 어렵고 가격이 비싼 단점이 있다.
따라서 펌프 설계 시 요구되는 성능과 사용 목적, 공간 및 예산 등을 종합적으로 고려하여 단흡입 펌프와 양흡입 펌프 중 적절한 펌프를 선택하는 것이 중요하다.
1.4. 원심 펌프의 장단점
1.4.1. 장점
원심 펌프의 장점은 다음과 같다.
일반적인 원심 펌프는 고속 회전이 가능하고, 소형 경량이며 구조가 간단하여 취급이 용이하다. 또한 효율이 높고 맥동이 적은 특징을 가지고 있다. 특히 고속 회전이 가능하여 단일 장치만으로도 높은 양정을 발생시킬 수 있다. 소형 경량의 구조로 인해 설치 공간을 적게 차지하며, 취급이 쉬워 유지보수가 용이한 편이다. 또한 효율이 높아 에너지 효율적이며, 맥동이 적어 안정적인 흐름을 보장한다. 이러한 장점들로 인해 원심 펌프는 다양한 산업 분야에서 널리 활용되고 있다.
1.4.2. 단점
경우에 따라 케비테이션이 발생할 수 있으며, 임펠러는 부유 물질이나 유체에 의해 마모 될 수 있다. 또한 유체 특성에 의한 펌프의 내부부식, 저 유량으로 인한 과열, 회전축을 따른 누출, 마지막으로 펌프를 작동시키기 위해서는 반드시 내부를 채워놔야 하는 단점이 있다.
1.5. 원심 펌프의 실태
1.5.1. 원심 펌프의 발전
원심 펌프의 발전은 다양한 분야에 활용되는 원심 펌프의 단점을 개선하기 위한 연구와 노력이 지속되고 있음을 보여준다. 특히 원심 펌프의 임펠러에 이물질 등이 붙어 생기는 문제를 해결하기 위한 방안들이 개발되고 있다.
한 예로, 인하대학교 기계공학과 전산유체공학연구실의 박사과정 김윤성 대표는 '스웹트 임펠러를 갖는 수중축류펌프의 형상변수가 수력학적 성능에 미치는 영향'이라는 논문을 발표하였다. 이 논문은 프로펠러의 경사각 변화에 따라 펌프의 효율과 임펠러의 표면유속이 증가하는 경향을 수치 해석과 실험으로 증명하였다. 특히 임펠러 표면 유속 증가는 임펠러의 자가 표면 세척 기능을 강화해 표면에 이물질이 달라붙는 문제를 해결할 수 있는 기술이라는 점을 확인하였다. 이는 펌프산업 현장에서도 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
또한 다른 연구에서는 지속적인 기술 개발 노력을 통해 원심 ...
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