■ 축류 펌프 축류펌프의 개요 유량이 대단히 크고 양정이 낮은 (보통 10m 이하) 경우, 따라서 비교회전도 ns가 1000 (m3/min, m, rpm)이상의 경우에 적합한 터보식 펌프이다. ns의 증가에 따라서 회전차내의 유동방향은 반경류형으로부터 사류형, 축류형으로 이행하는 데 축류펌프는 유동의 방향이 회전차의 입구와 출구에서 축방향으로 진행한다. 축류펌프는 깃의 양력에 의하여 유체에 속도 에너지 및 압력 에너지를 부여하며 유체는 회전차내를 축방향으로 유입하고 유출되어지며, 유출된 유체의 속도 에너지를 압력 에너지로 변환하기 위하여 안내깃을 회전차의 후방에 설치하고 있다. 축류펌프의 특징을 살펴보면 ① 비교 회전도가 크므로 저양정에서도 회전수를 크게 할 수 있으므로 원동기와 직결할 수 있다. ② 유량이 큰 데 비하여 형태가 작고 설치면적과 기초공사 등에 이점이 있다. ③ 구조가 간단하고 펌프내의 유로에 단면 변화가 적으므로 유체 손실이 적다. ④ 가동익 형으로 하면 넓은 범위의 유량에 걸쳐 높은 효율을 얻을수 있다.

그림. 배수장 (휭축 축류 펌프)

수중 Pump-수중 프로펠라(축류) 펌프

2. 축류펌프의 구조와 성능 그림 2.44와같이 안내 깃과 일체인 동체 및 곡동(曲胴)으로서 펌프의 외곽을 구성하고 안내깃, 보스(boss)내에 내장된 수중 베어링과 곡동 바깥의 베어링(thrust bearing)으로써 회전차의 축을 지지하는 구조로 되어있다. 축이 곡동 (曲胴)을 관통하는 부분에는 패킹 박스를 두어 유체의 누설이나 공기의 누입을 방지한다. 안내날개는 프로펠러를 통하여 방출되는 액체의 선회 운동을 바로 잡아서 액체가 원활하게 흐르도록 한다. 회전차의 날개 수는 고속인 경우 2-3매, 저속인 경우 4-5매 이다. 또 회전차는 날개와 보스를 하나로 주조한 것과 따로 만들어 조립한 것이 있다. 양정과 송수량에 따라 날개의 경사각을 변화시킬 수 있는 가변 피치(variable pitch)형 회전차를 사용하기도 한다. 펌프의 동체는 보통 주철제이며, 깃은 주철 또는 주강제이나 양액이 해수 또는 특수액일 때에는 동체를 청동으로, 깃을 청동 또는 인청동으로 제작하며 주요 접액부에는 청동제 축슬리브를 삽입하는 경우가 있다.

그림 축류펌프(고정익)

3. 축류펌프의 이론 (1) 날개 이론 축류펌프의 회전차를 그림 2.45 (가)에 보이는 것과 같이 반경 r의 위치에서 절단하여 하나의 평면상에 전개하면 그림 2.45(나)와 같은 翼列로 표시. 축류펌프는 깃에 대한 이론은 일반적으로 익형이론에 의하여 설명되고 있다. 깃이 각도를 α를 유지하며 w∞의 속도로 유체속을 나는 경우나 또는 유속 w∞인 유체 속에 놓여져 있는 경우에 깃에 사상방향(斜上方向)으로 힘 R을 가한다. 그림 2.46 와 같이 익형(airfoil)의 전단과 후단을 연결하는 직선의 선분을 익현(chord), 그것의 길이 l을 익현장(chord length)이라고 한다. 유체의 상대운동 방향인 유동방향과 익현이 이루는 각 α를 영각(attack angle)이라고 한다. - 그림 2.47에서 이 힘의 유동방향의 분력을 편의상 항력(drag force), 유동의 수직방향의 분력을 양력(lift force)이라고 하여 구별.

그림 2.47 양력과 항력

익형의 명칭은 익형의 성능을 조사한 연구 기관의 명칭과 익형의 대표 치수로 나타낸다. 예를들면 NACA(미국), RAF(영국), Gottingen(독일)등이 있으며, NACA의 호칭방법에는 4자리법과 7자리법이 있다. 이를테면, NACA4406에서 처음 두 자리 수는 최대 휨과 익현 길이의 비(백분율), c/l=4% 및 최대 휨 위치까지의 길이와 익현 길이의 비(십분율) x/l=0.4를 나타내고, 나중 두 자리 수는 익형의 최대 두께와 익현 길이의 비(백분율) h/l=6%임을 나타낸다. 속도 분포 : Visualized by J.W. CHOI (NACA0018, Attack Angle=18~48, Multi-Vision PIV)

- 양력을 L, 항력을 D라고 하면 이들은 각각 유체의 밀도 γ/g, 속도의 2승 w∞, 깃면적 A에 비례하므로 다음과 같은 식이 성립 - 여기에서 익현 길이 l, 익폭 b에 대하여 깃 면적(익면적) A는 lⅹb로 되며 익폭 b를 단위 길이(b=1)로 취하면 L과 D는 다음과 같이 된다. - 위 식에서 CL, CD는 무차원의 상수로서 각각 양력계수, 항력계수라고 하며, CL,CD는 영각 α에 의하여 각각 변한다.

그림 2. 48는 CL-α 및 CL-tanλ(양항비)의 관계를 표시하며 실험에 의하여 구해진 것이다 그림 2.48는 CL-α 및 CL-tanλ(양항비)의 관계를 표시하며 실험에 의하여 구해진 것이다. tanλ=CD/CL이며 λ가 작을 때는 λ≈CD/CL이다. α가 증가함에 따라서 CL은 처음에는 직선적으로 증대하며 나중에는 최대값에 도달한 후에는 급격히 감소한다. 이와 같은 상태를 失速(stall)이라 한다. 그림 2.48

(2) 축류펌프의 이론 익형 이론은 그림 2.49에 표시하는 바와 같은 회전차를 반지름 r의 원통으로 절단하여 그것을 전개한 그림은 (b)와 같이 표시한다. 익렬은 원주속도 u로서 오른쪽으로 진행한다고 하고, 익렬의 입구①, 출구②에서의 유체의 상대속도를 각각 w1, w2로 한다. 유체가 익형에 미치는 영향을 고려한 경우는 w1, w2의 벡터적 평균 상대속도 w∞를 갖고 있다. 또한 유체는 균일한 속도 w∞로서 익형에 작용하는 것으로 한다. 익렬 중의 각 익형의 양력, 항력을 단일익의 경우와 근사적으로 동일하다고 보면

그림 2.49 축류 펌프 익열에서의 속도 선도

- L과 D의 합성력을 R이라 하면 R의 회전 방향 분력은 - 그림 2.49(a)에 나타낸 회전차의 미소 단면적(2πrdr)을 축방향으로 통과하는 유량 dQ에 대하여 z개의 날개에 미치는 회전방향의 힘 dF는 식(3)에 zdr을 곱한 것과 같다. - 한편, 단면을 통과하는 유량 dQ, 이론양정 Hth에 대한 수동력 는 회전차의 dr부분에 요하는 동력 dF·u와 동일하기 때문에 다음과 같이 된다. - 이것을 식(4)에 대입하면 - 지금 익렬의 피치를 t라 하면 t=2πr/z이며, 따라서 축류펌프의 이론 양정은 다음과 같다.

- 다음에 그림 2.49(c)로부터 w∞=vm /sinβ∞이며 운동량 법칙에 의한 식에서 - 식(7)과 (8)에서 익현 길이l과 익렬 피치t와의 비를 solidity라고 한다. l/t의 증가에 따라 유량은 변하지 않지만 양정은 증가한다. 가동익의 경사각은 깃 각도에 비례하여 유량은 증대하지만 양정은 일정하며, 고정익의 깃 각도는 가동익의 깃 각도처럼 펌프의 성능에 많은 영향을 미치는 것은 아니다. 또한 고정익의 깃수는 일반적으로 가동익의 깃수보다 많게 취하는데 이것은 공명진동을 피하기 위한 것이다.

((참고)) 강제진동과 공명 공명과 파국 바닷가에서 주은 소라를 귓가에 대고 그 속에서 들리는 소리를 들어보면 "바다의 소리"가 들 리는 듯하다. 이 소리는 소라 주변을 가볍게 지나가는 바람이 소라 속의 고유진동에 공명이 일어나서 들리는 것인데 이 소리는 바다의 추억을 다시 생각하게 해준다. 이 경우처럼 공명이 우리에게 즐거움을 주는 일은 그 외에도 많이 있다. 에밀레종의 심오한 종소리나, 깊은 산에 있는 절의 풍경소리, 목탁소리 등은 이 공명을 이용한 기구로부터 나오는 소리이다. 이처럼 공명은 유익하기도 하지만 때때로 이 공명으로 인하여 예기치 못한 엄청난 일이 벌어지기도 한다. 아래 그림을 보자. 이 그림은 1940년 11월 미국의 워싱턴 주의 어느 다리(Tacoma Narrows Bridge)가 그 공명에의해 파괴되는 것을 보여주고 있다. 이 다리는 파괴되기 4개월전에 만들어 졌는데 처음 한달 동안 미약한 횡방향의 진동이 감지되었다. 그러나 다리가 파괴되던 그날, 바람은 시속 70km로 불었고 이 바람에 의해 다리의 중심부가 크게 진동하기 시작했다. 이 다리는 길이가 855m이고 폭이 12m인데 이 바람의 특이한 효과가 다리의 고유진동수인 36 진동/분 으로 공명을 일으키게 된 것이다. 오전 10시경에 다리의 진폭은 약 50cm 정도 되어서 파국이 올 것으로 알고 주의깊은 관측이 시작되고 아울러 영상으로 촬영이 시작되었다. 곧이어 다리가 꼬이는 진동(twist vibration)이 고유진동수 14 진동/분 으로 공명되어 진동이 급격하게 커져서 드디어 파국을 맞이하게 되었다. 이러한 일을 경험한 후 건축가는 그 구조물의 고유진동수와 진동의 모우드를 면밀히 계산하여 주변에서 이를 공명시킬 수 없는 조건의 설계를 하는 것이 필수적이 되었다.

3. 축류 펌프의 특성 그림 2.50은 축류 펌프의 특성 곡선의 한 예를 나타냄. 축류 펌프는 송출 유량이 0일 때 양정 및 소요 동력이 매우 크게 되고, 운전점이 정격점을 벗어나면 효율의 저하가 심하다. 축류펌프는 정격 유량인 때에 양항비 λ이 최소가 되도록(수력 효율이 최고가 되도록) 설계되는데, 정격 유량보다 유량이 많아지면 양정은 작아지고 영각 α도 작아진다. 반대로 유량이 정격유량보다 적어지면 양정은 커지고 영각도 커져서 마침내는 失速(stall)하기에 이른다. 즉, 날개 설치각 θ(=α+β)를 변경할 수 있는 구조로 하여 ①유량이 정격치 이하일 때는 θ를 작게하고 날개를 눞히고, ②반대로 유량이 정격치 이상일 때는 θ를 크게하여 날개를 세워서 항상 높은 효율로 펌프를 운전할 수 있다. 그림 2.51은 날개 설치각 θ를 여러각도로 변화시켰을 때 펌프의 성능 곡선을 나타낸 것이다. 유량은 날개 설치 각도에 비례하여 많아지지만 최고 효율점에서의 전 유량은 거의 일정함을 알 수 있다.

축류 펌프와 원심 펌프를 비교할 때 축류 펌프가 갖는 특성을 요약하면 다음과 같다. ① 축류펌프는 대유량, 저양정용으로 사용하기에 적합한 펌프로 고속 회전이 가능하므로 동일 용량의 원심 펌프에 비하여 소형으로 된다. ② 축류 펌프는 날개를 가동형으로 할 수 있고 날개의 각도를 조작함으로써 송출량을 쉽게 조절할 수 있다. ③ 축류 펌프는 송출량 변동에 따른 양정, 소요 동력 및 효율의 변화가 크므로 정격 운전점 부근을 벗어난 운전은 피하는 것이 좋다. ④ 송출 유량이 0일 때 소요 동력은 매우 큰 값이 되므로 송출 밸브를 당은 상태에서의 운전은 절대로 피해야 한다.

Photo. 1 Damaged Fan blade by stall

Photo. 2 Impeller with hair crack

- 사진1 및 사진2는 최근 국내 대형조선소의 신조선박에 설치된 내경 1400mm이상의 축류휀에서 실속운전에 따라 발생한 손상사례를 보이고 있다. 사진1에서는 임펠러 블레이드가 절손 된 결과를 보이고 있으며 이것은 휀이 실속영역에서 운전되어 임펠러의 익근부에 반복 피로응력이 집중되었기 때문이다. - 사진2에는 실속운전중인 휀의 임펠러를 취외하여 칼라체크를 한 결과 균열선(hair crack)이 발생한 결과를 보이고 있다. 이것은 임펠러 블레이드의 영각을 높게 선정함에 따른 실속현상의 결과이다.