원심펌프 (가) 원심펌프의 개요 원리: 물을 담은 원통형의 용기를 그 축을 중심으로 회전시키면 용기내의 물은 원심력(centrifugal force)에 의하여 압력이 증가하여 둘레는 높아지고 중심부에서는 압력이 낮아져 처음에 있던 수면은 실선의 수면과 같이 변형 이러한 현상으로부터 압력이 낮아진 중심부에 관을 연결하여 보다 아래쪽에 있는 물탱크와 연결하고 원통형의 용기를 밀폐된 것으로 하여 회전시키게 되면 용기 아래에 위치한 물탱크로부터 물이 차차 흡상(吸上)하게 된다.

원심펌프(centrifugal pump) - 물 속에 있는 회전차(impeller)를 고속으로 회전시킴으로써 회전차 내부에 있는 물에 원심력을 작용시켜 물은 회전차의 중심부에서 외주(外周)측으로 밀어내는 장치 - 원심펌프는 회전차와 케이싱(casing) 두 주요 부분으로 구성 원심펌프 계통도 및 구성요소

회전차는 액체에 회전 운동을 일으켜 액체의 에너지를 증가시키는 부분, 케이싱은 액체가 회전차로 들어가고 나오는 유동 경로를 형성하는 부분 원심 펌프는 시동할 때에 먼저 펌프 내에 물을 채워야 한다. 따라서 펌프의 설치 위치가 흡입측 수면보다 낮은 경우에는 공기 빼기 콕(air cock)만 있으면 되지만, 흡입측 수면보다 높으면 물을 채우기 위하여 풋트 밸브(foot valve), 호수(priming)밸브 및 공기 빼기 콕을 설치해야 한다.

(나) 원심펌프의 분류 안내깃의 유무에 따른 분류 (a) 볼류트 펌프(volute pump): 회전차 바깥둘레에 안내깃이 없고 바깥 둘레에 바로 접하여 와류실이 있는 펌프, 일반적으로 임펠러 1단이 발생하는 양정이 낮은 것에 사용된다 (b) 터빈펌프(turbine pump): 임펠러 바깥 둘레에 안내깃을 가지고 있는 펌프, 일반적으로 양정이 높은 곳에 사용된다. (a) volute pump (b) turbine pump

(2) 흡입 방식에 따른 분류 단 흡입 펌프(single suction pump): 임펠러의 한쪽에서만 흡입 양흡입 펌프(double suction pump): 회전차의 양쪽으로 흡입 - 양정에 비해 요구되는 송출 유량이 비교적 적은 펌프는 단흡입 임펠러를 사용하고, 송출 유량이 많은 펌프는 양흡입 임펠러를 사용 (a) Single suction pump (b) Double suction pump

                                                                   편흡입 볼류트 펌프

(3) 단(stage)수에 따른 분류 단단(single stage) 펌프: 1개의 임펠러를 갖는 펌프 다단(multi-stage)펌프: 펌프 한 대에 여러 개의 임펠러를 같은 축에 배치하여 1단에서 나온 액체를 2단에서 그리고 그 다음 단으로 계속 연결되는 펌프 펌프의 요구 양정이 작은 경우는 한 개의 임펠러로 요구 양정을 얻을 수 있으나 요구 양정이 커짐에 따라 두개 이상의 임펠러를 사용하여 단 수를 증가시켜 요구 양정을 얻는다. 고양정의 것으로는 20단에 이르는 것도 있다.

입형 다단펌프

(4) 회전차의 형상에 따른 분류 반경류형 회전차(radial flow impeller): 그림 2.11의 I와 같이 액체가 회전차 내부를 지날 때 흐름의 궤적이 거의 축과 수직인 평면내를 반지름 방향으로 진행하는 회전차를 갖는 펌프 혼류형 회전차(mixed flow impeller): 그림2.11의 III(또는 그림 2.12(나))와 같이 회전차 입구에서 출구에 이르는 동안에 반지름 방향과 축 방향과의 흐름이 조합된 것 일반적으로 반경류형은 고양정, 소용량 펌프에 쓰이고, 혼류형은 저양정, 대유량 펌프로 사용된다. 혼류형은 회전차의 모양이 프란시스(Francis)수차의 회전차와 닮았으므로 프란시스형이라고 부를 때도 있다. 회전차를 1) 저속도형, 2) 중속도형, 3) 고속도형으로 분류. 이 경우에 저속도형은 반경류형, 고속도형은 혼류형에 해당하고, 중속도형은 이들의 중간형이다.

(5) 케이싱의 형상에 따른 분류 분할형(sectional type) 펌프: 각 단이 축에 수직인 평면에서 분할되어 있고, 축 방향으로 차례로 조립하는 펌프를 말한다. 다단펌프에서 많이 채택 원통형(cylindrical casing)펌프: 케이싱이 하나의 몸체로 되어 있는 펌프를 말함. 고압용 펌프 등에 채택. 이것을 배럴형(barrel type)펌프라 부르기도 한다 상하 분할형(spilt type)펌프: 케이싱이 축을 중심으로 상하(보통은 수평으로, 때로는 경사지게) 두 개로 분할되는 펌프. 대형 펌프에 많고 분해하는데 편리.

원심펌프의 구성도

(다) 원심펌프의 주요 구성 요소 회전차(impeller) 회전차는 회전운동을 하면서 회전차 내에 있는 유체에 원심력을 발생시켜 유체가 회전차 깃의 입구에서 출구로 흐르는 동안 운동량이 커지게 된다. 즉, 유체의 에너지를 증가시킨다. 증가된 유체의 에너지는 속도 에너지와 압력 에너지의 형태를 갖는다. 그림 2.14(가)는 후면 쉬라우드만 있고 전면 쉬라우드가 없는 회전차를 개방형 회전차(open type impeller) 그림2.14(나)는 밀폐형 회전차(closed type impeller) 회전차의 재료는 적당한 강도와 내마모성을 가지고 있고, 주조가 용이한 재료라야 하는데 해수 펌프의 회전차에는 청동, 모넬 메탈(Monel metal)등이 사용

- (a) 개방 임펠러(open impeller), (b) 반 개방 임펠러, 현재 주로 사용되는 (c),(d) 밀폐형 임펠러(closed impeller)

(2) 안내 깃(guide vane) 또는 디퓨저(diffuser) 안내 깃을 갖는 펌프를 터빈 펌프(turbine pump)라 한다. 볼류트 펌프 디퓨저 펌프 와실을 갖는 원심 펌프

(3) 와실 또는 와류실(vortex chamber) 그림2.15(다)에 나타낸 W와 같이 안내깃의 쉬라우드는 그대로 두고 고정 날개를 제거한 것과 같은 구조 고양정펌프에서 안내 깃을 사용하면 펌프의 설계점(정격 운전 상태)에서는 손실 수두가 작아 고효율로 운전할 수가 있다. (4) 케이싱(casing)과 웨어링 링(wearing ring or mouth ring, seal ring) 회전차로부터 방출된 고속의 유체는 속도 및 압력의 형태로 에너지를 보유하고 있다. 효과적으로 유체의 속도 에너지를 압력 에너지로 변환시킴과 동시에 유체를 모아서 송출관으로 배출시키는 역할을 하는 외통 (그림2.16)을 케이싱이라라 함 wearing ring(or mouth ring)은 케이싱과 회전차 쉬라우드 사이에 고인 고압수가 펌프 흡입측으로 누설하는 것을 방지하는 역활

(5) 축방향 추력 방지장치 1) 발생원인 원심펌프의 임펠러로부터 토출되는 액체는 임펠러와 케이싱 간의 틈에 충만하는데, 그 압펵분포를 보면 그림 2.18과 같다. 편흡입 펌프의 임펠러에는 흡입구쪽으로 축방향 추력이 발생 2) 축방향 추력의 제거방법 - 축방향 추력이 발생하면 회전차는 한 쪽 방향으로 밀리므로, 케이싱과 회전차가 접촉하여 동력 소모의 증가 및 펌프 재료의 마모가 유발하므로, 이것을 제거 또는 경감하여야한다. (가) 단단펌프(single stage p’p)의 경우 - 평형공(balancing hole)을 설치한다. 그림2.19와 같이 임펠러에 수 개의 구멍을 뚫어서 압력을 같게 한다. 누설량의 증가를 막기 위하여 임펠러의 배면에도 웨어링(wearing ring or mouth ring) 을 설치하는데, 누설손실이 큰 결점이 있다

그림 2.19A 평형관 평형관(balancing pipe)을 설치한다. 그림 2.19A와 같이 누설량 증가를 막기 위해 평형관을 설치하는데, 역시 누설손실이 크다. 이면 깃을 설치한다. 그림 2.19B와 같이 이면 깃을 설치하면 액은 이면깃에 끼어서 회전하므로 원심력이 크게되는데, 임펠러 출구압력은 불변이므로 중심부의 압력이 저하하게 되어 축방향 추력이 감소한다. 이 방법은 이면 깃을 구동하기 위하여 여분의 동력을 필요로 하는 결점이 있다. 그림 2.19B 이면깃 그림 2.19C Rateau의 방법

Ratau의 방법: 그림과 같이 임펠러의 출구를 경사지게 절취함으로서 후부 측벽의면적, 즉 수압면적을 작게 하여 축방향 추력을 감소하는 방법이다. 절취부에서는 흐름과 케이싱 간의 유체손실이 증가하는 결점이 있다. - 양 흡입형으로 한다. 양 쪽 입구에서 임펠러내로의 흐름상태가 다소 다르므로 이것을 이용 (나) 다단 펌프(multi-stage p’p)의 경우 - 단수가 짝수이면 그림 2.20에 보이는 것처럼 임펠러를 적절히 배치함으로써 축방향 추력을 없앨 수 있다. 그러나 펌프 내부의 물의 통로가 복잡하고 가격이 비싼것이 결점이다.

평형 원판(balancing disc)을 붙인다. 액체는 틈새 Co를 통하여 E실에 충만하는데, 축의 이동에 의하여 틈새 C1의 크기가 변화하면 C1으로부터 누설량이 변화하고 E실내의 압력이 축을 본래의 위치로 되돌려 보내는 방향으로 변화. 임펠러가 축방향 추력에 의하여 E실내의 압력이 상승하여 D를 오른쪽으로 밀어 보낸다. 그러면 E실의 압력이 저하하고 축방향 추력에 의하여 임펠러는 왼쪽으로 이동한다. 따라서 임펠러는 어떤 일정한 위치를 유지하게 된다. 그림 2.21 평형 원판

평형 피스톤(balancing piston)을 붙인다. 그림 2.22와 같이 최종단 임펠러의 배면에 평형 피스톤을 붙이고 그 한 쪽을 제1단 흡입구와 평형관으로 연결하여 축방향 추력과는 역방향의 힘을 일으키도록 한다. 그림 2.22 평형 피스톤

(6) 축봉 장치(누설방지장치) 회전축이 펌프의 케이싱을 관통하는 부분에서 고압의 유체가 외부로 누출하거나 외부로부터 저압측으로 공기가 누입하는 것을 방지할 목적으로 축봉장치가 사용 축이 관통하는 위치가 흡입측이면 바깥 공기가 펌프속으로 누입될 우려가 있고, 송출측이면 액체가 누설할 우려가 있다. 따라서 축이 케이싱을 관통하는 부위에 그림 2.23(a)와 같이 패킹박스(packing or stuffing box)를 설치하고, 여기에 패킹을 넣어서 기밀을 유지한다. 패킹은 일반적으로 섬유가 긴, 흑연처리를 행한 목면(cotton), 마(麻)의 패킹이 대체로 사용되고, 뜨거운 물에 대하여서는 흑연처리를 한 석면 패킹(asbestos packing)이 일반적으로 사용. 또한 고형물이 섞이거나 매우 온도가 높은 액체 등과 같이 특수 용도에는 흑연 처리를 행한 석면과 금속성의 특수 패킹이 사용 그림 2.23(b)는 공기 침입의 우려가 있는곳에 널리 사용. 패킹박스의 중앙에 그림(h)와 같은 랜턴 링(lantern ring)을 넣고, 그의 안팎에 패킹 박스의 삽입하며, 링에는 패킹의 윤활과 공기의 침입을 막기 위하여 A로부터 압력수가 공급. 고온의 물을 다루는 경우에 물이 새면 증기로 되어 주의의 습도를 높이고 여타 장비에 녹을 슬게 할뿐만 아니라 패킹을 과열하여 소손할 염려가 있다. 이 경우에는 그림 (e)-(g) 와 같은 형식을 이용

그림 2.23 여러 가지 패킹 박스의 구조

패킹만으로는 누설을 완전히 방지하는것이 불가능하므로 최근에는 그림2 패킹만으로는 누설을 완전히 방지하는것이 불가능하므로 최근에는 그림2.25와 같은 기계적 실(mechanical seal)을 사용하여 누설을 방지하는 방법이 채용 스프링에 의해 적당히 압착돤 상태에서 회선하면서 기밀을 유지

(7) 축과 베어링 축의 재료로는 연강(mild steel)이 사용되는데 패킹과 접하는 부분은 부식 또는 마모에 대비해서 청동제 슬리브(bronze sleev)를 끼워 사용. 해수의 경우에는 스테인레스강으로 만든 슬리브를 사용 베어링(bearing)은 축의 중량을 지지하여 축을 일정 위치로 유지하는 역할. 펌프의 베어링에는 축방향 추력을 지지하는 트러스트 베어링(thrust bearing)과, 회전체의 중량을 지지하고 제 위치에 유지시키는 지지베어링(support bearing)의 두 종류가 있다. - 지지 베어링은 횡형 펌프에 사용되는 것으로 반경방향 하중(radial load)만 지지하는 것과, 직립형 펌프에 사용되는 것으로 반경방향 하중과 축방향 하중(axial load)을 같이 지지하는 것이 있다.

그림 2.26은 평 베어링(plain bearing)으로 오일링(oil ring)①의 회전에 의하여 베어링 케이싱 내의 기름을 축②의 윤활부에 공급 그림 2.27은 리그럼바이티(lignumvitae)라는 단단한 나무①을 받침쇠 ②에 끼워서 만든 베이링으로 해수 펌프용으로 널리 채용되고 있다. 목편 사이에 설치한 홈을 통하여 흐르는 소량의 물이 윤활역활을 하게 된다.

■ 원심 펌프의 이론 양정 (가) 깃수 무한인 경우의 이론 양정 원심펌프의 이론 양정을 구하기 위하여 우선, 회전차 깃(vane)의 두께가 무한히 얇고 깃 수가 무한히 많은 이상적인 경우 (즉, 회전차 속의 유선과 깃의 모양이 일치하는 경우)를 가정하여, 그림 2.28과 같은 회전차의 속도 선도를 그린다. 회전하고 있는 회전차내의 유동의 유선은 모두 깃의 곡선모양을 따르게 되므로 유선에 대한 방정식은 파악되고 따라서 유동의 해석은 가능 회전차에 의해서 단위무게의 액체에 주어지는 에너지, 즉 양정(수두)을 [깃수 무한인 경우의 이론양정]이라 하고, 로 표시

회전차가 회전수 N rpm으로 회전하면 회전차내의 깃에 의하여 회전에너지의 일부분은 유체에 전달되어지고, 나머지의 일부 에너지는 유체를 교란하게만 하는 에너지로 손실 이 경우에 유체에 주어지는 에너지는 동적에너지(속도에너지)와 정적에너지(위치에너지 및 압력에너지)가 된다 r는 회전차의 반경,β는 날개의 각도, u는 회전차의 원주속도, v는 유체입자의 절대 속도, w는 유체입자의 회전차에 대한 상대속도, α는 u와 v와의 사이각을 나타냄 원심펌프의 이론양정에 대한 식은 각운동량원리(angular momentum theory) 또는 운동량 모멘트(moment of momentum)원리로부터 회전차의 입구와 출구를 통과하게 되는 유체의 질량에 적용함으로써 얻어짐

- 운동량 법칙(momentum theory)공식과 모멘트 원리로부터 각 운동량 법칙 공식이 유도되어지는데, 즉 여기에서 는 운동궤적인 곡선상의 임의의 한 점에서의 원주방향 분속도 - 회전차 입구와 출구에 있어서의 각운동량은 - 의 기본형태에 따라 토크 T는 - 깃수가 무한인 경우에 회전차가 갖게되는 이론동력 는 는 무한깃수인 경우의 이론양정

- 손실이 전혀 없는 이상적인 경우로 외부에서 가한 동력이 완전히 액체에 주어졌다고 하면 - 만약 회전차의 깃 입구에서 유입되는 유동이 회전차를 중심으로 하여 반지름방향이라고 하면, 즉 입구에서의 절대속도의 원주방향성분을 가지지 않는다면 로 간주할수 있으므로(실제 원심 펌프는 여기에 가깝다) - 그림 2.28에 나타낸 입구와 출구에서의 속도 삼각형에 코사인 제2법칙을 적용하면, - 위 식에서 우변 제1항은 액체가 회전차를 지나면서 얻는 속도 수두의 증가분, 제2항은 회전차 입·출구를 통하는 액체에 작용하는 원심력에 기인하는 수두의 증가 즉, 원심수두의 증가분을, 제 3항은 회전차 내부 통로의 단면 변화에 의하여 상대 속도가 저하함에 따른 압력 수두 회복분을 나타냄 - 따라서 제2항, 제3항은 회전차에 의하여 액체에 전달되는 정압의 상승분을 나타낸다.

(나) 깃수 유한인 경우의 이론 양정 깃수 무한인 경우의 회전차내의 유동은 실제의 경우가 아닌 이상적으로 유동을 가정한 결과이므로 회전차의 회전에도 불구하고 유동의 모양은 깃의 곡선을 따라 가게끔 가정한 것이다. 실제로 깃은 그 두께와 깃의 수가 유한하고 또한 유체도 이상유체가 아니므로 유동은 깃의 형태를 그대로 따른다고 볼 수 없다. 깃수 무한인 경우와 깃수 유한인 경우와의 차이를 표시하기 위하여 회전차 입구와 출구에 있어서 각각 라 놓고 이것을 각각의 미끄럼계수(slip coefficient)라 한다.

■ 원심 펌프 유량과 이론 양정 및 이론 동력과의 관계 (깃 출구각에 대한 이론적 해석) - 회전차에서의 깃의 형상은 입구 및 출구각 및 의 크기에 의하여 지배되고, 깃 곡선은 마찰과 충격이 가급적 작도록 유도를 단축하고 단면적도 점진적으로 증가하여 유동을 완만하게 유도하여야 한다. - 특히 깃 출구각 의 대소는 펌프의 성능을 좌우하며 회전차가 유체에 부여하는 에너지가 압력의 형태를 주로 하느냐, 속도의 형태를 주로 하느냐의 비율을 정하는 주요한 문제이다. - 깃수 무한인 경우 이론양정의 공식으로부터 회전차 입구에서의 유체의 유입방향을 반지름 방향으로 간주하면 다음과 같이 된다.

- 윗 식에 속도 삼각형에서의 기하학적 관계를 이용하여 의 값이 포함된 식으로 변형하면, 회전차의 회전수 N을 일정하게 하면 의 값에 따라 양정과 유량과의 관계를 알수가 있다. 깃 출구각 가 취할수 있는 각도의 범위는 이므로 (1) 이면 이 되므로 이 되며 양정의 값은 유량의 감소에 따라 증가하게 된다. (2) 이면 가 되므로 양정의 값은 유량의 값에 관계없이 일정한 값 을 갖게 된다.

(3) 이면 가 되므로 이 되며 양정의 값은 유량의 증가에 따라 감소하게 된다. 같은 크기의 펌프라도 깃 출구각 를 크게함으로써 양정을 증대시킬수 있다. 그러나 깃 출구각을 크게 할수록 회전차내의 손실은 증가하고 회전차에서 나온 곳에서도 유속 가 크게 되며 운동에너지를 압력에너지로 변환시킬때에 생기는 손실도 증가한다. 즉 깃 출구각을 크게 할수록 효율은 반대로 떨어진다. - 인 깃은 전향익(forward curved vane), 인 깃은 후향익 (backward curved vane), 인 깃은 직선익 (straight vane)이라고 하며 에서는 유로의 확대가 급하게 되므로 유동은 불안정하고 손실이 크다.

■ 원심펌프의 손실 (1) 수력 손실 - 수력 손실 는 액체가 펌프 흡입구(suction port)로부터 송출구(discharge port)까지 흐르는 동안 유로 전체에서 발생하는 손실수두. ① 펌프 흡입구에서 송출구에 이르는 유로 전체에서의 유체 점성에 의한 마찰 손실 ② 회전차 입·출구에서의 충돌 손실 ③ 회전차, 안내 깃, 스파이럴 케이싱, 송출 노즐등에서 와류에 의한 수두 손실

■ 원심 펌프의 손실 (1) 수력 손실 - 수력 손실 는 액체가 펌프 흡입구(suction port)로부터 송출구까지 흐르는 동안 유로 전체에서 발생하는 손실수두 펌프내의 유로는 매우 복잡하므로 수력 손실을 지배한 인자는 다양하고 복잡하며 정확히 평가하는 것은 어렵다. ① 펌프의 흡입구에서 송출구에 이르는 流路 전체에 따르는 마찰로 인한 손실. ② 회전차, 안내깃, 와류실, 송출관 등에서 유체의 부차적 손실인 와류로 인한 손실. ③ 회전차의 깃 입구와 출구에서의 유체입자들의 충돌에 의한 손실 등. (2) 누설 손실 (체적손실, 유량손실) 원심 펌프의 회전부분과 고정부분 사이의 틈(간극; clearance)을 통해서 발생. ① 회전차 입구에서의 웨어링 링 (wearing ring or mouth ring) ② 다단 펌프의 각 단 사이의 간극 ③ 축 추력방지를 위한 평형공(balance hole) ④ 패킹박스(packing box) ⑤ 봉수용 또는 냉각을 위한 주수

- 펌프의 체적효율 를 저하시키지 않으려면 간극에서의 누설 유량을 되도록 적게 해야한다 - 펌프의 체적효율 를 저하시키지 않으려면 간극에서의 누설 유량을 되도록 적게 해야한다. 그렇게 하기 위해서는 될수록 간극을 좁고 길게 하며, 또 간극의 모양이 구부러지게 해야 한다. - 그림 2.34는 회전차와 케이싱의 웨어링 링 설계 예를 나타낸다. 링은 케이싱이나 회전차의 재료보다 연한 재료로 만들고, 마모로 인하여 틈이 생기면 이 링만 교환한다.

(3) 기계적 손실 펌프에서는 회전하는 부분인 회전차와 고정된 부분인 케이싱(와류실)과의 상대적인 부분에 있어서 원활한 회전을 위한 축수장치(bearing)와 아울러 축의 회전을 허용케 해준 결과로 인한 누설방지를 목적으로 한 축봉 장치와의 관계로 야기된 마찰에 의한 동력손실(Lm)과 회전차를 단순한 원판(disc)으로 간주하고 그 원판인 회전차가 케이싱내의 유체를 헤치고 회전해야 하는데에 수반되는 마찰손실동력(Ld)을 합한것이 기계손실 전자를 외부 기계적손실, 후자를 내부 기계적 손실 또는 원판마찰손실로 구분 - 따라서 펌프의 기계효율 은

■ 원심 펌프의 상사법칙(相似法則) 일반적으로 어떤 유체기계를 설계하고자 할 때에는 이미 만들어진 기존의 유체기계에 관한 자료들을 참고로 함. 특히, 터보유체기계에 대해서 원형과 모형사이의 상사성(相似性)을 적용하여 형상을 같게 하여 단지 치수를 바꾸어 모형에 대해 적합한 회전수를 바꾸어 줌으로서 원형과의 성능을 비교하는데 적절하게 응용되고 있다. 이와 같이 두 유체기계 사이에 상사성을 적용하는 것은 형상과 구조의 상사인 기하학적 상사성과 함께 유체기계 내부에서 이루어지는 유동에 대한 운동학적인 역학적 상사성이 성립되는 유첵역학적인 상사성을 의미 한 유체기계의 어느 회전수에 있어서의 성능에 대해 다른 유체기계의 다른 회전수에서의 성능을 추정하는데 효과적인 방법으로 이용 - 구조가 상사인 2대의 펌프에 대하여, 그림2.38는 각각의 특성 곡선을 나타내며, 각 펌프에서의 회전수를 각각 N1,N2라 하며 서로의 특성 곡선은 상사가 됨을 알 수가 있다. 두 특성곡선이 서로 대응하는 위치(최고 효율점), 즉 펌프내의 유동도 상사가 되는 특성 곡선상에 있어서의 유량을 Q1,Q2, 양정을 H1,H2, 축동력을 Ls1,Ls2라 하면 2대의 펌프 사이에는 다음과 같은 상사 법칙이 성립.

그림 2.37 구조가 상사인 원심펌프 및 성능곡선

(1) 유량에 관한 상사법칙(Q-similarity) - 2대의 펌프의 회전차 출구에서의 유로의 면적을 A1,A2, 반지름 방향의 유속을 v1m, v2m이라 하면 - 기하학적인 상사로부터 구조가 상사하므로 2대의 펌프의 유로의 단면적의 비는 b를 회전차의 출구폭이라고 하면 - 각각의 회전차의 원주속도를 u1, u2라 하면 유동은 상사가 되므로 그림에서 - 주어진 회전차의 원주속도의 비도 다음의 관계로 표시된다. - 위의 두 식으로부터 - 위의 관계식은 2대의 펌프 사이에 상사인 관계가 성립되면 내부의 유동이 상사인 관계를 유지하는 한 일정한 상수가 되며 일반적으로 로 표시되며, 이 상수 Φ를 유량계수라 한다.

(예제) 어떤 펌프가 970rpm으로 회전할 때 전양정 9. 2m 유량 0. 6 m3/min를 송출한다 (예제) 어떤 펌프가 970rpm으로 회전할 때 전양정 9.2m 유량 0.6 m3/min를 송출한다. 펌프의 회전수가 1450rpm으로 되었을 경우에 유량은 몇 m3/min가 되는가? 유량 상사법칙 공식으로부터 에서 동일 펌프이므로 D1 = D2가 된다.

(2) 양정에 관한 상사법칙(H-similarity) 위의 식들로부터 - 2대의 펌프에 대한 이론상의 양정은 다음과 같이 표시된다. - 이 식의 값도 상사인 관계가 유지되는 한 일정한 값을 취하게 되므로 일반적으로 - 2대의 펌프가 기하학적 상사와 역학적 상사인 관계를 모두 만족한다고 보면 미끄럼 계수 μ와 수력효율 ηh도 각각 동일하다. 따라서 로 표시되고 이 ψ를 양정계수라 한다. 의 관계로 부터 식(B4)는 다음과 같이 표시된다. - 또한 유동이 상태가 상사인 관계로부터

(3) 축동력에 관한 상사법칙(Ls-similarity) - 상사인 관계가 성립되는 2대의 펌프의 효율은 다음의 수동력의 식으로부터 이 값도 상사인 관계가 유지되는 한 항상 일정하므로 일반적으로는 로 표시되고, 이 상수 ζ를 출력계수(coefficient of output)라 한다. 가 되는데 상사인 관계로부터 로 보면 식(A1)과 식(B4)에서 의 관계로부터 식(C2)은 다음과 같이 정리된다.

(예제) 50 사이클 지역에서 펌프의 회전수가 1450rpm인 경우에 양정 25m, 유량 4m3/min, 축동력 22kW인 펌프가 60 사이클 지역에서 펌프의 회전수가 1740rpm으로 된다면 축동력은 몇 kW가 되는가? 동일 펌프이므로 D1=D2가 된다.

■ 펌프의 비교회전도 (ns) 두 펌프(2개의 회전차)에 있어서 하나의 펌프를 형상과 운전상태를 상사하게 유지하면서 단지 그 크기만을 바꾸어서 단위 유량에서 단위 양정을 내게 할 때에 그 펌프에 주어져야 할 회전수를 기준이 되는 회전차의 비교회전도 ns라고 정의한다. 따라서 비교회전도가 같은 펌프는 모두 상사의 관계에 놓여 있다고 할 수 있다. 그리고 비교회전도는 회전차의 형상을 나타내는 척도가 되며 따라서 펌프의 성능을 나타내거나 최적합한 회전수를 결정하는데 이용되어진다. - 펌프에 대한 비교회전도 ns의 관련식을 유도하기 위하여 식(A4, B6)로부터 각각 D1과 D2를 소거하여 정리하면 - A회전차를 기준되는 펌프라 보고 N1을 N, Q1을 Q, H1을 H라 놓고, B회전차를 기준되는 펌프에 대해 상사인 관계의 펌프라 하고 Q2를 단위유량(1m3/min), H2를 단위 양정(1m)으로 할 때에 회전차에 주어져야 할 회전수 N2 를 ns라 정의한다. 이러한 관계를 위식에 대입하여 정리하면

펌프의 동력 및 효율 비교회전도와 효율

표1 비교회전도에 따른 회전차의 형시과 효율

■ 원심 펌프의 취급법 (1) 송출 유량의 조절 ① 펌프의 회전 속도를 조절하는 방법 - 다른 방법에 비해 효율이 좋아서 동력을 절약할 수 있는 이점. - 그러나 일반적으로 펌프가 실양정을 갖는 경우에는 회전 속도가 저하한 비율 이상으로 유량의 감소가 심하고 양정도 상당히 변함. - 내연 기관과 같이 펌프 구동 장치의 회전 속도를 자유로이 변경할 수 있는 경우에는 채택되지만, 전동기와 같이 회전 속도를 자유로이 광범위하게 변화시키는 데에 추가 경비가 많이 필요한 경우에는 별로 채택되지 않는다. ② 펌프의 흡입 밸브 개도(開度)를 조절하는 방법 - 과거에 저속 왕복동 기관을 원동기로 한 원심 펌프에서 채용한 예가 있으나, 흡입측에서의 압력 저하가 심하다. - 그 결과 캐비테이션이 발생하여 펌프의 효율이 저하될 뿐만 아니라 캐비테이션에 의한 침식까지 일어나므로 근래에는 별로 사용되지 않는다. ③ 펌프의 송출 밸브 개도를 조절하는 방법 - 펌프의 회전 속도를 조절할때보다 운전 효율이 떨어지기는 하지만 매우 간편하게 송출 유량을 조절할 수 있는 이점이 있으며, 유량 조절법으로 가장 널리 사용되는 방법.

(2) 원심 펌프의 운전 요령 (가) 시동의 순서 ① 베어링 주유량을 점검하고 각 주유 개소에 충분히 주유한다. ② 터닝(turning)시켜 각부의 이상 유무를 확인한다. ③ 송출관의 밸브를 잠근다. ④ 펌프내의 공기를 배제한다. ⑤ 펌프를 시동하여 점차 규정 회전 속도로 높인 후에 송출 밸브를 연다. (나) 정지의 순서 ① 송출 밸브를 서서히 닫는다. ② 원동기를 정지 시킨다. ③ 장시간 사용하지 않을 때는 펌프 각부의 물을 완전히 뺀다. 또, 기온이 빙점 이하로 내려갈 염려가 있으면 반드시 물을 빼도록 한다.

(다) 운전상의 주의 사항 일반적인 회전기계에서와 마찬가지로 펌프의 운전에서의 베어링, 축 조인트, 축 등에 대하여 주의를 해야한다. 특별히 축봉장치의 작동상태, 흡입관, 케이싱등에서의 누설이고, 특히 흡입관과 축봉장치에 있어서의 공기의 침입여부를 확인할 필요가 있다. 이것은 펌핑작용을 해치는 가장 큰 원인중에 하나가 된다.