펌프와 유-공압기계 유체기계의 정의 및 분류 - 유체기계(fluid machinery)는 유체가 갖는 에너지(압력에너지, 속도에너지, 위치에너지)로부터 기계적 일을 얻거나, 거꾸로 외부에서 가해진 기계적 일로 유체의 에너지를 크게 하는 기계 (가) 수력기계 (다) 유체 동력전달 장치(유압기기) (1)수차 (1) 정압식 유체전동 장치 1) 충동수차 2) 반동수차 (2) 동압식 유체 전동 장치 (2) 펌프 1) 용적형 2) 터보형 3) 기타 (나) 공기기계 (1) 풍차 (2) 압축기 및 송풍기 1) 용적형 2) 터보형 (3) 압축공기 기계

(가) 수력기계 (나) 공기기계 (다) 유체전달장치 - 액체를 다루는 기계 - 기체를 다루는 기계 * 펌프(pump), 송풍기(blower or fan) 및 압축기(compressor) 기계적 에너지를 유체에너지로 바꾸는 유체기계 회전차(impeller)의 동력학적 작용을 이용 * 수차(water turbine), 풍차(wind wheel), 유체모터(fluid motor) - 유체에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 유체기계 (다) 유체전달장치 - 기계적 에너지를 유체에너지로 바꾸어 다른 곳으로 이송한 후 다시 유체에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 장치 * 정압식(hydrostatic type): 용적형 펌프와 모터로 구성, 일반적인 유압기기(fluid power system)가 이에 해당 * 동압식(hydrodynamic type): 터보형 펌프와 터빈으로 구성, 유체커플링 (fluid coupling)과 토크 컨버터 (torque convertor)가 해당

- 근대 유체 기계의 발달 과정 <표1> 기원전 1500년경 Archimedes 1588년 Ramelli 1593년 나사 펌프를 고안 (그림 1.1) 1588년 Ramelli 로터리 펌프를 발명 (그림 1.2) 1593년 Serviere 기어펌프, 윙 펌프를 발명 1680년 Jordan 원심력을 이용한 조르단 펌프를 발명 1725년 Baker 반동수력 터빈을 고안 1750년 Euler 터보 기계의 이론을 발표 1765년 Smeaton 왕복형 송풍기(단동 4 실린더) 제작 1795년 Bramah 수압기를 제작 1798년 Mongolfier 수격펌프를 제작 1818년 McConty 보스턴시에서 처음으로 원심펌프를 제작 1830년 Revillion 나사펌프를 발명 1832년 Fourneyron 37kW의 프르네이론 수차를 완성 (그림 1.3)

<표1> 1843년 Jonval 1855년 Francis 1859년 Worthington 1870년 Pelton 축류수차를 완성 1855년 Francis 프란시스 수차를 완성 (그림 1.4) 1859년 Worthington 듀프렉스 펌프를 완성 1870년 Pelton 팰톤 수차를 완성 (그림 1.5) Westinghous 공기제동기 1880 기포 펌프가 제작됨 1890년 동경석촌도조선소 이엽의 로터리 펌프를 제작 1912년 Kaplan 카플란 수차를 고안

펌프 - 펌프의 개략적 분류 펌프란 외부로부터 일을 행함으로써 액체를 낮은 수위(저압력)로부터 높은 수위(고압력)로 이동하고 그의 에너지를 높이는 기계. 여기서 그의 방법에 따라 크게 3종류로 분류할 수 있다. 첫째는 임페러를 사용하여 액체를 연속적으로 유동시키고 액체의 관성력을 이용하여 승압(昇壓)하는 터보형 펌프, 두번째는 일정공간에 액체를 가두고 이것을 밀어내는 용적형 펌프, 마지막으로 이상의 두가지와는 완전히 다른 방법으로 펌프작용을 하는 특수펌프로 나누어진다. (가) 터보형 펌프 - 반경류형 (radial flow type): 원심펌프 - 혼류형 (mixed flow type): 사류(斜流) 펌프 -축류형(axial flow type): 축류펌프 (나) 용적형 - 왕복식 (reciprocating type): 왕복펌프 - 회전식 (rotary type): 회전펌프 (다) 특수펌프: 마찰펌프, 제트펌프, 기포(氣泡)펌프, 수격(水擊)펌프

* 터보형펌프(turbo pump)는 회전차의 회전에 의하여 발생하는 원심력 (반경류인 경우), 양력(축류형인 경우) 및 원심력과 양력의 합력(혼류형인 경우)을 이용하여 회전차 내부를 지나는 액체의 압력에너지 및 운동에너지를 크게함 * 왕복식은 피스톤 또는 플런저를 실린더 내에서 왕복 운동시킴에 따라, 회전식은 회전자(rotor)를 케이싱 내에서 회전시킴에 따라 흡입측으로부터 일정 용적의 액체를 흡입해서 송출측으로 배출

- 터보형 펌프의 특성 (1) 일반적으로 고속으로 회전하므로 송출유량에 비하여 장치의 부피가 작다. (2) 송출밸브를 닫은 상태로 운전해도 송출수두가 극단적으로 상승하는 일은 없음. 특히, 반경류형 원심펌프는 송출측 밸브가 완전히 닫힌 상태에서 오히려 소요 축동력이 최소가 된다. 따라서 원심펌프는 송출측 밸브를 닫은 상태에서 기동 (3) 저수두, 대용량용이다. (4) 운동부와 고정부 사이의 간극이 비교적 크기때문에 내부 마찰에 의한 동력손실이 작고, 소형의 고형물을 포함한 유체도 취급할 수 있다. (5) 내부구조가 간단. 내부에 밸브가 없어 유체를 정상적으로 송출하므로 송출측의 맥동이 작다. (6) 흡입관 및 송출관에 설치된 정지밸브(stop valve)의 開度를 조절하여 흡입수두, 송출수두 및 송출유량을 용이하게 조절할 수 있다.

- 용적형 펌프의 특성 (1) 일반적으로 효율이 높다. (2) 呼水(priming water)를 필요로 하지 않는다. (3) 일반적으로 고수두, 소유량용이다. (4) 어떤 송출 수두 조건에서도 송출유량이 거의 일정하다.

펌프에 관한 기초정리 - 베르누이(Bernoulli)의 정리 물이 가지고 있는 에너지보존의 법칙을 관속을 흐르는 물에 적용한 것으로서 관경이 축소(또는 확대)되는 관속으로 물이 흐를때 그림에서 “1”에너지와 “2”에너지는 일정하다. 흐름에 따른 손실을 무시할 경우, 기준면으로부터의 높이를 위치수두(z), 물의 정압에 의한 에너지를 압력수두 , 물이 흐름에 따른 동압에너지를 속두수두 이라할때 이 세가지 합은 어디서나 일정하다. <그림> 관 내부의 유동

(식 2.1) 식 (2.1)을 정상유동에서의 Bernoulli 방정식이라 한다. 즉, 물의 흐름이 빠른 “2”에서는 속도수두가 커지므로 압력수두는 낮아지게 되고 반대로 유속이 느린 “1”에서는 속도수두가 작아지고 압력수두는 커진다. 압력수두는 정압의 크기이며, 속도수두의 크기는 속도의 제곱에 비례한다. 비압축성 Bernoulli방정식은 다음 조건이 부합될 때에만 적용이 가능하다. 1. 정상유동 2. 비점성유동 3. 유선을 따르는 유동 4. 비압축성 유동

- 유선(流線)과 흐름의 경로 * 정상유동(steady state flow) – 시간에 따라 속도, 압력 등이 변하지 않는 유동 * 비정상유동(unsteady state flow) – 시간에 따라 속도, 압력등이 변하는 유동 * 유선(stream line) – 속도벡터가 접하는 선, 즉 어떤 순간에 흐르고 있는 유체 내부에 하나의 선을 가상하고, 그 선 위의 임의의 점에서 그은 접선이 모두 각 점에서 흐름의 방향을 나타낼 때 그 선을 유선이라 함 * 정상상태일 때는 유선은 동일 * 유체역학은 다른 어떤 분야보다도 가시화가 요망되는 학문이다. 유체유동이 정확히 가시화될 때, 유동에 관한 만은 정성적, 그리고 정량적인 정보를 얻어낼 수가 있다. 유동의 가시화는 위하여 유선등이 만이 사용.

<그림> 유선의 시간적 변화 그림에서 임의의 시각 t1, t2, t3 에서의 유선이 곡선 A1B1, A2B2, A3B3였다고 하면 (비정상류) 미립자가 시각 t1 ~ t3 사이에 그리는 흐름의 경로는 각 유선의 포락선 P1P2P3로 표시

<그림> 속도 벡터와 유선도

- 연속 방정식(continuity equation) <그림> 유관 (stream tube) 단면 I의 면적을 A, 이 단면을 통하는 유체의 평균속도를 v, 밀도를 라 하면, 시간 사이에 단면 I를 통하여 유입하는 유체의 질량 : 단면 II로부터 유출하는 유체의 질량 : 따라서 이들 질량의 차 : 동안 단면 I, II사이의 짧은 관을 통하여 흐르는 유체의 질량변화 와 같아야 함.

위 식을 유동의 연속방정식(continuity equation)이라 한다 흐름상태가 정상유동(steady state flow)라면,

자유 보르텍스 유동 (free vortex motion) - 용기 밑바닥의 중앙부에 구멍을 뚫어서 물이 흘러내리게 했을 때 자연적으로 발생하는 흐름현상 - 하천수의 유동에서 나타나는 소용돌이나 원심펌프의 와실(vortex chamber) 내에서의 물의 유동등은 free vortex motion에 가깝다. - 유체의 점성을 무시할 수 있는 경우, 외부와의 에너지교환이 없기 때문에 각 점에서 단위질량의 유체가 갖는 에너지는 동일. - 회전축으로부터 반경 r되는 점에서의 유체의 원주속도 u라하면, 베르누이 정리를 적용하면, 그림 1 자유 보텍스 운동 위 식을 반경 r에 대하여 미분하면

-윗 식에 반경방향의 원심 수두 증가율 을 대입 - 자유vortex운동에서 회전하는 유체의 원주속도 u는 회전축 중심으로부터의 거리 r에 반비례하여 변화. 즉, 원심펌프의 와실에서 속도에너지가 압력에너지로 회복되는 과정을 설명

관 내부에서의 수두손실 (가) 곧은 원관 내에서의 손실 유체가 곧은 원관 내를 유동할 때의 마찰수두손실은 * 흐름이 층류인 경우: * 흐름이 난류인 경우:

(나) 비(非) 원형단면을 갖는 유로에서의 수두손실 - 단면 형상이 원형이 아닌 유로에서의 수두손실도 위의 식을 확대 적용함으로써 계산할수 있다. - 수력반경(hydraulic radius, ) 및 수력직경(hydraulic diameter, )라는 개념을 사용하여, 수력반경= 유로의 단면적 / 접수(接水)길이 수력직경= 4 x 수력반경

(다) 관로 내의 여러가지 손실 유체관로에는 각종 이음이나 기기류(fitting)가 사용되고, 이들 기기에 의하여 관로의 단면적이 변하거나 흐름의 방향이 변하는 경우가 많음 유체가 이러한 유로를 따라 흐를때 1) 마찰에 의한 수두손실 이외에, 2) 흐름의 형상변화에 따라서 충돌이나 격렬한 vortex 에 의한 수두손실이 발생 : 손실계수, 단면의 형상에 따라 결정

일반적인 단면 형상의 은 그림 2에 나타나 있다. 단, 단면적 변화에 따라 유속 v 에 변화가 있는 경우에는 나타낸 값 중 큰 쪽의 값을 취하여 계산 그림 2 관로 내 단면 형상 변화에 따른 손실 계수

펌프의 일반 이론 (가) 유량(Q) 사용자에 의하여 결정되며 펌프 및 시스템 설계에서 가장 기본적인 요소로서 배관경 및 양정 산출은 물론 용량에 따라 펌프의 대수 및 형식을 예상할 수 있다. 일반적으로 단위를 사용

(나) 펌프의 양정(H) - 양정의 기본 의미는 토출 양정과 흡입 양정의 차이 1) 실양정 Ha (actual head): 양수장치에서 펌프를 중심으로 하여 흡입액면으로부터 송출 액면까지 수직 높이를 실양정 이라고 함 펌프의 중심선으로부터 흡입액면까지의 수직높이를 흡입 실양정 Hs (actual suction head), 중심선으로부터 송출액면까지의 수직 높이를 송출 실양정 Hd (actual discharge head)라 한다. 그림 3 펌프의 양정

2) 계기양정 Hm (manometric head): 실양정은 단순히 펌프가 유체를 이동시킨 결과만 이야기 한 것이며, 실제로 유체가 흡입관과 송출관 속을 흐르기 때문에 마찰저항을 이겨낼 만한 동력을 펌프가 부담을 해야 하고, 또한 송출관으로부터 수조에 방출하여 손실에 상당하는 잔류속도 수두도 펌프가 감당해야 할 동력이 된다. 이러한 것을 고려한 것이 펌프를 중심으로 가능한 한 가까운 위치에 흡입관 측에 진공 계기, 송출관측에 압력계기를 부착하여 각 계기의 결과 값으로 양정을 결정하는 방법이 계기양정 3) 전양정 Ht (total head): - 펌프를 포함한 양수 장치 전체의 계에 대해서 양정을 생각해 보면, 흡입액면과 송출액면에 작용하는 압력을 각각 , 흡입관과 송출관에서의 평균유속을 각각 , 흡입관 및 송출관로내의 전체의 손실 수두를 , 실양정을 라 하면, 이러한 양수 장치 계에 유동이 이루어지게 하는데 필요한 전 양정은 다음과 같다.

(다) 여러 가지 효율 - 펌프에 사용되는 효율에는 다음과 같은 것이 있다. 1) 전효율 (pump efficiency) - 펌프가 액체에 대하여 행하는 일을 수동력 (WHP: water horse power)이라 하고, 실제 토출량을 , 양정을 Hm 액주, 액의 비중량을 라 하면 - 실제로 펌프를 운전하는 데에는 수동력보다 펌프 내부에서의 여러 가지 손실 만큼 더 큰 동력이 필요한데 이를 축동력 (SHP; shaft horse power) 또는 제동 마력 ( break horse power)라 한다. 따라서 전효율은 2) 체적효율 (volumetric efficiency) - 이론적 토출량을 , 실제 토출량을 Q 라 하면 - 은 펌프 출구로부터 입구에로의 역류, 수밀부로부터 외부에로의 누설등에 의하는 토출량의 감량을 나타낸다.

3) 압력계 효율 (manometric efficiency) - 펌프가 발생하는 이론적 양정을 라 하면 로 나타낼 수 있다. 4) 수력 효율 (hydraulic efficiency) - 펌프가 실제 이론적으로 행하여야 하는 일은 를 까지 올리는 것이며 이것을 펌프마력 (PHP; pump horse power)라 한다 5) 기계 효율 (mechanical efficiency) - 펌프마력과 축동력의 비를 말하며 - 여기서 은 펌프내의 기계손실 동력을 나타낸다

(라) 펌프 선정시 고려해야 할 사항 * 토출량: 필요 유량의 10 ~ 20%의 여유로 선정하여야 한다. * 비교회전도 한 회전차와 모양이 상사를 유지하면서, 그 크기를 바꾸어 단위 송출량에서 단위 양정을 내게 할 때 그 회전차에 주어져야 할 회전 속도를 비교 회전도(specific speed) 라 한다. 결정된 유량과 양정 조건하에서 최적특성의 펌프 임펠러를 설정하기 위해 비속도를 계산한다. 비속도에 따른 적용펌프에서 얻을 수 있는 효율이 다르므로 가끔씩 높은 효율을 얻을 수 있는 규격으로 설계함이 좋다. - 여기서 n: 회전수(1/min) * 회전수: 회전수는 전동기의 극수와 함께 결정되며, 회전수가 정해지면 전 양정과 유량이 앞에서 결정되었으므로 비속도가 정해져 펌프의 특성이 결정된다. 회전수는 펌프의 비속도와 캐비테이션 뿐만 아니라 효율에도 영향을 미치므로 제작사로부터 자료를 받아 확인하여야 한다.

* 효율 : 제작사로부터 직접 효율을 조사하고 가급적 높은 효율의 펌프가 설계되도록 하고, 운전빈도가 큰 운영 전 양정 점에서의 효율이 최고 효율점이 되도록 펌프를 선정하고, 전체 운전범위에서 높은 효율로 운전되도록 결정하여야 한다. * 소요동력: 축동력을 계산해서 펌프가 운전되는 설계 전 양정부터 최소 전양정 이내에서 최대량을 산출하여야 한다.

(마) 펌프의 동력 및 효율 그림 4 비교회전도와 효율

표1 비교회전도에 따른 회전차의 형시과 효율

관내의 유체 현상 (가) 공동현상(cavitation) - 관 속을 유체가 흐르고 있을 때 압력이 떨어지면 그 이하의 온도에서 유체는 비등하는데, 흐르는 유체속의 어느 부분의 정압이 유체의 온도에서 포화증기압 이하가 되면 관내의 부분적으로 수증기가 발생하는 현상 1) 발생원인 - 펌프 흡입측 수두, 마찰손실, 임펠러의 속도가 클 때 - 펌프의 흡입관경이 작을 때 - 펌프의 설치위치가 수원보다 높을 때 - 펌프의 흡입 압력이 유체의 증기압보다 낮을 때 - 배관내의 유체가 고온일 경우 2) 발생현상 - 소음과 진동 발생 - 임펠러의 손상 발생 - 펌프의 성능저하 (토출량, 양정, 효율 감소) - 심하면 양수 불능 상태가 된다.

3) 방지대책 펌프의 흡입측 수두, 마찰손실, 펌프의 임펠러 속도를 적게 한다. 펌프의 설치 위치를 수원보다 낮게 한다. 펌프의 흡입 압력을 유체의 증기압보다 높게 한다 양흡입 펌프를 사용 펌프를 2대 이상 설치

- 캐비테이션이 발생하지 않을 기본조건은 NPSH av (유효흡입수두) > NPSH re (필요흡입수두) 이나 일반적으로 여유를 고려하여 NPSH av 1.3NPSH re 의 조건을 만족하도록 운용.

(나) 수격현상 (water hammering) 유체가 유동하고 있을 때 정전 혹은 밸브를 차단하는 경우 유체가 감속되어 운동에너지가 압력에너지로 변하여 유체 내의 고압이 발생하고, 유속이 급변화하면서 압력변화를 가져와 관로의 벽면을 때리는 현상 발생 원인 - 펌프의 운전 중에 정전에 의해서 펌프가 정지하는 경우 - 펌프의 정상 운전일 때의 액체의 압력변동이 생길 때 - 밸브를 급하게 개폐할 경우 2) 방지 대책 - 관경을 크게, 유속을 낮게 한다 - 펌프의 플라이 휠을 설치하여 급격한 속도 변화 방지 - 조압 수조 (surge tank) 혹은 수격방지기(water hammering cushion) 설치 - 밸브는 펌프 송출구 가까이 설치하고 적당한 밸브 제어

(다) 맥동현상 (surging) 펌프 운전시 규칙적으로 운동, 양정, 토출량이 변화하는 현상으로 송출압력과 송출 유량의 주기적인 변동이 발생하는 현상 발생원인 - 펌프의 양정곡선의 산모양의 곡선으로 이 곡선의 상승부에서 운전하는 경우 - 수량조절 밸브가 수조의 후방에서 행하여 질 때 - 배관중에 외부와 접촉할 수 있는 공기탱크나 물탱크가 있을 때 - 토출량 조절 밸브가 수조, 공기 저장기보다 아래에 있을 것 2) 방지대책 - 펌프내의 양수량 증가, 임펠러의 회전수를 변화 - 관로 내의 잔류 공기 제거, 관로의 단면적 유속, 저장을 조절 (라) 에어 바인딩 현상(air binding) 원심펌프에서 일어나는 현상으로 펌프내에 공기가 차 있으면, 공기의 밀도는 물의 밀도보다 작으므로 수두를 감소시켜 송액이 되지않는 현상으로, 펌프 작동전 공기 제거 또는 자동 공기제거펌프를 사용해야 한다. 자동 공기 제거 펌프로는 자동 유출펌프가 있다.