PUMP 입문) 펌프의 기초지식과 응용1 :: Today

® 자료제공: 효성EBARA주식회사

1989년 설립된 효성에바라(주)는 농업관개용, 도시 상․하수도용, 대형 플랜트의 공업용, 제지․화학플랜트 및 발전소용에 이르기까지 용도에 따라 다양한 펌프를 생산, 공급함으로써 국내 최고의 시장 점유율을 차지하였던 효성중공업(주)(현, (주)효성)과 세계 펌프시장에서의 시장점유율 1위를 지키고 있는 일본의 (株)荏原(EBARA)製作所 그리고 원자력․화력․발전소용 특수펌프 제조 전문업체인 미국의 BW/IP International(현, Flowserve Corporation) 3개사가 펌프사업 부문에서 최고의 경쟁력을 갖추기 위해, 자본 합작과 기술제휴를 통해 설립된 회사이다.

이러한 우수한 기술력의 효성에바라(주)로부터 자료를 제공받아 펌프란 무엇인가? 펌프의 기초부터 펌프의 원리, 펌프의 기술, 펌프의 응용분야까지 펌프의 `A to Z`를 상세하게 소개하여 펌프를 공부하는 학생이나 이 업계의 종사자, 이 업계에 입문하려는 이들에게 펌프에 대한 이해를 높이고자 한다. <편집자 주>

-목 차-

제1장 펌프의 기초지식과 응용

1. 펌프의 성능

1. 1 일반성능

1. 2 비속도와 상사법칙

1. 3 펌프의 특성

1. 4 회전수 변화와 펌프성능 변화

1. 5 회전차 외경가공과 펌프성능 변화

1. 6 특수액에 의한 펌프성능 변화

2. 캐비테이션

...

1.4 회전수 변화와 펌프성능 변화

지난호에서 언급한 1.2, 2), b)항에 나타낸 바와 같이 회전수를 변화시키면 펌프성능은 일정한 법칙에 따라서 변화한다. 펌프효율도 어느 정도 변화하지만 일반적으로 기준회전수의 ±20% 정도의 변동범위에서는 그 효율변화는 미소한 것으로 무시해도 좋다. 회전수가 n에서 n、로 변화하면 전양정 및 동력곡선은 <그림 7, 8>과 같이 (Ⅰ), (Ⅱ)에서 (Ⅰ、), (Ⅱ、)로 변화하고, 회전수 n의 경우의 특성곡선도 상의 상태점을 전양정 H, 토출량 Q, 소요동력 L 및 필요흡입수두를 NPSHre라고 하면 이것에 대응하는 n、의 경우의 상태점 H、, Q、, L、 및 NPSHre、는 펌프의 상사법칙에 의하여 다음과 같이 주어진다.

토출량 Q、 = Q × ( )
전양정 H、 = H × ( )²

동 력 L、 = L × (

)³

필요흡입수두 NPSHre、 = NPSHre × (

)²

이것들은 KS B6301에도 규정되어 있으며, 최고 효율점 뿐만 아니라 성능곡선도 상의 어느점에서도 적용할 수가 있다. 단, 회전수의 변동이 큰 경우에는 이 환산식이 다소 오차가 있으므로 주의하지 않으면 안된다.

또한 이상의 사항은 펌프 자체의 성능환산을 나타내는 것으로 실제의 운전조건에 적용시켜보면 <그림 9>와 같이 되고, System에서의 토출량은 관로 저항곡선과 펌프의 유량-양정곡선(H-Q곡선)과의 교점으로 결정되는 것으로, 처음에는 펌프성능(Ⅰ)과 관로 저항곡선(Ⅲ)과의 교점A(토출유량 Q)에서 운전되지만, 회전수 변경에 의해 펌프성능이 (Ⅰ、)로 변화하면 성능상의 대응점은 A、(토출량 Q、)로 되지만, 실제의 토출량은 관로 저항곡선(Ⅲ)과 펌프성능(Ⅰ、)의 교점a(토출량 q)로 된다. 소요동력도 이것에 준하는 <그림 7>의 동력곡선(Ⅱ、)상에서 토출량 q에 대한 값 b로 된다. 즉, 운전점에서의 토출량 또는 동력은 회전수비로 계산되며 대응값보다도 현전히 변화된 값으로 된다.

1.5 회 전차 외경가공과 펌프성능 변화

현재 가지고 있는 펌프의 성능이 현장의 사정에 맞지 않아서 펌프성능을 줄일 필요가 있는 경우에는 전술한 바와 같이 펌프의 회전수를 내리면 펌프성능을 변경하는 것이 가능하지만, 그 외의 방법으로서 회전수를 변화시키지 않고 회전차의 외경 가공에 의해서도 목적하는 바를 얻을 수 있다.

그러나 회전차 외경 가공시에는 원주속도의 변화는 물론 깃의 간섭길이, 회전차 출구폭 뿐만 아니라 종종 출구각까지도 변화하므로 토출유량과 양정 감소의 결과는 회전차의 형상에 따라 다르다. 그러나 원래의 외경 D를 새로운 외경 D、로 감소하여도 깃의 간섭범위가 적절하다면(<그림 10> 윗그림의 빗금친 부분으로 표시됨) 회전차 외경의 가공이 성능감소에 미치는 영향은 대강 추정할
수 있다. <그림 11>에 나타난 바와 같이 회전차 형상은 D、/D의 최소값에 대단한 영향을 준다.

즉 비속도(Ns)가 작은 회전차는 펌프 효율이 거의 저하되지 않는 범위에서도 비교적 상당량을 가공할 수 있고, 반면에 비교적 비속도가 큰 회전차의 외경 가공은 효율저하에 민감하게 영향을 준다. 또한 안내깃을 가지고 있는 펌프의 경우, 전술의 사항들은 회전차의 끝과 안내깃 사이의 틈새가 급격하게 증가하지 않는 경우에 유효하므로 보통 슈라우드는 원래의 치수대로 두고 다만 회전차의 깃만을 가공하고, 안내깃이 없는 펌프인 경우는 슈라우드와 깃을 같이 가공한다.

여기서 회전차의 원래 외경이 D인 경우의 성능곡선을 (Ⅰ)로 두고, 외경 D、로 가공하여 성능(Ⅰ、)로 변경시킨다고 하면 성능(Ⅰ)상의 상태점 A(토출량 Q, 양정 H)와 이것에 대응하는 (Ⅰ、)상의 상태점 A、(Q、, H、)와의 관계는 가공전후의 속도 삼각형이 근사적으로 상사가 되어 회전차 출구폭이 변하지 않았다고 가정한다면 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.

토출량비
전양정 비

즉, Q, H 모두 D의 2승에 비례하므로 대응점 A, A、를 연결하는 직선은 <그림 11>에 나타낸 바와 같이 원점 O를 통과하게 된다. 그러나 실제로는 가공전후 회전차의 출구폭 및 출구각도, 중량 등에 변화가 있기 때문에 점차 형상의 상사성이 약해져서 윗식은 성립되지 않게 되고, 또한 효율도 외경가공과 함께 저하하는 것이 보통이다.

반면에 축류펌프인 경우에는 회전차 외경을 가공하여 사양의 감소효과를 얻을 수 없다. 만약 깃이 회전되도록 설계되었으면 깃을 회전시켜서 사양의 감소 효과를 얻는다. 그리고 사류펌프인 경우의 회전차 외경가공은 <그림 10>에서와 같이 원래회전차의 입구와 출구끝을 연결한 선이 만나는 점 P를 통과하도록 출구끝을 가공하는 것이 최선이다.

전술한 바와 같이 회전차 외경의 가공 결과는 회전차의 형상에 따라서 다양하게 변화하므로 모든 경우에 대하여 회전차 외경을 가공하기 전에 펌프 제작자의 조언을 받는 것이 필히 요구됨에 유의하여야 한다.

1.6 특수액에 의한 펌프성능 변화

특수한 액체를 양수하는 경우의 펌프성능은 상온의 청수를 양수하는 경우에 비하여 성능이 현저하게 변화하는 것으로 알려져 있으며, KS B 6301 또는 KS B 6306에 이들에 대해 설명하고 있다.
펌프의 양액의 점도가 크거나 고형물을 함유하는 경우의 성능시험을 미리 그 펌프의 상온 청수에서의 성능제원을 정하여 청수로 시험하여도 된다. 펌프 성능에 영향을 미치는 요소는 양액의 비중, 점도, 함유고형물 등이 있으며 실질 양액의 사양에서 청수의 사양으로의 환산을 실시하기 위하여 이것들에 의한 저감율을 알 필요가 있다.

1) 온도에 의한 성능 변화

펌프의 성능은 온도 그 자체에 의해서는 변화하지 않지만, 온도 변화의 영향을 받은 양액의 비중, 점도, 포화증기압 등의 변화에 의해 동력 또는 펌프성능, 흡입성능 등이 변화한다.

2) 양액의 비중에 의한 성능 변화

양액이 수온 40℃를 초과하는 청수 또는 단위체적당의 중량이 상온청수와 다를 경우, 양액이 청수와 같이 낮은 점성을 가지는 액체라면 소요 동력은 상온, 청수의 경우에 대하여 비중배(比重倍)로 되고, 펌프의 H-Q곡선의 표시 단위가 전양정을 액주로, 토출량을 체적으로 표시하는 경우에는 불변이지만 다른 단위로 표시되는 경우에는 값이 변화한다.

- 시방양액의 경우의 토출량(m³/min)

= 시험양액의 경우의 토출량(m³/min)

- 시방양액의 경우의 총양정(m)

= 시험양액의 경우의 총양정(m)

- 시방양액의 경우의 압력 (Kgf/cm²)

= γ、/γ × [시험양액의 경우의 압력(Kgf/cm²)]

[MPa] = ρ、/ρ × [시험양액의 경우의 압력(MPa)]

- 시방양액의 경우의 축동력 (KW)

= γ、/γ × [시험양액의 경우의 축동력(KW)]

= ρ、/ρ × [시험양액의 경우의 축동력(KW)]

여기서, γ、 : 시방양액의 단위체적당의 중량(Kgf/ℓ)

{ ρ、 : 시방양액의 밀도(Kg/m³)}

γ : 시험양액의 단위체적당의 중량(Kgf/ℓ)

{ ρ : 시험양액의 밀도(Kg/m³)}

3) 고점성액에 의한 펌프성능 변화

점성이 높은 액체를 취급하는 경우에는 회전차, 케이싱 등의 측벽에서의 유체마찰 등의 영향에 의해 청수를 취급하는 경우보다는 토출량 또는 전양정, 효율 등의 저하로 소요동력이 증대한다. 그러므로 취급액에서의 펌프사양이 정해졌을 경우 이 시방을 내기 위해 펌프를 청수로 운전했을 때의 사양, 즉 청수시 사양을 안다는 것은 펌프 선정상 필요하다. 점도에 따르는 토출량, 양정, 효율의 저감율을 나타낸 것이 <그림 12> 이다.

a) 적용범위

펌프의 청수성능에서 기름 등 고점성액에서의 펌프 성능의 수정방법에 대하여 KS B 6306에 기술된 방법은 HI(American Hydraulic Institute) Standard상의 수정방법으로, 이것은 일반적인 원심펌프(Open 및 Close형)에 한하여 적용하며 사류펌프, 축류펌프 및 점도가 불균일한 액체에는 적용할 수 없다.

b) 수정방법

청수를 써서 운전했을 때의 사양 즉, 청수시 사양을 알기 위해서는 <그림 12>를 써서 토출량, 양정, 효율의 저감율 Cq, Ch, Cη를 구함으로써 아래의 관계를 이용하여 각각의 사양에서의 관계를 알 수 있다.

① 청수에서의 펌프 성능 곡선도에서 최고 효율점의 토출량을 Qn으로 하여 0.6×Qn, 0.8×Qn, 1.0×Qn, 1.2×Qn에 대하여 전양정 m, 펌프 효율 %를 <그림 12>에서 읽는다(읽은 값을 Qw, Hw, ηw라 한다).

② <그림 12>에서 토출량 Qn의 경우 전양정 Hn 및 동점도 SUS 또는 Centistokes(cSt)로 수정계수(Cq, Ch, Cη)를 읽는다.

③ 수정토출량 : Qo = Qw × Cq (m³/min)

수정전양정 : Ho = Hw × Ch (m)

수정펌프효율 : ηo = ηw × Cη (%)

수정축동력 : Lo = 0.163 × γo × Qo × Ho/ηo (KW)

여기서 γo는 양액의 단위체적당 중량 (Kgf/ℓ)

4) Slurry에 의한 펌프 성능변화

a) 적용범위

청수에서의 펌프 성능에서 미세 Slurry의 양액을 취급하는 경우로의 펌프성능 수정방법에 대하여 기술한다.