축류 펌프

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1. 개요
2. 작동 원리
- 2.1. 속도 삼각형
- 2.2. 블레이드 설계
3. 특징
- 3.1. 장점
4. 응용 분야
- 4.1. 해외
5. 참고 문헌
참조

1. 개요

축류 펌프는 프로펠러형 임펠러를 사용하여 작동하는 펌프의 한 종류이다. 임펠러 블레이드 위로 액체가 흐르면서 압력을 발생시키며, 유체는 임펠러 축과 평행한 방향으로 밀려난다. 축류 펌프는 낮은 수직 거리에서 높은 배출(유속)을 가지며, 날개 피치 조절을 통해 효율적으로 작동하도록 조정할 수 있다. 하수 처리, 발전소 냉각, 화학 산업, 농업 및 어업 등 다양한 분야에서 활용된다.

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축류 펌프
개요
축류 펌프 작동 방식
정의	관 내부에 프로펠러가 있는 펌프의 한 종류
작동 원리	프로펠러를 회전시켜 액체에 축 방향으로 운동량을 전달
특징
장점	높은 유량 낮은 양정 간단한 구조
단점	낮은 효율 (특히 소형 펌프) 캐비테이션에 취약
응용 분야
일반	하수 처리장 배수 펌프장 관개 시설
특수	선박 추진기 액체 로켓 엔진 (터보 펌프의 일부) 인공 심장
추가 정보
관련 용어	프로펠러 펌프

2. 작동 원리

축류 펌프는 케이싱 내에서 작동하는 프로펠러형 임펠러를 가지고 있다. 축류 펌프의 압력은 임펠러 블레이드 위로 액체가 흐르면서 발생한다. 유체는 임펠러 축에 평행한 방향으로 밀려나는데, 유체 입자가 펌프를 통과하는 과정에서 반경 방향 위치를 변경하지 않는다. 이를 통해 유체는 축 방향으로 임펠러에 들어가고 거의 축 방향으로 배출될 수 있다. 축류 펌프의 프로펠러는 모터에 의해 구동된다.

2. 1. 속도 삼각형

축류 펌프는 케이싱 내에서 작동하는 프로펠러형 임펠러를 가지고 있다. 축류 펌프의 압력은 임펠러 블레이드 위로 액체가 흐르면서 발생한다. 유체는 임펠러 축에 평행한 방향으로 밀려난다. 즉, 유체 입자는 펌프를 통과하는 과정에서 반경 방향 위치를 변경하지 않는다. 이를 통해 유체는 축 방향으로 임펠러에 들어가고 거의 축 방향으로 배출될 수 있다. 축류 펌프의 프로펠러는 모터에 의해 구동된다.

2. 2. 블레이드 설계

축류 펌프에서 날개는 유체가 흐르고 압력이 발생하는 에어포일 단면을 갖는다.^[2] 일정한 유량을 위해 다음이 성립한다.

:

V_{\rm f1} = V_{\rm f2} = V_{\rm f}

따라서 단위 중량당 유체로의 최대 에너지 전달량은 다음과 같다.

:

U \frac{(U - V_{\rm f} \cot \beta_{\rm 2})} {g}

날개 전체 스팬에 걸쳐 일정한 에너지 전달을 위해서는 위의 방정식이 모든

r

값에 대해 일정해야 한다. 그러나

U^2

는 반경

r

이 증가함에 따라 증가하므로, 일정한 값을 유지하기 위해서는

UV_{\rm f} \cot \beta_{\rm 2}

에서도 동일한 증가가 발생해야 한다.

V_{\rm f}

는 일정하므로

\cot \beta_{\rm 2}

는

r

이 증가함에 따라 증가해야 한다. 따라서 반경이 변함에 따라 날개가 비틀리게 된다.

3. 특징

축류 펌프의 특성 곡선. 빨간색 선은 다양한 블레이드 피치에서의 다른 성능을 나타내고, 파란색 선은 흡수된 동력을 나타낸다.

축류 펌프는 무유량에서의 양정이 펌프 최적 효율점에서의 양정보다 최대 3배 높을 수 있다. 동력 요구량은 유량이 감소함에 따라 증가하여 무유량에서 가장 높다. 이는 유량 증가에 따라 동력 요구량이 증가하는 원심 펌프와 반대되는 특성이다. 또한, 동력 요구량과 펌프 양정은 피치가 증가함에 따라 증가하므로, 시스템 조건에 맞춰 펌프를 조절하여 가장 효율적으로 작동시킬 수 있다.^[5]

3. 1. 장점

축류 펌프의 주된 장점은 상대적으로 낮은 수직 거리에서 상대적으로 높은 배출(유속)이다.^[5] 예를 들어, 4미터 미만의 리프트에서 일반적인 원심펌프와 비교했을 때 최대 3배나 더 많은 물과 기타 유체를 펌프질할 수 있다. 또한 프로펠러의 피치를 변경하여 낮은 유량/높은 압력 및 높은 유량/낮은 압력에서 최고 효율로 작동하도록 쉽게 조정할 수 있다(일부 모델만 해당).^[3]

축류 펌프에서는 유체의 와류의 영향이 심하지 않으며,^[4] 임펠러 블레이드의 길이도 짧다. 이는 낮은 수력 손실과 더 높은 단 효율로 이어진다. 이 펌프는 많은 기존 펌프 중에서 치수가 가장 작으며 낮은 양정 및 높은 토출량에 더 적합하다.

4. 응용 분야

축류 펌프는 하수 처리, 세일링 밸러스트 이송, 발전소 냉각수 공급, 화학 물질 순환, 농업 및 어업 등 다양한 분야에서 활용된다.

4. 1. 해외

12마력 2륜 트랙터로 구동되는 태국 모델 8인치 × 20피트 길이의 축류 펌프가 플라스틱 유연 공급 파이프를 통해 관개수로에서 인근 논으로 물을 퍼올리는 모습

축류 펌프(AFP)는 상업, 지방 자치 단체 및 산업에서 나오는 하수를 처리하는 데 흔히 사용된다. 요트에서는 세일링 밸러스트에 사용되는 이송 펌프로도 활용된다. 발전소에서는 주 응축기를 냉각하기 위해 저수지, 강, 호수 또는 바다에서 물을 퍼올리는 데 사용된다. 화학 산업에서는 증발기 및 결정화기와 같이 대량의 액체를 순환시키는 데 사용된다. 하수 처리에서 축류 펌프는 종종 내부 혼합 액체 재순환(예: 폭기 구역에서 탈질 구역으로 질화된 혼합 액체 이송)에 사용된다.

농업 및 어업에서는 매우 큰 마력의 축류 펌프가 관개 및 배수를 위해 물을 끌어올리는 데 사용된다. 동아시아에서는 수백만 개의 소형 마력(6-20 HP) 이동식 장치가 주로 단기통 디젤 및 가솔린 엔진으로 구동된다. 이는 소규모 농부가 작물 관개, 배수 및 어업에 사용한다. 임펠러 설계도 개선되어 효율성이 더욱 향상되고 에너지 비용이 절감되었다. 이전 설계는 길이가 2미터 미만이었지만, 현재는 최대 6미터 이상으로 더 안전하게 물 공급원에 "도달"할 수 있으며, 동력원(여러 번 2륜 트랙터가 사용됨)을 더 안전하고 안정적인 위치에 유지할 수 있다.^[1]

5. 참고 문헌

S. M. 야흐야, 《터빈 압축기 및 팬, 3판》, 타타 맥그로힐 에듀케이션, 2005년
A. 발란 아라수, 《터보 기계, 2판》, 비카스 출판 하우스 주식회사

참조

_[1] 서적 Turbo Machines Vikas
_[2] 서적 Turbomachinery Design and Theory https://books.google[...] CRC Press
_[3] 서적 Mechanics of Fluids https://books.google[...] Cengage Learning
_[4] 서적 Turbines Compressors and Fans https://books.google[...] Tata McGraw-Hill Education
_[5] 서적 Mechanics of Fluids https://books.google[...] Cengage Learning

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