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원심펌프

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1. 개요

원심 펌프는 회전 에너지를 유체의 에너지로 변환하는 펌프의 한 종류이다. 1475년 진흙 양수기가 최초의 원심 펌프로 추정되며, 17세기 후반 드니 파팽에 의해 직선 날개를 사용한 펌프가 제작되었고, 1851년 존 아폴드에 의해 곡선 날개가 도입되면서 현재 형태의 펌프가 개발되었다. 원심 펌프는 임펠러를 회전시켜 유체의 속도와 압력을 증가시키며, 효율, 종류, 문제점 및 해결 방안, 그리고 응용 분야에 따라 다양한 형태로 사용된다.

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원심펌프
개요
원심 펌프 애니메이션
원심 펌프 애니메이션
유형유체 기계
하위 유형터보 펌프
사용 분야액체를 이송하는 데 사용
작동 원리
작동 방식회전 운동 에너지를 유체의 유압 에너지로 변환
작동 원리 설명임펠러를 회전시켜 유체에 원심력을 가하고, 이 힘으로 유체를 펌프 밖으로 밀어냄
구성 요소
주요 부품임펠러
케이싱
임펠러펌프의 회전 부분으로, 유체에 에너지를 전달
케이싱임펠러를 둘러싸고 유체의 흐름을 안내하는 역할
특징
장점비교적 간단한 구조
유지 보수가 용이
다양한 유체 이송 가능
단점높은 점성 유체에는 효율이 낮음
자체 프라이밍 기능이 없음 (일부 모델 제외)
응용 분야
일반적인 용도급수 시스템
폐수 처리
농업용수 공급
석유화학 산업
냉각 시스템
추가 정보
다른 이름볼류트 펌프 (Volute pump)

2. 역사

레티에 따르면, 원심 펌프로 특징지을 수 있는 최초의 기계는 1475년 이탈리아 르네상스 시대의 엔지니어 프란체스코 디 조르지오 마르티니의 논문에 등장한 진흙 양수기였다.[3] 진정한 원심 펌프는 17세기 후반에 드니 파팽이 직선 날개를 사용하여 제작했다. 곡선 날개는 1851년 영국의 발명가 존 아폴드에 의해 도입되었다.

2. 1. 초기 역사

레티에 따르면, 원심 펌프로 특징지을 수 있는 최초의 기계는 1475년 이탈리아 르네상스 시대의 엔지니어 프란체스코 디 조르지오 마르티니의 논문에 등장한 진흙 양수기였다.[3] 17세기 후반에 드니 파팽이 직선 날개를 사용하여 원심 펌프를 제작했고, 진정한 원심 펌프가 개발되었다. 곡선 날개는 1851년 영국의 발명가 존 아폴드에 의해 도입되었다.

2. 2. 19세기 이후

레티에 따르면, 원심 펌프로 특징지을 수 있는 최초의 기계는 1475년 이탈리아 르네상스 시대의 엔지니어 프란체스코 디 조르지오 마르티니의 논문에 등장한 진흙 양수기였다.[3] 17세기 후반에 드니 파팽이 직선 날개를 사용하여 진정한 원심 펌프를 제작했다. 곡선 날개는 1851년 영국의 발명가 존 아폴드에 의해 도입되었다.

3. 작동 원리

원심 펌프 단면도


원심 펌프는 회전 에너지를, 주로 모터로부터 받아, 유체의 운동 에너지로 변환한다. 유체는 펌프 케이싱의 아이(eye)를 통해 축 방향으로 들어와 임펠러 블레이드에 의해 가속된다. 이후 유체는 접선 및 반경 방향으로 소용돌이치며 케이싱의 디퓨저 부분으로 빠져나가는데, 이 과정에서 속도와 압력이 증가한다. 케이싱의 도넛 모양 디퓨저 또는 스크롤 부분은 흐름을 감속시키고 압력을 더욱 증가시킨다.[4]

3. 1. 기본 원리

원심 펌프는 회전 에너지를 유체의 에너지로 변환한다. 이 에너지의 일부는 유체의 운동 에너지로 바뀐다. 유체는 펌프 케이싱의 아이(eye)를 통해 축 방향으로 들어와 임펠러 블레이드에 의해 접선 및 반경 방향으로 회전하며, 케이싱의 디퓨저로 빠져나간다. 이 과정에서 유체는 속도와 압력이 증가한다. 케이싱의 디퓨저 부분은 흐름을 감속시키고 압력을 더욱 증가시킨다.[4]

뉴턴의 운동 제2법칙에 따르면, 각운동량의 변화는 외부 모멘트의 합과 같다. 임펠러에는 각운동량, 외부 토크, 전단 응력으로 인한 마찰 모멘트가 작용한다. 여기서,

  • \rho는 유체 밀도(Density|덴시티영어) (kg/m3)
  • Q는 유량(m3/s)
  • r은 반지름
  • c는 절대 속도 벡터
  • u는 주변 원주 속도 벡터이다.


원주 방향의 원통형 표면에는 압력 힘이 생성되지 않으므로, 다음 식이 성립한다.[4]

:\rho Q(c_2ur_2 - c_1ur_1) = M + M_\tau

이 식을 바탕으로 오일러는 임펠러에 의해 생성된 압력 헤드 방정식을 개발했다.

:Yth.g=H_t= c_2u.u_2 - c_1u.u_1

:Yth=1/2(u_2^2-u_1^2+w_1^2-w_2^2+c_2^2-c_1^2)

위 식에서,

  • H_t: 이론적 압력 헤드, g는 위도에 따라 9.78m2와 9.82m2 사이이며, 표준 값은 정확히 9.80665m2질량 중심 중력 가속도
  • u_2=r_2\omega: 주변 접선 속도 벡터
  • u_1=r_1\omega: 입구 접선 속도 벡터
  • \omega=2\pi n: 각속도
  • w_1: 입구 상대 속도 벡터
  • w_2: 출구 상대 속도 벡터
  • c_1: 입구 절대 속도 벡터
  • c_2: 출구 절대 속도 벡터


속도 벡터 u, c, w에 의해 형성된 삼각형을 ''속도 삼각형''이라고 하며, 이는 펌프 작동 방식을 설명하는 데 도움이 된다.

3. 2. 오일러의 펌프 방정식

뉴턴의 운동 제2법칙의 결과는 모든 터보 기계에 근본적으로 중요한 각운동량(또는 “운동량 모멘트”) 보존이다. 따라서 각운동량의 변화는 외부 모멘트의 합과 같다.

:\rho Qrcu

위 식에서 입구와 출구에서의 각운동량, 외부 토크 M 및 전단 응력으로 인한 마찰 모멘트 M_\tau가 임펠러 또는 디퓨저에 작용한다. 여기서:

  • \rho는 유체 밀도(kg/m3)
  • Q는 유량(m3/s)
  • r은 반지름
  • c는 절대 속도 벡터
  • u는 주변 원주 속도 벡터이다.


원주 방향의 원통형 표면에는 압력 힘이 생성되지 않으므로, 다음 식을 쓸 수 있다:[4]

:\rho Q(c_2ur_2 - c_1ur_1) = M + M_\tau

위 식을 바탕으로 오일러는 임펠러에 의해 생성된 압력 헤드 방정식을 개발했다.

:Yth.g=H_t= c_2u.u_2 - c_1u.u_1

:Yth=1/2(u_2^2-u_1^2+w_1^2-w_2^2+c_2^2-c_1^2)

위 식에서 앞선 4개 요소의 합은 정압이라고 하고, 마지막 2개 요소의 합은 동압이라고 한다.

  • H_t: 이론적 압력 헤드: g = 위도에 따라 9.78m2와 9.82m2 사이이며, 표준 값은 정확히 9.80665m2 질량 중심 중력 가속도
  • u_2=r_2\omega: 주변 접선 속도 벡터
  • u_1=r_1\omega: 입구 접선 속도 벡터
  • \omega=2\pi n: 각속도
  • w_1: 입구 상대 속도 벡터
  • w_2: 출구 상대 속도 벡터
  • c_1: 입구 절대 속도 벡터
  • c_2: 출구 절대 속도 벡터

3. 3. 속도 삼각형

속도 벡터 u, c, w에 의해 형성된 삼각형을 ''속도 삼각형''이라고 한다. 전방 곡선 날개(Forward curved blades) 임펠러의 속도 삼각형은 그림 2.3 (a)와 같고, 방사형 직선 날개(Radial straight blades) 임펠러의 속도 삼각형은 그림 2.3 (b)와 같다. 이는 유량 Q (벡터 c_m으로 표시됨)에 따라 유동에 추가된 에너지 (벡터 c로 표시됨)가 반비례적으로 변화함을 보여준다.[1]

4. 효율

펌프의 효율(\eta)은 다음 공식으로 계산된다.

:\eta = \frac{\rho.gQH}{P_m}



펌프에 의해 추가된 헤드(H)는 정적 양정, 마찰로 인한 헤드 손실, 밸브 또는 파이프 굴곡으로 인한 손실의 합이며, 모두 유체의 미터 단위로 표현된다. 동력은 일반적으로 킬로와트(kW) 또는 마력으로 표현된다. 펌프 효율 \eta_{\textrm{pump}}의 값은 펌프 자체에 대해 또는 펌프와 모터 시스템의 결합된 효율로 표시될 수 있다.

펌핑 설비의 에너지 사용량은 필요한 유량, 높이, 파이프라인의 길이와 마찰 특성에 의해 결정된다. 펌프를 구동하는 데 필요한 동력(P_i)은 SI 단위를 사용하여 다음과 같이 정의된다.

단단 원심 펌프


:

P_i= \cfrac{\rho\ g\ H\ Q}{\eta}


  • P_i: 필요한 입력 동력 (와트)
  • \rho: 유체 밀도 (kg/m3)
  • g: 표준 중력 가속도 (9.80665 m/s2)
  • H: 유량에 추가된 에너지 헤드 (미터)
  • Q: 체적 유량 (세제곱미터 매 초, m3/s)
  • \eta: 소수점으로 표시된 펌프 설비의 효율


펌프에 의해 추가되는 헤드(H)는 정적 리프트, 마찰로 인한 헤드 손실, 밸브 또는 파이프 굴곡으로 인한 모든 손실의 합으로, 모두 유체의 미터로 표시된다. 동력은 킬로와트(kW) 또는 마력으로 표현된다. 펌프 효율 \eta_{pump}의 값은 펌프 자체 또는 펌프와 모터 시스템의 결합된 효율로 나타낼 수 있다.

에너지 사용량은 동력 요구 사항에 펌프가 작동하는 시간을 곱하여 결정된다.

5. 종류

원심펌프는 작동 방식, 구조, 용도에 따라 다양한 유형으로 분류된다. 주요 유형은 다음과 같다:


  • '''수직 원심 펌프''' (캔틸레버 펌프): 베어링이 섬프 밖에 있는 동안 볼류트가 섬프에 매달리는 구조를 가진다. 부품 세척기에 주로 사용된다.
  • '''프로스 펌프''' (Froth Pump): 광미 처리 과정에서 발생하는 공기 방울로 인한 문제를 해결하기 위해 특수하게 설계된 펌프이다.
  • '''다단 원심 펌프''': 여러 개의 임펠러를 직렬 또는 병렬로 연결하여 높은 압력 또는 유량을 얻을 수 있다. 보일러 급수 펌프 등에 사용된다.
  • '''자흡식 원심 펌프''': 외부 장치 없이 펌프 흡입 라인에서 공기를 제거할 수 있는 펌프이다.
  • '''자력 결합 펌프''' (마그네틱 드라이브 펌프): 모터와 펌프가 자기적으로 연결되어 누출 위험을 줄인 펌프이다. 유해 유체 펌핑에 사용된다.

5. 1. 수직 원심 펌프 (캔틸레버 펌프)

수직 원심 펌프는 캔틸레버 펌프라고도 한다. 이 펌프는 특유의 샤프트와 베어링 지지대 구성을 활용하여 베어링이 섬프 밖에 있는 동안 볼류트가 섬프에 매달리도록 한다. 이 유형의 펌프는 샤프트를 밀봉하기 위해 패킹 박스를 사용하지 않고 대신 "스로틀 부싱"을 사용한다. 이 유형의 펌프는 부품 세척기에 일반적으로 사용된다.

5. 2. 프로스 펌프 (Froth Pump)

광물 산업이나 오일 샌드 추출 과정에서, 광미는 모래와 점토에서 유용한 광물이나 역청을 분리하기 위해 생성된다. 광미는 일반적인 펌프를 막고 작동 불능을 유발하는 공기를 포함하고 있다. 역사를 통틀어, 산업계는 이 문제를 해결하기 위한 다양한 방법을 개발해 왔다. 펄프 및 제지 산업에서는 임펠러에 구멍을 뚫는다. 공기는 임펠러 뒤로 빠져나가고, 특수한 배출기가 공기를 흡입 탱크로 다시 배출한다. 임펠러는 또한 주 날개 사이에 분할 날개 또는 보조 날개라고 하는 특수한 작은 날개를 특징으로 할 수 있다. 일부 펌프는 큰 눈, 유도기 또는 펌프 토출구에서 흡입구로의 가압된 광미 재순환을 통해 기포를 파괴할 수 있다.[5]

5. 3. 다단 원심 펌프 (Multistage Centrifugal Pump)

다단 원심 펌프
[6]

둘 이상의 임펠러를 포함하는 원심 펌프를 다단 원심 펌프라고 한다. 임펠러는 동일한 샤프트 또는 서로 다른 샤프트에 장착될 수 있다. 각 단계에서 유체는 외부 직경으로 배출되기 전에 중앙으로 향한다.

출구에서 더 높은 압력을 얻기 위해 임펠러를 직렬로 연결할 수 있다. 더 높은 유량 출력을 얻기 위해 임펠러를 병렬로 연결할 수 있다.

다단 원심 펌프의 일반적인 응용 분야는 보일러 급수 펌프이다. 예를 들어, 350MW 장치는 병렬로 연결된 두 개의 급수 펌프가 필요하다. 각 급수 펌프는 21MPa에서 150L/s를 생산하는 다단 원심 펌프이다.

유체로 전달되는 모든 에너지는 임펠러를 구동하는 기계적 에너지에서 파생된다. 이는 등엔트로피 압축에서 측정할 수 있으며, 이로 인해 (압력 상승 외에) 약간의 온도 상승이 발생한다.

5. 4. 자흡식 원심 펌프 (Self-priming Centrifugal Pump)

일반적인 원심 펌프는 펌프보다 낮은 위치에 있는 흡입 라인에서 공기를 제거할 수 없다. 하지만 자흡식 펌프는 외부 보조 장치 없이 펌프 흡입 라인에서 공기를 제거할 수 있도록 설계되었다.[10] 워터 제트 펌프 또는 사이드 채널 펌프와 같이 내부 흡입 단계를 갖춘 원심 펌프도 자흡식 펌프로 분류된다.[10] 자흡식 원심 펌프는 1935년에 발명되었다. 1938년에는 American Marsh가 최초로 자흡식 원심 펌프를 출시한 회사 중 하나였다.

내부 또는 외부 자흡식 단계가 없는 원심 펌프는 처음에 유체가 채워진 후에만 작동한다. 이 펌프의 임펠러는 공기보다 밀도가 높은 액체를 이동하도록 설계되어 공기가 있을 때는 작동할 수 없다.[11] 펌프 작동이 멈췄을 때 사이펀 작용을 방지하고 유체가 케이싱에 남아 있도록 흡입측에 스윙 체크 밸브 또는 통기 밸브를 설치해야 한다.

분리 챔버가 있는 자흡식 원심 펌프는 펌핑된 유체와 함께 들어온 공기 방울을 임펠러 작용으로 분리 챔버로 보낸다. 공기는 펌프 토출 노즐을 통해 빠져나가고, 유체는 다시 임펠러로 돌아간다. 이러한 방식으로 흡입 라인은 지속적으로 공기가 제거된다. 하지만 이러한 자흡식 기능 설계는 펌프 효율을 떨어뜨리고, 분리 챔버의 크기가 커지는 단점이 있다. 따라서 이 방식은 주로 정원용 펌프와 같은 소형 펌프에 사용된다. 더 자주 사용되는 자흡식 펌프는 사이드 채널 펌프와 워터 링 펌프이다.

또 다른 유형의 자흡식 펌프는 두 개의 케이싱 챔버와 개방형 임펠러를 갖춘 원심 펌프이다. 이 설계는 자흡 기능뿐만 아니라 2상 혼합물(공기/가스 및 액체)을 단시간 펌핑할 때 탈기 효과를 제공한다. 이 펌프는 풋 밸브나 흡입측 배기 장치 없이 작동하며, 시운전 전에 유체를 채워야 한다. 흡입 라인이 비워지고 유체 레벨이 대기압에 의해 전면 흡입 흡입 챔버로 밀려날 때까지 2상 혼합물이 펌핑된다. 정상적인 펌핑 작동 중에는 일반적인 원심 펌프처럼 작동한다.

5. 5. 자력 결합 펌프 (Magnetically Coupled Pump)

자력 결합 펌프 또는 마그네틱 드라이브 펌프는 전통적인 펌핑 방식과 달리 모터가 직접적인 기계식 샤프트가 아닌 자기적인 방식으로 펌프에 연결된다. 펌프는 구동 자석을 통해 작동하며, 이 자석은 모터에 의해 구동되는 1차 샤프트에 자석으로 연결된 펌프 회전자를 '구동'한다.[8] 누출되는 유체가 큰 위험을 초래하는 경우(예: 화학 또는 원자력 산업의 유해 유체 또는 감전 - 정원 분수) 자주 사용된다. 다른 사용 사례로는 부식성, 가연성 또는 독성 유체를 펌핑해야 하는 경우(예: 염산, 수산화 나트륨, 차아염소산 나트륨, 황산, 염화철/염화제일철 또는 질산)가 있다.[9] 모터 샤프트와 임펠러 사이에 직접적인 연결이 없으므로 스터핑 박스 또는 글랜드가 필요하지 않다. 케이싱이 파손되지 않는 한 누출 위험이 없다. 펌프 샤프트가 펌프의 하우징 외부의 베어링에 의해 지지되지 않으므로 펌프 내부의 지지는 부싱에 의해 제공된다. 마그네틱 드라이브 펌프의 펌프 크기는 수 와트에서 1MW까지 다양할 수 있다.

6. 문제점 및 해결 방안

원심 펌프는 다음과 같은 여러 문제점에 직면할 수 있다.[7]


  • 공동 현상—시스템의 유효 흡입 압력 (NPSH)이 선택된 펌프에 비해 너무 낮음
  • 임펠러의 마모—부유 고형물 또는 공동 현상으로 인해 악화될 수 있음
  • 유체 특성으로 인한 펌프 내부의 부식
  • 낮은 유량으로 인한 과열
  • 회전축을 따라 새는 현상
  • 프라이밍 부족—원심 펌프는 작동하기 위해 펌핑할 유체로 채워져야 함
  • 서징
  • 점성 액체는 효율을 감소시킬 수 있음
  • 다른 펌프 유형이 고압 응용 분야에 더 적합할 수 있음
  • 큰 고형물 또는 파편이 펌프를 막을 수 있음

펌프 손상의 원인을 보여주는 파이 차트

7. 응용 분야

펌핑 설비의 에너지 사용량은 필요한 유량, 높이, 파이프라인의 길이와 마찰 특성에 따라 결정된다. 펌프를 구동하는 데 필요한 동력(P_i)은 SI 단위를 사용하여 다음과 같이 간단하게 정의된다.

:P_i= \cfrac{\rho\ g\ H\ Q}{\eta}

여기서:


  • P_i는 필요한 입력 동력(와트)이다.
  • \rho는 유체 밀도(킬로그램 매 세제곱미터, kg/m3)이다.
  • g는 표준 중력 가속도(9.80665m2)이다.
  • H는 유량에 추가된 에너지 헤드(미터)이다.
  • Q는 체적 유량(세제곱미터 매 초, m3/s)이다.
  • \eta는 소수점으로 표시된 펌프 설비의 효율이다.


펌프에 의해 추가되는 헤드(H)는 정적 리프트, 마찰로 인한 헤드 손실, 밸브 또는 파이프 굴곡으로 인한 모든 손실의 합으로, 모두 유체의 미터로 표시된다. 동력은 킬로와트(kW) 또는 마력으로 더 일반적으로 표현된다. 펌프 효율 \eta_{pump}의 값은 펌프 자체에 대해 또는 펌프와 모터 시스템의 결합된 효율로 표시될 수 있다.

에너지 사용량은 동력 요구 사항에 펌프가 작동하는 시간을 곱하여 결정된다.

유정 고체 제어 시스템에는 머드 탱크 위나 내부에 설치하기 위해 많은 원심 펌프가 필요하다. 사용되는 원심 펌프의 종류에는 샌드 펌프, 잠수형 슬러리 펌프, 전단 펌프, 충전 펌프가 있다. 이들은 서로 다른 기능으로 정의되지만, 작동 원리는 동일하다.

참조

[1] 서적 Principles of Turbomachinery Macmillan
[2] 뉴스 Sprayer Pump Types, Costs, and Specifications https://www.sprayers[...] 2018-11-21
[3] 간행물 Francesco di Giorgio (Armani) Martini's Treatise on Engineering and Its Plagiarists 1963-Summer
[4] 서적 Centrifugal Pumps Springer
[5] 서적 Pumping Oilsand Froth http://turbolab.tamu[...] 21st International Pump Users Symposium, Baltimore, Maryland. Published by Texas A&M University, Texas, USA 2012-10-28
[6] 서적 Practical centrifugal pumps design, operation and maintenance https://books.google[...] Newnes 2015-04-03
[7] 서적 Know and understand centrifugal pumps Elsevier Ltd.
[8] 서적 Pump Handbook https://www.academia[...] McGraw Hill Education
[9] 뉴스 What is a Mag-Drive Pump? https://www.cecoenvi[...] 2023-04-30
[10] 서적 Centrifugal pumps. https://www.springer[...] Springer 2008
[11] 뉴스 How do self-priming pumps work? http://www.pumpsales[...] 2018-05-11



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