Applied Fluid Machinery

Lecture 8

Applied Fluid Machinery

Wang-Hee Lee

Chungnam National University Biosystems Machinery Engineering

reciprocating pump

왕복펌프의 문제점

𝜃 = 0~𝜋의 토출행정에서만 물에 송출되고, 다음의 흡입행정 (𝜃 = 𝜋~2𝜋) 중에는 물의 토출이 없으므로 토출관 내의 유동은 맥동현상을 이룬다.

펌프의 최대유량과의 비 𝛿 (과잉배수체적비) 𝛿 =𝑄𝑚𝑎𝑥 𝑞𝑚𝑒𝑎𝑛=𝐴𝑟𝜔

𝐴𝑟𝜔𝜋

=𝝅  단동 실린더의 배수곡선

 펌프의 토출량 변동이 심하여 위에 설명한 바와 같이 관내 맥동이 발생하며, 이와 같은 현상은 운전에 소요되는 동력을 증가시킬 뿐만 아니라, 각 부에 상당한 무리를 주어 고장의 원인이 되므로 완화대책을 강구해야 한다

1. 펌프를 복동형, 다통식으로 하여 합성유량을 균등하게 하여 관 내의 유속을 고르게 한다.

2. 공기실 또는 진공실을 토출 또는 흡입관에 가급적 펌프에 가까운 곳에 설치한다.

 최대유량과 평균유량의 비(𝛿)에서 단통 단동펌프의 경우는 𝜋이지만 2통 복동펌프의 경우 1.11, 3통 단동펌프의 경우는 1.047이다

1. 펌프의 입구와 출구에 부착된 진공계와 압력계의 지침이 흔들리고 동시에 토출유량이 변화를 가져오는 현상 2. 펌프 운전 중에 압력과 토출량이 주기적으로 변동하는 현상 3. 흡입 및 토출 배관의 주기적인 진동과 소음을 수반

reciprocating pump

공기실

 왕복 펌프의 송출 유량은 플런저의 위치에 따라서 변동하므로 송출유량, 즉 송출압력을 균일하게 하기 위해 펌프 송출측 바로 뒤에 공기실(air chamber)을 설치한다

 피스톤의 속도가 빨라 펌프가 유체를 강하게 밀어낼 때(송출 유량이 많을 때)는 액체의 일부가 공기실의 공기를 압축하면서 공기실로 들어간다.

 피스톤의 속도가 느려 송출 유체의 압력이 약할 때(송출 유량이 적을 때)는 공기의 압력으로 공기실 내에 있는 유체의 일부를 송출관으로 밀어내게 하여 송출 유량의 균일하게 한다

reciprocating pump

공기실

𝑉2− 𝑉1= ∆𝑉

𝑉2= 𝑉0+∆𝑉 2

𝑉1= 𝑉0−∆𝑉 2 공기의 체적 변동

최저압력일 때 체적 최고압력일 때 체적

𝑝0𝑉0= 𝑝1𝑉1= 𝑝2𝑉2

압력변동률 𝛽 𝛽 =𝑝1− 𝑝2 𝑝0

𝑝1=𝑝0𝑉0 𝑉1 = 𝑝0𝑉0

𝑉0− ∆𝑉2

𝑝2= 𝑝0𝑉0 𝑉0+ ∆𝑉2

최고압력 최저압력

등온과정이라 하면

∴ 𝛽 =𝑝1− 𝑝2 𝑝0 = 𝑝0𝑉0

𝑉0−∆𝑉 2

− 𝑝0𝑉0 𝑉0+∆𝑉

2

×1 𝑝0= 𝑉0+∆𝑉

2 − 𝑉⁰−∆𝑉 2 𝑉₀²− ∆𝑉

2

2 ×1

𝑝0= 𝑉0∆𝑉 𝑉₀²− ∆𝑉

2

2 ∆𝑉

2 2

≪ 1

reciprocating pump

왕복펌프의 효율: 체적효율

 왕복펌프의 이론상 배수량 (m³/s) 𝑄𝑡ℎ= 𝐴 ∙𝐿𝑁 60

𝐴: 피스톤 또는 플런저의 유효면적 𝐿: 행정길이,

𝑁: 분당 회전수

 실제의 펌프 배수량은 𝑄𝑡ℎ보다 훨씬 적으며 𝑄𝑡ℎ− 𝑄 = 𝑄_𝑙을펌프의 슬립이라 부르고, 다음과 같은 이유에서 피할 수 없는 손실이다.

① 피스톤의 패킹 링은 완전 기밀을 유지할 수 없으므로 고압측의 물이 저압측으로 누설된다.

② 흡입행정에서는 토출밸브로부터, 토출행정에서는 흡입밸브로부터, 각각 고압측에서 저압측으로 역류가 발생한다.

③ 실린더내에 공기가 있으며 피스톤 운동에 따라 팽창, 수축만을 반복하므로 그만큼 흡입유량이 감소한다.

④ 흡입관 및 패킹부분에서 유입된 공기, 수온에 상당한 수증기 또는 수중으로부터 유리된 공기등으로 실린더 내에 완전한 진공을 조성하지 못한다.

⑤ 흡입, 토출관 내에서 연속 흐름이 아니다.

 체적효율: 𝑄𝑡ℎ에 대한 𝑄의 비 𝜂𝑣 𝜂𝑣= 𝑄 𝑄𝑡ℎ=𝑄𝑡ℎ− 𝑄𝑙

𝑄𝑡ℎ = 1 −𝑄𝑙

𝑄𝑡ℎ

• 일반적으로, 0.9~0.97이며, 소형펌프의 경우 체적효율이 좋지 못하여 0.8 정도의 체적효율을 가진다.

• 체적효율은 펌프의 크기, 설계 및 제작의 정도에 따라 변하는 것은 물론이며, 펌프의 운전 취급에도 관계가 크다.

• 중고펌프의 경우, 패킹이 마멸되고, 밸브류의 기밀이 악화되어 0.5 이하로 되는 경우도 있다.

체적효율

reciprocating pump

왕복펌프의 효율: 수력효율

𝑃𝑑: 평균토출압력 𝑃𝑠: 평균흡입압력 𝐻1: 흡입압력계수두 𝐻2: 토출압력계수두 ℎ𝑑: 토출수두 ℎ𝑠: 흡입수두

실양정 (실수두) = ℎ𝑑+ ℎ𝑠 압력계 수두 𝐻𝑚= 𝐻1+ 𝐻2

𝐻𝑚= ℎ + ℎ𝑓 배관에서의 손실수두 ℎ𝑓 지시압력 𝑃 = 𝑃𝑑+ 𝑃𝑠

𝑃 = 𝛾𝐻𝑚+ 𝑃𝑙 밸브에서의 여러 저항 𝑃𝑙

 수력효율: 지시압력에 대한 𝛾𝐻𝑚의 비 𝜂ℎ= 𝛾𝐻𝑚

𝑝 =𝑃 − 𝑃𝑙

𝑃 = 1 −𝑃𝑙

𝑃

𝑃𝑑+ 𝑃𝑠> 𝛾 𝐻1+ 𝐻2 > 𝛾(ℎ𝑑+ ℎ𝑠)

수력효율

reciprocating pump

왕복펌프의 효율: 기계효율과 전효율

 기계효율: 펌프에 공급되는 축동력에 대한 펌프동력의 비 𝜂_𝑚=𝑝𝑚𝑄𝑡ℎ

𝑆 기계효율

• 𝑝𝑚 평균유효압력으로서 배수 및 흡입행정 중에 피스톤의 작동면에 작용하는 평균압력차

• 𝑆 축동력(W)

• 𝑝𝑚𝑄𝑡ℎ 펌프가 수행하는 일 (펌프동력: 평균유효압력으로 이론수량을 송수)

기계효율은 크랭크식 펌프에서는 0.85~0.95, 증기 직동식 펌프에서는 0.75~0.95정도 이다.

 지시효율: 펌프마력에 대한 수동력의 비

수동력: 𝛾𝑄𝐻_𝑚 𝜂𝑖=𝛾𝑄𝐻𝑚 𝑝𝑚𝑄𝑡ℎ= 𝑄

𝑄𝑡ℎ×𝛾𝐻𝑚 𝑝𝑚= 𝜂𝑣𝜂ℎ

지시효율은 체적효율과 수력효율의 곱

 전효율: 축동력에 대한 수동력의 비 = 체적효율, 수력효율, 기계효율의 곱 𝜂 = 𝜂𝑣𝜂ℎ𝜂𝑚 전효율

reciprocating pump

Valve

 왕복펌프에서 밸브는 생명이라고 할 수 있을 만큼 중요한 부분이며, 고장 나기 쉬워서 밸브 작용의 정도는 펌프 전체의 성능에 크게 영향을 미친다.

 그러므로, 밸브의 선택과 설계는 상당히 중요하며, 왕복펌프의 밸브로서는 다음과 같은 특성을 구비해야 한다.

① 누설이 확실히 없으며 밸브의 개폐가 정확할 것

② 왕복펌프의 작동에 대하여 폐쇄작동이 신속하게 추종해야 할 것

③ 밸브가 열려 있을 때, 유동저항이 가능한 적을 것 (충분한 면적이 필요)

④ 내구성을 가질 것

 밸브의 총면적은 피스톤 속도의 크기에 따라 약간 다르지만, 대체로 피스톤 또는 플런저 면적의 40~60% 하는 것이 일반적이며, 기름과 같이 점도가 큰 액체를 취급하는 펌프에서는 밸브면적을 약간 크게 한다.

체적효율에 영향 수력효율에 영향

reciprocating pump

Types of valves

 원판밸프

• 간단하므로 가장 많이 사용된다.

• 질량을 줄이고 강하게 만들기 위해 밸브 본체에 리브(rib)가 설치되어 있고 밸브 시트는 별도로 만들어져 있다.

 킹흔밸브 (kinghorn valve)

• 두께 약 1.5~3mm의 밸브 판(valve disc) 3매가 겹쳐져 있다.

• 킹혼 밸브의 밸브 판 3매가 겹치면 완전한 기밀을 유지하여 마치 1개의 밸브와 같이 작용하나, 밸브가 닫히기 시작해서 완전히 닫히기 전까지는 밸브의 상·하 양면에 걸리는 압력에 따라 3매의 밸브 판이 별개로 동작하므로 밸브 시트에 충격을 주지 않으면서 빠르고 확실하게 닫히게 된다.

 원뿔밸프

• 밸브의 운동을 정확하게 하기 위하여 3~4매의 날개(valve feather or guide vane)에 의하여 밸브의 위치가 유지

• 닫힐 때 밸브와 밸브 시트와의 접촉부가 선접촉(line contact)을 하므로 누설을 거의 없앨 수 있음

• 선박용 왕복 펌프의 밸브로 가장 많이 사용

reciprocating pump

Types of valves

 볼밸프 (ball valve)

• 볼이 어느 방향으로 접촉하여도 기밀 유지가 가능한 것이 특징

• 밸브가 한번 손상되면 기밀 유지가 어려운 관계로 고압용으로 부적당

• 주로 중유, 윤활유 등과 같이 점도가 높은 액체를 취급하는 펌프에 사용

 링밸브 (ring valve)

• 링 모양의 유체 통로를 가지며 링의 안쪽과 바깥쪽으로 액체를 흘려 보낼수 있으므로 동일한 유량에 대하여 밸브의 양정이 작은 이점이 있다.

• 주로 대형 펌프용 밸브로 사용

reciprocating pump

Types of valves

 플랩밸프 (flap valve)

• 이 밸브는 흡입관의 하단에 설치하는 풋트밸브(foot valve)나 송출관의 도중에 설치한 체크 밸브 (check valve) 또는 수동 펌프의 버킷 밸브 등에 사용된다.

• 밸브의 최대 경사각은 30°정도로 취한다.

 집합밸브 (group valve)

• 밸브를 통하여 흐르는 유량을 많게 하려면 밸브의 직경을 크게 하거나 밸브의 양정을 크게 해야 하지만 이렇게 하면 밸브의 질량이 커지고 개폐시 충격이 커지는 등의 문제점들이 발생

• 이러한 문제점의 해결책으로 직경이 큰 한 개의 밸브를 사용하는 대신에 직경이 작고 양정도 작은 여러 개의 밸브들을 집합적으로 사용하는 방법

reciprocating pump

Real example

 왕복펌프의 실례

• 전동기①의 동력은 ②,③,④,⑤의 2단 치차 감속 장치를 경유하여 크랭크 축 ⑥에 연결한 2개의 복동 피스톤에 전달

• 펌프의 밸브는 링 밸브이고, 펌프의 송출측에는 도출 밸브(escape valve)를 설치하여 송출 압력이 규정 압력 이상으로 높아졌을 때의 위험을 방지하고 있다.

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증기직동식 펌프

전동기 혹은 원동기에서 발생하는 회전운동을 크랭크(crank)와 연접봉(connecting rod)을 사용하여 왕복운동으로 바꾸어줌

연접봉의 한쪽 끝에 피스톤 봉을 연결하여 피스톤에 왕복운동을 전달함으로서 액체를 이송하는 펌프인데 파워 펌프(power pump)라 부르기도 한다.

크랭크 기구의 운동을 원활하게 하기 위하여 플라이휠(flywheel)을 사용하기도 하는데 이러한 펌프를 플라이휠 펌프라 한다

동력전달 방법 크랭크펌프

증기직동펌프

증기측 및 물측에 각각 1개 또는 2개의 실린더가 있고, 각 피스톤은 피스톤 봉에 연결되어 있다.

증기측의 피스톤에 작용하는 증기 압력은 피스톤 봉을 거쳐 물측의 피스톤에 전달되어 액체를 발아들이거나 밀어낸다

reciprocating pump

증기직동식 펌프

 증기직동식 펌프

• 증기측 피스톤과 물측 피스톤 이 피스톤 로드에 의하여 직결되어 있으며, 증기측 실린더의 피스톤이 물측 실린더의 피스톤을 직접 왕복시키는 펌프

• 증기측 실린더와 물측 실린더가 각각 1개씩인 것을 단식 펌프 (simplex pump), 증기측 및 물측 실린더가 각각 2개씩인 것을 복식 펌프 (duplex pump)

• 단식 펌프: Weir pump, Mumford pump

• 복식 펌프: Worthington pump, Ice Barg pump

reciprocating pump

증기직동식 펌프: Weir pump

 Weir pump

• 단식펌프의 대표적인 것으로서 증기 실린더와 펌프 실린더가 1개씩 연결된 직립형 펌프이다.

• 양정은 140-330 mAq, 매분 행정수는 18(대형)~30(소형) 정도

• 피스톤 속도는 느리며 행정 중 대체로 일정하므로 그의 토출량은 균일

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증기직동식 펌프: Worthington pump

 Worthington pump

• 횡형, 직립형 두 종류가 있다. 증기측 및 물측 실린더가 각각 2개씩 있다.

• 증기 슬라이드 밸브는 밸브 겹침(lap)을 갖지 않는 normal valve로서 피스톤 밸브 또는 판형 밸브(flat valve)가 사용

• 각 행정에서 실린더에 공급되는 증기 압력(증기 공급량)이 일정하게 유지되도록 증기 밸브가 열리는 정도를 조절하는 lost motion기구가 설치

• 배기 행정중 피스톤이 안쪽의 배기구를 닫으면 실린더에 남은 증기가 압축되어 적당한 완충 압력이 생겨 피스톤의 운동 관성력이 흡수되므로 원활한 운전이 가능

• 증기 밸브의 운동에 로스트 모션이 있으므로 약간 차이가 생기나 두 실린더의 피스톤은 대략 반 행정의 차를 두고 왕복운동을 한다

• 구조가 비교적 간단하고 취급이 쉽기 때문에 급수 펌프, 빌지펌프, 밸러스트 펌프등으로 사용되었고, 현재도 유조선의 스트리핑 펌프로 사용