제 3 장 축류펌프

제 3 장 축류펌프

강 보 선

전남대 기계공학부

전남대 강보선 2

1. 개설

• 특징

- 양정이 작고 송출유량이 많은 경우, 즉 비속도가 큰 경우에 적합 Q= 8 ~ 400 m³/min, H= 10 m 이하

- 비속도의 범위

원심펌프 : n_s= 80 ~ 500

사류펌프 : n_s= 700 ~ 1,200, 최적 : 1,100 축류펌프 : n_s= 1,200 ~ 2,200, 최적 : 1,500

- 회전차 깃의 양력에 의해 속도에너지와 압력에너지를 공급받음 - 축방향 유입, 축방향 유출

- 안내깃, 정익 : 유체의 속도에너지를 압력에너지로 변화

- 용도 : 증기 터빈 복수기(condenser)의 순환수 펌프, 농업용 양수펌프, 상하수도용 펌프

전남대 강보선 3

2. 구조와 분류

• 구조

- 회전차 : 단면은 익형(airfoil), 전면 shroud가 없음, 2~6 매 - 축

- 안내깃 : 속도수두를 압력수두로 변환, 회전차 후방에 설치, 3~8 매

- 동체 및 베어링

전남대 강보선 4

2. 구조와 분류

• 분류

- 회전차 날개 각도 조정 여부

i) 고정익 축류펌프 (fixing vane axial flow pump) ii) 가동익 축류펌프 (movable vane axial flow pump) - 축의 방향 : 횡축, 입축

• 장점

① 동일 유량 다른 형 펌프보다 크기가 작음 : 저렴, 설치 면적 감소

② 비속도가 크므로 저양정에서도 고속회전 가능, 원동기와 직결

③ 양정의 변화에 따른 유량변화가 적고 효율저하도 적음

④ 구조가 간단, 유로가 짧으며 흐름의 굴곡이 적음

⑤ 가동익의 경우 넓은 범위의 양정에서 높은 효율 가능

⑥ 유로 단면적의 변화가 적어 수력손실이 적음

전남대 강보선 5

3. 익형

• 보스의 반지름 : r_b

날개 선단(tip)의 반지름 : r_t

•익형(airfoil)

- 익현 (chord) : 익형의 선단과 후단을 맺는 직선 - 익현길이 (chord length) : 익현의 길이 - 골격선 (camber line) : 익형의 상연과 하연의

중앙을 지나는 선

- 휨 (camber) : 익현에서 잰 최대 높이 - 익형의 두께 : 상연과 하연 사이의 폭

• NACA의 익형 호칭법 : 4 자리수 ex. 4406 or 4312

4 : 휨(c)과 익현길이 (ℓ)와의 비,c/ℓ의 백분율

4 : 선단부터 휨의 위치(x)와 익현길이, x/ℓ 의 십분율, 06 : 익형의 최대 두께(a)와 익현길이와의 비,a/ℓ의 백분율

• 종횡비 (aspect ratio) : b/ℓ - 익폭 : b

• 영각 (angle of attack) : 

전남대 강보선 6

3. 익형

• 항력(drag) D, 양력(lift) L

s: 익형면적 = 익현길이(l ) x 익폭(b) 익폭b =1로 하면s =l

C_L, C_D: 양력계수, 항력계수 C_L, C_D= f(α) α : 영각

그림 3-9 : C_L~ α및C_L~ tanλ의 관계도

stall (失速):

α의 증가에 따라C_L이 직선적으로 증가하다가 최대값 이후 갑자기 감소하는 현상

s g w C 2 D s g w C 2

L _L   ²_  _D   ²_

l g w C 2 D l g w C 2

L _L   ²_  _D   _²

L D

C C D L

 tan

전남대 강보선 7

4. 축류펌프의 이론

1) 가동익의 이론

- 평균 상대속도 의 각

ℓ/t: solidity (t : 익렬의 피치, ℓ: 익현길이)

w

2 V u V

V 2 V

V u V

V

u 1 u 2

m u

u 1 1 u 2

m

  

 







 tan

z r t



 

V V V t C l

m u

L u

 







 

 







sin sin 2 cos

2 1

2

전남대 강보선 8

4. 축류펌프의 이론

1) 가동익의 이론

-R 의 회전방향성분(단위폭당)

-z 매의 날개가 회전방향에 미치는 힘dF

- 수동력

) (

V V V t C l

m u

L u

 







 

 







sin sin 2 cos

2 1

2







 

 





sin sin 2

sin cos ² ( )

l gw C ) L (

) (

R _  _  _L _ ^







 



sin

sin 2 ² ( )

l gw C zdr ) (

R zdr

dF _L 











 _{ } ^

u dF dQ H_th  



 

   







 













sin sin

cos 2 sin 2 2

2 ²

2

2   

 

 

 ^







g V V

u t C l g

w V

u r C lz rdrV

u dF dQ

u

H dF ^m

m L m

L m th





th V V

g

H u ₂  ₁

전남대 강보선 9

4. 축류펌프의 이론

2) 정익(안내깃)의 이론

2 V

V

u 2

m

tan



 

 







 

 



 

 











 tan tan sin V 1

2 V t C l

m u L 2

전남대 강보선 10

5. 축류펌프의 성능과 관련된 요소

1) 가동익의 설치각 (β ) :

- 그림 3-13 : 설치각의 변화에 따른 효율과 양정의 변화 - 설치각의 증가에 따라 유량은 증가, 양정(최고효율점)은 일정

2) 가동익의 날개수 ( z )

- 그림 3-14 : 날개수의 증가 유량은 일정 양정은 증가 - 그림 3-15 : solidity의 증가 유량은 일정 양정은 증가

3) 정익의 설치각과 날개수: z´ >z











t z l t l l

z



 은 에 비례

전남대 강보선 11

6. 축류펌프의 설계

1) 회전차의 주요치수와 비속도 - 바깥지름

K_u: 유속계수 ∝ n_s - 안지름

가 작아지면, 유로단면적 증가 -> 유량 증가, 양정 감소 -> 비속도 증가 N

gH K N

D_o u ^u





2 60 60



o i

D D

전남대 강보선 12

6. 축류펌프의 설계

2) 설계순서

- 설계시방 : 상온의 물, 전양정 5.2 m, 회전수 580 rpm, 양수량 130 m³/min - 비속도 결정

- 펌프의 종류 결정 : 그림 2-28 -> 축류펌프, 효율 = 75%

- 회전차의 설계 a) 축동력 (L )

b) 전동기동력 (L_d) L_d= kL, k= 1.2 표 2-3 c) 회전차 축의 지름(d )의 결정 : 식 (2-46)

회전차 축의 비틀림 모멘트

d) 회전차의 바깥지름 e) 회전차의 안지름 f) 축방향 유속 g) 가동익의 매수, l /t - 가동익

a) 원주속도 b) 원주방향 유속증가 c) 상대유속의 각도 d) 양력계수 e) 익형 f) 영각 g) 설치각 h) 피치 i) 익현길이

- 정익

rpm m, , min m 5.2 1920

580 130 ³

4 3

2

1 





 34 2 1

H NQ n_s

 

4500 130 5.2

1000 





 

 η

L γHQ 4500

cm]

[kgf 600 580 29 620 240 71 620

71    

 , ,

N , L T

전남대 강보선 13

7. 축류펌프의 운전

• 원심펌프 : 체절상태에서 축동력 최소, 체절상태에서 시동 축류펌프 : 체절상태에서 축동력 최대, 체절상태에서 시동 불가능

by-pass 설치 흡입 쪽으로 환류

회전속도 변하도록 하고 저속에서 고속으로

제 4 장 왕복펌프

왕복펌프

전남대 강보선 15

1. 구조와 분류

•왕복펌프 : 흡입밸브와 송출밸브를 장치한 실린더 속을 피스톤, 플런저를 왕복운동시켜 송수하는 펌프

•종류 : 1) 피스톤형 : 저압, 작동부 단면(D )이 피스톤 로드의 단면(d )보다 큰 것 2) 플런저형 : 고압, 양쪽이 동일 치수

3) 버킷형: 피스톤 중앙부에 구멍을 뚫어 밸브 설치, 가정용 수동펌프

•구조

피스톤,실린더, 흡입밸브, 송출밸브,

흡입관, 송출관, 공기실(흡입부, 출구부에 위치), foot valve, strainer

• 수두

흡입수두( H_s): 피스톤이 실린더 최고부까지 올라갔을 때, 그 밑면에서 흡수면까지의 높이 송출수두( H_d): 피스톤이 실린더 최고부까지

올라갔을 때, 그 밑면에서 송출면까지의 높이 실양정( H_a):

전양정( H):

d s

a H H

H  

l s a

d p H h

H



  



전남대 강보선 16

1. 구조와 분류

• 특징

- 구조상 고속운전이 불가능(저속운전) - 같은 유량의 원심펌프에 비해 크기가 커짐 - 적은 유량에 고압을 요구하는 곳에 적합

• 작동방식

1) 단동식

- 작동 원리 : 피스톤 1행정에 배수 - 이론 배수량 (m³/min) :

D: 피스톤 또는 플런저 지름(m) L: 행정(m)

N: 크랭크 회전수(rpm) 2) 복동식

- 작동 원리 : 플런저 양쪽에 실린더를 장치하여 플런저의 각 행정마다 송수와 흡수가 일어남

- 플런저 1왕복에 의한 배수량 :

- 이론 배수량 :

LN πD Q_th ²

 4

)LN -d D π(

Q_th 2 ^{2 2}

 4

L -d π D L πD L -d π D

) 4(2

) 4 4(

2 2 2

2

2

 

전남대 강보선 17

1. 구조와 분류

3) 차동식

- 작동 원리 : 송출구를 하나로 하여 1 행정에 1회의 흡수와 2회의 송수가 일어남 - 우향 행정시 :

- 좌향 행정시 :

- 플런저 1왕복시 송출량 : - 이론 배수량 : Q_th πD²LN



전남대 강보선 18

2. 송출량의 변화

•실제 배수량 :

•순간 이론 배수량 (m³/s)

- 순간 최대 배수량 : θ=90°일 때 - 평균 이론 배수량 :

•과잉배수체적

- 과잉배수체적(Δ) : 평균 배수량 q_mean을 넘어서 배수되는 양의 누적치 - 과잉배수체적비 : 배수량 변동의 정도를 나타내는 척도

V₀: 행정용적

l th Q Q Q

 

 





sin 60 2

N AL AL

u A

q   

max 60

N q  AL

2 _mean 60

0 mean

q ALN q

qd   



V0

AL







전남대 강보선 19

2. 송출량의 변화

•왕복펌프의 형식과 배수량 곡선

송출량을 균일하게 하기 위해서 복동복식, 단동3연식, 단동4연식 등으로 실린더 수 증가시킴

전남대 강보선 20

3. 공기실

•구조 및 기능

- 구조 : 실린더 바로 뒷쪽에 설치된 상부가 공기로 충만된 밀폐용기 - 기능 : 송출되는 유량의 변동을 일정하게 유지해 줌

- 과잉배수체적

•공기실내 압력변동률

- 피스톤 정지시 공기실 내의 압력 : p0 체적 : v₀ - 피스톤 작동중 공기실 내의 최대 압력 : p₁ 체적 : v₁ 공기실 내의 최저 압력 : p₂ 체적 : v₂ - 공기실내 압력변동률

등온압축변화과정 p0v0p1v1p2v2

2

2 ^{1 0}

0 2



  



v , v v v

0 0 0

2 1

v AL v p

p

p  

    

1 2 v v 



전남대 강보선 21

4. 실린더 내의 압력과 인디케이터 선도

• 실린더 내의 압력 변화 p₁ : 흡입행정 중 p₂ : 배수행정 중

•인디케이터 선도 : 피스톤의 1왕복사이의 압력, 체적의 관계 )

1 ps pr γ(hls hs

p    

)

2 pd pr' γ(hld hd

p    

전남대 강보선 22

5. 효율

•펌프의 효율 : 0.77~0.9

•체적효율 : 0.9~0.97

•수력효율 :

p_m: 평균유효압력, p: 펌프에 의한 압력 증가량

•도시효율 : 피스톤에서 물에 주는 도시동력

•^기계효율

:

th l th

l th th

υ Q

Q Q

) Q (Q Q

η



  



m mi

h p

p ) p (p

η γH



 

1 2

h m

υ η η

η

η

  

L p Q L

) p (p

η_m







υ h th m mi

th

i η η

Q Q p

p )

p (p Q

η γHQ    

 

1 2

m i m υ

h η η η η

L η

η  pQ     

th mQ p

전남대 강보선 23

6. 설계

1. 이론흡입유량

2. 피스톤의 평균속도 :

3. 피스톤의 지름 ( D) : 에서D 를 구함

4. 행정 ( L) : L=kD에서L을 구함

피스톤 펌프 k =1.3~2, 플런저 펌프 k =2~3

5. 크랭크 회전수 ( N) : 에서N 을 구함 6. 공기실의 체적 (v₀)

Q th

60 u_m



m

th D u

Q ²

4



60 u_m



05 0 03 0 01

0 AL 0. ~ . .

v   





전남대 강보선 24

7. 밸브

- 밸브와 밸브좌 사이의 압력 : 최대 안전내압 표 4-2

- 밸브와 밸브좌 사이의 물의 유속 : 저압 1~2, 중압 3~5, 고압 5~8 m/s 1. 원판밸브

밸브 접촉면적

2. 원추밸브 : 물의 저항이 적고, 닫힘도 빠르며 확실

2 2 1 0 2 2 0 1 0

1 2 2 1 0

0 2 0

1 0

4 1

4 4

d d d , d d d , d h

v ) d d ( vh d v d

v v v





















 





 



2

1 d d . ~ . d b 







 

0 0 0 2 0

5 0 1 0 35 0 4 sin

d .

~ . , d . h

v h d v d



 



전남대 강보선 25

7. 밸브

3. 윤형밸브 : 유량이 많을 경우

4. 나비꼴밸브 : 저속도의 펌프, 풋밸브 밸브의 개각:

손실수두계수 : 표 4-3 5. 구형밸브

점액유체

기밀이 확실치 않음 : 고양정 펌프에는 부적당

   





vh d d v d d

2 1 4

1 4

0 2

0 2 0 2 0 2 2











 















 rad 29 30 40

2 1 4

1 2

1 2

0 0

0 d d ~

d   



 

1 1

0 1

0

2 0 2

0 2 1

75 0 73 0 cos 30

1 cos 4 4

d . d . d d ,

d

d d

d





 







 

 





5 0

8 2 3~ d

d 



 



