원심 펌프:작동 방식 및 응용 분야 | [브랜드/웹사이트]

원심 펌프는 원심력으로 인해 압력이 증가하는 다양한 용도로 사용됩니다.

방사형, 축류 및 혼합 흐름 펌프

원심 펌프는 회전하는 임펠러에 의해 발생되는 원심력을 이용해 액체를 펌핑하는 터보 기계입니다. 임펠러의 축 방향으로 펌핑할 액체는 흡입측 펌프의 흡입 포트로 들어갑니다. 펌프에서 회전하는 임펠러는 원심력의 영향으로 액체를 가속시킵니다.

속도가 증가하면 유체의 동적 압력이 높아집니다. 임펠러를 떠날 때, 축적된 액체로 인해 배출구에서 액체가 다시 느려집니다. 따라서 액체의 동압은 정압으로 변환됩니다(동압과 정압 사이의 관계에 대한 자세한 내용은 벤추리 효과 기사에서 찾을 수 있습니다). 결과적으로 토출구의 정압이 매우 증가합니다. 이러한 높은 압력을 통해 액체는 특정 측지 수두를 극복할 수 있습니다.

펌프 또는 임펠러의 설계에 따라 액체는 방사형 또는 축 방향으로 임펠러를 떠납니다. 방사형 흐름을 생성하는 펌프는 방사형 흐름 펌프라고도 합니다. . 방사형 펌프의 임펠러는 커버 플레이트가 있는 폐쇄형 임펠러 또는 개방형 임펠러로 설계되었습니다(후자는 그림에 표시됨).

액체가 축 방향으로 임펠러를 떠나는 경우 이 설계를 축류 펌프라고도 합니다. . 이 경우 임펠러는 선박의 프로펠러처럼 작동합니다. 단, 이 경우 프로펠러는 고정되어 있어 파이프 내부에 흐름을 생성합니다. 따라서 축류 펌프는 프로펠러 펌프라고도 합니다. . 순환 펌프로 자주 사용됩니다. 화학 공장에서. 액체가 임펠러에서 정확히 축 방향 또는 반경 방향으로 빠져나가지 않는 원심 펌프도 있습니다. 이 펌프를 대각선 흐름 펌프라고 합니다. 또는 혼합 흐름 펌프 .

원심 펌프는 원심력을 통해 액체를 전달하는 터보 기계입니다! 임펠러와 관련하여 발생하는 흐름에 따라 방사형 흐름 펌프, 축류 펌프 또는 혼합 흐름 펌프라고 합니다!

축류 펌프와 달리 방사형 흐름 펌프는 더 높은 압력 헤드를 제공할 수 있지만 일반적으로 상대적으로 낮은 유량을 생성합니다. 높은 유속을 달성하려면 여러 개의 방사형 흐름 펌프를 병렬로 연결해야 할 수도 있습니다. 축류 펌프는 높은 체적 유량을 제공하지만 상대적으로 낮은 압력 헤드(약 15m)만 제공합니다. 축류 펌프로 큰 압력 수두를 달성하려면 여러 펌프를 직렬로 연결해야 할 수도 있습니다. 혼합 흐름 펌프는 두 펌프 유형의 장점과 단점 사이의 절충안을 제공합니다.

방사형 흐름 펌프는 낮은 유량에서 높은 압력 헤드를 제공하는 반면, 축류 펌프는 낮은 압력 헤드에서 높은 유량을 제공합니다. 혼합 흐름 펌프는 두 가지 설계의 절충안을 제공합니다.

1개에서 최대 3개의 날개가 있는 방사형 임펠러는 심하게 오염된 액체 또는 고체가 포함된 액체를 펌핑하는 데 사용됩니다. 베인 수가 적으면 흐름 단면적이 증가하여 임펠러를 통과하는 흐름이 향상됩니다. 이러한 임펠러는 채널 임펠러라고도 합니다. . 프로펠러 펌프의 경우 고형물이 포함된 액체를 펌핑할 때 임펠러의 나사형 디자인이 사용됩니다.

캐비테이션

펌프는 흡입구에서 발생하는 부압으로 인해 유체를 흡입합니다. 보다 정확하게는 흡입 파이프 외부의 주변 압력이 높을수록 유체가 음압 방향으로 펌프 안으로 밀려 들어갑니다(빨대로 마시는 원리). 주변 압력은 1bar이고 펌프는 최대 진공을 생성할 수 있으므로 유체가 펌프 안으로 가압될 수 있는 압력은 최대 1bar로 제한됩니다. 이를 통해 제한된 측지 흡입 수두만 얻을 수 있습니다. 물을 펌핑하는 경우 완벽한 진공이 만들어졌을 때 최대 흡입 양정은 이론적으로 10m입니다.

그러나 원심 펌프의 흡입 수두는 주변 압력뿐만 아니라 캐비테이션에 의해서도 제한됩니다. . 캐비테이션은 액체의 정압이 증기압 아래로 떨어질 때 증기 기포가 형성되는 현상입니다. 20°C 온도에서 물의 증기압은 23mbar입니다. 물의 정압이 이 값 아래로 떨어지면 이 낮은 온도에서도 물이 국부적으로 증발하기 시작하고 작은 기포가 형성됩니다(물이 끓을 때 증기 기포가 상승하는 것과 유사).

펌프의 압력이 다시 상승하면 가스 기포가 불안정해지고 파열됩니다. 이는 가스로 채워진 기포이기 때문에 입자 밀도가 상대적으로 낮습니다. 따라서 거품은 거의 저항 없이 붕괴됩니다. 주변 액체는 붕괴되는 기포 속에서 너무 강하게 가속되어 그 결과로 발생하는 마이크로 제트가 수천 기압의 국지적 압력을 생성합니다! 이러한 마이크로 제트가 임펠러의 베인에 부딪히면 시간이 지남에 따라 손상이 발생합니다. 캐비테이션 발생은 펌프의 큰 소음이나 진동으로 흔히 알 수 있습니다.

캐비테이션은 증기 기포의 형성과 그에 따른 파열로, 이로 인해 발생하는 마이크로 제트가 부품 표면을 파괴합니다!

정압이 상대적으로 낮은 영역은 특히 증기 기포 형성에 취약합니다. 이는 두 가지 이유로 인해 펌프 입구의 경우입니다. 한편으로, 액체가 펌프 안으로 전혀 전달될 수 있도록 펌프는 음압을 가져야 합니다. 또한, 벤투리 효과(Venturi effect)에 따라 유속이 증가하면 정압이 감소합니다. 특히 임펠러 입구에서는 입구 단면적 감소로 인해 유속이 특히 높고 정압이 가장 낮습니다. 압력이 증기압 이하로 떨어지면 기포가 형성되고 펌프의 압력 증가로 인해 최종적으로 파열됩니다.

NPSH 값

펌프가 유체를 전달하기 위해 강한 음압을 생성해야 할 때 캐비테이션의 위험은 분명히 특히 높습니다. 배관 시스템의 관점에서 이는 측지 흡입 수두가 크고 흡입 파이프의 수두 손실(마찰로 인해)이 큰 경우입니다. 펌프의 관점에서 볼 때 유속이 높으면 캐비테이션 위험이 높습니다. 이는 유속이 높아져 정압이 크게 떨어지기 때문입니다.

배관 시스템의 NPSH 값(NPSHA)

따라서 원심 펌프의 캐비테이션 없는 작동을 위해서는 펌프 입구(기준 레벨인 흡입 포트 중심)의 총 압력이 펌핑할 액체의 증기압 아래로 떨어지지 않도록 해야 합니다. 입구 핀의 총 압력,tot와 액체 pvap의 증기압 사이의 기존 차이 Δp는 다음 방정식으로 결정됩니다. 여기서 총 압력은 정압 핀과 동압 ϱ/2⋅vin2의 합으로 쓸 수 있습니다(vin은 임펠러 입구의 평균 유속을 나타냄).

\begin{정렬}
&\델타 p =p_\text{in,tot} – p_\text{vap} \\[5px]
\라벨{dp}
&\델타 p =\left(p_\text{in}+\frac{\rho}{2}v_\text{in}^2 \right) – p_\text{vap} \\[5px]
\end{정렬}

이 방정식의 의미는 무엇입니까? 손실을 고려하지 않은 경우, 입구의 총 압력(둥근 괄호 안의 용어)은 에너지 보존으로 인해 매체가 흡입 파이프의 열린 끝으로 가압되는 총 압력에 해당합니다. 이 압력은 흡입 파이프의 다른 쪽 끝(임펠러 입구)에서 액체의 증기압에 의해 최소 사용 가능 압력으로 반작용됩니다. 따라서 압력차 Δp는 순 양흡입압력으로 해석할 수 있습니다. 액체를 흡입할 수 있는 장치 증기압 이하로 떨어지지 않고 최대로.

이 순 양압 흡입 압력은 이 흡입 압력으로 상승할 수 있는 액체 기둥의 등가 높이(수두)로 변환될 수도 있습니다. 이를 N이라고 합니다. 등등 P 긍정적인 S 흡입 H ead(NPSH ). 배관 시스템의 사용 가능한 NPSH 값을 확인하려면(사용 가능에 대한 색인 A) ), 방정식(\ref{dp})은 ϱ⋅g 항으로 나뉩니다:

\begin{정렬}
&\underbrace{\frac{\Delta p}{\rho g}}_{\text{NPSH}_\text{A}} =\left(\frac{p_\text{in}}{\rho g}+\frac{v_\text{in}^2}{2g}\right) – \frac{p_\text{vap}}{\rho g} \\[5px]
\라벨{a}
&\밑줄{\text{NPSH}_\text{A} =\left(\frac{p_\text{in}}{\rho g}+\frac{v_\text{in}^2}{2g} \right) – \frac{p_\text{vap}}{\rho g}} \\[5px]
\end{정렬}

확장된 베르누이 방정식을 사용하면 액체가 흡입되는 탱크(0)의 액체 상태와 임펠러 입구(in)의 상태 사이에 관계가 설정될 수 있습니다. 흡입 파이프의 압력 손실 Δploss 또한 탱크 내 액체 수위의 하강 속도가 일반적으로 낮기 때문에 운동 에너지가 무시됩니다(v0≒0).

\begin{정렬}
\요구{취소}
&p_0 + \frac{1}{2} \rho \cancel{v_0^2} +\rho g H_0=p_\text{in} + \frac{1}{2} \rho v_\text{in}^2 + \rho g H_\text{in} + \Delta p_\text{loss}\\[5px]
&p_0 + \rho g H_0=p_\text{in} + \frac{1}{2} \rho v_\text{in}^2 + \rho g H_\text{in} + \Delta p_\text{손실} \\[5px]
&\frac{p_0}{\rho g} + H_0=\frac{p_\text{in}}{\rho g} + \frac{v_\text{in}^2}{2g} + H_\text{in} + \underbrace{\frac{\Delta p_\text{손실}}{\rho g}}_{\text{헤드 손실 }H_\text{손실}} \\[5px]
&\frac{p_\text{in}}{\rho g} + \frac{v_\text{in}^2}{2g} =\frac{p_0}{\rho g} – \underbrace{(H_\text{in}~ -~ H_0)}_{\text{측지 흡입 헤드 }H_\text{s}} – H_\text{손실} \\[5px]
\라벨{페}
&\underline{\frac{p_\text{in}}{\rho g} + \frac{v_\text{in}^2}{2g} =\frac{p_0}{\rho g} – H_\text{s} – H_\text{loss}} \\[5px]
\end{정렬}

방정식(\ref{a})의 둥근 괄호 안의 용어는 이제 방정식(\ref{pe})으로 대체될 수 있습니다.

\begin{정렬}
&\text{NPSH}_\text{A} =\left(\frac{p_0}{\rho g} – H_\text{s} – H_\text{손실} \right) – \frac{p_\text{vap}}{\rho g} \\[5px]
&\boxed{\text{NPSH}_\text{A} =\frac{p_0-p_\text{vap}}{\rho g} – H_\text{s} – H_\text{손실}} \\[5px]
\end{정렬}

이 식에서 Hloss는 흡입관 내부의 마찰 및 유동 손실로 인한 수두 손실을 나타냅니다. 측지 흡입 헤드 Hs는 탱크의 액체 레벨과 임펠러 입구 사이의 높이 차이에 해당합니다. 소위 흡입 작업의 경우 즉, 탱크가 펌프 흡입구보다 낮을 경우 흡입 헤드에 양수 값을 사용해야 합니다. 탱크가 펌프 입구보다 높은 경우 이를 압력 작동이라고 합니다. "흡입 헤드" 값에는 음수 부호가 있습니다.

펌프의 NPSH 값(NPSHR)

NPSHA 값은 배관 시스템의 특성으로 인해 사용 가능한 압력 수두에 해당합니다. 캐비테이션 없는 작동을 위해 제공된 압력 헤드가 있는 펌프는 시스템의 NPSHA 값을 초과해서는 안 됩니다. 따라서 펌프는 시스템 관점에서 볼 수 있는 것보다 낮은 NPSH 값을 생성하는 것이 절대적으로 필요합니다. 따라서 펌프의 NPSH 값은 NPSHR 값(색인 R)이라고 합니다. R의 경우 필요).

원심 펌프의 NPSHR 값은 제조업체의 데이터 시트에 명시되어 있습니다. NPSHR 값은 임펠러의 회전 속도와 전달된 유량에 크게 의존합니다. 안전상의 이유로 시스템의 NPSHA 값은 펌프의 NPSHR 값보다 약 0.5m 더 높아야 합니다.

\begin{정렬}
&\boxed{\text{NPSH}_\text{A} \geq \text{NPSH}_\text{R} + 0,5 \text{ m}} ~~\text{캐비테이션 없는 작동} \\[5px]
\end{정렬}

캐비테이션 방지 대책

원심펌프 작동 중에 캐비테이션이 발생하면 적절한 대책을 강구해야 합니다. 압력이 너무 많이 떨어지는 것을 방지하려면 유속을 줄이는 것이 중요합니다.

펌프의 관점에서 이는 예를 들어 임펠러의 회전 속도를 줄임으로써 달성할 수 있습니다. 그러나 이 조치를 사용하면 유속이 감소합니다. 이러한 유량 감소를 원하지 않는 경우 더 낮은 속도에서 동일한 유량을 제공하는 더 큰 펌프를 사용해야 합니다.

과도한 압력 강하는 소위 유도제를 사용하여 방지할 수도 있습니다. . 인듀서는 실제 펌프 임펠러의 상류에 연결되어 동일한 샤프트에 장착되는 축형 임펠러입니다. 인듀서는 유체가 실제 임펠러에 들어가기 전(또는 여러 임펠러의 첫 번째 단계 전)에 유체의 정압을 증가시켜 압력이 증기압 아래로 떨어지는 위험을 줄입니다(펌프의 NPSHR 값 감소).

인듀서가 있는 원심 펌프는 전체 부하에서 인듀서에 캐비테이션이 발생하기 때문에 부분 부하 범위에서 작동됩니다. 따라서 인듀서가 있는 펌프는 인듀서가 없는 펌프에 비해 전체 부하 범위를 감당할 수 없습니다. 추가 임펠러로 인해 에너지 변환 효율도 낮아집니다.

캐비테이션을 줄이거나 방지하기 위한 조치는 배관 시스템의 관점에서도 취할 수 있습니다. 흡입 파이프의 단면적 증가(일정한 유량에서) 또한 유속 감소를 유발합니다. 이러한 맥락에서 흡입관의 막힘 여부도 점검해야 합니다.

캐비테이션을 방지하는 또 다른 방법은 측지 흡입 수두를 최대한 낮게 유지하는 것입니다. 이를 위해서는 흡입 탱크를 더 높게 배치하거나 펌프를 더 낮게 배치해야 합니다. 흡입 작동에서 가압 작동으로 전환하는 것도 고려할 필요가 있습니다.

원심 펌프의 시동 및 정지 절차

원심 펌프를 그냥 켜고 끄면 안 됩니다. 이렇게 하면 펌프가 손상될 수 있습니다. 따라서 특정 절차를 따라야 합니다. 우선, 펌프 내부에 유체가 없을 때 펌프를 켜서는 안 되며, 작동 중에 펌프가 공회전하지 않아야 합니다. 한편, 원심 펌프는 일반적으로 공회전 시 흡입 효과를 생성할 수 없으므로 유체를 펌핑할 수 없습니다(예외:자체 프라이밍 펌프 사이드 채널 펌프처럼). 한편, 흐르는 액체는 펌프를 냉각시키는 역할도 합니다. 이러한 냉각 기능이 없으면 펌프가 매우 빠르게 과열됩니다. 또한, 액체 압력은 펌프 내의 회전 구성 요소에 특정 센터링 효과를 발휘하여 인접한 하우징과의 직접적인 접촉을 방지합니다. 위에서 언급한 이유로 원심 펌프에는 공회전 보호 기능이 있는 경우가 많습니다. 액체가 없으면 즉시 펌프가 꺼집니다.

따라서 펌프를 시동하기 전에 액체를 채워야 합니다(프라이밍 ). 펌프를 프라이밍할 때 흡입 파이프를 통해 다시 비우면 안 됩니다. 이러한 이유로 체크 밸브 또는 풋 밸브 (논리턴 밸브)는 일반적으로 흡입관에 설치되어 자동으로 역류를 방지합니다. 간단한 블록 밸브 또는 게이트 밸브 설치할 수도 있으며 먼저 수동으로 닫아야 합니다.

충전 후 밸브가 열린 상태에서 펌프를 바로 켜면 펌프는 즉시 높은 유속을 전달합니다. 전기 모터의 샤프트를 회전으로 설정하고 동시에 높은 유량을 전달하려면 모터의 매우 높은 전력이 필요합니다. 과열로 이어질 수 있습니다. 이런 일이 발생하지 않도록 하려면 펌프를 시작할 때 유량을 조절해야 합니다.

그러나 흡입관의 수축으로 인해 유속이 증가하여 캐비테이션이 발생할 위험이 있으므로 흡입관의 블록 밸브에 의해 유량이 조절되지 않습니다. 이러한 이유로 토출관에는 또 다른 차단 밸브가 있는데, 이 밸브는 펌프가 켜질 때 처음에는 닫혀 있다가 점차적으로 열리므로 유속이 서서히 최대치까지 증가합니다.

요약하면 원심 펌프가 시동됩니다. 다음 절차에 따라:

1. 흡입관의 밸브를 닫습니다(펌프가 마르는 것을 방지)
2. 펌프에 유체를 채우십시오(흡입 효과 달성 및 과열 방지)
3. 배출관의 밸브를 닫으세요
4. 흡입관의 밸브를 완전히 엽니다(캐비테이션 방지)
5. 펌프 모터 켜기
6. 토출관의 밸브를 천천히 열어주세요(모터 과열 방지)

펌프를 정지하려면 특정 절차도 따라야 합니다. 먼저 토출관의 밸브를 천천히 다시 닫습니다. 너무 빨리 닫히는 것은 피해야 합니다. 그렇지 않으면 밸브 뒤의 액체가 관성으로 인해 계속 흐르도록 유혹되어 매우 높은 음압이 생성되기 때문입니다. 그런 다음 음압이 액체를 다시 끌어당겨 밸브에 최대 힘을 ​​가합니다. 밸브와 파이프가 모두 파손될 수 있습니다.

배출 파이프의 밸브를 닫은 후 이제 펌프를 끌 수 있습니다. 그런 다음 흡입 파이프의 차단 밸브를 다시 닫아 펌프가 빈 상태로 작동하는 것을 방지해야 합니다. 역류 방지 밸브를 사용하면 이는 자동으로 발생합니다.

요약하자면, 원심 펌프는 정지됩니다. 다음 절차에 따라:

1. 토출관의 밸브를 천천히 닫습니다(압력 서지 방지)
2. 펌프 모터 끄기
3. 흡입관의 차단 밸브를 닫습니다(펌프 건조 방지)