Transcript 2.3 축류 펌프
■ 축류 펌프 1. 축류펌프의 개요 - 유량이 대단히 크고 양정이 낮은 (보통 10m 이하) 경우, 따라서 비교회전도 ns가 1000 (m3/min, m, rpm)이상의 경우에 적합한 터보식 펌프이다. - ns의 증가에 따라서 회전차내의 유동방향은 반경류형으로부터 사류형, 축류형으로 이 행하는 데 축류펌프는 유동의 방향이 회전차의 입구와 출구에서 축방향으로 진행한다. - 축류펌프는 깃의 양력에 의하여 유체에 속도 에너지 및 압력 에너지를 부여하며 유체 는 회전차내를 축방향으로 유입하고 유출되어지며, 유출된 유체의 속도 에너지를 압력 에너지로 변환하기 위하여 안내깃을 회전차의 후방에 설치하고 있다. - 축류펌프의 특징을 살펴보면 ① 비교 회전도가 크므로 저양정에서도 회전수를 크게 할 수 있으므로 원동기와 직결할 수 있다. ② 유량이 큰 데 비하여 형태가 작고 설치면적과 기초공사 등에 이점이 있다. ③ 구조가 간단하고 펌프내의 유로에 단면 변화가 적으므로 유체 손실이 적다. ④ 가동익 형으로 하면 넓은 범위의 유량에 걸쳐 높은 효율을 얻을수 있다. 그림. 배수장 (휭축 축류 펌프) 수중 Pump-수중 프로펠라(축류) 펌프 2. 축류펌프의 구조와 성능 -그림 2.44와같이 안내 깃과 일체인 동체 및 곡동(曲胴)으로서 펌프의 외곽을 구성하고 안내 깃, 보스(boss)내에 내장된 수중 베어링과 곡동 바깥의 베어링(thrust bearing)으로써 회전차 의 축을 지지하는 구조로 되어있다. - 축이 곡동 (曲胴)을 관통하는 부분에는 패킹 박스를 두어 유체의 누설이나 공기의 누입을 방 지한다. - 안내날개는 프로펠러를 통하여 방출되는 액체의 선회 운동을 바로 잡아서 액체가 원활하게 흐르도록 한다. - 회전차의 날개 수는 고속인 경우 2-3매, 저속인 경우 4-5매 이다. 또 회전차는 날개와 보스 를 하나로 주조한 것과 따로 만들어 조립한 것이 있다. - 양정과 송수량에 따라 날개의 경사각을 변화시킬 수 있는 가변 피치(variable pitch)형 회전 차를 사용하기도 한다. - 펌프의 동체는 보통 주철제이며, 깃은 주철 또는 주강제이나 양액이 해수 또는 특수액일 때 에는 동체를 청동으로, 깃을 청동 또는 인청동으로 제작하며 주요 접액부에는 청동제 축슬리 브를 삽입하는 경우가 있다. 그림 축류펌프 (고정익) 3. 축류펌프의 이론 (1) 날개 이론 - 축류펌프의 회전차를 그림 2.45 (가)에 보이는 것과 같이 반경 r의 위치에서 절단하여 하 나의 평면상에 전개하면 그림 2.45(나)와 같은 翼列로 표시. -축류펌프는 깃에 대한 이론은 일반적으로 익형이론에 의하여 설명되고 있다. - 깃이 각도를 α를 유지하며 w∞의 속도로 유체속을 나는 경우나 또는 유속 w∞인 유체 속 에 놓여져 있는 경우에 깃에 사상방향(斜上方向)으로 힘 R을 가한다. - 그림 2.46 와 같이 익형(airfoil)의 전단과 후단을 연결하는 직선의 선분을 익현(chord), 그것의 길이 l을 익현장(chord length)이라고 한다. - 유체의 상대운동 방향인 유동방향과 익현이 이루는 각 α를 영각(attack angle)이라고 한 다. - 그림 2.47에서 이 힘의 유동방향의 분력을 편의상 항력(drag force), 유동의 수직방향의 분력을 양력(lift force)이라고 하여 구별. 그림 2.47 양력과 항력 -익형의 명칭은 익형의 성능을 조사한 연구 기관의 명칭과 익형의 대표 치수로 나타낸다. - 예를들면 NACA(미국), RAF(영국), Gottingen(독일)등이 있으며, NACA의 호칭방법에는 4자리법과 7자리법이 있다. 이를테면, NACA4406에서 처음 두 자리 수는 최대 휨과 익현 길이의 비(백분율), c/l=4% 및 최대 휨 위치까지의 길이와 익현 길이의 비(십분율) x/l=0.4 를 나타내고, 나중 두 자리 수는 익형의 최대 두께와 익현 길이의 비(백분율) h/l=6%임을 나타낸다. 속도 분포 : Visualized by J.W. CHOI (NACA0018, Attack Angle=18~48, Multi-Vision PIV) - 양력을 L, 항력을 D라고 하면 이들은 각각 유체의 밀도 γ/g, 속도의 2승 w∞, 깃면적 A에 비례하므로 다음과 같은 식이 성립 L CL D CD 2g 2g w2 A w2 A - 여기에서 익현 길이 l, 익폭 b에 대하여 깃 면적(익면적) A는 lⅹb로 되며 익폭 b를 단위 길이(b=1)로 취하면 L과 D는 다음과 같이 된다. L CL D CD 2g 2g w2 l w2 l - 위 식에서 CL, CD는 무차원의 상수로서 각각 양력계수, 항력계수라고 하며, CL,CD는 영 각 α에 의하여 각각 변한다. -그림 2.48는 CL-α 및 CL-tanλ(양항비) 의 관계를 표시하며 실험에 의하여 구해 진 것이다. tanλ=CD/CL이며 λ가 작을 때 는 λ≈CD/CL이다. - α가 증가함에 따라서 CL은 처음에는 직 선적으로 증대하며 나중에는 최대값에 도 달한 후에는 급격히 감소한다. 이와 같은 상태를 失速(stall)이라 한다. 그림 2.48 (2) 축류펌프의 이론 -익형 이론은 그림 2.49에 표시하는 바와 같은 회전차를 반지름 r의 원통으로 절단하여 그것을 전개한 그림은 (b)와 같이 표시한다. - 익렬은 원주속도 u로서 오른쪽으로 진행한다고 하고, 익렬의 입구①, 출구②에서의 유체의 상대속도를 각각 w1, w2로 한다. 유체가 익형에 미치는 영향을 고려한 경우는 w1, w2의 벡터적 평균 상대속도 w∞를 갖고 있다. - 또한 유체는 균일한 속도 w∞로서 익형에 작용하는 것으로 한다. - 익렬 중의 각 익형의 양력, 항력을 단일익의 경우와 근사적으로 동일하다고 보면 L CL D CD 2g 2g w2 l w2 l (1) (2) 그림 2.49 축류 펌프 익열에서의 속도 선도 - L과 D의 합성력을 R이라 하면 R의 회전 방향 분력은 L sin D cos L(sin cos ) (3) - 그림 2.49(a)에 나타낸 회전차의 미소 단면적(2πrdr)을 축방향으로 통과하는 유량 dQ에 대하여 z개의 날개에 미치는 회전방향의 힘 dF는 식(3)에 zdr을 곱한 것과 같다. dF zdrCL 2g w2 l (sin cos ) (4) - 한편, 단면을 통과하는 유량 dQ, 이론양정 Hth에 대한 수동력 H th dQ 는 회전차의 dr부분에 요하는 동력 dF·u와 동일하기 때문에 다음과 같이 된다. H th dQ dF u (5) - 이것을 식(4)에 대입하면 dF u dF u lz u w2 H th CL (sin cos ) dQ 2 r dr vm 2 r vm 2 g (6) - 지금 익렬의 피치를 t라 하면 t=2πr/z이며, 따라서 축류펌프의 이론 양정은 다음 과 같다. l u w2 H th CL (sin cos ) t vm 2 g (7) - 다음에 그림 2.49(c)로부터 w∞=vm /sinβ∞이며 운동량 법칙에 의한 식에서 H u H th (v2u v1u ) h g (8) - 식(7)과 (8)에서 l 2(v2u v1u ) sin 2 CL t vm (sin cos ) (9) - 익현 길이l과 익렬 피치t와의 비를 solidity라고 한다. l/t의 증가에 따라 유량은 변하지 않 지만 양정은 증가한다. - 가동익의 경사각은 깃 각도에 비례하여 유량은 증대하지만 양정은 일정하며, 고정익의 깃 각도는 가동익의 깃 각도처럼 펌프의 성능에 많은 영향을 미치는 것은 아니다. - 또한 고정익의 깃수는 일반적으로 가동익의 깃수보다 많게 취하는데 이것은 공명진동을 피하기 위한 것이다. 강제진동과 공명 ((참고)) 공명과 파국 바닷가에서 주은 소라를 귓가에 대고 그 속에서 들리는 소리를 들어보면 "바다의 소리"가 들 리는 듯하다. 이 소리는 소라 주변을 가볍게 지나가는 바람이 소라 속의 고유진동에 공명이 일어나서 들리는 것인데 이 소리는 바다의 추억을 다시 생각하게 해준다. 이 경우처럼 공명이 우리에게 즐거움을 주는 일은 그 외에도 많이 있다. 에밀레종의 심오한 종소리나, 깊은 산에 있는 절의 풍경소리, 목탁소리 등은 이 공명을 이용한 기구로부터 나오는 소리이다. 이처럼 공명은 유익하기도 하지만 때때로 이 공명으로 인하여 예기치 못한 엄청난 일이 벌어지기도 한다. 아래 그림을 보자. 이 그림은 1940년 11월 미국의 워싱턴 주의 어느 다리(Tacoma Narrows Bridge)가 그 공명에의해 파괴되는 것을 보여주고 있다. 이 다리는 파괴되기 4개월전에 만들어 졌는데 처음 한달 동안 미약한 횡방향의 진동이 감지되었다. 그러나 다리가 파괴되던 그날, 바람은 시속 70km로 불었고 이 바람에 의해 다리의 중심부가 크게 진동하기 시작했다. 이 다리는 길이가 855m이고 폭이 12m인데 이 바람의 특이한 효과가 다리의 고유진동수인 36 진동/분 으로 공명을 일으키게 된 것이다. 오전 10시경에 다리의 진폭은 약 50cm 정도 되어서 파국이 올 것으로 알고 주의깊은 관측이 시작되고 아울러 영상으로 촬영이 시작되었다. 곧이어 다리가 꼬이는 진동(twist vibration)이 고유진동수 14 진동/분 으로 공명되어 진동이 급격하게 커져서 드디어 파국을 맞이하게 되었다. 이러한 일을 경험한 후 건축가는 그 구조물의 고유진동수와 진동의 모우드를 면밀히 계산하여 주변에서 이를 공명시킬 수 없는 조건의 설계를 하는 것이 필수적이 되었다. 3. 축류 펌프의 특성 -그림 2.50은 축류 펌프의 특성 곡선의 한 예를 나타냄. - 축류 펌프는 송출 유량이 0일 때 양정 및 소요 동력이 매우 크게 되고, 운전점이 정격점 을 벗어나면 효율의 저하가 심하다. - 축류펌프는 정격 유량인 때에 양항비 λ이 최소가 되도록(수력 효율이 최고가 되도록) 설 계되는데, 정격 유량보다 유량이 많아지면 양정은 작아지고 영각 α도 작아진다. - 반대로 유량이 정격유량보다 적어지면 양정은 커지고 영각도 커져서 마침내는 失速 (stall)하기에 이른다. 즉, 날개 설치각 θ(=α+β)를 변경할 수 있는 구조로 하여 ①유량이 정 격치 이하일 때는 θ를 작게하고 날개를 눞히고, ②반대로 유량이 정격치 이상일 때는 θ 를 크게하여 날개를 세워서 항상 높은 효율로 펌프를 운전할 수 있다. - 그림 2.51은 날개 설치각 θ를 여러각도로 변화시켰을 때 펌프의 성능 곡선을 나타낸 것 이다. 유량은 날개 설치 각도에 비례하여 많아지지만 최고 효율점에서의 전 유량은 거의 일정함을 알 수 있다. -축류 펌프와 원심 펌프를 비교할 때 축류 펌프가 갖는 특성을 요약하면 다음과 같다. ① 축류펌프는 대유량, 저양정용으로 사용하기에 적합한 펌프로 고속 회전이 가능하므로 동 일 용량의 원심 펌프에 비하여 소형으로 된다. ② 축류 펌프는 날개를 가동형으로 할 수 있고 날개의 각도를 조작함으로써 송출량을 쉽게 조절할 수 있다. ③ 축류 펌프는 송출량 변동에 따른 양정, 소요 동력 및 효율의 변화가 크므로 정격 운전점 부근을 벗어난 운전은 피하는 것이 좋다. ④ 송출 유량이 0일 때 소요 동력은 매우 큰 값이 되므로 송출 밸브를 당은 상태에서의 운전 은 절대로 피해야 한다. Photo. 1 Damaged Fan blade by stall Photo. 2 Impeller with hair crack - 사진1 및 사진2는 최근 국내 대형조선소의 신조선박에 설치된 내경 1400mm이상의 축 류휀에서 실속운전에 따라 발생한 손상사례를 보이고 있다. 사진1에서는 임펠러 블레이드 가 절손 된 결과를 보이고 있으며 이것은 휀이 실속영역에서 운전되어 임펠러의 익근부에 반복 피로응력이 집중되었기 때문이다. - 사진2에는 실속운전중인 휀의 임펠러를 취외하여 칼라체크를 한 결과 균열선(hair crack) 이 발생한 결과를 보이고 있다. 이것은 임펠러 블레이드의 영각을 높게 선정함에 따른 실속 현상의 결과이다.