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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 : ns = 80 ~ 500
사류펌프 : ns = 700 ~ 1,200, 최적 : 1,100
축류펌프 : ns = 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
2
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
3
전남대 강보선 5
3. 익형
• 보스의 반지름 : rb날개 선단(tip)의 반지름 : rt
• 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 자리수ex. 4406 or 43124 : 휨(c)과 익현길이 (ℓ)와의 비, c/ℓ의 백분율4 : 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)익폭 b =1로 하면 s =l
CL , CD : 양력계수, 항력계수CL , CD = f (α) α : 영각
그림 3-9 : CL ~ α 및 CL ~ tanλ의 관계도
stall (失速) : α의 증가에 따라 CL이 직선적으로 증가하다가최대값 이후 갑자기 감소하는 현상
swg2
CDswg2
CL 2D
2L
lwg2
CDlwg2
CL 2D
2L
L
D
CC
LDtan
4
전남대 강보선 7
4. 축류펌프의 이론
1) 가동익의 이론- 평균 상대속도 의 각
ℓ/t : solidity (t : 익렬의 피치, ℓ: 익현길이)
w
2VV
u
V
V2
VVu
V
u1u2
m
u1u1u2
m
tan
z
r2t
)(V
VV
t
lC
m
uuL
sin
sincos2
212
전남대 강보선 8
4. 축류펌프의 이론
1) 가동익의 이론- R 의 회전방향성분(단위폭당)
- z 매의 날개가 회전방향에 미치는 힘 dF
- 수동력
)(V
VV
t
lC
m
uuL
sin
sincos2
212
cos
sin
2sin
cossin 2 )(
lwg
C)(L
)(R L
cos
sin
2sin 2 )(
lwg
Czdr)(RzdrdF L
udFdQHth
cos
sin
sin2cos
sin
222 2
22
g
V
V
u
t
lC
g
w
V
u
r
lzC
rdrV
udF
dQ
udFH m
mL
mL
mth
uuth VVg
uH 12
5
전남대 강보선 9
4. 축류펌프의 이론
2) 정익(안내깃)의 이론
2VV
u2
m
/tan
tantan
sin
1VV
2tl
Cm
u2L
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
z t
l
t
l
l
Dz 비례에은
6
전남대 강보선 11
6. 축류펌프의 설계
1) 회전차의 주요치수와 비속도
- 바깥지름
Ku : 유속계수 ∝ ns
- 안지름
가 작아지면, 유로단면적 증가 -> 유량 증가, 양정 감소 -> 비속도 증가
N
gHK
N
uD u
o 26060
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 (Ld ) Ld = kL, k = 1.2 표 2-3c) 회전차 축의 지름(d )의 결정 : 식 (2-46)
회전차 축의 비틀림 모멘트
d) 회전차의 바깥지름 e) 회전차의 안지름f) 축방향 유속 g) 가동익의 매수, l /t
- 가동익a) 원주속도 b) 원주방향 유속증가 c) 상대유속의 각도 d) 양력계수e) 익형 f) 영각 g) 설치각 h) 피치 i) 익현길이
- 정익
rpmm,,minm19205.2
130580 3
43
21
43
21
H
QNns
ps2000.754500
1305.21000
η
γHQL
4500
cm][kgf60029580
2406207162071 ,,
N
L,T
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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
8
전남대 강보선 15
1. 구조와 분류
• 왕복펌프 : 흡입밸브와 송출밸브를 장치한 실린더 속을 피스톤, 플런저를 왕복운동시켜송수하는 펌프
• 종류 : 1) 피스톤형 : 저압, 작동부 단면(D )이 피스톤 로드의 단면(d )보다 큰 것2) 플런저형 : 고압, 양쪽이 동일 치수3) 버킷형: 피스톤 중앙부에 구멍을 뚫어
밸브 설치, 가정용 수동펌프• 구조피스톤,실린더, 흡입밸브, 송출밸브, 흡입관, 송출관, 공기실(흡입부, 출구부에 위치), foot valve, strainer
• 수두흡입수두( Hs ): 피스톤이 실린더 최고부까지
올라갔을 때, 그 밑면에서 흡수면까지의 높이송출수두( Hd ): 피스톤이 실린더 최고부까지
올라갔을 때, 그 밑면에서 송출면까지의 높이
실양정( Ha ):
전양정( H ):
dsa HHH
lasd hH
ppH
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1. 구조와 분류
• 특징- 구조상 고속운전이 불가능(저속운전)- 같은 유량의 원심펌프에 비해 크기가 커짐- 적은 유량에 고압을 요구하는 곳에 적합
• 작동방식1) 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 :
LNDπ
Qth2
4
)LN-dD(π
Qth222
4
L-dDπ
LDπ
L-dDπ
)(244
)(4
22222
9
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 : LNDπ
Qth2
4
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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 qmean을 넘어서 배수되는 양의 누적치- 과잉배수체적비 : 배수량 변동의 정도를 나타내는 척도
V0 : 행정용적
lth QQQ
sin60
sin2
NALLAuAq
60maxNAL
q
602 meanmean0
ALNqqqd
meanmax qq
0VAL
10
전남대 강보선 19
2. 송출량의 변화
• 왕복펌프의 형식과 배수량 곡선송출량을 균일하게 하기 위해서 복동복식, 단동3연식, 단동4연식 등으로 실린더 수증가시킴
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 221100 vpvpvp
22 0102
vv,vv
000
21
v
AL
vp
pp
12 vv
11
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 slsrs hhγppp
)(2 dldrd hhγ'ppp
전남대 강보선 22
5. 효율
• 펌프의 효율 : 0.77~0.9 • 체적효율 : 0.9~0.97
• 수력효율 :
pm : 평균유효압력, p : 펌프에 의한 압력 증가량• 도시효율 : 피스톤에서 물에 주는 도시동력
• 기계효율 :
th
l
th
lth
thυ Q
Q
Q
)Q(Q
Q
Qη
1
mmih p
p
)p(p
γHη
12
hmυ ηηηη
L
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L
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m
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Q
p
p
)p(pQ
γHQη
12
mimυh ηηηηηL
pQη
thmQp
12
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6. 설계
1. 이론흡입유량
2. 피스톤의 평균속도 :
3. 피스톤의 지름 ( D ) : 에서 D 를 구함
4. 행정 ( L ) : L=kD 에서 L을 구함
피스톤 펌프 k =1.3~2, 플런저 펌프 k =2~3
5. 크랭크 회전수 ( N ) : 에서 N 을 구함
6. 공기실의 체적 (v0 )
thQ
60
2 LNu m
mth uDQ 2
4
60
2 LNu m
0500300100 ..~.AL
v
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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
2210
22010
122
10020
10
4
144
ddd,ddd,dh
v)dd(vhdvd
vvv
00 20102
1d.~.ddb
mm51201045 0 .w,d.~.b,
00
0020
5010350
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