원심펌프의 비속도라는 개념과 상사법칙에 대해 알아보자.
본격적으로 들어가기 전에 펌프의 이상현상에 대해 먼저 공부하는 것이 좋겠다.
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펌프의 이상현상 (feat. 공동현상, 맥동현상, 수격현상)
오늘은 펌프의 이상현상에 대해 알아보도록 하자.펌프의 이상현상은 왜 알아야 할까?장치산업에서 사용하는 펌프는 프로세스 유체를 다루는 경우가 많아 자칫 기계의 상태관리를 잘못할 경우
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1. 원심펌프 (Centrifugal pump)
원심펌프란 회전차(impeller)의 회전에 의해 유체를 이송시키는 펌프를 말한다. 조금 더 풀어서 설명하자면 회전차의 중심에서 유체가 유입되어 회전차의 회전에 의해 속도에너지를 얻고 Volute(와류실)를 지나 압력에너지로 전환되어 토출되는 펌프이다.
Positive displacement pump (용적형 펌프)와는 다른 독특한 개념이 적용되는데, 바로 비속도라는 개념이다.
왕복동 펌프의 경우는 피스톤이 왕복운동을 하며 유체를 밀어내기 때문에 단위 시간당 왕복 횟수가 유량에 비례하여 올라가고 압력의 경우는 토출부 밸브를 잠그게 되면 이론상 무한정 압력이 올라갈 수 있다. (스트로크당 유량이 매우 중요함)
그러나 원심펌프는 유량과 양정이 용적형 펌프와는 달리 단순하게 계산되지 않는다.
2. 원심펌프의 비속도 (Specific Speed)
비속도는 펌프의 형태와 작동 조건을 평가하는 데 사용되는 무차원 매개변수이다. 유량, 양정, 속도 조건에서 펌프의 유사한 성능을 가진 다른 펌프와 크기를 비교하여 설계할 때 유용하게 사용된다.
펌프의 유량, 양정, 회전속도의 상관관계를 통해 펌프의 성능 특성을 한눈에 파악할 수 있고, 임펠러의 형상과 펌프 유형을 결정할 수 있다.
1) 실용적인 비속도 공식
비속도에는 중력가속도가 포함되지만 계산의 편의성을 위해 중력가속도를 제거하면 다음과 같은 식이 나온다.
(1) Ns = 비속도 (Specific Speed, 무차원수)
(2) N = 회전속도 (rpm)
(3) Q = 유량 (m3/h)
(4) H = 양정 (m)
회전속도가 동일하다는 가정하에 비속도가 낮다는 것은 유량이 낮고 양정이 높다는 것이므로 적은 유량을 비교적 높은 압력에 취급하는 펌프이므로 볼류트펌프로 볼 수 있다. (일반적인 산업용 원심펌프를 생각하면 쉽다.) 반면, 비속도가 높으면 유량이 많고 양정이 낮다는 뜻이므로 선풍기와 같은 축류펌프에 가까운 형태를 띠게 된다. 이것을 정리하면 다음의 표와 같다.
2) 비속도별 형상 구분
| 구분 | 볼류트 | 사류 | 축류 |
| 비속도 | < 600 | 600 ~ 1,200 | > 1,200 |
| 형상 |  |
 |
 |
| 특징 | 저유량, 고양정 | 중유량, 중양정 | 고유량, 저양정 |
따라서, 시스템 설계 시 필요한 유량과 양정이 나오게 되면 이를 토대로 비속도를 구하게 되고 비속도에 따라서 적절한 형상의 임펠러를 선택하게 되며 펌프의 유형도 결정할 수 있게 된다.
위 구분은 일반적인 사항으로 딱히 기준이 있는 것은 아니므로 참고하도록 하자.
3. 원심펌프의 상사법칙
상사는 한자어이다. 서로 상(相), 닮을 사(似)를 써서 서로 닮은 것처럼 유사하다는 것을 뜻한다. 원심펌프는 임펠러의 직경과 회전수에 따라 유량, 양정, 동력이 규칙적으로 변한다. 보다 학문적으로 정의하면 기하하적으로 닮은 두 물체에 관여하는 모든 물리량의 비율이 동일하면 두 물체에 일어나는 현상 역시 같은 결과를 얻을 수 있는 것이다.
펌프의 상사법칙을 알아보기 전에 기하학적 상사법칙을 먼저 알아보도록 하자.
1) 기하학적 상사법칙
기하학적 상사법칙은 직육면체의 부피를 생각해보면 쉽게 이해할 수 있다.
길이와 높이가 비례하게 증가하면 면적은 그 비율의 제곱에 비례하고 체적(부피)은 세제곱에 비례하게 된다.
2) 원심펌프의 상사법칙
펌프의 경우는 임펠러의 지름을 2배 증가시키면 양정은 4배(2의 제곱), 유량은 8배(2의 3제곱)가 되며 동력은 32배(2의 5제곱)가 된다.
이것을 정리하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.
유량은 직경의 세제곱에 비례하고, 양정은 직경의 제곱에 비례하며 동력은 직경의 다섯제곱에 비례하게 나타난다.
상사법칙으로 인해 구태여 거대한 펌프를 만들지 않아도 작은 펌프로 충분히 실험을 할 수 있으며, 큰 펌프를 개발하기 전에 작은 펌프를 만들어 성능을 확인해 볼 수도 있다.
4. 원심펌프의 유량조절 방법
위 기본 내용을 토대로 원심펌프의 유량을 조절하는 방법에 대해 공부해 보자.
1) 토출밸브 조절
펌프의 토출밸브를 열고 닫는 행위를 통해 유량을 조절할 수 있다. 별도의 시설개선이나 투자 없이도 가능한 방법이나 매우 큰 펌프를 매우 적은 유량으로 유지하게 될 경우 펌프의 효율이 감소하고 cavitation이나 surging이 발생할 수 있다는 점도 함께 고려해야 한다. (풀 악셀을 밟으면서 브레이크로 속도를 조절하는 것과 유사하달까?)
2) by-pass
토출밸브로 조절하게 되면 캐비테이션이나 서징과 같은 이상현상이 동반될 가능성이 있으므로 간단하면서도 시스템에 영향을 최소화할 수 있는 방법이 바로 바이패스(by-pass)이다. 시스템이 요구하는 유량만 흘려보내고 나머지는 리턴(return)시키는 방법이다.
(1) 3-way valve 사용
3-way valve는 시스템 유량이 완전 차단될 때 주로 사용된다. 유량이 필요하다가 완전히 멈춰야 할 경우는 3-way valve를 사용하여 전체 유량을 by-pass 시키게 된다.
(2) by-pass line 사용
리턴라인에 유량조절 밸브나 오리피스를 부착하여 리턴량을 조절한다. 펌프는 일정한 양을 토출하고 있으므로 바이패스 양을 조절하여 시스템에서 요구하는 유량을 맞출 수 있다.
3) VFD(Variable Frequency Driver) 사용
VFD는 펌프의 모터 회전수를 조절할 수 있는 장치이다. 일반적으로 유량을 조절해야 하는 공정설비에 사용되고 펌프 중에서도 대형 펌프에 사용된다. 모터의 주파수를 조절하여 모터의 회전수를 조절하는 것이기 때문에 추가적인 비용이 들어가기는 하지만 control system을 통해 정교하게 토출유량과 압력을 조정할 수 있다는 장점이 있다.
4) 임펠러 가공
이 방법을 위 상사법칙을 이용한 것으로 임펠러 직경을 축소시켜 유량과 양정을 조절하는 방법이다. 임펠러를 가공하는 것은 펌프의 유량을 영구히 감소시키는 방법으로 펌프를 멈춘 상태에서 수행해야 한다. 임펠러를 수정하는 것은 펌프 케이싱 내부에서 불필요한 순환을 일으키거나 효율이 매우 저하되는 등 부작용이 있을 수 있으므로 반드시 펌프 제조사의 검토와 보증이 수반되어야 한다.
임펠러와 펌프 케이싱은 맞춤형으로 제작된 상태인데 임펠러만 과도하게 가공하여 축소되면 소위 맞지 않은 옷을 입고 있는 상태가 되므로 펌프가 제대로 작동하지 않을 가능성이 높은 것이다. 뿐만 아니라 내부 압력강하가 심해져 Cavitation이 발생할 수도 있다. 따라서, 다각도로 검토해 보고 결정해야 하며 자칫 잘못할 경우 펌프 자체를 교체해야 할 수도 있으므로 주의가 필요하다.