Centrifugal Pump의 원리와 용어

▣ Centrifugal Pump의 원리

Centrifugal Pump

Impeller를 Casing 내에 회전시켜 액체에 에너지를 주는 기계

 

Pump 내에 물을 가득 채우고 Impeller를 회전시키면 물은 원심력에 의해 Impeller Tip에서 고속으로 비산됨

 

> 이때 물에 부여된 속도에너지가 Pump Casing에서 압력에너지로 변환되어 물이 후속공정으로 이송됨

 

Impeller를 회전시키면 원심력에 의해 Pump Casing 안의 액체의 압력이 올라감

 

-> 이를 통해 액체가 연속적으로 Pump로부터 토출됨

 

 

토리첼리(Evangelista Torricelli 1608~1647)는 길이 1m의 유리관을 수은이 담긴 용기에 세운 다음 유리관 상부에 진공을 걸면 수은이 관을 따라 올라가서 일정 높이를 유지하는 것을 알게 되었음

 

유리관 내의 수은의 수두(Head)와 외부에서 눌러주는 대기압이 평형을 이루기 때문

 

유리관 내에 절대진공을 걸면 수은은 760mm까지 올라가며, 대기압은 760mmHg의 압력을 갖고 있는 것을 알 수 있음

->같은 방법으로 수은보다 비중이 낮은 물로 시험을 하면, 대기압에서 10.332m까지 물이 올라감

 

 

 

앞서 제시된 내용은 베르누이(Jakob Bernoulli 1654∼1705)의 방정식에 의해 일반화 됨

위의 식에 의하면,
[속도에너지 + 압력에너지 + 위치에너지 = 일정]임을 알 수 있음

 

->Impeller로부터 비산된 액체는 Pump Casing의 단면적이 토출부로 갈수록 점점 넓어짐에 따라 그 속도에너지가 감소하고, 압력에너지가 증가하여 연속적으로 Pumping이 되는 것

 

 

▣ Centr ifugal Pump의 용어

Pump 시스템의 각종 Head의 상관관계

 

Ps : Suction Pressure at Impeller Eye

Pd : Discharge at Impeller Eye

Vs : 흡입유속

Vd : 송출유속

hs : 흡입손실

hd : 송출손실

Ha : 실양정

H : 전양정

 

 

▣ Head(양정 또는 수두)

(1) Actual Head(Ha : 실양정)

양수장치에서 Pump를 중심으로 하여 흡입액면으로부터 송출액면까지의 수직높이를 Actual Head라고 함

Actual Suction Head (Hs : 흡입 실양정)	Pump의 Impeller Eye(회전차 흡입구 중심) 에서 흡입액면까지의 수직 높이
Actual Discharge Head (Hd : 토출 실양정)	Impeller Eye에서 송출액면까지의 수직높이

 

 

Pump 시스템의 각종 Head의 상관관계

 

(2) Manometric Head(Hm : 계기양정)

Actual Head

단순히 Pump가 유체를 이동시킨 결과만을 설명한 것 실제로 유체가 흡입관과 송출관 속을 흐름으로 인해 발생하는 마찰손실에 상당하는 관내의 Head Loss(Hl: 손실수두)와 유체가 송출관으로부터 수조에 방출될 때 발생하는 손실에 상당하는 Velocity Head (Vd2/2g : 속도 수두)도 Pump가 감당해야 할 동력이 됨

 

-> 이를 고려하여 Pump를 중심으로 가능한 가까운 위치의 흡입관측에는 진공계기를, 송출관측에는 압력계기를 부착하여
각 계기의 결과 값을 기준으로 Head를 산출한 것

Pump 시스템의 각종 Head의 상관관계

 

(3) Total Differential Head(Ht : 전양정)

Pump를 포함한 양수장치 전체 시스템에 대한 Head을 생각해 보면, 흡입액면과 송출액면에 작용하는 압력을 각각 P1과 P2, 흡입관과 송출관에서의 평균 유속을 각각 v1 과 v2, 흡입관 및 송출관로 내의 전체의 손실 수두를 HI, 그리고 Actual Head을 Ha라 하면, 이러한 시스템에 유체의 흐름이 이루어지게 하는데 필요한 전양정 Ht는

 

Pump 시스템의 각종 Head의 상관관계

 

 

▣ Pump Performance Curve(펌프 성능곡선)

Pump Performance Curve(펌프 성능곡선) 또는
Pump Characteristic Curve(펌프 특성곡선)

 

Pump의 성능을 판단할 수 있도록 작성된 선도

Impeller의 회전수를 일정하게 유지한 상태에서 그린 선도

가로축 표시	유량
세로축 표시	Total Differential Head(전양정) Efficiency(효율) Shaft Brake Horse Power(축동력) NPSHr(필요 흡입수두)

 

Centrifugal Pump Performance Curve

-> 이들 곡선은 Pump Casing 내의 Impeller의 회전수를 일정하게 유지하면서 Pump의 송출 밸브를 조정하여 관로에 저항을 줌으로써 구함

-> H–Q 선과 세로축의 교점, 다시 말해서, Q = 0일 때의 Head를 H0로 표시하고, 이것을 Shut-off Head(체절 양정)이라고 함

 

 

▣ Pump의 동력 및 효율

(1) Hydraulic Horse Power(Lw : 수동력)

Pump 내 Impeller의 회전에 의하여 Pump를 통과하게 되는 유체에 주어지는 동력

Pump의 송출 유량 = Q[m³/min]

Head = H[m]

액체의 비중량 = γ[kgf/m³]

 

 

(2) Shaft Horse Power(LS : 축동력)와 효율(η)

 

 

 

▣ Head Rise

Head Rise와 관련하여 API Standard 610에서 요구하는 조건

 

API 610 11th edition paragraph 6.1.11

Pumps that have stable head/flowrate curves (continuous head rise to shutoff) are preferred for all applications and are required if parallel operation is specified.

If parallel operation is specified, the head rise from rated point to shutoff shall be at least 10 %. If a discharge orifice is used as a means of providing a continuous rise to shutoff, this use shall be stated in the proposal.

 

 

Head Rise와 관련하여 API Standard 610에서 요구하는 조건

성능곡선이 지나치게 평편하거나, 가파른 것은 바람직하지 않기 때문에 유량변화에 따른 압력의 변동폭(곡선의 기울기)을 적절하게 규제함

 

거의 모든 경우, 성능곡선상 H–Q Curve는 Continuous Rise to Shut-Off를 요구하고 있으며, 일반적으로, Shut-off Head는 Rated Head와 대비하여 다음과 같이 제한하고 있음

 

 

 

▣ Series and Parallel Operation of Multiple Centrifugal Pumps

병렬운전과 직렬운전에 따른 곡선의 형태와 특성

 

실양정 및 관로저항의 변동이 광범위한 System의 경우 2대의 펌프를 조합시켜 병렬운전 또는 직렬운전을 함