개념 한 쪽
펌프는 형식과 운전 조건에 따라 유량·양정·동력 특성이 달라지며, 다단 구성과 회전수, 구조적 요소가 성능 지표와 문제 원인에 직접적인 영향을 준다. 비회전도와 비속도 공식은 형상과 운전점을 비교하는 핵심 지표이고, 캐비테이션과 축추력은 설치·구조·운전으로 예방하거나 보정해야 하는 고장 원인이다.
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출제기준 단원 「펌프의 제현상」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 사류 펌프의 특징 판별 | 1 | 사류 펌프의 원리와 동력 변동 특성을 구별하기 |
| 체절 양정 정의 확인 | 1 | 유량이 0일 때의 양정 개념을 정의하기 |
| 비회전도 역산 계산 | 1 | 다단 펌프에서 비회전도식을 이용한 유량 계산 절차 적용하기 |
사류 펌프는 원심 펌프와 축류 펌프의 중간 성질을 가지며, 임펠러를 지나는 유체에 원심력과 양력(날개와 유사한 들어 올리는 힘)을 동시에 작용시켜 유체를 이동시키는 방식으로 운전한다. 이 형식은 효율이 좋은 범위가 넓고 송출량 변화에 따른 구동 동력의 변동이 비교적 완만하다는 점이 특징이다. 따라서 동력 곡선이 급변하는 펌프와 구별되는 운전 안정성이 핵심이다.
펌프 성능곡상에서 체절 양정(Shut-off Head)은 유량 Q가 0일 때, 즉 출구 밸브를 완전히 닫아 유체가 흐르지 않는 상태에서 펌프가 만들어내는 양정을 가리킨다. 체절 양정은 해당 운전조건에서 펌프가 발생시킬 수 있는 최대 양정으로 이해하면 된다.
비회전도(Ns) 또는 비속도는 회전수 N, 유량 Q, 양정 H의 조합으로 펌프 형상을 비교하는 지표이며 통상 식 Ns = N × √Q / H^(3/4)를 사용한다. 다단 펌프는 전체 양정을 단수로 나눈 단당 양정을 공식의 H 값으로 적용해야 하므로, 다단 여부가 비회전도와 비속도 계산에 직접적인 영향을 미친다.
펌프 운전과 설치에서 발생하는 문제로는 축추력과 캐비테이션이 대표적이다. 축추력은 유체의 회전에 따른 축방향 힘으로, 이를 상쇄하거나 지지하기 위해 평형판, 밸런스 홀, 스러스트 베어링 등의 장치를 사용한다. 반대로 단방향 흡입형 회전차는 축추력을 유발하는 구조적 요인이므로 방지책으로 볼 수 없다.
캐비테이션은 펌프 입구 압력이 낮아져 유체가 국부적으로 증발하는 현상으로, 이를 판단하는 기본 부등식은 사용가능 양정(NPSHa)이 필요 양정(NPSHr)보다 커야 한다는 것이다. 이를 토대로 표현하면 대기압 수두에서 포화증기압 수두와 흡출고를 뺀 값이 토마계수×유효낙차보다 커야 캐비테이션이 발생하지 않는 조건이 된다. 캐비테이션 방지법은 흡입 양정 감소(설치 높이 낮춤), 회전수 저하, 양흡입 펌프 사용, 입축 펌프로 수중에 잠기게 하는 방법 등이 포함된다.
1) 다단 펌프의 비회전도 공식을 이용해 유량을 구하는 전형적 계산을 보인다. 비회전도 식 Ns = N × √Q / H^(3/4)에 4단 펌프의 단당 양정 h = H/4를 적용한다. 예로 Ns=176, N=2900, 전체 H=220m이면 단당 H=55m이므로 176 = 2900 × √Q / 55^(3/4) 이 성립한다. 55^(3/4)≈20.9를 대입하면 √Q≈1.27, Q≈1.61 m³/min이 되어 보기 중 가장 근접한 값은 약 1.5 m³/min임을 확인한다.
2) 기어 펌프의 이론 토출량 계산 예시를 보인다. 회전당 이송체적 V=3.5 cm³/rev, 회전수 n=1200 rpm이면 분당 체적은 V×n = 3.5×1200 = 4200 cm³/min이다. 단위 변환 1L=1000 cm³를 적용하면 4.2 L/min이 되어 이론 토출량이 도출된다.
사류 펌프(diagonal flow pump)의 특징에 관한 설명 중 틀린 것은?
정답 ② · 사류 펌프의 특징에 대한 설명 중 틀린 것을 고르는 문제이다. 사류 펌프는 날개가 반경 방향과 축 방향의 중간 각도를 이루어 원심력과 양력을 함께 이용하는 터보형 펌프이다.
사류 펌프는 원심력과 양력을 복합적으로 이용하며, 동력 소모가 비교적 완만한 편이므로 송출량에 따라 동력이 크게 변동하지 않는다.
펌프의 성능 곡선에서 체절 양정(shut off head)이란 무엇을 뜻하는가?
정답 ① · 펌프 성능 곡선에서 체절 양정의 의미를 묻는 문제이다. 체절 양정은 출구 밸브를 완전히 닫아 유량 Q=0일 때 펌프가 만들어내는 최대 양정을 의미한다.
체절 양정은 펌프의 유량이 0일 때, 즉 출구 밸브를 완전히 닫았을 때 발생하는 최대 양정을 의미한다.
비교회전도 176 [m³/min, m, rpm], 회전수 2900 rpm, 양정 220m 인 4단 원심펌프에서 유량은 약 몇 m³/min 인가? (단, 여기서 비교회전도 값은 유량의 단위가 m³/min, 양정의 단위는 m, 회전수단위는 rpm 일 때를 기준으로 한 값이다.)
정답 ③ · 비교회전도(N_s) 공식은 N_s = N * √Q / H^(3/4) 입니다. 4단 원심펌프이므로 양정은 단당 양정 h = H/4 = 220/4 = 55m을 사용합니다.
비회전도 공식 Ns=N√Q/H^(3/4)에 4단 펌프의 단당 양정(H/4)을 대입하여 계산하면 유량 Q는 약 1.5 m³/min이므로 정답은 ③이다.
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