2편2 [호환 모드]contents.kocw.net/KOCW/document/2015/chonnam/kangboseon/... · 2016-09-09 · 6 전남대강보선 11 6. 축류펌프의설계 1)...

1

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

7

전남대 강보선 13

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

전남대 강보선 16

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

전남대 강보선 18

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

pQ

L

)p(pQη mthmith

m

12

υhthmmith

i ηηQ

Q

p

p

)p(pQ

γHQη

12

mimυh ηηηηηL

pQη

thmQp

12

전남대 강보선 23

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

전남대 강보선 24

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

sin4

d.~.,d.h

vhdvd

13

전남대 강보선 25

7. 밸브

3. 윤형밸브 : 유량이 많을 경우

4. 나비꼴밸브 : 저속도의 펌프, 풋밸브밸브의 개각:

손실수두계수 : 표 4-3

5. 구형밸브점액유체기밀이 확실치 않음 : 고양정 펌프에는 부적당

bddh

vhddvdd

2

1

4

14

02

02020

22

400329rad2

1

4

1

2

1 2000 ~ddd

1101

0

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20

21

75073030cos1

4cos

4

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05

8

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