펌프의 설계와 비속도(비교 회전도), 축 밀봉(seal)장치

1. 펌프의 설계와 비속도

설계조건시 고려사항은 유체의 종류, 유량, 양정이 있으며 펌프 설계전 비속도를 결정해야 한다. 비속도는 전양정, 토출량, 회전수가 비속도를 결정하는 주요 인자이다.

여기서 펌프의 비속도란 양수량(Q=1m3/min), 전양정 1m 올리는데 매분 몇 회전으로 회전시켜야 되는가를 고려한 매분 회전속도를 비교회전도라 한다. 비속도는 펌프의 특성을 비교하기 위한 척도로서 터보형 펌프의 특성연구, 설계, 선정 등에서 수량으로 비교하는 표준값으로 사용한다. 비속도는 펌프의 크기와 무관하며 임펠러의 형식을 표시하는 값이며 일반적으로 고양정 소유량 펌프는 비속도가 작고, 저양정 대유량 펌프는 비속도가 크다. 유량이 많은데 비하여 양정이 높으면 다단 펌프로 하여 비속도를 크게 하면 된다. 이와 반대로 양정이 높은데 비하여 유량이 많을 경우에는 펌프의 대수를 증가시키고 비속도를 작게 한다.

2. 축 밀봉장치(seal)

밀봉이란 누설을 방지한다는 뜻으로 펌프의 회전축(구동부)과 펌프 몸체(고정부)의 간극 기밀을 유지하고 외부의 오염물질로부터 유입을 방지하는 부품의 총칭이다. 밀봉장치의 종류로는 고정부(static seal)와 구동부(dynamic seal)가 있다. 배관의 플랜지 이음부에 사용되는 가스켓이 대표적인 고정부 밀봉장치이다. 가스켓의 기능은 연결면의 기밀을 유지하고 외부 오염물질 유입을 방지하며 일정기간 사용 후 교체해야 하는 소모품이라는 특징을 갖는다. 가스켓 선정은 유체의 종류와 운전압력과 온도, 링타입에 따라 spec.이 정해진다. 가스켓의 종류로는 석면을 압축해서 제작하고 저렴한 sheet gasket과 고온고압을 견딜만큼의 강성이 우수하고 SS304재질인 spiral wound gasket이 있다. 그리고 가장 범용이며 유연하며 물과 공기를 사용하는 공정에 쓰이는 고무 gasket이 있으며, 화학적 성분의 유체공정에 사용하는 teflon gasket이 있다.

다음으로는 회전구간의 축과 케이싱 사이 접촉부의 밀봉을 유지하는 구동부 밀봉장치가 있는데 구동부 밀봉장치의 종류로는 그랜드 패킹(gland packing)과 메커니컬씰(mechanical seal)이 있다. 그랜드 패킹은 섬유로프로 축을 칭칭 감아 외부의 이물질 유입과 누유를 방지하는데 섬유로프를 너무 세게 감으면 누유를 막을 수 있으나 마찰력이 너무 높아져 기계효율이 감소하고 너무 느슨하게 감으면 누유를 막을 수 없으므로 적당한 세기로 감아야 한다. 그랜드 패킹은 회전체의 축 밀봉(고정부와 회전부)을 위해 stuff box에 끼우는데 축의 원주를 패킹박스로 둘러싸아 그 틈으로 패킹(섬유 로프)을 끼워 넣어 축방향으로 압축하여 패킹과 축을 밀착 시키는 방법을 사용한다. 그랜드 패킹은 패킹 가격이 저렴하다는 장점이 있으나 주기적으로 교체해야 하는 번거로움이 있다.

그랜드 패킹

메커니컬씰은 그랜드 패킹보다 누설량을 더 적게하기 위해 개발된 것으로 스프링과 유체압력으로 회전부의 밀봉을 지속 유지하고 고정부(stationary)와 회전부(rotary)로 구성된다. 700℃로 발열되면 3~5cc/min 속도로 누설되며(이 정도는 거의 누설이 없다고 본다) 1/100㎛의 틈새가 있어서 유막이 형성되므로 축 마모가 없고, 이 때문에 수명이 길다. 누수염려가 없고 수명이 긴 장점이 있는 반면 제품가격이 비싸다는 단점도 있다.

메커니컬씰