펌프의 축추력 평형/상쇄 (Balance hole 밸런스홀/back vane/balance disk/self balance/회전차 대칭배열)

펌프의 축추력 평형/상쇄(Balance hole/back vane/balance disk/self balance/회전차 대칭배열)

펌프 운전 시 발생하는 축추력은 펌프 축 방향으로 작용하는 힘으로, 이를 효과적으로 제어하지 않으면 베어링의 과도한 마모나 펌프의 성능 저하를 초래할 수 있습니다. 이러한 축추력을 평형시키기 위한 주요 방법들은 다음과 같습니다:

축추력이란?

회전차 balance 장치가 없으면 회전차를 중심으로 앞/뒤에서 압력 차가 발생하여 회전차 흡입구 쪽으로 축추력이 발생한다. 축추력이 발생하면 베어링의 수명을 단축시키고, 축 강도상에 문제가 발생한다. 이에 Balance hole 등 축추력 상쇄 system을 설치하여 유체의 흐름을 형성하면 압력을 상쇄시켜 축추력을 최소화한다.

 

 

 

1. 평형공(Balance Hole)

평형공은 임펠러의 디스크에 작은 구멍을 뚫어, 고압 영역의 액체를 흡입 측으로 되돌려 보내는 방식입니다. 이를 통해 임펠러 전후의 압력 차이를 감소시켜 축추력을 완화합니다. 그러나 이 방법은 누설 손실이 증가할 수 있으며, 입자가 함유된 액체에는 부적합할 수 있습니다.

 

평형공 장단점

• 장점:
  • 구조가 비교적 간단하여 설계와 제작이 용이합니다.
  • 소형, 중형의 원심펌프(볼류트, 터빈형 다단펌프)에 적용될 수 있습니다.
• 단점:
  • 누설 손실이 증가하여 펌프의 효율이 저하될 수 있습니다.
  • 입자가 함유된 액체에는 적용이 어렵습니다.

평형공의 적용 사례

평형공은 주로 소형 및 중형 원심펌프에 적용되며, 특히 볼류트 펌프나 터빈형 다단펌프에서 사용됩니다. 그러나 웨어링의 좁은 틈새로 인해 입자가 함유된 액체에는 부적합하며, 누수 손실이 증가하는 단점이 있습니다.

 

2. 배면깃(Back Vane)

배면깃은 임펠러 후면에 방사형으로 설치된 깃으로, 임펠러 후면의 압력을 낮춰 축추력을 감소시킵니다. 이 방법은 슬러리나 입자가 함유된 액체에 적합하지만, 마찰 손실이 증가하는 단점이 있습니다.

배면깃 장점

1. 축추력 감소
   • 배면깃은 임펠러 뒷면에 작용하는 유체의 압력을 낮추어 축추력을 효과적으로 줄입니다.
   • 축에 가해지는 하중이 감소해 베어링의 수명 연장에 기여합니다.
2. 베어링 보호
   • 축추력이 줄어들면 베어링에 가해지는 스트레스도 줄어들어 과열이나 마모를 방지합니다.
   • 베어링의 유지보수 주기가 길어져 운영 비용 절감이 가능합니다.
3. 유압적 안정성 증가
   • 유체의 흐름을 조정해 펌프가 안정적으로 작동하게 만듭니다.
   • 비정상적인 작동 조건에서도 펌프 효율성을 유지할 가능성이 높아집니다.
4. 단순한 설계
   • 추가적인 복잡한 장치(예: 밸런스 드럼이나 밸런스 디스크) 없이 비교적 간단하게 축추력을 제어할 수 있습니다.
   • 초기 설치 비용이 상대적으로 낮을 수 있습니다.

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배면깃 단점

1. 효율 손실
   • 배면깃의 설계에 따라 유체와의 마찰로 인해 약간의 유압 효율 손실이 발생할 수 있습니다.
   • 특히, 고효율이 중요한 시스템에서는 비효율적인 요소로 작용할 수 있습니다.
2. 설계 제약
   • 배면깃이 효과적으로 작동하려면 임펠러 및 펌프 하우징 설계와 정밀하게 맞아야 하므로 설계와 제작이 복잡해질 수 있습니다.
   • 잘못 설계되면 축추력 감소 효과가 제한적이거나 오히려 성능에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다.
3. 유지보수 증가 가능성
   • 유체 중 고형물이 포함된 경우 배면깃 주위에 침적물이 쌓일 수 있어 마모가 발생하거나 효율이 떨어질 수 있습니다.
   • 정기적인 점검이 필요할 수 있습니다.
4. 극한 조건에서의 한계
   • 배면깃만으로는 축추력을 완전히 제거하기 어려운 경우도 있으며, 고압이나 고속 회전 조건에서는 다른 보조 장치와 함께 사용해야 할 수 있습니다.

3. 밸런스 디스크(Balance Disk)

밸런스 디스크는 최종단 임펠러 뒤쪽에 설치되어, 디스크와 케이싱 사이의 좁은 틈새를 통해 압력을 감압시키는 방식입니다. 이를 통해 축추력을 상쇄하며, 고압 다단 펌프에 주로 사용됩니다. 그러나 액체에 이물질이 함유되어 있으면 적용이 어렵습니다.

4. 셀프 밸런스(Self Balance)

셀프 밸런스는 임펠러를 대칭으로 배열하거나 양흡입 임펠러를 사용하여 축추력을 자동으로 상쇄시키는 방식입니다. 이 방법은 별도의 축추력 평형 장치가 필요 없지만, 케이싱 구조가 복잡해질 수 있습니다. 주로 상하 분할형 다단 펌프에 적용됩니다.

 

5. 임펠러 대칭 배열

임펠러 대칭 배열은 임펠러를 대칭적으로 배치하여 축추력을 서로 상쇄시키는 방법입니다. 이러한 배열은 펌프 로터에 작용하는 축 방향 힘의 균형을 유지하여 순 축추력을 줄일 수 있습니다.

 

각 방법은 펌프의 용도, 처리하는 액체의 특성, 운전 조건 등에 따라 적합성이 다르므로, 펌프 설계 시 이러한 요소들을 종합적으로 고려하여 최적의 축추력 평형 방법을 선택하는 것이 중요합니다.

펌프의 축추력 평형 방법에 대한 자세한 설명은 아래 영상을 참고하시기 바랍니다.