펌프(pump)의 구조 및 주요부품(Impeller 임펠러/Casing 케이싱/Gland Packing/bearing 베어링/커플링)

펌프(pump)의 구조 및 주요부품(Impeller 임펠러/Casing 케이싱/Gland Packing/bearing 베어링/커플링/그리스윤활, 오일윤활 차이)

 

오늘은 펌프(pump)의 구조 및 주요부품에 대해서 상세 분해하여 살펴보도록 하겠습니다.

펌프는 아래 표와 같이 주요 부품으로 나누어 지며, 각 부품에 따라 하는 역할을 아래와 같습니다.

출처: 효성펌프, 펌프의 구성요소

 

1) 회전차,임펠러(Impeller)

회전차는회전함에따라액체에원심력을주어속도를통해
유체를외주방향으로튀어나오게하는역할을가지고있다. 액체에직접원심력을가하는부분을깃(VANE)이라고부른다

깃은통상그림과같이회전하는방향으로향해굽어져있고몇매가균등하게배치되어있다. 이회전차의중심에는주축에서의회전력을전달하기위한보스부분이있다.펌프의회전차는취급하는액체의종류와펌프의특성에따라오른쪽그림과같이여러종류가있다.

【CLESED IMPELLER】
가장많이채용되고있는Type의Impeller로모래와결정같은고체가혼입하지않는깨끗한액체에사용된다. 깃의양측은Shroud로덮여져있고액체의통로가형성되어있다. 또입구부의외주는Casing과의간극(Clearance)를좁게하여(편측0.2~0.3mm), 토출측의액체가흡입측에되돌아오기어렵게되어있다. 

 

이부분은액체가빠른속도로흐르기때문에마모에의해간극이넓어지는경우에대비하여Casing측에WearingRing이라고명명한교환가능한부품을부착하고있다

압력이높은펌프에서는축Thrust를적게하기위해평형공(Balance Hole)이라고불려지는구멍을만드는경우가있다. 평형공이없는Type을편Liner 형, 평형공이붙어있는것을양Liner형이라고부르고있다.

 

【세미오픈회전차】
CLOSED IMPELLER의경우, 회전차의입구외주부에케이싱과의클리어런스가굉장히좁기때문에액체속에모래와 결정과같은고형물이혼입하게되면, 이부분을통과하지못하고퇴적된다.

퇴적되지않도록입구측의원판이붙어있지않은회전차를세미오픈회전차라고한다. 이경우, 액체의통로를형성하기위해서깃과케이싱(또는카바)은그림처럼클리어런스를 유지하도록조립되어있다.

이클리어런스가넓어지면에너지를가한액체가흡입측 으로빠져나가버려성능이저하되므로클리어런스는가능한작게(일반적으로는0.3~0.5mm정도) 조립할필요가있다.

축스러스트를적게하기위해Shroud뒤쪽에작은깃(BACK VANE)을붙여, 압력을낮추도록한것이일반적이다.

 

 

2) 케이싱(Casing)

Casing은Impeller에서튀어나오는액체의속도를 떨어뜨려압력으로바꾸는부품이다. 

 

속도를떨어뜨리기위해서는Volute를사용하는방법과Guide Vane을사용하는방법2가지가있는데

단단원심펌프는대부분이Volute를사용하고있다.

 

Volute는케이싱의통과면적이토출구에가까워짐에따라점점커지는원형형상이다. 

Volute에는Single Volute와Double Volute가있다. 

 

Single인 경우는Volute내부의압력분포가Unbalance 되어Impeller에Radial Thrust가작용한다.
Double Volute에서는압력Unbalance 가경감되기때문에Radial Thrust 가극히작아진다.
또Guide Vane 은몇매의짧은베인이균등하게분포되어있으며면적변화에따라속도를압력으로바꾸어준다. 

Guide Vane 의경우, 압력Unbalance 에의한Radial Thrust 가없기때문에다단펌프에주로채용된다.

 

3) 밀봉 장치(Gland Packing)

Gland Packing 은윤활제를함침시킨섬유를단면이정방형의끈모양으로짠것을링으로성형하여주축과케이싱의사이에채워넣어, 누수를막는구조이다. 채우는부분을Stuffing Box라부르고주축에밀착시키기위해측면에서
누르는부품을Packing Gland 라고한다.

통상그랜드패킹은1개당, 약1.5kg/cm²의압력에견딜수있다. 

 

그랜드패킹을조여서액체의누수를완전히차단하면마찰열에의해눌러붙든가단기간에마모하기때문에액체를소량씩새어나오도록하여윤활과냉각을시킬필요가있다. Gland Packing은마모되므로6개월에1번정도는교환해주어야한다. 주축표면이마모되면주축을교환해야하지만, 이부분에Shaft Sleeve라고불리는원통모양의부품을삽입하여교환이용이한구조로제작하고있다.

펌프의흡입압력이부압(대기압보다낮은압력)이되면역으로공기를흡입해버리는수가있으므로, 이경우에는그랜드패킹의중간에Lantern Ring 이라고불리는부품을넣어압력수(통상은1kg/cm²)를주입한다. 펌프의Pumping액그자체를주입하는방법을자기주수(Self Flushing), 외부에서다른압력수를주입하는방법을외부주수(External Flushing)라고한다.

 

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Mechanical Seal 은주축에장착된회전링과케이싱에장착된고정링의단면이고정도의평면으로사상되어있고, 거의밀착되어있다고생각될정도의미소한간극을가지고밀착하여회전함으로서액체의누수를방지하는장치이다.

Gland Packing과비교하여누수량을극히적게할수가있는것이최대의특징이다. 이처럼Mechanical Seal 은밀봉단면(Seal Face)이마모하면스프링으로눌러져고정링에밀착되어지므로,어느정도의마모량까지는액체의누수를막을수있기때문에상당기간동안Free-Maintenance를기대할수있다. 일반적인보증기간은1년간이다.

Mechanical Seal도운전중Gland Packing과같이열을발생시킨다. 온도가높아져서틈새안의액체가기화하여윤활상태가나빠지게되면극히단기간에마모하든가깨지거나금이간다. 이것을막기위해밀봉단면(Seal Face) 부근에액체를주입하는것을Flushing이라부른다.

 

고온의액체를취급(물의경우80 ℃ 이상)하는경우에는Cooler로액체를식혀서Mechanical Seal에주입해주어야한다. 액체에이물질이함유되어있는경우에는Cyclone Separator나Strainer를설치하여이물질이Mechanical Seal 내로들어가는것을방지해주어야한다.

 

Mechanical Seal 은외관상으로전혀누수가없는것처럼보이지만실제로는극히미량의누수가일어나고있다. 규격에서도시간당3 cc 정도는누수를허용하고있다.

 

그랜드패킹과메카니컬씰은각각의특징이있으며, 일률적으로우열은가릴수없으므로펌프의
사용조건등에따라어떤것을채용할것인가를결정할필요가있다.

 

4) 베어링(Bearing)

베어링은회전체를지지하는부분으로대부분의경우는2군데에설치된다. 회전체와고정부의마찰손실이가능한적도록주로구름베어링(Rolling Bearing)이사용된다. 

 

그중에는Radial Thrust와Axial Thrust 를동시에받을수있는깊은홈볼베어링(Deep Groove Ball Bearing), 비교적큰하중을받을수있는조합앵귤러볼베어링(Angular Contact Ball Bearing), Radial Thrust 만을받는롤러베어링(Roller Bearing)등이많이사용되고있다.

Rolling Bearing 에는마찰및마모를경감하고, 눌러붙음을방지하기위해윤활이필요하다. 윤활의방법은그리스(Grease)와오일(Oil)윤활의2종류로크게나눈다. 오일윤활은윤활성능이뛰어난장점이있는반면그리스윤활은베어링주변의구조를간단하게할수있는장점이있다.

특히깊은홈볼베어링에는양사이드에SEAL판을설치하고내부에그리스를봉입한밀봉볼베어링을유지관리가용이하므로범용펌프에많이이용되고있다.

오일윤활방법은베어링하우징속에윤활유를담아두고, 정기적으로오일을교환함으로써항상좋은윤활상태를유지할수가있다.

 

베어링의윤활법은그리스윤활과오일윤활로크게나뉘어진다. 베어링의기능을충분히발휘시키기위해서는그사용조건, 사용목적에보다적합한윤활법을사용하는것이우선이다. 윤활을생각하면, 오일윤활이우수하지만, 그리스윤활은베어링주변의구조를간략화할수있는장점이있다.

 

그리스윤활과 오일윤활의 장점, 단점 비교

 

5) 커플링(Coupling)

회전기계 커플링(Coupling)은 두 회전축을 연결하여 동력을 전달하는 기계 요소입니다. 커플링은 회전축의 미세한 불균형을 보완하고, 충격과 진동을 흡수하며, 설치 및 유지보수를 용이하게 하기 위해 사용됩니다. 주요 커플링 종류는 다음과 같습니다:

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1. 고정 커플링 (Rigid Coupling)

• 두 축을 강하게 고정하여 정확한 축 정렬이 필요한 경우 사용.
• 정렬 불량 허용도가 낮아 정렬 작업이 중요.
• 종류:
  • 슬리브 커플링 (Sleeve Coupling): 두 축 끝을 슬리브로 연결.
  • 플랜지 커플링 (Flange Coupling): 플랜지를 통해 두 축을 연결.
  • 클램프 커플링 (Clamp Coupling): 축을 클램프 방식으로 고정.

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2. 플렉시블 커플링 (Flexible Coupling)

• 축의 불균형(축심 어긋남, 각도 어긋남)을 보상하며, 충격 및 진동 흡수 가능.
• 종류:
  • 기어 커플링 (Gear Coupling): 기어 형태로 동력을 전달하며, 불균형 흡수 가능.
  • 그리드 커플링 (Grid Coupling): 스프링 그리드가 충격과 진동을 완화.
  • 디스크 커플링 (Disc Coupling): 금속 디스크를 사용, 고속 정밀 기계에 적합.
  • 체인 커플링 (Chain Coupling): 체인으로 동력을 전달하며, 저속 장비에 적합.

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3. 탄성 커플링 (Elastomeric Coupling)

• 고무 또는 플라스틱 소재를 사용해 진동과 충격 흡수.
• 종류:
  • 타이어 커플링 (Tyre Coupling): 타이어 모양의 탄성체로 유연성이 높음.
  • 부쉬 핀 커플링 (Bush Pin Coupling): 고무 부쉬로 충격 흡수.
  • 조 클로 커플링 (Jaw Coupling): 탄성체로 연결, 소형 기계에 적합.

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4. 유체 커플링 (Fluid Coupling)

• 유체 동력을 이용해 회전력을 전달.
• 과부하 보호 및 부드러운 동력 전달에 유리.
• 주로 컨베이어, 크레인, 펌프 등에서 사용.

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5. 하이브리드 커플링 (Specialized Couplings)

• 특정 용도에 맞게 설계된 특수 커플링.
• 예: 자석 커플링(Magnetic Coupling), 유니버설 조인트(Universal Joint).

 

마무리

펌프의 각 구성요소를 간단하게 알아보았습니다. 펌프의 각 요소는 펌프를 효율적으로 작동할 수 있게

구성하는 매우 중요한 요소들입니다. H(Head, 양정), Q(Flow rate, 유량)을 결정짓는 중요한 요소로

각 파트를 신중히 선택하여 펌프를 설계해야 합니다.