원심펌프 축방향 추력

왜 배우는가: 원심펌프의 축방향 추력은 베어링 수명과 축 안정성을 좌우하는 설계 요소이다. 단단펌프, 다단펌프, 양흡입 펌프마다 발생 원인과 대책이 달라서 여러 교시에 걸쳐 함께 묻는 주제이다.

출제 이력: 제132회 1교시 9번, 제119회 4교시 5번, 제116회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

원심펌프의 축방향 추력은 임펠러 전면과 후면의 압력 차이로 회전축이 축 방향으로 밀리는 힘이다. 답안 첫 줄에는 이 정의를 두고, 이어서 아래 키워드를 빠짐없이 짚는다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 축방향 추력: 회전축과 나란한 방향으로 작용하는 힘이며, 베어링과 축봉에 하중을 준다.
• 임펠러: 액체에 속도와 압력 에너지를 주는 회전차이며, 추력이 생기는 근원이다.
• 평형공: 임펠러에 뚫는 구멍으로, 배면의 고압 액체를 흡입 쪽으로 돌려 압력을 맞춘다.
• 웨어링 링: 케이싱과 회전차 사이의 틈을 막아 고압수의 누설을 줄이는 링이다.
• 스러스트 베어링: 축방향 하중을 받아 회전축의 위치를 유지하는 베어링이다.
• 다단펌프: 임펠러를 여러 단으로 직렬 배치한 펌프이며, 단마다 추력이 누적된다.
• 양흡입 임펠러: 액체를 양쪽에서 흡입하는 임펠러이며, 좌우 추력이 서로 상쇄된다.

2. 개념 풀이

원심펌프의 축방향 추력은 회전차가 액체를 반지름 방향으로 내보내면서 회전차의 양쪽 면에 서로 다른 압력이 걸려 생기는 축 방향 힘이다. 이 힘은 회전축을 한쪽 방향으로 밀어 베어링과 축봉에 부하를 주므로, 펌프 설계에서 반드시 제거하거나 경감해야 할 부하이다.

원리는 임펠러 토출부에서 나온 고압 액체가 임펠러와 케이싱 사이의 틈에 가득 차서 회전차 면마다 압력 분포가 달라지는 데 있다. 편흡입 임펠러는 흡입구 쪽 면에 저압이 걸리고 배면에는 고압이 걸리므로, 두 면의 힘의 차가 흡입구 쪽으로 남는다. 이를 식으로 쓰면 다음과 같다.

$F_a = (p_b - p_f) × A$

여기서 F_a는 축방향 추력(N)이며 흡입구 방향을 양으로 둔다. p_b는 임펠러 배면의 평균 압력(Pa), p_f는 흡입측 전면의 평균 압력(Pa), A는 압력이 작용하는 면적(㎡)이다. 압력 차가 클수록 흡입구 쪽으로 작용하는 추력이 커져 펌프 축에 가해진다.

핵심 용어는 다음과 같이 풀이한다.

평형공은 임펠러 허브 주변 공간과 흡입측을 연결하는 구멍이다. 구멍의 총 단면적을 충분히 키우면 허브 양쪽의 압력이 같아져 추력이 균형을 이룬다. 다만 배면 쪽 액체가 흡입측으로 새므로 누설손실이 생기는 결점이 있다.

웨어링 링은 케이싱과 회전차 쉬라우드 사이의 틈을 막는 링이다. 고압수가 흡입측으로 되돌아 새는 것을 막아 펌프 효율을 유지한다. 마모된 링은 교체하여 틈을 일정하게 되돌린다.

스러스트 베어링은 축방향 하중을 받는 회전 베어링이다. 평형공 등으로 추력을 줄인 뒤 남는 잔여 추력을 받아 축의 위치를 정한다.

다단펌프 추력 상쇄는 임펠러 일부를 반대 방향으로 배치하여 추력이 서로 상쇄되게 하는 방식이다. 완전히 상쇄되지는 않지만 추력이 줄어 작은 스러스트 베어링을 쓸 수 있게 한다.

구조에 따라 추력의 크기와 방향이 달라진다. 단단 편흡입 펌프는 한쪽 방향 추력이 가장 뚜렷하게 나타나고, 양흡입 펌프는 좌우 임펠러 면의 압력이 대칭을 이루어 추력이 대부분 상쇄된다. 다단펌프는 단마다 추력이 같은 방향으로 더해지므로 대책이 반드시 필요한 대상이 된다. 따라서 답안에서는 구조를 먼저 밝히고 그 구조에 맞는 대책을 제시해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

원심펌프는 고양정과 고속 운전으로 갈수록 임펠러 전후 압력 차가 커지므로 추력도 커진다. 회전 속도가 높으면 임펠러 주위의 압력 분포가 더 크게 치우쳐 추력이 불안정해지는 것으로 알려져 있다. 고압 펌프에서는 이 이유로 추력 처리가 설계의 핵심 과제가 된다.

추력이 방치되면 회전차가 케이싱에 접촉하여 동력 소모가 늘고 펌프 재료가 마모된다. 베어링 하중이 과대해지면 베어링 수명이 줄고, 축이 흔들려 축봉부의 밀봉 성능이 떨어질 수 있다. 이러한 문제를 막기 위해 추력을 제거하거나 경감하는 장치가 필요하다.

다단펌프는 임펠러 하나마다 생기는 추력이 같은 방향으로 배열된 경우 단 수만큼 더해지므로 단수가 늘수록 문제가 커진다. 단수가 짝수이면 임펠러를 적절히 배치하여 단별 추력이 서로 상쇄되어 줄어든다. 그래서 다단펌프는 임펠러 방향을 섞어 배치하거나 추력 평형 장치를 함께 쓴다. 가변속으로 운전하는 펌프는 운전 속도가 바뀔 때마다 추력이 달라지므로 이 점을 설계에 함께 반영해야 한다. 추력 대책은 단수, 흡입 방식, 운전 속도에 따라 달라지므로 답안에서는 구조 조건과 대책을 짝지어 쓰는 것이 필요하다.