축봉장치

왜 배우는가: 축봉장치는 원심펌프에서 케이싱을 관통하는 회전축 주변의 누설을 막고 이물질 유입을 차단하는 핵심 부품이다. 패킹(스터핑 박스)과 기계적 씰의 구조와 특성을 비교하는 문제가 여러 회차에 반복해서 출제되므로 반드시 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제129회 3교시 6번, 제121회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

축봉장치는 펌프 케이싱을 관통하는 회전축 둘레의 틈을 막아 유체의 외부 누설과 외부 이물질의 침입을 방지하는 장치다.

• 축봉장치(Shaft Seal)
• 패킹(Gland Packing)과 스터핑 박스(Stuffing Box)
• 기계적 씰(Mechanical Seal)
• 단면 씰(End-face Seal)과 회전 씰면
• 립 씰(Lip Seal, 반경 방향 축 씰)
• 래버린스 씰(Labyrinth Seal)
• 누설량과 윤활·냉각

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 펌프 축이 케이싱 벽을 뚫고 나오는 자리에 틈이 생기는데 그 틈으로 액체가 새거나 바깥 먼지가 들어오지 않도록 막는 장치가 축봉장치다. 펌프 내부 압력은 흡입측보다 토출측이 높으므로 축 관통부에서는 고압 액체가 밖으로 빠져나오려 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 축봉장치는 회전하는 축과 고정된 케이싱 사이에 밀봉 면을 만들어, 유체가 그 사이로 흐르는 것을 제한하는 기계요소다. 밀봉 면은 접촉 방식에 따라 접촉식(패킹, 기계적 씰, 립 씰)과 비접촉식(래버린스 씰, 가스 씰)으로 나뉜다.

• 패킹: 섬유질 또는 흑연 등의 끈·고리 형태 재료를 스터핑 박스에 넣고 겔랜드로 눌러 축과 내벽 사이를 밀착시키는 방식이다. 축을 따라 일정량의 누설을 허용해 패킹을 윤활·냉각한다.
• 기계적 씰: 회전 씰면과 고정 씰면이 평탄하게 연마되어 서로 맞닿아 미끄러지는 단면 씰이다. 스프링과 유체 압력이 두 면을 밀착시킨다.
• 래버린스 씰: 접촉 없이 미세한 간극을 두고 구불구불한 통로를 만들어 누설 저항을 높인다.

핵심 용어는 밀봉 면, 누설, 윤활 누설량이다. 패킹은 누설을 허용하면서 밀봉하는 방식이고, 기계적 씰은 누설을 거의 없애는 방식이라는 차이를 이해해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 펌프는 축 관통부를 패킹으로 막았다. 패킹은 구조가 단순하고 값이 싸지만, 축 회전으로 패킹과 축 사이 마찰열이 생겨 패킹과 축, 인접 베어링이 손상될 수 있었다. 또한 일정한 누설을 허용해야 하므로 유독 액체나 고가 유체에는 적합하지 않았다.

이 한계를 해결하기 위해 기계적 씰이 등장했다. 기계적 씰은 평탄하게 연마된 두 면이 접촉하면서 누설을 줄이고, 마모되면 씰 조립체만 교체하면 되므로 유지보수가 편하다. 제2차 세계대전 이후 여러 응용 분야에서 패킹을 대체했다.

화학 공정, 석유화학, 식품 공정처럼 유해 유체나 위생이 중요한 설비에서는 누설을 최소화해야 하므로 기계적 씰 채택이 늘었다. 반면 고속·고온·고압 조건이나 누설 허용이 필요한 현장에서는 패킹과 래버린스 씰이 여전히 쓰인다. 따라서 펌프 조건에 맞춰 축봉장치를 선정하는 능력이 중요하다.

참고로 펌프 축 관통부는 축의 회전 속도, 유체 압력과 온도, 유체의 화학·물리적 성질에 따라 선택된다. 그 기준은 4절과 6절에서 다룬다.

4. 구성요소·원리·절차

축봉장치는 회전하는 축이 펌프 케이싱을 관통하는 부분에서 유체의 누설을 막고 외부 이물질의 침입을 차단하는 장치다. 원심펌프에서는 임펠러를 구동하는 축이 케이싱의 압력 경계를 지나므로 이 부분의 밀봉이 성능과 안전을 함께 좌우한다. 대표 구성은 패킹 방식과 기계적 씰 방식이며, 두 방식은 밀봉 원리와 유지관리 방법이 다르다.

구성요소별 역할은 다음과 같다.

패킹 방식의 원리는 압축과 팽창이다. 겔랜드를 조이면 패킹이 축방향으로 압축되고, 그 힘으로 패킹이 반경방향으로 팽창해 축과 박스 내벽에 밀착된다. 축 고속 회전에 따른 마찰열은 패킹 온도를 올리므로, 설계상 적당한 양의 제어된 누설을 허용해 윤활과 냉각을 준다. 누설량은 겔랜드를 조이거나 풀어 조절한다.

기계적 씰 방식의 원리는 면 접촉이다. 회전 씰면과 정지 씰면이 스프링 또는 유체 압력으로 밀착되어 두 면 사이에 얇은 액막을 만들고, 이 면에서 누설을 막는다. 씰면은 고도로 연마되어 있으며 마모되면 씰 어셈블리를 교체한다.

패킹 방식 설치 절차는 다음과 같다.

• 스터핑 박스 내부를 청소하고 축 표면 상태를 점검한다.
• 패킹 고리를 엇갈린 이음으로 박스에 차례로 삽입한다.
• 겔랜드를 체결해 패킹을 축방향으로 압축한다.
• 시운전 후 누설량을 확인하고 겔랜드를 조정한다.
• 누설이 과다하거나 온도가 상승하면 겔랜드를 풀거나 패킹을 교체한다.

기계적 씰 설치 절차는 다음과 같다.

• 축과 씰 챔버의 치수와 축 흔들림(run-out)을 점검한다.
• 회전 씰면과 정지 씰면의 연마 상태를 확인한다.
• 씰 어셈블리를 축에 끼우고 설정 길이에 맞춰 고정한다.
• 씰 챔버에 냉각 또는 플러시 배관을 연결한다.
• 건식 운전을 피하고 누설과 온도를 관찰한다.

축봉장치의 기본 성능 식은 누설량과 접촉면 압력의 관계로 본다. 씰면 접촉 압력 p_c (Pa)는 스프링력 F_s (N)와 유체 압력 p (Pa)에 따라 p_c = \frac{F_s}{A} + k\,p 로 표시한다. 여기서 A (㎡)는 씰면 면적, k 는 압력 평형 계수다. 이 식은 압력이 커질수록 접촉 압력이 커져 누설은 줄지만 마찰과 마모가 늘어난다는 점을 보여준다.

도식 구성은 다음과 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

축봉장치를 직접 규정하는 법령은 찾지 못했다. 설계와 선정은 펌프 제작사 사양, 배관·기계 설계 관행, 제조사 씰 규격을 따르는 것이 일반적이다. 다음

패킹 방식은 제어된 누설을 허용해야 한다는 점이 핵심이다. 패킹 누설을 완전히 막으면 열이 쌓여 패킹과 축, 베어링이 손상될 수 있다. 기계적 씰은 누설을 거의 없애지만 건식 운전에 약하므로 냉각과 플러시 배관을 함께 설계한다. 씰 방식의 선택은 유체 압력, 온도, 유체 특성, 펌프 크기를 함께 본다.

국제 규격 측면에서 펌프 씰 관련 표준 번호는 확실하지 않아 번호를 쓰지 않는다. 우리나라의 축봉장치 설계는 기계 설계 일반 기준과 제조사 자료를 기준으로 한다. 다만 본 절에서 다룬 수치는 교육 자료에 근거한 것이므로 실제 설계에서는 사양서 값을 우선한다.