비회전도(Ns)

왜 배우는가: 비회전도(Ns)는 펌프 임펠러의 형상과 적용 범위를 한 값으로 분류하는 기준이라 펌프 선정과 설계 초기에 바로 쓰인다. 원심·사류·축류 구분의 근거가 되어 기술사 시험에서 용어 문제와 펌프 종류 논술 문제로 반복해 나온다.

출제 이력: 제112회 1교시 11번, 제92회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장: 비회전도(Ns)는 임펠러가 단위 유량(1m³/min)을 단위 양정(1m)으로 송출할 때 필요한 회전수로, 펌프 임펠러 형상을 분류하는 지표이다.

핵심 키워드

• 비회전도(Specific speed, Ns)
• 단위 유량·단위 양정
• 회전차 형상 분류
• 반경류·사류·축류
• 기하학적 상사
• 흡입 비회전도(Suction specific speed)
• 상사법칙

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 비회전도는 "이 펌프가 어떤 모양의 날개차인가"를 나타내는 번호다. 같은 모양의 펌프를 크기만 바꿔 1m³/min, 1m 높이에 물을 올리는 데 필요한 회전수를 계산하면, 그 값이 펌프의 형상 특성이 된다.

정식 정의는 다음과 같다. 두 회전차가 형상과 운전 상태가 상사를 이루도록 크기만 바꾸었을 때, 단위 유량과 단위 양정을 내기 위해 필요한 회전수를 비회전도라 한다. 같은 비회전도를 갖는 펌프는 모두 상사 관계에 있다.

식은 다음과 같다.

$N_s = \frac{N\sqrt{Q}}{H^{3/4}}$

여기서 N은 회전수(rpm), Q는 양수량(m³/min), H는 전양정(m)이다. 다단 펌프는 H를 단수로 나누고, 양흡입 펌프는 Q를 절반으로 나눈 값을 쓴다. 최고 효율점 값을 쓰는 것이 원칙이다.

핵심 용어 풀이

• 비회전도: 회전차의 형상을 나타내는 상사 불변 지표다. 값이 작으면 유량이 작고 양정이 높은 형태이고, 값이 크면 유량이 많고 양정이 낮은 형태다.
• 흡입 비회전도: 비회전도와 같은 개념을 흡입 측 NPSH에 적용한 값이다. 흡입 측 캐비테이션 여부를 판단하는 데 쓰며, 미국 단위로 정의되어 있어 단위를 명시해야 한다.
• 기하학적 상사: 회전차의 모든 치수 비가 같은 상태다. 비회전도가 같다는 것은 이 상사 관계가 성립한다는 뜻이다.

3. 등장 배경과 필요성

펌프는 용도별로 유량과 양정의 조합이 매우 다양하다. 같은 크기의 회전차라도 유량과 양정 비율에 따라 형상이 달라지므로, 이를 하나의 기준으로 묶을 필요가 생겼다. 비회전도는 크기에 무관한 형상 지표이므로 서로 다른 펌프를 같은 기준에서 비교할 수 있게 한다.

또한 펌프의 최적 회전수와 성능 곡선 형태를 미리 짐작하는 데 쓰인다. 비회전도가 정해지면 임펠러가 원심형인지 축류형인지 대략 정해지고, 효율과 흡입 성능의 한계도 함께 가늠할 수 있다. 실무에서는 펌프 기종을 선정하거나 상사법칙으로 성능을 환산할 때 이 값을 기준으로 삼는다.

분류 기준으로서의 필요성은 설계와 선정 양쪽에 있다. 설계자는 목표 유량과 양정에서 비회전도를 계산해 적합한 임펠러 형태를 고르고, 선정자는 카탈로그의 펌프가 요구 조건에 맞는 형상인지 확인한다. 이 과정이 있어야 비효율적인 펌프 선정과 캐비테이션 사고를 줄일 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

비회전도(Ns)는 펌프 임펠러의 형상을 한 개의 수치로 나타내는 척도다. 같은 Ns를 가진 펌프는 기하학적·운전 상태가 상사 관계에 있다고 본다. 따라서 Ns를 알면 임펠러가 반경류형인지 축류형인지 짐작할 수 있고, 펌프 종류와 최적 회전수를 고르는 데 쓴다.

비회전도는 임펠러가 1분당 1m³의 유량을 1m 양정으로 끌어올리는 데 필요한 회전수로 정의한다. 기준 펌프를 단위 유량과 단위 양정 조건으로 줄여 얻은 가상의 회전수다.

구성요소와 기호는 다음과 같다.

$N_s = \frac{N \sqrt{Q}}{H^{3/4}}$

N은 회전수(rpm), Q는 유량(m³/min), H는 전양정(m)이다. Q와 H는 정격 회전수에서 최고 효율점의 값을 쓴다. 다단 펌프는 H를 단수로 나누고, 양흡입 펌프는 Q를 절반으로 놓고 계산한다.

원리는 상사 법칙에 있다. 임펠러 지름을 바꿔도 상사 조건이면 Ns는 변하지 않는다. 그래서 Ns는 크기와 무관한 형상 지표가 된다. 단위계에 따라 Ns 값이 달라지므로 단위를 함께 적어야 한다.

흐름 방향에 따른 분류는 다음 순서로 이어진다.

• 반경류형(원심형): 축 방향으로 들어온 흐름이 임펠러 출구에서 반지름 방향으로 나간다.
• 사류형: 흐름이 축과 반지름 방향의 중간으로 나간다.
• 축류형: 흐름이 축에 평행하게 나간다.

원심 펌프는 Ns가 가장 작은 구간, 사류 펌프는 Ns 700~1200 범위, 축류 펌프는 Ns 1200~2200 범위로 분류하는 자료가 있다. 이 범위는 단위계와 자료에 따라 차이가 있으므로 절대 기준으로 외우지 않고 형상 순서만 기억한다.

Ns가 커질수록 임펠러 형상은 반경류형에서 축류형으로 옮겨 간다

비회전도 계산 절차는 다음과 같다.

• 정격 회전수 N, 최고 효율점의 Q, H를 확인한다.
• 다단 펌프면 H를 단수로 나누고, 양흡입이면 Q를 절반으로 한다.
• 단위를 맞춘다. 유량은 m³/min, 양정은 m, 회전수는 rpm으로 통일한다.
• 식에 대입해 Ns를 구하고 펌프 형식과 대조한다.

도식은 흐름 방향 분류를 보인다.

5. 관련 법령·기준·표준

비회전도는 법령으로 정한 개념이 아니라 펌프 설계와 선정에서 쓰는 공학 기준이다. 상수도 펌프 설비는 설계기준과 제조사 성능곡선을 함께 본다.

기준 수치와 적용 조건은 다음 표로 정리한다.

위 표의 값은 기준 자료에 나온 수치다. 상수도 실무에서는 펌프 제작사의 성능곡선과 함께 확인해 적용한다. 흡입 비속도는 흡입 측 캐비테이션 여부를 가늠하는 값이므로 비회전도와 구분해 쓴다.

국제 단위계 자료에서는 유량을 l/s 또는 m³/s로 쓰고 양정을 m로 쓴다. 이때 Ns 값은 미국 단위계 값과 다르므로 단위를 반드시 명시한다.

6. 유형과 비교

비회전도에 따라 펌프는 임펠러 형상과 유동 방향이 달라진다. 같은 비회전도라도 어떤 형식인지에 따라 양정과 유량 특성이 크게 다르므로, 유형별 특징을 한 표로 정리해 두면 답안에서 설계 방향을 설명하기 쉽다.