비속도·유효흡입수두·특성곡선

왜 배우는가: 비속도는 펌프의 임펠러 형상과 적용 범위를 한 값으로 분류하는 기준이며, 유효흡입수두(NPSHA)는 캐비테이션 발생 여부를 판정하는 핵심 조건이다. 두 개념은 펌프 선정과 흡입배관 설계에서 실무적으로 함께 쓰이며, 1교시 용어 문제와 3교시 논술 문제에 반복해 나온다.

출제 이력: 제135회 1교시 9번, 제111회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장 비속도(Ns)는 펌프가 같은 양정과 유량을 내도록 기하학적으로 닮은 펌프의 회전수로, 최고효율점의 유량과 전양정으로 정한 무차원 또는 관습 단위의 펌프 형상 지수다.

핵심 키워드

• 비속도(Specific Speed)
• 최고효율점(Best Efficiency Point, BEP)
• 유효흡입수두(NPSHA)
• 필요흡입수두(NPSHR)
• 특성곡선(Characteristic Curve)
• 캐비테이션(Cavitation)
• 반경류·혼류·축류 임펠러

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 비속도는 펌프의 '체형 번호'다. 같은 유량과 양정을 내는 펌프라도 임펠러 모양이 다르면 비속도 값이 달라진다. 값이 작으면 좁고 깊은 임펠러(반경류형), 값이 크면 넓고 얇은 임펠러(축류형)에 가깝다.

정식 정의는 다음과 같다. 비속도는 기하학적으로 닮은 펌프가 1m 양정에서 1m³/s 또는 1L/s를 송출할 때의 회전수다. 실무에서는 회전수 N, 유량 Q, 전양정 H를 이용해 비속도를 산정한다.

• 비속도(Ns): 임펠러 형상을 나타내는 지수. 단위 계에 따라 값이 달라지므로 비교할 때 단위를 맞춘다.
• 최고효율점(BEP): 효율이 가장 높은 운전점. 비속도 정의의 Q와 H는 이 점의 값을 쓴다.
• 유효흡입수두(NPSHA): 펌프 흡입부에서 실제로 확보된 절대압 수두에서 액체의 증기압 수두를 뺀 값이다.
• 필요흡입수두(NPSHR): 캐비테이션을 막기 위해 펌프 제작사가 제시하는 최소 흡입 수두다.
• 특성곡선: 유량에 대한 양정, 축동력, 효율, NPSHR 변화를 한 그림에 그린 곡선 묶음이다.

핵심 용어 풀이 두 문장

유효흡입수두는 흡입측 여유 압력이다. 여유가 NPSHR보다 커야 캐비테이션이 생기지 않는다.

특성곡선은 펌프의 운전 성능 지도다. 시스템 곡선과의 교점이 실제 운전점이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

원심펌프는 한 가지 설계로 넓은 유량과 양정 범위를 다룬다. 같은 펌프 계열이라도 임펠러 형상이 달라 성능이 크게 다르다. 설계자는 여러 후보 임펠러 중 목표 조건에 맞는 것을 고를 기준이 필요했고, 그 기준이 비속도다. 비속도는 상사법칙으로 소형 시험 펌프의 성능을 실물 펌프에 옮기는 데도 쓰인다.

유효흡입수두 개념은 캐비테이션 문제에서 나왔다. 펌프 내부 압력이 액체 증기압 이하로 떨어지면 기포가 생기고 터진다. 임펠러 침식과 소음, 양정 저하가 뒤따른다. 흡입 측 조건을 수치로 판정하려면 NPSHA와 NPSHR을 비교하는 기준이 필요하다.

소방펌프에서는 흡입 낙차가 크거나 수조 수위가 낮은 경우, 충압펌프와 주펌프의 흡입 조건을 확인할 때 이 두 개념이 함께 쓰인다.

원심펌프 비속도는 반경류 500~4,000, 혼류 2,000~8,000, 축류 7,000~20,000 (영어 단위)

NPSHA는 NPSHR보다 높아야 함(양의 NPSH 여유)

비속도 값의 범위는 단위계에 따라 다르므로, 비교할 때는 같은 단위를 쓴다는 조건을 함께 적는다.

4. 구성요소·원리·절차

비속도(Specific Speed)는 펌프 임펠러의 형상과 성능 특성을 한 숫자로 묶은 지표다. 비속도는 임펠러 형상을 정하는 설계 지표다. 같은 비속도를 가진 펌프는 외경과 운전 회전수가 달라도 성능 비율과 치수 비가 같다. 그래서 설계 초기에 펌프 형식을 고르는 기준이 된다.

원심펌프의 주요 구성요소와 비속도의 관계는 다음 표와 같다.

위 구성요소의 차이는 임펠러 형상 변화에서 나온다. 임펠러 출구 지름과 흡입구 지름의 비가 비속도에 따라 달라진다. 축류형에서는 이 지름비가 1.0에 가까워진다. 따라서 형상 설계는 비속도를 먼저 정한 뒤 구성요소를 맞추는 순서로 진행한다.

상사법칙(Affinity Laws)이 비속도의 원리다. 회전수 N을 바꾸면 유량 Q는 N에 비례하고, 양정 H는 N²에, 축동력 P는 N³에 비례한다. 같은 형상의 펌프라면 N, Q, H의 조합이 일정하다. 이 조합을 하나의 숫자로 정리한 것이 비속도다.

비속도는 회전수 N, 유량 Q, 전양정 H를 이용해 산정한다.

N: 회전수, Q: 최고효율점 토출량, H: 최고효율점의 1단 전양정. 단위계에 따라 값이 달라지므로 비교는 같은 단위끼리만 한다. 영미 단위로 계산하면 값의 크기가 달라진다.

흡입 조건은 유효흡입수두(NPSHa)로 확인한다. 식은 다음과 같다.

$NPSH_a = \frac{P_a - P_v}{\rho g} \pm h_s - h_f$

P_a: 흡입면 절대압력(Pa), P_v: 액의 증기압(Pa), ρ: 액의 밀도(kg/㎥), g: 중력가속도(m/s²), h_s: 흡입 실양정(펌프가 액면보다 높으면 부호 마이너스), h_f: 흡입측 손실수두(m). 조건은 NPSHa가 NPSHr보다 높아 양의 NPSH 여유가 있어야 한다.

비속도를 이용한 펌프 선정 절차는 다음과 같다.

• 요구 유량 Q와 양정 H로 설계점을 정한다.
• 전동기 극수로 회전수 N을 정한다.
• 설계점에서 비속도 Ns를 계산하고 단위를 기준서 단위로 맞춘다.
• Ns 범위로 펌프 형식(반경류·혼류·축류)을 정한다.
• 같은 Ns 펌프의 특성곡선과 비교해 효율점 위치를 확인한다.
• 흡입 조건으로 NPSHa를 계산하고 NPSHr과 비교한다.

흐름도는 답안지에 3~6줄 크기로 옮긴다.

5. 관련 법령·기준·표준

소방용 펌프의 성능 수치는 법률보다 NFTC(화재안전기술기준)에 있다. 체절운전과 최대 유량 시 토출압은 옥내소화전 등 해당 설비의 펌프 성능 기준을 따른다. 비속도 값은 법정 기준이 아니라 설계와 제작의 참고값이다. 체절운전 기준의 조항 번호는 확인되지 않아 기준 이름만 쓴다.