펌프의 비속도 Specific speed

 

국가화재평가원

김종락 위원 화공안전기술사 / 소방기술사

비속도 정의

하나의 펌프 또는 송풍기의 회전차를 형상과 운전상태를 상사하게 유지하면서 그 크기를 바꾸어 단위 송출량에서 단위 양정을 내게 할 때 그 회전차에 주어야 할 회전수를 처음 회전차의 비속도 또는 특유속도, 또는 비교회전도 라고 한다.어떤 펌프의 최고 효율점에서의 수치에 의해 계산된 값으로 회전차의 상사성 또는 펌프특성 및 형식 등을 결정할 때 이용되는 값이다.

 비속도가 같은 회전차는 모두 상사형이다. 따라서 비속도는 회전차의 형상을 나타내는 척도가 되고 펌프의 성능을 나타내거나 최적합 회전수를 결정하는데 이용된다.비속도는 양정,속도,용량이 가장 좋은 효율점에서의 펌프의 성능과 일치할 때의 펌프형태에 대한 지표이다.비속도는 회전차의 상사성 또는 펌프특성 및 형식결정 등을 논하는 경우에 이용되는 값이다. 회전차의 형상, 치수 등을 결정하는 기본요소는 전양정, 토출량, 회전수의 3가지 이다. 비속도는 다음식으로 표시된다.

 

 

 

토출량은 정격토출량의 150%를 적용하며 NPSHav는 우하향 곡선이고 NPSHre는 우상향 곡선이다 비속도는 어떤 펌프의 최고효율 점에서의 수치에 의해 계산하는 값으로 한다. 또 양흡입 펌프의 경우에 토출량은 전 토출량의 1/2, 즉 한쪽 흡입관의 유량만으로 계산해야 한다.

 

비속도식의 유도

V = 유속, g = 중력가속도, H=전양정, Q=토출량, D=임펠러의 직겅, n= 회전수라 두고, 첨자1은 실제펌프, 첨자2는 실제펌프와 상사인 가상펌프라 하고, 상수 K는 어차피 나중에 모두 소거되어 버리므로 그 첨자를 무시하면, 토리첼리의 정리로부터,

유량 토출량 은 유속 Ⅹ 직경 2  에 비례하므로,

펌프의 회전속도는 유수의 속도에 비례하고 임펠러 직경에 반비례하므로,

첨자1의 실제펌프에 대해서는 양정 H, 토출량 Q, 회전속도 n 을 대입하고 첨자2의 가상수차에 대해서는 양정 1[m], 토출량 1[㎥/min], 회전속도 Ns 를 대입하면,

 

결국 특유속도 Ns는, 단위양정[1m], 단위토출량[1㎥/min]을 내는 가상펌프의 회전수 Ns 를, 이와 닮은꼴인 실제펌프의 회전수 n , 토출량 Q 및 양정 H 의 함수로 표시한 것이다. 실제펌프의 회전수 n을 일정하게 둘 때, 비속도 Ns가 크면 대유량, 저양정 펌프가 되고, 비속도 Ns가 작으면 소유량, 고양정 특성을 갖는 펌프가 된다. 이러한 원리는 펌프 뿐만 아니라 수력발전에 쓰이는 수차에도 똑같이 적용된다.

 

펌프의 제특성과 회전수와의 관계

 

1 토출량과 회전수의 관계

토출구경 D 이 일정할 때 유량 토출량 은 유속 V 에 비례하고, 유속은 임펠러의 회전수 n 에 비례 하므로, 결국 유량은 회전수에 비례하게 된다. 즉

2 전양정과 회전수의 관계

유량 토출량 은 유속 Ⅹ 직경 2  에 비례하므로

여기서 D1=D2 라면

 

3 동력과 회전수의 관계

동력은 토출량 Ⅹ 전양정 에 비례하므로

즉 토출량, 전양정, 축동력은 각각 회전수의 1승, 2승, 3승에 비례한다.

 

비속도공식을 이용한 실무 적용사례

유량 110[m3/h] 양정이 70[m]가 되는 소방펌프를 설계하여 제작한 후에 그 성능을 시험한 결과, 양정이 60[m]이었으며, 회전수는 1700[rpm]이었다. 최초 설계조건인 양정 70m를 얻기 위해 회전수를 어떻게 조정해야 할까?

 

양정은 회전수의 2승에 비례하므로 60m 의 양정을70m로 올리기 위해서는

 

즉, 회전수를 1836 [rpm]으로 올려주면 된다.

 

- 본 칼럼은 국가화재안전저널 제 3호에 기고된 글입니다.