1. 축력 생성 및 균형 원리

다단계의 축력  수직 터빈 펌프  주로 두 가지 구성 요소로 구성됩니다.

● 원심력 성분 :원심력에 의한 액체의 방사형 흐름은 임펠러의 앞면 커버와 뒷면 커버 사이에 압력 차이를 발생시키고, 이로 인해 축방향 힘(일반적으로 흡입구 방향으로 방향)이 발생합니다.

● 압력차 효과 :각 단계에서 누적된 압력 차이로 인해 축 방향 힘이 더욱 커집니다.

균형 조정 방법:

● 대칭형 임펠러 배열:이중 흡입 임펠러(양쪽에서 액체가 들어옴)를 사용하면 단방향 압력 차이가 줄어들고 축 방향 힘이 허용 수준(10~30%)으로 낮아집니다.

● 밸런스 홀 디자인:임펠러 뒷면 커버의 방사형 또는 사선형 구멍은 고압 액체를 입구로 다시 보내 압력 차이를 균형 잡습니다. 효율성 손실을 피하기 위해 유체 역학 계산을 통해 구멍 크기를 최적화해야 합니다.

● 역 블레이드 디자인:마지막 단계에서 역날개(주날개와 반대)를 추가하면 축방향 하중을 상쇄하기 위한 역원심력이 발생합니다. 일반적으로 고수두 펌프(예: 다단 수직 터빈 펌프)에 사용됩니다.

2. 방사형 하중 생성 및 균형

방사형 하중은 회전 중 관성력, 고르지 않은 액체 동압 분포, 로터 질량의 잔류 불균형에서 비롯됩니다. 다단 펌프에서 누적된 방사형 하중은 베어링 과열, 진동 또는 로터 정렬 불량을 일으킬 수 있습니다.

균형 전략:

● 임펠러 대칭 최적화:

o 홀수-짝수 블레이드 매칭(예: 5개 블레이드 + 7개 블레이드)은 반경 방향 힘을 균등하게 분산시킵니다.

o 동적 밸런싱은 각 임펠러의 중심이 회전 축과 일치하도록 하여 잔류 불균형을 최소화합니다.

● 구조 보강 :

o 견고한 중간 베어링 하우징은 반경 방향 변위를 제한합니다.

o 복합 베어링(예: 복열 추력 볼 베어링 + 원통 롤러 베어링)은 축 방향 하중과 반경 방향 하중을 별도로 처리합니다.

● 유압 보상:

o 임펠러 간극에 가이드 베인이나 리턴 챔버를 설치하여 흐름 경로를 최적화하고, 국부적 와류와 반경 방향 힘 변동을 줄입니다.

3. 다단 임펠러의 하중 전달

축력은 단계적으로 축적되므로 응력 집중을 방지하기 위해 이를 관리해야 합니다.

● 단계별 밸런싱:밸런스 디스크를 설치하면(예: 다단 원심 펌프) 축 방향 갭 압력 차이를 이용해 축 방향 힘을 자동으로 조정합니다.

● 강성 최적화:펌프 샤프트는 고강도 합금(예: 42CrMo)으로 제작되며, 처짐 한계(일반적으로 ≤ 0.1mm/m)에 대한 유한 요소 분석(FEA)을 통해 검증됩니다.

4. 엔지니어링 사례 연구 및 계산 검증

예:화학 다단 수직 터빈 펌프(6단, 총 양정 300m, 유량 200m³/h):

● 축력 계산 :

o 초기 설계(단일 흡입 임펠러): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), 결과적으로 1.8×106N.

o 더블흡입 임펠러로 전환 및 밸런스 홀 추가 후: 축 방향 힘이 5×105N으로 감소하여 API 610 표준(≤1.5× 정격 출력 토크)을 충족합니다.

● 반경 하중 시뮬레이션:

o ANSYS Fluent CFD는 최적화되지 않은 임펠러에서 국소 압력 피크(최대 12 kN/m²)를 보여주었습니다. 가이드 베인을 도입하여 피크를 40% 줄이고 베어링 온도 상승을 15°C 줄였습니다.

5. 주요 설계 기준 및 고려 사항

● 축 방향 힘 한계: 일반적으로 펌프 샤프트 인장 강도의 ≤ 30%, 추력 베어링 온도는 ≤ 70°C입니다.

● 임펠러 클리어런스 제어 : 0.2~0.5mm 사이로 유지 (너무 작으면 마찰이 발생하고, 너무 크면 누출이 발생함).

● 동적 테스트: 전체 속도 밸런싱 테스트(G2.5 등급)를 통해 시운전 전 시스템 안정성을 보장합니다.

결론

다단계 수직 터빈 펌프에서 축 방향 및 반경 방향 하중을 균형 있게 조절하는 것은 유체 역학, 기계 설계 및 재료 과학을 포함하는 복잡한 시스템 엔지니어링 과제입니다. 임펠러 형상을 최적화하고, 밸런싱 장치를 통합하고, 정밀한 제조 공정을 통해 펌프의 신뢰성과 수명을 크게 향상시킵니다. AI 기반 수치 시뮬레이션과 적층 제조의 미래 발전은 개인화된 임펠러 설계와 동적 하중 최적화를 더욱 가능하게 할 것입니다.

참고: 특정 응용 분야(예: 유체 특성, 속도, 온도)에 대한 맞춤형 설계는 API 및 ISO와 같은 국제 표준을 준수해야 합니다.