수평 원심 펌프에서 축력의 주요 원인은 무엇입니까?

수평 원심 펌프 산업 공정에서 가장 일반적으로 사용되는 유체 운송 장비이며 작동 신뢰성은 생산 효율성에 직접적인 영향을 미칩니다. 이 전문 분야에서 축 추력은 중요한 설계 및 작동 매개변수입니다. 축방향 추력 생성 메커니즘과 균형을 맞추는 방법을 이해하는 것은 펌프 선택, 설치, 문제 해결 및 베어링과 메카니컬 씰의 수명 연장에 매우 중요합니다.

1. 축력의 핵심 원천: 임펠러 전체의 압력 차이

축력의 근본적인 원인은 임펠러 양쪽의 액체 압력의 불균형입니다. 이것이 축방향 힘의 기본이자 가장 큰 원인입니다.

단일 스테이지 단일 흡입 임펠러가 가장 일반적인 예입니다. 원심 펌프가 작동 중일 때:

임펠러 전면 슈라우드 측(흡입 측): 임펠러의 중앙 영역은 대기압에 가깝거나 낮은 압력을 갖는 저압 영역입니다(NPSH에 따라 다름).

임펠러 후면 슈라우드 측면(뒷면): 액체가 임펠러에서 볼류트로 흘러들어감에 따라 고압 액체의 일부가 웨어링 링의 틈을 통해 스며들거나 다시 임펠러 뒷면으로 흐릅니다. 또한 볼류트 출구의 높은 압력은 임펠러 뒷면에도 압력을 가합니다. 따라서 임펠러 후면의 평균 압력은 일반적으로 전면보다 훨씬 높습니다.

유효면적에 투영된 임펠러 전면과 후면 사이의 압력 차이는 흡입 포트를 향하는 반력, 즉 축력을 생성합니다. 이 힘의 크기는 펌프 헤드, 임펠러 직경 및 웨어링 링 간격과 직접적인 관련이 있습니다. 헤드가 높을수록 압력 차이가 증가하고 결과적으로 축 방향 힘이 증가합니다.

2. 임펠러 유로에서의 운동량 변화 효과

축력의 두 번째 중요한 소스는 임펠러의 내부 유로 내에서 유체가 방향과 속도를 변경할 때 생성되는 운동량 변화 반력입니다.

액체가 흡입 포트에서 임펠러로 유입되면 흐름은 축방향(펌프 축에 평행)에서 방사형(펌프 축에 수직)으로 변경됩니다. 뉴턴의 제2법칙에 따르면 유체가 임펠러 내에서 이러한 방향 변화를 겪을 때 필연적으로 임펠러에 반력이 발생합니다. 펌프 샤프트를 따라 작용하는 이 반력의 구성요소는 반대 방향의 축력을 구성합니다.

대부분의 단일 흡입 임펠러 설계에서 이 운동량에 의해 유발된 축력의 방향은 압력 차이로 인해 발생하는 축력과 반대이지만 그 크기는 일반적으로 압력 차이로 인해 발생하는 축력보다 작습니다.

3. 샤프트 씰과 균형 구멍의 영향: 국부적인 압력 분포

샤프트 씰 영역의 설계 및 작동 조건도 국부 축력 분포에 영향을 미칩니다.

기계적 씰/스터핑 박스 영역: 샤프트 씰에서 펌프 샤프트에 작용하는 힘은 씰 챔버 내의 액체 압력과 대기압의 결합된 힘입니다. 씰 챔버 내의 압력이 높으면 샤프트가 펌프 샤프트를 따라 바깥쪽으로 밀려납니다.

균형 구멍: 균형 구멍을 사용하여 축력의 균형을 맞추는 임펠러의 경우 균형 구멍의 기능은 임펠러 뒷면의 고압 액체를 흡입 포트 또는 저압 영역으로 다시 보내 임펠러 뒤의 압력을 효과적으로 줄이는 것입니다. 밸런싱 홀의 직경과 개수의 설계는 임펠러 전면과 후면 사이의 압력 차이가 제거되는 정도를 직접적으로 결정합니다.

4. 이중 흡입 임펠러와 축력의 고유한 균형

이중 흡입 원심 펌프에서 임펠러는 양측 대칭 흡입으로 설계되었다는 점은 주목할 가치가 있습니다.

대칭 구조: 액체가 양쪽에서 동시에 대칭적으로 임펠러 중앙으로 들어갑니다.

기계적 취소: 이는 두 임펠러의 유로 형상이 완전히 대칭이고 양쪽의 압력 분포도 본질적으로 대칭임을 의미합니다. 작동 중에 두 개의 임펠러에 의해 생성된 축력은 크기가 같고 방향이 반대이므로 이론적으로 자동 축력 균형이 달성됩니다. 이는 고유량 조건을 처리할 수 있는 이중 흡입 펌프의 주요 구조적 장점 중 하나입니다.

5. 축력 균형과 대응의 중요성

원심 펌프 설계에서는 잔류 축력을 제거하거나 최소화하는 것이 중요합니다. 그렇지 않으면 과도한 축 방향 힘으로 인해 다음이 발생할 수 있습니다.

베어링 과부하: 지속적인 축 힘은 스러스트 베어링에 상당한 부하를 가해 마모와 고장을 가속화합니다. 이는 원심 펌프의 가장 일반적인 고장 모드 중 하나입니다.

기계적 밀봉 손상: 축 방향 힘의 급격한 변화는 기계적 밀봉의 회전 링과 고정 링 사이에 과도한 압축 또는 분리를 유발하여 누출 또는 심각한 마모를 초래할 수 있습니다.

따라서 이중 흡입 임펠러의 자체 균형 설계 외에도 축력의 균형을 맞추기 위해 엔지니어링 설계에 다음과 같은 특수 메커니즘이 자주 사용됩니다.

균형 구멍 및 후면 날개: 단일 흡입 펌프에 사용됩니다.

밸런스 디스크/드럼: 다단계 펌프에서 일반적으로 사용되는 고압 밸런싱 장치입니다.

수평 원심 펌프의 축력을 정밀하게 제어하고 펌프 샤프트 안정성을 보장하는 것은 장비의 장기적이고 안정적인 작동을 보장하기 위한 핵심 기술 요구 사항입니다.