단흡입 볼류트펌프 설계

목차

◉ 기본 제작 조건

◉ 과제의 구체적인 내용

◉ 원심펌프의 대략적인 설계과정
1. 유량을 이용한 흡입구경(Ds) 의 설정
2. 토출구경(Dd)
3. 전동기 및 회전수의 결정
4. 비교회전도 (Ns)
5. 펌프 형식의 결정
6. 축 설계 (D1)
7. 임펠러의 외경(D2)의 계산
8. 임펠러 출구폭(b2)의 계산
9. 임펠러 입구경(De)의 계산
10. 임펠러 Profile의 작도

◉ 최종 완성 도면

◉마치며...

본문내용

수는 그 펌프의 특성곡선의 경향이나 캐비테이션 성능 등도 추정할 수 있으므로 설계에 있어서 가장 중요한 값이다.
[그림.2]
비교 회전도
5.펌프 형식의 결정
위의 비교 회전도 와 [그림.2]를 참고하면 터빈이나 볼류트 펌프로 설계 가능하며, 본 설계과제에서는 구조가 간단해서 만들기 쉬운 단흡입 볼류트 펌프를 선택 하였다.
정리하면 ,
펌프형식: 단흡입 볼류트 펌프
흡입구경(Ds) :
토출구경(Dd) :
전동기:
전동기회전수(N) :
비교회전도(Ns):
6. 축 설계 (D1)
전달토크 (kg.cm) =
(앞서 전동기가 축에 전달하는 동력 L = 24KW로 계산하였다.)
( 전단허용응력 τ : 스테인레스강 τ=200 kg/㎠ )
동력을 전달하기 위해 필요한 축의 최소 지름은 위와 같고 (3.24cm) 축의 동력을 임펠러에 전달할 키가 묻히는 만큼 축의 지름을 크게 해야 하기 때문에 키의 치수를 설계해야한다. 묻힘키를 사용하겠다.
전단강도에 의한 폭의 설계
압축강도에 의한 높이의 설계
전단강도와 압축강도에 의해 키의 치수는
b : 0.85 cm h : 0.85 cm l : 4.86 cm 이며
묻힘 평행키 및 키홈의 규격(KS B 1311) 을 참조하여 키의 치수를 아래와 같이 정하였다.
따라서 키의 묻히는 깊이 4.5mm 와 표준화를 고려하여 최종 축의 직경은 로 정한다.
7.임펠러의 외경(D2)의 계산
임펠러의 외경은 Ns에 따른 임펠러 정수(교재 그림7.1 그래프)의 양정 계수 약 00.58 를 읽어 양정 H에서의 임펠러 외주 속도(U2)를 구하여 회전수 N일 때 임펠러 외경 D2를 구한다.
임펠러 외경은 표준화를 위하여 로 결정한다.
8.임펠러 출구폭(b2)의 계산
Ns에 따른 임펠러 정수의 유량 계수 약 00.08를 읽어 임펠러 외주의 절대속도의 메리디안(meridian)분속도 Cm2를 계산하고 토출량 Q에서 임펠러 출구폭 b2를 구한다.
따라서 임펠러 출구폭 로 결정 한다.
: 임펠러 외주 날개 Pitch (mm)
: 임펠러 외주 날개 길이 (mm)
: 베인 출구의 날개 두께 (mm)
구조상으로 가능 하다면 되도록 얇게 하는게 좋으며 일반적인 기준은 다음과 같고 여 기서는 6mm로 설정하여 계산한다.
임펠러 외경
제작한도
일반적 두께
200 이하
2.0
3~5
200 초과
2.5
4~8
단위 : mm
: 임펠러 날개 개수
임펠러 날개 개수는 보통 4~6매로 하며 여기서는 6매로 정하여 계산한다.
: 베인의 출구 각도 (° )
=15~30° 의 범위로 하고 보통의 경우 22.5~25° 의 범위로 한다. 여기서는 25° 로 설정하여 계산 한다.
: 임펠러 출구 면적의 감소율
: 유량 효율
유량 효율의 범위는 0.97~0.92 이며 보통 0.95를 적용 한다. 여기서는 0.95로 정하여 계산한다.
9.임펠러 입구경(De)의 계산
따라서 임펠러 입구경 는 표준화를 고려하여 100mm 로 결정한다.
: 임펠러 입구의 메리디안 분속도 (m/s)
: 임펠러 입구의 메리디안 분속도의 설계 계수
: 유량 효율
: 임펠러 보스부의 지름 (m)
일반적으로 (1.2~2) x di 로 적용하며 여기서는 60mm로 적용하여 계산하였다.
10.임펠러 Profile의 작도
Center Line과 기준선을 그린다. 기준선은 임펠러 날개의 배면으로 한다.
센터 라인에서 각각 앞에서 계산한 를 그린다.
임펠러 배면의 기준선 R1을 설정하여 그린다.
회전차의 유동이 점차적으로 감속되기 위하여 즉 자오선 평균 유속이 균일하게 변화하기 위해 유로 단면적이 반지름에 대해 균일하게 변화 되도록 해야된다.
임펠러 출구 단면적은 이며
여기서
따라서 단면적의 차는
이며 따라서 이 과 의 사이에서 균일하게 변화하기 위해서는 의 값이 지름의 단위량에 대하여 만큼 변화 되어야 한다.
따라서 과 의 사이의 임의의 점에서의 폭(b)의 변화는 다음과 같다.
D (mm)
Db (㎟)
b (mm)
D (mm)
Db (㎟)
b (mm)
400
2000
5
200
2600
13
350
2450
7
150
2250
15
300
2700
9
100
1700
17
250
2750
11
80
1600
20
위에서 계산한 임의의 점에서의 폭(b)를 지름으로 임펠러 배면의 기준선 R1에 외접 하도록 그린다.
이제는 배면의 기준선과 외접 하도록 작도된 b를 접하는 원호 R2를 그린다. 이것은 곧 임펠러의 전면이 된다.
위에서 계산한 값들을 이용하여 임펠러의 Profile을 작도하면 다음과 같다.
최종 완성 도면
1.임펠러
2.축
3.키
4.상부케이싱
5.하부케이싱
6.최종 조립도
6. 3D 형상
마치며...
유체기계설계 과목을 수강하며 한 학기동안 원심펌프에 관한 여러 지식들을 접하고 이해할 수 있었다. 그러나 지금까지 배운 것이 실제 설계에 적용하기에는 너무나도 부족한 것이었음을 절실히 실감했다. 수업교재의 뒤편에 나와 있는 펌프설계 시방서를 많이 참고했으며, 손실을 감안한 복잡한 계산 및 엔지니어의 경험에 의한 경험치나 여러 가지 계수를 적용한 수식들이 수업시간에 배웠던 내용과는 사뭇 다른 점들이 많았다. 도서관의 많은 서적들과 인터넷 등을 활용하여 정보를 찾아보고 이번 과제에 적용하려고 노력했다. 그러나 완성된 결과를 보니 자신이 작성했음에도 불구하고 많은 부족한 점이 보여 안타깝고 조금 더 많은 시간을 투자해야 하지 않았나? 하는 아쉬움도 남는다. 그러나 본인이 직접 임펠러의 폭이나 직경, 날개사이 간격, 축직경, 묻힘키 등의 치수 등을 직접 계산하였고 3D 모델링 과정에서 계산된 치수를 모두 적용 하였다는데 의미를 두고 싶다.
여기서 설계된 단흡입볼류트펌프는 [효성EBARA] 주식회사의 [HES-80-400] 모델의 치수를 많이 참고 하였다. 이 모델은 이 과제의 3가지 조건 (유량 (Q) : 1 ㎥/min, 양정 (H) : 75 m, 원심펌프)을 만족하였기 때문이다. 실제로 이번 설계과제에서 원심펌프의 여러 부품이나 흡입구 토출구 등의 계산결과가 [HES-80-400]과 상당히 일치 하는 것을 볼 수 있었다. 많이 부족하지만 원심펌프의 설계란 어떤 것인지 경험해볼 수 있었던 좋은 기회였다.

키워드

단흡입볼류트펌프,   설계,   원심펌프,   토출구경,   비교회전도,   임펠러외경,   임펠러출구폭