축 추력이란 무엇입니까?

원심 펌프 설계 및 작동의 중요한 요소인 축 추력은 펌프 샤프트에 평행하게 작용하는 순 힘을 나타냅니다. 이 기사에서는 원심 펌프의 축 추력에 대한 원인, 결과 및 관리 전략을 자세히 살펴보고 엔지니어와 펌프 사용자 모두에게 귀중한 통찰력을 제공합니다.

축 추력에 기여하는 주요 구성 요소

1. 임펠러 슈라우드의 축방향 유압력: 임펠러 전면 및 후면 슈라우드의 압력 분포에 의해 축력이 발생합니다.
2. 유체 축 속도 변화로 인한 운동량 힘: 유체가 축 방향으로 가속 또는 감속함에 따라 임펠러에 힘을 가하여 축 추력에 기여합니다.
3. 씰과 베어링의 압력 차이로 인한 힘: 샤프트 씰과 베어링의 압력 불균형으로 인해 펌프 로터에 추가적인 축방향 힘이 발생할 수 있습니다.
4. 로터 부품 중량(수직 펌프용): 수직 펌프 구성에서는 임펠러, 샤프트 및 기타 구성 요소를 포함한 로터 어셈블리의 중량이 전체 축 추력에 영향을 미칩니다.

축 추력 계산 방정식

원심 펌프 임펠러에 작용하는 축 추력(F)은 다음 방정식을 사용하여 계산할 수 있습니다.

F = (P1 – P2) × A + ρ × Q × (V2 – V1)

어디:

• P1과 P2는 각각 임펠러의 전면 슈라우드와 후면 슈라우드에 작용하는 압력입니다.
• A는 임펠러 슈라우드의 면적입니다.
• ρ는 유체 밀도
• Q는 체적 유량입니다.
• V1과 V2는 각각 임펠러 입구와 출구에서 유체의 축방향 속도이다.

이 방정식은 임펠러에 축 방향으로 작용하는 압력력과 운동량력을 모두 설명합니다.

다양한 펌프 설계에서 축방향 추력의 원인

단단 펌프

단일 단계에서 원심 펌프, 축 추력은 주로 임펠러의 전면 및 후면 슈라우드 사이의 압력 차이에서 발생합니다. 임펠러의 배출 측에서 더 높은 압력은 임펠러를 흡입 측으로 밀어내는 순수한 힘을 생성합니다. 이 축 추력은 임펠러 설계, 작동 조건 및 마모 링 간극과 같은 요인의 영향을 받을 수 있습니다.

다단 펌프

여러 개의 임펠러가 직렬로 배열된 다단 원심 펌프는 축 추력을 관리하는 데 있어 추가적인 문제에 직면해 있습니다. 각 단계 화합물 전체에서 압력이 증가하여 단일 단계 펌프에 비해 축 방향 힘이 상당히 높아집니다. 또한 축 추력에 대응하는 데 사용되는 밸런스 드럼, 밸런스 디스크 또는 밸런스 피스톤이 있으면 시스템이 더욱 복잡해집니다.

과도한 축 추력의 결과

1. 스러스트 베어링의 과부하 및 조기 고장: 축방향 힘이 높으면 스러스트 베어링이 정격 용량을 초과하여 작동하여 마모가 가속화되고 조기 고장이 발생할 수 있습니다.
2. 과도한 샤프트 처짐 및 진동: 불균형한 축력으로 인해 펌프 샤프트가 편향되어 진동 수준이 증가하고 베어링 수명이 단축될 수 있습니다.
3. 펌프 내부 간극의 마모 가속화: 축방향 추력은 웨어링 및 밸런스 드럼과 같은 회전 부품과 고정 부품 사이의 접촉을 발생시켜 마모를 가속화하고 간격을 증가시킬 수 있습니다.
4. 기계적 씰 누출 및 고장: 펌프 로터의 과도한 축방향 움직임으로 인해 메카니칼 씰이 누출되거나 조기에 고장날 수 있습니다.
5. 펌프 효율성 및 신뢰성 감소: 과도한 축 추력으로 인한 진동 증가, 마모 및 구성품 손상의 복합적인 효과로 인해 펌프 효율성과 전반적인 신뢰성이 크게 저하될 수 있습니다.

축 추력의 균형을 맞추고 제어하는 방법

1. 스러스트 베어링 및 크기: 앵귤러 콘택트 볼 베어링이나 틸팅 패드 베어링과 같은 적절한 크기와 선택된 스러스트 베어링은 펌프에서 발생하는 축방향 하중을 효과적으로 지지할 수 있습니다. 베어링의 부하 용량, 속도 등급 및 윤활 요구 사항을 신중하게 고려해야 합니다.
2. 임펠러 배열: 이중 흡입 임펠러 또는 백투백 임펠러 배열을 사용하면 펌프 로터에 작용하는 축 방향 힘의 균형을 유지하여 순 축 추력을 줄일 수 있습니다.
3. 드럼, 디스크, 피스톤 밸런스: 펌프축에 장착되어 펌프의 토출과 흡입의 압력차를 이용하여 반작용하는 축력을 발생시키는 장치입니다.
4. 임펠러의 구멍과 카운터 베인 균형 맞추기: 임펠러 슈라우드에 전략적으로 배치된 구멍이나 카운터 베인은 압력 분포를 균일화하여 임펠러에 작용하는 순 축력을 줄이는 데 도움이 됩니다.
5. 자동 유압 균형 장치: ITT Goulds 펌프의 "균형 흐름" 시스템과 같은 자체 조정 유압 균형 장치는 다양한 작동 조건에서 최적의 축 추력 균형을 자동으로 유지할 수 있습니다.
6. 웨어링 클리어런스의 영향: 축방향 추력을 제어하기 위해서는 적절한 웨어링 간격을 유지하는 것이 필수적입니다. 정상적인 마모로 인해 웨어링 간극이 증가하면 임펠러 주변의 압력 분포가 변경되어 잠재적으로 축 추력이 증가합니다.

자주 묻는 질문

축방향 스러스트 베어링과 방사형 스러스트 베어링의 차이점은 무엇입니까?

축(스러스트) 베어링은 샤프트 축에 평행하게 작용하는 하중을 지지하도록 설계되고, 레이디얼 베어링은 샤프트 축에 수직으로 작용하는 하중을 지지합니다.

원심 펌프에서 축방향 스러스트 베어링은 펌프 임펠러에 의해 생성된 축방향 힘과 펌프 케이싱 내의 압력 분포에 대응하는 데 사용됩니다. 방사형 베어링은 펌프 로터의 무게와 임펠러-케이싱 상호 작용 또는 샤프트 정렬 불량으로 인해 발생하는 방사형 힘을 지지합니다.

결론

원심 펌프의 안정적이고 효율적인 작동을 보장하려면 축 추력을 이해하고 효과적으로 관리하는 것이 중요합니다. 임펠러 설계, 펌프 구성, 작동 조건 등 축 추력에 기여하는 다양한 요소를 고려하여 엔지니어는 적절한 추력 균형 전략을 설계하고 선택할 수 있습니다.

정기적인 모니터링, 유지 관리 및 운영 모범 사례 준수는 펌프 성능 및 수명에 대한 축 추력의 영향을 최소화하는 데 더욱 도움이 될 수 있습니다.