기계

수격 펌프의 역사와 작동원리에 대한 설명

안녕하세요

수격 펌프의 역사와 작동원리에 대한 설명에 대해서 한번쯤 읽어 보셨으면 해서 

올려 놓습니다 

1. 수격펌프란?

 

수격펌프란 높은 곳에서 원형 관 속을 흘러 떨어지는 물의 에너지만을 사용하며 그 물의 일부를 보다 높은 곳으로 양수(揚水)하는 펌프입니다. Water hammer pump 또는 Hydraulic Ram Pump 라고 부릅니다.

수격펌프는 다음과 같은 이점이 있습니다.

① 가솔린이나 전기등의 에너지를 필요로 하지 않는다.

② 보수 ?점검에 드는 비용이 저렴하다.

③ 구조가 간단하기 때문에 제작이 용이하다.

④ 환경에 부담을 주지 않는 기술이다.

 

이 정도의 실용성을 가지고 있으면서도 일반적으로 보급화 되지 않은 이유는 무엇 때문일까요? 가장 큰 원인은 화석연료와 전력 등의 동력원들이 싸고 손쉽게 얻을 수 있었기 때문에 동력을 이용해서 양수하는 것이 당연하다는 풍조가 지배적이었기 때문입니다.

 

수격펌프는 낙차가 있는 유수를 동력원으로 하는 성질로 산중턱에 설치하는 것이 적당합니다. 그러나 평지에도 30cm정도의 낙차를 취할 수 있다면 이용할 수 있습니다. 또 구조가 간단하고 저렴하게 제작이 가능하며, 게다가 연료비가 제로이기 때문에 누구난 쉽게 활용할 수 있습니다.

 

2. 수격펌프의 역사

 

도관(導管)내를 흐르는 물을 갑자기 막게 되면 관내에 압력 상승이 생깁니다. 이 현상을 수격(Water hammer)현상이라고 합니다. 이 압력 상승을 이용해 높은 장소로 양수하려고 하는 발상은 1780년경 영국 시계장인 존 화이트 허스트(John Whitehurst)가 고안해낸 것입니다. 

그는 수도관에 수동 코크를 설치하여 이것을 인위적으로 개폐해서 양수를 하였습니다. 그 20년 후인 1800년경에 프랑스 기술자 미셸 몽골피에 (Michael Montgolfier)는 수동 코크 대신에 배수밸브 (배수변)를 사용해서 수류의 작용에 의해 배수밸브를 개폐시켜 자동적으로 양수를 할 수 있도록 개량했습니다. 이것이 수격펌프의 시초입니다.

 

미국에서는 1809년에 처음 수격펌프에 관한 특허가 발행되었습니다.

그때까지는 유럽에서 수입된 수격펌프에 의존하고 있었습니다만, 미국내에서 수격펌프가 제작되기 시작하자 가격도 싸졌고 그 후 미국 국민들에게 보급이 되었습니다. 1879년에는 「인류의 백과사전」(The People’s Cyclopedia)가 인류의 역사상으로 가장 중요한 55개의 발명품 중 하나로 수격펌프를 선정하기도 했습니다.

 

그 후 수격펌프는 낙차가 있는 유수가 존재하는 곳이라면 어디서라도 적용할 수 있기 때문에, 논과 밭의 관개(灌漑)나 수도 용수 등의 목적으로 자동 양수기로서 이용되어지게 되었습니다. 그러나 19세기 후반 이후에 급속하게 공학기술이 진전하면서, 여러 방면에 있어 석유나 석탄 등의 화석연료를 에너지원으로 하는 기술이 보급되기 시작했고, 양수도 수격펌프에서 내연 기관을 원동력으로 하는 기술이 채택되었습니다. 이렇게 해서 사람들의 수격펌프에 대한 관심은 점점 멀어지게 된 것입니다.

 

그러나 「역사는 반복한다」라는 말이 있습니다. 기술의 역사는 마치 나선 계단을 올라가는 것과 같은 것으로, 어떤 기술도 시대와 함께 새로운 재료로 제작법이 나타나며 더더욱 그 기술은 전보다 진보된 형태로 나타나게 됩니다.

따라서 수격펌프도 200년 전에 발명된 것보다 훨씬 가볍고, 부드럽고(Smooth) 고성능인데다가 장기간 사용할 수 있게 되었습니다. 밸트의 충격음도 줄어들었습니다. 현재까지는 관심이 없었지만 점차 새로운 도구로 부응하여 재생될 수 있다고 생각합니다.

 

 

 

3. 수격펌프의 기초

 

“순조로운 흐름을 갑자기 막게 되면 큰 에너지가 생긴다.”

우리가 사는 주변에도 이와 같은 현상을 쉽게 찾아볼 수 있습니다. 예를 들면 화물 열차의 기관차가 갑자기 멈출 경우를 생각해보십시오. 기관차를 연결한 뒤 우선 첫 번째 화물차가 멈춥니다. 그래서 화물차의 운동 에너지는 충격력이 되고 기관차에 충격을 전달하여 연결부에 있는 완충기의 스프링을 옹크리게 합니다. 계속해서 두 번째 화물차가 멈추면 기관차와 첫 번째 화물차에 충격이 더해져 똑같이 첫 번째와의 연결부에 있는 완충기의 스프링을 옹크리게 합니다. 이 현상이 계속해서 후방에 전해져 모든 열차가 멈추게 됩니다. 

그러면 맨 끝 부분의 열차가 스프링의 힘에 의해 반대방향으로 움직이고 이 현상은 가장 앞부분의 기관차까지 이릅니다.

화물차의 관성에 의해 늘어난 스프링은 기관차에 과중한 충격력을 주게 됩니다. 이 과중한 충격력이 모든 화물차에 전해지면 맨 끝부분의 화물차부터 다시 전방으로 움직이며 마찰에 의해 운동이 멈출 때까지 위와 같은 현상을 반복합니다.

이것과 같은 현상이 관로(管路)내를 흐르고 있는 물을 밸브로 갑자기 멈추게 하면 동일한 현상이 발생하게 됩니다. 물의 운동에너지가 압력에너지로 변하기 때문에 밸브 직전에서 고압이 발생하고, 그 압력은 수중의 음파속도와 같은 속도로 상류에 전해지고, 관 입구에서 과중치가 되어 밸브까지 돌아옵니다. 

이렇게 관내에서는 고압과 부압이 상호적으로 발생하고, 상호적으로 파동이 생겨 관내를 왕복합니다. 이것이 수격(Water Hammer)현상입니다.

최근에는 주변에서 찾아보기 힘듭니다만, 아파트 등 가정에서 갑자기 수도꼭지를 잠그게 되면 처렁처렁거리는 충격음이 일어납니다. 이 때 소리가 나는 현상을 수격현상이라고 합니다. 

농업용 . 상하수도용.공업용수 등의 파이프라인에 있어서도, 송수관로의 도중에 설치된 밸브의 조작 등에서도, 건물 지하에 설치된 소방시설의 밸브조작에 의해 과도적으로 이상한 압력 변화를 일으키며, 펌프나 물레방아를 급정지 또는 급시동 시킨 경우에도 일어나기 때문에 그 해석과 방지 대책의 방안은 파이프라인의 설계자나 유지 관리자에게 있어 중요한 문제 중 하나입니다. 

또 댐의 관리 면에서도 배출구의 밸브를 급속하게 닫으면 수격현상이 발생하고, 이 수격현상은 댐 붕괴에도 연결되기 때문에 신중한 밸브 조작이 이루어지고 있습니다.

이렇게 수격펌프는 파이프라인의 설계자들을 난감하게 만드는 수격현상을 역으로 생각하여 유익하게 이용하는 펌프입니다.

 

4. 수격펌프의 작동원리

◎ 사이클 1

수원에서 흘러 내려오는 입력수가 밸브실에 흘러들어가, 배수변으로 보냅니다. 이 때, 배수밸브의 가동부분을 지나가는 물의 마찰력이 배수 밸브를 닫는 힘을 생기게 합니다.

입력수의 유입속도가 더욱 증가하면 배수밸브를 끌어 올리는 힘이 증대하고, 급격하게 배수밸브를 닫습니다.

 

 

◎ 사이클2

배수밸브가 급격하게 닫히면 입력수가 배수밸브에서 유출할 수 없게 되고, 밸브내실(弁內室)의 압력이 순간적으로 높아지게 됩니다. 이 순간적으로 높아지는 압력이 닫혀 있던 양수밸브를 끌어 올리며, 입력수의 일부가 압력탱크로 유입됩니다.

 

 

◎ 사이클3

흘러 들어온 물이 압력탱크 내의 공기를 압축하고, 내실의 압력을 상승시킵니다. 압력탱크 내의 압력이 내실의 압력보다도 커지게 되면, 양수밸브가 닫히게 됩니다. 이렇게 해서 실내에 발생한 고압이 유입되어 들어온 물을 양수관으로 끌어올리는 역할을 합니다.

 

 

◎ 사이클4

양수밸브가 닫히면 유출되는 부분을 잃어버린 입력수는 도관(導管) 안으로 역류합니다.

이 때, 배수밸브를 원래대로 돌아오려고 하는 부압이 발생합니다. 이 때문에 밸브실의 압력이 대기압보다도 낮게 되고 배수밸브의 자중도 더해지면 배수밸브가 열립니다.

 

5. 수격펌프의 종류

 

 

수격펌프는 구조가 간단하기 때문에 사용되는 장소와 개인에 의해 여러가지 구조로 만들어지고 있습니다. 여기서는 타입 별로 몇 가지의 수격펌프에 대해서 설명합니다. 

구조부터 크게 분류를 하면 배수밸브를 열기 위해 겹판 스프링 등의 장치를 사용하는 것과 밸브의 자중과 부압만을 이용하는 것이 있습니다. 또 압력탱크에도 세로형(縱型)과 가로형(橫型)등 여러 가지 형태의 펌프가 있습니다.