Gear pump는 PD (positive displacement) pump의 종류로서 gear들의 interlocking 작동에 의해 반복적으로 fixed volume을 채우고 (vacuum force에 의해) 다시 기계적으로 downstream에 전달하여 이동시키는 cyclic pumping action이다.
pulse가 없이 기어의 회전속도에 비례하여 안정적으로 유체를 이송시키며, 특징으로는 고점도 유체를 매우 높은 압력으로 보낼 수 있다. 후단 압력에 무관하게 일정한 speed에서는 일정한 유량이 배출되며 후단 압력이 증가하면 그에 비례하여 소모되는 에너지는 증가하게 된다.
Inlet port는 맞물린 기어가 풀려 체적이 늘어나서 압력이 감소하고, outlet port는 기어가 맞물려 돌아가면서 체적이 줄어들어서 줄어드는 체적만큼 유체가 이송된다. suction에서의 체적 증가는 진공압력을 발생시키고, 이로 인해 suction용기로부터 유체가 도입된다. 이어 유체는 기어와 casing 사이의 공간에 실려 outlet으로 이송되는데, 기어가 회전하면서 다시 맞물리게 되고 기어 사이에 체적이 감소되므로 유체는 후단으로 배출되게 된다.
회전체는 펌프 casing과 함께 liquid seal을 develop하여 pump inlet에서 suction을 유도하면 액체가 펌프 내부로 들어와 회전하는 기어의 cavity내로 채워진 후 discharge로 배출된다. 2개의 기본적인 type이 external과 internal type이 있다.
Figure: gear pump design (arrows indicate the direction of the pump and liquid)
External gear pump (외접 기어펌프)
각기 다른 shaft에 support되어 있는 동일한 크기의 interlocking gear로 구성되며 모터에 의해 하나의 기어 (master gear or power or driver gear)가 움직이면서 다른 기어 (slave gear or idler gear or driven gear)도 맞물리면서 반대 방향으로 회전한다. 혹은 두 개의 shaft가 모터에 의해 구동되기도 하며 casing의 양쪽 side의 bearing에 의해 shaft는 support된다.
펌프 입구 쪽의 기어가 mesh에서 나올 때 expanded volume을 만들고 이 때 액체가 그 공간으로 들어가 gear teeth에 의해 trap되면 gear는 pump casing을 따라 회전을 한다. 이 과정에서 gear teeth가 discharge side에서 다시 interlocked되면 volume이 감소하고 이 때 액체는 discharge의 back pressure를 극복하기 위해 가압하에서 강제로 배출된다.
gear와 casing사이의 clearance를 통해 inlet에서 suction을 develop하고 후단에서 다시 pump쪽으로 leaking back하지 못하게 하며, 점도가 낮은 유체일 경우 leakage는 증가될 수 있다. External gear pump type에서는 주로 spur, helical, herringbone gear를 사용한다.
Internal gear pump (내접 기어펌프)
이 type은 external gear pump와 동일한 원리로 작동되지만 gear의 크기가 다르고 하나의 gear가 다른 gear의 내부에서 회전한다. Rotor인 큰 gear는 inner gear로서 내부에 튀어나온 teeth가 있고, 여기 내부에 보다 작은 outer gear가 편심 mounting되어 외부의 큰 기어에 의해 회전한다.
Gear teeth가 한 포인트에서 engage되고 Casing에 부착된 pinion과 bushing이 작은 gear를 holding하고 있어서 이러한 초승달 모양의 bushing 공간에 액체가 채워지고 inlet과 outlet port사이의 seal로서 작용하며 NPSHR이 작아 suction capability가 뛰어나다. 운전 방식은 external gear pump와 동일하고 spur gear만 사용한다.
Spur tooth External Gear Pump - Working Principle
특징과 장점
moving part 개수가 작아 trouble가능성이 낮고 compact하고 간단하다. 왕복 펌프에서 생성되는 압력이나 원심 펌프의 높은 유량을 맞출 수는 없지만 vane pump이나 lobe pump보다 더 높은 압력과 유량을 공급할 수 있고 특히 오일이나 고점도 유체를 처리할 수 있다.
External gear pump의 shaft support가 강하고 clearance가 tight하여 더 높은 압력과 유량을 처리할 수 있으며 반면 internal gear pump는 심지어 백만 cP의 고점도 유체에서도 사용할 수 있다. Gear pump의 output은 회전속도에 비례하며 주로 metering이나 blending운전에 사용하고 corrosive의 분위기에서도 사용이 가능하다.
External gear pump는 차량이나 lifting machinery의 hydraulic power application에서도 사용한다. 아울러 maintenance가 쉽고, 넓은 범위의 점도를 cover하며 cavitation에 대해 민감하지 않다. 투자비용이나 유지관리비용이 낮고 3000psi이상 압력이 가능하며 원심펌프로는 이송이 불가한 고점도 유체도 leakage없이 높은 효율로 처리할 수 있다. 양방향 회전이 가능하여 vessel에 loading이나 unloading 모두 사용할 수 있다.
한계 및 단점
Gear pump는 self-priming이고 dry lift도 할 수 있지만, gear는 유체에 의해 lubricating되어야 하고 오랫동안 dry running해서는 안된다.
Gear와 casing사이의 tight clearance로 인해 abrasive fluid나 solid가 포함된 유체를 다룰 때에는 마모가 쉽게 될 수 있다. 그러나 Internal gear pump의 경우에는 solid handling이 가능하며 external gear pump는 4개의 bearing이 있고 tight clearance이어서 abrasive fluid환경에서는 적절하지 않다. Internal gear pump는 유체내에서 운전하는 bearing이 1~2개이고 더 튼튼하다.
Gear pump는 크고 잠재적으로 손상을 줄 수 있는 solid로부터 보호하기 위해 suction에 strainer를 설치한다. 만약 abrasive유체를 처리해야 할 경우 capacity가 큰 펌프를 선택하고 낮은 속도에서 운전하여 마모를 줄일 수 있다. 하지만 volumetric efficiency는 낮은 유속 및 유량에서는 줄기 때문에 recommended speed보다 너무 낮게 운전해서는 안된다.
아울러 고온에서의 casing과 gear의 열팽창으로 인해 pump내 clearance가 줄어들어 마모가 발생되며 극단적으로 pump failure를 야기할 수 있다. Gear pump는 오랫동안 사용할 경우 gear, casing, bearing등에 마모가 발생되며 clearance가 커질수록 효율이 점점 감소되고, 후단으로부터 suction으로 유체가 leak되는 flow slip이 증가할 수 있다.
후단이 block일 경우 펌프, 배관, 설비들이 fail될 때까지 가압이 되므로 대부분 gear pump에는 pump보호를 위해 relief valve가 설치되어 있지만 후단 시스템 보호를 위해 별도의 relief valve를 설치하는 것이 바람직하다. Internal PSV는 펌프와 함께 내부에 공급되어 simple하지만 flashing의 가능성이 있으니 주의해야 한다. 즉, 고압에서 internal PSV를 통해 배출시 매우 작은 유량으로 전달된 에너지가 heat으로 변해 온도가 올라가서 저압에서 flashing이 일어날 수 있어서 external PSV를 설치하여 short circuit가 아닌 long circuit을 유지하는 것이 바람직하다.
낮은 속도로 운전하는 internal gear pump는 식료품, 페인트, 비누, 위생 등 shear-sensitive liquid에 적합하며, 속도가 빠르고 clearance가 작은 external gear pump에는 적합하지 않다.
Gear pump는 일반적으로 오일, 페인트, 레진, 식음료 등과 같은 고점도 유체를 이송하는데 사용되며 아울러 정확한 유량이나 고압이 요구되는 곳에 적용될 수 있다. Gear pump output이 압력에 크게 영향을 받지 않아 불규칙적인 압력에서의 공급을 필요로 하는 곳에서도 적용이 가능하다.
Gear interlocking시 소음이 심하며 유체내에는 abrasive성분들이 없어야 한다. gear pump 크기가 제한되어 있어서 대용량을 처리하기에는 한계가 있다.
Gear가 서로 맞물려서 돌아가므로 suspended solid service에서는 마모가 일어날 수 있고 주로 윤활이나 유압시스템에서 많이 사용되며 Spur gear type을 많이 사용한다.
Lobe pump
Lube pump는 external gear pump처럼 운전을 하며 gear teeth 대신 3~4개의 lobe를 사용한다. 하지만 lobe pump의 lobe들은 서로 접촉하지 않으며, pump shaft의 support bearing은 gearbox내부에 있다. 그래서 이들 베어링이 유체내부에 있는 것이 아니므로 압력은 shaft의 휨이나 베어링의 위치에 의해 제한되며 소음도 낮다. 장점으로는 유지관리가 용이하고 pulsation이 낮고 연속흐름이 가능하며 정밀한 dosing을 한다.
Ge-rotor pump (Generated Rotor Pump)
Ge-rotor pump는 초승달 모양이 없는 internal gear pump와 유사하며 rotor는 power gear이고 driven gear는 outer gear이다. 이 펌프는 주로 hot oil filtration이나 lubrication system, 혹은 저압의 hydraulic system에서 사용된다. 유체가 rotor와 driven gear사이로 들어가서 gear내의 gear의 teeth사이를 통해 펌프를 통과해 간다. 이후 outlet port를 통해 가압된 액체를 배출한다.
Screw pump
pump내부에 screw가 설치되어 액체를 가압하며 inlet은 2parts로 나누어져 있고 outlet은 하나이다. 하나의 shaft는 left hand screw이고 다른 shaft는 right hand screw이다. 펌프가 기동되면 inlet edge에서 screw의 thread사이의 gap을 액체가 채우고 이후 screw의 회전에 의해 screw를 따라 inlet에서 outlet으로 축방향으로 유체가 움직이면서 가압이 된다.
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