펌프의 이상현상

펌프의 이상현상

1. 공동(Cavitation) 현상

유체 속에서 압력이 낮은 곳이 생기면 물속에 포함되어 있는 기체가 물에서 빠져나와 압력이 낮은 곳에 모이는데, 이로 인해 물이 없는 빈 공간이 생긴 것을 가리킨다. 선박의 프로펠러나 터빈 등의 효율이 떨어지고 침식당하는 원인이 되므로 설계 시 주의해야 한다. 이를 방지하려면 비행기 날개의 모양이나 면적, 선박 후반부의 모양을 주의하여 설계해야 한다.

액체 속을 고속도로 움직이는 물체의 표면은 액압(液壓)이 저하하는데, 이를 '베르누이의 정리'라고 한다. 그렇게 되면 압력이 액체의 포화증기압보다 낮아진 범위에 증기가 발생하거나 액체 속에 녹아 있던 기체가 나와서 공동을 이룬다. 이것은 수력터빈이나 선박용 프로펠러를 운전할 때 자주 발생하는 현상으로, 압력면에 발생하는 경우도 있지만, 주로 날개의 등 부분에 발생한다. 발생한 기포는 압력이 높은 부분에 이르면 급격히 부서져 소음이나 진동의 원인이 되며, 터빈이나 프로펠러의 효율을 떨어뜨린다.

또 기포가 사라져 없어질 때 기포의 부피가 급격히 축소됨에 따라 그 부분의 압력이 매우 커지며, 그것이 날개를 침식시키는 원인이 된다. 공동현상에 의한 이러한 침식을 점 침식(點侵蝕)이라고 하며, 자잘한 알갱이에 의한 일반적인 침식과는 구별된다.

터빈이나 프로펠러를 설계·제작할 때는 이러한 현상을 방지하기 위하여 날개의 모양이나 면적의 선정 등에 주의해야 하며, 특히 선박용 프로펠러의 경우에는 선체 후반부의 모양도 중요하다. 최근에는 초고속용 프로펠러로서 공동현상에서 가동하는 슈퍼 캐비테이션 프로펠러의 연구·개발도 진행되고 있다. 한편, 강한 초단파가 물속에 전달될 때 기포가 발생하는 경우가 있는데, 이것도 공동현상이라 할 수 있다.

공동현상-발생영역

2. 서징(Surging) 현상

I) 개요

펌프의 운전 중에 압력 계기의 눈금이 어떤 주기를 가지고 큰 진폭으로 흔들림과 동시에 토출량은 어떤 범위에서 주기 적므로 변동이 발생하고 흡입 및 토출배관의 주기적인 진동과 소음을 수반한다, 이를 맥동(Surging) 현상이라 한다

2) 원인

  (1) 다음의 조건 이동 시에 갖추어졌을 때 알 샘 한다

   ① 펌프의 H-Q 곡선이 오른쪽 상향 구배 특성을 가지고 있다

   ② 펌프의 토출 관로가 길고, 배관 중간에 수조 또는 기체상태인 부분(공기가 괴어있는 부분)이 존재한다,

   ③ 수조 또는 기체 상태가 있는 부분의 하류 측 밸브(밸브 B)에서 토출량을 조절한다

   ④ 운전점이 오른쪽 하향 구배 특성 범위 이하에서 운전한다

  (2)  즉, 상기 조건중  어느 하나만 만족되지 않아도 서징은 발생하지 않는다  → 펌프 정격토즐랑이 2400 lpm이지만 화재 시 헤드가 2~3개만 개방 할 수 있음

3) 발생 현상

  (1) 흡입 및 토출 배관의 주기적인 진동과 소음을 수반

  (2) 한번 발생하면 그 변동 주기는 비교적 일정하고, 송출밸브로 송출량을  조작하며 인위적으로 운전상태를 바꾸지 않는 한 이상태가 지속된다

4) 방지책

  (1) 펌프의 H-Q 곡선이 오른쪽 하향 구배 특성을 가진 펌프를 채용한다, 

  (2) 회전차나 안내 깃의 형상 치수를 바꾸어 그 특성을 변화시킨다

  (3) 바이패스관을 사용하며 운전 접이 펌프 H-Q 곡선이 오른쪽 하향 구배 특성 범위에 있도록 한다 → 유량이 Q 이상 구간에서 운전

  (4) 배한 중간에 수조 또는 기체상태인 부분이 존재하지 않도록 배관한다

  (5) 유랑 조절밸브를 펌프 토흘측 직후에 위치 시킨다, → 밸브 A로 유랑조절

  (6) 불필요한 공기탱크나 잔류 공기를 제어하고, 관로의 단면적, 유속, 저항 등을 바꾼다

 

3. 수격 현상

1) 개요

  (1) 관내를 흐르고 있는 물의 유속이 급히 바뀌면 유체의 운동에너지가 압력 에너지로 변하여 관내 압력이 이상 상승하게 되어 배관과 펌프에 손상을 주는 현상이다

  (2) 수격 작용은 펌프의 운전 중은 물론이고 펌프가 정지될 때에도 발생할 수 있으므로 대용량인 펌프와 배관이 길어지는 경우에는 적절한 대비책이 있어야 한다,

2) 원인

  (1) 정전 등으로 갑자기 펌프가 정지할 경우

  (2) 밸브를 급히 개폐할 경우

  (3) 펌프의 정상 운전 시 유체의 압력변동이 있는 경우

3) 발생 현상

  (1) 압력 상승에 의해 펌프, 밸브, 플랜지, 관로 등 여러 기기가 파손된다

  (2) 압력강하에 의해 관로가 압괴 하거나 수주 분리가 생겨 재 결합 시에 발생하는 격심한 충격파에 의해 관로가 파손된다

  (3) 소음과 진동의 원인이 된다

  (4) 주기적인 압력 변동 때문에 자동제어계 등 압력 컨트롤을 하는 기기들이 난조를 일으킨다

4) 방지대책

  (1) 관경을 굵게 하여 가능한 한 유속을 낮춘다,

  (2) 펌프 토출 측 체크밸브는 스모렌스키 체크밸브를 사용한다.

  (3) 펌프 회전 측에 플라이 휠(fly wheel)을 설치하며 펌프의 급격한 속도 변화를 방지한다

  (4) 펌프 토출 측에 조압수조(surge tank) 또는 수격 방지기(water hammer cusion)를 설치한다

  (5) 유랑 조절밸브를 펌프 토출 측 직후에 설치하고 적당한 밸제어를 한다 → 5초 이상 필요함

 

4. 과열현상

I) 개요

  (1) 펌프 운전 시 구동장치에 의한 동력은 액체를 펌핑하는 유효한 일과 기계 손실 등에 소비되는 것 외에 펌핑 액체를 가열시키는데도 극히 일부일지라도 사용된다

  (2) 체절 상태 운전으로 펌프 토출량이 O이 되거나 또는 극소의 상태로 운전하면 펌프 효율이 현저하게 저하되고 구동장치로부터의 동력은 대부분이 열로 되어 수온을 상승시킨다

  (3) 펌프에서 기포발생 원인은 압력저하에 의한 캐비테이션과 수온 상승에 의한 캐비테이션이 있다

2) 과열현상

  (1) 수온 상승은 전양정(Total head)에 비례하며 커진다

  (2) 토출량이 일정한 값으로 증가하면 온도 상승률은 급격하게 감소한다

  (3) 고속도의 고압력 펌프에서는 온도 상승이 문제가 되는 경우가 많으며, 이로 인해 열에 의한 심한 변형이 발생될 뿐 아니라, 증기의 발생으로 캐비테이션의 원인이 되기도 하므로 고온수 취급의 동력이 크고, 토출량이 적은 펌프에서는 특별히 주의를 필요로 한다

3) 방지대책

  (1) 토흘랑 감소에 의해 온도가 상승되어 허용 최고온도를 초과하게 되므로 허용 최저 토출량 이하로 될 때, 토출 측 Relief 장치가 열려서 토출수를 방출하는 수온상승 방지장치가 필요하다

  (2) Relief 장치는 펌프와 토출측 게이트 밸브 사이에 설치하며 다음의 세 가지 종류가 있다

   ① 상시 Relief장치 : 일반적으로 토출압럭 50kg/m 이하의 경우 사용 → 순환 배관 : 저압부로 항상 Reliet 하며 되돌리며,  장치는 단순하나 저 효율 운전의 문제가 있다(일본 적용)

   ② 자동 Relie밸브 부착 체크밸브의 사용 →  토줄압럭이 140kg/㎠ 이하 경우 사용 → 순환 릴리프 밸브, 정상 운전 중에는 릴리프 라인이 닫혀 있므며, 허용 최저 토출량 이하로 될 때 자동으로 밸브 작동 (국내 적용 개념)

   ③ 유랑 검출 Relief밸브의 이용 : 펌프 토흘랑이 설정치 이하로 감소되면 차압식 유랑계의 신호에 의해 3-way 전자밸브가 동작되고, 릴리프 밸브가 자동으로 열려 흡입 탱크로 되돌려 보내 과열을 방지, 펌프 토출량이 회복되면 릴리프 밸브는 자동으로 닫힌다 → 순환 릴리프 밸브 : 시스템 릴리프 밸브 개념

4) 수온 상승 방지

  (1) 목적

   ① 수온을 30(℃) 이하로 유지하기 위할

   ② 온도↑물의 포화증기압↑ 할수록 펌프의 유체 흡입을 방해한다

   ③  100(℃)이상에서는  물의 흘입불능(수원이 펌프보다 낯을 시)

 

물의-포화-증기압-수두-온도

  (2) 설치기준

   ① 펌프의 정격용량 2,500 gpm(9,460 epm) 이하 3/4인치 (20mm)  이상

   ② 펌프의 정격용량 2,500 gpm 초과 5,000 gpm이하 또는 내연기관 : 1인치 (25mm) 이상

   ③ 펌프 체절 운전 시 펌프의 온도 상승을 방지하기 위하며 펌프가 가동되면 펌프 토 줄 량의 2 ∼4%(최대 40 lpm)가 오리피스를 통하여 배출되도록 한 것이 순판배관이다