펌프의 이상현상

3. 캐비테이션

3.1 펌프의 공동현상(Cavitation)

 양액이 물인 경우, 100°C가 되면 비등하나, 이것은 1 기압의 압력 하에서의 현상이며, 압력이 저하되면, 비등점은 100°C 이하로 되고, 압력이 더욱 저하하면 나중에는 상온에서도 끓는 현상이 발생한다. 이것은 액체에는 그 온도에 대응하는 포화증 기압이 존재하며, 액체의 압력이 그 온도에서의 포화증 기압 이하로 내려가 액체의 내부에서 증발하여 기포가 생기는 것이다. 펌프 내부에서도 흡상 양정이 높거나, 유속이 급변 또는 와류의 발생, 유로 화증기압 이하로 내려가 기포가 발생되는 현상이 일어날 수 있는데, 이 현상을 캐비테이션이라 한다. 펌프에서는 임펠러 입구 부분에서 발생하는 경향이 많고, 생성된 기포가 액체의 흐름에 따라 이동하여 고압부에 이르러 급격히 붕괴하는 현상이 되풀이됨에 따라 펌프의 성능이 저하되어 진동, 소음을 수반하고 불안정한 상태를 나타내며, 나중에는 양수 감소 또는 양수 불능이 된다. 캐비테이션이 생기면 소음, 진동이 나서, 펌프의 성능도 낮아지며 계속 압력이 낮아지면, 마침내는 양수불능이 된다. 캐비테이션이 생긴 상태로 장시간 사용하면, 발생부 유로표면에 많은 구멍이 생겨 재료를 손상된다. 이 현상을 괴식이라고 한다. 괴식은 캐비테이션으로 생긴 많은 물거품이 깨질 때 생기는 충격의 반복으로 생기는 것이다. 이와 같이 캐비테이션이 상기면, 성능이 저하hl고 펌프의 손상 등 유해한 영향이 많으므로 이를 방지하도록 유의해야 한다.

 

3.2 Cavitation 방지대책

-펌프의 설치 위치를 될수록 낮게 하여 흡입 양정을 작게 한다.

 

-흡입 측에서.

-펌프의 전양정에 지나친 경유를 갖게 되면 사용 시 전양정보다 낮은 과대 토출량으로 운전되는 까닭에 캐비테이션 성능이 나쁜 상태에서 운전되므로 전양정 결정에 있어서는 실지와 적합하게 계획하여야 한다.

-흡입관의 배관을 되도록 단순하게 하고 곡면을 적게 하고, 스톱 밸브를 지양하고 슬로스 밸브 등을 사용한다.

-양정 변화가 큰 대에는 사용 최저 양정에 대한 캐비테이션이 일어나는 않게 충분히 고려하여야 한다.

-외부조건으로 보아 캐비테이션을 피할 수 없다면 임펠러가 견딜 수 있는 강한 재질을 고른다.

-이미 캐비테이션이 생긴 펌프에 대해서는 소량의 공기를 흡입 측에 넣음으로써 소음과 진동을 작게 할 수가 있다.

 

 따라서, 캐비테이션을 피할 수 없는 곳에서는 괴식에 대해서 견딜 수 있는 강한 재료를 써서 손상을 감소시키는 것이 좋다. 펌프용 재료로는 특히 내 캐비테이션을 고려할 필요가 있는 겨우 스테인리스강, 13Cr스테인리스강, 알루미늄 청동 등이 사용한다.

 

4. 과도현상

4.1 기동, 정지 시의 과도현상

 정지하고 펌프를 기동시킬 때, 또는 운전하고 있는 펌프를 정지시킬 때에는 물이 가지고 있는 관성 때문에 순간적으로 운전 또는 정지상태에 이르지 아니하고, 짧은 시간에 복잡한 상태변화를 거쳐 안정되게 된다. 따라서, 기본 계획 시에는 이와 같은 점에 대해서 충분히 고려할 필요가 있다. 과도현상의 대표적인 것에 대체로 다음과 같다. 송수관에서 생기는 수격 현상,, 이 현상은 주로 펌프가 급정지할 때에 생기는 것이지만 기동 할 때에 생기는 경우도 있으므로 주의를 요한다. 흡수 조에서 생기는 수위변동, 흡수 조 내의 수위변동은 펌프의 기동, 정지 시를 제외하고는 밸브 등에 의해 토출량을 변화시켰을 때에도 생기는 것이다. 그러나 일반적으로 최대 유량의 급변을 미리 고려해 되면 기동, 정지 시의 과도현상은 큰 문제가 되지 않는다.

 

4.2 수충격

 관로에서 유속이 급격하게 변화되면, 그에 따라 관내 압력의 상승 또는 강하하는 현상을 수충격 현상이라 한다.

펌프의 송수관에서 정전으로 펌프에 주고 있던 동력이 갑자기 단절되었을 때나, 펌프가 급히 기동 할 때 또는 밸브를 급히 닫거나 열 때 수충격이 발생한다. 수충격에 의한 압력의 상승 또는 강하의 크기는 유속 변화,, 펌프의 상태, 유속, 펌프의 특성 등에 의하여도 다르므로, 그에 대한 대비 방법도 일정하지 않다. 펌프계에서 발생하는 ‘워터해머’‘워터해머’ 중에서 가장 큰 문제가 되는 것은 동력을 급히 차단할 때 일어나는 것으로 이때의 현상은 대체로 다음과 같다.

 

4.3 Water Hammer의 경감

 워터해머에 의한 피해가 생기면 이러한 피해가 예상될 때에는 그 경감 방법을 알아두어야 한다.

-수중펌프 상승 압에 의해서 펌프, 밸브, 관로들이 파손된다.

-압력강하에 의하여 관로가 쭈그러든다.

-압력강하에 의하여 관로의 어떤 점의 부압이 물의 주기 압 이하로 되면 관내의 물이 분리되어 공동부가 생길 때가 있다. 이것을 수주 분리현상이라 한다. 이 공동부에 다시 물이 찰 때 이상하게 높은 충격압이 일어나 관을 파손시킨다..

-펌프 및 전동기의 역전에 대한 교려를 하지 않았을 때 역전 과속의 사고를 일으킬 때가 있다.

 

4.4 Water Hammer의 경감법

 정전 시 워터해머는 제1단계로 압력의 강하, 제2단계로 압력의 상승이 일어나며, 최초 압력 강하가 크면 그만큼 상승도 커지므로 경감법도 최초의 부압 방지 대책의 순으로 검토하여야 한다.

 

4.5 기동시의 수격 현상

 펌프의 기동전에 송수관로에 물이 없고, 기동한 펌프에서의 수류에 의해 관로 내의 공기를 밀어내면서 송수관로를 물로 채웠을 때, 송수관의 말단이나 중간 즉 펌프에서 떨어진 위치에 반쯤 열린 밸브가 있으면, 워터해머가 생겨 펌프 또는 송수관의 일부를 파손하는 경우가 있다. 이것은 반개된 밸브의 공기가 통과할 때와 물이 통화할 때 밸브의 저항이 따른 까닭에 생기는 것이다. 즉 유체의 저항은 밀도에 비례하나, 표준상태에서의 공기 밀도에 대하여 물의 밀도는 약 800배 이므로, 송수관로의 공기 주가 밀려나가 수주의 선단이 밸브에 도달하는 순간 밸브의 저항은 약 800배로 되어 여기에 같은 힘으로 마주치는 효과가 생겨 유속이 급감하여 워터해머가 생긴다. 이때 생기는 압력 상승의 최댓값은 송수관의 저항 말단 밸브의 저항 및 펌프의 특성을 알며, 도식 해법에 의해 추정할 수 있으나, 이러한 말단 밸브 또는 펌프에서 떨어진 위치에 있는 밸브를 반개하고, 거기에다 송수 관내를 비어둔 채 기동 하는 것은 좋은 방법이 아니다. 펌프의 토출 밸브를 조절하여 송수관 솟을 낮은 유속으로 가득 채운 다음, 정상적인 운전 상대로 옮기는 것이 좋다. 실제로 수주의 선단이 밸브에 도달하는 순간은 수류의 선단에서 공기를 모아 기포를 품은 모양으로 되므로 이들은 명확한 구분의 경계가 이루어지는 것은 아니고, 이로 인해 저항의 변화도, 어느 정도의 시간은 걸리게 된다고 보아야 한다.