펌프의 이상현상

 

비전엔지니어링

고영현 대표

 

펌프 이상현상의 종류

 

(1)  공동현상(Cavitation)

펌프의 흡입양정이 높거나 유속의 급변 또는 와류의 발생 등에 의해 유체압력이 국부적으로, 그때 온도에서의 포화증기압 이하로 내려가 기포가 생성되는 현상을 Cavitation 이라고 한다. 펌프에서는 회전차 입구부분에서 발생하는 경향이 크고 생성된 기포가 액체의 흐름에 따라 이동하여 고압부에서 급격히 붕괴하게 되는데 이때 펌프성능은 저하되고 진동소음이 발생하며, 심하면 양수불능이 된다.

 

(2)  수격작용(water hammer)

펌프를 운전 하던 중 정전 등으로 펌프가 급히 정지하는 경우 관내의 물이 역류하여 역지변(Check Valve)이 급히 닫힘으로 인해서 배관내의 운동에너지가 압력에너지로 변하여 고압이 발생하고 이상음과 진동을 수반하는 현상이 발생하는데 이를 수격작용이라 한다.

 

(3)  맥동현상(surging)

펌프운전 중에 압력계의 눈금이 주기적으로 크게 흔들림과 동시에 토출량도 주기적으로 변동하고 또한 주기적인 진동과 소음이 발생하는 현상을 맥동현상이라고 한다.

 

(4)  펌프과열(over-heating)

펌프 운전시의 구동동력은 효율이 100%가 아닌 이상 일부는 손실되는데 이 손실은 대부분 열에너지로 변환되어 크든 작던간에 유체를 가열하게 된다. 특히 유량이 0 인 체절점에서 소비되는 동력은 대부분 열로 되어 유체와 펌프의 온도를 상승시킨다.

 

(5)  Vortex plate

Vortex 란 와류 (渦流) 를 의미한다. 즉 소용돌이(맴돌이) 치는 유체의 흐름을 Vortex 라고 하는데 유체기계에서 Vortex 는 주로 펌프의 임펠라 부분에서 발생한다. 펌프에서 이러한 맴돌이 형으로 된 펌프의 임펠러 주변공간을 Vortex Chamber 라고 하고 또한 원심펌프 등에서 와류를 받는 면을 Vortex plate 라고 한다.

 

 공동현상( Cavitation)

 

(1)  원인 및 현상

유체가 물인 경우 100℃ 가 되면 끓지만 이것은 1기압 압력에서의 현상이고 압력이 저하하면 비등점은 100℃이하로 되며, 압력이 더욱 저하하면 상온에서도 끓는 현상이 일어난다. 이것은 액체에는 그 온도에 대응하는 포화증기압이 존재하며 액체의 압력이 그 온도에서의 포화증기압 이하로 내려가면 액체의 내부에서 증발하여 기포가 생기는 것이다. 펌프에서도 흡입양정이 높거나, 유속의 급변 또는 와류의 발생, 유로에서의 장해 등에 의해 압력이 국부적으로 포화증기압 이하로 내려가 기포가 생성되는 현상이 일어날 수 있는데, 이 현상을 캐비테이션이라고 한다. 펌프에서는 회전차 입구부분에서 발생하는 경향이 크고, 생성된 기포가 흐름에 따라 이동하여 고압부에 이르러 급격히 붕괴하는 현상이 되풀이 됨에 따라 펌프의 성능은 저하되고, 진동, 소음을 수반하며 불안정한 상태를 나타냄과 동시에, 나중에는 양수량 감소 또는 양수 불능이 된다. 캐비테이션이 오랜 시간동안 계속되면 기포가 터질 때 생기는 충격의 되풀이에 의해 재료의 손상이 발생된다. 따라서 흡입조건을 결정할 때는 캐비테이션의 발생이 방지되도록 유의해야 한다.

 

(2)  Cavitation의 발생조건

흡입수면이 펌프보다 아래에 위치한 경우, 흡입관구에서의 Strainer, Foot valve 등의 저항과 위치수두의 증가 때문에 압력강하가 생겨서 흡입관 내의 압력은 대기압보다 낮아지게 된다. 압력은 흡입관을 따라 위로 올라감에 따라 점점 더 낮아지면서 펌프 케이싱에 도달하고 회전차에 들어간다. 회전차에서는 깃의 표면과 이면에서의 압력이 서로 다르다. 최저압력의 위치는 회전 깃의 이면에 존재하고 그 다음에는 회전차에 의해서 압력에너지가 주어지므로 회전차 표면에서는 압력이 상승한다. 따라서 캐비테이션은 깃의 이면에서 발생하는 최저 압력점이 문제가 된다. 다음표는 물의 온도에 따른 포화증기압의 변화를 보인 것이다.

 

(3)흡입수두(NPSH) 와 Cavitation과의 관계

Cavitation은 액체의 압력이 포화증기압 이하로 되면 생기는 것이므로 Cavitation의 발생을 막는데는 펌프내에서 포화증기압 이하의 부분이 생기지 않도록 하면 된다. 이를 위해 서는 펌프의 유입조건에 따라 정해지는 유효흡입수두(AvNPSH)와 주로 유속에 의해서 결정되어지는 필요 흡입수두 (Re NPSH)의 관계를 고려해야 한다.

 

(4) 캐비테이션의 발생원인과 방지대책

 

발생원인	방지대책
① 펌프의 흡입측 수두가 큰 경우 ② 펌프의 마찰손실이 클 경우 ③ 펌프의 흡입관경이 너무 작은 경우 ④ 이송하는 유체가 고온일 경우 ⑤ 펌프 흡입압이 증기압보다 낮은 경우 ⑥ 임펠러 속도가 지나치게 큰 경우	① 펌프의 설치위치를 가능한 한 낮게한다. ② 흡입관의 유체저항을 작게한다. (길이는 짧게, 휨은 적          게, 관경은 크게 한다) ③ 임펠러의 회전속도를 작게한다. ④ 지나치게 고양정 펌프의 사용을 지양한다. ⑤ 설계 토출량 보다 현저하게 벗어난 운전을 피한다. ⑥ 단흡입 보다는 양흡입 펌프를 사용한다. ⑦ Av NPSH > 1.3´ Re NPSH 가 되도록 한다. ⑧ 흡입수조 내에서 지나친 와류가 생기지 않도록 한다. ⑨ 펌프의 흡입측에는 유량조절 밸브를 달아서는 안된다. ⑩ 흡상이 불가능한 경우는 흡수면보다 펌프를 낮게 설치하거나 Booster Pump를 설치 하여 흡입조건을 개선한다.

 수격작용(Water hammer)

(1)펌프계에서 발생하는 수격작용

수격작용을 한마디로 정의하면 관로 내에서 유체속도의 급격한 변화에 따라 유체의 운동에너지가 압력에너지로 변환되어 유체의 압력이 급상승 또는 급강하하는 현상을 말한다.

 

펌프계에서 발생하는 수격작용을 보면 송수관에 있어서 어떤 원인에 의해 관내 유속이 급격하게 변화하면 관내압력이 과도적으로 크게 변동된다. 펌프 송수관계에서는 펌프의 기동, 정지 및 속도제어시와 밸브개폐시에 발생하는데, 일반적으로 수격작용이 문제가 되는 것은 정전 등에 의한 펌프구동력의 차단에 따라 펌프가 급정지하는 경우가 대부분이다. 수격작용에 의해 생기는 압력상승과 강하의 크기는 ⓐ 관내유속의 시간적 변화 ⓑ 관로의 길이와 상태 ⓒ 펌프원동기의 종류 등에 따라 다르다.

 

 

단계	주요내용
제1단계 : 펌프영역	ⓐ 운전중의 펌프가 그 구동력을 잃어도 회전체의 관성에 의해 회전은 지속되지만, 회전을 지속시키는 힘은 물을 이송하는데 필요한 에너지에 비해 작고, 보유하고 있는 에너지는 시간의 경과함에 따라 소비되어 회전수는 급격하게 저하한다. ⓑ 한편 송수관내의 물은 관성에 의해 송수상태를 지속하기 때문에 펌프토출구 부근의 압력은 급격하게 강하한다. 펌프의 회전수가 더욱 감소하면 펌프는 정회전 함에도 불구하고 토출측 압력에 대해 송수불능이 되어 물의 흐름은 일단 정지한다. ⓒ 이때 생기는 관내의 압력강하는 주로 펌프와 원동기의 회전관성 및 유속, 관의 길이 등의 영향을 받는데, 심한 경우에는 유체의 일부가 포화증기압 이하로 되어 관내에서 국부적으로 증발되어 수주분리 현상이 발생하기도 한다.
제2단계 : 펌프 제동영역	일단 정지한 물은 다음 순간부터 역류를 시작하는데, 정회전 하고 있는 회전차가 역류하는 물의 제동작용에 의해 회전수가 감소하여 결국에는 정지한다.
제3단계 : 수차영역	① 정지한 다음 순간부터 펌프는 역류하는 물에 의해 수차로 되어 역전을 시작하고 점점 가속되어 결국에는 무부하의 수차로서 일정한 무구속 속도의 상태로 된다. ② 펌프에 역지변이 있는 경우     역지변이 있으므로 앞의 제2단계에서 물이 역류를 시작하면 역지변이 닫혀 역류는 일어나지 않는다. 그러나 역류하는 물에 의한 강한 압력파가 발생하여 압력은 상승한다. 만약 역지변의 폐쇄가 늦어져 유체의 역류량이 많아진 상태에서 역지변을 급폐쇄 하면 압력상승은 더욱 커지게 된다. 역지변 폐쇄후는 일단 상승된 압력이 일정한 주기로 상승강하를 반복하면서 점점 감쇄해 간다.

 

(2)  수격작용에 의한 피해

① 압력상승에 의해 펌프, 밸브, 플랜지, 관로 등 여러 가지가 파손된다.

② 압력강하에 의해 관로가 압괴하거나 수주분리가 생겨 재결합시에 발생하는 격심한 충격에 의해 관로가 파손된다.

③ 진동, 소음이 발생한다.

④ 주기적인 압력변동 때문에 자동 제어계의 압력제어 기기들이 난조를 일으킨다.

 

 

(3)  수격작용에 방지대책

수격작용 방지대책은 부압에 대한 대책과 상승압에 대한 대책의 두 가지로 나누어 생각해야 한다.

 

부압에 대한 대책	상승압에 대한 대책
ⓐ Fly wheel 을 설치한다. ⓑ 펌프토출측에 Air chamber를 설치한다. ⓒ 관경을 크게 한다. ⓓ 공기변을 설치한다. ⓔ 조압수조(Surge tank)를 설치한다. ⓕ 원동기가 디젤기관인 경우는 고장발생과 동시에 자동적으로 속도를 제어하면서 정지하도록 한다.	ⓐ Dash port를 사용한다. ⓑ 액압 조작 By-pass 밸브를 사용한다. ⓒ 스모렌스키 체크밸브 또는 Spring loaded check valve를 사용한다. ⓓ 급폐쇄식 체크밸브를 사용하여 폐쇄지연에 의한 부가적인 압력상승을 방지한다. ⓔ 토출측에 역지변을 생략하고 Sluice밸브 등을 달아서 서서히 폐쇄한다. ⓕ 안전변을 사용한다. ⓖ 자동 방류변을 사용하여 펌프동력 차단과 동시에 토출측에서 외부로 방류한다. ⓗ 역지변, Foot valve를 모두 생략하여 관로의 물을 전부 역류시켜 버린다.

 

 맥동현상(Surging)

 

(1)  현상

펌프 운전 중에 압력계기의 눈금이 어떤 주기를 가지고 큰 진폭으로 흔들림과 동시에 토출량도 어떤 범위에서 주기적인 변동이 발생되고, 흡입 및 토출 배관의 주기적인 진동과 소음을 수반하는 것을 Surging현상이라고 한다.

 

(2)  Surging현상의 원인

① 펌프의 양정곡선이 산형특성이고 사용범위가 그림의 A~P 사이 일때, 즉 Dh/Dq >0  일 때

② 토출배관이 길고 배관도중에 수조나 기체상태의 부분이 있을때

 

 

펌프과열

 

(1)  펌프가 과열되는 이유

펌프운전시의 구동동력은 유체에 가해지는 유효동력과 기계적인 손실등에 소비되는 것 이외에 유체를 가열 시키는데도 소비된다. 펌프의 토출량이 0 또는 극소의 상태에서 운전하면 펌프효율은 현저히 저하되고, 원동기로부터 입력되는 동력의 대부분은 열로 되어 유체와 펌프 자신의 온도를 상승시킨다.  그림에서 보는 바와 같이 유량이 감소해서 극소유량이 되면 온도상승 ㅿt는 급격히 증대됨을 볼 수 있다. 펌프가 고속고압으로 될수록 Dt 의 값은 더욱 커진다. 펌프가 과열되면 열변형이 발생될 뿐만 아니라 증기를 발생시켜 캐비테이션이나 내부 습동 부분이 타서 고착되는 원인이 되므로 고온수를 취급하거나, 동력이 크고 토출량 이 작은 보일러 급수용 펌프 등에서는 특별히 주의해야 한다.

 

 

(2)  펌프과열에 대한 대책

① 상시 By pass 장치

이는 일반적으로 토출압력 50kg/㎠ 이하의 펌프에 사용된다. 상시 By pass 장치는 수온상승의 염려가 없는 경우에도 항상 소량의 물을 By pass시키므로 펌프효율이 저하하고, 또한 펌프용량은 필요한 유량에 바이패스 되는 양을 가산해서 선정해야 한다. 

 

②  Relief valve 사용

일반으로 토출 압력이 140kg/㎠ 까지 사용된다. 이 장치는 펌프의 정상운전 중에는 릴리프 라인이 폐쇄되어 있다가 토출량이 감소하여 허용토출량 이하로 되어 압력이 상승하면 릴리프 밸브가 열려서 물을 순환시키는 것이다.

 

③ 유량을 검출하여 전자 밸브를 작동시키는 방법

이는 펌프토출량이 감소하여 설정치 이하로 되면 유량계의 신호에 의해서 전자 밸브가 열려 물을 바이패스관으로 방류하는 것이다. 역으로 토출량이 많아지면 전자밸브는 자동으로 닫히게 된다.

 

 

- 본 칼럼은 국가화재안전저널 제 7호에 기고된 글입니다.