펌프의 이상현상

1. 공동현상 (Cavitation)

가. 공동현상이란 ?

  ▣ 물 속에 공기 기포가 발생하는 것을 공동현상 (cavitation)이라고 하는데 물 속에 기포가 발생하는 원인은 2가지가 있다.

       하나는 물을 온도를 높여 끓이거나 두번째는 물의 압력을 포화증기압 이하는 낮추는 방법이 있다. 이 중에서 물의 압력

       을 낮아지면서 물 속에 기포가 발생하는 것을 공동현상이라 한다.

 

 

  ※ 소방에서는

    ① 배관내의 물의 정압이 포화증기압 보다 낮아지면 기포가 발생하는 현상

    ② 유효흡입수두 (NPSHav) < 필요흡입수두 (NPSHre)

  ※ 유효흡입수두 = 대기압 - 포화증기압 수두 - 배관손실수두 ± 낙차 수두

                         H = Ho - Hv - Hf ± Hh

나. 발생원인

  ① 펌프보다 수원이 낮아 흡입수두가 클 때

  ② 펌프의 임펠러 회전수가 클 때

    ※ 회전수가 빨라지면 기포가 많이 발생한다. 유속이 빨라지면 압력이 낮아져 기포발생

  ③ 펌프의 흡입관경이 작을 때

  ④ 흡입배관의 유속이 빠를 때

  ⑤ 흡입측 배관의 마찰손실이 클 때

  ⑥ 수온이 높을 때

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다. 방지대책

  ① 펌프의 설치 위치를 가급적 낮게 한다.

  ② 회전차를 수중에 완전히 잠기게 한다.

  ③ 흡입관경을 크게 한다.

  ④ 펌프의 회전수를 낮춘다.

  ⑤ 2대 이상의 펌프를 사용한다.

  ⑥ 양 흡입 펌프를 사용한다. (양 쪽에 펌프를 설치하여 물을 흡입한다)

  ⑦ 배관을 공동현상(케비테이션)에 강한 재질을 선택한다.

  ⑧ 흡입관의 깊이를 가능한 작게 한다.

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라. 공동현상에 의한 파생되는 현상

  ① 소음과 진동이 발생한다.

  ② 임펠러(회전차), 배관, 배관 부속 등에 응력이 발생해 기계적 손상을 초래한다.

  ③ 토출량과 양정이 감소되며, 전체적으로 펌프의 효율이 감소한다.

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2. 수격현상 (Water hammering)

가. 정의

  ▣ 펌프에서의 수격현상은 갑작스런 속도의 변화에 따른 힘의 차로 펌프와 주변 시스템에 순간적으로 큰 힘이 작용하여

       변형, 손상 또는 파손의 원인이 되는 현상

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나. 발생원인

  ① 펌프를 급격하게 가동시키거나 급격히 정지할 때 (플랜저에서 물의 압력이 커지기 때문에 압력차에 의하여 물이 배관

       을 때리는 현상)

  ② 밸브를 급하게 잠그거나 열 때

  ③ 터빈의 출력 변화가 심할 때

    ※ 위와 같은 상황에서는 물의 유속차가 발생하여 이것이 바로 압축파로 전환되어 충격파가 배관이나 그 부속품을 파손

         시키는 현상이 발생한다.

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다. 방지대책

  ① 유속의 차이가 크지 않게 한다.

  ② 관구경을 크게 하면 유속이 낮아진다.

  ③ 유량을 감소시켜 유속을 감소시킨다.

  ④ 펌프의 송출구 가까이에 밸브를 설치하고 개폐속도를 낮춘다.

  ⑤ 펌프에 플라이 휠을 설치하여 속도가 급격히 변하는 것을 막는다.

  ⑥ 수격 방지기나 에어 챔버를 설치하여 완충작용으로 수격현상을 방지한다.

  ⑦ 조압수조에 의한 완충작용으로 적절한 압력을 유지한다.

  ⑧ 압력 릴리스 밸브, 스몰레스크 체크밸브 등을 설치한다.

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3. 맥동현상 (Surging)

가. 정의

  ▣ 펌프를 운전할 때 송출압력과 송출유량이 주기적으로 변동하여 펌프 입구나 출구에 설치된 진공계나 압력계의 지침이

       심하게 흔들리는 현상

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나. 발생원인

  ① 펌프의 특성곡선이 우상향 곡선일 경우 운전점이 그 정상부에 위치할 때

 

  ② 배관 도중에 수조가 있을 때

  ③ 배관 중에 기체 상태의 부분이 있는 경우

  ④ 유량 조절밸브가 배관 수조의 위치 후단에 있을 경우

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다. 방지대책

  ① 펌프 성능곡선이 우하향 구배를 갖는 특성의 펌프를 사용한다.

  ② 회전차나 안내날개 형성 지수를 바꾸어 펌프의 성능특성을 변화시킨다.

  ③ 바이패스관을 사용하여 운전점이 펌프의 HP곡선이 우하향 구배 특성 범위 내에 있게 한다.

  ④ 배관중간에 수조나 기체 상태인 부분이 존재하지 않도록 배관한다.

  ⑤ 유량조절밸브를 펌프 토출측 직후에 위치한다.

  ⑥ 관로내의 잔류 공기를 제거하고 관로의 단면적, 유속, 저항 등을 바꾼다.

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【 출제 예상 문제 】

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1. 펌프의 공동현상을 방지하기 위한 방법으로 틀린 것은 ? ④

   ① 펌프의 설치위치를 수원보다 낮게 한다.

   ② 펌프의 흡입측을 가압한다.

   ③ 펌프의 흡입관경을 크게 한다.

   ④ 펌프의 회전수를 크게 한다.

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2. 물의 압력파에 의한 수격작용을 방지하기 위한 방법 중 적합하지 않은 것은 ? ①

   ① 관로 내의 관경을 수축시킨다.

   ② 관로내의 유체의 유속을 낮게 한다.

   ③ 수격방지기를 설치한다.

   ④ 펌프의 속도가 급격히 변화하는 것을 방지한다.

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3. 다음의 ㉠, ㉡ 에 알맞은 것은 ?

파이프 속을 유체가 흐를 때 파이프 끝의 밸브를 갑자기 닫으면 유체의 ( ㉠ )가 압력으로 변환되면서 밸브 직전에서 높은 압력이 발생하고 상류로 압축파가 전달되는 ( ㉡ )현상이 발생한다.

   ㉠ 운동에너지    ㉡ 수격작용

 

4. 다음은 펌프에서의 공동현상에 대한 일반적인 설명이다. 다음 항목 중에서 옳바르게 설명한 것을 모두 고르시오.

   ㉠ 액체의 온도가 높아지면 공동현상이 일어나기 쉽다.

   ㉡ 흡입양정을 작게 하는 것은 공동현상 방지에 효과가 있다. (낙차에 의한 손실을 작게 함으로써 공동현상 방지)

   ㉢ 공동현상은 유체 내의 국소압력이 포화증기압 이상일 때 나타난다. (유체의 국소압력이 포화증기압 보다 낮아 질 때

        나타난다)

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5. 수격작용에 대한 설명으로 맞는 것은 ?

  ④ 흐르는 물을 갑자기 정지시킬 때 수압이 급격히 변화하는 현상을 말한다.

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6. 펌프의 흡입양정이 클 때 발생할 수 있는 현상은 ? 공동현상

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7. 펌프를 운전중에 펌프 입구와 출구에 설치된 진공계와 압력계의 지침이 크게 흔들리고 동시에 토출유량이 변하는 현상

     으로 송출압력과 송출유량 사이에 주기적인 변동이 일어 나는 현상은 ? 서징 (맥동) 현상

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8. 온도가 T인 유체가 정압이 P인 상태로 관속을 흐를 때 공동현상이 발생하는 현상으로 가장 적절한 것은 ? 단, 유체 온도

     t에 해당하는 포화증기압을 Ps라고 한다.

  ③ 유체내의 압력 P < Pv (포화 증기압)

    ⊙ 유체내의 압력이 포화증기압 보다 작아질 때

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9. 다음 중 대표적인 펌프의 이상현상에 해당되지 않는 것은 ? ④

  ① 공동현상   ② 수격작용   ③ 맥동 현상   ④ 진공현상

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10. 펌프에서 공동현상이 발생할 때 나타나는 현상이 아닌 것은 ? ③

  ① 소음과 진동 발생                  ② 양정곡선이 저하된다.

  ③ 효율곡선이 증가한다.           ④펌프 깃의 침식 현상

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※ 공동현상이 발생하면 소음과 진동이 발생하고 관의 부식을 촉진한다. 또한 펌프의 성능이 저하된다.

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