1. 원심펌프

Centrifugal Pumps

 

펌프의 임펠러로부터 유출하는 유체는 고속이므로 유체가 펌프 토출구에 도달하기까지 이 속도 수두를 감소시켜 동압의 대부분을 정압으로 즉 압력 수두를 증가시키는 변환과정이 요구된다. 이 변환을 임펠러에 접하여 설치한 안내깃(Guide Vane 또는 Diffuser)에 의하여 일으키는 것이 터빈 펌프 또는 디퓨져 펌프이고, 와류실(Volute Casing 또는 Spiral Casing)에서 일으키는 것이 Volute Pump이다 (그림 11-1).

그림 11-1 원심펌프의 단면도

 

펌프에서 발생하는 진동 요인으로는 불평형 축 및 커플링의 Misalignment, 베어링 손상 및 공진 등이었으나 다음에 언급하고자 하는 것은 원심 펌프에서만 발생하는 진동 요인 들이다.

 

1.1 水力學的인 힘 (Hydraulic Forces)

대부분의 원심펌프는 고유의 수력학적인 힘에 기인한 진동을 나타내게 되고 이러한 진동은 일반적으로 임펠러 베인의 수와 축의 rpm의 곱과 같은 주파수에서 발생된다. 이러한 진동은 임펠러 베인이 디퓨져를 지날 때마다 발생하는 펌프 내부에서의 압력 파동으로 인해 발생한다. 만약 임펠러가 펌프 하우징 중심에 위치해 있고 펌프 디퓨져와 정렬이 잘되어 있다면 수력학적인 파동은 평형상태에 있고 고유의 수력학적인 힘으로부터 발생된 진동의 진폭은 최소화 될 것이다. 그러나 문제점은 과도한 수력학적인 힘 때문에 발생하게 된다.

한가지 예로 3,600 rpm 원심 펌프에서 21,600 cpm 주파수에서 비정상적인 높은 진동이 발생하였다. 이 주파수는 수력학적 힘에 의한 것으로 나타내는 임펠러 베인수(6개)에 회전속도(3,600 rpm)를 곱한 것과 같았다. 수력학적인 힘은 펌프 운전시에 필연적으로 발생하는 것이지만 시스템의 어떤 부품이나 지지물의 특정 주파수에서 공진이 발생하지 않는 한 과도한 진동을 일으키지 않는다. 이러한 경우에 공진 측정을 위한 시험을 행하지만 21,600 cpm의 진동 주파수와 상응하는 고유진동수는 구할 수 없다. 이 펌프를 분해 점검한 결과 임펠러와 2개의 디퓨져간의 반경 반향 간극이 약 10 ㎜ 서로 차이가 발생하였는데 이것이 수력학적 힘의 불평형을 일으킨 것이다. 반경반향 간극과 디퓨져 형태를 같게 가공한 결과 진동이 크게 감소하였다.

그러나 경험상으로 볼 때 펌프의 높은 진동은 펌프의 회전요소가 밀집되어 있는 정적 디퓨져와 Cutwater 부품들에서 때때로 발생하게 된다. 경험상으로 베인 끝과 Cutwater간의 간극은 임펠러 직경의 6% 이하이어야만 한다.

그림 11-2의 분석자료는 4700 rpm으로 운전되는 보일러 급수펌프에서 얻은 자료이며 28,000 cpm(6×RPM)에서 진동이 크게 나타남을 알 수 있다. 이는 첫단 임펠러의 베인의 수와 직접 관계되며 수력학적 힘이 진동의 원인이 됨을 나타내고 있다. 이러한 진동은 갑작스럽게 증가하기 때문에 펌프를 정지시키고 분해하여 점검해야 한다. 점검결과 첫단의 부품이 축에 눌어붙어 있었으며 부품을 교체하여 6×RPM의 주파수에서의 진동을 제거하였다.

그림 11-3의 진동 분석 자료는 그림 11-2에서와 같이 또 다른 보일러 급수 원심펌프로부터 취한 것이다. 이 경우에 진동은 35,000 cpm(펌프의 7×RPM)에서 크게 나타났으며 두 번째, 세 번째, 네 번째 펌프 단의 임펠러 베인의 수를 곱한 것과 같다. 점검을 위해 펌프를 정지시켜야만 했고 점검결과 두 번째 단 디퓨져를 Channel Ring으로 밀봉하는 네곳의 용접부 중에서 바깥 세부분이 파손된 것이 발견되었다. 이것은 디퓨져가 임펠러에 대해 상대적으로 이동하여 수력학적 힘의 증가를 가져온 것이다. 만일 펌프를 계속 운전한다면 네곳의 용접이 파괴되어 과도한 충격을 가하여 어떤 결과를 가져왔을지 모른다.

그림 11-2 Wear Ring이 축을 구속하면 임펠러 첫번째 단의 6개 베인에 해당하는 6×RPM의 진동이 발생한다.

 

그림 11-3 두번째 단의 디퓨져 이완은 임펠러 2, 3, 4단의 7개 베인에 상응하는 7×RPM에서 진동을 일으켰다.

 

1.2 空洞現象 (Cavitation)

물뿐만 아니라 일반 유체는 압력을 점차로 증가시켜도 밀도만 약간 증가할 뿐 그 외는 별로 변하는 것이 없다. 이에 반하여 압력을 점차로 감소시켜 어느 일정한 압력까지 내려가면 유체가 기화하기 시작한다. 이때의 압력을 유체의 포화증기압 이라고 하며 이 경우 유체와 기체의 혼합체가 된다. 이와 같이 물이 관내를 유동하고 있을 때 유체의 어느 부분의 정압력이 그때의 유체온도에 상응하는 포화증기압 이하가 되면 부분적으로 증기가 발생하여 공동이 생기는 현상을 케비테이션이라 한다.

공동 현상은 펌프가 설계 용량보다 낮거나 흡입 압력이 낮을 때 발생한다. 또 펌프가 완전히 충수되지 않은 상태일 때 빈 공간을 채우기 위하여 펌프내로 유입되는 유체는 빨려 들어가게 된다. 이로 인하여 상당히 불안정한 거의 진동상태인 공동이 생기며, 고압부로 기포가 이동함에 따라 순식간에 붕괴된다. 이때 심한 충격 작용을 일으키고 충격 압력도 대단히 높다. 고압이 생길 때 기포는 서로 또는 고체 벽에 충돌하여 굉음을 발하고 에너지 손실을 초래한다. 따라서 고체 벽이 가장 심하게 부식되는 곳은 공동이 형성되는 곳이 아니고 붕괴가 발생하는 장소이다.

공동현상은 펌프내의 부품을 파괴시킬 수도 있으며 공동현상이 발생한 펌프는 종종 침식과 유사한 금속 손실을 나타낸다. 가벼운 공동 현상이 있는 펌프라도 운전 효율을 점차로 감소케 한다. 점검을 위해 펌프를 분해했을 때 허브는 펌프 임펠러에 모두 남아있었지만 임펠러 베인은 공동현상에 의해 완전히 침식되었다.

공동현상은 종종 소음을 동반한다. 약한 공동현상은 펌프에 모래가 끼인 듯한 소리를 발생하며 좀더 심한 경우에는 펌프 속에 자갈이 지나 다니는 듯한 소리를 발생시킨다.

밸브나 펌프 또는 관경이 갑자기 변하는 부분에서 유압이 떨어지는 곳에서는 유체중의 가스가 용해되어 지거나 유체가 비등할 수 있다. 이러한 상태도 공동현상이며 불규칙한 진동 진폭과 주파수를 갖는다.

충격에 의한 붕괴로 펌프 하우징, 임펠러 및 관련 펌프 부품들의 국부적인 고유진동수를 가진 시킨다. 이런 붕괴는 펌프나 배관내의 여러 위치에서 임의의 간격으로 발생하기 때문에 이로 인한 진동의 진폭 및 주파수도 불규칙하다. 따라서 펌프 공동현상에 의해 발생된 진동은 넓은 주파수 범위를 가지며 각각의 진폭과 주파수는 지속적으로 변하게 된다. 그림 11-4의 분석 자료는 공동현상에 의한 진동의 전형적인 형태를 나타낸다. 3,600과 7,200 cpm에서의 분명한 Spike는 불평형과 축정렬 불량의 가능성이 있는 1×RPM, 2×RPM에서의 정상 상태의 진동을 나타내지만 30,000 cpm과 100,000 cpm 사이에서 발생한 진동은 정상 상태의 진폭과 주파수 특성을 가지지 않고 불규칙하다.

그림 11-4 일반적으로 공동현상, 재순환 그리고 난류 유동은 불규칙적인 소음과 진동을 발생시킨다.

 

1.3 再循環 (Recirculation)

재순환은 공동 현상과 유사한 형태로 나타나며, 대개의 경우 임펠러 직경과 출구측 직경의 비가 클 경우 발생한다. 이러한 펌프는 일반적으로 최고 효율점에서 많이 벗어나서 운전될 수 없는 높은 비흡입 속도를 갖는 펌프이다. 재순환은 역유동 현상이고 펌프내에서 국부적인 가열이나 증발 현상을 일으킬 수 있다. 이러한 펌프에서 역유동은 공동 현상과 유사한 불규칙 진동을 유발시킨다. 비록 재순환의 진동현상이 공동 현상의 진동과 유사하게 나타난다 할지라도 재순환은 공동현상과 같이 펌프 부품의 마멸이나 부식을 발생시키지는 않는다. 그러나 재순환으로 발생된 진동은 씰, 베어링, 임펠러 베인 그리고 관련 펌프 부품에 기계적인 손상을 준다.

 

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