® 자료제공 : 효성EBARA주식회사

< 목 차 >

제1장 펌프의 기초지식과 응용

2. 캐비테이션

2. 1 펌프의 캐비테이션

2. 2 흡입수두(NPSH)

2. 3 캐비테이션이 발생하지 않는 조건

2. 4 탄화수소 화합물의 흡입수두 보정

2. 5 흡입조건 개선을 위한 대책

1989년 설립된 효성에바라(주)는 농업관개용, 도시 상․하수도용, 대형 플랜트의 공업용, 제지․화학플랜트 및 발전소용에 이르기까지 용도에 따라 다양한 펌프를 생산, 공급함으로써 국내 최고의 시장 점유율을 차지하였던 효성중공업(주)(현, (주)효성)과 세계 펌프시장에서의 시장점유율 1위를 지키고 있는 일본의 (株)荏原(EBARA)製作所 그리고 원자력․화력․발전소용 특수펌프 제조 전문업체인 미국의 BW/IP International(현, Flowserve Corporation) 3개사가 펌프사업 부문에서 최고의 경쟁력을 갖추기 위해, 자본 합작과 기술제휴를 통해 설립된 회사이다.

이러한 우수한 기술력의 효성에바라(주)로부터 자료를 제공받아, 펌프란 무엇인가? 펌프의 기초부터 펌프의 원리, 펌프의 기술, 펌프의 응용분야까지 펌프의 `A to Z`를 상세하게 소개하여 펌프를 공부하는 학생이나 이 업계의 종사자, 이 업계에 입문하려는 이들에게 펌프에 대한 이해를 높이고자 한다.

<편집자 주>

b) 계산에 의한 방법(설비 계획단계에서 NPSHre을 대략 추정해 볼 수 있는 방법임)

가) 흡입비속도

NPSHre(Hsv)는 회전차 입구에서의 감압량을 의미하며, 일종의 부의 양정으로 고려되는 값으로 Hsv와 Q, n과의 사이에는 다음 식의 관계가 성립한다.

＊흡입비속도 S=Q½/Hsv¾×n

단, Q는 최고 효율점의 토출량이며 양흡입 펌프인 경우에는 ½을 잡는다. Q를 m³/min, Hsv를 m, n을 rpm으로 나타냈을 때 일반설계를 한 펌프에서는 S의 값은 Ns에 무관하게 대략 1200~1300으로 채용함이 바람직하다. S=1300인 경우의 n과 Q에서 NPSHre를 구하는 선도를 <그림 21>에 나타내었다.

특수설계시, 즉 S=1300 이외의 경우의 NPSHre는 <그림 22>상의 계수를 곱하여 다음과 같이 구할 수 있다.

＊ NPSHre′=β×NPSHre

여기서 NPSHre′ : 구하고자 하는 필요 유효흡입 수두

NPSHre : 흡입비속도 S=1300의 경우의 유효흡입 수두

β : 필요 유효흡입 수두 환산계수

나) 캐비테이션 계수

NPSHre를 대략 검토하기 위한 또 하나의 방법은 다음에 표시하는 캐비테이션 계수(또는 Thoma 계수)가 있다.

펌프 전양정을 H, 그 점의 필요 흡입수두를 Hsv로 표시하면 Thoma 계수(σ)는 다음과 같이 된다.

＊ σ=Hsv/H=NPSHre/H

여기서 캐비테이션 계수 σ의 값은 실험에 의해 구해지는 값이다.

단, 다단 펌프의 경우에는 첫째단 회전차의 전양정으로 한다. 그러나 σ의 값은 일반적인 설계인 경우에 대하여는 S에 의해 대략 정해지는데 <그림 23>과 같이 된다.

이상은 모두가 펌프의 최고효율점에 대해서 성립되는 관계이다. 사용점이 펌프의 최고 효율점에서 벗어나게되면 유입각과 깃 각도가 달라지는 한편 유량이 큰 쪽에서의 흐름 속도도 빨라져 깃 입구에서의 압력강하는 심해진다.

이 때문에 효율최고점에서 대유량 범위에 걸쳐 사용할 때는 특히 이점에 대해서 검토할 필요가 있다. 유량에 따른 필요 흡입수두의 변화는 설계에 따라 상당히 틀리나 개략 검토하기 위해서는 <그림 24>를 쓰면 된다.

․여기서 Qo : 최고효율점에서의 유량

․여기서 Hsvo : 최고효율점에서의 NPSHre

다) 특수펌프의 NPSHre

앞에서 기술한 NPSHre는 일반적인 청수용 펌프 등에 이용되는 실험값으로 Non-Clog형 또는 자흡식 등의 특수펌프에서는 더욱 큰 NPSHre가 요구됨에 유의하여야 한다. 그러므로 상기의 내용은 계획시의 일반적인 검토에 사용되어야 하고, 상세검토시는 제작자와 협의하여 검토되어야 한다.

3) 유효 흡입수두에 영향을 주는 요소

유효 흡입수두는 앞에서 설명한 바와 같이, 대기압(수면에 작용하는 압력), 포화증기압, 흡입양정에 따라 정해지나 이 값들은 여러가지 영향을 받아 다양하게 변하므로 주의하여야 한다.

a) 양액의 온도

수온에 따라 액체의 포화증기압이 변하므로 유효 흡입수두는 변한다. 특히 고온인 경우에는 이것이 대단히 높아지므로 주의하여야 한다. 대표적인 액체의 온도와 액체의 포화증기압의 관계는 <그림 25>에 표시한 바와 같다.

b) 액질

취급액에 따라 <그림 25>에 나타낸 바와 같이 포화증기압이 변하므로 특수액을 취급하는 경우는 이 값에 따라 유효 흡입수두를 정한다.

c) 흡수면에 작용하는 압력

이것은 유효 흡입수두에 직접 영향을 준다. 흡수면이 밀폐 탱크내에 있을때는 대기압 대신에 탱크내의 수면에 작용하는 압력을 쓴다.

또한 대기압 및 포화온도는 펌프가 설치되어 있는 고도에 따라서 변하게 되므로 유의하여야 한다. <그림 26>은 고도와 표준 대기압 및 물의 포화온도와의 관계를 표시한다.

2. 3 캐비테이션이 발생하지 않는 조건

- 캐비테이션의 발생없이 펌프를 안전하게 운전하기 위하여는 펌프 입구 직전에서의 전압력을 액체의 포화증기압 보다도 [NPSHre×(1+α)]에 상당하는 압력 이상으로 높일 필요가 있으므로, 운전범위 내에서 항상 [NPSHav>NPSHre(1+α)]의 관계를 유지하여야만 한다. 일반적으로 α의 값으로 α≥0.3(단, NPSHre×0.3≥0.5m)를 채용하는 것이 바람직하다.

- 예를 들면 볼류트 펌프 성능곡선에서 일반적으로 토출량의 증가와 함께 펌프의 NPSHre도 증가하나 역으로 System에서 결정되는 NPSHav은 감소한다. 그러므로 <그림 27>에 나타낸 바와 같이 두개의 NPSH 곡선이 A점에서 교차하게 되고, 교점 A에서 좌측이 사용 가능한 범위이고, 우측이 캐비테이션 발생 때문에 성능은 점선과 같이 저하하여 사용 불가능하게 되는 범위이다.

주) 펌프에 따라서는 부분유량 범위에서 NPSHre가 증가하는 경우도 있다.

2. 4 탄화수소 화합물의 흡입수두 보정

탄화수소 화합물을 취급하는 경우, 펌프의 NPSHre의 값은 청수(냉수)를 대상으로 한 경우의 값보다 작게 되므로 이를 보정하여야 한다. 참고로 HIS(Hydraulic Institute Standards 1975년판)의 NPSHre의 보정량을 <그림 28>에 나타내었다. 단, 운용상 이 NPSHre의 보정량은 청수(냉수)인 경우의 NPSHre의 1/2 이내로 한정하는 것으로 HIS에 기록되어 있음에 유의해야 한다. 이해를 돕기 위하여 다음의 두가지 예를 들어 보정을 실시해 보기로 하자.

1) 적용예 1

a) 청수를 대상으로 한 경우 펌프의 NPSHre 값을 임의로 5m로 잡는다.

b) 펌프가 온도 -10℃의 Propane을 양액으로 운전되고 있다면 이 경우의 양액의 증기압은 3.5Kgf/cm² abs(점 A)가 된다.

c) 온도 -10℃와 Propane의 파선과의 교점 A에서 NPSHre의 보정량 B는 1.7m가 된다.

d) 그러므로 수정후의 NPSHre는 청수인 경우의 NPSHre에서 -10℃의 Propane의 NPSHre 보정량을 공제하여 수정한 NPSHre는 5-1.7=3.3m로 한다.

2) 적용예 2

b) 온도 12.8℃와 Propane의 파선과의 교점 C에서 NPSHre 보정량 D는 2.9m가 되고, 이 보정량(2.9m)은 앞에 기술한 청수인 경우의 NPSHre(5m)의 1/2보다 크므로 보정량의 한계를 2.5m로 한정하여야 한다.

c) 그러므로 수정후의 NPSHre는 청수인 경우의 NPSHre에서 보정량의 한계인 2.5m를 공제하여 NPSHre는 5-2.5=2.5m가 된다.

2. 5 흡입조건 개선을 위한 대책

펌프의 설비계획 및 사용시 캐비테이션을 방지하기 위해서는 다음과 같은 것을 고려할 필요가 있다.

1) 펌프의 설치위치를 가능한 한 낮게 하고, 흡입손실수두를 최소로 하기 위하여 흡입관을 가능한 한 짧게 하고, 관내 유속을 작게하여 가능한 한 NPSHav를 충분히 크게 한다.

2) NPSHav≥1.3×NPSHre가 되도록 한다.

3) 횡축 또는 사축인 펌프에서 회전차 입구의 직경이 큰 경우에는 캐비테이션의 발생 위치와 NPSH 계산상의 기준면과의 차이를 보정하여야 하므로 NPSHav에서(근사적으로) 흡입배관 직경의 1/2을 공제한 값으로 계산한다.

4) 흡입수조의 형상과 치수는 흐름에 과도한 편류 또는 와류가 생기지 않도록 계획하여야 한다.

5) 편흡입 펌프로 NPSHre가 만족되지 않는 경우에는 양흡입 펌프로 하는 경우도 있다.

6) 대용량펌프 또는 흡상이 불가능한 펌프는 흡수면보다 펌프를 낮게 설치하거나, 입축펌프로 선택하여 회전차의 위치를 낮게 하고, 부스터펌프를 이용하여 흡입조건을 개선한다.

7) 펌프의 흡입측 밸브에서는 절대로 유량조절을 해서는 안된다.

8) 펌프의 전양정에 과대한 여유를 주면 사용상태에서는 시방 양정보다 낮은 과대 토출량의 범위에서 운전되게 되어 캐비테이션 성능이 나쁜 점에서 운전되게 되므로 전양정의 결정에 있어서는 실제에 적합하도록 계획한다.

9) 계획 토출량 보다 현저하게 벗어나는 범위에서의 운전은 피해야 한다. 양정 변화가 큰 경우에는 저양정 영역에서의 NPSHre가 크게 되므로 캐비테이션에 주의하여야 한다.

10) 외적 조건으로 보아 도저히 캐비테이션을 피할 수 없을 때에는 임펠러의 재질을 캐비테이션 괴식에 대하여 강한 재질을 택한다.

11) 이미 캐비테이션이 생긴 펌프에 대해서는 소량의 공기를 흡입측에 넣어서 소음과 진동을 적게 할 수도 있다.