® 자료제공 : 효성EBARA주식회사

< 목 차 >

2. 캐비테이션

2.6 캐비테이션 괴식에 강한 재료

3. 서어징(Surging)

서어징 현상 / 발생조건 / 방지법

4. 펌프 기동 토르크(Torque) 특성

토출측 밸브의 전폐(全閉)기동 / 개방 기동 / 기동토르크의 문제점

5. 펌프의 과열현상

5.1 온도 상승의 계산식

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>

2.6 캐비테이션 괴식에 강한 재료

펌프의 내부에 캐비테이션이 생기면 기포가 터지는 근처의 표면에 무수한 구멍이 생겨 나중에는 재료를 훼손시킨다. 이것을 괴식이라 하며, 기포가 터질 때 생기는 충격압에 따른다고 풀이되고 있다. 괴식의 정도는 재질에 따라 다르며 심한 것과 비교적 작은 것이 있다. 따라서 캐비테이션을 피할 수 없는 경우에는 괴식에 강한 재료를 써서 손상을 줄이는 것이 바람직하다. 펌프용 재료로서 특히 내 캐비테이션성을 고려할 필요가 있을 때에는 18-8 스테인레스강, 13Cr 스테인레스강 등이 사용된다.

<그림 29>에 캐비테이션에 따른 각종 금속의 소모감량을 표시한다. 또 <그림 30>은 물의 제트를 재질이 다른 각종의 시험편에 뿜어서 감손량을 조사한 것을 표시한다. 기타 금속재료의 캐비테이션에 대한 내식성 순위는 금속재료의 내식성 순위표를 참조한다.

3. 서어징(Surging)

3.1 서어징 현상

서어징 현상으로는 펌프 운전중에 압력계기의 눈금이 어떤 주기를 가지고 큰 진폭으로 흔들림과 동시에 토출량도 어떤 범위에서 주기적인 변동이 발생되고, 흡입 및 토출 배관의 주기적인 진동과 소음을 수반하게 된다.

3.2 서어징의 발생조건

서어징은 다음의 조건이 동시에 갖추어졌을 때에 한하여 발생한다.

1) 펌프의 H-Q 곡선이 <그림 31>과 같이 오른쪽 위로 향하는 산(山)형 구배특성을 가지고 있다.

2) 펌프의 토출 관로가 길고, 배관 중간에 수조 또는 기체상태의 부분(공기가 모여 있는 부분)이 존재한다(<그림 32> 참조).

3) 기체상태가 존재하는 부분의 하류측 밸브 B에서 토출량을 조절한다.

4) 토출량 Q₁ 이하의 범위에서 운전한다.

즉, 펌프가 산형 구배특성을 가져도 상기의 조건 중에서 어느 하나의 조건이라도 만족되지 않으면 서어징은 발생하지 않는다. 예를 들면 펌프의 직후 밸브 A만으로 유량을 조절하는 경우에는 서어징이 발생하지 않는다.

3.3 서어징의 방지법

1) 펌프의 H-Q 곡선이 오른쪽 하향 구배 특성을 가진 펌프를 채용한다.

2) 유량 조절밸브의 위치를 펌프 토출측 직후에 위치시킨다(밸브 A로 조정한다).

3) 바이패스관을 사용하여 운전점이 펌프의 H-Q 곡선이 오른쪽 하향 구배 특성 범위에 있도록 한다.

4) 배관중에 수조 또는 기체상태인 부분이 존재하지 않도록 배관한다.

4. 펌프 기동 토르크(Torque) 특성

일반적으로 원심펌프의 체절축동력 비는 1보다 작기 때문에 토출측 밸브를 전폐(全閉)한 상태에서 기동한다. 그러나 축류펌프는 체절축동력 비가 1보다 훨씬 크기 때문에 토출측 밸브는 전개(全開) 또는 토출측 밸브를 설치하지 않고 체크밸브나 관끝의 역류방지 밸브만의 자연적인 개방으로 기동시킨다.

4.1 토출측 밸브의 전폐(全閉) 기동

토출측 밸브가 전폐되어 있는 경우, 펌프가 정지상태에서 정규 회전수에 도달할 때까지의 소요동력은 회전수의 약 3승에 비례해서 증가하고, 정격 회전수에 도달되면 펌프의 체절 축동력과 일치한다.

한편, 소요 토르크는 회전수의 약 2승에 비례해서 증가하여 체절점에서 체절 축동력에 대응되는 체절 소요토르크(T₂) C점과 일치한다(<그림 33> 참조).

펌프를 기동하기 위해서는 베어링의 저항이나 패킹의 조임에 따른 정지 마찰 토르크와 회전체의 관성(회전차 내에 포함된 물의 중량도 포함)을 이겨낼 수 있는 토르크가 필요하다.

이 토르크는 회전하기 시작할 때에만 필요하고, 그 값(T₁)은 정격토르크(T₃)의 10~30% 정도이지만 일단 회전하기 시작하면 그림에 나타난 바와 같이 급격히 감소하고, 그 이후는 거의 수력 토르크의 특성에 따라 상승한다. C점 이후의 토르크는 토출측 밸브를 점차적으로 열면 펌프의 축동력곡선에 상당하는 토르크 곡선 C→D로 변화하여 기동할 때의 토르크 변화는 A→B→C→D가 된다.

4.2 토출측 밸브 개방 기동

일반적인 원심펌프에서 만약 토출측 밸브가 전폐된 상태라면 앞에서 설명한 바와 같이 펌프 가속중의 토르크는 <그림 34>의 ABC에 따라 증가하지만, 기동전에 이미 밸브가 열려져 있으면 관로 저항곡선과의 관계에서 부분속도 n′부터 송수가 시작되고, 100% 속도로 되면 정격유량이 흐르기 때문에 소요 토르크도 정격토르크 T₃로 된다.

따라서 기동 토르크 곡선은 회전수 n′에서 굴곡점 D가 생겨 ABDE와 같은 경로를 거치기 때문에 원동기에 걸리는 기동 과도기의 부담이 다르게 된다. <그림 34>에서는 일반적인 원심펌프의 예를 나타내기 위해 밸브 개방 기동을 함으로써 전폐 기동보다도 원동기의 부담이 커지는 것처럼 나타나 있지만, 축류펌프에서는 정격 송수중의 토르크 T₃가 정격속도일 때, 체절부근에서의 소요토르크 T₂보다도 작기 때문에 밸브를 전개한 상태로 기동하는 편이 원동기의 부담을 줄인다. <그림 35>는 축류펌프의 예를 나타낸 것으로 기동시에는 A→B→D→E의 순으로 변화한다.

4.3 기동토르크의 문제점

1) 펌프를 순조롭게 기동시키려면 앞에서 설명한 바와 같이 펌프의 소요토르크보다 상회하는 토르크를 펌프에 가해야 한다. 즉, 충분한 가속토르크를 낼 수 있는 전동기를 써야 하고 부족하면 기동시간이 길어지므로 원동기의 발열이나 파손이 일어나는 등 중대한 문제로 발전한다.

2) 일반적으로 전동기에 직입기동하는 경우의 가속토르크는 충분히 잡지만 Y-△기동이나 감전압(減電壓) 기동 등에서는 시동시에서 운전시로 전환시킬 때 모터 토르크와 펌프 토르크가 비슷해지기 때문에 토르크 전류값을 주의해서 검토하여야 한다.

3) 디젤기관의 기동 토르크 특성은 기관 형식에 따라 다르지만 특히 직결 구동의 경우는 GD²가 큰 펌프 등에서는 기동지체가 될 가능성이 있기 때문에 충분한 검토를 요한다. 자동 원심 클러치, 유체카프링 등을 사용하여 디젤기관이 충분한 토르크를 발휘할 수 있는 속도로 상승시켜서 연결하는 방법이 바람직하다.

4) 펌프의 흡상압이 높은 경우, 축봉장치나 스러스트 베어링 등에 의한 마찰저항이 특히 크게 되므로, 때에 따라서는 원동기 용량을 한단계 큰 것을 사용할 필요가 있다.

5. 펌프의 과열현상

펌프 운전시의 구동 동력은 양액의 유효 일과 기계손실 등에 소비되는 것외에 크든 작든 간에 양액을 가열시키는데도 소비된다.

펌프의 토출량이 0 또는 극소의 상태에서 운전하면 펌프 효율이 현저히 저하되고, 원동기에서 나오는 동력의 대부분은 열로 되어 수온이 상승한다.

<그림 37>에 나타나 있는 바와 같이 토출량이 일정한 값으로 증가하면 온도상승 비율이 급격히 감소함을 알 수 있다. 또한 <그림 36>과 같이 전양정에 비례하여 커짐을 알 수 있다.

그러나 동일한 압력이라 하더라도 회전수가 증가하면 펌프가 작아지게 되어서 온도상승이 커지게 되므로 고속 고압 펌프에서는 온도상승이 문제로 되는 수가 많다.

이런 현상에 의해 심한 열변형이 발생될 뿐만 아니라 증기를 발생시켜 캐비테이션이나 내부 습동 부분이 타서 고착되는 원인이 되므로 고온수를 취급하는, 동력이 크고, 토출량이 작은(예를 들면 보일러 급수용) 펌프에서는 특별히 주의해야 한다.

5.1 온도 상승의 계산식(일본 수력기계공학 편람에 따름)

펌프에서는 취급액이 물인 경우에는 펌프 외부로 누수가 전혀 없는 경우의 온도 상승 △t는 다음 식으로 주어진다.

여기서 ηp : 사용유량 Q에서의 펌프효율

여기서 H : 토출량 Q에서의 전양정(m)

여기서 C : 비열(1Kcal/Kg℃)

여기서 A : 1/427 = 일의 열당량(Kcal/Kg․m)

여기서 △t : 토출량 Q에서의 온도상승(℃)

여기서 통상 △t<10~15℃로 제한한다.

이 온도상승은 펌프의 전양정에 비례하여 크게 되며, 또한 동일 양정의 펌프에서도 고속으로 되는 만큼 펌프는 소형으로 되어 방열면적이 감소하여 조건이 나쁘게 되어서 온도상승이 크게 된다. 더구나 축추력 Balance 장치를 가지는 펌프에서는 Balance 장치에서의 Return수를 급수조로 회수시키는 경우 그 Return수에 의한 방열과 Balance 장치에서의 감압에 의한 온도상승을 고려하면 Return수의 온도상승 △t는 다음 식으로 표시된다.

Q : 사용유량 t/h

Qe : Return유량(Balance 장치에서의 방유량) t/h

△t, ηp, H는 앞에서 서술한 식에서와 동일

여기에서 윗식의 제1항은 펌프 내부에서의 온도 상승, 제2항은 Balance 장치에서의 감압에 의한 온도상승을 나타낸다. 이러한 이유 때문에 Balance 장치에서의 액체의 증발을 막기 위하여는 펌프 흡입구 액온에 △t를 가산하고, 또한 약간의 여유치를 가산한 양액의 온도에 대한 포화증기압 이상의 압력을 Balance 장치의 실내에서 유지될 수 있도록 하여야 한다.