[논문]취수펌프에서의 캐비테이션 분석에 관한 연구

김용열; 차인호; 이제균; 권기범; 이종익; 김한일

취수펌프에서의 캐비테이션 분석에 관한 연구
A Study on the Analysis of Cavitation in Intake Pump 원문보기

김용열 (한국수자원공사 팔당권관리단) , 차인호 (한국수자원공사 팔당권관리단) , 이제균 (한국수자원공사 팔당권관리단) , 권기범 (한국수자원공사 팔당권관리단) , 이종익 (한국수자원공사 팔당권관리단) , 김한일 (한국수자원공사 안동권관리단)

Intake pump for waterworks is badly damaged by a small amount of cavitation because of variable water quality and severe operation conditions. In general, the required NPSH for reduced cavitation can be provided by inlet condition, supply air, change pump and inducer. But once the pump has been built and installed there is little that can be done to reduce cavitation damage. In this study, we analysed the cavitation of paldang intake pump and intended to avoid the same phenomena.

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문제 정의

본 연구에서는 팔당취수장 펌프에서 발생하고 있는 캐비테이션의 원인분석을 실시하였으며, 해결방안을 강구하여 향후 같은 현상이 재발하는 것을 방지하고자 하였다.

제안 방법

팔당2취수장 펌프에 에너지절감사업을 실시하면서 펌프임펠러 교체시 케이싱과 불일치로 발생한 캐비테이션의 원인을 분석하였다. 팔당2취수장에서 발생하고 있는 특이 캐비테이션은 급격한 선회류에 의해 발생하는 캐비테이션과 유입각과 날개각의 차를 과대하게 제작했기 때문에 발생한 역류와 필요흡입수두의 급격한 증가에 기인하는 것으로 분석되었다.
펌프에서 가장 효율이 좋은 정격점에서는 회전차날개 입구에서의 유체 입사각과 날개각이 일치하도록 설계한다. 즉 입사각과 날개각의 차인 α가 0°일 때, 날개 입구에서 충돌없이 유입되어 효율 좋게 설계유량을 토출한다[4][3].

성능/효과

5/81m)를 모터 및 케이싱은 기존 것을 그대로 사용하고, 임펠러만 교체하여 유량은 동일하나 전양정이 73m인 펌프로 재탄생하였다. 변경 후 캐비테이션이 발생함에도 불구하고 특이하게 효율 92%의 우수한 성능을 발휘하였다. 그 후 캐비테이션이 심해지면서 캐비테이션 특유의 소음진동, 급격한 효율저하 및 침식이 진행되어 Fig.
첫째 흡입관으로 유입된 물이 선회방지장치와 임펠러사이의 과대한 간격으로 인하여 급격한 선회류가 발생하면서 압력이 저하되었고, 둘째 설계유량을 만족시키기 위하여 임펠러의 유입각도를 작게 제작함으로써 운전유량에서 필요흡입수두가 특이하게 증가하여 펌프 임펠러 부압면의 압력이 더더욱 감소하여 캐비테이션으로 성장하였으며, 셋째 설계유량을 만족시키기 위하여 임펠러 날개각을 과도하게 줄임으로써 저유량 영역에서 운전하는 조건으로 역류에 의한 선회방지장치와의 충돌로 인한 캐비테이션이 발생한 것으로 분석된다. 이는 캐이싱과 임펠러의 제작업체가 다른 상황에서 케이싱의 수리특성을 무시하고 임펠러를 제작한데서 기인한다고 할 수 있다.
문제의 임펠러를 그대로 사용하면서 문제를 해결하려면 케이싱의 구조를 변경하는 방법이 있는데, 케이싱은 구상흑연주철을 주물로 제작하여 변경이 불가능하므로 추가로 구조를 변경하는 것은 어렵고, 펌프를 교체하던가, 임펠러를 케이싱에 맞는 제품으로 재설계하여 제작하는 것이 타당할 것으로 판단된다. 팔당2취수장 펌프는 이미 내용년수 15년이 지났고 효율도 제작당시보다 10%정도 감소되어 신규로 제작설치하는 것이 타당할 것으로 판단되었다. 취수펌프의 경우에 설치, 운영하는 전체 비용 중에 평균적으로 95%가 운전 전력요금이고 펌프가 차지하는 설비비는4%에 불과하므로 투자비 회수가간을 감안하여 조속히 교체를 하는 것이 전력요금 절감에 유리하다.
팔당2취수장 펌프에 에너지절감사업을 실시하면서 펌프임펠러 교체시 케이싱과 불일치로 발생한 캐비테이션의 원인을 분석하였다. 팔당2취수장에서 발생하고 있는 특이 캐비테이션은 급격한 선회류에 의해 발생하는 캐비테이션과 유입각과 날개각의 차를 과대하게 제작했기 때문에 발생한 역류와 필요흡입수두의 급격한 증가에 기인하는 것으로 분석되었다. 이와 같은 특이 캐비테이션에 의한 피해를 최소화하는 방법으로는 펌프를 교체하는 방법이 제시되었다.

후속연구

이와 같은 특이 캐비테이션에 의한 피해를 최소화하는 방법으로는 펌프를 교체하는 방법이 제시되었다. 제작설치시 인식할 수 있는 효율분석, 소음 및 진동과 제작설치 후 인식할 수 있는 효율분석 및 펌프 임펠러 손상을 측정하면 이와 같은 특이 캐비테이션에 의해 발생하는 피해에 대처할 수 있을 것으로 본다. 향후과제로는 문제점을 갖고 설치된 펌프에 대하여 교체를 하지 않고 해결하는 방법까지 연구를 계속하여 이러한 문제점으로 괴로움을 격고 있는 운영자의 애로사항을 해결하고자 한다.
제작설치시 인식할 수 있는 효율분석, 소음 및 진동과 제작설치 후 인식할 수 있는 효율분석 및 펌프 임펠러 손상을 측정하면 이와 같은 특이 캐비테이션에 의해 발생하는 피해에 대처할 수 있을 것으로 본다. 향후과제로는 문제점을 갖고 설치된 펌프에 대하여 교체를 하지 않고 해결하는 방법까지 연구를 계속하여 이러한 문제점으로 괴로움을 격고 있는 운영자의 애로사항을 해결하고자 한다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

취수펌프의 캐비테이션 발생을 방지하는 방법은 무엇인가?

상수원수를 공급하는 취수펌프는 다양한 원수수질과 가혹한 가동조건으로 인하여 작은 이상현상에도 큰 피해를 일으킬 수 있다. 심각한 문제를 일으킬 수 있는 이상현상으로 캐비테이션을 들 수 있는데 캐비테이션이 발생하면 펌프의 성능저하, 펌프손상 등의 영향이 있기 때문에 흡입조건 개선, 공기유입, 펌프교체, 인듀서 설치 등을 이용하여 캐비테이션 발생을 방지하고 있다.

취수펌프 시 캐비테이션으로 인하여 생긴 기포로 가장 문제가 되는 곳은 어디인가?

이와 같은 충격 때문에 벽면은 침식(侵蝕)하게 된다. 펌프에 있어서의 캐비테이션은 여러 곳에서 발생하는데, 가장 문제가 되는 곳은 깃입구 부근에 발생하는 것으로 펌프의 성능을 저하시키고, 소음과 진동을 수반하며 임펠러를 손상시키는 것이 일반적이다[1][2][3].

상수원수를 공급하는 취수펌프의 이상현상으로 무엇이 있는가?

상수원수를 공급하는 취수펌프는 다양한 원수수질과 가혹한 가동조건으로 인하여 작은 이상현상에도 큰 피해를 일으킬 수 있다. 심각한 문제를 일으킬 수 있는 이상현상으로 캐비테이션을 들 수 있는데 캐비테이션이 발생하면 펌프의 성능저하, 펌프손상 등의 영향이 있기 때문에 흡입조건 개선, 공기유입, 펌프교체, 인듀서 설치 등을 이용하여 캐비테이션 발생을 방지하고 있다.

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