캐비테이션은 원심 펌프 작동 중에 흔히 발생하는 문제로, 펌프 진동 및 소음 증가, 성능 저하, 구성품에 심각한 손상을 초래할 수 있습니다.
이 기사에서는 캐비테이션에 대한 전문적인 이론적 지식을 탐구하지 않고 상대적으로 간단한 언어를 사용하여 원심 펌프의 몇 가지 일반적인 캐비테이션 유형, 캐비테이션의 위험 및 현장에서 캐비테이션을 개선하기 위해 일반적으로 사용되는 조치에 대한 자세한 소개를 제공하려고 시도합니다.
1. 캐비테이션의 종류
캐비테이션은 발생 위치에 따라 블레이드 캐비테이션, 갭 캐비테이션, 거친 캐비테이션, 캐비테이션 캐비테이션 및 역류 캐비테이션으로 나눌 수 있습니다.
(1) 엽면 캐비테이션
캐비테이션이 발생하면 기포의 형성과 터짐이 주로 블레이드의 전면과 후면에서 발생하는데, 이를 에어포일 캐비테이션이라고도 하며 원심 펌프의 캐비테이션의 주요 형태입니다. 펌프를 너무 높게 설치하면 설계 조건에서 펌프가 작동하더라도 블레이드 입구 및 출구 뒤쪽에 낮은-압력 영역이 발생하기 쉽습니다.
1) 펌프가 고유량 조건에서 작동할 때 블레이드의 앞쪽 가장자리에서 흐름 분리와 와류가 발생하여 블레이드 전면에 캐비테이션을 일으킬 수 있는 음압이 생성됩니다.
2) 펌프가 저유량 조건에서 작동할 때 블레이드 뒷면에 와류가 발생하여 낮은-압력 영역이 생성되고 블레이드 뒷면에 캐비테이션이 발생합니다.
(2) 갭 캐비테이션
액체가 좁은 채널이나 틈을 통해 흐를 때 형성되는 캐비테이션을 말하며, 이로 인해 국부적으로 유속이 증가하고 흐름 성분의 기화 압력에 대한 압력이 감소합니다.
원심펌프 케이싱의 내마모링과 임펠러 외측 가장자리(커버 플레이트) 사이의 틈새에서 임펠러 입구와 출구 양측의 압력차(특히 큰 압력차)로 인해 출구측 액체가 고속으로 역류하여 국부적인 압력 강하 및 캐비테이션이 발생합니다.
축류 펌프 블레이드의 외부 가장자리와 펌프 케이싱 사이의 작은 틈에서 블레이드의 전면과 후면 사이의 압력 차이의 작용으로 틈새에 있는 액체의 높은 역류 속도로 인해 국부적인 압력 강하가 발생하여 펌프 케이싱의 블레이드의 해당 외부 가장자리에 캐비테이션이 발생하고 임펠러와 블레이드의 외부 가장자리에 벌집 모양의 거친 표면 캐비테이션 영역이 형성됩니다.
(3) 거친 캐비테이션
거친 캐비테이션은 액체가 펌프 케이싱 내부 거친 흐름 구성 요소의 고르지 않은 표면을 통해 흐를 때 돌출부 하류에서 와류가 발생하여 국부적인 압력 강하를 일으키고 캐비테이션을 일으키는 것을 말합니다.
펌프 유동 부품의 주조 및 가공 과정에서 표면의 요철, 모래 구멍, 공기 구멍 등으로 인해 국부적인 유동 상태가 급격하게 변화하여 캐비테이션이 발생할 수 있습니다.
(4) 캐비티 캐비테이션
캐비테이션 내 캐비테이션은 물 흡입 조건이 좋지 않거나 잠김 깊이가 부족하여 펌프 입구의 흡입실에 나선형 와류 띠가 형성되는 것을 말합니다. 와류 벨트의 중심 압력이 기화 압력으로 감소하면 강한 진동과 함께 캐비테이션도 발생합니다.
(5) 역류 캐비테이션
일반적으로 캐비테이션의 전제 조건은 NPSHa입니다.
펌핑 유량이 너무 낮거나 입구 압력이 너무 높으면 역류가 발생합니다. 펌핑 유량이 너무 낮으면 임펠러 입구에서 내부 환류가 발생합니다. 펌프의 입구 압력이 너무 높으면 임펠러 출구에서 내부 역류가 발생합니다. 내부 환류는 기화로 인해 기포가 생성될 때까지 액체 유량을 증가시키며, 기포는 더 높은 주변 압력에서 파열됩니다. 흡입구에서 내부 역류가 발생하면 펌프 흡입구 주변에서 불규칙한 딱딱거리는 소음이 발생하고 고강도-폭발음이 발생합니다.
환류 캐비테이션은 일반적으로 다음 방법을 통해 개선될 수 있습니다.
1) 펌프의 출력유량을 증가시키십시오.
2) 펌프의 입구와 출구 사이에 바이패스를 설치하십시오(이 방법은 실제 적용에서 고객이 수용하기 어렵습니다).
3) 임펠러의 구조를 최적화합니다(임펠러의 입구 면적을 줄입니다).
2. 캐비테이션의 위험성
(1) 성능 저하, 파이프라인 손상
캐비테이션은 펌프 성능을 크게 저하시킬 수 있습니다. 일반적으로 원심 펌프의 경우 입구 압력이 어느 정도 떨어지면 성능이 급격히 저하되는데, 이를 캐비테이션 파괴라고도 합니다. 캐비테이션은 또한 유체 내부를 불안정하게 만들어 흐름과 압력의 진동을 초래할 수 있습니다. 이러한 진동으로 인해 펌프와 흡입구 및 배출구 파이프라인이 손상될 수 있습니다.
(2) 펌프의 과전류 부품에 심각한 손상
캐비테이션은 부품 표면을 손상시킬 수 있습니다. 기포가 터지면 주변 액체는 최대 49 MPa에 달하는 매우 높은 충격 압력(피크 압력)을 생성합니다. 캐비테이션의 수력 강도가 이 충격에 저항하는 재료의 능력을 초과하면 국부적인 벽 재료 피로 파손 및 표면 재료 분리로 이어질 수 있습니다. 캐비테이션은 화학적 부식과 전기화학적 부식과 동시에 발생합니다. 캐비테이션 초기 단계에서 재료의 부식 및 소성 변형에 의해 생성된 피트의 크기는 약 10μm ~ 50μm이며, 특히 내식성이 약한 일부 재료의 경우 장기 캐비테이션에서 벌집 모양 구조를 나타낼 수 있습니다-.
(3) 진동 및 소음 발생
기포가 응결, 수축, 파열되는 순간 기포 주변의 액체가 기포의 응결 및 파열로 형성된 공극을 고속으로 채워 압력 맥동을 일으키고 진동과 소음을 발생시킵니다. 캐비테이션 소음의 주파수는 일반적으로 10kHz에서 100kHz 사이인 반면, 역류 및 압력 맥동으로 인한 캐비테이션 소음의 주파수는 약 수백Hz이므로 사람의 귀를 특히 민감하게 만듭니다. 동시에 캐비테이션은 진동을 자극할 수도 있으며, 캐비테이션에 의해 생성되는 주요 진동 주파수는 일반적으로 약 1kHz입니다.
캐비테이션은 높은 소음 수준을 특징으로 할 뿐만 아니라 펌프 베이스의 강성이 부족하고 파이프라인 지지력이 부족하여 구조적 공진을 일으킬 수 있는 진동 표시기로도 나타납니다. 펌프 설치 후 베이스는 콘크리트로 채워지고 파이프라인의 지지 강성은 충분하여 일반적으로 강한 진동 현상을 일으키지 않습니다. 그러나 펌프 본체의 진동 측정을 통해 캐비테이션에 의해 생성된 진동 주파수 중 고주파수 성분이 지배적이며, 진동의 가속도 값이 진동 변위 및 진동 속도보다 높습니다.
3. 캐비테이션 성능 개선을 위한 일반적인 조치
(1) 원심펌프 자체의 캐비테이션 방지 성능을 향상시키기 위한 대책
1) 펌프의 흡입구 설계 개선
임펠러를 연마하면 유동 면적을 늘릴 수 있습니다.
임펠러 덮개판 입구 부분의 곡률 반경을 늘려 액체 흐름의 급격한 가속과 압력 강하를 줄입니다.
블레이드 입구의 두께를 적절히 줄이고 블레이드 입구를 둥글게 하여(블레이드 헤드를 연마하고 날카롭게 하여 입구의 충격 손실을 줄이고 입구 각도의 감도를 줄이며 필요한 캐비테이션 허용량을 약 0.5m 줄일 수 있음) 유선형에 가깝게 만들고 블레이드 헤드 주변의 가속도 및 압력 강하를 줄입니다.
임펠러와 블레이드 입구의 표면 매끄러움을 개선하여 저항 손실을 줄입니다.
블레이드 입구 가장자리를 임펠러 입구쪽으로 확장하여 액체 흐름이 미리 작업을 받고 압력을 높일 수 있도록 합니다.
2) 전면 인덕션 휠 추가
액체 흐름 압력을 높이기 위해 전면 유도 휠에서 미리 액체 흐름이 작동하도록 합니다(이 방식에는 구조적 변경과 다양한 설계 매개변수의 재보정이 필요함).
3) 양흡입 임펠러 채용
임펠러의 입구 면적을 늘리고 입구 액체 유량을 줄입니다(유량 감소 및 압력 증가).
4) 약간 더 큰 포지티브 어택 앵글 사용
블레이드 입구 각도를 높이려면 블레이드 입구의 굽힘을 줄이고 블레이드 막힘을 최소화하여 입구 면적을 늘리십시오.
흐름 손실을 줄이기 위해 고유량 조건에서 작업 조건을 개선합니다. 그러나 포지티브 공격 각도가 너무 커서는 안 됩니다. 그렇지 않으면 효율성에 영향을 미칩니다.
5) 저속-펌프 사용
회전 속도가 낮을수록 NPSHr은 작아집니다.
6) 캐비테이션 방지 소재 사용
실제로 재료의 강도, 경도 및 인성이 높을수록 화학적 안정성이 향상되고 캐비테이션에 대한 저항성이 강해짐이 입증되었습니다.
(2) 장치의 캐비테이션 허용량을 늘리기 위한 조치
1) 효과적인 캐비테이션 허용량을 향상시키기 위해 펌프 전 저장 탱크의 액체 레벨 압력을 높입니다.
2) 특히 온수를 매체로 이송하는 경우 흡입 장치의 펌프 설치 높이를 낮추고 흡입 높이와 매체 온도의 관계를 고려하십시오.
3) 흡입장치를 역류장치로 교체합니다.
4) 펌프 전 흡입관의 유량 손실을 줄입니다. 가능하면 필요한 범위 내에서 파이프라인을 줄이고, 적절한 흡입 파이프라인 직경과 필터 여과 면적(있는 경우)을 사용하여 파이프라인의 유량을 줄이고 굴곡 및 밸브 수를 줄이고 밸브 개방을 최대한 늘리십시오.
5) 갭 캐비테이션이 심한 경우 임펠러에 밸런스 홀을 뚫는 방법을 채택하여 누설유량을 줄이고 캐비테이션 정도를 완화할 수 있습니다. 블레이드의 밸런스 구멍은 임펠러 입구에 주입되는 액체 흐름에 파괴적이고 간섭적인 영향을 미칩니다. 누출 유량을 줄이기 위해 밸런스 구멍의 면적은 밀봉 링의 여유 면적의 5배 이상이어야 합니다. 이를 통해 주 액체 흐름에 대한 영향을 줄이고 펌프의 캐비테이션 방지 능력을 향상시킵니다.
6) 경험상 캐비테이션 메커니즘에서 시작하여 흡입구에 적절한 양의 가스를 보충하면 캐비테이션 발생 조건이 방해를 받을 수 있습니다. 그러나 펌프 캐비테이션을 방지하기 위해 공기를 보충하는 것은 고도의 기술이며 적절한 공기 보충량, 위치 및 방법이 있어야만 좋은 결과를 얻을 수 있습니다. 그렇지 않으면 펌프의 유속, 양정 및 효율이 크게 감소하고 심지어 작동 중에 흐름이 중단되고 부정적인 결과를 초래할 수도 있습니다.
적절한 공기공급량 조절과 정확한 측정의 어려움을 고려하여 저자의 실무와 결합하여 공기공급밸브의 유량을 조절할 수 있는 니들밸브의 사용을 권장한다. 현장 조정 중에 캐비테이션 소음을 구별하는 데 사용할 수 있습니다. 캐비테이션 소음이 최소화될 때까지 니들 밸브를 통해 흡입량을 조정합니다(일부 시스템은 소음을 완전히 제거할 수 있지만 일부 시스템은 캐비테이션 소음을 완전히 제거할 수는 없지만 일부 시스템은 캐비테이션 소음을 줄일 수만 있음). 그런 다음 니들 밸브를 약간 뒤로 조정하여 흡입량을 줄이고, 다양한 지정된 작동 조건에서 성능 이상이 발생하지 않을 때까지 일정 기간 동안 작동을 관찰한 다음 니들 밸브의 개방을 잠급니다. 이 방법을 사용하면 소리가 가장 낮은 수준으로 낮아져서는 안 됩니다! 펌프 작동이 중지되었을 때 흡입구 압력이 양수이면 누출을 방지하기 위해 체크 밸브를 설치해야 합니다.
7) 연구에 따르면 매체에 휘발성 가스와 모래와 같은 고체 입자가 포함되어 있으면 펌프의 캐비테이션 성능이 감소하는 것으로 나타났습니다. 펌프에 캐비테이션이 발생하지 않도록 하려면 펌프의 흡입 높이를 계산된 정수 높이에서 최소 4.2m 줄여야 합니다. 이는 지방자치단체에서 주목할 만한 가치가 있다.
