기계공학 취준일기 유체역학 #6 케비테이션(CAVITATION), NPSHr, NPSHa, 흡입양정

케비테이션에 대해 알아보겠다. 

펌프나 압축기 작동원리 혹은 성능곡선에 대해 알아보고 싶은 사람은

plant-engineer.tistory.com/86?category=924457

펌프 성능 곡선, Pump Performance Curve

plant-engineer.tistory.com/82?category=924457

압축기성능곡선, Compressor Performance Curve

를 참조하면 좋을것 같다.

 

1. 케비테이션

케비테이션이션(공동현상)이란 관 내부에 흐르는 유체의 압력이 포화증기압 이하로 떨어질 경우

기포가 생기는 현상을 의미한다.

 

1.2 원인

케비테이션이 발생하는 이유는 많다. 흡입양정(NPSH)이 높거나, 곡관 및 직경 변화로 인해

속도가 빨라지고 압력이 낮아져서 압력이 포화증기압 이하로 떨어질 경우

액체가 기화하거나, 액체 속 기체들이 압력이 낮은 곳에 모여 기포가 발생한다.

 

펌프 내 압력이 낮아지는 경우는 대부분 SUCTION 부근이다.

이때, 포화증기압보다 낮아지면 기포가 생기게 된다.

임펠러의 DISCHARGE 부근에선 임펠러에 의해 압력에너지와 운동에너지가 증가하게 되는데,

여기서 기포가 터지게 되면서 소음과 진동이 발생하게 된다.

 

출처 : 보리킴

1.2 대비책

흡입부가 정압이 되도록 하며, 임펠러를 수중에 잠기게 하는 방법이 있다.

이 외에도 펌프를 저회전수로 운전하며 흡입쪽 유속을 느리게 하거나

흡입양정(NPSH)를 낮추거나, 흡입측의 밸브를 개방한 상태에서 펌프를 운전,

MULTI STAGE PIPE나 ECCENTRIC PIPE를 사용하여 급격한 직경변화를 대비한다.

 

1.3 NPSH (흡입양정)

흡입양정이란 펌프를 가동할 때 케비테이션이 일어나지 않게 운전할 수 있는가를 수로써 표현한 값이다.

 

크게 NPSHa(Net Positive Suction Head Avaliable)와 NPSHr(Required)로 표현하는데

보통 케비테이션이 일어나지 않기 위해선 NPSHa>1.3xNPSHr이 되어야 한다.

 

1.3.1 NPSHr(필요흡입양정)

펌프의 성능을 타나내는 값이며, 설계시 정해진다. 

NPSHr값이 3m이고 흡입액체가 물이라고 가정한다면

10.33m - 3m = 7.33m 즉 7.33m밑에 있는 물을 흡입할 수 있다는 뜻이다.

즉 NPSHr의 값은 작을수록 성능이 좋은 것이다.

 

1.3.2 NPSHa(유효흡입양정)

유효흡입양정은 배관 시스템에 의해 결정되는 값이다. 흡입양정, 손실수두, 액체의 포화증기압 등을 고려한다. 

흡입측이 대기압을 받고 있을 경우 두 가지로 나누어 계산된다.

흡상시 NPSHa = Pa(대기압) - Hs(흡입양정) - Hf(손실수두) - Pv(포화증기압)

가압시 NPSHa = Pa(대기압) + Hs(흡입양정) - Hf(손실수두) - Pv(포화증기압) 

출처 : 보리킴

흡상시에 중요하게 봐야 할 점은 Pv이다. 대기압, 흡입양정, 손실수두는 변하긴 한다.

하지만 온도에 따라 민감한 변화를 보이는 것은 Pv이고, 이에 따라 NPSHa값이 크게 변한다.

위에서 설명한 NPSHa > 1.3xNPSHr 값에서,

NPSHa < 1.3xNPSHr 가 되면 케비테이션이 발생한다.

 

가압시에는 Hs 값을 더해주었으므로 NPSHr의 범위가 흡상시보다 상대적으로 널널하다.

즉 펌프의 흡입양정 가동 범위가 넓다는 것을 의미한다.

 

 

출처 : 티스토리 보리킴