원심 펌프 임펠러 캐비테이션 분석

1. 캐비테이션의 본질
캐비테이션은 물리화학적 파괴 과정이 복합적으로 작용하는 현상으로, 세 단계로 진행됩니다.

국부 기화: 임펠러 입구 또는 저압 영역의 국부 압력이 작동 온도에서 액체의 포화 증기압보다 낮아지면 액체가 끓어오르면서 수많은 증기 기포(공동)가 생성됩니다.

기포 붕괴 및 손상: 이러한 기포는 유동에 의해 임펠러의 고압 영역으로 이동하며, 주변 압력이 급격히 상승하여 거의 순간적으로 붕괴됩니다. 이 붕괴로 인해 수백 메가파스칼에 달하는 국부적인 압력을 가진 강력한 충격파와 미세 제트가 발생하며, 이는 수 마이크로초 이내에 마이크론 규모의 영역에 걸쳐 작용합니다.

재료 피로 및 침식: 이러한 충격파는 임펠러 금속 표면을 반복적으로 타격하여(초당 수천 번) 기계적 피로와 부식 피로를 유발합니다. 이로 인해 금속 입자가 점진적으로 떨어져 나가 표면에 구멍, 벌집 모양 또는 스펀지 모양의 침식이 발생합니다.

2. 캐비테이션이 펌프에 미치는 구체적인 위험성

성능 저하: 증기 기포는 유로를 막고 유체의 연속성을 저해하여 펌프의 유량, 양정 및 효율을 크게 떨어뜨리고, 종종 성능 곡선에 급격한 변화를 일으킵니다.

진동 및 소음: 기포의 격렬한 생성 및 붕괴는 펌프에 심한 진동을 일으키고 특유의 딱딱거리는 소리나 쉬익거리는 소음을 발생시켜 안정성과 작업 환경을 저해합니다.

임펠러 손상:

기계적 침식: 특징적인 벌집 모양의 침식을 생성합니다.

전기화학적 부식: 붕괴 시 방출되는 에너지는 임펠러의 보호막(특히 스테인리스강에 매우 중요함)을 파괴하여 화학적 부식을 가속화합니다. 이러한 복합적인 공격으로 인해 재료 손실이 매우 빠르게 발생합니다.

심각한 경우에는 임펠러에 구멍이 뚫리고 펌프가 완전히 고장날 수 있습니다.

수명 단축: 임펠러 손상과 진동으로 인한 베어링 및 씰의 마모 가속화는 유지보수 주기와 펌프의 전체 수명을 급격히 단축시킵니다.

3. 식별 및 진단

소리: 펌프에서 자갈을 펌핑하는 것과 유사한 지속적인 딱딱거리는 소리, 펑펑 터지는 소리 또는 쉬익거리는 소리가 납니다.

성능: 일정한 속도 및 밸브 위치에서 유량, 토출 압력(수두), 모터 전류(전력 소모)의 갑작스럽거나 점진적인 감소.

진동: 펌프 진동 측정값이 비정상적으로 높게 나타났으며, 특히 축 방향에서 두드러졌습니다.

육안 검사: 작동 후 분해를 통해 블레이드 흡입구 가장자리 뒷면(저압 영역)에 벌집 모양의 미세한 구멍이 나타나는 것을 확인할 수 있습니다.

4. 주요 원인 (순환수 시스템의 경우)

가용 NPSH(NPSHa) 부족: 근본 원인.

펌프 설치 높이 과다: 펌프가 공급 액체 수위보다 너무 높게 설치되었습니다.

흡입 배관의 과도한 손실: 흡입 배관이 너무 길거나 좁거나, 엘보가 너무 많거나, 필터/스트레이너/풋 밸브가 막히면 압력 강하가 증가합니다.

높은 액체 온도: 열 교환 불량 또는 시스템 내 높은 열 부하로 인해 물의 온도와 증기압이 상승하여 NPSHa가 감소합니다.

시스템 압력 저하: 밀폐형 시스템에서 압력 변동이나 불충분한 보충수는 흡입 용기의 압력을 낮춥니다.

높은 펌프 필요 NPSH(NPSHr):

펌프 설계 자체가 부실하거나 임펠러 입구 형상이 불리하거나 입구 유속이 높은 경우.

임펠러 마모 또는 막힘은 원래의 유압 설계를 손상시킵니다.

5. 예방 및 해결책

시스템 설계 최적화(NPSHa 증가):

펌프 설치 높이를 낮추고, 가능한 한 액체 수위가 펌프 중심선보다 높은 침수 흡입 방식을 사용하십시오.

흡입 배관 최적화: 길이를 줄이고 직경을 늘리며, 연결 부품/밸브 수를 최소화하고 필터/스트레이너를 정기적으로 청소하십시오.

액체 온도 제어: 냉각탑, 열교환기 등의 효율적인 작동을 보장합니다.

시스템 압력 안정화: 밀폐 시스템에서 적절한 가압 및 보충 압력을 유지합니다.

적절한 선택 및 수정(NPSHr 감소):

충분한 여유를 두고 펌프를 선택하십시오: NPSHa 쉿! NPSHr에 충분한 안전 여유(일반적으로 ≥ 0.5-1.0m)가 있는지 확인하십시오.

캐비테이션 저항성이 뛰어난 펌프를 선택하십시오. 이중 흡입 임펠러(낮은 입구 속도) 또는 유도 날개가 있는 모델을 선택하십시오.

임펠러 개조: 표준 임펠러를 캐비테이션 방지 모델(더 두꺼운 흡입구 가장자리와 특수 에어포일을 특징으로 함)로 교체하거나, 표준 임펠러 흡입구를 전문적으로 재성형/언더컷하여 더 날렵하고 얇은 형태로 만듭니다.

운영 및 유지보수:

경화 표면처리/코팅: 레이저 클래딩, 플라즈마 스프레이 또는 용접 오버레이를 통해 캐비테이션 저항성 재료(예: 코발트계 합금, 텅스텐 카바이드)를 도포합니다.

폴리머 코팅: 중요도가 낮은 용도에는 고성능 에폭시 코팅을 사용하십시오.

손상된 임펠러는 즉시 수리하거나 교체해야 합니다.

저유량 운전을 피하십시오. 저유량 시 내부 재순환은 캐비테이션을 유발할 수 있습니다. 펌프의 최적 작동 범위(비에프) 내에서 운전하십시오.

가변 주파수 드라이브(VFD)를 사용하십시오. 펌프 속도를 줄이면 NPSHr(속도의 제곱에 비례)이 크게 낮아지므로 효과적인 해결책입니다.

표면 보호 및 수리:

요약
원심 펌프의 임펠러 캐비테이션은 시스템에서 공급되는 유효 순흡입양정(NPSHa)이 펌프에 필요한 순흡입양정(NPSHr)을 충족시키지 못해 발생하는 시스템적인 문제입니다. 해결책은 공급을 늘리고 수요를 줄이는 두 가지 접근 방식에 있습니다. 즉, 시스템의 NPSHa를 향상시키면서 펌프의 NPSHr을 낮추는 것입니다. 체계적인 설계, 선정, 작동 및 유지보수를 통해 캐비테이션을 효과적으로 예방하고 관리할 수 있습니다.