Applied Fluid Machinery Wang-Hee Lee Chungnam National University Biosystems Machinery Engineering Lecture 13 Water hammering ( 수격작용 ) 관속을충만하게흐르고있는액체의속도를급격히변화시키면액체의과도한압력의변화가발생되는데이를수격작용이라한다. 관로에있는밸브를갑자기닫을경우유동이감속되는분량의운동에너지가압력에너지로변하게된다. 따라서 밸브의직전인 A 지점에서고압이발생하고, 이압력파에의해상류탱크쪽의 B 지점에도달하게되며, B 에도달하면 다시 A 로되돌아온다. 결국이압력파는 A, B 사이를왕복하게되며, 이것을계속반복한다. 1
수격작용의원인 수격작용은다음의원인으로인해발생한다. 1 펌프의기동 : 펌프의기동시 Pipe 내에 Void Space( 커다란부피의공기또는가스 ) 가존재하면급격한압착력에의해높은압력상승을유발한다. 2 펌프의급정지 : 갑작스런정전등으로인하여펌프가급정지하게되면, 펌프토출측에서는급격한압력저하가발생되고, 저하된압력파는매우빠른속도 ( 음속 ) 로반대방향으로전파된다. 압력의저하는경우에따라수주분리현상을발생시키고, 저하된압력이그유체의증기압보다낮을경우, 증기가방출되어 Cavitation 이발생한다. 이로인한 Vapour Cavity 가형성된공동부의압착으로인하여발생되는충격력은매우높은경우가많다. 3 밸브의급개폐 : Water Hammer 의발생원인중에서가장잘알려져있고, 일반적인것이밸브의개폐이다. 펌프의토출측에설치되는 Check Valve 가완전히닫히기전에역류가발생되면밸브에충격이발생하여, 밸브를급격히닫을때와마찬가지로 Water Hammer 가발생할수있다. 수관중의압력파의전파속도 관로내에서압력파의전파속도 1 + KD Eδ a: 전파속도 (m/s) K: 물의체적탄성계수 (kg f /m 2 ) ρ: 물의밀도 (kg f sec 2 /m 4 ) E: 관의종탄성계수 (kg f /m 2 ) D: 관의안지름 (m) δ: 관벽의두께 (m) 판이완전한강성체일때, E = 라할수있으므로, 1 + KD Eδ K ρ E = KD Eδ = 0 체적탄성계수 유체가힘 ( 압력 ) 을받았을때, 압축이되는정도를나타내는상수 ( 고체의탄성계수, 즉스프링의탄성계수와유사한개념으로이해 ). 스프링계수는길이의변화에대한것인데비해, 체적탄성계수는체적의변화에대한계수인점이다르다. 스프링계수가클수록힘에비해길이가잘줄어들지않는것과마찬가지로 ` 체적탄성계수가클수록잘압축이되지않는유체임을나타낸다. 즉, 체적변화율에대한압력변화율의비로서단위는 N/m2 E = p V V 0 2
수관중의압력파의전파속도 관재료의물성을고려하는경우 1 + KD Eδ 1 μ2 μ: 관재료의 Poisson s ratio Poisson s ratio 횡변형률 : 하중이작용하는수직방향으로의변형 = L 종변형률 L 공기의혼입을고려하는경우 mix 1 + KD Eδ 1 K μ2 + α m K air ρ mix = (1 α m )ρ α m : Void fraction ( 공기체적 / 혼합물의전체체적 ) 공기함량 K: 액체의체적탄성계수 K air : 공기의체적탄성계수 공기의체적탄성계수 등온과정 K air = P 0 (Valve 닫기전수관의압력 ) 등엔트로피과정 K air = 1.4P 0 폴리트로픽과정 K air = 1.2P 0 밸브를닫는속도에따른발생압력 밸브를급격히닫는경우 t s < 2L a 인경우밸브를급격히닫는경우라할수있다. P = P 0 + γh h = av 0 g 최고상승압력 ( 최대압력과밸브를닫기전수관의압력의차이 ) 은다음과같이구할수있다. P max P 0 = γav 0 g 밸브를서서히닫는경우실험에의하면밸브가닫히기시작하면서압축파가관내를왕복하는동안에압력은직선적으로상승한다. 압력상승은밸브가닫힐때까지 2L a t s 대략일정한최고치를가진다. 그후변동을계속하면서압력은차차내려간다. 최고압력상승률은다음과같이구할수있다. P max P 0 P 0 = 1 2 η2 + η η 2 + 4 η = ρlv 0 P 0 t s 3
수격작용의문제점및대책 수격작용으로인한문제점 1 배관의파손위험 2 고압의발생 3 배관의진동충격음발생 수격작용에대한대책 1 관내유속을낮게한다 : 관성력을작게한다 2 펌프에 Fly wheel 부착 : 급격한속도변화감소 3 공기밸브설치 : 펌프토출라인에공기조를설치하여이상압력상승방지 4 Surge tank 설치 : 관로도중에큰탱크를설치하여물을보급하여압력강하방지와압력상승흡수 5 Air chamber 설치 : 공기조는물과공기가들어있는밀폐용기로펌프토출측에설치하여, 부압발생시에너지방출, 양압발생시압력에너지를흡수하여압력급상승및급강하방지 6 자동수압조절밸브설치 7 압력상승방지법 : 릴리프밸브나스모렌스키체크밸브설치 8 수격흡수장치 : Water hammering 방지기설치 서어징 (Surging) 현상 펌프가운전중에한숨을쉬는것과같은상태가되어펌프의입구와출구의진공계, 압력계의지침이흔들리고동시에송출유량이변화하는 현상을말하며, 송출압력과송출유량사이에주기적인변동이일어나는현상을말한다 이로인해흡입및토출배관의주기적인진동과소음을수반하게된다. 우상향유량-양정곡선에서유량의수요가감소하여특성곡선의최대양정때의유량Q c 에서 Q 2 로줄이게되면이때의관로의토출압은 H c 보다커야하는데펌프의실제토출양정은그것보다낮은 H 2 가된다. 따라서물은펌프내에서역류하면서 H 1, H 2 로떨어진다. 이역류하는물의보충에의해역류는정지하며, 펌프는다시토출을시작하여운전상태는점 H 1 으로이동한다. 그러나점 H 1 의유량은수요에대해과다하므로운전상태는곧점 H c 로이동하여점 c에도달하면역류가시작된다. 이렇게하여 H 1 H c H 2 으로상태변화를반복한다. 즉, H c 좌변의운전은유량 (Q) 이증가하면압력도증가하여힘은유량방향과같아 H c 우변에서운전하고자하고 H c 우변에서의운전은유량이증가하면압력은감소하여힘은유량반대방향으로 H c 좌변에서운전하고자한다. 그러므로펌프의운전은 H c,q 2 로되돌아오고같은동작이반복되어유량 ~ 수두는주기적으로변동을반복한다. Surging 은관로관계가단순하지않는경우가대부분이고송출량을조절하는밸브의위치가 서징발생유무에크게관계된다. 4
서어징발생조건 서어징은다음의조건이동시에갖추어졌을때에한하여발생한다. 1 펌프의 H-Q 곡선이오른쪽위로향하는산형구배특성을가지고있다. 2 펌프의토출관로가길고, 배관중간에수조또는기체상태의부분 ( 공기가있는부분 ) 이존재한다. 3 기체상태가부분의하류측밸브에서토출량을조절한다 ( 유량조절밸브가탱크뒤쪽에있다.) 즉, 펌프가산형구배특성을가지고있어도상기의조건중에서어느하나의조건이만족되지않으면서어징은발생하지않는다. 예를들면, 펌프의직후밸브만으로유량을조절하는경우에는서어징이발생하지않는다. 서어징의문제점및방지법 서어징으로인한문제점 1 헤드또는방수구에서의살수밀도저하 2 한번발생시그변동주기는비교적일정하고송출밸브로송출량을조작하여인위적으로운전상태를바꾸지않는한이상태가지속된다. 3 흡입및토출배관의주기적인진동과소음을수반 서어징의방지법 1 펌프의 H-Q 곡선이우하향구배를갖는펌프를선정한다. 2 By-Pass 관을사용하여운전점이 Surging 범위를벗어난범위에서운전하도록한다. 예를들어, 방출밸브등을사용하여양수량을서어징일때의양수량이상으로증가시킨다. 또는펌프회전차의회전수를변화시킨다. 3 유량조절밸브를펌프토출측직후에설치한다. 4 관로에불필요한공기탱크나잔류공기를제거하여배관중에수조또는기체상태인부분이존재하지않도록배관하며, 관로의단면적, 양수액의유속, 저항등을변화시킨다. 5 회전차나안내깃의형상치수를바꾸어그특성을변화시킨다. 특히, 날개의출구각을작게하거나안내깃의각도를조절할수있도록배려한다. 5