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ANSYS 블로그

January 30, 2020

펌프 캐비테이션의 원인 및 방지 방법

펌프, 임펠러 및 프로펠러는 일상적인 인프라의 기본적인 부분입니다. 그들은 전 세계에 발전소, 보트, 생산 시설을 가동시키고 있다.

이러한 기계를 설계하고 사용하는 엔지니어의 주요 관심사는 오일이 물리적 메커니즘을 손상시킬 수 있는 갑작스러운 상변화를 겪는 캐비테이션(cavitation)을 피하는 것입니다.


펌프 캐비테이션은 내부 메커니즘을 손상시킬 수 있습니다.

이를 방지하려면 엔지니어가 올바른 시스템에 올바른 장비가 설치되었는지 확인해야 합니다. 시뮬레이션은 의도하지 않은 위상 변화를 방지하기 위해 펌프 설계 및 구성을 최적화하는 비용 효율적인 솔루션입니다.


캐비테이션의 원인은 무엇일까요?

캐비테이션은 압력이 증기 압력 아래로 빠르게 떨어지며 기포 또는 공극이 유체 내에서 형성될 때 발생합니다. 기포가 더 높은 압력을 경험하면 기포가 붕괴되어 시간이 지남에 따라 부품이 손상되는 작은 충격파가 발생합니다. 이 압력파가 작은 구멍을 부품에 뚫을 때, 그것은 피팅이라고 불립니다.


캐비테이션으로 피팅된 프로펠러

소음, 진동 및 성능 저하는 펌프 캐비테이션의 좋은 지표입니다. 이러한 경고 표시가 시작되면 엔지니어는 장비를 검사하여 피팅이 형성되었는지 확인해야 합니다.

피팅은 엔지니어의 주요 관심사 중 하나입니다. 피팅이 커지고 증식하면서 펌프의 수명과 효율을 떨어뜨릴 수 있기 때문입니다.

하지만 엔지니어들이 그들의 장비에 기포가 생기는 것을 줄이려고 하는 다른 이유들이 있습니다. 예를 들어, 압력파는 베어링과 같은 다른 부분의 고장을 일으킬 수 있는 진동을 발생시킬 수 있습니다.

펌프 캐비테이션은 설계의 유량과 효율에도 영향을 미치기 때문에 엔지니어는 처리량을 유지하기 위해 전력 소비를 늘려야 합니다. 이것은 온실가스와 연료비 증가로 이어집니다.


펌프 캐비테이션을 방지하는 방법

펌프에 캐비테이션이 발생하지 않도록 하는 가장 좋은 방법은 펌프 임펠러에서 상류로 압력을 증가시키는 것입니다. 이 압력을 NPSH(net positive substit head)라고 합니다.


제로터 펌프의 오일 부피에 대한 Ansys EnSight 시각화는
기어 벽의 캐비테이션(빨간색) 정도를 나타냅니다.

엔지니어가 NPSH를 늘릴 수 있는 방법은 다음과 같습니다.

  • 업스트림 탱크의 수위를 높입니다.
  • 펌프 입구에 유도자를 추가합니다.
  • 임펠러 설계 최적화
  • 업스트림 유동 손실 최소화
  • 펌프를 더 낮은 유량으로 작동하십시오.

설계 단계에서 엔지니어는 특정 설비 내에서 펌프가 어떻게 설치되는지 알 수 없습니다. 따라서, 그들은 계산과 시뮬레이션을 사용하여 최종 사용자에게 적절한 NPSH 등급을 제공하기 위해 다양한 구성을 시험합니다. 이러한 등급은 펌프와 설비의 쌍을 이루는 데 도움이 됩니다.

전통적으로, 엔지니어들은 기포 형성을 시뮬레이션하기 위해 레일리-플레셋 방정식을 사용했습니다. 문제는 이러한 결과가 경험적이며, 입력 매개변수가 잘못 조정된 경우 비현실적인 결과를 반환할 수 있다는 것입니다.

또는 엔지니어는 Ansys CFX 에서 평형 상변화 모델을 사용하여 캐비테이션을 시뮬레이션할 수 있습니다. 재료 특성을 사용하여 경험적 데이터 없이 기의 형성을 예측합니다. 결과적으로, 정확한 결과를 얻기 위해 Rayleigh-Plesset 방정식을 조정할 필요가 없습니다.

그런 다음 엔지니어는 다양한 구성을 통해 신속하게 설계를 순환하여 NPSH 등급을 생성할 수 있도록 시뮬레이션을 매개 변수화할 수 있습니다. 또한 NPSH가 감소하면 갑작스런 위상 변화로 인해 펌프에서 생성된 헤드가 어떻게 감소하는지 보여주는 차트를 만들 수 있습니다.

평형 위상 변화 모델에 대해 알아보려면 애플리케이션 개요: Cavitation: A Critical CFD App You Have to Get Right를 확인하세요.

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