ANSYS 블로그
January 30, 2020
펌프 캐비테이션의 원인 및 방지 방법
펌프, 임펠러, 프로펠러는 우리 일상에 존재하는 인프라의 기본 요소입니다. 이를 통해 전 세계의 발전소, 선박 및 생산 시설이 계속 가동됩니다.
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 방지하기 위해 엔지니어는 올바른 장비가 올바른 시스템에 설치되었는지 확인해야 합니다. 시뮬레이션은 펌프 설계와 구성을 최적화하여 의도치 않은 위상 변화를 방지할 수 있는 비용 효율적인 솔루션입니다.
캐비테이션의 원인은 무엇일까요?
캐비테이션은 압력이 증기 압력 아래로 빠르게 떨어져 기포 또는 공극이 유체 내에서 형성될 때 발생합니다. 기포가 더 높은 압력을 받으면 붕괴되어 작은 충격파가 발생하고 시간이 지남에 따라 부품이 손상됩니다. 이러한 압력 파동이 부품에 작은 구멍을 뚫는 것을 피팅이라고 합니다.
캐비테이션으로 피팅된 프로펠러
소음, 진동 및 성능 저하는 펌프 캐비테이션의 좋은 지표입니다. 이러한 경고 신호가 시작되면 엔지니어는 장비를 검사하여 구멍이 생겼는지 확인해야 합니다.
피팅은 엔지니어의 주요 관심사 중 하나입니다. 피팅이 커지고 증식하면서 펌프의 수명과 효율을 떨어뜨릴 수 있기 때문입니다.
캐비테이션이 펌프에 미치는 영향
하지만 엔지니어가 장비에 기포가 생기는 것을 줄이고자 하는 다른 이유도 있습니다. 예를 들어, 압력파는 베어링과 같은 다른 부품의 고장을 일으킬 수 있는 진동을 생성할 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
펌프에서 캐비테이션이 발생하는 것을 방지하는 가장 좋은 방법은 펌프 임펠러의 상류 압력을 높이는 것입니다. 이 압력을 NPSH(Net Positive Suction 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.
- 상류 수조의 수위를 높입니다.
- 펌프 입구에 Inducer를 추가합니다.
- 임펠러 설계 최적화
- 상류 유동 손실 최소화
- 펌프를 더 낮은 유량으로 작동하십시오.
설계 단계에서 엔지니어는 주어진 설비 내에서 펌프가 어떻게 설정될지 알 수 없습니다. 따라서 계산과 시뮬레이션을 사용하여 다양한 구성을 테스트하여 최종 사용자에게 적절한 NPSH 등급을 제공합니다. 이러한 등급은 펌프를 설비에 연결하는 데 도움이 됩니다.
전통적으로 엔지니어들은 Rayleigh-Plesset 방정식을 사용하여 기포 형성을 시뮬레이션했습니다. 문제는 이러한 결과가 경험적이며 입력 매개변수가 부적절하게 조정된 경우 비현실적인 결과를 반환할 수 있다는 것입니다.
또는 Ansys CFX의 평형 상변화 모델을 사용하여 캐비테이션을 시뮬레이션할 수 있습니다. 이는 재료 특성을 사용하여 경험적 데이터 없이 기포의 형성을 예측합니다. 따라서 정확한 결과를 얻기 위해 Rayleigh-Plesset 방정식을 조정할 필요가 없습니다.
그런 다음 엔지니어는 시뮬레이션을 매개변수화하여 다양한 구성을 통해 설계를 빠르게 순환시켜 NPSH 등급을 생성할 수 있습니다. 또한 급격한 위상 변화로 인해 펌프에서 발생하는 수두가 어떻게 감소하는지를 보여주는 차트를 생성할 수도 있습니다.
평형 상변화 모델에 대한 자세한 내용은 다음 애플리케이션 개요를 참조하세요. 캐비테이션(Cavitation): 제대로 사용해야 하는 중요한 CFD 앱.
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