연재순서
제1장 펌프 제품 소개
제2장 펌프의 기초지식과 응용
제3장 펌프의 재료와 방식
제4장 기장계획
제5장 수충격 현상
1. 수충격 현상의 개념
2. 수충격에 의한 피해
3. 수충격작용 방지 장치
4. 수충격 현상 해석
   4.1 수충격 현상 해석의 목적
   4.2 특선곡선법을 이용한 수충격 현상 해석
   4.3 펌프 및 수충격 완화장치
   4.4 수충격 현상 해석 프로그램 흐름도
   4.5 수충격 현상 해석에 필요한 자료
   4.6 수충격 현상 해석 예
제6장 소음 진동 대책
1. 소음과 진동
2. 소음의 평가
3. 소음의 측정
4. 소음원 대책
5. 소음기
6. 펌프장의 소음 대책
7. 진동의 진단

효성중공업(주)(현, (주)효성)과 일본의 (株)荏原(EBARA)製作所 그리고 미국의 BW/IP International(현, Flowserve Corporation) 3개사가 펌프사업 부문에서 최고의 경쟁력을 갖추기 위해, 자본 합작과 기술제휴를 통해 설립한 효성에바라(주)로부터 자료를 제공받아 펌프란 무엇인가에 대해 알아본다.

펌프의 기초부터 펌프의 원리, 펌프의 기술, 펌프의 응용분야까지 펌프의 ‘A to Z’를 상세하게 소개하여 펌프를 공부하는 학생이나 이 업계의 종사자, 이 업계에 입문하려는 이들에게 펌프에 대한 이해를 높이고자 한다.

<편집자 주>

※자료제공 : 효성EBARA주식회사

4.3 펌프 및 수충격완화장치

c) 공기챔버

서어지탱크와 함께 공기챔버가 간단하고 경제적이기 때문에 많이 사용된다.

공기챔버는 서어지탱크의 윗쪽에 가압된 공기가 있게 된다.

주목적은 역시 파이프 내의 압력이 급격히 떨어져 기포가 생기지 않도록 함이겠으나, 압력이 급격히 증가하는 것도 효과적으로 억제해준다.

공기챔버의 전체크기는 충분히 커서 파이프의 압력이 떨어질 때 충분한 양의 유체를 파이프에 공급해 주어야 한다.

한편, 초기상태의 공기의 양이 부족하면 압력 강하율이 지나치게 커서 챔버의 역할을 못하게 된다.

한편, 압력서어지를 줄이기 위해서 파이프에서 챔버로 유입되는 저항손실을 크게 하여야 효과적이다.

공기챔버는 보통 펌프의 직후에 설치하는 경우가 많으므로 이 경우를 예로 들자.

펌프는 병렬로 NPU개가 작동되고 있다고 본다. 이러한 경우 지배방정식은 다음과 같다.

<그림 5.22 공기챔버와 그 주변장치의 도식적 그림>

C-		(5.104)
연속방정식		(5.105)
에터지방정식(펌프)		(5.106)
에너지방정식(챔버)		(5.107)
펌프		(5.108)

여기서, HT는 챔버내의 수두, An은 노즐의 단면적, QC는 챔버로부터 나오는 유량, Hsump는 흡입수조의 수위이다.

챔버내의 공기는 Polytropic과정을 따른다고 보아 다음과 같다.

(5.109)

여기서, Po, γo는 공기의 초기 절대압력, 비중량, η는 Polytropic 계수이다.

Hatm를 대기 압력이라면 윗식은 다음과 같이 된다.

(5.110)

초기공기체적을 CTO, 시간이 지난 후의 공기 체적을 CT라 하면

(5.111)

이 되고, 공기체적 관계식은 다음으로 된다.

Qc에 대해서 식(5.104)~식(5.108)을 연립해 풀면 다음으로 주어진다.

(5.112)

여기서,

식(5.105)와 식(5.112)에서 유량 Q는 다음 식으로 주어진다.

(5.113)

Q<0인 경우에는 펌프에 부착된 Check Valve가 닫히므로 Q=0이라 놓는다. 이 경우에는 Qc가 다음 식으로 주어진다.

	(5.114)

이다. 일단 Check Valve가 닫히면 Check Valve는 다시 열리지 않는다.

공기챔버 안으로 유체가 역류할 때는 펌프는 더이상 고려할 필요가 없으므로 다음 식만 고려하면 된다.

C-		(5.115)
연속방정식		(5.116)
에너지 방정식(챔버)		(5.117)

여기서, Ci는 챔버 안으로 흘러갈 때의 유량계수이다.

Qc에 대해 식(5.115)~식(5.117)까지를 연립해 풀면 다음과 같이 된다.

		(5.118)
여기서,

이다.

4.4 수충격 현상 해석 프로그램 흐름도

4.5 수충격 현상 해석에 필요한 자료

컴퓨터를 이용하여 수충격 현상을 해석하려면 다음과 같은 제원을 사전에 구해둘 필요가 있다.

1) 펌프사양-전양정, 토출량, 회전수, 효율, 펌프특성곡선

2) 운전대수와 운전상태-직렬 또는 최대병렬대수, 최대토출량

3) 원동기의 종류-극수, 외피형식, 농형, 권선형, 엔진 등

4) 흡토출 수위 또는 흡, 토출말단의 잔류압

5) 파이프라인 제원-송수본관의 연장거리, 직경, 두께, 재질, 종단면도, 분지, 합류의 유무 또는 파이프 네트워크 선도 등

6) 펌프, 원동기 등 회전체의 관성효과(GD2)

7) 밸브의 종류, 직경, 제어방식 등

4.6 수충격 현상해석 예

다음은 4.3절에서 언급한 관로 내의 유체 운동방정식 및 연속방정식에 펌프, 밸브류, 저수조 등의 경계조건을 대입하여 컴퓨터를 이용한 특성곡선법에 의한 수충격 현상해석의 일례이다.

(1) BASIC DATA

i) PUMP

PUMP SERVISE
PUMP TYPE
NUMBER INSTALLED
NUMBER OPERATING
RATED PUMP CAPACITY
RATED PUMP TOTAL HEAD
RATED PUMP OF ROTATION

: INTAKE PUMP

: HDR 400-540A

: 8 UNITS

: 6 UNITS

: 31.83 ㎥/min

: 46 m

: 1160 rpm

ii) MOTOR AND VALUE OF GD2

MOTOR OUTPUT

MOTOR VOLTAGE

MOTOR FREQUENCY

NUMBER OF POLES
MOTOR GD2
PUMP GD2

: 450

: 3300

: 60
: 6

: 44

: 17.9

㎏.㎡

iii) PIPELINE

DIAMETER

VALUE OF K/E
WAVE SPEED
LENGTH
FRICTION FACTOR
HEAD LOSS

: 1650

: 0.01087

: 964

: 1256.5

: 0.0203

: 1.748

m/sec

(2) CALCULATING RESULTS WITHOUT PREVENTION DEVICES

WATER COLUMN SEPARATION WILL OCCUR. PREVENENTION DEVICES ARE NECESSARY. EXTREME PRESSURE LINES ARE SHOWN BELOW(FIG.00).

(3) THE SIMULATION DATA OF PREVENTION DEVICES AGAINST WATER HAMMERING

ADOPTION OF AIR CHAMBER

LOCATION FROM PUMP STATION

INSTALLED ELEVATION

TOTAL AIR CHAMBER VOLUME
INITIAL AIR VOLUME
POLYTROPIC EXPONENT
CONNECTING PIPE DIAMETER

: 0

: 8.17
: 27.27

: 15.00

: 1.20

: 0.50

㎥

(4) CALCULATING RESULTS AFTER PREVENTION DEVICES ARE INSTALLED

OCCURRANCE OF WATER COLUMN SEPARATION IS NOT ANTICIPATED. EXTREME PRESSURE LINES ARE SHOWN BELOW(FIG.01)

(5) RECOMMENDED PREVENTION DEVICES DATA

ADOPTION OF AIR CHAMBER

NO. INSTALLED

LOCATION FROM PUMP STATION
INSTALLED ELEVATION
EACH AIR CHAMBER VOLUME
CONNECTING PIPE DIAMETER

: 2

: 0

: 8.17

: 15.0

: 0.5

SETS

㎥

ABOVE RECOMMENDED DATA WERE SELECTED CONSIDERING STEADY STATE FLUCTUATION CONDITIONS AND DESIGN SAFETY FACTORS.

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