[기계안전기술사] 문제풀이 2021년 123-4-5 펌프 진동 원인 (수력적, 기계적)

문제. 5. 펌프 진동 원인을 1)수력적, 2)기계적 원인으로 5가지씩 분류하고, 저감 대책을 각각 설명하시오.

문제풀이)

1. 진동(Vibration)의 정의
진동(Vibration)은 물질의 위치 등 어떠한 물리량이 하나의 일정한 규칙에 따라 변동하는 현 상으로 진동의 진폭은 변위, 속도, 가속도로 표현되며 진동하는 물체 또는 평가를 위한 대상에 따라 달리 적용된다.
외력과 감쇠의 유무에 따라 종류를 크게 분류할 수 있다.

2. 진동발생의 원인
① 수력적 원인
1) 공동현상 (Cavitation)
펌프 흡입 측에서 유체의 정압이 증기압보다 낮아 유체가 증기화되면서 기포가 발행한 후 압력에 의해 소멸되면서 소음, 진동과 함께 충격에 의해 임펠러가 마모, 손상되는 현상
가. 원인 : 펌프의 위치가 탱크보다 아래에 있거나 흡입 측 압력 손실이 클 때
나. 대책 : 흡입양정과 흡입 측 압력손실을 감소시킨다.

2) 서징 (Surging)

펌프의 토출 측 유량이 일정주기로 압력과 유량이 변화하는 현상
가. 원인:
펌프 2차 측에 공기 고임부가 있고, 2차 측 압력이 펌프 양정보다 클 경우
나. 대책:
우하향 성능곡선을 가지는 펌프 사용
유량조절밸브의 위치를 토출 측 직후에 설치
토출배관 중에 압력탱크 또는 기체 부분이 존재하지 않도록

3) 수충격 (Water Hammer)

유체의 유속을 급격하게 변화시킬 때 유체의 압력변화가 일어나 배관벽을 치면서 소음과 충격을 발생시키는 현상
가. 원인 : 밸브를 갑자기 개방하거나 차단할 때
나. 대책 : 밸브 조작을 천천히 하고 서지탱크를 설치한다

(4) 펌프 내 압력 변동
가. 원인: 임펠러에서 유출되는 유체의 고속 흐름에 의해 소용돌 이가 발생하거나 임펠러 깃 끝 유체의 박리현상에 의한 압력 맥 동
나. 대책: 임펠러 외경과 볼류트의 간격을 적절한 크기로 조절하거나 임펠러의 입구에서의 흐름을 부드럽게 한다.

(5) 소용돌이(와류 형성)
대책: 소용돌이 흐름 방지판 설치
- 공기 혼입
- 펌프 내 박리

② 기계적 원인
(1) 회전부분 불균형:
회전체가 회전 시 무게중심이 회전축과 일치하지 않는 경우 진동 발생
대책: 무게중심 교정으로 무게중심과 회전축을 일치 시킬 것

(2) 베어링 마모:
마찰운동하는 기계적 요소는 장시간 사용시 마모와 부식으로 유격이 발생하여 진동 발생
대책: 베어링의 주기적 정비 및 교체

(3) 회전체 과속 운전
대책: 설계 속도 이상 과속 운전 금지

(4) 공진(회전축 위험속도):
기계내에 발생되는 고유 진동수 중에 부품이나 구조물의 고유진동수와 일치하는 진동이 있는 경우 그 진동이 비정상적으로 커지는 현상
대책: 공진회피 설계(고유 진동수가 일치하지 않도록 설계), 완충기나 댐퍼에 의한 방진 처리

(5) 모터, 엔진 등 구동기 진동
대책: 저진동형 구동기 사용

3. 진동의 방지 (저감대책) : 진동방지(저감)대책은 원인에 대칭되게 생각하면 됨
① 수력적 원인
- 유효흡입 압력을 크게 함 (캐비테이션)
- 펌프 직후에 밸브를 설치하여 토출량 조절(서징)
- 공기 혼입을 방지하기 위해 강화된 패킹의 사용 (공기혼입)
- 사용 토출량을 조절하여 펌프 내 맥동류 박리 방지 (펌프 내 박리)

② 기계적 원인
- 이상 거동에 대한 방지, 수리를 통한 방지 (불평형, 오정렬, 편심, 마찰에 의한 진동 등) -회전수를 위험 속도로부터 20% 낮게 설계 (공진회피설계)