VISOPE-진동소음음향방출분석-진단모니터링-한국CBM: 배관진동의 측정

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2021년 7월 30일 금요일

배관유체진동-압축기송풍기

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유체기계(펌프, 팬, 블로어, 압축기; 터보형, 용적형)에서 풀부하운전이 아닌 저유량운전시 배관문제를 잘 경험할 수 있다. 특히 시험운전에서 잘 발생하는 진동문제는 유량을 증가시키면 진동이 더 증가될 것을 우려하여 셧다운을 할 때가 많다. 이 것이 바로 배관과 유체간의 진동 첫 번째 원인이다.

배관유체진동-터보형 공기유체기계

가장 잘 알려진 배관계의 공기유체기계의 진동현상은 서징(surging)이다. 배관내의 유량과 압력이 수Hz의 저주파에서 주기적으로 변동하므로 스펙트럼으로 확인하는 것은 정확하지 않다. 배관에 진동과 소음이 발생하여 운전에 지장을 준다. 이 현상은 배관계통이 공기를 강성으로 하는 복원력과 유체의 관성력에 의해 발생하는 진동계가 되어 전동기를 포함하는 송풍기 시스템의 특정속도영역에서 유량증가에 따라 압력이 상승하는 불안정 현상이다. 진동계를 구성하는 복원력을 없애거나 송풍기의 유량압력특성을 개선하면 된다. 구체적으로 액체의 기공을 제거하거나 토출구의 유량조절밸브 등의 위치를 바꾸어 송풍기의 유량-압력특성을 개선하거나 음의 영역에서 운전하지 않도록 서징방지기를 설치해도 된다.

FD팬과 ID팬 등의 덕트에서 발생하는 유체관련진동으로 선회실속과 원추와류(ICV, Inlet corn vortex)가 있다. 선회실속은 저유량운전시 임펠러에 대해 유체의 유입각이 전부하운전시와 비교해서 커져 잘개면의 경게층이 박리하여 실속(유체의 공전이 반대로 이동하는)하는 현상을 말한다. 보통 회전수의 0.5배유사(0.3~0.8X)와 그의 배수까지 존재한다. ICV는 입구안내깃의 개폐로 유량을 조절하는 송풍기에서 발생하는 맥동현상으로 입구 안내깃을 닫으면 임펠러에 들어가는 유동의 선회성분이 증가하고 유동이 편심되어 생기는 맥동이다. 보통 회전수의 2배에서 발생한다. 방지대책으로 선회실속은 가변입구안내깃을 ICV는 흡입부에 선회유동방지용 링을 설치하면 효과가 있다.

2021년 3월 12일 금요일

배관유체진동-펌프

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유체기계 중에서 펌프는 비압축성유체인 물과 그 밖의 다른 유체를 운송하는 데 다른 유체기계와 마찬가지로 서징과 같은 많은 유체진동이 발생하지만 펌프만의 독특한 진동특성도 나타나고 있다. 특히 캐비테이션이나 수격진동 등과 같은 것은 펌프에 연결된 배관만이 나타날 수 있는 현상이며 한 번 발생하기 시작하면 반복특성이 배관의 피로파괴와 연결이 되기 때문에 언젠가 심각한 문제를 일으킬 수 있다. 특히 위험한 액체를 운송하는 배관에서 누설이 생긴다거나 중요한 설비의 냉각용이 문제될 경우를 대비해서 펌프가 보조시스템을 채용하고 있는 것을 상기하기 바란다.

배관유체진동-펌프

서징(surging)은 송풍기와 압축기와 마찬가지로 펌프에서도 발생한다. 펌프는 공기유체기계와 달리 배관계에 공기와 가스가 공존하는 탱크가 있다는 것과 그 탱크 하부에 유량조절밸브가 있다는 특징이 있다. 여기서 서징이 발생한다. 이를 대비하여 항상 열교환기 등의 잔류공기를 제거하고 시운전하는 대책이 있다.

고압펌프를 낮은 유량에서 운전할 때 흡입측에 캐비테이션(cavitation)의 발생도 없고 성능곡선도 항상 오른쪽으로 감소하는 안정영역이지만 서징과 유사한 맥동현상이 발생하는데 이 것을 동적불안정의 맥동현상이라 한다. 이 주파수 영역에 마침 배관계의 음향고유진동수가 있으면 압력맥동이 자려적으로 증가하여 큰 배관진동이 발생한다. 정격유량을 30%로 운전하여야 맥동을 비로소 피할 수 있다.

급수펌프의 시험운전시 최소유량으로 운전할 때 펌프의 회전수보다 낮은 압력맥동이 생겨 큰 배관진동을 일으킬 수 있다. 이 압력맥동 주파수는 배관계의 2차 음향고유진동에 해당하며 펌프가 그 압력맥동공명모드형상의 반절점(anti node)근처에 있기 때문에 발생한다. 압력맥동의 발생원인은 토출배관의 역류방지 밸브에서 주기적 와류가 발생하고 배관계의 공명모드와 공진하는 것이다. 이때 펌프의 위치는 압력맥동의 음향고유모드의 반절점에 있는 경우이다. 이처럼 펌프의 설치위치의 영향도 유념하기 바란다.

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2020년 7월 10일 금요일

배관유체진동-배관계측장치와 진동

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배관에는 흐르는 유체의 상태(온도, 유량, 유속 등)를 알아내기 위하여 설치된 계측기가 있다. 이 계측기는 정밀기기로서 역시 진동에 취약하다. 특히 고압에 노출될 염려가 있고 위치상에서 공진에 특히 잘 반응할 수도 있다. 누적유량을 정밀하게 측정하는 기어식/루츠유량계, 온도계, 오리피스 등의 사례를 통해 대책을 정리한다.

배관유체진동-배관계측장치진동문제

기어식유량계나 루츠유량계는 용적형으로 내부 회전자 회전속도의 2X, 4X의 주파수에 해당하는 맥동(압력맥동-유량변동)이 발생할 수 있다. 또한 이 맥동주파수는 배관의 액주모드와 일치하여 공명현상을 일으킬 수도 있다. 이 때 발생한 자려진동은 나선형 회전체를 이용하 무 맥동형 유량계로 변경하거나 축압기의 설치로 해결할 수 있다.

온도계보호관도 칼만와류에 의해 진동하고 손상될 수 있다. 유속, 지름과 관련된 칼만와류상수(스트로할수)는 레이놀즈수가 500이 넘는 와류일 경우 거의 0.21로 일정하며 온도계보호관의 기계적 고유진동수와 일치하면 공진이 발생하여 유동과 직각방향으로 격렬하게 배관이 거동한다. 유속이 증가하여도 항상 와류가 방출되는 록인현상(lock in)이 발생하면 원기둥의 진동은 더 큰 양력변화를 일으키게 된다.

감압오리피스의 후미부에 모서리가 있을 경우 오리피스의 앞에서는 유동이 박리되지만 두꺼운 경우 박리한 유동이 오리피스 면에 다시 부착하여 이 것이 진동의 원인이 될 수 있다. 마침 액주공진모드와 맞으면 큰 소음과 진동을 유발하게 된다. 이 때에는 오리피스 후미부를 모떼기 설계(t/d=0.1이하)하면 효과적이다. 이 밖에 다공판 오리피스의 설치도 효과적이다.

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