배관유체진동-압축기송풍기

 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.

 

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배관진동, 파이프진동, 설비진단, 배관진동의 측정, 배관진동설계, 유체진동

 

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유체진동-5-칼만과 록인

 유체진동-5-칼만과 록인

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유체의 와류(Vortex shedding)에 대한 진동으로는 유속’V’의 유동장에 놓인 직경 ‘D’의 후방에서 발생하는 칼만와류가 있다. 이 현상은 매우 변화무쌍한 유동유체 물리현상이며 유체의 밀도와 점성계수와도 관련이 있다. 관군을 형성했을 때 매우 큰 진동과 파괴를 유발할 수 있으며 공진(록인현상)과도 매우 밀접하다. 유체의 유기활동에 민감한 교량, 파이프관군, 초고층건축물, 수력기기 등에 설계가 감안이 되어 있다.

Karman vortex & Lock in

이 칼만와류는 유동의 직각방향으로 양력변동을 일으켜 원기둥일 경우 유동과 직각방향으로 진동한다.

 

 

 

 

여기서 스트로할 수는 상수인데 와류의 발생은 레이놀즈수 ‘Re’와 관련이 있다. 이 상수는 안정한 와류, 원기둥일 경우 0.2의 상수이며 기둥의 형상에 따라서 변동이 있다.

 

칼만와류의 생성을 방지하려면 기둥 후부의 형상변경, 후류제어 표면유동교란방법이 있다. 대체로 유동직각방향의 진동현상이 주요하지만 유동방향의 진동도 문제가 있었다. (1995년 12월 몬주 원자로사고, 대칭와류에 의한 유동방향진동(In line진동). 또한 배관의 군(array)에 의한 진동현상도 복잡한 연구의 결과를 보이는데 병렬로 배치했을 때 엇갈려 배치했을 때의 결과 등에 의해 다양한 공명진동도 발생한다.

유동 속에 놓인 원기둥은 칼만와류 발생주파수로 진동할 때의 상태를 강제진동으로 본다면 이 때 지지부를 포함한 원기둥의 고유진동수와 가진주파수가 일치하면 공진(Resonance)이 발생한다. 이 때 다시 유속을 올려도 진동은 즉시 멈추지는 않고 유속을 많이 올려야 진동이 작아진다. 이처럼 와류 가진주파수가 시스템의 고유진동수에 가까워지면 공진하는데 일단 진동이 커지면 와류가진주파수와 관계없이 고유진동수 성분의 진동이 지속된다. 이를 잠김(Lock in)현상이라고 한다. 따라서 칼만와류에 의한 진동은 강제진동이며 또한 자려진동이기도 하다. 이때의 대책은 다음의 예를 들 수 있다.

 

-기둥에 나선형 고리를 부착(spoiler)

-사각기둥일 경우 모서리에 홈을 만들어 난류를 임의형성(와류생성방해)

-원기둥 후류에 유동분리판 설치(분기장치)

-기타 발생주파수를 와류주파수와 이격(공진회피)

 

키워드	유체진동, 자려진동, cavitation, surging, BPF, Recirculation, 캐비테이션, 공동현상, 난류유동, 와류진동

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배관유체진동-펌프

 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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유체기계에서 발생할 수 있는 진동의 원인과 현상

 유체기계의 진동 (유체기계에서 발생할 수 있는 진동의 원인과 현상)

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회전기계의 질량불평형과 고체와 고체간의 마찰과 충격에 의해 진동이 발생하지만 또 하나 진동의 발생원이 있다. 고체와 유체간의 마찰에 의해 발생하는 자려진동(Self-Excited)이 그 것이다. 이 자려진동은 비선형 진동의 일종으로서 예측이 어렵고 다양한 원인과 결과를 동반한다. 근본원인은 유체에도 동하중(질량과 속도)이 존재하기 때문이다.

대표적인 유체기계는 팬(Fan)과 펌프(Pump)가 있고 이송유체가 기체인가 또는 액체인가에 따라 구분되며 기체를 이송하는 유체기계에서도 압력에 따라서 Fan(팬, 송풍기; 0.1kg/m²이하), Blower(블로워; 0.1kg/m²이상), Compressor(압축기; 1kg/m²이상)로 구분하여 호명하기도 한다.

유체진동의 종류

유체진동은 유체가 압력의 이상균형상태로 인해서 발생되는 경우와 난류발생에 의해서 불규칙한 진동이 유발되는 경우 또는 고체와의 마찰에 의해서 후면에 발생되는 경우 등 다양하게 현상이 발생한다.

진동 시간파형은 불규칙을 나타내며, 스펙트럼의 형태는 Floor noise가 큰 형태 또는 일정구간(광대역)에 걸쳐 주파수 군이 형성된 경우, 또는 협대역인 이산주파수로 나타날 경우 등 표현도 다양하다. 다음의 표에서는 다양한 유체진동의 현상을 정리해 놓았다.

 

진동의 종류	원인 및 현상
BPF(Blade Pass Frequency)	-유체이송 날개에 이송된 유체와 유체기계의 Cut off부를 통과할 때 맥동파형이 발생  (날개수*회전수=주파수) -이산주파수 (유체기계에서 반드시 발생함)
Cavitation	-흡입압력이 낮고 유량이 높을 때 발생, -액체에서 기포가 형성되어 흐름을 저해, 진동을 유발, 기포파괴시 고체표면 진동발생, 대체로 300~2,000Hz대역, 광대역 주파수, 불규칙 충격성 시간파형. -모래가 쓸리는 소음 발생.
Surging	-토출압력이 놓고, 유량이 낮을 때 발생 -PQ곡선에서 어긋나는 조건 사용으로 인해 맥동압이 발생 -양쪽 압축기에서 토출압을 하나로 모을 때 서로 압력이 달라서 충격을 주며 빠져나가는 현상.
Recirculation	-흡입압력이 높고, 유량이 낮을 때 발생
choking	-토출압 낮고, 유량이 낮을 때 발생
Water hammering	-갑작스런 유체이송의 차단시 유체질량의 동압이 고체에 가해지는 충격진동 , 0.1~10Hz
Turbulent	-유체가 층류구간을 벗어나 난류영역(곡관부, 유속마찰, 고속유체, 고체와의 마찰부 등)에서 발생하는 불규칙한 진동, 1xHz이하
Oil whirl	-축의 거동에 의해 유체(윤활유)가 휘돌리며 동반 운동하는 현상 -공진유발(Whip), 0.45x
Rotating Stall	-선회실속 -고속 회전에 의해 유체를 이송시 날개 후면에 기포가 발생하여 이송을 저해하고 강한 진동을 유발하는 현상.
Karman Vortex	-유체의 흐름을 저해하는 고체의 후면에 와류에 의해 일정주파수에서 고체가 공진하는 현상 (Fn=St*V/D)

 

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배관유체진동-배관계측장치와 진동

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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유동유체 속에 있는 고체의 고유진동수 (바람과 물 또는 스팀 속에 있는 횡으로 가로지르는 튜브나 배관 등의 고유주파수 산출방법)

유동유체 속에 있는 고체의 고유진동수 (바람과 물 또는 스팀 속에 있는 횡으로 가로지르는 튜브나 배관 등의 고유주파수 산출방법)

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고체와 유체간의 마찰에 의해 발생하는 자려진동(Self-Excited)이 있다. 스스로 가진되는 진동을 말하지만 진정한 의미는 유체의 유동력에 기인(Flow induced)한다. 이 자려진동은 비선형 진동의 일종으로서 예측이 어렵고 다양한 원인과 결과를 동반한다. 근본원인은 유체에도 동하중(질량과 속도)이 존재하기 때문이다. 예를 들면, 바람 속에 흔들리는 프래카드나 전기줄(Galloping), 비행기날개(Flutter), 물속에서 흔들리는 프로펠러나 노, 열교환기 스팀속에서 특이속도가 될 경우 강하게 진동이 유발되는 튜브(Tube)나 밸브(Valve)가 모두 해당된다. 자세히 살펴보면 어떠한 고유한 주파수와 관계가 있음을 알 수 있다.

유동유체속 횡봉의 고유주파수

유체의 거동이 발생하여 어떠한 법칙으로 특정용기나 물체가 가지고 있는 고유주파수(natural frequency)를 건드리게 되면 진동이나 소음이 발생되고 배관의 길이나 다른 고유주파수 또는 기타 송풍기 및 펌프 등의 회전주파수 등과 일치하게 되면 공명 또는 공진이라 하여 더욱 강한 소음 또는 진동을 유발하게 된다. 예를 들어, 원형봉을 유체의 흐름에 횡방향으로 배치했을 경우 원형봉의 지름과 유체의 속도에 따라 크게 흔들릴 때가 있는데 이 것을 설명할 수 있다.

즉, 유체의 흐름을 저해하는 고체의 후면 중심방향으로 회전하여 흐르는 와류에 의해 일정주파수에서 고체가 강하게 진동하는 현상을 와유기 현상을 Karman vortex라고 한다. 흔들려서 강

하게 진동하는 이때를 Lock-in되었다고도 한다. 이는 다음의 규칙을 따른다. 이때 스트로홀수(St)는 고체의 단면형상이나 고체간 배열을 통해 정해지는 상수로서 실험이나 해석을 통해 유추할 수 있다.

이 현상이 발생하면 고체의 피로파괴는 순식간에 진행이 되므로 실험과 해석을 통해 설계상 대책을 세우는 것이 적절한 방법이다. 이 때 대책으로는 고체단면의 형상을 Fairing(덮게)과 같은 유선형 타입으로 설계하거나 Strake(가이드) 등 다양한 설계를 통해 고체의 유속마찰을 줄이는 방법이 있다.

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