송풍기 서징·선회실속

왜 배우는가: 송풍기는 환기와 연소용 공기 공급 등 여러 설비에 쓰이며, 풍량을 줄이는 운전에서 서징과 선회실속이 발생하기 쉽다. 두 현상을 구분하지 못하면 원인 진단과 대책이 엇갈리므로 시험에서 반복해 다뤄지는 개념이다.

출제 이력: 제138회 4교시 2번, 제126회 1교시 13번, 제122회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

서징은 송풍기와 덕트계의 운전점이 불안정 영역에 놓여 풍량과 압력이 주기적으로 크게 맥동하는 현상이다. 선회실속은 임펠러 날개 통로 일부에서 박리영역이 원주 방향으로 이동하는 불안정 현상이다.

핵심 키워드는 서징, 선회실속, 운전점, 불안정 영역, 맥동, 실속영역, 역류이다.

두 현상은 모두 송풍기의 저유량 운전에서 나타나지만 발생 범위가 다르다. 서징은 송풍기와 덕트계를 하나의 계로 볼 때 생기는 현상이고, 선회실속은 임펠러와 날개 통로의 국부 유동 현상이다. 따라서 답안에서는 정의 문장을 먼저 쓰고, 그다음 두 현상의 발생 범위를 구분하여 설명하는 것이 기본 구성이다.

2. 개념 풀이

서징(surging)은 송풍기가 덕트, 필터, 댐퍼 등 저항과 용량을 가진 유로계에 연결되어 운전될 때, 풍량과 압력이 주기적으로 크게 변동하는 공기역학적 불안정 현상이다. 서징이 발생하면 송풍기 토출 압력과 계통 압력이 균형을 잃고, 풍량이 줄면서 압력이 오르는 과정과 역류 또는 풍량 회복이 반복된다.

송풍기 특성곡선에서 압력은 풍량에 따라 변한다. 압력 최고점보다 풍량이 적은 쪽에서는 풍량이 줄수록 압력이 높아진다. 계통 저항이 이 압력을 넘어서면 유량이 역전되고 압력이 떨어져 다시 풍량이 회복되므로, 이 과정이 주기적으로 반복되어 맥동이 생긴다. 이때 덕트와 공기실이 압력을 일시적으로 저장하고 방출하면서 유량 변화와 압력 변화 사이에 시간 지연이 생기고, 이 지연이 맥동의 주기와 관련된다. 운전점이 압력 최고점보다 풍량이 적은 쪽에 놓이면 서징이 발생할 수 있다.

선회실속(rotating stall)은 유입각이 설계점에서 벗어나거나 저유량으로 운전되어 날개 받음각이 커지면, 날개면 경계층이 박리되어 일부 날개 통로에 실속영역이 생기는 현상이다. 한 날개의 실속영역은 옆 통로의 유입 조건을 바꾸어 인접 날개의 받음각을 더 키우므로, 실속이 다음 날개로 넘어가면서 실속영역이 날개열의 원주 방향으로 이동한다. 실속영역은 회전자보다 느리게 이동하며, 지나가는 날개마다 주기적인 하중과 압력 변동을 준다. 전체 유량은 대체로 흐르지만 국부적으로는 역류가 나타날 수 있다.

두 현상은 서로 독립적이지 않다. 선회실속으로 날개 통로의 유동이 흐트러지면 계 전체의 풍량과 압력 관계가 바뀌어 서징을 유발하거나 악화시킬 수 있다. 다만 선회실속이 있다고 해서 항상 서징이 동반되는 것은 아니다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 운전점은 송풍기 특성곡선과 계통 저항곡선이 만나는 점으로, 서징과 선회실속이 발생할지를 정하는 기준이다. 저항곡선이 바뀌면 운전점이 이동하므로 필터 막힘이나 댐퍼 조작이 불안정 발생과 직접 연결된다.
• 불안정 영역은 압력 최고점보다 풍량이 적은 저유량 쪽의 구간이며, 이 구간에서 운전하면 서징이 나타난다.
• 실속영역은 박리로 흐름이 막힌 날개 통로 부분이며, 선회실속에서 원주 방향으로 이동하는 주체이다.

3. 등장 배경과 필요성

송풍기는 공장 환기, 보일러 연소용 공기 공급, 집진 설비 등 덕트계 전체에 공기를 공급하는 기계로 널리 쓰인다. 이 설비들은 공정 부하에 맞춰 풍량을 줄여야 하므로 댐퍼를 닫거나 회전수를 낮추는 운전이 흔하다. 그런데 풍량을 과도하게 줄이면 운전점이 불안정 영역으로 이동하여 서징과 선회실속이 발생할 수 있다. 이 문제는 송풍기 단독 특성이 아니라 덕트계 저항과의 조합에서 나타나므로, 설계 단계부터 계통 전체를 함께 고려해야 한다.

현장에서는 필터가 막혀 계통 저항이 커지면 풍량이 줄고, 이때 댐퍼를 더 닫으면 저유량 불안정이 심해지는 경우가 있다. 이처럼 운전 조건이 조금씩 바뀌는 과정에서 불안정 영역에 들어가므로, 운전 중 풍량 하한과 운전점을 지속적으로 감시할 필요가 생겼다. 같은 불안정 현상은 공기압축기에서도 나타나며, 압축기 계열은 송풍기와 원리를 공유한다.

두 현상의 진단 양상도 다르다. 서징은 계 전체에 걸친 저주파 풍량·압력 맥동이 특징이고, 선회실속은 날개 통로 단위의 주기적 하중 변동으로 나타난다. 이 차이를 알아야 진동과 압력 신호를 보고 어느 쪽인지 구분할 수 있다.

서징과 선회실속은 송풍기 성능을 떨어뜨리는 데서 그치지 않고 기계 손상을 일으킨다. 서징에서 나타나는 큰 풍량·압력 맥동과 진동은 덕트와 지지 구조, 축과 베어링에 반복 하중을 주어 피로 손상의 원인이 된다. 선회실속은 날개마다 주기적인 하중 변동을 주어 날개 균열과 진동·소음을 키운다. 따라서 두 현상을 구분하여 발생 조건을 알고, 운전 중 풍량 하한을 관리하는 것이 필요하다.