[논문]사이드채널형 재생펌프의 성능 특성에 관한 실험적 연구

강신형; 임형수

doi:10.3795/ksme-b.2005.29.3.306

문제 정의

본 연구는 선행되어진 연구를 바탕으로 재생 펌프의 성능에 영향을 주는 요인 중 날개 임펠러 형상, 간극에서의 누설 유량, 입/출구의 수력손실이 재생 펌프 성능에 미치는 영향을 연구하였다. 이를 위해서 본 연구에서는 자동차 연료펌프를 설계하고 이를 시험, 평가하였다.
본 연구에서는 실험값을 이용하여 앞에서 언급한 누설 유량과 입출구 수력손실을 보정하였다.
본 연구는 선행되어진 연구를 바탕으로 재생 펌프의 성능에 영향을 주는 요인 중 날개 임펠러 형상, 간극에서의 누설 유량, 입/출구의 수력손실이 재생 펌프 성능에 미치는 영향을 연구하였다. 이를 위해서 본 연구에서는 자동차 연료펌프를 설계하고 이를 시험, 평가하였다. 실제 임펠러의 크기는 작기 때문에 실제 크기를 그대로 제작하기 위해서는 마이크로 가공 기술이 요구되어 제작비가 비싸고 또 정밀한 가공을 하기가 어렵기 때문에 실험의 정밀도를 높이기가 어렵다.

가설 설정

가정하고 누설 유량을 추정하였다. 스트리퍼 양단에 걸리는 입/출구의 수두 차 H를 알고 있으며, 丑%, 에 따라
재생펌 프 내에서 순환 유동이 원활히 발생한다는 것은 임펠러에서 유체로 에너지가 잘 전달된다는 것을 나타낸다. 따라서 원활한 순환 유동 즉, 임펠러 끝단에서 사이드 채널로의 빠른 접선 속도를 갖는 재생 펌프는, 같은 단면적에 상대적으로 느린 접선 속도를 갖는 것에 비하여 보다 많은 유량을 방출할 것이라 가정하여 설계를 하였다.

제안 방법

(1) 상사를 이용하여 자동차용 재생 펌프를 5배 확대 제작하였고, 간극의 크기에 따른 성능 데이터를 얻을 수 있었다.
2에 나타내었다. 3상 유도 전동기로 재생 펌프를 구동하였으며 동력, 토크 및 효율의 측정을 위하여 재생 펌프와 전동기 사이엔 토크 미터를 장착하였다.
ShimosakaS 는 개수로 형의 재생 펌프를 이용하여 날개 수, 간극, 채널 면적의 치수 변화에 대한 실험과 1차원 해석을 하였다. Hollenberg ⑺는 재생 펌프의 레 이 놀즈 수 변화에 대한 성능 실험을 수행하였다. 또한 Hubel(3) 은 레이저 시트를 이용하여 자동차 연료펌프의 내부 유동 가시화를 하였고, 내부 유동의 수치계 산을 수행하였다.
재생 펌프에 대한 연구는 일찍이 1950년대부터 활발히 이루어졌다. ShimosakaS 는 개수로 형의 재생 펌프를 이용하여 날개 수, 간극, 채널 면적의 치수 변화에 대한 실험과 1차원 해석을 하였다. Hollenberg ⑺는 재생 펌프의 레 이 놀즈 수 변화에 대한 성능 실험을 수행하였다.
실제로 간극을 통한 누설 유량은 성능에 큰 영향을 미치기 때문에 간극을 변화시키면서 성능 실험을 수행하였다. 간극에서 발생하는 누설유 량과 입/출구에서의 수력 손실을 보정하여 임펠러 단독의 정상 상태의 성능을 구하였고, 이를 수치해석 결과와 비교 하였다. 또한 캐비테이션이 발생하였을 경우 재생 펌프의 성능 특성의 변화도 알아보았고, 펌프 내부의 캐비테이션의 변화도 관찰하였다.
실제 임펠러의 크기는 작기 때문에 실제 크기를 그대로 제작하기 위해서는 마이크로 가공 기술이 요구되어 제작비가 비싸고 또 정밀한 가공을 하기가 어렵기 때문에 실험의 정밀도를 높이기가 어렵다. 그래서 성능평가를 위하여 상사 법칙을 이용하여 5배 확대 제작한 후, 물을 작동 유체로 하여 시험하였다. 실제로 간극을 통한 누설 유량은 성능에 큰 영향을 미치기 때문에 간극을 변화시키면서 성능 실험을 수행하였다.
그리고 입구와 출구 측 케이싱에 원주 방향으로 45- 간격으로 압력구멍을 설치하여 입구에서 출구까지의 위치에 따른 압력 상승을 계측할 수 있게 하였다. 여기서 얻은 데이터는 임펠러 베인의 정상 압력상승량을 독립적으로 구하고, 입/출구 부에 서의 수력손실을 구하고 보정하는데 이용되었다.
본 재생 펌프 성능 실험은 5배 확대 제작된 임펠러(모델 A)에 대하여 400 rpm, 600 rpm, 800 rpm에서 이루어졌다. 그리고 한 회전수에 대하여 출구 밸브를 조절함으로써, 유량을 변화시켰고 그때의 재생 펌프 출구 압력을 측정하였다. 자동차용 재생 펌프를 5배 확대 제작하는 과정에서, 가공오차 등으로 인해 임펠러와 케이싱 사이의 간극이 실제 자동차 재생 펌프의 간극(0.
재생 펌프는 임펠러와 케이싱 사이의 간극의 크기에 따라 누설 유량이 변하는데, 이것은 재생 펌프의 성능에 큰 영향을 준다. 따라서 본 실험에서는 누설 유량을 줄이기 위해 0.1 mm 정도 두께의 sheet을 임펠러 표면의 area 1영역에 붙이는 방식으로 간극을 조정하면서 성능시험을 수행하였다.
간극에서 발생하는 누설유 량과 입/출구에서의 수력 손실을 보정하여 임펠러 단독의 정상 상태의 성능을 구하였고, 이를 수치해석 결과와 비교 하였다. 또한 캐비테이션이 발생하였을 경우 재생 펌프의 성능 특성의 변화도 알아보았고, 펌프 내부의 캐비테이션의 변화도 관찰하였다.
레이놀즈수를 고려한다면, Table 1에서 연료펌프의 회전수가 7, 500 rpm 이라고 할 때, 5배 확대모델의 운전 회전수는 555 rpm 이다. 레이놀즈 수의 영향을 추가로 고려해 보기 위하여 400ipm, 600 rpm, 800rpm에 대하여 성능 실험을 수행하였다.
본 실험에서는 입구에서 출구 사이를 45° 간격으로 입구 케이싱과 출구 케이싱 쪽에 총 17곳 의 압력을 측정하였다. Fig.
본 연구에서는 또한 CFX-TASC flow를 이용하여 재생 펌프에 대한 CFD 시뮬레이션을 하였다. 하나의 임펠러 베인과 사이드 채널에 대하여 압력 상승이 각도에 따라 일정하고, 누설 유량과 입 출구 손실 등이 없다는 조건하에서 3차원 계산을 수행하였다.
본 연구에서는 사이드 채널과 임펠러 날개 사이에서 발생된 유체의 순환 유동 원활히 하기 위하여 임펠러를 설계하였으며, 상용되는 연료펌프보다 5배 확대하여 제작하였다.
자동차 연료펌프는 운전 시 흡입조건에 따라 캐 비테이션 현상이 일어난다. 본 연구에서는 진공 펌프를 사용하여 입구압을 강제로 낮추고 회전수를 1, 200rpm으로 높임으로써 캐비테이션 현상을 쉽게 유도하였다. 그리고 그때의 재생 펌프의 성능 특성을 구할 수 있었다.
그래서 성능평가를 위하여 상사 법칙을 이용하여 5배 확대 제작한 후, 물을 작동 유체로 하여 시험하였다. 실제로 간극을 통한 누설 유량은 성능에 큰 영향을 미치기 때문에 간극을 변화시키면서 성능 실험을 수행하였다. 간극에서 발생하는 누설유 량과 입/출구에서의 수력 손실을 보정하여 임펠러 단독의 정상 상태의 성능을 구하였고, 이를 수치해석 결과와 비교 하였다.
그리고 입구와 출구 측 케이싱에 원주 방향으로 45- 간격으로 압력구멍을 설치하여 입구에서 출구까지의 위치에 따른 압력 상승을 계측할 수 있게 하였다. 여기서 얻은 데이터는 임펠러 베인의 정상 압력상승량을 독립적으로 구하고, 입/출구 부에 서의 수력손실을 구하고 보정하는데 이용되었다.
운전 유량은 재생 펌프 출구 쪽에 위치한 유량 밸브를 통하여 조절하였으며, 유량측정은 오리피스 관 양단에 발생된 압력 차를 이용하여 구할 수 있었다. 캐비테이션 실험 시에는 오리피스 관 이후에 출구 유량 밸브를 장착하였다.
본 연구에서는 또한 CFX-TASC flow를 이용하여 재생 펌프에 대한 CFD 시뮬레이션을 하였다. 하나의 임펠러 베인과 사이드 채널에 대하여 압력 상승이 각도에 따라 일정하고, 누설 유량과 입 출구 손실 등이 없다는 조건하에서 3차원 계산을 수행하였다. 그 계산된 결과와 보정된 성능 값을 Fig.

대상 데이터

설계된 자동차 연료펌프의 직 경은 30 mm이 고 5배 확대된 모형의 크기는 150 mm로 제작하였다. 모델과 프로토타입 간의 상사 법칙을 적용하여 실험 장치 및 방법이 구성되어져야 했다.

이론/모형

모델 A의 간극에 의한 중심부(영역 1)에서의 누설 유량을 구하고 이것을 성능 실험값에 보정하기 위하여, 본 연구에서는 다음의 1차원 누설유 량 보 정식 (1) 을 이용하였다.

성능/효과

(2) 1차원 누설 유량 보정 식과 스트리퍼 에서 의 1차원적인 해석을 통하여 각 위치에서의 누설 유량을 계산하였고, 간극이 없다고 할 때의 보정 성능을 구할 수 있었다.
(3) 위치에 따른 수두 값을 측정하여 펌프의 입 출구 및 과도 구간에서의 손실 수두를 구할 수 있었다. 그리고 계산된 손실 수두를 실험값에 보정 할 수 있었다.
(4) 재생 펌프의 성능 보정을 통한 값과 수치해석으로 얻은 값을 비교하였으며, 작동 점을 기준으로 어느 정도 일치하는 경향을 나타냈다.
6에 나타내고 시험 결과와 비교하였다. 계산한 값과 최종적으로 보정된 성능 값의 경향은 전체적 으로 비슷하지 만, 압력계수가 높아지면서 유량에서 차이를 보였다. 운전 점 근처에서 보정된 성능 값과 계산한 값이 잘 일치하는 것을 볼 수 있다.
054 만큼의 수두 손실이 발생하였다. 보정된 출구압이 畝«幡= 2.92 임을 감안하면 각각 19.21%, 1.85 %의 손실이 발생한 것이며, 이러한 입/출구의 수두 손실 보정으로 전체 21%의 출구 압 성능 보정을 할 수 있었다.
본 캐비테이션 실험에서는 유량이 많을수록 비속 도가 선형적으로 감소하는 것을 볼 수 있다. 이것은 유량이 증가할 때 NPSH가 더 크게 증가 함을 뜻하며 Fig.

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