[논문]원심펌프의 성능개선과 캐비테이션 억제에 관한 연구

최영도; 쿠로카와준이치

doi:10.5293/kfma.2008.11.1.018

원심펌프의 성능개선과 캐비테이션 억제에 관한 연구
Improvement of Pump Performance and Suppression of Cavitation in a Centrifugal Pump 원문보기

유체기계저널 = Journal of fluid machinery, v.11 no.1 = no.46, 2008년, pp.18 - 25

최영도 (한양해양대학교 산학협력단) , 쿠로카와준이치 (요코하마국립대학)

Abstract ▼ AI-Helper

Recent trends of a centrifugal pump are high speed in rotation and high pressure in head with high efficiency to meet the demands of industries. However, the newly developed pumps make trouble of pressure pulsation in the pumping system by performance instability of the pump. Moreover, cavitation, which is a main obstacle of high rotational speed in the pump, occurring in an impeller gives serious damages to the impeller and casing wall. The purpose of present study is not only to develop a simple method to improve pump performance but also to suppress the occurrence of cavitation in the centrifugal pump by use of J-Groove. J-Groove is a shallow groove installed on the casing wall in the meridional direction. The application of J-Groove to a centrifugal pump with a new type impeller of "semi-closed impeller" has proved its effectiveness as a useful countermeasure of the unstable pump performance and cavitation. The results show that the combination of semi-closed impeller and J-Groove can be applied successfully and improves both the pump performance and suction performance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 원심펌프 고속화의 장해가 되고 있는 캐비테이션의 발생 억제 및 그 억제와 동반하여 나타나는 성능불안정 현상을 개선하는 것을 목적으로 하고 있다. 한편, 캐비테이션의 억제 및 펌프 성능향상을 위해서 여러 유체기계에 적용하여 효과가 높은 것으로 입증된 J-그루브를 본 연구에 채용하였다.
이와같이 J-그루브는 케이싱 벽면에 설치되어 사용되기 위해서 지금까지는 개방형 임펠러(open type impeller)밖에 적용할 수 없었지만, 산업계에서 일반적으로 사용되고 있는 밀폐형 임펠러(closed type impeller)를 가진 원심펌프에서도 J-그루브를 적용하기 위해서 새로운 형식의 반밀폐형 임펠러(semi-closed type impeller)를본 연구에 서 제안하였다.

제안 방법

Figs. 6과 8에서 J-그루브가 양정곡선의 성능 불안정 현상 개선 및 반밀폐형 임펠러 사용시 저 유량 역에서 발생하는 캐비테이션의 억제에 효과적임을 확인하였으므로 원심펌프의 흡입 성능을 더욱 개선하기 위하여 J- 그루브 자체 형상의 영향 및 J-그루브와 반밀폐형 임펠러 사이의 매칭 성능에 대해서 검토하였다.
또한, 일반적으로 J-그루브의 작용 원리상 밀폐형 임펠러를 채용한 원심펌프에는 J-그루브의 적용이 불가능하기 때문에, 고효율 및 고흡입 성능의 원심펌프 개발을 목표로 하여 밀폐형 임펠러의 입구 측 측판(front shroud) 일부를 제거하고, 그 부분에 J-그루브를 설치할 수 있도록 반개방형의 형상을 가진 임펠러를 반 밀폐형 임펠러라고 이름을 붙여서 새롭게 제안하였다.
일반적인 비속도 범위의 원심펌프에 대한 불안정성능의 개선과 캐비테이션 발생의 억제를 위하여 반 밀폐형 원심임펠러를 제안하였으며, J-그루브와 함께 설치하여 그 효과를 실험적으로 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
5nF의 탱크에 진공펌프를 접속하여 조절하였다. 작동 유체는 수돗물을 고성능 필터로 여과하여 압력조절용 탱크에 유입시킨 후 탱크 내부를 감압한 상태로 10시간 이상 충분히 탈기운전을 실시하여 용존산소량이 3ppm 이하인 것을 확인한 후에 캐비테이션 실험을 수행하였다.
캐비테이션 실험을 수행하기 위하여 펌프의 흡입 높이를 탱크 내의 수면 높이보다 높게 설정함에 의해 펌프 흡입 압력을 충분히 내릴 수 있도록 하였다. 원심펌프의 유효흡입 양정 Available net positive suction head)는 용량 2.
펌프의 성능 및 흡입 성능에 대해서는 Fig. 1에 보이고 있는 성능시험 장치를 이용하여 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 횡축단 단 원심 펌프의 제원을 Table 1에 보이고 있으며, 회전수 및 설계비 속도가 각각 n=1200 [minF 와 ns=270[m, m3/min, minT] 이다.
한편, Fig. 3(a)에 보이는 바와 같이 반밀폐형 임펠러 I.S에는 J-그루브 A와 함께 Stopper ring (S-ring) 도 함께 설치하여 임펠러 입구 측 내부의 누설손실을 억제하여 효율을 향상시키는 효과도 검토하였다.
흡입비 속도 S는 일반적으로 최고 효율점에서 그 값이 정의되지만 본 연구에서는 각 유량에서 3% 양정 저하 점의 유효흡입 양정으로 정의되는 국소 NPSHr을이용하여 펌프의 흡입 성능을 비교하였다.

대상 데이터

2와 3은 실험에서 채용한 원심임펠러의 형상을 보이고 있으며, Table 2는 각 원심임펠러의 시방을 나타낸다. 본 연구에 사용된 원심임펠러는 크게 나누어서 밀폐형 임펠러와 반밀폐형 임펠러의 2종류로 분류된다. 밀폐형 임펠러는 Fig.

데이터처리

펌프 성능시험과 흡입 성능시험에서는 실험 결과의 신뢰성을 확보하기 위하여 각계측기기의 검정을 실시하였으며, 5회 이상의 동일한 실험을 실시하여 그 평균값을 사용하였다.

이론/모형

발생하게 된다. 따라서 원심펌프의 입구에서 발생하는 캐비테이션을 억제하기 위해서는 펌프의 입구 압력을 최대한 상승시켜야 하며, 그 방법으로서 본 연구에서는 J-그루브를 채용하였다.
하고 있다. 한편, 캐비테이션의 억제 및 펌프 성능향상을 위해서 여러 유체기계에 적용하여 효과가 높은 것으로 입증된 J-그루브를 본 연구에 채용하였다.

성능/효과

1) 반밀폐형 원심 임펠러를 J-그루브와 함께 설치함에 의해 펌프 성능과 흡입 성능을 동시에 개선시킬 수 있으며, 특히 최고 효율점 부근에서 그 효과가 매우 크게 나타난다.
3) 펌프의 성능 곡선에서 나타나는 우상불 안정 현상은 반 밀폐형 임펠러와「그루브를 함께 설치함에 의해 억제할 수 있고, 게다가 캐비테이션과 캐비테이션서어지의 억제에도 효과가 매우 크다.
4) J-그루브 형상의 최적화에 의하여 펌프 성능 및 흡입성능 개선의 효과를 더욱 향상시킬 수 있으며, 상대적으로 넓은 단면적과 많은 수의 그루브를 적용하는 것이 효과적이다.
S와 J-그루브 A 그리고 S-ring을 조합하여 설치함에 의해 양정 계수가 명확하게 증가한다. 또한, 밀폐형 임펠러 U.C에 의해 저유량역에서 발생하는 우상불안정 현상도 반 밀폐형 임펠러 U.S와 J-그루브 C 및 D를 조합하여 설치함에 의해 양정계수가 크게 증가함과 동시에 성능 불안정 현상도 사라짐을 알 수 있다.
C를 장착했을 경우의 흡입비 속도에 대해서 각 임 펠러 단독 및 J-그루브를 함께 장착했을 경우의 흡입비 속도의 변화에 대해서 백분율로 표시한 결과이다. 밀폐형 임펠러 I.C에 비해서 반 밀폐형 임펠러 I.S와 J그루브 A 그리고 S-ring을 함께 장착했을 경우 动妫阪尘0.4의 유량 범위에서 펌프의 흡입비 속도가 증가함을 확인할 수 있다. 또한, 반 밀폐형 임펠러 H.
S 단독 또는 J-그루브 B를 함께 장착할 경우의 흡입비 속도를 비교하고 있다. 반개방형 임펠러 U.S와 J- 그루브 B를 함께 장착할 경우 0.2<硏細<0.7의 유량 범위에서는 흡입비속도가 밀폐형 임펠러 U.C를 장착한 경우보다 높게 나타나서 흡입성능이 개선되지만, 최고효율 점과 과대유량역에서는 흡입비속도가 오히려 더 낮게 나타남을 알 수 있다. 흡입비속도가 낮은 것은 임펠러 입구의 끝단과 라이너 링 사이의 틈새에서 발생하는 팁 캐비테이션이 그 원인으로 판단된다.
이상의 결과로부터 J-그루브를 설치함에 의해 양정의 회복과 효율 증가의 효과를 거둘 수 있음이 명확해졌고, J-그루브의 단면적 비가 클수록 펌프의 성능개선에 효과가 더욱 커짐을 알 수 있다.

후속연구

Fig. 5에서 J-그루브가 펌프의 효율 상승과 불안정성능의 개선에 효과적이라는 것을 확인하였기 때문에, 넓은 유량 범위에서 고효율로 안정된 운전조건을 확보하기 위해서는 J-그루브 형상의 최적화와 반밀폐형 임펠러와의 매칭에 의한 성능에 대해서 검토가 필요하다.

참고문헌 (7)

Greitzer, E. M., 1981, 'The Stability of Pumping Systems ? The 1980 Freeman Scholar Lecture,' ASME J. Fluids Eng., Vol. 103, pp. 193-242

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Kurokawa, J., Saha, S. L., Matsui, J., and Kitahora, T., 2000, 'Passive Control of Rotating Stall in a Parallel-Wall Vaneless Diffuser by Radial Grooves,' ASME J. Fluids Eng., Vol. 122, pp. 90-96

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Saha, S. L., Kurokawa, J., Matsui, J., and Imamura, H., 2000, 'Suppression of Performance Curve Instability of a Mixed Flow Pump by Use of J-Groove,' ASME J. Fluids Eng., Vol. 122, pp. 592-597

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Saha, S. L., Kurokawa, J., Matsui, J., and Imamura, H., 2001, 'Passive Control of Rotating Stall in a Parallel-Wall Vaned Diffuser by J-Grooves,' ASME J. Fluids Eng., Vol. 123, pp. 507-515

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Nagahara, T., Manabe, A., Mukai, H., Okamura, T. and Kurokawa, J., 2003, 'An Improvement of Performance-Curve Instability in an Axial Flow Pump by Use of J-Grooves,' Turbomachinery (of TSJ), Vol. 31, pp. 614-622
최영도, 쿠로카와준이치, 2006, '극저비속도 원심펌프의 펌프성능 및 흡입성능 향상,' 유체기계저널, 제9권, 제3호, pp. 29-35

원문보기 상세보기
Choi, Y.-D., Kurokawa, J. and Imamura, H., 2007, 'Suppression of Cavitation in Inducers by J-Grooves,' ASME J. Fluids Eng., Vol. 129, pp. 15-22

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