[논문]심해저 양광펌프시스템 연구개발 기술보고[과제명 : 심해저 광물자원 양광시스템 개발연구]

윤치호; 박종명

doi:10.5293/kfma.2009.12.2.062

문제 정의

1차년도에 적용한 수치해석법은 간단화된 원심형 펌프의 블레이드 개수에 따른 유동 형태를 규명하고 적절한 블레이드 개수를 제안하는 것에 목적을 두었다. 그러나, 수치해석 결과는 주로 정성적인 블레이드 수에 따른 펌프 내부의 유동연구였으며 정량적인 결과로는 활용될 수 없었다.
산업적 그리고 사회 . 문화적 측면에서의 연구개발 필요성에 대하여, 본 기술보고에서는 현재 국내에서 독자적으로 연구 개발되고 있는 관련 기술에 대해서 살펴보기로 하며, 향후 추진되어야 할 연구개발과제에 대해서도 검토해보기로 한다.

제안 방법

2차년도 연구과제의 성과는 1차년도에서 확정된 임펠러 부의 블레이드 3개를 적용한 펌프를 토대로 펌프의 구동부 외에 다른 부속부인 유입부의 형상에 따른 펌프 성능 영향을 평가하였으며 중요한 연관 관계를확인할 수 있었다.
근해역 시운전용 펌프는 2단의 임펠러부와 가이드 베인 부로 구성된 사류형 펌프로 제작되었으며, 펌프 유로의 특성상 펌프 출구영역에서 발생 가능성이 높은 전압손실과 망간단괴의 적체현상을 개선하기 위하여 유로가 완만하게 변화하도록 설계하였다.
근해역 채광시험을 위해 제작된 양광펌프의 성능을 검증하고 곡관을 포함하는 유연관내 고-액 혼합 물의 유동 특성을 파악하기 위한 고-액 2상류 유동실험을 수행하였으며, 총 양정 55m의 양광펌프는 원심펌프로서 펌프의 상하단에는 유연관이 연결된다.
또한, 스테인리스 베어링이라 하더라도 장시간의 해수에 노출될 경우 산화와 부식 작용이 필연적이다. 따라서 본연구개발사업에서는 그림 5에서 보이는 바와 같은 특수 오일레스 베어링을 활용함으로써 이러한 문제점을 보완하도록 하였다.
또한, 축추력 차압보상장치에 대해서 보완하였으며, 펌프 모터부에 동력전달부의 미케니컬 씰 처리를 위해 컴페세이터 활용을 제안하였다.
이를 위해서 기존의 원심형 송출기능을 더한 축류와 원심형 송출성능을 갖는 임펠러의 설계를 위한 수치해석과 더불어, 다상(multi*phase)류의 고압송출 특성을 갖기 위한 2단형 임펠러 형상설계 및 이를 바탕으로 수심 30m를 전후한 근해역에서의 실해역 성능시험이 가능한 양광펌프를 개발 및 제작하였으며, 실해 역 실증시험을 성공적으로 마쳤다.
현재까지 추진된 본 연구개발사업을 통하여 설계, 제작 및 시험 적용된 1세대형 양광펌프 설계기술을 근간으로 하여 실제 해역에서의 양광성능 모사를 위한 차세대형 프로토타입의 다단형 양광펌프를 설계 및 제작하여 시운용 하였다.
제작된 원심식 1세대형 프로토타입 펌프를 활용하여 그 성능을 평가해보고자 했으나, 실제 펌프의 형상보다는 계산적 편이에 치중하여 유동장의 단순화로 인하여 정밀한 정략적 해석 결과를 얻는 것에는 한계가 있었다. 형상 비교 조건으로서 펌프 입구부가 급속 확장되도록 설계된 모델1과 완만하게 확장되도록 설계한 모델2에 대한 정성적 평가를 수행하였다.

대상 데이터

그림 14는 양광펌프 하부의 유연관 형상 개략도를 보이고 있으며, 실험에 사용된 유연관은 해양채광에 적합하도록 직경 100mm, 단위길이 10m로 제작되었다. 실험을 수행한 결과, 그림 15에서와 같이 20%의 고체 체적점유율까지 양광실험에 무리가 없는 것으로 확인하였으며, 기존에 개발된 전산모델의 예측이 실험 결과와 유사함을 확인하였다.
있다. 양광타워는 30m의 수직고를 가지며 5층으로 구성되어있다.

성능/효과

제작되었다. 실험을 수행한 결과, 그림 15에서와 같이 20%의 고체 체적점유율까지 양광실험에 무리가 없는 것으로 확인하였으며, 기존에 개발된 전산모델의 예측이 실험 결과와 유사함을 확인하였다.

후속연구

두었다. 그러나, 수치해석 결과는 주로 정성적인 블레이드 수에 따른 펌프 내부의 유동연구였으며 정량적인 결과로는 활용될 수 없었다. 그림 6은 블레이드 수에 따른 2 차원 펌프 내부유동장의 전압분포이며, 표 3에 블레이드 매수에 따른 유동해석 결과를 보이고 있으며, 표 4 에 단상 및 다상 유동해석에 따른 해석결과 비교를 나타내고 있다.
그리고, 양광펌프 시스템의 설치방법에 대한 정보를 수집하여 검토하였으며, 추후로도 태평양 광구의 실해 역에 적용될 심해저용 펌프의 새로운 부속장치의 발굴과 심해저 양광작업 시에 나타날 수 있는 문제점을 관심 있게 검토해 볼 예정이다.
있다. 따라서, 관련 산업의 육성과 개발을 촉진시키기 위해서는 심해저 양광시스템의 필수요소인 양광펌프시스템의 연구개발이 선행되어야 하며, 우수한 성능의 양광펌프시스템의 개발은 국내의 펌프 산업계에 차세대 첨단산업화를 위한 동기부여 및 관련 산업의 경제적인 성장에 크게 이바지할 수 있는 계기가 될 수 있을 것이다.
따라서, 설계시에 망간단괴 입자를 포함하는 고액이 상류의 유동특성에 관한 각종 연구, 양광성능에 관한 실험 및 이론해석 등에 의한 요소기술개발을 실시할 필요가 있다.(T)
확장 해석하는 것에 주안점을 두었다. 제작된 원심식 1세대형 프로토타입 펌프를 활용하여 그 성능을 평가해보고자 했으나, 실제 펌프의 형상보다는 계산적 편이에 치중하여 유동장의 단순화로 인하여 정밀한 정략적 해석 결과를 얻는 것에는 한계가 있었다. 형상 비교 조건으로서 펌프 입구부가 급속 확장되도록 설계된 모델1과 완만하게 확장되도록 설계한 모델2에 대한 정성적 평가를 수행하였다.
펌프 최종 출구단의 형상이 펌프 전압에 미치는 영향이 매우 크게 나타남을 본 과제의 수행을 통하여 확인하였으며, 최적형상 결정에 대한 연구가 지속되어야할 것이다. 또한, 높은 양정을 달성하기 위해서 채용될 예정인 다단펌프의 경우 축추력에 대한 정밀한 검토가 선행되어야 하며, 축추력 발생에 따른 차압 보상 장치의 적용이 필요하다.

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