[논문]수중 모터펌프 베어링 유닛 열전달 해석

윤정의; 변형균

doi:10.9725/kstle.2011.27.4.198

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The purpose of this paper is to find a proper cooling system of bearing unit in the submersible motor pump to extend a life time. To do this, heat transfer analysis of the submersible motor pump were performed using commercial CFD code ANSYS. In order to obtain the resonable heat transfer simulation...

The purpose of this paper is to find a proper cooling system of bearing unit in the submersible motor pump to extend a life time. To do this, heat transfer analysis of the submersible motor pump were performed using commercial CFD code ANSYS. In order to obtain the resonable heat transfer simulation results, we first set up mathematical model of heat source in the bearing system, and carried out heat transfer analysis with the model. As a results, new type bearing cap which had several ribs for cooling the bearing was proposed. Finally, through the comparison between experimental results of old and new model pump, we proofed that maximum bearing temperature of new model was about 10% lower than that of old model.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 22 KW급 수중 모터 펌프에 사용되어지고 있는 베어링의 수명 연장을 위해 베어링 부위의 온도를 낮추기 위한 방편으로 상업적으로 가용한 범위에서 적절한 냉각방안을 마련하는 것을 목적으로 수행하였다. 이를 위해 먼저 기존 펌프에 대해 베어링에서 발생하는 열원(heat source)을 수학적으로 모델링한 함수를 사용하여 펌프에 대한 열전달 해석을 수행하였으며, 나아가 베어링에서 발생한 열을 밖으로 효과적으로 배출하기 위한 베어링 하우징 설계를 상용 전산해석 프로그램인 ANSYS를 활용하여 수행하였다.
본 연구는 수중 모터 펌프에 사용되어지고 있는 베어링의 수명 연장을 위해 베어링 작동 온도를 낮추기 위한 적절한 냉각 방안을 찾기 위해 수행 되었다. 이를 위해 베어링에서 발생하는 열원(heat source)을 수학적으로 모델링한 함수를 사용하여 상용 해석프로그램인 ANSYS를 활용하여 펌프에 대한 열전달 해석을 수행하는 방법을 사용하여 개선안을 도출하였다.

제안 방법

본 연구에서는 이러한 값들을 입력 조건(열원)으로 설정하여 상용 열전달 해석 프로그램인 ANSYS를 사용하여 펌프의 열전달 해석을 수행하였다. 그리고 경계조건으로는 Fig. 4와 같이 펌프의 외벽은 물에 잠기게됨에 따라 물과의 자연대류 조건을 입력으로 설정하였으며, 펌프 내부의 경우는 공기와 자연대류 열전달이 일어난다는 조건을 경계조건으로 설정하여 정상 열전달 해석을 수행하였다. 전체적인 해석과정은 초기에 베어링 부위의 온도를 가정하여 계산을 수행한 후 가정한 값과 계산 결과를 비교 판단하여 오차가 1℃ 이하가 될 때까지 반복 계산하는 방법을 사용하였다.
펌프에 사용되는 베어링 유닛 부위의 열 해석에 있어서 열원으로 작용하는 것은 모터부위와 베어링의 마찰열이다. 베어링의 마찰에 의한 발열에 비해 모터의 발열량은 상대적으로 적은 값을 가지므로 본 연구와 관련한 베어링 유닛의 열전달해석에서 열원으로는 운전 중 베어링에서 발생하는 마찰열만을 고려하였다. 이때 발생하는 마찰열 Q는 식(1)에 의해 표현 될 수 있으며, 발열의 원인인 볼의 마찰력은 베어링에 작용하는 하중과 관계하지 않는 부분 M₀ 및 관계하는 부분인 M₁로 각각 (3), (4) 식과 같이 표현 될 수 있으며, 최종적인 마찰 모우멘트는 (2) 식에서 표현한 것과 같이 이들을 합한 값이 된다[3-5].
본 연구에서는 상업성(최대 무게 증가를 2 kg으로 제한)을 고려하여 최종적으로 리브의 원주방향간격 a=45°로 그리고 두께 d=24 mm로 결정하였다.
이와는 반대로, 온도가 증가함에 따라 점도가 지수 함수적으로 감소함으로 인해 발생열량은 감소하는 특성을 가진다는 것을 보여준다. 본 연구에서는 이러한 값들을 입력 조건(열원)으로 설정하여 상용 열전달 해석 프로그램인 ANSYS를 사용하여 펌프의 열전달 해석을 수행하였다. 그리고 경계조건으로는 Fig.
10은 실험 검증을 위해 베어링 외륜 부위의 온도를 측정하기 위한 열전대 및 펌프 조립 그리고 측정을 위해 물속에 설치된 시험펌프의 모습을 나타내는 그림이다. 실험에서는 운전 중(1750 rpm, full load) 욕조의 물 온도와 베어링 외륜의 온도를 GRAPHTEC 800 데이터 로그를 사용하여 측정하였으며, 베어링 외륜의 온도는 그림에서처럼 4방향에 설치된 k-type 열전대로부터 5초 간격으로 온도의 변화가 더 이상 없는 45분까지 측정하였다.
4와 같이 펌프의 외벽은 물에 잠기게됨에 따라 물과의 자연대류 조건을 입력으로 설정하였으며, 펌프 내부의 경우는 공기와 자연대류 열전달이 일어난다는 조건을 경계조건으로 설정하여 정상 열전달 해석을 수행하였다. 전체적인 해석과정은 초기에 베어링 부위의 온도를 가정하여 계산을 수행한 후 가정한 값과 계산 결과를 비교 판단하여 오차가 1℃ 이하가 될 때까지 반복 계산하는 방법을 사용하였다.

데이터처리

본 연구는 22 KW급 수중 모터 펌프에 사용되어지고 있는 베어링의 수명 연장을 위해 베어링 부위의 온도를 낮추기 위한 방편으로 상업적으로 가용한 범위에서 적절한 냉각방안을 마련하는 것을 목적으로 수행하였다. 이를 위해 먼저 기존 펌프에 대해 베어링에서 발생하는 열원(heat source)을 수학적으로 모델링한 함수를 사용하여 펌프에 대한 열전달 해석을 수행하였으며, 나아가 베어링에서 발생한 열을 밖으로 효과적으로 배출하기 위한 베어링 하우징 설계를 상용 전산해석 프로그램인 ANSYS를 활용하여 수행하였다.
본 연구는 수중 모터 펌프에 사용되어지고 있는 베어링의 수명 연장을 위해 베어링 작동 온도를 낮추기 위한 적절한 냉각 방안을 찾기 위해 수행 되었다. 이를 위해 베어링에서 발생하는 열원(heat source)을 수학적으로 모델링한 함수를 사용하여 상용 해석프로그램인 ANSYS를 활용하여 펌프에 대한 열전달 해석을 수행하는 방법을 사용하여 개선안을 도출하였다. 그리고 해석을 통해 설계된 펌프를 직접 제작하여 실험을 통해 개선의 정도를 규명하였으며, 이러한 일련의 과정을 통해 해석을 통한 설계방안이 타당함을 보였다.

성능/효과

이러한 실험결과는 해석 결과 값과 유사한 결과로 새롭게 개발한 베어링의 냉각 시스템이 효과가 있음을 검증할 수 있다. 그리고 앞서 개발한 해석 모델을 사용하여 수행한 과도해석 결과와 실험 결과를 비교해 보았을 때 해석 초기에는 다소 일치하지 않지만 정상 상태값을 나타내는 25분 이후에는 대체로 잘 일치하는 결과 값을 보여준다.
이를 위해 베어링에서 발생하는 열원(heat source)을 수학적으로 모델링한 함수를 사용하여 상용 해석프로그램인 ANSYS를 활용하여 펌프에 대한 열전달 해석을 수행하는 방법을 사용하여 개선안을 도출하였다. 그리고 해석을 통해 설계된 펌프를 직접 제작하여 실험을 통해 개선의 정도를 규명하였으며, 이러한 일련의 과정을 통해 해석을 통한 설계방안이 타당함을 보였다. 최종적으로 이러한 방법을 통해 개선된 펌프의 경우 베어링 외륜 부위의 온도가 기존에 비해 10% 이상 감소하는 결과를 얻었다.
(10%)정도 줄어 든 것을 알 수 있다. 이러한 실험결과는 해석 결과 값과 유사한 결과로 새롭게 개발한 베어링의 냉각 시스템이 효과가 있음을 검증할 수 있다. 그리고 앞서 개발한 해석 모델을 사용하여 수행한 과도해석 결과와 실험 결과를 비교해 보았을 때 해석 초기에는 다소 일치하지 않지만 정상 상태값을 나타내는 25분 이후에는 대체로 잘 일치하는 결과 값을 보여준다.
그리고 해석을 통해 설계된 펌프를 직접 제작하여 실험을 통해 개선의 정도를 규명하였으며, 이러한 일련의 과정을 통해 해석을 통한 설계방안이 타당함을 보였다. 최종적으로 이러한 방법을 통해 개선된 펌프의 경우 베어링 외륜 부위의 온도가 기존에 비해 10% 이상 감소하는 결과를 얻었다.
7은 리브의 두께 d 및 원주방향 설치 간격 a의 변화에 따른 펌프 베어링의 최대 온도 및 베어링캡 무게의 변화를 해석한 결과이다. 해석결과를 살펴보면 리브를 설치한 모든 경우 최대온도는 설치하지 않았을 때 (Fig. 5 결과 참조, 최대온도=38.7℃) 비해 최소한 5℃ 이상 떨어진다는 것을 알 수 있다. 그리고 리브의 폭이 넓어지고 설치간격이 좁아질수록 밖으로 열을 전달하는 면적이 넓어지므로 최대 온도는 더욱 낮아지며, 이와는 상반되게 베어링 캡의 무게는 증가하는 경향을 보여주고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	성능과 내구수명을 동시에 작용시키는 베어링 유닛은 어떤 부품인가?	일반적으로 성능과 내구 수명에는 펌프의 여러 구성 부품들이 복합적으로 작용하지만 성능과 내구수명에 동시에 중요하게 작용하는 부품은 베어링 유닛이다. 베어링 유닛(bearing unit)은 축과 베어링, 그리고 베어링 하우징 일체를 일컫는 말로써, 펌프의 성능 향상 및 신뢰성 확보에 가장 중요한 핵심 요소로 특히 펌프의 수명을 결정하는 가장 중요한 구성 부품이다. 이러한 펌프 베어링 유닛의 설계에 있어 수명과 관련하여 중요하게 고려해야할 사항으로는 적절한 베어링의 선정과 함께 베어링의 수명을 보장하는 윤활 시스템의 설계가 무엇보다 중요하다.
	펌프는 어떤 기능을 수행하는가?	펌프는 산업 및 가정용 등 다양한 분야에서 폭 넓게 사용되어지고 있는 필수 부품으로 일반적으로 육상에 설치되어 필요에 따라 유체를 이동시키거나 유체에 압력을 가하는 가압 기능을 수행한다. 이러한 기능을 수행하는 펌프의 설계에 있어서 공통적으로 가장 중요한 요소는 성능과 내구수명이다.
	펌프 설계에 있어 가장 중요한 요소는 무엇인가?	펌프는 산업 및 가정용 등 다양한 분야에서 폭 넓게 사용되어지고 있는 필수 부품으로 일반적으로 육상에 설치되어 필요에 따라 유체를 이동시키거나 유체에 압력을 가하는 가압 기능을 수행한다. 이러한 기능을 수행하는 펌프의 설계에 있어서 공통적으로 가장 중요한 요소는 성능과 내구수명이다. 일반적으로 성능과 내구 수명에는 펌프의 여러 구성 부품들이 복합적으로 작용하지만 성능과 내구수명에 동시에 중요하게 작용하는 부품은 베어링 유닛이다.

참고문헌 (5)

Han, S. K, Kang, B. H., and Lee, B. J, "Prediction of Oil Lifetime due to Overheating of Oil and Bearing Housing in a Pump," Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration, Vol. 19, No. 5, pp. 408- 413, 2004.
Moon, J. H, Moon, S. J., and Lee, J. H, "Thermal Reliability Analysis of the Bearing Units in a Centrifugal Pump," Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration, Vol. 19, No. 4, pp. 313-320, 2007.
FAG Bearing Catalog (WL 41 520/4 KA), 2002.
Choi. D. B, Kim. S. T, Jung. S. H., and Kim. Y. K, "Thermal Characteristics According to the Preload and Cooling Conditions for the High Frequency Motor Spindle with Grease Lubrication," 2004 Spring Conference of Korean Society of Machine Tool Engineer, pp. 439-444, 2004.
Lim. J. S, Yu, K. H, Chung. W. J, Kim. S. T, Lee. J. H., and Lee. C. M, "Thermal Characteristics Analysis of 30,000 rpm High Speed Spindle," Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 26, No. 7, pp. 120-126, 2009.

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