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원심펌프 임펠러의 캐비테이션 성능평가에 관한 수치적 연구
Numerical Study on Cavitation Performance Evaluation in a Centrifugal Pump Impeller 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.36 no.2, 2012년, pp.286 - 293  

모장오 ,  김유택 (한국해양대학교 기관시스템공학부) ,  이영호 (한국해양대학교 기계.에너지시스템공학부)

초록
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본 연구에서는 설계유량 $16m^3/h$에서 설계효율 90%와 설계양정 20m의 성능을 보이며, 3,500rpm 고정회전수로 작동하는 원심펌프 임펠러를 대상으로 단상류 유동해석을 수행하였다. 임펠러는 A.J. Stepanoff 경험식에 근거로 설계되었다. 단상류 해석의 경우, 설계유량에서 88.8%와 19.4m의 효율과 양정 결과를 보여주었고, 그 결과는 설계값과 상당히 일치하였다. 다상류 해석은 다양한 NPSH 조건하에서 수행되었으며, NPSH가 8.79m 일 때, 블레이드 부압면 근처에서 캐비테이션개시가 관찰되었다. 본 연구에서 설계된 임펠러의 필요흡입헤드는 대략 6.5m이며, 이 값 이상의 입구압력조건하에서 원심펌프는 작동되어야 할 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this investigation, flow analysis with single phase has been performed for a centrifugal impeller with a design efficiency of 90%, head of 20m and rotational speed of 3500 rpm at a design flow rate of 16m3. The impeller was designed based on an empirical formula suggested by A.J. Stepanoff. In a ...

주제어

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문제 정의

  • 하지만 본 연구에서는 정상상태 조건하에서 vapor의 생성 여부 만을 판단하였기 때문에, 정상상태 해석 시 수렴성에 상당한 문제점이 있었다. 따라서 향후에는 이러한 문제점을 해결하기 위해 비정상 상태 해석을 통해 각 유량 별 NPSH에 따라 해석을 수행하여 vapor의 불규칙적인 거동 및 성능특성을 시제품 제작을 통한 시험결과와 비교 검토하고자 한다.

가설 설정

  • CFD를 통한 원심펌프 해석에 있어서 적절한 가정을 통하여 수치계산에 소요되는 시간과 비용을 현저히 줄일 수 있다. 본 연구에서는 유동장이 정상적이고 주기적이라는 가정을 하였으며, 이는 임펠러와 베인리스 디퓨저를 구성하는 각각의 날개 영역이 동일함을 의미한다. 따라서 주기조건을 이용하여 하나의 날개영역만을 해석하였다.
  • 작동유체는 액상, 기상 그리고 응축할 수 없는 가스 혼합물로 가정하였으며, [10]이 제안한 캐비테이션 모델은 다음과 같다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
펌프성능을 실험적 기법으로 연구하는 방법의 단점을 극복하기 위해서 어떤 방법이 사용되고 있는가? 우선 실험적 기법은 가장 정확하고 신뢰성 있는 데이터 확보라는 큰 장점이 있음에도 불구하고 실험 조건과 방법에 따라 상당한 시간과 비용이 요구되는 단점이 있다. 따라서 최근에는 이러한 단점을 극복하고, 신속하고 정확한 펌프성능및 이상류 유동특성을 평가하는 방법으로 CFD(Computational Fluid Dynamics)에 의한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 현재 CFD는 자동차, 조선, 항공 등 모든 산업분야에 걸쳐 상당한 기여를 하고 있으며, 특히 극한조건에서 실험자체가 불가능한 경우에 있어서 실험을 대체할 만한 유용한 도구로서 충분한 가능성을 평가받고 있다.
흡입압력이 낮아지고 캐비테이션이 발달하면 어떤 문제가 발생하는가? 발생초기의 경우 손상은 거의 없다. 그러나 흡입압력이 낮아지고 캐비테이션이 발달하면 기포가 임펠러의 유로를 막아서 효율이나 양정이 저하되고 결국에는 양정이 급격히 떨어져서 양수불능 상태가 된다. 또한 발생한 기포가 붕괴되기 때문에 펌프의 소음이나 진동이 발생한다. 이와 같은 상태로 장기간 운전하게 되면 기포의 소멸시 발생하는 충격압력에 의하여 임펠러나 케이싱의 표면에 부식이 일어난다[2].
1원호법은 무엇인가? 본 연구에서는 1원호 작도법에 의해 원심펌프 임펠러 형상을 설계하였다. 1원호법은 입구직경, 입구각, 출구직경, 출구각 조건으로 깃 곡선이 결정되는 작도법이다[7,8].
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참고문헌 (10)

  1. C. Antonio and A.C. Eugene, "Experimental characterization of two-phase flow centrifugal pumps", ASME 2010 Power Conference, pp. 803-816, 2010. 

  2. 이영호, 이연원, 윤정인 역, 유체기계, 태훈출판사, 1999. 

  3. 김유택, 최민선, 이영호, "기액 이상류시의 스크류식 원심펌프의 압력분포", 유체기계저널 제4권, 제3호, pp. 39-49, 2001. 

  4. 김성윤, 이상일, 김유택, "기액 이상류시의 원심펌프특성에 관한 실험적 연구", 한국마린엔지니어링학회지 제30권, 제6호, pp. 685-692, 2006. 

  5. 최영도, 마쯔이준, 쿠로가와준이치, 이영호, "PTV 계측법에 의한 극저비속도 원심펌프의 내부유동특성에 관한 연구", 유체기계저널, 제9권, 제1호, pp. 9-18, 2006. 

  6. 최영도, 카가와슈사쿠, 쿠로카와준이치, "비속도의 큰 변화가 극저비속도 원심펌프의 성능에 미치는 영향", 유체기계저널, 제9권, 제1호, pp. 40-46, 2006. 

  7. A. J. Stepanoff, Centrifugal and Axial Flow Pumps: Theory, Design, and Application, Krieger Pub Co, 2nd edition, 1992. 

  8. 모장오, "CFD에 의한 입형다단 원심펌프 성능해석에 관한 연구",한국해양대학교 공학석사 학위논문, 2003. 

  9. T. H Shin, W. L. William, S. Aamir, Y. Zhigang and Z. Jiang, "A new ${\kappa}-{\epsilon}$ eddy viscosity model for high reynolds number turbulent flows", Computers Fluids, 24(3), pp. 227-238, 1995. 

  10. A. K. Singhal, H.Y. Li, M.M Athavale, Y. Jiang, "Mathematical basis and validation of the full cavitation model", ASME FEDSM'01, New Orleans, Louisiana, 2001. 

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