[논문]비 막힘형 수중 펌프 임펠러 형상이 펌프 성능에 미치는 영향

윤정의

doi:10.3795/ksme-b.2012.36.12.1201

[국내논문] 비 막힘형 수중 펌프 임펠러 형상이 펌프 성능에 미치는 영향
Effects of Impeller Shape of Submersible Nonclogging Pump on its Performance 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.36 no.12 = no.327, 2012년, pp.1201 - 1207

초록
AI-Helper

본 연구에서는 15kW 모터로 구동되는 $5m^3$/min의 유량을 고효율로 공급할 수 있는 2엽 비막힘형 수중 펌프의 임펠러를 설계하는 것을 목표로 임펠러 출구 위치 변화($h_I$), 출구 폭($b_2$) 및 허브 프로파일이 펌프 성능에 미치는 영향을 상용 해석용 프로그램 ANSYS CFX를 사용한 전산해석을 통해 수행하였다. 해석 결과, 임펠러 출구 위치 변화($h_I$) 및 출구 폭($b_2$)이 증가하면 양정 및 축동력의 경우는 $h_I$, $b_2$와 함께 지속적으로 증가하지만 효율의 경우는 $h_I$=38 mm, $b_2$=55 mm 까지만 증가하며, 그 이상의 값에서는 일정한 값을 가짐을 보여준다. 그리고 허브 프로파일의 변화는 상대적으로 임펠러 성능에 큰 영향을 미치지는 않는다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was performed to develop a high-efficiency submersible nonclogging pump impeller. Toward this end, we simulated the effect of some parameters such as the outlet position of a blade ($h_I$), outlet width of a blade ($b_2$), and hub profile on the pump efficiency by using the commercial codes ANSYS CFX and BladeGen. The results showed that the pump efficiency was proportional up to $h_I$= 38 mm and $b_2$= 55 mm. It remained constant over these values. However, the head and shaft power were proportional to $h_I$ and $b_2$ in the simulated ranges. The effects of hub profile changes on the pump efficiency were relatively small compared to those of the other parameters.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구는 15kW 모터로 구동되는 5m3/min의 유량을 고효율로 공급할 수 있는 2엽 비막힘형 수중 슬러리 펌프의 임펠러를 설계하는 것을 목표로 한다.
본 연구는 15kW 모터로 구동되는 5m3/min의 유량을 고효율로 공급할 수 있는 2엽 비막힘형 수중 슬러리 펌프의 임펠러를 개발하는 것을 목표로 임펠러 출구 위치 변화(hI ), 출구 폭( b2 ) 및 허브 프로파일이 펌프 성능에 미치는 영향을 상용 해석용 프로그램을 사용한 (ANSYS BladeGen, CFX) 전산해석을 통해 수행하였다.

제안 방법

5 mm를 정한 후 이 값을 고정시켰다. 그런 다음 b₂ 를 37 mm부터 72 mm까지 5mm씩 변화 시켜가면서 8가지 종류의 임펠러를 모델링을 하였다. 그림을 살펴보면 b₂가 증가함에 따라 임펠러의 출구 높이가 커지는 형상을 가짐을 알 수 있다.
본 연구는 앞에서 기술하였듯이 이전 연구(6)에서 수행한 흡입면에서 날개의 비틀림을 표현하는 두 개의 비틀림 각 (β:blade angle) 및 날개의 길이를 결정하는 각 (α :blade length angle)은 제외하고 3차원 유동 해석을 통해서만 결정할 수 있는 출구 위치, 출구 폭 그리고 허브 및 슈라우드 곡면 (hub & shroud profile)을 설계 변수로 선정하여 해석을 수행하였다.
그림을 살펴보면 h_I 가 증가함에 따라 임펠러의 높이(흡입구의 위치)가 높아지는 형상을 가짐을 알 수 있다. 해석은 유량(Q)을 5m³/min으로 주었을 때 h_I의 값을 18mm부터 5mm 씩 증가하여 48mm 까지 해석을 수행하였다.
Ansys BladeGen s/w에서는 허브 및 슈라우드 곡선 생성을 위해 스플라인 곡선(spline curve)과 함께 베지어 곡선(Bezier curve)을 제공한다. 본 연구에서는 1번부터 5번까지의 5개 조절점으로 만들어지는 곡선을 사용하여 허브 곡선을 정의하였으며(슈라우드 곡선도 동일한 방법으로 정의), 허브 곡선의 변화가 펌프의 성능에 미치는 영향을 살펴보고자 Fig. 12에서 표시한 것과 같이 4번 조절점을 변화시켜가면서 9개의 허브 곡선을 생성한 후 유동해석을 수행하였다.

대상 데이터

4는 해석에 사용한 격자의 모습이다. 격자는 형상의 복잡성으로 사면체 격자를 주로 사용하였으며 벽면에는 계산의 정확성을 위해 8층의 프리즘 격자 층을 배치하였다. 그리고 계산 시간을 고려하여 두 개의 날개 중 한 개의 날개 영역에 대해서만 해석을 수행하였으며 전체적으로는 약 80만개의 요소로 구성하였다.
격자는 형상의 복잡성으로 사면체 격자를 주로 사용하였으며 벽면에는 계산의 정확성을 위해 8층의 프리즘 격자 층을 배치하였다. 그리고 계산 시간을 고려하여 두 개의 날개 중 한 개의 날개 영역에 대해서만 해석을 수행하였으며 전체적으로는 약 80만개의 요소로 구성하였다. 수치해석은 상용 해석 프로그램인 ANSYS CFX-12를 사용하였으며, 작동유체는 시제품 제작 후 검증과정을 고려하여 물로 설정하였다.

데이터처리

그리고 계산 시간을 고려하여 두 개의 날개 중 한 개의 날개 영역에 대해서만 해석을 수행하였으며 전체적으로는 약 80만개의 요소로 구성하였다. 수치해석은 상용 해석 프로그램인 ANSYS CFX-12를 사용하였으며, 작동유체는 시제품 제작 후 검증과정을 고려하여 물로 설정하였다. 전체적으로는 에너지 방정식을 제외한 연속방정식 및 운동량 방정식을 사용하였으며, 난류 모델은 k-ε 모델을 채택하여 해석을 수행하였다.
/min의 유량을 고효율로 공급할 수 있는 2엽 비막힘형 수중 슬러리 펌프의 임펠러를 설계하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 유량 3m³/min, 2엽 수중 슬러리 펌프 임펠러 개발과 관련하여 입구면 날개의 비틀림 각, 비틀림 형상 및 날개의 길이가 펌프의 효율에 미치는 영향에 관한 지난번 연구 결과⁽⁶⁾에 추가하여, 임펠러의 출구 위치 변화, 출구폭, 그리고 허브 프로파일을 설계변수로 선정하여 이들이 임펠러 효율에 미치는 영향을 상용 해석용 프로그램을 사용한(ANSYS BladeGen, CFX) 전산해석을 통해 수행하였다.

이론/모형

전체적으로는 에너지 방정식을 제외한 연속방정식 및 운동량 방정식을 사용하였으며, 난류 모델은 k-ε 모델을 채택하여 해석을 수행하였다.
해석 시 경계 조건으로는 입구 쪽에서는 압력(1bar)을 출구 쪽에서는 유량(5 m³/min)값을 사용하였으며, 회전수는 1,750 rpm 조건에서 수행하였다. 그리고 해석은 볼류트를 제외한 임펠러에 대해 회전 좌표계를 설정하여 해석하는 RFR(Reference Frame Rotation) 방식을 사용하였으며, 입구부위와 출구 쪽 볼류트 부분은 반대방향으로 회전하는 회전 벽(Counter-Rotating Wall)으로 경계조건을 주어 해석을 수행하였다.

성능/효과

또한 hI 가 증가함에 따라 유체와 닿는 날개면이 증가하게 됨에 따라 유체에 전달되는 에너지도 증가하므로 양정 및 축동력 또한 증가하는 현상을 보임을 예측할 수 있다.
또한 h_I가 증가함에 따라 유체와 닿는 날개면이 증가하게 됨에 따라 유체에 전달되는 에너지도 증가하므로 양정 및 축동력 또한 증가하는 현상을 보임을 예측할 수 있다. 이상의 결과로부터 h_I 를 증가 시킬 경우에 효율의 손실 없이 지속적으로 양정을 높일 수는 있지만 축 동력 또한 증가하는 문제가 발생하게 됨을 확인 할 수 있다. 본 연구에서는 목표 축 동력을 15kW 이하로 산정하고 있기 때문에 주어진 범위에서는 h_I=38 mm의 경우가 최적의 값임을 알 수 있다.
이상의 결과로부터 h_I 를 증가 시킬 경우에 효율의 손실 없이 지속적으로 양정을 높일 수는 있지만 축 동력 또한 증가하는 문제가 발생하게 됨을 확인 할 수 있다. 본 연구에서는 목표 축 동력을 15kW 이하로 산정하고 있기 때문에 주어진 범위에서는 h_I=38 mm의 경우가 최적의 값임을 알 수 있다.
이러한 결과로부터 h_I에서처럼 b₂ 를 증가 시킬 경우, 효율의 손실 없이 지속적으로 양정을 높일 수는 있지만 역시 축동력이 증가하는 문제가 발생하게 된다. 본 연구에서는 목표 축동력을 15kW 이하로 산정하고 있기 때문에 주어진 범위에서 최대 양정을 가지는 b₂ =67 mm 의 경우가 최적의 값임을 알 수 있다.
14에 나타낸 날개 면에서 압력 형성 값(Pressure loading at 50% span) 및 자오면에서의 속도 값으로부터 예측할 수 있다. 즉 허브 및 슈라우드 형상이 다소 변해도 날개의 형상은 그대로 유지되기 때문에 날개 앞뒷면에 형성 되는 압력값의 역전 현상이 크게 바뀌지 않으며, 유속 또한 큰 변화를 주지 않는다는 것을 확인할 수 있다. 그리고 허브 및 슈라우드 형상변화에 의한 효율, 양정 및 축동력의 변화는 출구 위치(h_I ) 및 폭( b₂ )변화에 비해 상대적으로 작은 값을 가짐을 알 수 있다.
이러한 결과 중에서 특히 효율 값이 실제 보다 높은 이유는 본 연구에서는 임펠러만을 고려하여 해석을 수행하였기 때문이다. 볼류트(Volute)를 포함한 주변 관로의 저항을 포함하여 해석할 경우 70-75% 수준임 보여주고 있으며,⁽⁷⁾ 본 연구결과를 바탕으로 제작한 펌프를 사용하여 직접 실험한 경우에도 77%의 결과를 보였다.⁽⁸⁾
(2) 출구 폭( b2 )가 증가하면 양정 및 축동력의 경우는 b2 와 함께 지속적으로 증가하지만 효율의 경우는 b2 < 55 mm 까지만 증가하며, 그이상의 값에서는 거의 일정한 값을 가진다는 것을 알 수 있다.
(1) 임펠러 출구 위치 변화(h_I )가 증가하면 양정 및 축동력의 경우는 h_I 와 함께 지속적으로 증가하지만 효율의 경우는 h_I =38 mm 까지만 증가하며, 그 이상의 값에서는 일정한 값을 가짐을 보여준다. 이러한 결과로부터 h_I 를 증가할 경우 효율의 손실 없이 지속적으로 양정을 높일 수는 있겠지만 축 동력이 증가하는 문제가 발생하게 된다.
(3) 허브 및 슈라우드 프로파일의 변화는 상대적으로 임펠러 성능에 큰 영향을 미치지는 않는다.
즉 hI 가 증가함에 따라 날개면 증가와 함께 전체 비틀림 형상 또한 변하게 되며, 이로 인해 날개 앞뒷면 (Suction side, Pressure side)에 형성 되는 압력값의 역전 현상이 완화 되면서 효율이 증가 하는 결과를 보여주고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	hI 의 변화에 따라 효율이 바뀌는데 일정값 이상에서 일정한 값으로 되는 것을 보이는데 그 원인은 어디서 유추되는가?	7에 나타낸 날개면에서 압력 형성 값 (Pressure loading at 50% span) 및 자오면에서의 속도 값으로부터 유추할 수 있다. 즉 hI 가 증가함에 따라 날개면 증가와 함께 전체 비틀림 형상 또한 변하게 되며, 이로 인해 날개 앞뒷면 (Suction side, Pressure side)에 형성 되는 압력값의 역전 현상이 완화 되면서 효율이 증가 하는 결과를 보여주고 있다. 또한 hI 가 증가함에 따라 유체와 닿는 날개면이 증가하게 됨에 따라 유체에 전달되는 에너지도 증가하므로 양정 및 축동력 또한 증가하는 현상을 보임을 예측할 수 있다. 이상의 결과로부터 hI 를 증가 시킬 경우에 효율의 손실 없이 지속적으로 양정을 높일 수는 있지만 축 동력 또한 증가하는 문제가 발생하게 됨을 확인 할 수 있다.
	비 막힘형 수중 슬러리 펌프란?	비 막힘형 수중 슬러리 펌프(non-clogging type of submersible slurry pump)는 주로 고상의 입자가 상당수 포함된 액체를 수송하는 용도로 사용하는 펌프이다. 이러한 슬러리 펌프의 경우 사용 용도에 따라 낮은 비속도(specific speed)에서도 큰 고형물을 고 효율로 이송할 수 있어야 되나 기존의 원심펌프 설계방법으로는 임펠러의 유로 폭이 매우 좁아져 큰 고형물을 이송하는 것이 불가능해진다는 문제점이 발생한다.
	기존의 원심펌프 설계방법의 문제점은?	비 막힘형 수중 슬러리 펌프(non-clogging type of submersible slurry pump)는 주로 고상의 입자가 상당수 포함된 액체를 수송하는 용도로 사용하는 펌프이다. 이러한 슬러리 펌프의 경우 사용 용도에 따라 낮은 비속도(specific speed)에서도 큰 고형물을 고 효율로 이송할 수 있어야 되나 기존의 원심펌프 설계방법으로는 임펠러의 유로 폭이 매우 좁아져 큰 고형물을 이송하는 것이 불가능해진다는 문제점이 발생한다.(1~3) 최근 이러한 분야에 대한 몇몇 연구가 학계에서 이루어지고 있으나 아직 산업 현장에 적극적으로 적용되지는 못하고 있는 실정이다.

참고문헌 (8)

Stepanoff, A. J., 1957, Centrifugal and Axial Flow Pumps, John Wiley & Sons, Inc., pp. 69-137.
Imaichi, K., Murakami, Y., Tsurusaki, H. and Cho, K. R., 2002, The Basis of Pump Design, Daeyoung Sa.
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Kim, D. J., Suh, S. H. and Sung, S. K., 1988, "Effects of the Impeller Shapes on the Non-Clogging and the Screw-type Centrifugal Pump Performances," Journal of Fluid Machinery, Vol.1, No.1, pp.81-89
Kim, S., Choi, Y. S., Yoon, J. Y. and Kim, D. S., 2008, "Design Optimization of Centrifugal Pump Impeller Using DOE," Journal of Fluid Machinery, Vol.11, No.3, pp.36-42.

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Yun, J. E., 2011, "CFD Analysis of Submersible Slurry Pump with Two Blades," Trans. of the KSME(B), Vol. 35, No. 3, pp. 263-268.

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Litfin, O., Mohr, C., Haddad, K, Epple, P, Semel, M., Becker, K., Klein, H. and Delgado, A., 2011, "CFD Computation, Analysis and Design of a Two-Blade Wastewater Pump," Proceedings of ASME 2011 Int. Mech. Eng. Congress & Exposition pp. 1-8.
Jang, J. H. and Yun, J. E., 2011, "Development of High Efficiency Submersible Non-Clogging Pump Operating in High Flow rate and High Pressure Head," 1st year report, KETEP

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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