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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 날개 각도가 재생 펌프의 성능에 미치는 영향을 알아보기 위하여 다양한 날개 각도에 대한 재생 펌프의 성능 실험을 수행하였다. 본 성능 실험 연구에서는 한국기계연구원에서 설계된 직선 반경형 임펠러의 펌프를 기본 형상으로 사용하였다.
- 본 연구에서는 재생 펌프의 임펠러 날개각이 펌프 성능에 미치는 영향을 알아보기 위하여 경사각에 따른 여러 형태의 날개에 대하여 유량 별 성능 시험을 수행하였다. 직선 반경형 날개를 기준으로 임펠러 날개의 끝단이 반경 방향에 대해서 기울어진 경사각의 방향에 따라 전향 날개와 후향 날개로 구분하였다.
제안 방법
- 최근에는 재생형 기계의 내부 유동 메커니즘을 이해하기 위하여 전산유체역 학을 통한 3차원 유동 해석 기술을 활용한 연구가 이루어지고 있다 (11, 12) . 3차원 유동 해석을 통해 계산된 압력 및 속도 분포 등의 결과는 기존의 1차원 성능 예측 모델과의 비교 등을 통해 재생 펌프의 메커니즘의 이해에 많은 정보를 제공해 주었다. 그러나 여전히 날개 각도에 따른 성능 변화에 대한 유동 해석 및 관련 연구가 부족한 실정이다.
- 각 날개의 15°, 30°, 45° 경사각으로 총 10개의 날개 형상에 대한 성능 실험을 수행하였다.
- 유량에 따른 압력 수두와 효율을 측정하고 그 데이 터를 무차원 성능 특성 계수를 통해 나타내었다. 각 날개의 형상 및 각도에 따른 성능 특성을 비교 분석하였으며, 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 직선 반경형 날개를 기준으로 임펠러 날개의 끝단이 반경 방향에 대해서 기울어진 경사각의 방향에 따라 전향 날개와 후향 날개로 구분하였다. 그리고 날개의 측면이 축 방향에 대해서 경사진 형상의 날개를 전곡 날개로 구분하였다. 각 날개의 15°, 30°, 45° 경사각으로 총 10개의 날개 형상에 대한 성능 실험을 수행하였다.
- 전체적인 형상의 제원은 같은 상태에서 기울임 각도의 크기를 각 형태에 대하여 각각 15°, 30°, 45° 크기로 제작하였다. 기본 형상인 직선형 날개의 반경형 임펠러를 포함하여 총 10개의 임펠러 형상에 대한 성능 실험을 수행하고, 그 결과를 비교 분석하여 날개의 각도에 따른 재생 펌프의 성능 변화를 관찰하였다.
- 후향 날개의 임펠러에 대한 성능 실험은 전향 날개의 임펠러를 회전 방향의 반대로 바꾸어 설치하고 실험을 수행하였다. 모든 임펠러 형상에 대하여 성능 실험 결과를 비교하기 위하여 각 형상에 대한 성능 실험은 모두 유사한 조건에서 이루어질 수 있도록 하였다. 전동기의 회전수는 1000 rpm으로 고정하고, 펌프로 유입되는 유체의 압력과 온도는 1 bar 및 20 ℃로 유지하며 실험을 수행하고 그에 따른 성능 데이터를 얻었다.
- 4와 같이 정의하였다. 모든 임펠러 형상에 대하여 유량 조절 밸브를 완전히 열어 실험 장치의 전체적인 시스템 저항에 따른 최대 유량 계수를 얻은 후 유량을 줄여가며 양정 및 온도를 측정하였다. 후향 날개의 임펠러에 대한 성능 실험은 전향 날개의 임펠러를 회전 방향의 반대로 바꾸어 설치하고 실험을 수행하였다.
- 펌프 입구의 압력 및 펌프 차압의 측정은 절대 압력계 및 차압계 트랜스미터를 이용하였으며, 펌프 입구 및 출구에서의 온도는 K-타입의 열전대를 통해 측정하였다. 모든 측정 데이터는 데이터 수집 시스템(DAS)를 이용하여 기록하였다. 압력은 1 % 미만의 측정 오차를 갖고 있으며, 온도 측정값은 ±0.
- 본 연구에서는 Table 1에 나타낸 바와 같이 직선 반경형 날개(δs = δt = 0°)의 임펠러를 기본 형상으로 전향 날개(δt= 15°, 30°, 45°, δs = 0°)와 후향 날개(δt = -15°, -30°, -45°, δs = 0°) 및 전곡 날개(δs = 15°, 30°, 45°, δt = 0°)를 포함하여 총 10개의 임펠러에 대한 성능 실험을 수행하였다.
- 각 날개의 15°, 30°, 45° 경사각으로 총 10개의 날개 형상에 대한 성능 실험을 수행하였다. 유량에 따른 압력 수두와 효율을 측정하고 그 데이 터를 무차원 성능 특성 계수를 통해 나타내었다. 각 날개의 형상 및 각도에 따른 성능 특성을 비교 분석하였으며, 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 작동유체를 물로 선정하여 실험을 수행하였으며 시험 루프는 폐회로를 구성하였다. 유량을 조절하기 위하여 펌프의 출구에 유량 밸브를 설치하였으며, 밸브 앞쪽에 설치한 터빈 유량계를 이용하여 유량을 측정하였다. 펌프의 회전수는 인버터 제어를 통해 1000 rpm으로 일정하게 유지시키고 유도 전동기에 의해 구동하였다.
- 는 비반경형 임펠러의 형태로서 반경 방향 기준으로 날개각이 기울어져 있는 전향(Forward blade) 및 후향 날개(Backward blade)에 대하여 사이드 채널 면적에 따라 성능 실험을 수행하고, 직선 반경형 날개의 임펠러에 대한 펌프 성능 곡선과 비교하였다. 이를 통해 펌프의 양정 및 토크 계수와 효율에 대한 다양한 상관계수와 경험식을 레이놀즈 수, 블레이드 각도, 채널 면적 및 유량 계수 등의 함수로 제안하였다. Hubel et al.
- 펌프의 회전수는 인버터 제어를 통해 1000 rpm으로 일정하게 유지시키고 유도 전동기에 의해 구동하였다. 재생 펌프의 효율을 계산하기 위해 필요한 입력 토크는 펌프와 전동기 사이에 설치한 토크미터를 통해 측정하였으며, 회전 각속도는 근접각 센서를 이용하여 측정하였다. 펌프 입구의 압력 및 펌프 차압의 측정은 절대 압력계 및 차압계 트랜스미터를 이용하였으며, 펌프 입구 및 출구에서의 온도는 K-타입의 열전대를 통해 측정하였다.
- 전체적인 형상의 제원은 같은 상태에서 기울임 각도의 크기를 각 형태에 대하여 각각 15°, 30°, 45° 크기로 제작하였다.
- 본 성능 실험 연구에서는 한국기계연구원에서 설계된 직선 반경형 임펠러의 펌프를 기본 형상으로 사용하였다. 직선 날개의 반경형 임펠러를 기준으로 날개의 경사각의 방향과 형상에 따라 전향, 후향 및전곡 날개로 구분하였다. 전체적인 형상의 제원은 같은 상태에서 기울임 각도의 크기를 각 형태에 대하여 각각 15°, 30°, 45° 크기로 제작하였다.
- 본 연구에서는 재생 펌프의 임펠러 날개각이 펌프 성능에 미치는 영향을 알아보기 위하여 경사각에 따른 여러 형태의 날개에 대하여 유량 별 성능 시험을 수행하였다. 직선 반경형 날개를 기준으로 임펠러 날개의 끝단이 반경 방향에 대해서 기울어진 경사각의 방향에 따라 전향 날개와 후향 날개로 구분하였다. 그리고 날개의 측면이 축 방향에 대해서 경사진 형상의 날개를 전곡 날개로 구분하였다.
- 재생 펌프의 효율을 계산하기 위해 필요한 입력 토크는 펌프와 전동기 사이에 설치한 토크미터를 통해 측정하였으며, 회전 각속도는 근접각 센서를 이용하여 측정하였다. 펌프 입구의 압력 및 펌프 차압의 측정은 절대 압력계 및 차압계 트랜스미터를 이용하였으며, 펌프 입구 및 출구에서의 온도는 K-타입의 열전대를 통해 측정하였다. 모든 측정 데이터는 데이터 수집 시스템(DAS)를 이용하여 기록하였다.
- 모든 임펠러 형상에 대하여 유량 조절 밸브를 완전히 열어 실험 장치의 전체적인 시스템 저항에 따른 최대 유량 계수를 얻은 후 유량을 줄여가며 양정 및 온도를 측정하였다. 후향 날개의 임펠러에 대한 성능 실험은 전향 날개의 임펠러를 회전 방향의 반대로 바꾸어 설치하고 실험을 수행하였다. 모든 임펠러 형상에 대하여 성능 실험 결과를 비교하기 위하여 각 형상에 대한 성능 실험은 모두 유사한 조건에서 이루어질 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 따라서 본 연구에서는 날개 각도가 재생 펌프의 성능에 미치는 영향을 알아보기 위하여 다양한 날개 각도에 대한 재생 펌프의 성능 실험을 수행하였다. 본 성능 실험 연구에서는 한국기계연구원에서 설계된 직선 반경형 임펠러의 펌프를 기본 형상으로 사용하였다. 직선 날개의 반경형 임펠러를 기준으로 날개의 경사각의 방향과 형상에 따라 전향, 후향 및전곡 날개로 구분하였다.
- 2에 정의된 변수에 대하여 Table 1에 기술하였다. 임펠러의 끝단 반경은 85 mm이며, 임펠러는 높이 21.2 mm, 폭 11 mm, 두께 2 mm인 45개의 날개를 갖고 있다. 또한 Fig.
- 3과 같은 형태로 구성하였다. 작동유체를 물로 선정하여 실험을 수행하였으며 시험 루프는 폐회로를 구성하였다. 유량을 조절하기 위하여 펌프의 출구에 유량 밸브를 설치하였으며, 밸브 앞쪽에 설치한 터빈 유량계를 이용하여 유량을 측정하였다.
데이터처리
- 3 % 내의 정확도를 갖는다. 실험을 통해 측정된 데이터는 재현성 테스트 및 민감도 분석을 통해 검증하였다.
성능/효과
- 1) 압력 수두 곡선은 각 날개의 형태에 따라서 유사한 형태의 곡선으로 구분되며, 경사각에 따라 곡선의 형태가 변화되는 경향을 보인다. 스플라인 곡선을 그리는 직선 반경형 날개의 성능 곡선을 기준으로 전향 날개의 경우 유량이 증가할수록 볼록하게 양정이 감소한다.
- 2) 직선 반경형 날개의 압력 수두를 기준으로 전향 및 후향 날개의 경사각에 따른 수두를 비교해 보면, 경사각이 커질수록 감소하는 경향을 보였다. 그러나 저유량 영역에서 15° 후향 날개가 높게 나타나는 반면 고유량 영역에서는 15° 전향 날개의 성능이 높게 나타났다.
- 3) 전곡 날개의 경사각이 커질수록 성능이 증가하다가 다시 감소하는 경향을 보인다. 이는 곧 최적화된 입사각이 존재한다는 것을 의미하며, 본 연구에서는 30° 전곡 날개의 성능이 가장 높다.
- 4) 전곡 및 후향 날개의 효율은 직선 반경형 날개에 비해 경사각이 커질수록 점차적으로 감소하는 경향을 보이며, 후향 날개의 경우 효율의 감소폭이 크게 나타난다. 또한, 후향 날개의 경사각이 커질수록 최고 효율점 및 최대 유량 계수도 함께 감소하여 저유량 쪽으로 이동한다.
- (6) 과 Badami(7) 는 축방향에 대해 날개의 측면이 회전방향으로 기울어져있는 V형(Chevron, 전곡)의 비반경형 날개를 갖는 재생형 펌프에 대한 연구를 수행하였다. 그 결과 V형 날개는 직선 반경형 임펠러에 비해 성능이 향상되는 것으로 나타났다. 이는 날개의 유동 입구에서 발생하는 입사 손실이 감소함으로써 순환 유량이 증가하기 때문인 것으로 분석하였다.
- ϕ)을 나타낸 것이다. 대부분의 임펠러 형상에 대한 본 연구의 실험 결과 최대 유량 계수는 0.8 근처에서 존재하는 것을 볼 수 있다. 또한 날개의 형상에 따라 유사한 성능 곡선의 유형을 보이며 크게 3가지 유형의 곡선 형태로 구분하여 실선으로 대표적인 곡선을 나타내었다.
- 또한 모든 유량 범위에서 전곡 날개의 성능이 상대적으로 다른 형태의 임펠러에 비해 높게 나타나고 있으며, 특히 Fig. 6에서 볼 수 있듯이 저유량 구간(ϕ < 0.5)에서 성능 향상이 급격히 이루어진다.
- 8(b)은 후향 날개에 대한 유량 별 효율을 나타낸 것으로, 경사각이 커질수록 전 유량 범위에 대해서 점차적으로 감소하는 경향이 전향 날개에 비해 분명하게 나타나고 있다. 또한 후향 날개의 경사각이 커질수록 최대 유량 계수와 함께 최고 효율점도 감소하면서 저유량 쪽으로 이동하는 것을 확인할 수 있다.
- 7 에서의 각 임펠러 형상에 대한 양정 계수를 나타낸 것이다. 모든 임펠러 형상의 재생 펌프는 유량이 감소할수록 양정이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한 모든 유량 범위에서 전곡 날개의 성능이 상대적으로 다른 형태의 임펠러에 비해 높게 나타나고 있으며, 특히 Fig.
- 본 실험 연구에서는 30 ° 전곡 날개의 성능이 가장 높게 나타났다.
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