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문제 정의
- 본 연구에서는 펌프의 누설유량을 저감하기 위하여 임펠러의 비접촉 실에 널리 적용되고 있는 평형 홈 (parallel grooved)및 나선 홈(spiral grooved)을 가진 마모실을 제작하여 수력성능 시험 및 축추력의 변화를 측정하였다. 시험을 통해 다양한 마모실의 단면 형상과 조합에 따른 홈 실의 효과 및 최적의 조합을 제시하였고, 홈 실의 형상에 따라 발생하는 축추력의 변화를 측정할 수 있는 측정 장치를 고안하여 수력시험과 동시에 축추력을 측정하였다.
- 홈 구조는 실제 펌프에 가장 많이 적용되는 나선각이 0°인 평형 홈과 나선각이 1° 이하인 2줄 나선 홈(⍺= 0.53°) 및 4줄 나선 홈(⍺= 0.98°)을 적용하여 누설 유량의 변화 및 나선 홈을 따라 발생하는 펌프효과를 확인하고자 하였다.
제안 방법
- 측정 센서로 와셔형 로드셀을 축방향 베어링의 양쪽에 배치하였고 측정장치 외부에 전용 인디케이터를 설치하여 데이터가 PC에 저장되도록 하였다. 또한 온도에 의해 발생하는 축방향 하중의 변화를 측정하기 위하여 온도 센서를 부하측과 반 부하측의 롤러베어링에 설치하였다.
- 본 연구에서는 고성능이 요구되는 원심펌프의 효율을 개선하기 위하여 누설유량을 저감할 수 있는 방법으로 임펠러의 비접촉 실에 평형 홈 실 및 나선각이 1° 이하인 나선 홈 실을 적용하였으며, 수력성능 및 축추력의 변화를 동시에 측정한 결과를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 시험에서는 임펠러 측의 로드셀을 No.1로 하고 전동기 측을 No.2로 표시하였으며, 축추력의 원활한 전달을 위하여 축 방항에 대한 구속이 발생하지 않도록 반경 방향의 하중은 로드셀의 양쪽에 롤러베어링을 적용하여 지지하였고, 축방향 하중은 복수의 볼베어링을 배면으로 배치하여 양방향의 하중을 지지할 수 있게 하였다. 측정 센서로 와셔형 로드셀을 축방향 베어링의 양쪽에 배치하였고 측정장치 외부에 전용 인디케이터를 설치하여 데이터가 PC에 저장되도록 하였다.
- 탱크의 용량은 24ton이고, 시험용 펌프는 흡입구경 200mm, 토출구경 150mm인 펌프를 사용하였고, 시험은 AC 인버터로 제어되는 200kW 전기모터를 사용하였다. 시험용 펌프와 전기모터 사이에 위상차 방식의 토크계와 회전계를 설치하여 정확한 소요동력 및 회전수를 측정하였다.
- 본 연구에서는 펌프의 누설유량을 저감하기 위하여 임펠러의 비접촉 실에 널리 적용되고 있는 평형 홈 (parallel grooved)및 나선 홈(spiral grooved)을 가진 마모실을 제작하여 수력성능 시험 및 축추력의 변화를 측정하였다. 시험을 통해 다양한 마모실의 단면 형상과 조합에 따른 홈 실의 효과 및 최적의 조합을 제시하였고, 홈 실의 형상에 따라 발생하는 축추력의 변화를 측정할 수 있는 측정 장치를 고안하여 수력시험과 동시에 축추력을 측정하였다.
- 축추력 측정 장치에 적용되는 로드셀은 상용품으로 초기에는 로드셀 자체에 대해 교정이 되어 있으나 측정장치 조립시 베어링 예압 및 기계적 마찰로 인하여 인디케이터에서 표시되는 하중과 실제 가해지는 하중에 차이가 발생한다. 이를 교정하기 위하여 인증시험 기관의 압축 시험기를 이용하여 조립된 측정 장치에 축방향으로 실제 하중을 가하고 실제 하중값에 따라 인디케이터에 표시되는 값을 구간별로 측정하여 정리하였고 시험시 인디케이터에서 표시되는 값을 통하여 실제 작용되는 하중을 계산하도록 하였다.
- Figure 2에는 다양한 마모실 홈 형상에 대한 펌프 수력시험과 동시에 정확한 축추력을 측정하기 위하여 와셔형 로드셀을 적용한 축추력 측정장치를 나타내고 있다. 장치는 전달축, 와셔형 로드셀, 롤러베어링, 볼베어링, 베어링 케이스, 리지드 커플링(rigid coupling), 플랙시블 커플링(flexible coupling) 등으로 구성하였으며 한 방향에 대한 로드셀의 최대 측정 하중은 50kN이며 최대 회전수는 4000rpm까지 적용이 가능하다.
- 2로 표시하였으며, 축추력의 원활한 전달을 위하여 축 방항에 대한 구속이 발생하지 않도록 반경 방향의 하중은 로드셀의 양쪽에 롤러베어링을 적용하여 지지하였고, 축방향 하중은 복수의 볼베어링을 배면으로 배치하여 양방향의 하중을 지지할 수 있게 하였다. 측정 센서로 와셔형 로드셀을 축방향 베어링의 양쪽에 배치하였고 측정장치 외부에 전용 인디케이터를 설치하여 데이터가 PC에 저장되도록 하였다. 또한 온도에 의해 발생하는 축방향 하중의 변화를 측정하기 위하여 온도 센서를 부하측과 반 부하측의 롤러베어링에 설치하였다.
- 토출유량은 토출구 밸브 전단에 터빈타입의 유량계를 설치하여 측정하였고 압력은 시험용 펌프의 흡입구와 토출구에 압력 센서를 설치하여 정압(static pressure)을 취득하고 그 차이를 전양정으로 나타내었다. 점선은 시험 데이터의 흐름을 나타내고 있으며 모든 제어 및 측정은 컨트롤 룸에서 PC로 제어하고 측정된 데이터는 컨트롤러의 인디케이터에서 디지털화하여 PC에 저장되도록 하였다.
- 홈 실 및 나선 홈 실의 유체력에 관한 이론적 연구는 Black and Cochran에 의해 처음 시도된 이후 많은 이론과 실험 결과가 발표되었다[1]. 특히 Iwatsubo and Sheng은 나선 홈 실의 펌프 효과(pumping effect)를 고려한 이론적 해석방법과 홈 실과 나선 홈 실을 로터와 스테이터에 적용하여 각각에 대한 누설량을 측정하고 강성계수(K) 및 감쇠계수(C)등 동특성에 대한 실험 결과를 발표하였다[2].
대상 데이터
- 시험에 사용된 수력성능 시험 설비의 개략도를 Figure 1에 나타내었다. 수력성능 시험 설비는 펌프, 워터탱크, 토크계, 회전계, 유량계, 압력변환기, 축추력 측정 장치로 구성되어 있다. 탱크의 용량은 24ton이고, 시험용 펌프는 흡입구경 200mm, 토출구경 150mm인 펌프를 사용하였고, 시험은 AC 인버터로 제어되는 200kW 전기모터를 사용하였다.
- 시험대상인 실의 홈 단면 형상은 고성능의 펌프에 많이 적용되고 있는 Figure 4의 (A), (B)와 같이 사각 홈과 경사 홈을 적용하였고 사각 홈의 형상치수는 Iwatsubo의 연구에서 적용된 치수를 사용하였다[2]. 홈 구조는 실제 펌프에 가장 많이 적용되는 나선각이 0°인 평형 홈과 나선각이 1° 이하인 2줄 나선 홈(⍺= 0.
- 시험에서는 마모 실 홈 형상에 따른 영향을 효과적으로 분석하기 위하여 2차 누설유량이 전면의 비접촉 실에서만 발생하는 Figure 3과 같은 구조와 형상치수를 가진 임펠러를 적용하여 시험용 펌프를 제작하였고 수력성능 시험의 조건은 Table 1과 같다.
- 수력성능 시험 설비는 펌프, 워터탱크, 토크계, 회전계, 유량계, 압력변환기, 축추력 측정 장치로 구성되어 있다. 탱크의 용량은 24ton이고, 시험용 펌프는 흡입구경 200mm, 토출구경 150mm인 펌프를 사용하였고, 시험은 AC 인버터로 제어되는 200kW 전기모터를 사용하였다. 시험용 펌프와 전기모터 사이에 위상차 방식의 토크계와 회전계를 설치하여 정확한 소요동력 및 회전수를 측정하였다.
성능/효과
- 1) 평형 홈 및 나선 홈 모두 임펠러의 비접촉 실에 적용 시 홈이 없는 경우에 비하여 양정 및 효율의 수력성능은 최대 2.5% 개선되었고 축추력은 최대 10% 저감되는 효과가 있었다.
- 2) 평형 홈 실 및 나선 홈 실 모두 실의 단면 형상은 경사 홈 보다 사각 홈이 수력성능 개선 및 축추력 저감에 더 효과적 이었다.
- 3) 로터 측에만 홈 실을 적용한 경우 나선각을 가지는 나선 홈 실이 평형 홈 실에 비하여 누설유량 저감에 따른 수력성능은 최대 1% 더 향상 되었고 축추력은 최대 8% 더 저감되는 효과가 있었으며 동일한 홈의 단면 형상이라도 나선각이 클수록 더 효과적 이었다.
- 4) 원심펌프의 비접촉 실로 로터와 스테이터 양측에 나선각이 0.98˚인 4줄의 사각 단면의 나선홈을 적용한 경우가 홈이 없는 경우와 비교하여 설계 유량에서 양정과 효율은 각각 2.1%와 2.3% 향상되었고 축추력은 10% 저감되어 시험대상 중 가장 효과적 이었다.
- 또한 경사 단면을 가지면서 나선각 차이가 있는 case5, case7 및 사각단면을 가진 case4, case6의 결과를 통하여 1° 이하의 작은 나선각을 가지는 나선 홈 실은 나선각이 클수록 홈의 틈새를 통하여 발생하는 누설량 보다 펌프 효과로 인해 발생되는 압력에 의한 누설 저감의 효과가 더 큰 것을 알 수 있다.
- 사각평형 홈과 사각나선 홈은 모두 case1에 비해 수력성능을 향상시키고 유량이 클수록 더큰 효과가 발생함을 알수 있다. 또한 사각나선 홈이 사각평형 홈에 비하여 수력성능 개선에 더 큰 효과가 있는데 이것은 나선홈이 회전시 펌프효과에 의해 압력을 발생시키고 발생한 유체 압력이 실의 양단에 걸리는 압력차를 저감시켜 누설유량을 줄이는데 더 효과적인 것으로 판단된다.
- 측정 결과를 보면 일반적으로 널리 사용되는 사각 평형 홈을 적용한 case2와 case8 보다 사각나선 홈을 적용한 case6과 case10이 전 유량에 걸쳐 축추력을 저감하는데 더 효과적임을 나타낸다. 또한 설계 유량에서는 로터와 스테이터 양측에 사각나선 홈을 적용한 case10이 홈이 없는 case1에 비하여 축추력을 약 10% 저감하여 시험 대상 중 축추력 저감에 가장 효과적임을 알 수 있다.
- 로터측에 평행 홈 실을 적용하였을 때 사각 단면 형상의 case2가 경사 단면을 가진 case3에 비하여 0.3% 정도 효과적이었고, 나선각을 가지는 나선 홈 실은 ⍺= 0.53°(2줄) 일 때 사각 단면을 가진 case4가 경사 단면을 적용한 case5에 비하여 0.25% 더 효과적이었다.
- Figure 8과 Figure 9는 고효율이 요구되는 원심펌프에 가장 많이 사용되고 있는 사각평형 홈을 적용한 case2와 case8, 설계 유량에서 수력성능 개선에 가장 효과가 있는 사각단면의 4줄 나선홈을 적용한 case6과 case10을 case1과 비교하기 위하여 전 유량구간에 대해 양정과 효율을 그래프로 나타냈다. 사각평형 홈과 사각나선 홈은 모두 case1에 비해 수력성능을 향상시키고 유량이 클수록 더큰 효과가 발생함을 알수 있다. 또한 사각나선 홈이 사각평형 홈에 비하여 수력성능 개선에 더 큰 효과가 있는데 이것은 나선홈이 회전시 펌프효과에 의해 압력을 발생시키고 발생한 유체 압력이 실의 양단에 걸리는 압력차를 저감시켜 누설유량을 줄이는데 더 효과적인 것으로 판단된다.
- /h, 회전수 2300rpm의 운전 조건에서 각 case의 양정과 축추력 측정 장치를 통하여 측정된 추력의 변화를 case1을 기준으로 비율로 나타내었다. 시험 결과는 전체적으로 홈 실을 적용한 경우가 양정 상승 및 축추력 저감에 효과가 있음을 보였고, 양정이 높을수록 축추력이 크게 저감됨을 알 수 있다. 특히 사각 나선 홈을 적용한 case 6과 case 10은 약 2% 이상의 양정 상승 및 10% 이상의 축추력이 저감되어 수력성능 향상 및 축추력 저감에 효과적인 것으로 판단된다.
- Figure 11은 원심펌프의 누설을 저감하기 위해 주로 사용되고 있는 사각 평형 홈을 적용한 case2, case8과 본 논문에서 축추력 저감에 가장 효과가 있는 것으로 보여지는 4줄 사각 나선 홈을 적용한 case6과 case10의 축추력 측정 장치에 의해 측정된 값을 전 유량 구간에 대하여 case1과 비교하여 나타냈다. 측정 결과를 보면 일반적으로 널리 사용되는 사각 평형 홈을 적용한 case2와 case8 보다 사각나선 홈을 적용한 case6과 case10이 전 유량에 걸쳐 축추력을 저감하는데 더 효과적임을 나타낸다. 또한 설계 유량에서는 로터와 스테이터 양측에 사각나선 홈을 적용한 case10이 홈이 없는 case1에 비하여 축추력을 약 10% 저감하여 시험 대상 중 축추력 저감에 가장 효과적임을 알 수 있다.
- 시험 결과는 전체적으로 홈 실을 적용한 경우가 양정 상승 및 축추력 저감에 효과가 있음을 보였고, 양정이 높을수록 축추력이 크게 저감됨을 알 수 있다. 특히 사각 나선 홈을 적용한 case 6과 case 10은 약 2% 이상의 양정 상승 및 10% 이상의 축추력이 저감되어 수력성능 향상 및 축추력 저감에 효과적인 것으로 판단된다.
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