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문제 정의
- 본 논문의 목적은 최종적으로 결정된 임펠러/스테이터 형상에 따라 실물(full-scale) 구동펌프는 제작하고 LCT에 설치하여 성능 시운전을 수행하고 그 결과를 분석하는 것이다
- 우선 설계 단계에서 모형실험과 성능추정 결과를 바탕으로 예측하였던 펌프 소요마력 등을 언급하고, 최종 펌프(LP-11)가 선정된 배경을 소개하고자 한다
- 최종적으로 설계 단계에서 추정된 결과와 실물펌프 성능시운전 결과의 차이를 언급하고, 그 차이가 어디에서 유발되었는지 그 원인을 분석하고자 한다.
제안 방법
- 모형시험은 Fig. 2에서 보는 바와 같이 중형 캐비테이션터널 시험부에 설치되는 펌프 단독성능 시험장치를 이용하여 설계 및 제작된 구동펌프의 모형시험을 수행하였다 (Ahn, et al., 2005). 펌프 시험장치에서는 유량계측, 양정계측, 추력 및 토오크 계측, 캐비테이션 발생시험을 수행할 수 있다.
- 구동펌프 설계를 위하여 임펠러/스테이터 날개단면은 NACA66을 선정하였으며, 허브와 날개끝 사이를 등간격으로 나눈 반경에서의 단면을 기준으로 두께 형상, 캠버 및 피치를 정의한다. 날개수와 직경 만이 결정된 상태에서 총 11번의 형상을 변경시키면서 설계 및 성능해석을 반복적으로 수행하였으며, 그중 2개의 펌프를 선정하여 모형시험을 수행하였다. 모형시험은 Fig.
- 날개수와 직경이 결정된 상태에서 요구양정에 따라 임펠러/스테이터 형상설계를 수행한 바, 상용 CFD 코드(CFX-10)와 모형시험을 통하여 최종 구동펌프를 결정하였다 (Ahn, et al., 2008).
- 또한 설계 단계에서 모형 펌프의 양정을 정도 높게 추정하였던 상용 CFD 코드(CFX-10)를 이용하여 LCT 성능시운전 조건에 맞추어 실물 펌프의 성능을 계산하고 성능시운전 결과와 비교를 수행하였다
- 본 연구에서는 대형 캐비테이션 터널(LCT)을 구동하기 위한 최종 구동펌프의 선정 과정을 설명하고, 실물 펌프를 제작하여 성능시운전 수행과정 및 결과를 정리하였다. 또한 설계 단계에서 정도가 확인된 성능 추정 코드인 CFX-10을 이용하여 실물펌프의 성능평가를 수행하였다. 최종 설계 펌프의 설계 개념은 LCT 수두손실이 실제보다 더 크게 추정될 가능성이 있으므로 설계유량보다 증가된 유량에서 펌프효율 감소가 크지 않도록 하는 것이다.
- 본 연구에서는 대형 캐비테이션 터널(LCT)을 구동하기 위한 최종 구동펌프의 선정 과정을 설명하고, 실물 펌프를 제작하여 성능시운전 수행과정 및 결과를 정리하였다. 또한 설계 단계에서 정도가 확인된 성능 추정 코드인 CFX-10을 이용하여 실물펌프의 성능평가를 수행하였다.
- 실물 펌프의 성능시운전을 수행한 바, 설계 단계에서 성능계산을 수행한 상용코드 CFX-10을 사용하여 실물 펌프 시험조건에서 성능 계산을 수행해 보고자 한다. CFX-10은 모형펌프의 양정은 잘 예측하였지만, 토오크는 모형시험보다 작게 예측하여 펌프 효율이 모형시험보다 높은 것으로 나타났다.
- 즉 설계유량이 증가되는 방향으로 이동하므로 높은 유량에서 펌프효율 감소가 크지 않은 것은 매우 유리한 성능향상이라 사료된다. 최종 설계펌프는 LP-11으로 결정되었으며 (Ahn, et al., 2008), 실물펌프를 제작하여 성능평가를 수행하였다.
대상 데이터
- 5 mm 이다. 2개의 모형펌프(LP-9, LP-11)에 대하여 성능시험 및 해석을 수행하였다 (Ahn, et al., 2008).
- 구동펌프 설계를 위하여 임펠러/스테이터 날개단면은 NACA66을 선정하였으며, 허브와 날개끝 사이를 등간격으로 나눈 반경에서의 단면을 기준으로 두께 형상, 캠버 및 피치를 정의한다. 날개수와 직경 만이 결정된 상태에서 총 11번의 형상을 변경시키면서 설계 및 성능해석을 반복적으로 수행하였으며, 그중 2개의 펌프를 선정하여 모형시험을 수행하였다.
- 임펠러 및 스테이터로 구성되는 실물 구동펌프는 직경 4.5 m로 물에 의한 부식을 방지하기 위하여 스테인레스 스틸로 제작되었다. 구동축계에 설치된 실물펌프는 Fig.
데이터처리
- 최종 설계단계에서의 모형펌프 성능해석은 임펠러와 스테이터를 동시에 해석할 수 있고, 날개끝 간격을 고려할 수 있는 CFX-10 상용코드를 이용하여 수행하였다. 2개의 모형펌프의 성능해석 결과는 모형실험 결과와 성능을 비교하였다. Fig.
- 최종 설계단계에서의 모형펌프 성능해석은 임펠러와 스테이터를 동시에 해석할 수 있고, 날개끝 간격을 고려할 수 있는 CFX-10 상용코드를 이용하여 수행하였다. 2개의 모형펌프의 성능해석 결과는 모형실험 결과와 성능을 비교하였다.
성능/효과
- 그러나, 수두손실에 너무 크게 예측하여 실제 유량이 20% 정도 증가되면 펌프 효율이 급격히 떨어지는 문제가 발생하게 되므로 약 10% 정도의 유량 증가 범위 내에서 수두손실을 예측하는 것이 유리하리라 사료된다
- 실제 펌프 작동 유량이 설계유량보다 증가하면서 펌프 효율은 약 3% 낮아졌지만 전력소모량은 설계 당시보다 상당히 낮아졌다. 설계 당시에 최대 시험부 유속은 임펠러 회전수 70 RPM에서 15.0 m/s 였으나, 성능시험에서는 약 63 RPM에서 설계 최대 유속을 만족하고 있어 실제 소요동력은 약 60% 수준으로 감소하였다. 최대 모터회전수 70 RPM에서도 약 22% 정도의 동력 여유가 있어 모터 회전수를 높일 수는 있으나, 모터 및 대형터널 구조물들이 70 RPM, 15.
- 실물펌프 성능시운전에서 도출된 임펠러 회전수와 유량을 입력하여 CFX-10에서 계산된 전달동력은 거의 전 영역에서 시운전 결과와 거의 일치하였다. 특히 모터 제조사의 하중시험 결과 범위에서 도출된 모터 역률(power factor)과 효율을 적용하여 얻은 전달마력이 CFX-10 추정결과와 거의 일치하는 것으로 보아 CFX-10이 실물펌프 분석을 위하여도 사용 가능함을 알 수 있다.
- 최종 설계 펌프의 설계 개념은 LCT 수두손실이 실제보다 더 크게 추정될 가능성이 있으므로 설계유량보다 증가된 유량에서 펌프효율 감소가 크지 않도록 하는 것이다. 실물펌프 성능시운전에서는 유량이 증가하면서 펌프 양정이 감소하는 현상이 그대로 나타났다. 유량은 설계사양보다 약 10.
- 7% 증가하였으며, 양정은 약 26% 낮아졌다. 실제 펌프 작동 유량이 설계유량보다 증가하면서 펌프 효율은 약 3% 낮아졌지만 전력소모량은 설계 당시보다 상당히 낮아졌다. 설계 당시에 최대 시험부 유속은 임펠러 회전수 70 RPM에서 15.
- 실물펌프 성능시운전에서는 유량이 증가하면서 펌프 양정이 감소하는 현상이 그대로 나타났다. 유량은 설계사양보다 약 10.7% 증가하였으며, 양정은 약 26% 낮아졌다. 실제 펌프 작동 유량이 설계유량보다 증가하면서 펌프 효율은 약 3% 낮아졌지만 전력소모량은 설계 당시보다 상당히 낮아졌다.
- 0 m/s 였으나, 성능시험에서는 약 63 RPM에서 설계 최대 유속을 만족하고 있어 실제 소요동력은 약 60% 수준으로 감소하였다. 최대 모터회전수 70 RPM에서도 약 22% 정도의 동력 여유가 있어 모터 회전수를 높일 수는 있으나, 모터 및 대형터널 구조물들이 70 RPM, 15.0m/s에서 설계되었으므로 모터 최대 회전수는 70 RPM으로 고정하였다. 앞서 언급된 결과로 미루어 구동펌프 설계를 위한 수두손실의 계산은 펌프 효율 측면에서는 되도록 정확하게 예측하는 것이 가장 좋지만, 약간에 여유를 가지고 추정하는 것이 유리하리라 사료된다.
- 또한 설계 단계에서 정도가 확인된 성능 추정 코드인 CFX-10을 이용하여 실물펌프의 성능평가를 수행하였다. 최종 설계 펌프의 설계 개념은 LCT 수두손실이 실제보다 더 크게 추정될 가능성이 있으므로 설계유량보다 증가된 유량에서 펌프효율 감소가 크지 않도록 하는 것이다. 실물펌프 성능시운전에서는 유량이 증가하면서 펌프 양정이 감소하는 현상이 그대로 나타났다.
- 실물펌프 성능시운전에서 도출된 임펠러 회전수와 유량을 입력하여 CFX-10에서 계산된 전달동력은 거의 전 영역에서 시운전 결과와 거의 일치하였다. 특히 모터 제조사의 하중시험 결과 범위에서 도출된 모터 역률(power factor)과 효율을 적용하여 얻은 전달마력이 CFX-10 추정결과와 거의 일치하는 것으로 보아 CFX-10이 실물펌프 분석을 위하여도 사용 가능함을 알 수 있다.
- 펌프 설계도 10% 유량 증가 범위에서 펌프 효율이 크게 감소되지 않도록 설계하는 것이 타당하다고 사료된다
후속연구
- CFX-10은 모형펌프의 양정은 잘 예측하였지만, 토오크는 모형시험보다 작게 예측하여 펌프 효율이 모형시험보다 높은 것으로 나타났다. 실물 펌프에서 CFX-10을 이용한 성능예측 결과는 성능시험 결과와 어떤 차이를 보여주는지 검토해 볼 필요가 있다. 임펠러 회전수와 성능실험에서 도출된 유량을 CFX-10 입력자료로 사용하여 얻어진 펌프 양정과 토오크는 Fig.
- 0m/s에서 설계되었으므로 모터 최대 회전수는 70 RPM으로 고정하였다. 앞서 언급된 결과로 미루어 구동펌프 설계를 위한 수두손실의 계산은 펌프 효율 측면에서는 되도록 정확하게 예측하는 것이 가장 좋지만, 약간에 여유를 가지고 추정하는 것이 유리하리라 사료된다.
- 92 m보다 약 25% 작게 나타났다. 유량이 약 10% 증가했기 때문에 양정이 감소하는 것은 당연한 결과인데, 유량과 양정과의 관계를 검토해 볼 필요가 있다.
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