[논문]수처리 교반기의 프로펠러 허브 볼텍스 제어

김대한; 문영준

doi:10.5293/kfma.2016.19.2.011

[국내논문] 수처리 교반기의 프로펠러 허브 볼텍스 제어
Control of Propeller Hub Vortex for Water Treatment Mixer 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.19 no.2, 2016년, pp.11 - 15

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the generation of the propeller hub vortex was analyzed and a PBCF(Propeller Boss Cap Fins) was designed to control the propeller hub vortex. A RANS(Reynolds-averaged Navier-stokes) approach is employed to predict the hub vortex characteristics. The hub profile is an important factor but only a small increase (1.9%) of efficiency was obtained with the hub profile modification. The propeller hub vortex was eliminated by installing the PBCF and as a result, the propeller efficiency was increased by 5.6%.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 프로펠러의 허브 형상 변화에 따른 허브볼텍스 유동의 특성 파악하고, 이를 제어하기 위해 프로펠러 보스 캡 핀(PBCF)을 설치함으로써, 프로펠러의 성능 및 효율을 향상시키는 설계 방향을 제시하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 수처리용 프로펠러의 허브 형상 변화에 따른 유동 특성 분석 및 성능 비교를 위하여 전산유동해석 시뮬레이션을 수행하였다. 작동 유체는 물을 사용하였고, 난류모델은 standard k-ɛ 모델을 적용하였다.
앞 절의 분석을 통해 모든 case에서 허브 볼텍스가 발생하므로, 단순히 허브 형상의 변경만을 통해서는 허브 볼텍스의 제어와 프로펠러의 효율을 증가시킬 수는 없다. 본 절에서는 허브 볼텍스 유동을 효과적으로 제어하여 프로펠러의 효율을 증가시키고자 앞 절에서 사용한 허브인 실린더 형태의 case1과 비교 대상으로 둥근 형태의 허브와 뾰족한 형태의 허브 중 단위 동력당 유량값이 큰 case2에 PBCF를 적용하여 유동해석을 진행하였다. 유동해석에 사용한 형상은 Fig.
본 연구에서는 수처리 교반기용 프로펠러의 허브 형상에 따른 유동 특성에 대한 분석을 수행하였다. 다양한 형상을 갖는 프로펠러의 허브 볼텍스의 생성을 확인하고 그 원리를 분석하였다. 허브 볼텍스는 허브 주변에서 발생하는 매우 낮은 압력을 갖는 강력한 핵으로써, 추력의 감소와 캐비테이션 발생의 원인되며, 허브 볼텍스의 제어를 통해 이를 방지할 수 있다.

이론/모형

본 연구에서는 수처리용 프로펠러의 허브 형상 변화에 따른 유동 특성 분석 및 성능 비교를 위하여 전산유동해석 시뮬레이션을 수행하였다. 작동 유체는 물을 사용하였고, 난류모델은 standard k-ɛ 모델을 적용하였다. 사용한 연속 방정식과 Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) 방정식은 다음과 같다.
작동 유체는 물을 사용하였고, 난류모델은 standard k-ɛ 모델을 적용하였다. 사용한 연속 방정식과 Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) 방정식은 다음과 같다.

성능/효과

하지만, 허브 볼텍스의 강도뿐만 아니라 허브 형상에 따른 유동 특성 또한 프로펠러 효율에 영향을 주므로 프로펠러의 허브 선정 시 고려해야 하는 요소가 된다. 다양한 허브형상을 갖는 프로펠러 의 전산 해석을 통해 단순히 허브 형상의 변화만으로는 허브 볼텍스를 제어하는데 한계가 존재하고, 이를 해결하기 위한 방법으로 프로펠러 후방에 프로펠러 보스 캡 핀(PBCF)를 설치하여, 허브 볼텍스를 크게 약화시킬 수 있었다. 전산 해석 결과를 통해 PBCF를 적용하여 허브 볼텍스를 약화시키더라도, 유동의 특성에 맞게 설계되지 않을 경우 토크의 증가와 역방향 추력의 증가를 일으켜 오히려 효율이 감소하는 것을 알 수 있었다.
다양한 허브형상을 갖는 프로펠러 의 전산 해석을 통해 단순히 허브 형상의 변화만으로는 허브 볼텍스를 제어하는데 한계가 존재하고, 이를 해결하기 위한 방법으로 프로펠러 후방에 프로펠러 보스 캡 핀(PBCF)를 설치하여, 허브 볼텍스를 크게 약화시킬 수 있었다. 전산 해석 결과를 통해 PBCF를 적용하여 허브 볼텍스를 약화시키더라도, 유동의 특성에 맞게 설계되지 않을 경우 토크의 증가와 역방향 추력의 증가를 일으켜 오히려 효율이 감소하는 것을 알 수 있었다. 유동과의 상호작용을 고려하여 설계된 PBCF case5는 토크의 감소를 통해 가장 높은 효율을 보이며, 동일 유량 대비 가장 적은 전력소모량을 필요로 하므로 교반기 프로펠러의 성능 향상에 도움이 될 것이라 판단된다.
전산 해석 결과를 통해 PBCF를 적용하여 허브 볼텍스를 약화시키더라도, 유동의 특성에 맞게 설계되지 않을 경우 토크의 증가와 역방향 추력의 증가를 일으켜 오히려 효율이 감소하는 것을 알 수 있었다. 유동과의 상호작용을 고려하여 설계된 PBCF case5는 토크의 감소를 통해 가장 높은 효율을 보이며, 동일 유량 대비 가장 적은 전력소모량을 필요로 하므로 교반기 프로펠러의 성능 향상에 도움이 될 것이라 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내외 수처리 산업에서 펌프에 요구되는 것은?	국내외 수처리 산업에서 펌프는 점차 고효율, 저소음 등 내환경성과 고신뢰성 장치를 요구하고, 기술력을 바탕으로 한 고부가가치의 제품 개발을 통해 경쟁력을 갖추는 것이 필수적이다. 수처리 시설에서 상당 부분은 전력비가 차지하고 있으며, 특히 장시간동안 지속적으로 사용하는 펌프 시설 등의 사용 전력이 많은 부분을 차지하고 있다.
	허브 볼텍스는 무엇인가?	다양한 형상을 갖는 프로펠러의 허브 볼텍스의 생성을 확인하고 그 원리를 분석하였다. 허브 볼텍스는 허브 주변에서 발생하는 매우 낮은 압력을 갖는 강력한 핵으로써, 추력의 감소와 캐비테이션 발생의 원인되며, 허브 볼텍스의 제어를 통해 이를 방지할 수 있다.
	PBCF의 이점은 무엇인가?	PBCF는 프로펠러에 의한 정방향 추력과 토크가 작용하는 일반 프로펠러와 달리 핀에 의해 발생하는 역방향 추력과 토크가 추가적으로 작용한다. 하지만, 허브 볼텍스의 약화를 통해 시스템 전체적으로 토크의 감소와 추력의 증가를 가져오며, 이를 통해 전체 효율이 증가한다.

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