[논문]초고압 용적형 펌프의 체절운전시스템 개발에 관한 연구

민세홍; 김호철; 성기찬

doi:10.7731/kifse.2016.30.2.106

초고압 용적형 펌프의 체절운전시스템 개발에 관한 연구
A Study on Development of Shutoff Operating System of Ultra-High Pressure Positive Displacement Pump 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.30 no.2, 2016년, pp.106 - 113

민세홍 (가천대학교 공과대학 설비.소방공학과) , 김호철 (가천대학교 화재.소방과학연구센터) , 성기찬 ((주)제이엠모터스)

초록
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초고압 용적형 펌프는 로터의 회전에 의한 주기적인 용적의 변화를 이용하는 펌프로 고압, 고유량을 동시에 만족하며 로터의 저속 및 고속 회전에 따라 변화 없이 일정하게 상대적으로 높은 펌프 효율을 유지할 수 있는 장점을 가진다. 많이 사용되고 있는 원심펌프와는 달리 별도의 진공펌프가 없이도 자흡 성능을 가지고 있으며, 비교적 단순한 구조로 인하여 경량화, 소형화가 가능한 특성을 자기고 있다. 유체를 높은 압력으로 이송할 수 있으며, 압력의 변동에 따라 유량의 변동이 적은 정량 토출이 가능하다. 이러한 용적형 펌프를 사용하는 이유는 흡입된 유체가 유량의 변화 없이 토출되는 장점이 있기 때문이다. 본 연구에서는 유량의 변화가 없다는 장점이 있는 용적형 펌프의 체절시스템을 개발하여 펌프의 고압 운전시의 안전성을 확보하고자 하였다. 체절시스템은 컨트롤러 프로그램, 전자클러치, 릴리프밸브의 3가지로 이루어져, 한 가지 시스템이 작동하지 않아도 다른 시스템이 작동하는 시스템으로 이루어져 있다. 컨트롤러 프로그램과 전자 클러치의 작동을 확인하기 위한 과속도 시험과 릴리프 밸브의 유체유동해석, venting 실험을 통해 현재 개발한 초고압 용적형 펌프의 체절시스템이 작동됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Ultra-high pressure positive displacement pump can discharge high pressure water with mass volume, which depends on periodic changes in volume that made by rotation motor. Its high efficiency of discharge is one of the most strong point of positive displacement pump. Due to its simple system structure, it can be miniaturized and lightened. Positive displacement pump can discharge high pressure with stable flow rate, irrespective of pressure fluctuate. This is the reason that positive displacement pump was used instead of centrifugal pump. In this study, shutoff operating system was developed for positive displacement pump to secure safety of high pressure operate. This shutoff system contains controller system, electronic clutch, and relief valve, and each part is mutual supplementation. Speed test was carried out in order to check operation of controller program and electronic clutch and fluid flow, venting experiment of the relief valve. It was confirmed that segment system of ultra-high pressure positive displacement pump is operated.

주제어

표/그림 (12)

그림 Figure 1. Ultra-high pressure rotary positive displacement pump and exploded view.
그림 Figure 2. Flow chart of shutoff operating system.
그림 Figure 3. Electric control panel of shutoff operating system of ultra-high pressure positive displacement pump.
그림 Figure 4. Controller and monitoring system of shutoff operating system.
그림 Figure 5. Electromagnetic clutch.
표 Table 1. Test Condition
그림 Figure 6. Structure of relief valve.
그림 Figure 7. Status of mesh.
그림 Figure 8. Analysis result of simulation.
그림 Figure 8. Continued.
그림 Figure 9. Graph of flow rate.
그림 Figure 10. Experimental device configuration in accordance with KS B 6307 standard.

AI 본문요약
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문제 정의

그럼에도 불구하고 용적형 펌프를 사용하는 이유는 흡입된 유체가 유량의 변화 없이 토출되는 장점이 있기 때문이다. 본 연구에서는 유량의 변화가 적다는 장점이 있는 용적형 펌프의 체절운전시스템을 개발하여 펌프의 고압 운전시의 안전성을 확보하고자 하였다⁽⁵⁾. 개발한 초고압 용적형 펌프의 체절시스템은 컨트롤러 프로그램과 전자클러치, 릴리프 밸브의 세 가지로 구성되며, 과속도시험, 유체유동해석과 venting 실험을 통해 작동됨을 확인하고자 하였다.
본 연구에서는 초고압 용적형 펌프의 안전성을 확보하고자 체절운전시스템을 연구하였다. 본 시스템에 전자회로 시스템, 전자클러치, 릴리프밸브를 적용하였다.

가설 설정

또한 해석의 경계 조건은 입구측에 압력 20 bar를 적용하였고, 출구측은 대기압 조건을 적용하였다. 해석 모델은 층류 상태(Laminar)와 난류 상태(Turbulent)가 공존하는 것으로 가정하였으며 해석에 사용된 유체는 상온 상태의 물이다.

제안 방법

(1) 전자회로시스템은 펌프의 측정압력, 회전속도 및 유량에 대하여 자동으로 미리 설정한 체절 운전시의 압력을 넘지 않도록 펌프와 엔진을 제어함으로써 펌프를 운전할수 있도록 하였다
국가 R&D 사업으로 개발한 초고압 용적형 펌프는 현재 시제품 제작을 통해 양산체제에 들어와 있으며, 헬리컬 형상 로터 등 고압펌프 핵심부와 구동부 설계 및 제어시스템을 개발하였다. 30 bar, 2,000 LPM 조건으로 개발하였으며, 과제에서 개발한 펌프를 응용하여, 현재 H공기업에 20bar, 2,000 LPM 조건의 펌프를 20대, 20 bar, 3,000 LPM 조건의 펌프 3대의 계약을 맺었고 납품을 위해 제작 중에 있다.
본 연구에서는 유량의 변화가 적다는 장점이 있는 용적형 펌프의 체절운전시스템을 개발하여 펌프의 고압 운전시의 안전성을 확보하고자 하였다⁽⁵⁾. 개발한 초고압 용적형 펌프의 체절시스템은 컨트롤러 프로그램과 전자클러치, 릴리프 밸브의 세 가지로 구성되며, 과속도시험, 유체유동해석과 venting 실험을 통해 작동됨을 확인하고자 하였다.
0을 사용하여 수행하였으며, Throttle Rod의 위치변화에 따른 출구측 유량 변화를 확인하기 위해 릴리프밸브가 완전히 닫힌 상태에서 Throttle Rod를 1 mm에서 5 mm까지 개방했을 때, 출구측에서의 유량 변화를 확인하였다. 또한 해석의 경계 조건은 입구측에 압력 20 bar를 적용하였고, 출구측은 대기압 조건을 적용하였다. 해석 모델은 층류 상태(Laminar)와 난류 상태(Turbulent)가 공존하는 것으로 가정하였으며 해석에 사용된 유체는 상온 상태의 물이다.
컨트롤러의 데이터 입력은 전압신호를 입력신호로 받고 있으며 저항을 이용하여 전류신호를 전압신호로 전환하였다. 모니터링 시스템은 본 시스템 구성에서 전압을 병렬로 10 m 길이의 결선을 추가하여 시스템을 구성하였다.
본 연구에서는 초고압 용적형 펌프의 안전성을 확보하고자 체절운전시스템을 연구하였다. 본 시스템에 전자회로 시스템, 전자클러치, 릴리프밸브를 적용하였다. 본 연구의 결과로 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
본 연구에서 제시한 초고압 용적형 펌프의 체절운전시스템은 수 회의 과속도시험을 통해 전자회로시스템과 전자클러치의 정상작동을 확인하였고, 유체유동해석과 venting 시험을 통해 릴리프 밸브의 정상작동을 확인하였다. 이러한 시험을 통해 펌프, 엔진 및 배관 등에 손상을 주지 않고 초고압 용적형 펌프를 안전하게 운전할 수 있도록 하였다.
총 313,107개의 셀로 구성되고 그 중, 유체 영역이 152,035 개, 솔리드 영역이 161,072개다. 신뢰도 있는 결과를 도출하기 위하여 급격한 유동 변화가 예상되는 Throttle Rod 주변의 셀을 조밀하게 구성하였다.
유동해석은 SolidWorks Flow Simulation 2016 SP 2.0을 사용하여 수행하였으며, Throttle Rod의 위치변화에 따른 출구측 유량 변화를 확인하기 위해 릴리프밸브가 완전히 닫힌 상태에서 Throttle Rod를 1 mm에서 5 mm까지 개방했을 때, 출구측에서의 유량 변화를 확인하였다. 또한 해석의 경계 조건은 입구측에 압력 20 bar를 적용하였고, 출구측은 대기압 조건을 적용하였다.
본 연구에서 제시한 초고압 용적형 펌프의 체절운전시스템은 수 회의 과속도시험을 통해 전자회로시스템과 전자클러치의 정상작동을 확인하였고, 유체유동해석과 venting 시험을 통해 릴리프 밸브의 정상작동을 확인하였다. 이러한 시험을 통해 펌프, 엔진 및 배관 등에 손상을 주지 않고 초고압 용적형 펌프를 안전하게 운전할 수 있도록 하였다.
전자회로시스템과 전자클러치가 정상적으로 작동하는지 확인하기 위해 과속도 시험을 진행하였다. 과속도 시험은 시스템 작동시 엔진의 RPM이 정해진 스펙보다 상승하여 모터에 부하가 걸리는 것을 막기 위해 스스로 엔진시동을 멈추게 하는 시험으로 시스템의 안정성을 시험하는 것이다.
초고압 용적형 펌프는 데이터의 원활한 확인을 위하여 별도의 모니터링 시스템을 구축하여 구동을 확인하였다(4).

대상 데이터

릴리프밸브의 작동을 확인하기 위해 Figure 10에 나타낸 바와 같이 KS B 6307 기어펌프 및 나사펌프의 시험및 검사방법에 준하여 시험장치를 구성하였다. 릴리프밸브의 작동 시험은 다음의 순서로 진행하였다.

성능/효과

(3) 본 연구를 통해 용적형 펌프에 적용하는 체절운전시스템에 적용하는 릴리프밸브에 대해 유체유동해석으로 릴리프밸브의 제작에 안전성을 검증하였다
(4) 릴리프밸브는 전자회로시스템과 전자클러치가 작동되지 않을 때 배관 내 압력을 venting시켜주는 것으로 5~30 bar의 조건에서 5 bar 간격으로 실험을 진행하였고, 펌프의 운용 중에 체절운전을 정상적으로 수행하는 것을 확인하였다. 이렇게 개발된 릴리프밸브는 배관 압력이 릴리프밸브의 세팅 압력보다 높아질 때 작동하여 펌프와 배관의 파손을 방지할 수 있을 것이다.
Throttle Rod가 1 mm, 2 mm 개방되었을 때, 입구측 압력 조건인 20 bar보다 높은 압력이 Throttle Rod 주변에서 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, 3 mm 이상에서는 밸브 내부에 입구측 압력 조건 20 bar보다 높은 압력이 나타나지 않았다. 또한 Throttle Rod의 위치별 Velocity StreamLine 결과를 통해 릴리프밸브가 개방 될수록 밸브 내부의 유속이 높아짐을 확인할 수 있었다.
또한, Throttle Rod의 위치에 따른 출구측 유량 변화를 Figure 9에 그래프로 나타내었다. Throttle Rod의 개방량과 출구측의 유량은 비례관계를 보이며, Throttle Rod가 5mm 개방되었을 때 최대 유량 2,916 LPM으로 확인되었다. 확인된 유량은 2,000 LPM 용적형 모델의 토출량을 상회하는 수치로 체절 운전시 충분한 유량을 by-pass시켜 안정적인 감압 성능으로 펌프나 배관의 파손을 예방할 수 있을 것으로 판단된다.
같은 방법으로 10 bar, 15 bar, 20 bar, 25 bar, 30 bar 순으로 진행하였으며, 압력이 릴리프밸브의 세팅 압력보다 높아질 때 정상적으로 바이패스되는 것을 확인하였다. 각 압력에서 수차례의 시험을 반복하여 내구성에도 이상이 없음을 확인하였으며, 누수의 발생과 변형 여부도 확인하여 이상이 없음을 확인하였다
릴리프밸브의 구동 세팅 압력이 5 bar일 때 펌프의 토출압을 5 bar 이상으로 작동한 뒤 릴리프밸브가 작동하여 유체가 바이패스되는 것을 확인하였으며, 토출압이 안정적으로 떨어지는 것을 확인하였다. 같은 방법으로 10 bar, 15 bar, 20 bar, 25 bar, 30 bar 순으로 진행하였으며, 압력이 릴리프밸브의 세팅 압력보다 높아질 때 정상적으로 바이패스되는 것을 확인하였다. 각 압력에서 수차례의 시험을 반복하여 내구성에도 이상이 없음을 확인하였으며, 누수의 발생과 변형 여부도 확인하여 이상이 없음을 확인하였다
Throttle Rod가 1 mm, 2 mm 개방되었을 때, 입구측 압력 조건인 20 bar보다 높은 압력이 Throttle Rod 주변에서 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, 3 mm 이상에서는 밸브 내부에 입구측 압력 조건 20 bar보다 높은 압력이 나타나지 않았다. 또한 Throttle Rod의 위치별 Velocity StreamLine 결과를 통해 릴리프밸브가 개방 될수록 밸브 내부의 유속이 높아짐을 확인할 수 있었다.
전자클러치는 단속(斷續)이 전기적으로 쉽게 할 수 있고, 전류의 가감에 의해 접촉을 서서히, 원활하게 할 수 있다. 또한, 원격제어가 쉽고, 조작이 간단하며 고속화가 가능하며, 소형, 자동화의 콤팩트한 설계가 가능하다. 전달 토크에 비하여 소비전력이 적으며, 부속설비가 불필요해 전기배선만으로 간단히 사용 가능한 장점이 있다.
초고압 용적형 펌프의 체절운전시스템의 안정성 확보 및 원활한 운전을 위하여 시스템의 모든 센서를 전류데이터를 이용하는 시스템으로 변경하였고, 일반적으로 4~20 mA 데이터를 사용하는 시스템의 경우 노이즈에 매우 강한 시스템임을 고려할 때 기존 시스템보다 안정성이 높았다. 또한, 프로그램적으로 안정성을 높이기 위하여 성능 테스트 및 데이터를 확보하여 시스템의 안정성을 높였다. 그 외에 일부 진동 및 기타 사항에 대하여는 현 진행된 테스트 등으로 일부 내진동성 및 기타 성능은 확보된 것으로 판단된다.
모터를 구동한 후 압력조절밸브로 펌프의 토출압력을 상승시키고, 충분한 토출량을 보일 때 토출 배관의 밸브를 닫고 릴리프밸브가 작동하는 것을 확인하였다. 릴리프밸브의 구동 세팅 압력이 5 bar일 때 펌프의 토출압을 5 bar 이상으로 작동한 뒤 릴리프밸브가 작동하여 유체가 바이패스되는 것을 확인하였으며, 토출압이 안정적으로 떨어지는 것을 확인하였다. 같은 방법으로 10 bar, 15 bar, 20 bar, 25 bar, 30 bar 순으로 진행하였으며, 압력이 릴리프밸브의 세팅 압력보다 높아질 때 정상적으로 바이패스되는 것을 확인하였다.
우선 Figure 10의 오른쪽 하단에서 보이는 릴리프밸브의 다이얼을 조절하여 구동압력(5~30 bar)을 세팅한다. 모터를 구동한 후 압력조절밸브로 펌프의 토출압력을 상승시키고, 충분한 토출량을 보일 때 토출 배관의 밸브를 닫고 릴리프밸브가 작동하는 것을 확인하였다. 릴리프밸브의 구동 세팅 압력이 5 bar일 때 펌프의 토출압을 5 bar 이상으로 작동한 뒤 릴리프밸브가 작동하여 유체가 바이패스되는 것을 확인하였으며, 토출압이 안정적으로 떨어지는 것을 확인하였다.
다만 모니터링을 위한 10 m 결선의 경우 전압 데이터를 받아야 하는 상황이며 엔진에서 발생하는 전기적 노이즈 등에 의한 전압 노이즈가 발생하였다. 초고압 용적형 펌프의 체절운전시스템의 안정성 확보 및 원활한 운전을 위하여 시스템의 모든 센서를 전류데이터를 이용하는 시스템으로 변경하였고, 일반적으로 4~20 mA 데이터를 사용하는 시스템의 경우 노이즈에 매우 강한 시스템임을 고려할 때 기존 시스템보다 안정성이 높았다. 또한, 프로그램적으로 안정성을 높이기 위하여 성능 테스트 및 데이터를 확보하여 시스템의 안정성을 높였다.
Throttle Rod의 개방량과 출구측의 유량은 비례관계를 보이며, Throttle Rod가 5mm 개방되었을 때 최대 유량 2,916 LPM으로 확인되었다. 확인된 유량은 2,000 LPM 용적형 모델의 토출량을 상회하는 수치로 체절 운전시 충분한 유량을 by-pass시켜 안정적인 감압 성능으로 펌프나 배관의 파손을 예방할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	체절이란 무엇인가?	한편, 체절이란 펌프의 토출측 밸브를 잠그고 펌프를 가동시키는 무부하 운전 상태를 말하며, 이 경우 정지된 유체에 펌프의 운전동력이 전달되기 때문에 유체의 압력 및 수온이 상승하고 펌프가 공회전하게 되며, 체절 운전시에 는 정격 운전시보다 140%를 초과하지 않도록 소방관계법규에 규정되어 있다. 이러한 체절운전이 계속되거나, 그 이상이 되면 펌프의 손상 및 배관의 파손이 우려된다.
	초고압 용적형 펌프는 원심펌프와 어떤 차이점이 있는가?	초고압 용적형 펌프는 로터의 회전에 의한 주기적인 용적의 변화를 이용하는 펌프로 고압, 고유량을 동시에 만족하며 로터의 저속 및 고속 회전에 따라 큰 변화 없이 일정하게 상대적으로 높은 펌프 효율을 유지할 수 있는 장점을 가진다. 현재 많이 사용되고 있는 원심펌프와는 달리 별도의 진공펌프가 없이도 자흡 성능을 가지고 있으며, 비교적 단순한 구조로 인하여 경량화, 소형화가 가능한 특성을 가지고 있다(1,2).
	초고압 용적형 펌프의 장점은 무엇인가?	초고압 용적형 펌프는 로터의 회전에 의한 주기적인 용적의 변화를 이용하는 펌프로 고압, 고유량을 동시에 만족하며 로터의 저속 및 고속 회전에 따라 큰 변화 없이 일정하게 상대적으로 높은 펌프 효율을 유지할 수 있는 장점을 가진다. 현재 많이 사용되고 있는 원심펌프와는 달리 별도의 진공펌프가 없이도 자흡 성능을 가지고 있으며, 비교적 단순한 구조로 인하여 경량화, 소형화가 가능한 특성을 가지고 있다(1,2).

참고문헌 (6)

S. H. Min and H. C. Kim, "A Study on Fluid Analysis of High Pressure Positive Displacement Pump without Clearance", Fire Science and Engineering, Vol. 29, No. 2, pp. 1-6 (2015).
Y. S. Kim, S. W. Kno, S.W. Park and J. K. Joo, "A Study on the Applications of Fire Fighting Equipment in Use of Rotary Displacement Pump", Proceedings of 2011 Spring Annual Conference, Korean Institute of Fire Science & Engineering, pp. 71-75 (2011).
S. H. Min and Y. J. Kwon, "An Empirical Study on the Standard Re-establishment of Water Discharge Performance for the Fire Engine Pump", Journal of Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol. 26, No. 5, pp. 85-91 (2012).
S. H. Min and J. M. Lee, "A Study on the Fire Reconstruction of Exterior on High-rise Building (Focus on Fire Case Including the Woosin Golden Suite in Haeundae)", Journal of Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol. 27, No. 2, pp. 25-30 (2013).
Y. T. Han, K. C. Sung and S. H. Min "Fire-fighting Pump Approval Standard for Fire-fighting Trucks with an Additional Positive Displacement Pump", Fire Science and Engineering, Vol. 30, No. 1, pp. 104-110 (2016).
S. H. Min, "A Study on the Evacuation Risk of Simultaneous Fires from Exterior", Journal of Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol. 26, No. 4, pp. 48-54 (2012).

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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