[논문]축류펌프 안내 깃 최적화 설계를 위한 전산 유동해석

윤정의

doi:10.3795/ksme-b.2016.40.8.519

초록
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펌프 성능 관점에서 바라보면 회전날개의 충격손실을 최소화하는 것은 매우 중요하다. 본 연구는 회전날개의 충격손실에 직접적으로 영향을 미치는 흡입 케이싱 내에 설치되는 안내깃의 형상 및 설치 각 변화가 축류 펌프의 성능에 미치는 효과를 수치 해석 방법을 통해 살펴보았다. 그리고 주어진 운전조건에서 흡입 케이싱 내에 설치되는 안내깃의 최적형상 및 설치 각을 최적화 기법을 사용하여 최적화하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In a pump, from the performance point of view, it is very important to minimize the shock loss at the inlet of the rotor blades. In this study, the effects of shape and install angle of the inlet guide on the performance of an axial-flow pump are numerically simulated using commercial CFD code, Ansy...

In a pump, from the performance point of view, it is very important to minimize the shock loss at the inlet of the rotor blades. In this study, the effects of shape and install angle of the inlet guide on the performance of an axial-flow pump are numerically simulated using commercial CFD code, Ansys CFX. Finally, to obtain the optimized shape of the vanes and the install angle of the vanes in the inlet guide under given operating conditions, optimization analysis is conducted using Analysis design exploration based on response surface optimization.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 부드러운 흡입유동을 안내하기 위해 회전 날개 앞단에 설치하는 흡입 케이싱에 펌프 운전 중 발생하는 예선회(prewhirl) 방지를 위해 설치하는 입구 안내깃(inlet guide vane)에 관한 것으로, 지금까지는 단순히 예선회 방지 측면에서 사용하여 왔던 안내깃을 운전 중 펌프의 효율을 최대화하는 측면에서 최적화 설계된 형상과 운전 조건에 맞는 최적화된 설치 위치를 찾아보는 것을 연구의 목표로 수행하였다. 이를 위해 흡입 케이싱에 고정 안내깃이 장착되어 있는 기존의 유량 55 m³/min 급 축류 펌프를 대상으로 최적화 설계기법과 연동한 3-D 전산 유동 해석을 통해 최적 효율을 보장하는 새로운 흡입 케이싱 입구 안내깃 최적화 설계를 수행하였다.
축류펌프에서 지금까지 단순히 예선회 방지 측면에서 사용하여 왔던 안내깃을 펌프의 효율을 최대화하는 측면에서 최적화 설계된 형상과 운전 조건에 맞는 최적화된 설치 위치를 찾아보는 것을 연구의 목표로 수행한 일련의 연구를 통해 아래의 결론을 얻었다.

제안 방법

2는 해석하고자 하는 축류펌프의 흡입 케이싱(inlet casing) 구성과 흡입되는 유체의 유동을 제어하는 입구 안내깃(inlet guide vane) 여러 설계 변수들을 그려놓은 그림이다. 그림을 통해 알 수 있듯이 펌프 효율이 최적화되는 방향으로 흡입되는 유체의 흐름을 유도 해주기 위한 안내깃을 설계하기 위해서는 여러 변수들이 관여하게 되지만 본 연구에서는 흡입되는 유체의 유동방향에 가장 민감하게 영향을 주는 3개의 주요 변수 P1(radius), P2(width), P3(angle)을 대상으로 최적화 설계를 수행하였다. 먼저 가변 안내깃의 높이는 P1 값으로 조절할 수 있으며, 최적화 설계 과정에서는 이 값의 변화범위는 제작 및 운전 측면에서 750~850 mm로 제한하여 해석을 수행하였다(참고 : P1=650 mm에서 안내깃의 높이는 0mm가 됨).
그리고 가변 안내깃은 최적의 효율을 내기 위해 흡입 케이싱 내에서 일정 각도만큼 기울여 설치할 수 있어야 한다. 이를 위해 흡입 케이싱 위에서 축 방향을 중심으로 회전할 수 있도록 P3 값을 변수로 두어 가변 안내깃을 최적화 설계하였으며, 해석시 이 값은 안내깃의 곡면 회전을 고려하여 (-)30~(+)30도까지 변할 수 있는 것으로 제한하여 최적화 해석을 수행하였다. 최적설계 프로그램은 표면반응 최적화에 기반을 둔 ANSYS사의 Design Exploration을 사용하였다.
본 연구는 부드러운 흡입유동을 안내하기 위해 회전 날개 앞단에 설치하는 흡입 케이싱에 펌프 운전 중 발생하는 예선회(prewhirl) 방지를 위해 설치하는 입구 안내깃(inlet guide vane)에 관한 것으로, 지금까지는 단순히 예선회 방지 측면에서 사용하여 왔던 안내깃을 운전 중 펌프의 효율을 최대화하는 측면에서 최적화 설계된 형상과 운전 조건에 맞는 최적화된 설치 위치를 찾아보는 것을 연구의 목표로 수행하였다. 이를 위해 흡입 케이싱에 고정 안내깃이 장착되어 있는 기존의 유량 55 m³/min 급 축류 펌프를 대상으로 최적화 설계기법과 연동한 3-D 전산 유동 해석을 통해 최적 효율을 보장하는 새로운 흡입 케이싱 입구 안내깃 최적화 설계를 수행하였다.

데이터처리

10은 기존의 고정형 안내깃이 설치된 흡입관을 사용한 경우(fixed guide vane)의 해석결과 및 최적화된 안내깃을 흡입 케이싱 최적 설치각도로 설치한 경우의 최적 해석결과(optimized adjustable guide vane)를 실제로 시제품을 제작하여 시험한 결과와 함께 그려 놓은 그림이다. 실험은 해석결과와 비교를 위해 성능이 최대값을 보이는 유량 60m³/min 에서 기존의 펌프 및 최적의 안내깃이 설치된 펌프를 사용하여 수행하였으며, 해석결과의 전체적인 경향 분석을 위해 성능 변화가 적은 저 유량영역에서는 1점, 변화가 큰 고 유량영역에서는 2점에 대해 추가적으로 수행하여 해석 결과 값과 비교 분석을 하였다.

이론/모형

Stage interface 조건은 접촉면의 압력 및 속도 값이 반경방향의 평균값을 취하는 것으로 대칭형 축류펌프의 성능 평가에 일반적으로 채택하는 방법이다. 그리고 난류 모델링은 펌프 해석에 잘 맞는 것으로 알려 진 SST model(Shear Stress Transport Model)을 적용하였으며, 격자 구성 시 형상의 복잡성으로 사면체 격자를 주로 사용하였으나 벽면에서는 계산의 정확성을 위해 CFX 프로그램에서 추천하는 y⁺ 값이 300이하가 되도록 6층의 프리즘 격자 층을 배치하였다.⁽⁶⁾ 또한 해석 시 좀 더 실제적인 결과 값을 얻기 위해 펌프 벽면의 상당 표면 거칠기(equivalent sand-grain roughness) 0.2 mm를 고려하여 전체 해석을 수행하였다.^(6,7)
반응표면은 계산 시간은 다소 느리지만 비선형 응답에 적합한 Non - Parametric Regression Method를 사용하여 구성하였으며, 반응 표면이 해석 점들과 잘 일치하는 면으로 구성되어져 있음을 확인할 수 있다.
이를 위해 흡입 케이싱 위에서 축 방향을 중심으로 회전할 수 있도록 P3 값을 변수로 두어 가변 안내깃을 최적화 설계하였으며, 해석시 이 값은 안내깃의 곡면 회전을 고려하여 (-)30~(+)30도까지 변할 수 있는 것으로 제한하여 최적화 해석을 수행하였다. 최적설계 프로그램은 표면반응 최적화에 기반을 둔 ANSYS사의 Design Exploration을 사용하였다.

성능/효과

(3) 효율 최대화 측면에서 최적화 된 안내깃을 설치할 경우 설계 점에서 최대 5% 정도의 효율 향상을 얻을 수 있다.
7(b)]이 설치된 펌프를 사용하여 유량변화에 따른 효율, 양정, 소요 동력을 유동해석을 통해 계산한 결과이다. 먼저 효율 곡선을 살펴보면 최적화된 안내깃이 장착된 펌프의 경우 기존 펌프에 비해 유량 55 m³/min 지점에서는 효율 개선 5.9%, 유량 60 m³/min 지점에서는 효율 개선 5.2%, 유량 65 m³/min 지점에서는 효율 개선 10.9%를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. 양정 및 축 동력의 경우 최적화된 안내깃이 장착된 펌프에서 모두 증가하는 현상을 보인다.
먼저 효율 그림을 살펴보면 해석결과와 실험결과는 틈새를 통한 유출이 심해지는 고속 유량영역을 제외하면 유량변화에 따른 효율 변화의 경향은 거의 유사하다는 것을 알 수 있다. 즉 모든 경우 최적화된 안내깃을 최적 각도에 설치하여 사용할 경우 기존의 고정익에 비해 효율이 유량 60m³/min 위치에서 5% 정도(해석 경우 5.2% :실험 경우 : 4.9%) 개선된다는 것을 확인할 수 있다. 그러나 정량적인 측면에서는 해석 결과 값이 실제로 실험한 값에 비해 과대평가하고 있다는 것을 보여준다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	축류펌프 중 펌프의 효율, 양정 및 소요 동력에 민감한 설계 변수는 무엇인가?	(1) 축류펌프 흡입케이싱 내 설치되는 안내깃의 형상을 지배하는 높이(P1), 폭(P2) 및 설치 각(P3)은 펌프의 효율, 양정 및 소요 동력에 민감한 설계 변수이다.
	축류펌프는 어떻게 구성되는가?	Fig. 1은 해석하고자 하는 축류펌프의 구성을 보여주는 그림으로 유체의 흡입을 유도하는 흡입 케이싱(inlet casing), 흡입되는 유체의 예선회를 방지해주는 입구 안내깃(inlet guide vane), 그리고 회전날개(rotor) 및 토출되는 유체의 회전 성분을 막아주는 고정날개(stator)로 전체 펌프가 구성되어있음을 알 수 있다.
	축/사류펌프의 효율 향상과 관련하여 어떤 연구가 진행되었는가?	축/사류펌프는 효율 향상과 관련하여 국내외 여러 연구 기관에서 연구가 진행되어 왔다. 그중 오랫동안 많은 연구가 진행된 부분은 임펠러 설계로 3-D 유동 해석을 통한 상세 해석이 수행되어 최근에는 83%의 효율까지 이르게 되었다.(1) 그러나 흡입 시 충격 손실에 의한 효율 저하를 개선하기 위한 펌프 흡입구 안내깃과 관련된 연구는 주로 원심 펌프에 대해 이루어져 왔으며 축/사류 펌프에 적용된 예는 찾아보기 어렵다.

참고문헌 (8)

Yun, J. E., 2013, "Development of Submersible Axial Pump for Wastewater," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 37, No. 2, pp. 149-154.

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Tan, L., Zhu, B., Cao, S., Wang, Y. and Wang, B., 2014, "Influence of Prewhirl Regulation by Inlet Guide Vanes on Cavitation Performance of a Centrifugal Pump," Energies, Vol. 7, No. 2, pp. 1050-1065.

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Li, J., Zeng, Y., Liu, X. and Wang, H., 2012, "Optimum Design on Impeller Blade of Mixed-flow Pump Based on CFD," Procedia Engineering, Vol. 31, pp. 187-195.

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Krzemianowski, Z., Banaszek, M. and Tesch, K., 2011, "Experimental Validation of Numerical Model within a Flow Configuration of the Model Kaplan Turbine," Mechanics and Mechanical Engineering, Vol. 15, No. 3, pp. 297-307.
Qian, Z., Wang, Y., Huai, W. and Lee, Y., 2010, "Numerical Simulation of Water Flow in an Axial Flow Pump with Adjustable Guide Vanes," JMST, Vol. 24, No. 4, pp. 971-976.
ANSYS CFX, 2013, ANSYS CFX User''s Guide Release 15.0, ANSYS Inc.
Yun, J. E. and Kim, J. H., 2014, "Effect of Surface Roughness on Performance Analysis of Centrifugal Pump for Wastewater Transport," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 38, No. 2, pp. 147-153.

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ANSYS Design Exploration, 2013, ANSYS Design Exploration User''s Guide Release 15.0, ANSYS Inc.

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