선박용 입형 편흡입 원심 해수펌프의 회전체와 파이프 시스템 내부에 발생한 과도한 손상의 원인을 분석하고자 실제 모델을 역설계 하였다. 이를 위해 전산유체역학(CFD)을 이용하여 해수냉각펌프의 내부유동 분석을 실시하였다. 결과적으로 역설계를 통한 대상펌프의 형상 및 경계조건을 설정하여 설계 운전점인 $125m^3/h$에서의 펌프 효율은 85.3 %, 양정 32.0미터로 계산되었다. 대상 펌프의 최고 효율점은 $150m^3/h$에서 약 86.2 %로 예측되었으나 실제 운전점과는 차이가 있었다. 최저 유량점인 $112.5m^3/h$에서는 저 유량점 특성상 유동이 불안정하여 해석의 수렴이 좋지 않았다. 선박에서 운전 중인 해수펌프 및 파이프 시스템 전반에 걸쳐 진행 중인 공동현상의 원인 규명을 통해 개선방안을 도출하고자 하였으나, 입 출구 전체 파이프 시스템의 계산, 각 지관들에 대한 유량 및 유속 측정 등을 통해 보다 명확한 원인분석을 위한 후속연구가 필요하다.
선박용 입형 편흡입 원심 해수펌프의 회전체와 파이프 시스템 내부에 발생한 과도한 손상의 원인을 분석하고자 실제 모델을 역설계 하였다. 이를 위해 전산유체역학(CFD)을 이용하여 해수냉각펌프의 내부유동 분석을 실시하였다. 결과적으로 역설계를 통한 대상펌프의 형상 및 경계조건을 설정하여 설계 운전점인 $125m^3/h$에서의 펌프 효율은 85.3 %, 양정 32.0미터로 계산되었다. 대상 펌프의 최고 효율점은 $150m^3/h$에서 약 86.2 %로 예측되었으나 실제 운전점과는 차이가 있었다. 최저 유량점인 $112.5m^3/h$에서는 저 유량점 특성상 유동이 불안정하여 해석의 수렴이 좋지 않았다. 선박에서 운전 중인 해수펌프 및 파이프 시스템 전반에 걸쳐 진행 중인 공동현상의 원인 규명을 통해 개선방안을 도출하고자 하였으나, 입 출구 전체 파이프 시스템의 계산, 각 지관들에 대한 유량 및 유속 측정 등을 통해 보다 명확한 원인분석을 위한 후속연구가 필요하다.
The model used in this study was reversed to analyze the cause of excessive damage that occurred inside the rotating system and pipe system of a centrifugal-type seawater pump on a ship. For this purpose, internal flow analysis on a cooling seawater pump was performed using CFD. As a result, the sha...
The model used in this study was reversed to analyze the cause of excessive damage that occurred inside the rotating system and pipe system of a centrifugal-type seawater pump on a ship. For this purpose, internal flow analysis on a cooling seawater pump was performed using CFD. As a result, the shape and boundary conditions of the target pump were set by reverse engineering, and pump efficiency at a design operating point of $125m^3/h$ was calculated as 85.3 % with a head of 32.0 m. The maximum efficiency point of the target pump was estimated to be 86.2 % at $150m^3/h$, but this differed from the actual operating point. At $112.5m^3/h$, which was the lowest flow point, flow was unstable due to the characteristics of the low flow point and analysis convergence was not good. The purpose of this study was to clarify the cause of ongoing cavitation in seawater pumps and piping systems in operation. Future research will be needed to clarify causes for pipe systems in the future by performing calculations for the total piping system of an inlet and outlet, in addition to measuring the flow rate of each branch pipe.
The model used in this study was reversed to analyze the cause of excessive damage that occurred inside the rotating system and pipe system of a centrifugal-type seawater pump on a ship. For this purpose, internal flow analysis on a cooling seawater pump was performed using CFD. As a result, the shape and boundary conditions of the target pump were set by reverse engineering, and pump efficiency at a design operating point of $125m^3/h$ was calculated as 85.3 % with a head of 32.0 m. The maximum efficiency point of the target pump was estimated to be 86.2 % at $150m^3/h$, but this differed from the actual operating point. At $112.5m^3/h$, which was the lowest flow point, flow was unstable due to the characteristics of the low flow point and analysis convergence was not good. The purpose of this study was to clarify the cause of ongoing cavitation in seawater pumps and piping systems in operation. Future research will be needed to clarify causes for pipe systems in the future by performing calculations for the total piping system of an inlet and outlet, in addition to measuring the flow rate of each branch pipe.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구는 선박에서 운전중인 해수펌프 및 파이프 시스템전반에 걸쳐 진행중인 공동현상의 원인 규명을 통해 개선방안을 도출하고자 하였다.
본 연구에서는 목포해양대학교 실습선 새누리호에서 사용된 선박용 입형 편흡입 원심 펌프인 해수펌프를 대상으로 임펠러 등에 발생한 과도한 손상의 원인을 분석하고자 실제모델을 역설계 하였다. 이를 바탕으로 유량의 변화에 대한 양정과 효율을 고찰하였다.
본 연구에서는 목포해양대학교 실습선 새누리호에서 사용된 선박용 입형 편흡입 원심 펌프인 해수펌프를 대상으로 임펠러 등에 발생한 과도한 손상의 원인을 분석하고자 실제모델을 역설계 하였다. 이를 바탕으로 유량의 변화에 대한 양정과 효율을 고찰하였다. 다상유동(Multiphase) 해석기법과 상변화를 수치해석적인 방법으로 평가하고 분석할 수 있도록 역설계를 통한 데이터를 토대로 전산유체역학(CFD,Computational Fluid Dynamics)을 이용하여 운전점 공동현상(Cavitation)해석을 수행하여 손상결과와 비교 평가를 실시하고자 하였다.
이에 따라 대상 선박에 설치된 보조 해수펌프와 에어컨 냉각용 해수펌프 계통의 유동현상을 파악하여 손상 및 수명단축의 원인을 규명하고자 한다.
제안 방법
3D 스캔이 불가능한 임펠러 부분은 와이어 커팅방식을,펌프 하우징은 워터제트 커팅 방식을 이용하여 제품을 절단한 후 단품으로 측정하여 데이터를 조합시켜 측정된 제품과 설계된 제품을 형상비교와 섹션비교로 검증하였다.
계산의 수렴조건으로는 펌프 입구와 출구에서의 압력 차의 변화를 비교하여 판단하였다. 펌프내부의 난류 유동은 유체기계에 보편화된 SST(Shear Stress Transport Model) 난류모델을 이용하여 해석하였으며, 지배방정식으로는 연속방정식과 Reynolds 평균 Navier-Stokes 방정식을 이용하여 계산하였다.
이를 바탕으로 유량의 변화에 대한 양정과 효율을 고찰하였다. 다상유동(Multiphase) 해석기법과 상변화를 수치해석적인 방법으로 평가하고 분석할 수 있도록 역설계를 통한 데이터를 토대로 전산유체역학(CFD,Computational Fluid Dynamics)을 이용하여 운전점 공동현상(Cavitation)해석을 수행하여 손상결과와 비교 평가를 실시하고자 하였다.
선박에 설치, 운전 중인 해수펌프의 임펠러, 샤프트 등에서 발생하는 침식작용의 원인을 규명하여 대책을 강구하기 위한 방안을 찾고자 수치해석적인 접근방식을 취하여 유동현상을 수치해석적인 방법으로 평가하고 분석할 수 있는CFD를 이용하여 펌프의 성능평가와 공동현상 해석을 수행하였다.
선박에 설치되는 설비는 예비기기라는 관점에서 비상시 대체 장비가 운용되도록 설계한다. 보조 해수펌프나 에어컨 냉각용 해수펌프의 경우도 각각 또는 1대로도 필요개소에 해수공급이 가능할 만큼의 유량과 양정의 용량으로 설치, 공급된다.
선박에서 사용중인 해수펌프의 회전체와 파이프 시스템 등에서 발생되는 공동현상의 원인규명을 위해 보조 해수펌프를 역설계하고 전산유동해석을 시행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
수치해석을 위한 실물 펌프의 모델링 작업의 공정은 불순물 제거를 위한 세척작업, 단품 제품 측정 후 측정 데이터들을 조립된 위치로 점검하기 위해 조립된 상태에서 선 3D 스캔한 다음 단품 제품을 후 3D 스캔으로 재 측정한다.
유동해석에 사용되는 프로그램 중 ANSYS 사의 CFX는 유체기계해석에 적합한 해석소프트웨어로 다상유동해석과 공동현상해석에서 상용으로 이용되며 연구방법과 프로세스는3차원 형상생성, 격자생성, 해석조건 입력, 해석 및 분석으로 진행한다.
이와 같은 형상 공정과정에 따라 역설계된 보조 해수펌프모델에 격자를 생성하고 난류모델과 경계조건을 적용하여 전·후처리를 통한 유동해석을 수행하였다.
6에서 보이는 바와 같이 해수펌프의 출구 방향에는 T자형으로 유로가 있는가 하면 U자 형태의 급격히 변화하는 흐름을 유도하는 배관이 설치되어 있다. 펌프 내부의 유동을 비압축성 난류유동으로 가정하여 유동해석을 수행하였으며, 3차원 유동특성을 조사하기 위해서 유한체적법과 다중 블록 계산격자를 이용하여 수치해석을 수행하였다.
펌프의 시험과 검사방법 규격은 KS B 6301에 규정되어 있다. 펌프의 성능을 표시하는 수단으로 성능곡선도가 있으며, 전양정, 토출량, 소요동력 및 펌프효율 등의 관계로 펌프의 성능을 측정한다.
펌프해석의 경우 계산 영역 내부에 회전부와 고정부가 있으므로 임펠러를 포함하는 회전부의 벽은 상대좌표계에서 정지된 벽으로 처리하였으며, 캐이싱을 나타내는 정지부의벽은 절대좌표계에서 정지된 Wall로 처리하였다. 회전부와 정지부 사이의 경계면에서는 Frozen rotor로 계산하였다.
대상 데이터
Fig. 2는 본 연구의 대상 펌프인 보조 해수펌프와 에어컨 냉각수 펌프의 배관 레이아웃으로서 입구 배관에서는 선저의 Sea-chest를 통해 해수가 공급되므로 흘수에 따라 유효흡입양정은 가압되어 유입된다. 출구부는 선박내 다양한 장치에 공급되어야 하므로 파이프 시스템이 길고, 여러 형태의 배관구조로 이루어져 있다.
펌프 및 배관 내부에 대한 계산 격자 Hybrid 격자를 사용하였으며, Hexa 격자는 임펠러 주위에 집중적으로 사용하였다. 계산에 사용된 격자의 수는 약 127만 노드였으며, 터보기계 전용 격자 생성기인 Turbo-Grid를 사용하였다.
대상 보조 해수펌프와 에어컨 냉각수펌프는 보일러 응축기(Dump condenser), 조수기(F.W generator), 정화조 및 선실의 각종 에어컨 냉각수용으로 공급하기 위해 단독 운전 혹은 병렬 운전할 수 있도록 파이프 시스템이 갖춰져 있다.
이러한 기계장치들은 냉각과 순환이 필수적으로 이루어져야 한다. 이를 위해 사용중인 펌프는 주(Main) 해수펌프, 보조 해수펌프(Aux. C.S.W pump), 에어컨 냉각용 해수펌프(A/C C.S.W pump), 선체복원용 밸러스트 펌프, 소화장치용 펌프 및 빌지 펌프 등 다양한 펌프가 있다. 이러한 펌프는 신설시 활성 에너지(Activation energy)화 순서도에 따라 검토되어진다.
펌프 및 배관 내부에 대한 계산 격자 Hybrid 격자를 사용하였으며, Hexa 격자는 임펠러 주위에 집중적으로 사용하였다. 계산에 사용된 격자의 수는 약 127만 노드였으며, 터보기계 전용 격자 생성기인 Turbo-Grid를 사용하였다.
데이터처리
일반적으로 3D 스캐닝된 CAD 도면은 CATIA 파일로 변환하여 형상 수정 작업을 진행하면 모델의 형상에 관계된 정량적인 수치를 알 수 없고, 형상 수정 작업에 시간이 많이 소요된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 3D 스캐닝 된 CAD 도면을 ANSYS ICEM-CFD 프로그램을 이용하여 모델링하여 형상 좌표값을 얻을 수 있었다. 형상 좌표값은 BladeGen을 통해 배관작업과 유동장을 생성하였으며, 임펠러를 포함한 대상 펌프의 입출구 배관계통 형상 및 치수를 Fig.
이론/모형
계산의 수렴조건으로는 펌프 입구와 출구에서의 압력 차의 변화를 비교하여 판단하였다. 펌프내부의 난류 유동은 유체기계에 보편화된 SST(Shear Stress Transport Model) 난류모델을 이용하여 해석하였으며, 지배방정식으로는 연속방정식과 Reynolds 평균 Navier-Stokes 방정식을 이용하여 계산하였다.
성능/효과
1. 역설계를 통한 대상펌프의 형상 및 경계조건을 설정하여 설계 운전점인 125 ㎥/h에서의 펌프 효율은 85.3%, 양정32.0미터로 계산되었다.
2. 유량점이 112.5㎥/h에서는 저 유량점 특성상 유동이 불안정하여 해석의 수렴이 좋지 않았다. 특히, 성능분석도와 수치해석에서 효율은 유동해석에 반영되지 않은 기계적 손실, 누설유량 손실 및 마찰손실에 의한 차이로 보인다.
3. 대상 펌프의 최고 효율점(Best efficiency point)는 150㎥/h에서 약 86.2%로 예측되었으나, 실제 운전점과는 차이가 있었다.
후속연구
하지만, 선박의 안전운항에 저해되는 파이프 시스템 개조 또는 운전점 변경이 불가하여 괄목할 만한 결과는 보이지 못했지만 향후 입·출구 전체 파이프 시스템의 계산, 각 지관들에 대한 유량 및 유속 측정 등을 통해 보다 명확한 원인분석을 위한 후속연구가 해 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
원심형 펌프의 특징은 무엇인가?
원심형 펌프는 유체가 운동하는 날개사이를 연속적으로빠져나가는 형식으로 회전수에 비례하여 압력과 유량이 변화하며 회전하는 임펠러를 가지는 것이 일반적이다.
실물 펌프의 모델링 작업이 불가능한 부품은 어떠한 방식으로 처리하였는가?
3D 스캔이 불가능한 임펠러 부분은 와이어 커팅방식을,펌프 하우징은 워터제트 커팅 방식을 이용하여 제품을 절단한 후 단품으로 측정하여 데이터를 조합시켜 측정된 제품과설계된 제품을 형상비교와 섹션비교로 검증하였다.
선박에서 해수의 용도는 무엇인가?
선박에 의해 원유와 철광석 등 원자재 100%가 해상 수송되는 실정에서 선박의 안정성이 특별히 요구된다. 항해와 정박을 하는 선박은 해수를 이용하여 생활수를 생산하며 화재 시에는 소화용수로 이용될 뿐만 아니라 기관실의 각종 기계장치에 냉각수를 공급한다. 또한 화물의 양하작업시 선박의 복원성 유지를 위해 해수의 취수 및 배출용 등으로도 사용된다. 이처럼선박운항에 필수적인 해수의 이용은 대부분 펌프로 이루어지고 이러한 펌프는 원동기로부터 받은 기계적 에너지를 취급 액체에 전달하여 저압부에서 고압부로 토출하는 기계장치이다.
참고문헌 (10)
Kim, Y. H., S. Y. Bae, S. Y. Jung and J. S. Oh(2008), Study on the Electric Energy Saving System in Marine Cooling System, Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 32, No. 8, pp. 1157-1163.
Cha, I. H., J. G. Lee, Y. Y. Kim, J. I. Lee and H. I. Kim(2007), A Study on the Analysis of Vortex Cavitation in Pump, Korean Society for Fluid Machinery, pp. 275-280.
KRRules(2016), http://www.krs.co.kr/KRRules/KRRules2016/data, Chapter 5, Engine Room Machinery, p. 1328.
Choi, J. W., C. G. Kim, W. S. Lim, Y. D. Choi and Y. H. Lee(2008), Analysis of Flow Characteristics around the Multi-Intake Sump of Pump Station by CFD, Korean Society for Fluid Machinery, pp. 581-586.
Choi, Y. D. and J. Kurokawa(2008), Improvement of Pump Performance and Suppression of Cavitation in a Centrifugal Pump, Korean Society for Fluid Machinery, Vol. 11, No. 1, pp. 18-25.
Mo, J. H., Y. T. You and Y. H. Lee(2012), Numerical Study on Cavitation Performance Evaluation in a Centrifugal Pump Impeller, Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 36, No. 2, pp. 286-293.
Tran, B. N., C. J. Yang, B. G. Kim and J. H Kim(2017), Internal Flow Analysis of Seawater Cooling Pump using CFD, Journal of The Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 23, No. 1, pp. 104-111.
Chen, C., B. Zhu, P. M. Singh and Y. D. Choi(2015), Design of a Pump-Turbine Based on the 3D Inverse Design Method, The KSFM Journal of Fluid Machinery, Vol. 18, No.1 pp. 20-28.
Choi, Y. S., K. Y. Lee, S. G. Jeon and J. G. Kim(2006), Design of a Centrifugal Pump Impeller using 3-D Inverse Design Method, Proceedings of the KFMA Annual Meeting, pp. 1379-1384.
Kang, K. W., Y. H. Kim, Y. J. Kim, N. S. Woo, J. K. Kwon and M. O. Yoon(2011), A Numerical Study on the Performance Analysis of the Mixed Flow Pump for FPSO, The KSFM Journal of Fluid Machinery, Vol. 14, No. 5, pp. 12-17.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.