원심펌프와 구조 및 작동 원리가 다른 토네이도 원리를 적용한 슬러리 펌프의 성능특성에 미치는 로터 설계형상의 영향에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 십자 구조인 로터의 설계변수는 직경, 높이 및 두께로 설정하였으며, 설계변수에 따라 성능특성을 비교하였다. 로터의 직경과 높이가 커지면 펌프효율이 증가하는 반면에, 로터의 두께가 증가하면 효율은 감소하였다. 본 연구의 설계조건에서 높이가 최대인 로터가 직경이 최대인 경우에 비해 비면적은 약간 작지만 펌프효율은 더 높게 나타났다.
원심펌프와 구조 및 작동 원리가 다른 토네이도 원리를 적용한 슬러리 펌프의 성능특성에 미치는 로터 설계형상의 영향에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 십자 구조인 로터의 설계변수는 직경, 높이 및 두께로 설정하였으며, 설계변수에 따라 성능특성을 비교하였다. 로터의 직경과 높이가 커지면 펌프효율이 증가하는 반면에, 로터의 두께가 증가하면 효율은 감소하였다. 본 연구의 설계조건에서 높이가 최대인 로터가 직경이 최대인 경우에 비해 비면적은 약간 작지만 펌프효율은 더 높게 나타났다.
An experimental study was conducted to investigate the effect of a rotor design on the performance characteristics of a slurry pump using the tornado principle. The slurry pump differs considerably in terms of construction as well as operating principle when compared to the conventional centrifugal ...
An experimental study was conducted to investigate the effect of a rotor design on the performance characteristics of a slurry pump using the tornado principle. The slurry pump differs considerably in terms of construction as well as operating principle when compared to the conventional centrifugal pump. The design parameters of the cross-shaped rotor included the diameter, thickness and height. The total head, shaft and water powers, and pump efficiency as a function of flow rate were compared with the design parameter. It was found that as the rotor diameter and height increase, the efficiency increases, whereas, an increase in the rotor thickness decreases the efficiency. In the rotor design condition of this study, the specific area and efficiency of the maximum height rotor were, respectively, smaller and higher than those of maximum diameter rotor.
An experimental study was conducted to investigate the effect of a rotor design on the performance characteristics of a slurry pump using the tornado principle. The slurry pump differs considerably in terms of construction as well as operating principle when compared to the conventional centrifugal pump. The design parameters of the cross-shaped rotor included the diameter, thickness and height. The total head, shaft and water powers, and pump efficiency as a function of flow rate were compared with the design parameter. It was found that as the rotor diameter and height increase, the efficiency increases, whereas, an increase in the rotor thickness decreases the efficiency. In the rotor design condition of this study, the specific area and efficiency of the maximum height rotor were, respectively, smaller and higher than those of maximum diameter rotor.
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문제 정의
그러나 미국해군 항공모함의 오폐수 처리를 목적으로 개발된 토네이도 원리의 슬러리 펌프는 개발목적에 부합한 적용성 검증 연구(18,19)와 실험실 규모로 제작하여 기본적인 유동특성과 슬러리의 농도에 따른 송출 가능여부에 대한 연구(3,20) 이외에는 관련 연구가 전무한 실정이다. 따라서 본 연구는 토네이도 원리를 적용한 슬러리 펌프의 가장 중요한 구성요소로 원심펌프에서 임펠러와 같은 역할을 하는 로터의 설계형상에 따른 성능특성에 대한 실험적 연구를 목적으로 한다.
제안 방법
3의 개략도와 같다.(3,20) 전동모터는 5.5kW 용량으로 컨트롤 판넬에 내장된 인버터에 의해 회전수를 조절할 수 있도록 설계하였다. 토네이도 효과를 이용하는 펌프 시스템은 커플링 및 케이싱, 로터, 주축 및 임펠러, 흡입 및 송출관으로 구성된다.
20℃의 수돗물을 이용한 성능실험은 전동모터가 정상상태의 운전조건에 도달한 후에 송출관의 유량계 후단에 설치된 유량제어 밸브를 차단한 조건으로부터 단계적으로 개방하면서, 전압 및 전류, 흡입관 부압, 송출유량 및 압력을 측정하는 과정으로 진행하였다.(3,20) 측정된 전압 및 전류와 전동기의 효율 및 역률을 이용하여 식 (2)와 같이 정의되는 축동력을 산출하였다.
D1T1H1, D2T1H1 및 D3T1H1은 직경의 영향을 평가하기 위하여 두께와 높이는 동일하고 직경을 190, 200, 220mm로 제작하였다. 또한 D1T1H1, D1T2H1 및 D1T3H1는 직경과 높이는 동일하고 두께를 12, 15, 18mm로 제작하였으며, D1T1H1, D1T1H2, D1T1H3 및 D1T1H4는 직경과 두께는 동일하고 높이를 다르게 31.5, 36.5, 41.5, 46.5mm로 제작하였다.
5m3의 용량으로 제작하였으며, 컨트롤 판넬은 회전수조절 레버, 전압 및 전류 측정 디지털 게이지와 제어 스위치로 구성하였다. 송출 유량 및 압력은 송출관에 설치한 전자제어 유량계(EMP, E-MAG-I)와 부르동관 압력계, 흡입관 부압은 케이싱의 흡입관 플랜지로부터 약 200mm 아래쪽에 설치한 진공계를 이용하여 측정하였다.(3,20)
흡입관 부압, 송출유량 및 압력, 전동모터의 전압 및 전류를 측정하기 위한 특성실험은 마중물 역할을 하는 임펠러가 수심 약 200mm에 잠기고, 로터는 수표면에서 약 580mm 떨어진 조건에서 수행하였다. Fig.
대상 데이터
4엽 십자구조인 로터의 설계변수 및 스테인레스 소재로 제작한 3종류 로터의 실물사진을 Fig. 2에 도시하였으며, Table 1은 로터의 설계사양을 나타낸다. 원심 펌프의 임펠러의 기능과 동일하게 모터의 구동 에너지를 유체의 송출 에너지로 변환하는 역할을 하는 로터는 직경(D), 두께(T) 그리고 높이(H)를 변수로 8종류로 제작하였다.
원심 펌프의 임펠러의 기능과 동일하게 모터의 구동 에너지를 유체의 송출 에너지로 변환하는 역할을 하는 로터는 직경(D), 두께(T) 그리고 높이(H)를 변수로 8종류로 제작하였다. D1T1H1, D2T1H1 및 D3T1H1은 직경의 영향을 평가하기 위하여 두께와 높이는 동일하고 직경을 190, 200, 220mm로 제작하였다. 또한 D1T1H1, D1T2H1 및 D1T3H1는 직경과 높이는 동일하고 두께를 12, 15, 18mm로 제작하였으며, D1T1H1, D1T1H2, D1T1H3 및 D1T1H4는 직경과 두께는 동일하고 높이를 다르게 31.
한편 마중물의 기능을 할 수 있도록 주축의 끝단에 장착된 직경 75mm인 3엽 구조의 임펠러는 수심 약 200mm, 로터는 수표면으로부터 약 580mm 위쪽에 위치한다. 실험수조는 약 1.5m3의 용량으로 제작하였으며, 컨트롤 판넬은 회전수조절 레버, 전압 및 전류 측정 디지털 게이지와 제어 스위치로 구성하였다. 송출 유량 및 압력은 송출관에 설치한 전자제어 유량계(EMP, E-MAG-I)와 부르동관 압력계, 흡입관 부압은 케이싱의 흡입관 플랜지로부터 약 200mm 아래쪽에 설치한 진공계를 이용하여 측정하였다.
2에 도시하였으며, Table 1은 로터의 설계사양을 나타낸다. 원심 펌프의 임펠러의 기능과 동일하게 모터의 구동 에너지를 유체의 송출 에너지로 변환하는 역할을 하는 로터는 직경(D), 두께(T) 그리고 높이(H)를 변수로 8종류로 제작하였다. D1T1H1, D2T1H1 및 D3T1H1은 직경의 영향을 평가하기 위하여 두께와 높이는 동일하고 직경을 190, 200, 220mm로 제작하였다.
토네이도 효과를 이용하는 펌프 시스템은 커플링 및 케이싱, 로터, 주축 및 임펠러, 흡입 및 송출관으로 구성된다. 케이싱의 내부 중심의 직경은 320mm, 높이는 66mm이며, 케이싱 중심의 축방향 흡입관과 반경방향 송출관의 내경은 각각 80mm와 63mm로 제작하였다. 한편 마중물의 기능을 할 수 있도록 주축의 끝단에 장착된 직경 75mm인 3엽 구조의 임펠러는 수심 약 200mm, 로터는 수표면으로부터 약 580mm 위쪽에 위치한다.
성능/효과
로터의 높이가 증가하면 회전하는 로터와 유체의 접촉면적이 증대되어 유체에 부가되는 운동량 및 토네이도 효과가 커지기 때문에 양정과 수동력이 증가하며, 직경이 증가하는 경우와 마찬가지로 중량증가에 따른 회전부하 증대로 축동력이 증가한다.(3,20) 로터의 높이가 커지면 축동력과 수동력이 모두 증가하지만, 로터의 중량증대에 따른 축동력 증가율보다 접촉면적 증대에 기인한 수동력 증가율이 더 크기 때문에 효율이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 한편 로터의 높이가 41.
결론적으로 고찰하면, 청수를 이용해 로터의 설계형상에 따른 성능검증을 위한 연구를 통해서 로터의 직경에 대한 설계조건의 변화보다는 로터의 높이에 대한 설계조건의 최적화를 통해서 토네이도 효과를 이용한 슬러리 펌프의 에너지 이용효율 및 성능 향상이 가능하다는 결과를 확인하였다. 일반적으로 원심펌프에서는 임펠러와 케이싱 사이의 간극이 커지면 누설 및 재순환 와류손실의 증가에 기인하여 펌프효율이 감소한다.
일반적으로 원심펌프에서는 임펠러와 케이싱 사이의 간극이 커지면 누설 및 재순환 와류손실의 증가에 기인하여 펌프효율이 감소한다. 그러나 본 연구에서는 로터의 직경 증가로 케이싱과의 간격이 가장 작은 경우에 비해서 로터와 케이싱 사이의 간극은 더 크지만 로터의 높이가 가장 큰 경우의 펌프 효율이 더 높게 나타나는 것을 알 수 있었다. 따라서 로터의 직경 증가에 따른 원심력 증가로 인한 케이싱 벽에서의 유동마찰 저항의 증가를 최소화하고, 로터의 높이 증가에 따른 유입구 유동면적 감소로 인한 유입유동 저항손실을 최소화할 수 있는 로터의 직경 및 높이의 최적화가 필요하다.
8은 로터의 설계변수인 직경, 두께 및 높이가 가장 큰 경우의 특성을 비교한 결과를 나타낸다. 높이가 최대인 D1T1H4 로터의 양정, 수동력 및 효율이 가장 높게 나타났으며, 비면적이 가장 작은 D1T3H1 로터의 특성값들이 가장 낮게 나타났다. 한편 로터의 직경이 최대인 D3T1H1 로터와 높이가 최대인 D1T1H4 로터를 비교하면, Table 1와 나타난 것과 같이 직경이 최대인 로터에 비해서 높이가 최대인 로터의 비면적은 약간 작지만 양정, 수동력 및 효율은 상당한 차이로 높게 나타나는 것을 알 수 있다.
정량적으로 고찰하면, D1T1H1 로터에 비해서 D1T1H4 로터의 비면적은 4% 정도 증가하는데 비해서 효율은 15% 정도 증가하여, 직경이 커지는 경우와는 다르게 효율 증가율이 더 높게 나타났다. 따라서 본 연구의 설계조건에서는 직경이 커지는 경우에 비해서 높이가 커지는 경우의 비면적 증가율은 낮지만 효율 증가율은 더 높게 나타나는 것을 알 수 있다.
로터의 직경과 높이가 커지면 유체와 로터의 접촉면적에 대한 로터 질량의 비인 비면적 증가에 따른 토네이도 효과 증대로 수동력이 증가하며, 중량증대에 따른 구동부하 증가로 축동력도 증가하였다. 그러나 접촉면적 증가에 따른 수동력 증가율이 구동부하 증대에 따른 축동력 증가율보다 크기 때문에 효율이 증가하였다.
이러한 손실 및 저항의 증가는 D3T1H1 로터의 무게가 D1T3H1이나 D1T1H4 로터에 비해서 15% 정도 가볍지만 축동력은 거의 유사하게 나타나는 결과를 통해서도 유추할 수 있다. 정량적으로 D1T1H4 로터는 D1T3H1에 비해서 비면적은 43% 정도 크고 효율은 평균적으로 22% 정도 높게 나타났으며, D3T1H1 로터에 비해서는 비면적은 1% 정도 작지만 효율은 평균적으로 12% 정도 높게 나타났다.
63배 이상으로 커지면 유입되는 유체의 회전공간 축소로 유입 및 유동저항이 커지기 때문인 것으로 판단된다. 정량적으로 고찰하면, D1T1H1 로터에 비해서 D1T1H4 로터의 비면적은 4% 정도 증가하는데 비해서 효율은 15% 정도 증가하여, 직경이 커지는 경우와는 다르게 효율 증가율이 더 높게 나타났다. 따라서 본 연구의 설계조건에서는 직경이 커지는 경우에 비해서 높이가 커지는 경우의 비면적 증가율은 낮지만 효율 증가율은 더 높게 나타나는 것을 알 수 있다.
(3,20) 그러나 접촉면적 증대에 따른 수동력 증가율이 중량증대로 인한 축동력 증가율보다 크기 때문에 효율이 증가하는 것으로 사료된다. 정량적으로 고찰하면, D1T1H1 로터에 비해서 D3T1H1 로터의 비면적은 5% 정도 증가하는데 비해서 효율은 3% 정도 증가하여 효율 증가율이 더 낮게 나타났다. 이는 직경 증가로 케이싱 벽면에 근접한 로터의 고속회전으로 인한 벽면 마찰손실과 유동저항의 증대로 축동력의 증가율은 커지는 반면에, 토네이도 효과 저하로 수동력 증가율이 감소하기 때문인 것으로 판단된다.
후속연구
따라서 로터의 직경 증가에 따른 원심력 증가로 인한 케이싱 벽에서의 유동마찰 저항의 증가를 최소화하고, 로터의 높이 증가에 따른 유입구 유동면적 감소로 인한 유입유동 저항손실을 최소화할 수 있는 로터의 직경 및 높이의 최적화가 필요하다. 추후에는 이러한 성능검증 결과를 바탕으로 슬러리의 성상 및 농도를 고려한 특성실험을 통해 토네이도 효과를 이용한 슬러리 펌프의 최적화에 필요한 진보된 자료를 제공할 수 있는 연구를 수행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
슬러리의 구분 기준은?
슬러리는 분말상의 고형물이 콜로이드 상태로 분산된 것으로부터 모래나 자갈과 같이 입자가 큰 고형물이 포함된 것까지 다양한 성상을 갖는 고체와 액체의 혼합물을 총칭한다. 이러한 슬러리는 고형물의 부유 여부에 따라서 비침전(non-settling) 또는 침전 슬러리로 분류한다. 비침전 슬러리는 미세한 입자의 균일한 혼합물로 점성이 높고, 침전 슬러리는 거친 고형물의 불균일한 혼합물로 마모성이 큰 특성을 갖는다.
슬러리 제거 시 원심펌프에서 발생 할 수 있는 문제점은 무엇이 있는가?
이러한 슬러리를 처리하기 위해 이용되는 펌프는 원심펌프가 거의 대부분을 차지하고 있다. 그러나 입자가 큰 고형물의 함유량이 증가할수록 임펠러나 케이싱 등과 같은 펌프 구성요소의 마모 및 침식으로 내구성이 저하되며, 유로의 폐색과 침전 고형물로 인해 펌프의 가동이 불가능한 문제점이 발생할 수 있다. 따라서 이러한 문제점들을 극복할 수 있는 성능 및 내구성이 담보된 슬러리펌프 개발이 필요하다.
슬러리는 무엇인가?
슬러리는 분말상의 고형물이 콜로이드 상태로 분산된 것으로부터 모래나 자갈과 같이 입자가 큰 고형물이 포함된 것까지 다양한 성상을 갖는 고체와 액체의 혼합물을 총칭한다. 이러한 슬러리는 고형물의 부유 여부에 따라서 비침전(non-settling) 또는 침전 슬러리로 분류한다.
참고문헌 (23)
Wilson, G., 1987, "The Effect of Slurries on Centrifugal Pump Performance," Proc. 4th Int. Pump Symposium, pp. 19-25.
Shin, G. J., 2007, "Slurry Pump," J. Fluid Machinery, Vol. 10, No. 3, pp. 75-78.
Park, S. K., Yun, J. G. and Yang, H. C., 2015, "Experimental Investigation of the Development of a Rotor Type Slurry Pump," J. Korean Soc. Marine Eng., Vol. 39, No. 4, pp. 450-456.
Yun, J. E., 2013, "Development of Submersible Axial Pump for Wastewater," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 37, No. 2, pp. 149-154.
Yun, J. E., 2012, "Effects of Impeller Shape of Submersible Nonclogging Pump on its Performance," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 36, No. 12, pp. 1201-1207.
Pagalthivarthi, K. V., Gupta, P. K., Tyagi, V. and Ravi, M. R., 2011, "CFD Predictions of Dense Slurry Flow in Centrifugal Pump Casings," Int. J. Aero. Mech. Eng.,Vol. 5, No. 4, pp. 254-266.
Khalil, M. F., Kassab, S. Z., Abdel Naby, A. A. and Azouz, A., 2013, "Performance Characteristics of Centrifugal Pump Conveying Soft Slurry," American J. Mech. Eng., Vol. 1, No. 5, pp. 103-112.
Sen, P. K., Das, L. G. and Halder, B., 2013, "The Characteristics of a Vertical Submersible Slurry Pump in Transporting Dredged Slurry," Int. J. Eng. Res. Appl., Vol. 3, No. 1, pp. 516-522.
Crawford, J., van Sittert, F., and van der Walt, M., 2012, "The Performance of Centrifugal Pumps When Pumping Ultra-Viscous Paste Slurries," J. S. Afr. Inst. Min. Metall., Vol. 112, No. 11, pp. 959-964.
Chandel, S., Singh, S. N. and Seshadri, V., 2011, "Effect of Additive on the Performance Characteristics of Centrifugal and Progressive Cavity Slurry Pumps with High Concentration Fly Ash Slurries," Coal Combustion and Gasification Products, Vol. 3, pp. 67-74.
Walker, C. I. and Goulas, A. 1984, "Performance Characteristics of Centrifugal Pumps When Handling Non-Newtonian Homogeneous Slurries," Proc. Inst. Mech. Engrs., Vol. 198A, No. 1, pp. 41-49.
Mihalic, T., Guzovic, Z. and Predin, A., 2013, "Performance and Flow Analysis in the Centrifugal Vortex Pump," J. Fluids Eng., Vol. 135, pp. 011002-1-7.
Gandhi, B. K., Singh, S. N. and Seshadri, V., 2002, 2013, "Effect of Speed on the Performance Characteristics of a Centrifugal Slurry Pump," J. Hydraul. Eng., Vol. 128, No. 2, pp. 225-233.
Khalid, Y. A. and Sapuan, S. M., 2007, "Wear Analysis of Centrifugal Slurry Pump Impellers," Ind. Lubr. Tribol., Vol. 59, No. 1, pp. 18-28.
Bross, S. and Addie, G.., 2002, "Prediction of Impeller Nose Wear Behaviour in Centrifugal Slurry Pumps," Exp. Therm. Fluid Sci., Vol. 26, pp. 841-849.
Weinrib, H., Lucas, P., Keltner, R. and Johnson, W., 2000, "Tornado Effect Pump in the Fleet-Status Report," Naval Eng. J., Vol. 112, No. 4, pp. 317-334.
Johson, W., Myers, S., Schepis, R., Crew, J. and Keltner, R., 1997, "Zero Leakage Tornado Effect Pumps in Carrier Sewage Systems," Naval Eng. J., Vol. 109, No. 2, pp. 73-82.
Kim, S. Y., Kim, N. Y., Kim, J. Y., Kim, D. J., Yun, J. G. and Yang, H. C., 2015, "Flow Characteristics of Rotor Type Slurry Pump," Proc. KSME 2015 Fall Annual Meeting, pp. 457-460.
Yun, J. G., 2012, "Pumping Device for Fluid," Korea, Patent 10011169690000.
Kim, J. H., 2014, "An Experimental Study on Influence of Wearing Seal Groove Shape to Performance of the Pump," J. Korean Soc. Marine Eng., Vol. 38, No. 3, pp. 285-291.
Jeong, S. Y., Rhi, S. H., Seo, S. H. and Lee, K. B., 2015, "Optimum Design and Performance of Marine Sea Water Pump with Impeller using CFRP," J. Korean Academia-Industrial Cooperation Soc., Vol. 16, No. 11, pp. 7878-7884.
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