[논문]벌류트 펌프의 신뢰성 평가에 관한 연구

정동수; 이용범; 강보식

doi:10.7839/ksfc.2018.15.4.023

벌류트 펌프의 신뢰성 평가에 관한 연구
Study for the Reliability Evaluation of a Volute Pump 원문보기

드라이브ㆍ컨트롤 = Journal of drive and control, v.15 no.4, 2018년, pp.23 - 29

정동수 (Department of Reliability Assessment, Korea Institute of Machinery & Materials) , 이용범 (Department of Reliability Assessment, Korea Institute of Machinery & Materials) , 강보식 (Department of Reliability Assessment, Korea Institute of Machinery & Materials)

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this paper is to evaluate the reliability of a volute pump and presents test results through performance and life tests. The performance and life test methods were presented by analyzing the failure modes of the volute pump. Zero failure test time was calculated to evaluate the reliability of the volute pump and then, the test was performed under accelerated conditions. The test was also carried out to check the failure modes of the field conditions. This study can be provided to improve the product reliability through failure analysis of the volute pump. And failure cause of typical failure case has been investigated and improvement design has been presented. The performance test results of before and after the accelerated life test were presented to confirm the improved reliability of the volute pump.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1 The structure of a volute pump
그림 Fig. 2 Main failure samples of a volute pump
표 Table 1 Failure modes and mechanisms analysis
표 Table 2 Two stage quality function deployment
표 Table 3 Test method and acceptance criteria for performance and life
그림 Fig. 3 Test equipment for performance and life
표 Table 4 Specimen specifications
표 Table 5 Test equipment specifications
그림 Fig. 4 Test result for rated flow & head
그림 Fig. 5 Test result for maximum flow
그림 Fig. 6 Test result for maximum head
그림 Fig. 7 Test result for efficiency
표 Table 6 Test result for performance and life
그림 Fig. 8 Impeller design change of impeller
그림 Fig. 9 Pump efficiency according to angle of impeller
그림 Fig. 10 Life test equipment of mechanical seal
그림 Fig. 11 Pump efficiency and head according to roughness

AI 본문요약
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문제 정의

1-2) 그리고 기존제품에 대한 설계개선 방안을 도출하고 수명시험 전․후 제품의 시험결과를 분석하여 개선된 제품의 신뢰성을 확보하고자 한다.
본 연구에서는 벌류트 펌프에 대한 고장모드를 분석하여 주 고장모드를 도출하고 성능 및 수명에대한 시험방법들을 제시한다.^1-2)그리고 기존제품에 대한 설계개선 방안을 도출하고 수명시험 전․후 제품의 시험결과를 분석하여 개선된 제품의 신뢰성을 확보하고자 한다.
본 연구에서는 벌류트 펌프에 대한 주요고장, 품질기능 등의 분석에 의하여 시험평가기준을 개발하고 사용자 요구사항을 반영한 신뢰성 평가를 통하여 제품의 신뢰성을 확보하는 전반적인 방법 및 절차를 제안하였다.

제안 방법

개선된 내용을 검증하기 위하여 10대를 100시간동안 마모시험을 수행한 결과 누수가 없음을 확인하고 벌류트 펌프에 탑재하였다. Fig.
수명시험은 보증수명으로부터 산출된 무 고장 시험시간을 수행하기가 현실적으로 어렵기 때문에 이를 단축시키기 위하여 GLL (General Log Linear) 모델을 적용하여 시험시간을 1,300 시간으로 단축시켰다. 그리고 성능 및 수명시험을 수행하여 도출된 시험결과를 분석하고 결과를 제시하였다. 본 신뢰성 평가기술은 벌류트 펌프의 요소부품에 대한 개발 및 신뢰성 확보에 필요한 기초자료로 활용할 수 있을 것이다.
본 펌프는 유동해석을 통하여 사전시험에서 효율이 저하된 원인을 규명하여 설계가 개선되었다. 그리고 현장에서 발생된 주요고장 사례들을 분석하여 재질이 변경되고 표면코팅으로 보완되었다.
수명시험 후에도 모든 시험항목들은 각각의 평가기준들을 만족하여야 한다. 대표성능인 효율시험은 수명시험시간 25, 50, 75 % 가 진행된 후 성능열화를 확인하기 위하여 각각 수행된다.
접촉면의 강도를 개선을 위해 회전자의 재질을 충격에 약한 기존의 탄화규소에서 경도가 높은 탄화 텅스텐으로 변경하였다. 또한 누수에 의한 부식성을 개선하기 위해서 용수철의 재질을 SUS 304에서 SUS316L로 변경하였으며, 회전자 몸체도 SUS 304에서 내열성 니켈 합금으로 변경하였다.
마모에 의한 외부누수를 개선하기 위해서 접촉면의 강도, 부식성, 그리고 표면조도의 균질을 이루었다. 접촉면의 강도를 개선을 위해 회전자의 재질을 충격에 약한 기존의 탄화규소에서 경도가 높은 탄화 텅스텐으로 변경하였다.
벌류트 펌프의 2단계 품질기능 전개로부터 6개의 시험항목들이 선정되었으며 이 중에서 효율시험이 대표성능 시험항목으로 결정되었다. Table 3은 6개의 시험항목들에 대한 시험방법 및 판정기준을 보여주고 있다.
벌류트 펌프의 원활한 유동을 위하여 케이싱의 곡률반경을 기존에서 5 mm 증가시키고 폭을 6 mm 감소시키는 것으로 설계를 변경하였다. 또한, 케이싱 내부의 표면 거칠기에 따른 전산 유동해석을 통해 표면조도가 1 ㎛ 이하이어야 효율이 향상되는 것을Fig.
이는 산업현장에서 가장 많이 활용되고 있는 벌류트 펌프의 대표적인 사양이다. 본 펌프는 유동해석을 통하여 사전시험에서 효율이 저하된 원인을 규명하여 설계가 개선되었다. 그리고 현장에서 발생된 주요고장 사례들을 분석하여 재질이 변경되고 표면코팅으로 보완되었다.
수명시험은 보증수명으로부터 산출된 무 고장 시험시간을 수행하기가 현실적으로 어렵기 때문에 이를 단축시키기 위하여 GLL (General Log Linear) 모델을 적용하여 시험시간을 1,300 시간으로 단축시켰다.
마모에 의한 외부누수를 개선하기 위해서 접촉면의 강도, 부식성, 그리고 표면조도의 균질을 이루었다. 접촉면의 강도를 개선을 위해 회전자의 재질을 충격에 약한 기존의 탄화규소에서 경도가 높은 탄화 텅스텐으로 변경하였다. 또한 누수에 의한 부식성을 개선하기 위해서 용수철의 재질을 SUS 304에서 SUS316L로 변경하였으며, 회전자 몸체도 SUS 304에서 내열성 니켈 합금으로 변경하였다.
펌프의 효율 및 양정을 향상시키기 위하여 전산유동해석(CFD)을 통해서 임펠러의 형상을 개선하였다. Fig.
표면조도 향상을 위해 폴리우레탄을 케이싱 내부에 라이닝 하였다. 케이싱의 설계변경과 폴리우레탄라이닝을 수행한 개선품의 효율은 기존 제품 대비 2.
현장고장이 발생되어 사전에 수집된 또는 기록된 내용들을 근거로 고장모드를 조사하고 주 고장의 원인을 분석한다. 이는 제품의 설계, 제작, 조립 그리고 운용 등에서 제품의 불완전한 상태로 인한 잠재적 결함을 찾아내기 위하여 구성요소들의 고장형태와 그 상위 제품에 미치는 영향을 해석하여 설계개선으로 연결시키기 위한 중요한 과정으로써 반드시 필요한 사전 분석 작업이다.

성능/효과

슬러지와 유해물질 등이 발생하는 환경은 제품의 내부부식이 발생될 수도 있으며 심한 경우에는 효율을 저하시키는 원인이 되기도 한다. 주요고장 사례를 도출하기 위하여 Fig. 2와 같은 현장에서 발생된 고품들을 수집 및 분 한 결과 메커니컬 씰의 마모가 50%, 임펠러의 변형이 25%, 케이싱의 부식이 15%, 그리고 베어링을 포함한 기타의 고장 메커니즘이 10% 로 분석되었다.^3-4)
표면조도 향상을 위해 폴리우레탄을 케이싱 내부에 라이닝 하였다. 케이싱의 설계변경과 폴리우레탄라이닝을 수행한 개선품의 효율은 기존 제품 대비 2.6 % 향상되었으며 정격양정도 개선됨을 알 수 있었다.

후속연구

본 신뢰성 평가기술은 벌류트 펌프의 요소부품에 대한 개발 및 신뢰성 확보에 필요한 기초자료로 활용할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	벌류트 펌프의 특징은 무엇인가?	벌류트 펌프는 낮은 양정에 적합하며 수명이 길고 안정적인 운전이 가능하여 상·하 수도용, 일반 산업양수용 그리고 발전소 냉각수 순환용 등 주로 유량이 큰 곳에서 많이 사용된다. 기능 또는 작동에 관련된 고장을 저감하는 것이 제품의 신뢰성을 높이는 연구영역이지만 적용분야에 따라서 하루 24시간 가동하는 경우가 많아서 펌프 효율도 운용비용을 결정하는 중요한 요인이 되고 있다.
	벌류트 펌프 품질검사의 어려움과 기술격차 확인이 쉽지 않았던 이유는 무엇인가?	오늘날 벌류트 펌프는 표준화된 시험방법이나 판정기준이 없어 관련 기업들은 품질검사에 많은 어려움이 있었으며 더군다나 선진사 제품과의 비교시험을 통한 기술격차 확인도 쉽지가 않았다. 신뢰성 분석 및 시험을 위한 고급인력 및 장비 확보를 위해서는 많은 연구비용이 투자되어야 한다.
	열악한 환경에 노출된 벌류트 펌프의 고장 원인은 무엇인가?	벌류트 펌프는 다른 급수 펌프에 비하여 가동 시간이 24시간 연속적인 것이 특징이며 노출된 환경 또한 열악하다. 슬러지와 유해물질 등이 발생하는 환경은 제품의 내부부식이 발생될 수도 있으며 심한 경우에는 효율을 저하시키는 원인이 되기도 한다. 주요고장 사례를 도출하기 위하여 Fig.

참고문헌 (6)

D. S. Jung, "Study on Reliability Evaluation for a Taper Grid Coupling", Journal of Applied Reliability, Vol.17, No.4, pp.343-354, 2017.
D. H. Lee et al., "Development and Evaluation of Automatic Steering System for Parallel Parking", Journal of Drive and Control, Vol.13, No.1, pp.18-26, 2016.
D. S. Jung and D. S. Kim, "Reliability Evaluation Method for Hydraulic Pump", Journal of Drive and Control, Vol.7, No.1, pp.16-21, 2010.
Y. B. Lee and J. J. Lee, "A Study on the Seal Life Improvement of the Hydraulic Servo Actuator for Steam Control of Power Plants", Journal of Drive and Control, Vol.15, No.2, pp.32-37, 2018.
W. Nelson, "Weibull Analysis of Reliability Data with Few or No Failures", Journal of Quality Technology, Vol.17, No.3, pp. 140-146, 1985.
T. L. Jones, "Handbook of Reliability Prediction Procedures for Mechanical Equipment", NSWC-07, pp.17-18, 2007.

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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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