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제안 방법
- 이와 같은 저항을 극복하면서 원하는 시험부 유속을 생성하려면 고양정 구동펌프가 요구된다. 고속 캐비테이션 터널 운용 조건에 적합한 기존 제품의 구입이 불가함에 따라 설계 사양에 적합한 고양정 펌프를 설계 및 제작하였다.
- 따라서, 기존 펌프를 기반으로 임펠러 피치를 감소시키는 설계를 수행하여야 한다. 기존 waterjet 펌프의 날갯수는 임펠러 7, 스테이터 9개지만 고속 캐비테이션 터널용 구동 펌프는 제작성을 고려하여 임펠러 5, 스테이터 7개로 결정하였다. 펌프 설계 사양은 Table 3에 정리하였다.
- 입구 직경이 커지게 되면 펌프길이 및 최대 직경이 증가되어 배치에 문제가 될 수 있다. 기존에 함정용 waterjet 추진시스템을 개발하면서 다양한 사류형 펌프를 설계한 바, 그 중 성능이 검증된 펌프를 대상으로 입구 직경을 조사하기로 하였다. 펌프성능 등을 고려하여선정된 기존 사류형 펌프의 설계 유량계수(JQ) 및 양정계수(CH)는 다음과 같다 (Ahn et al.
- , 2010). 당소에서 개발한 펌프설계 기법은 단면 및 전체 날개각도 변경이 용이한 특징을 가지고 있는 바 (Ahn et al.,2008), Table 3의 설계 사양에 따라 기존 사류형 펌프를 기반으로 날갯수를 줄이고 날개각도 분포를 변경하여 설계 요건을 충족하는 구동 펌프를 설계하였다. 사류형 펌프를 표현하기 위한 날개 단면은 동등한 간격으로 구분된 5개 반경에서 정의된다.
- 따라서, 구동펌프도 ±10% 유량 범위에서 효율 등의 성능이 저하되지 않도록 설계되었다.
- 본 연구에서는 초공동 고속 캐비테이션 터널(HCT)을 구동하기 위한 구동펌프의 선정 과정을 설명하고, 사류형 펌프를 설계ㆍ제작하여 성능시운전 수행하고 그 결과를 비교ㆍ정리하였다. 또한 기존 waterjet 사류형 펌프 및 대형터널 구동펌프 개발 단계에서 성능 예측 정도가 확인된 CFD 해석 코드인 CFX-10 을 이용하여 설계 펌프의 성능평가를 수행하였다. 고속 캐비테이션 터널은 범용 CFD 코드인 STAR-CCM+를 이용하여 수두손실량을 예측한 바 (Paik et al.
- 구동 펌프의 요구양정은 CFD 코드를 이용하여 고속 캐비테이션 터널 내부 유동을 계산한 결과로부터 도출된다. 본 논문에서는 요구양정을 가지고 펌프 종류, 회전수 및 크기 등을 결정하여 설계사양을 도출하였으며, 정도가 검증된 CFX-10 상용코드를 이용하여 성능해석을 수행하면서 펌프 설계를 수행하였다. 최종적으로 설계된 임펠러/스테이터 형상에 따라 구동펌프를 제작하였으며, 고속 캐비테이션 터널에 설치하여 성능시운전을 실시하고 그 결과를 비교ㆍ분석하였다.
- 본 연구에서는 초공동 고속 캐비테이션 터널(HCT)을 구동하기 위한 구동펌프의 선정 과정을 설명하고, 사류형 펌프를 설계ㆍ제작하여 성능시운전 수행하고 그 결과를 비교ㆍ정리하였다. 또한 기존 waterjet 사류형 펌프 및 대형터널 구동펌프 개발 단계에서 성능 예측 정도가 확인된 CFD 해석 코드인 CFX-10 을 이용하여 설계 펌프의 성능평가를 수행하였다.
- 펌프 설계 회전수가 360rpm이므로 모터 회전수 감속을 위하여 3 :1 벨트 풀리 시스템을 사용하였다. 설치 완료 후 관로시스템 누수, 각종 기계류 작동상태 등을 확인한 후 고속 캐비테이션 터널 성능시운전을 수행하였다.
- 임펠러 및 스테이터 날개 형상은 설계 유량에서 요구된 양정이 도출될 때까지 변경된다. 요구된 성능이 도달된 후 효율을 증가시키고 펌프 하류에서의 회전유동을 최소화하기 위한 날개 형상변경 및 성능계산을 반복적으로 수행하였다.
- 본 논문에서는 요구양정을 가지고 펌프 종류, 회전수 및 크기 등을 결정하여 설계사양을 도출하였으며, 정도가 검증된 CFX-10 상용코드를 이용하여 성능해석을 수행하면서 펌프 설계를 수행하였다. 최종적으로 설계된 임펠러/스테이터 형상에 따라 구동펌프를 제작하였으며, 고속 캐비테이션 터널에 설치하여 성능시운전을 실시하고 그 결과를 비교ㆍ분석하였다.
- 성능시운전은 구동모터 회전수를 50~345rpm 범위에서 50rpm 간격으로 조절하면서 수행되었다. 펌프 회전수가 조절되면 Fig. 7에서 보여지는 바와 같이 LDV(Laser Doppler Velocimetry)시스템을 이용하여 제 1 관측창(1st window)에서 유속을 계측하고, 동시에 구동모터 인버터에서 출력 전류와 전압을 계측하였다. LDV 시스템을 이용하여 시험부 중심에서 계측된 유속은 Fig.
- 펌프 회전수를 변화시키면서 성능시운전을 수행한 바, 설계 단계에서 성능계산을 수행한 상용코드 CFX-10을 사용하여 시운전조건에서 성능 계산을 수행하였다. CFX-10은 기존에 대형 캐비테이션 터널 구동펌프인 축류형 펌프의 전달동력 등을 잘 예측한바 있지만, 본 연구에서 적용된 사류형 펌프에서는 어떤 차이를 보여주는지 검토해 볼 필요가 있다.
이론/모형
- 날개형상 변화와 함께 수행되는 펌프 성능해석은 기존 펌프연구에서 정도가 검증된 상용코드 CFX-10을 활용하였다. 반복적인 형상변경과 성능해석을 수행하여 최종적으로 도출된 펌프형상은 Fig.
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