[논문]원심펌프 회전차 Modification시 성능개선에 관한 유동해석 연구

이아영; 장현준; 이진우; 조원정

doi:10.7842/kigas.2020.24.2.1

원심펌프 회전차 Modification시 성능개선에 관한 유동해석 연구
A Fluid Analysis Study on Centrifugal Pump Performance Improvement by Impeller Modification 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.24 no.2, 2020년, pp.1 - 8

이아영 (한국가스기술공사) , 장현준 ((주)앤플럭스) , 이진우 (한국가스기술공사) , 조원정 (한국가스기술공사)

초록
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원심펌프는 통상적으로 임펠러를 고속으로 회전시켜 원심력을 통해 유체 에너지를 전달하는 설비로서 기화용 해수펌프, 공업용수 및 해수를 사용하는 소화펌프 등 많은 LNG 생산기지에서 사용하고 있는 주요 프로세스 설비이다. 현재 LNG 플랜트 현장에서의 펌프는 장기간 수요처가 원하는 공급량에 따라 운전조건이 변동되어 펌프의 성능이 저하되고 있다. 특히 펌프는 플랜트 현장에서 소비 전략량의 많은 부분을 차지하고 있어, 최적의 운전조건을 찾지 못한다면 장기간 플랜트 운영 시 막대한 에너지 손실비용을 발생할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 펌프의 운전조건별 변동에 따른 유동해석 및 결과분석을 통하여 성능저하 요인을 파악하고 최적의 운전조건을 확인하는 기술이 필요하다. 실험기법을 통해 운전 효율성 평가를 하기 위해서는 현장의 운전조건과 실험장비 제작 등 상당한 시간과 비용이 발생되기 때문에 신속하고 정확한 전산유체역학(CFD) 기법을 활용하여 본 연구에서 결과를 도출하였다. 펌프의 성능이 현장의 사정에 맞지 않아 펌프 성능을 줄일 필요가 있는 경우, 회전수에 변화를 주거나 고점도 혹은 고형물이 함유된 특수액을 사용하는 방법 등이 사용된다. 특히 LNG 생산기지의 설비운영에 차질이 발생하지 않도록 하기 위해 단시간 내에 펌프의 기존 임펠러를 가공하여 필요한 성능 조건을 만족시키는 기술이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 펌프의 기존 회전차를 가공한 3D 모델링 형상을 적용하여 ANSYS CFX 프로그램으로 유동해석을 수행하였다. 유동해석 결과와 MATLAB 프로그램의 Curve Fitting Toolbox를 활용하여 수치 해석적으로 분석하여 회전차 외경수정 이론식을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Centrifugal pump is a facility that transfers energy to fluid through centrifugal force, which is usually generated by rotating the impeller at high speed, and is a major process facility used in many LNG production bases such as vaporization seawater pump, industrial water and fire extinguishing pump using seawater. to be. Currently, pumps in LNG plant sites are subject to operating conditions that vary depending on the amount of supply desired by the customer for a long period of time. Pumps in particular occupy a large part of the consumption strategy at the plant site, and if the optimum operation condition is not available, it can incur enormous energy loss in long term plant operation. In order to solve this problem, it is necessary to identify the performance deterioration factor through the flow analysis and the result analysis according to the fluctuations of the pump's operating conditions and to determine the optimal operation efficiency. In order to evaluate operation efficiency through experimental techniques, considerable time and cost are incurred, such as on-site operating conditions and manufacturing of experimental equipment. If the performance of the pump is not suitable for the site, and the performance of the pump needs to be reduced, a method of changing the rotation speed or using a special liquid containing high viscosity or solids is used. Especially, in order to prevent disruptions in the operation of LNG production bases, a technology is required to satisfy the required performance conditions by processing the existing impeller of the pump within a short time. Therefore, in this study, the rotation difference of the pump was applied to the ANSYS CFX program by applying the modified 3D modeling shape. In addition, the results obtained from the flow analysis and the curve fitting toolbox of the MATLAB program were analyzed numerically to verify the outer diameter correction theory.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Impeller trimming.
그림 Fig. 2. 3D- modeling shape of a centrifugal pump.
그림 Fig. 3. Mesh shape of a centrifugal pump.
그림 Fig, 4. Boundary conditions.
그림 Fig. 5. Velocity distribution at the flow rate 249[m³/hr].
표 Table 2. CFD result the pump performance (249[m³/hr])
표 Table 1. BEP Specification of Pump
그림 Fig. 6. Static pressure distribution at the flow rate 249[m³/hr].
그림 Fig. 7. CFD results in the relation (D & Q-H curve).
그림 Fig. 8. Fit the value of m in the Equation (2) using CFD results.
그림 Fig. 9. Fit the value of m in the Equation (3) using CFD results.
그림 Fig. 10. Comparison between the theoretical calculation with m=2.4 and CFD results in the relation between the Q-H curve and the impeller outer diameter at 265[mm].
그림 Fig. 11. Comparison between the theoretical calculation with m=2.4 and CFD results in the relation between the Q-H curve and the impeller outer diameter at 250[mm].
그림 Fig. 12. Comparison between the theoretical calculation with m=2.4 and CFD results in the relation between the Q-H curve and the impeller outer diameter at 240[mm].
그림 Fig. 13. Q-H Curve when input the Q and H value.

AI 본문요약
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문제 정의

보통 펌프는 볼류트와 맞는 회전차 외경이 제일 큰 형상으로 설계를 하고, 회전차의 외경을 줄여가면서 고객이 원하는 성능을 맞추는 방법으로 펌프 제작사에서 다양한 사양으로 개발을 한다. 본 연구에서는 회전차의 기존 외경인 275mm(Full Dia.)에서 볼류트의 거리가 멀어질수록 성능변화를 보기 위해 회전차 외경을 10mm, 25mm, 35mm 컷팅하였을 시 성능의 변화를 보고자 한다.
또한, 수요량의 증가에 따라 장기적으로 볼 때 유량 또는 양정을 변경시켜야 할 겨울철, 여름철 등과 같이 펌프의 운전조건이 변하는 경우가 있다. 이와 같이 성능 조건을 만족시키기 위해 펌프의 회전차 가공을 통해 성능변화 예측이 가능한 연구를 수행되었다.[2,3] 또한 이러한 연구를 위해 회전차 가공을 하기 전, 펌프의 성능곡선 변화를 예측하고 이론식을 검증하는 절차가 필요하다.

가설 설정

[7] 회전차 형상은 D'/D의 최소값에 외경형상 변화에 영향을 주는 항이다.

제안 방법

(1) 회전차 외경을 275[mm]에서 15[mm] 컷팅, 25[mm]컷팅, 35[mm] 컷팅하여 유동해석을 통해 성능변화를 확인하였다. 회전차의 외경이 작아질수록 볼류트의 텅과 회전차 외경의 거리가 넓어진 공간으로 속도가 빠른 것을 확인 할 수 있고 볼류트의 압력이 작아지는 것을 확인 할 수 있다.
Table 2와 같이 유량(Q) 249[m3/hr]에서 회전차 외경(D)별 펌프 성능인 양정(H), 축동력(kW), 효율(%)을 확인하였다. 회전차의 외경 감소에 따른 양정과 축동력 및 효율이 감소되는 것을 확인할 수 있다.
대상 펌프 최고효율점(BEP)의 사양은 Table 1과 같으며, 본 연구에서 유동해석을 수행하기 위해 회전차 외경(D) 275mm에서 15mm 컷팅, 25mm컷팅, 35mm 컷팅하여 펌프의 성능변화를 확인하였다. 회전차 외경 275[mm]의 최고 효율의 유량인 249[m3/hr]를 100%로 봤을 때 60%~130%까지 유량을 10%씩 증가하며 외경에 따른 성능변화를 확인하였다.
따라서 회전차 외경이 변경될 때 유량-양정 곡선을 유동해석을 통해 확인하였고, 곡선의 특성을 예측할 수 있는 m값을 확인하였다. 컷팅값이 0[mm], 10[mm], 25[mm], 35[mm] 일 때 4가지 Case의 외경에 대한 유동해석을 수행하였지만, 더 많은 Case에 대한 데이터를 얻는다면 더 정확한 결과를 얻을 수 있을 것이다.
본 연구는 Wilo社에서 제공받은 비속도 283[m3/min, m, rpm]의 In-line 펌프를 기존 회전차를 가공한 3D 모델링 형상을 적용하여 ANSYS CFX 프로그램으로 유동해석을 수행하였다. 또한 이 유동해석 결과와 MATLAB 프로그램 Curve Fitting Toolbox를 활용하여 수치 해석적으로 분석하여 회전차 외경 수정 이론식을 검증하였다.
본 연구는 Wilo社에서 제공 받은 비속도 283[m³/min, m, rpm]의 In-line 펌프를 대상으로 회전차의 외경 가공을 통해 펌프의 성능에 어떤 영향을 미칠 수 있을지 CFD를 이용하여 유체의 흐름과 결과를 분석하였다. 이를 통해 유량, 양정, 효율 등 펌프의 성능곡선 변화를 예측하였고, 이를 유동해석 결과와 MATLAB 프로그램의 Curve Fitting Toolbox를 활용하여 수치 해석적으로 분석하여 회전차 외경수정 이론식을 검증하였다.
본 연구는 Wilo社에서 제공받은 비속도 283[m3/min, m, rpm]의 In-line 펌프를 기존 회전차를 가공한 3D 모델링 형상을 적용하여 ANSYS CFX 프로그램으로 유동해석을 수행하였다. 또한 이 유동해석 결과와 MATLAB 프로그램 Curve Fitting Toolbox를 활용하여 수치 해석적으로 분석하여 회전차 외경 수정 이론식을 검증하였다.
펌프의 성능을 예측하기 위해서는 오일러방정식[6]을 기반으로 회전차 외형가공을 통한 이론식과 성능곡선을 비교하고자 한다. 오일러 방정식에 의하면 펌프의 이론 양정은 다음의 식(1)로 표시될 수 있다.
대상 펌프 최고효율점(BEP)의 사양은 Table 1과 같으며, 본 연구에서 유동해석을 수행하기 위해 회전차 외경(D) 275mm에서 15mm 컷팅, 25mm컷팅, 35mm 컷팅하여 펌프의 성능변화를 확인하였다. 회전차 외경 275[mm]의 최고 효율의 유량인 249[m3/hr]를 100%로 봤을 때 60%~130%까지 유량을 10%씩 증가하며 외경에 따른 성능변화를 확인하였다.

대상 데이터

모델링 된 형상을 이용하여, Fig 3 와 같이 회전차 및 볼류트의 격자 구성을 보여주고 있다. 격자는 모두 Tetra-prism을 사용하였으며, 사용된 node 수는 약 2백 50만 개로 회전차 부분은 약 1백 95만 개이고, 흡입 볼류트는 약 21만 8천 개, 토출 볼류트는 24만 8천 개이다.

데이터처리

m의 값인 2.4 결과값을 적용하여 CFD 결과와 MATLAB 프로그램 Curve Fitting Toolbox의 수치해석 기법 결과값을 비교하였다.
유동해석 프로그램은 ANSYS CFX으로서 정상상태 해석을 수행하였다. 물성치는 Water 25.
/min, m, rpm]의 In-line 펌프를 대상으로 회전차의 외경 가공을 통해 펌프의 성능에 어떤 영향을 미칠 수 있을지 CFD를 이용하여 유체의 흐름과 결과를 분석하였다. 이를 통해 유량, 양정, 효율 등 펌프의 성능곡선 변화를 예측하였고, 이를 유동해석 결과와 MATLAB 프로그램의 Curve Fitting Toolbox를 활용하여 수치 해석적으로 분석하여 회전차 외경수정 이론식을 검증하였다.

이론/모형

유동해석 프로그램은 ANSYS CFX으로서 정상상태 해석을 수행하였다. 물성치는 Water 25.0[℃]를 사용하였으며, 난류모델은 SST를 사용하였고, 모든 벽면에는 no-slip 조건을 적용하였다. 단, Heat transfer에 대한 해석은 수행하지 않았다.
이는 회전기기의 기본 상사식을 통해 m의 값을 실험 또는 통계값을 적용하여 사용되므로 본 연구에서는 유동해석으로 도출된데이터를 사용하여 식 (2), (3)의 m값을 수치해석으로 추정하였다. 수치해석에 사용한 프로그램은 Matlab의 Curve Fitting Tool 3.5.7을 활용하였다.

성능/효과

(2) 이론식과 유동해석으로부터 나온 데이터를 적용하여, m값을 수치 해석적으로 찾아낼 수 있었다. 찾아낸 m값을 식(2), (3)에 적용하여 유동해석 결과와 비교 하였으며, 회전차의 외경이 15[mm] 컷팅된 결과에서는 식(2), (3)의 결과와 유동해석 결과의 양정 값의 차이가 크게 나지 않지만, 컷팅 가공이 많을수록 값의 차이가 크게 나는 것을 확인할 수 있다.
(3) 펌프의 특성인 유량-양정 곡선도 식(2), (3)에서 m=2.4로 계산 할 때 유동해석 결과와 일치하는 것을 확인하였다.
Fig 11은 25[mm] 컷팅한 형상이고 유량-양정 곡선을 이론식과 유동해석 결과를 비교한 것이다. 몇 개의 유량 포인트에서 조금 차이는 있지만 전체 곡선과의 관계에서는 98% 이상 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 Fig 12는 35[mm] 컷팅한 형상으로 유량-양정 곡선이 마찬가지로 몇 개의 유량 포인트에서 조금 차이는 있지만 곡선의 특성은 일치하는 것을 확인할 수 있다.
Fig 5는 유량(Q) 249[m3/hr]에서 회전차 외경별 Velocity를 Vector를 나타낸 것이다. 속도 분포를 보면 회전차의 외경이 작아질수록 볼류트와 회전차 외경의 거리가 멀어져 넓어진 공간으로 빠른 속도로 것을 확인할 수 있다. 그리고, Fig 6은 유량(Q) 249[m3/hr]에서 회전차 외경별 Static pressure를 contour로 나타낸 것이다.
펌프의 특성인 유량-양정 곡선도 식 (2)에서 m=2.4로 계산 할 때 유동해석 결과와 일치하는지 확인한 결과 Fig 10은 회전차 외경 275[mm]를 10[mm] 컷팅한 형상의 유량-양정 곡선을 이론식과 유동해석 결과를 비교하였으며, 결과 값이 일치하는 것을 확인하였다.
Fig 7은 유동해석으로 도출된 데이터를 통하여 외경이 수정될 때 유량(Q)에 대한 양정(H)의 변화를 나타내었다. 회전차 외경(D)을 275[mm]에서 265[mm], 250[mm], 240[mm]으로 줄여갈수록 Q-H 그래프가 원점에 가까운 쪽으로 형성되는 것을 확인할 수 있다.
(1) 회전차 외경을 275[mm]에서 15[mm] 컷팅, 25[mm]컷팅, 35[mm] 컷팅하여 유동해석을 통해 성능변화를 확인하였다. 회전차의 외경이 작아질수록 볼류트의 텅과 회전차 외경의 거리가 넓어진 공간으로 속도가 빠른 것을 확인 할 수 있고 볼류트의 압력이 작아지는 것을 확인 할 수 있다. 이는 펌프의 양정이 작아지는 것과 같다.

후속연구

컷팅값이 0[mm], 10[mm], 25[mm], 35[mm] 일 때 4가지 Case의 외경에 대한 유동해석을 수행하였지만, 더 많은 Case에 대한 데이터를 얻는다면 더 정확한 결과를 얻을 수 있을 것이다. 또한, 우리가 실험해보지 못한 다양한 형상의 회전차에 대해서도 향후 연구과제에서 검증할 계획에 있다.
따라서 회전차 외경이 변경될 때 유량-양정 곡선을 유동해석을 통해 확인하였고, 곡선의 특성을 예측할 수 있는 m값을 확인하였다. 컷팅값이 0[mm], 10[mm], 25[mm], 35[mm] 일 때 4가지 Case의 외경에 대한 유동해석을 수행하였지만, 더 많은 Case에 대한 데이터를 얻는다면 더 정확한 결과를 얻을 수 있을 것이다. 또한, 우리가 실험해보지 못한 다양한 형상의 회전차에 대해서도 향후 연구과제에서 검증할 계획에 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	펌프의 회전수를 조절하여 펌프의 성능을 변경하는 방법의 단점은?	특히 유량의 변동이 자주 발생하는 경우는 펌프의 회전수를 조절하여 펌프의 성능을 변경하는 방법이 가장 좋은 방법이다. 하지만 이와같은 경우 고가의 장비(유체커플링 또는 인버터 등)를 사용하기 때문에 초기 투자비가 커지는 단점이 있다.
	원심펌프는 무엇인가?	원심펌프는 통상적으로 임펠러를 고속으로 회전시켜 원심력을 통해 유체 에너지를 전달하는 설비로서 기화용 해수펌프, 공업용수 및 해수를 사용하는 소화펌프 등 많은 LNG 생산기지에서 사용하고 있는 주요 프로세스 설비이다. 현재 LNG 플랜트 현장에서의 펌프는 장기간 수요처가 원하는 공급량에 따라 운전조건이 변동되어 펌프의 성능이 저하되고 있다.
	설계 전양정에 과대한 여유를 주게 되면 발생하는 것은?	보통 플랜트 설계 시 안전율을 적용하여 수요량보다 많은 유량을 기준으로 펌프를 선정하고 설계할 때 전양정에 여유를 주게 된다. 이때 설계 전양정에 과대한 여유를 주게 되면 실제 사용에서는 설계 양정보다 낮은 양정인 과대 토출 유량의 범위에서 운전하게 되고 소음, 진동, 효율 저하 및 캐비테이션 등이 발생하게 되어 회전차, Wearing ring 등 주요부품의 파손 및 수명을 단축시키는 요인이 된다.[1]

참고문헌 (10)

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B. Jeong, H. S. Sim, I. Jeon, K. H. Song. "Studies on CFD Analysis and Experimental Results of Centrifugal Pump Impeller Shape", Proceedings of the KFMA Annual Meeting, 496-497, (2017)
Y.-D. Choi, Kurokawa, "Improvement of Pump Performance and Suppression of Cavitation in a Centrifugal Pump," Journal of Fluid Machinery, 11, 18-25, (2008)
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전상규, 권명래, [특집] "펌프의 임펠러 조정 방안", 한국유체기계학회, 5(2), 94-99,(2002).
H.-D. Lee, H.-W. Heo, and Y.-K. Suh, "Study on the Effect of the Impeller Diameter on the Performance of a Mixed-flow Pump", Journal of Fluid Machinery, 15(4), 61-66,(2012).

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Y. K. Chang, W. S. Song, "A study on the Pump Performance Analysis by Modifying the Impeller for a Seawater Pump using CFD", Transaction of the KPVP, 8(3), (2012)
S.-W. Kim, Y.-G. Kim, T.-Y. Kim, Y.-J. Kim, "Performance Characteristics of 1,200 mm Axial-Flow Pump for Various Impeller Angles", The Korean Society of Mechanical Engineers, 617-622, (2016)

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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