[논문]2 Vane 펌프 임펠러의 성능 개선에 관한 수치해석적 연구

김성; 마상범; 최영석; 김진혁

doi:10.7316/khnes.2020.31.3.293

2 Vane 펌프 임펠러의 성능 개선에 관한 수치해석적 연구
A Numerical Study on the Improvement of Performance for the 2 Vane Pump Impeller 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.31 no.3, 2020년, pp.293 - 301

김성 (한국생산기술연구원 청정에너지시스템연구부문) , 마상범 (한국생산기술연구원 청정에너지시스템연구부문) , 최영석 (한국생산기술연구원 청정에너지시스템연구부문) , 김진혁 (한국생산기술연구원 청정에너지시스템연구부문)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes a numerical study on the improvement of performance of the 2 vane pump impellers. The design of these impellers was optimized using a commercial computation fluid dynamics code and design of experiments. Geometric design variables were defined by the impeller blade angle distribution. The objective functions were defined as the total head, total efficiency and solid material size of the impellers. The importance of the geometric design variables was analyzed using 2k factorial designs. The interaction between the total head, total efficiency and solid material size, according to the impeller blade angle distribution, is discussed by analyzing the 2k factorial design results.

주제어

표/그림 (22)

그림 Fig. 2. Comparison of meridional plane
그림 Fig. 1. Three-dimensional 2 vane pump impeller and volute
그림 Fig. 3. Design variables of blade angle distribution
표 Table 1. Design specification
그림 Fig. 4. Boundary conditions and grid system for the 2 vane pump impeller calculation
그림 Fig. 5. Flow chart of 2^k factorial design.
그림 Fig. 6. Fractional factorial of DOE
그림 Fig. 7. Total head and total efficiency curve
그림 Fig. 8. Solid material size from impeller inlet
표 Table 2. 2^k factorial design set
그림 Fig. 9. Main effects plot for total head
그림 Fig. 10. Pareto chart for total head
그림 Fig. 11. Main effects plot for total efficiency
그림 Fig. 12. Pareto chart for total efficiency
그림 Fig. 13. Main effects plot for solid
그림 Fig. 14. Pareto chart for solid
그림 Fig. 15. Plot of response optimization
그림 Fig. 16. Comparison of three-dimensional geometry 2 vane pump impeller (a) reference model, (b) optimum model
표 Table 3. Comparison of CFD results
그림 Fig. 18. Comparison of the total pressure contour on the meri-dional plane (a) reference model, (b) optimum model
그림 Fig. 17. Comparative analysis of the pump performance curve (a) total head, (b) total efficiency
그림 Fig. 19. Comparison of the streamline at hub (a) reference model, (b) optimum model

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 유체 및 고형물을 효과적으로 이송하기 위해 2 vane 펌프 임펠러를 설계하였다. 임펠러는 자오면 및 날개각분포 설계로 나누어진다.
유체 및 고형물을 효과적으로 이송하기 위해서는 임펠러 내부유로면적을 확보하는 유로설계가 필요하다. 따라서 임펠러의 내부유로 및 유동특성을 분석하여 성능을 향상시키면서 고형물 이송이 가능한 임펠러 형상을 제시하였다.
본 연구에서는 유체 및 고형물 이송을 위해 2 vane 펌프 임펠러의 유로설계를 수행하였다. 2 vane 펌프 임펠러의 형상 변화에 따른 성능 특성은 실험계획법(design of experiment) 중에서 2^k 요인실험(factorial designs)을 적용하여 분석하였고, 2 vane 펌프 임펠러의 내부유동특성은 CFD를 활용하여 분석하였다.

제안 방법

2 vane 펌프 임펠러 최적형상 성능이 개선된 객관적인 검토는 CFD를 활용하여 분석하였다. 기존형상 및 최적형상의 내부압력분포 및 유동흐름을 분석하여 성능이 향상된 근거를 확인하였다.
2 vane 펌프 임펠러의 형상 변화에 따른 성능 특성은 실험계획법(design of experiment) 중에서 2^k 요인실험(factorial designs)을 적용하여 분석하였고, 2 vane 펌프 임펠러의 내부유동특성은 CFD를 활용하여 분석하였다. 2 vane 펌프 임펠러의 유로설계를 위해 임펠러 형상을 제어할 수 있는 설계변수를 선정하여 설계변수변화에 따른 성능 변화를 분석하였다. 유체 및 고형물을 효과적으로 이송하기 위해서는 임펠러 내부유로면적을 확보하는 유로설계가 필요하다.
2) 2 vane 펌프 임펠러 형상을 제어할 수 있는 설계변수를 정의하였고, 임펠러 날개각분포를 효율적으로 제어할 수 있는 설계변수를 제시하였다.
본 연구에서 관심 있는 인자의 수, 실행할 수 있는 실험의 수, 비용 및 시간 등을 고려하여 의미가 적은 고차의 상호작용을 교락시켜서 실험의 횟수를 적게 하는 일부실시설계(fractional factorial designs)로 2k 요인실험을 수행하였다. 2^k 요인실험에서 선택한 변수들은 임펠러의 변수 중에서 날개각분포를 쉽게 제어하고, 성능에 영향을 미칠 것이라 인식되는 변수들 즉, Beta 1, %CP1_X, %CP1_Y, %CP2_X, %CP2_Y 및 Beta 2로 지정하였다. 이때 허브와 쉬라우드의 날개각 분포는 동일한 날개각 분포로 설계하였다.
1) 펌프 성능을 만족하고 유체뿐만 아니라 고형물 이송하기 위해서는 임펠러 내부유로설계가 매우 중요하다. 따라서 유체 및 고형물 이송이 가능한 2 vane 펌프 임펠러를 설계하였다.
7은 성능곡선을 나타내며, 펌프는 설계유량에서 양정을 만족하고 효율이 최대화로 설계한다. 따라서 임펠러도 설계유량에서 양정을 만족하고 효율을 최대화 하는 설계로 수행하였다. 양정 및 효율에 대한 식은 다음과 같다⁸⁾.
5는 2^k 요인실험을 이용한 분석 절차를 보여준다. 본 연구에서 관심 있는 인자의 수, 실행할 수 있는 실험의 수, 비용 및 시간 등을 고려하여 의미가 적은 고차의 상호작용을 교락시켜서 실험의 횟수를 적게 하는 일부실시설계(fractional factorial designs)로 2k 요인실험을 수행하였다. 2^k 요인실험에서 선택한 변수들은 임펠러의 변수 중에서 날개각분포를 쉽게 제어하고, 성능에 영향을 미칠 것이라 인식되는 변수들 즉, Beta 1, %CP1_X, %CP1_Y, %CP2_X, %CP2_Y 및 Beta 2로 지정하였다.
본 연구에서는 2 vane 펌프의 성능을 분석하기 위해 CFD를 활용하였고, 2 vane 펌프 임펠러의 설계변수 변화에 따른 성능변화는 실험계획법 중 2^k요인실험을 이용하여 분석하였다. 본 연구를 통해 도출된 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 설계유량에서 양정은 만족하고 효율 및 고형물은 최대화로 설계 목표값(target of design)으로 설정하였다. 목표값을 만족하는 형상을 결정하기 위해 반응최적화(response optimization)기법을 이용하여 Fig.
이때 입구부 조정점은 %CP1_X 및 %CP1_Y로 정의하였고, 출구부 조정점은 %CP2_X 및 %CP2_Y로 정의하였다³⁾. 선정된 설계변수는 2^k 요인 실험 및 CFD를 활용하여 설계변수 변화에 따른 펌프 성능 변화를 분석하였다.
3에서 Beta 1은 입구각을 나타내며, Beta 2는 출구각을 나타낸다. 임펠러 날개 각 분포는 베지어 곡선(bezier curve)의 조정점(control point)을 이용하여 설계하였다. 이때 입구부 조정점은 %CP1_X 및 %CP1_Y로 정의하였고, 출구부 조정점은 %CP2_X 및 %CP2_Y로 정의하였다³⁾.
임펠러 형상은 ANSYS Baldegen을 이용하여 생성하였고, 격자계는 ANSYS Turbogrid를 사용하여 정렬격자계(structured grid)로 생성하였다⁴⁾. 임펠러 입구부는 축방향으로 일정한 면적을 갖는 파이프(pipe) 형상으로 단순화하였고, 출구부는 반경방향으로 폭이 감소하는 베인리스 디퓨저(vaneless diffuser)로 단순화하였다. 수치 해석 결과의 신뢰성을 높이기 위해 임펠러의 격자 테스트를 수행하였고 약 120만 개로 고정하여 수치 해석을 수행하였다.
임펠러는 자오면 및 날개각분포 설계로 나누어진다. 임펠러의 자오면은 기존 형상을 분석하여 설계사양을 만족하는 자오면으로 재설계하여 고정하였고, 설계된 자오면은 Fig. 2에 제시하였다. 이때, 설계사양은 Table 1에 제시하였다.

대상 데이터

2 vane 펌프는 회전체인 임펠러와 고정체인 벌류트로 구성되어 있으며, 2 vane 펌프의 형상은 Fig. 1에 나타내었다. 2 vane 펌프는 회전하는 임펠러로부터 운동에너지에서 압력에너지를 변화하여 벌류트에서 압력에너지를 회복하는 유체기계이다.
임펠러 입구부는 축방향으로 일정한 면적을 갖는 파이프(pipe) 형상으로 단순화하였고, 출구부는 반경방향으로 폭이 감소하는 베인리스 디퓨저(vaneless diffuser)로 단순화하였다. 수치 해석 결과의 신뢰성을 높이기 위해 임펠러의 격자 테스트를 수행하였고 약 120만 개로 고정하여 수치 해석을 수행하였다.
입구부에는 대기압(atmospheric pressure)을 주었고, 출구부에는 질량유량(mass flow rate)을 부여하였다. 작동유체(working fluid)는 25℃의 물로 사용하였다. 이때 디스크 마찰 손실, 기계적 손실 그리고 누출 손실은 수치 해석 결과에 포함되지 않았다.

데이터처리

그리고 동시에 두 종류 이상의 인자를 대상으로 하여 인자들의 효과를 개별적으로 측정할 수 있다. 본 연구에서는 2 vane 펌프 임펠러의 설계변수에 의한 유동 특성을 알아보기 위해 실험계획법의 2^k 요인 실험을 사용하였고, 분석은 상용 프로그램인 Minitab 14를 이용하였다⁷⁾. Fig.
중심값(center point)으로 반응최적화 결과는 Beta 1은 2, %CP1_X는 10%, %CP1_Y는 –5, %CP2_X는 50%, %CP2_Y는 5 및 Beta 2는 –5에서 양정은 만족하고 효율 및 고형물은 최대화로 예측되었다. 이 결과는 설계 목표값을 만족하여 최적형상으로 선정하였고 수치 해석을 이용하여 성능을 검증하였다.

이론/모형

2 vane 펌프 임펠러 형상변화에 따른 성능 변화는 주 효과 도표(main effects plot) 및 파레토 차트(pareto chart)를 이용하여 분석하였다^9,10).
2 vane 펌프 임펠러의 내부유동해석은 상용 CFD코드인 ANSYS CFX-19를 사용하였다. 임펠러 형상은 ANSYS Baldegen을 이용하여 생성하였고, 격자계는 ANSYS Turbogrid를 사용하여 정렬격자계(structured grid)로 생성하였다⁴⁾.
본 연구에서는 유체 및 고형물 이송을 위해 2 vane 펌프 임펠러의 유로설계를 수행하였다. 2 vane 펌프 임펠러의 형상 변화에 따른 성능 특성은 실험계획법(design of experiment) 중에서 2^k 요인실험(factorial designs)을 적용하여 분석하였고, 2 vane 펌프 임펠러의 내부유동특성은 CFD를 활용하여 분석하였다. 2 vane 펌프 임펠러의 유로설계를 위해 임펠러 형상을 제어할 수 있는 설계변수를 선정하여 설계변수변화에 따른 성능 변화를 분석하였다.
임펠러의 비압축성 난류 흐름(turbulent flow) 분석을 위해 3차원 Reynolds-averaged Navier-Stokes 방정식을 이용하였다. 난류의 흐름을 분석하기 위해 난류모델(turbulent model)은 유동박리(flow separation)의 예측에 유리한 SST model을 사용하였다^5,6). Fig.
본 연구에서는 설계유량에서 양정은 만족하고 효율 및 고형물은 최대화로 설계 목표값(target of design)으로 설정하였다. 목표값을 만족하는 형상을 결정하기 위해 반응최적화(response optimization)기법을 이용하여 Fig. 15와 같은 반응최적화 도표를 도식하였다. 중심값(center point)으로 반응최적화 결과는 Beta 1은 2, %CP1_X는 10%, %CP1_Y는 –5, %CP2_X는 50%, %CP2_Y는 5 및 Beta 2는 –5에서 양정은 만족하고 효율 및 고형물은 최대화로 예측되었다.
2 vane 펌프 임펠러의 내부유동해석은 상용 CFD코드인 ANSYS CFX-19를 사용하였다. 임펠러 형상은 ANSYS Baldegen을 이용하여 생성하였고, 격자계는 ANSYS Turbogrid를 사용하여 정렬격자계(structured grid)로 생성하였다⁴⁾. 임펠러 입구부는 축방향으로 일정한 면적을 갖는 파이프(pipe) 형상으로 단순화하였고, 출구부는 반경방향으로 폭이 감소하는 베인리스 디퓨저(vaneless diffuser)로 단순화하였다.
임펠러의 비압축성 난류 흐름(turbulent flow) 분석을 위해 3차원 Reynolds-averaged Navier-Stokes 방정식을 이용하였다. 난류의 흐름을 분석하기 위해 난류모델(turbulent model)은 유동박리(flow separation)의 예측에 유리한 SST model을 사용하였다^5,6).

성능/효과

3) 임펠러 설계변수 변화에 따른 양정 및 효율의 경향성은 동일하게 나타난다. 그러나 양정 및 효율에 영향을 주는 설계변수의 순은 다르다.
4) 고형물의 크기 변화에 따른 출구부 설계변수의 경향성은 양정 및 효율의 경향성과 다르다. 그러나 효율에 영향을 주는 설계변수 순은 같은 것을 확인하였다.
5) 최적설계된 형상은 기존형상보다 내부유동흐름이 안정적이며, 기존형상 대비 효율은 약 2%, 고형물의 크기는 약 48% 증가되었다.
Table 3 및 Fig 17(b)를 보면 최적형상은 기존형상보다 설계유량에서 효율이 약 2% 향상되었음을 확인할 수 있다. Table 3, Fig. 16 및 17의 결과를 종합해보면 최적형상은 기존형상보다 성능이 본 연구의 설계 기준 관점에서 향상되었음을 확인할 수 있다.
2 vane 펌프 임펠러 최적형상 성능이 개선된 객관적인 검토는 CFD를 활용하여 분석하였다. 기존형상 및 최적형상의 내부압력분포 및 유동흐름을 분석하여 성능이 향상된 근거를 확인하였다.
중심값(center point)으로 반응최적화 결과는 Beta 1은 2, %CP1_X는 10%, %CP1_Y는 –5, %CP2_X는 50%, %CP2_Y는 5 및 Beta 2는 –5에서 양정은 만족하고 효율 및 고형물은 최대화로 예측되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	오폐수 이송으로 사용하는 특수 펌프의 단점은 무엇인가?	따라서 국내뿐만 아니라 해외에서도 유체를 포함한 오폐수를 이송하는 동안에 막힘(clogging) 현상이 없이 이송이 가능한 특수 펌프 사업의 수요가 증가함에 따라 고형물을 이송하는 환경 및 오폐수 처리사업 등의 설비 설계에 관한 연구가 급격하게 성장하고 있다. 그러나 현재 오폐수 이송으로 사용하는 특수 펌프는 볼텍스 펌프(vortex pump) 및 그라인더 펌프(grinder pump)나 수력학적 효율이 낮고 잦은 유지보수로 인해 비용이 증가하는 단점이 있다. 따라서 고형물이 쉽게 통과할 수 있는 특수용 펌프 개발이 필요하다.
	2 vane 펌프란 무엇인가?	1에 나타내었다. 2 vane 펌프는 회전하는 임펠러로부터 운동에너지에서 압력에너지를 변화하여 벌류트에서 압력에너지를 회복하는 유체기계이다. 특히 임펠러는 유체 및 고형물을 이송하는 주요 구성품이므로 임펠러 설계가 매우 중요하다.
	본 연구에서는 2 vane 펌프의 성능을 분석하기 위해 CFD를 활용하였고, 2 vane 펌프 임펠러의 설계변수 변화에 따른 성능변화는 실험계획법 중 2k요인실험을 이용하여 분석하였다, 이를 통해 얻은 분석결과는 어떠한가?	1) 펌프 성능을 만족하고 유체뿐만 아니라 고형물 이송하기 위해서는 임펠러 내부유로설계가 매우 중요하다. 따라서 유체 및 고형물 이송이 가능한 2 vane 펌프 임펠러를 설계하였다. 2) 2 vane 펌프 임펠러 형상을 제어할 수 있는 설계변수를 정의하였고, 임펠러 날개각분포를 효율적으로 제어할 수 있는 설계변수를 제시하였다. 3) 임펠러 설계변수 변화에 따른 양정 및 효율의 경향성은 동일하게 나타난다. 그러나 양정 및 효율에 영향을 주는 설계변수의 순은 다르다. 4) 고형물의 크기 변화에 따른 출구부 설계변수의 경향성은 양정 및 효율의 경향성과 다르다. 그러나 효율에 영향을 주는 설계변수 순은 같은 것을 확인하였다. 5) 최적설계된 형상은 기존형상보다 내부유동흐름이 안정적이며, 기존형상 대비 효율은 약 2%, 고형물의 크기는 약 48% 증가되었다. 6) 2 vane 펌프는 임펠러뿐만 아니라 벌류트 설계도 매우 중요하다. 벌류트는 임펠러 형상을 고려하여 설계하므로 임펠러 형상에 따라 벌튜트 설계 방향이 정해진다. 따라서 최적설계된 임펠러 설계 결과를 기준으로 벌류트 설계를 진행한다면 설계사양을 만족하는 2 vane 펌프 형상 도출이 가능하다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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X. Sun, S. Kim, S. D. Yang, H. S. Kim, and J. Y. Yoon, "Multi-objective optimization of a stairmand cyclone separator using response surface methodology and computational fluid dynamics", Powder Technology, Vol. 320, 2017, pp. 51-65, doi: https://doi.org/10.1007/s12206-016-0221-7.

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저자의 다른 논문 :

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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