◎ 논 문
ISSN (Print): 1226-9883
해양광물자원 개발을 위한 사류형펌프의 내부유동 해석
이진우
*
ㆍ최영도**
ㆍ이영호***
ㆍ윤치호****
ㆍ박종명*****
Internal Flow Analysis on a Mixed Flow Pump for Developing Marine Mineral Resources
J. W. Lee
*
, Y. D. Choi**
, Y. H. Lee***
, C. H. Yoon****
, J. M. Park*****
Key Words : Mixed flow pump(사류펌프), Marine mineral resources(해양광물자원), Internal flow(내부유동), CFD(전산유체역학), Reverse flow(역류)
ABSTRACT
The development of lifting pumps that lift minerals to a mining vessel are one of the vital parts of the commercial mining process. The purpose of this study is to investigate internal flow and its effect on the performance of a mixed flow pump in order to improve the pump’s performance. Numerical analysis was performed by commercial code of ANSYS CFX-11 based on flow rate and length of flexible hose. The rated rotational speed of the impeller is 1750rpm. For taking into account the turbulence, k-ω SST model was selected to guarantee more accurate prediction of flow separation. The simulated results are in good agreement with the experimental results and showed that its efficiency and the head of the pump are related mainly to the flow rate and the length of flexible hose. A lesser flow rate caused more secondary flow through the guide vane passage. The length of flexible hose and flow rate exert much more influence on the pump’s performance than the shape of the flexible hose.
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1. 서 론
니켈, 구리, 코발트, 망간 등 산업의 쌀이라고 일컬어지는 광물을 전량 수입할 수밖에 없는 우리나라에 장기적으로 안 정적인 공급원을 확보할 수 있는 해양광물자원개발기술의 구축은 매우 중요하다 할 수 있다.
해양광물자원개발기술의 구축에서 광물을 해상으로 이송 시킬 수 있는 펌프를 개발하는 것은 광물자원을 상용화하는 데 가장 중요한 요소 중 하나로 현재까지 많은 연구를 통해 펌프가 개발되어져 왔다.
광물을 이송하기 위한 펌프는 상당한 수심에서 망간단괴 등의 광물을 운송하여야 하기에 고양정의 펌프가 필요하다.
따라서 설계 시에 고양정의 원심펌프를 설계하는 것이 필요
* 한국해양대학교 대학원
** 목포대학교
*** 한국해양대학교 기계정보공학부
**** 한국지질자원연구원
***** 한국지질자원연구원
† 교신저자, E-mail : [email protected]
하나, 해양광물의 입자가 크기 때문에 비속도가 작은 원심펌 프의 경우 임펠러 출구폭이 상대적으로 좁아 광물의 이송에 문제가 발생할 수 있다. 이런 문제점 때문에 임펠러 출구폭 이 상대적으로 넓은 사류형으로 특수하게 설계하였다. 펌프 설계기술은 경험적이고 기본적인 방법을 따른다는 점에서 특수 설계된 펌프에 대한 연구가 앞으로도 많이 필요한 시점 이다. 따라서 본 연구에서는 해양광물자원 이송용 펌프의 내 부유동 및 유연관 형상변화에 따른 펌프성능 변화를 해석하 여 펌프의 성능향상에 필요한 기본적인 자료를 확보하고, 성 능개선을 위한 방법을 검토하였다.
2. 수치해석
펌프의 성능 예측을 위하여 본 연구에서는 수치해석을 적 용하여 성능을 예측하였다.
2.1 해석대상
본 연구에 사용된 펌프는 총 높이가 약 2 m이며, 2개의 임 펠러와 2개의 가이드베인을 가지고 있는 다단펌프로 임펠러
Case 1
Case 2
Case 3
105mm 유연관입구
유연관출구
Fig. 1 Shape of flexible hose
Fig. 2 Shape of pump
Impeller
2nd guidevane
1st guidevane
Fig. 3 Computational grid of pump 의 날개 수는 4매, 가이드베인의 날개 수는 5매로 구성되어
있다. 펌프 상단에는 2개의 임펠러를 구동하기 위한 모터가 설치되며, 2개의 임펠러는 모터와 1개의 샤프트로 연결되어 동일한 회전수로 작동한다. 임펠러 입구직경은 150 mm, 전 체 직경은 280 mm이며, 펌프의 임펠러는 망간단괴 등 해양 광물의 입자가 크기 때문에 발생할 수 있는 문제점을 고려하
여 고체입자가 통과할 수 있도록 임펠러 내부유로를 일반펌 프보다 강제적으로 확장시켜 임펠러 출구폭이 상대적으로 넓게 설계하였다.
유연관 출구는 펌프의 입구에 연결되며, 유연관 직경은 105 mm, 길이는 100 m, 60 m로 설정하였다. 또한 각 길이 마다 3가지 형상으로 모델링하였다.
Fig. 1은 길이에 따른 유연관의 3가지 형상을 나타낸 것이 고, Fig. 2는 해석에 사용된 펌프를 모델링한 결과를 나타낸 것이다.
2.2 수치해석방법
Fig. 3은 해석대상 펌프의 형상에 격자를 생성한 모습을 나타낸 것이다. 격자는 복잡한 형상에도 상당히 우수한 품질 로 격자를 생성할 수 있는 ICEM-CFD Hexa 모듈을 주로 이 용하여 생성하였으며, 임펠러와 2단 가이드베인부분은 Tetra- hedral 모듈을 이용하여 격자를 생성하였다. 격자는 해석의 정확도를 고려하여 블레이드 및 가이드베인 주위에 집중 배 치하였으며, 해석에 사용된 전체 도메인의 격자수는 약 360 만 노드이다.
해석은 상용코드인 ANSYS CFX Ver.11을 사용하여 SST(Shear Stress Transport) 난류모델을 적용하였다. 계 산영역 내 입구경계조건은 균일 유입조건을 주었으며, 출구 경계조건은 동일 압력조건을 부여하였다. 펌프 및 유연관의 성능을 분석하기 위해서 유연관 흡입부에 속도조건을 부여 하였으며, 유연관 벽(wall)은 모두 점착조건으로 설정하였
Simulation type Steady state Outlet condition Averaged static pressure
Inlet condition Averaged velocity Turbulence Model Shear stress transport
RPM 1750[min-1]
Phase Water at 25℃
Table 1 Boundary condition specifications
Fig. 4 Performance curve
Q=50 m3/h Q=150 m3/h Q=250 m3/h Fig. 5 Streamline at different flow rate
다. 또한 벽면의 거칠기는 모두 동일하다고 가정하였다. 임 펠러는 점착조건 및 회전조건을 부여하였으며, 단상에서의 계산을 수행하였다. 기타 펌프 내부유동계산에 적용된 상세 사항은 table 1에 나타내었다.
3. 결과 및 고찰
3.1 성능곡선
Fig. 4는 CFD를 통해 펌프성능을 수치해석한 결과와 실 험결과를 비교한 그래프이다. 수치해석 결과는 유량에 따라 약간의 차이는 있지만 실험값과 유사한 경향을 보이고, 설계 점 유량보다 유량이 상승하였을 때 효율이 상승함을 확인할 수 있는데 이는 고체입자가 원활하게 통과하도록 하기 위해 임펠러 내부유로를 일반펌프보다 강제적으로 확장시킨 특수 펌프를 설계하였고, 양정이 낮은 것을 보완하기 위해서 저유 량역 설계를 수행하였기 때문에 설계점 유량보다 유량이 증 가하였을 때 효율이 상승하는 경향을 보이고 있다.
성능곡선을 보면 유량이 증가할수록 효율은 상승해 200 m3/h일 때 가장 높은 효율 57.9 %를 보이지만, 전양정은 유 량이 증가할수록 감소해 약 52.5 m를 보이는 것을 확인할 수 있다.
3.2 유선
Fig. 5는 유량 50 m3/h∼250 m3/h에서의 유선을 나타낸 것이다. 그림을 보면 가이드베인을 통과하는 흐름에 일부 와
가 형성되는 것을 확인할 수 있는데 펌프의 고정유로 내의 흐름은 대부분이 임펠러를 나온 흐름이 갖는 선회속도 성분 때문에 그림에서 보듯이 2차 흐름이 발생한다.
유량별로 흐름을 살펴보면 유량이 50 m3/h일 때에는 임펠 러를 나온 흐름이 가이드베인 유로에서 선회하는 흐름을 보 이는 등 1단 가이드베인 부분에서 2차 흐름이 많이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
유량 150 m3/h에서 250 m3/h으로 유량이 증가함에 따라 1 단 가이드베인에서의 2차흐름 발생이 감소하고 가이드베인 유로를 따라서 펌프 2단측으로 자연스럽게 흘러가는 것을 확 인할 수 있다.
2단 임펠러를 통과한 흐름은 2단 가이드베인을 통해 토출 측으로 흘러가나 유동에 선회성분을 가지고 흘러가는 것을 확인할 수 있다. 이는 임펠러의 선회속도를 갖는 흐름의 운 동에너지를 압력에너지로 유효하게 회복시키지 못했음을 의 미하며, 따라서 이로 인한 손실이 발생하는 것을 나타낸다.
3.3 압력 및 속도벡터
Fig. 6은 펌프내부의 압력분포를 나타낸 것으로, 압력은 1 단과 2단 임펠러를 통과하면서 단계적으로 상승하고 가이드 베인을 통과하며 현저한 저하 등의 발생없이 자연스럽게 출 구측으로 압력이 전해지는 것을 확인할 수 있으며, 2단 펌프 후단부의 급격한 확대 영역에서 압력손실이 약간 발생하나 그 크기는 작음을 확인할 수 있다.
Fig. 7은 임펠러 내부유로의 압력분포를 나타낸 것이다.
그림에서 확인할 수 있듯이 블레이드의 회전토크가 유체에 전달되어 에너지 상승이 단계적으로 일어나는 과정을 확인 할 수 있다. 이러한 분포는 일반 사류펌프의 임펠러 압력분 포와 거의 유사함을 보인다.
Q=50 m3/h Q=150 m3/h Q=250 m3/h Fig. 6 Pressure distribution at different flow rate
1st stage 2nd stage
Fig. 7 Pressure distribution at impeller(Q=150 m3/h)
Fig. 8 Torque at each impeller at different flow rate
Fig. 9 Pressure at inlet&outlet of each impeller
1st stage 2nd stage
Fig. 10 Pressure distribution around guide vane(Q=250 m3/h)
Fig. 8은 유량이 증가함에 따른 임펠러 토크 변화를 나타 낸 것이다. 임펠러의 토크는 유량이 증가할수록 상승하는 것 을 보인다. 유량이 150 m3/h, 250 m3/h인 경우에는 1단 임 펠러의 토크보다 2단 임펠러의 토크가 더 크게 나타나는 것 을 확인할 수 있는데 유량이 50 m3/h인 경우에는 반대로 2단 임펠러의 토크가 더 작게 나타남을 확인할 수 있다.
이는 Fig. 5 streamline에서 확인할 수 있는 바와 같이 1 단에서 토출된 유동이 가이드베인의 유도에 따라 자연스럽 게 흘러가지 못하고 와 및 2차 흐름 등의 발생에 의해 2단 임 펠러에 충분한 유량이 도달하지 못했기 때문에 발생하는 것 으로 판단된다. Fig. 9는 임펠러 입ㆍ출구에서의 압력을 나 타낸 것이다. 압력은 음의 값도 포함하고 있는데 이는 경계 조건으로 입구에 유량조건을 출구에 대기압조건을 주었기 때문에 나타난 값으로, 이 값은 실질적인 값이 아니라 상대 적인 비교값으로써만 의미가 있다. 이 그래프를 통해 임펠러 를 지남에 따라서 압력이 단계적으로 상승함을 알 수 있으 며, 유량이 증가함에 따라 2단 임펠러 출구에서 1단 임펠러 입구까지의 압력차는 감소함을 알 수 있다.
Fig. 10은 1ㆍ2단 케이싱의 가이드베인 부근에서의 압력 분포를 나타낸 것이다. 전체적으로 임펠러 출구에서 흘러나 온 흐름이 가이드베인 입구측 압력면에서 높은 압력을 나타 내며, 출구측으로 갈수록 부압면측과 압력이 균등해짐을 알 수 있다. 이는 임펠러 토출유동의 원심력으로 인한 것으로 가이드베인 압력면에서 압력이 높게 나타나고 중심축에 가 까운 부근에서 낮게 나타난다.
3.4 유연관 형상에 따른 성능
Fig. 11∼13은 유연관에서 발생되는 압력손실을 수두로 나타낸 것이다. Fig. 11은 길이가 60 m인 유연관에서 유량이 50 m3/h∼250 m3/h로 증가함에 따라 유연관에서 발생하는 손실을 나타낸 것으로, 유량이 증가함에 따라 발생되는 손실 이 급격하게 증가함을 알 수 있으며, 손실의 크기는 유량이 50 m3/h일 때 1.2m, 100m3/h일 때 4.3m, 150 m3/h일 때 9m 등 발생하는 손실은 유량의 제곱에 비례하는 것을 알 수 있다.
Fig. 12는 유연관 길이가 60 m, 100 m일 때의 각 형상에 서의 압력손실을 나타낸 것으로, 유연관의 길이변화에 따라 발생하는 압력손실(head)을 알 수 있다. 그래프를 보면 유연
Fig. 11 Pressure loss at different flow rate
Fig. 12 Pressure loss at different lengths of flexible hose
Fig. 13 Pressure loss by varying shape of flexible hose
Fig. 14 Total head at different flow rate
Fig. 15 Efficiency at different flow rate
관 길이의 증가에 따라 유연관에서 발생하는 손실이 증가함 을 알 수 있으며, 손실은 약 6 m 증가함을 보이고 있다.
Fig. 13은 길이가 60 m인 유연관에서 형상이 Fig. 1 Shape of flexible tube에서와 같이 변하였을 때 발생하는 압력손실(head)을 나타낸 것으로 형상에 곡면부가 1개, 2개
추가됨에 따라서 압력손실이 증가함을 알 수 있다. 압력손실 의 크기는 case 1을 기점으로 하여 곡면부가 1개일 때에는 압력손실이 약 0.1 m 증가하고, 곡면부가 2개일 때에는 압력 손실이 약 0.3 m 증가함을 보인다. 이를 통하여 유연관 형상 변화에 따라 발생하는 손실은 유연관 통과유량 증가에 따라 발생하는 손실 및 유연관 길이의 변화에 의해 발생하는 손실 에 비해 그 크기가 미미함을 알 수 있다.
Fig. 14와 Fig. 15는 펌프에 길이가 60 m인 유연관을 설 치하였을 때 유량변화에 따른 펌프의 전양정과 효율의 변화 를 나타낸 것이다. Fig. 14를 보면 유량이 증가함에 따라 Head가 감소하는 것을 확인할 수 있으며 유량 150 m3/h 이 후 Head 감소폭이 더 크게 나타남을 확인할 수 있다.
Fig. 15를 보면 Fig. 4에서 유량이 200 m3/h일 때 최고효 율을 보이는 것과 달리, 유연관을 부착할 경우 유량이 상대 적으로 적은 150 m3/h에서 최고효율을 보이는 것을 확인할 수 있다. 이는 Fig. 11에서 확인할 수 있는 바와 같이 유량이 150 m3/h일 때 유연관 손실이 약 9m인 반면 유량이 200m3/h로 증가할 경우 손실이 약 15m로, 유량증가에 따른 유연관 손실의 급격한 증가에 따라 상대적으로 유량이 적은 쪽으로 최고효율점이 이동한 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
1) 유량이 상대적으로 적을 때 가이드베인 압력면과 부압 면의 압력차가 크게 나타나고, 임펠러 내부유로에서 순환흐 름이 많이 발생함을 확인할 수 있으며, 이러한 유로내부에서 의 큰 압력차는 주류의 방향과 일치하지 않는 2차흐름 등의 발생을 야기하여 유로내의 손실을 유발하고, 임펠러 내부에 서의 순환흐름은 펌프 성능저하를 야기할 수 있다.
2) 유량이 50 m3/h에서 150 m3/h로 증가할 때 1단 임펠러 에 걸리는 torque값은 약 4 Nm 증가하지만, 유량이 150 m3/h에서 250 m3/h로 증가할 때 토크는 약 29 Nm로 급격하 게 증가함을 보인다.
3) 유연관에서 유량이 50 m3/h에서 150 m3/h로 증가함에 따라 압력손실은 수두로 약 8 m 이상 발생하고, 유연관 길이
가 60 m에서 100 m로 길어지면 압력손실이 수두로 약 6 m 정도 나타남을 확인할 수 있다. 또한 유연관 형상이 직선에 서 곡면부가 1개, 2개 추가됨에 따라서 압력손실이 증가하는 데 그 크기는 약 0.1 m, 0.3 m 로 유량이나 길이에 비해 그 크기가 상대적으로 미미함을 알 수 있다.
4) 유연관 길이가 변화함에 따라 펌프의 효율이 변화하는 것을 알 수 있으며, 길이가 60 m인 유연관을 부착한 경우 유 량 150 m3/h일 때 최고 높은 효율을 보인다.
후 기
본 연구는 해양과학기술연구개발사업의 연구과제인 “심해 저 광물자원 양광시스템 개발”의 일환으로 수행되었으며, 이 에 감사드립니다.
참고문헌
