◎ 논 문
ISSN (Print): 1226-9883
양흡입 원심펌프에 있어서 유량변화의 영향에 관한 수치해석적 연구
안영준*ㆍ신병록**
Numerical Analysis on the Effect of Flow Rate Variation in Double-Suction Centrifugal Pump
Young-Joon An
*, Byeong-Rog Shin
**Key Words : Double-suction Centrifugal Pump(
양흡입 원심펌프), Pump Design(
펌프 설계), Performance Characteristics(
성능특성), Numerical Analysis(
수치해석), Effect of Flow Rate Variation(
유량변화의 영향)
ABSTRACT
A numerical simulation is carried out to investigate the effect of flow rate variation and performance characteristics of double-suction centrifugal pump. Two types of pump which have different impeller inlet breadth and curvature of the shroud line consist of six blades impeller and shroud ring. Finite-volume method with structured mesh and k-ω Shear Stress Transport turbulence model was used to guaranty more accurate prediction of turbulent flow in the pump impeller. Total head, power and overall efficiency were calculated to obtain performance characteristics of two types of pump according to the variation of flow rate. From the results, impeller having smooth curve along the shroud line obtained good performance. The lower flow rate, the more circulation region, flow unsteadiness and complicate flow pattern are observed. Complicated internal flow phenomena through impellers such as flow separation, pressure loss, flow unsteadiness and performance are investigated and discussed.
†
†
1. 서 론
원심펌프는 유체기계 중에서도 액체를 이송하는 비교적 간 단한 구조와 넓은 범위의 송출유량과 수두를 제어할 수 있어 산업현장에 가장 널리 사용된다. 이러한 원심펌프의 설계에 있어서 원심펌프 내부의 유동장에 대한 유체공학적 이해와 유동특성을 조사하는 것은 매우 중요한 일이다. 원심펌프 내 부에서는 순환 유동과 비정상 유동에 의해 압력손실과 마찰 손실, 소음 등 복잡한 유동현상이 발생한다. 이러한 복잡한 유동현상을 동반하는 원심펌프의 효율, 수두, 축동력 등 이른 바 펌프 특성에 대한 연구는 실험보다 수치시뮬레이션이 효 율적이다. 이에 따라 최근 많은 연구자들이 원심펌프의 성능 특성에 관한 연구를 수행하였다. 예를 들면, 김명석(1)등은 상 용프로그램인 CFX를 이용하여 산업용 원심펌프에 대한 유동
* 창원대학교 대학원 기계공학전공
** 창원대학교 기계공학과, 교신저자
† 교신저자, E-mail : [email protected]
해석을 수행하였고, 심창열(2)등은 STAR-CD와 Tascflow를 이용하여 원심펌프 임펠러의 유동을 해석하였다. 또한, 김정 환(3)등은 유동가시화 장치인 PIV계측을 이용하여 원심펌프 내부의 유동특성에 관한 연구를 수행한 바 있다. 이들 원심펌 프에 대한 연구는 대부분 편흡입형 원심펌프에 대한 연구로, 본 연구에서 다루고자 하는 양흡입형 원심펌프에 대한 연구 는 다소 부족한 실정이다.
본 연구에서는 실제로 운전되고 있는 2가지 형태의 양흡 입형 원심펌프 내부의 임펠러에 대해 상용프로그램인 CFX(4) 를 이용하여 3차원 비점성 난류유동에 대한 CFD 수치시뮬레 이션을 하고 유량변화가 성능에 미치는 영향과 순환 유동의 발생, 압력 손실, 비정상 유동 등 양흡입형 원심펌프 내부 유 동특성을 면밀히 조사 하였다.
2. 수치해석 방법
본 연구에서는 2가지 임펠러 형상을 가지는 양흡입형 원심
Fig. 1 Schematic diagram of double-suction centrifugal pump Impeller
Type 1 Type 2
Impeller inlet breadth 0.49 0.55
Impeller outlet breadth 0.35
Impeller outlet diameter (D) 6.4
Number of blade 6
Blade thickness 0.07
rpm (N) 3000
Table 1 Design condition
Fig. 2 Double-suction centrifugal pump geometry and computational grid
펌프 내부의 유동을 비압축성 난류유동으로 가정하여 유동해 석을 수행하였다. 펌프 내부에서 일어나는 3차원 유동특성을 조사하기 위해 유한체적법(Finite Volume Method)과 다중 블 록 계산격자를 이용하여 수치해석을 수행하였다. Fig. 1은 양 흡입형 원심펌프의 개략도를 나타낸 것으로 Type 2의 경우 Type 1에 비해 입구영역이 조금 더 넓다. Type 1의 경우 슈라 우드 라인이 굽은 영역에서 Type 2보다 큰 곡률을 가지고 있 다. 이 두 경우 출구측의 폭은 동일하며, 단지 슈라우드 라인만 다를 뿐이다. Table 1은 2가지 형태에 대한 원심펌프 설계조건 을 나타내며, 여기서 는 원심펌프의 입구측 허브 반경을 나
이다. 경계조건으로는 일정한 회전수에 대해 입구부에 전 압 력을 주었고, 출구부에는 유량을 주었다.
3. 수치해석 결과
Fig. 3은 Type 1에 대해 mid-span 단면에서 유량변화에 따른 상대속도를 나타낸다. 유량이 낮은 경우 블레이드의 부 압면에서 비교적 큰 순환영역이 존재 하는데, 이는 블레이드 의 입구부에서 유동의 유입각이 작아졌기 때문이다. 이러한 순환영역은 때때로 캐비테이션을 야기 시키게 되는데, 원심 펌프에서 캐비테이션은 소음, 진동 뿐 만 아니라 펌프의 성 능저하까지 일으킨다. 저 유량에서 발생한 큰 순환영역은 원 심펌프 내부에 유량이 증가함에 따라 작아지며, 이는 Fig. 4 의 Streamline을 통해 보다 쉽게 이해할 수 있다. 익면에 나 타난 불규칙한 비정상 와류의 존재의 확인은 임펠러에 대하 여 Full Model 계산을 함으로써 얻어진 중요한 결과이다.
Fig. 5는 mid-span에서의 유량변화에 따른 압력 분포를 나타낸다. 이 그림에서 유량이 증가함에 따라 원심펌프의 입 출구의 압력차는 작아지며, 이 압력차는 원심펌프의 수두에 영향을 미친다. 일반적으로 낮은 유량의 경우 출구측에서 반 경방향의 속도성분이 작아지고 반대로 접선방향의 속도가 증 가하여 펌프의 수두가 높아지게 된다. 또한 유량이 적은 경우 에는 입구측에서 블레이드의 부압면에서 상대적으로 큰 순환 영역이 존재하는 반면, 유량이 증가한 경우에는 블레이드의 입구부에서 유입각의 증가로 인해 블레이드의 압력면에서 상 대적으로 낮은 압력이 존재한다. Fig. 6은 임펠러의 허브면 과 슈라우드면 부근에서 압력분포를 나타낸 것이다. 유량이 적은 경우 허브면과 슈라우드면에서 압력은 거의 같은 분포 를 가지나, 유량이 증가하는 경우 Fig. 1에 나타난 바와 같이 허브면 선단의 존재로 말미암아 허브면에서는 다소 복잡한 압력분포를 가진다. 이러한 유동패턴은 허브면 보다 짧은 임 펠러 깃을 갖는 양흡입형 원심펌프에서만 볼 수 있는 독특한 현상이다. 지금까지의 유동해석 결과를 보면, 블레이드와 블 레이드 사이의 유동패턴이 서로 다른 것을 볼 수 있는데, 이 는 일반적으로 실시하고 있는 블레이드와 블레이드사이의 하 나의 유로만을 계산영역으로 하여 주기조건으로 해석하는 것 과 달리, 여기에서와 같이 3차원 Full 모델을 이용한 경우 유 동의 비정상 특성을 잘 묘사할 수 있음을 의미한다.
(a) Flow rate : 83 m3/hr
(b) Flow rate : 414 m3/hr
(c) Flow rate : 830 m3/hr Fig. 3 Velocity vectors at several flow rates on cross sectional plane at mid span
(a) Flow rate : 83 m3/hr
(b) Flow rate : 414 m3/hr
(c) Flow rate : 830 m3/hr Fig. 4 Streamlines at several flow rates on cross sectional plane at mid span
(a) 83 m3/hr
(b) 414 m3/hr
(c) 830 m3/hr Fig. 5 Pressure distributions at several flow rates on mid-span and blade to blade plane
Fig. 7은 임펠러 날개의 압력면 및 부압력면에서의 어느 순간 압력분포 및 유선을 나타낸 것이다. 위에서 언급한 바 와같이 낮은 유량인 경우 압력면에서보다도 부압면에서 유 동박리가 더 일어나고 유동형태도 깃 출구부분에서 다소 비 대칭이다. 이런 이유로 유동유발 진동은 저유량 운전점에서 보다 더 자주 일어난다.
Fig. 8은 중앙 유로면에서의 속도벡터를 나타낸 것으로, 유량의 변화에 따른 유동형태를 잘 모사하고 있다. 저유량 운전에서는 역시 다소간의 후류가 나타난다.
2가지 형태의 양흡입형 원심펌프에 대해 Fig. 9는 유량계 수(), 수두계수(), 동력계수()로 원심펌프의 특성곡선을 나타낸 것이다. 이들 각 계수는 다음과 같이 무차원화 하였다.
Shroud Plane
(a) Flow rate : 83 m3/hr (b) Flow rate : 414 m3/hr (c) Flow rate : 830 m3/hr Fig. 6 Pressure distributions at several flow rates on cross sectional plane near hub and shroud
pressure Side
Suction Side
(a) Flow rate : 83 m3/hr (b) Flow rate : 414 m3/hr (c) Flow rate : 830 m3/hr Fig. 7 Pressure contours and streamlines on the pressure and suction side of blade
(a) Flow rate : 83 m3/hr (b) Flow rate : 414 m3/hr (c) Flow rate : 830 m3/hr
Fig. 8 Velocity vector on mid passage plane between blades at several flow rates
Fig. 9 Characteristic curve at several flow rates for double-suction centrifugal pump
(1)
(2)
(3)
여기서, 는 펌프의 수두, 는 축동력, 는 임펠러의 출 구직경을 나타낸다. 또한 축동력 와 전효율 는 허브와 슈 라우드를 포함한 토크 를 이용하여 다음과 같이 계산하였다.
·
(4)
(5)
이 그림으로 부터, 큰 곡률이 존재하는 슈라우드를 갖는 Type 1이 Type 2에 비해 전체적으로 우수한 성능을 보인다.
이는 원심펌프의 슈라우드의 설계에 있어 유동 변화각을 완 만하게 유지하는 것이 손실수두를 줄일 수 있음을 의미한다.
또한 전수두의 경우 유량이 증가함에 따라 거의 선형적으로 낮아지는데 이는 일반적으로 후향깃의 경우 수두가 우하향 곡선을 가지기 때문이다.
4. 결 론
본 연구에서는 양흡입형 원심펌프 내부의 3차원 비압축성 유동에 대하여 상용프로그램인 CFX를 이용하여 유량변화에 따른 유동특성 및 펌프성능을 조사하였다. 슈라우드 형상이
3) 압력면 보다 부압면에서 순환영역이 많이 발생하고, 유 량이 낮을수록 유동패턴은 복잡하고 비대칭인 양상을 띈다.
4) 완만한 곡선이 존재하는 슈라우드를 가지는 경우 급격 한 곡선을 가지는 경우 보다 전체적으로 펌프성능이 우 수하다.
5) 3차원 Full 모델을 이용한 수치모사를 하여 원심펌프 내부에 발생하는 순환 유동 및 비정상 유동 등 복잡한 내부유동 특성을 쉽게 이해 할 수 있다.
