<학술논문>
DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2016.40.11.727ISSN 1226-4881(P rin t) 2288-5324(Online)
고압 다단 펌프의 레이디얼 디퓨저에 대한 연구
김덕수* · 산자르* · 박원규**
* 효성굿스프링스, ** 부산대학교 기계공학부
Study on the Radial Diffuser of Multistage High Pressure Pump
Deok Su Kim* , Sanjar Mamatov* and Warn Gyu Park*** Research and Development 2Team, Hyosung Goodsprings, Inc.
** School of Mechanical Engineering, Pusan Nat’l Univ.
(Received June 15, 2016 ; Revised August 26, 2016 ; Accepted September 20, 2016)
Key Words: High Pressure Multistage Pump(고압 다단펌프), Impeller(임펠러), Radial Diffuser(레이디얼 디
퓨저 ), Return-Channel(리턴채널), BFP(보일러 급수 펌프), CFD(전산유체역학)
초록 : 본 연구에서는 복합화력 화력 발전소용 고압 다단펌프의 레이디얼 디퓨저 형상에 따른 펌프의 성 능(양정, 효율)변화를 수치 해석적으로 분석하였다. 레이디얼 디퓨저 설계 변수는 크게 디퓨저 베인수, 디퓨저 외경비 (D
4/D
3), 리턴채널 출구각도(α
6), 압력회복계수(C
p) 등으로 선정하였다. 수치해석 결과 디퓨 저 외경비가 큰 경우 양정 및 효율이 가장 크게 예측되었으며, 리턴채널의 출구각도(α
6)가 60도인 경우 디퓨저 출구에서의 Pre-Swirl로 인해 출구각도가 90도인 것에 비해 양정이 저하되는 것을 알 수 있다.
Abstract: In this study, a high-pressure multistage pump used in the combined cycle power plants is analyzed.
The pump performance characteristics (differential head and efficiency) are numerically analyzed for different shapes of the radial diffuser. The design variables selected for the radial diffuser are, number of vanes, diameter ratio (D
4/D
3), return channel outlet angle(α
6), and pressure recovery factor (C
p). The numerical analysis results showed that the differential head and efficiency are the highest when the diameter ratio is the highest. Further, it was observed that the differential head was lower when the return channel outlet angle was 60° than when it was 90°, because of pre-swirl at the diffuser outlet.
Corresponding Author, [email protected]
Ⓒ 2016 The Korean Society of Mechanical Engineers
- 기호설명 -
D
3/D
4: 디퓨저 외경비 α
6: 리턴채널 출구각도(°) C
p: 압력회복계수
ξ : 손실계수
1. 서 론
화력발전이란 석탄 , 석유, 가스 등 화석 연료가 갖고 있는 열에너지를 보일러, 스팀 발생기 또는 터빈 발생기 등의 기계 장치를 통하여 전기 에너 지로 변화하는 Plant의 하나로써, 기력 발전소 및
복합 화력 발전소 등으로 나뉠 수 있다 . 보일러 급수 펌프(Boiler Feedwater Pump)는 기력 발전소 및 복합 화력 발전소에 사용되는 가장 중요한 펌 프 중의 하나로써, 일반적으로 기력 발전에는 볼 류트 타입의 펌프 (BB5), 복합 화력 발전에는 디 퓨저 타입의 펌프(BB4)가 주로 사용되고 있다.
본 연구에서는 복합 화력 발전에 주로 사용되
는 디퓨저형 고압 다단펌프의 레이디얼 디퓨저에
대해 수치 해석적으로 연구를 수행하였다 . 레이
디얼 디퓨저는 크게 디퓨저 구간과 리턴채널 구
간으로 나뉠 수 있다 . 디퓨저 구간은 회전차에서
나온 속도에너지를 압력에너지로 변환하는 구간
이며 , 리턴채널 구간은 1단에서 나온 유체가 다
음 2단으로 이동될 때의 유로 부분을 형성하는
Fig. 1 Discontinuous and continuous diffuser return
vanes
Table 1 Design parameter of radial diffuser Vane수 D4/D3 α6(°) Cp
Original 8 1.28 60 0.58
Case 1 10 1.28 60 0.67
Case 2 10 1.28 90 0.67
Case 3 10 1.32 60 0.69
Case 4 10 1.32 90 0.69
Case 5 10 1.40 60 0.73
Case 6 10 1.40 90 0.73
Fig. 2 Geometry dimension of radial diffuser
Original
Case 2
Fig. 3 3D design of radial diffuser부분으로 유로 내부에 발생하는 각종 유동 손실
을 최소화하여 설계 하는 것이 핵심이다 . 레이디 얼 디퓨저는 디퓨저와 리턴 채널이 분리된 분리 형 타입과 하나의 유로로 형성된 일체형 타입 등 이 있다. 몇 년 전만 해도 분리형 타입의 디퓨저 가 주로 사용되었으나 , 최근에는 3D 모델링 및 유동해석(CFD)의 발달로 내부 유동 손실이 적은 일체형 타입 등이 주로 사용되고 있다 . Fig. 1은 리턴채널의 불연속 및 연속 깃을 나타낸 그림이 다 . 불연속 깃은 디퓨저 구간과 리턴 채널 구간 이 베인이 분리된 형상으로써, 디퓨저 베인 수와 리턴 채널의 베인 수가 동일하게 혹은 리턴채널 베인이 1개 혹은 2개 작게 설계하는 경우가 있 다 . 연속깃은 디퓨저 구간과 리턴 채널 구간이 하나의 유로로 형성되는 깃을 말한다.
유일수 등
(1)은 Ns 150급 수직 배럴형 다단 펌 프에 대한 성능 및 흡입성능 등을 CFD와 실험적 으로 연구하였으며 , 오형우
(2)는 원심펌프용 가이 드 베인의 Short cross-over에 대한 설계 방법 및 내부 유동에 대해서 수치 해석적으로 연구하였 다. Masafumi Miyano
(3)는 리턴 베인의 형상에 따 른 펌프의 성능 변화 (Q-H Curve 특성 및 효율)을 시험적으로 연구하였으며, Harald Rcklawski
(4)는 D
4/D
3의 변화에 따른 펌프의 성능 변화를 수치 해석적으로 연구하였다. Nicolas
(5)는 고압 다단펌 프의 회전차 베인수 , 회전차 출구폭 및 디퓨저 입구폭 변화, 디퓨저 베인수 및 표면 조도에 따 른 펌프의 성능 변화를 수치 해석적으로 연구하 였으며, Nikesh Tiwari
(6)는 보일러 급수 펌프에 대 한 성능을 수치해석 및 시험적으로 분석하였다 . 하지만 레이디얼 디퓨저 성능을 결정짓는 설계 변수에 대한 (베인수, 리턴채널 출구각, 디퓨저 외 경비 및 압력회복 계수 등) 체계적인 연구가 많 이 이루어지고 있지 않는 실정이다 . 따라서 본 연구에서는 레이디얼 디퓨저 타입의 형상 변경 (베인수, 디퓨저 외경비(D
4/D
3), 리턴채널 출구각
도(α
6), 압력회복계수(C
p) 등이 펌프 성능에 미치 는 영향에 대해 연구를 수행하였다 .
2. 본 론
2.1 레이디얼 디퓨저 형상
레이디얼 디퓨저 형상은 당사 보유 모델인 Original 모델을 기준으로 형상 설계 변수를 변경 하여 3D 형상 및 유동해석을 수행하였으며, 상세 레이디얼 디퓨저 형상 변수는 Fig. 2 및 Table 1 에 나타내었다.
Original 모델을 기준으로 Case 1의 경우 베인
수에 따른 성능 변화, Case 1과 Case 2는 리턴 채
널의 출구각도에 따른 성능 변화 , Case 1, Case 3,
Case 5는 디퓨저 외경비(D
4/D
3)에 따른 성능 변화
에 대한 영향을 분석하였다 . Fig. 3은 Original 및
Case 2에 대한 레이디얼 디퓨저 형상을 나타내었
다 . 본 연구에 사용된 회전차 베인수는 7매로 깃
Fig. 4 Pressure recovery in conical diffusers
Fig. 5 Meridional profile
Fig. 6 Calculation domain of 2stage pump
통과 주파수(Blade Passing Frequency)를 고려하여
레이디얼 디퓨저 베인수를 10매로 하여 연구를 수행하였다 . 디퓨저 외경비는 일반적으로 비속도 의 함수로써, 비속도가 작으면 디퓨저 외경비가 작고 , 비속도가 크면 디퓨저 외경비가 큰 것으로 알려져 있다.
(7)디퓨저 외경비 1.40는 본 연구에 사용된 비속도의 추천 값이며 , 1.32는 Original 외 경비와 추천 외경비의 중간 정도의 값을 사용하 였다 . 리턴 채널 출구각도는 펌프 Maker로 차이 가 있지만 크게 60°와 90° 설계가 주로 사용되고 있기 때문에 60°와 90°를 설계 범위로 선정하였 다. 압력회복 계수(C
p)는 디퓨저 길이와 면적비에 대한 함수로써 , Conical diffusers의 압력 회복 계 수 값은 Fig. 4에 의해 결정하였다.
(7)2.2 수치해석 형상 및 기법
회전차 자오면 형상은 기존 보유 제품의 호환 성을 고려하여 기존 자오면 형상을 사용하였으 며, 쉬라우드 입구의 깃각도는 입사각(Incidence Angle)은 일반적으로 최고 효율점(B.E.P)을 기준 으로 0~4도 사이를 추천되어 지고 있다. 본 연구 에는 회전차 입구각도는 0도(쉬라우드 기준)로 하 여 입구 날개 각도를 선정하였으며, 날개 수는 Original 모델과 동일한 7매로 하였다. 출구 날개 각 및 깃 분포는 기존 모델을 참고하였고 Kaplan’s method 및 유체기계 설계 전용 프로그램 인 CFturbo를 이용하여 설계하였으며, 유동해석은 ANSYS CFX16을 이용하였다. 2단 펌프에 대한 유동해석 영역 및 회전차 및 디퓨저 자오면 프로 파일을 Fig. 5와 Fig. 6에 나타내었다. 일반적으로 유체 기계의 수치해석 수행 시 주기 조건(Periodic condition)을 고려하여 1 passage 영역만 해석을 수
행하는데, 주기 조건을 고려하면 B.E.P 점 근처에 서는 Periodic condition과 Full condition과의 차이 가 거의 없으나, part-load 및 over-load에서 다소 성능 및 유동 분포 차이가 발생하는 것으로 알려 져 있기 때문에 본 연구에서는 Full Condition 조 건을 사용하였다 . 난류 모델은 SST k-ω모델을 사용하였으며, 해석 영역 및 입구는 질량 유량, 출구는 대기압 조건을 주었다 . 회전속도는 2970 rpm으로 하였고, 작동 유체는 물을 사용하였다.
유동해석은 1단, 2단에 대해 각각 해석을 수행하 였으며, 해석결과는 2단-1단의 성능을 계산하여 산출하였다 .
2.3 해석 결과 및 분석
레이디얼 디퓨저 설계 구간은 4가지 구간으로
나뉠 수 있다. 회전차 출구에서 나오는 유체를
모아주는 Triangular section 구간(A), 속도압력을
정압으로 변경시켜주는 Diffusing channel 구간(B),
디퓨저에서 나온 유체를 90도 회전시켜 다음 단
으로 이송시키는 Short cross-over 구간(C) 및
Table 2 Head loss of each section parts Imp.[m]
구간A [m](%)
구간B [m](%)
구간C (%)[m]
구간D (%)[m]
구간E (%)[m]
전체 [m](%)
Ori. 166.8 4.18 2.51 1.86
1.12 3.10 1.86 0.88
0.53 0.70 0.42 10.71
6.42 Case1 166.8 3.83
2.30 1.82 1.09 3.00
1.80 1.18 0.70 0.67
0.40 10.49 6.29 Case2 166.8 3.83
2.30 1.79 1.07 2.94
1.76 0.92 0.55 0.62
0.37 1.10 6.05 Case3 166.8 3.77
2.26 2.21 1.33 2.16
1.30 1.22 0.73 0.58
0.35 9.95 5.96 Case4 166.9 3.94
2.36 2.15 1.29 1.99
1.20 0.94 0.56 0.59
0.36 9.62 5.70 Case5 167.2 3.84
2.30 2.19 1.34 2.12
1.32 0.96 0.72 0.68
0.29 9.79 5.74 Case6 167.4 3.89
2.30 2.19 1.31 2.12
1.27 0.96 0.58 0.68
0.40 9.79 5.51 Ave. 166.9 3.89
2.33 2.04 1.22 2.50
1.50 1.04 0.62 0.62
0.37 10.09 6.05
Fig. 7 Section of radial diffuser
Fig. 8 Plan view of radial diffuser
Return channel 구간(D, E)로 나뉠 수 있다. 각 구 간별 양정 손실을 계산하기 위해 각각을 분리하 여 모델링을 수행 후 조합하여 해석을 실시하였 다 . 레이디얼 디퓨저 각 구간에 대한 형상은 Fig.
7에 나타내었다. 회전차에서 발생하는 양정을 100으로 가정하여 각 구간별 양정 손실을 계산 하였으며, 각 구간별 양정 손실을 Table 2에 나타 내었다 . Original 모델의 경우 레이디얼 디퓨저 전 체 양정 손실은 10.71m(6.42%)로 전체 Case 중 가장 높은 양정 손실을 나타내었으며 , Case 6의 경우 양정 손실이 9.79(5.51%)로 가장 작은 양정 손실을 보였으며 , Original 모델에 비해 Case 6 모 델이 약 0.9%의 양정 회복을 보였다. 양정 회복 양 만큼 효율이 증가한다고 가정하면 , 약 0.9%의 효율이 개선된다고 볼 수 있다. 디퓨저 토출각도
(α
6)가 60도인 Case 1, Case 3, Case 5와 토출각 도가 90도인 Case 2, Case 4, Case 6의 양정 손실 을 비교하면, 토출각도가 90도인 경우가 약 0.2%
정도 양정 손실이 작았지만 , 양정 손실 차이가 크지 않아 디퓨저 토출각도에 따른 양정 손실은 크지 않은 것으로 판단이 된다 . 디퓨저 외경비 변화에 따른 양정 손실을 분석하면, 디퓨저 외경 비가 클수록 압력 회복 계수 값 (C
p)이 증가하고, 양정 회복 계수 값이 클수록 양정 손실(ξ)이 작 게 발생함을 알 수 있다 . Fig. 8은 레이디얼 디퓨 저 Plan View를 나타낸 그림이고, 식 (1)~(4)은 디 퓨저의 압력 회복계수 및 면적비의 변화에 따른 손실계수(ξ)를 나타내었다.
회전차
구간 손실
(1)
∆ ×
(2)
(3)
(4)
각 구간별 평균 양정 손실을 Fig. 9에 나타내었
다. 양정손실이 가장 큰 영역은 Triangular Section
구간 (구간A)으로 전체 양정 손실 6.05%의 약
38%인 2.33% 양정 손실을 보였다. 구간 A의 양
정손실의 주원인은 회전차 출구에서 발생하는 절
대속도 성분(C
2)으로 인해 구간 A에서의 양정 손
실이 증가한 것으로 판단된다 . 회전차 출구에서
발생하는 절대속도 성분은 회전차 출구각도 및
Fig. 9 Average head loss of radial diffuser section
Fig. 10 Loss coefficient of radial diffuser section
Fig. 11 Head loss of impeller and radial diffuser
(a) Diffuser section at 50% span
(b) Return-channel section at 50% span (A) Original (B) Case 6
Fig. 12 Streamline on the diffuser and return-channel회전차 접선방향속도 (U
2)의 함수이며, 회전차 출
구각도의 영향보다는 회전차 접선방향 속도 성 분 즉 , 회전차 외경의 주요 성분이다. 따라서 원 심펌프의 회전차 외경을 감소시키기 위해 1단당 양정을 저감 시키는 방법을 주로 사용하고 있다 . 따라서 일반적인 BFP 펌프의 경우 비속도가 150~200 [m
3/min, rpm, m]에 반해, 펌프의 효율이 매우 중요시 되는 RO(Reverse Osmosis) 펌프 등 은 효율을 높이기 위해 비속도를 250~300 정도 가 사용되어 지고 있다. Fig. 10은 각 구간별 손 실계수를 나타내었다 . 손실계수는 식 (5)로 표현 할 수 있으며, 이때 C는 유체의 절대 속도 성분 을 나타낸다 . 손실 계수가 가장 큰 구간은 Short crossover 구간으로(구간C) 디퓨저에서 나온 유체 를 90도 회전시켜 주는 구간이다. 따라서 레이디 얼 디퓨저를 설계 할 때, C구간의 손실을 최소화 하여 설계하는 것이 가장 큰 핵심 기술이다 . C구 간에 대한 설계 방법에 따라 회전차와 회전차간 의 거리 (단간거리)가 결정이 되어 지며, 레이디얼 디퓨저 효율이 결정되어 지기 때문에 문헌 등에
는 많이 알려지지 않는 실정이다 . 하지만 각 펌 프 Maker들은 자기만의 설계 방법(A회사는 자오 면을 조정하는 방법 , B회사는 Plan View를 조정 하는 방법 등)으로 손실을 최소화 하려고 노력하 고 있다 .
(5)
(6)
펌프의 손실은 크게 기계적인 손실 , 유동손실
누설 손실 등으로 나뉠 수 있다. Fig. 11은 회전
차에서 발생하는 양정을 100으로 가정한 상태에
서 각 구간별 양정 손실을 해석적으로 분석하였
(a) Diffuser section at 50% span
(b) Return-channel section at 50% span (A) Original (B) Case 6
Fig. 13 Pressure on the diffuser and return-channelFig. 14 Circumferential component of absolute velocity
at inlet of 1st impeller
Fig. 15 Absolute Flow Angle at inlet of 1st impeller
다 . 구간 0은 회전차의 양정, 구간 1은 회전차 입
구로 들어오는 Inlet 손실, 구간 2는 회전차와 레 이디얼 디퓨저 사이의 Mixing 손실, 구간 3은 웨 어링 누설 손실, 구간 4는 레이디얼 디퓨저 손실, 구간 5는 레이디얼 디퓨저 출구 손실 등을 나타 내었다. 회전차와 디퓨저 조합에서 발생하는 전 체 손실은 약 10.5%이며, 레이디얼 디퓨저 구간 에서 발생하는 손실이 약 6.5%로 전체의 65%를 차지하고 , 두 번째로 웨어링 누설 손실이 약 30%
를 차지한다. 따라서 고압 디퓨저 펌프의 효율을 증가시키기 위해서는 레이디얼 디퓨저 손실 및 웨어링 부의 누설량을 최소화하는 것이 주요 기 술 중의 하나이다 . 웨어링 부의 누설량을 작게 하기 위해 RO펌프의 경우 Metal 재질보다 약 50%의 웨어링 간격을 줄일 수 있는 PEEK 재질 의 웨어링이 종종 사용되어지고 있다. 또한 Annular Seal의 마찰계수를 증가시키기 위해 Serrated seal 이나, 벌집 모양의 Isotropic pattern seal 등이 사용 되어진다 .
레이디얼 디퓨저의 디퓨저 구간 및 리턴 채널 구간에 대한 50% 스팬에서 streamline 및 pressure 를 Fig. 12와 Fig. 13에 나타내었다. 디퓨저 구간에 서는 Original 모델과 Case 6 모델에 대한 유선을 분석한 결과 디퓨저 출구(리턴 채널입구)에서 약 한 유동박리가 발생하였으며 , 둘 다 유사한 유동 패턴을 보였다. 리턴 채널구간에서는 두 모델 모
두 급격한 유로 증가와 곡률 변화 등으로 인해 유 동박리 현상을 확인할 수 있었다. 이는 리턴 채널 의 구조적인 특성으로 인해 어쩔 수 없이 발생하 는 현상이라 판단된다. Original 모델이 국부적으 로 낮은 정압 부분이 발생한 것과 달리 Case 6모 델은 대체적으로 균일한 압력 분포를 나타내었다.
이로 인해 Original 모델이 Case 6 모델이 보다 강 한 유동박리 현상이 발생하였으며, 큰 Head loss가 발생하였다 . 원인으로는 Case 6 모델이 Original 모델이 비해 베인 매수 증가 및 리턴 채널 토출각 도의 증가로 인해 베인 길이가 증가하여 , 리턴 채 널에서 보다 적은 유로 증가 및 곡률 변화 등으로 인해 손실이 감소되었음을 알 수 있다 .
유체기계 이론 양정 수식을 식 (6)에 나타내었
다 . 이론 양정은 회전차 출구에서의 원주 속도와
접선방향 절대 속도를 회전차 입구에서의 원주
속도와 접선 방향 속도 성분의 차로 나타낼 수
Fig. 16 Incidence Angle at inlet of 1st impeller
Fig. 17 Circumferential component of absolute velocity
at inlet of series impeller
Fig. 18 Absolute flow angle at inlet of series impeller
Fig. 19 Velocity vector at no swirl and pre-rotation
있다 . 일반적으로 회전차 입구에서 Pre-swirl 이
없다고 가정하기 때문에 단순하게 출구에서의 속 도 성분의 곱을 이용하여 양정을 계산한다 . Fig.
14 및 Fig. 15는 1단 회전차 입구에서의 접선방향 절대속도 성분 (C
u1) 및 절대 유동각(α
1)을 나타내 었다. 실제로 C
ul속도 성분이 약 0.3 m/s로 매우 미비하기 때문에 실제 이론식에서 입구 (C
u1U
1)의 항을 무시하는 것은 타당성이 있다고 사료된다.
절대 유동각 (α
1)은 90도보다 5도 작은 85도 정도 를 나타내고 있다. 이는 회전차 입구 날개로 인 해 약간의 Swirl 성분이 존재한다고 판단된다.
회전차 입사각(Incidence)은 날개각(Blade Angle:
β
1b)과 유동각(Flow Angle: β
1')의 차로 나타낼 수 있다. Fig. 16은 1단 회전차 입구에서 입사각 을 나타낸 그림으로 축의 Span Normalized의 숫 자 "0"은 허브 측, 숫자 "1"은 쉬라우드 측을 나
타내었다 . 회전차 입구각도 설계 시 허브 측의 입사각을 4도, 쉬라우드 측을 0도로 하여 설계를 수행하였다 . 해석 분석 결과 쉬라우드 측의 입사 각은 0도로 실제 설계한 값과 해석값과 거의 차 이가 없는 반면 허브측은 약 10도 정도 차이가 발생하였다. 이는 1차원 이론식으로 회전차 입구 각을 설계할 때 회전차 입구로 유입되는 자오면 속도 성분(C
m1)이 허브 및 쉬라우드 모든 지점에 서 속도가 일정하다는 가정하에 입구각을 설계하 지만, 실제 유동해석 결과 허브 근처의 입구 자 오면 속도 성분이 이론값보다 작은 속도 값이 나 타내어 이론 계산 값보다 작은 유동각을 나타내 었다고 사료된다 .
시리즈 단 회전차 입구(디퓨저 후단)에서의 C
u1속도 및 α
1성분을 리턴채널의 토출 각(α
6) 60 도 및 90도에 대해 Fig. 17, Fig. 18에 나타내었다.
α
6가 60도인 디퓨저의 경우 C
u1성분이 α
6가 90
도에 비해 약 2.5배 큰 값을 나타내었다. 회전차
입구에서의 절대 유동각은 리턴채널과 회전차 입
구에서 발생하는 Slip율 등으로 인해 실제 값보다
약 10~20도 작은 70도(α
6: 90도)와 50도(α
6: 60
도)을 나타내었다. Fig. 19 및 Fig. 20은 Swirl에
따른 속도 벡터 및 상대 유동각을 나타내었다 .
Fig. 20 Relative flow angle at inlet of series impeller
Fig. 21 Incidence angle at inlet of series impeller of
case 5(α
6: 60°)
α
6가 60도인 경우 90도에 비해 큰 Pre-Swirl이 존 재하기 때문에 큰 상대 유동각을 보였다 . 따라서 상대 유동각이 큰 만큼 입사각이 작아진다. Fig.
21 및 Fig. 22는 α
6가 60도 및 90도인 Case 5와 Case 6에 대한 날개각, 유동각, 입사각 등을 나타 내었다 . α
6이 60도인 경우 90도인 경우에 비해 상대적으로 큰 상대 유동각으로 인해 (-)4도 정도 의 큰 “-” 입사각을 보였다. 따라서 또한 α
6이 90°인 경우 (-) 1도 정도의 “-” 입사각을 보였다.
이는 α
6의 각에 따라 회전차 입구각도의 선정 기준이 달라져야 함을 알 수 있다. 일반적으로 입사각을 0~4도 범위 안에 선정하므로, “-” 입사 각이 되지 않기 위해서는 α
6가 90인 경우는 입 사각을 고려하여 입사각을 3~4도 정도 선정을 하 고, α
6가 60도인 경우는 90도보다 2~3도 큰 5~7 도 정도의 입사각을 결정해야 한다고 판단된다 .
Table 3 Performance data and design parameter of
2stage-1stage
Ori. Case 1 Case
2 Case 3 Case
4 Case 5 Case
6
Vane 8 10 10 10 10 10 10
D4/D3 1.28 1.28 1.28 132 1.32 1.40 1.40
α6 60 60 90 60 90 60 90
Cp 0.58 0.67 0.67 0.69 0.69 0.73 0.73 Ht(m) 135.7 136.9 142.9 137.2 143.5 138.6 144.6
Eff.
(%) 80.8 81.2 81.5 81.4 81.8 82.1 82.3 Pow.
(Kw) 122.2 122.7 127.6 122.6 127.7 122.8 127.8
Fig. 22 Incidence angle at inlet of series impeller of
Case 6 (α
6: 90°)
따라서 정확한 시리즈 단의 회전차를 평가하고
최적화하기 위해서는 1단 및 2단의 유동해석을
각각 수행한 후 2단-1단의 유동해석 결과를 계산
해야 한다. Table 3에 2단-1단의 유동해석 결과를
나타내었다 . 유동해석 결과, 양정은 α
6가 90도인
Case 2, Case 4, Case 6의 경우 α
6가 60도인 Case
1, Case 3, Case 5에 비해 작은 C
u1성분으로 인해
약 4%의 큰 양정을 나타내었다. 효율은 α
6가 90
도인 경우 약 0.2~0.4% 정도 높게 나타났으나, 양
정의 상승만큼 그리 크지 않아, 효율에는 영향이
미비한 것으로 나타났다 . α
6가 60도인 경우 효율
이 작게 예측된 이유는 강한 Pre-Swirl로 인해 입
사각이 맞지 않아 효율이 저하된 것으로 판단된
다. 동력은 양정 상승에 비례하므로 양정이 증가
된 만큼 동력이 증가되었다 . 베인수의 변화에 따
Fig. 23 Performance characteristics for the 2stage-
1stage
른 성능을 분석한 결과, 베인수가 8매에서 10매 로 증가되면 , C
p값이 증가되어 양정 및 효율이 증가하였다. 디퓨저 외경비가 증가되면 C
p값이 증가되고 C
p값이 증가된 만큼 양정 및 효율이 증 가되었다. 결론적으로 디퓨저의 성능을 향상시키 기 위해서는 리턴채널의 토출각 (α
6)보다는 압력 회복계수 값(C
p)에 따라 디퓨저의 성능이 결정됨 을 알 수 있었다 . 탈 설계점에 대해 해석 결과를 Fig. 23에 나타내었다. 전반적인 성능 커브 경향 은 Original~Case 6 모두 유사한 성능을 나타내었 으며, 최고 효율점은 110%에서 모두 발생하였다.
이는 실물 펌프 제작 시 Balance device 장치의 누설 유량을 고려하면, 최고 효율점이 110% 근처 에 설계하는 것이 적절한 설계라 판단된다 . Case 6 모델이 Original 모델에 비해 130% 유량에서 효 율 상승폭이 증가되었다 . 디퓨저 설계의 손실은 유속의 제곱에 비례하므로, 최적화된 디퓨저의 경우 저유량 지점보다 고유량 지점에서 효율 상 승이 큰 것을 알 수 있다.
3. 결 론
복합화력 발전소용 고압 다단 디퓨저 펌프 (BB4)의 디퓨저 형상 변화에 따른 성능 변화를 수치 해석적으로 검증하였다 . 본 연구에서 얻은 결론은 아래와 같다
(1) 유동해석 결과는 2단 및 1단에 대해서 각각 해석을 수행한 후 2단 -1단에 대한 압력 및 동력 을 계산하여 양정 및 효율을 계산하였다 .
(2) Original 및 Case 1 모델의 성능을 비교한
결과 양정 및 효율 모두 Case 1 모델이 높게 예 측되었다. 이는 압력 회복 계수(C
p)값이 Case 1 모델 (0.67)이 Original(0.58) 모델에 비해 크기 때문 에 양정 손실이 작아 양정 및 효율이 증가한 것 으로 판단된다 .
(3) Case 1과 Case 2 모델은 C
p값이 0.67로 동 일한 상태에서 리턴 채널의 토출각도에 따른 성 능 결과를 비교한 결과, 효율은 거의 동일하였으 나 , 양정은 리턴채널 토출각도 90도인 Case 2 모 델이 높게 예측되었다. 이는 리턴채널의 출구 각 도가 90도인 Case 2 모델의 경우 리턴채널 출구 각도가 60도인 Case 1 모델보다 Pre-Swirl이 작기 때문에 절대속도의 접선방향 속도 성분 (C
u1) 작아 양정이 높게 예측된 것으로 사료된다. 동력의 경 우 Pre-swirl의 발생으로 인해 저하된 양정만큼 동 력이 저하되어 유사한 효율이 발생하였다. 출구 각도가 60도인 경우 효율이 작게 예측된 이유는 강한 Pre-Swirl로 인해 입사각이 맞지 않아 효율 이 저하된 것으로 판단된다 .
(4) Case 4와 Case 6의 경우 디퓨저 외경비 (D
4/D
3)가 큰 Case 6의 경우 양정 및 효율이 가장 높게 예측 되었다. 이는 디퓨저 외경이 클수록 디퓨저 길이가 커지므로 압력회복계수 (C
p) 값이 커져 양정 손실이 작게 발생하여 양정 및 효율이 증가된 것으로 판단된다 .
참고문헌
![Table 2 Head loss of each section parts Imp. [m] 구간A[m] (%) 구간B[m](%) 구간C(%)[m] 구간D(%)[m] 구간E(%)[m] 전체[m](%) Ori](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dokinfo/5211567.354948/4.892.477.797.178.439/table-section-구간a-구간b-구간c-구간d-구간e-전체.webp)
