2023년 펌프 및 수차 분야 연구동향

1. 서 론

2023년 국내 펌프 및 수차 분야의 연구동향을 분석하기 위하여 2023년 한국유체기계학회 논문집과 한국유체기계학회 하계 및 동계 학술대회 발표논문 초록집에 발표된 논문을 조사하였다. 펌프 분야에서 33편, 수차 분야에서 28편, 펌프터빈 분야에서 3편, PHM&디지털트윈 솔루션 분야에서 3편의 논문이 발표되어 총 67편의 논문이 2023년에 발표되었다.

표 1은 펌프 및 수차 분야에서 발표된 논문을 분류 기준별로 정리한 것이며, 전년도 대비 펌프 분야의 논문 수는 감소하였고, 수차 분야의 논문 수는 증가하였으며, 펌프터빈 분야의 논문 수는 감소하였다.

표 1

분류 기준 별 논문 수 (2022년, 2023년)

2. 펌프 분야 관련 연구

펌프 분야에서는 산업용 펌프와 특수형 펌프 등 다양한 펌프들의 성능 및 효율 향상과 최적설계, 수명 예측 분석 시스템에 대한 연구가 수행되었다.

사류펌프^(1∼5)에 대해서는 전산유체해석을 이용하여 형상 변수에 따른 성능 변화 및 임펠러 형태에 따른 내부 유동장의 변화에 대한 연구가 진행되었다. 원심펌프^(6∼9)에 대해서는 유동현상 개선 및 효율 증가를 위한 전산유체해석을 진행 및 디지털 트윈을 이용한 연구와 다단 원심펌프에 대한 연구가 수행되었다. 축류펌프^(10∼23)에 대해서는 가변 IGV에 대한 모델링을 진행하여 펌프의 성능을 시험하는 연구와 설계유량과 설계유량의 80%에 해당하는 저유량 조건에서의 성능해석, 입구 안내깃 후단에 발생하는 선회유동의 수치적으로 모사하여 펌프의 효율 및 내부 유동장 분석에 대한 연구가 진행되었다.

또한 터보펌프⁽²⁴⁾, 재생형 펌프⁽²⁵⁾, 원자로 냉각 펌프⁽²⁶⁾, 냉각수 펌프⁽²⁷⁾, 유로 펌프⁽²⁸⁾에 대해서도 성능 시험 및 향상을 위한 심도 깊은 연구가 진행되었다. 유압실린더⁽²⁹⁾에 IoT, 빅데이터, AI 기술을 접목한 지능형 유압실린더 고장예지보전 기술 개발을 위한 연구도 시행되었다.

한편, 하계 및 동계 학술대회에 구성된 펌프 관련 특별세션^(30∼33)에서는 유연화 운전 대응 고효율 수차발전 시스템 기술개발에 대한 연구와 4차 산업시대의 기술발전과 펌프 기술의 결합을 보였는데, 펌프의 성능 예측을 디지털트윈 모델을 사용하여 계산 시간과 비용을 절감하고 잔여 수명 예측을 위한 시스템 구축 연구가 발표되었다.

3. 수차 분야 관련 연구

수차 분야에서는 수력발전기나 로터, 프란시스 수차의 구조적 건전성 및 성능 개선을 위한 연구가 진행되었다.

프란시스 수차^(34∼43)에 대해서는 형상 모델링에 따른 성능 분석 연구, 비정상 상태에서의 유동 특성 분석을 위한 수치해석적 연구와 내부의 공동 현상, 진동, 공명, 마찰과 같은 현상에 의한 성능 분석 연구 및 노후화된 수력설비의 성능을 대체하기 위한 분석 연구가 발표되었다. 프란시스 수차에 관한 연구는 이번 하계 및 동계 학술대회에 구성된 펌프 관련 특별세션 중 ‘유연화 운전 대응 고효율 수차발전 시스템 기술개발’ 세션에서 모두 발표되었고 이에 맞춰 노후화된 시설의 대체나 성능 최적화에 연구가 집중 수행되었다. 수력발전기^(44∼47)에 대해서는 실제 사용 중인 발전소 내부의 노후화된 시설의 이상 검출 및 분석과 성능 개선 연구가 발표되었다.

또한 CFD를 통한 횡류수차⁽⁴⁸⁾의 설계 방법론 제시와 성능개선 연구, 수차 터빈에 포함되는 수차 베어링^(49∼51)의 구조 및 해석 결과에 따른 성능 최적화 연구, 노후 수차^(52∼55)의 진동 통계를 이용한 관리 및 감시 시스템에 관한 연구, 모델링을 통한 성능 시험^(56∼57) 및 개선 방향성 제시에 관한 연구, 수력양수 발전소 주기기인 러너⁽⁵⁸⁾의 설계 및 성능 검증용 모델수차 설계에 관한 연구가 수행되었다.

한편, 하계 및 동계 학술대회의 수차 관련 특별세션을 통해서도 많은 연구가 발표되었다. 디지털 트윈^(59∼61)을 이용한 터빈의 가상 모델링 및 건전성 진단 시스템에 대한 연구가 발표되었다.

4. 펌프터빈 분야 관련 연구

펌프터빈 분야에서는 양수발전소 펌프터빈의 운전성능 향상 및 정비를 위한 리프팅 시스템⁽⁶²⁾ 최적설계, 임펠러 형상에 따른 펌프터빈 성능 분석⁽⁶³⁾과 양수발전의 미래와 전망⁽⁶⁴⁾에 대한 연구가 진행되었다.

이번 2023년 하계 및 동계 학술대회에서는 펌프터빈 관련 특별세션을 통해 연구가 발표되지 않았다.

5. PHM&디지털트윈 시스템 분야 관련 연구

PHM&디지털트윈 시스템 분야는 2023년 하계 및 동계 학술대회 특별 세션을 통해 발표되었고 노후된 시설의 유지보수를 위한 시스템이나 빅데이터를 정리하여 체계를 구축하는 연구가 진행되었다. 건전성 예측 및 관리인 PHM (Prognostics and Health Management)에 관한 연구로 상태기반 예지정비(CBM+)⁽⁶⁵⁾와 장비 맞춤형 신뢰성 향상 지원 체계 구축⁽⁶⁶⁾에 대한 연구가 발표되었다.

또한 디지털트윈 시스템 분야에서는 기계학습(Machine Learning)을 활용한 해석 기반 디지털트윈 성능 향상 연구⁽⁶⁷⁾가 발표되었다.

6. 결 론

2023년 한국유체기계학회 논문집과 한국유체기계학회 하계와 동계 및 학술대회에서 발표된 논문을 중심으로 2023년 펌프, 수차 그리고 펌프터빈 분야의 연구동향에 대해서 살펴보았다. 펌프 분야에서는 형상 변형에 따른 성능 향상에 관한 연구와 유체전산해석을 통한 내부 유동장 해석 및 분석 연구가 수행되었다. 수차분야에서는 수력발전소의 노후화된 수차 이상을 감지하는 시스템, 유연한 대체 방안, 프란시스 수차에 관한 성능 분석과 내부 유동장 분석 연구가 수행되었다. 펌프터빈 분야에서는 양수발전소 펌프터빈의 운전성능 향상 및 관련 주변 설비의 최적설계, 임펠러 형상에 따른 성능 분석 연구가 수행됨을 확인할 수 있었다. 2024년에도 펌프 및 수차 분야의 지속적인 발전을 이루기 위해 관련된 기초 및 심화 연구가 활발히 진행되어 우수한 연구성과가 발표되기를 기대한다.

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