Introduction

Fig. 1은 일반적인 재생 펌프의 형상 구조를 나타낸 것으로써 반경형 날개(b)의 임펠러(a)와 사이드 채널(d)을 형성하는 케이싱(c)으로 비교적 간단하게 구성되어 있다. 또한 케이싱에는 흡입구(f)와 출구(g)의 사이를 막아 구분해 주는 스트리퍼(e)가 존재한다. 본 연구에서 사용한 재생 펌프의 주요 형상 제원은 Fig. 2에 정의된 변수에 대하여 Table 1에 기술하였다. 임펠러의 끝단 반경은 85mm이며, 임펠러는 높이 21.2mm, 폭 11mm, 두께 2mm인 45개의 날개를 갖고 있다. 또한 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 안정적인 축 추력의 균형을 위해 임펠러는 양쪽 흡입 형태로 설계되었다.

Fig. 3 
Experimental test rig arrangement

성능 실험을 위한 장치는 Fig. 3과 같은 형태로 구성하였다. 작동유체를 물로 선정하여 실험을 수행하였으며 시험 루프는 폐회로를 구성하였다. 유량을 조절하기 위하여 펌프의 출구에 유량 밸브를 설치하였으며, 밸브 앞쪽에 설치한 터빈 유량계를 이용하여 유량을 측정하였다. 펌프의 회전수는 인버터 제어를 통해 1000rpm으로 일정하게 유지시키고 유도 전동기에 의해 구동하였다. 재생 펌프의 효율을 계산하기 위해 필요한 입력 토크는 펌프와 전동기 사이에 설치한 토크미터를 통해 측정하였으며, 회전 각속도는 근접각 센서를 이용하여 측정하였다. 펌프 입구의 압력 및 펌프 차압의 측정은 절대 압력계 및 차압계 트랜스미터를 이용하였으며, 펌프 입구 및 출구에서의 온도는 K-타입의 열전대를 통해 측정하였다. 모든 측정 데이터는 데이터 수집 시스템(DAS)를 이용하여 기록하였다. 압력은 1% 미만의 측정 오차를 갖고 있으며, 온도 측정값은 ±0.05℃의 불확실성을 나타낸다. 유량 측정 값의 불확실성은 ±0.5% 이며, 토크미터를 통해 측정되는 펌프의 구동력은 0.3% 내의 정확도를 갖는다. 실험을 통해 측정된 데이터는 재현성 테스트 및 민감도 분석을 통해 검증하였다.

본 연구에서는 Table 1에 나타낸 바와 같이 직선 반경형 날개(δ_s = δ_t = 0°)의 임펠러를 기본 형상으로 전향 날개(δ_t = 15°, 30°, 45°, δ_s = 0°)와 후향 날개(δ_t = -15°, -30°, -45°, δ_s = 0°) 및 전곡 날개(δ_s = 15°, 30°, 45°, δ_t = 0°)를 포함하여 총 10개의 임펠러에 대한 성능 실험을 수행하였다. 전곡 경사각은 δ_s로 날개의 측면이 축 방향을 기준으로 경사진 각도로 정의 하였으며, 전향 및 후향 날개각은 δ_t로 임펠러 끝단이 반경 방향을 기준으로 회전 방향으로 경사진 각도로 Fig. 4와 같이 정의 하였다. 모든 임펠러 형상에 대하여 유량 조절 밸브를 완전히 열어 실험 장치의 전체적인 시스템 저항에 따른 최대 유량 계수를 얻은 후 유량을 줄여가며 양정 및 온도를 측정하였다. 후향 날개의 임펠러에 대한 성능 실험은 전향 날개의 임펠러를 회전 방향의 반대로 바꾸어 설치하고 실험을 수행하였다. 모든 임펠러 형상에 대하여 성능 실험 결과를 비교하기 위하여 각 형상에 대한 성능 실험은 모두 유사한 조건에서 이루어 질 수 있도록 하였다. 전동기의 회전수는 1000rpm으로 고정하고, 펌프로 유입되는 유체의 압력과 온도는 1bar 및 20℃로 유지하며 실험을 수행하고 그에 따른 성능 데이터를 얻었다.

Fig. 4 
Definition of blade and chevron angles

성능 실험을 통해 측정된 재생 펌프의 성능 특성은 식 (1)과 식(2)와 같이 정의된 무차원 유량 계수 ø 및 무차원 양정 계수 ψ로 나타낼 수 있다. 여기서 Q_s는 강체 회전 유량을 의미하여 사이드 채널 면적인 A_c와 그 채널을 통해 흐르는 유체의 강체 회전 속도 U_g = ωr_g,c의 곱으로 정의할 수 있다. 재생 펌프의 수력학적 효율 η는 전동기의 기계동력과 임펠러에 의해 작동 유체로 전달되는 수동력의 비로 정의된다. 또한 무차원 동력 계수는 식 (3)과 같이 나타내었다.

Fig. 5는 성능 실험을 통해 측정된 양정 계수를 유량이 0일 때의 차단 양정 계수(ψ₀)로 정규화한 펌프 특성 곡선(ψ/ψ₀ vs. ø)을 나타낸 것이다. 대부분의 임펠러 형상에 대한 본 연구의 실험 결과 최대 유량 계수는 0.8 근처에서 존재하는 것을 볼 수 있다. 또한 날개의 형상에 따라 유사한 성능 곡선의 유형을 보이며 크게 3가지 유형의 곡선 형태로 구분하여 실선으로 대표적인 곡선을 나타내었다. 전향 날개의 임펠러에 대한 재생 펌프의 성능은 유량이 증가할수록 볼록한 곡선의 유형을 나타내며 감소한다. 반면에 상대적으로 경사각이 큰 후향 날개의 성능은 유량이 증가할수록 오목하게 감소하는 곡선의 형태를 보인다. 전곡 날개의 성능 곡선은 후향 날개의 성능 곡선과 매우 유사한 형태로 오목한 성능 곡선을 그린다. 즉, 후향 및 전곡 날개의 재생 펌프는 유량이 감소함에 따라 성능이 민감하게 변하는 것을 의미하며, 이는 곧 펌프의 성능 곡선 기울기가 가파른 것으로 펌프 작동에 있어서 안정적이라고 할 수 있다. 직선 반경형 날개에 대한 성능 곡선은 볼록한 형태의 전향 날개의 성능 곡선과 오목한 형태의 경사각이 큰 후향 날개 및 전곡 날개의 성능 곡선의 중간 성격을 띤 스플라인 곡선의 형태로 나타난다. 또한 15° 후향 날개의 성능 곡선은 스플라인 곡선의 형태인 직선 반경형 성능 곡선과 경사각이 큰 후향 날개의 성능 곡선의 형태인 오목한 성능 곡선의 중간적인 성격을 보인다. 이는 스플라인 곡선으로 나타나는 직선 반경형 날개에서 후향으로 임펠러 끝단의 경사각이 커질수록 오목한 성능 곡선의 형태로 변형되는 것으로 생각할 수 있다.

Fig. 5 
Normalized head coefficient curves for all impellers

Fig. 6 
Head coefficients variations according to chevron angle at ø = 0, 0.2, 0.5, and 0.7

Fig. 7 
Comparisons of head coefficients between forward and backward with radial blade at ø = 0, 0.2, 0.5, and 0.7.

Fig. 6, 7은 차단 유량(ø = 0)을 포함하여 유량 계수 0.2, 0.5, 0.7 에서의 각 임펠러 형상에 대한 양정 계수를 나타낸 것이다. 모든 임펠러 형상의 재생 펌프는 유량이 감소할수록 양정이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한 모든 유량 범위에서 전곡 날개의 성능이 상대적으로 다른 형태의 임펠러에 비해 높게 나타나고 있으며, 특히 Fig. 6에서 볼 수 있듯이 저유량 구간(ø < 0.5)에서 성능 향상이 급격히 이루어진다. 전곡 날개는 재생 펌프의 순환 유동이 날개 영역으로 유입되는 날개의 측면이 회전 방향으로 경사져 있기 때문에 다른 형태의 날개에 비해 입사 손실이 크게 감소하는 효과를 가져와 결과적으로 높은 양정을 얻을 수 있다. 또한 입사 손실은 날개의 유동 입구에서 날개의 회전 속도와 유동의 접선 속도의 차이의 제곱에 비례하기 때문에 저유량 영역에서 더욱 크게 발생한다. 이로 인해 저유량 영역에서 전곡 날개에 의한 성능 향상이 급격하게 나타나는 것으로 생각할 수 있다. Fig. 6에서 전곡 날개의 양정 계수는 전 유량 범위에서 직선 반경형 날개를 기준으로 경사각이 커짐에 따라 증가하다가 감소하는 경향을 보인다. 본 실험 연구에서는 30° 전곡 날개의 성능이 가장 높게 나타났다. 이는 최대 수두 상승을 위한 최적의 전곡 날개의 경사각이 존재한다는 것을 의미한다.

Fig. 7은 전향 및 후향 날개의 경사각에 대하여 유량 별 양정 계수 결과를 비교한 것이다. 전향 및 후향 날개의 펌프 성능은 전반적으로 모든 유량 범위에서 직선 반경형 날개를 기준으로 경사각이 커질수록 감소한다. 일반적으로 전향 날개의 끝단 접선 속도는 직선 반경형에 비해 커지면서 오일러 양정이 증가한다. 그러나 임펠러 회전 방향으로 유동의 접선 속도가 증가하면서 펌프의 입구에서 출구로 진행하면서 반복적으로 날개를 통과하며 압력의 상승을 가져오는 나선형 구조의 순환 유동이 직선 반경형 임펠러에 비해 상대적으로 작게 형성된다.(10) 이는 날개 영역과 채널의 유동 사이의 운동량 교환 량의 감소를 의미하고 결과적으로 직선 반경형 임펠러의 압력 수두보다 감소하게 된다. 그러나 Fig. 7에서와 같이 고유량(ø = 0.7)에서는 15° 전향 날개의 펌프 성능이 직선 반경형 날개의 성능보다 높으며, 경사각이 커짐에 따라 다시 성능이 감소한다. 반면에 저유량 영역(ø < 0.5)에서는 15° 후향 날개의 펌프 성능이 직선 반경형 날개의 성능보다 높으며, 경사각이 커짐에 따라 다시 성능이 감소한다. 일반적으로 후향 날개의 경우 임펠러 끝단의 출구에서 유동의 접선 속도가 전향 날개와 반대로 감소하게 된다. 이에 따라 후향 날개의 오일러 양정이 줄어들면서 펌프 성능이 상대적으로 감소하는 것으로 생각할 수 있다. 그러나 위와 같이 전향 및 후향 날개의 경사각의 크기에 따른 펌프 성능의 변화 추세는 유량에 따라 다르며 일관적이지 않게 나타나고 있다. 각 유량 별 최고 양정의 날개 끝단 경사각의 변화 추세를 파선(Maximum head line)으로 Fig. 7에 나타내었다. 이것은 날개 각도에 따라 오일러 양정 및 순환 유동 구조가 복합적으로 변하며 재생 펌프의 압력 상승 메커니즘에 변화를 주기 때문인 것으로 생각된다.

Fig. 8은 모든 임펠러에 대한 유량에 따른 성능 실험으로 측정된 수력학적 효율을 실선으로 표시한 일반적인 재생 펌프의 이상적인 효율 곡선과(2) 함께 나타내었다. 전반적으로 직선 반경형 임펠러의 효율이 전 유량 범위에서 다른 형상의 날개에 비해 높은 결과를 보인다. 직선 반경형 날개의 최고 효율점은 유량 계수가 0.63인 지점이며, 약 47%에 이른다.

Fig. 8(a)는 3가지 경사각에 대한 전향 날개와 직선 반경형 날개의 효율을 비교한 것이다. 전향 날개의 효율은 경사각이 커질수록 조금씩 감소하는데, 특히 경사각이 45°가 되면 최고 효율이 직선 반경형 날개에 비해 약 10% 이상 크게 감소한다.

Fig. 8(b)은 후향 날개에 대한 유량 별 효율을 나타낸 것으로, 경사각이 커질수록 전 유량 범위에 대해서 점차적으로 감소하는 경향이 전향 날개에 비해 분명하게 나타나고 있다. 또한 후향 날개의 경사각이 커질수록 최대 유량 계수와 함께 최고 효율점도 감소하면서 저유량 쪽으로 이동하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 8 
Comparisons of efficiency curves between (a) forward, (b) backward, (c) chevron and radial blade.

각 경사각에 대한 전곡 날개의 유량 별 효율 곡선은 Fig. 8(c)에 직선 반경형 임펠러의 결과와 함께 나타내었다. 전곡 날개의 효율 곡선은 전향 및 후향 날개의 경사각 변화에 따른 효율 변화 추세와 다르게 경사각의 크기에 따라 민감하게 변하지 않고, 직선 반경형 날개의 효율과 거의 같은 결과를 보인다. 전곡 날개는 직선 반경형 날개에 비해 입사 손실의 감소 효과를 통해 높은 양정을 얻을 수 있는 반면, 이에 따른 축 동력 또한 증가하며 스트리퍼 및 디스크 누설 유량과 함께 임펠러 디스크 마찰 등의 증가로 인해 효율 면에서 큰 효과가 나타나지 못한 것으로 여겨진다. 최고 효율점 이상인 고유량 영역(ø > 0.63)에서 45° 전곡 날개와 같이 경사각이 큰 경우에는 직선 반경형 날개의 효율 대비 약 4% 정도 낮은 효율을 보인다.