Introduction

진공 펌프는 파이프 내부를 진공으로 만들어 유체를 이송시키는 장치로 산업 전반에 광범위하게 사용되고 있다. 그 중 오물 처리를 위해 사용되는 진공 펌프는 항공기나 선박 등 용수가 한정적인 시스템에 주로 설치된다. 진공펌프를 이용한 처리 방식을 적용함으로써 오물 처리 시 필요한 물의 양을 최소화할 수 있으며 진공상태로 오물을 이송하기 때문에 중력으로부터 자유롭게 설계할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 이러한 장점으로 인해 오물 처리용 진공펌프 시장은 꾸준히 성장하고 있으며 그에 따른 연구가 진행되었다.(1)

기존에 사용되던 오물 처리용 진공펌프 시스템은 Fig. 1의 (a)와 같이 진공펌프를 이용해 오물을 이송한 뒤 탱크 내부에서 오물을 파쇄 하여 배출 시키는 방식이었다. 이러한 방식은 저장용 탱크가 요구되어 시스템 부피가 커질 뿐 아니라 별도로 오물 배출을 위한 펌프가 설치되어 전체적인 시스템 비용이 비싸다는 단점을 가지고 있었다. 최근에는 Fig. 1의 (b)와 같이 파쇄기를 포함한 진공펌프를 이용하여 오물을 처리하는 시스템이 주로 사용되고 있다.(2) 이러한 일체형 방식은 오물 처리를 위한 탱크나 배출을 위한 별도의 펌프가 불필요하기 때문에 시스템의 부피가 매우 작고, 시스템의 설치비용이 매우 저렴하다는 장점이 있다.

일체형 진공펌프는 Fig. 2와 같이 펌프 임펠러 선단에 파쇄기가 부착되어 있다. 때문에 일반적인 펌프 시스템에 비해 펌프 임펠러로 유입되는 유동이 복잡해지게 된다. 이렇게 복잡한 유동 성분들은 펌프 성능 평가 시 불안정 요소로 작용하게 된다. 특히 수치해석을 이용한 성능평가 시 예측된 성능의 정확성에 대한 검증이 요구 되어왔다. 그에 따라 본 연구에서는 일체형 진공펌프 성능 예측을 위한 수치해석 검증 작업을 수행하였다. 연구 수행을 위하여 기존에 사용되고 있는 일체형 오물처리용 진공 펌프를 선정하였다. 선정된 진공 펌프에 대하여 파쇄기 회전 위치에 따른 유로를 분석하였으며 각각의 회전위치에 따라 수치해석을 통한 성능 평가 작업을 수행하였다. 최종적으로 수치해석을 통해 산출된 성능 평가 결과를 시험 데이터와 비교 분석하여 수치해석의 신뢰성을 검증하였다.

Fig. 1 
Vacuum pump system for waste treatment

Fig. 2 
Integrated macerator in vacuum pump

진공 펌프의 파쇄기는 Fig. 3과 같이 2개의 부분으로 구성이 된다. 파쇄기의 한 부분은 고정되어 있으며 다른 한 부분은 임펠러 축과 연결되어 회전함으로써 유입되는 오물을 파쇄 하는 역할을 한다. 이러한 파쇄과정에서 회전부의 회전 각도에 따라 유입 유로가 변하게 된다. 수치해석을 이용한 성능 평가 시 유입 유로 변동에 따른 정확한 성능 예측을 위해서는 비정상 상태 해석이 효과적이다. 하지만 비정상 상태 해석은 해석 시간이 길며 데이터 처리량이 많다는 단점을 가지고 있다. 또한 진공 펌프는 시스템 특성 상 내부 유로가 매우 복잡하기 때문에 비정상 상태 해석 수행 시 수렴성이나 성능 평가를 위한 데이터 처리에 문제점들이 수반된다. 반면에 정상 상태 해석을 수행할 경우 비정상 상태 해석에 비해 해석 시간이 길지 않아 해석에 대한 효율성이 뛰어나다. 그에 따라 본 연구에서는 정상 상태 수치해석을 통한 성능 평가를 수행하였다. 하지만 회전 시 유동 조건이 변하는 일체형 진공 펌프의 특성 상 정상 상태 해석 시 회전체의 회전 각도에 따라 성능의 차이가 발생할 가능성이 높다. 따라서 회전 각도에 따른 유로 분석 및 성능 검증이 요구되었다.

Fig. 3 
Integrated macerator

연구 수행을 위해 선정된 진공 펌프의 파쇄기는 고정부에 4개, 회전부에 5개의 홈을 가진다. 파쇄기 회전에 따른 파쇄부 유로의 변화를 알아보기 위하여 0^o부터 45^o 까지의 회전각을 5 등분하여 Fig. 4와 같이 0^o, 11.25^o, 22.5^o, 33.75^o, 45^o 의 회전 각도에 대한 파쇄부 모델링 작업을 수행하였다. 모델링 작업 시 상용 모델링 프로그램인 SoildWorks 2013을 사용하였다. 파쇄기에서 토출된 유동은 임펠러 입구로 유입되게 된다. 따라서 파쇄기의 유로가 변화함에 따라 임펠러로 유입되는 유동 특성이 달라지고 결과적으로 펌프 성능에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 변화 요소들 중에서도 가장 중요하게 다루어지는 것은 파쇄기의 토출 유로 면적이다. 토출 유로 면적이 달라질 경우 펌프로 유입되는 유동 속도가 변하게 되며 이러한 유속 변동은 임펠러로 유입되는 유동 각도를 변화시켜 펌프 효율 등에 매우 큰 영향을 미치게 된다. 그렇기 때문에 정확한 성능 예측을 위해 먼저 생성된 모델링을 바탕으로 회전 각도에 따른 파쇄부 토출 유로 면적을 분석해 보았다. Fig. 5의 결과를 통해 회전 각도에 따른 파쇄부 토출 면적이 균일함을 확인할 수 있었다. 이러한 토출 유로 면적의 균일성은 임펠러 유입 유속을 균일하게 하기 위한 설계 경향으로 판단된다.

Fig. 4 
Area of flow path of front plane at each degrees

Fig. 5 
Total area of flow path at each degrees

본 연구를 통하여 수치해석을 이용한 일체형 진공펌프 성능 평가 작업을 수행하였다.

성능 평가를 위한 수치해석 수행 시 내부 유동 조건이 변하는 시스템 특성상 비정상 상태 해석을 수행하는 것이 효과적이지만 복잡한 유동 성분을 수반하는 일체형 진공 펌프는 비정상 상태 해석에 한계가 있었다. 그에 따라 정상 상태 수치해석을 이용한 성능 평가 작업을 수행하였다.

정확한 성능 분석을 위해 회전 각도에 따른 파쇄부 유로 형상 변화를 분석하였다. 그 결과 회전 각도에 따라 파쇄부 유로의 형상에는 차이가 있으나 유로 단면적은 균일하게 유지되는 것을 확인하였다. 각 회전 각도별 정상 상태 수치해석을 수행한 결과 회전 각도에 따른 성능 차이 또한 크지 않았다. 유로 단면적 변화가 작을 경우 유로 변동이 펌프 성능에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.

추가적으로 시험 결과와의 비교분석을 통해 정상 상태 수치해석을 이용한 성능 평가 결과의 신뢰도가 매우 높은 것을 확인할 수 있었다.

이러한 결과를 종합해 볼 때 일체형 진공 펌프 성능평가 시 단면적이 균일하게 유지되는 경우 정상 상태 수치 해석으로도 정확한 평가가 가능할 것으로 사료된다.