원심식 볼류트 펌프의 임펠러와 볼류트 간극에 따른 출력, 효율, 소음 특성 연구

김현범(Hyun-beom Kim),김경엽(Kyung-yub Kim),박종원(Jong-won Park) 한국자동차공학회 2022 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2022 No.11

본 연구는 전기자동차의 파워일렉트릭 부품 냉각용 전동식 워터펌프를 다루고 있으며, 전동식 워터펌프의 임펠러와 볼류트 사이의 간극 증감이 펌프의 출력, 효율, 소음, 작동 특성에 미치는 영향을 시험을 통해 분석하였다. 임펠러와 볼류트 사이의 간극 증감에 따라 펌프의 효율 감소에 의해 펌프 출력이 감소할 때, 동일한 펌프 출력을 얻기 위한 임펠러 회전속도를 설정하고, 동일 출력 조건에서의 소음 특성을 실험적으로 고찰하였다. 본 연구의 결과는 임펠러와 볼류트 사이 간극의 설계 변수를 조정하여 목표 효율, 목표 출력, 목표 소음을 만족하기 위한 펌프를 설계하고자 할 때, 펌프 설계 참조 데이터 및 설계방안으로 활용될 수 있다. This study examined effects of the operating characteristics and noise of a centrifugal volute pump for thermal management system of power electric of electric vehicle on the design factor by radial axis tip clearance of impeller with volute. The tip clearance increase and pump operating efficiency is inverse proportional. When the pump output decrease under the lower efficiency, the impeller rotating speed is settled to the higher speed for get the same pump output. The result of the relationship between the tip clearance and the noise were studied through actual noise test.

유체점성이 원심형 터보펌프 효율에 미치는 영향에 관한 실험적 연구

김진선(Jin-Sun Kim),김대진(Dae-Jin Kim),왕승원(Seung-Won Wang),최창호(Chang-Ho Choi),김진한(Jinhan Kim),고영성(Youngsung Ko) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.5

액체로켓엔진에 적용되는 원심형 터보펌프에 대한 효율특성을 실험적으로 고찰하였다. 펌프단품에 대한 시험결과를 토대로 터보펌프 조립체에 대한 펌프의 성능을 예측하면서 시험매질에 따른 펌프의 효율특성에 대한 변화를 분석하였다. 본 연구에서는 펌프의 성능특성을 분석하기 위해 3종의 펌프가 시험에 사용되었다. 펌프에 적용된 작동유체로 단품시험을 위해서는 상온의 청수와 액체질소, 터보펌프 조립체 시험에서는 케로신과 액체산소가 적용되었다. 설계점과 탈설계점 영역을 포함하는 전반적인 작동조건에 대하여 펌프의 효율특성을 파악하였고, 극저온 환경에서 유체점성에 의한 효과로 효율변화에 대한 경향성을 확인하여 보정된 펌프효율을 구할 수 있었다. Efficiency characteristics of centrifugal turbopumps for a liquid rocket engine were investigated. Predicting performance of pumps for a turbopump assembly test the change of pump efficiency with working fluids was analyzed from pump component test. In this study, three pumps were used for the analysis of pump performance. Water and liquid nitrogen(LN2) for the component test, kerosene(Jet A-1) and liquid oxygen(LOX) for the turbopump assembly(TPU) test were adapted as working fluids. Overall performance of the pumps was investigated for design/off-design operating points and the modified pump efficiency by the viscosity effect of cryogenic fluids could be obtained.

임펠러 및 플로팅 링 실이 원심 펌프의 성능에 미치는 영향

김대진(Dae-Jin Kim),최창호(Chang-Ho Choi),홍순삼(Soon-Sam Hong),김진한(Jinhan Kim) 대한기계학회 2011 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2011 No.4

임펠러 및 플로팅 링 실의 형상이 원심 펌프의 성능에 미치는 영향을 수류 시험 결과를 토대로 연구하였다. 연구 대상이 된 펌프는 30 톤급 및 75 톤급 액체로켓엔진용으로 개발된 단단 원심형 펌프로 연소실에 추진제(액체산소, 케로신)를 공급하는 터보펌프의 일부이다. 펌프의 양정은 임펠러 출구 폭 및 날개 개수, 날개의 출구 각도의 영향을 받는 것으로 나타났다. 또한 개발된 펌프는 플로팅 링 실의 간극에 따라 그 효율에 차이가 있었으며, 크기 증가에 따른 효율 증가 효과는 크게 나타나지 않았다. Effects of an impeller and floating ring seals on the performance of centrifugal pumps are investigated based on their test results using water. The pumps are single-staged centrifugal pumps developed for 30-ton and 75-ton class liquid rocket engines and the components of a turbopump which supplies propellants(liquid oxidizer and kerosene) to a combustion chamber. The exit width of the impellers and the numbers and the exit angle of the impeller blade are found to have influences on the head of the pumps. Also. the pumps have different efficiency according to the gaps of the floating ring seals and the pump size seems to have a less effect on the efficiency.

임펠러 및 플로팅 링 실이 원심 펌프의 성능에 미치는 영향

김대진(Dae-Jin Kim),최창호(Chang-Ho Choi),홍순삼(Soon-Sam Hong),김진한(Jinhan Kim) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.10

임펠러 및 플로팅 링 실의 형상이 원심 펌프의 성능에 미치는 영향을 수류 시험 결과를 토대로 연구하였다. 연구 대상이 된 펌프는 30 톤급 및 75 톤급 액체로켓엔진용으로 개발된 단단 원심형 펌프로 연소실에 추진제(액체산소, 케로신)를 공급하는 터보펌프의 일부이다. 펌프의 양정은 임펠러 출구 폭 및 날개 개수, 날개의 출구 각도의 영향을 받는 것으로 나타났다. 또한 개발된 펌프는 플로팅 링 실의 간극에 따라 그 효율에 차이가 있었으며, 크기 증가에 따른 효율 증가 효과는 크게 나타나지 않았다. The effects of an impeller and floating ring seals on the performance of centrifugal pumps are investigated on the basis of their test results using water. The pumps are single-staged centrifugal pumps developed for 30-ton- and 75-ton-class liquid rocket engines, and are components of a turbopump that supplies propellants (liquid oxidizer and kerosene) to the combustion chamber. The exit width of the impellers and the numbers and exit angles of the impeller blades are found to have influences on the pump heads. In addition, the pumps have different efficiencies according to the gaps between the floating ring seals and the impellers, whereas the pump size seems to have less effect on the efficiency.

고성능 저소음 원심펌프 개발을 위한 임펠러 익형 최적설계

송영욱,유서윤,정철웅,김태훈,구준효 한국음향학회 2023 韓國音響學會誌 Vol.42 No.6

본 논문에서는 식기 세척기 내 원심펌프를 대상으로 수치적/실험적 연구를 통해 최적 설계를 수행하였으며유량 및 소음 성능을 개선하고자 하였다. 먼저 대상 원심펌프의 특성을 실험적으로 분석하기 위해 펌프 성능시험기를통한 유량 실험과 반 무향실에서의 소음 실험을 진행하였다. 원심펌프 회전에 따른 내부 유동 및 유동 소음 성능을 수치적으로 모사하기 위해 전산유체역학 기반의 Reynolds Averaged Navier-Stokes(RANS) 방정식과 Ffowcs Williams and Hawkings 방정식을 지배 방정식으로 수치해석을 수행하였다. 실험 결과와의 비교를 통해 수치 기법의 유효성을검증하였으며, 검증된 수치 기법을 활용하여 원심펌프 내 임펠러 형상에 대한 최적 설계를 수행하였다. 수치 기법의활용을 통해 최적 설계된 임펠러의 개선된 유량 성능을 수치적으로 확인하였으며, 유동장 분석을 통해 임펠러 형상 각도 변화에 따른 유동 특성 변화 및 개선을 확인하였다. 또한, 시제품 제작 및 실험을 통해 개선 유량 성능을 검증하였으며, 팬 법칙에 의거하여 동일 유량에서 소음 수준이 감소함을 확인하였다. The aim of this study was to enhance the flow rate and noise performance of a centrifugal pump in dishwashers by designing an optimized impeller shape through numerical and experimental investigations. To evaluate the performance of the target centrifugal pump, experiment was conducted using a pump performance tester and noise experiment was carried out in a semi-anechoic chamber with microphones and a reflecting wall behind the dishwasher. Through the use of advanced computational fluid dynamics techniques, numerical simulations were performed to analyze the flow and aeroacoustics performance of our target centrifugal pump impeller. To achieve this, numerical simulations were carried out using the Reynolds-Average Navier-Stokes equations and Ffowcs-Willliams and Hawkings equations as governing equations. In order to ensure the validity of numerical methods, a thorough comparison of numerical results with experimental results. After having confirmed the reliability of the current numerical method of this study, the optimization of the target centrifugal pump impeller was conducted. An improvement in flow rate was confirmed numerically, and a manufactured proto-type of the optimized model was used for experimental investigation. Furthermore, it was observed that by applying the fan law, we could effectively reduce noise levels without reducing the flow rate.

원유의 생산증진을 위한 효율적인 펌프종류, 장단점, 설계에 관한 조사

임준석,손채훈,김덕수,구영하,전상규,배위섭 한국자원공학회 2009 한국자원공학회지 Vol.46 No.6

원유 생산에 사용되는 펌프들은 펌프잭(pump jack), 모노펌프(PCP; progressive cavity pump), 수중모터펌프(ESP; electrical submersible pump), 분사펌프(jet pump) 등이 있다. 본 해설 논문에서는 각 펌프의 구동원리와 장단점을 조사하였다. 이들 펌프 중 고유량에 적합한 수중모터펌프의 핵심요소인 임펠러의 설계 사례를 보여주었다. 설계한 임펠러의 형상을 가지고 수치해석을 수행하여 임펠러 주위의 압력장, 속도장 등을 구하고 설계한 임펠러 형상의 적합성을 검토하였다. 또한, 현재 주요 원유 생산 현장에서 사용되고 있는 원유 생산 펌프들의 사양을 조사하여 제시하였다. Pump jack, progressive cavity pump, electrical submersible pump, and jet pump are widely used for petroleum production. In this paper, working principles and characteristics of the pumps are summarized. Among them, the electrical submersible pump is suitable for large mass flow rates. Pump impeller is one of the most important elements in centrifugal pump and it has been designed through the empirical method. Empirically designed elements are numerically analyzed using CFD method. From the numerical results, pressure and velocity fields are investigated and thereby, the empirically designed elements are improved if necessary. An example of impeller design is presented in detail. Performances of major petroleum production pumps adopted at production fields are also presented.

폐수 이송용 원심펌프의 성능해석에서 표면 거칠기의 영향

윤정의(Jeong-Eui Yun),김주호(Joo-Ho Kim) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集B Vol.38 No.2

본 연구는 폐수처리용 원심 펌프 설계과정에서 수행하는 3차원 유동해석에 있어서 표면 거칠기를 고려한 해석 결과와 고려하지 않은 해석 결과가 성능 예측에 미치는 영향을 살펴보고자 수행하였다. 이를 위해 비교적 기하학적 형상이 복잡한 폐수처리용 원심펌프의 표면 거칠기 변화가 유동 해석 결과에 미치는 영향을 평가하였다. 그리고 실제 해석 대상 펌프를 사용한 실험 결과 값과 해석 결과 값을 서로 비교 해봄으로써 표면 거칠기를 고려한 펌프의 해석 값과 고려하지 않은 해석 결과 값 차이에 대한 정량적인 분석을 제시하였다. 그 결과, 해석 시 표면 거칠기를 고려한 해석결과는 실험결과와 잘 일치하는 함을 보였으며, 표면 거칠기는 펌프의 성능해석에 약 7% 범위에서 영향을 준다는 것을 확인할 수 있었다. This study was performed to evaluate the effect of surface roughness on pump performance. To this end this, using commercial codes, ANSYS CFX and BladeGen, we simulated pump performance in terms of efficiency, head and shaft power, both with and without surface roughness. Finally simulation and experiment results were compared for a quantitative analysis. The results of this comparison showed that surface roughness led to an about 7% reduction in pump efficiency.

대형 수열원 히트펌프 국내 설치 사례

김진성(Jinsung Kim) 대한설비공학회 2011 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2011 No.7

In the present study, a brief introduction is described aboutlarge-capacity heat pump system using centrifugal compressors. Some general issues aboutcentrifugal heat pump system are also investigated. Most of installed heat pump systems in Korea are small air-to-air heat pumps that use scroll compressors. There has been relatively small attention for larger systems ranging 1~10 Gcal/hr, due to very high initial cost and lack of reference. Recently, large-scale water-source heat pump systems are developed by LG Electronics and installed in two domestic power plantsoperated by GS power. Each heat pump unit can supply 9 Gcal/hr heat while it utilizes disposed heat from the cooling water circuit of power plant. Energy saving up to 1.7 billion KRW and CO2 reduction of about 9,740 ton are expected with these two heat pump units. With this successful reference, it is expected that many other large-capacity centrifugal heat pump systems will be installed in the applications such as district energy, sewage water energy recovery, and natural water source heating.

2차원 Cascade에 의한 연료펌프의 공동발생 해석

타이쿠앙나(Thai Quangnha),이창진(Changjin Lee) 한국항공우주학회 2009 韓國航空宇宙學會誌 Vol.37 No.5

원심형 연료펌프의 공동발생 특성을 해석하기 위하여 2차원 cascade 모델링을 적용한 수치 해석 코드를 개발하였다. 해석 코드의 해석 능력에 대한 타당성을 검증한 후, 원심형 펌프의 임펠러 블레이드 주위 유동에 대한 공동 발생을 예측하였다. 본 연구에서 사용한 원심형 연료 펌프의 작동 조건에서는 공동이 발생하지 않는 것을 확인 하였다. 그러나 펌프의 회전속도가 설계점 조건보다 높은 작동점 이외의 영역에서는 공동이 발생할 가능성이 있다. 작동유체의 온도가 낮아지면 공동 발생의 위험이 감소 하지만 온도가 높아지면 작동 영역을 조금 벗어난 입구 유속에서도 공동이 발생할 수 있음을 알았다. A CFD code was developed to investigate the inception of cavitation around impeller blades of centrifugal fuel pump using two dimensional cascade modeling. With the verification test for numerical validity of the developed code, the prediction of the onset of cavitation was made for the configuration of a newly designed KHP fuel pump. The calculation results show impeller design was free of cavitation if the pump operates within the operational temperature and rotational speed range. However, the cavitation would be relatively easy to occur at off design region of fuel pump where the rotational speed is higher than design limit. Specially, the onset of cavitation is sensitively dependent on the increase in fuel temperature while the decrease in temperature will reduce the possibility of cavitation inception in the pump.

전산 유동 해석을 활용한 마그네틱 드라이브 원심 펌프 효율 및 축 추력 관점에서의 밸런싱 홀 설계

김원식(Won Sik Kim),윤정의(Jeong Eui Yun) 대한기계학회 2020 大韓機械學會論文集B Vol.44 No.11

본 연구에서는 마그네틱 드라이브 원심 펌프의 축 추력 제어를 위해 적용되는 밸런싱 홀의 설계에 대한 전산 유동 해석을 수행하였다. 마그네틱 드라이브 펌프는 누설이 없는 밀폐 구조를 가지며, 이러한 구조적 특징에 의해 밸런싱 홀 적용 시 생성되는 유로가 기존의 펌프에 비해 매우 길다. 이로 인해 밸런싱 홀이 펌프의 성능에 끼치는 영향이 크므로 밸런싱 홀의 적절한 설계가 매우 중요하다. 이러한 이유로 본 연구에서는 펌프 효율 최대화 및 축 추력 최소화를 위한 밸런싱 홀 설계 파라미터로 밸런싱 홀 직경과 적용 각도를 고려하였다. 이러한 일련의 연구 결과, 밸런싱 홀의 직경과 적용 각도는 펌프 성능과 직결되는 매우 중요한 설계 변수임을 확인하였다. In this study, CFD analysis was conducted on a balancing hole design to reduce the axial thrust of a magnetic drive centrifugal pump. A magnetic drive pump has a leak-tight seal structure, and owing to this structural feature, the flow path generated when a balancing hole is employed is very long. Consequently, the balancing hole has a significant influence on the performance of the pump; therefore, its appropriate design is very important. Therefore, this study considered the balancing hole diameter and the application angle as the balancing hole design parameters for maximizing the pump efficiency and minimizing the axial thrust. Based on this study, it was confirmed that the diameter and the application angle of a balancing hole are very important design variables that are directly related to the performance of a magnetic drive centrifugal pump.