CFD 및 직교시험을 기반으로 한 저속 원심펌프의 험프 현상 최적화 설계

Jul 26, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 12121(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

저속 원심펌프의 험프 현상을 제거하기 위해 전산유체역학 기법을 이용하여 구조변수를 최적화하였다. \(k - \varepsilon\) 난류 모델을 기반으로 내부 유동장의 3D 정상 해석이 수행되었습니다. \(L_{9} \left( {3^{4} } \right)\) 직교 테이블이 설정되었으며 임펠러 출구 직경, 임펠러 출구 폭, 블레이드 수 및 블레이드 출구 각도를 포함한 4개의 구조 매개변수가 설정되었습니다. , 을 영향요인으로 선정하였습니다. 9개의 직교 검정 기법을 개발하고 그 결과를 가중치 매트릭스 분석법을 통해 분석하여 검정 결과에 대한 선정된 요인의 가중치를 구하였다. 중량에 따라 최적의 방식이 선택되었으며 중량 매트릭스 분석 결과 임펠러 출구 폭이 헤드, 샤프트 출력 및 효율에 지배적인 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 또한 블레이드 수는 샤프트 출력과 효율성에 주요 영향을 미치는 요소였습니다. 원심 펌프 유량 제어 테스트 벤치는 수치 시뮬레이션을 수행하고 모든 프로토타입 및 최적화 펌프 지수를 테스트하기 위해 구축되었습니다. 외부특성 테스트를 통해 최적화된 펌프의 \(\beta_{2} Z^{0.773}\)가 87.889로 프로토타입 펌프에 비해 24.89% 낮아져 험프를 효과적으로 최적화하는 것을 알 수 있다. 원심펌프 현상. 실험 결과에 따르면 과소평가된 작업 조건에서 최적화된 펌프의 작업 성능이 크게 향상되었습니다. 헤드 크기는 1.424% 줄어들고 효율은 7.896% 향상됐다. 구조적 펌프 매개변수를 최적화함으로써 제트 후류 유압 손실이 감소하고 헤드 커브 험프 현상이 효과적으로 제거되었습니다. 최적화된 펌프의 모든 성능지수가 프로토타입보다 높게 나타나 직교시험과 중량행렬 해석방법의 정확성과 신뢰성을 모두 검증하였습니다. 마지막으로 얻은 결과는 고성능 원심펌프의 구조설계에 참고자료를 제공한다.

저비속도 원심펌프는 비속도가 20~80 사이인 원심펌프의 일종이다. 저유량, 고양정, 저용적을 특징으로 하며 생산 및 수명1에서 널리 사용되고 있다. 저속 원심펌프를 사용하면 저유량 조건에서 불안정한 험프 현상이 발생하기 쉽습니다. 결과적으로 진동과 소음이 증가하여 펌프 수명이 단축되고 작동 신뢰성이 저하됩니다. 현재 저속 원심펌프의 험프 현상 메커니즘은 명확하지 않으며, 헤드 곡선의 험프 현상을 설계에서 제거할 수 없습니다. 따라서 원심 펌프 작동 메커니즘을 연구하는 것 외에도 작동 성능을 향상시키기 위해 중요한 펌프 구조 매개변수를 최적화하는 것도 필요합니다.

오랫동안 낮은 비속력으로 원심 펌프 헤드 곡선의 험프 현상을 줄이고 제거하는 것이 원심 펌프 연구의 중요한 부분이 되었습니다. Zhang Desheng 등2은 10가지 설계 방식을 확립하고 저속 원심 펌프에 대한 수치 시뮬레이션 및 성능 예측을 수행했습니다. 저자는 펌프의 정압, 유선, 속도 및 난류 운동에너지의 분포를 얻고 내부 유동 특성을 개선했습니다. Zhang et al.3은 펌프-터빈의 전체 채널 수치 시뮬레이션을 수행하기 위해 SAS 난류 모델을 사용하여 펌프 흐름 구조 메커니즘이 험프 특성에 미치는 영향을 결정했습니다. Zhang Peifang 등4은 저속 원심펌프의 유압성능을 분석하여 헤드커브 험프 현상의 원인을 관찰하고 해결책을 제시하고자 하였다. Li et al.5는 3차원 상수 값 시뮬레이션 방정식을 사용하여 펌프 블레이드를 설계했습니다. 또한 임펠러 유동 특성을 분석하여 Hump Zone 모드에서의 펌프 에너지 방출 특성을 확인했습니다. Chen et al.6은 펌프 흡입 섹션에 두 개의 파티션을 추가하여 실험했습니다. 실험 결과는 제안된 방법이 IS 원심 펌프 성능 곡선을 효과적으로 개선하고 헤드 곡선 험프를 제거할 수 있음을 보여주었습니다.