DOE와 CFD를 사용한 원심펌프 임펠러 최적설계

Abstract

원심펌프(centrifugal pump)는 외부로부터 동력을 받아 회전하는 임펠러(impeller)를 통하여 기계적 에너지를 유체의 압력 및 운동에너지로 변환하는 대표적인 원심형 기계중의 하나인 유체 기계이다. 원심펌프의 성능에 많은 영향을 주는 임펠러의 형상을 나타내기 위해서는 날개의 기본형상을 표현하는 자오면(meridional view)과 날개 각도를 표현하는 전면(front view)에 대한 정보가 있어야 한다. 임펠러의 자오면과 전면에 대한 고전적 설계에 있어서, 펌프의 요구사양이 주어지면 기본적인 펌프이론에 의해 경험적인 측면에서 많이 접근하여 자오면과 전면의 설계에 필요한 변수가 정해진다. 자오면은 날개의 입/출구 직경 및 허브(hub)와 쉬라우드(shroud) 형상을 표현하고 있기 때문에 임펠러 설계에 있어 가장 기본이 되는 설계변수이다. 그런데 기존의 자오면 설계는 경험적인 측면에 의존하여 날개의 입/출구 직경 및 허브와 쉬라우드의 형상을 정의하고, 아크(Arc) 곡선 등을 이용하여 입/출구를 부드럽게 연결하는 방법으로 이루어진다. 날개 형상을 설계할 때, 날개의 입구각도와 출구각도는 주어진 자오면 형상에서 펌프설계 이론에 의한 입/출구 유동각도에 의해 주로 결정되며, 날개길이와 관련이 있는 스윕각도(sweep angle)의 경우는 입/출구각도가 정해지면 이를 부드럽게 연결하는 방법으로 설계를 하기 때문에 임펠러 설계의 중요한 변수라기보다 결정되는 값에 주로 포함된다. 또한 임펠러 형상은 자오면과 전면의 정보를 이용하여 임펠러의 입/출구각도와 날개길이를 쉽게 나타내는 날개전개도(vane plane development)로 표현이 가능하다. 본 논문에서는 임펠러의 설계변수가 원심펌프 성능에 미치는 영향을 알아보기 위해, 임펠러(자오면, 날개전개도)변수를 정의하였고, 변수의 변화에 따른 성능변화를 체계적으로 분석하여 변수의 중요도를 파악하였다. 원심펌프 성능에 영향을 미치는 임펠러 변수를 효과적으로 분석하기위해 2^(k)요인실험(factorial designs)을 이용하였으며, 각 형상 변화에 의한 성능변화 경향은 실제 제작하여 실험하는 대신에 수치해석 결과를 통해 알아보았다. 또한 자오면을 고정한 상태에서 2^(k)요인실험을 통해, 도출된 주요 날개전개도 변수에 대하여 반응표면기법(response surface method)을 이용하여 임펠러 성능 최적화 연구를 수행하였다.; A centrifugal pump is a centrifugal fluid-machine that can transform mechanical energy into fluid-pressure and kinetic energy through an impeller that is rotated by external power. In order to determine the shape variables for the best performance in a centrifugal pump, it is necessary to have meridional and front-view data describing the basic shape and blade-angles of the impeller. The classical method for obtaining such data is based on the basic pump-theory. The most basic design parameters on designing impeller can be obtained from the meridional view since it describes the diameter of in and outlet of the blade as well as the shape of the hub and shroud. The existing design of meridional view defines the diameter of blade's in/outlet, the shape of the hub and shroud depending on the empirical aspect. And it is done by connecting in and outlet smoothly using Arc curve. Inlet blade-angle and exit blade-angle are usually determined by the fluid angle of the inlet and outlet, according to meridional parameters. The sweep angle, which is related to the blade-length, is a dependent variable and not an important design parameter of the impeller, if a smooth blade-angle distribution is employed. From the combination of meridional-view and front-view data, the shape of impeller can be described by a method named vane plane development, and the length and the angle of the blade at the impeller inlet and exit can readily be derived from the vane plane development. In this study, we defined the parameter of impeller. The importance of parameters was figured out systematically through the analyzing process on the effect of design parameters on the performance of the pump. The 2^(k)factorial designs have been used in order to analyze effectively the effect of the parameters of impeller which affect the performance of centrifugal pump. The numerical analysis with commercial CFD code, instead of actual experiment, was used to analyze the performance variations of each impeller shape at the 2^(k)factorial design set. The parameters for best performance were computed by using the response surface method, but the shape of meridional geometry of impeller was fixed. From the results of CFD on the optimized impeller shape the head increased and the efficiency improved compared with the original design.