수치해석과 모형시험을 통한 펌프 흡입수조내의 보텍스 저감에 관한 연구

Abstract

펌프 흡입수조 자유표면으로부터 발생하는 보텍스 (Air-entering vortex)들은 강 한 공기의 흡입을 동반하여 진동, 캐비테이션 등을 발생시켜 펌프 성능저하를 가 져온다. 또한, 수조의 바닥과 벽면에서 발생하는 수중 보텍스 (Submerged vortex) 는 침전물 흡입을 동반한다. 만약 물속에 이러한 강한 공기들이 존재하면 펌프 흡입관 주위에 선회류 (Swirl)를 유발시키며 펌프의 성능을 저하시키는 원인이 된다. 특히 발전소 복수기 냉각용 순환수 펌프 (CWP, Circulating water pump)와 같 은 대형 펌프에서는 이와 같은 불량한 유동 환경은 펌프의 성능 저하는 물론 펌 프 손상을 유발하기도 한다. 그러므로 발전소 복수기 냉각수를 공급하기 위하여 설계된 취수구에 대해서는 모형시험을 통해 반드시 흡입수조 내부의 유동상태가 펌프의 성능에 영향을 주지 않음을 확인해야 한다. 본 연구에서는 영흥화력발전소 3 호기 복수기 냉각용 순환수 펌프 흡입수조의 보텍스 방지장치 최적 설계와 성능 검증을 위해 펌프 흡입수조의 수위 변화와 펌프 유량 변화 조건에서 보텍스 발생 여부를 수치해석을 통해 예측하고 수조 모형시험을 통해 확인하였다. 수치해석은 상용 수치해석 프로그램인 Fluent Inc. 사의 FLUENT 6.2 를 사용 하였으며, 공기와 물이 혼합된 VOF 모델 및 Standard k -e 난류모델을 적용하고, 속도-압력 연성방법은 SIMPLE 알고리즘을 사용하였다. 또한, 수조모형시험은 1/10 축소모형을 사용하여 공기흡입 보텍스의 발생 확인을 위해 1.5 프로드수 (Froude number) 상사 조건에서 수행하였으며, 수중 보텍스에 대해서는 동일 유속 조건을 적용하여 수행하였다. 펌프 흡입수조 내에 보텍스 방지장치를 설치하지 않은 상태에서 수행한 수 치해석 및 예비시험 (Preliminary test) 결과 최저 수위 (LLWL)의 정격 유량 (Rated flow) 및 최대운전 유량 (Run-out flow)에서 연속적으로 공기가 흡입되는 보텍스가 펌프와 뒷벽 면 사이의 자유표면에서 발생하였다, 또한, 모든 시험 유량 및 수위 에서 수중 보텍스가 수조의 바닥 및 뒷 벽면에서 발생되었다. 이에 따라 펌프 흡 입수조 내부 유동장의 공기흡입 보텍스와 수중 보텍스 발생을 억제하기 위한 여 러 방법 중 벽면 및 펌프 흡입구 하부에 유동의 회전 성분을 감소시킬 수 있는 장치 (Anti-vortex device)를 설치하고 수정시험을 수행하였다. 보텍스 방지장치의 형상 및 설치 위치는 반복적인 CFD 해석을 통해 최적화하여 최종 형상 및 설치 위치를 선정 하였다. 최종 수정시험 (Final modified test) 결과 모든 시험 조건에서 공기흡입 보텍스와 수중 보텍스가 발생하지 않아 보텍스 방지장치가 보텍스 소 멸에 효과가 있음을 확인하였다. 또한, 본 연구를 통하여 수치해석 기술을 펌프 흡입수조내의 보텍스 발생유 무 판정이나 수조 성능 평가의 도구로 활용하면 모형시험에 소요되는 비용과 시 간을 크게 절약할 수 있음을 확인할 수 있었다.; In a large pump station, vortex and swirl occurring in a pump suction intake sump normally reduce the performance and disturb the safe operation of the circulation water pump in thermal power plants. Therefore, the circulation water pump intake sump in thermal power plants must have been confirmed that the flow conditions in the pump intake sump do not influence in the pump performance. This paper presents a case study of one particular intake sump design via CFD analyses and hydraulic model tests. The numerical analyses and physical experiments were performed under two flow and three level variation conditions. The vortex patterns free surface and around the pump suction pipe have been predicted by a commercial CFD code, FLUENT 6.2, with the VOF and k-ε models. The hydraulic model tests were conducted on a 1/10 model for a practical intake sump. In the preliminary test, air-entering vortices consecutively occurred between pump case and back wall, and submerged vortices occurred bottom and back wall of the sump. Therefore, anti-vortex devices were installed on the bottom, side, and back walls. In the modified test, air-entering and submerged vortices did not occur in all test conditions. The final numerical analyses and modified model test results show that the anti-vortex devices reduce air-entering and submerged vortices effectively