시험에 사용된 수력성능 시험 설비의 개략도를 Figure 1에 나타내었다. 수력성능 시험 설비는 펌프, 워터탱크, 토크계, 회전계, 유량계, 압력변환기, 축추력 측정 장치로 구성되어 있다. 탱크의 용량은 24ton이고, 시험용 펌프는 흡입구경 200mm, 토출구경 150mm인 펌프를 사용하였고, 시험은 AC 인버터로 제어되는 200kW 전기모터를 사용하였다. 시험용 펌프와 전기모터 사이에 위상차 방식의 토크계와 회전계를 설치하여 정확한 소요동력 및 회전수를 측정하였다.

토출유량은 토출구 밸브 전단에 터빈타입의 유량계를 설치하여 측정하였고 압력은 시험용 펌프의 흡입구와 토출구에 압력 센서를 설치하여 정압(static pressure)을 취득하고 그 차이를 전양정으로 나타내었다. 점선은 시험 데이터의 흐름을 나타내고 있으며 모든 제어 및 측정은 컨트롤 룸에서 PC로 제어하고 측정된 데이터는 컨트롤러의 인디케이터에서 디지털화하여 PC에 저장되도록 하였다.

Figure 1 
Schematic diagram of pump test

Figure 2 
Experimental apparatus of axial thrust measurement

Figure 2에는 다양한 마모실 홈 형상에 대한 펌프 수력시험과 동시에 정확한 축추력을 측정하기 위하여 와셔형 로드셀을 적용한 축추력 측정장치를 나타내고 있다. 장치는 전달축, 와셔형 로드셀, 롤러베어링, 볼베어링, 베어링 케이스, 리지드 커플링(rigid coupling), 플랙시블 커플링(flexible cou-pling) 등으로 구성하였으며 한 방향에 대한 로드셀의 최대 측정 하중은 50kN이며 최대 회전수는 4000rpm까지 적용이 가능하다.

시험에서는 임펠러 측의 로드셀을 No.1로 하고 전동기 측을 No.2로 표시하였으며, 축추력의 원활한 전달을 위하여 축 방항에 대한 구속이 발생하지 않도록 반경 방향의 하중은 로드셀의 양쪽에 롤러베어링을 적용하여 지지하였고, 축방향 하중은 복수의 볼베어링을 배면으로 배치하여 양방향의 하중을 지지할 수 있게 하였다. 측정 센서로 와셔형 로드셀을 축방향 베어링의 양쪽에 배치하였고 측정장치 외부에 전용 인디케이터를 설치하여 데이터가 PC에 저장되도록 하였다. 또한 온도에 의해 발생하는 축방향 하중의 변화를 측정하기 위하여 온도 센서를 부하측과 반 부하측의 롤러베어링에 설치하였다.

축추력 측정 장치에 적용되는 로드셀은 상용품으로 초기에는 로드셀 자체에 대해 교정이 되어 있으나 측정장치 조립시 베어링 예압 및 기계적 마찰로 인하여 인디케이터에서 표시되는 하중과 실제 가해지는 하중에 차이가 발생한다. 이를 교정하기 위하여 인증시험 기관의 압축 시험기를 이용하여 조립된 측정 장치에 축방향으로 실제 하중을가하고 실제 하중값에 따라 인디케이터에 표시되는 값을 구간별로 측정하여 정리하였고 시험시 인디케이터에서 표시되는 값을 통하여 실제 작용되는 하중을 계산하도록 하였다.

시험에서는 마모 실 홈 형상에 따른 영향을 효과적으로 분석하기 위하여 2차 누설유량이 전면의 비접촉 실에서만 발생하는 Figure 3과 같은 구조와 형상치수를 가진 임펠러를 적용하여 시험용 펌프를 제작하였고 수력성능 시험의 조건은 Table 1과 같다.

Figure 3 
Experimental geometry of the closed impeller (Unit: mm)

시험대상인 실의 홈 단면 형상은 고성능의 펌프에 많이 적용되고 있는 Figure 4의 (A), (B)와 같이 사각 홈과 경사 홈을 적용하였고 사각 홈의 형상 치수는 Iwatsubo의 연구에서 적용된 치수를 사용하였다[2]. 홈 구조는 실제 펌프에 가장 많이 적용되는 나선각이 0°인 평형 홈과 나선각이 1° 이하인 2줄 나선 홈(α= 0.53°) 및 4줄 나선 홈(α= 0.98°)을 적용하여 누설 유량의 변화 및 나선 홈을 따라 발생하는 펌프효과를 확인하고자 하였다.

Figure 4 
Types of grooved seals (Unit: mm)

Figure 5 
Geometry of the grooved seal

마모실의 홈 조합에 있어서는 평형 홈 실을 로터와 스테이터의 양측에 적용 시에는 Figure 4의 (C), (D)와 같이 설치하였고 나선 홈 실의 경우 양측에 모두 적용 시에는 스테이터 측을 로터 측과 반대 방향으로 나선 홈을 생성하여 임펠러의 회전시 토출측으로 펌프효과가 생기도록 하였다. 실 홈의 상세한 형상 치수 및 구조는 Figure 5와 Table 2에 나타내었고 로터와 스테이터 측의 조합에 따른 실의 형상 5Case 중 대표적인 2Case의 형상을 Figure 6에 도시하였다.

Figure 6 
Shape of stator and rotor

Figure 7은 시험용 펌프의 회전수 2300rpm에서 설계 유량 340m³/h에 대하여 각 case의 양정과 효율의 변화를 홈이 없는 평형 실을 적용한 case1을 기준으로 비율로 나타냈으며 실험 결과는 전체적으로 평형 홈 실과 나선 홈 실이 모두 양정 및 효율 개선에 효과가 있음을 보인다. 로터측에 평행 홈 실을 적용하였을 때 사각 단면 형상의 case2가경사 단면을 가진 case3에 비하여 0.3% 정도 효과적이었고, 나선각을 가지는 나선 홈 실은 α= 0.53° (2줄) 일 때 사각 단면을 가진 case4가 경사 단면을 적용한 case5에 비하여 0.25% 더 효과적이었다. 이와 같이 평형 홈 및 동일한 나선각을 가지는 경우 모두 경사 단면 보다 사각 단면의 형상을 가진 실이 수력성능을 향상시키는데 더 효과적임을 알 수 있다. 또한 경사 단면을 가지면서 나선각 차이가 있는 case5, case7 및 사각단면을 가진 case4, case6의 결과를 통하여 1°이하의 작은 나선각을 가지는 나선 홈 실은 나선각이 클수록 홈의 틈새를 통하여 발생하는 누설량 보다 펌프 효과로 인해 발생되는 압력에 의한 누설 저감의 효과가 더 큰 것을 알 수 있다.

Figure 7 
Head and efficiency ratio for various test cases

Figure 8과 Figure 9는 고효율이 요구되는 원심펌프에 가장 많이 사용되고 있는 사각평형 홈을 적용한 case2와 case8, 설계 유량에서 수력성능 개선에 가장 효과가 있는 사각단면의 4줄 나선홈을 적용한 case6과 case10을 case1과 비교하기 위하여 전 유량구간에 대해 양정과 효율을 그래프로 나타냈다. 사각평형 홈과 사각나선 홈은 모두 case1에 비해 수력성능을 향상시키고 유량이 클수록 더큰 효과가 발생함을 알수 있다. 또한 사각나선 홈이 사각평형 홈에 비하여 수력성능 개선에 더 큰 효과가 있는데 이것은 나선홈이 회전시 펌프효과에 의해 압력을 발생시키고 발생한 유체 압력이 실의 양단에 걸리는 압력차를 저감시켜 누설유량을 줄이는데 더 효과적인 것으로 판단된다.

Figure 8 
Capacity and head curve

Figure 9 
Capacity and efficiency curve

로터측에만 사각평형 홈을 설치한 case2와 로터와 스테이터 양측에 사각 평형홈을 설치한 case8을 비교하면 case2가 수력성능 개선에 더 효과가 있음을 보이고 있다. 이는 홈의 내부 공간이 넓다고 해서 홈 내부에서 발생한 와류가 실 내부를 흐르는 2차 유동을 방해하는데 더 효과적이지 않음을 알 수 있다. 또한 사각나선 홈의 경우 로터측에만설치한 case6과 로터와 스테이터의 양측에 설치한 case10은 수력성능의 변화는 거의 동일하지만 양정은 case10이 0.2% 더 향상된 것으로 보이는데 이는 로터 측의 나선홈과 함께 스테이터 측의 나선홈이 회전 시 펌프효과를 추가적으로 발생시켜 실의 입구 부근의 압력상승 및 누설유량 저감에 효과를 더한 것으로 보인다.

Figure 10은 시험용 펌프의 설계 유량 340m³/h, 회전수 2300rpm의 운전 조건에서 각 case의 양정과 축추력 측정 장치를 통하여 측정된 추력의 변화를 case1을 기준으로 비율로 나타내었다. 시험 결과는 전체적으로 홈 실을 적용한 경우가 양정 상승 및 축추력 저감에 효과가 있음을 보였고, 양정이 높을수록 축추력이 크게 저감됨을 알 수 있다. 특히 사각 나선 홈을 적용한 case 6과 case 10은 약 2% 이상의 양정 상승 및 10% 이상의 축추력이 저감되어 수력성능 향상 및 축추력 저감에 효과적인 것으로 판단된다.

Figure 10 
Head and axial thrust ratio for various test case

홈 실이 축추력을 저감시키는 것은 홈 실에 의하여 실의 양단에 걸리는 압력차가 줄어들어 임펠러 입구 측의 압력이 상승하게 되고 이로 인하여 임펠러의 전면과 후면의 압력이 동시에 상승하는 효과가 발생한다. 압력의 상승은 임펠러의 전면과 후면에 추가적인 추력을 발생시키지만 임펠러의 전면에서는 원심력에 의한 압력의 변화가 적어 임펠러 외경과 실 부근에서의 압력차가 줄어들어 전체적으로 임펠러의 후면보다 임펠러의 전면에서 추가적으로 발생하는 추력이 더 커지게 된다. 이러한 임펠러의 전면과 후면의 압력 분포의 차이로 인하여 임펠러에 작용하는 축추력이 저감되는 효과를 발생했다고 판단된다.

Figure 11은 원심펌프의 누설을 저감하기 위해 주로 사용되고 있는 사각 평형 홈을 적용한 case2, case8과 본 논문에서 축추력 저감에 가장 효과가 있는 것으로 보여지는 4줄 사각 나선 홈을 적용한 case6과 case10의 축추력 측정 장치에 의해 측정된 값을 전 유량 구간에 대하여 case1과 비교하여 나타냈다. 측정 결과를 보면 일반적으로 널리 사용되는 사각 평형 홈을 적용한 case2와 case8 보다 사각 나선 홈을 적용한 case6과 case10이 전 유량에 걸쳐 축추력을 저감하는데 더 효과적임을 나타낸다. 또한 설계 유량에서는 로터와 스테이터 양측에 사각 나선 홈을 적용한 case10이 홈이 없는 case1에 비하여 축추력을 약 10% 저감하여 시험 대상 중 축추력 저감에 가장 효과적임을 알 수 있다.

Figure 11 
Capacity and axial thrust curve