A Study on the Development of a Screw Pump with Wide Range Discharge Performance

대용량 토출용 나사펌프 개발에 관한 연구

Abstract

In this study, the development of a three-screw pump for high-capacity discharge was carried out. Benchmarking and reverse engineering for advanced products were performed to design and manufacture power rotor and idler rotor for high capacity and high pressure. Through flow analysis, performance verification of the entire design was performed and prototypes were manufactured. As a result of performance evaluation on prototypes, it was found that the development specifications were satisfied.

1. 서론

펌프는 압력작용에 의하여 액체나 기체의 유체, 슬러지 등을 수송하거나 저압의 유체를 고압의 유체로 압송하는 기계로 화학 산업, 식품 산업, 기계 산업, 운수 산업 등 다양한 산업분야의 장비에서 아주 중요한 부분을 차지한다. 미국 유압협회의 기준에 의하면 펌프는 에너지를 전달하는 방법에 따라 카이네틱 펌프(kinetic pump)와 용적형 펌프(positive displacement pump)의 두 분류로 나눌 수 있다. 카이네틱 펌프는 회전요소의 원심력을 이용하는 펌프로 원심 펌프(centrifugal pump) 가 대표적이며 용적형 펌프는 피스톤의 왕복운동이나 기어, 로브의 압착 운동을 이용하는 펌프로 왕복 펌프(reciprocating pump)와 회전 펌프(rotary pump) 등이 이에 해당된다[1-4].

나사 펌프(screw pump)는 회전 펌프의 한 종류로 나사 모양의 회전자를 하우징 속에서 회전시켜 하우징과 나사 사이에 갇힌 유체를 축 방향으로 이송하는 펌프이다. 나사축의 수에 따라 Single 나사 펌프, Twin 나사 펌프, Three 나사 펌프로 나뉜다[1].

Three 나사 펌프는 주 나사(Power rotor)와 이것에 물리는 2개의 종 나사(Idler rotor)가 대칭적으로 조합되고, 주 나사를 회전시켜 하우징과 나사 사이에 갇힌 유체를 축 방향으로 토출하는 회전 펌프로서 종 나사가 주 나사로부터 동력을 받지 않고 자전하고, 나사 사이는 유체윤활상태로 나사 사이의 집적적인 접촉이 없어 효율이 양호하고 수명이 긴 구조이다. Three 나사 펌프는 나사산의 감김 수에 비례하여 압력이 상승되는 구조로 일반적으로 고압 펌프의 경우 5-12번, 저압 펌프의 경우 2-3번 감긴다[1-5]. 따라서 고압 펌프를 제작하기 위해서는 나사에 대한 설계 및 제작기술이 중요하다. 국내의 경우 칩 반송장치, 곡물 및 약품 이송용 등으로 Single 나사 펌프의 개발은많이 이루어져 있으나 Three 나사 펌프에 대한개발 미미한 실정이다.

기술적으로 자흡 성능이 우수하고, 저 점도에서고 점도까지 다양한 종류의 유체에 대한 고압이송이 가능하며 저소음, 장 수명, 낮은 압력맥동 특성을 가지는 Three 나사 펌프의 성능개선 및 국산화 기술개발은 시급한 실정이다.

본 연구에서는 분당 토출량 200ℓ/min, 최대 토출압력 60bar인 대용량의 고압 Three 나사 펌프를 개발하고자 한다. 이를 위해 선진 제품에 대한 벤치마킹을[2-3] 통하여 대용량의 고압 토출이 가능한 주 나사와 종 나사를 설계 및 제작하였다. 유동해석을 통하여 설계검증을 수행 하였으며, Three 나사 펌프의 시제품을 제작하고 성능평가를 수행하였다.

2. 나사 펌프 설계 및 제작

2.1 나사설계[6]

개발하고자 하는 Three 나사 펌프의 설계 사양은 분당 토출량 200ℓ/min, 최대 토출 압력 60bar이다.

주 나사와 종 나사를 설계하기 위하여 치수 결정은 SEIM社 제품을[3] 참고하여 이론적 토출량을 검토하였다. 이론적인 토출량을 검토하기 위하여식(1)을 사용하였다[5].

\(Q _ { t } = kD 3 N = k _ { 1 } pD 2 N\)       (1)

여기서 Qt는 유량, D는 호칭지름, N은 회전수, p 는 나사 피치, k₁는 상수이다.

벤치마킹 제품인 SEIM社의 주 나사에 대한 치수 검토 결과 최대 토출량은 204.7ℓ/min으로 개발 목표를 만족하는 것으로 나타났다.

Fig. 1 Cross-sectional view on rotor set

Table 1. Review results of the rotor dimensions

Fig. 2 Photograph of power rotor scanning

Fig. 3 3D model of idler rotor and power rotor

Fig. 1은 Three 나사 펌프의 주 나사와 종 나사의 직경에 대한 단면을 보여주고 있다. 주 나사와 종 나사에 대한 직경 비는 일반적으로 식(2)를 만족하도록 설계 된다[1].

\(d _ { 0 } : d _ { a } : D _ { i } : D _ { 3 } = 1 : 3 : 3 : 5\)       (2)

식(2)를 적용한 치수 검토 결과는 Table 1과같으며 이는 치형의 역설계 과정에서 기준 치수로 참고하였다.

치수 검토 결과를 바탕으로 주 나사와 종 나사의 역설계를 수행하였다. Fig. 2에 보이는 광학방식 스케너를 이용하여 나사 부의 3차원 점 데이터를 획득하고 주 나사와 종 나사에 대한 3차원형상모델링을 수행하였다. Fig. 3은 역설계 된 3D 모델을 나타내고 있다.

전체 치형을 스케닝 하였으며 나사 전체 길이방향에 대하여 피치와 직경 값에서 이론적으로 검토한 설계 값과 미소한 차이가 발생하였다. 이는스케닝 장비의 오차와 데이터 처리과정에서 기인한 오차로 사료된다. 이에 이론적으로 검토한 기본 설계 값으로 치수를 수정하여 전체 3D 모델을 재작성하고 도면작업을 수행하였다.

다음으로 나사 펌프의 출력을 검토하였다. 나사펌프의 출력 계산을 위해 식 (3)을 사용하였다[5].

\(t k W = \frac { Q _ { t } \delta p } { 36 }\)       (3)

여기서 Qt는 유량, δp는 차압(differential pressure)이다. 출력 검토결과 유량 200ℓ/min, 차압 60bar의 경우 20kW의 출력이 필요한 것으로 계산되었다

2.2 유동해석[7]

설계내용에 대한 검증을 위하여 모터의 회전속도에 따른 펌프 내부의 압력변화 및 유동 특성을

분석하였다.

유동장은 3차원 비압축성, 점성유동으로 가정하 였으며, 난류모델로는 Standard k-ε모델을 사용 하였다.

수치해석을 위하여 상용코드인 Ansys v15.0 CFX를 이용하였다. 나사의 회전으로 인한 계산영역에서는 격자 계의 조밀한 부분을 계산하기 위하여 Immersed meshing technique을 적용하였다.

계산 영역의 경계조건으로는 입구 속도조건을 주고, 주 나사를 회전운동 조건, 출구는 고정압력조건을 부여하였다. Table 2는 해석에 사용된 경 계조건이다.

Table 2. Boundary conditions for flow analysis

Fig. 4는 유체점도와 회전속도에 따른 유동해석 결과이다.

Fig. 4 Simulation results of the CFD analysis

회전각속도 및 유체점도에 비례하여 최대압력이 증가하는 경향을 보여주었으며, 최대압력은 점도 500cP 및 5000cP 일 때, 각각 39bar 및 63bar 로 계산되었다. 해석결과 최대 목표 사양을 만족하는 것으로 검토되었다.

2.3 펌프설계 및 제작[8]

역설계 데이터와 설계 검토 및 유동 해석 결과를 바탕으로 Three 나사 펌프에 대한 전체 설계를 수행하였다. Fig. 5는 Three 나사 펌프의 최종설계 모델이다.

Fig. 5 3D model of the designed three screw pump

나사부의 나선부위를 가공하기 위하여 NC 코드를 생성하고, 시뮬레이션 프로그램을 통하여 가공경로를 검증하였다. 나사부의 사용재질인 기계 구조용 합금강(SCM440)에 대한 본 가공을 수행하기 전에 알루미늄 소재의 시험 가공을 통한 가공 경로 검증작업을 수행하였다.

Fig. 6은 알루미늄 소재의 가공결과를 보여 주고 있다. 나선 부위 확인을 위한 알루미늄 소재에 대한 가공결과 가공경로 및 가공표면에서의 특이사항은 발생하지 않았다.

Fig. 6 Power and idler rotor machining results using aluminum materials

SCM440 재질에 대한 나사부의 제작을 위해 1 차 황삭, 조질 열처리, 1차 정삭, 나사 부 2차 황 삭, 나사 부 2차 정삭, 교정, 연삭 및 TiN 코팅의 공정과정을 수행하였다. Fig. 7은 주 나사에 대한 최종 가공 결과물이다.

Fig. 7 Power rotor machining results using SCM440

Fig. 8은 조립이 완료된 Three 나사 펌프의 시 제품이다.

Fig. 8 Photograph of the developed screw pump

3. 성능평가[8]

Three 나사 펌프의 시운전 및 성능평가를 위한테스트 벤치를 제작하고 최대 토출압력, 분당 토출량에 대한 성능평가를 수행하였다.

Fig. 9는 테스트 벤치 사진이다. 압력 게이지를 통하여 토출압력을 측정하고, 유체를 가열하고 냉각할 수 있는 장치를 부착하여 나사 펌프의 사용온도 범위를 확인할 수 있도록 구성하였다.

Fig. 9 Photograph of the developed test bench

KS B 6307에 따라 개발된 나사 펌프의 분당토출량에 대한 성능을 확인하였다. 점도 46cSt 일때 최대 208.09ℓ/min의 토출량으로 개발 목표치인 200ℓ/min을 만족하는 것으로 나타났다. 점도가 150cSt 일 때는 최대 194.56ℓ/min, 5,000cSt 일 때는 66.626ℓ/mim의 토출량을 확인하였다.

4. 결론

본 연구에서는 대용량 토출을 위한 Three 나사펌프의 개발을 수행하였다. 선진 제품에 대한 벤치마킹과 역설계를 수행하여 대용량의 고압용 주 나사와 종 나사를 설계하고 제작하였다. 유동해석을 통하여 전체 설계 안에 대한 성능검증을 수행하고 시제품을 제작하였다. 시제품에 대한 성능평가 결과 개발 목표사양을 만족하는 것으로 나타났다.

향후 작동 유체의 점도와 펌프 회전속도에 따른 토출 압력과 유량의 관계에 대한 실험과 체적 효율에 대한 고찰을 진행하고자 한다.