일반적으로 화학공장에서 요구되는 프로세스 펌프는 취급하는 액의 물리적 화학적 성질 및 고 형체(solid)함량, 결정생성 여부 등을 고려 이에 충분히 견디고 유지보수가 용이하며 가격 면에 서도 저렴하고 여러 가지 운전 조건에 상응할 수 있는 호환성 있는 제품이어야 한다. 다양한 액성 및 운전조건에 적합한 펌프 선정에는 실제적인 많은 시험과 경험이 필요하다. 본 글에서는 원심펌프 선정시 보편적으로 고려되어야 할 일반사항에 대하여 기술하고자 한다.
근래에 와서 심장수술 기법 및 심근보호법의 현저한 향상에도 불구하고 심장수술 환자들의 약 0.1~0.8 % 에서는 여전히 심장수술후 약물 치료나 대동맥 풍선펌프 등의 전통적인 치료법에 반응하지 않는 급성 심부전증이 발생하고 있다. 이런 환자들에서는 보다 적극적인 순환보조법으로 심실보조를 시행할 필요가 있는데, 현재 이런 목적으로 원심성 펌프가 비용이 비교적 저렴하고 사용하기 편리하다는 점에서 세계적으로 가장 많이 사용되고 있다. 그러나 아직 국내에서는 이러한 심실보조장치로서의 원심성펌프의 사용에 관한 문헌 보고가 매우 드문 실정이다. 1992년 1월 부터 1996년 1월 까지 서울대학병원에서는 총 2986례의 개심술이 시행되었는데, 이들 환자 중 모두 10명에서 심장수술후 전통적인 치료법에 반응하지 않는 심부전증이 발생하여 Biomedicus 원심성 펌프를 이용한 심실보조를 시행하였다. 10명의 환자중 남자가 8명 여자는 2명이였으며 평균 연령은 50$\pm$20세였다(범위; 9세~77세). 환자들이 받은 수술로는 6명의 환자가 관상동맥우회수술을 받았으며 이중2명의 환자는 관상동맥우회수술과 함께 대동맥판막치환수술을 시행받았다. 그밖에 대동맥박리증 수술 2례, 그리고 폐색전제거술 및 심장이식수술이 각각 1례씩 있었다. 심실보조 형태로는 전체 환자 중 5명의 환자에서 좌심실 보조를 시행하였으며 1명에서 우심실보조 그리고 4명에서 양심실보조를 시행하였다. 심실보조 기간은 평균 76$\pm$51시간이였다(범위; 24시간~175 시간). 10명중 7명에서 심실보조 장치 이탈이 가능하였고 이중4명이 생존하여 퇴원하였다. 사망 환자들의 사망 원인으로는 진행성 심부전증 2례, 그리고 다장기 부전증, 심실세동, 비가역적 뇌손상, 기계적 문제가 각각 1례씩이였다. 사망환자와 생존 퇴원환자간의 심폐바이패스시간, 대동맥차단시간, 심실보조시간에서 통계학적인 차이는 없었다. 원심성 심실보조장치 삽입에 연관된 주된 합병증으로는 출혈(7), 급성 신부전증(6), 감염(3), 그리고 신경학적 합병증(2)등이 관찰되었다. 결론적으로 원심성 펌프는 단기 순환보조용으로 비교적 만족한 결과로 사용될 수 있었다.
본 논문에서는 식기 세척기 내 원심펌프를 대상으로 수치적/실험적 연구를 통해 최적 설계를 수행하였으며 유량 및 소음 성능을 개선하고자 하였다. 먼저 대상 원심펌프의 특성을 실험적으로 분석하기 위해 펌프 성능시험기를 통한 유량 실험과 반 무향실에서의 소음 실험을 진행하였다. 원심펌프 회전에 따른 내부 유동 및 유동 소음 성능을 수치적으로 모사하기 위해 전산유체역학 기반의 Reynolds Averaged Navier-Stokes(RANS) 방정식과 Ffowcs Williams and Hawkings 방정식을 지배 방정식으로 수치해석을 수행하였다. 실험 결과와의 비교를 통해 수치 기법의 유효성을 검증하였으며, 검증된 수치 기법을 활용하여 원심펌프 내 임펠러 형상에 대한 최적 설계를 수행하였다. 수치 기법의 활용을 통해 최적 설계된 임펠러의 개선된 유량 성능을 수치적으로 확인하였으며, 유동장 분석을 통해 임펠러 형상 각도 변화에 따른 유동 특성 변화 및 개선을 확인하였다. 또한, 시제품 제작 및 실험을 통해 개선 유량 성능을 검증하였으며, 팬 법칙에 의거하여 동일 유량에서 소음 수준이 감소함을 확인하였다.
기계적 순환 보조는 만성 심부전 상태의 환자들에게 이용될 뿐만 아니라, 심정지 혹은 심인성 쇼크에서 생명을 구할 수 있는 필수적인 요소가 되기도 한다. 상용화된 다양한 박동형의 순환보조 장치들이 장기간의 좌심실 보조를 위해 사용될 수 있지만 비용이나 제조사로부터의 기술적 지원이라는 측면에서 그 사용에 제약이 되고있다. 최근에는 심장이식의 가교로서, 또는 심장회복을 위해 원심성 펌프를 단기간 사용한 예들이 보고되고 있다. 본원에서는 원심형 펌프를 이용한 체외 생명구조 장치나 좌심실 보조장치로 심정지 혹은 심인성 쇼크의 5명의 환자에게 적용하여 성공적으로 치료하였다. 이들중 2명이 허혈성 심질환에 의한 심정지로 응급 상황에서 시행되었고, 술 후 심인성 쇽을 보인 허혈성 질환 1예와 급성 바이러스성 심근염에 의한 저심박출량 증후군을 보인 2명은 예정 하에 수술하였다. 모든 환자에서 기계적 순환보조 이탈이 가능하였으며, 기계적 순환 보조와 관련된 합병증에는 출혈 및 급성 신부전등이 있었고 대퇴동, 정맥 캐눌라 삽관과 연관된 합병증은 없었다. 원심형 펌프를 이용한 기계적 순환보조는 심정지 혹은 심인성 쇼크에서 생명보존이나 유지에 필수적인 역할을 할 수 있으며 항시 고려해야할 요소로 판단되기에 이를 보고하는 바이다.
내진 평가에서 동적 해석이 필요한 원심펌프에 대하여, 시간 이력 해석에 비해 간편한 스펙트럼 해석을 이용하여, 진동 응답을 산출하였다. 유한요소법에 의하여 모드 해석을 하였으며, 모드 해석 결과에 입각하여 스펙트럼 해석을 수행하였다. 스펙트럼 해석에 의해 구해진 진동 응답은 시간 이력 해석의 결과보다 보수적으로 산출되어 안전하게 설계할 수 있음을 알 수 있었다. 본 연구에서의 펌프는 IEEE 344-1987에서 요구되는 조건에 따라 내진 구조 건전성이 평가 되었다. 각 부재의 최대 응력은 허용 응력이하로 산출되었으며, 펌프는 주어진 지진 입력에 대하여 요구되는 안전 조건을 구비하고 있음이 판명되었다.
회전축계의 강제진동으로 가장 전형적이고 공업상 중요한 것은 넓은 의미로서 불평형 진동이다. 불평형은 회전체의 제작상 피할 수 없으며 진동이 전혀 문제가 되지 않는 정도로 제작하는 것은 경제적인 면에서도 불가능하다. 지금까지 미끄럼 베어링으로 지지된 회전축계의 불평형 응답 특성에 대하여는 여러 연구자에 의해 연구가 진행되고 있다. 수중에서 운전되는 펌프는 물의 감쇠작용 때문에 축진동 문제는 적다고 생각되어 펌프의 축진동에 관한 보고는 별로 없다. Black은 펌프의 축진동을 연구하여, 시일부분이 축진동 응답에 큰 영향을 미치는 것을 보였다. 그러나 시일형상에 따른 유체력 평가가 충분히 구명되지 않았기 때문에 환상 시일부분의 틈새,폭경비 및 압력차 등이 펌프진동에 어느 정도 영향을 미치는가가 충분히 검토 되어 있지않다. 이에 저자는 펌프용 시일의 유체력에 의한 진동 특성에 관한 일련의 연구를 진행하여 각종 시일의 유체력을 해석하였고, 이 유체력이 회전축계의 안정성에 미치는 영향을 검토하였으며 범용 안정성해석 프로그램을 개발하였다.
액체로켓용 터보펌프 터빈 블레이드-디스크의 구조 및 진동 해석이 설계점에서의 구조 강도 및 동특성을 고찰하기 위하여 수행되었다. 터보펌프의 높은 회전 속도로 인하여 구조 해석시 원심력 영향이 주의깊게 고려되었다. 극심한 온도 분포에 따른 열하중 또한 터빈 블레이드-디스크에 작용하는 외부하중으로 고려되었다. MSC/NASTRAN DMAP Alter를 이용한 3차원 유한요소법이 주기 대칭 구조 해석에 적용되었다. 회전 속도에 따른 구조 동특성의 고찰을 위하여 블레이드간 위상차가 고려되었다. 수치해석을 통하여 원심력과 열하중이 터빈 블레이드-디스크에 미치는 영향을 고찰하였다.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제39권3호
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pp.248-254
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2015
국내에는 아직 침수선박 구조용 대용량 배수펌프에 대한 기술개발 사례가 없는 상황이다. 현재 침수선박 구조를 위해 농업용 배수펌프가 사용되고 있으나 실효성이 현저히 떨어지며, 낮은 배수량, 이물질 걸림 현상, 겨울철 운전 오작동 등의 문제점이 있다. 따라서 본 논문에서는 해양에서 신속한 침수선박의 구조를 위해 현재 장비가 가지는 문제점을 개선하여 분당 20 톤의 배수량을 가지는 대용량 배수펌프 시스템을 개발하고자 한다. 대용량 배수펌프 시스템은 펌프 배출구를 통해 배출되는 흡입양정 8 m에서 분당 20 톤의 해수를 배출하는 것을 목표로 배수펌프 시스템 설계 및 개발을 수행하였다. 펌프종류는 조선해양 분야에서 액체를 이송하는데 가장 많이 사용되는 원심펌프를 채택하였으며, 요구 시방을 기초로 펌프를 설계하였다. 임펠러 블레이드는 요구 시방과 Stepanoff 설계 상수를 이용하여 임펠러 제원과 블레이드 입출구각을 도출하였고, 설계된 임펠러와 하우징 형상에서 목표 유량 만족 여부를 확인하기 위해 유동해석을 수행하여, 임펠러 회전수에 따른 유량을 검토하였다. 또한 실제 운전 중에 발생할 수 있는 제품에 대한 구조적인 취약성을 판단하기 위해 임펠러 구조해석을 수행하여 안전성을 검토하여, 침수선박 구조를 위한 배수펌프 시스템 개발을 완료하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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