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- 가변형 운전기술 적용한 ‘중대형 축류펌프 설계기술’개발

- 설계기술 국산화로 축류펌프 동력 20% 절감해 Net-Zero 기여

□ 유체기계는 공기, 물 등의 유동성 물질을 이용해 에너지를 교환하는 기계를 통칭하며, 산업용 전력의 24.3%*를 사용하는 대표적 에너지 다소비 장치이다.

     * 한국에너지공단 ‘2019 에너지 통계 핸드북’

ㅇ 펌프, 압축기, 송풍기를 꼽을 수 있으며, 이 가운데 펌프가 유체기계의 절반 이상을 차지한다.

ㅇ 펌프는 유체를 끌어 올리거나 밀어내는 역할을 하는 유압장치로, 농업과 함께 시작됐을 만큼 그 역사가 길고, 물·기름·가스 등의 유체를 이동시키는 모든 부문에 사용되고 있다.

□ 한국생산기술연구원(원장 이상목, 이하 생기원) 산업에너지연구부문 김진혁 수석연구원 연구팀이 국내 최초로 가변형 운전기술이 적용된 ‘중대형 축류펌프 핵심 원천 설계기술’을 개발했다.

ㅇ 기존 축류펌프는 최적 효율점(Best-Efficiency Point, BEP), 즉 유체의 토출량과 토출압력이 각각 100%가 되는 정격 운전 점에서 가장 높은 효율로 가동되도록 설계된다.

ㅇ 펌프는 유체의 양에 따라 부하(load)* 변동이 상이한데, 최적 효율점을 벗어나면 저효율로 가동되기 때문에 대형펌프의 경우 에너지 효율이 20~30%까지 떨어진다.

    * 부하 : 전기를 띠게 하거나 기계의 힘을 내게 하는 부담, 또는 그 부담량

ㅇ 이마저 국내 생산업체 대다수가 중소기업이고, 다른 유체기계에 비해 투자가 적어 기술 선진국으로부터 설계도면을 들여와 제품을 생산해 왔다.

□ 김진혁 수석연구원 연구팀은 축류펌프에 가변형 입구 가이드베인(Inlet Guide Vane, IGV) 운전기술을 적용, 유체의 양에 따라 운전패턴이 달라져도 높은 에너지 효율을 유지할 수 있는 설계기술을 개발했다.

ㅇ 이를 위해 머신러닝기반의 형상최적화 설계기술을 개발하고, 가변형 입구 가이드 베인을 설계해 축류펌프 구동 동력을 최대 20% 절감했다.

□ 축류펌프는 임펠러(Impeller)를 회전시켜 유체를 축 방향으로 보내는 펌프로, 물속에서 프로펠러가 돌면 배가 앞으로 나아가는 것과 같이 회전체가 회전하는 방향과 힘이 작용하는 방향이 같다.

ㅇ 양정(Head), 즉 펌프가 퍼 올릴 수 있는 높이는 낮은 반면 대용량 이송에 적합해 취·배수용으로 널리 쓰이고, 최근에는 기후변화로 인한 국 지성 호우가 잦아지면서 빗물배수용 펌프로 수요가 늘고 있다.

ㅇ 그런데 유체의 흡입방향과 토출방향이 같기 때문에 토출축이 막히면 심각한 와류*가 형성돼 임펠러를 돌리는 동력이 올라가게 된다.

     * 와류 : 유체가 본류와 반대되는 방향으로 소용돌이치는 현상

ㅇ 이때 임펠러 앞단에서 와류 형성을 억제하고, 운전 점에서의 성능을 조절하는 역할을 하는 것이 바로 가변 입구 가이드 베인이다.

□ 연구팀은 먼저 속도삼각형(Triangle Velocity) 이론을 적용해 펌프의 운전 패턴을 분석하고, 이를 바탕으로 IGV의 각도를 변경할 수 있는 가변형 운전기술을 개발했다.

ㅇ 속도삼각형은 임펠러의 절대속도, 유동의 절대속도, 임펠러에 대한 유동의 상대속도 벡터가 이루는 삼각형을 가리키는 용어로, 물의 유입 각과 펌프 임펠러 블레이드의 각도를 일치시킬 때 성능이 최대가 된다.

ㅇ 이를 통해 최적 효율점이 아닌 경우에도 유체의 양에 따라 IGV의 각도가 자동 변경되어 펌프의 동력을 절감할 수 있다.

□ 개발을 이끈 김진혁 수석연구원은 “최적 효율점이 아닌 구간에서도 에너지를 절감할 수 있는 가변형 축류펌프 설계기술은 세계적으로도 유례가 없는 핵심 원천기술”이라고 말하며 “개발된 성과를 바탕으로 노후화된 유입펌프 시설을 교체할 경우 에너지 효율을 높이고 탄소배출은 줄여 저탄소 산업구조 전환에 중요한 역할을 담당할 것”이라고 설명했다.

ㅇ 이번 성과는 2024년 3월 국제학술지 ‘Energy(IF 9.0, JCR 기준 상위 5% 이내)’를 비롯한 다수*의 해외 저널에 게재되었고, 한국생산기술연구원이 2년마다 선정하는 생산기술연구상 우수상에 선정되기도 했다.

* Process Safety and Environmental Protection(IF 7.8, JCR 기준 상위 10% 이내)

   Scientific Reports(IF 4.6, JCR 기준 상위 30% 이내)