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최적의 설계 기법으로 하수처리장 펌프 난제 풀었다
2020.05.18


▲청정에너지시스템연구부문 김진혁 박사와 차미영 ㈜황해전기 상무이사가 개발된 단일채널 펌프를 바라보고 있다. ⓒ한국생산기술연구원



환경부 하수도통계에 따르면 하루에 약 1439만 2658세제곱미터(㎥)의 하수가 발생한다. 올림픽 규격 수영장 5757개를 채울 수 있는 양이다. 하수처리장은 엄청난 양의 하수를 화학적 침전과 여과, 세균 작용을 통해 매일 정화한다.



펌프는 하수를 하수처리장에 공급하는 핵심적인 역할을 한다. 회전체를 돌려 압력작용을 일으키고, 이를 이용해 하수를 이동시킨다. 문제는 하수에 포함된 슬러리 등의 고형물로 인해 유로가 막히고 이로 인한 모터의 소손에 의해 대부분의 펌프가 고장나는 것이다. 



일반적으로 사용하는 하수처리용 펌프에는 그라인더 펌프와 볼텍스 펌프가 주로 쓰이고 있다. 최근에는 날개가 두 개인 임펠러를 가진 펌프가 주로 사용되고 있는데 이는 두 개의 날개로 고형물 이송 통로를 확보한다. 즉, 두 개의 날개가 돌면서 하수를 이동시킨다. 이 펌프는 가격이 저렴하고 제작하기 쉽다는 장점이 있다. 하지만 두 개의 날개 틈에 고형물이 걸려 고장을 유발할 가능성이 크고 국내제품은 대부분 외산의 수입품을 모방하여 제작하였기 때문에 효율도 낮다. 더불어 최근에는 유체 및 고형물 이송에 유리한 단일 유로가 회전하는 펌프인 ‘단일채널 펌프’도 개발됐다. 단일채널 펌프는 큰 고형물을 쉽게 통과시키지만 한 개의 비대칭 유로를 가진 임펠러가 돌면서 발생하는 유체 유발 진동이 문제점으로 꼽힌다. 유체 유발 진동으로 인해 파이프에 연결된 볼트가 풀어지는 등 구조적 문제가 발생하기 때문이다. 김 박사는 "회전체가 비대칭 형태라 제작 단가가 증가 한다"며 "두 개의 날개를 가진 펌프에 비해 개발 단가가 2배"라고 설명했다.



인천 남동구 소재 기계제조업체인 ㈜황해전기와 생기원 김진혁 박사는 이런 문제점을 해결한 단일채널 펌프를 국산화하는 데 의기투합했다. 현재 상용화된 외산 단일채널 펌프 제품들은 진동이 적지만 가격이 비싸 하수처리용으로 쓰기에 부담이 적지 않다. 




단일채널 펌프에 들어간 비대칭 유로 임펠러. 김 박사는 회전하는 임펠러와 정지해 있는 벌류트 사이의 유체 유발 진동을 최소화할 수 있는 설계 기법을 개발했다. 황해전기는 이를 적용한 단일채널 펌프를 제작했다. ⓒ한국생산기술연구원



생기원 연구진, 새로운 설계 기법으로 진동 문제 해결 지원



링블로워로 시장에서 인정받은 ㈜황해전기는 새로운 시장 개척을 위해 하수처리용 단일채널  펌프 기술 개발을 2017년 착수했다. 그러나 단일채널 펌프가 지닌 고질적인 문제인 유체 유발 진동을 해결하는 데 어려움을 겪었다. 차미영 상무이사는 "단일채널 펌프의 회전체를 가공하는 데 고도의 기술이 필요하다"며 "진동 문제만 해결한다면 치어나 세척과일 수송에도 단일채널 펌프가 쓰일 수 있을 것으로 예상한다"고 말했다.



생기원 김 박사 연구팀은 ㈜황해전기가 개발중인 단일채널 펌프의 진동을 없애기 위해 2018년부터 기술을 지원하기 시작했다. 김 박사가 대학원 재학 시절 ㈜황해전기와 수행한 링블로워 개발 과제를 수행한 것이 인연이 됐다. 이후 생기원 기업주문형 생산기술 실용화사업을 통해 단일채널 펌프 개발에 착수했다. 2018년부터 2년간 양산화를 위한 오폐수 펌프 시리즈화 개발과 사업화를 지원했다. 



하수처리장에 활용되는 단일채널 펌프는 회전체가 한쪽으로 치우쳐서 도는 비대칭 회전이 생긴다. 더불어 회전하는 비대칭 임펠러와 정지해 있는 벌류트 사이의 유체유발 진동이 발생하는 것이 진동의 핵심 원인이다. 이 진동은 연결된 배관이나 파이프의 볼트를 느슨하게 하는 구조적인 문제를 발생시킨다. 김 박사 연구팀이 제시한 해결책은 펌프 회전체의 축이 한쪽으로 치우쳐 도는 것을 최소화하고 회전하는 비대칭 임펠러와 정지해 있는 벌류트 사이의 유체유발 진동을 최소화 하는 설계 기법이다. 



김 박사 연구팀이 제시한 설계 기법은 회전하는 힘이 축 방향으로 가해지도록 수치를 조정한 게 특징이다. 이를 통해 진동을 최소화했다. 김 박사는 "단일채널펌프의 형상을 분석해 회전체와 내부 유로의 형상을 최적화 설계했다"며 "정밀수치해석기법을 통해 단일채널펌프의 효율도 분석했다"고 밝혔다.




▲인천 남동구 소재 기계제조업체 ㈜황해전기와 김진혁 한국생산기술연구원 청정생산시스템연구소 열유체시스템그룹 박사가 함께 의기투합해 만든 단일채널 펌프 시리즈 모델 중의 하나. 펌프의 진동을 크게 줄였다. ⓒ한국생산기술연구원



㈜황해전기는 김 박사 연구팀이 제시한 최적화된 설계를 통해 단일채널 펌프를 제작했다. 차미영 상무이사는 "외산 제품의 경우 40일이 걸리는 반면 1주일이면 요구하는 양의 단일채널 펌프를 만들 수 있다"며 "당장 급하면 하루 만에라도 단일채널 펌프를 만들 수 있는 기술력을 확보했다"고 말했다.



김 박사는 “지난해 말 개발을 완료한 ‘단일채널 펌프’는 돌덩이 같은 크고 단단한 고형물도 쉽게 통과시킨다”며 “진동이 아예 없는 것은 아니지만 볼트가 풀리는 등의 문제가 없을 정도로 진동을 없앴고 비싼 외산 제품과 비교해도 성능이 떨어지지 않는다”고 말했다.



제주도에 첫 설치 성과...저렴하고 제작하기 편한 '날개형상이 대칭형인 오폐수용 고효율 2베인 펌프' 개발 시도



김진혁 박사 연구팀은 단일채널 펌프 관련 12건의 국내외 특허등록을 마쳤다. 개발한 단일채널 펌프로 지난해 11월 28일 (사)한국유체기계학회 기술상도 수상했다. 지난해 12월에는 개발한 단일채널 펌프를 하수처리용으로 제주도에 첫 설치했다.



㈜황해전기는 김 박사와 함께 날개형상이 대칭형인 고형물 최대 이송이 가능한 원가절감형 고효율 2 vane 펌프를 개발하겠다는 계획도 내놨다. 저렴하고 만들기 편하다는 장점을 살리는 한편, 고형물 이송이 어느 정도 가능하고 전력 대비 하수를 이동시키는 효율을 한껏 높인 펌프를 만들겠다는 것이다.



정경호 ㈜황해전기 부설연구소장은 “날개형상이 대칭형인 2 vane 펌프의 효율을 높일 계획”이라며 “생기원이 지원이 있기 때문에 가능한 개발”이라고 말했다. 차미영 상무이사는 “개발한 단일채널 펌프에 대한 KS인증과 중소벤처기업부 성능 인증을 받을 것”이라고 밝혔다.



김 박사는 “내년 12월까지 고형물 이송이 가능하고 전력대비 하수를 이동시키는 효율을 높은 펌프를 만들 것”이라며 “야구공 크기만한 고형물을 문제없이 이동시키는 게 목표”라고 밝혔다.