시동 기간 동안 터빈 시스템으로서의 펌프의 가속 효과

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 4913(2023) 이 기사 인용

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터빈 시스템인 펌프의 시동 과정에 대한 시동 가속도의 영향을 밝히기 위해 본 논문에서는 세 가지 시동 가속 조건에서 터빈 순환 배관 시스템인 펌프의 3차원 점성 비정상 유동에 대한 수치 계산을 수행하고 다음을 얻습니다. 시동 과정에서 각 오버플로 구성 요소의 외부 및 내부 흐름 특성을 분석하고, 엔트로피 생성 방법과 Q 기준 방법을 사용하여 배관 시스템의 각 구성 요소의 에너지 손실을 심층적으로 분석합니다. 결과는 시스템 시동 동안 터빈으로서의 펌프의 유량 및 출구 정압 곡선이 회전 속도에 대해 히스테리시스이고 헤드 곡선은 저속 및 중속 시동 동안 선형 상승과 유사하다는 것을 보여줍니다. 급속 시동 시 포물선형 상승을 보이고, 터빈이 주로 블레이드 사이에 분포되기 때문에 펌프의 임펠러 영역에서 엔트로피 생성 및 와도가 발생하며, 시동 중에는 분포가 감소합니다. 또한, 펌프 유사 법칙은 펌프가 터빈으로 일시적으로 시동되는 동안의 성능 예측에는 적용되지 않습니다.

최근 에너지 수요가 증가함에 따라 세계 각국은 2차 에너지 개발 및 활용에 점점 더 많은 관심을 기울이고 있습니다. 터빈용 원심펌프(터빈펌프라고도 함)는 구조가 간단하고, 가격이 저렴하며, 설치 및 유지관리가 용이한 등 다양한 장치의 폐액잔압 에너지 회수를 위해 석유화학산업에서 널리 사용되고 있다. 터빈과 같은 펌프는 종종 불안정한 작동과 좁은 효율 영역과 같은 문제를 안고 있습니다. 시동 과정에서 무단 변속 작동으로 인해 유량, 압력 및 전력과 같은 성능 매개변수가 단시간에 급격하게 변하고 내부 흐름이 극도로 불안정한 과도 흐름 상태에 있게 됩니다. 큰 압력 맥동과 충격을 유발하여 터빈 장비 자체 및 이에 연결된 부하 장비1로서 펌프의 손상을 초래합니다. 따라서 시동 과정에서 터빈으로서의 펌프의 과도 특성에 대한 체계적이고 심층적인 연구가 필요하다.

발표된 문헌에서 대부분의 연구는 정상상태 조건에 대해 수행되었으며, 최적 조건도 그 중 하나입니다. Rossi et al.2는 인공 신경망 방법을 사용하여 터빈으로서의 펌프의 최적 조건점 성능을 성공적으로 예측했습니다. Liu et al.3은 터빈 조건에서 최적 조건점(BEP)을 예측하기 위한 반복 흐름 기반 방법을 제안했으며, 그 결과 펌프 및 터빈 조건의 성능을 예측하기 위해 개발된 이론적 모델이 신뢰할 수 있고 정확하다는 것을 보여주었습니다. Štefan et al.4는 터빈 조건의 최적 작동점(BEP) 흐름과 수두가 펌프 조건의 성능보다 높다는 사실을 발견했습니다. Miao 등5은 터빈 임펠러 방사형 표면 최적화 설계 방법을 제안했으며, 터빈으로 최적화된 펌프의 효율은 최적 서비스 지점에서 2.28% 증가했습니다. Wang et al.6은 임펠러의 입구 및 출구 속도 삼각형을 분석하여 터빈 입구 슬립이 있는 펌프 및 터빈 효율을 기반으로 한 터빈 효율점 성능 예측 방정식을 도출하고 6개의 펌프를 9.0~54.8회전의 터빈으로 비교했습니다. 실험적, 수치적 시뮬레이션 결과, 설계조건점에서는 펌프상태의 슬립계수가 터빈상태의 슬립계수보다 더 큰 것으로 나타났다. Frosina et al.7은 수력터빈으로서 원심펌프의 성능을 예측하는 새로운 방법을 제안했는데, 이 방법은 다른 방법에 비해 정확도가 높은 것으로 나타났다. Huang et al.8은 임펠러와 볼류트의 특성을 일치시키는 원리를 바탕으로 최적 작동점에서 펌프와 터빈의 흐름과 수두를 예측하는 새로운 이론적 방법을 제안했습니다. 다른 예측 방법에 비해 제안한 새로운 방법의 예측 결과가 더 정확한 것으로 나타났다.