The regenerative pump is a kind of turbomachine that is capable of developing a high pressure rise at relatively low flow rates compared to the centrifugal and axial pumps. Although the efficiency of regenerative pumps is much lower than other turbomachines, still they have been widely used in many industrial applications for high heads at low flow rates. There are a few theoretical models to analyse the performance of regenerative pumps, though, the effect of the blade angle has not been included in any analysis model to date.
In the present study, the influence of the impeller blade angle and its shape on regenerative pump performance has been investigated by experiments and CFD analysis. Straight blades with inclined blade angles of 0°, ±15°, ±30° and ±45° were tested. In addition radial chevron impellers with chevron angles of 15°, 30° and 45° were also included in the present experiments. Hence a total of ten blade configurations were examined. The pressure head, efficiency and the fluid temperature rise were measured at different flow rates and the results are expressed in appropriate non-dimensional coefficients. From the experimental results, it was found that the pressure head and the efficiency depend strongly on the blade angles as well as the blade geometry. Among all blade configurations tested in the present study, the chevron blade exhibited the highest head with reasonably good efficiency. The comparative study shows that there is an optimum chevron angle of around 30° that yields the best performance.
Also, the three-dimensional numerical simulations of the regenerative pump with the various inclined blade angles ware carried out in the present study. The performance characteristics were obtained by CFD analysis and compared to experimental test results, and it is found that the computed CFD results show a good agreement with the experimental data. Since the CFD analysis makes it possible to obtain information about the flow characteristics within the pump, which is difficult to get from the experiments, recently the approaches of CFD techniques are assessed as potential pre-design tools of turbomachines with the improvement to reliability and accuracy of the numerical simulations. In the present study, the computed flow fields within the pumps were investigated in detail with respect to the variation of the blade angles. And the circulatory flow rate, which takes the most important role of transporting the angular momentum from the impeller, was directly calculated with the fundamental governing equations from the data of CFD results. The Euler head was also obtained and compared with respect to the blade angles. In addition, the internal hydraulic loss has been investigated with the calculation of the hydraulic efficiency from the classification of mechanical and external losses.
From the results of simulations considering the leakage flow through the clearance between the impeller and casing, it is found that the leakage flow significantly reduce the performance of regenerative pump as the head rise increases. Consequently, these experimental data and the CFD results have showed the effect of blade angles on the pump performance, and explain the pumping mechanism in the regenerative pump by analysing the fundamental governing equations based on the angular momentum exchange theory. The results of this study has made it possible to better understand the effect of blade angles on the pump performance and, widen their applicability to optimal pump design.
재생형 펌프는 원심형이나 축류형과 같은 다른 형태의 터보 기계에 비해 저유량에서 높은 압력을 얻을 수 있으나 상대적으로 낮은 효율을 보인다. 그럼에도 불구하고, 재생형 펌프는 소형화에 용이하고 운영 안정성 및 유지 보수비용의 절감에 유리하기 때문에 비교적 적은 유량에서 높은 압력이 요구되는 다양한 산업 분야에서 널리 이용되고 있다. 1950년 이후 재생형 펌프의 작동 메커니즘을 설명하기 위한 몇 가지 이론적인 해석 모델과 다양한 형상에 대한 실험 연구가 수행되어 왔다. 그러나 여전히 보편적으로 적용 가능한 해석 모델이 없을 뿐 아니라 특히, 임펠러의 날개 형상 및 각도에 따른 재생형 기계의 성능 변화에 관한 연구는 매우 부족하다.
본 연구에서는 재생형 펌프의 임펠러 날개각이 펌프 성능에 미치는 영향을 알아보기 위하여 경사각에 따른 여러 형태의 날개에 대하여 성능 시험과 3차원 유동 해석을 수행하였다. 직선 반경형 날개를 기준으로 임펠러 날개의 끝단과 측면의 경사각이 15°, 30°, 45° 기울어진 전향, 후향, 전곡 날개로 제작하여, 총 10개의 날개 형상에 대한 성능 시험을 수행하였다. 유량에 따른 압력 수두와 효율을 측정하고, 그 성능 결과를 무차원 성능 특성 계수로 나타냈다. 재생형 펌프의 성능 곡선은 각 날개의 형태에 따라 유사한 곡선의 패턴으로 나타났으며, 경사각에 따라 곡선의 형태가 바뀌었다. 전향 날개와 후향 날개는 경사각이 커질수록 직선 반경형 날개의 양정에 비해 전반적으로 성능이 감소하였다. 그러나 고유량 구간에서는 15° 전향 날개의 성능이, 저유량 구간에서는 15° 후향 날개의 성능이 직선 반경형 날개에 비해 높게 나타났다. 또한 전곡 날개의 경우 경사각이 커질수록 펌프의 성능이 증가하다가 다시 감소하는 경향을 보임으로써 성능이 향상될 수 있는 최적의 전곡 날개 형태가 존재한다는 것을 시사했다. 본 연구에서는 30° 전곡 날개가 양정과 효율 면에서 모두 가장 높은 성능을 보였으며, 이는 실험 결과뿐 아니라 수치 해석 결과에서도 확인이 되었다. 본 연구에서는 스트리퍼 영역뿐 아니라 디스크 영역까지 고려하여 3차원 유동 해석을 수행함으로써 재생형 펌프의 날개 각도에 따른 내부 유동장 분석 변화를 관찰하고, 성능 변화의 메커니즘을 정량적으로 분석하였다. 또한 기본적인 지배방정식에 근거하여 재생형 펌프의 성능을 결정하는 주요 변수인 순환 유량과 Euler 양정을 수치해석을 통해 얻은 데이터로부터 직접적으로 산출하였다.
전향 날개는 임펠러의 회전 방향으로 꺾여 있는 날개로 인해 순환 유동이 제대로 발달하지 못하면서 직선 반경형 날개의 펌프에 비해 성능이 감소한다. 후향 날개는 전향 날개에 비해 상대적으로 순환 유동이 쉽게 발달하였으나, 단위 질량유량 당 전달하는 에너지가 현저하게 감소하였다. 그에 따라 Euler 양정이 가장 낮은 값을 보이면서 최종적인 펌프 성능이 반경형 날개에 비해 떨어진다. 전곡 날개는 순환 유량과 Euler 양정 모두 가장 높은 값을 가지면서 전체적으로 가장 높은 성능을 보였는데, 순환 유동의 입구 영역에서 날개의 경사각을 따라 유동을 쉽게 유입시키면서 순환 유동이 강하게 발달하게 되는 것을 확인하였다. 이처럼, 순환 유량과 Euler 양정은 임펠러의 날개 각도에 따라 바뀌는 유동 구조에 의해 민감하게 변하면서 펌프의 전체적인 성능 변화를 가져오는 것을 알 수 있다. 또한 재생형 펌프의 디스크와 스트리퍼를 통해 빠져나가는 누설유량과 그에 따른 누설손실을 계산한 결과, 이로 인한 성능 저하가 다른 형태의 터보 기계에 비해 매우 크게 나타나는 것을 확인하였다. 본 연구의 결과는 재생형 펌프의 기본적인 작동 메커니즘을 이해하는 것을 시작으로 주요 성능 변수에 대한 직접적인 해석을 통해, 보다 더 나아가 다양하게 요구되는 설계 조건에 부합하는 새로운 형상의 재생형 펌프를 설계하는 과정에 있어서 기조가 되어 활용될 것으로 기대된다.
