생기원, 구동 에너지 20% 줄일 수 있는 펌프 기술 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 한국생산기술연구원(원장 이상목)이 펌프의 에너지를 20%까지 줄일 수 있는 기술을 개발했다고 9일 발표했다.

생기원 산업에너지연구부문 김진혁 수석연구원 연구팀이 개발한 '가변형 중대형 축류펌프'는 유입되는 부하(유량)의 변화에 따라 유입 가이드의 각도가 자동으로 바뀌면서 최적화된 에너지를 사용할 수 있도록 설계됐다.

펌프, 압축기, 송풍기 같은 유체기계는 산업용 전력의 24.3%를 사용하는 대표적인 에너지 다소비 장치다. 이 가운데 펌프가 절반 이상을 차지한다. 연구팀은 이 기술이 다양한 분야에서 사용되는 유압장치의 에너지 사용을 줄여 탄소중립에 기여할 것으로 기대했다.

펌프는 유체의 양에 따라 부하 변동이 심하다. 보통 최대 유량을 기준으로 최적화된 효율을 갖도록 설계하는데 최적 효율점을 벗어나면 대형펌프의 경우 에너지 효율이 20~30%까지 떨어진다.

축류펌프는 임펠러(Impeller)를 회전시켜 유체를 축 방향으로 보내는 펌프다. 물속에서 프로펠러가 돌면 배가 앞으로 나아가는 것과 같은 원리다. 펌프가 퍼 올릴 수 있는 높이는 낮은 반면 대용량 이송에 적합해 취·배수용으로 널리 쓰인다. 최근에는 기후변화로 인한 국지성 호우가 잦아지면서 빗물배수용 펌프로 수요가 늘고 있다.

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

연구팀은 축류펌프에 가변형 입구 가이드베인(Inlet Guide Vane, IGV) 운전기술을 적용해 유체의 양에 따라 운전패턴이 달라져도 높은 에너지 효율을 유지할 수 있게 설계했다. 이를 위해 머신러닝 기반의 형상최적화 설계기술을 개발하고, 가변형 입구 가이드 베인을 설계해 축류펌프 구동 동력을 최대 20% 절감했다.

IGV는 유체 기계에서 유입량을 조절하는 장치다. 축류펌프는 유체의 흡입방향과 토출방향이 같기 때문에 토출축이 막히면 심각한 와류가 형성돼 임펠러를 돌리는 데 필요한 동력이 커지게 된다. 이때 임펠러 앞단에 위치한 IGV가 와류 형성을 억제하고, 운전 점에서의 성능을 조절하는 역할을 한다.

연구팀은 펌프의 운전 패턴을 분석해 물의 유입각과 펌프 임펠러 블레이드의 각도를 일치시킬 수 있는 가변형 운전기술을 개발했다. 이를 바탕으로 최적 효율점이 아닌 경우에도 유체의 양에 따라 IGV의 각도가 자동으로 바뀌며 펌프의 동력을 절감할 수 있도록 했다.

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

이번 성과는 2024년 3월 국제학술지 ‘Energy'를 비롯한 다수의 해외 저널에 게재됐으며, 한국생산기술연구원이 2년마다 선정하는 생산기술연구상 우수상에 선정되기도 했다.

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