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Dynamics >>19
CFD
modeling and design optimization of a gerotor pump
F. Iudicello,
Pump Products Division, DANA Engine and Fluid Management
Gerotor Pump는 연료 공급, 엔진오일 및 변속기 시스템과 같은 자동차 산업에서 폭넓게 사용되고 있습니다. Volumetric Efficiency 및 Cavitation Damage는 높은 출구유동을 내는 Gerotor Pump에서 관심을 가지고 있는 대상입니다. Pump의 효율을 최적화하고 Cavitation Damage를 감소시키기 위하여, Pump 내부의 유체동역학을 이해하는 것은 필수적입니다.
Gerotor Pump(그림 1)에서, 유체는 입구 포트로 빨려들어가 출구 포트로 옮겨집니다. Rotor의 공차(그림 2)로 인해, 유동의 누설이 Pump의 고압 및 저압부 사이에서 발생합니다. 압력을 제한하기 위해서, 초과된 유체는 Pressure Relief Valve를 통하여 입구 포트로 재순환됩니다. Rotor 공차를 통한 유동은 높은 속도와 부분적인 저압 구간을 생성합니다. 이는 공기와 증기방울을 생성하게 되고 이는 Cavitation Damage 및 Noise의 요인이 됩니다.
CFD 해석은 Pump 유동 효율의 최적화 및 유체에서 발생하는 소음의 감소를 위한 비용면에서 효과적인 도구로 사용될 수 있습니다[1]. Gerotor Pump의 설계를 최적화하기 위해 Gear의 Meshing, 공차에서의 누설 유동 및 Cavitation Bubble의 형성, 재압축 및 수축 등을 고려한 실제 CFD 모델이 필요합니다.
Gerotor Pump릉 위해 특별히 움직이고 변형되는 경계를 가진 3차원 비정상상태 모델이 개발되었습니다. 이 모델은 Cavitation Bubble의 형성, 재압축 및 수축등을 실제적으로 Gear 회전의 동역학, 격자 생성, 입/출구 포트에서의 슬라이딩, Rotor Set의 공차를 통한 유동의 누설 등을 모델링함으로써 예측할 수 있습니다. 격자 생성 및 시간에 종속적인 조작은 PROSTAR와 Pre-processor인 STAR-CD를 통해 수행되었습니다. Pump Chamber에서의 격자의 움직임/회전 및 변형은 "Script"를 사용하여 정의하였습니다.
격자의 밀도 및 분포, 시간 간격 등에 대한 광범위한 민감성은 정확도와 관련되어 연구가 수행되어져 왔습니다. Pump 설계과정에서의 CFD 해석을 통한 설계 향상을 구체화할 수 있게 하기 위해서, 계산시간은 몇시간 이내로 지켜져야만 했습니다.
Gerotor Pump 내부의 유동에 대한 CFD 해석은 연료공급 Pump의 설계 최적화를 이끌어왔습니다. 유사한 분석이 작거나 큰 Rotor, 넓은 범위의 Rotor 공차, Pump의 속도 및 유체 점도 등을 가진 Gerotor Pump에서 수행되었습니다. CFD 계산에 의한 최초의 검증은 [2]에서 수행되었습니다. CFD에 의한 Average Delivery Flow Rate와 그 변동값은 다른 속도와 압력에서 실험값들과 비교되었습니다. 일반적으로 Delivery Flow Rate의 값은 실험 데이타와 잘 일치했고 실험에서의 변동 범위 내에 들어왔습니다. Flow Ripple은 유동이 비압축성이라는 가정과 그에 따라 누설이 과다하게 예측되었으므로 과다하게 예측되었습니다. 속도 벡터와 압력 분포에 대한 결과는 Pump Cycle에서의 다른 회전 각도에서의 결과가 그림 4와 5에 나타나 있습니다.
CFD 설계 최적화는 Pump의 Volumetric Efficiency를 최대화하고 Cavitation Damage 및 Noise를 최소화하기 위해 실험적설계(DOE)를 이용하여 수행되어 왔습니다. 포트의 형상 및 Rotor의 공차에 의한 효과도 평가되었습니다. CFD 결과를 이용한 DOE 해석은 유동 효율에 대한 가장 중요한 파라메터가 Rotor 공차와 입구 Groove의 존재 여부라는 것을 보여줍니다. 유동의 Fluctuation RMS에 대한 가장 중요한 변수는 공차, 입구측의 Minor Sealing Angle과 출구측의 Major Sealing Angle입니다. CFD 최적 설계의 실험적 검증은 적절한 수준까지 Cavitation Damage를 줄여주는 것을 보여주었습니다. 앞으로의 개발과제는 압축성 유동과 Cavitation을 포함하여야 할 것입니다.
References
[1]
Iudicello, F. and Baseley S. CFD modeling of the flow control valve
in a hydraulic pump. PTMC 1999, ed. Burrows, C.R. and Edge, K. A.,
University of Bath, 1999, pp.297-312.
[2] Iudicello, F. and Mitchell
D. CFD modeling of the flow in a gerotor pump. PTMC 2002, ed. Burrows,
C.R. and Edge, K. A., University of Bath, 2002, pp.53-66.
[3]
Iudicello, F. CFD modeling and design optimization of a gerotor
pump. Eighth European Congress on Fluid Machinery for the Oil, Gas
& Petrochemical Industry, The Hague, 31 Oct- 1 – 1 Nov
2002.
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