2024년 펌프 및 수차 분야 연구동향

1. 서 론

본 논문에서는 2024년도 펌프 및 수차 분야에서 한국유체기계학회 논문집과 한국유체기계학회 하계/동계 학술대회에서 발표된 논문을 집계하였다. 최근 3년간 투고 방법별 및 기기 유형별 논문 수 변화를 분석하여 국내 펌프 및 수차 분야의 정량적 연구 동향을 검토하고자 하였다. 아울러, 2024년에 게재된 논문을 연구 방법과 연구 분야별로 분류하여 국내 펌프 및 수차 분야의 연구 현황을 분석하고, 향후 연구 발전 도모를 위한 기초 통계 자료를 제공하고자 한다.

2. 투고 방법별 분류

Table 1은 최근 3년(2022∼2024년) 동안 펌프 및 수차 분야에서 발표된 논문 수를 투고 방법별로 분류하여 나타낸 것이다. 전체 논문 수를 보면, 2024년 발표된 논문은 총 81편으로, 최근 3년간 발표된 논문 중 가장 많은 편수를 기록했다. 이는 2024년에도 펌프 및 수차 분야에서의 연구가 활발히 진행되고 있음을 의미한다.

Table 1

Number of papers by submission type in pump and hydraulic turbine fields(2022–2024)

유체기계학회 논문집에 게재된 논문의 경우, 2024년에는 총 8편이 심사를 통과하여 제27권 2호∼6호에 게재되었다^(1∼8). 이는 2022년과 동일한 수준이며, 2023년(5편)에 비해 증가한 수치이다. 최근 3년간 하계학술대회에서 발표된 일반 세션 및 특별 세션 논문의 경향을 비교하면, 일반 세션의 논문 수는 4편(2022년), 10편(2023년), 17편(2024년)^(9∼25)으로 증가한 반면, 특별 세션의 논문 수는 26편(2022년), 20편(2023년), 18편(2024년)^(26∼43)으로 감소하는 추세를 보였다. 동계학술대회에서도 유사한 경향이 나타났으며, 일반 세션의 논문 수는 13편(2022년), 10편(2023년), 20편(2024년)^(44∼63)으로 2024년에 많이 증가한 것으로 확인되었다. 반면, 특별 세션의 논문 수는 27편(2022년), 22편(2023년), 18편(2024년)^(64∼81)으로 감소하는 경향을 보였다. 이는 최근 학술대회 조직위원회에서 내실 강화를 위해 일반 세션 활성화를 적극적으로 유도한 영향인 것으로 생각된다. 또한, 국내 연구기관과 대학에서의 펌프와 수차 분야에 관한 기본 연구가 한층 활발해진 것으로도 이해된다.

3. 기기 유형별 분류

Table 2는 최근 3년간(2022∼2024년) 펌프 및 수차 분야에서 발표된 논문 수를 기기 유형별로 분류하여 나타낸 것이다. 2024년 출판된 펌프 관련 논문은 총 38편으로, 2022년의 53편보다는 많이 감소하였으나, 2023년(33편)과 유사한 수준을 보였다. 2024년 출판된 수차 관련 논문은 총 23편으로, 2023년(28편)보다 다소 감소하였다. 2024년 펌프-수차 관련 논문은 13편으로, 기존(2022년 4편, 2023년 3편)보다 대폭 증가하여 주목할 만하다. 2024년에는 기타 분야의 논문 발표도 7건으로 증가하였다.

Table 2

Number of papers by machine type in pump and hydraulic turbine fields(2022–2024)

펌프의 기기 별 논문 발표 사례를 살펴보면, 원심펌프의 경우 축 슬리브 설계 인자가 성능에 미치는 영향⁽⁶⁾, 입구 직경 변화에 따른 흡입 성능 변화⁽⁹⁾, 평균 유선 해석의 계수 보정을 통한 예측 정확도 개선⁽¹⁴⁾, 유동 불안정성과 성능 곡선 간의 상관관계 분석⁽¹⁸⁾, 디지털 트윈 ROM(reduced order model) 개발을 위한 실험 및 해석^(33,80) 등의 연구가 수행되었다. 축류펌프에 관한 연구는 ‘가변형 중대형 펌프 기술 개발’ 과제^(26,68)의 일환으로 활발히 진행되었으며, 입구 유동 각이 유동 불안정성과 성능에 미치는 영향⁽¹⁾, 설계 및 부분 부하 운전 구간에서의 비정상 유동 구조 분석⁽⁷⁾, 가변형 입구 안내 깃 제작 및 평가⁽²⁸⁾, 가변형 입구 안내 깃에 의한 성능 및 유동 특성 변화⁽²⁹⁾, 디퓨저 베인 설계 최적화⁽²⁷⁾, 팁 간극에 따른 성능 및 흡입 특성⁽⁶⁹⁾과 관련된 연구가 보고되었다. 사류펌프에 대한 연구로는 세미오픈 케이싱 익단 간극이 수력 성능과 흡입 성능에 미치는 영향⁽⁵³⁾, 가이드 베인 보호 장치 적용⁽¹⁵⁾과 관련된 사례가 보고되었다. 이와 함께 액체 로켓 엔진용 전기펌프⁽⁵²⁾, 고형물 이송 펌프⁽²²⁾, LPG 사이드 채널 펌프⁽⁴⁾, 듀얼 시린지 펌프⁽⁶³⁾, 마이크로펌프⁽⁶²⁾ 등 특수한 형태의 펌프 연구도 진행되고 있음을 확인할 수 있다.

수차의 논문 발표 사례를 살펴보면, 프란시스 수차와 관련된 논문은 한국수력원자력의 ‘수력/양수 기술개발 국산화 및 기술자립’ 및 ‘유연화 운전 대응 고효율 수차발전시스템 기술개발’ 특별 세션을 통해 다수 발표되었다. 해당 세션에서는 수차 러너 블레이드의 수력/구조 설계^(67,74,75), 스테이 베인 구조 안정성 평가⁽⁷³⁾, 틸팅 패드 저널 베어링 시험 장치 개발⁽⁷²⁾ 등 구성요소 관련 연구뿐만 아니라, 수력 설계 검증용 성능 시험 설비 개발^(42,43), 통합 제어 시스템 국산화⁽⁶⁶⁾ 등 수차 시스템 전반에 관한 다양한 연구가 소개되었다. 벌브 수차 논문의 경우 낙차에 따른 캐비테이션 발생 특성⁽⁴⁶⁾, 입구 안내 베인 각도가 성능에 미치는 영향⁽⁵⁵⁾이 발표되었으며, 횡류 수차의 경우 원호 기반 도립형 노즐 설계법⁽¹⁰⁾이 논의되었다. 또한, 수차 가이드 베인 서보모터 국산화⁽²⁴⁾, 수차 발전기 로터-베어링 동역학 설계 및 문제 개선⁽²⁵⁾, 틸팅 패드 베어링 윤활 성능 분석⁽²¹⁾, 소수력 운영에 따른 발전량 및 판매 수익⁽⁵⁹⁾ 등 다양한 분야에서의 연구가 진행되었다.

펌프-수차 논문의 경우, 유동 특성과 관련된 연구로는 비속도에 따른 S-곡선 영역의 유동 특성과 임펠러 각도의 영향을 분석한 연구가 발표되었다^(2,5,11,12). 한편, 소형 양수 발전(Micro Water Energy Storage System, Micro-WESS)에 대한 기술 동향⁽³⁷⁾, 1MW급 소형 양수발전 시스템 설계⁽⁵⁰⁾, 발전전동기 설계⁽⁵¹⁾ 등이 소개되었으며, 이는 전력 계통의 안정화를 위한 소형 양수 발전의 필요성이 증가하고 있음을 시사한다. 이 외에도 양수 발전소 방류 터널 설비⁽⁴⁷⁾ 및 입구 밸브⁽⁵⁴⁾ 등 부수 기기와 관련된 연구도 발표되었다.

기타 논문의 경우, 하계 학술대회에서 진행된 ‘PHM (prognostics and health management) & 디지털트윈 솔루션’과 동계 학술대회의 ‘방위산업 분야 유체기계를 위한 PHM & AI 솔루션’ 특별 세션을 통해 많은 연구가 소개되었다. 해당 세션에서는 송풍기⁽⁸¹⁾, 풍력 터빈⁽³²⁾, 가스터빈^(35,79), 방위 산업^(77,78) 등 다양한 분야에서의 인공지능과 디지털 트윈 플랫폼 개발 사례가 공유되었으며, 이를 통해 향후 펌프 및 수차 분야에서의 적용 가능성을 환기시키는 계기가 되었다.

4. 연구 방법별 분류

연구 방법을 기술 개발, 설계, 사례 분석, 해석 및 실험으로 분류하였으며, 2024년도에 발표된 펌프 및 수차 분야 논문의 연구 방법별 개수와 비율을 Table 3에 정리하였다. 표에서 확인할 수 있듯이, 총 81편의 논문 중 해석과 관련된 논문이 36편(44.4%)으로 가장 큰 비중을 차지하였으며, 설계 및 기술 개발 논문이 27편(33.4%)으로 그 뒤를 이었다. 현장에서의 문제 식별 및 해결과 관련된 사례 분석 논문은 10편(12.3%), 실험 논문은 8편(9.9%)이 보고되었다.

Table 3

Number of papers by research type in pump and hydraulic turbine fields(2024)

2024년도 논문 중 가장 높은 비율을 차지하는 해석 연구는 주로 3차원 CFD 해석을 활용하여 펌프 및 수차의 성능과 유동 특성을 분석한 내용이 대부분이었다. 또한, 캐비테이션 모사 및 흡입 성능 해석을 위한 공기/물 분율 모델 및 캐비테이션 모델을 적용한 연구도 발표되었다. 이 외에도 평균유선 해석법을 적용한 1차원 성능 해석⁽¹⁴⁾, 회전체 시스템의 동특성 해석⁽⁶⁴⁾, 30MW 수차 가이드 베인 구조 해석⁽⁷³⁾, 수차 러너의 dry/wet 모드 해석⁽⁷⁴⁾, 틸팅 패드 스러스트 베어링의 윤활 성능 해석⁽²¹⁾ 등이 소개되었다.

펌프 및 수차 분야에서 두 번째로 높은 비율을 차지하는 설계⋅기술 개발 연구는 주로 국책 과제를 통해 수행된 연구들이 포함되었다. 주요 내용으로는 연구 과제 개요^(26,68), 성능 시험 설비 구축 사례^(42,43), 현장 효율 시험 절차 개발⁽⁴¹⁾, 수력/양수 개발 사례⁽³⁶⁾, 통합 제어 시스템 국산화⁽⁶⁶⁾ 등이 있다. 또한, 인공지능을 기반으로 한 건전성 관리⁽⁷⁷⁾, 기계학습 기반 성능 예측⁽⁸¹⁾, 압축기 공진 회피 기술⁽⁷⁹⁾, 최적 운전 알고리즘 구축⁽³⁵⁾ 등의 플랫폼 개발 사례도 발표되었다.

사례 분석 논문은 주로 수력⋅양수 발전소에서 발생하는 문제를 식별하고 해결하는 연구가 많았다. 주요 내용으로는 수력 발전소 수차 진동 저감⁽²³⁾, 수차 안내깃 서보모터 성능 복구 사례⁽²⁴⁾, 수차 로터-베어링 시스템의 현장 트러블슈팅⁽²⁵⁾, 양수 발전소 지하 방류 터널 침수 방지 고도화⁽⁴⁷⁾, 양수 발전소 입구 밸브 정비⁽⁵⁴⁾, 수차 가이드 베인 서보모터 동작 부조화 현상 고찰⁽⁵⁷⁾ 등이 포함되었다.

실험 연구에서는 펌프-수차 효율 측정을 위한 열역학적 방법 고찰⁽¹⁷⁾, 축류 펌프의 입구 안내 깃 각도 변화에 따른 수력 성능 및 흡입 성능 연구^(44,56), 디지털 트윈 ROM 개발을 위한 펌프 이상 현상(마모, 파울링) 모사 및 성능 특성 관측^(33,80) 등의 연구가 보고되었다.

5. 연구 분야별 분류

펌프 및 수차 분야의 연구를 유동, 구조, 시스템/계통, 시험평가, 플랫폼/인공지능, 정책, 전자기 및 회전체/진동으로 분류하였으며, 2024년도에 발표된 연구 방법별 논문 수와 비율을 Table 4에 정리하였다. 총 81편의 논문 중 유동과 관련된 논문이 36편(44.4%)으로 가장 높은 비중을 차지하였으며, 시스템/계통 관련 논문이 13편(16.0%)으로 그 뒤를 이었다. 인공지능 및 디지털 트윈 플랫폼과 관련된 논문은 10편(12.3%)이 보고되었으며, 구조, 시험평가, 정책, 전자기, 회전체/진동 분야 논문은 4∼5편으로 유사한 수준을 보였다.

Table 4

Number of papers by research field in pump and hydraulic turbine fields(2024)

유동 관련 논문에서는 주 유로 형상 변수 변화에 따른 유동 특성을 다룬 연구들이 발표되었다. 주요 연구 주제로는 임펠러 출구 각도⁽⁵⁾, 입구 직경⁽⁹⁾, 익단 간극 비⁽⁶⁹⁾, 입구 안내 깃 각도⁽⁵⁶⁾, 비속도⁽²⁾, 자오면 형상⁽⁷⁵⁾ 등이 있으며, 가이드 베인 보호 장치⁽¹⁵⁾와 폐쇄형 임펠러와 케이싱 사이 간극⁽⁵⁸⁾ 등 이차 유로 내 유동 특성 분석 연구도 포함되었다. 또한, 고압 관내 환경에서의 피그 세척 능력⁽⁶¹⁾과 초미세 기포 발생기의 내부 유동 특성⁽⁸⁾ 등 특수 유동 현상에 대한 연구도 발표되었다.

시스템/계통 분야 논문에서는 가변형 운전이 가능한 중대형 펌프 시스템 기술 개발 연구^(26,68), 수력 설계 검증을 위한 모델 수차의 기계 및 유체 계통 개발⁽⁴²⁾, 전기 및 계측제어 계통 개발⁽⁴³⁾, 1MW급 펌프-수차의 기초 설계 및 유동/구조 해석⁽⁵⁰⁾, 유량 제어 방식에 따른 축류펌프의 에너지 절감 운전 시나리오⁽¹⁶⁾ 등이 다뤄졌다.

AI 기반 플랫폼 개발 연구로는 시계열 AI 기반 진공 펌프 이상 감지 기술⁽²⁰⁾, 펌프 시스템의 AVR 기반 가시화 기술⁽³⁰⁾, 다층 퍼셉트론(MLP) 구조를 활용한 송풍기 성능 예측⁽⁸¹⁾ 등의 논문이 보고되었다.

기타 분야 논문으로는 물 에너지 저장 기술의 미래 전망(정책)⁽³⁸⁾, 용융염 펌프 회전축 밀봉 구조 개념 연구(구조)⁽⁶⁰⁾, 열역학적 방법을 이용한 펌프-수차 효율 시험 기술 개발(시험평가)⁽¹⁷⁾, 양수 발전용 동기 발전전동기 설계(전자기)⁽⁴⁹⁾, 30MW급 수차-발전기 회전체 시스템의 동적 특성 분석(회전체/진동)⁽⁶⁴⁾ 등이 소개되었다. 이를 통해 펌프 및 수차 분야에서 다양한 연구 관점이 반영되었으며, 연구 주제의 폭이 한층 넓어졌음을 확인할 수 있었다.

6. 결 론

2024년 한국유체기계학회 논문집과 한국유체기계학회 하계⋅동계 학술대회에서 발표된 논문을 중심으로 2024년 펌프 및 수차 분야의 연구 동향을 살펴보았다. 연도별 논문 분석 결과, 일반 세션 논문의 꾸준한 증가로 학술대회의 내실이 강화되고 있음을 확인할 수 있었으며, 과거에는 펌프 및 수차 분야에 집중되었던 연구가 최근에는 펌프-수차 연구와 기타 관련 분야로 확대되고 있다는 점이 긍정적으로 평가된다. 연구 방법 및 연구 분야별 논문 분석 결과, 각각 해석 및 유동 관련 논문이 절반을 차지하는 것으로 나타났으며, 학문적 다양성을 확보하기 위해서는 보다 폭넓은 연구 방법과 다양한 연구 분야에서 활발한 연구가 이루어질 필요가 있다. 2025년에도 펌프 및 수차 분야의 지속적인 발전을 위해 관련된 기초 및 심화 연구가 활발히 이루어지고, 우수한 연구 성과가 발표되기를 기대한다.

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