KR0171871B1 - 일체형 원심 펌프 및 모터 - Google Patents

일체형 원심 펌프 및 모터 Download PDF

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KR0171871B1 KR1019930701042A KR930701042A KR0171871B1 KR 0171871 B1 KR0171871 B1 KR 0171871B1 KR 1019930701042 A KR1019930701042 A KR 1019930701042A KR 930701042 A KR930701042 A KR 930701042A KR 0171871 B1 KR0171871 B1 KR 0171871B1
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쿠퍼 폴
제이 불손 리이
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아아서후루크트만
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Abstract

영구·자석들을 포함하여 브러시없는 직류 모터의 회전자 역할을 하는 임펠러 디스크에 의한 일체형 원심 펌프 및 모터가 제공된다. 회전자는 비 접촉식 반경방향 베어링들에 의해 지지되며 어떠한 축방향 드러스트에 대해서도 유압 평형이 이루어짐으로써 작동중에 회전 요소들과 고정 요소들 사이에 접촉이 이루어지지 않는다. 또한, 임펠러 디스크가 모터 회전자이므로, 일반적으로 하우징을 관통하는 축이 필요없게 되며, 따라서 밀봉부들도 필요하지 않게 된다. 이 결과, 펌프가 소형으로 되며 가변 속도들에서도 전자적으로 작동될수 있다.

Description

[발명의 명칭]
일체형 원심 펌프 및 모터
[발명의 상세한 설명]
[발명의 배경]
본 발명은 축 기밀(shaft seals)이 필요하지 않은 전기 구동식 원심 펌프에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 콤팩트하고, 가변 속도로 전자적으로 작동할 수 있으며, 밀봉부가 필요하지 않은 무축 회전자(shaftless rotor)와, 작동중에 비-접촉 레디얼 베어링 지지부와, 회전자에 대한 유체 역학적 축 방향 드러스트 평형이 있는 일체형 원심 펌프 및 모터를 제공하는 것이다.
원심 유체 펌프는 유압 분야 및 공압 분야에서 널리 알려져 있는 것이다. 일반적으로, 상기 펌프의 모터는 유체 임펠러가 장착된 축을 구동시키는 역할을 한다. 유체는 일반적으로, 유체 유입구 또는 흡입구를 통해 임펠러의 중앙 또는 허브로 공급된다. 나선형 통로에 허브로부터 외측 방향으로 돌출 형성된 다수의 임펠러 베인(vane)은, 베인과 함께 펌핑 채널을 형성하는 시라우드(shroud) 사이에서 지지를 받게 된다. 회전자는 작업 유체를 흡입구에서 허브 또는 인듀서(inducer)로 전달하는 하우징에 싸여지며, 작업 유체는 베인과 시라우드 사이에 펌핑 채널로 유도되는 것이다. 임펠러의 원심분리 동작은 작업유체가 임펠러 디스크의 둘레에 디퓨저(diffuser)의 외부 방향으로 운동되게 하고, 작업 유체는 스크롤형 벌류트(volute)에 유입되어 그로부터 펌프의 토출구로 전해지는 것이다.
임펠러를 지지하는 모터 축은 작업 유체에 의해 간헐적으로 윤활되는 베어링을 필요로 하는데, 그러나 상당수의 경우에서 베어링은 작업 유체의 상반된 성질로 인해 분리된 윤활을 필요로 한다. 모든 경우에서, 펌프 하우징에 유입되는 임펠러 축의 둘레에 작업 유체의 누출을 방지하는 기밀부를 필요로 한다. 얼마간 사용후에, 베어링은 회전축 반경방향의 변위를 허용하는 지점으로부터 악화되기 시작한다. 이러한 사실은 축 기밀부의 마모 및 악화를 가속시키어 펌프 하우징으로부터 작업 유체의 누출을 초래하게 된다.
FR-A-591,315호는, 임펠러의 양쪽 측면에 형성되고 덕트에 의해 서로연결된 2개의 평형 챔버를 포함하는 원심 펌프용 평형장치(a balancing device for centrifugal pumps)를 개시하고 있다. 상기 장치는 예를 들어, 만일 임펠러의 양쪽측면에 평형 상태가 이루어져 있지 않으면, 평형 챔버 내에 서로 다른 압력이 형성되게 된다. 따라서 유체가 덕트를 통해 흘러 압력 평형상태를 회복시키게 한 구조의 것이다.
[발명의 요약]
본 발명의 제1면에 의거 : 흡입구 및 토출구와 내부 챔버를 가진 하우징과; 상기 챔버 내에서 축선을 중심으로 회전되게 지지되는 임펠러와 ; 상기 임펠러를 회전식으로 구동시키는 모터 (코일)고정자와; 상기 임펠러에 대한 축방향 유체 역학적 평형을 제공하는, 소량의 펌핑 작업유체의 흐름 방해를 위해 설치된 축 방향 드러스트 평형 링과 ; 허브 부분과 각각의 시라우드와의 사이에 통로와, 그 통로 내에 배치된 인듀서를 구비하는, 작업 유체를 대향 방향으로부터 펌핑 채널 쪽으로 유도하는 인듀서 조립체와; 각각의 인듀서에 인접하여 설치된 재순환 통로를 포함하며: 상기 축선을 중심으로 회전하여 작업 유체를 펌핑 하는 상기 임펠러는, 중앙 통로와; 상기 허브 부분에 지지되며 한 개 이상의 영구 자석을 가진 제1 및 제2 디스크형 임펠러 시라우드와; 상기 축선에 수직한 공통 평면에서 회전하도록 상기 제1 및 제2 시라우드와의 사이에 공통 평면에서 상기 허브 부분으로부터 외측 방향으로 돌출된 다수의 임펠레 브레이드에 의해 형성된 다수의 펌핑 채널을 구비하며; 상기 시라우드에 인접 배치되어 시라우드와의 사이에 소량의 펌핑 작업 유체를 수용하는 간격을 형성하는 고정자 코일은, 상기 인펠러의 중앙 통로를 지나온 작업 유체가 통과하는 축방향 드러스트 평형 통로를 제공하고 ; 인듀서는 임펠러로부터 이격져 있는 펌핑 부재를구비하는 일체형 원심 펌프 및 모터를 제공하는 것이다.
본 발명의 제2면에 의거, 흡입구 및 토출구가 있는 내부 챔버를 구하는 하우징과; 허브 부분과, 영구 자석을 가진 한 개 이상의 디스크형 임펠러 시라우드와, 상기 시라우드의 일 표면에 고정되어 상기 허브 부분으로부터 외측 방향으로 돌출된 다수의 임펠러 브레이드에 의해 형성된 다수의 펌핑 채널, 및 상기 허브 부분과 시라우드 사이에 한 개 이상의 통로가 있는 , 유체를 펌핑 채널로 공급하는 수단으로 이루어진 임펠러를 포함하는 일체형 원심 펌프 및 모터에 있어서; 임펠러 브레이드로부터 이격 설치된 펌핑 부재를 구비하는 한 개 이상의 인듀서 조립체를 그 내부에 설치하고; 각각의 인듀서에 인접하여 재순환 통로를 배치시킨 일체형 원심 펌프 및 모터가 제공된다.
본 발명의 제3면에 의거, 흡입구 및 토출구를 연결하는 내부 챔버를 가진 하우징과; 내부에 배치된 영구 자석을 가지며, 상기 챔버 내에 지지되어 작업유체를 펌핑하도록 축선을 중심으로 회전하는 디스크형 임펠러; 및 상기 임펠러를 회전식으로 구동시키며, 상기 임펠러의 일 측면에 배치되어 상기 임펠러와의 사이에 소량의 펌핑 작업 유체를 수용하는 간격을 형성하는 모터(코일)고정자를 포함하는 일체형 원심 펌프 및 모터에 있어서, 상기 간격 내에 배치되어 그 간격을 통과하는 소량의 펌핑 작업 유체의흐름을 방해하는 평형 링을 포함하여, 상기 임펠러의 축방향 유체 역학적 평형을 제공하는 일체형 원심 펌프 및 모터를 제공하는 것이다.
첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명에 따른 원심 펌프의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 단면도.
제2도는 본 발명의 펌프의 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 단면도.
제3도는 제1도에 도시된 펌프의 3-3선을 따라 취해진 단면도.
[발명의 상세한 설명]
제1도는 본 발명의 원심 펌프의 일 실시예를 나타낸 단면도로서, 이 펌프는 제1도의 중앙선으로 나타내어지는 중앙 수직면을 중심으로 좌우 대칭으로 도시하였다. 하우징(10)에는 인듀서(inducer) 조립체(18)에 의해 연결된 흡입구(11)와 토출구, 임펠러 시라우드(15), 비-베인 회전 디퓨저(rotating vaneless diffuser)(24), 및 벌류트(volute)(13)가 있다. 펌핑 유체는 흡입구(11)에서 흡입되고; 인듀서 조립체(18)의 양 측면으로 분리 통과하여; 임펠러 브레이드(21)가 그 사이에 배치되는, 인접 임펠러 브레이드(21)와 임펠러 시라우드(15) 사이에 공간으로 한정된, 펌핑 채널(55)(제3도에 도시됨)을 통해 제1 및 제2 임펠러 시라우드(15) 사이를 통과하고; 비-베인 회전 디퓨저(24)를 통과한 다음, 벌류트(13)를 통해 토출구(12)로 배출된다. 디퓨저(24)와 벌류트(13) 사이에서, 소량의 고압 유체는 축 방향 드러스트 평형 통로(45)를 통해 귀류(feed back)한다. 고정자(14) 사이에서 임펠러 시라우드(15)가 회전하는데 필요한 간격을 제공하는 상기 협폭의 통로는, 또한 유체가 귀류하도록 허용함으로써 회전자의 축방향 드러스트를 상쇄시키는 유체 역학적 평형을 제공하여 회전자가 고정자(14) 사이의 중앙에 유지되게 한다. 평형 통로(45) 내에서 고정자(can)(17)의 표면 또는 하우징(10)의 돌출부에는 축방향 드러스트 평형 링(16)이 설치된다. 임펠러 시라우드(15) 및 고정자 캔(17)또는 하우징(10) 사이의 축방향 간격을 좁게 함으로써, 평형 링(16)은 축방향 드러스트 평형 성능을 향상시키는 평형 통로(45)내의 유체 압력을 증가시키는 역할을 한다.
일부 경우에서는, 고정자(14)가 캔이나 캡슐로 둘러싸여 있지 않기 때문에, 축 방향 드러스트 평형 링(16)을 배치하기 위하 다른 구조를 요구할 수도 있다. 이러한 경우에는, 축 방향 드러스트 평형 링(16)을 하우징(10)의 돌출부에 배치시킬 필요가 있다. 하우징(10)의 각각의 절반부는 고정자(14)가 고정되는 환형 홈(33)을 가진다. 또한, 인듀서가 설계 기준을 넘는 유량에서도 원활하게 작용될 수 있도록 재순환 통로(20)가 설치된다.
인듀서 조립체(18), 임펠러 시라우드(15), 임펠러 브레이드(210, 및 회전 디퓨저(24)를 포함하는 회전자 조립체는, 임펠러 시라우드(15)의 관형 축 방향 연장부의 외측에 제공된 저널(journal)에서 레디얼 자기 베어링(35)과 보조 베어링(40)으로 지지를 받는다. 동작 중에, 회전자에 대한 비접촉식 베어링 지지를 제공하기에 충분한 큰 틈새를 가진 레디얼 자기 베어링(35)에 의해 회전자는 지지를 받게 된다. 베어링(35)이 회전가를 지지하는데 실패하는 경우에, 회전자만의 비상 정지를 방지하기 위해서 보조 베어링(40)을 설치한 것이며, 그리고 상기 보조 베어링은 자기 베어링(35)보다 작은 틈새를 가지는 것이다.
각각의 임펠러 시라우드(15)는, 모터로서 작동하는데 필요한 권선 및 전기 접속부를 가진 고정자(14)와 함께 이용될 때 무-브러시 직류 모터에 회전자용으로 필요한 외주 배열 영구자석(a peripheral array of permanent magnets)을 포함한다. 임펠러 시라우드(15)가 영구 자석을 포함하고, 상기 임펠러 시라우드(15)는 레디얼 자기 베어링(35) 및 보조 베어링(40)에 지지를 받음으로, 하우징을 관통하는 어떤 축도 필요 없게 되며, 따라서, 축을 마모시켜 궁극적으로는 누출을 발생할 수 있는 회전축 밀봉부를 설치시킬 필요가 없는 것이다.
제2도는 본 발명의 펌프의 다른 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서, 하우징(10)은 다수 부분으로 구성되며, 2개의 흡입구(11)를 가지는 것이다. 다른 모든 점에서, 상기 펌프는 기능면에서 동일한 것이다. 따라서, 다양한 다수 부품의 도면부호를 제1도에 사용된 것과 일치시키었다.
제3도는 제1도의 3-3선을 따라 취해진 회전자 및 하우징의 개략 단면도이다. 임펠러 브레이드(21)는 임펠러 시라우드(15)에 부착되어 있다. 인듀서 조립체(18)는 유체를 임펠러 브레이드(21)로 공급하고, 그 임펠러 브레이드(21)는 임펠러 브레이드와 임펠러 시라우드(15)에 의해 형성된 펌핑채널(55)을 통해 그 유체를 반경외측 방향으로 배출시킨다. 디퓨저(24)는 제1 및 제2 임펠러 시라우드(15) 사이에 공간 중 임펠러 브레이드(21)가 점유하는 공간의 반경방향외측 공간에 형성된다. 디퓨저(24)에서 가압된 유체는 벌류트(13)를 통해 배출된다.
주어진 펌핑 적용예에 적합한 특정한 설계변수에는 필요한 압력 및 체적, 한정된 공간, 작업유체의 특성, 및 필요한 흡입구 및 토출구 방향 등이 있으며, 이러한 변수에 대한 적절한 값에 의해서 결정된다. 즉, 상기 변수는 임펠러 시라우드(15)의 직경, 임펠러 시라우드 사이에 공간 및 임펠러 브레이드(21)의 폭, 필요한 경우 디퓨저(24)의 크기, 인듀서 조립체(18)의 크기, 및 펌프의 하우징(10)의 크기 및 형태와, 디퓨져가 설계 범위를 초과하는 유량에서도 원활하게 작용할 수 있게끔 제공되는 재순환 통로(20)의 크기 및 형태를 결정하기 위한 고려사항이다. 고정자(14)와 임펠러 시라우드(15)은 필요한 펌핑력에 따라서 매칭되는 것이다. 고정자(14)는 작업 유체의 고정자와의 양립 여부에 따라서 캔(17)내에 둘러싸여 있을 수도 있고 그렇지 않을 수도 있는 것이다.
본 발명은, 콤팩트하고, 가변 속도로 전자적으로 작동할 수 있으며, 밀봉부가 필요하지 않은 무축 회전자(chaftless rotor)와, 작동 중에 비-접촉 레이얼 베어링 지지부와, 회전자에 대한 유체 역학적 축 방향 드러스트 평형이 있는 일체형 원심 펌프 및 모터를 제공하는 것이다. 이러한 이점은 압축성 또는 비압축성 유체 어느 것을 펌핑할 때도 얻어지는 것이다.

Claims (13)

  1. 일체형 원심 펌프 및 모터는 : 흡입구(11) 및 토출구(12)와 내부 챔버를 가진 하우징(10)과; 상기 챔버 내에서 축선을 중심으로 회전하게 지지되는 임펠러와; 상기 임펠러를 회전식으로 구동시키는 모터(코일)고정자(14)와; 상기 임펠러에 대한 축방향 유체 역학적 평형을 제공하는, 소량의 펌핑 작업 유체의 흐름 방해를 위해 설치된 축방향 드러스트 평형 링(16)과; 허브 부분과 각각의 시라우드와의 사이에 통로와, 그 통로 내에 배치된 인듀서를 구비하는, 작업 유체를 대향 방향으로부터 펌핑 채널 쪽으로 유도하는 인듀서 조립체(18)와; 각각의 인듀서에 인접하여 설치된 재순환통로(20)를 포함하며; 상기 축선을 중심으로 회전하여 작업 유체를 펌핑하는 상기 임펠러는, 중앙 통로와; 상기 허브 부분에 지지되며 한 개 이상의 영구 자석을 가진 제1 및 제2 디스크형 임펠러 시라우드 (15)와; 상기 축선에 수직한 공통평면에서 회전하도록 상기 제1 및 제2 시라우드와의 사이에 공통 평면에서 상기 허부부분으로부터 외측 방향으로 돌출된 다수의 임펠러 브레이드(21)에 의해 형성된 다수의 펌핑 채널(55)을 구비하며; 상기 시라우드(15)에 인접 배치되어 시라우드와의 사이에 소량의 펌핑 작업 유체를 수용하는 간격을 형성하는 고정자 코일(14)은, 상기 임펠러의 중앙 통로를 지나온 작업 유체가 통과하는 축방향 드러스트 평형 통로(45)를 제공하고; 인듀서는 임펠러로부터 이격져 있는 펌핑부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 일체형 원심 펌프 및 모터.
  2. 흡입구(11) 및 토출구(12)가 있는 내부 챔버를 구비하는 하우징(10)과; 허브 부분과, 영구 자석을 가진 한 개 이상의 디스크형 임펠러 시라우드(15)와, 상기 시라우드의 일 표면에 고정되어 상기 허브 부분으로부터 외측방향으로 돌출된 다수의 임펠러 브레이드(21)에 의해 형성된 다수의 펌핑 채널(55), 및 허브 부분과 시라우드 사이에 한 개 이상의 통로가 있는, 유체를 펌핑 채널로 공급하는 수단으로 이루어진 임펠러를 포함하는 일체형 원심 펌프 및 모터에 있어서; 임펠러 브레이드(21)로부터 이격 설치된 펌핑 부재를 구비하는 한 개 이상의 인듀서 조립체(18)를 그 내부에 설치하고; 각각의 인듀서에 인접하여 재순환 통로(20)를 배치시킨 것을 특징으로 하는 일체형 원심 펌프 및 모터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 임펠러는 제2 디스크형 시라우드(15)를 포함하며, 상기 임펠러 브레이드(210는 상기 제1 및 제2시라우드 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 일체형 원심 펌프 및 모터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2 디스크형 시라우드(15)는 다수의 영구 자석과, 제2디스크형 시라우드에 인접 배치된 고정자(14)를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 원심 펌프 및 모터.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2 디스크형 시라우드가 상기 제1 디스크형 시라우드의 중앙의 통로와 공통 축선의 통로를 가지며, 상기 고정자는 부가적인 중앙통로를 구비하고, 흡입구로부터 제2디스크형 시라우드와 고정자와의 사이에 통로를 통하는 상기 펌핑 채널(55)로 유체 흐름을 안내하는 제2흐름 안내 수단을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 원심 펌프 및 모터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 흐름 안내 수단이, 흐름을 상기 제1디스크형 시라우드의 중앙 통로를 통해 일 방향으로 유도하고 상기 제2디스크형 시라우드의 중앙 통로를 통해 그와 반대 방향으로 유도하는 인듀서 조립체(18)를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 원심 펌프 및 모터.
  7. 제6항에 있어서, 상기 하우징이 두 개 흡입구를 가지며, 상기 제1 및 제2흐름 안내수단이 유체 흐름을 상기 두 개 흡입구로부터 상기 제1 및 제2 디스크형 시라우드의 중앙 통로를 통해 각각 유도하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 원심 펌프 및 모터.
  8. 제5항에 있어서, 상기 제2흐름 안내 수단은, 적어도 일부분이 상기 내부 챔버 내에 배치되는 벌류트(13)를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 원심 펌프 및 모터.
  9. 제8항에 있어서, 상기 흡입구(11) 및 토출구(12), 상기 벌류트(13) 및 상기 펌핑 채널이 공통 평면에 배치되는 것을 특징으로 하는 일체형 원심 펌프 및 모터.
  10. 제5항 내지 제9항중 어느 한 항에 있어서, 제2고정자(14)를 부가로 포함하며, 상기 제1 및 제2 흐름 안내수단이 상기 하우징과 상기 고정자 사이에 각각 배치된 제1 및 제2 흐름 채널을 구비하는 것을 특징으로 하는 원심 펌프.
  11. 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정자 각각이 유체와 접촉함을 방지하도록 캡슐로 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하는 일체형 원심 펌프 및 모터.
  12. 흡입구(11) 및 토출구(12)를 연결하는 내부 챔버를 가진 하우징(10)과; 내부에 배치된 영구 자석을 가지며, 상기 챔버 내에 지지되어 작업유체를 펌핑하도록 축선을 중심으로 회전하는 디스크형 임펠러; 및 상기 임펠러를 회전식으로 구동시키며, 상기 임펠러의 일 측면에 배치되어 상기 임펠러와의 사이에 소량의 펌핑 작업 유체를 수용하는 간격을 형성하는 모터(코일)고정자(14)를 포함하는 일체형 원심 펌프 및 모터에 있어서, 상기 간격 내에 배치되어 그 간격을 통과하는 소량의 펌핑 작업 유체의 흐름을 방해하는 평형 링(16)을 포함하여, 상기 임펠러의 축 방향유체 역학적 평형을 제공하는 것을 특징으로 하는 일체형 원심 펌프 및 모터.
  13. 제12항에 있어서, 제2모터(코일)고정자와 제2평형 링을 부가로 포함하며, 상기 임펠러는 상기 제1 및 제2 모터 고정자 사이에 배치되고, 상기 제2평형 링은 상기 제2 모터 고정자와 임펠러 사이에 제2간격을 통과하는 펌핑 작업유체의 흐름을 방해하도록 그 간격 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 일체형 원심 펌프 및 모터.
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