KR100289667B1

KR100289667B1 - 고속유체이송배관용 곡형 이음관

Info

Publication number: KR100289667B1
Application number: KR1019990031097A
Authority: KR
Inventors: 이헌구; 한전건; 김윤제; 나병제; 김동원; 권동구; 김정동
Original assignee: 이헌구; 동림산업주식회사
Priority date: 1998-09-21
Filing date: 1999-07-29
Publication date: 2001-05-02
Also published as: KR19990078692A

Abstract

본 발명은 상류측 직선부와 하류측 직선부 및 이들 직선부 사이에 유로방향전환부를 가지는 엘보형, 티형, 래터럴 티형 곡형 이음관에 관한 것으로, 유로방향전환부의 중심선에서의 곡률반경은 규격곡률반경을 그대로 유지하면서 내측곡부와 외측곡부를 규격관로범위의 바깥쪽으로 확장되는 확장부를 형성한 것이다. 상류측 직선부에서 이송되는 유체가 유로방향전환부를 통과하는 과정에서 확장부에는 다수의 와류층이 형성되면서 저속 고압의 와류장형성영역이 형성된다. 따라서 상류측 직선부에서 규격관로범위를 통해 이송되는 유체는 와류장형성영역의 와류층에 부딪혀서 방향을 전환하게 되고 다수의 와류층에 부딪힌 입자의 직진 에너지와 충돌 에너지가 현저하게 감소하게 되어 관내벽에 부딪히는 입자가 관내벽에 영향을 주지 않게 되어 관내벽에 내마모성 재료의 보호막을 라이닝하지 않고서도 관내벽의 마모를 확실하게 방지할 수 있게 한 것이다.

Description

고속유체이송배관용 곡형 이음관{PIPE FITTING FOR HIGH SPEED FLUID SENDING PIPE LINE}

본 발명은 유체를 고속으로 이송하는 배관에서 유로 방향이 변하는 부위에 연결용으로 사용되는 고속유체이송배관용 곡형 이음관에 관한 것이다.

일반적으로 화력발전소, 제철소, 시멘트 제조공장 등과 같은 산업설비에서 사용하는 이송배관에 석탄이나 석탄재(Fly Ash, Bottom Ash) 등의 분체를 이송함에 있어서는 분체에 물을 가하여 슬러리(Slurry) 형태로 이송하는 습식이송방법과 기계적 힘이나 공압으로 이송하는 건식이송방법이 사용되고 있다.

상기 습식이송방법은 자중에 의한 이송이 가능하게 되므로 동력이 적게 들고 곡형 이음관 내벽의 마모가 적어 수명이 길게 되는 장점이 있는 반면, 이송후 슬러리를 필터프레스 등에 의해 압착하여 수분을 제거하는 등의 후처리 공정을 거쳐야 하므로 부대설비가 과다하게 되고 이에 따라 넓은 면적을 차지하게 될 뿐만 아니라 특히 중금속이 함유된 폐수의 발생과 냉각처리 등의 과정에서 환경을 오염시키게 되는 등의 문제점이 있었다.

또한 상기 건식이송방법은 후처리 공정이 필요하지 않아 설비가 단순하고 후처리 설비가 필요치 않으므로 건설비가 최소화되는 등의 장점이 있는 반면, 분체를 이송하는 데 많은 동력(전력)이 소요되고 이송배관, 특히 이음관의 내벽에서 심한 마모가 발생되어 많은 유지보수비가 소요되는 문제점이 있었다.

한편, 분체중에 생석회가 잔존하는 경우에는 물과 혼합할 경우 생석회의 체적이 급격이 팽창하면서 폭발할 염려가 있기 때문에 건식이송방법이 채용되고 있다.

이하, 종래 고속분체이송배관용 곡형 이음관의 예를 들어 설명한다.

도 23은 종래 90°엘보형 이음관(100)을 도시한 것으로, 상류측 직선부(101)와, 상기 상류측 직선부(101)에 대하여 직각을 이루는 하류측 직선부(102)와, 상기 상류측 직선부(101)와 하류측 직선부(102)를 연결하는 유로방향전환부(103)로 구성된다.

상기 상류측 직선부(101)와 하류측 직선부(102) 및 유로방향전환부(103)는 동일한 내경(內徑)을 가지며, 상기 유동방향전환부(103)는 상류측 직선부(101)와 하류측 직선부(102)를 연결하는 유로방향전환부(103)는 그 중심선(C)이 규격곡률반경을 가지는 상태로 1/4원을 이룬다.

이러한 종래의 엘보형 이음관에서의 분체의 이동을 살펴보면, 상류측 직선부(101)에서는 중심부의 유속이 고속으로 되고 관내벽측으로 갈수록 유속이 저속으로 되며, 상기 유로방향전환부(103)에 돌입하여서는 점차적으로 외측곡부(103a)측의 유속이 고속으로 되고 내측곡부(103b)측의 유속이 저속으로 되어 결국 외측곡부(103a)의 내벽측에는 고속영역(High Speed Zone)(H)이 형성되고 내측곡부(103b)의 내벽측에는 저속영역(Low Speed Zone)(L)이 형성되고, 다시 하류측 직선부(102)에 돌입하게 되면 중심부에서의 유속이 점차 고속으로 되고 관내벽측으로 갈수록 저속으로 되어 결국 상류측 직선부(101)와 하류측 직선부(102)에서의 유량과 유속은 동일하게 된다.

여기서 상류측 직선부(101)에서의 분체의 유속을 예컨대 35m/sec(2100m/min)라고 할 때 상기 고속영역(H)에서의 유속은 45m/sec(2700m/min) 정도에 이르게 되며 저속영역(L)에서의 유속은 15∼25m/sec(900∼1500m/min) 정도가 된다.

따라서 상기 고속영역(H)이 형성되는 엘보형 이음관(100)의 유동방향전환부(103)의 외측곡부(103a)는 상류측 직선부(101)로부터 직진하는 분체의 충돌과, 고속으로 유동하는 분체와의 마찰 및, 관벽의 발열로 인한 내마모성 저하에 의해 심한 마모가 일어나게 된다.

먼저, 관벽의 발열에 의한 내마모성 저하가 발생되는 원인을 살펴보면, 상술한 산업설비에서 발생되는 분체의 온도는 대략 80℃에 달하게 되며, 이러한 분체가 이송되는 과정에서 분체이송배관의 관벽이 가열됨은 물론, 특히 상기 고속영역(H)이 형성되는 유동방향전환부(103)의 외측곡부(103a)측에서는 분체의 온도와 분체와의 마찰에 의하여 발열되어 관벽 자체의 내마모성이 저하되는 것이다.

다음, 분체의 충돌과 마찰에 의한 마모가 발생되는 원인을 살펴보면, 상기 유로방향전환부(103)의 외측곡부(103a)에는 고속영역(H)이 발생되기 때문에 이 부분에서 분체와의 충돌과 마찰에 의한 마모가 발생되는 것이다.

여기서 고속분체이송배관에서 이송되는 분체의 고속영역(H)에서의 유속과 압력이 마모에 미치는 정도를 기계가공에서 사용되는 연삭가공과 비교하여 살펴보기로 한다.

연삭가공에서 사용되는 연삭숫돌(Grinding Wheel)의 연마속도(연삭숫돌의 원주속도와 연삭숫돌과 피가공물의 상대 이동속도의 합)는 통상 2200∼3400m/min이고, 연마압력은 0.5∼0.7kg/cm²이며, 냉각수를 공급하면서 연삭가공을 진행하였을 때 1회 피드량(Feed 量)이 최대 5μ까지 이른다는 점을 감안하여 볼 때 분체의 경도가 MOS 5.5∼6.5이고, 예컨대 상류측 직선부(101)에서의 유속이 2100m/min이라고 할 때 상기 고속영역(H)에서의 유속이 2700m/min에 달하므로 고속영역(H)의 관내벽은 분체의 충돌과 마찰에 의하여 심각한 정도의 마모가 발생되게 되는 것이다.

더욱이 건식이송방법의 경우에는 물을 투입할 수 없으므로 냉각수를 공급하는 연삭가공에 비하여 마모가 더욱 심각하게 이루어질 수도 있는 것이다.

또한 상기 유동방향전환부(103)의 외측곡부(103a)에서 마모의 진행은 전체적으로 균등하게 일어나는 것이 아니라 마모가 먼저 발생된 부분에서 도 23의 부분 확대도에서 보는 바와 같이 침식영역(Erosion Zone)(EZ)이 형성되며, 이 부분은 여타 부분의 마모 진행속도에 2.0⁶배의 빠른 속도로 마모가 진행되는 것이다.

이와 같은 마모는 분체이송배관의 잦은 유지보수를 필요로 하게 되며, 이러한 유지보수를 위하여는 상술한 산업설비의 운전을 중지하여야 하므로 이러한 운전 정지로 인한 경제적인 손실을 초래하게 되는 것이다.

또한 도 24에 도시한 바와 같은 45°엘보형 이음관은 상류측 직선부(201)와 상기 상류측 직선부(201)에 대하여 45°를 이루는 하류측 직선부(202) 및 상기 상류측 직선부(201)와 하류측 직선부(202)를 연결하는 유동방향전환부(203)로 구성된다.

이러한 45°엘보형 이음관(200)은 상기 90°엘보형 이음관(100)과 비교하여 상기 상류측 직선부(201)와 하류측 직선부(202)간의 유동방향전환 각도를 달리하는 것일 뿐 유동방향전환부(203)의 외측곡부(203a)에는 고속영역(H)이 형성되고, 내측곡부(203b)에는 저속영역(L)이 형성되며, 고속영역(H)에서는 상술한 바와 같은 원리에 의해 마모가 급속히 진행되는 것이다.

도 25에 도시한 바와 같은 90°티형 이음관(300)은 제1 상류측 직선부(301)와, 상기 제1 상류측 직선부(301)와 동축상으로 형성되는 하류측 직선부(303)와, 상기 제1 상류측 직선부(301,303)에 직각을 이루는 제2 상류측 직선부(302)로 구성된다.

상기 제1 상류측 직선부(301)와 제2 상류측 직선부(302)의 사이에는 상류측 유동방향전환부(304)가 형성되며, 상기 제2 상류측 직선부(302)와 하류측 직선부(303)의 사이에는 하류측 유동방향전환부(305)가 형성되고, 상기 제1 상류측 직선부(302)와 하류측 직선부(303) 사이에는 연결부(306)가 형성된다.

이러한 90°티형 이음관(300)의 경우에는 상기 하류측 유동방향전환부(305)에는 제1 상류측 직선부(301)에서 고속으로 유동하는 분체와의 충돌에 의해 마모가 발생되며, 상기 제1 상류측 직선부(301)와 하류측 직선부(303)의 연결부(306)에서는 상기 제2 상류측 직선부(302)에서 고속으로 유동하는 분체와의 충돌에 의해 마모가 발생되어 수명이 단축된다.

도 26에 도시한 바와 같은 래터럴 티형 이음관(400)의 경우에는 제1 상류측 직선부(401)와, 상기 제1 상류측 직선부(401)와 동축상으로 형성되는 하류측 직선부(403)와, 상기 제1 상류측 직선부(401) 및 상기 하류측 직선부(403)에 대하여 45°로 연결되는 제2 상류측 직선관(402)으로 구성된다.

상기 제1 상류측 직선부(401)와 제2 상류측 직선부(402) 사이에는 상류측 유동방향전환부(404)가 형성되고, 상기 제2 상류측 직선부(402)와 상기 하류측 직선부(403)의 사이에는 하류측 유동방향전환부(405)가 형성되며, 상기 제1 상류측 직선부(401)와 하류측 직선부(403)의 사이에는 연결부(406)가 형성된다.

이러한 래터럴 티형 이음관(400)은 상술한 90°티형 이음관(300)과 비교하여 상기 제1 상류측 직선부(401)와 하류측 직선부(403)에 대한 2 상류측 직선부(402)의 연결각도가 다를 뿐 상기 하류측 유동방향전환부(405)에는 제1 상류측 직선부(401)에서 고속으로 유동하는 분체와의 충돌에 의해 마모가 발생되며, 상기 제1 상류측 직선부(401)와 하류측 직선부(403)의 연결부(406)에서는 상기 제2 상류측 직선부(402)에서 고속으로 유동하는 분체와의 충돌에 의해 마모가 발생되어 수명이 단축된다.

따라서 종래에는 도 27 내지 도 30에 도시한 바와 같이 관내벽에 알루미나, 현무암(Basalt), 초경합금 등의 내마모성 재질의 보호막(F)을 라이닝(Lining)하여 마모를 저감시키는 기술이 제안된 바 있다.

그러나 보호막(F)을 라이닝하더라도 유동방향전환부 등에서 고속영역(H)이 발생됨과 아울러 직진하는 분체와의 충돌에 의한 마모 요인을 근본적으로 배제할 수 없으며, 보호막(F)로 사용되는 내마모성 재료는 제작 비용 증가, 적용성 등과 더불어 특히 내마모성의 한계로 만족할 만한 효과를 기대할 수 없다.

또한 분체에 포함되어 있는 MOS 경도 5.5∼6.5의 Al2O3, SiO2 등의 입자가 직경 100∼400mm의 관내를 8∼45m/sec의 속도로 이송되는 경우 유로 방향이 변하는 부분에서의 유속은 직선 배관내의 유속보다 1.2∼1.5배 이상으로 증가되기 때문에 내마모성 재료로 보호막(F)을 라이닝한 경우에도 충돌에 의하여 마모되어 보호막으로서의 기능을 상실하게 되는 등 실용상 한계가 있는 것이었다.

그 밖에도 종래에는 유동방향전환부의 곡률반경을 규격곡률반경보다 10배이상 매우 크게 하여 유동방향전환부가 거의 직선에 가깝게 함으로써 유동방향전환부에서의 마모를 저감하고자 한 곡형 이음관이 채용된 바 있다.

그러나 이러한 종래의 곡형 이음관은 그 자체의 관로 길이가 길고 점유공간이 커지게 되기 때문에 곡간 활용면에서 불리하게 되는 문제점이 있었다.

또한 종래에는 유동방향전환부의 외측곡부나 충돌이 일어나는 부위에 포킷(Pocket)을 형성하여 이송되는 분체가 상기 포킷에 퇴적된 분체에 충돌하면서 유동방향이 전환되도록 함으로써 그 부분에서의 마모를 저감시키고자 한 곡형 이음관이 개발된 바 있다.

그러나 이러한 종래의 곡형 이음관에서는 시간이 경과함에 따라 포켓의 분체 퇴적량이 증가되어 규격관로범위를 좁히게 되어 유동손실을 초래하게 되는 문제점이 있었다.

또한 종래에는 유동방향전환부의 외측곡부와 분체의 충돌이 발생되는 부위의 관벽 두께를 규격관벽두께보다 10배이상 두껍게 하여 마모가 발생되더라도 장기간 동안 유지보수하지 않고 사용할 수 있도록 한 곡형 이음관이 안출된 바 있다.

그러나 이러한 종래의 곡형 이음관은 재료 비용이 증가하는 것은 차제로 하더라도 상술한 바와 같은 침식영역(EZ)이 깊어짐에 따라 유동장애를 초래하게 되는 문제점이 있었다.

이러한 종래의 문제점은 분체를 공압에 의하여 이송하는 배관에서만 나타나는 것은 아니고, 분체를 가압 액체에 의해 이송하거나 분체를 가압 기체/액체에 의해 이송하는 배관은 물론 기체나 액체 자체를 고속으로 이송하는 배관에 사용되는 곡형 이음관에서도 같은 원리에 의한 마모가 발생된다.

따라서 본 발명의 목적은 관내벽에 내마모성 재질의 보호막을 형성하지 않고서도 유로 방향이 변하는 부분에서의 마모를 확실하게 방지하여 수명을 연장시킬 수 있도록 한 고속유체이송배관용 곡형 이음관을 제공하려는 것이다.

도 1은 본 발명을 90°엘보형 이음관에 적용한 제1 실시례의 단면도.

도 2는 본 발명을 45°엘보형 이음관에 적용한 제2 실시례의 단면도.

도 3은 본 발명을 90°티형 이음관에 적용한 제3 실시례의 단면도.

도 4는 본 발명을 래터럴 티형 이음관에 적용한 제4 실시례의 단면도.

도 5는 본 발명을 90°엘보형 이음관에 적용한 제5 실시례를 보인 단면도 및 각 부위에서의 단면도.

도 6은 제5 실시례의 유속분포도.

도 7은 제5 실시례의 압력분포도.

도 8은 본 발명을 45°엘보형 이음관에 적용한 제6 실시례를 보인 단면도 및 각 부위에서의 단면도.

도 9는 제6 실시례의 유속분포도.

도 10은 제6 실시례의 압력분포도.

도 11은 본 발명을 22.5°엘보형 이음관에 적용한 제7 실시례를 보인 단면도 및 각 부위에서의 단면도.

도 12는 제7 실시례의 유속분포도.

도 13은 제 7 실시례의 압력분포도.

도 14는 본 발명을 11.25°엘보형 이음관에 적용한 제8 실시례를 보인 단면도 및 각 부위에서의 단면도.

도 15는 제8 실시례의 유속분포도.

도 16은 제8 실시례의 압력분포도.

도 17은 본 발명을 90°티형 이음관에 적용한 제9 실시례를 보인 단면도 및 각 부위에서의 단면도.

도 18은 제9 실시례의 유속분포도.

도 19는 제9 실시례의 압력분포도.

도 20은 본 발명을 래터럴 티형 이음관에 적용한 제10 실시례를 보인 단면도 및 각 부위에서의 단면도.

도 21은 제10 실시례의 유속분포도.

도 22는 제10 실시례의 압력분포도.

도 23은 종래 90°엘보형 이음관의 단면도.

도 24는 종래 45°엘보형 이음관의 단면도.

도 25는 종래 90°티형 이음관의 단면도.

도 26은 종래 래터럴 티형 이음관의 단면도.

도 27 내지 도 30은 도 23 내지 도 26의 종래 곡형 이음관의 관내벽에 보호막을 라이닝한 상태를 보인 단면도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

11,21 : 상류측 직선부 12,22 : 하류측 직선부

13,23 : 유동방향전환부 13a,23a : 외측곡부

13b,23b : 내측곡부 13au,13bu,23au,23bu : 상류측 변곡부

13ad,13bd,23ad,23bd : 하류측 변곡부

31,41 : 제1 상류측 직선부 32,42 : 제2 상류측 직선부

33,43 : 하류측 직선부 34,44 : 상류측 유동방향전환부

35,45 : 하류측 유동방향전환부

이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 상류측 직선부와, 상기 상류측 직선부에 대하여 직각을 이루는 하류측 직선부 및 상기 상류측 직선부와 하류측 직선부 사이에 형성되는 유동방향전환부로 구성되는 엘보형 곡형 이음관에 있어서, 상기 유동방향전환부의 외측곡부와 내측곡부를 규격유동범위의 바깥쪽으로 확장 형성하여 유체이송시 유동방향전환부의 외측곡부와 내측곡부에 와류장과 같은 다수의 유동막이 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 고속유체이송배관용 곡형 이음관이 제공된다.

상기 상류측 직선부와 상기 유동방향전환부의 사이에는 상류측 변곡부가 형성되고, 상기 하류측 직선부와 상기 유동방향전환부의 사이에는 하류측 변곡부가 형성된다.

또한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 제1 상류측 직선부와, 상기 상류측 직선부에 대하여 동축상으로 연장되는 하류측 직선부와, 상기 제1 상류측 직선부와 하류측 직선부에 대하여 일정 각도를 이루는 제2 상류측 직선부와, 상기 제1 상류측 직선부와 제2 상류측 직선부 사이에 형성되는 상류측 유동방향전환부와, 상기 제2 상류측 직선부와 하류측 직선부 사이에 형성되는 하류측 유동방향전환부 및, 상기 제1 상류측 직선부와 하류측 직선부를 연결하는 연결부로 구성되는 티형 곡형 이음관에 있어서, 상기 상류측 유동방향전환부는 규격유동범위에 일치하게 형성하고, 하류측 유동방향전환부는 규격유동범위의 바깥쪽으로 확장하여 유체이송 시 유동방향전환부에서 와류장과 같은 다수의 유동막이 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 고속유체이송배관용 곡형 이음관이 제공된다.

상기 제1 상류측 직선부와 하류측 연결부를 연결하는 연결부 내면에는 만곡형 요입부를 형성하여 유체이송 시 요입부에서 와류장과 같은 다수의 유동막이 형성되도록 한다.

또한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 제1 상류측 직선부와, 상기 상류측 직선부에 대하여 동축상으로 연장되는 하류측 직선부와, 상기 제1 상류측 직선부와 하류측 직선부에 대하여 90°이하의 각도를 이루는 제2 상류측 직선부와, 상기 제1 상류측 직선부와 제2 상류측 직선부 사이에 형성되는 상류측 유동방향전환부와, 상기 제2 상류측 직선부와 하류측 직선부 사이에 형성되는 하류측 유동방향전환부 및, 상기 제1 상류측 직선부와 하류측 직선부를 연결하는 연결부로 구성되는 래터럴 티형 곡형 이음관에 있어서, 상기 상류측 유동방향전환부는 규격유동범위에 일치하게 형성하고, 하류측 유동방향전환부는 규격유동범위의 바깥쪽으로 확장하여 유체이송 시 유동방향전환부에서 와류장과 같은 다수의 유동막이 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 고속유체이송배관용 곡형 이음관이 제공된다.

상기 제1 상류측 직선부와 하류측 연결부를 연결하는 연결부 내면에는 만곡형 요입부를 형성하여 그 관로가 확장되면서 유체이송과정에서 와류장이 형성되도록 한다.

이하, 본 발명에 의한 고속유체이송배관용 곡형 이음관을 첨부도면에 도시한 실시례에 따라서 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명을 90°엘보(10)에 적용한 제1 실시례를 도시한 것으로, 제1 방향으로 연장되는 상류측 직선부(11)와, 상기 상류측 직선부(11)에 대하여 직각을 이루는 하류측 직선부(12)와, 상기 상류측 직선부(11)와 하류측 직선부(12)를 연결하는 유동방향전환부(13)로 구성된다.

상기 상류측 직선부(11)와 하류측 직선부(12)는 동일한 내경으로 형성된다.

상기 유동방향전환부(13)는 그 중심선(C)은 규격곡률반경을 가진다.

도면에서 Ro,Ri은 규격관로범위를 나타내는 것이다.

상기 유동방향전환부(13)의 외측곡부(13a)와 내측곡부(13b)는 각각 규격관로범위(Ro)와 (Ri)의 바깥쪽으로 확장 형성된다.

이하, 본 실시례에 의한 엘보형 이음관(10)의 작용을 설명한다.

본 실시례에 의한 엘보형 이음관(10)을 유체이송배관에 적용하였을 때 상류측 직선부(11)는 일정한 내경을 가지므로 이 부분에서의 유동은 종래의 엘보형 이음관에서와 거의 대등한 유동을 보인다. 즉, 상류측 직선부(11)에서의 유속분포는 중심부가 높고 관벽측이 낮은 상태로 나타난다.

상류측 직선부(11)를 통과한 유체가 유동방향전환부(13)에 이르게 되면 단면적의 증가로 인하여 입자의 직진 에너지가 감소하게 되며, 규격관로범위(Ro)(Ri)의 바깥쪽으로 확장된 외측곡부(13a)와 내측곡부(13b)에서는 각각 와류장(vortex flowfield)과 같은 유동막이 형성되면서 중심선(C)측에 비하여 유속이 감소됨과 아울러 정체영역을 형성하게 되어 유체가 유동방향전환부(13)의 외측곡부(13a)에 대한 유체의 충돌 에너지가 크게 줄어들게 되므로 외측곡부(13a)와 내측곡부(13b)의 마모가 크게 저감된다.

여기서 와류장과 같은 유동막에서는 유속은 낮고 압력은 높은 상태로 되는 바, 마모는 유속에 의해 영향을 받게 되며, 압력에 의해서는 거의 영향을 받지 않게 되므로 마모를 현저히 줄일 수 있게 되는 것이다.

또한 상류측 직선부(11)에서 외측곡부(13a)를 향하여 직진하는 유체는 외측곡부(13a)의 내벽에 직접 충돌하지 않고 외측곡부(13a)에 형성된 와류장과 같은 다수의 유동막에 충돌하게 된다.

이때, 상류측 직선부(11)에서 고속으로 직진하는 유체들은 외측곡부(13a)에 형성된 다수의 유동막에 충돌하는 과정에서 충돌 에너지가 현저하게 저하되고, 남아 있는 충돌 에너지에 의하여 유동막을 통과하여 외측곡부(13a)의 내벽에까지 도달한다고 하더라도 정체하고 있는 유체를 통과하는 과정에서 그 충돌 에너지가 거의 소진된 상태가 되므로 외측곡부(13a)의 내벽을 거의 마모시키지 못하게 되는 것이다.

한편, 유동방향전환부(13)를 통과하여 하류측 직선부(12)로 진입한 유체들은 점차 중심측 유속이 고속으로 되고 관내벽측에서 저속으로 되어 하류측 직선부(12)에서는 다시 상류측 직선부(11)에서와 거의 같은 정도의 유속분포를 회복한 상태로 이송된다.

도 2는 본 발명을 45°엘보형 이음관(20)에 적용한 제2 실시례를 도시하는 것으로, 상류측 직선부(21)와 하류측 직선부(22) 및 이들 직선부(21,22)를 연결하는 유동방향전환부(23)로 구성되는 것으로, 상류측 직선부(21)와 하류측 직선부(22) 사이의 유동방향전환 각도가 45°인 점을 제외하고는 상술한 제1 실시례에서와 대등한 것이므로 구체적인 설명은 생략한다.

도 2에서 미설명 부호 23a는 외측곡부, 23b는 내측곡부이다.

도 3은 본 발명을 90°티형 이음관(30)에 적용한 제3 실시례를 도시하는 것으로, 제1 상류측 직선부(31)와, 상기 제1 상류측 직선부(31)와 동축상으로 형성되는 하류측 직선부(33) 및 상기 제1 상류측 직선부(31)와 하류측 직선부(33)에 직각으로 연결되는 제2 상류측 직선부(32)로 구성된다.

상기 제1 상류측 직선부(31)와 제2 상류측 직선부(32)의 사이에는 상류측 유동방향전환부(34)가 형성되고, 상기 제2 상류측 직선부(32)와 하류측 직선부(33)의 사이에는 하류측 유동방향전환부(35)가 형성되며, 상기 제1 상류측 직선부(31)와 하류측 직선부(33)의 사이에는 연결부(36)가 형성된다.

상기 상류측 유동방향전환부(34)는 규격유동범위(Ri)에 일치하는 상태로 형성되며, 하류측 유동방향전환부(35)는 규격유동범위(Ri)의 바깥쪽으로 확장된 상태로 형성된다.

상기 연결부(36)에는 상기 제2 상류측 직선부(32)의 연장선과 만나는 부위의 주위에 규격유동범위(Ro)의 바깥쪽으로 확장되는 만곡형 요입부(37)가 형성되어 그 관로가 확장되어 있다.

이하, 본 실시례에 의한 티형 이음관의 작용을 설명한다.

본 실시례에 의한 티형 이음관(30)을 유체이송배관에 적용하였을 때 제1 상류측 직선부(31)와 제2 상류측 직선부(32)는 일정한 내경을 가지므로 이들 부분에서의 유동은 종래 엘보형 이음관에서와 대등한 유동, 즉 규격유동범위에서의 유동을 보인다.

상기 제1 상류측 직선부(31)를 통과하여 하류측 직선부(33)로 유동하는 유체는 연결부(36)의 만곡형 요입부(37)에 이르러 와류장을 형성하게 되고, 이에 따라 이 만곡형 요입부(37)에서는 유속이 낮고 압력이 높은 상태가 된다.

제2 상류측 직선부(32)를 통과하여 연결부(36)를 향하여 고속으로 직진하는 유체들은 연결부(36)의 만곡형 요입부(37)에 직접 충돌하지 못하고, 연결부(36)의 만곡형 요입부(37)에 유속이 낮고 압력이 높은 상태로 형성되어 있는 와류장과 같은 다수의 유동막에 충돌하게 된다.

이때, 제1 상류측 직선부(32)에서 고속으로 직진하는 유체들은 연결부(36)의 만곡형 요입부(37)에 형성된 다수의 유동막에 충돌하는 과정에서 충돌 에너지가 현저하게 저하되고, 남아 있는 충돌 에너지에 의하여 유동막을 통과하여 만곡형 요입부(37)의 내벽까지 도달한다고 하더라도 상기 다수의 유동막을 통과하는 과정에서 그 충돌 에너지가 거의 소진된 상태가 되므로 연결부(36)의 만곡형 요입부(37)를 거의 마모시키지 못하게 되는 것이다.

또한 상기 하류측 유동방향전환부(35)는 규격유동범위(R)의 바깥쪽으로 확장되어 있으므로 이 부분에서 와류장과 같은 유동막이 형성되면서 유속이 낮고 압력이 높은 상태로 된다.

이에 따라 상기 제1 상류측 직선부(31)에서 하류측 직선부(33)로 유동하는 유체는 제2 상류측 직선부(32)와 하류측 직선부(33) 사이의 하류측 유동방향전환부(35)를 향하여 직진하더라도 하류측 유동방향전환부(35)의 내벽에 직접 충돌하지 못하고 다수의 유동막에 1차적으로 충돌하면서 충돌 에너지가 저감되고, 남아 있는 충돌 에너지에 의하여 다수의 유동막을 통과하여 하류측 유동방향전환부(35)의 내벽에까지 도달한다고 하더라도 다수의 유동막을 통과하는 과정에서 그 충돌 에너지가 거의 소진된 상태가 되므로 하류측 유동방향전환부(35)의 내벽을 거의 마모시키지 못하게 되는 것이다.

도 4는 본 발명을 45°래터럴 티형 이음관(40)에 적용한 제4 실시례를 도시하는 것으로, 제1 상류측 직선부(41)와, 상기 제1 상류측 직선부(41)과 동축상으로 연장되는 하류측 직선부(43)와, 상기 제1 상류측 직선부(41)와 하류측 직선부(43)에 45°각도로 연결되는 제2 상류측 직선부(42)로 구성된다.

상기 제1 상류측 직선부(41)와 제2 상류측 직선부(42)의 사이에는 상류측 유동방향전환부(44)가 형성되고, 상기 제2 상류측 직선부(42)와 하류측 직선부(43)의 사이에는 하류측 유동방향전환부(45)가 형성되며, 상기 제1 상류측 직선부(41)와 하류측 직선부(43)의 사이에는 연결부(46)가 형성된다.

상기 상류측 유동방향전환부(44)는 규격유동범위(Ri)에 일치하는 상태로 형성되며, 하류측 유동방향전환부(45)는 규격유동범위(Ri)의 바깥쪽으로 확장된 상태로 형성된다.

상기 연결부(46)에는 상기 제2 상류측 직선부(42)의 연장선과 만나는 부위의 주위에 규격유동범위(Ro)의 바깥쪽으로 확장되는 만곡형 요입부(47)가 형성되어 그 관로가 확장되어 있다.

본 실시례에 의한 래터럴 티형 이음관(40)은 제1 상류측 직선부(41)와 하류측 직선부(43)에 대한 제2 상류측 직선부(42)의 연결 각도가 45°일 뿐 상술한 90°티형 이음관(30)에서와 같은 작용에 의해 연결부(36)와 하류측 유동방향전환부(45)에서의 마모를 현저하게 저감시키게 되는 것이므로 구체적인 설명은 생략한다.

도 5는 본 발명을 90°엘보형 이음관에 적용한 제5 실시례를 보인 것으로, 본 실시례에서는 상술한 제1 실시례에서 상기 상류측 직선부(11)와 상기 유동방향전환부(13) 사이에 상류측 변곡부(13au,13bu)와 하류측 변곡부(13ad,13bd)를 형성한 것이며, 여타 구성 부분은 상술한 제1 실시례에서와 동일하므로 동일 부분에 대하여는 동일 부호를 부여하고 구체적인 설명은 생략한다.

도 6은 본 실시례에 의한 90°엘보형 이음관에서의 유속분포를 보인 것이고, 도 7은 압력분포를 보인 것으로, 유동방향전환부(13)의 외측곡부(13a)와 내측곡부(13b)에서 유속이 크게 낮아지고, 외측곡부(13a)에서 압력이 높음을 알 수 있다.

도 8은 본 발명을 45°엘보형 이음관에 적용한 제6 실시례를 보인 것으로, 본 실시례에서는 상술한 제2 실시례에서 상기 상류측 직선부(21)와 상기 유동방향전환부(23) 사이에 상류측 변곡부(23au,23bu)와 하류측 변곡부(23ad,23bd)를 형성한 것이며, 여타 구성 부분은 상술한 제2 실시례에서와 동일하므로 동일 부분에 대하여는 동일 부호를 부여하고 구체적인 설명은 생략한다.

도 9는 본 실시례에 의한 45°엘보형 이음관에서의 속도분포를 보인 것이고, 도 10은 압력분포를 보인 것으로, 외측곡부(23a)와 내측곡부(23b)에서 유속이 낮고, 외측곡부(23a)에서 압력이 높음을 알 수 있다.

도 11은 본 발명을 22.5°엘보형 이음관에 적용한 제7 실시례를 보인 것이고, 도 14는 본 발명을 11.25°엘보형 이음관에 적용한 제8 실시례를 보인 것으로, 본 실시례들에서는 상류측 직선부(21)와 하류측 직선부(22) 간의 각도만 다를 뿐 상술한 제6 실시례와 동일하므로 동일 부분에 대하여는 동일 부호를 부여하고 구체적인 설명은 생략한다.

제7 실시례에서의 유속분포는 도 12와 같고 압력분포는 도 13과 같으며, 제8 실시례에서의 유속분포는 도 15와 같고, 제8 실시례에서의 압력분포는 도 16과 같다.

도 17은 본 발명을 90°티형 이음관에 적용한 제9 실시례를 보인 것으로, 본 실시례에서는 상술한 제2 실시례에서 상기 하류측 유동반향전환부(35)의 양단과 제2 상류측 직선부(32) 및 하류측 직선부(33)의 사이에 변곡부(35u,35d)를 형성하고, 상기 만곡형 요입부(37)와 제1 상류측 직선부(31) 및 하류측 직선부(33)의 사이에 변곡부(37u,37d)를 형성한 것이며, 여타 구성 부분은 상술한 제3 실시례에서와 동일하므로 동일 부분에 대하여는 동일 부호를 부여하고 구체적인 설명은 생략한다.

도 18은 본 실시례의 유속분포를 보인 것이고, 도 19는 압력분포를 보인 것이다.

도 20은 본 발명을 45°래터럴 티형 이음관에 적용한 제10 실시례를 보인 것으로, 본 실시례에서는 제1 상류측 직선부(31)와 하류측 직선부(33)에 대한 제2 상류측 직선부(32)의 연결 각도가 45°일 뿐 여타 구성 부분은 상술한 제9 실시례에서와 동일하므로 동일 부분에 대하여는 동일 부호를 부여하고 구체적인 설명은 생략한다.

도 21은 본 실시례에서의 유속분포를 보인 것이고, 도 22는 본 실시례의 압력분포를 보인 것이다.

이러한 본 발명은 분체를 공압에 의하여 고속이송하는 배관에만 적용되는 것이 아니고, 분체를 가압 액체에 의해 고속이송하거나 분체를 가압 기체/액체에 의해 고속이송하는 배관은 물론 기체나 액체 자체를 고속으로 이송하는 어떠한 고속유체이송배관에 사용되는 곡형 이음관에도 적용되는 것이다.

이상과 같이 본 발명에 의하면 종래 고속유체이송배관용 곡형 이음관에서 고속영역으로 되어 마모가 심하게 발생되던 유로 방향이 변하는 부분에서 와류장과 같은 유동막을 형성하여 저속, 고압영역으로 변환시킴으로써 이송되는 유체와의 충돌 및 마찰에 의한 마모를 현저하게 저감시킬 수 있게 되므로 유지보수 없이도 장기간 사용할 수 있게 되며, 유지보수를 위한 산업설비의 운전정지를 줄여 경제적인 손실을 크게 경감시킬 수 있게 되는 효과가 있다. 또한 별도의 보호막 라이닝이나 유동방향전환부에서의 관벽 두께를 두껍게 하지 않고서도 마모를 확실하게 줄일 수 있게 되므로 종래 보호막 라이닝이나 관벽 두께를 두껍게 함에 따른 원가상승을 배제할 수 있게 되는 것이다. 또한 유동방향전환부에 유동막이 형성되면서도 유체가 정체하거나 퇴적되는 일이 없으므로 유동손실이 발생되지 않게 되어 원하는 유체이송배관의 효율을 얻을 수 있게 되는 것이다.

또한 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시례를 들어 도시 및 설명하였으나, 본 발명이 사상 및 범위를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 것이므로 본 발명의 보호범위는 상기한 실시례에 의해 한정되지 않는다.

Claims

상류측 직선부와, 상기 상류측 직선부에 대하여 직각을 이루는 하류측 직선부 및 상기 상류측 직선부와 하류측 직선부 사이에 형성되는 유동방향전환부로 구성되는 엘보형 곡형 이음관에 있어서,

상기 유동방향전환부의 외측곡부와 내측곡부를 규격유동범위의 바깥쪽으로 확장 형성하여 유체이송 시 유동방향전환부의 외측곡부와 내측곡부에 와류장과 같은 다수의 유동막이 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 고속유체이송배관용 곡형 이음관.
제1항에 있어서, 상기 상류측 직선부와 상기 유동방향전환부의 사이에는 상류측 변곡부가 형성되고, 상기 하류측 직선부와 상기 유동방향전환부의 사이에는 하류측 변곡부가 형성된 것을 특징으로 하는 고속유체이송배관용 곡형 이음관.
제1 상류측 직선부와, 상기 상류측 직선부에 대하여 동축상으로 연장되는 하류측 직선부와, 상기 제1 상류측 직선부와 하류측 직선부에 대하여 일정 각도를 이루는 제2 상류측 직선부와, 상기 제1 상류측 직선부와 제2 상류측 직선부 사이에 형성되는 상류측 유동방향전환부와, 상기 제2 상류측 직선부와 하류측 직선부 사이에 형성되는 하류측 유동방향전환부 및, 상기 제1 상류측 직선부와 하류측 직선부를 연결하는 연결부로 구성되는 티형 곡형 이음관에 있어서,

상기 상류측 유동방향전환부는 규격유동범위에 일치하게 형성하고, 하류측 유동방향전환부는 규격유동범위의 바깥쪽으로 확장하여 유체이송 시 유동방향전환부에서 와류장과 같은 다수의 유동막이 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 고속유체이송배관용 곡형 이음관.
제3항에 있어서, 상기 제1 상류측 직선부와 하류측 연결부를 연결하는 연결부 내면에는 만곡형 요입부를 형성하여 유체이송 시 요입부에서 와류장과 같은 다수의 유동막이 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 고속유체이송배관용 곡형 이음관.
제1 상류측 직선부와, 상기 상류측 직선부에 대하여 동축상으로 연장되는 하류측 직선부와, 상기 제1 상류측 직선부와 하류측 직선부에 대하여 90°이하의 각도를 이루는 제2 상류측 직선부와, 상기 제1 상류측 직선부와 제2 상류측 직선부 사이에 형성되는 상류측 유동방향전환부와, 상기 제2 상류측 직선부와 하류측 직선부 사이에 형성되는 하류측 유동방향전환부 및, 상기 제1 상류측 직선부와 하류측 직선부를 연결하는 연결부로 구성되는 래터럴 티형 곡형 이음관에 있어서,

상기 상류측 유동방향전환부는 규격유동범위에 일치하게 형성하고, 하류측 유동방향전환부는 규격유동범위의 바깥쪽으로 확장하여 유체이송 시 유동방향전환부에서 와류장과 같은 다수의 유동막이 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 고속유체이송배관용 곡형 이음관.
제5항에 있어서, 상기 제1 상류측 직선부와 하류측 연결부를 연결하는 연결부 내면에는 만곡형 요입부를 형성하여 그 관로가 확장되면서 유체과정에서 와류장이 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 고속유체이송배관용 곡형 이음관.