KR100392786B1 - 공동현상 제거 구조의 펌프 인듀서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나선형식의 날개를 지니며 펌프 상류측에 일체로 설치되는 인듀서에 있어서: 날개 끝단의 와동에 의한 영향을 줄이기 위해 입구에서 회전방향으로 전향하는 스윕(S)을 지니며, 발생한 기포를 내부에서 터뜨리기 위해 충분한 압력 상승을 갖도록 확대시킨 통로(P)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 펌프 임펠러의 부압면이나 날개 끝부분의 와류로 국부적으로 정압이 유체의 증기압 이하로 낮아져 발생되는 기포를 차단하여 압력의 손실, 효율의 감소 및 부식을 방지하는 효과가 있다.

Description

공동현상 제거 구조의 펌프 인듀서{Pump Inducer having Cavitation Free Construction}

본 발명은 펌프에 설치되는 인듀서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 펌프 임펠러의 부압면이나 날개 끝부분의 와류로 국부적으로 정압이 유체의 증기압 이하로 낮아져 발생되는 기포를 차단하여 압력의 손실, 효율의 감소 및 부식을 방지하는 공동현상 제거 구조의 펌프 인듀서에 관한 것이다.

액체를 취급하는 기계들에서 국부적으로 정압이 유체의 증기압 이하로 낮아질 때 기포가 생기는 공동현상이 발생하는데, 이는 주로 임펠러의 부압면의 압력강하와 날개 끝단의 와동으로 인해 발생하며 압력의 손실 및 효율의 감소를 초래하고 부식과 재료 손실을 동반한다.

유효흡입헤드(NPSHA)가 낮은 펌프에서는 주 임펠러 입구부에 인듀서(Inducer)를 설치하여 흡입 성능을 향상시킴으로써 임펠러의 넓은 작동 범위를 제공하며 공동현상이 발생하는 흡입 비속도를 높이게 된다.

도 1은 종래의 인듀서를 모식적으로 나타내는 사시도가 도시되는 바, 인듀서는 높은 현절비와 스태거 각을 가지는 주로 2∼4개의 날개로 이루어진 축류형 펌프의 한 종류로서 길고 좁은 통로를 가지며 압력 상승의 효과는 크지 않은 것을 특징으로 하는 장치이다.

팁 간극에서 발생하는 역류를 줄이기 위한 노력으로는 1965년에 Wong 등이 터보펌프의 출구쪽에서의 고압의 물을 인듀서의 입구쪽에 주입시킴으로써 유동장을 개선시키고 공동현상 및 불안정성을 없애려고 하였으며, 1988년 Abramian은 역류를 줄이기 위한 시도로 다공판을 설치하였다.

그 이외에 공동현상을 줄이기 위한 노력으로 미국 특허공보 제 4838759호에 의하면 인듀서 임펠러의 단면을 직사각형으로 하고 입구부에서 출구부까지 그 면적을 감소시킴으로써, 인듀서의 흡입 성능과 효율을 증대시키며 공동현상과 허브에서의 박리 발생 가능성을 줄임과 동시에 제조 비용의 절감을 기대하는 인듀서가 공시된 바 있다.

또한, 미국 특허공보 제 4642023호에는 케이싱과 덮개(Shroud)로 되어있는 인듀서 사이의 공간에서 입구와 출구 사이의 압력차에 기인하는 재순환을 줄이기 위해 덮개에 다수의 구멍을 설치하는 기술이 제안되고 있다.

대한민국 공개실용신안공보 93-17465호에는 원심팬의 축방향으로 유체의 유입 흐름을 원활히 하기 위하여 흡입부에 축류팬 역할을 하는 인듀서를 블레이드와 일체형으로 제작하여 유체의 흡입성능을 향상시켰다.

그러나 이러한 종래의 공지 기술에 의하면 시스템 단순화, 성능개선, 비용절감의 모든 측면을 고려한 설계에는 미흡한 실정이다.

그러므로 본 발명의 목적은 상기한 단점을 보완하기 위한 것으로서, 펌프 임펠러의 부압면이나 날개 끝부분의 와류로 국부적으로 정압이 유체의 증기압 이하로 낮아져 발생되는 기포를 차단하여 압력의 손실, 효율의 감소 및 부식을 방지하는 공동현상 제거 구조의 펌프 인듀서를 제공한다.

도 1은 종래의 인듀서를 모식적으로 나타내는 사시도,

도 2는 인듀서를 성능을 평가하기 위한 실험장치의 개략적 구성도,

도 3 내지 도 8은 실험에 의한 인듀서의 제반 성능을 나타내는 그래프,

도 9는 본 발명에 따른 인듀서를 모식적으로 나타내는 사시도,

도 10a 및 도 10b는 도 9의 인듀서의 스윕각 형상을 나타내는 도식도,

도 11a 및 도 11b는 도 9의 인듀서의 디퓨져 형상을 나타내는 도식도,

도 12 내지 도 15는 각각 종래와 본 발명의 인듀서에 의한 성능을 비교하여 나타내는 예시도.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 나선형식의 날개를 지니며 펌프 상류측에 일체로 설치되는 인듀서에 있어서: 날개 끝단의 와동에 의한 영향을 줄이기 위해 입구에서 회전방향으로 전향하는 스윕(S)을 지니며, 발생한 기포를 내부에서 터뜨리기 위해 충분한 압력 상승을 갖도록 확대시킨 통로(P)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징으로서, 상기 인듀서의 스윕(S)은 스윕각(θ)(θ₀)이 허브(R_hub)에서 끝단(R_tip)까지

의 관계식으로 변화한다.

본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 인듀서의 통로(P)는 정해진 길이 L, 입구각일 때 축방향 변화량 Z가 θ의 함수의 관계식에 의해 그 유로단면적이 점진적으로 증가된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

우선, 본 발명은 종래의 인듀서의 실험을 통해 전산유체역학(CFD)의 코드를 검증하고, 검증된 코드를 이용하여 다양한 인듀서의 형상을 수치해석적으로 분석하고, 실험을 통해 확인한 문제점을 보안하여 최적화된 인듀서를 안출한다.

인듀서의 입구에서 국부적으로 정압이 유체의 증기압보다 낮아지는 경우에 기포가 발생하는데 이를 공동현상이라고 한다. 펌프의 경우 고속화 및 소형화에 따르는 공동현상을 피할 수가 없다. 공동현상을 일으키는 원인에는 (1) 입구부 부압면에서의 압력강하에 의한 표면 공동현상, (2) 팁 간극에서의 역류에 기인한 불안정성에 따른 공동현상, 그리고 (3) 팁 끝단에서의 와동에 의한 공동현상으로 대별할 수 있다.

이러한 공동현상을 실증적으로 분석하기 위해 도 1 인듀서를 이용하여 다양한 실험을 수행하는데, 실험에 사용된 인듀서는 공동의 발달과정을 살펴보기 위한 투명 아크릴을 이용하여 보호하고 펌프의 상류에 설치한다. 표 1은 실험에 사용된 인듀서의 주요부 치수이다.

인듀서의 형상

축방향 길이	108.8(mm)	팁 간극	0.129(mm)	현절비	2.064
날개의 두께	6.238(mm)	코드의 길이	382.7(mm)	입구각	13.5(deg)
트위스트 각	240(deg)	피치(중간)	185.35(mm)	출구각	19.5(deg)
끝단의 직경	176.0(mm)	허브의 직경	60.0(mm)

도 2에 나타내는 바와 같이, 데이터의 획득을 위해 인듀서의 입구와 출구에 각각 하나씩의 압력계(Pressure Transducer)를 설치하였고, 10초 동안 30만개의 데이터를 획득, A/D 컨버터를 통해 컴퓨터에 저장하고, 랩뷰(Labview) 프로그램으로 분석하였다. 사용된 압력계는 트랜스 메트릭스(Trans Metrics)사 것으로 플러쉬 마운티드(Flush-Mounted) 형이다.

도 3은 실험에 사용된 인듀서의 일반성능을 펌프 단독의 경우와 인듀서-펌프의 결합시의 두 경우에 대해 양정과 축동력, 효율을 유량계수에 따라 나타나는 일반성능곡선(Characteristic Curve)이다.

공동현상을 나타내는 매개변수로는,

①…… (1) ,

②…… (2)

여기서, 하첨자1 은 인듀서의 입구를 말하며, vap 는 작동 유체의 온도에 상응하는 증기압을 의미한다. 즉, NPSH는 인듀서 입구에서의 에너지이다. 투명 아크릴을 통하여 NPSH의 감소에 따른 공동현상의 발달을 관찰한 결과 NPSH가 저하됨에 따라 기포가 넓게 발달함을 확인할 수 있다.

이와 같이 공동현상의 발달은 유체가 흐르는 유로를 차단하여 유량의 감소를 일으키고 인듀서 출구에서의 압력의 회복에 따른 기포의 깨짐으로 인한 고압의 발생으로 펌프의 주 임펠러를 손상시키는 악영향을 미친다.

도 4에서 보는 바와 같이 NPSH가 감소함에 따라 양정이 일정하게 유지되다 어느 특정한 지점에서 급격히 떨어지는 것을 알 수 있다. 이러한 양정이 일정한 값에서 3% 정도 감소(3% Head Reduction)하는 지점을 일반 산업체에서는 공동현상의 시작점으로 채택하고 있다.

다음의 표 2는 위의 3% 양정 감소 기준으로 예측한 공동현상의 시작점을 나타내고 있다.

공동현상의 시작점

Φ	0.25	0.3	0.35	0.4
NPSH(m)	2.8	1.9	1.8	2.9

이러한 공동현상이 발생한 경우에 대해 주파수 특성을 분석, 기존의 논문과 비교하여 본 실험에서 지배적인 공동현상의 모드를 예측하고자 한다.

도 5 및 도 6은 위의 과정으로 얻은 데이터를 이용하여 인듀서 입구와 출구에서의 주파수 특성을 공동현상이 없는 경우와 발생하는 경우로 나누어서 도시한 그림이다.

그림에서 보는 바와 같이 입구에서는 날개통과주파수(BPF)의 특성이 지배적인 반면, 출구에서는 공동현상이 없는 경우는 입구와 마찬가지로 날개통과주파수 특성이 보이지만 공동현상이 발생하는 경우는 넓은 산(broad hump) 모양의 높은 에너지의 분포가 관찰된다. 이는 인듀서 입구쪽에서 발생한 기포가 날개를 통과하면서 압력이 높아지고, 그에 따른 기포의 파열 현상으로 대략 20∼30기압 정도의 높은 압력이 발생한 것이다. 인듀서의 출구쪽에서 발생하는 이러한 고압은 주 임펠라에 영향을 미쳐 펌프의 수명을 단축시킨다.

한편, 시간 의존적인 신호분석 방법으로 Large Amplitude의 벽압력 이벤트를 찾아내기 위해, 과거 오랫동안 조건적인 샘플링 기법인 VITA를 사용하였으며, 시간-주파수의 국부적인 기법으로는 Short-Time Fourier Transform, Wavelet Analysis 그리고 Wagner-Ville Distribution 방법이 사용되고 있다. STFT(Short-Time Fourier Transform) 방법은 저주파와 고주파 신호 모두 시간-주파수의 해상도가 일정하여 특성을 파악하기가 어려운 반면 연속적인 Wavelet Transform은 주파수 영역에서는 저주파의 해상도를 향상시키고, 시간 영역에서는 고주파 신호의 특성을 향상시켜 에너지의 흐름 및 음향과 같은 특성 신호를 분석하는데 유리하다. 하지만 세밀한 신호를 분석하는 데는 불리하다.

Wigner-Ville Distribution 방법은 STFT나 Wavelet Transform 방법의 시간 및 주파수 Window Size의 제한 문제를 사용자가 다양하게 변화가 가능하게 해결하였으며 Kernel Function을 사용하여 가상의 신호가 제거된 진짜 신호를 찾아내기 위한 방법이다. 이러한 Wigner-Ville Distribution 방법 중에서 "가상의 신호를제거"하기 위해 본 발명에서는 Choi-Williams Distribution Kernel 함수를 사용하였다. 이러한 Choi-Williams를 통해 주파수-시간대역사이의 특성을 파악함으로써 지배적인 공동현상 모드를 확인하고자 하였다. 도 7 및 도 8은 각각 인듀서의 입구와 출구에서의 실험 데이터로 분석한 Choi-Williams이다.

도 7 및 도 8에서 보는 바와 같이 인듀서의 입구에서는 날개통과주파수의 영향으로 저주파(Low Frequency)가 지배적인 반면에, 인듀서의 출구에서는 전술한 고압의 영향으로 고주파의 특성이 보임을 알 수 있다. 또한, 시간에 대한 분석으로 인듀서의 회전 속도보다 더 고속으로 회전하는 끝단의 와동에 의한 공동현상이 발생함을 확인할 수 있다.

인듀서 입구(상류)측에서의 끝단 와동은 날개의 끝단과 케이싱 사이의 간극에서 발생하며, 압력면과 부압면 사이의 압력차에 기인한다. 이러한 간극에서의 누수(leakage)에 의한 유동은 주 유동(main stream)의 방향과 다른 각도를 가져 유동의 불연속성을 일으킨다. 이에 따라 유동장을 3차원화시키며, 그 영향이 날개 끝단에서만 국한되지 않고 스팬의 10∼30%까지 미친다. 또한 2∼3% 정도의 효율의 감소를 초래한다.

전술한 공동현상의 3가지 요인중 첫 번째는 출구의 고압의 유체를 인듀서의 부압면에 주기적으로 고압의 유체를 주입하여 필요 순흡입양정(NPSH_R)이 낮아져도 입구부에서의 공동이 억제되도록 해결할 수 있다. 두 번째로, 팁 간극에서 발생하는 역류에 의한 공동현상은 인듀서를 디퓨저 형태로 성형하여 억제할 수 있다. 세번째로, 끝단에서의 와동에 의한 공동현상을 줄이기 위해서 인듀서의 입구에 스윕을 형성한다. 상기 두 번째 및 세 번째의 인자는 본 발명과 관련되며, 발생한 기포가 인듀서의 통로에서 터지도록 한다.

보다 구체적으로, 본 발명에서는 Choi-Williams를 통해 확인한 날개 끝단의 와동에 의한 공동현상을 줄이기 위해 도 4에서와 같이 인듀서 입구에 스윕각(θ₀)을 형성한다. 이는 상기 공동현상이 인듀서의 입구쪽 날개 끝단에서 발생한다는 것을 고려하여 끝단의 면적을 줄임으로써 효과를 얻고자 하는 의도이다. 전산유체역학(CFD)으로 얻은 본 발명에 따른 인듀서 스윕은 다음과 같이 허브(R_hub)에서 끝단(R_tip)까지의 형상의 함수로 나타낼 수 있다.

…… (3)

도 10a는 상기 식(3)으로 얻은 스윕의 형상을 허브(R_hub)에서 끝단(R_tip)까지 도시한 그림이다. 스윕의 형상은 허브에서 끝단까지 지수함수를 나타내고 있으며 설계의 변수들에 대한 설명은 도 10b에 표시된다.

또한, 앞에서의 주파수 분석에서 공동현상이 발생한 경우 넓은 산(Broad Hump) 모양의 고 에너지가 발생하는 것을 확인하였다. 이와 같은 현상이 지속되면 침식작용을 일으켜 주 임펠러의 수명을 단축시킨다. 본 발명은 인듀서의 날개 사이 통로를 충분히 점진적으로 확대시켜 압력의 상승 효과를 통해 기포를 인듀서 내부에서 터뜨림으로써 임펠러의 수명을 연장한다.

다음의 식(4)는 전산유체역학(CFD)을 통해 얻은 인듀서 입구에서 출구까지의 디퓨저 형상의 함수이다.

…… (4)

도 11a는 식(4)에 의해 얻은 디퓨저의 형상을 인듀서 입구에서 출구까지 도시하며, 도 11b는 설계변수를 나타낸다. 식(4)는 실린더 좌표계(r,θ,Z)로 r은 허브(R_hub)이고은 입구각이며, 정해진 길이 L에 대해 축방향 변화량 Z를 θ의 함수로 나타낸 식이다. 이는 디퓨저를 선형화시켜 제작을 용이하게 하며, 디퓨저 비(입구면적/출구면적)가 0.76 이하로 되도록 하여 통로에서 박리 현상이 발생하지 않도록 하는 함수이다.

도 12 내지 15는 각각 도 1 및 도 9의 인듀서를 전산유체역학(CFD)을 이용해 비교한 그림들이다. 이는 전산유체역학(CFD)용 격자를 생성하고, 공학용 언어인 Fortran으로 된 전문 프로그램(Answer)을 이용하여 비정상 유동을 해석하며, Tecplot을 이용하여 그림으로 도시한다.

도 12 및 13은 압력면과 부압면에 대한 압력분포를 나타낸 그림으로서, 종래의 인듀서에 비해 본 발명의 인듀서가 압력 상승의 효과가 있음을 확인할 수 있다. 도 14는 끝단(Tip)에서의 벡터를 나타낸 그림으로서, 종래의 것보다 본 발명의 인듀서가 압력면에서 부압면으로 넘어가는 유체의 양이 현저히 감소했음을 확인할 수 있으며, 이는 입구쪽의 스윕이 날개 끝단의 와동에 의한 영향을 감소시킴을 의미한다. 도 15는 인듀서 축방향으로의 압력분포를 허브와 끝단에 대해 압력면과 부압면으로 각각 도시한다. 보는 바와 같이 인듀서 내부의 압력이 상승했으며, 증기압 이하로 내려가는 영역(이론적으로 기포가 발생하는 영역)도 줄어들어 공동현상의 발생 가능성이 현저히 줄였음을 알 수 있다.

이상에서 알 수 있듯이 본 발명의 인듀서는 끝단의 와동을 줄이고 압력을 상승시키는데 상당히 좋은 효과를 보임으로서 공동현상에 의한 펌프의 효율감소 및 파손을 줄이는데 효과적이다.

이상의 구성 및 작용에 따르면 본 발명은 펌프 임펠러의 부압면이나 날개 끝부분의 와류로 국부적으로 정압이 유체의 증기압 이하로 낮아져 발생되는 기포를 차단하여 압력의 손실, 효율의 감소 및 부식을 방지하는 효과가 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims (3)

1. 나선형식의 날개를 지니며 펌프 상류측에 일체로 설치되는 인듀서에 있어서:

   날개 끝단의 와동에 의한 영향을 줄이기 위해 입구에서 회전방향으로 전향하는 스윕(S)을 지니며, 발생한 기포를 내부에서 터뜨리기 위해 충분한 압력 상승을 갖도록 확대시킨 통로(P)를 구비하며,

   상기 인듀서의 스윕(S)은 스윕각(θ)(θ₀)이 허브(R_hub)에서 끝단(R_tip)까지

   의 관계식으로 변화하는 것을 특징으로 하는 공동현상 제거 구조의 펌프 인듀서.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 인듀서의 통로(P)는 정해진 길이 L, 입구각일 때 축방향 변화량 Z가 θ의 함수의 관계식에 의해 그 유로단면적이 점진적으로 증가되는 것을 특징으로 하는 공동현상 제거 구조의 펌프 인듀서.