KR100510907B1 - 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액체, 주로 하수를 펌핑하기 위한 원심 또는 반축류형 펌프 임펠러에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 펌프 임펠러는 전연부(6)가 크게 후퇴해 있는 하나 이상의 베인(5)이 마련된 허브(4)를 포함한다. 하나 이상의 급송 홈(8)이 펌프 하우징(1) 둘레에서 베인과 대향하는 하우징 표면(7)에 배치된다.

Description

펌프{PUMP}

본 발명은 펌프 임펠러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유체, 주로 하수를 펌핑하기 위한 원심형 펌프 또는 반축류형(半軸流形) 펌프용의 펌프 임펠러에 관한 것이다.

이 목적을 위한 여러 형태의 펌프와 펌프 임펠러가 문헌에 기재되어 있지만, 모두 어느 정도의 불리한 점들이 있다. 이러한 불리한 점들은 특히 막힘 및 저효율과 관련되어 있다.

하수에는 다양한 종류의 오염물이 포함되어 있는데, 오염물의 양과 구성은 계절과 하수의 방출 지역에 좌우된다. 도시에서는 플라스틱 재료, 위생 물품, 직물 등이 흔하지만, 산업 지역에서는 마모 입자가 발생할 수 있다. 경험상 최악의 문제는 넝마 등의 베인의 전연부에 달라붙어 임펠러 허브 둘레에 감기는 것이다. 그러한 일이 발생하면 자주 수리를 해야 하므로 효율이 저하된다.

농업 및 펄프 산업에서는 밀집, 목초, 나뭇잎 및 기타 형태의 유기 재료를 처리해야 하는 여러 종류의 특수 펌프가 사용된다. 이 목적을 위해, 베인의 전연부는 오염물이 전연부에 달라 붙는 대신에 주변부로 빠져나가도록 후퇴해 있다. 재료를 절단하고 흐름을 더욱 용이하게 하기 위한 상이한 타입의 붕괴 수단이 종종 사용된다. 그 예는 스웨덴 특허 제435 952호와 스웨덴 특허 제375 831호 및 미국 특허 제4 347 035호에 개시되어 있다.

하수 중의 오염물이 제어가 더욱 어려운 그 밖의 형태일수록, 그리고 하수 펌프의 정규 작동 회수가 더욱 길어질수록, 전술한 특수 펌프는 하수를 펌핑할 때 신뢰성과 효율의 관점에서 요구 조건을 충족시키지 못한다.

하수 펌프는 하루에 12시간까지 작동하는 일이 매우 흔한데, 이는 에너지 소비가 펌프의 전체 효율에 크게 의존함을 의미한다.

시험 결과, 본 발명에 따른 하수 펌프는 기존의 오수 펌프에 비해 50％까지 효율을 향상시킬 수 있음이 입증되었다. 보통, 전동 펌프의 수명 비용은 에너지 비용에 의해 전적으로 좌우되므로(대략 80％), 그러한 극적인 효율 향상이 매우 중요한 것임은 명백하다.

문헌에는, 펌프 임펠러의 설계가 매우 일반적으로 기재되어 있으며, 전연부의 스위프(sweep)와 관련하여 특히 그러하다. 스위프에 대한 명확한 정의가 없다.

시험에 따르면, 전연부에서 스위프 각 분포를 어떻게 설계하느냐 하는 것이, 펌프 임펠러에 요구되는 자체 세척 능력을 얻는 데에 매우 중요한 것으로 밝혀졌다. 양호한 작동을 위해서는 오염물의 속성에 따라서도 스위프 각을 다르게 해야한다.

기존의 문헌은, 오염물이 베인의 전연부를 따라 반경 방향 외측으로 활주하여 이동하게 하기 위해 필요한 어떠한 정보도 제시하지 못한다. 기재되어 있는 것은 전연부가 둔각을 이루며 후퇴해 있어야 한다는 등의 일반적인 사항이다. 스웨덴 특허 제435 952호를 참조하기 바란다.

목초 및 기타 유기 재료와 같이 더 작은 오염물이 펌핑될 때에, 반경 방향 이동을 가능하게 하고, 또한 펌프 임펠러와 그 임펠러를 에워싸고 있는 하우징 사이의 슬롯 내에 있는 오염물이 분해되도록 하는 데에는, 비교적 작은 각도로도 충분할 수 있다. 실제로 임펠러가 10 내지 25 m/s의 주변부 속도로 회전할 때, 입자가 임펠러 및 하우징과 접촉하여 절단됨으로써 분해가 이루어진다. 이 절단 공정은 절단 장치, 슬롯 등이 마련된 표면에 의해 개선된다.

다른 종류의 노치(notch) 및 절단 수단이 스웨덴 특허 제435 952호와 스웨덴 특허 375 831호에 기재되어 있다. 이들 특허는 모두 베인이 숄더(shoulder) 뒤에 배치되는 공통점이 있다. 이러한 배치는 정수(淨水)용 고효율 펌프에 사용되는 편평한 윤곽의 펌프에 비해 효율이 상당히 손실된다.

스웨덴 특허 435 952호에는 축 방향의 구멍이 숄더 뒤에 배치된 실시예가 개시되어 있다. 상기 특허에 따르면 오염물은 전연부가 크게 후퇴해 있는 전연부를 구비한 베인에 의해 구멍으로 배출된다. 그러나 매우 일반적으로 기재된 상기 실시예는 하수 내에 함유된 무거운 오염물을 펌핑하는 데에는 적합하지 않다.

스웨덴 특허 375 831호에는 오염물이 슬롯으로부터 중심을 향해 이송되는 반대 원리를 사용하는 해법이 개시되어 있다. 이러한 해법은 전술한 숄더와 조합하여 오염물을 슬롯 안으로 급송하는 것이 불가능하다.

전술한 바와 같이, 오염물이 외측으로 그리고 주변부에 있는 슬롯 안으로 급송할 수 있기 위해서는 베인의 전연부가 크게 후퇴해 있어야 하는 것이 하나의 조건이 된다. 그렇지 않으면, 심각한 셧다운(shut down)이 매우 빨리 발생할 것이다. 이러한 유형의 펌프 임펠러는 스웨덴 특허 제9704222-0호 및 스웨덴 특허 제9704223-8호에 기재되어 있다. 그러나, 오염물이 외측으로 활주하여 베인과 펌프 하우징 벽 사이의 슬롯에 도달하면, 이 오염물이 전연부의 주변부에 고착되어 슬롯을 막을 위험이 있다.

독일 특허 제614 426호에는 전술한 숄더가 필요없으면서도 이러한 문제를 해결하는 장치가 개시되어 있다. 상기 펌프는 축 방향 입구로부터 유속 채널의 반경 방향 부분까지 급경사의 연결부가 마련된 원심 펌프이다. 여기서, 전연부의 주변부는 채널의 반경 방향 부분에 마련된 연결부의 하류에 위치한다. 또한 절단 칼까지 높이가 감소되는 전연부 정면의 견고한 노치와, 그 뒤로 삼각형의 횡단면과 예리한 코너를 갖고 주변부를 향해 넓어지는 나선형 홈이 구비된 장치도 개시되어 있다. 또한, 이러한 유형의 해법의 기본 원리는 교체 가능한 절단 수단이 오염물을 분해한다는 것이다. 예컨대, 절단 수단이 무뎌져서 오염물이 분해되지 않는다면, 노치의 높이가 감소됨으로써 오염물이 가압되어 면적이 최소인 영역 즉, 상기 절단 수단의 영역 내에서 막힘이 일어나게 된다.

따라서, 전술한 특허는 특정 조건 하에서는 자체 세척 능력을 얻을 수 있지만 효율, 내마모성 및 수명과 관련하여 중요한 결함이 있는 해법을 제시하고 있는 것이다. 또한, 베인의 전연부와 관련하여 매우 중요한 조건에 대한 상세한 정보를 제공하지 못하므로, 상기 특허에 개시된 장치를 하수를 펌핑하는 데 적용하는 것은 무의미하다.

본 발명은 종래 공지된 해법에 수반되는 불리한 점을 제거한 오수 펌핑용 장치를 제공하기 위한 것이다.

도면에는 원통형 입구(2)가 마련된 원심 펌프 하우징(1), 원통형 허브(4)와 베인(5)이 구비된 펌프 임펠러(3), 베인의 전연부(6), 펌프 하우징 벽(7), 하우징 벽에 마련된 홈(8), 회전 방향(9) 및 회전축(z)이 도시되어 있다. 또한 홈(8)의 대향 측부(11), 홈의 표면(12), 홈의 바닥(13) 및 그 깊이(h)도 도시되어 있다.

본 발명의 중요한 원리는 펌핑된 액체 내의 오염물이 절단 수단에 의해 분해되지 않는다는 것이다. 반면에 훨씬 튼튼한 구조물을 사용하여 주변부를 향해 외측으로 오염물을 급송한다. 이는 기계의 수명이, 특히 마모 입자를 펌핑하는 경우, 상당히 증가된다는 것을 의미한다. 또한, 이러한 구성은 안정적인 것으로, 펌프 하우징 벽의 마모가 감소됨을 의미한다.

본 발명은, 하나 이상의 베인(5)의 전연부(6)가 펌프 하우징의 상류 즉, 원통형 입구(2)에 배치되고, 상기 전연부는 상기 임펠러의 회전축(z)에 대해 수직인 평면에 배치되는 특별한 유형의 펌프 임펠러(3)가 구비된 펌프에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 하나 이상의 노치 또는 홈(8)이 펌프 하우징의 벽에 마련되고, 이러한 홈은 임펠러에 대향하는 하우징 표면(7)에 걸쳐 연장된다. 즉, 상기 홈은 실질적으로 원통형인 입구(2)로부터 본질적으로 축류형인 펌프 하우징 표면까지 연장되며 후술하는 형태를 띤다. 하나 이상의 홈(8)은 오염물이 펌프 출구의 방향으로 급송되도록 하나 이상의 베인의 전연부(6)와 협동한다.

펌프를 통한 급송을 확보하고 종래 기술에 비한 그 밖의 장점을 얻기 위하여, 상기 홈(8)은 특수한 경로와 기하학적 형상을 갖는다.

도 4에 도시된 홈의 원통상 단면의 형상은 임펠러가 통과하는 측면에서 펌프 하우징 표면(7)으로의 완만한 연결부(10)에 특징이 있다. 전술한 원통상 단면에서 홈의 대향 측부(11)는 펌프 하우징 벽과 관련하여, 대체로 수직인 홈의 표면(12)으로서, 이 홈의 표면은 연속적으로 대체로 타원형인 바닥(13)으로 변환되고, 특징적인 횡축을 가지며, 그 길이는 홈의 깊이의 적어도 2배이다. 이러한 바닥의 둥근 부분은 마모 입자가 2차 흐름(secondary current)에 의해 하우징 표면(7)으로부터 급송될 때 중요한 것으로, 이에 따라 상기 표면의 마모가 상당히 감소된다.

하우징 표면(7)으로의 완만한 연결부(10)와 홈의 바닥(13) 사이에는 대체로 직선형의 천이부(14)가 마련된다. 상기 천이부와 하우징 표면(7) 사이의 각도(γ)는 2 도 내지 25 도이고, 여기서 γ는 다음의 수학식 1과 같이 정의된다.

[수학식 1]

γ = arctan(△z /(r .△θ)),

여기서, △z는 축 방향 변위이고, r .△θ는 접선 방향 연장부이다.

도3은, 홈(8)의 스위프 각(β)을 나타낸 것으로, 여기서

[수학식 2]

이고,

여기서 dr,dθ 및 dz는 홈의 연부를 따른 미소 변위이다.

본 발명에 따르면, 최고의 결과를 얻기 위한 스위프 각(β)은 전체 경로를 따라서 10도 내지 45도 사이의 값을 갖는다.

본 발명에 의해 지금까지 알려진 해법에 비해 다음과 같은 몇 가지 장점을 얻을 수 있다.

급송 기능이 오염물을 처리하여 배출하므로, 특별하고 영구적이거나 교체 가능한 절단 수단이 필요하지 않다.

만곡된 홈(8)은 슬롯을 통한 누수가 감소되어 직접적인 효율의 증가를 초래하는 슬롯 밀봉체로서 작용한다.

마모 입자가 홈을 통과한 후에 표면 구역으로부터 제거되므로 홈에 인접한 표면의 마모가 감소된다. 이러한 방식으로, 하수에 마모 입자가 함유된 경우에도 역시 우수한 효율이 유지된다.

펌핑된 매체 내의 마모 입자에 의해 세부 구성의 원형이 유지되면서 마모되므로 수명이 길어진다. 이는 어느 정도 마모된 후에도 우수한 기능이 유지됨을 의미한다.

상기 장치는 홈(8)의 경로가 축 방향으로부터 반경 방향으로 변환되므로, 성능 관점에서 최적의 형태를 갖는 펌프 임펠러에 적합하다.

도 1은 본 발명에 따른 펌프 하우징의 사시도이고,

도 2는 본 발명에 따른 펌프의 개략적인 반경 방향의 단면도이며,

도 3은 펌프 하우징 표면을 향한 축 방향의 개략적인 평면도이고,

도 4는 펌프 하우징 표면의 홈을 관통한 원통 형상의 단면도이다.

＜도면의 주요 부분에 대한 설명＞

1 : 하우징

2 : 원통형 입구

3 : 임펠러

4 : 허브

5 : 베인

6 : 전연부

7 : 하우징 표면

8 : 홈

9 : 회전 방향

11 : 홈의 대향 단부

12 : 홈의 표면

13 : 홈 바닥

Claims (3)

1. 하나 이상의 베인과 중앙 허브로 구성된 임펠러와, 원통형 입구가 마련된 펌프 하우징을 포함하되, 전연부는 후퇴해 있으며 임펠러 축에 대해 대체로 수직인 평면에 배치되고, 하나 이상의 급송 홈은 베인에 대향하는 펌프 하우징 벽의 표면에 배치되며, 상기 홈은 상기 전연부 영역의 상류에 배치되고 입구로부터 출구쪽으로 이어지며 임펠러의 회전 방향으로 만곡되어 있는 하수 펌핑용 원심형 또는 반축류형 펌프에 있어서,

   상기 하나 이상의 홈을 관통하는 원통상의 단면에 있어서, 임펠러가 통과하는 측면에 펌프 하우징 표면과 상기 하나 이상의 급송 홈 사이에 완만한 천이부가 마련되고, 상기 홈의 경사부와 펌프 하우징 사이의 각도(γ)는 γ = arctan(Δz/(r·Δθ))로 정의되며,

   상기 Δz는 축방향 변위, 상기 r·Δθ는 접선 방향 연장부이며, 상기 각도(γ)는 2도 내지 25도 사이인 것을 특징으로 하는 펌프.
2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 홈을 관통하는 임의의 원통형의 단면에 있어서, 상기 홈의 대향 표면은 대체로 수직으로 지향되고, 상기 표면은 대체로 타원형인 바닥으로 연속적으로 변환되는 것을 특징으로 하는 펌프.
3. 제2항에 있어서, 타원형인 상기 하나 이상의 홈의 상기 바닥의 횡축의 길이는 적어도 상기 홈의 깊이의 2배인 것을 특징으로 하는 펌프.