KR100524505B1 - 펌프임펠러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액체, 주로 하수를 펌핑하기 위한 원심형 또는 반축류형 펌프 임펠러에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 펌프 임펠러는 전연부(3)가 크게 후퇴해 있는 하나 이상의 베인(2)이 마련된 허브(1)를 포함한다. 스위프 각(a)의 크기는 허브(1)와의 연결부에서 40도 내지 60도 사이에서 변하고, 주변부(5)에서는 55도 내지 75도 사이에서 변한다.

Description

펌프 임펠러{PUMP IMPELLER}

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

반축류형 펌프는 혼합 흐름 펌프(mixed flow pump)라고도 불리는데, 상기 반축류형 펌프에서는 유입되는 유체가 임펠러에 실질적으로 수직한 방향, 즉 펌프의 샤프트 방향으로 들어오게 되고, 그 유체가 유입 방향에 대해 약 20°∼ 약 90°의 방향으로 펌프를 나가게 된다.

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

하수에는 다양한 종류의 오염물이 포함되어 있는데, 오염물의 양과 구조는 계절과 하수의 방출 지역에 좌우된다. 도시에서는 플라스틱 재료, 위생 물품, 직물 등이 흔하지만, 산업 지역에서는 마모 입자가 발생할 수 있다. 경험상 최악의 문제는 넝마 등이 베인의 전연부(leading edge)에 달라붙어 임펠러 허브(impeller hub) 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 전연 부는 오염물이 전연부에 달라붙는 대신에 주변부(periphery)로 빠져나가도록 후퇴해 있다. 재료를 절단하고 흐름을 더욱 용이하게 하기 위해 상이한 형태의 분해수단이 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 좌우됨을 의미한다.

시험 결과, 본 발명에 따른 하수 펌프는 기존의 하수 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 따라서 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 때는, 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. 스웨덴 특허 제435 952호와 비교하기 바란다. 그러한 펌프는 펄프, 비료 등의 운반에 사용된다.

자체 세척 능력을 얻기 위해서, 전연부가 후퇴해 있는 베인을 구비한 펌프 임펠러를 설계할 때, 스위프 각의 분포와 성능 및 기타 설계 파라미터 사이에 저촉이 발생한다. 일반적으로, 스위프 각이 크면 막힐 위험이 적은 것은 사실이지만, 동시에 효율이 저하된다.

본 발명은 넝마나 섬유와 같은 오염물을 함유하고 있는 하수를 경제적이고 신뢰성 있게 펌핑하기 위한 상이한 기능 및 품질을 얻는다는 관점에서 베인의 전연부의 최적 설계를 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.

원칙적으로, 본 발명은 청구 범위에 제시된 3 가지 구성 요소를 포함한다.

도 5에 도시된 제1 구성 요소는 양호한 기능과 효율을 가능하게 하는 스위프 각의 분포 대역을 정량화한다. 그 범위는 크기와 주변부 속도 및 재료의 마찰과 연관되어 있다. 본 명세서에서는 정규화된 반경이라고 부르는 그 범위를 기술하기 위한 독립 변수는 이하의 수학식 1과 같이 정의된다.

[수학식1]

표준화된 반경 = (r-r₁)/(r₂-r₁)

여기서, r₁은 허브 연결부(connection)의 반경이고, r₂는 전연부의 주변부까지의 반경이며, 원점이 임펠러 샤프트의 중심에 있는 원통 좌표계에 따른 상기 반경은 실제 지점과 임펠러 샤프트의 연장부 상의 지점 간의 최단 거리를 정의한다.

본 발명의 이 부분에 있어서의 기본은, 전연부의 스위프 각이 허브 연결부에서 최소 40도로부터 주변부에서 최소 55도까지 외측으로 상당히 증가된다는 것이다. 상한인 60도 내지 75도는, 초과 시에 신뢰성 및 효율이 악영향을 받는 경계선을 정의한다.

본 발명의 제2 부분은 스위프 각이 작용 지점, 즉 상이한 흐름 및 수두와 거의 무관해지는 매우 유리한 능력을 갖는 특수한 실시 형태에 관한 것으로, 상기 작용 지점은 상이한 속도 삼각형()에도 해당한다.

스위프 각의 정의는 첨부 도면을 참조하면서 이하에서 설명한다.

도면 중, 도면 부호 1은 임펠러 허브를 나타내고, 2는 전연부(3)를 구비한 베인을 나타낸다. 도면 부호 4는 전연부와 임펠러 허브의 연결부를 가리키며, 5는 전연부의 주변부를 가리킨다. 도면 부호 6은 특정 지점에서의 전연부에 대한 법선을 지시한다. 도면 부호 7은 펌프 하우징의 벽을 나타내며, 8은 허브의 단부, 9는 회전 방향, a는 스위프 각을 각각 가리킨다. W_R은 투영된 상대 속도(projective relative velocity), 즉 함께 회전하는 좌표계에서의 유체의 속도를 나타내며, Z는 임펠러 샤프트의 방향을 가리킨다.

필요한 펌프 임펠러의 기하학적 형상을 최적의 방법으로 설계하기 위해서, 스위프 각을 정확하게 정의한다. 일반적으로, 정확한 스위프 각(α)은 축선 방향 도(r-θ) 뿐만 아니라 자오선도(r-z)에 있어서 전연부의 기하학적 형상의 함수이다(도 2 및 도 3 참조).

정확한 정의는 전연부(3)의 형태를 그리는 곡선과, 그 곡선에서의 국부적인 상대 속도()의 함수이다. 이는 다음의 수학적인 방식으로 기술할 수 있다.

속도 삼각형()의 전통적인 표시에 의하면, 상대 속도 (r)는 함께 회전하는 원통 좌표계에서의 위치 벡터 의 함수이다. 통상적으로, 상대 속도 (r, θ, z)는 그 성분(Wr, W_θ, Wz)으로도 설명할 수 있다,

전연부(3)를 따르는 3차원 곡선은 함께 회전하는 해당 좌표계에서 위치 벡터() 에 의존하는 함수()로서 기술될 수 있다. 즉, = (r, θ, z)이다.

모든 지점에서 전연부와 평행한 미소 벡터는 d로 정의될 수 있다. 내적의 정의로부터 스위프 각(α)에 대한 식을 얻을 수 있는데, 그 식은 d에 대한 법선과 _R 사이의 각도로 정의되며, 여기서 투영된 상대 속도인 _R은 영입사(zero incidence)에서 _R의 방향으로의 정사영(orthogonal projection)으로 정의된다. 이는 _R과 가 종종 최고 효율 지점이라고 부르는 정규 작동 지점 또는 그 부근에서 동일함을 의미한다.

[수학식2]

α = π/2 - arccos[(d· _R)/(│d│·│ _R│)]

만약 절대 유입구 속도가 어떠한 정규의 원주 방향 성분도 가지고 있지 않다고 가정하면, W_θ는 임펠러의 주변부 속도와 동일하다.

이상의 정의와 가정을 사용하여, 이하에서는 α가 흐름과 무관하다 것을 보이기로 한다. 조건으로서, 전연부는 임펠러 샤프트의 방향(z)과 거의 수직인 평면에 위치하고, 또한 절대 유입구 속도가 거의 축방향인 곳에 위치하는데, 이는 _R의 반경 방향 성분이 거의 0임을 의미한다. 같은 이유로, _R의 원주 방향 성분, 즉 θ 방향 성분은 임펠러의 주변부 속도와 동일하며 흐름과 무관하다. 전술한 바와 같이 dRz가 0이기 때문에, _R의 축방향 성분이 α에 기여하는 바는 무시할 수 있다. 이는 내적의 정의에 따른 것이다. 따라서, 흐름에 의존하는 변수 _R은 수학식 2의 α에 영향을 주지 않는데, 왜냐하면 분모 뿐만 아니라 분자도 비례하여 변하기 때문이다.

본 발명의 한 가지 바람직한 실시 형태에 따르면, 베인의 전연부는 임펠러 샤프트에 거의 수직인 평면에 위치한다. 펌프는 체적 흐름(volume flow) 및 수두와 관련하여 넓은 분야에서 사용되는 일이 매우 흔하다는 점을 고려하여, 본 바람직한 실시 형태는 상이한 작동 조건과 무관하게 자체 세척 능력이 유지될 수 있게 해준다.

본 발명의 제3 부분은 전연부와 허브의 연결부가 허브(1)의 단부(8)에 인접하여 위치하는, 즉 허브가 중심에서 돌출하는 첨단부(tip)를 갖지 않는 바람직한 실시 형태에 관한 것이다. 이에 의하면, 오염물이 임펠러 중심부에 감길 위험이 감소한다.

본 발명에 따르면, 펌프 임펠러의 전연부에 대한 최적 설계를 통해 펌프에 자체 세척 능력을 부여함으로써 펌프 효율을 기존 펌프에 비해 50%까지 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 펌프 임펠러의 3차원도.

도 2는 본 발명에 따른 펌프의 개략적인 반경 방향 단면도.

도 3은 임펠러 유입구의 개략적인 축방향 도면.

도 4는 임펠러 베인의 전연부의 일부 확대도.

도 5는 본 발명에 따른 정규화된 반경과 전연부의 후방 스위프 각 사이의 관계를 도시하는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 설명>

1 : 임펠러 허브

2 : 베인

3 : 전연부

4 : 연결부

5 : 주변부

6 : 법선

7 : 하우징 벽

8 : 허브 단부

9 : 회전 방향

α : 스위프 각

W_R : 유체의 상대 속도

Z : 임펠러 샤프트 방향

Claims (3)

1. 하수 펌핑용 펌프에 사용되는 원심형 또는 반축류형 펌프(half-axial pump) 임펠러에 있어서,

   하나 이상의 베인(vane;2)이 마련되어 있으며, 그 베인(2)의 전연부(前緣部;leading edge;3)는 주변부를 향해 후퇴하는데, 상기 전연부(3) 상의 모든 지점에서 상기 전연부(3)에 대한 법선(6)과 그 지점에서의 펌핑되는 매체(pumped medium)의 투영된 상대 속도( _R) 사이의 각도로서 정의되는 스위프 각(sweep angle; α)은, 상기 전연부(3)와 허브(hub;1)의 연결부(connection;4)에서 40도 내지 60도로 제한되며, 주변부(periphery;5)에서 55도 내지 75도로 제한되는 영역 내에 있고, 그 사이에서 균일하게 변화하는 값을 가지는 것을 특징으로 하는 펌프 임펠러.
2. 제1항에 있어서, 상기 베인(2)의 전연부(3)는 임펠러 샤프트(z)와 직교하는 평면에 위치하며, 상기 평면에서의 펌핑되는 매체의 절대 속도는 주로 축선 방향인 것을 특징으로 하는 펌프 임펠러.
3. 제1항에 있어서, 상기 전연부(3)와 허브(1)의 연결부(4)는 상기 허브의 단부(8)에 인접한 것을 특징으로 하는 펌프 임펠러.