KR100959418B1 - 원심 및 사류펌프용 디퓨저의 설계 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원심 및 사류 펌프용 디퓨저의 설계 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원심 및 사류펌프에 사용되는 디퓨저에 대한 3차원 형상을 제공하기 위하여, 날개의 기본 형상을 표현하는 자오면(Meridional View)과 날개 각도를 표현하는 전면(Front View) 정보 및 자오면 좌표에 따른 날개각을 나타내는 날개 전개도에 대한 정보 등을 제공하여, 디퓨저의 설계가 용이하고, 보다 안정적이고 효율적인 원심 및 사류펌프를 제공할 수 있도록 한 것이다.
특히, 디퓨저의 설계 변수를 설정하고, 설정된 변수값을 입력받아 자오면 형상 데이터를 생성하며, 생성된 자오면 형상 데이터에 기초하여 디퓨저의 날개각 정보를 제공함으로써, 원심 및 사류펌프의 디퓨저에 대한 형상을 수치적으로 표현가능하도록 한 것으로서, 이에 의하면 원심 및 사류펌프용 디퓨저의 설계를 보다 용이하게 할 수 있음은 물론, 이를 이용하여 제조된 원심 및 사류펌프에 대한 제품의 신뢰성 및 경쟁력을 향상시킬 수 있는 것이다.
원심 및 사류펌프, 디퓨저, 자오면, 설계 변수

Description

원심 및 사류펌프용 디퓨저의 설계 방법 및 시스템{Method and system for designing diffuser of centrifugal and mixed flow pump}
본 발명은 디퓨저에 대한 형상을 수치로 표현함에 의하여, 원심 및 사류펌프용 디퓨저의 설계를 보다 용이하게 할 수 있음은 물론, 이를 이용하여 제조된 원심 및 사류펌프에 대한 제품의 신뢰성 및 경쟁력을 향상시킬 수 있는 원심 및 사류펌프용 디퓨저의 설계 방법 및 시스템에 관한 것이다.
원심 및 사류 펌프는 외부로부터 동력을 받아 회전하는 임펠러(Impeller)에 의해 발생하는 원심 및 사류력을 이용하여 유체의 펌프 작용, 즉 유체의 수송작용을 하거나 압력을 발생시키는 유체 기계를 말한다.
이 때 디퓨저는 임펠러의 후단에 설치되어 유체를 확산시키거나 속도 및 압력을 변환하는 기능을 수행한다. 따라서 임펠러 및 디퓨저의 설계가 원심 및 사류펌프 설계에 있어서 가장 기초 작업이 된다.
상기 디퓨저를 설계하기 위해서는 디퓨저의 3차원 형상을 도출하여야 하는 데, 이를 위해서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 날개의 형상을 표현하는 자오면(meridional view)과, 날개 각도를 표현하는 전면(front view) 혹은 자오면 좌표에 따른 날개각을 나타내는 날개 전개도 정보가 요구된다.
이 중에서 자오면은, 날개 형상을 나타낸 정보로서, 기존의 자오면 설계는 경험적인 측면에 의존하여 날개의 입/출구 직경 및 허브와 쉬라우드의 형상을 정의하고, 아크(Arc) 곡선등을 이용하여 입출구를 부드럽게 연결하는 방법으로 이루어져 왔으며, 자오면을 제어할 수 있는 설계 변수들이 정립되어 있지 않아 형상을 수치적으로 표현할 수 없어서 설계에 어려움이 많았다.
본 발명은 종래에 자오면을 제어할 수 있는 변수가 정립되어 있지 않아 디퓨저의 형상을 수치로 표현할 수 없었기 때문에 디퓨저의 설계가 어려웠던 문제점을 해결하여, 디퓨저의 자오면 형상을 수치적으로 표현할 수 있고, 이를 이용하여 디퓨저의 3차원 형상을 용이하게 생성하고자 한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 예에 의한 원심 및 사류펌프용 디퓨저의 설계 방법은, 디퓨저의 자오면 형상 제어를 위해 설정된 자오면 설계 변수를 입력받아, 디퓨저의 자오면 형상 데이터를 산출하는 자오면 형상 설계 과정; 상기 자오면 형상 설계 과정에서 산출된 디퓨저의 자오면 형상 데이터 및 날개 전개도 제어를 위한 설정된 디퓨저의 날개 전개도 설계 변수를 입력받아, 자오면 좌표의 날개각을 산출하는 날개 전개도 설계 과정; 및 상기 산출된 자오면 형상 데이터 및 날개각 정보를 조합하여 디퓨저의 3차원 형상을 생성하여 출력하는 디퓨저 형상 생성 과정을 포함한다.
더하여 본 발명의 다른 실시 예에 의한 원심 및 사류 펌프용 디퓨저의 설계 시스템은, 디퓨저 설계를 위한 명령어와 디퓨저의 자오면 설계 변수 및 날개 전개도 설계 변수의 값을 입력하기 위한 입력부; 상기 입력부를 통해 디퓨저의 자오면 설계 변수 및 날개전개도 설계 변수를 입력받아, 상기 자오면 설계 변수를 이용하 여 디퓨저의 자오면 형상 데이터를 산출하고 상기 자오면 형상 데이터 및 상기 날개 전개도 설계 변수를 이용하여 날개각을 산출한 후 상기 자오면 형상 데이터 및 날개각을 조합하여 디퓨저의 3차원 형상을 생성하는 제어부; 상기 제어부에서 산출된 자오면 형상 데이터, 날개각 정보 및 디퓨저의 3차원 형상 데이터를 저장하는 저장부; 및 상기 제어부의 제어에 따라서 디퓨저의 자오면 설계 변수와 날개 전개도 설계 변수 입력 화면, 산출된 디퓨저의 자오면 형상 데이터, 날개각, 및 디퓨저의 3차원 형상을 출력하는 출력부를 포함한다.
상기 디퓨저의 설계 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 디퓨저의 자오면 형상 제어를 위해 설정된 디퓨저의 자오면 설계 변수를 입력받는 자오면 설계 변수 입력 모듈; 상기 입력된 디퓨저의 자오면 설계 변수를 이용하여 디퓨저의 자오면 형상 데이터를 산출하는 자오면 형상 데이터 산출 모듈; 디퓨저의 날개 전개도 제어를 위한 상기 디퓨저의 자오면 형상 데이터 및 날개 전개도 설계 변수를 입력받는 날개 전개도 설계 변수 입력 모듈; 상기 디퓨저의 자오면 형상 데이터 및 날개 전개도 설계 변수를 이용하여 날개 전개도를 구성하고 이로부터 날개각을 산출하는 날개각 산출 모듈; 및 상기 산출된 디퓨저의 자오면 형상 데이터 및 날개각을 조합하여 디퓨저의 3차원 형상을 생성하는 디퓨저 형상 생성 모듈을 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 디퓨저의 설계 방법 및 시스템에 있어서, 상기 디퓨저의 자오면 설계 변수는, 임펠러 출구부에서의 반경 R2h, 임펠러 출구부에서의 날개폭 b2, 임펠 러 출구부에서의 기울어진 각도 φ2, 디퓨저 최외각 지점에서의 반경 R4h, 디퓨저 최외각 지점에서의 날개폭 b4, 디퓨저 최외각 지점에서의 기울어진 각도 φ4, 디퓨저 출구부에서의 반경 R5h, 디퓨저 출구부에서의 날개폭 b5, 디퓨저 출구부에서의 기울어진 각도 φ5, 허브측 임펠러 출구부 조정점 %CP1h, 허브측의 제1,2 디퓨저 최외각 지점 조정점 %CP2h,%CP3h, 허브측 디퓨저 출구부 조정점 %CP4h, 임펠러 출구부의 허브 곡선이 수평선과 이루는 각도θ1h, 디퓨저 출구부의 허브 곡선이 수평선과 이루는 각도 θ4h, 쉬라우드측에서의 임펠러 출구부 조정점 %CP1s, 쉬라우드측에서의 제1,2 디퓨저 최외각 지점 조정점 %CP2s,%CP3s, 쉬라우드측에서의 디퓨저 출구부 조정점 %CP4s, 임펠러 출구부의 쉬라우드 곡선이 수평선과 이루는 각도 θ1s, 및 디퓨저 출구부의 쉬라우드 곡선이 수평선과 이루는 각도 θ4s를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 디퓨저의 설계 방법 및 시스템에서, 상기 날개 전개도 설계 변수는, 출구부 시작점 TE start point, 디퓨저의 스윕각과 평균된 반경의 곱 r_theta_total, 입구각 beta1_(h,m,t), 출구각 beta2_(h,m,t), 입구 직선부의 길이 %beta_LE_(h,m,t), 출구 직선부의 길이 %beta_TE_(h,m,t), 출구부에서 회전방향으로 기울어진 각 d_theta(h,t), 입구 부분의 조정점 %CP_LE_(h,m,t), 및 출구부분의 조정점 %CP_TE_(h,m,t)를 포함하여 이루어지거나, 입구각 beta1_(h,m,t), 출구각 beta2_(h,m,t), 입구 직선부의 길이 %beta_LE_(h,m,t), 출구 직선부의 길이 %beta_TE_(h,m,t), 및 출구부에서 회전방향으로 기울어진 각 d_theta(h,t)만으로 이루어진다.
본 발명에 의하면, 디퓨저의 3차원 형상을 표현하는 자오면 및 날개 전개도 설계 변수를 정립하고, 각각의 설계 변수 들을 제어할 수 있게 됨으로써, 디퓨저의 형상을 수치적으로 표현할 수 있게 되고, 그 결과 모델별 데이터베이스화가 가능해지고, 디퓨저의 설계를 보다 용이하게 할 수 있음은 물론, 이를 이용하여 제조된 원심 및 사류펌프에 대한 제품의 신뢰성 및 경쟁력을 향상시킬 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, '모듈'이란 용어는 특정한 기능이나 동작을 처리하는 하나의 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 발명은, 디퓨저의 설계를 위한 설계 변수를 설정하고, 상기 설계 변수만 입력하면, 이로부터 디퓨저의 기본 형상 정보인 자오면 형상 정보를 자동으로 산출하고, 상기 자오면 형상 정보를 이용하여 날개각 θ값을 산출함으로써 디퓨저의 3차원 형상을 표현하는 방법 및 시스템을 제공한다.
도 2는 본 발명에 따른 디퓨저의 설계 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 디퓨저의 설계 방법은, 자오면 설계 과정(S10)과, 날개 전개도 설계 과정(S20)과, 디퓨저 3차원 형상 생성 과정(S30)을 포함한다.
즉, 자오면 설계 과정(S10)을 통해 디퓨저 기본 형상 정보인 자오면 형상 정보를 얻게 되고, 그 다음 날개 전개도 설계 과정(S20)을 통해 디퓨저의 날개각 정보인 θ값을 얻는다. 그러면 상기 과정(S30)에서 상기의 자오면 형상 정보와 디퓨저 날개각 정보를 조합하여 디퓨저의 3차원 형상을 생성한다.
이하에서 상기 자오면 설계 과정(S10)과, 날개 전개도 설계 과정(S20)을 첨부한 도 3 내지 도 8을 더 참조하여 상세하게 설명한다.
앞서 설명한 바와 같이, 자오면 형상은 날개의 입출구 직경 및 허브(hub)와 쉬라우드(shroud)의 형상을 표현하고 있어 디퓨저의 설계에 있어서 가장 기본이 된다.
본 발명은, 먼저 단계(S11)에서 이러한 디퓨저의 자오면 형상을 제어하기 위한 자오면 설계 변수를 입력받는다. 본 발명에서 디퓨저의 자오면 형상 제어를 위한 자오면 설계 변수는 도 3과 같이 정의된다.
도 3에 나타난 디퓨저의 자오면 형상에 있어서, 부호 2는 임펠러의 출구부를 나타내고, 3은 디퓨저의 입구부를 나타내며, 4는 디퓨저의 최외각 지점을 나타내고 5는 디퓨저의 출구부를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 상기 자오면 설계 변수는, 임펠러 출구부(2)에서의 쉬라우드 좌표를 결정하기 위한 입구측 정보로서, 임펠러 출구부(2)에서의 반경 R2h, 임펠러 출구부(2)에서의 날개폭 b2, 및 임펠러 출구부(2)에서의 기울어진 각도 φ2를 포함하고, 디퓨저 최외각 지점(4)에서의 쉬라우드 좌표를 결정하기 위한 최외각 정보로서, 디퓨저 최외각 지점(4)에서의 반경 R4h, 디퓨저 최외각 지점(4)에서의 날개폭 b4, 디퓨저 최외각 지점(4)에서의 기울어진 각도 φ4를 포함하고, 디퓨저 출구부(5)에서의 쉬라우드 좌표를 결정하기 위한 출구측 정보로서, 디퓨저 출구부(5)에서의 반경 R5h, 디퓨저 출구부(5)에서의 날개폭 b5, 및 디퓨저 출구부(5)에서의 기울어진 각도 φ5를 포함하고, 베지어 커브를 이용하여 임펠러 출구부(2)에서 디퓨저 최외각 지점(4)을 지나 디퓨저 출구부(5)까지 연결되는 허브 라인을 생성하기 위한 정보로서, 허브측 임펠러 출구부 조정점 %CP1h, 허브측의 제1,2 디퓨저 최외각 지점 조정점 %CP2h,%CP3h, 허브측 디퓨저 출구부 조정점 %CP4h, 임펠러 출구부(2)의 허브 곡선이 수평선과 이루는 각도θ1h, 및 디퓨저 출구부(5)의 허브 곡선이 수평선과 이루는 각도 θ4h를 포함하고, 베지어 커브를 이용하여 임펠러 출구부(2)에서 디퓨저 최외각 지점(4)을 지나 디퓨저 출구부(5)까지 연결되는 쉬라우드 라인을 생성하기 위한 정보로서, 쉬라우드측에서의 임펠러 출구부 조정점 %CP1s, 쉬라우드측에서의 제1,2 디퓨저 최외각 지점 조정점 %CP2s,%CP3s, 쉬라우드측에서의 디퓨저 출구부 조정점 %CP4s, 임펠러 출구부(2)의 쉬라우드 곡선이 수평선과 이루는 각도 θ1s, 및 디퓨저 출구부(5)의 쉬라우드 곡선이 수평선과 이루는 각도 θ4s를 포함한다.
본 발명의 상기 단계(S11)에서는 상술한 바와 같이 정의된 디퓨저 자오면의 설계 변수의 정보를 도 4a와 같은 입력 화면을 통해 입력받는다.
그러면 단계(S12)에서, 상기 입력된 설계 변수를 이용하여 디퓨저의 자오면 형상 데이터를 산출한다. 상기 자오면 형상 데이터의 산출은, 상기 단계(S11)에서 입력된 설계 변수에 의해 디퓨저 자오면의 기본 좌표값을 산출한 후, 허브 및 쉬라 우드에 포함된 직선 구간을 산출하고, 이어 입력부와 출력부를 연결하는 곡선구간을 산출하는 방식으로 이루어진다. 상기 자오면 형상 데이터는 축방향(z축) 및 반경방향(r축)의 좌표값으로 나타난다.
그리고 단계(S13)에서 상술한 바와 같이 산출된 자오면 형상 데이터를 저장하거나 화면에 출력한다. 이때, 상기 자오면 형상 데이터는 다양한 파일 형식으로 저장될 수 있으며, 예를 들어, CAD 형식 및 날개 전개도 입력 형식으로 저장하여 이후 필요시에 언제든 이용할 수 있도록 한다.
다음으로, 상기와 같이 산출된 디퓨저의 자오면 형상 데이터를 이용하여 날개 전개도의 날개각을 산출하는 날개 전개도 설계 과정(S20)에 대하여 도 5a 내지 도 7c를 참조하여 상세히 설명한다. 여기서, 도 5a 및 도 5b는 두 가지 곡선 제어 방식에 따른 디퓨저의 날개 전개도 설계 변수를 보인 도면이고, 도 6a ~ 도6c 및 도 7a~도7c는 두 가지 곡선 제어 방식에 따른 디퓨저의 설계 과정을 예시한 도면이다.
다시 도 2를 참조하면, 상기 날개 전개도 설계 과정(S20)에서는, 먼저, 단계 (S21)에서 상기 자오면 설계 과정(S10)에서 산출된 디퓨저의 자오면 형상 데이터를 입력받는다. 상기 디퓨저의 자오면 형상 데이터 입력은, 도 6a 및 도 7a에 도시된 바와 같이, 곡선 제어 방식에 관계없이 상기 단계(S13)에서 출력된 축방향 및 반경 방향의 좌표값(z,r)으로 이루어진 디퓨저의 자오면 형상 데이터를 가져오는 것이다.
다음으로 단계(S22)에서 나머지 디퓨저의 날개 전개도 설계 변수를 입력받는다.
본 발명에 있어서, 날개 전개도 설계 변수는 곡선 제어 방식에 따라서, 베지어 곡선 제어 방식과 고전적 곡선 제어 방식 두 가지로 정의한다. 여기서 베지어 곡선제어 방식은, 날개의 스윕각이 변수로 포함되기 때문에 날개 길이를 제어할 수 있다는 장점이 있다.
도 5a는 베지어 커브 제어 방식에 따른 날개 전개도 설계 변수를 나타낸 도면으로서, 도 5a를 참조하면, 날개 전개도 설계 변수는, 자오면 형상 데이터 M_total_(h,m,t), 출구부 시작점 TE start point, 디퓨저의 스윕각과 평균된 반경의 곱 r_theta_total, 입구각 beta1_(h,m,t), 출구각 beta2_(h,m,t), 입구 직선부의 길이 %beta_LE_(h,m,t), 출구 직선부의 길이 %beta_TE_(h,m,t), 출구부에서 회전방향으로 기울어진 각 d_theta_(h,t), 베지어 커브를 위한 입구 부분의 조정점 %CP_LE_(h,m,t), 및 출구부분의 조정점 %CP_TE_(h,m,t)를 포함한다. 이 때, 파라미터 h는 임펠러 허브, m은 임펠러 미드, t는 임펠러 쉬라우드임을 특징으로 한다.
상기에서 자오면 형상 데이터 M_total_(h,m,t)는 날개 전개도의 Y축을 나타내며, 따라서 자오면의 곡선에 따라 Y축이 달라진다.
보통 날개 전개도는 필요에 따라 출구부 또는 입구부에서 날개각 분포를 나타내기 때문에, 날개전개도를 나타내기 위해서는 날개 전개도의 기준점이 필요하다. 따라서 상기 출구부 시작점 TE start point는 날개 전개도의 기준점으로서 이용된다.
다음으로, r_theta_total는 날개전개도의 X축을 나타내는 것으로서, 따라서 디퓨저의 스윕각에 따라 X축이 달라진다.
그리고 입사각과 관련 있는 입구각 beta1_(h,m,t)은 디퓨저 작동유량에 영향에 미치며, 출구각 beta2_(h,m,t)은 디퓨저 성능을 나타내는 헤드와 효율에 많은 영향을 미친다.
또한, %beta_LE_(h, m, t), %beta_TE_(h, m, t)의 변수는, 날개전개도에서 입구각과 출구각을 부드럽게 연결할 경우 동일한 각을 유지하는 구간이 존재하지 않는데, 디퓨저 설계에 따라 입/출구부분의 각이 동일해야 할 경우가 있기 때문에 필요하다.
d_theta(h,t)의 변수는, 비속도의 설계에 따라 디퓨저 형상이 달라지며, 특히 사류 펌프에서는 디퓨저와 디퓨저가 결합하는 경우에 디퓨저의 형상(출구부 변수)에 따라 속도분포가 달라지고 펌프 성능에 영향을 미치기 때문에, 속도분포를 제어하기 위해 필요하다.
상기 %CP_,LE_(h,m,t), %CP_TE_(h,m,t)의 변수는, 날개전개도에서 디퓨저의 입/출구각을 부드럽게 연결하는 방법으로 전개할 경우, 디퓨저의 스윕각이 고정변수가 아닌 입/출구각에 의해 결정되는 변수이므로, 상기와 같이 디퓨저 스윕각이 설계 변수로 주어질 경우 입/출구각이 부드럽게 연결되지 않을 수 있기 때문에, 스윕각이 정해져 있을 경우 입/출구각을 부드럽게 연결하기 위해 베지어 커브를 조정하기 위해 나타낸다.
이러한 설계 변수 설정에 따라서, 베지어 곡선 제어 방식을 사용하는 경우, 상기 단계(S22)는 도 6a와 같은 디퓨저의 날개 전개도 설계 변수 입력 화면을 통해 입력될 수 있으며, 이때, 입구부 시작점(LE 좌표) 산출이 함께 이루어진다.
다른 예로서, 고전적 곡선 제어 방식에 따라 날개 전개도를 설계하는 경우, 날개 전개도 설계 변수는 도 5b에 도시된 바와 같이 정의된다.
고전적 곡선 제어 방식은 디퓨저 날개 길이를 입/출구 각도를 부드럽게 연결해주는 곡선으로 정의하기 때문에 디퓨저 입/출구 각도에 의해서 날개 길이 및 스윕 각도가 정해진다. 따라서, 고전적 곡선 제어 방식에서의 날개 전개도 설계 변수는, 변수 r_theta_total, 출구부 시작점 TE start point, %CP_TE_(h, m, t), %CP_LE_(h, m, t)가 필요 없다. 따라서, 단계(S22)는, 고전적 곡선 제어 방식을 사용하는 경우 도 7b에 도시된 바와 같은 입력 화면을 통하여, 입구각 beta1_(h,m,t), 출구각 beta2_(h,m,t), 입구 직선부의 길이 %beta_LE_(h,m,t), 출구 직선부의 길이 %beta_TE_(h,m,t), 출구부에서 회전방향으로 기울어진 각 d_theta(h,t)만을 입력하면 된다.
이상과 같이 고전적 곡선 제어 방식 또는 베지어 곡선 제어 방식에 따른 날개 전개도 설계 변수가 입력되면, 단계(S23)에서 상기 입력된 변수 및 자오면 형상 데이터를 이용하여 날개 전개도의 직선 구간 및 곡선 구간이 산출된 후, 자오면 좌표에 따른 날개각(theta 값)이 산출된다.
그리고 단계(S24)에서 상기 산출된 날개각 정보가 저장되거나 화면으로 출력된다. 상기 단계(S24)에서의 날개각 정보 출력은, 도 6c 및 도 7c에서와 같은 출력 화면을 통해 출력될 수 있다.
상술한 바에 의하면, 디퓨저의 3차원 형상을 표현하는데 필요한 정보, 디퓨저의 자오면 형상 정보와, 날개각 정보가 얻어지며, 이후 단계(S30)에서 이를 조합하여 디퓨저의 3차원 형상을 생성한다.
다음으로, 도 8은 상술한 방법에 의하여 디퓨저 3차원 형상을 생성하는 본 발명에 따른 원심 및 사류펌프용 디퓨저의 설계 시스템의 구성을 보인 블록도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 디퓨저 설계 시스템은, 디퓨저 설계를 위한 명령어와 자오면 설계 변수 및 날개 전개도 설계 변수의 값을 입력하기 위한 입력부(81)와, 상기 입력부(81)를 통해 디퓨저의 자오면 설계 변수 및 날개전개도 설계 변수를 입력받고, 상기 자오면 설계 변수를 이용하여 자오면 형상 데이터를 산출하고 상기 자오면 형상 데이터 및 상기 날개 전개도 설계 변수를 이용하여 날개각을 산출한 후 상기 자오면 형상 데이터 및 날개각을 통해 디퓨저의 3차원 형상을 생성하는 제어부(82)와, 상기 제어부(82)에서 산출된 자오면 형상 데이터, 날개각 정보 및 디퓨저의 3차원 형상 데이터를 저장하는 저장부(83)와, 상기 제어부(82)의 제어에 따라서 디퓨저의 자오면 설계 변수, 날개 전개도 입력 화면, 및 산출된 결과를 출력하는 출력부(84)를 포함한다.
상기에서 입력부(81)는 일반적으로 이용되는 입력 수단들, 예를 들어, 키보드, 마우스 등을 나타내며, 출력부(84)는 디스플레이 장치를 나타내는 것으로서, 이는 동일한 기능을 수행할 수 있는 다른 장치들로 대체할 수 있으며, 이러한 입력 장치 및 출력 장치에 대해서는 일반적으로 알려져 있으므로 상세한 설명을 생략한다.
본 발명에 따른 시스템에 있어서 가장 중요한 구성 요소인, 제어부(82)는, 더 구체적으로, 자오면 설계 변수 입력 모듈(821)과, 자오면 형상 데이터 산출 모듈(822)과, 날개 전개도 설계 변수 입력 모듈(823)과, 날개각 산출 모듈(824)과, 디퓨저 형상 생성 모듈(825)을 포함하여 이루어진다.
상기 자오면 설계 변수 입력 모듈(821)은, 앞서 설명한 자오면 설계 변수를 입력받기 위한 것으로서, 도 4a에 같이 자오면 설계 변수를 입력할 수 있는 입력 창을 출력부(84)를 통해 사용자에게 제공하여 각 변수 값을 입력받는다.
상기 자오면 형상 데이터 산출 모듈(822)은, 상기 자오면 설계 변수 입력 모듈(821)에서 입력받은 디퓨저의 자오면 설계 변수를 가지고 자오면의 형상 데이터, 즉, 자오면의 허브 곡선과 쉬라우드 곡선에 대한 좌표값(z,r)을 산출하고 이를 저장부(83)에 저장한다. 또한 도 4b와 같은 결과 창을 출력하여, 사용자에게 산출 결과를 알려준다.
상기 날개 전개도 설계 변수 입력 모듈(823)은, 날개각을 산출하는데 필요한 디퓨저의 자오면 형상 데이터를 상기 저장부(83)에서 가져오고, 이어서 도 6b 및 도 7b와 같은 입력창을 제공하여, 사용자로부터 나머지 날개 전개도 설계 변수를 입력받는다.
상기 날개각 산출 모듈(824)은, 상기 날개 전개도 설계 변수 입력 모듈(823)에서 입력된 변수들을 이용하여 자오면 좌표의 날개각을 산출하고, 도 6c 및 도 7c 와 같은 결과창을 출력부(84)을 통해 제공하여, 사용자에게 산출 결과를 알려준다.
상기 디퓨저 형상 생성 모듈(825)은, 상기 자오면 형상 데이터 산출 모듈(822) 및 날개각 산출 모듈(824)에서 산출된 자오면 형상 데이터와 날개각을 조합하여 디퓨저의 3차원 형상을 생성하고, 이를 출력부(84)를 통해 출력시킨다.
상술한 각 모듈의 동작은 앞서 상세히 설명한 디퓨저 형상 설계 방법에 기반하여 이루어지는 것으로서, 상술한 도 2 내지 도 7을 참조한 설명으로부터 더 쉽게 이해될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명에 의한 디퓨저 설계 방법 및 시스템을 이용함으로써, 디퓨저의 설계 작업이 용이해지며, 디퓨저의 형상을 수치적으로 표현가능해져 모델별로 데이터베이스를 구축할 수 있어, 보다 안정적이고 효율적인 원심 및 사류 펄프의 설계가 가능해진다.
도 1은 디퓨저의 3차원 형상을 도출하는 과정을 설명하는 도면이고,
도 2는 본 발명에 따른 디퓨저 설계 방법을 나타낸 흐름도이고,
도 3은 본 발명에 의해 정의된 디퓨저의 자오면 설계 변수를 나타낸 도면이고,
도 4a 내지 도 4b는 본 발명에 따른 디퓨저의 자오면 설계 과정을 나타낸 예시도이고,
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 의하여 곡선 제어 방식별로 정의된 디퓨저의 날개 전개도 설계 변수를 나타낸 도면이고,
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 있어서, 베지어 곡선 제어 방식에 따른 디퓨저의 날개 전개도 설계 과정을 나타낸 예시도이고,
도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 있어서, 고전적 곡선 제어 방식에 따른 디퓨저의 날개 전개도 설계 과정을 나타낸 예시도이고,
도 8은 본 발명에 따른 디퓨저 설계 시스템을 도시한 블럭 구성도이다.

Claims (9)

  1. 디퓨저의 자오면 형상 제어를 위해 설정된 자오면 설계 변수를 입력받아, 디퓨저의 자오면 형상 데이터를 산출하는 자오면 형상 설계 과정;
    상기 자오면 형상 설계 과정에서 산출된 디퓨저의 자오면 형상 데이터 및 날개 전개도 제어를 위한 설정된 디퓨저의 날개 전개도 설계 변수를 입력받아, 자오면 좌표의 날개각을 산출하는 날개 전개도 설계 과정; 및
    상기 산출된 자오면 형상 데이터 및 날개각 정보를 조합하여 디퓨저의 3차원 형상을 생성하여 출력하는 디퓨저 형상 생성 과정을 포함하는 원심 및 사류펌프용 디퓨저의 설계 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 디퓨저의 자오면 설계 변수는
    디퓨저 입구부에서의 반경 R2h,
    디퓨저 입구부에서의 날개폭 b2,
    디퓨저 입구부에서의 기울어진 각도 φ2,
    디퓨저 최외각 지점에서의 반경 R4h,
    디퓨저 최외각 지점에서의 날개폭 b4,
    디퓨저 최외각 지점에서의 기울어진 각도 φ4,
    디퓨저 출구부에서의 반경 R5h,
    디퓨저 출구부에서의 날개폭 b5,
    디퓨저 출구부에서의 기울어진 각도 φ5,
    허브측 임펠러 출구부 조정점 %CP1h,
    허브측의 제1,2 디퓨저 최외각 지점 조정점 %CP2h,%CP3h,
    허브측 디퓨저 출구부 조정점 %CP4h,
    디퓨저 입구부의 허브 곡선이 수평선과 이루는 각도θ1h,
    디퓨저 출구부의 허브 곡선이 수평선과 이루는 각도 θ4h,
    쉬라우드측에서의 임펠러 출구부 조정점 %CP1s,
    쉬라우드측에서의 제1,2 디퓨저 최외각 지점 조정점 %CP2s,%CP3s,
    쉬라우드측에서의 디퓨저 출구부 조정점 %CP4s,
    디퓨저 입구부의 쉬라우드 곡선이 수평선과 이루는 각도 θ1s 및
    디퓨저 출구부의 쉬라우드 곡선이 수평선과 이루는 각도 θ4s를 포함하되,
    상기 허브는 상기 디퓨저의 외형길이에 해당하는 자오면 중 내부 곡선을 나타내고,
    상기 쉬라우드는 상기 디퓨저의 외형길이에 해당하는 자오면 중 외부곡선을 나타내는 것을 특징으로 하는 원심 및 사류펌프용 디퓨저의 설계 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 날개 전개도 설계 변수는,
    상기 디퓨저의 우측면에 해당하는 출구부 시작점 TE start point,
    디퓨저의 스윕각과 평균된 반경의 곱 r_theta_total,
    상기 디퓨저의 좌측면에 해당하는 입구부의 입구각 beta1_(h,m,t),
    상기 디퓨저의 우측면에 해당하는 출구부의 출구각 beta2_(h,m,t),
    상기 디퓨저의 좌측면에 해당하는 입구부에서 입구각을 선형상태로 유지하는 입구 직선부의 길이 %beta_LE_(h,m,t),
    상기 디퓨저의 우측면에 해당하는 출구부에서 출구각을 선형상태로 유지하는 출구 직선부의 길이 %beta_TE_(h,m,t),
    상기 디퓨저의 우측면에 해당하는 출구부에서 회전방향으로 기울어진 각 d_theta(h,t),
    상기 디퓨저의 좌측면에 해당하는 입구 직선부의 연장선 부분인 입구 부분의 조정점 %CP_LE_(h,m,t) 및
    상기 디퓨저의 우측면에 해당하는 출구 직선부의 연장선 부분인 출구부분의 조정점 %CP_TE_(h,m,t)를 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 및 사류펌프용 디퓨저의 설계 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 날개 전개도 설계 변수는,
    상기 디퓨저의 좌측면에 해당하는 입구부의 입구각 beta1_(h,m,t), 출구각 beta2_(h,m,t),
    상기 디퓨저의 좌측면에 해당하는 입구부에서 입구각을 선형상태로 유지하는 입구 직선부의 길이 %beta_LE_(h,m,t),
    상기 디퓨저의 우측면에 해당하는 출구부에서 출구각을 선형상태로 유지하는 출구 직선부의 길이 %beta_TE_(h,m,t) 및
    상기 디퓨저의 우측면에 해당하는 출구부에서 회전방향으로 기울어진 각 d_theta(h,t)를 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 및 사류펌프용 디퓨저의 설계 방법.
  5. 디퓨저의 날개 생성 프로그램(ANSYS bladeGEN) 중 디퓨저 설계를 위한 명령어와 디퓨저의 자오면 설계 변수 및 날개 전개도 설계 변수의 값을 입력하기 위한 입력부;
    상기 입력부를 통해 디퓨저의 자오면 설계 변수 및 날개전개도 설계 변수를 입력받아, 상기 자오면 설계 변수를 이용하여 디퓨저의 자오면 형상 데이터를 산출하고 상기 자오면 형상 데이터 및 상기 날개 전개도 설계 변수를 이용하여 날개각을 산출한 후 상기 자오면 형상 데이터 및 날개각을 조합하여 디퓨저의 3차원 형상을 생성하는 제어부;
    상기 제어부에서 산출된 자오면 형상 데이터, 날개각 정보 및 디퓨저의 3차원 형상 데이터를 저장하는 저장부; 및
    상기 제어부의 제어에 따라서 디퓨저의 자오면 설계 변수와 날개 전개도 설계 변수 입력 화면, 산출된 디퓨저의 자오면 형상 데이터, 날개각, 및 디퓨저의 3차원 형상을 출력하는 출력부를 포함하는 원심 및 사류펌프용 디퓨저의 설계 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제어부는,
    디퓨저의 자오면 형상 제어를 위해 설정된 디퓨저의 자오면 설계 변수를 입력받는 자오면 설계 변수 입력 모듈;
    상기 입력된 디퓨저의 자오면 설계 변수를 이용하여 디퓨저의 자오면 형상 데이터를 산출하는 자오면 형상 데이터 산출 모듈;
    디퓨저의 날개 전개도 제어를 위한 상기 디퓨저의 자오면 형상 데이터 및 날개 전개도 설계 변수를 입력받는 날개 전개도 설계 변수 입력 모듈;
    상기 디퓨저의 자오면 형상 데이터 및 날개 전개도 설계 변수를 이용하여 날개 전개도를 구성하고 이로부터 날개각을 산출하는 날개각 산출 모듈; 및
    상기 산출된 디퓨저의 자오면 형상 데이터 및 날개각을 조합하여 디퓨저의 3차원 형상을 생성하는 디퓨저 형상 생성 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 및 사류펌프용 디퓨저 설계 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 디퓨저의 자오면 설계 변수는
    디퓨저 입구부에서의 반경 R2h, 임펠러 출구부에서의 날개폭 b2,
    디퓨저 입구부에서의 기울어진 각도 φ2,
    디퓨저 최외각 지점에서의 반경 R4h,
    디퓨저 최외각 지점에서의 날개폭 b4,
    디퓨저 최외각 지점에서의 기울어진 각도 φ4,
    디퓨저 출구부에서의 반경 R5h,
    디퓨저 출구부에서의 날개폭 b5,
    디퓨저 출구부에서의 기울어진 각도 φ5,
    허브측 임펠러 출구부 조정점 %CP1h,
    허브측의 제1,2 디퓨저 최외각 지점 조정점 %CP2h,%CP3h,
    허브측 디퓨저 출구부 조정점 %CP4h,
    디퓨저 입구부의 허브 곡선이 수평선과 이루는 각도θ1h,
    디퓨저 출구부의 허브 곡선이 수평선과 이루는 각도 θ4h,
    쉬라우드측에서의 임펠러 출구부 조정점 %CP1s,
    쉬라우드측에서의 제1,2 디퓨저 최외각 지점 조정점 %CP2s,%CP3s,
    쉬라우드측에서의 디퓨저 출구부 조정점 %CP4s,
    디퓨저 입구부의 쉬라우드 곡선이 수평선과 이루는 각도 θ1s, 및
    디퓨저 출구부의 쉬라우드 곡선이 수평선과 이루는 각도 θ4s를 포함하되,
    상기 허브는 상기 디퓨저의 외형길이에 해당하는 자오면 중 내부 곡선을 나타내고,
    상기 쉬라우드는 상기 디퓨저의 외형길이에 해당하는 자오면 중 외부 곡선을 나타내는 것을 특징으로 하는 원심 및 사류펌프용 디퓨저의 설계 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 날개 전개도 설계 변수는,
    상기 디퓨저의 우측면에 해당하는 출구부 시작점 TE start point,
    디퓨저의 스윕각과 평균된 반경의 곱 r_theta_total,
    상기 디퓨저의 좌측면에 해당하는 입구부의 입구각 beta1_(h,m,t),
    상기 디퓨저의 우측면에 해당하는 출구부의 출구각 beta2_(h,m,t),
    상기 디퓨저의 좌측면에 해당하는 입구부에서 입구각을 선형상태로 유지하는 입구 직선부의 길이 %beta_LE_(h,m,t),
    상기 디퓨저의 우측면에 해당하는 출구부에서 출구각을 선형상태로 유지하는 출구 직선부의 길이 %beta_TE_(h,m,t),
    상기 디퓨저의 우측면에 해당하는 출구부에서 회전방향으로 기울어진 각 d_theta(h,t),
    상기 디퓨저의 좌측면에 해당하는 입구 직선부의 연장선 부분인 입구 부분의 조정점 %CP_LE_(h,m,t) 및
    상기 디퓨저의 우측면에 해당하는 출구 직선부의 연장선 부분인 출구부분의 조정점 %CP_TE_(h,m,t)를 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 및 사류펌프용 디퓨저의 설계 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 날개 전개도 설계 변수는,
    상기 디퓨저의 좌측면에 해당하는 입구부의 입구각 beta1_(h,m,t),
    상기 디퓨저의 우측면에 해당하는 출구부의 출구각 beta2_(h,m,t),
    상기 디퓨저의 좌측면에 해당하는 입구부에서 입구각을 선형상태로 유지하는 입구 직선부의 길이 %beta_LE_(h,m,t),
    상기 디퓨저의 우측면에 해당하는 출구부에서 출구각을 선형상태로 유지하는 출구 직선부의 길이 %beta_TE_(h,m,t) 및
    상기 디퓨저의 우측면에 해당하는 출구부에서 회전방향으로 기울어진 각 d_theta(h,t)를 포함하는 것을 특징으로 하는 원심 및 사류펌프용 디퓨저의 설계 시스템.
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