KR101148852B1 - 원심 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주로 고체 입자 형태의 오염물을 함유하는 액체의 펌핑용 원심 펌프에 관한 것으로서, 상기 원심 펌프는 구동 유닛과 수압 유닛을 포함한다. 수압 유닛은 펌프 하우징 및 하우징 내부에 회전 방향으로 배열된 펌프 임펠러를 포함하고, 펌프 임펠러는 상부 및 하부 커버 디스크와 복수의 중간 베인(vane)을 포함한다. 본 발명은, 중심에 흡입구 개구를 포함하는 상기 펌프 하우징의 바닥벽에는, 상기 하부 커버 디스크와 대면하는 측상에 하나 이상의 나선형으로 이어져 있는(swept) 역류 영향 수단이 배치되어 있고, 상기 역류 영향 수단은 상기 흡입구 개구의 둘레 전체 또는 그 일부를 따라 감겨 연장되어 있는 것을 특징으로 한다.

원심 펌프, 유동 영향 수단, 펌프 임펠러

Description

원심 펌프{CENTRIFUGAL PUMP}

본 발명은 전기 모터에 의해 구동되는 펌프 하우징에 배열된 하나 이상의 임펠러를 포함하는 터보형(rotodynamical type) 펌프에 관한 것이다.

전술한 터보형 펌프는 크게 원심 펌프(centrifugal pump)와 축류 펌프(axial pump)의 두 종류로 나눌 수 있다.

원심 펌프는, 허브(hub)와 상기 허브에 배열된 복수의 베인(vane)을 가지는 하나 이상의 커버 디스크(cover disc)를 가지는 임펠러를 포함하는데, 이러한 임펠러를 소위 개방형 임펠러(open impeller)라고 한다. 밀폐형 임펠러(closed impeller)에는 커버 디스크 사이에 베인을 가지는 두 개의 커버 디스크가 배열된다. 상기 두 종류의 임펠러는 모두 액체가 임펠러의 중심에서 축방향으로 흡입되어 임펠러의 외주면에서 주로 접선 방향으로 토출된다.

축류 펌프는 액체가 주로 축방향으로 토출된다는 점에서 전술한 원심 펌프와 상이하다. 이러한 편류는 펌프 하우징에서 하류에 배열된 복수의 가이드 레일에 의해 이루어진다. 또한, 가이드 레일은 일반적으로 펌프 하우징의 구조에서 지지 요소의 역할을 하기도 한다.

탄광 폐수, 공장 폐수와 같이 오염된 액체의 펌핑 과정 동안, 펌핑은 오염 물질에 의해 자주 교란된다. 이는 펌프 임펠러 및 펌프 하우징의 막힘(clogging)을 유발하고, 또한 상당한 마모 문제를 초래하기도 한다.

헝겊과 같은 기다란 물체를 포함할 수 있는 폐수의 펌핑 과정 동안, 상기 문제를 해결하기 위한 여러 가지 방법들이 있다. 이때는 단지 하나의 커버 디스크를 가지는 개방형 펌프 임펠러가 바람직하지만, 그래도 외부의 계측이 요구된다. 한가지 방법은 특정한 간격으로 펌프 임펠러를 반대 방향으로 구동시키는 것이다. 또 하나의 방법은 흡입구 전방에 일종의 커팅(cutting) 수단을 배열하는 것이다. 펌프 하우징의 바닥에 나선형 홈이 배열된, 폐수 펌핑용 개방형 펌프 임펠러가 미국 특허 5,516,261 호에 개시되어 있는데, 상기 나선형 홈은 오염 물질에 의한 손상을 줄이는 외주면 쪽으로 오염 물질을 밖으로 배출한다.

예를 들면 탄광에서와 같이 큰 토출 높이가 요구되는 펌핑 과정 동안에는 밀폐형 펌프 임펠러, 즉 상부 및 하부 커버 디스크와 중간 베인이 있는 임펠러가 사용된다. 이러한 임펠러는 대체로 고압 높이에서 개방형 임펠러보다 고효율을 나타낸다. 한편, 밀폐평 임펠러는 더 약한 토출력을 가지는데, 이는 막힘에 대해 더 취약하다는 것을 의미한다.

탄광에서의 펌핑 과정에서 존재하는 오염 물질은 흔히 고연마성 물질의 원소들을 포함하는데, 이는 개방형 및 밀폐형 임펠러와 펌프 하우징의 물질들이 커다란 스트레스에 노출되어 있다는 것을 암시한다. 이러한 문제는 특별한 표면 처리 또는 다른 성분에 의한 담금질(hardening)에 의해 부분적으로 해결될 수 있지만, 불필요한 마모를 피하기 위해 가능한 한 빨리 연마성 입자가 펌프 하우징을 벗어나도 록 하는 것이 바람직하다. 더욱이, 펌핑 기능에 중요한 부품의 기하학적 디자인도 마모를 줄이는 데에 매우 중요하다.

본 발명의 목적은 펌프 하우징의 바닥의 특정한 디자인에 의해 마모 문제를 해결하는 데에 있다.

본 발명에 따르면, 본 목적은 청구항 1에 의한 장치에 의해 달성된다.

본 발명의 유익한 특징들은 종속항의 주제이다.

본 발명에 따르면, 본 발명은 주로 고체 입자 형태의 오염 물질을 포함하는 액체의 펌핑용 원심 펌프로서, 상기 펌프는 드라이브 유닛, 수압 유닛을 포함하고, 수압 유닛은 펌프 하우징과 하우징 내부에 회전 가능하게 배열된 펌프 임펠러를 포함하고, 펌프 임펠러는 상부 커버 디스크, 하부 커버 디스크 및 복수의 중간 베인을 포함하고, 중심에 흡입구 개구를 포함하는 상기 펌프 하우징의 바닥벽에는, 상기 하부 커버 디스크와 대면하는 측상에 하나 이상의 나선형으로 이어져 있는(swept) 역류 영향 수단이 배치되어 있고, 상기 역류 영향 수단은 상기 흡입구 개구의 둘레 전체 또는 그 일부를 따라 감겨 연장되어 있는 것을 특징으로 한다.

역류 영향 수단은 바닥벽에서 홈 및/또는 리지(ridge)로서 배열될 수 있다.

더욱이, 흡입구와 대면하는 역류 영향 수단의 벽부는 바닥벽의 평면과 바람직하게는 85 내지 95˚ 범위의 각도를 형성한다.

본 발명에 의한 역류 영향 수단은, 오염 물질이 포함되고 임펠러와 바닥벽 사이의 공간으로 유입되는 역류에 영향을 미치므로, 연마성 입자와 같은 오염 물질은 대부분 갭(gap)에 도달되는 것이 억제되거나 적어도 그 양이 상당히 감소된다. 대부분의 입자들은 홈 또는 리지 사이의 공간으로 유입될 것이고, 나선형 형태에 의해 입자들은 바닥 플레이트의 외주면으로 이동되어 출구를 통해 밖으로 배출될 것이다.

리지의 상부면 또는 홈 사이의 평탄역과 하부 커버 디스크 사이의 거리는 일정한 영역 내에 있어야 한다. 너무 넓은 거리는 바람직한 효과를 나타낼 수 없고, 너무 좁은 간격은 역류의 속도를 증가시켜서 효과를 떨어뜨릴 것이다.

약간 가파른 후면은 가능한 한 역류에 교란을 증가시켜 향상된 효과를 나타낼 수 있다.

본 발명의 여러 가지 특징과 이점은 이하 발명의 상세한 설명을 통해 더욱 명확해질 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 펌프의 축방향 단면도이다.

도 2는 도 1의 상세도이다.

도 3은 도 2의 일부분을 변경한 도면이다.

도 4는 펌프 하우징의 상면도이다.

도 1에 도시된 펌프는 펌프를 구동하기 위한 전기 모터(도시되지 않음)에 결합된 구동 샤프트(10)를 포함한다. 펌프 임펠러(12)는 샤프트의 하단에 장착되고, 상부 커버 디스크(14), 하부 커버 디스크(16), 베인(18) 및 백 베인(back vane)(19)을 포함한다. 전술한 성분들은 바닥벽(22), 흡입구(24) 및 토출구(26)를 포함하는 펌프 하우징(20)에 장착된다. 펌프 임펠러(12)는 펌프 하우징에 장착되므로, 하부 커버 디스크(16)의 외주면과 펌프 하우징(20)의 내부 측벽 사이에 갭(28)이 있고, 하부 디스크와 바닥벽 사이에 공간(29)이 있으며, 하부 커버 디스크(16)의 하부면과 바닥벽(22)의 상부면 사이에 갭(30)이 존재한다.

원심 펌프의 원리에 의하면, 도 1의 화살표 A, B, C로 표시된 유동과 같이 액체는 흡입구(24)를 통해 축방향으로 흡입되고, 토출구(26)를 통해 펌프로부터 토출된다. 토출구에서의 압력이 흡입구에서의 압력보다 훨씬 높기 때문에, 임의의 유동 D는 갭(28)을 통해 하부 커버 디스크(16)와 펌프 하우징의 바닥(22) 사이의 공간(29)으로 항상 역류될 것이다. 이러한 유동 E의 일부는 갭(30)을 통과하여 흡입구로 돌아가고, 유동 F의 일부는 다시 커버 디스크(16)의 하측에서 바깥쪽으로 향하게 될 것이며, 이를 소위 경계층 유동(boundary layer flow)이라고 한다. 경계층 유동은 바닥벽을 따라서도 또한 존재하지만, 안쪽으로 향하게 된다.

역류 D는 손실을 유발하고, 또한 일정한 크기 이상의 입자들은 갭(30)을 통과할 수 없기 때문에 결국 오염 물질, 연마 입자 및 이와 유사한 물질이 커버 디스크의 하부에 모이게 되는 결과를 초래한다. 이러한 입자들의 집적은 펌핑 과정 동안 펌프 하우징의 바닥에 접촉할 뿐만 아니라 펌프 임펠러에 접촉하여 마모를 일으키게 될 것이다. 갭(30)으로 유입되는 입자들은 갭의 표면에 상당한 마모를 일으키는 연삭기로서 작용하게 될 것이다. 갭의 마모는 점점 더 심해지기 때문에, 이는 단시간에 펌프 용량의 상당한 열화(deterioration)를 의미할 수 있다.

하부 커버 디스크와 바닥벽 사이의 공간(29)으로 유입되어, 이후 펌프 토출구 쪽으로의 이동을 위해 외주면으로 향해 토출되는 연마 입자들의 공급을 확인하기 위해, 임펠러의 하부 커버 디스크의 하부면과 대면하는 펌프 하우징의 바닥벽에 하나 이상의 나선형으로 이어져 있는 유동 영향 수단이 배열되고, 실시예에서는 리지에 의해 분리된 나선형 홈(32)으로 도시되었다. 도시된 실시예에서, 홈은 흡입구 개구(24) 주위에 복수회에 걸쳐 나선형으로 감겨진다. 유동 영향 수단은 중심으로부터 반경 방향으로의 거리(r)가 도 4에 도시된 바와 같이 임펠러의 회전 방향(Rd)으로 갈수록 점점 증가하는 나선형으로 되어 있다.

홈은, 공간으로 유입되는 유량을 임펠러의 회전에 의해 접선 방향으로 이동시키고, 상기 유량은 나선형으로 이어져 있는 유동 영향 수단을 따라 이동하게 되어 주 유동 D와 상기 유동에 포함되는 입자들에 영향을 미칠 것이다. 이러한 거동은, 물 속의 입자들이 회전 방향으로 위치하는 리지 사이의 홈으로 이동하게 하고, 이어져 있는 형태, 바람직하게는 나선형의 홈에 의해 오염 물질이 홈을 따라 공급되어 출구를 통해 밖으로 빠져나가게 하거나 또는 적어도 갭에 집적되는 것을 방지할 것이다. 본 발명에 의해 바닥벽을 따라 흐르는 경계층 유동의 반경 방향 성분이 영향을 받게 되어 더욱더 접선 방향으로 안내될 것이고, 따라서 홈의 바닥에 있는 유량의 일부에 영향을 주어 나선형으로 이어져 있는 역류 영향 수단의 방향으로 이동될 것이다.

실험 과정 동안, 갭에서 본 방법에 영향을 미치는 어떠한 측면이 존재하고, 어느 정도까지 홈에서의 유량이 영향을 받게 된다. 예를 들면, 도 2에 도시된 하부 커버 디스크의 하부면과 홈들 간의 리지 상부면 사이의 거리 d는 본 방법에 영 향을 주는 인자가 될 수 있다. 거리 d가 홈의 바닥과 하부 커버 디스크의 하부면 사이의 거리의 1/3 내지 2/3의 범위에 있을 때 실험에서 좋은 결과를 얻을 수 있었으나, 이 범위가 본 발명을 특별히 제한하는 것이 아니다. 예를 들면, 임펠러 휠과 바닥벽의 공차가 더 작다면, 또는 바닥벽이나 적어도 리지가 고무와 같은 탄성 재료로서 제조된다면, 사용시에 부품간 약간의 접촉이 가능하므로 그 거리는 더 작아질 수 있다. 홈의 깊이와 반경 방향으로의 리지 사이의 거리, 즉 홈의 부피가 고려되어야 하므로, 바람직하게는 전 유량이 본 방법에 의해 영향을 받는다.

나선형 리지의 스위핑 각(sweeping angle) α는 유동의 방향과 홈에서 입자의 공급에 영향을 미친다. 본 디자인이 임펠러 휠의 외주면 쪽으로 입자를 이동시키는데에 최적은 아니지만, 원리적으로는 유동 영향 수단의 직선형 에지가 반경 방향에 대해 임의의 각을 가지는 것이 가능하다.

리지의 후면 또한 본 방법에 영향을 미치고, 실험을 통해 후면과 펌프 하우징의 바닥과 평행한 평면 사이의 각도 β는, 도 2에 도시된 바와 같이 바람직하게는 85 내지 95도의 범위에 있어야 함을 알 수 있었다. 하지만, 도 3에 도시된 바와 같이 원뿔형 임펠러 휠과 같은 임의의 형태를 가지는 임펠러 휠과 이에 대응되는 형태의 바닥벽에 대해서, 위 범위의 값은 얻을 수 없고, 적어도 금속으로 주조된 바닥벽의 경우에는 더욱 얻기 힘들다. 하지만, 실험을 통해 도 3에 도시된 디자인에 대해 만족할 만한 결과를 얻을 수 있었다. 만약 도 3에 도시된 바와 같은 바닥벽, 또는 적어도 유동 영향 수단이 탄성 재료로서 제조된다면, 전술한 범위의 각도를 가진 리지가 성형될 수 있다.

리지와 홈의 적절한 디자인에 의해, 액체의 여분과 비교해 볼 때 양이 적고 크기가 작은 입자를 생성시키는 분리 효과가 얻어질 수 있으며, 이는 마모의 감소를 의미한다. 전술한 관점에서, 유동 영향 수단은 기계 가공된 홈 또는 바닥 플레이트에 주조될 수 있고, 또는 바닥 플레이트에 부착되거나 주조된 리지가 될 수 있다. 바닥 플레이트의 디자인에 따라 리지 또는 홈은 다른 디자인을 가질 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이 바닥 플레이트는 일체형의 역류 영향 수단으로 제조되었으나, 역류 영향 수단은 적합한 방법으로 바닥 벽에 부착된 분리형 부품으로 제조될 수 있다. 효과를 증대시키기 위해, 하부 커버 디스크에는 홈/리지를 포함하는 바닥벽 쪽으로 회전된 백 베인(back vane)이 배열될 수 있다. 하지만, 이러한 백 베인은 일정한 에너지 손실을 유발할 수 있고, 따라서 특별한 악조건 하에서만 사용된다.

전술한 실시예와 도면은 발명을 제한하는 실시예가 아님을 인식해야 할 것이고, 본 발명의 청구된 범위 내에서 다양한 방법으로 변경될 수 있음을 이해해야 할 것이다.

Claims (4)

1. 주로 고체 입자 형태의 오염 물질을 포함하는 액체의 펌핑용 원심 펌프로서,

   상기 펌프는 드라이브 유닛과 수압 유닛을 포함하고,

   상기 수압 유닛은 펌프 하우징(20) 및 상기 하우징 내부에 회전 가능하게 배열된 펌프 임펠러(12)를 포함하고,

   상기 펌프 임펠러는 상부 커버 디스크(14), 하부 커버 디스크(16) 및 복수의 중간 베인(intermediate vane)(18)들을 포함하고,

   중심에 흡입구 개구(24)를 포함하는 상기 펌프 하우징의 바닥벽(22)에는, 상기 하부 커버 디스크와 대면하는 측상에 하나 이상의 나선형으로 이어져 있는(swept) 역류 영향 수단(32, 34)이 배치되어 있고, 상기 역류 영향 수단(32, 34)은 상기 흡입구 개구의 둘레 전체 또는 그 일부를 따라 감겨 연장되어 있는,

   원심 펌프.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 역류 영향 수단은 상기 바닥벽에 홈(32)으로서 배열된 것을 특징으로 하는 원심 펌프.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 역류 영향 수단은 상기 바닥벽에 리지(ridge)(34)로서 배열된 것을 특징으로 하는 원심 펌프.
4. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 흡입구와 대면하는 상기 역류 영향 수단의 벽부는 상기 바닥벽의 평면과 85 내지 95˚ 범위의 각도(β)를 형성하는 것을 특징으로 하는 원심 펌프.

Images