KR101593648B1 - 축류 펌프 또는 사류 펌프의 가변 안내 깃 제어 장치 및 방법 - Google Patents

축류 펌프 또는 사류 펌프의 가변 안내 깃 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 축류 펌프 또는 사류 펌프의 가변 안내 깃의 각도를 제어하기 위한 제어 장치에서, 흡입관의 입구에 설치되어 있고, 안내 깃(guide vane)의 각도가 변경되며, 펌프 내부로 흡입되는 유체의 흡입 각도를 조절하기 위한 가변 안내 깃, 흡입관의 안쪽에서 유체를 펌프로 흡입시키도록 회전하는 임펠러(Impeller)를 구동시키기 위한 펌프 모터의 구동을 제어하기 위한 펌프 모터 제어기, 흡입관 내부의 압력을 감지하기 위한 압력센서, 흡입관 내부의 유량을 감지하기 위한 유량센서, 상기 가변 안내 깃의 날개 각도가 조절되도록 구동시키기 위한 날개 각도 조절용 모터 및 상기 펌프 모터 제어기로부터 펌프 모터 파워 데이터를 입력받고, 상기 압력센서로부터 압력 데이터를 입력받고, 상기 유량센서로부터 유량 데이터를 입력받아서, 상기 펌프 모터 파워 데이터와 상기 압력데이터와 상기 유량 데이터로부터 효율을 계산하고, 효율이 최대가 되는 때의 상기 가변 안내 깃의 날개 각도를 최적 날개 각도로 결정하고, 상기 가변 안내 깃이 상기 최적 날개 각도가 되도록 상기 날개 각도 조절용 모터를 제어하는 최적 날개 각도 제어기를 포함한다.

Description

축류 펌프 또는 사류 펌프의 가변 안내 깃 제어 장치 및 방법 {Apparatus and method for controlling variable guide vane in axial flow pump or mixed flow pump}
본 발명은 축류 펌프 또는 사류 펌프에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일반 산업현장에서 폭넓게 사용되고 있는 축류 펌프 또는 사류 펌프의 효율을 개선하기 위한 가변 입구 안내 깃(Variable Inlet Guide Vane)이 장착된 흡입 케이싱 개발에 관한 것이다.
일반적으로 양수기는 전기에너지를 운동에너지로 변환하는 모터를 포함하고, 모터에서 발생하는 회전력에 의해 회전하는 임펠러 등을 통해 저지대의 물을 고지대로 퍼올리는 장치를 말한다.
이러한 양수기는 파이프 등을 통해 연결된 저지대와 고지대의 경로상에 설치되어 저지대의 물을 고지대로 공급하는 역할을 수행하며, 특히 수중에 설치되어 동작하는 양수기를 수중모터펌프라 한다. 이와 같은 수중모터펌프에는 축류 펌프, 사류 펌프, 그라인더 펌프, 게이트 펌프 등 다양한 종류가 있다.
여기서, 축류 펌프는 흡입 및 토출 유량이 대단히 크고, 양정이 낮은 경우에 사용되는 것으로서, 유체의 유동 방향이 회전차의 축방향으로 유입되고 유출되는 방식이며, 비속도가 크기 때문에 펌프 임펠러의 형상이 사류 펌프의 반경류 타입과는 다른 프로펠러(베인)와 같은 형상이 된다.
그리고, 사류 펌프는 외부로부터 동력을 받아 회전하는 임펠러에 의해 발생하는 원심 및 사류력을 이용하여 유체의 펌프 작용, 즉 유체의 수송작용을 하거나 압력을 발생시키는 유체 기계를 말한다.
본 발명은 일반 산업현장에서 폭넓게 사용되고 있는 축류 펌프 또는 사류 펌프의 효율을 개선하기 위한 가변 입구 안내 깃(Variable Inlet Guide Vane)이 장착된 흡입 케이싱 개발에 관한 것이다.
이처럼 축류 펌프 또는 사류 펌프는 대용량으로 유량을 이송하는 산업의 현장의 중요 장치로 소비전력이 상대적으로 큰 산업용 설비이다.
그러므로 운전비용 측면에 있어서 특히 효율이 중요한 설비로, 현재 대부분 국내외 경쟁 입찰에서 가격적인 측면과 성능의 여러 측면이 요구되지만, 특히 효율의 우수성이 가장 중요한 입찰요소로 요구되고 있다.
이러한 산업 현장의 요구에 부응하여 효율을 극대화하고자 하는 노력의 일환으로 임펠러의 3차원 설계, 모터효율 극대화 등의 여러 연구가 진행되어 왔으며, 이러한 결과로 현재 최고효율설계점(BEP: Best Efficiency Point)에서 효율 값은 최고 83%정도까지 이르게 되었다(미국, Flygt 사 2014년 PL 7081/7663 ~ 990N4 카탈로그 기준).
도 1 및 도 2는 기존의 축류 펌프 또는 사류 펌프의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 기존의 축류 펌프 또는 사류 펌프는 케이블(1,2), 베어링(3), 주축(shafe)(4), 모터(5), 출구 안내 깃(Outlet guide vane)(6), 임펠러(Impeller)(7), 흡입관(8)을 포함한다.
이러한 축류 펌프 또는 사류 펌프의 경우, 작동 시 흡입관(8)에서 발생하는 흡입 유체의 회전현상(Prewhirl)을 막아 주기 위해, 일반적으로 고정형 안내 깃을 흡입관(8)에 설치하게 된다. 그러나 가변 유량 운전 시, 종전의 고정형 안내 깃이 설치된 흡입관은 오히려 효율을 떨어뜨리게 되는 문제점이 있다.
그러므로 주어진 운전 조건에서 최적의 효율을 나타내도록 하기 위해서, 축류 펌프 또는 사류 펌프의 흡입관에 설치되는 안내 깃의 각도를 최적의 효율을 내는 각도로 조절하는 것이 필요하다.
대한민국 등록특허 10-1138462
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 축류 펌프 또는 사류 펌프의 흡입관에서 발생하는, 흡입 유체의 회전 현상(Prewhirl)으로 인한 충격 손실을 최소화하기 위하여, 효율이 최대가 되도록 펌프로 흡입되는 유체의 각도를 자유롭게 변경해 줄 수 있는 가변 안내 깃이 설치된 흡입관을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 축류 펌프 또는 사류 펌프의 가변 안내 깃의 각도를 제어하기 위한 제어 장치에서, 흡입관의 입구에 설치되어 있고, 안내 깃(guide vane)의 각도가 변경되며, 펌프 내부로 흡입되는 유체의 흡입 각도를 조절하기 위한 가변 안내 깃, 흡입관의 안쪽에서 유체를 펌프로 흡입시키도록 회전하는 임펠러(Impeller)를 구동시키기 위한 펌프 모터의 구동을 제어하기 위한 펌프 모터 제어기, 흡입관 내부의 압력을 감지하기 위한 압력센서, 흡입관 내부의 유량을 감지하기 위한 유량센서, 상기 가변 안내 깃의 날개 각도가 조절되도록 구동시키기 위한 날개 각도 조절용 모터 및 상기 펌프 모터 제어기로부터 펌프 모터 파워 데이터를 입력받고, 상기 압력센서로부터 압력 데이터를 입력받고, 상기 유량센서로부터 유량 데이터를 입력받아서, 상기 펌프 모터 파워 데이터와 상기 압력데이터와 상기 유량 데이터로부터 효율을 계산하고, 효율이 최대가 되는 때의 상기 가변 안내 깃의 날개 각도를 최적 날개 각도로 결정하고, 상기 가변 안내 깃이 상기 최적 날개 각도가 되도록 상기 날개 각도 조절용 모터를 제어하는 최적 날개 각도 제어기를 포함한다.
상기 펌프 모터 파워 데이터를 L이라 하고, 상기 압력 데이터를 P라 하고, 상기 유량 데이터를 Q라 하면, 상기 최적 날개 각도 제어기는 효율(η)을,
Figure 112015086746573-pat00001
로 계산할 수 있다.
본 발명의 축류 펌프 또는 사류 펌프의 흡입관의 입구에 설치되어 있고, 안내 깃(guide vane)의 각도가 변경되며, 펌프 내부로 흡입되는 유체의 흡입 각도를 조절하기 위한 가변 안내 깃을 제어하기 위한 가변 안내 깃 제어 장치에서의 가변 안내 깃 제어 방법에서, 흡입관의 안쪽에서 유체를 펌프로 흡입시키도록 회전하는 임펠러(Impeller)를 구동시키기 위한 펌프 모터의 파워 데이터인 펌프 모터 파워 데이터와, 흡입관 내부의 압력 데이터와, 흡입관 내부의 유량 데이터를 입력받는 단계, 입력받은 펌프 모터 데이터와, 압력 데이터와, 유량 데이터를 이용하여 효율을 계산하는 단계, 계산된 효율이 최대가 되는 때의 상기 가변 안내 깃의 날개 각도를 최적 날개 각도로 결정하는 단계 및 상기 최적 날개 각도가 되도록 상기 가변 안내 깃의 각도를 제어하는 단계를 포함한다.
상기 효율을 계산하는 단계에서, 상기 펌프 모터 파워 데이터를 L이라 하고, 상기 압력 데이터를 P라 하고, 상기 유량 데이터를 Q라 하면, 효율(η)을
Figure 112015086746573-pat00002
로 계산할 수 있다.
본 발명에 의하면, 축류 펌프 또는 사류 펌프에서 흡입관에 설치된 가변 안내 깃을 제어함으로써, 가변 유량시 효율을 향상시킬 수 있으며, 양정을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 기존의 축류 펌프 또는 사류 펌프의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 안내 깃이 흡입관에 장착된 축류 펌프 또는 사류 펌프의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 축류 펌프 또는 사류 펌프에서 가변 안내 깃이 장착된 흡입관을 확대한 단면도이다.
도 5는 가변 안내 깃을 설치할 경우 예상되는 날개주변 유동의 형상을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 축류 펌프 또는 사류 펌프에서 가변 안내 깃 제어 장치의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 축류 펌프 또는 사류 펌프에서 가변 안내 깃 제어 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 8은 축류 펌프 또는 사류 펌프에서 고정 안내 깃이 설치된 경우와, 본 발명의 가변 안내 깃이 설치된 경우의 효율을 비교한 그래프이다.
도 9는 축류 펌프 또는 사류 펌프에서 고정 안내 깃이 설치된 경우와, 본 발명의 가변 안내 깃이 설치된 경우의 효율을 비교한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 안내 깃이 흡입관에 장착된 축류 펌프 또는 사류 펌프의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 축류 펌프 또는 사류 펌프에서 가변 안내 깃이 장착된 흡입관을 확대한 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 축류 펌프 또는 사류 펌프의 흡입관(80)에 가변 안내 깃(Variable guide vane)(90)이 설치된 것을 확인할 수 있다.
도 5는 가변 안내 깃을 설치할 경우 예상되는 날개주변 유동의 형상을 도시한 도면이다.
도 5에서 (a)는 가변 안내 깃을 장착하기 전의 유동의 형상이고, (b)는 가변 안내 깃을 장착시 유동의 형상이다.
도 5에서 보는 바와 같이, 본 발명의 가변 안내 깃(90)이 흡입관(80)에 설치되면, 가변 입구 안내 깃(90)을 통해 흡입되는 유체에 적당한 회전운동이 부여되기 때문에, 흡입되는 유체가 임펠러에 부드럽게 안내되어 충동 손실이 최소화된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 축류 펌프 또는 사류 펌프에서 가변 안내 깃 제어 장치의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 축류 펌프 또는 사류 펌프에서 가변 안내 깃 제어 장치는 가변 안내 깃(90), 펌프 모터 제어기(100), 압력센서(110), 유량센서(120), 날개 각도 조절용 모터(130), 최적 날개 각도 제어기(140)를 포함한다.
가변 안내 깃(90)은 흡입관(80)의 입구에 설치되어 있고, 안내 깃(guide vane)의 각도가 변경되며, 펌프 내부로 흡입되는 유체의 흡입 각도를 조절하는 역할을 한다.
펌프 모터 제어기(100)는 흡입관(80)의 안쪽에서 유체를 펌프로 흡입시키도록 회전하는 임펠러(Impeller)(7)를 구동시키기 위한 펌프 모터(5)의 구동을 제어한다.
압력센서(110)는 흡입관(80) 내부의 압력을 감지하는 역할을 한다.
유량센서(120)는 흡입관(80) 내부의 유량을 감지하는 역할을 한다.
날개 각도 조절용 모터(130)는 가변 안내 깃(90)의 날개 각도가 조절되도록 구동시키는 역할을 한다.
최적 날개 각도 제어기(140)는 펌프 모터 제어기(100)로부터 펌프 모터 파워 데이터를 입력받고, 압력센서(110)로부터 압력 데이터를 입력받고, 유량센서(120)로부터 유량 데이터를 입력받는다.
그리고, 최적 날개 각도 제어기(140)는 펌프 모터 파워 데이터와 압력 데이터와 유량 데이터로부터 효율을 계산하고, 효율이 최대가 되는 때의 가변 안내 깃(90)의 날개 각도를 최적 날개 각도로 결정하고, 가변 안내 깃(90)이 최적 날개 각도가 되도록 날개 각도 조절용 모터(130)를 제어한다.
본 발명에서 펌프 모터 파워 데이터를 L이라 하고, 상기 압력 데이터를 P라 하고, 상기 유량 데이터를 Q라 하면, 최적 날개 각도 제어기(140)는 효율(η)을 다음과 같은 수학식을 통해 계산할 수 있다.
Figure 112015125733775-pat00003
여기서, L은 펌프를 구동하는데 필요한 펌프 모터(5)의 동력을 의미하며, 단위는 [W]이고, P는 압력 데이터로서 단위면적에 수직으로 가해지는 힘의 크기이며, 단위는 [N/m2]이고, Q는 단위 시간당 펌프의 유량을 의미하고, 단위는 [m3/h]이다.
수학식 1에서, 효율은 흡입관(80) 내의 압력과 유량에 비례하고, 펌프 모터(5)의 파워에 반비례하는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 축류 펌프 또는 사류 펌프에서 가변 안내 깃 제어 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 축류 펌프 또는 사류 펌프에서 가변 안내 깃 제어 방법은 먼저, 흡입관(80)의 안쪽에서 유체를 펌프로 흡입시키도록 회전하는 임펠러(Impeller)(7)를 구동시키기 위한 펌프 모터(5)의 파워 데이터인 펌프 모터 파워 데이터와, 흡입관 내부의 압력 데이터와, 흡입관 내부의 유량 데이터를 입력받는다(S701).
그리고, 입력받은 펌프 모터 데이터와, 압력 데이터와, 유량 데이터를 이용하여 효율을 계산한다(S703).
그리고, 계산된 효율이 최대가 되는 때의 가변 안내 깃(90)의 날개 각도를 최적 날개 각도로 결정한다(S705, S707).
그리고, 최적 날개 각도가 되도록 가변 안내 깃(90)의 각도를 제어한다(S709).
도 8은 축류 펌프 또는 사류 펌프에서 고정 안내 깃이 설치된 경우와, 본 발명의 가변 안내 깃이 설치된 경우의 효율을 비교한 그래프이고, 도 9는 축류 펌프 또는 사류 펌프에서 고정 안내 깃이 설치된 경우와, 본 발명의 가변 안내 깃이 설치된 경우의 효율을 비교한 그래프이다.
도 8 및 도 9는 동일한 55kW급 축류 펌프에 기존의 고정형 안내 깃이 장착된 흡입관을 설치하였을 경우와 본 발명의 가변 안내 깃이 설치된 흡입관을 설치하였을 경우, 전산 유동 해석을 통해 효율 및 양정을 비교한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 가변 안내 깃이 설치된 경우, 기존 대비 3%의 효율 향상이 있음을 확인할 수 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 가변 안내 깃이 설치된 경우, 기존 대비 1m 이상의 양정이 증대한 것을 확인할 수 있다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
80 흡입관 90 가변 안내 깃
100 펌프 모터 제어기 110 압력센서
120 유량센서 130 날개 각도 조절용 모터
140 최적 날개 각도 제어기

Claims (4)

  1. 축류 펌프 또는 사류 펌프의 가변 안내 깃의 각도를 제어하기 위한 제어 장치에서,
    흡입관의 입구에 설치되어 있고, 안내 깃(guide vane)의 각도가 변경되며, 펌프 내부로 흡입되는 유체의 흡입 각도를 조절하기 위한 가변 안내 깃;
    흡입관의 안쪽에서 유체를 펌프로 흡입시키도록 회전하는 임펠러(Impeller)를 구동시키기 위한 펌프 모터의 구동을 제어하기 위한 펌프 모터 제어기;
    흡입관 내부의 압력을 감지하기 위한 압력센서;
    흡입관 내부의 유량을 감지하기 위한 유량센서;
    상기 가변 안내 깃의 날개 각도가 조절되도록 구동시키기 위한 날개 각도 조절용 모터; 및
    상기 펌프 모터 제어기로부터 펌프 모터 파워 데이터를 입력받고, 상기 압력센서로부터 압력 데이터를 입력받고, 상기 유량센서로부터 유량 데이터를 입력받아서, 상기 펌프 모터 파워 데이터와 상기 압력데이터와 상기 유량 데이터로부터 효율을 계산하고, 효율이 최대가 되는 때의 상기 가변 안내 깃의 날개 각도를 최적 날개 각도로 결정하고, 상기 가변 안내 깃이 상기 최적 날개 각도가 되도록 상기 날개 각도 조절용 모터를 제어하는 최적 날개 각도 제어기를 포함하며,
    상기 펌프 모터 파워 데이터를 L이라 하고, 상기 압력 데이터를 P라 하고, 상기 유량 데이터를 Q라 하고, L은 펌프를 구동하는데 필요한 펌프 모터의 동력을 의미하며, 단위는 [W]이고, P는 압력 데이터로서 단위면적에 수직으로 가해지는 힘의 크기이며, 단위는 [N/m2]이고, Q는 단위 시간당 펌프의 유량을 의미하고, 단위는 [m3/h]라고 할 때,
    상기 최적 날개 각도 제어기는 효율(η)을,
    Figure 112015125733775-pat00004

    로 계산하는 것을 특징으로 하는 축류 펌프 또는 사류 펌프의 가변 안내 깃 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 축류 펌프 또는 사류 펌프의 흡입관의 입구에 설치되어 있고, 안내 깃(guide vane)의 각도가 변경되며, 펌프 내부로 흡입되는 유체의 흡입 각도를 조절하기 위한 가변 안내 깃을 제어하기 위한 가변 안내 깃 제어 장치에서의 가변 안내 깃 제어 방법에서,
    흡입관의 안쪽에서 유체를 펌프로 흡입시키도록 회전하는 임펠러(Impeller)를 구동시키기 위한 펌프 모터의 파워 데이터인 펌프 모터 파워 데이터와, 흡입관 내부의 압력 데이터와, 흡입관 내부의 유량 데이터를 입력받는 단계;
    입력받은 펌프 모터 데이터와, 압력 데이터와, 유량 데이터를 이용하여 효율을 계산하는 단계;
    계산된 효율이 최대가 되는 때의 상기 가변 안내 깃의 날개 각도를 최적 날개 각도로 결정하는 단계; 및
    상기 최적 날개 각도가 되도록 상기 가변 안내 깃의 각도를 제어하는 단계를 포함하며,
    상기 효율을 계산하는 단계에서,
    상기 펌프 모터 파워 데이터를 L이라 하고, 상기 압력 데이터를 P라 하고, 상기 유량 데이터를 Q라 하고, L은 펌프를 구동하는데 필요한 동력을 의미하며, 단위는 [W]이고, P는 압력 데이터로서 단위면적에 수직으로 가해지는 힘의 크기이며, 단위는 [N/m2]이고, Q는 단위 시간당 펌프의 유량을 의미하고, 단위는 [m3/h]라고 할 때,
    상기 최적 날개 각도 제어기는 효율(η)을,
    Figure 112015125733775-pat00005

    로 계산하는 것을 특징으로 하는 축류 펌프 또는 사류 펌프의 가변 안내 깃 제어 방법.
  4. 삭제
KR1020150126278A 2015-09-07 2015-09-07 축류 펌프 또는 사류 펌프의 가변 안내 깃 제어 장치 및 방법 KR101593648B1 (ko)

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