KR101808077B1 - 원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계방법, 이에 의하여 설계된 원심 및 사류 펌프 벌류트, 이를 구비하는 원심 및 사류 펌프 - Google Patents

원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계방법, 이에 의하여 설계된 원심 및 사류 펌프 벌류트, 이를 구비하는 원심 및 사류 펌프 Download PDF

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centrifugal
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김성
이경용
김진혁
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Abstract

원심 및 사류 펌프 벌류트 성능 향상을 위한 설계방법이 제공된다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 원심 및 사류 펌프 벌류트 성능 향상을 위한 설계 방법.은 유체가 임펠러의 출력부를 통해 벌류트 흡입구로 유입되고, 벌류트 토출구를 통해 디퓨저의 유입구로 배출되는 원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계 방법으로서, 원심 및 사류 펌프 벌류트의 형상을 고려하여 설계 변수 선택 및 목적함수 결정 단계; 설계 변수의 상한 및 하한값을 결정하는 설계 영역 선정단계; 선정된 설계 영역에서 수치해석 단계; 및 수치해석결과를 통해 설계영역에서 성능 향상을 위한 점을 탐색하는 단계를 포함한다.

Description

원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계방법, 이에 의하여 설계된 원심 및 사류 펌프 벌류트, 이를 구비하는 원심 및 사류 펌프{DESIGN METOD OF VOLUTE FOR CENTRIFUGAL AND MIXED FLOW PUMP FOR IMPROVING PERFORMANCE, VOLUTE OF CENTRIFUGAL AND MIXED FLOW PUMP DESIGNED BY THE METHOD AND CENTRIFUGAL AND MIXED FLOW PUMP HAVING THE SAME}
본 발명은 원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계 방법, 이에 의하여 설계된 원심 및 사류 펌프 벌류트, 이를 구비하는 원심 및 사류 펌프에 관한 것이다.
펌프는 일반 가정 및 산업에서의 유체 이송, 각종 플랜트 산업(화학, 원자력, 발전소 및 해양 플랜트 등)에 이용되고 있다. 이때 요구되는 사항에 따라 다양한 펌프가 있다.
그 중 원심 및 사류 펌프는 외부로부터 동력을 받아 회전하는 임펠러(Impeller)에 의해 발생하는 원심력을 이용하여 유체의 펌프 작용, 즉 유체의 수송작용을 하거나 압력을 발생시키는 유체 기계를 말한다.
일반적으로 임펠러는 터보형 펌프, 송풍기 또는 압축기 등의 주요 구성품으로서, 원주상에 같은 간격으로 배치된 수개 내지 수십개의 날개와 이 날개의 일측면을 커버하며 일체로 부착되는 원판으로 구성되어 있다.
공기, 물, 기름 등의 유체는 원동기에 의해서 고속으로 회전하는 임펠러의 날개 깃 사이를 흘러 지나갈 때에 날개 깃으로부터 에너지가 주어지는 바, 이러한 기능을 하는 임펠러는 원심형, 사류형, 축류형으로 구분되고 있다.
종래의 원심 및 사류 펌프는 유체를 원활하게 펌핑할 수 있도록 높은 효율을 갖는 원심 및 사류 펌프 벌류트를 설계하는 것에 어려움이 있었다.
본 발명의 일 실시예는 유체를 원활하게 펌핑할 수 있고, 높은 효율을 유지할 수 있는 원심 및 사류 펌프의 벌류트를 용이하게 설계할 수 있는 원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계 방법, 이에 의하여 설계된 원심 및 사류 펌프 벌류트, 이를 구비하는 원심 및 사류 펌프를 제공하고자 한다.
본 발명의 일측면에 따르면 유체가 임펠러의 출력부를 통해 벌류트 흡입구로 유입되고, 상기 벌류트 흡입구와 연결된 벌류트 토출구를 통해 디퓨저의 유입구로 배출되는 원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계 방법으로서, 상기 원심 및 사류 펌프 벌류트의 형상을 고려하여 설계 변수 및 목적함수 결정 단계; 상기 설계 변수의 상한 및 하한값을 결정하는 설계 영역 선정단계; 상기 선정된 설계 영역에서 수치해석 단계; 및 상기 수치해석의 결과를 통해 설계영역에서 성능 향상을 위한 점을 탐색하는 단계를 포함하고, 상기 원심 및 사류 펌프 벌류트의 형상을 고려하여 설계 변수 및 목적함수 결정 단계에서 상기 목적 함수는 양정 및 펌프 효율이고, 상기 설계 변수는 벌류트 각도 및 내부 유로 단면적이며, 상기 설계 변수의 상한 및 하한값을 결정하는 설계 영역 선정 단계에서는 상기 내부 유로 단면적이 가장 작은 부분이 시작하는 지점을 벌류트 각도 0도로 하고, 가장 큰 지점을 360도로 하며, 상기 벌류트 각도를 가로축으로 하고 상기 내부 유로 단면적을 세로축으로 할 때, 상기 CP1은 상기 벌류트 각도가 0도에서의 내부 유로 단면적이고, 상기 CP2는 상기 벌류트 각도가 360도에서의 내부 유로 단면적이며, 상기 CP1에서의 상기 벌류트 흡입구의 직경(Dz)은
Figure 112017072656446-pat00016
을 만족하되, n = 비속도, ρ = 밀도, H = 양정, D2 = 임펠러의 출구부 직경인 원심 및 사류 펌프 벌류트 성능 향상을 위한 설계 방법을 제공한다.
이때, 상기 펌프 효율
Figure 112017072656446-pat00001
이고, 상기 설계 변수는 벌류트 각도 및 내부 유로 단면적일 수 있다. 이때, η=펌프 효율, ρ=밀도, g=중력가속도, H=양정, Q=체적 유량, τ=토크, ω=각속도
이때, 상기 CP1 및 상기 CP2는 상기 벌류트 각도에 따라 상기 내부 유로 단면적이 변할 수 있는 2개의 제어점일 수 있다.
삭제
이때, 상기 선정된 설계 영역에서 수치해석 단계에서는 수치해석을 이용하여 설계 변수인 상기 CP1 및 CP2를 제어하여 목적함수가 최대가 될 수 있는 CP1 및 CP2를 조합할 수 있다.
삭제
이때, 상기 설계 변수의 상한 및 하한값을 결정하는 설계 영역 선정 단계에서 상기 CP1은 0이라 설정하고, 상기 CP2는 상기 디퓨저 유입구의 내부 유로 단면적보다 상기 디퓨저 유입구의 내부 유로 단면적 * 0.4만큼 클 수 있다.
이때, 상기 벌류트 토출구의 내부 유로 단면적은 일단부에서 상기 디퓨저 유입구의 내부 유로 단면적까지 잇는 수직선과 상기 디퓨저 유입구의 내부 유로 단면적의 일단부까지 잇는 가상의 선은 외측 방향으로 0 도 초과 10도 이하로 기울어질 수 있다.
이때, 상기 CP1은 개시점으로 하고, 상기 CP2는 종료점으로 하며, 상기 개시점에서 상기 종료점 사이의 내부 유로 단면적은 선형으로 증가할 수 있다.
이때, 상기 수치해석의 결과를 통해 설계영역에서 성능 향상을 위한 점을 탐색하는 단계에서 상기 양정은 5 % 증가시키고 상기 펌프 효율은 3 % 향상시키기 위한 점일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면 유체가 임펠러의 출력부를 통해 벌류트 흡입구로 유입되고, 상기 벌류트 흡입구와 연결된 벌류트 토출구를 통해 디퓨저의 유입구로 배출되는 원심 및 사류 펌프 벌류트로서, 상기 벌류트의 흡입구의 직경(Dz)은
Figure 112017072656446-pat00017
을 만족하되, n = 비속도, ρ = 밀도, H = 양정, D2 = 임펠러의 출구부 직경인 원심 및 사류 펌프 벌류트를 제공한다.
삭제
이때, 상기 벌류트 토출구의 내부유로 단면적은 상기 디퓨저 유입구의 내부 유로 단면적보다 상기 디퓨저 유입구의 내부 유로 단면적 * 0.4만큼 더 클 수 있다.
이때, 상기 벌류트 토출구 및 상기 디퓨저 유입구를 연결하는 연결부재를 포함하되, 상기 연결부재는 외측방향으로 0 도 초과 10 도 이하로 기울어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면 전술한 원심 및 사류 펌프 벌류트; 상기 벌류트의 내부에 유체의 유입과 배출을 위해 회전 가능하도록 결합된 원심 및 사류 펌프 임펠러 및 상기 임펠러와 연결되고 상기 임펠러의 중심부의 양측면으로 유체를 유입시키는 흡입부를 포함하는 원심 및 사류 펌프를 제공한다.
이때, 상기 흡입부는 단면이 Y 자 형상으로서, 유체가 유입되는 통로인 흡입관 및 상기 흡입관과 연결되고 상기 흡입관을 통해 유입된 유체가 분리되어 상기 임펠러로 유입되게 하는 한 쌍의 배출관을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계 방법에 의해 설계된 원심 및 사류 펌프 벌류트는 벌류트 단면적 변화를 통해 유체를 원활하게 펌핑할 수 있어 높은 펌프 효율을 가질 수 있고, 설계 시 설계가 용이하여 설계하는 시간을 단축할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원심 및 사류 펌프 벌류트 성능 향상을 위한 설계 방법은 수치설계를 통해 높은 펌프 효율을 유지할 수 있고, 내부 유동에 대한 안정성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계 방법에 의해 설계된 원심 및 사류 펌프 벌류트를 구비하는 원심 및 사류 펌프를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계 방법에 의해 설계된 원심 및 사류 펌프 벌류트를 구비하는 원심 및 사류 펌프를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계 방법에서 임펠러의 자오면 및 모터의 구동축의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계 방법에 의해 설계된 원심 및 사류 펌프 벌류트 및 디퓨저를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계 방법에 의해 설계된 원심 및 사류 펌프 벌류트의 내부 유로 단면적을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 화 설계 방법을 도시한 순서도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계 방법에 의해 설계된 원심 및 사류 펌프 벌류트를 구비하는 원심 및 사류 펌프를 도시한 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계 방법에 의해 설계된 원심 및 사류 펌프 벌류트를 구비하는 원심 및 사류 펌프를 도시한 단면도이다.
이하의 설명에서 도 2에서 볼 때 디퓨저에서 흡입부 쪽을 향하는 방향을 전방으로 하고, 흡입부에서 디퓨저 쪽을 향하는 방향을 후방으로 규정하여 설명한다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계 방법은 원심 및 사류 펌프 벌류트의 형상을 고려하여 설계 변수 및 목적함수 결정단계(S10), 설계변수의 상한 및 하한 값을 결정하는 설계영역 선정단계(S20), 선정된 설계 영역에서 수치해석 단계(S30) 및 수치해석결과를 통해 설계 영역에서 성능 향상을 위한 점을 탐색하는 단계(S40)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계 방법은 원심 및 사류 펌프를 설계할 때 설계가 용이하여 설계시간을 단축할 수 있고 원심 및 사류 펌프가 작동할 때 펌프 효율을 향상시킬 수 있다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 및 사류 벌류트의 성능 향상을 위한 설계방법에 의하여 설계된 원심 및 사류 펌프 벌류트(13)를 구비하는 원심 및 사류 펌프(1)는 원심 및 사류 펌프 임펠러(3), 원심 및 사류 펌프 벌류트(13), 흡입부(7), 연결부재(19) 및 디퓨저(21)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원심 및 사류 펌프(1)는 원심 및 사류 펌프 벌류트(13)를 원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계방법에 의해 설계함으로써 설계시간을 단축할 수 있고 펌프 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서 구동 모터(미도시)는 중심부에 회전 가능하도록 연장 형성된 구동축(C)이 형성될 수 있다. 이때 구동축에 원심 및 사류 펌프 임펠러(3)가 회전 가능하도록 연결될 수 있다.
도 3을 참고하면, 임펠러(3)는 중심부에 구동 모터의 구동축(C)과 연결되고, 전체적으로 원통형상으로 복수개의 날개부(5)가 나선형으로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 원심 및 사류 펌프 임펠러(3)는 회전 시 유입되는 유체에 원심력을 부여하여 유체가 원심력에 의해 유동되도록 할 수 있다.
이때, 도 2를 참조하면 본 발명의 일 실시예에서 원심 및 사류 펌프 임펠러(3)는 흡입부(7)를 통해 양쪽 측면으로 유체가 유입되고, 유입되는 유체를 원주방향으로 배출시킬 수 있다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에서 흡입부(7)는 단면이 'Y자' 형상으로서 흡입관(9) 및 한 쌍의 배출관(11)을 포함할 수 있다. 이때, 흡입관(9)은 원통 형상의 관으로 형성되어 유체가 유입 및 배출될 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서 흡입관(9)은 한 쌍의 배출관(11)과 연결될 수 있다. 이때, 한 쌍의 배출관(11)은 원통 형상의 흡입관(9)과 연결되고 흡입관을 통해 유입된 유체가 한 쌍의 배출관을 통해 분리된 후 임펠러(3)로 유입될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 한 쌍의 배출관(11)의 배출구(미도시)는 구동축(C)의 연장선 상에 형성될 수 있다. 이때, 한 쌍의 배출관(11)은 배출구를 통해 구동축(C)의 축 방향으로 유체를 임펠러(3)로 배출시킬 수 있다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계방법에 의해 설계된 원심 및 사류 펌프 벌류트(13)는 벌류트 케이싱(15) 및 연결부재(19)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 벌류트 케이싱(15)은 나선형으로 연장 형성될 수 있다. 이때, 벌류트 케이싱(15)의 중심부에는 원심 및 사류 펌프 임펠러(3)가 수용되어 벌류트 케이싱 내부에서 임펠러가 회전될 수 있다.
또한, 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에서 벌류트 케이싱(15)의 내부에는 유체가 유입되는 벌류트 흡입구(15a) 및 유체가 배출되는 벌류트 토출구(15b)가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원심 및 사류 펌프 벌류트(13)는 유체를 펌핑할 때 유체가 벌류트(13)에 걸리지 않고 유체 유동 통로(17)를 통해 이동됨으로써 유체에 의한 펌핑력의 저하 및 벌류트의 손상을 방지할 수 있다.
한편, 도 3을 참고하면, 벌류트 케이싱(15)의 내부에는 벌류트 흡입구(15a)에서 벌류트 토출구(15b)에 이르는 나선형의 단일유로인 유체 유동 통로(17)가 형성될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에서 원심 및 사류 펌프 벌류트(13)로 유입되는 유체는 나선형으로 연장되는 유체 유동 통로(17)를 따라 이동될 수 있다.
이때, 유체 유동 통로(17)는 벌류트 흡입구(15a)로 유입된 유체가 내측의 곡면에 간섭되지 않고 벌류트 토출구(15b)로 이동할 수 있도록 만곡지게 굴곡진 곡면 형상일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에서 유체 유동 통로(17)는 벌류트 흡입구(15a)로 유입되는 유체가 곡면을 따라 저항을 받지 않고 유동하도록 한다.
도 3을 참고하면, 연결부재(19)는 벌류트 토출구(15b)와 디퓨저 유입구(21a)를 연결하는 원통형상의 관으로서, 연결부재(19)의 일측 예를 들어 연결부재의 전방은 벌류트 토출구(15b)와 연결되어 있고, 타측 예를 들어 연결부재의 후방은 디퓨저 유입구(21a)와 연결되어 유체를 이동시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서 디퓨저(21)는 연결부재(19)의 배출구(19b)와 연결되어 연결부재를 통해 전달된 유체가 디퓨저를 통해 외부로 배출될 수 있도록 한다.
이때, 도 2 및 도 3을 참고하면 디퓨저(21)는 원통 형상의 관으로서 일측 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이 디퓨저의 전방에는 디퓨저 유입구(21a)가 형성되고, 타측 예를 들어 디퓨저의 후방에는 디퓨저 배출구(21b)가 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서 디퓨저 유입구(21a) 및 디퓨저 배출구(21b)의 직경이 동일할 수 있고, 연결부재(19)는 벌류트 토출구(15b)와 디퓨저 유입구(21a) 사이에 위치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계방법은 원심 및 사류 펌프 벌류트의 형상을 결정하는 설계변수 및 목적함수 결정 단계(S10)를 포함할 수 있다.
먼저, 원심 및 사류 펌프 벌류트의 형상을 결정하는 설계변수 및 목적함수 결정 단계(S10)에서는 목적함수를 최대화하기 위하여 벌류트의 형상을 결정하는 설계 변수를 선택한다.
이때, 원심 및 사류 펌프 벌류트의 형상을 결정하는 설계변수는 벌류트 각도(θ1)및 내부 유로 단면적일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계 방법은 펌프 효율을 최대화할 수 있도록 벌류트의 성능을 향상시키는 것에 목적이 있으므로 목적함수는 하기의 식 1과 같은 펌프 효율(η) 및 양정(Ht)일 수 있다.
Figure 112016079316939-pat00004
……[식 1]
이때, η=펌프 효율, ρ=밀도, g=중력가속도, H=양정, Q=체적 유량, τ=토크, ω=각속도이다.
도 3을 참고하면, 벌류트 토출구(15b)와 임펠러(3)의 중심을 잇는 가상의 선(L1, L2)에서 우측 방향으로 기울어진 각도가 벌류트의 각도(θ1)일 수 있다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에서 유로 공간(S)의 단면적(At)은 베인리스 공간(S1)의 단면적(Ax) 및 벌류트 내부 공간(S2)의 단면적(Ay)의 합일 수 있다. 다만, 본 발명의 일 실시예에서 내부 유로 단면적은 벌류트 내부 공간(S2)일 수 있다. 이때, 베인리스 공간은 유체의 통과를 위해 존재하는 공간일 수 있다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계 방법에서 유체 유동 통로(17) 단면적 중 가장 작은 곳이 시작하는 지점을 벌류트 각도(θ1) 0도로 설정하고, 가장 큰 지점을 벌류트 각도(θ1) 360도로 설정한다.
이때, 본 발명의 일 실시예에서 벌류트 각도(θ1)가 0도인 지점을 결정하기 위한 제어점 CP1 및 벌류트 각도가 360도 일 때 내부 유로 단면적이 변하는 제어점 CP2를 포함할 수 있다. 설계 변수 CP1은 벌류트의 각도(θ1)가 0 도인 곳으로서 이는 벌류트 흡입구(15a)로서 유체 유동 통로(17) 단면적 중 가장 작은 지점(tongue)으로 설계할 수 있다.
한편, 벌류트의 각도(θ1)가 0도 지점인 설계 변수 CP1은 벌류트 흡입구(15a)의 직경(Dz)이 하기 식 2와 같은 지점으로서 임펠러의 출구부 직경(D2), 임펠러의 비속도, 임펠러의 양정, 유체의 밀도에 따라 결정될 수 있다.
Figure 112016079316939-pat00005
[식 2]
이때, nq는 임펠러의 비속도이고, Hst는 임펠러의 양정이며, ρ는 임펠러의 유체의 밀도이고, D2는 임펠러의 직경일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서 벌류트 각도(θ1)가 0도 지점인 설계 변수 CP1에서의 내부 유로 단면적은 0 mm2로 설정할 수 있다. 다만, nq,Ref는 40 [rpm, m3/s, m] 이며, HRef는 1000m이며, ρRef는 25도의 물일 경우 1000 kg/m3일 수 있다.
도 3을 참고하면, 설계 변수 CP2는 벌류트의 각도(θ1)가 360 도인 곳으로서 이는 벌류트 토출구(15b)로서 유체 유동 통로(17) 단면적 중 가장 큰 지점으로 설계할 수 있다.
벌류트의 각도(θ1)가 360도 지점인 설계 변수 CP2는 벌류트 토출구(15b)의 내부 유로 단면적으로서 이는 디퓨저 유입구(21a)의 내부 유로 단면적에 따라 결정될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계 방법에서 임펠러의 자오면 및 모터의 구동축의 개략도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계 방법에 의해 설계된 원심 및 사류 펌프 벌류트 및 디퓨저를 도시한 단면도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계 방법에 의해 설계된 원심 및 사류 펌프 벌류트의 내부 유로 단면적을 나타낸 그래프이다.
도 4를 참고하면, 벌류트 토출구(15b)의 내부 유로 단면적(A1)은 디퓨저 유입구(21a)의 내부 유로 단면적(A2)보다 작을 수 있다. 즉, 벌류트 토출구(15b)의 내부 유로 단면적은 이와 연결된 연결부재 유입구(19a)의 면적일 수 있고, 디퓨저 유입구(21a)의 내부 유로 단면적은 연결부재 배출구(19b)의 면적일 수 있다.
또한, 도 5를 참고하면 내부 유로 단면적이 상이한 벌류트 토출구(15b)와 디퓨저 유입구(21a)를 연결하는 벌류트 확장각(θ2, θ3)은 0 도 내지 10도 일 수 있다. 즉, 벌류트 토출구(15b)와 디퓨저 유입구(21a)를 연결하는 연결부재(19)는 도 5에 도시된 바와 같이 벌류트 확장각(θ2, θ3)만큼 경사지도록 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서 연결부재(19)가 기울어진 벌류트 확장각(θ2, θ3)은 0 도 초과 10 도 이내일 수 있다. 이때, 벌류트 확장각(θ2, θ3)이 0 도 내지 10 도임으로써 벌류트 토출구(15b)를 통해 유입되어 연결부재(19)를 지나서 디퓨저 유입구(21a)로 유입되는 유체의 유동손실을 줄일 수 있다.
또한, 이때 벌류트 확장각인 θ2 및 θ3는 서로 다를 수 있다.
도 6을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에서 제어점인 CP1 및 CP2인 지점을 설계한 후 각도 위치(theta position)에 따라 내부 유동 단면적을 일정하게 증가하도록 하여 내부 유속을 일정하게 유지해줌으로써 유동 속도 차이에 의한 손실을 최소화하는 Stepanoff이론을 적용하여 설계함으로써 설계가 용이하고, 내부 유동의 안정성 확보할 수 있다.
이때 Stepanoff이론은 K = 2.18 / N0.32이고, V=K(2gh)1/2이며, 내부 유로 단면적(A)= (Q/V)*(θ1/360)으로서, 이때 N은 비속도, g는 중력가속도, h는 양정, θ1는 벌류트의 각도이다.
도 6을 참고하면, 이때, 벌류트의 각도(θ1)가 0도에서는 벌류트 케이싱의 두께 확보를 위해 매우 작은 유동 단면적 분포를 갖도록 설계하였으며 벌류트의 각도(θ1)가 0도 내지 360도의 유동 구간은 Stepanoff 이론을 근거로 벌류트의 각도가 증가함에 따라 유동 단면적이 일정하게 증가하도록 설계하였다.
이때, 본 발명의 일 실시예에서 벌류트 각도(θ1)가 0 도에서는 내부 유로 단면적은 0 mm2으로 설계할 수 있고, 360도에서 내부 유로 단면적은 디퓨저 유입구(21a)의 내부 유로 단면적(A2)보다 내부 유로 단면적(A2) * 0.4만큼 클 수 있다. 이때, 벌류트 토출구(15b)와 디퓨저 유입구(21a)를 연결하는 벌류트 확장각(θ2, θ3)는 0 도 초과 10 도 이내일 수 있다.
즉, CP1의 값은 (0, 0)에, CP2의 값은 (360, A3)으로 고정시키고, 벌류트 각도(θ1)가 0도 내지 360도 사이에서는 Stepanoff이론을 적용하여 설계함으로써 설계가 용이하고, 내부 유동의 안정성을 확보할 수 있다.
도 6을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에서 설계 변수의 상한 및 하한값을 결정하는 설계 영역 선정단계(S20)에서는 내부 유로 단면적이 가장 작은 부분이 시작하는 지점을 벌류트 각도 0도로 하고, 가장 큰 지점을 360도로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서 벌류트 각도(θ1)를 가로축(x축)으로 하고 내부 유로 단면적을 세로축(y축)으로 할 때 CP1 및 CP2는 개시점과 종료점일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서 설계 변수의 상한 및 하한값을 결정하는 설계 영역 선정 단계(S20)에서는 성능을 향상시키는 설계 수행을 위해 설계 변수의 범위를 한정함으로써 적절한 설계영역을 설정하는 것으로 설계 영역을 설정할 수 있다.
즉, 설계 변수의 상한 및 하한값을 결정하는 설계 영역 선정 단계(S20)에서는 벌류트의 내부 유로 단면적이 시작되는 점, 즉 CP1의 내부 유로 단면적은 0 mm2이고, 벌류트 내부 유로 단면적이 끝나는 지점, 즉 CP2는 31940 mm2 내지 53234 mm2 이하일 수 있다.
이때 설계 변수의 상한 및 하한값을 결정하는 설계 변수의 설계 영역은 Stepanoff이론을 적용하여 상한 값 및 하한 값을 결정할 수 있다.
이와 같이 설계 변수와 설계영역이 결정되면 수치해석 단계(S30)에서는 수치해석을 이용하여 설계 변수인 CP1 및 CP2를 제어하여 목적함수가 최대가 될 수 있는 CP1 및 CP2를 조합할 수 있다.
한편, 내부 유로 단면적인 제어점의 위치를 변경함으로써 목적함수인 펌프 효율의 개선을 위해 필요한 모든 직선 형태를 얻을 수 있다. 제어점 CP1, CP2의 위치에 따라, 생성되는 직선의 형태가 달라질 수 있다.
이때, 내부 유로 단면적이 0인 지점을 개시점(CP1)으로 하고, 벌류트 각도가 360도인 지점을 종료점(CP2)으로 할 수 있다. 또한, 내부 유로 단면적은 2개의 제어점(CP1, CP2)인 개시점과 종료점 사이에서 변할 수 있다.
도 6을 참고하면, 벌류트 각도(θ1)를 가로축(x축)으로 하고 내부 유로 단면적을 세로축(y축)으로 할 때 CP1 값은 (0, 0)으로, CP2 값은 (360, A3)로 고정시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서 수치해석결과를 통해 설계영역에서 성능향상을 위한 점을 탐색하는 단계(S40)에서는 수치해석단계에서 얻어진 결과를 토대로 하여 설계영역에서 성능이 높은 점을 탐색한다.
이때, 수치해석의 결과를 통해 설계영역에서 성능 향상을 위한 점을 탐색하는 단계에서 양정은 5 % 증가시키고 상기 펌프 효율은 3 % 향상시키기 위한 점일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 수치해석의 결과를 통해 설계영역에서 성능향상을 위한 점을 탐색하는 단계(S40)는 CP1 값은 (0, 0)으로, CP2 값은 (360, A3)인 설계 영역에서 목적함수를 향상시키기 위한 벌류트의 내부 유로 단면적 및 벌류트의 확장각을 결정한다.
이때, 수치해석의 결과를 통해 설계영역에서 성능향상을 위한 점을 탐색하는 단계(S40)에서 성능이 높은 점은 도 5를 참고하면, 벌류트 토출구(15b)와 디퓨저 유입구(21a)를 연결하는 벌류트 확장각(θ2) 및 (θ3)는 0 도 초과 10 도 이하인 값에서 본 발명의 일 실시예에서 A3는 (내부 유로 단면적(A2) + 내부 유로 단면적(A2) * 0.4)일 수 있다. 다만, 이때 벌류트 확장각(θ2) 및 (θ3)는 서로 다른 값일 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에서 선정된 설계 영역에서 수치해설 결과를 통해 얻은 성능이 향상된 점에서의 목적함수 값은 흡입부 및 임펠러를 고정시키고 벌류트의 단면적을 제어함으로써 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 수치해석단계에서 얻어진 결과 하기 표 1과 같이 A3는 내부 유로 단면적(A2) * 0.4보다 크고, 벌류트 토출구(15b)와 디퓨저 유입구(21a)를 연결하는 벌류트 확장각(θ2)은 10 도 내지 40 도인 값으로서, 벌류트 면적 분포가 70 %일 때 양정 및 효율이 효과적이라는 것을 알 수 있다.
Figure 112016079316939-pat00006
본 발명의 일 실시예에 따른 원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계 방법에 의해 설계된 원심 및 사류 펌프 벌류트는 유체를 원활하게 펌핑할 수 있어 높은 펌프 효율을 가질 수 있고, 설계 시 설계가 용이할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원심 및 사류 펌프 벌류트 성능 향상을 위한 설계 방법은 벌류트 단면적 변화를 통해 높은 펌프 효율을 유지할 수 있고, 내부 유동에 대한 안정성을 확보할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
1 : 원심 및 사류 펌프 3 : 원심 및 사류 펌프 임펠러
5 : 복수개의 날개부 7 : 흡입부
9 : 흡입관 11 : 한 쌍의 배출관
11a : 배출관의 배출구 13 : 원심 및 사류 펌프 벌류트
15 : 벌류트 케이싱 15a : 벌류트 흡입구
15b : 벌류트 토출구 17 : 유체 유동 통로
19 : 연결부재 19a : 연결부재의 유입구
19b : 연결부재의 배출구 21 : 디퓨저
21a : 디퓨저의 유입구 21b : 디퓨저의 배출구

Claims (16)

  1. 유체가 임펠러의 출력부를 통해 벌류트 흡입구로 유입되고, 상기 벌류트 흡입구와 연결된 벌류트 토출구를 통해 디퓨저의 유입구로 배출되는 원심 및 사류 펌프 벌류트의 성능 향상을 위한 설계 방법으로서,
    상기 원심 및 사류 펌프 벌류트의 형상을 고려하여 설계 변수 및 목적함수 결정 단계;
    상기 설계 변수의 상한 및 하한값을 결정하는 설계 영역 선정단계;
    상기 선정된 설계 영역에서 수치해석 단계; 및
    상기 수치해석의 결과를 통해 설계영역에서 성능 향상을 위한 점을 탐색하는 단계를 포함하고,
    상기 원심 및 사류 펌프 벌류트의 형상을 고려하여 설계 변수 및 목적함수 결정 단계에서 상기 목적 함수는 양정 및 펌프 효율이고, 상기 설계 변수는 벌류트 각도 및 내부 유로 단면적이며,
    상기 설계 변수의 상한 및 하한값을 결정하는 설계 영역 선정 단계에서는 상기 내부 유로 단면적이 가장 작은 부분이 시작하는 지점을 벌류트 각도 0도로 하고, 가장 큰 지점을 360도로 하며, 상기 벌류트 각도를 가로축으로 하고 상기 내부 유로 단면적을 세로축으로 할 때, CP1은 상기 벌류트 각도가 0도에서의 내부 유로 단면적이고, CP2는 상기 벌류트 각도가 360도에서의 내부 유로 단면적이며,
    상기 CP1에서의 상기 벌류트 흡입구의 직경(Dz)은
    Figure 112017072656446-pat00018
    을 만족하되, n = 비속도, ρ = 밀도, H = 양정, D2 = 임펠러의 출구부 직경인 원심 및 사류 펌프 벌류트 성능 향상을 위한 설계 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 펌프 효율
    Figure 112017072656446-pat00007
    이고, η=펌프 효율, ρ=밀도, g=중력가속도, H=양정, Q=체적 유량, τ=토크, ω=각속도인 원심 및 사류 펌프 벌류트 성능 향상을 위한 설계 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 CP1 및 상기 CP2는 상기 벌류트 각도에 따라 상기 내부 유로 단면적이 변할 수 있는 2개의 제어점인 원심 및 사류 펌프 벌류트 성능 향상을 위한 설계 방법.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 선정된 설계 영역에서 수치해석 단계에서는 수치해석을 이용하여 설계 변수인 상기 CP1 및 CP2를 제어하여 목적함수가 최대가 될 수 있는 CP1 및 CP2를 조합하는 원심 및 사류 펌프 벌류트 성능 향상을 위한 설계 방법.
  6. 삭제
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 설계 변수의 상한 및 하한값을 결정하는 설계 영역 선정 단계에서 상기 CP1은 0이라 설정하고, 상기 CP2는 상기 디퓨저 유입구의 내부 유로 단면적보다 상기 디퓨저 유입구의 내부 유로 단면적 * 0.4만큼 큰 원심 및 사류 펌프 벌류트 성능 향상을 위한 설계 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 벌류트 토출구의 내부 유로 단면적은 일단부에서 상기 디퓨저 유입구의 내부 유로 단면적까지 잇는 수직선과 상기 디퓨저 유입구의 내부 유로 단면적의 일단부까지 잇는 가상의 선은 외측 방향으로 0 도 초과 10도 이하로 기울어진 원심 및 사류 펌프 벌류트 성능 향상을 위한 설계 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 CP1은 개시점으로 하고, 상기 CP2는 종료점으로 하며, 상기 개시점에서 상기 종료점 사이의 내부 유로 단면적은 선형으로 증가하는 원심 및 사류 펌프 벌류트 성능 향상을 위한 설계 방법.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 수치해석의 결과를 통해 설계영역에서 성능 향상을 위한 점을 탐색하는 단계에서 상기 양정은 5 % 증가시키고 상기 펌프 효율은 3 % 향상시키기 위한 점인 원심 및 사류 펌프 벌류트 성능 향상을 위한 설계 방법.
  11. 유체가 임펠러의 출력부를 통해 벌류트 흡입구로 유입되고, 상기 벌류트 흡입구와 연결된 벌류트 토출구를 통해 디퓨저의 유입구로 배출되는 원심 및 사류 펌프 벌류트로서,
    상기 벌류트의 흡입구의 직경(Dz)은
    Figure 112017072656446-pat00019
    을 만족하되, n = 비속도, ρ = 밀도, H = 양정, D2 = 임펠러의 출구부 직경인 원심 및 사류 펌프 벌류트.
  12. 삭제
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 벌류트 토출구의 내부유로 단면적은 상기 디퓨저 유입구의 내부 유로 단면적보다 상기 디퓨저 유입구의 내부 유로 단면적 * 0.4만큼 더 큰 원심 및 사류 펌프 벌류트.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 벌류트 토출구 및 상기 디퓨저 유입구를 연결하는 연결부재를 포함하고, 상기 연결부재는 외측방향으로 0 도 초과 10 도 이하로 기울어진 원심 및 사류 펌프 벌류트.
  15. 제11 항에 따른 원심 및 사류 펌프 벌류트;
    상기 벌류트의 내부에 유체의 유입과 배출을 위해 회전 가능하도록 결합된 원심 및 사류 펌프 임펠러 및
    상기 임펠러와 연결되고 상기 임펠러의 중심부의 양측면으로 유체를 유입시키는 흡입부를 포함하는 원심 및 사류 펌프.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 흡입부는 단면이 Y 자 형상으로서, 유체가 유입되는 통로인 흡입관 및
    상기 흡입관과 연결되고 상기 흡입관을 통해 유입된 유체가 분리되어 상기 임펠러로 유입되게 하는 한 쌍의 배출관을 포함하는 원심 및 사류 펌프.
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