KR101868132B1 - 원심 펌프용 임펠러 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원심 펌프의 임펠러에 관한 것으로서, 상기 임펠러는 고체를 포함하는 매체를 이송하기 위하여 적어도 2 개의 블레이드(4)를 포함한다. 본 발명에 따르면, 각각의 블레이드의 진입 지점에서의 블레이드 각도(β1)는 0°보다 작다. 블레이드 각도(β)는 0 의 값에 도달될 때까지 제 1 섹션(9)에서 증가된다. 제 2 섹션(10)에서, 최대값에 도달될 때까지 다른 증가가 발생된다. 제 3 섹션(11)에서, 블레이드 각도(β)는 다시 감소된다.

Description

원심 펌프용 임펠러{Impeller for centrifugal pumps}
본 발명은 고체를 함유하는 매체(medium)를 이송시키는 적어도 2 개의 블레이드를 가진 원심 펌프용 임펠러에 관한 것이다.
독일 출원 DE 40 15 331 A1 은 오직 하나의 블레이드만을 가진 임펠러를 개시한다. 주조 공정에 의해 제조된 단일 블레이드 휘일은 블레이드 및 전방 슈라우와 후방 덮개 슈라우드 사이의 채널을 형성하는데, 채널의 단면은 단일 블레이드 휘일의 유입부로부터 유출부를 향하여 감소된다. 회전 각도의 첫번째 180°에서, 흡입측은 반원을 형성하며, 상기 반원은 회전축에 대하여 동일 중심으로 배치된다. 단일 블레이드 임펠러는 빠른 포말 형성 및, 따라서 케비테이션(cavitaion)의 발생이 방지되는 방식으로 설계된다. 이렇게 평탄화된 부분은 긴 섬유 성분 부분(long-fibered constituent parts)의 축적을 방지한다.
단일 블레이드 휘일들과 대조적으로, 복수의 블레이드들을 가진 임펠러들은 높은 정도의 효율로 구분된다. 그러나, 이송 경로에 고체 성분 부분들의 축적을 방지하는 것과 관련하여 이러한 유형의 임펠러들에 대해서 특정의 요건들이 이루어져야 한다. 다수 블레이드의 임펠러들에서, 막힘(clogging)을 회피하기 위하여 특별한 조치들이 구현되어야만 한다.
폐수(wastewater) 분야용의 상기 임펠러들의 적절성은 볼(ball)의 통과에 의해 특히 시험된다. 볼의 통과는 임펠러들이 볼에 대응하는 대형의 고체인 동체들도 이송시킬 수 있는 성능을 나타낸다.
독일 출원 DE 88 00 074 U1 은 원심 펌프용의 펌프 임펠러를 개시하는데, 상기 펌프 임펠러의 블레이드 진입 각도(entry angle)는 0°내지 40°사이이다. 여기에서, 임펠러 블레이드들은 캐비테이션의 발생이 감소되는 방식으로 설계되며, 그럼에도 불구하고 만족스러운 흡입 성능이 과부하 범위에서 보장된다. 이를 위하여, 임펠러 블레이드들의 유동 라인(flow line)들은 블레이드 각도가 최대 25°까지 증가되는 섹션을 가진다.
폐수 기술 분야에서, 고속의 특정 회전 속도를 가진 원심 펌프들은 더욱 더 자주 이용되고 있다. 통상적인 임펠러들에서, 이는 특히 부분 부하 작동에서 블레이드 접근 유동의 정체 지점이 블레이드들의 압력측으로 이동하게 된다. 블레이드들의 진입 가장자리들은 압력측으로부터 흡입측으로 흐르게 된다. 압력측에 놓인 정체 지점은 폐수 안에 있는 섬유들을 블레이드들의 표면상에 단단하게 가압한다.
블레이드들의 진입 가장자리들의 환류(circumfluence)에는 고속 영역이 있다. 임펠러에서, 그것의 진입 가장자리는 작은 곡률 반경을 가지며, 상기 영역에서 속도가 특히 빠르다. 고속 유동 때문에 정압이 증기 압력 아래로 떨어진다면, 증기 포말이 형성되어 캐비테이션 손상으로 이어진다.
고속 영역은 저속 영역에 의해 접하게 된다. 그곳에서 물에 소용돌이가 형성된다. 진입 가장자리에 달라붙은 섬유들은 상기 물 소용돌이를 채우는 경향이 있다. 섬유들은 환류에 의해 블레이드 윤곽으로 가압되며, 섬유들이 크게 상승하는 것을 막을 수 있다.
본 발명의 목적은 높은 정도의 효율을 가진 임펠러를 제공하는 것으로서, 캐비테이션의 발생 및 침착이 회피되는 임펠러를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은, 블레이드 진입 지점에서의 블레이드 각도가 0°보다 작고, 블레이드 각도가 0°의 값에 도달할 때까지 제 1 섹션에서 증가하고, 다음에 제 2 섹션에서 최대값으로 증가하고 제 3 섹션에서 감소하는 것에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 유입부에서 블레이드 각도는 0°보다 작고 다음에 증가한다. 이것은 블레이드 윤곽의 뚜렷한 만곡으로 이어진다. 각도 프로파일은 전체적인 블레이드 면의 균일한 부하(loading)를 보장한다. 유동의 정체 지점은 압력측으로부터 진입 가장자리의 최대 만곡의 영역으로 변위되거나, 또는 흡입 측으로 변위된다. 결과적으로, 블레이드 진입 가장자리의 부하 및 진입 영역에서 섬유들에 가압되는 힘은 감소된다. 고속의 영역은 블레이드들의 흡입측상에 형성되는데, 이러한 영역은 달라붙은 섬유들을 떼어내는데 기여한다. 최대값에 도달된 이후에, 블레이드 각도는 다시 감소된다. 블레이드 프로파일은 S 형상을 나타낸다.
설계의 목적은 압력측 정체 압력 영역 및 유동 가장자리에 접근하는 블레이드의 부하를 감소시키는 것으로 이루어진다.
유압적으로 충격이 없는 블레이드 접근 유동에서, 블레이드 형상 노즈 지점(nose point)에서의 (접근 유동) 속도는 대략 제로이다. 블레이드 형상(blade profile) 둘레의 환류는 균일하다.
대조적으로, 경사 블레이드 접근 유동은 부분 부하 작동(part load operaiton)을 초래하는데, 정체 지점은 블레이드 형상 노즈 지점으로부터 압력측 블레이드 측면으로 이동한다. 다음에 부분 부하 접근 유동은 블레이드 캠버 라인(camber line)에 대하여 각도를 이룬다. 다음에 형상 노즈(profile nose)에서의 환류중에 주로 가장 큰 만곡의 지점인, 노즈 지점에서 극히 빠른 속도가 발생된다. 유동 속도의 지체는 블레이드 흡입측에서 발생되며, 그 결과로서 유동 방향에서 블레이드 형상 노즈 지점의 하류에서 흡입측에 분리 영역이 형성된다. 결과적으로, 유동은 더 이상 블레이드에 대하여 지탱되지 않고, 블레이드들로부터 분리되며, 인접한 블레이드들에 의해 제한되는, 임펠러내의 관통 유동 채널의 단면을 감소시킨다. 섬유들은 노즈 지점의 하류에 놓인 분리 영역으로 흡입될 수 있다.
대조적으로, 블레이드 형상의 본 발명에 따른 형상 및 따라서 블레이드 각도는 부분 부하 작동중에도 부분 부하 범위에서 유동의 가속을 더 달성하며, 그 결과로서 분리 영역이 작게 유지된다. 따라서 가장 빠른 유동 속도의 지점은 블레이드 흡입 측의 중간 부분으로 움직인다. 이러한 해법의 결과는 유동에 수반된 섬유들 또는 그와 유사한 것들이 더 이상 블레이드 접근 유동 가장자리(edge)상으로 가압되지 않는 것이다. 대신에, 섬유들은 중간의 흡입측 블레이드 부분에서의 빠른 속도에 의해 이탈되게 운반된다. 따라서 임펠러 유입부의 막힘이 방지된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 블레이드 각도는 인접한 제 4 섹션에서 일정하게 유지된다. 임펠러는 펌프의 반경 방향 영역에서 일정하게 작은 블레이드 각도를 가진다. 압력 측에 있는 역류 영역(back flow region)의 연장은 흡입측의 부하에 의해 감소된다. 출구에서의 작은 블레이드 각도는 블레이드에서의 부하를 감소시키고, 블레이드 압력측에서의 라미나 역류 영역(laminar back flow region)을 감소시킨다.
특정의 고속 회전에 특히 적절한 본 발명의 바람직한 일 실시예에서, 블레이드 각도는 진입 영역에서 -10°보다 작다. 진입 지점에서의 작은 블레이드 각도는 유압적으로 충격이 없는 접근 유동에 이르게 한다.
제 1 섹션에서, 블레이드 각도는 0°의 값에 도달할 때까지 증가된다. 블레이드 각도의 더 이상의 증가는 최대 값에 도달할 때까지 제 2 섹션에서 발생한다. 바람직스럽게는 제 1 섹션 및 제 2 섹션에서 동일한 그래디언트(gradient)로 블레이드 각도가 증가된다.
본 발명의 유리한 일 실시예에서, 블레이드 각도는 제 1 섹션 및/또는 제 2 섹션에서 0.35 보다 큰 그래디언트로 증가된다. 현저한 만곡은 중간 블레이드 면 영역에서 균일한 블레이드 부하에 이르게 한다. 블레이드의 전방 부분에서 극한의 각도 증가의 결과로서 부분 부하의 경우에도 부하 분배(loading distribution)가 유지된다. 결과적으로, 보통 부착 효과를 강화시키는 진입 가장자리(entry edge)에서의 부하 증가가 감소된다.
만약, 역전 지점으로부터 블레이드 각도가 제 3 섹션에서 블레이드 출구 각도로 감소되면 특히 유리하다는 점이 증명되었다. 블레이드 각도가 바람직스럽게는 제 4 섹션에서 일정하게 유지된다.
만약 임펠러가 반경 방향 휘일(radial wheel)로서 구성된다면 특히 유리한 것으로 증명되었다. 여기에서, 블레이드 진입 반경에 대한 블레이드 출구 반경의 비율이 바람직스럽게는 1.5 보다 작다. 결과적으로, 임펠러는 특정의 빠른 회전 속도에서도 효과적으로 작동될 수 있다.
통상적인 임펠러에서, 빠른 환류 속도 및 관련된 캐비테이션의 발생을 회피하기 위하여 블레이드 진입 에지들의 커다란 곡률 반경이 필요하다. 이는 재료의 축적을 필요로 하며, 이는 임펠러들이 무거워지게 한다. 본 발명에 따른 블레이드 각도 형상(angular profile) 때문에, 블레이드 진입 가장자리들의 곡률 반경이 작은 임펠러들을 이용할 수 있다. 블레이드 진입 가장자리들의 곡률 반경이 바람직스럽게는 제 4 영역에서의 블레이드 두께의 값보다 작거나 또는 그와 같다. 여기에서 발생되는 빠른 환류 속도에도 불구하고, 본 발명에 따른 임펠러들의 경우에 캐비테이션 손상은 발생되지 않는다. 블레이드 진입 가장자리들의 작은 곡률 반경 때문에, 임펠러들은 얇고 경량의 구조를 가질 수 있다.
폐수를 이송시키는데 이용되는 임펠러가 바람직스럽게는 2 개 또는 3 개의 블레이드들을 포함한다. 이러한 유형의 실시예들은 특히 고체 성분의 비율이 높은 폐수에 특히 적절하고, 2 채널 휘일 또는 3 채널 휘일로 호칭된다. 만약 블레이드들의 수가 너무 많으면 막힐 위험성이 있다. 단일 블레이드 휘일들과 비교하면, 2 개의 블레이드 또는 3 개의 블레이드 임펠러들은 저-맥동 이송(lower-pulsation conveying) 및 불균형의 결여 때문에 높은 정도의 효율 및 향상된 작동 성능을 보장한다.
임펠러가 바람직스럽게는 덮개 슈라우드(cover shroud)를 가지고, 따라서 전체적으로 폐쇄 설계로 구성된다.
본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 도면을 이용하여 예시적인 실시예들에 대한 설명으로부터 이해될 수 있다.
본 발명에서는 종래 기술에 비해 높은 정도의 효율 및 향상된 작동 성능이 보장되는 임펠러가 제공된다.
도 1 은 임펠러를 통한 축방향 섹션을 도시한다.
도 2a 는 임펠러의 블레이드들에 대한 정면도를 도시한다.
도 2b 는 임펠러의 블레이드들에 대한 사시도를 도시한다.
도 3a 는 블레이드 각도의 형상을 도시한다.
도 3b 는 캠버 라인(camber line)의 조화 형상(accordant profile)을 도시한다.
도 4a 는 임펠러를 통한 반경 방향 섹션을 도시하며, 유동 라인들의 속도가 도시되어 있다.
도 4b 는 도 4a 에 따른 블레이드의 진입 부분에 대한 확대도를 도시한다.
도 1 은 래디얼 임펠러(radial impeller)를 통한 축방향 단면을 도시한다. 고체 성분들과 혼합된 액체는 흡입 포트(1)를 통해 임펠러 안으로 진입한다. 덮개 슈라우드(cover shroud, 2)와 후방 슈라우드(rear shroud, 3) 사이에 배치된 블레이드(4)들은 액체를 가속시킨다. 액체는 회전축(5)으로부터 반경 방향으로 외측으로 유동한다. 임펠러는 70 보다 빠른 특정의 회전 속도에서 작동된다. 여기에서, 블레이드 진입 반경(R1)에 대한 블레이드 출구 반경(exit radius, R2)의 낮은 비율이 특히 유리한 것으로 증명되었다. 예시적인 실시예에서, 블레이드 진입 반경(R1)에 대한 블레이드 출구 반경(R2)의 비율은 1.3 보다 작다.
도 2a 및 도 2b 는 임펠러의 블레이드(4)들에 대한 정면도 및 사시도를 도시한다. 임펠러는 2 개의 블레이드(4)들을 구비하는데, 이들은 후방 슈라우드(3)에 고정된다. 임펠러는 도면에서 볼 때 시계 방향으로 회전한다. 블레이드 진입 가장자리(6)들은 작은 곡률 반경을 가진다. 예시적인 실시예에서, 곡률 반경은 7 mm 이다. 고체 함유 매체는 블레이드(4)들에 의해 가속된다. 블레이드(4)들의 흡입측(8)과 압력측(7) 사이에 구분이 이루어진다.
도 3a 는 블레이드 각도(β)의 형상을 도시한다. 도 3b 는 캠버 라인(camber line)의 일치하는 도면을 도시한다. 편향각(φ)이 횡좌표상에 나타난다. 캠버 라인의 블레이드 각도(β)는 세로 좌표상에 나타난다. 각각의 블레이드 진입 지점에서의 블레이드 각도(β1)는 0°보다 작다. 제 1 섹션(9)에서, 블레이드 각도(β)는 그것이 0°의 값에 도달할 때까지 계속 증가한다. 제 2 섹션(10)에서 블레이드 각도(β)가 최대 값에 도달할 때까지 더 계속적인 증가가 발생된다. 제 1 섹션(9) 및 제 2 섹션(10)에서의 블레이드 각도(β)의 증가 그래디언트(gradient)는 동일하다. 블레이드 각도(β)는 캠버 라인의 역전 지점에서 최대값에 도달한다. 제 3 섹션(11)에서, 블레이드 각도(β)는 그것이 출구에서의 블레이드 각도(β2)의 값에 도달할 때까지 연속적으로 감소한다. 제 4 섹션(12)에서, 블레이드 각도(β)는 출구의 블레이드 각도(β2)의 값에서 일정하게 유지된다. 블레이드 각도(blade angle)는 당해 기술 분야에 공지되어 있으며, 예를 들어, 본 출원인이 양도 받은 미국 특허 US 5,348,444 호의 제 3 칼럼 65 행 내지 제 4 칼럼 3 행에 블레이드 각도(β)에 관하여 개시되어 있다.
캠버 라인(camber line)의 조화 다이아그램(accordant diagram)은, 블레이드 진입 반경(R1)으로부터 시작하여, 반경은 우선 최소 값(Rmin)으로 감소하고 차후에 다시 블레이드 출구 반경(R2)의 값으로까지 증가한다.
도 4a 및 도 4b 는 2 개 블레이드 임펠러의 반경 방향 섹션(radial section)을 도시하며, 상이한 속도를 가진 유동 라인(flow line)을 나타낸다. 임펠러는 도면에서 보았을 때 시계 방향에 반대로 회전한다. 통상적인 임펠러들과 대조적으로, 유동의 정체 지점(13)은 압력측(7)상에 놓이지 않고, 오히려 블레이드 진입 가장자리(6)의 최대 만곡의 영역에 놓인다. 섬유가 달라붙는 것을 떼어놓는데 기여하는 고속의 영역(14)은 블레이드(4)들의 흡입측(8)상에 형성된다.
본 발명에 따른 임펠러에서, 블레이드 진입 가장자리(6)의 부하(loading)가 감소된다. 결과적으로, 섬유를 진입 영역에 가압하는 힘이 감소된다. 블레이드(4)의 중간 흡입 측 영역의 부하의 결과로서, 그곳에서 고속이 발생되며, 그 결과로서 달라붙은 섬유들이 운반되어진다.
1. 흡입 포트 2. 덮개 슈라우드
3. 후방 슈라우드 4. 블레이드

Claims (11)

  1. 고체-함유 매체(solid-containing medium)를 이송시키기 위한 적어도 2 개의 블레이드(4)들을 가진 원심 펌프용 임펠러로서,
    각각의 블레이드 진입 지점에서의 블레이드 각도는 0°보다 작고, 블레이드 각도(β)는 0°의 값에 도달할 때까지 제 1 섹션(9)에서 증가하고, 다음에 제 2 섹션(10)에서 최대 값까지 증가되고, 제 3 섹션(11)에서 감소되는 것을 특징으로 하는, 임펠러.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 블레이드 진입 지점에서의 블레이드 각도는 -10°보다 작은 것을 특징으로 하는, 임펠러.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    블레이드 각도(β)는 제 1 섹션(9) 및 제 2 섹션(10)에서 동일한 그래디언트(gradient)를 가지고 증가되는 것을 특징으로 하는, 임펠러.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    블레이드 각도(β)는 제 1 섹션(9) 및/또는 제 2 섹션(10)에서 0.35 보다 큰 그래디언트를 가지고 증가되는 것을 특징으로 하는, 임펠러.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    역전 지점(reversal point)으로부터, 블레이드 각도(β)는 제 3 섹션(11)에서 출구에서의 블레이드 각도로 감소되는 것을 특징으로 하는, 임펠러.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    블레이드 각도(β)는 제 4 섹션(12)에서 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는, 임펠러.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    임펠러는 래디얼 휠(radial wheel)로서 구성되는 것을 특징으로 하는, 임펠러.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    블레이드 진입 반경(R1)에 대한 블레이드 출구 반경(R2)의 비율은 1.5 보다 작은 것을 특징으로 하는, 임펠러.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    블레이드 진입 가장자리(6)들의 곡률 반경은 제 4 섹션(12)에서 블레이드 두께의 값과 같거나 또는 블레이드 두께의 값보다 작은 것을 특징으로 하는, 임펠러.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    임펠러는 많아도 3 개의 블레이드(4)들을 가지는 것을 특징으로 하는, 임펠러.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    임펠러는 덮개 슈라우드(cover shroud, 2)를 가지는 것을 특징으로 하는, 임펠러.
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