KR101887851B1 - 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러 - Google Patents

혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러 Download PDF

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Abstract

본 발명은 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원심 펌프의 효율을 향상시킬 수 있는 구조를 가진 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러에 관한 것이다.
본 발명의 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러는 원심 펌프의 임펠러 블레이드에 혹등고래의 혹 구조를 적용함으로써, 임펠러 내부의 유동 박리의 발생을 최소화하고 원심 펌프의 효율을 향상시키는 장점이 있다.

Description

혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러{Centrifugal Pump Impeller Having Humpback Whale's Tubercles Structure}
본 발명은 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원심 펌프의 효율을 향상시킬 수 있는 구조를 가진 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러에 관한 것이다.
산업용 펌프는 산업용 전력의 20%를 소비하는 에너지 다소비 기기이다. 선업용 펌프는 유체를 이용하는 분야에 널리 사용된다.
이와 같은 산업용 펌프 중에 원심 펌프의 구조를 가진 펌프가 큰 비중을 차지한다. 원심 펌프의 효율을 개선하면 전체적인 에너지 절감 및 산업 발전에 큰 기여를 하게 된다.
종래의 임펠러 구조를 가진 원심 펌프는 임펠러 주위에서 유동박리 현상이 발생하여 원심 펌프의 효율을 저하시키는 문제가 있었다. 축류 펌프에 비해 원심 펌프는 유동의 급격한 방향전환이 존재하므로, 이로 인해 유동박리 현상의 발생하기 쉽다. 유체가 임펠러 표면을 따라 흐르지 못하고 임펠러 표면에서 떨어져 나가면서 흐르는 유동박리 현상이 발생하면, 임펠러 내부를 흐르는 유동의 통로가 좁아지게 하여 원심 펌프의 효율을 감소시키고 소음을 증가시킨다. 따라서 유동박리 현상을 최소화하는 것은 원심 펌프의 성능을 향상시키기 위해서 매우 중요하다.
혹등고래는 전두부에 혹(tubercles)을 갖는다. 혹등고래가 물속에서 유영하는 과정에서 혹등고래의 표면에서도 임펠러 주위에서 발생하는 것과 유사한 유체 흐름이 발생한다. 연구 결과 혹등고래의 전두부에 존재하는 혹에 의해 혹등고래 표면에서 유동박리 현상이 억제되는 것이 확인되었다. 혹에 의해 표면에 발생한 와류가 유동 혼합을 증가시키고 증가된 유동 혼합이 표면에서 발생하는 유동박리 현상을 억제하는 것이다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 원심 펌프의 임펠러 내부 유체의 유동에 있어서 혹등고래의 혹을 모방하여 유동 박리 현상의 발생을 최소화할 수 있는 구조를 가진 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명의 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러는, 회전축에 연결되어 상기 회전축에 의해 회전하도록 구성되고 유체가 유입되는 유입구를 구비하는 회전 몸체; 상기 회전 몸체에 결합되는 제1디스크; 상기 제1디스크와 마주하도록 배치되어 상기 회전 몸체에 결합되는 제2디스크; 상기 제1디스크와 제2디스크의 사이에 배치되어 상기 회전 몸체의 회전 중심으로부터 멀어지는 방향으로 나선형으로 연장되도록 형성되어 각각 상기 제1디스크 및 제2디스크에 결합되는 복수의 블레이드; 및 상기 회전 몸체의 중심 방향으로 돌출되도록 상기 회전 몸체의 유입구의 내주면을 따라 상기 유입구에 설치되는 복수의 제1돌기를 구비하는 복수의 제1돌기세트;를 포함하는 점에 특징이 있다.
본 발명의 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러는 원심 펌프의 임펠러 블레이드에 혹등고래의 혹 구조를 적용함으로써, 임펠러 내부의 유동 박리의 발생을 최소화하고 원심 펌프의 효율을 향상시키는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러의 제1사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러의 제2사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러 단면도이다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러의 제1사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러의 제2사시도이고, 도 3은 도 1에 도시된 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러 단면도이다.
도 1을 참조하면 본 실시예의 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러는 회전 몸체(40)와 제1디스크(10)와 제2디스크(20)와 복수의 블레이드(30)와 복수의 제1돌기세트(50)와 제2돌기(70)와 제3돌기(80)와 제4돌기(90)와 돌출 유닛(60)을 포함하여 이루어진다.
회전 몸체(40)는 본 실시예의 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러를 회전시키는 회전축에 결합되도록 구성된다. 회전 몸체(40)에는 회전축에 결합되기 위한 회전축 홀이 형성된다. 회전 몸체(40)에는 본 실시예의 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러에 의해 가압되는 유체가 유입되는 유입구(41)가 형성된다. 본 실시예의 경우 복수의 유입구(41)는 원통형으로 형성된다. 또한, 도 3을 참조하면, 유입구(41)의 내면에는 복수의 돌출구(42)가 형성된다. 복수의 돌출구(42)에는 후술하는 복수의 제1돌기(51)가 각각 삽입된다. 유체는 유입구(41)를 통해 유입되어 회전축으로부터 반경 방향으로 이동하면서 가압되어 펌핑된다.
제1디스크(10)와 제2디스크(20)는 서로 마주하도록 배치되어 각각 회전 몸체(40)에 결합된다. 원반형으로 형성된 제1디스크(10)와 제2디스크(20)의 사이에 회전 몸체(40)의 유입구(41)가 배치되도록 제1디스크(10)와 제2디스크(20)는 회전 몸체(40)에 결합된다. 제1디스크(10)와 제2디스크(20)는 유입구(41)를 통해 유입되는 유체를 외부와 분리하여 제1디스크(10) 및 제2디스크(20) 사이의 공간에 격리시킴으로써 후술하는 블레이드(30)에 의해 유체가 가압될 수 있는 조건을 제공하는 역할을 수행한다.
복수의 블레이드(30)는 제1디스크(10)와 제2디스크(20)의 사이에서 회전 몸체(40)를 중심으로 원주 방향을 따라 일정 간격으로 배열되어 각각 양단이 제1디스크(10) 및 제2디스크(20)에 결합된다. 각각의 블레이드(30)는 회전 몸체(40)의 회전 중심으로부터 반경 방향을 따라 멀어지는 방향으로 나선형으로 연장되도록 형성된다. 이와 같은 블레이드(30)의 형상에 의해 회전 몸체(40)가 회전하면 회전 몸체(40)의 유입구(41)로 유입되는 유체가 각각의 블레이드(30)에 의해 가압되면서 반경 방향으로 흐르게 된다.
복수의 제1돌기세트(50)는 복수의 제1돌기(51)를 구비한다. 본 실시예의 경우, 제1돌기세트(50)는 블레이드(30)의 개수와 동일한 개수가 마련되어 서로 일정한 간격으로 배치된다. 각각의 제1돌기세트(50)는 각각의 블레이드(30)가 시작되는 위치와 인접한 부분에서 유입구(41)의 내주면에 설치된다. 복수의 제1돌기(51)는 회전 몸체(40)의 중심 방향으로 돌출되도록 회전 몸체(40)의 유입구(41)의 내주면을 따라 설치된다. 상술한 바와 같이, 각각의 제1돌기(51)는 유입구(41)에 형성된 돌출구(42)에 삽입된다.
각각의 제1돌기(51)는 인접한 제1돌기(51)와의 거리가 유입구(41) 직경의 3 ~ 15% 가 되도록 배치되는 것이 바람직하며, 유입구(41)로부터 유입구(41) 직경의 1 ~ 7% 길이까지 돌출되도록 형성되는 것이 좋다. 한편, 제1돌기(51)는 혹등고래의 전두부 및 지느러미에 포함된 혹 구조와 유사한 모양으로 구성된다.
돌출 유닛(60)은 힌지(61)와 레버(62)와 연결부재(63)와 무게추(64)와 탄성부재(65)를 포함한다. 도 2를 참조하면 힌지(61)는 유입구(41)에 설치된다. 레버(62)는 힌지(61)를 축으로 하여 회전 가능하도록 힌지(61)에 결합된다. 즉, 레버(62)는 힌지(61)에 대해 회전 가능하게 결합된다. 연결부재(63)는 유입구(41)의 돌출구(42)에 삽입된 복수의 제1돌기(51)와 결합된다. 연결부재(63)에서 복수의 제1돌기(51)와 결합하는 부분은 유입구(41)의 내주와 대응하도록 호 모양으로 형성된다. 또한, 연결부재(63)는 레버(62)의 한쪽 말단에 결합된다. 무게추(64)는 돌출 유닛(60)을 구성하는 다른 구성들보다 큰 질량을 갖도록 구성되며, 레버(62)의 반대쪽 말단에 결합된다. 즉, 레버(62)의 한쪽 말단에는 연결부재(63)가 결합되고, 반대쪽 말단에는 무게추(64)가 결합된다. 탄성부재(65)는 무게추(64)에 연결되어 유입구(41)의 중심 방향으로 작용하는 탄성력을 무게추(64)에 제공한다.
도 1을 참조하면, 제2돌기(70)는 회전 몸체(40)의 유입구(41)와 인접한 복수의 블레이드(30) 말단에 돌출되어 일렬로 형성된다. 제3돌기(80)는 제2돌기(70)와 인접한 위치에서 복수의 블레이드(30)에 일렬로 돌출되어 형성된다. 제4돌기(90)는 제3돌기(80)가 돌출된 방향과 반대 방향으로 돌출되도록 제2돌기(70)와 인접한 위치에서 복수의 블레이드(30)에 일렬로 형성된다. 제2돌기(70)와 제3돌기(80)와 제4돌기(90)는 상술한 복수의 제1돌기(51)와 같이 혹등고래의 혹 구조와 유사한 모양으로 구성된다.
이하, 상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러의 작용에 대해 설명한다.
본 실시예의 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러를 회전시키면 유체는 회전 몸체(40)의 유입구(41)를 통해 유입된다. 이때, 급격하게 유입구(41)로 유입되는 유체의 유동에 의해 유입구(41)의 표면에서 유동 박리 현상이 발생할 수 있다.
본 실시예의 따른 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러의 제1돌기(51)는 위와 같이 유입구(41)에서 발생하는 유동 박리 현상을 억제한다.
유동 박리 현상은 유체가 물체 표면을 따라 유동하지 않고, 유체의 표면을 이탈하여 발생하는 현상이다. 회전 하는 물체에서 유동 박리 현상이 발생하면 주 유동 방향과 반대되는 유동이 발생하여 회전 운동의 효율이 감소한다. 제1돌기(51)는 유입구(41) 표면에서 주 유동 방향으로 와류를 발생시킨다. 이렇게 발생한 와류는 유입구(41) 표면에서 유동 혼합을 증가시켜 유체가 유입구(41) 표면을 이탈하지 않게 하여 유동박리 현상을 방지한다. 유입구(41)에서 발생하는 유동 박리 현상은 유동 방향이 빠르게 전환되는 각 블레이드(30)와 인접한 위치에서 활발하게 발생한다. 상술한 바와 같이 복수의 제1돌기(51)는 제1돌기세트(50)를 구성하고 제1돌기세트(50)는 각 블레이드(30)와 인접한 위치에 형성되어 있다. 때문에 본 실시예에 따른 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러는 유동 박리가 발생할 가능성이 높은 부분에 제1돌기(51)를 배치하여 유입구(41)에서 발생할 수 있는 유동 박리 현상을 효과적으로 억제할 수 있다.
제1돌기(51)의 길이와 높이 및 폭은 다양하게 설계 변경될 수 있고 임펠러의 용도와 사용 유체의 종류에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
다만, 제1돌기세트(50)를 구성하는 각각의 제1돌기(51)는 인접한 제1돌기(51)와의 거리가 유입구(41) 직경의 3 ~ 15%가 되도록 배치되는 것이 좋다. 제1돌기세트(50)를 구성하는 복수의 제1돌기(51)들 사이의 간격이 너무 좁거나 길면 유동 박리 억제 효과가 감소할 수 있다. 각각의 제1돌기(51)는 유입구(41)로부터 유입구(41) 직경의 1 ~ 7% 길이까지 돌출되도록 형성되는 것이 바람직하다. 제1돌기(51)의 돌출 길이가 너무 짧거나 긴 경우에는 유동 박리 억제 효과가 감소할 수 있다. 이러한 제1돌기(51)의 간격과 돌출 길이는 다양한 실험과 계산을 통해서 조절될 수 있다.
다음으로, 제2돌기(70)와 제3돌기(80)와 제4돌기(90)가 블레이드(30) 표면에 발생하는 유동 박리 현상을 억제하는 작용을 설명한다.
유입구(41)를 통과한 유체는 블레이드(30)와 만나게 된다. 블레이드(30)의 표면에서도 유입구(41)에서 발생하는 것과 같은 유동 박리 현상이 발생할 수 있다. 블레이드(30)에 형성된 제2돌기(70)와 제3돌기(80)와 제4돌기(90)는 블레이드(30) 표면에 와류를 발생시킨다. 제2돌기(70)와 제3돌기(80)와 제4돌기(90)에 의해 블레이드(30) 표면에서 발생한 와류는 블레이드(30) 표면에서의 유동 혼합을 증가시키고, 증가된 유동 혼합에 의해 블레이드(30) 표면에서 발생하는 유동 박리 현상이 감소한다.
결과적으로 본 실시예의 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러는 유입구(41)와 블레이드(30) 표면에서 발생하는 유동박리 생성을 지연시키고 원심 펌프의 효율을 증가시키게 된다. 또한, 상술한 바와 같이 유동박리의 발생을 지연시킴으로써, 원심 펌프에서 발생하는 소음의 크기를 감소시키고 소비 전력도 감소시켜 생산성을 향상시키는 효과가 있다.
한편, 회전 몸체(40)의 회전 속도에 따라 유동 혼합의 정도를 조절해야 할 필요가 있다. 회전 몸체(40)의 회전 속도가 빠른 경우에는 유체의 유동이 빨라지고 이에 따라 표면에서 분리된 유동의 흐름도 커지게 된다. 이러한 유체의 유동을 방지하기 위해서는 표면의 유체 혼합이 더 활발하게 이루어질 필요가 있다. 반면에, 회전 몸체(40)의 회전 속도가 느린 경우에는 유체의 유동이 느려진다. 과다한 유체 혼합은 원심 펌프의 효율을 떨어뜨리는 요인이 될 수 있다. 유체 혼합에 의해 유체의 주 유동 방향과 반대되는 유동이 발생하면 원심 펌프의 효율은 감소하게 된다. 유동 혼합은 유동 혼합을 발생시키는 돌기의 돌출 정도에 따라 조절될 수 있다. 돌기가 많이 돌출될수록 돌기 주변에서 와류가 발생할 가능성이 더 높아져 와류에 의한 유동 혼합이 증가한다. 본 실시예에 따른 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러는 돌출 유닛(60)의 작용으로 회전 속도에 따라 제1돌기(51)의 돌출 길이가 조절되어 유입구(41)의 유동 혼합이 조절될 수 있다.
혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러의 회전 속도가 빠른 경우에는 유입구(41)에 설치된 돌출 유닛(60)에 원심력이 강하게 작용한다. 이 원심력에 의해 돌출 유닛(60)의 무게추(64)는 유입구(41)의 중심에서 멀어지는 방향으로 힘을 받게 된다. 이 원심력이 무게추(64)에 연결된 탄성부재(65)의 탄성력보다 커지면 무게추(64)가 유입구(41)의 중심에서 멀어지기 시작하고, 레버(62)가 힌지(61)에 대해 회전한다. 이때, 레버(62)의 말단에 결합된 연결부재(63)는 유입구(41)의 중심과 가까워지는 방향으로 이동된다. 상술한 바와 같이 연결부재(63)에는 복수의 제1돌기(51)가 결합된다. 연결부재(63)가 유입구(41)의 중심과 가까워지면 복수의 제1돌기(51)는 유입구(41)의 돌출구(42)를 통해 유입구(41)의 중심 방향으로 더 돌출된다.
이와 달리 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러의 회전 속도가 느린 경우에는 무게추(64)에 작용하는 원심력보다 탄성부재(65)가 무게추(64)에 제공하는 탄성력이 더 크다. 이 경우에는 무게추(64)가 유입구(41)의 중심에 가까워지고 레버(62)가 힌지(61)에 대해 회전하여 연결부재(63)는 유입구(41)의 중심과 멀어지는 방향으로 이동된다. 이에 따라 복수의 제1돌기(51)는 유입구(41)의 돌출구(42)로 삽입된다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러의 돌출 유닛(60)은 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러의 회전 속도에 따라 제1돌기(51)의 돌출 길이를 조절하여 유입구(41)에서 발생하는 유동 박리를 더욱 효과적으로 감소시킬 수 있다.
이상, 본 발명에 대해 바람직한 예를 들어 설명하였으나 본 발명의 범위가 앞에서 설명하고 도시한 구조로 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 앞에서는 제1돌기(51)의 돌출 길이가 돌출 유닛(60)에 의해 조절되는 것으로 설명하였으나 돌출 유닛을 구비하지 않는 구성도 가능하다. 이렇게 구성하는 경우에는 제1돌기의 돌출 길이는 조절되지 않고 제1돌기가 유입구와 직접 결합되거나 유입구에 제1돌기가 형성될 수 있다.
또한, 앞에서는 블레이드(30)에 제2돌기(70)와 제3돌기(80)와 제4돌기(90)가 형성되는 것으로 설명하였으나, 블레이드에 형성되는 돌기의 구성은 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들어, 제2돌기 내지 제4돌기 중 어느 하나만이 형성되는 것도 가능하고 제2돌기 내지 제4돌기를 생략하는 것도 가능하다.
10: 제1디스크 20: 제2디스크
30: 블레이드 40: 회전 몸체
41: 유입구 42: 돌출구
50: 제1돌기세트 51: 제1돌기
60: 돌출 유닛 61: 힌지
62: 레버 63: 연결부재
64: 무게추 65: 탄성부재
70: 제2돌기 80: 제3돌기
90: 제4돌기

Claims (8)

  1. 회전축에 연결되어 상기 회전축에 의해 회전하도록 구성되고 유체가 유입되는 유입구를 구비하는 회전 몸체;
    상기 회전 몸체에 결합되는 제1디스크;
    상기 제1디스크와 마주하도록 배치되어 상기 회전 몸체에 결합되는 제2디스크;
    상기 제1디스크와 제2디스크의 사이에 배치되어 상기 회전 몸체의 회전 중심으로부터 멀어지는 방향으로 나선형으로 연장되도록 형성되어 각각 상기 제1디스크 및 제2디스크에 결합되는 복수의 블레이드; 및
    상기 회전 몸체의 중심 방향으로 돌출되도록 상기 회전 몸체의 유입구의 내주면을 따라 상기 유입구에 설치되는 복수의 제1돌기를 구비하는 복수의 제1돌기세트;를 포함하고,
    상기 유입구에 설치되는 힌지와, 상기 힌지에 대해 회전 가능하도록 상기 힌지에 결합되는 레버와, 상기 복수의 제1돌기세트의 복수의 제1돌기가 함께 움직이도록 복수의 제1돌기와 결합되어 상기 레버의 한쪽 말단에 결합되는 연결부재와, 상기 레버의 반대쪽 말단에 결합되는 무게추와, 상기 회전 몸체의 중심 방향으로 작용하는 탄성력을 상기 무게추에 제공하도록 상기 무게추에 연결되는 탄성부재를 포함하는 돌출 유닛;을 더 포함하고,
    상기 회전 몸체의 유입구는 상기 복수의 제1돌기가 각각 삽입되도록 형성되는 복수의 돌출구를 포함하는 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1돌기세트의 개수는 상기 복수의 블레이드의 개수와 동일하고,
    상기 복수의 제1돌기세트의 제1돌기는 2개 내지 6개인 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 제1돌기세트는 서로 일정한 간격으로 배치되는 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 제1돌기세트의 복수의 제1돌기는 서로 인접한 제1돌기와의 거리가 상기 회전 몸체의 유입구 직경의 3 ~ 15% 가 되도록 배치되는 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 제1돌기세트의 복수의 제1돌기는 상기 회전 몸체의 유입구로부터 상기 회전 몸체의 유입구 직경의 1 ~ 7% 길이까지 돌출되도록 형성되는 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전 몸체의 유입구와 인접한 상기 복수의 블레이드 말단에 일렬로 돌출되어 형성되는 제2돌기;를 포함하는 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2돌기와 인접한 위치에서 상기 복수의 블레이드에 일렬로 돌출되어 형성되는 제3돌기; 및
    상기 제3돌기가 돌출된 방향과 반대 방향으로 돌출되도록 상기 제2돌기와 인접한 위치에서 상기 복수의 블레이드에 일렬로 형성되는 제4돌기;를 더 포함하는 혹등고래의 혹 구조를 구비한 원심 펌프 임펠러.
  8. 삭제
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