KR101902326B1 - 원심식 볼류트펌프의 케이싱웨어링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원심식 볼류트펌프의 케이싱웨어링에 관한 것으로서, 좀 더 자세하게는 양흡입형 원심식 볼류트펌프에서 펌프케이싱의 안쪽 면에 탈착가능하게 원통형으로 설치되는 케이싱웨어링에 관한 것이다. 본 발명에 의한 원심식 볼류트펌프의 케어싱웨어링은 상기 원통형의 외주면이 금속제의 스틸모재층으로 형성되어 상기 펌프케이싱의 안쪽 면과 접하여 결합되도록 하고, 상기 원통형의 내주면에는 상기 스틸모재층 위에 고체윤활기둥과 청동층을 포함하도록 하며, 상기 청동층 위에 자기윤활층이 형성되도록 하여 상기 자기윤활층이 상기 임펠러의 흡입구 외주면과 일정간격을 두고 접하도록 함으로써, 상기 임펠러의 외주면 손상 및 마모를 줄이고 내구성을 높임은 물론 상기 임펠러 외주면과 케이싱웨어링 사이의 간극을 매우 작게 유지하여 유체의 유출을 적게하고 이를 통하여 궁극적으로는 펌프의 효율을 높일 수 있도록 한 것이다. 특히, 본 발명에 의한 원심식 볼류트펌프의 케이싱웨어링은 펌프의 성능저하로 인하여 재제조를 할 필요성이 있는 경우 매우 유용하게 적용할 수 있다.

Description

원심식 볼류트펌프의 케이싱웨어링 {Casing Wear-Ring for Centrifugal Volute Pump}

본 발명은 원심식 볼류트펌프의 케이싱웨어링에 관한 것으로서, 좀 더 자세하게는 양흡입형 원심식 볼류트펌프에서 임펠러의 흡입구 외주면과 대응되는 부분에 탈착가능하게 원통형으로 설치되는 케이싱웨어링에 관한 것이다. 본 발명에 의한 원심식 볼류트펌프의 케어싱웨어링은 상기 원통형의 외주면이 금속제의 스틸모재층으로 형성되어 상기 펌프케이싱의 안쪽 면과 접하여 결합되도록 하고, 상기 원통형의 내주면에는 상기 스틸모재층 위에 고체윤활기둥과 청동층을 포함하도록 하며, 상기 청동층 위에 자기윤활층이 형성되도록 하여 상기 자기윤활층이 상기 임펠러의 흡입구 외주면과 일정간격을 두고 접하도록 함으로써, 상기 임펠러의 외주면의 손상 및 마모를 줄이고 내구성을 높임은 물론 상기 임펠러의 외주면과 케이싱웨어링 사이의 간극을 매우 작게 유지하여 유체의 역류를 최소화하고 이를 통하여 궁극적으로는 펌프의 효율을 높일 수 있도록 한 것이다. 특히, 본 발명에 의한 원심식 볼류트펌프의 케이싱웨어링은 양흡입형 원심식 펌프를 장시간 사용함에 따라 펌프의 성능이 저하하여 전면적으로 재제조를 하게 되는 경우 매우 유용하게 적용할 수 있다.

원심식 볼류트펌프는 유체의 흡입수단과 토출수단이 구비된 펌프케이싱과, 회전하는 원심력에 의하여 유체를 흡입하여 와류실로 토출시키는 임펠러를 포함하여 구성되어 있으며, 임펠러는 회전가능하게 펌프케이싱에 고정되는 회전축과 일체가 되어 회전하도록 되어 있으며, 회전축은 모터에 연결되어 회전력을 얻게 된다.

원심펌프에서는 임펠러의 회전에 의하여 유체가 원심력을 얻게 되며, 이에 따라 임펠러는 중심의 흡입구에서 유체를 흡입하며 흡입된 유체를 원심력에 의하여 원주방향으로 이동시키게 된다. 그러므로 흡입구를 통해 흡입된 유체는 임펠러를 지나는 동안에 원심력의 작용으로 운동에너지를 받게 된다. 이러한 운동에너지는 임펠러를 지나면서 압력에너지로 변환되고 이로 인하여 임펠러의 원주방향 바깥쪽에 위치하는 와류실에서는 유체의 압력이 크게 높아진다. 따라서 원심펌프가 작동하면 임펠러가 회전하게 되면서 원심력에 의해 유체에 압력이 발생하게 되므로 펌프케이싱의 흡입수단으로부터 유체가 흡입되어서 임펠러를 통과하여 와류실을 거쳐 토출수단으로 유체가 이동하여 분출하게 된다. 이때 임펠러의 흡입구 쪽 압력과 와류실 쪽 압력은 큰 차이를 보인다. 따라서 원심펌프의 작동 중에는 임펠러의 흡입구 외주면과 펌프케이싱 사이에 형성되는 간극을 통해 와류실 쪽의 고압영역에 위치한 유체가 흡입구 쪽의 저압영역으로 역류되는 현상이 발생하는데, 이러한 역류현상은 원심펌프의 효율을 저하시키는 큰 원인이 되고 있다.

회전하는 임펠러와, 고정되어 있는 펌프케이싱 사이에는 어쩔 수 없이 최소한의 간극은 형성되어야하기 때문에 이러한 역류현상을 완벽하게 막을 수는 없겠지만, 이를 최대한 방지하기 위해서는 임펠러의 외주면과 펌프케이싱의 안쪽 면 사이의 간극은 가급적 좁아야 한다. 그러나 간극이 좁으면 회전축의 이완에 의한 비정상적인 회전이나 기타 내외부적 요인으로 인한 진동 등이 발생되는 경우 또는 이물질의 유입되는 경우, 임펠러의 외주면과 펌프케이싱의 안쪽 면 사이에서 충돌 또는 마찰이 발생되기 때문에 임펠러 또는 펌프케이싱이 손상되거나 마모를 초래하며, 이러한 손상이나 마모는 원심펌프의 수명을 단축시키게 된다. 뿐만 아니라 마모나 손상된 틈을 통하여 유체의 역류가 더욱 심해지기 때문에 원심펌프의 효율 또한 급격하게 저하된다는 문제가 있다.

따라서 임펠러의 흡입구 외주면에 대응되는 펌프케이싱의 안쪽 면에는 임펠러보다 무른 재질의 금속 등으로 이루어진 케이싱웨어링을 설치하게 되며, 이렇게 설치되는 케이싱웨어링은 임펠러의 흡입구 외주면과 펌프케이싱의 안쪽 면 사이 간극을 최소화시키는 역할을 하게 되고, 이를 통하여 유체의 역류를 방지함으로써 원심펌프의 효율을 높이는데 중요한 역할을 하게 된다.

그러나 원심펌프를 장시간 사용하다 보면, 반복된 사용과 이로 인한 부품의 이완 등으로 진동발생이 심화되거나, 흡입되는 유체 내에 포함된 이물질에 의한 마모나 기타 부식 등으로 인하여 케이싱웨어링과 임펠러의 외주면이 자주 접촉되어 손상될 수 밖에 없으며, 이로 인하여 둘 사이의 간극이 점점 커지게 되고, 그렇게 되면 유체의 유출량이 증가하여 펌프토출량이 저하되고, 결과적으로 펌프성능이 크게 떨어져서 심한 경우 케이싱웨어링을 수시로 교체할 수밖에 없게 된다. 또한 비록 임펠러의 재질보다 무른 재질이라 할지라도 반복적으로 발생되는 케이싱웨어링과 임펠러의 접촉문제와 이로 인한 마찰로 인해 임펠러 외주면에 대하여 점진적인 손상을 초래하게 되는 문제가 있어 이에 대한 해결책 마련이 필요했었다.

한편 최근 들어 펌프의 재제조에 대한 연구개발과 다양한 시도들이 진행되어 오고 있는데, 이는 펌프의 유지관리에 있어 단순한 부품교체를 통한 펌프의 수명연장은 자원낭비 및 추가 비용발생 원인이 되고, 부품교체를 통해 보수되는 펌프의 효율 또한 신품대비 70%정도 수준에 머물러 있는 실정인 반면 산업용으로 사용되는 대용량 원심식 볼류트펌프는 재제조를 통해 신품처럼 사용할 수 있기 때문이다. 따라서 펌프고장 및 효율저하에 따른 펌프의 교체 또는 전면적 수리가 검토될 때 고장 및 효율저하의 근본적인 원인을 분석하고 대상 펌프를 전면적으로 해체한 후 성능 및 효율을 높일 수 있도록 다시 복원시킴으로서 에너지를 획기적으로 절감시키는 펌프의 재제조 기술개발에 대한 연구가 활발하게 진행 중이다.

이렇게 장시간 사용 중이던 원심펌프가 효율이 저하되어 재제조를 하게되는 경우, 고가이고 내구성이 강한 핵심부품에 해당하는 케이싱과 임펠러는 재사용하게 되며 케이싱웨어링의 경우 당연히 교체되어야 된다. 그러나 재제조되는 원심펌프에 있어 재사용되는 임펠러는 장시간 사용에 따른 기계적 특성의 변화로 내마모성이 감소한 상태이므로, 케이싱웨어링을 최초 재조 시와 동일한 재질로 사용하게 되는 경우 임펠러의 마모나 손상속도가 빨라져서 펌프의 수명을 충분하게 연장시킬 수 없다는 문제점이 있어왔다.

상술한 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 본 발명에 의한 원심펌프의 케이싱웨어링은, 임펠러의 흡입구 외주면과 대응되는 펌프케이싱의 안쪽 면에 탈착가능하게 원통형으로 설치되는 케이싱웨어링으로서, 케이싱웨어링의 외주면은 스틸모재층으로 하여 상기 펌프케이싱의 안쪽면과 접하여 결합되도록 하고, 내주면에는 상기 스틸모재층 위에 고체윤활기둥과 청동층을 포함하도록 하여 임펠러가 청동층 및 고체윤활기둥과 마찰하는 경우 자기윤활층을 형성되도록 함으로써 상기 임펠러의 외주면 손상을 줄이고 내구성을 높임은 물론 상기 임펠러 외주면과 케이싱웨어링 사이의 간극을 매우 작게 유지하여 유체의 유출을 적게 하고 이를 통하여 궁극적으로는 펌프의 효율을 높일 수 있는 원심펌프의 케이싱웨어링을 제공하고자 한다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 창안된 본 발명에 의한 원심식 볼류트펌프의 케이싱웨어링은, 원심식 볼류트펌프에서, 펌프케이싱의 안쪽면 중 임펠러의 흡입구 외주면과 대응되는 면에 탈착가능하게 설치되는 케이싱웨어링으로서, 상기 케이싱웨어링은 스틸모재층, 다수의 고체윤활기둥, 청동층 및 자기윤활층을 포함하며, 상기 스틸모재층은, 원통형의 금속재질로서 상기 원통형의 외주면이 상기 대응되는 면과 접하여 결합되고, 상기 원통형의 내주면에는 상기 다수의 고체윤활기둥이 각각 삽입될 수 있도록 일정깊이로 된 다수의 삽입홈이 균일하게 형성되며; 상기 다수의 고체윤활기둥은, 상기 원통형의 내주면 으로부터 일정높이까지 돌출되도록 상기 다수의 삽입홈에 각각 삽입되며; 상기 청동층은, 상기 원통형의 내주면 위에 상기 다수의 고체윤활기둥과 같은 높이로 코팅되며; 상기 자기윤활층은, 상기 임펠러의 회전시 상기 임펠러의 외주면이 상기 청동층 및 상기 고체윤활기둥과 마찰에 의하여 발생되는 마모분체의 막으로서 상기 청동층 및 고체윤활기둥에 접하여 일정두께의 층으로 형성되며; 상기 자기윤활층의 표면과 상기 임펠러의 외주면 사이에는 간극이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 의한 원심식 볼류트펌프의 케이싱웨어링의 또 다른 실시예는 상기 특징들에 더하여 상기 스틸모재층은, 상기 임펠러의 흡입구쪽 일단에 상기 원통형의 외주면과 수직으로 상기 원통형의 반지름방향 중심을 향하여 일정폭의 가이드날개가 형성되어 그 단면이 ㄱ자 형상이며, 상기 가이드날개가 상기 임펠러의 흡입구와 대응되는 내면에도 상기 다수의 삽입홈, 상기 다수의 고체윤활기둥, 상기 청동층 및 상기 자기윤활층을 포함하는 특징을 더 포함하는 것도 바람직하다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의한 원심식 볼류트펌프의 케이싱웨어링은 스틸모재층에 고체윤활기둥을 삽입하고 청동층을 코팅하기 때문에, 임펠러의 회전시 상기 청동층 및 상기 고체윤활기둥 위에 상기 청동층 및 상기 고체윤활기둥과 마찰에 의하여 발생되는 마모분체의 막으로 일정두께의 자기윤활층이 형성되는 효과가 있다.

또한 상기와 같이 형성되는 상기 자기윤활층은 상기 임펠러의 회전시 상기 케이싱웨어링과 상기 임펠러의 외주면 사이에 윤활작용을 하게 되는 효과가 있으며, 이로 인하여 상기 임펠러의 외주면이 손상되거나 마모되는 것을 예방할 수 있을 뿐만 아니라 상기 케이싱웨어링 자체의 손상이나 마모 또한 예방할 수 있게 된다.

따라서 본 발명에 의한 원심식 볼류트펌프의 케이싱웨어링은 궁극적으로 원심펌프의 수명을 오래가게 할 수 있으며, 케이싱웨어링 또한 내구연한이 길어져서 유지보수비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

그리고 이러한 자기윤활층의 형성으로 인하여 본 발명에 의한 원심식 볼류트펌프의 케이싱웨어링은 임펠러의 외주면과 상기 케이싱웨어링 간의 간극을 더욱 좁게 유지할 수 있으며, 이로 인하여 유체의 역류가능성이 줄어들게 되므로 원심펌프의 토출효율이 증대되어 에너지 사용량을 절감하는 효과가 있다.

특히, 본 발명에 의한 원심식 볼류트펌프의 케이싱웨어링을 재제조되는 원심식 볼류트펌프에 적용하는 경우 재사용하게 되는 임펠러 외주면의 마모나 손상을 예방할 수 있어 재제조된 펌프의 수명을 충분히 연장할 수 있는 효과를 가져올 수 있다.

그리고 본 발명에 의한 원심식 볼류트펌프의 케이싱웨어링의 또 다른 실시 예에서 보는 바와 같이 가이드날개가 형성되도록 하여 역류하는 유체의 흐름경로를 ㄱ자 형상으로 하여 역류를 효율적으로 예방하여 펌프의 효율을 대폭 높일 수 있을 뿐만 아니라, 이러한 구조로 함에도 가이드날개 부분에도 자기윤활층이 형성되도록 하기 때문에 임펠러의 단부에 대한 손상이나 마모를 예방할 수 있는 효과가 있는데, 이러한 효과는 스러스트 하중이 적은 양흡입형 펌프에 있어서 뛰어나다.

이상에서 본 발명의 효과를 살펴보았는데, 본 발명의 기술적 사상의 실시 예는, 위에서 구체적으로 언급되지 않은 다양한 효과까지도 제공할 수 있다는 것이 충분히 이해될 것이다.

도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 양흡입형 원심식 볼류트펌프를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명이 적용될 수 있는 양흡입형 원심식 볼류트펌프의 임펠러의 외주면에 케이싱웨어링이 접하는 부분을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명이 적용될 수 있는 양흡입형 원심식 볼류트펌프의 임펠러의 외주면에 케이싱웨어링이 접하는 부분을 확대하여 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명에 의한 원심식 볼류트펌프의 케이싱웨어링을 절개하여 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명에 의한 원심식 볼류트펌프의 케이싱웨어링과 임펠러가 접하는 면을 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명에 의한 원심식 볼류트펌프의 케이싱웨어링의 또다른 실시예를 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명에 의한 원심식 볼류트펌프의 케이싱웨어링의 또다른 실시예에서 임펠러와 접하는 면을 도시한 단면도이다.

상술한 목적과 특징이 분명해지도록 첨부된 도면을 참조하여 여러 가지 실시 예들에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련한 공지기술 중 이미 그 기술분야에 익히 알려져 있는 것으로서, 그 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 아울러, 본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우에는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며 이 경우는 해당되는 발명의 설명부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 함을 밝혀두고자 한다.

이하의 설명에서 제시되는 실시 예들은 여러 가지 형태로 변경을 가할 수 있고 다양한 부가적 실시 예들을 가질 수 있는데, 여기에서는 특정한 실시 예들이 도면에 표시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있다. 그러나 이는 실시 예들을 특정한 형태에 한정하려는 것이 아니며, 실시 예들의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경이나 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조부호가 사용되었다. 다양한 실시 예들에 대한 설명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시 예들을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

실시 예들에 대한 설명 가운데 사용될 수 있는 “포함 한다”또는“포함할 수 있다“ 등의 표현은 발명된 해당 기능, 동작 또는 구성요소 등의 존재를 가리키며, 추가적인 하나 이상의 기능, 동작 또는 구성요소 등을 제한하지 않는다. 또한, 다양한 실시 예들에 대한 설명에서,”포함하다“ 또는 ”가지다“ 등의 용어는 명세서 상에 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 할 것이다.

이하 도면을 구체적으로 참조하여 본 발명을 실시한다. 도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 양흡입형 볼류트펌프를 도시한 단면도로서 전체적인 유체흐름경로도 같이 보여주고 있다. 도 1에서 보는 바와 같이 양흡입형 원심식 볼류트펌프는 펌프케이싱(50)내에서 회전가능하게, 상기 펌프케이싱(50)에 고정되는 회전축(40)과 상기 회전축(40)과 일체가 되어 회전하는 임펠러(10)를 포함하도록 하고, 펌프케이싱(50)의 안쪽 면 중 상기 임펠러(10)의 흡입구(11)에 대응되는 면에는 원통형의 케이싱웨어링(20)이 상기 펌프케이싱(50)에 고정될 수 있도록 결합되도록 하는 것이 바람직하다. 도 1에서 보는 바와 같이 양흡입형 원심식 볼류트펌프에서는 상기 임펠러(10)는 양면에 임펠러 흡입구(11a, 11b)가 형성되어 있고, 이들을 통하여 양쪽에서 유체를 흡입하는 구조를 가지고 있기 때문에 편흡입형 원심펌프에 비하여 유체의 흡입량이 많아 고양정의 펌프시스템을 구현할 수 있다. 또한 임펠러(10)의 양면 임펠러 흡입구(11a, 11b)에서 회전축(40)방향으로 동일한 양의 유체가 동시에 흡입되므로 편흡입형 원심펌프에 비하여 회전축(40)과 임펠러(10)에 작용하는 스러스트방향 하중이 작은 이점이 있다. 따라서 편흡입형 원심펌프에 비하여 스러스트 방향 진동도 작게 발생된다.

상기 양흡입형 원심펌프는 유체가 흡입되는 흡입수단(미도시)에 연결된 흡입실(51a,51b)을 통하여 상기 임펠러(10)의 회전에 의하여 유체가 상기 임펠러 흡입구(11a,11b)로 빨려 들어가면(A방향), 임펠러의 회전에 의하여 유체가 원심력을 얻게 되며, 이에 따라 유체는 원주방향(B방향)으로 이동하여 임펠러 밖에 위치하는 와류실(52)로 이동하게 되는데(A → B), 이 과정에서 유체에 가해진 운동에너지는 압력에너지로 변환되어 상기 와류실(52)내의 압력은 크게 높아지고, 압력이 높아진 유체는 상기 와류실(52)에 연결된 토출수단(미도시)을 통하여 이동하면서 분출되게 된다.

따라서 상기 흡입실(51a, 51b)의 유체는 저압이 되고, 상기 와류실(52)에 있는 유체에는 고압이 형성되게 되며, 이로 인하여 고압의 영역인 와류실(52)에서 저압의 영역인 흡입실(51a,51b) 사이에 존재하는 틈새를 통하여 유체가 이동하려는 역류현상(C → D)이 발생되는데 이러한 역류현상 즉 유체가 임펠러흡입구(11)의 외주면과 펌프케이싱(50) 간의 간극을 통해 흡입구로 유입되는 것을 방지하기 위하여 케이싱웨어링(20)이 설치된다. 케이싱웨어링(20)은 펌프케이싱(50)의 금속면과 임펠러흡입구(11)의 외주면의 금속면이 상호간에 직접 접촉되어 파손 또는 마모되는 것을 방지하고, 때에 따라서는 유체의 압력에 대한 완충 역할을 하며, 펌프케이싱(50)과 임펠러흡입구(11)의 외주면 사이의 간극을 줄이는 역할을 한다. 그렇기에 케이싱웨어링(20)은 펌프케이싱(50) 및 임펠러(10)의 경도보다는 낮은 경도의 재질로 구성되는 것이 바람직하다.

한편 도 2는 본 발명이 적용될 수 있는 원심식 볼류트펌프의 임펠러의 외주면에 케이싱웨어링이 접하는 부분을 도시한 사시도이며, 도 3은 본 발명이 적용될 수 있는 원심식 볼류트펌프의 임펠러의 외주면에 케이싱웨어링이 접하는 부분을 확대하여 도시한 사시도이다. 도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이 상기 케이싱웨어링(20)은 상기 임펠러(10)의 흡입구(11) 외주면에 접하여 일정한 간극(30)을 두고 배치된다. 상술한 바와 같이 상기 케이싱웨어링(20)은 상기 펌프케이싱(50)의 안쪽 면 중 상기 임펠러(10)의 흡입구(11) 외주면과 대응되는 면에 탈착가능하게 설치되도록 하는 것이 바람직하다. 이에 관하여는 도 5와 관련되는 설명을 하는 과정에서 후술하기로 한다. 또한 상기 임펠러(10)는 양면에 덮게(shroud, 12a, 12b)를 가지는 밀폐형으로 하는 것이 바람직한데, 상기 임펠러흡입구(11a, 11b)를 통하여 상기 임펠러(10)의 양쪽에서 유체가 흡입되면 유체는 원심력에 의하여 원주방향으로 밀려나가서 와류실(52)로 가게되며, 이로 인하여 와류실(52) 즉 상기 덮게(12a, 12b) 바깥쪽에는 고압이 형성되게 된다. 상술한 바와 같이 이렇게 형성된 고압의 유체는 상기 케이싱웨어링(20)과 상기 임펠러흡입구(11)의 외주면 사이에 형성되는 좁은 틈인 상기 간극(30)을 통하여 저압의 유체가 존재하는 공간인 상기 흡입실(51a,51b)로 흘러나오게 된다. 상기 간극(30)은 상기 임펠러(10)의 회전으로 발생되는 상기 펌프케이싱(50)과의 충돌이나 마찰로부터 상기 임펠러(10)의 손상과 마모를 예방하기 위하여 필수불가결하다. 하지만 상기 간극(30)이 커지면 손상이나 마모는 적어지지만 상기 흡입실(51a, 51b)로 역류되는 유체의 양이 많아지고, 역류되는 유체의 양은 늘어날수록 토출량은 줄어들기 때문에 결국 원심펌프의 성능감소를 초래하게 된다.

참고로 펌프에 대한 국제규격 중 가장 엄격한 API 610에 의한 펌프 웨어링 간극기준에 따르면 임펠러의 간극은 반경기준 0.2mm ~ 0.45mm가 가장 효율적이라고 되어 있다. 이러한 기준에 따라 상기 간극(30)을 감소시킨다면 펌프의 성능효율을 2%~5% 증가시킬 수 있을 것이기 때문에 펌프가동으로 인한 전력량 절감에도 중요한 요소로 작용할 수 있다.

한편 상기 케이싱웨어링(20)은 도 2 및 도3에서 보는 바와 같이 상기 임펠러의 흡입구(11a, 11b)쪽 일단에 상기 외주면과 수직으로 반지름방향 중심을 향하여 일정폭의 가이드날개(27)가 형성되도록 하여, 상기 케이싱웨어링(20)의 단면이 ㄱ자 형상으로 하는 것도 가능하다. 이렇게 가이드날개(27)를 형성하는 경우 유체가 역류하는 간극의 경로가 ㄱ자 형상으로(30 → 30a) 직각부를 포함하는 경로로 되기 때문에 역류하는 유체가 직각부에서 한 번 더 저지를 받게 되는 셈이므로 유체의 역류를 예방하는데 더욱 효과적이다. 그러나 상기 임펠러(10)에서 스러스트 방향의 진동 발생 시 상기 임펠러(10)의 흡입구(11)가 상기 케이싱웨어링의 상기 가이드날개(27)와 충돌하게 되고 이로 인한 손상 및 마모의 가능성이 높아지기 때문에 충분한 간극(30a, 도 7 참조)의 확보가 요구되는데, 상술한 바와 같이 양흡입형의 경우 스러스트 방향의 진동폭이 적기 때문에 적절한 대응수단을 확보한다면 역류방지를 위한 효과적인 수단이 될 수 있다.

그리고 도 4는 본 발명에 의한 원심식 볼류트펌프의 케이싱웨어링을 절개하여 도시한 사시도이며, 도 5는 본 발명에 의한 원심식 볼류트펌프의 케이싱웨어링과 임펠러가 접하는 면을 도시한 단면도이다. 이하에서는 도 4 및 도 5를 이용하여 본 발명에 의한 원심식 볼류트펌프의 케이싱웨어링의 구성요소들과 구성요소간 연결관계에 대하여 설명한다.

도 4 및 도 5에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 원심식 볼류트펌프의 케이싱웨어링(20)은, 양흡입형의 원심식 볼류트펌프에서, 상기 펌프케이싱(50)의 안쪽 면 중 상기 임펠러(10)의 흡입구(11)의 외주면과 대응되는 면에 탈착가능하게 설치되도록 하는 것이 바람직한데, 이를 위하여 상기 케이싱웨어링(20)의 외주면에는 상기 펌프케이싱(50)과 결합할 수 있는 돌출부(26)를 원주방향을 따라 형성하도록 하고 상기 펌프케이싱(50)의 안쪽면에는 상기 펌프케이싱(50)의 내주면을 따라 상기 돌출부(26)가 삽입될 수 있는 삽입부(54)가 형성되도록 하는 것도 바람직하다.

또한 상기 케이싱웨어링(20)에는 스틸모재층(21), 다수의 고체윤활기둥(22), 청동층(23) 및 자기윤활층(24)를 포함하도록 하는 것이 바람직하다. 그 중 상기 스틸모재층(21)은 임펠러(10)의 회전시 발생되는 진동이나 충격에 견디는 원통형의 금속재질로서 그 상기 원통형의 외주면이 상기 펌프케이싱(50)의 안쪽면 중 상기 임펠러(10)의 흡입구(11)의 외주면과 대응되는 면과 접하여 결합되도록 하는 것이 바람직한데, 상술한 바와 같이 상기 돌출부(26)를 상기 삽입부(54)에 끼워서 결합하도록 하는 것도 가능하다. 상기 스틸모재층(21)의 반지름방향 두께(d1)는 원심펌프의 용량 등에 따라 다소 달라지겠지만 대략 10mm내외로 하는 것이 바람직하다.

또한 상기 스틸모재층(21)의 원통형 내주면에는 상기 다수의 고체윤활기둥(22)이 각각 삽입될 수 있도록 일정깊이(d2)로 된 다수의 삽입홈(25)들이 균일하게 형성되도록 하는 것이 바람직한데, 도 4에서 보는 바와 같이 내주면 전체에 걸쳐서 균일하게 분포될 수 있도록 배치하도록 한다. 여기서 일정깊이(d2)는 상기 다수의 고체윤활기둥(22)이 안정적으로 고정될 수 있는 정도의 깊이로서 상기 다수의 고체윤활기둥(22)의 전체 높이(d2+d3)에 따라 달라지겠지만 대략 0.2mm 내외로 하는 것이 바람직하다.

한편 상기 다수의 고체윤활기둥(22)은, 상기 원통형의 내주면 표면으로부터 일정높이(d3)까지 돌출되도록 상기 다수의 삽입홈(25)에 각각 삽입되는데, 상기 다수의 고체윤활기둥(22)은 상기 임펠러(10)와 상기 케이싱웨어링(20)의 마찰시 마찰되는 부분에 고체윤활을 위한 마모분체의 막을 형성하기 위함이다. 일반적으로 고체 윤활제로서 사용되는 것으로 흑연, 운모, 탤크, 황화몰리브덴 등이 알려져 있는데 본 발명에서는 흑연을 사용하여 상기 고체윤활기둥(22)을 구성하는 것이 가장 바람직하다.

상기 다수의 고체윤활기둥(22)이 상기 임펠러(10)의 회전에 따라 상기 임펠러흡입구(11) 외주면과 마찰에 의하여 발생되는 상기 마모분체의 막은 상기 케이싱웨어링(20)과 상기 임펠러흡입구(11)의 외주면 사이에서 윤활작용을 하여 마찰을 줄이고, 이를 통하여 상기 임펠러흡입구(11)의 외주면이 손상 또는 마모되는 것을 방지하기 위함이다. 또한 이를 통한 마찰의 감소는 동력의 소모를 줄여주어 펌프의 효율을 좋게 하는 작용을 하며, 부분적으로 가해지는 압력을 윤활작용에 의하여 분산시켜 주는 역할을 한기도 한다.

한편, 상기 다수의 고체윤활기둥(22) 각각은 상기 스틸모재층(21)의 표면에서 일정높이(d3)까지 돌출되도록 하는데, 상기 일정높이(d3)는 0.3mm 정도가 바람직하나, 0.3mm이상의 높이로 구성하는 것도 가능하다. 또한 상기 다수의 고체윤활기둥(22) 각각의 지름은 3mm 내외로 하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이 상기 스틸모재층(21)의 내주면 표면에는 상기 다수의 삽입홈(25)이 균일하게 형성되도록 하고, 상기 다수의 삽입홈(25)에는 상기 다수의 고체윤활기둥(22) 각각이 삽입되도록 하여 상기 스틸모재층(21)의 내주면 표면 위 일정높이(d3)까지 올라오도록 되어 있다. 그리고 상기 청동층(23)은 상기 스틸모재층(21)의 내주면 표면위에 상기 다수의 고체윤활기둥(22)과 같은 높이로 코팅되도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 전체적인 외관으로 볼 때 상기 스틸모재층(21)의 내주면 표면위에는 약 0.3mm높이의 상기 청동층(23)이 코팅되어 있고, 상기 청동층(23) 내에 균일한 간격으로 지름이 약 3mm정도인 상기 다수의 고체윤활기둥(22)이 박혀있는 형상으로 되는 것이 바람직하다.

이렇게 형성된 상기 청동층(23) 및 상기 다수의 고체윤활기둥(22) 위에는, 상기 임펠러(10)가 회전하는 경우 자기윤활층(24)가 형성되게 되는데, 상기 자기윤활층(24)은, 상기 임펠러(10)가 회전할 때 상기 임펠러흡입구(11) 외주면이 상기 청동층(23) 및 상기 고체윤활기둥(22)과의 마찰에 의하여 발생되는 마모분체의 막으로서 상기 청동층(23) 및 고체윤활기둥(22)에 접하여 일정두께(d4)의 층으로 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 여기서 상기 일정두께(d4)는 0.03mm 정도가 바람직하다. 연구결과에 의하면, 흑연을 함유한 청동에서 흑연은 쐐기형의 입자형태로 존재하는데, 이러한 쐐기형태의 경질흑연은 마모과정에서 유동되지 않고 마모면에 코팅되는 기능을 함으로써 자기윤활의 효과와 표면강도의 상승효과가 나타난다. 또한 청동성분 대비 흑연성분은 1.5% 내지 2%로 하는 경우 효과적인 윤활작용이 일어나게 된다.

이렇게 자기윤활층(24)이 생성되도록 함으로써 상기 케이싱웨어링(20)과 상기 임펠러흡입구(11)의 외주면간의 간극(30, d5)이 0.2mm ~ 0.45mm가 되도록 유지할 수 있고, 0.2mm 이하로도 유지가 가능하게 되는데, 0.2mm이하로 유지하여도 상기 케이싱웨어링(20)과 상기 임펠러흡입구(11)과의 간섭에 의한 눌러 붙음 현상 등이 발생하지 않게 되는 효과가 있다.

한편 도 6 및 도 7은 본 발명에 의한 원심식 볼류트펌프의 케이싱웨어링의 또 다른 일 실시예를 보여주는 도면들인데, 도 6은 본 발명에 의한 원심식 볼류트펌프의 케이싱웨어링에 대한 또 다른 실시예를 도시한 사시도이며, 도 7은 본 발명에 의한 원심식 볼류트펌프의 케이싱웨어링의 또 다른 실시예에서 임펠러와 접하는 면을 도시한 단면도이다.

도 6 및 도 7에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 원심식 볼류트펌프의 케이싱웨어링의 또 다른 일 실시예에서는 상기 스틸모재층(21)에 상기 임펠러(10)의 흡입구(11)쪽 일단에 상기 원통형의 외주면과 수직으로 상기 원통형의 반지름방향 중심을 향하여 일정폭의 가이드날개(27)가 형성되도록 함으로써 상기 스틸모재층(21)의 반지름방향 단면이 ㄱ자 형상으로 하는 것이 바람직하다. 이와 더불어 상기 가이드날개(27)가 상기 임펠러(10)의 흡입구(11)와 대응되는 내면에도 상기 다수의 삽입홈(25), 상기 다수의 고체윤활기둥(22), 상기 청동층(23) 및 상기 자기윤활층(24)을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직한데, 도 6에서는 상기 가이드날개(27)의 안쪽에도, 상기 원통형의 내주면과 같이 상기 다수의 고체윤활기둥(22), 상기 청동층(23) 및 상기 자기윤활층(24)이 형성되어 있는 것을 볼 수 있다.

이렇게 가이드날개(27)를 형성하는 경우 역류하는 유체의 흐름경로를 ㄱ자 형상의 경로(30 → 30a)로 하여 역류를 효율적으로 예방하여 펌프의 효율을 대폭 높일 수 있을 뿐만 아니라 이러한 구조로 함에도 가이드날개(27) 부분에도 자기윤활층(24)이 형성되도록 하기 때문에 임펠러의 단부에 대한 손상이나 마모를 예방할 수 있는 효과가 있는데, 이러한 효과는 스러스트 방향의 진동이 적은 양흡입식 펌프에 있어서 뛰어나다.

상술한 여러 가지 예로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 예들에 국한되는 것이 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 예들에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 임펠러 11a, 11b :　임펠러흡입구
12a, 12b : 덮게
20 : 케이싱웨어링 21 : 스틸모재층
22 : 고체윤활기둥 23 : 청동층
24 : 자기윤활층 25 : 삽입홈
26 : 결합홈
30 : 간극
40 : 회전축
50 : 펌프케이싱 51a, 51b : 흡입실
52 : 와류실

Claims (2)

1. 원심식 볼류트펌프에서, 펌프케이싱의 안쪽면 중 임펠러의 흡입구 외주면과 대응되는 면에 탈착가능하게 설치되는 케이싱웨어링으로서,
   상기 케이싱웨어링은 스틸모재층, 다수의 고체윤활기둥, 청동층 및 자기윤활층을 포함하며,
   상기 스틸모재층은, 원통형의 금속재질로서 상기 원통형의 외주면이 상기 대응되는 면과 접하여 결합되고, 상기 원통형의 내주면에는 상기 다수의 고체윤활기둥이 각각 삽입될 수 있도록 일정깊이로 된 다수의 삽입홈이 균일하게 형성되며;
   상기 다수의 고체윤활기둥은, 상기 원통형의 내주면 으로부터 일정높이까지 돌출되도록 상기 다수의 삽입홈에 각각 삽입되며;
   상기 청동층은, 상기 원통형의 내주면 위에 상기 다수의 고체윤활기둥과 같은 높이로 코팅되며;
   상기 자기윤활층은, 상기 임펠러의 회전시 상기 임펠러의 외주면이 상기 청동층 및 상기 고체윤활기둥과 마찰에 의하여 발생되는 마모분체의 막으로서 상기 청동층 및 고체윤활기둥에 접하여 일정두께의 층으로 형성되며;
   상기 자기윤활층의 표면과 상기 임펠러의 외주면 사이에는 간극이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 원심식 볼류트펌프의 케이싱웨어링
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 스틸모재층은, 상기 임펠러의 흡입구쪽 일단에 상기 원통형의 외주면과 수직으로 상기 원통형의 반지름방향 중심을 향하여 일정폭의 가이드날개가 형성되어 그 단면이 ㄱ자 형상이며, 상기 가이드날개가 상기 임펠러의 흡입구와 대응되는 내면에도 상기 다수의 삽입홈, 상기 다수의 고체윤활기둥, 상기 청동층 및 상기 자기윤활층을 포함하는 특징을 더 포함하는 원심식 볼류트펌프의 케이싱웨어링
   
   
   

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