KR101984022B1 - 콤팩트하고 단순화한 사류 펌프의 디퓨저 설계 방법, 이에 의하여 설계된 디퓨저 및 이를 구비한 사류 펌프 - Google Patents

콤팩트하고 단순화한 사류 펌프의 디퓨저 설계 방법, 이에 의하여 설계된 디퓨저 및 이를 구비한 사류 펌프 Download PDF

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Abstract

디퓨저의 설계 방법을 제공한다. 디퓨저의 설계 방법은 임펠러와 연결되어 상기 임펠러를 통해 유입된 유체를 외부로 배출시키는 디퓨저의 설계를 단순화하고 디퓨저를 콤팩트하게 설계하기 위해서 상기 디퓨저의 형상을 고려하여 목적함수 결정 단계, 상기 목적함수의 값에 영향을 미치는 설계 변수 결정 단계 및 상기 설계변수를 이용하여 디퓨저의 형상 도출 단계를 포함한다.

Description

콤팩트하고 단순화한 사류 펌프의 디퓨저 설계 방법, 이에 의하여 설계된 디퓨저 및 이를 구비한 사류 펌프{COMPACT AND SIMPLIFYING DESIGN METHOD OF DIFFUSER FOR MIXED FLOW PUMP, DIFFUSER DESIGNED BY THE METHOD AND MIXED FLOW PUMP HAVING THE SAME}
본 발명은 콤팩트하고 단순화한 사류 펌프의 디퓨저 설계 방법, 이에 의하여 설계된 디퓨저 및 이를 구비한 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.
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.
이 때 디퓨저는 임펠러의 후단에 설치되어 유체를 확산시키거나 속도 및 압력을 변환하는 기능을 수행한다. 따라서 임펠러 및 디퓨저의 설계가 원심 및 사류펌프 설계에 있어서 가장 기초 작업이 된다.
종래의 사류 펌프는 많은 설계변수를 갖고 디퓨저의 설계가 진행되어 많은 설계 변수를 정확히 설계하는 것에는 어려움이 있었고, 따라서 정확한 양정을 만족하기에는 한계가 있었다.
본 발명의 일 실시예는 고효율 및 고양정을 유지하면서 설계를 단순화하여 제작이 용이하고 콤팩트하여 유지 보수비를 절감할 수 있는 사류 펌프의 디퓨저 설계 방법, 이에 의해 설계된 디퓨저 및 이를 구비한 사류 펌프를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면 임펠러와 연결되어 상기 임펠러를 통해 유입된 유체를 외부로 배출시키는 디퓨저의 설계를 단순화하고 디퓨저를 콤팩트하게 설계하기 위해서 상기 디퓨저의 형상을 고려하여 목적함수 결정 단계; 상기 목적함수의 값에 영향을 미치는 설계 변수 결정 단계 및 상기 설계변수를 이용하여 디퓨저의 형상 도출 단계를 포함하는 디퓨저의 최적화 설계 방법을 제공한다.
이때, 상기 디퓨저의 형상을 고려하여 설계 변수 및 목적함수 결정 단계에서 비속도는 설계 사양인 유량(Q), 양정(Ht) 및 회전수(N)에 의해 결정되고, 상기 비속도는 400 내지 1200 Ns이내일 수 있다.
이때, 상기 디퓨저의 형상을 고려하여 목적함수 결정 단계에서 상기 목적함수는 상기 디퓨저의 성능을 분석하기 위한 양정(Ht) 및 효율(ηt)일 수 있다.
이때, 상기 디퓨저의 설계변수 결정 단계는 상기 디퓨저의 3차원 형상을 생성하기 위해 상기 디퓨저의 날개 형상을 표현하는 디퓨저 자오면 설계변수 결정단계; 및 상기 디퓨저의 날개 각도를 표현하는 상기 디퓨저 날개각 설계변수 결정단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 디퓨저의 자오면 설계변수 결정단계에서 상기 디퓨저의 자오면 설계변수는 디퓨저의 자오면 설계 변수는 디퓨저 입구부에서 허브부분의 반경(R3_h), 디퓨저 날개전단에서의 날개폭(b3), 디퓨저 날개전단의 기울어진 각(φ3), 디퓨저 출구부에서 허브부분의 반경(R4_h), 디퓨저 날개후단에서의 날개폭(b4), 디퓨저 날개 후단의 기울어진 각(φ4), 디퓨저 입구에서 디퓨저 출구 사이의 축방향 길이(Z4), 임펠러 출구의 허브부분과 디퓨저 입구의 허브부분 사이의 축방향 길이(Z3)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 디퓨저의 날개각 설계변수 결정단계에서 상기 날개 전개도 설계 변수는 출구부 시작점(TE startpoint), 디퓨저의 스윕각과 평균된 반경의 곱(r_theta_total), 입구각(beta1_(h,m,s)), 출구각(beta2_(h,m,s)), 입구 직선부의 길이(%beta_LE_(h,m,s)), 출구 직선부의 길이(%beta_TE_(h,m,s)), 출구부에서 회전방향으로 기울어진 각(d_theta(h,s)), 입구 부분의 조정점(%CP_LE_(h,m,s)), 및 출구부분의 조정점(%CP_TE_(h,m,s)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 설계변수를 이용하여 디퓨저의 형상 도출 단계에서 상기 디퓨저 자오면에서 입구부의 제1 설계지점(x) 및 제2 설계지점(y)이 결정하고 상기 제1 설계지점 및 상기 제2 설계지점에서 상기 디퓨저의 자오면에서 출구부까지 직선으로 연결할 수 있다.
이때, 상기 제1 설계지점은 허브측 디퓨저 입구부에서 자오면의 길이 기준 x %위치이고 상기 제2 설계지점은 쉬라우드측 디퓨저 입구부에서 자오면의 길이 기준 y %위치일 수 있다.
이때, 상기 x는 30 %이고 상기 y 는 10 %일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면 전술한 디퓨저의 설계 방법에 의하여 설계된 디퓨저를 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면 전술한 디퓨저; 상기 디퓨저의 내부에 설치되는 임펠러 및 상기 임펠러의 전방으로 유체가 흡입되도록 형성된 흡입구 및 상기 임펠러의 외주부로 상기 흡입된 유체가 배출되도록 형성된 배출구를 구비하는 케이싱;을 포함하는 사류 펌프를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 사류 펌프용 디퓨저의 설계방법, 이에 의해 설계된 디퓨저 및 이를 구비한 사류 펌프는 기존의 고효율 및 고양정을 유지하면서 설계를 단순화하여 제작이 용이하고 콤팩트하여 유지 보수비를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계 방법에 의하여 설계된 디퓨저를 구비한 사류 펌프를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계 방법에 의하여 설계된 디퓨저를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계 방법에 의하여 설계된 디퓨저의 자오면을 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계 방법에 의하여 설계된 디퓨저와 기준 디퓨저의 자오면을 비교한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계 방법에서 디퓨저의 날개각 설계 변수를 도시한 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계 방법에 의하여 설계된 디퓨저과 기준 디퓨저를 도시한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계 방법에 의해 설계된 디퓨저의 양정에 대한 수치해석결과에 따른 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계 방법에 의해 설계된 디퓨저의 효율에 대한 수치해석결과에 따른 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계 방법에 의해 설계된 디퓨저의 수치해석 경계조건 및 격자계를 도시한 사시도이다.
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.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계방법을 도시한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계방법은 디퓨저의 형상을 고려하여 목적함수 결정 단계(S10), 상기 목적함수 값에 영향을 미치는 설계변수 결정단계(S20), 상기 설계변수를 이용하여 상기 디퓨저의 형상 도출 단계(S30)를 포함한다.
이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계방법은 디퓨저(5)를 설계함으로써 고효율 및 고양정을 유지하면서 설계를 단순화하여 제작이 용이하고 콤팩트하여 유지 보수비를 절감할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계 방법에 의하여 설계된 디퓨저를 구비한 사류 펌프를 도시한 단면도이다.
이하의 설명에서 도 2에서 볼 때 모터의 구동축(30)에서 사류 펌프의 흡입구(3) 쪽을 전방으로 규정하고, 사류 펌프의 흡입구(3)에서 모터의 구동축(30) 쪽을 후방으로 규정하여 설명한다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 사류 펌프(1)는 디퓨저의 설계 방법에 의해서 설계된 디퓨저(5)를 포함할 수 있다. 이때, 사류 펌프(1) 내부에는 흡입구(3)와 토출구(미도시) 사이에서 고속으로 회전하면서 유체를 흡입하고 토출하는 원심 및 사류 펌프 임펠러(10)가 결합될 수 있다.
한편, 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에서 케이싱(2)은 내부에 사류 펌프의 임펠러(10) 및 디퓨저(5)가 설치될 수 있다. 또한, 사류 펌프 임펠러(10)의 전방 중심부에는 유체가 흡입되는 흡입구(3)가 형성되고, 사류 펌프 임펠러의 외주부에는 흡입된 유체가 반경방향으로 토출되도록 형성될 수 있다.
이때 본 발명의 일 실시예에서 디퓨저(5)는 임펠러(10)를 통해 유입된 유체가 외부로 배출되도록 토출구가 형성될 수 있다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에서 임펠러(10)는 임펠러 허브(11), 임펠러 날개(13) 및 임펠러 쉬라우드(15)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 임펠러 허브(11)는 모터 구동축(30)과 결합되어 모터의 회전력을 전달받는 부분으로 고속 회전에 적합한 높은 강성을 갖는 소재일 수 있다.
이때, 임펠러 허브(11)는 후방으로 진행하면서 단면적이 축소되는 원추형상을 갖도록 형성될 수 있다. 즉, 임펠러(10)의 중심부에는 허브(11)가 형성되고 임펠러 허브에는 구동축(30)이 결합되어 모터의 회전력이 임펠러(10)에 전달될 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 임펠러 허브(11)를 중심으로 원주면에 방사형으로 복수개의 임펠러 날개(13)가 형성될 수 있다. 이때, 복수개의 임펠러 날개(13)는 5개로 구성될 수 있으나 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않는다.
또한, 임펠러 쉬라우드(15)는 임펠러 허브(11)에 배치되는 복수의 임펠러 날개(13)의 외측 단부를 연결하면서 외측 단부 전체를 감싸도록 형성될 수 있다. 이러한 임펠러 쉬라우드(15)는 각각의 임펠러 날개(13)들과 연결될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계 방법에 의하여 설계된 디퓨저를 도시한 사시도이다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계 방법에 의하여 설계된 디퓨저(5)는 원기둥 형상으로 형성될 수 있다. 또한 디퓨저(5)는 디퓨저 허브(7), 디퓨저 날개(6) 및 디퓨저 쉬라우드(9)를 포함할 수 있다.
한편, 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에서 디퓨저 허브(7)는 임펠러(10)의 후단에 설치되어 임펠러를 통해 배출된 유체를 외부로 배출시킬 때 유체를 확산시키거나 속도 및 압력을 변환시킬 수 있다.
이때, 디퓨저 허브(7)는 후방으로 진행하면서 단면적이 곡선을 이루는 원호형상을 갖도록 형성될 수 있다. 즉, 디퓨저(5)의 원주부에는 허브(11)가 형성되고 허브에는 임펠러(10)가 결합되어 임펠러를 통해 배출된 유체가 디퓨저 허브(7)로 전달될 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 디퓨저 허브(7)를 중심으로 원주면에 방사형으로 복수개의 디퓨저 날개(6)가 형성될 수 있다. 이때, 복수개의 디퓨저 날개(6)는 7개로 구성될 수 있으나 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않는다.
또한, 디퓨저 쉬라우드(9)는 디퓨저 허브(7)에 배치되는 복수의 디퓨저 날개(6)의 외측 단부를 연결하면서 외측 단부 전체를 감싸도록 형성될 수 있다. 이러한 디퓨저 쉬라우드(9)는 각각의 디퓨저 날개(6)들과 연결될 수 있다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계방법은 디퓨저의 형상을 고려하여 목적함수 결정 단계(S10)를 포함할 수 있다. 이때 디퓨저의 형상을 고려하여 설계변수 선택 및 목적함수 결정 단계(S10)에서는 디퓨저(5)를 설계할 때 요구되는 설계 사양인 유량(Q), 양정(Ht) 및 회전수(N)를 결정할 수 있다.
이러한 설계 사양인 유량(Q), 양정(Ht) 및 회전수(N)는 디퓨저(5)를 설계할 때 요구되는 사양이다. 이때, 유량(Q) 및 양정(Ht)은 임펠러(10)가 회전하는 동안 기본적으로 만족해야 하는 사양이며, 회전수(N)는 모터 구동축(30)의 직경에 따라 결정될 수 있다.
한편, 효율은 주어진 유량과 양정에서 고효율이 되도록 디퓨저(5)가 설계될 수 있다. 즉, 고효율 및 고양정을 유지하기 위해서 디퓨저(5)를 설계하기 때문에 임펠러의 날개 형상 및 자오면 형상은 변화될 수 있고 어떠한 임펠러로 한정되지 않는다.
따라서, 디퓨저의 형상을 고려한 설계 변수에 따른 디퓨저의 성능을 분석하기 위해서는 설계목적인 목적함수를 정의해야 한다. 이때, 설계목적인 목적함수는 디퓨저의 성능을 나타내는 펌프 효율 및 양정일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서, 디퓨저의 형상을 고려하여 설계변수 선택 및 목적함수 결정단계(S10)에서는 비속도를 결정하여 펌프의 종류를 결정할 수 있으며, 이때, 본 발명의 일 실시예에서 펌프의 종류는 사류 펌프일 수 있다.
이때, 비속도 (Specific Speed, Ns)는 이하 식으로 정의된다.
Figure 112017107984506-pat00001
……(식 1)
여기서, Q = 유량, Ht = 양정, N = 회전수이다.
사류 펌프 임펠러(10)의 설계 사양인 유량(Q), 양정(Ht), 및 회전수(N)가 주어지면, 식 1을 이용하여 비속도를 구할 수 있다.
이때, 비속도는 펌프의 종류를 구별하는 지표로 사용되며, 비속도로 펌프의 종류를 구별할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 비속도가 작을수록 원심 펌프로, 비속도가 클수록 축류 펌프로 구별된다.
즉, 원심 펌프의 비속도는 150 ∼ 600 Ns의 범위에서 결정되고, 사류 펌프의 비속도는 400 ∼ 1200 Ns의 범위에서 결정되며 축류 펌프는 1200 Ns이상의 범위에서 결정될 수 있다.
다만, 본 발명은 비속도에 따른 디퓨저의 설계 변수가 일정한 경향성을 가지는 사류 펌프에 한정하며, 원심 및 축류 펌프는 생략하기로 한다.
이때, 비속도는 무차원수로서, 유량(Q), 양정(Ht), 및 회전수(N)의 관계식에 의하여 펌프의 종류를 나타낼 수 있고, 따라서, 본 발명의 일 실시예에서 펌프는 사류 펌프일 수 있고 이에 따라 비속도는 400 내지 1200 Ns일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 목적함수 값에 영향을 미치는 설계 변수 결정 단계(S20)는 사류 펌프의 디퓨저(5)의 3차원 형상을 생성하기 위해서 날개 형상을 표현하는 디퓨저의 자오면 설계변수 결정단계 및 디퓨저의 날개각도를 표현하는 날개각 설계변수 결정단계를 포함할 수 있다. 이때, 자오면은 허브(11)의 중심선을 포함하는 디퓨저의 횡단면 중 일부이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계 방법에 의하여 설계된 디퓨저의 자오면을 도시한 단면도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계 방법에 의하여 설계된 디퓨저의 자오면과 기준 디퓨저의 자오면을 도시한 단면도이다.
도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에서 디퓨저는 임펠러 후단과 연결되어 있기 때문에 디퓨저의 자오면 설계는 임펠러 자오면과 상호 연관관계가 있을 수 있다.
한편, 디퓨저의 자오면 설계변수 결정단계에서 디퓨저의 자오면 설계 변수는 디퓨저 입구부에서 허브부분의 반경(R3_h), 디퓨저 날개전단에서의 날개폭(b3), 디퓨저 날개전단의 기울어진 각(φ3), 디퓨저 출구부에서 허브부분의 반경(R4_h), 디퓨저 날개후단에서의 날개폭(b4), 디퓨저 날개 후단의 기울어진 각(φ4), 디퓨저 입구에서 디퓨저 출구 사이의 축방향 길이(Z4), 임펠러 출구의 허브부분과 디퓨저 입구의 허브부분 사이의 축방향 길이(Z3)일 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계 방법은 디퓨저의 자오면 설계 변수를 8개로 선택하여 디퓨저(5)를 설계함으로써 고효율 및 고양정을 유지하면서 설계를 단순화하여 제작이 용이하고 유지 보수비를 절감할 수 있다.
도 5를 참고하면 본 발명의 일 실시예에서 설계 변수를 이용하여 디퓨저의 형상 도출 단계(S30)에서는 디퓨저 자오면에서 입구부의 제1 설계지점(x) 및 제2 설계지점(y)이 결정되면 출구부까지 직선으로 연결할 수 있다. 이때, 제1 설계지점은 허브측 디퓨저 입구부에서 자오면의 길이 기준 x %위치일 수 있고, 제2 설계지점은 쉬라우드측 디퓨저 입구부에서 자오면의 길이 기준 y %위치일 수 있다. 이때 x는 30 %일 수 있고, y 는 10 %일 수 있다. 이때 설계 변수 8개가 결정되면 제1 설계지점 및 제2 설계지점도 결정될 수 있다.
이때 설계 변수 8개는 디퓨저의 자오면 설계 변수로서 디퓨저 입구부에서 허브부분의 반경(R3_h), 디퓨저 날개전단에서의 날개폭(b3), 디퓨저 날개전단의 기울어진 각(φ3), 디퓨저 출구부에서 허브부분의 반경(R4_h), 디퓨저 날개후단에서의 날개폭(b4), 디퓨저 날개 후단의 기울어진 각(φ4), 디퓨저 입구에서 디퓨저 출구 사이의 축방향 길이(Z4), 임펠러 출구의 허브부분과 디퓨저 입구의 허브부분 사이의 축방향 길이(Z3)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계 방법은 디퓨저의 제1 설계 지점 및 제2 설계 지점을 확정한 후 각각 허브측 및 쉬라우드측 디퓨저의 출구부까지 연결하기 위해 직선을 이용할 수 있다. 즉, 디퓨저 자오면은 임펠러 자오면과 달리 허브 및 쉬라우드에서 2개의 직선을 이용하여 연결된다.
도 6을 참고하면, 디퓨저의 날개각도를 표현하는 날개각 설계변수 결정단계에서 디퓨저의 날개 전개도 설계 변수는 출구부 시작점 TE start point, 디퓨저의 스윕각과 평균된 반경의 곱 r_theta_total(h,m,s), 입구각 beta1_(h,m,s), 출구각 beta2_(h,m,s), 입구 직선부의 길이 %beta_LE_(h,m,s), 출구 직선부의 길이 %beta_TE_(h,m,s), 출구부에서 회전방향으로 기울어진 각 d_theta(h,s), 입구 부분의 조정점 %CP_LE_(h,m,s), 및 출구부분의 조정점 %CP_TE_(h,m,s)를 포함하여 이루어지거나, 입구각 beta1_(h,m,s), 출구각 beta2_(h,m,s), 입구 직선부의 길이 %beta_LE_(h,m,s), 출구 직선부의 길이 %beta_TE_(h,m,s) 및 출구부에서 회전방향으로 기울어진 각 d_theta(h,s)만으로 이루어진다.
본 발명에 있어서, 디퓨저 날개 전개도 설계 변수는 곡선 제어 방식에 따라서, 베지어 곡선 제어 방식과 고전적 곡선 제어 방식 두 가지로 정의한다. 여기서 베지어 곡선제어 방식은, 날개의 스윕각이 변수로 포함되기 때문에 날개 길이를 제어할 수 있다는 장점이 있다.
이때, 도 6을 참고하면, 파라미터 h는 디퓨저 허브, m은 디퓨저 미드, s는 디퓨저 쉬라우드임을 특징으로 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계 방법에 의하여 설계된 디퓨저과 기준 디퓨저를 도시한 사시도이다.
도 5 및 도 7을 참고하면 본 발명의 일 실시예에서 종래의 디퓨저의 자오면 설계변수는 디퓨저 입구부에서 허브부분의 반경(R3_h), 디퓨저 날개전단에서의 날개폭(b3), 디퓨저 날개전단의 기울어진 각(φ3), 디퓨저 최외각 지점에서의 반경(R4h), 디퓨저 최외각 지점에서의 날개폭(b4), 디퓨저 최외각 지점에서의 기울어진 각도(φ4), 디퓨저 출구부에서의 반경(R5h), 디퓨저 출구부에서의 날개폭(b5), 디퓨저 출구부에서의 기울어진 각도(φ5), 허브측 디퓨저 입구부 조정점(%CP1h), 허브측의 제1,2 디퓨저 최외각 지점 조정점(%CP2h,%CP3h), 허브측 디퓨저 출구부 조정점(%CP4h), 디퓨저 입구부의 허브 곡선이 수평선과 이루는 각도(θ1h), 디퓨저 출구부의 허브 곡선이 수평선과 이루는 각도(θ4h), 쉬라우드측에서의 디퓨저 입구부 조정점(%CP1s), 쉬라우드측에서의 제1,2 디퓨저 최외각 지점 조정점(%CP2s,%CP3s), 쉬라우드측에서의 디퓨저 출구부 조정점(%CP4s), 디퓨저 입구부의 쉬라우드 곡선이 수평선과 이루는 각도(θ1s), 및 디퓨저 출구부의 쉬라우드 곡선이 수평선과 이루는 각도(θ4s)를 포함할 수 있다.
즉 종래의 디퓨저 자오면 설계 변수는 24개의 설계 변수로서 이를 통해 설계된 디퓨저(5a)의 형상은 도 7(a)에 도시된 바와 같이 항아리 형상과 유사할 수 있다. 이때 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저 설계 방법에 의해서 설계된 디퓨저(5)는 도 7(b)에 도시된 바와 같이 원기둥 형상으로 형성될 수 있다,
도 8을 참고하면 본 발명의 일 실시예에서 디퓨저의 양정과 효율에 영향을 미치는 상기 8개의 설계 변수로 수치해석 실험조건을 생성하였다. 이때, 사류 펌프 디퓨저(5)를 통과하는 작동유체는 25도의 물로 한다. 또한, 입구의 경계조건은 균일한 상태의 대기압력이고, 출구조건은 질량 유량이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계 방법은 상기 도출된 디퓨저의 형상과 기준 디퓨저의 수치해석의 결과를 통해 상기 도출된 디퓨저의 설계가 타당한지 여부를 판단하는 단계(S40)를 더 포함할 수 있다.
기준 디퓨저와 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계 방법에 의해서 설계된 디퓨저를 수치해석을 통해 얻어진 목적함수를 비교한 데이터는 하기 표 1과 같다.
양정(m) 효율(%)
기준 디퓨저(5a) 13.64 90.57
도출된 디퓨저(5) 13.46 88.48
이와 같이 설계 결과, 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계 방법에 의해서 설계된 디퓨저의 목적함수인 양정은 13. 45이고 효율은 88.48 %로 계산된다. 따라서 기준 디퓨저(5a)은 고효율 모델과 비교하여도 양정 및 효유을 유지함을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계 방법에 의해서 설계된 디퓨저를 구비하는 사류 펌프의 양정을 도시한 그래프이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계 방법에 의해서 설계된 디퓨저를 구비하는 사류 펌프의 효율을 도시한 그래프이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저 설계 방법에 의해서 설계된 디퓨저를 구비하는 사류 펌프의 양정 및 효율은 기준 디퓨저와 비슷한 양상을 보임을 확인할 수 있다. 이때, Q/Qd는 유량비로서, 설계 유량에 대한 기준 모델의 유량비를 의미한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 디퓨저의 설계 방법에 의해 설계된 디퓨저의 수치해석 경계조건 및 격자계를 도시한 사시도이다.
이때, 수치 해석으로 비교하는 단계에서는 사류 펌프의 설계 목표 값은 유한 체적법인 ANSYS사의 상용코드 ANSYS CFX-16.0을 사용하여 K-ω를 기초한 SST(shear stress transport) 난류 모델 해석을 통해 얻어질 수 있다.
이때, 날개 형상 정의 및 격자계 생성은 각각 ANSYS Blade-Gen 및 Turbo-Grid가 사용될 수 있다.
도 10을 참고하면 임펠러 3D 형상은 ANSYS CFX-BladeGen 프로그램을 사용하여 생성하였으며, 생성된 날개형상에 대하여 유체기계 격자생성 프로그램인 ANSYS CFXTurboGrid를 사용하여 정렬 격자계(structured grid)를 생성하였다.
임펠러의 날개 수는 5개이고 디퓨저의 날개 수는 7개이나 수치해석에 사용된 임펠러 및 디퓨저의 날개 형상이 동일하므로 해석시간을 고려하여 주기 조건(Periodic condition)을 사용하여 임펠러 1 개 및 디퓨저 1 개의 날개 영역에 대해서만 수치해석을 수행하였다.
수치해석 계산에 사용한 지배방정식은 유한 체적법으로 이산화 되었으며, 이산화 기법으로는 2차 이상의 정확도를 가지는 고해 상도기법(high resolution scheme)을 사용하였다.
난류 유동의 해석을 위해 사용한 난류모델로는 유동박리 등의 예측에 적절한 전단이송(shear stress transport) k-ω모델을 사용하였다.
경계조건으로는 임펠러의 입구부 및 디퓨저의 출구부에 균일한 상태의 대기압을 주었고 출구부에는 질량유량을 주어 해석을 하였으며 임펠러의 회전속도는 2400 rpm을 주었다. 이때, 작동유체는 물을 사용하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 사류 펌프용 디퓨저의 설계방법, 이에 의해 설계된 디퓨저 및 이를 구비한 사류 펌프는 기존의 고효율 및 고양정을 유지하면서 설계를 단순화하여 제작이 용이하고 콤팩트하여 유지 보수비를 절감할 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 2 : 케이싱
3 : 흡입구 5 : 모터의 구동축
10 : 임펠러 30 : 디퓨저
32 : 디퓨저 날개 34 : 디퓨저 허브
36 : 디퓨저 쉬라우드 x : 제1 설계지점
y : 제2 설계지점

Claims (11)

  1. 임펠러와 연결되어 상기 임펠러를 통해 유입된 유체를 외부로 배출시키는 디퓨저의 설계를 단순화하고 디퓨저를 콤팩트하게 설계하기 위한 디퓨저의 설계 방법으로서,
    상기 디퓨저의 형상을 고려하여 목적함수 결정 단계;
    상기 목적함수의 값에 영향을 미치는 설계 변수 결정 단계 및
    상기 설계변수를 이용하여 디퓨저의 형상 도출 단계를 포함하되,
    상기 디퓨저의 설계변수 결정 단계는
    상기 디퓨저의 3차원 형상을 생성하기 위해 상기 디퓨저의 날개 형상을 표현하는 디퓨저 자오면 설계변수 결정단계;
    상기 디퓨저의 날개 각도를 표현하는 디퓨저 날개각 설계변수 결정단계를 포함하고,
    이 때, 상기 디퓨저의 자오면 설계변수 결정단계에서 상기 디퓨저의 자오면 설계변수는 디퓨저 입구부에서 허브부분의 반경(R3_h), 디퓨저 날개전단에서의 날개폭(b3), 디퓨저 날개전단의 기울어진 각(
    Figure 112019502262146-pat00012
    Figure 112019502262146-pat00013
    3), 디퓨저 출구부에서 허브부분의 반경(R4_h), 디퓨저 날개후단에서의 날개폭(b4), 디퓨저 날개 후단의 기울어진 각(
    Figure 112019502262146-pat00014
    Figure 112019502262146-pat00015
    4), 디퓨저 입구에서 디퓨저 출구 사이의 축방향 길이(Z4), 임펠러 출구의 허브부분과 디퓨저 입구의 허브부분 사이의 축방향 길이(Z3)를 포함하며,
    상기 설계변수를 이용하여 디퓨저의 형상 도출 단계에서는 상기 디퓨저 자오면에서 입구부의 제1 설계지점(x) 및 제2 설계지점(y)이 결정하고 상기 제1 설계지점 및 상기 제2 설계지점에서 상기 디퓨저의 자오면에서 출구부까지 직선으로 연결하여, 원기둥 형상의 디퓨저를 도출하는 디퓨저의 설계 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 디퓨저의 형상을 고려하여 설계 변수 및 목적함수 결정 단계에서 비속도는 설계 사양인 유량(Q), 양정(Ht) 및 회전수(N)에 의해 결정되고, 상기 비속도는 400 내지 1200 Ns이내인 디퓨저의 설계 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 디퓨저의 형상을 고려하여 목적함수 결정 단계에서 상기 목적함수는 상기 디퓨저의 성능을 분석하기 위한 양정(Ht) 및 효율(ηt)인 디퓨저의 설계 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 디퓨저의 날개각 설계변수 결정단계에서 날개 전개도 설계 변수는 출구부 시작점(TE startpoint), 디퓨저의 스윕각과 평균된 반경의 곱(r_theta_total), 입구각(beta1_(h,m,s)), 출구각(beta2_(h,m,s)), 입구 직선부의 길이(%beta_LE_(h,m,s)), 출구 직선부의 길이(%beta_TE_(h,m,s)), 출구부에서 회전방향으로 기울어진 각(d_theta(h,s)), 입구 부분의 조정점(%CP_LE_(h,m,s)), 및 출구부분의 조정점(%CP_TE_(h,m,s)을 포함하는 디퓨저의 설계방법.
  7. 삭제
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 설계지점은 허브측 디퓨저 입구부에서 자오면의 길이 기준 x %위치이고 상기 제2 설계지점은 쉬라우드측 디퓨저 입구부에서 자오면의 길이 기준 y %위치인 디퓨저의 설계 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 x는 30 %이고 상기 y 는 10 %인 디퓨저의 설계 방법.
  10. 제1 항 내지 제3항, 제 6항, 제 8항 및 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 디퓨저의 설계 방법에 의하여 설계된 디퓨저.
  11. 제10 항에 따른 디퓨저;
    상기 디퓨저의 내부에 설치되는 임펠러 및
    상기 임펠러의 전방으로 유체가 흡입되도록 형성된 흡입구 및 상기 임펠러의 외주부로 상기 흡입된 유체가 배출되도록 형성된 배출구를 구비하는 케이싱;을 포함하는 사류 펌프.

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