KR102012172B1 - 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 설계방법, 이 설계방법에 의해 제작된 백스윕 임펠러, 및 백스윕 임펠러를 구비한 수중축류펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 블레이드 표면의 유동분포를 균일하게 유지시켜 회전력에 의해 셀프 크리닝 기능을 갖고 펌프의 효율을 향상시킬 수 있는 수중축류펌프 및 이의 설계방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 설계방법은 회전축이 연결되는 허브와 상기 허브를 중심으로 복수 개의 블레이드가 원주방향으로 이격되어 형성되는 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 설계방법에 있어서, 상기 백스윕 임펠러의 형상변수와 목적함수를 설정하는 단계, 상기 형상변수의 범위를 설정하는 설계영역 설정단계, 상기 설계영역 설정단계에서 설정된 상기 형상변수의 범위를 기초하여 LHS기법에 의해 목적함수를 계산하는 단계, 및 상기 계산된 목적함수를 기초하여 RSA기법에 의해 형상변수의 최적값을 선택하는 단계를 포함한다. 따라서, 이물질의 협착을 최소화하여 펌프의 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 설계방법, 이 설계방법에 의해 제작된 백스윕 임펠러, 및 백스윕 임펠러를 구비한 수중축류펌프{A method of designing a back swept impeller having a self-cleaning function, a back swept impeller manufactured by this design method, and an axial water pump having a back swept impeller}

본 발명은 블레이드 표면의 유동분포를 균일하게 유지시켜 회전력에 의해 셀프 크리닝 기능을 갖고 펌프의 효율을 향상시킬 수 있는 수중축류펌프 및 이의 설계방법에 관한 것이다.

일반적으로 수중축류펌프는 대유량의 빗물배수펌프장과 하수처리장과 같은 배수시설 또는 관개용수 공급시설 등에 설치되어 유체를 이송한다.

이러한 수중축류펌프는 구동모터의 회전에 따라 임펠러가 회전하여 흡입력과 토출력이 발생하여 유체를 이송하는데, 임펠러의 표면에서 유속이 균일하지 않아 이물질이 협착됨으로써, 효율저하는 물론 고장을 야기하는 문제점이 발생한다.

이를 방지하기 위해 종래에는 한국등록특허번호 제10-1372831호(2014.3.11.공고)의 "슬러지 고착방지 수단이 구비된 펌프"가 개시된 바가 있다.

종래의 슬러지 고착방지 수단이 구비된 펌프는 유체를 흡입하는 임펠러와, 상기 임펠러가 수용되며 유체가 유입되는 흡입구 및 유체를 토출하는 토출구가 구비된 케이싱과, 상기 임펠러를 회전시키는 회전축이 구비된 모터를 포함하는 펌프에 있어서, 상기 임펠러에 대응되는 위치의 케이싱에 탄소부와 구리부가 물의 흐름방향을 따라 간격을 두며 순차적으로 매입하여 형성되어 유체의 흐름에 의한 마찰로 인해서 정전기를 발생시키는 제1 정전기 발생부가 구비되고, 상기 회전축에 탄소부와 구리부가 물의 흐름방향을 따라 간격을 두며 순차적으로 매입하여 형성되어 유체의 흐름에 의한 마찰로 인해서 정전기를 발생시키는 제2 정전기 발생부를 포함하여 구성되었다.

이러한 구성의 종래의 슬러지 고착방지 수단이 구비된 펌프는 제1 정전기 발생부와 제2 정전기 발생부에 의해 물을 이온화시킴으로써, 슬러지가 고착되는 것을 방지할 수 있었다.

하지만, 종래의 슬러지 고착방지 수단이 구비된 펌프는 임펠러에 슬러지가 고착되는 것을 방지하는 것이 아니라 케이싱의 내부에 슬러지의 고착을 방지하는 것이며, 제1 정전기 발생부와 제2 정전기 발생부와 같이 슬러지를 제거하기 위한 별도의 수단을 필요로 하여 제작비용이 비싼 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 임펠러가 자체적으로 유속에 의해 슬러지의 고착을 최소화하여 펌프의 효율을 향상시키고, 제작비용을 감소시킬 수 있는 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 설계방법, 이 설계방법에 의해 제작된 백스윕 임펠러, 및 백스윕 임펠러를 구비한 수중축류펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 설계방법은 회전축이 연결되는 허브와 상기 허브를 중심으로 복수 개의 블레이드가 원주방향으로 이격되어 형성되는 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 설계방법에 있어서, 상기 백스윕 임펠러의 형상변수와 목적함수를 설정하는 단계, 상기 형상변수의 범위를 설정하는 설계영역 설정단계, 상기 설계영역 설정단계에서 설정된 상기 형상변수의 범위를 기초하여 LHS기법에 의해 목적함수를 계산하는 단계, 및 상기 계산된 목적함수를 기초하여 RSA기법에 의해 형상변수의 최적값을 선택하는 단계를 포함한다.

상기 형상변수는 상기 블레이드의 허브측과 슈라우드측의 25% 지점을 연결한 선과 상기 회전축과 이루는 스윕각도, 및 상기 블레이드의 설치각도를 포함할 수 있다.

상기 설계영역 설정단계에서 설정되는 상기 스윕각도의 범위는 미리 설정된 기준 백스윕 임펠러의 스윕각도를 기준으로 -8°내지 +6°이고, 상기 블레이드각도의 범위는 미리 설정된 기준 백스윕 임펠러의 블레이드의 설치각도를 기준으로 -4°내지 +4°일 수 있다.

상기 목적함수는 효율(%), 및 양정(m)를 포함할 수 있다.

상기 목적함수를 계산하는 단계는 LHS기법에 따라 도출된 복수 개의 실험점을 도출하는 실험점 도출단계, 및 상기 복수 개의 실험범에 대해 3차원 RANS 해석에 따라 목적함수를 계산하는 함수 계산단계를 포함할 수 있다.

상기 형상변수의 최적값을 선택하는 단계는 상기 형상변수의 최적값을 복수 개를 선택하고, 각 최적값에 따라 RSA 대리모델의 목적함수와 CFD 해석에 따른 목적함수를 비교하여 차이가 가장 적은 최적값을 선택할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 설계방법에 의해 제작된 백스윕 임펠러는 상기한 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 설계방법에 의해 설계된다.

본 발명의 실시예에 따른 백스윕 임펠러를 구비한 수중축류펌프는 상기한 실시예에 따른 백스윕 임펠러, 상기 백스윕 임펠러를 구동하는 구동모터, 및 상기 백스윕 임펠러의 둘레를 감싸 유체가 흡입되는 흡입구와 상기 흡입구로 흡입된 유체가 토출되는 토출구를 포함하는 펌프케이싱을 포함한다.

본 발명에 따르면, 블레이드를 설계 시 블레이드에 균일한 유속이 작용하여 이물질의 협착을 최소화하도록 함으로써, 별도의 이물질 제거수단 없이도 블레이드에 이물질의 고착에 따른 펌프의 효율이 하락되는 것을 방지함과 동시에 제작비용을 감소시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 제조방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 제조방법을 설명하기 위한 기존의 임펠러와 백스윕 임펠러의 효율과 양정을 비교한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 제조방법을 설명하기 위한 (a)는 스윕각도, (b)는 블레이드각도 및 인랫각도를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 제조방법을 설명하기 위한 스윕각도 범위의 변경에 따른 효율과 양정의 변화를 나타나는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 제조방법을 설명하기 위한 스윕각도에 따른 블레이드의 압력면의 유속분포를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 제조방법을 설명하기 위한 스윕각도에 따른 블레이드의 10% span에서의 유속분포를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 제조방법을 설명하기 위한 스윕각도에 따른 블레이드의 90% span에서의 유속분포를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 제조방법을 설명하기 위한 블레이드각도 범위의 변경에 따른 효율과 양정의 변화를 나타나는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 제조방법을 설명하기 위한 블레이드각도에 따른 블레이드의 10% span에서의 유속분포를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 제조방법을 설명하기 위한 블레이드각도에 따른 블레이드의 압력면의 유속분포를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 제조방법을 설명하기 위한 LHS기법에 의해 실험점을 도출한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 제조방법을 설명하기 위한 목적함수의 계산에 따라 RSA 대리모델을 선택하기 위해 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 제조방법을 설명하기 위한 (a) 기준 백스윕 임펠러와 (b) RAS 대리모델의 블레이드 10% span에서의 유속분포를 비교한 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 제조방법을 설명하기 위해 (a) 기준 임펠러의 블레이드와 (b)최적형상의 백스윕 임펠러의 블레이드의 압력면에서 유속분포를 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 제조방법에 의해 제조된 백스윕 임펠러의 효과를 입증하기 위해 성능을 시험한 시험성적서의 1page이다.
도 16는 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 제조방법에 의해 제조된 백스윕 임펠러의 효과를 입증하기 위해 성능을 시험한 시험성적서의 2page이다.
도 17는 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 제조방법에 의해 제조된 백스윕 임펠러의 효과를 입증하기 위해 성능을 시험한 시험성적서의 3page이다.
도 18는 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 제조방법에 의해 제조된 백스윕 임펠러의 효과를 입증하기 위해 성능을 시험한 시험성적서의 4page이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 제조방법에 의해 제조된 백스윕 임펠러의 효과를 입증하기 위해 성능을 시험한 시험성적서의 5page이다.
도 20는 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 제조방법에 의해 제조된 백스윕 임펠러를 저면에서 바라본 사시도이다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 제조방법에 의해 제조된 백스윕 임펠러로서, (a)는 측면도, (b)는 저면도이다.
도 22는 본 발명의 실시예에 따른 백스윕 임펠러를 구비한 수중축류펌프를 도시한 측단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 설명하도록 한다.

본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러(100)는 먼저, 구동모터(300)의 회전축이 결합되는 허브(110)와 허브(110)를 중심으로 복수 개의 블레이드(120)가 원주방향으로 배열될 수 있다.

실시예에서는 허브(110)를 중심으로 4개의 블레이드(120)를 원주방향으로 배치하였으며, 허브(110)는 하부에서 상부로 갈수록 면적이 넓어지는 코니칼 형태로 형성하였다.

여기서, 허브(110)를 코니칼 형태(conical type)로 형성할 경우, 유체의 저항을 최소화시켜 효율을 향상시킬 수 있다.

먼저, 본 발명의 출원인은 일반적인 임펠러를 적용한 수중축류펌프(500)와 백스윕 임펠러(100)를 적용한 수중축류펌프(500)의 양정과 효율을 도 2의 그래프에 비교하였다.

도 2의 그래프를 참고하면, 일반적인 임펠러를 적용한 수중축류펌프(500) 대비 백스윕 임펠러(100)를 적용한 수중축류펌프(500)의 효율이 4.2% 낮으며, 양정은 7.2% 낮은 것으로 나타나 백스윕 임펠러(100)의 형상변형에 따라 양정과 효율의 향상을 도모하도록 하기와 같이 형상변수 및 목적함수를 설정하였다.

비교를 위한 백스윕 임펠러(100)는 시중에서 판매되는 백스윕 임펠러(100)가 설치된 수중축류펌프(500)의 효율 및 양정을 참고하였다.

수중축류펌프(500)에 설치되어 가장 효율과 양정이 높은 백스윕 임펠러(100)를 비교하였다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러(100)의 제조방법은 형상변수와 목적함수를 설정하는 단계(S10)를 포함할 수 있다.

형상변수와 목적함수를 설정하는 단계(S10)는 셀프 크리닝의 성능을 향상시키기 위해 백스윕 임펠러(100)의 설계에 반영할 항목들을 설정하는 단계이다.

형상변수는 제조할 백스윕 임펠러(100)의 형상의 변형을 가하기 위한 변수로서, 형상변수는 스윕각도(θ,swept angle)와 블레이드각도(β_r, blade angle)를 포함할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 스윕각도(θ)는 블레이드(120)의 허브(110,hub)측과 슈라우드(shroud)측의 25% chord를 잇는 선과 회전축의 사이 각도일 수 있다.

허브측은 블레이드(120)의 수평방향의 내측일 수 있으며, 슈라우드측은 블레이드(120)의 수평방향의 외측일 수 있다.

블레이드각도(β_r)는 허브(110)에 대해 블레이드(120)가 기울어져 설치된 각도일 수 있다.

여기서, 형상변수를 스윕각도(θ)와 블레이드각도(β_r)로 선정한 이유는 블레이드(120)의 표면에 접촉되는 유체의 유동분포에 가장 큰 변화를 가져오기 때문에 선정하였다.

형상변수로서 블레이드(120)의 인랫각도(β_hl, inlet angle)을 고려하였지만, 인랫각도(β_hl)의 변화에 따른 유속의 변화가 미미하기 때문에 인랫각도(β_hl)는 형상변수에서 제외하였다.

또한, 목적함수는 효율(%)와 양정(m)일 수 있다.

백스윕 임펠러(100)가 셀프 크리닝 기능을 갖춘다 하더라도 효율과 양정이 낮으면, 효용성이 없기 때문에 목적함수로서 효율과 양정을 결정하였다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러(100)의 제조방법은 설계영역 설정단계(S20)를 포함할 수 있다.

이 설계영역 설정단계(S20)는 백스윕 임펠러(100)가 셀프 크리닝의 효과와 효율 및 양정을 만족할 수 있도록 형상변수의 범위를 설정할 수 있다.

실시예에서 형상변수 중 스윕각도(θ)의 범위는 기준 백스윕 임펠러 모델의 스윕각도(θ)에서 -8°내지 +6°의 범위로 설정하였다.

여기서, 기준 백스윕 임펠러 모델은 공지된 백스윕 임펠러(100) 중 수중축류펌프(500)에 설치되어 가장 효율과 양정이 높은 백스윕 임펠러(100)일 수 있으며, 실시예에서 기준 백스윕 임펠러의 스윕각도(θ)는 10.83°이고, 블레이드각도(β_r)는 52.33°이다.

스윕각도(θ)의 범위를 -8°미만으로 설정할 경우, 블레이드(120)의 슈라우드측 부분에 유체에 대한 저항성이 커져 급격히 부하가 증가하는 문제점이 있으며, 스윕각도(θ)의 범위를 +6°를 초과하여 설정할 경우, 양정 및 효율이 급격하게 낮아지는 문제점이 있다.

출원인은 스윕각도(θ)의 변화에 따른 목적함수의 영향성을 평가하여 도 3의 그래프에 나타내었다.

본 명세서에서 유동특성 및 목적함수를 도출하기 위해 사용된 프로그램은 ANSYS CFX 16.0을 이용하였다.

도 4의 그래프에 나타난 바와 같이, 기준 백스윕 임펠러 모델의 스윕각도(θ)를 기준으로 스윕각도(θ)의 범위에 따라 스윕각도(θ)를 변화시킨 결과, 스윕각도(θ)가 감소할수록 효율은 증가하다가 -6°이하에서는 거의 변화가 없으며, 양정의 경우에는 스윕각도(θ)의 변함에 따라 거의 변하지 않았다.

또한, 스윕각도(θ)의 변화에 따른 블레이드(120)의 압력면 상의 유속분포를 비교하여 도 5에 도시하였다.

도 5에 도시된 바와 같이, 스윕각을 감소시킬수록 블레이드(120)의 입구측 슈라우드가 위치된 부분에서 속도의 증가를 확인할 수 있었으며, 블레이드(120)의 허브(110)측에서는 저속도 영역이 후류측으로 확산되어 이동하는 것을 확인할 수 있었다.

그리고, 스윕각도(θ)의 변화에 따른 블레이드(120)의 유속분포를 도 6 및 도 7에 도시하였으며, 도 6는 블레이드(120)의 10% span에서의 유속분포이며, 도 7은 블레이드(120)의 90% span에서의 유속분포를 나타낸다.

도 6에 도시된 바와 같이, 블레이드(120)의 10% span에서는 스윕각도(θ)가 증가에 따라 입구측의 유속이 감소하는 것을 알 수 있고 블레이드(120)의 압력면(pressur surface)에 근처에 저속도 분포를 갖는 영역이 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 스윕각도(θ)의 증가에 따라 출구부의 10% span의 출구측의 속도가 증가되는 것을 알 수 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 블레이드(120)의 90% span에서는 스윕각도(θ)가 감소될 경우, 입구부에서 높은 속도를 갖는 영역이 넓게 분포하는 것으로 보이지만, 스윕각도(θ)가 증가할수록 높은 속도의 영역이 감소하는 것을 알 수 있으며, 블레이드(120)의 압력면의 속도가 상대적으로 감소하는 것으로 나타난다.

한편, 형상변수 중 블레이드각도(β_r)의 범위는 기준 백스윕 임펠러 모델의 블레이드각도(β_r)에서 -4°내지 +4°범위로 설정하였다.

이때, 블레이드각도(β_r)를 -4°미만으로 설정할 경우에는 양정 및 효율이 급격히 하락되는 문제점이 있으며, +4°초과하여 설정할 경우에는 유체의 저항성이 거쳐 부하가 급격히 증가하는 문제점이 있다.

출원인은 블레이드각도(β_r)의 변화에 따른 목적함수의 영향성을 평가하여 도 8의 그래프에 나타내었다.

도 8의 그래프에 나타난 바와 같이, 기준 백스윕 임펠러 모델의 블레이드각도(β_r)를 기준으로 블레이드각도(β_r)의 범위에 따라 블레이드각도(β_r)를 변화시킨 결과, 블레이드각도(β_r)가 증가할수록 양정이 감소하지만 오히려 효율이 증가되는 것을 알 수 있었다.

그리고, 블레이드각도(β_r)의 변화에 따른 블레이드(120)의 유속분포를 도 9 및 도 10에 도시하였으며, 도 9는 블레이드(120)의 10% span에서의 유속분포이며, 도 10는 블레이드(120)의 압력면에서의 유속분포를 나타낸다.

도 9에 도시된 바와 같이, 블레이드각도(β_r)가 작아질수록 블레이드(120)의 압력면에서 낮은 속도를 갖는 영역이 넓게 분포하는 것을 알 수 있으며, 도 10에 도시된 바와 같이, 블레이드각도(β_r)의 증가함에 따라 블레이드(120)의 입구측에 높은 유속의 분포가 넓어지는 것을 알 수 있으며, 허브(110) 부근에서는 저속이 점점 감소됨을 알 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러(100)의 제조방법은 목적함수를 계산하는 단계(S30)를 포함할 수 있다.

이 목적함수를 계산하는 단계(S30)는 설계영역 설정단계에서 설정된 형상변수의 범위를 기초하여 목적함수를 계산할 수 있다.

목적함수를 계산하는 단계(S30)는 먼저 형상변수의 범위 내에서 복수 개의 실험점을 도출하고, 복수 개의 실험점에 대한 목적함수를 계산하는 형태로 수행될 수 있다.

목적함수를 계산하는 단계(S30)는 실험점 도출단계(S31)와, 함수 계산단계(S32)를 포함할 수 있다.

실험점 도출단계(S31)는 복수 개의 실험점을 도출할 때에는 LHS(Latin Hypercube Sampling)기법을 기초로 복수 개의 실험점을 도출할 수 있다.

여기서, LHS기법은 표본 추출 방법 가운데 하나로 분포 전반에 걸쳐 고르게 샘플링할 수 있는 이점이 있기 때문에 복수 개의 실험점을 도출할 때, 전반적으로 고른 분포에서 일관성을 갖도록 도출될 수 있다.

함수 계산단계(S32)는 실험점 도출단계에서 도출된 복수 개의 실험점에 대하여 목적함수를 계산할 수 있다.

목적함수를 계산할 때에는 3차원 RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)해석에 의해 계산될 수 있으며, RANS 해석은 ANSYS CFX 16.0 프로그램을 사용하여 계산할 수 있다.

여기서, 3차원 RANS 해석은 미세하게 요동치는 변수를 시간에 대한 평균적인 부분과, 변화하는 부분으로 분리하여 평균적으로 계산하고, 비선형적인 변화하는 부분은 난류모델을 이용해 따로 계산하여 시뮬레이션의 복잡성을 줄여 계산효율을 향상시킬 수 있다.

출원인은 도 11에 도시된 바와 같이, 목적함수를 계산하기 위해 LHS기법을 통해 형상변수의 범위 내에서 16개의 실험점을 도출하고, 3차원 RANS 해석을 통해 도출된 실험점의 목적함수를 계산하여 표 1에 도시하였다.

표 1 및 도 11에 나타난 바와 같이, 효율은 블레이드각도(β_r)가 증가할 수록 대체적으로 감소하며, 이 결과는 도 4에 나타난 스윕각도(θ)의 범위에 따라 측정된 목적함수의 변화와 유사한 경향을 보이는 것을 알 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러(100)의 제조방법은 형상변수의 최적값을 선택하는 단계(S40)를 포함할 수 있다.

이 형상변수의 최적값을 선택하는 단계(S40)는 최종적으로 제작할 백스윕 임펠러(100)의 형상변수의 최적값을 RSA 대리모델을 통해 선택할 수 있다.

형상변수의 최적값을 선택하는 단계는 복수 개의 실험점에서 계산된 목적함수를 기초로 RSA(Response Surface Approximation)기법에 의해 계산하여 RSA 대리모델로 선정할 수 있다.

RSA기법은 응답과 자극과의 상관관계를 근사적으로 구하는 수치기법의 하나로써, 최적설계에 사용되는 기법중에 하나이다.

한편, 형상변수의 최적값은 복수 개를 선택할 수 있으며, 복수 개의 최적값이 선정할 수 있다.

도 12에 도시된 바와 같이, 실시예에서는 계산된 양정과 효율의 그래프를 참고하여 16개의 도출된 실험점에서 계산된 목적함수에서 RSA기법에 의해 세 개의 RSA 대리모델(RSA 1, RSA 2, RSA 3)을 선택하였으며, 각 최적형상의 계산된 목적함수를 표 2에 나타내었다.

도 12 및 표 2를 참고하면, RSA 1 대리모델의 경우, 가장 높은 효율 값을 보이지만, 양정은 가장 적은 값으로 나타나며, RSA 2 대리모델의 경우, 가장 높은 양정 값을 갖지만, 효율이 가장 낮게 나타난다. 반면, RSA 3 대리모델의 경우, 효율과 양정이 RSA 1 대리모델과 RSA 2 대리모델의 사이에 위치되는 것으로 나타난다.

그리고, 복수 개의 RSA 대리모델이 선정되면, 각 RSA 대리모델마다 CFD 해석을 수행하고, CFD 해석에서 구해지는 목적함수와 복수 개의 최적값의 목적함수를 비교하여 가장 작은 오차의 목적함수를 갖는 RSA 대리모델을 선택하는 형태로 백스윕 임펠러(100)의 최적형상으로 설정하여 설계한다.

실시예에서는 RSA 3 대리모델이 양정과 효율을 만족하지만, CFD의 해석과는 큰 오차를 갖기 때문에 최종적으로 효율과 양정의 오차가 0.24%와 0.74%로 가장 적은 RSA 1 대리모델을 최적형상으로 선정하였다.

최적형상으로 선정된 RSA 1 대리모델의 형상변수인 스윕각도(θ)는 기준 백스윕 임펠러의 스윕각도(θ)에 대해 -5.87°이고, 블레이드각도(β_r)는 기준 백스윕 임펠러의 블레이드각도(β_r)에 대해 +0.31°이다.

최적형상과 기준 백스윕 임펠러의 유속분포를 도 13 및 도 14에 도시하였다.

도 13에 도시된 바와 같이, (a) 기준 임펠러와 (b) 선정된 RSA 1의 대리모델의 각 블레이드(120)의 10% span에서의 전압력 분포를 살펴보면, 기준 백스윕 임펠러의 압력면에는 매우 낮은 전압력이 발생하지만, 선정된 RSA 1의 대리모델에서는 압력면의 전압력이 균일하게 개선된 것을 확인할 수 있다.

도 14에 도시된 바와 같이, (a) 기준 백스윕 임펠러와 (b) 선정된 RSA 1의 대리모델 둘 모두는 압력면의 전압력이 허브(110)측에서 슈라우드측으로 갈수록 압력이 점차 증가하지만, 기준 백스윕 임펠러는 전단에서 후단으로 갈수록 점차 압력이 감소하는 것으로 나타나지만, 선정된 RSA 1의 대리모델의 경우에는 전단에서 후단으로 갈수록 균일한 압력분포를 보이기 때문에 셀프 크리닝의 효과가 증대됨을 예측할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러(100)의 제조방법과 이 제조방법에 의해 제조된 백스윕 임펠러(100)는 블레이드(120)의 압력면에 작용하는 유속이 균일하기 때문에 블레이드(120)의 표면에 이물질의 협착을 최소화함으로써, 펌프의 효율을 향상시키고, 백스윕 임펠러(100)의 클리닝 효과를 향상시킬 수 있으며, 제작비용을 감소시킬 수 있다.

본 출원인은 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝의 기능을 갖는 백스윕 임펠러(100)의 효과를 입증하기 위해 한국기계전기전자시험연구원에 시험을 의뢰하여 도 15 내지 도 19과 같은 시험성적서를 받을 수 있었다.

테스트는 실시예에서 RSA 1 대리모델을 기초로 백스윕 임펠러(100)를 제작하였으며, 정격동력 45kW 육상용 모터((주)효성)를 채용하여 기존의 임페러와 비교하였다.

테스트 방법은 시료를 블레이드(120) 표면에 부착하고, 테스트 전후의 질량을 측정하여 제거율을 산정하는 형태로 진행하였으며, 시료는 설탕과 젤라틴의 합성물로 제작하였다.

그리고 시료는 복수 개의 블레이드(120) 중 어느 하나의 블레이드(120)에 25개의 지점에 부착하여 각 지점마다 시료의 질량을 측정하는 형태로 1차에서는 120초간 기동하고, 2차에서는 150초간 기동하였다.

시험성적서에서 보는 바와 같이, 1차에서는 일반 임펠러의 평균 제거율은 62%이고, 실시예의 백스윕 임펠러(100)의 평균 제거율은 65.52%로서, 실시예의 백스윕 임펠러(100)가 더 제거율이 높은 것으로 나타났다.

2차에서는 일반 임펠러의 평균 제거율은 70.52%이고, 실시예의 백스윕임펠러의 평균 제거율은 74.8%로서, 실시예의 백스윕임펠러가 더 제거율이 높은 것으로 나타났다.

이에 따라 본 발명의 실시예에 따른 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러(100)의 제조방법으로 제조된 백스윕 임펠러(100)의 이물질의 제거성이 향상됨을 알 수 있었다.

도 20 내지 도 22에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 백스윕 임펠러(100)를 구비한 수중축류펌프(500)는 상기한 실시예에 따른 셀프 크리닝의 기능을 갖는 백스윕 임펠러(100)의 제조방법에 의해 제조된 백스윕 임펠러(100)를 포함할 수 있다.

도 21에 도시된 바와 같이, 백스윕 임펠러(100)의 스윕각도(θ)는 4.96°이고, 블레이드각도(β_r)는 52.64°일 수 있다.

그리고, 백스윕 임펠러(100)를 구동시키는 구동모터(300)와, 백스윕 임펠러(100)의 둘레를 감싸며, 백스윕 임펠러(100)의 회전에 따라 유체를 흡입하는 흡입구(210)와 흡입된 유체를 토출하는 토출구(230)가 형성된 펌프케이싱(200)을 포함할 수 있다.

또한, 펌프케이싱(200)에서 백스윕 임펠러(100)에 의해 유체가 토출되는 부분에는 유체의 이동을 가이드하는 디퓨져베인(250)이 방사상으로 복수 개가 형성될 수 있다.

이렇게 구성된 본 발명의 실시예에 따른 백스윕 임펠러(100)를 구비한 수중축류펌프(500)는 구동모터(300)의 회전축이 백스윕 임펠러(100)의 허브(110)에 결합되어 구동모터(300)의 회전축의 회전에 따라 백스윕 임펠러(100)가 회전하며, 펌프케이싱(200)의 흡입구(210)를 통해 유체를 토출하고, 펌프케이싱(200)의 내부로 흡입된 유체는 토출구(230)로 토출되는 형태로 유체를 이송한다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 백스윕 임펠러(100)를 구비한 수중축류펌프(500)는 백스윕 임펠러(100)에 균일한 압력이 작용하여 이물질의 협착을 방지함으로써, 설프 클리닝의 기능을 수행하여 펌프의 효율을 향상시킬 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.

100: 백스윕 임펠러 110: 허브
120: 블레이드 200: 펌프케이싱
210: 흡입구 230: 토출구
250: 디퓨져베인 300: 구동모터
500: 수중축류펌프 θ: 스윕각도
β_r: 블레이드각도

Claims (8)

1. 회전축이 연결되는 허브와 상기 허브를 중심으로 복수 개의 블레이드가 원주방향으로 이격되어 형성되는 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 설계방법에 있어서,
   상기 백스윕 임펠러의 형상변수와 목적함수를 설정하는 단계,
   상기 형상변수의 범위를 설정하는 설계영역 설정단계,
   상기 설계영역 설정단계에서 설정된 상기 형상변수의 범위를 기초하여 LHS기법에 의해 목적함수를 계산하는 단계, 및
   상기 계산된 목적함수를 기초하여 RSA기법에 의해 형상변수의 최적값을 선택하는 단계를 포함하고,
   상기 형상변수는 상기 블레이드의 허브측과 슈라우드측의 25% 지점을 연결한 선과 상기 회전축과 이루는 스윕각도, 및 상기 블레이드의 설치각도인 블레이드각도를 포함하며,
   상기 설계영역 설정단계에서 설정되는 상기 스윕각도의 범위는 미리 설정된 기준 백스윕 임펠러의 스윕각도를 기준으로 -8°내지 +6°이고, 상기 블레이드각도의 범위는 미리 설정된 기준 백스윕 임펠러의 블레이드의 설치각도를 기준으로 -4°내지 +4°이며,
   상기 목적함수를 계산하는 단계는 LHS기법에 따라 도출된 복수 개의 실험점을 도출하는 실험점 도출단계, 및 상기 복수 개의 실험범에 대해 3차원 RANS 해석에 따라 목적함수를 계산하는 함수 계산단계를 포함하고,
   상기 형상변수의 최적값을 선택하는 단계는 상기 형상변수의 최적값을 복수 개를 선택하고, 각 최적값에 따라 RSA 대리모델이 예측한 목적함수와 CFD 해석에 따른 목적함수를 비교하여 차이가 가장 적은 최적값을 선택하며,
   상기 허브는 하부에서 상부로 갈수록 면적이 넓어지는 코니칼 형상인 것을 특징으로 하는 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 설계방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 목적함수는
   효율(%), 및 양정(m)를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 설계방법.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 기재된 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 설계방법에 의해 제작된 백스윕 임펠러.
8. 제1항에 기재된 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 설계방법에 의해 제작된 백스윕 임펠러,
   상기 백스윕 임펠러를 구동하는 구동모터, 및
   상기 백스윕 임펠러의 둘레를 감싸 유체가 흡입되는 흡입구와 상기 흡입구로 흡입된 유체가 토출되는 토출구를 포함하는 펌프케이싱을 포함하는 것을 특징으로 하는 백스윕 임펠러를 구비한 수중축류펌프.
   

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