KR102084136B1 - 동압을 극대화하는 가이드 구조를 갖는 수평형 수중교반기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동압을 극대화하는 가이드 구조를 갖는 수평형 수중교반기에 관한 것으로서, 수중모터의 회전축에 결합되는 임펠러와, 수중모터의 외관케이스로부터 브라켓에 의해 임펠러를 내경측에 위치되게 고정되어 임펠러의 회전에 따른 유속을 수평으로 집중시키는 가이드 및 가이드의 전단에 가이드링부가 구비된 수평형 수중교반기에 있어서, 상기 가이드링부는 호형으로 양측 일면에 결합부재가 다수개 3열로 배열된 제1조립체 및 제1조립체와 같은 호형으로 양측 일면에 상기 결합부재에 안내 결합되는 결합공이 형성되어 제1조립체와 함께 원호형상으로 조합되는 제2조립체로 구성되고, 상기 가이드는 전단 측 원주 상에는 원형으로 연결 조합된 가이드링부의 제1조립체, 제2조립체의 단부를 삽입 고정하기 위한 고정단이 적어도 하나 이상 형성된 지지구가 다수개 부착되어 임펠러의 외직경에 근접하는 직경으로 가이드링부를 조절 및 탈착 가능하게 조합하여서 된 것을 특징으로 하는바, 결국, 본 발명은 수중교반기에 있어, 임펠러와 허브 형태는 그대로 두고 가이드링부의 팁간격(Tip Clearance)을 줄여주는 형태로 세팅할 수 있는 간단한 구조지만 수중 교반에 필요로 하는 유속량을 늘려 교반 효과를 극대화하고, 나아가 임펠러의 교체에서 간단히 가이드링부의 탈거가 용이하고, 임펠러의 외직경에 최대한 근접되는 사이즈로 가이드링부를 맞게 세팅할 수 있는 이점이 제공된다.

Description

동압을 극대화하는 가이드 구조를 갖는 수평형 수중교반기{Horizontal submersible stirrer with guide structure to maximize dynamic pressure}

본 발명은 수평형 수중교반기에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 수중에 수평으로 설치되는 수중교반기에 있어, 가이드링부와 임펠러의 날개 끝단과의 팁 간격(Tip clearance)을 임펠러의 날개 직경에 맞게 최대한 줄여 줄 수 있는 구조를 채택하여 임펠러의 회전에 따른 유속발생시 유체의 동압을 최대한 극대화하여 수중에서의 동일조건의 수중교반기로서 유속를 높여 교반 효과를 대폭 향상시킬 수 있도록 한 동압을 극대화하는 가이드 구조를 갖는 수평형 수중교반기에 관한 것이다.

일반적으로 하수나 폐수 처리장의 저류조, 반응조, 탈질조, 혐기조 등과, 연못, 저수지, 양식장 등에는 수중교반기가 설치되어 유체를 지속적으로 교반시켜 고형물이 침전, 응집, 고착되거나 부폐되는 것을 방지하고 있다.

이러한 수중교반기는 하천 등으로 방류되는 하수나 폐수를 환경 기준에 적합한 수준으로 정화하여 처리하는 것이 의무화되어 있으며, 이에 필요로 하는 장소에 설치되어 사용되고 있다.

상기 수중교반기와 관련된 선원기술을 살피면, 대한민국 등록특허 제10-1450085호(명칭: 높이 조절이 가능한 수중교반기, 등록일자: 2014년 10월 06일, 이하 '특허문헌 1'이라 함), 등록특허 제10-1573741호(명칭: 회전가능한 수중교반기, 등록일자: 2015년 11월 26일, 이하 '특허문헌 2'라 함) 및 등록특허 제10-1762857호(명칭: 연장된 이중 안내링을 갖는 수중 교반기, 등록일자: 2017년 07월 24일, 이하 이를 '특허문헌 3'이라 함)이 개시되어 있다.

상기 특허문헌 1 내지 3의 수중교반기는 수중에서 고형물의 침전을 방지하고 처리수를 충분히 교반하여 일정수질을 유지하기에 적합한 구조로 하며, 고정밀 기술로 전체가 일체로 수중에서 작동되도록 제작된 것으로, 수중모터, 케이싱, 임펠러, 보호장치 및 인양장치(고리) 등으로 구성되어 있으며, 설치와 인양이 쉽고 유지관리가 편리한 구조로 구성되어 있다.

이러한 특허문헌들에서 나타나 있는 대부분의 수중교반기(10)는 첨부된 도 1에서 도시한 바와 같이, 수중모터(1), 수중모터의 회전축에 결합되는 임펠러(2), 수중모터의 외관케이스로부터 브라켓에 의해 임펠러를 내경측에 위치되게 고정되어 임펠러의 회전에 따른 유속을 수평으로 집중시키는 가이드(3) 및 가이드링부(3a)의 구성으로 이루어진다. 이러한 구조의 수중교반기는 수중모터 구동에 의해 임펠러의 회전으로 수중에서 유체를 수평으로 교반시켜 고형물이 침전, 응집, 고착되거나 부패되는 것을 방지할 수 있도록 한 것이 전반적이다.

상기와 같은 수중교반기의 가이드링부는 가이드에 일체로 형성되고 그 내측에 임펠러가 위치하며, 임펠러의 각 날개 끝단으로부터 일정 간격(Clearance)을 두고 제작된다. 이러한 간격은 날개가 큰 임펠러로 변경해도 교체가 가능하게 만들기 위함이다.

상기와 같이 임펠러와 가이드링부의 내경 측 간격(Clearance)이 도 2에서 도시된 바와 같이 충분하기 때문에, 본 임펠러보다 작은 직경의 날개를 갖는 임펠러의 교체에는 유리함이 있으나, 실질적으로 수중교반기를 수중에서 요구하는 알피엠(rpm)으로 작동시켜 임펠러의 회전시키면, 유속 흐름 방향에서의 유입되는 압력을 제대로 이용하지 못하는 이유로 교반 효율이 떨어지는 단점이 있다.

즉, 임펠러의 회전에 따른 유체의 유속 대비 동압(dynamic pressure)이 현저히 떨어지기 때문에, 수중 내에서의 원심력 및 임펠러로부터 뻗어나가는 유속은 동일한 수중모터일 지라도 교반 능력이 떨어지는 문제점이 있었다.

참고로 동압은 일명, 속도압이라고 하며, 유속에 의하여 생기는 압력으로써, 구체적으로는 유동하고 있는 유체의 압력 즉, 운동 에너지를 압력 에너지로 변환했을 때의 압력이므로, 수중 교반에 따르면, 동압의 형성은 매우 중요하다 할 수 있으며, 이러한 동압을 극대화하여 유속을 향상시킬 필요성을 가진다.

본 발명은 상기와 같이 제반되는 종래의 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 수중에 수평으로 설치되는 수중교반기에 있어, 가이드링부와 임펠러의 날개 끝단과의 팁 간격(Tip clearance)을 임펠러의 날개 직경에 맞게 최대한 줄여 줄 수 있는 구조를 채택하여 임펠러의 회전에 따른 유속발생시 유체의 동압을 최대한 극대화하여 수중에서의 동일조건의 수중교반기로서 유속를 높여 교반 효과를 대폭 향상시킬 수 있도록 한 동압을 극대화하는 가이드 구조를 갖는 수평형 수중교반기를 제공함에 그목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의하면, 수중모터의 회전축에 결합되는 임펠러와, 수중모터의 외관케이스로부터 브라켓에 의해 임펠러를 내경측에 위치되게 고정되어 임펠러의 회전에 따른 유속을 수평으로 집중시키는 가이드 및 가이드의 전단에 가이드링부가 구비된 수평형 수중교반기에 있어서,

상기 가이드링부는 호형으로 양측 일면에 결합부재가 다수개 3열로 배열된 제1조립체 및 제1조립체와 같은 호형으로 양측 일면에 상기 결합부재에 안내 결합되는 결합공이 형성되어 제1조립체와 함께 원호형상으로 조합되는 제2조립체로 구성되고, 상기 가이드는 전단 측 원주 상에는 원형으로 연결 조합된 가이드링부의 제1조립체, 제2조립체의 단부를 삽입 고정하기 위한 고정단이 적어도 하나 이상 형성된 지지구가 다수개 부착되어 임펠러의 외직경에 근접하는 직경으로 가이드링부를 조절 및 탈착 가능하게 조합하여서 된 것을 특징으로 한다.

삭제

본 발명에 따른 상기 가이드링부와 가이드의 전단측 내경 사이의 간격은 15-20mm 내에서 가이드링부를 임펠러의 외직경에 근접하는 외경으로 연결 조절되고 가이드의 지지구측 고정단에 선택적으로 고정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 제1조립체 측의 결합부재는 체결 및 포지셔닝 부품으로 사용되는 스프링 슬리브인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 수평형 수중교반기에 있어, 임펠러와 허브 형태는 그대로 두고 가이드링부의 팁간격(Tip Clearance)을 줄여주는 형태로 세팅할 수 있는 간단한 구조지만 수중 교반에 필요로 하는 유속량을 늘려 교반 효과를 극대화하고, 나아가 임펠러의 교체에서 간단히 가이드링부의 탈거가 용이하고, 임펠러의 외직경에 최대한 근접되는 사이즈로 가이드링부를 맞게 세팅할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술의 수중교반기를 도시한 사시도,
도 2는 종래기술의 수중교반기를 도시한 정면도,
도 3은 본 발명인 수중교반기를 도시한 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 수중교반기를 도시한 정면도,
도 5는 본 발명에 따른 수중교반기의 분할 가이드링부를 각각 결합하여 도시한 일부분 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 가이드링부의 결합상태를 확대하여 도시한 일부분 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 가이드링부를 지지하기 위한 지지구를 발췌하여 도시한 사시도,
도 8은 본 발명에 따른 수중교반기가 적용되어 수중 교반에 따른 유속 실험을 실시하기 위한 유동장을 일 실시예로 도시한 사시도,
도 9는 본 발명과 종래기술의 임펠러 전, 후단 측 압력상태를 보여주는 비교도면,
도 10의 (a)는 종래기술, (b)는 본 발명으로 유동장 내에서의 수직 중앙단면 측의 유속에 따른 속도분포도를 나타낸 비교도면,
도 11의 (a)는 종래기술, (b)는 본 발명으로 유동장 내에서의 수직 중앙단면 측의 유속에 따른 속도벡터를 나타낸 비교도면,
도 12의 (a)는 종래기술, (b)는 본 발명으로 유동장 내에서의 수평 중앙단면 측의 유속에 따른 속도분포도를 나타낸 비교도면,
도 13의 (a)는 종래기술, (b)는 본 발명으로 유동장 내에서의 수평 중앙단면 측의 유속에 따른 속도벡터를 나타낸 비교도면,
도 14는 임펠러 중심에서 축방향 길이에 따른 속도분포 비교한 대수좌표계로 표시한 그래프이다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

첨부된 도 3 내지 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

수중모터(1)의 회전축에 결합되는 임펠러(2)와, 수중모터의 외관케이스로부터 브라켓에 의해 임펠러(2)를 내경측에 위치되게 고정되어 임펠러의 회전에 따른 유속을 수평으로 집중시키는 가이드(3) 및 가이드의 전단에 가이드링부(5)가 구비된 통상의 수평형 수중교반기(10)에 있어서,

상기 가이드링부(5)는 호형으로 양측 일면에 결합부재(6)가 다수개 3열로 배열된 제1조립체(5-1) 및 제1조립체와 같은 호형으로 양측 일면에 상기 결합부재에 안내 결합되는 결합공(5a)이 형성되어 제1조립체와 함께 원호형상으로 조합되는 제2조립체(5-2)로 구성된다.

상기 가이드(3)는 전단 측 원주 상에는 원형으로 연결 조합된 가이드링부(5)의 제1조립체(5-1), 제2조립체(5-2)의 단부를 삽입 고정하기 위한 고정단(4a)이 적어도 하나 이상 형성된 지지구(4)가 다수개 부착되어 임펠러(2)의 외직경에 근접하는 직경으로 가이드링부(5)를 조절 및 탈착 가능하게 조합하여 구성된다.

상기 지지구(4)의 고정단(4a)는 첨부된 도 7에서 도시한 바와 같이 다단으로 형성되며, 이 고정단 사이사이에는 상기 가이드링부를 원형으로 조합하여 삽입되는 것으로 특히 가이드링부의 제1조립체와 제2조립체가 중첩되는 부분이 타이트하게 삽입 및 각 제1조립체와 제2조립체의 후단측이 안내되어 삽입되어 가이드의 전단측 내경 원주 상에 12개 구비된 각각의 지지구에 결합된다.

상기 제1조립체와 제2조립체의 상호 연결에 따라 원형으로 조합된 상태에서 상기 지지구의 고정단에 결합됨으로써 가이드링부를 지지할 수 있는 구조이다.

상기 가이드링부(5)의 제1조립체(5-1)는 부식이 없는 하드(hard)한 금속소재로 이루어지고, 제2조립체(5-2)는 유연한 소재로 이루어져 상호 연결 조합으로 가이드링부(5)를 구성한다.

상기 가이드링부(5)와 가이드(3)의 전단측 내경 사이의 간격은 15-20mm 내에서 가이드링부를 임펠러(2)의 외직경에 근접하는 외경으로 연결 조절되고, 가이드(3)의 지지구(4)측 고정단(4a)에 선택적으로 고정된다.

한편, 상기 제1조립체(5-1) 측의 결합부재(6)는 체결 및 포지셔닝 부품으로 사용되는 스프링 슬리브인 것이며, 제1조립체와 제2조립체를 상호 원형으로 연결할 수 있는 구성요소이면 모두 가능하다.

즉, 본 발명은 가이드링부(5)를 임펠러(2)의 날개 외곽사이즈에 최대한 근접되게 제2조립체(5-2)의 결합공(5a)의 위치를 상기 제1조립체(5-1)의 결합부재(6)에 끼워 그 외경 사이즈를 조절하고, 이러한 사이즈는 가이드(3)측 지지구(4)의 해당 고정단(4a)에 고정할 수 있는 것이다.

상기와 같은 구조는, 수중에서 수중모터의 구동, 임펠러의 회전에 따라 유속을 발생시키고, 이때의 유속발생은 동압을 형성시켜 종래기술의 수중교반기에 비해 높은 교반 성능을 얻을 수 있게 된다.

이는 첨부된 도 8에서 도시된 바와 같이 물이 채워진 유동장 내에 수중교반기를 설치한 상태에서 수중교반기를 작동시킴으로써 그 차이를 첨부된 도 9 내지 도 14에서와 같이, 본 발명의 수중교반기의 성능이 우월하게 나타남을 알 수 있다.

상기 유동장 내에 설치되는 수중교반기는 별도의 보호장치 및 인양장치(고리) 등으로 설치와 인양이 쉽고 유지관리가 편리한 구조로 설치되어 실시되는 것으로, 여기서 유동장은 유체의 유동형태를 파악하기 위하여 수조는 7m(L)×2.7m(W)×4.5m(H)의 크기로 길이방향을 길게 제작하여 수중교반기의 설치가 이루어지도록 준비된다.

이하, 하기 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다만, 이러한 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

첨부된 도 9는 수중교반기의 임펠러 전, 후단 측 압력상태 비교한 것으로, 양자 동일조건에서 종래 수중교반기와 본 발명의 수중교반기의 구동에 따른 시험결과는, 임펠러의 전단과 후단측에서 측정한 압력차가 종래 수중교반기는 Δp_ave = 0.0131 bar, 본 발명은 Δp_ave = 0.0474 bar으로서, 이에 따른 동압 차이는 본 발명이 적용된 수중교반기는 종래 수중교반기보다 압력의 차이가 0.0342bar가 더 크게 개선되었음을 알 수 있고, 속도향상의 원인이 됨을 알 수 있다.

상기와 같이 유속의 향상에 따른 비교는 첨부된 도 10, 도 11 및 도 12 및 도 13에서 도시한 바와 같다.

이는 유동장을 기준으로 수직 또는 수평 중앙단면에서의 속도분포(Velocity Contour)와 속도벡터(Velocity Vector)를 각각 보여주는 비교도면으로, 상기와 같은 동압 차이에 따른 속도상승은 본 발명과 종래 수중교반기에서 현저히 차이남을 알 수 있다.

이러한 속도상승은 그만큼 실질적으로 수중에서 교반 효율이 높고 도 14에서 도시한 대수좌표계로 표시한 그래프에서 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 전반적으로 종래 수중교반기에 비해 본 발명 수중교반기의 임펠러 회전에 따른 축방향속도가 커짐을 알 수 있다.

특히 가이드링부를 임펠러의 외직경에 최대한 근접하는 직경이 되게 적용한 수중교반기는 기존모델보다 축방향속도가 평균 0.225m/s정도 크고, 개선되었음을 알 수 있으며, 이는 임펠러 전후에서 커진 동압으로 인하여 임펠러의 원심력을 더 커지게 만들었기 때문이다.

상기와 같은 점에서 본 발명의 수중교반기의 가이드측 지지구에 적용되는 가이드링부의 조절 및 세팅은 동일한 수중모터의 조건일지라도 수중 교반 효과를 극대화할 수 있는 것이다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

1: 수중모터 2: 임펠러
3: 가이드 4: 지지구
4a: 고정단 5: 가이드링부
5-1: 제1조립체 5-2: 제2조립체
5a: 결합공 6: 결합부재
10: 수중교반기

Claims (4)

1. 수중모터(1)의 회전축에 결합되는 임펠러(2)와, 수중모터의 외관케이스로부터 브라켓에 의해 임펠러(2)를 내경측에 위치되게 고정되어 임펠러의 회전에 따른 유속을 수평으로 집중시키는 가이드(3) 및 가이드의 전단에 가이드링부(5)가 구비된 수평형 수중교반기(10)에 있어서,
   상기 가이드링부(5)는 호형으로 양측 일면에 결합부재(6)가 다수개 3열로 배열된 제1조립체(5-1) 및 제1조립체와 같은 호형으로 양측 일면에 상기 결합부재에 안내 결합되는 결합공(5a)이 형성되어 제1조립체와 함께 원호형상으로 조합되는 제2조립체(5-2)로 구성되고,
   상기 가이드(3)는 전단 측 원주 상에는 원형으로 연결 조합된 가이드링부(5)의 제1조립체(5-1), 제2조립체(5-2)의 단부를 삽입 고정하기 위한 고정단(4a)이 적어도 하나 이상 형성된 지지구(4)가 다수개 부착되어 임펠러(2)의 외직경에 근접하는 직경으로 가이드링부(5)를 조절 및 탈착 가능하게 조합하여서 된 것을 특징으로 하는 동압을 극대화하는 가이드 구조를 갖는 수평형 수중교반기.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 가이드링부(5)와 가이드(3)의 전단측 내경 사이의 간격은 15-20mm 내에서 가이드링부를 임펠러(2)의 외직경에 근접하는 외경으로 연결 조절되고 가이드(3)의 지지구(4)측 고정단(4a)에 선택적으로 고정되는 것을 특징으로 하는 동압을 극대화하는 가이드 구조를 갖는 수평형 수중교반기.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1조립체(5-1) 측의 결합부재(6)는 체결 및 포지셔닝 부품으로 사용되는 스프링 슬리브인 것을 특징으로 하는 동압을 극대화하는 가이드 구조를 갖는 수평형 수중교반기.

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