KR102134975B1

KR102134975B1 - 원심 펌프 성능 변환 방법

Info

Publication number: KR102134975B1
Application number: KR1020180146350A
Authority: KR
Inventors: 박상동
Original assignee: 박상동
Priority date: 2018-11-23
Filing date: 2018-11-23
Publication date: 2020-07-16
Also published as: KR20200061028A

Abstract

본 발명은 케이싱과 임펠러 사이에 설치되는 디퓨져의 노즐 형상 변화를 통해 최고 효율점의 유량 또는 양정과 같은 원심 펌프의 수력 성능을 다양하게 변화시킬 수 있는 원심 펌프 및 그 원심 펌프의 성능 변환 방법을 개시한다.
이를 위해, 본 발명에 따른 원심 펌프는 상기 케이싱(1)과 임펠러(2) 사이에 배치되되 상기 케이싱(1)의 내측면에 교체 가능하게 설치되는 디퓨져(D1)를 구비하고, 상기 디퓨져(D1)는 입구폭(W1)과 노즐각(θ1)을 가지며 상기 임펠러(2)로부터 유입되는 유체를 상기 케이싱(1)으로 유출하는 하나 이상의 노즐(N1)이 형성된다.

Description

원심 펌프 성능 변환 방법{METHOD FOR CONVERTING PERFORMANCE OF CENTRIFUGAL PUMP}

본 발명은 원심 펌프 및 그 성능 변환 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 케이싱과 임펠러 사이에 설치되는 디퓨져의 노즐 형상 변화를 통해 최고 효율점의 유량 또는 양정과 같은 원심 펌프의 수력 성능을 다양하게 변화시킬 수 있는 원심 펌프 및 그 원심 펌프의 성능 변환 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 원심 펌프는 동력을 전달받아 회전하는 임펠러(Impeller)를 이용하여 유체를 케이싱에서 토출시켜 수송하거나 압력을 발생시키는 장치를 말한다.

이러한 원심 펌프는 케이싱과 임펠러가 1:1로 대응되며 구성되면서 케이싱의 용적 또는 형태, 임펠러의 형태 등에 따라 다양한 종류가 존재하고, 각 종류 마다 각각 고유의 성능(예를 들면, 효율, 최고 효율점의 유량 또는 양정, 체절 양정 등)을 가진다.

따라서, 다른 성능을 가진 원심 펌프를 구현하기 위해서는 임펠러 또는 케이싱 등의 펌프 구성을 각각 다르게 설계한 다른 종류의 펌프를 채택해야 한다.

이와 같이 다른 성능 또는 다양한 성능을 구현하기 위해 각각 다른 종류의 원심 펌프를 채택하는 것은 비경제적이다.

한국 공개특허공보 제2013-0142541호

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서,

본 발명의 목적은 케이싱과 임펠러 사이에 유체가 유출되는 노즐이 형성된 디퓨져가 교체가 가능하게 설치되는 원심 펌프를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 원심 펌프의 케이싱과 임펠러 사이에 배치되고 노즐이 형성된 디퓨져를 상기 케이싱과 임펠러는 동일한 상태에서 상기 노즐의 형상(예를 들면, 입구폭과 노즐각)이 변경된 디퓨져로 교체함으로써 원심 펌프의 성능을 다양하게 변환하는 원심 펌프의 성능 변환 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 원심 펌프는 케이싱과 상기 케이싱의 내측에 임펠러를 포함하는 원심 펌프에 있어서, 상기 케이싱과 임펠러 사이에 배치되되 상기 케이싱의 내측면에 교체 가능하게 설치되는 디퓨져를 구비하고, 상기 디퓨져는 입구폭과 노즐각을 가지며 상기 임펠러로부터 유입되는 유체를 상기 케이싱으로 유출하는 하나 이상의 노즐이 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 원심 펌프의 성능 변환 방법은 케이싱과 상기 케이싱의 내측에 임펠러를 포함하고, 입구폭(W1)과 노즐각(θ1)을 가지며 상기 임펠러로부터 유입되는 유체를 상기 케이싱으로 유출하는 하나 이상의 노즐이 형성된 디퓨져가 상기 케이싱과 임펠러의 사이에 배치되는 원심 펌프의 성능 변환 방법에 있어서, 상기 디퓨져를 입구폭(W2)과 노즐각(θ2)을 가진 노즐이 형성된 디퓨져로 교체하되 상기 노즐의 입구폭과 노즐각이 아래 관계식을 만족함으로써, 체절비를 일정하게 유지하면서 상기 원심 펌프의 최고 효율점의 유량을 변환하는 것을 특징으로 한다.

관계식:

본 발명에 의하면, 원심펌프의 케이싱과 임펠러 사이에 배치되는 디퓨져의 노즐 형상에 따라서 케이싱과 임펠러 등의 구성은 동일한 1종류의 원심 펌프만으로 여러 다른 성능을 구현할 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 원심 펌프는 서로 다른 형상의 노즐을 가진 디퓨져를 필요에 따라 선택해서 교체 사용함으로써 1대의 원심 펌프로 최고 효율점의 유량과 같은 펌프 성능을 다양하게 변경할 수 있다.

또한, 원심 펌프의 케이싱과 임펠러 등의 다른 구성은 동일한 상태에서 케이싱과 임펠러 사이에 배치되는 디퓨져만 교체함으로써 펌프의 체절비를 유지하면서 최고 효율점의 유량과 같은 펌프 성능을 변화시킬 수 있어, 케이싱과 임펠러가 1:1로 대응되어 구성되는 일반적인 볼류트 펌프와 달리 1대의 펌프로 여러 대의 펌프를 구현할 수 있다. 특히, 소유량 고양정 펌프에서 우수한 효과를 달성할 수 있다.

보다 구체적으로, 원심 펌프의 케이싱과 임펠러 사이에 배치되는 디퓨져를 상이한 형상(즉, 상이한 입구폭과 노즐각)의 노즐을 가진 디퓨져로 변경 교체하는 것만으로 체절비는 일정하게 유지하면서도 펌프의 최고 효율점(Best Efficient Point, BEP)의 유량을 다양하게 변경할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 원심 펌프의 구성을 일측에서 나타낸 종단면도,
도 2는 본 발명에 따른 원심 펌프의 구성을 다른 일측에서 나타낸 종단면도,
도 3은 본 발명에 따른 디퓨져의 일 실시형태를 나타낸 도면,
도 4는 도 3의 A부분을 나타내는 것으로서 본 발명에 따른 디퓨져의 노즐 부분을 나타내는 사진,
도 5a와 도 5b는 디퓨져의 노즐 부분의 치수를 나타내는 도면,
도 6은 본 발명에 따른 원심펌프의 성능 변환 방법을 실시하여 구현된 원심 펌프의 성능 변화를 나타내는 그래프이다.

본 발명에 따른 원심 펌프는 공지의 볼류트 펌프와는 달리 유체를 토출하는 케이싱(1)과 상기 케이싱(1)의 내측에서 회전하는 임펠러(2) 사이에 노즐(N1)이 형성된 디퓨져(D1)가 교체 가능하게 구비되는 것이다.

도 1 내지 도 3을 참조하며 보다 구체적으로 설명하면, 본 발명의 디퓨져(D1)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 동력에 의해 회전하는 공지의 임펠러(2) 외측 둘레를 따라 상기 케이싱(1)과 임펠러(2)의 사이에 배치된다.

또한, 본 발명의 디퓨져(D1)는 공지의 체결수단(도시 생략)을 통해 케이싱(1)의 내측면에 교체 가능하게 결합될 수 있으며, 상기 디퓨져(D1)에는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 체결수단이 관통하는 체결공(h)이 원주 방향을 따라 다수개 형성되어있다. 따라서, 본 발명의 디퓨져(D1)는 상기 체결수단을 분리시킴으로써 상기 케이싱(1)에서 분리되어 교체가 가능하다.

한편, 본 발명의 디퓨져(D1)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 회전하는 임펠러(2)로부터 유입되는 유체를 케이싱(1)으로 유출하는 홈 형태의 노즐(N1)을 가진다. 따라서, 본 발명의 원심 펌프는 형상이 다른 노즐이 형성된 디퓨저를 교체해서 사용함으로써 펌프의 최고 효율점의 유량과 같은 성능을 변화시킬 수 있다.

상기 노즐(N1) 형상의 변화는 노즐의 입구측 단면적과 노즐각 등의 치수 변화에 의해 구현될 수 있다. 도 5는 본 발명에 따른 디퓨져의 노즐 부분을 수치적으로 표현한 도면으로서, 본 발명의 노즐(N1, N2) 형상은 일정 깊이(b), 유체가 유입되는 입구측의 입구폭(W1, W2), 유체가 유출되는 출구측의 출구폭(W3, W4), 노즐의 길이(L), 및 노즐각(θ1, θ2)으로 표현될 수 있다. 본 발명에 따른 노즐(N1, N2)은 출구측으로 갈수록 폭이 커지도록 소정의 노즐각(θ1, θ2)을 가지는 바, 이 노즐각(θ1, θ2)은 도 5에 나타낸 각도로 정의된다.
다시 말해, 본 발명에 따른 노즐(N1, N2)은 유체가 유출되는 출구측으로 갈수록 폭이 커지므로 상기 입구폭(W1, W2)과 출구폭(W3, W4)에 의해 노즐(N1, N2)이 소정 각을 이루는 바, 본 발명에서 정의되는 노즐각(θ1, θ2)은 도 5의 (b)에 나타낸 바와 같이 상기 입구폭(W1, W2)과 출구폭(W3, W4)에 의해 노즐(N1, N2)이 이루는 각을 양분하는 중심선과 평행한 선을 기준으로 노즐(N1, N2)의 내측 상하부에 각각 동일한 각도로 형성되는 각으로서, 상기 노즐각(θ1, θ2)의 각도(θ1, θ2)는 상기 노즐(N1, N2)이 이루는 각의 2분의 1에 해당되는 각도를 가진다.
즉, 본 발명에서 상기 노즐각(θ1, θ2)의 각도가 θ1 또는 θ2 값일 경우 상기 노즐(N1, N2)이 이루는 각의 각도는 2×θ1 또는 2×θ2 값이 되는 것이다.

한편, 노즐 입구측의 유체 유입 속도(C3)는 유량Q/노즐 입구 단면적으로 표현될 수 있고, 노즐 출구측의 유체 유출 속도(C4)는 유량Q/노즐 출구 단면적으로 표현될 수 있다. 여기서, 노즐 입구 단면적은 노즐 깊이(b)×입구폭(W1, W2)이 되고, 노즐 출구 단면적은 노즐 깊이(b)×출구폭(W3, W4)이 된다.

그리고, 상기 출구폭(W3, W4)은 도 5(b)를 참조하여 아래의 수식으로 표현될 수 있다.

출구폭(W3) = 입구폭(W1) + (2×L×tan(θ1))

출구폭(W4) = 입구폭(W2) + (2×L×tan(θ2))

따라서, 노즐의 입구폭(W1, W2)과 노즐각(θ1, θ2)을 변화시켜 다른 성능을 구현하는 디퓨져(D1, D2)를 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 원심 펌프는 입구폭과 노즐각이 상이한 디퓨져 중에서 펌프가 사용되는 시스템의 설계에 맞는 디퓨져만을 선택하여 교체함으로써 펌프 자체를 교체하지 않고 1대의 펌프로 설계에 맞는 성능으로 용이하게 구현할 수 있다.

본 명세서 또는 첨부도면에서, 디퓨져(D1)은 노즐(N1)이 형성된 디퓨져를 말하고, 디퓨져(D2)는 노즐(N1)와 상이한 형상을 가진 노즐(N2)이 형성된 디퓨저를 말한다. 또한, 노즐(N1)은 입구폭(W1), 출구폭(W3), 및 노즐각(θ1)을 가지고, 노즐(N2)은 입구폭(W2), 출구폭(W4), 및 노즐각(θ2)을 가진다. 여기서, 노즐의 깊이(b)는 입구측과 출구측이 동일하고 디퓨져(D1)에서의 깊이나 디퓨져(D2)에서의 깊이가 각각 동일하다.

바람직한 실시예로서, 상기 디퓨져(D1, D2)에 상기 노즐(N1, N2)은 하나 이상의 갯수로 형성될 수 있다.

이제, 상기 구성을 가진 원심 펌프의 성능을 변환하는 방법에 대해 설명한다. 펌프 구성의 설명과 관련하여 상기 설명과 중복되는 부분은 이하에서 생략한다.

본 발명에 따른 원심 펌프 성능 변환 방법은 케이싱(1)과 상기 케이싱(1)의 내측에 임펠러(2)를 포함하고, 입구폭(W1)과 노즐각(θ1)을 가지며 상기 임펠러(2)로부터 유입되는 유체를 상기 케이싱(1)으로 유출하는 하나 이상의 노즐(N1)이 형성된 디퓨져(D1)가 상기 케이싱(1)과 임펠러(2)의 사이에 배치되는 원심 펌프의 성능을 변환하는 방법에 관한 것으로서, 특히, 1대의 펌프로 최고 효율점의 유량(Q_BEP)을 변환하는 방법에 관한 것이다.

특히, 본 발명에 따른 성능 변환 방법은 최고 효율점의 유량(Q_BEP)을 변환하더라도 체절비는 일정하게 유지되는 것을 특징으로 한다.

상기 체절비(Head rise to shut off ratio)는 아래 수식으로 표현되고, 펌프가 설치되는 시스템의 상황 또는 설계 상황에 따라 정해지는 값이다.

체절비(%) = 체절 양정(H0)/최고 효율점의 양정(H1)

본 발명에 따른 성능 변환 방법은 케이싱(1)과 임펠러(2) 등의 구성은 동일한 1대의 펌프에서 디퓨져만 교체해서 펌프의 성능을 변환하는 것이므로, 디퓨져를 교체하더라도 설계상 정해지는 체절비는 유지되어야 한다.

상기 체절 양정(H0)은 유량이 0인 지점(즉, 원심펌프의 토출구를 닫아 토출량이 0이 된 경우)의 양정이므로 본 발명에서 디퓨져만을 교체하더라도 체절 양정(H0)은 교체 전과 후가 일정하다.

따라서, 상기 체절비가 일정하게 유지되기 위해서는 디퓨져 교체 또는 노즐의 형상이 변하더라도 최고 효율점의 양정(H1)은 일정해야 한다.

한편, 양정(H)은 V²/2g (V는 유속, g는 중력가속도)로 수식화될 수 있으므로, 최고 효율점의 양정(H1)은 (C4_BEP)²/2g (C4_BEP는 최고 효율점에서 노즐 출구측의 유체 유출 속도, g는 중력가속도)으로 표현될 수 있다.

결국, 체절비가 일정하게 유지되기 위해서는 디퓨져가 교체되더라도 또는 노즐의 형상이 변하더라도 최고 효율점에서 노즐 출구측의 유체 유출 속도(C4_BEP)는 일정해야 한다.

상기 설명한 바와 같이, 노즐 출구측의 유체 유출 속도는 유량Q/노즐 출구 단면적으로 나타낼 수 있는 바, 최고 효율점에서 노즐 출구측의 유체 유출 속도(C4_BEP)는 최고 효율점의 유량(Q_BEP)/ 노즐 출구 단면적으로 표현될 수 있다. 여기서, 유량은 속도×단면적으로 표현될 수 있어 상기 유량(Q_BEP)은 노즐(N1)의 경우 노즐 입구측의 유체 유입 속도(C3)×[입구폭(W1)×깊이(b)]로 표현될 수 있다. 이 때, 상기 유입 속도(C3)는 임펠러와 관련되는 속도인 바, 본 발명에서는 임펠러(2)는 동일한 상태에서 노즐의 형상이 다른 디퓨져만 교체하는 것이므로 상기 유입 속도(C3)는 디퓨져가 교체되더라도 항상 동일하다.

상기 설명은 노즐(N2)의 경우도 마찬가지로 적용된다.

다시 말해, 노즐의 형상이 변하더라도(즉, 노즐(N1)에서 노즐(N2)로 변하더라도) 최고 효율점에서 노즐 출구측의 유체 유출 속도(C4_BEP)가 일정해야 하기 때문에, 아래 관계식을 만족해야 한다.

C4_BEP = (C3×W1×b)/[(W1+(2×L×tan(θ1)))×b] = 일정(Const.)

즉, [(W1+(2×L×tan(θ1)))×b]/(C3×W1×b) 값도 일정하므로,

결과적으로, [(W1+(2×L×tan(θ1)))×b]/(C3×W1×b) = [(W2+(2×L×tan(θ2)))×b]/(C3×W2×b)을 만족해야 하고, 이를 정리하면 아래 관계식이 도출된다.

관계식 :

상기에서 W1는 노즐(N1)의 입구폭, θ1는 노즐(N1)의 노즐각, C3는 노즐 입구측의 유체 유입 속도, b는 노즐의 깊이, L은 노즐의 길이를 나타낸다. (도 5a 및 도 5b 참조)

이와 같이, 교체 전의 노즐(N1)의 형상[노즐각(θ1) 및 입구폭(W1)]과 교체 후의 노즐(N2)의 형상[노즐각(θ2) 및 입구폭(W2)]이 상기 관계식을 만족함으로써, 체절비를 일정하게 유지하면서도 유량 또는 최고 효율점의 유량(Q_BEP)을 변환할 수 있다.

도 6을 참조하며, 본 발명에 따른 원심 펌프의 성능 변환 방법을 다시 설명한다.

도 6은 케이싱(1)과 임펠러(2) 사이에 노즐(N1)이 형성된 디퓨져(D1)가 배치된 원심 펌프의 성능 그래프(case1), 동일한 케이싱(1)과 임펠러(2) 사이에 노즐(N2)이 형성된 디퓨져(D2)가 배치된 원심 펌프의 성능 그래프(case2), 및 동일한 케이싱(1)과 임펠러(2) 사이에 노즐(N3)이 형성된 디퓨져(D3)가 배치된 원심 펌프의 성능 그래프(case3)를 나타낸다.

상기 노즐(N1)은 입구폭(W1)과 노즐각(θ1)을 가지고, 상기 노즐(N2)은 입구폭(W2)과 노즐각(θ2)을 가지며, 상기 노즐(N3)은 입구폭(W3)과 노즐각(θ3)을 가지고, 아래 관계식을 만족한다.

도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 디퓨져(D1), 디퓨져(D2), 및 디퓨져(D3)로 교체 또는 변경되면서 최고 효율점의 유량 또는 유량 계수는 작아지지만(또는 변화하지만), 최고 효율점의 양정 또는 양정 계수(H1)는 1로 일정하다. 또한, 디퓨져만 교체되고 다른 구성은 동일하므로 체결 양정 또는 체결 양정 계수(H0)는 1.2로 일정하다. 따라서, 디퓨져(D1), 디퓨져(D2), 및 디퓨져(D3)로 교체되더라도 체절비는 1.2로 일정하다는 것을 알 수 있다.

결과적으로, 상기 관계식을 만족시키며 노즐의 형상을 변경하여 디퓨져를 교체하면, 체절비는 일정하게 유지되면서 유량(계수) 또는 최고 효율점의 유량(Q_BEP)(계수)을 변화시킬 수 있으므로, 본 발명에 따른 방법에 의하면, 노즐의 형상이 다른 디퓨져의 교체만으로 케이싱(1)과 임펠러(2) 등의 구성은 동일한 1대의 펌프로 유량(또는 최고 효율점의 유량)과 같은 펌프의 성능을 다양하게 변환할 수 있다.

본 발명에 따른 원심 펌프의 성능 변환 방법은 디퓨져의 형상 변화 다시 말해 디퓨져 노즐 형상(입구폭과 노즐각 등)의 변화를 통해 원심 펌프의 수력 성능을 다양하게 변화시키는 기술로서, 기존의 볼류트 원심 펌프, 고압 다단 펌프 및 피스톤 펌플 대체할 수 있는 기술이다.

본 발명의 실시를 위해 적용 가능한 임펠러 타입으로는 Semi-open 타입 임펠러 또는 Closed 타입 임펠러 모두 가능하다.

상기 발명의 설명에서는 구체적인 실시예를 예시하며 본 발명을 상세히 설명하였으나 본 발명의 권리 범위는 상기 실시예에 제한되는 것이 아니며, 본 발명은 발명의 기술적 사상 범위 내에서 여러 가지 변형이 가능함이 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 자명하다 할 것이다.

Claims

삭제
케이싱(1)과 상기 케이싱(1)의 내측에 임펠러(2)를 포함하고, 입구폭(W1)과 노즐각(θ1)을 가지며 상기 임펠러(2)로부터 유입되는 유체를 상기 케이싱(1)으로 유출하는 하나 이상의 노즐(N1)이 형성된 디퓨져(D1)가 상기 케이싱(1)과 임펠러(2)의 사이에 배치되는 원심 펌프의 성능 변환 방법에 있어서;
상기 디퓨져(D1)를 입구폭(W2)과 노즐각(θ2)을 가진 노즐(N2)이 형성된 디퓨져(D2)로 교체하되 상기 노즐(N2)의 입구폭(W2)과 노즐각(θ2)이 아래 관계식을 만족함으로써, 체절비를 일정하게 유지하면서 상기 원심 펌프의 최고 효율점의 유량을 변환하는 것을 특징으로 하는 원심 펌프 성능 변환 방법.

상기 관계식에서, θ1은 상기 노즐(N1)이 이루는 각의 2분의 1에 해당되는 각도이고, θ2는 상기 노즐(N2)이 이루는 각의 2분의 1에 해당되는 각도이며, W1은 유체가 유입되는 노즐(N1)의 입구측 폭이고, W2는 유체가 유입되는 노즐(N2)의 입구측 폭이다.