KR102200789B1 - 고효율 및 낮은 비속도의 원심 펌프 - Google Patents

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Abstract

케이싱(3); 상기 케이싱 내에서 회전하도록 배치되는 회전 샤프트(9); 상기 회전 샤프트(9) 상에 고정되고 상기 케이싱(3) 내에 형성된 각각의 임펠러 챔버(17) 내에서 회전하도록 배치되는 임펠러(15)를 각각 구비하는 복수 개의 펌프 단(15, 17)을 포함하는 원심 펌프가 설명된다. 원심 펌프는 회전 구성요소와 각각의 고정 구성요소 사이의 누출을 감소시키기 위한 복수 개의 밀봉 부재를 더 포함한다. 밀봉 부재(27, 29) 중 적어도 하나는 각각의 고정 구성요소에 대해 루트 단부에서 대면 관계로 부착되고 고정 요소와 각각의 회전 구성요소 사이에 밀봉 링을 형성하는 유연성 플레이트 부재의 구조를 포함한다. 더욱이, 적어도 몇몇의 펌프 단은 25 이하의 비속도를 갖는다.

Description

고효율 및 낮은 비속도의 원심 펌프{HIGH EFFICIENCY LOW SPECIFIC SPEED CENTRIFUGAL PUMP}
본 개시는 원심 펌프, 특히 전용은 아니지만 다단 원심 펌프의 개선에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 비속도가 낮은 원심 펌프의 효율을 증대시키기 위한 개선에 관한 것이다.
다단 원심 펌프는 액체의 압력을 상승시키기 위해 널리 사용되고 있다. 다단 원심 펌프는 일반적으로 케이싱과, 이 케이싱 내에서 회전하도록 배치된 샤프트를 포함한다. 복수 개의 임펠러가 샤프트 상에 끼워지고 펌프 케이싱 내에 형성된 각각의 챔버 내에 회전 가능하게 수용된다.
단간(inter-stage) 밀봉 링 및 부싱이 케이싱 내에 끼워지고 각각의 임펠러와 협동하여 각 임펠러의 각 측부를 밀봉함으로써, 하나의 임펠러의 출구로 운반된 가압 액체가 상류측 단을 향해 역류하는 것을 방지한다. 밀봉 링 및 밀봉 부싱의 효율은 펌프의 전체 효율에 큰 영향을 미친다.
일반적으로, 펌프 입구와 펌프 출구 사이에서 펌프를 가로지르는 특정한 압력차를 고려해 볼 때, 단의 갯수가 많으면 단간 밀봉이 더 효율적으로 되는데, 그 이유는 각 밀봉 링 또는 밀봉 부싱을 가로지르는 압력 강하가 더 작아지기 때문이다. 이로 인해, 펌프의 효율이 더 높아진다. 반대로, 특히 고압의 다단 원심 펌프의 경우에, 전체 단의 갯수가 감소되면 단간 시일을 가로지르는 압력 강하가 증대되고, 이에 따라 액체 누출이 증가된다.
전체 펌프 효율의 저하는 특히 낮은 비속도 단의 경우에, 즉 높은 헤드, 다시 말해서 출구 압력과 입구 압력 간에 높은 차이를 이용하여 감소된 유량을 처리하도록 설계된 펌프 단 또는 다단 펌프와 관련되어 있다.
처리된 유체가 고체 미립자를 함유하거나 다상 유체(multi-phase fluid)인 용례에서 원심 펌프에 브러시 시일(brush seal)이 제안되었다. 그러나, 브러시 시일은 밀봉 효율이 제한되고 압력 강하 능력이 제한되었다.
따라서, 특히 다단 원심 펌프의 낮은 비속도 단에서 보다 효율적인 단간 밀봉 구조에 대한 요구가 존재한다.
본 개시는
케이싱, 상기 케이싱 내에서 회전하도록 배치되는 회전 샤프트, 및 1개 또는 복수 개의 펌프 단을 포함하는 단단 또는 다단 원심 펌프의 효율을 증대시킬 수 있는 개선된 밀봉 구조에 관한 것이다. 각 펌프 단은 회전 샤프트 상에 고정되고 각각의 임펠러 챔버 내에서 회전하도록 배치되는 임펠러를 포함한다. 원심 펌프의 회전 구성요소와 각각의 고정 구성요소 사이의 누출을 감소시키도록 복수 개의 밀봉 부재가 또한 마련된다. 몇몇 실시예에서, 적어도 하나의 펌프 단 내에 있는 적어도 하나의 밀봉 부재는 각각의 고정 구성요소에 대해 루트 단부에서 대면 관계로 부착되고 고정 요소와 각각의 회전 구성요소 사이에 밀봉 링을 형성하는 유연성 플레이트 부재의 구조 또는 유연성 플레이트 부재를 포함한다. 펌프 단들 중 하나 이상의 펌프 단은 아래와 같이 정의되는 비속도를 갖되,
Ns = (ωq1/2) / (h3/4)
Ns는 25 이하이고,
여기서, ω는 rpm으로 나타내는 펌프 샤프트의 회전 속도이며,
q는 최고 효율점(BEP; Best Efficiency Point)에서 m3/s로 나타내는, 단을 가로지르는 유량이고,
h는 m으로 나타내는, 단을 가로지르는 헤드 상승이다.
몇몇 실시예에서, 각 펌프 단은 25보다 높지 않은 낮은 비속도를 갖는다. 다른 실시예에서, 펌프는 N개의 단으로 구성될 수 있고 N-1개의 단이 25 이하의 비속도를 갖는다. 제1 단, 즉 펌프 입구 또는 흡입측에 더 가까운 단은 나머지 단들과 상이할 수 있고 25보다 높은 비속도를 가질 수 있다.
몇몇 실시예에서, 다단 펌프의 하나 이상의 단, 그리고 바람직하게는 1개를 제외한 모든 단, 또는 모든 단의 비속도가 23 이하, 바람직하게는 22 이하 그리고 더 더욱 바람직하게는 20 이하, 예컨대 15 이하일 수 있다.
몇몇 실시예에서, 펌프의 각 단은 입구측 밀봉 부재와 출구측 밀봉 부재를 포함한다. 적어도 하나의, 몇몇의 또는 모든 단의 적어도 입구측 밀봉 부재는 전술한 바와 같이 대면 관계로 배치되는 유연성 플레이트 부재로 구성된다. 특히, 적어도 입구 밉롱 부재가 유연성 플레이트 부재로 구성된다. 입구측 밀봉 부재는 각각의 임펠러의 임펠러 아이와 협동하도록 배치될 수 있다. 출구측 밀봉 부재는 각각의 임펠러의 임펠러 허브와 협동하도록 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 펌프 단의 1개의, 몇몇의 또는 모든 출구측 밀봉 부재는 유연성 플레이트 부재로 구성된다.
다른 실시예에서, 유연성 플레이트 부재를 포함하는 여러 개의 밀봉 부재가, 케이싱의 고정 부품 또는 구성요소와, 회전 샤프트의 부분 또는 회전 샤프트와 일체로 회전하는 부싱 등과 같은 구성요소의 부분 사이에 사용된다.
유연성 플레이트 부재에 의해 형성되는 추가 밀봉 부재가 최외측 펌프 단과, 펌프를 분위기로부터 격리시키는 기계적 시일을 수용하는 샤프트 단부 사이에 마련될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 펌프에는 밸런스 드럼이 마련될 수 있다. 밸런스 드럼과 협동하는 하나 이상의 밀봉 부재가 마련될 수 있다. 상기 하나 이상의 밀봉 부재는 유연성 플레이트 부재로 구성되거나 유연성 플레이트 부재에 의해 형성될 수 있다.
유연성 플레이트 부재는 유리하게는 단면이 축방향의 제1 치수와 접선 방향의 제2 치수(플레이트의 두께)를 갖는 평탄한 구성을 가지며, 제1 치수는 제2 치수보다 크고, 즉 유연성 플레이트는 두께보다 훨씬 큰 축방향 폭을 갖는다. 예컨대, 축방향 치수는 접선 방향의 적어도 10배이다. 유연성 플레이트의 좁은 단면은 접선 방향으로 굽힘 변형성을 제공하고 축방향으로 강성을 제공한다.
유연성 플레이트 밀봉 구조가 자체로 공지되어 있다. 터빈에서 그러한 밀봉 구조의 용례가 공지되어 있다. 그러나, 유연성 플레이트 부재는 터보-펌프에 대해 고안되지 않았다. 유연성 플레이트 밀봉 부재는 유연성 플레이트 부재들의 팁 단부와 회전 구성요소 사이의 누출 및 인접한 유연성 플레이트 부재들 사이의 누출의 조합인 총 누출 유동을 특징으로 한다. 제1 공헌은 밀봉 직경에 비례하고 제2 공헌은 시일 높이 및 샤프트 직경에 비례한다. 터보-펌프 밀봉 구조에서, 시일 높이와 밀봉 직경 간의 비율은 터빈에서보다 4-5배 크다. 따라서, 펌프에서의 유연성 플레이트 밀봉 구조는 용납할 수 없는 누출 유동을 초래한다. 유연성 플레이트 밀봉 구조와 낮은 비속도 단의 조합으로 인해 밀봉 효율이 대단히 개선되고 펌프 효율이 증대된다는 점이 이제 발견된 것은 놀라운 일이다. 대안적으로, 소정의 총 헤드 차이에 대해, 동일한 효율이 감소된 갯수의 단으로 달성될 수 있다.
특히 유리한 구조는 반경 방향 최외측 루트 단부로부터 플레이트 높이를 따라 중간 지점으로 연장되는 하나 이상의 슬릿을 갖는 유연성 플레이트 부재를 포함하는 래비린스 시일을 제공한다. 밀봉 구조의 고정 부품에 대해 속박된 하나 이상의 고정 링이 유연성 플레이트 부재의 슬릿 내에서 반경 방향 내측으로 연장되어 밀봉 구조의 효율을 증대시키는 래비린스를 형성한다.
특징 및 실시예가 여기 아래에 개시되고 또한 본 설명의 일체 부분을 구성하는 첨부된 청구범위에 기술된다. 위의 간략한 설명은 아래의 상세한 설명이 보다 양호하게 이해될 수 있도록 그리고 당업계에 대한 본 발명의 공헌이 더욱 잘 인식될 수 있도록 본 발명의 다양한 실시예의 특징을 기술한다. 물론, 이후에 설명되고 첨부된 청구범위에 기술되는 본 발명의 다른 특징이 존재한다. 이와 관련하여, 본 발명의 여러 실시예를 상세하게 설명하기 전에, 본 발명의 여러 실시예는 그 용례가 아래의 설명에 기술되고 도면에 도시된 구성의 상세 및 구성요소들의 구조로 제한되지 않는다는 점을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 실시예가 가능하고 다양한 방식으로 실시 및 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에 채용된 문구 및 용어는 설명을 위한 것으로서 제한으로 간주되어서는 안된다.
따라서, 당업자라면 본 개시가 기초로 하는 개념이 본 발명의 여러 목적을 수행하기 위한 다른 구조, 방법, 및/또는 시스템을 설계하기 위한 기초로서 쉽게 이용될 수 있다는 것을 알 것이다. 따라서, 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는 한 청구범위가 그러한 균등한 구성을 포함하는 것으로 간주되는 것이 중요하다.
본 발명의 개시된 실시예 및 많은 부수적인 이점의 보다 완벽한 이해는 개시된 실시예가 첨부 도면과 함께 고려하여 이하의 상세한 설명을 참조함으로써 보다 양호하게 이해될 때에 쉽게 얻어질 것이다. 도면에서:
도 1은 다단의 낮은 비속도 펌프의 개략도를 도시하고;
도 2는 도 1의 펌프의 한 단의 확대도를 도시하며;
도 3은 하나의 유연성 플레이트 시일의 단면도를 도시하고;
도 4는 유연성 플레이트 밀봉 구조의 개략도를 도시한다.
예시적인 실시예의 이하의 상세한 설명은 첨부 도면을 참조한다. 여러 도면에서의 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 요소를 가리킨다. 게다가, 도면은 반드시 실척으로 도시되어 있지 않다. 또한, 이하의 상세한 설명은 본 발명을 제한하지 않는다. 대신에, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 한정된다.
명세서 전반에 걸쳐 "일 실시예" 또는 "실시예" 또는 "몇몇 실시예"에 대한 언급은 실시예와 관련하여 설명된 특별한 특징, 구조 또는 특성이 개시된 주제의 적어도 하나의 실시예에 포함되어 있다는 것을 의미한다. 따라서, 명세서 전반에 걸쳐 다양한 지점에서 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서" 또는 "몇몇 실시예에서"라는 문구의 출현은 반드시 동일한 실시예(들)를 나타내지 않는다. 또한, 특별한 특징, 구조 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.
아래의 설명 및 첨부된 도면은 구체적으로 백투백 구조(back-to-back arrangement)를 갖는 소위 베어링간 펌프(between-bearings pump)의 예시적인 실시예에 관한 것이다. 그러나, 본 개시의 특징의 용도는 이 종류의 펌프로 제한되지 않는다. 이들 특징은 예컨대 인라인 로터 구성 및 밸런스 드럼을 갖춘 다단 펌프로 쉽게 확장될 수 있다. 본 명세서에 개시된 주제의 이점들 중 일부는 단단(single-stage) 원심 펌프, 즉 단일의 임펠러를 갖는 펌프에서 달성될 수 있다.
도 1은 다단 원심 펌프(1)의 수직 평면에 따른 종단면을 도시한다. 원심 펌프(1)는 전체적으로 참조 번호 3으로 지시되고 배럴(5)과 덮개(7)로 구성되는 케이싱을 갖는다. 케이싱(3)은 단부 베어링(11, 13)에 의해 지지되는 종동 샤프트(9)를 수용한다. 복수 개의 임펠러(15)가 샤프트(9) 상에 비틀림 결합되어 함께 회전한다. 각 임펠러(15)는 축방향 입구(19)와 반경 방향 출구(21)를 갖는 챔버(17) 내에 수용될 수 있다(특히 도 2 참조). 자체 공지된 방식으로, 챔버(17)는 직렬로 연결된다. 각 임펠러(15)와 각 챔버(17)가 하나의 펌프 단을 구성한다.
도 1에 도시된 예시적인 실시예에서, 원심 펌프(1)는 흡입 매니폴드(23A)와 운반 또는 배출 매니폴드(23B)를 갖춘 소위 백투백 펌프이다. 임펠러(15)는 백투백 구성으로 배치되는, 2개 시리즈의 대향 배치된 임펠러(각각 15X와 15Y로 참조 번호가 부여됨)로 분할된다. 흡입 매니폴드(23A)를 통과한 유입 유동은 순차적으로 제1 시리즈의 임펠러(15X)의 제1 입구 임펠러(16)에서 처리되고, 이후에 제2 시리즈의 임펠러(15Y)에서 처리되며, 최종적으로 배출 매니폴드(23B)를 통해 운반된다. 2 세트의 임펠러들을 연결시키는 유체 채널링이 외부 배럴(5)과 내부 케이싱부(4) 사이에 제공되고, 거기에 챔버(17)가 형성된다. 내부 케이싱부(4)는 도 1의 단면에 평행한 평면을 따라 서로 연결되는 2개의 절반부에 의해 형성될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 예시적인 실시에에서, 각 임펠러(15)는 임펠러 허브(15H)와 임펠러 보호판(15S)을 포함하고, 이들 사이에 복수 개의 블레이드(15B)가 배치된다. 각 단을 위해, 입구측 밀봉 부재와 출구측 밀봉 부재가 제공될 수 있다. 보다 구체적으로, 임펠러 보호판(15S)과 케이싱 사이에서 단의 입구측에 단간 밀봉 링(27)이 배치되어 펌프 단의 입구측 밀봉 부재를 형성한다. 입구측 밀봉 링(27)은 펌프 케이싱의 고정 부분과 임펠러 보호판(15S)에 의해 형성되는 임펠러 아이(impeller eye) 사이에 배치되어 상기 임펠러 아이(15E)와 협동한다. 유사하게, 단간 밀봉 부싱(29)이 임펠러(15)의 허브(15H)와 케이싱(3) 사이에서 단의 출구측에 배치된다. 밀봉 부싱(29)은 펌프 단의 출구측 밀봉 부재를 형성한다.
여기서 또한 집합적으로 "밀봉 부재"라고 명명되는 밀봉 링 및 밀봉 부싱은 임펠러에서 배출되는 가압 액체가 단의 입구를 향해 복귀하는 것을 방지할 뿐만 아니라 다음 단의 입구의 액체가 임펠러(15)의 후방으로 이전 단에 진입하는 것을 방지한다.
몇몇 실시예에서, 원심 펌프(1)의 샤프트(9)를 따라 다양한 축방향 지점에 추가 밀봉 구조가 제공된다. 도 1에는, 샤프트(9)의 베어링(11, 13) 근처에 반경 방향 샤프트 밀봉 부재가 참조 번호 31과 35로 도시되어 있다. 추가의 중간 반경 방향 샤프트 밀봉 부재(33)가 샤프트와 고정 케이싱(3) 사이에서 샤프트(9)의 중간 지점에 배치되어 2 세트의 백투백 배치된 임펠러(15X, 15Y)를 분리시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 샤프트 밀봉 부재(31)는 샤프트 말단부(9A)와 임펠러 그룹(15X)의 최외측 임펠러 사이에 배치된다. 샤프트 밀봉 부재(35)는 대향 샤프트 말단부(9B)와 임펠러 그룹(15Y)의 최외측 임펠러 사이에 배치된다. 이중 임펠러(16)를 갖는 보조 펌프 단이 샤프트 밀봉 부재(35)와 샤프트 말단부(9B) 사이에 제공될 수 있다. 샤프트 말단부(9A, 9B)는 단부 베어링(11, 13) 내에 각각 지지된다. 외측의 기계적 밀봉 부재(12, 14)가 또한 각 베어링(11, 13)과 샤프트 밀봉 부재(31, 33) 사이에 각각 제공될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 밀봉 부재(27, 29, 31, 33, 35) 중 적어도 하나는 유연성 플레이트 밀봉 구조로서 설계된다. 몇몇 실시예에서, 회전 샤프트(9) 상에 배치되는 단하나, 몇몇의 또는 모든 샤프트 밀봉 부재(31, 33, 35)가 유연성 플레이트 밀봉 구조로서 설계된다. 다른 실시예에서, 오직 입구층 밀봉 부재(27)만이, 또는 출구측 밀봉 부재(29)만이, 또는 양자가 유연성 플레이트 밀봉 부재로서 설계된다. 또 다른 실시예에서, 모든 밀봉 부재(27, 31, 33, 35)와 가능하게는 또한 밀봉 부재(29)가 유연성 플레이트 밀봉 부재로서 설계된다.
도 3 및 도 4는 원심 펌프(1)의 회전축을 포함하는 평면을 따른 종단면도 및 밀봉 부재를 형성하는 유연성 플레이트 부재의 예시적인 구조의 사시도를 도시한다. 오직 일례로서, 도 3과 도 4는 임펠러(15)의 임펠러 아이 둘레에 마련되는 밀봉 링(27) 중 하나를 도시한다.
도 3 및 도 4에 도시된 예시적인 실시예에서, 밀봉 부재(27)는 펌프 케이싱(3)에 고정 결합되는 하우징(37)을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 하우징(37)은 후방 링(39)과 전방 링(41)으로 구성될 수 있다. 도시되지 않은 다른 실시예에서, 후방 링(39) 및/또는 전방 링(41)이 생략될 수 있다. 도 3 및 도 4의 개략도에서, 전방 링(41)과 후방 링(39)은 하우징(37)의 일체부로서 형성된다. 다른 실시예에서, 예컨대 전방 링은 케이싱(3) 내에 기계 가공될 수 있다. 후방 링과 전방 링 사이에, 중간 환형 벽(42)이 마련된다. 하우징(37)은 밀봉 구조의 고정 구성요소를 형성한다.
하우징(37) 내에, 유연성 플레이트 부재(43)가 배치된다. 도 4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 각각의 유연성 플레이트 부재(43)는 루트 단부 또는 루트(43R)와 팁 단부 또는 팁(43T)을 구비하고, 루트 단부(43R)는 유연성 플레이트 부재의 반경 방향 최외측 에지이며 팁은 유연성 플레이트 부재의 반경 방향 최내측 에지이다. 유연성 플레이트 부재(43)는 하우징(37)의 루트 단부(43R)에 고정된다. 도 4에 도시된 예시적인 실시예에서, 유연성 플레이트 부재(43)의 루트 단부는 중간 환형 벽(42)에 고정된다. 유연성 플레이트 부재(43)는 샤프트(9)의 회전축(A-A)을 향해 반경 방향 내측으로 연장되고 그 팁 단부(43T)는 각각의 회전 구성요소, 도 3 및 도 4에 도시된 예에서 각 임펠러(15)의 임펠러 아이(15E)와 접촉하게 또는 그 근처에 배치된다. 유연성 플레이트 부재(43)들은 면 대면 관계로, 즉 면 대 면 방식으로 배치되고 반경 방향에 대해 경사져 있어, 샤프트(9)가 회전 방향(fR; 도 4)으로 회전하게 한다.
당업자라면 유연성 플레이트 부재들의 유사한 구조가 또한 밀봉 부재(29) 및/또는 중간 및 단부 밀봉 구조(31, 33, 35)에 대해 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 밀봉 부재(31, 33, 35)는 샤프트(9)의 외표면과 직접 협동하는, 반경 방향 내향으로 배향된 에지를 갖는 유연성 플레이트 부재를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 밀봉 부재(31, 33, 35)는 부싱(31A, 33A, 35A)으로 구성되고, 부싱은 샤프트(9) 상에 끼워져 함께 회전된다. 유연성 플레이트 부재는 부싱(31A, 33A, 35A)의 외측 원통면과 함께 작용한다.
몇몇 실시예에서, 각 유연성 플레이트 부재는 대체로 박판 형상을 갖는다. 각 유연성 플레이트 부재는 축방향 치수가 접선 방향 치수보다 훨씬 큰 거의 직사각형 단면을 가질 수 있다. 따라서, 유연성 플레이트 부재는 축방향으로는 강성이지만, 접선 방향으로는 벤딩 가요성을 갖는다.
몇몇 실시예에서, 각 유연성 플레이트 부재(43)는 유연성 플레이트 부재(43)의 루트 단부(43R)로부터 유연성 플레이트 부재의 반경 방향 연장부를 따라 중간 지점으로 연장되는 적어도 하나의 슬릿을 포함한다. 도 3 및 도 4에 도시된 예시적인 실시예에서, 각 유연성 플레이트 부재(43)는 3개의 슬릿(45A, 45B, 45C)을 포함한다. 슬릿은 바람직하게는 직선형이고 반경 방향으로 연장된다. 예시적인 실시예에서, 중앙 슬릿(45B)은 측면 슬릿(45A, 45C)보다 길다. 유연성 플레이트 부재(43)는 슬릿(45A, 45B, 45C)이 정렬되도록 배치된다. 이 배치는 유연성 플레이트 부재(43)에 의해 형성되는 밀봉 구조 둘레에서 연장되는 3개의 환형 슬롯을 형성한다. 하우징(37)에 고정되는 대응 링(47A, 47B, 47C)이 유연성 플레이트 부재의 정렬된 슬릿(45A, 45B, 45C)에 의해 형성된 각각의 슬롯 내로 반경 방향으로 연장된다. 도 4에 도시된 예시적인 실시예에서, 링(47A, 47B, 47C)은 하우징(37)의 중간 환형 벽(42)으로부터 연장된다.
첨부 도면에서 일례로 도시된 바와 같이, 링(47A, 47B, 47C) 뿐만 아니라 대면하는 유연성 플레이트 부재(43)의 슬릿(45A, 45B, 45C)에 의해 형성되는 환형 슬롯은 가변적인 반경 방향 길이를 가질 수 있다. 이들은 또한 가변적인 축방향 폭을 가질 수 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 실시예에서, 3개의 슬릿(45A, 45B, 45C)이 각 유연성 플레이트 부재(43)에 마련되지만, 예컨대 설계 고려 사항을 기초로 하여 상이한 갯수의 슬릿 및 이에 따라 상이한 갯수의 링(47A, 47B, 47C)이 마련될 수 있다. 다른 덜 유리한 실시예에서는, 링 및 슬롯이 마련되지 않는다. 그 경우에, 유연성 플레이트 부재는 도면에 도시된 것보다 단단해진다. 그러나, 이 간소화된 실시예는 후에 명확하게 되는 바와 같이 덜 효율적인 밀봉 효과를 제공한다.
슬릿들의 형상 및 링들의 단면 형상은 예시적인 실시예에 도시된 바와 같이 직사각형일 수 있지만, 대신에 다른 형상이 사용될 수 있다. 예컨대, 슬릿 및 환형 링은 V형 또는 U형 단면을 가질 수 있다.
게다가, 또한 유연성 플레이트 부재(43)의 외주부가 도시된 바와 같이 직사각형이거나, 예컨대 루트 단부로부터 팁으로 또는 그 반대로 폭이 증가하는, T형, 사다리꼴 등과 같이 다르게 형성될 수 있다.
각 유연성 플레이트 부재(43)의 좁은 단면은 전술한 바와 같이 축방향의 강성 및 접선 방향의 벤딩 가요성을 제공한다. 환형으로 배치된 유연성 플레이트 부재(43)에 의해 형성된 밀봉 부재는 또한 밀봉 부재의 이면과 전면 간에 압력차가 큰 경우에, 즉 유연성 플레이트 부재(43)의 실질적으로 평면형 형상에 의해 제공되는 축방향 강성으로 인해 헤드값이 큰 경우에 효율적인 밀봉 기능을 제공한다. 축방향에서 유연성 플레이트 부재(43)의 강성으로 인해, 펌프 단을 가로지르는 헤드 차이가 높은 경우라도, 축방향에서 밀봉 구조의 변형이 무시할 수 있을 정도이고, 이에 의해 밀봉 기능이 보존된다.
하나 이상의 반경 방향 링(47A, 47B, 47C)과 유연성 플레이트 부재(43)의 슬릿(45A, 45B, 45C)에 의해 형성되는 원주 방향 슬롯의 조합은 래비린스 밀봉 효과(labyrinth sealing effect)를 부여함으로써, 누출 유동에 대한 저항을 증가시킨다.
이렇게 특히 유리한 밀봉 구조는 낮은 비속도를 특징으로 하는 원심 펌프의 효율을 증가시킨다. 원심 펌프의 단의 비속도는 다음과 같이 정의될 수 있다.
Ns = ωq1/2 / h3/4
여기서, Ns = 비속도
ω = 펌프 샤프트의 회전 속도(rpm)
q = 최고 효율점(BEP; Best Efficiency Point)에서의 유량(m3/h, l/s, l/min, m3/min, US gpm, British gpm)
h = 헤드 상승(m, ft).
사용된 단위에 따라[국제 시스템의 단위(SI) 또는 US 단위], 본 명세서에서 이해되는 바와 같이, 낮은 비속도의 원심 펌프 단은 비속도가 다음과 같은 범위에 해당하는 단이다.
Ns ＜ 25(SI 시스템에서)
Ns ＜ 1290(US 시스템에서)
다단 원심 펌프는 일반적으로 임펠러가 동일한 복수 개의 단을 구비한다. 따라서, 낮은 비속도를 갖는 다단 펌프는 모든 단이 낮은 비속도를 갖는 경우이다. 몇몇 실시예에서, 다단 원심 펌프의 제1 단은, 원심 펌프의 나머지 임펠러와 상이하고 더 높은 비속도를 가질 수 있는 임펠러를 갖는다.
원심 펌프, 특히 다단 원심 펌프에서 유연성 플레이트 부재를 사용하면, 단들의 갯수 및 이에 따라 임펠러의 갯수가 감소되고, 각 단을 가로질러 헤드, 즉 압력차가 증가되며, 유연성 플레이트 밀봉 부재의 밀봉 기능으로 인해 전체적인 펌프 효율이 높게 유지된다.
본 명세서에 설명된 주제의 개시된 실시예는 도면에 도시되었고 여러 예시적인 실시예와 관련하여 특이성 및 상세가 충분히 설명되었지만, 당업자에게는 본 명세서에 기술된 신규한 교시, 원리 및 개념과, 첨부된 청구범위에 개시된 주제의 이점으로부터 크게 벗어남이 없이 많은 수정, 변화 및 생략이 가능하다는 것이 명백할 것이다. 따라서, 개시된 혁신의 적절한 범위는 그러한 모든 수정, 변화 및 생략을 포함하도록 첨부된 청구범위의 가장 넓은 해석에 의해서만 결정되어야 한다. 게다가, 임의의 프로세스 또는 방법의 순서 또는 차례는 변형예에 따라 변경되거나 다시 순서가 정해질 수 있다.

Claims (13)

  1. 원심 펌프로서, 케이싱; 상기 케이싱 내에서 회전하도록 배치되는 회전 샤프트; 상기 회전 샤프트 상에 고정되고 상기 케이싱 내에 형성된 각각의 임펠러 챔버 내에서 회전하도록 배치되는 임펠러를 구비하는 적어도 하나의 펌프 단; 상기 원심 펌프 내에서 회전 구성요소와 각각의 고정 구성요소 사이의 누출을 감소시키도록 각각 배치되는 복수 개의 밀봉 부재를 포함하며, 상기 밀봉 부재들 중 적어도 하나는 각각의 고정 구성요소에 대해 루트 단부에서 대면 관계로 부착되고 상기 고정 구성요소와 각각의 회전 구성요소 사이에 밀봉 링을 형성하는 유연성 플레이트 부재의 구조를 포함하고, 상기 밀봉 부재들 중 적어도 하나는 상기 임펠러의 임펠러 아이(impeller eye) 둘레에 마련되고, 상기 임펠러 아이 둘레에 마련되는 밀봉 부재가 포함하는 유연성 플레이트 부재의 팁 단부는, 임펠러 아이와 접촉하거나 소정 간격 이격되어 배치되며, 상기 적어도 하나의 펌프 단은 아래와 같이 정의되는 비속도를 갖되,
    Ns = (ωq1/2) / (h3/4)
    Ns는 25 이하이고,
    여기서, ω는 rpm으로 나타내는 펌프 샤프트의 회전 속도이며,
    q는 최고 효율점(BEP; Best Efficiency Point)에서 m3/s로 나타내는, 단을 가로지르는 유량이고,
    h는 m으로 나타내는, 단을 가로지르는 헤드 상승인 것인 원심 펌프.
  2. 제1항에 있어서, 복수 개의 펌프 단을 포함하고, 각각의 펌프 단은 상기 회전 샤프트 상에 고정되고 각각의 임펠러 챔버 내에서 회전하도록 배치되는 임펠러를 구비하는 것인 원심 펌프.
  3. 제2항에 있어서, N 개의 단을 포함하고, (N-m)개의 단들(단, m < N)이 25 이하인 비속도(Ns)를 갖는 것인 원심 펌프.
  4. 제3항에 있어서, m =1인 것인 원심 펌프.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 모든 단들이 25 이하인 비속도를 갖는 것인 원심 펌프.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 각 펌프 단은 입구측 밀봉 부재를 포함하고, 상기 입구측 밀봉 부재 중 적어도 하나는 유연성 플레이트 부재의 구조를 포함하는 것인 원심 펌프.
  7. 제6항에 있어서, 상기 복수 개의 펌프 단의 각 입구측 밀봉 부재는 유연성 플레이트 부재의 구조를 포함하는 것인 원심 펌프.
  8. 제6항에 있어서, 유연성 플레이트 부재의 구조를 포함하는 각 입구측 밀봉 부재는 각각의 임펠러의 임펠러 아이(impeller eye)와 협동하도록 배치 및 구성되는 것인 원심 펌프.
  9. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 펌프 단은, 임펠러 허브와 협동하도록 배치 및 구성되고 유연성 플레이트 부재의 구조를 포함하는 출구측 밀봉 부재를 포함하는 것인 원심 펌프.
  10. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 각 펌프 단은 유연성 플레이트 부재의 구조를 포함하는 출구측 밀봉 부재를 포함하는 것인 원심 펌프.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 고정 구성요소와 상기 샤프트 또는 상기 샤프트 상에 장착된 부싱 사이에 적어도 하나의 샤프트 밀봉 부재를 포함하고, 상기 적어도 하나의 샤프트 밀봉 부재는, 상기 고정 구성요소에 대해 루트 단부에서 대면 관계로 부착되고 상기 고정 구성요소와 상기 회전 샤프트 또는 상기 회전 샤프트 상에 장착된 부싱 사이에 밀봉 링을 형성하는 유연성 플레이트 부재의 구조로 구성되는 것인 원심 펌프.
  12. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밀봉 부재들 중 적어도 하나의 밀봉 부재의 각각의 상기 유연성 플레이트 부재는, 유연성 플레이트 부재의 반경 방향 최외측 루트 단부와 반경 방향 최내측 팁 단부 사이에서, 유연성 플레이트 부재의 반경 방향 최외측 루트 단부로부터 반경 방향 중간 지점으로 유연성 플레이트 부재 내로 반경 방향으로 연장되는 적어도 하나의 슬릿을 포함하고, 상기 유연성 플레이트 부재의 슬릿은 환형 슬롯을 형성하도록 정렬되며, 상기 고정 구성요소에 부착되는 적어도 하나의 고정 링은 유연성 플레이트 부재에 의해 형성되는 상기 환형 슬롯 내로 반경 방향으로 연장되는 것인 원심 펌프.
  13. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밀봉 부재들 중 적어도 하나의 밀봉 부재의 각각의 상기 유연성 플레이트 부재는, 유연성 플레이트 부재의 반경 방향 최외측 루트 단부와 반경 방향 최내측 팁 단부 사이에서, 유연성 플레이트 부재의 반경 방향 최외측 루트 단부로부터 반경 방향 중간 지점으로 유연성 플레이트 부재 내로 반경 방향으로 연장되는 복수 개의 슬릿을 포함하고, 상기 유연성 플레이트 부재의 슬릿은 환형 슬롯을 형성하도록 정렬되며, 상기 고정 구성요소에 부착되는 복수 개의 고정 링은 유연성 플레이트 부재에 의해 형성되는 상기 환형 슬롯 내로 반경 방향으로 연장되는 것인 원심 펌프.
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