KR102234649B1 - 밀폐형 원심펌프 임펠러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금형을 사용하여 제작한 테플론 수지의 밀폐형 원심펌프 임펠러에 관한 것이다.
본 발명은 임펠러의 허브 및 슈라우드의 형태, 임펠러 출구측 및 입구측 간의 높이 관계 등과 같은 임펠러의 형상을 새롭게 설계하여, 테플론 수지의 밀폐형 원심펌프 임펠러를 금형으로 제작할 수 있는 새로운 임펠러 제작방식을 구현함으로써, 제작이 쉽고 양산이 가능하며 효율을 높일 수 있는 등 임펠러의 품질과 성능을 확보할 수 있는 테플론 수지의 밀폐형 원심펌프 임펠러를 제공한다.

Description

밀폐형 원심펌프 임펠러{Closed type centrifugal pump impeller}

본 발명은 금형을 사용하여 제작한 밀폐형 원심펌프 임펠러에 관한 것이다.

일반적으로 원심펌프(Centrifugal pump)는 날개 형태의 임펠러를 고속으로 회전시켜 유체를 회전시킴으로써 유체의 원심력에 의해 유체를 펌핑하는 장치로서, 임펠러 중앙으로 유입된 유체는 임펠러가 회전함에 따라 주변 방향으로 퍼져 나갈 수 있고, 이러한 압력 에너지에 의해 유체가 펌핑된다.

보통 원심펌프는 다른 종류의 펌프에 비해 구조가 간단하며 제작비용이 저렴하고 내구성 및 효율도 훌륭한 장점이 있어 널리 이용되고 있다.

이와 같은 원심펌프에서 임펠러는 유체에 에너지를 부여하는 것으로서, 보통 유체는 고속 회전하는 임펠러의 날개 사이를 통과할 때 날개로부터 에너지를 받아 출구에서는 압력과 속도가 증가한 상태로 토출된다.

이러한 임펠러는 다양한 방법으로 제작이 가능하지만 복잡한 형상의 경우는 주조방식에 의한 제작방법이 가장 널리 사용되고 있다.

그러나, 주조방식으로 임펠러를 제작하는 경우, 코어나 쉘 몰드 등을 선(先) 제작해야 하는 등 공정이 복잡할 뿐만 아니라 제작기간이 많이 소요되는 단점이 있으며, 또 주조 시의 높은 온도로 인해 금속조직이 변하게 되는 등 다양한 임펠러의 구조적 특성을 확보하는데 어려움이 있고, 정밀성형에 한계가 있을 뿐만 아니라 대량생산에 어려움이 있는 등 생산성 측면에서 불리한 점이 있다.

국제 특허 WO 2013-181997호 일본 특허 JP 1996-105817호 한국 특허 10-1890480호

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 임펠러의 허브 및 슈라우드의 형태, 임펠러 출구측 및 입구측 간의 높이 관계 등과 같은 임펠러의 형상을 새롭게 설계하여, 테플론 수지의 밀폐형 원심펌프 임펠러를 금형으로 제작할 수 있는 새로운 임펠러 제작방식을 구현함으로써, 제작이 쉽고 양산이 가능하며 효율을 높일 수 있는 등 임펠러의 품질과 성능을 확보할 수 있는 밀폐형 원심펌프 임펠러를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 금형방식으로 양산제작이 가능한 밀폐형 원심펌프 임펠러는 다음과 같은 특징이 있다.

상기 밀폐형 원심펌프 임펠러는 허브와 다수의 블레이드, 그리고 슈라우드를 포함하는 밀폐형 원심펌프 임펠러로서, 상기 허브 및 슈라우드는 반경방향을 기준으로 직선 형태로 이루어지는 것이 특징이다.

여기서, 상기 블레이드의 출구 측 높이는 입구측 높이 대비 상대적으로 높게 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 블레이드의 두께(t)는 중심에서 외곽으로 갈수록 점차적으로 두꺼워지도록 할 수 있다.

바람직한 실시예로서, 상기 블레이드의 출구측 두께(t₂)는 아래의 [식 2]에 의해 결정할 수 있다.

[식 2]

t₂ = sinβ₂/Z(πd_2o - Q/v_m2b₂)

바람직한 실시예로서, 상기 허브와 슈라우드, 그리고 블레이드의 재질, 즉 임펠러의 재질은 테플론 수지 등과 같은 재질로 이루어질 수 있다.

본 발명에서 제공하는 밀폐형 원심펌프 임펠러는 다음과 같은 효과가 있다.

임펠러의 소재로 테플론 수지를 사용하고, 또 금형을 이용하여 제작하는 방식을 적용함으로써, 제작성 향상은 물론 양산이 가능하고, 임펠러의 효율을 높일 수 있으며, 임펠러의 전반적인 품질과 성능을 확보할 수 있는 효과가 있다.

즉, 화학약품 공급용 등에 사용하는 임펠러의 경우 화학반응에 강한 테플론 재질을 사용하여 제작을 해야 하며, 이러한 경우 효율이 높은 밀폐형(Closed Type) 원심펌프 임펠러를 기존방식으로 만드는 경우 조각으로 제작하여 융접을 하는 방식을 사용해야 하지만, 본 발명에서 제시된 방식으로 설계된 임펠러의 경우 금형을 사용하여 손쉽게 양산 제작 가능하다.

또한, 임펠러 효율 측면에서도 날개의 두께를 변화시켜주는 방식을 활용함으로써, 기존의 방식에 비해 정밀제작이 가능할 뿐만 아니라 날개의 두께 변화, 입구측 높이와 출구측 높이 간의 변화 등과 같은 설계 변경을 통해 임펠러의 효율을 기존 주조방식으로 제작한 임펠러 대비 월등히 높일 수 있다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 밀폐형 원심펌프 임펠러를 나타내는 사시도, 정면도 및 단면도
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 밀폐형 원심펌프 임펠러에서 슈라우드를 제거하여 날개형상을 보여주기 위한 사시도, 정면도 및 측면도
도 7은 기존의 임펠러 자오면과 본 발명의 임펠러 자오면을 나타내는 개략도

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 밀폐형 원심펌프 임펠러를 나타내는 사시도, 정면도 및 단면도이고, 도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 밀폐형 원심펌프 임펠러에서 슈라우드를 제거하여 날개형상을 보여주기 위한 사시도, 정면도 및 측면도이다.

도 1 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 밀폐형 원심펌프 임펠러는 금형을 사용하여 양산제작이 가능한 밀폐형 원심펌프 임펠러로서, 허브와 슈라우드가 직선 형태를 구성됨과 더불어 임펠러 입구 높이보다 임펠러 출구 높이가 더 높게 형성되어 금형 제거가 용이한 구조로 이루어지게 되고, 또 임펠러의 블레이드 입구 높이보다 임펠러의 블레이드 출구높이가 더 높은 형상을 유지하면서 효율을 확보하기 위해 블레이드의 두께를 일정하게 하지 않고 외곽쪽으로 진행되면서 점차 두꺼워지는 형상을 갖게 된다.

이를 위하여, 상기 밀폐형 원심펌프 임펠러는 기본적으로 허브(10), 다수의 블레이드(11) 및 그 사이에 조성되는 물 통로(13), 슈라우드(12)를 포함한다.

여기서, 각각의 블레이드(11) 및 물 통로(13)는 일반 밀폐형 원심펌프 임펠러와 마찬가지로 동일한 방향성을 유지하면서 임펠러 입구에 해당하는 중심쪽에서 임펠러 출구에 해당하는 외곽쪽으로 호(弧) 형상의 궤적을 그리며 형성된다.

특히, 상기 허브(10) 및 슈라우드(12)는 반경방향을 기준으로 직선 형태로 이루어지게 된다.

예를 들면, 상기 허브(10)와 슈라이드(12)를 이루는 형상은, 임펠러를 측면에서 봤을 때, 중심쪽 허브(10)에서 외곽쪽 슈라우드(12)로 이어지는 라인이 경사지게 스트레이트로 곧장 뻗어나가는 직선 형태로 이루어질 수 있게 된다.

물론, 이와 연계되면서 형성되는 블레이드(11) 및 물 통로(13)도 직선 형태를 이룰 수 있게 된다.

그리고, 상기 각각의 블레이드(11)의 사이에 조성되는 물 통로(13)의 출구 높이는 입구 높이 대비 상대적으로 높게 이루어지게 된다.

즉, 임펠러 블레이드의 입구 측 높이보다 임펠러 블레이드의 출구 측 높이가 더 높게 이루어질 수 있게 된다.

이렇게 밀폐형 원심펌프 임펠러가 금형을 제거하기 용이한 형상으로 구성됨으로써, 즉 허브(10)와 슈라이드(12)가 직선 형태로 구성되고, 또 임펠러 출구 높이가 임펠러 입구 높이보다 높게 구성됨으로써, 금형을 이용하여 임펠러를 제작할 수 있게 되고, 결국 금형을 이용한 임펠러의 양산이 가능함과 더불어 임펠러를 정밀하게 제작할 수 있게 된다.

이러한 밀폐형 원심펌프 임펠러는 금형을 사용하여 손쉽게 양산 제작이 가능하면서도 효율을 보장할 수 있는 구조적 특징을 갖는다.

이를 위하여, 상기 블레이드(11)의 두께(t)는 임펠러 중심(입구쪽)에서 임펠러 외곽(출구쪽)으로 갈수록 점차적으로 두꺼워지게 되며, 이때의 블레이드(11)의 출구측 두께(t₂)는 아래의 식 (2)에 의해 결정될 수 있게 된다.

t₂ = sinβ₂/Z(πd_2o - Q/v_m2b₂) -----(2)

여기서, Z는 날개 개수, Q는 유량, v_m2는 출구 유출 유속, β₂는 블레이드 출구에서 유출각, d_2o는 임펠러 외경, b₂는 블레이드 출구측 높이를 나타낸다(도 7 참조).

그리고, 상기 허브(10)와 슈라우드(12), 그리고 블레이드(11)의 재질, 즉 임펠러의 재질은 합성수지, MC 나일론, 우레탄, 테플론 수지 등 다양한 재질을 적용할 수 있으며, 특히 내열성, 내부식성, 내마찰성 등이 뛰어난 테플론 수지를 적용하는 것이 바람직하다.

이와 같이 금형을 이용하여 양산이 가능한 임펠러의 형상에 대해 좀더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

도 7에 도시한 바와 같이, 여기서 (a)는 기존 임펠러의 자오면을 나타내고, (b)는 본 발명에 따른 임펠러의 자오면을 나타낸다.

기존 밀폐형 원심펌프 임펠러의 경우 대부분 주조방식으로 제작하고 있다.

그러나, 본 발명에서와 같이 테플론 수지를 사용한 금형을 이용하여 밀폐형 원심펌프 임펠러를 제작하고자 할 경우, 밀폐형 원심펌프 임펠러의 형태는 금형을 제거할 수 있는 형태로 설계되어야 한다.

(a)는 기존 임펠러의 자오면과 자오면 상에 표기되는 임펠러의 주요 치수를 나타낸다.

일반적으로 자오면의 허브 및 슈라우드는 유동저항을 최소화하고자 부드러운 곡면을 가지도록 설계하는 것이 보통이다.

본 발명에서 제공하는 밀폐형 원심펌프 임펠러는 테플론 수지를 사용하여 주조방법 대신 금형을 통해 제작하는 것이 가능한 형태로 만드는 것을 목표로 하였기 때문에 (b)와 같이 허브와 슈라우드를 직선 형태로 구성하였으며, 특히 일반적인 설계방법(b₁'＞b₂')과 달리 양산과정에서 금형 제거성 때문에 블레이드 출구 높이(b₂)가 블레이드 입구 높이(b₁)보다 높게 설계하였다.

이와 같이, 본 발명에서 제공하는 밀폐형 원심펌프 블레이드의 출구측 높이(b₂)는 입구측 높이(b₁)보다 큰 값을 가지도록 설계되어 있으며, 그리고 자오면 통로 또한 금형이 쉽게 빠져나오도록 직선의 형태를 가지고 있음을 보여준다.

이와 같은 설계과정에 있어서 블레이드의 입구측 높이(b₁)는 기존의 펌프 설계값(b₁')을 가지지만(b₁'=b₁), 블레이드의 출구측 높이 b₂의 값은 입구측 높이 b₁의 값보다 큰 값[b₂≒(b₁+1mm), 제작 중 테플론 수축성을 고려하여 쉽게 금형이 바깥으로 빠져나오도록 약 1mm 정도의 여유를 준다]을 가지도록 설계해야 하므로, 출구측 유속(v_m2)을 동일하게 유지하도록 출구측 날개의 두께(t₂)를 아래의 식 (2)를 사용하여 결정한다.

t₂ = sinβ₂/Z(πd_2o - Q/v_m2b₂) -----(2)

또한, 본 발명에서 제공하는 임펠러의 경우, 블레이드의 두께가 일정한(t₁=t₂) 기존 임펠러와 달리 블레이드의 두께가 일정하지 않으며, 이에 따라 기존 임펠러와 동등한 효율, 또는 기본 임펠로보다 향상된 효율을 확보할 수 있다.

즉, 본 발명의 임펠러는 기존과 달리 블레이드의 출구측 높이가 입구측 높이보다 높은 형상을 유지하면서도 효율을 보장하기 위해 블레이드의 두께가 일정하지 않고 바깥방향(외곽방향)으로 진행되면서 두꺼워지는 형상을 갖는다(t₁＜t₂).

기존과 같이 입구측 높이를 같이할 경우(b₁'=b₁), 출구측 높이가 기존의 경우와 비교했을 때 높은 값을 가지지만(b₂'＜b₂), 출구측 블레이드의 두께를 두껍게 하여(t₂'＜t₂) 아래의 식 (1)에서 보여주는 출구 유출 유속(v_m2)을 기존과 동일하게 함으로써, 한층 향상된 효율을 확보할 수 있다.

v_m2 = Q/(πd_2o - Zt₂/sinβ₂)b₂ = constant -----(1)

도 5와 도 7에서 미설명 수학기호 α, δ, β₁, β₂ 등은 펌프의 효율을 좋게 하기 위해 계산을 통해 결정된 값(이들 값이 특정한 값을 가질 때 가장 효율이 좋아지며 계산을 통해 결정한다)을 의미한다.

이와 같이, 본 발명에서는 테플론 수지의 밀폐형 원심펌프 임펠러를 금형으로 제작할 수 있는 임펠러 제작방식을 구현하여, 제작이 쉽고 양산이 가능하며 효율을 높일 수 있는 등 임펠러의 품질과 성능을 확보할 수 있는 새로운 밀폐형 원심펌프 임펠러를 제공함으로써, 높은 수준의 내열성 및 내화학성이 요구되는 분야에서 유용하게 사용할 수 있고, 화학공정용에 테플론 라이닝 기반의 고효율 원심펌프 신제품 출시가 가속화되고 있는 추세에 적극 대처할 수 있다.

삭제

10 : 허브
11 : 블레이드
12 : 슈라우드
13 : 물 통로

Claims (5)

1. 허브(10)와 다수의 블레이드(11), 그리고 슈라우드(12)를 포함하는 밀폐형 원심펌프 임펠러로서,
   상기 허브(10) 및 슈라우드(12)는 반경방향을 기준으로 직선 형태로 이루어지고,
   상기 블레이드(11)의 출구 측 높이(b₂)는 입구 측 높이(b₁) 대비 상대적으로 높게 이루어지고,
   상기 블레이드(11)의 두께(t)는 중심에서 외곽으로 갈수록 점차적으로 두꺼워지게 되되,
   상기 블레이드(11)의 출구측 두께(t₂)는 아래의 식 (2)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 밀폐형 원심펌프 임펠러.
   [식 2]
   t₂ = sinβ₂/Z(πd_2o - Q/v_m2b₂)
   (여기서, Z는 날개 개수, Q는 유량, v_m2는 출구 유출 유속, β₂는 블레이드 출구에서 유출각, d_2o는 임펠러 외경, b₂는 블레이드 출구측 높이를 의미함(도 7 참조))
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1항에 있어서,
   상기 허브(10)와 슈라우드(12), 그리고 블레이드(11)의 재질은 테플론 수지인 것을 특징으로 하는 밀폐형 원심펌프 임펠러.
   
   

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