KR102261146B1 - 축 추력 감지기능을 구비하는 원심펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축 추력 감지기능을 구비하는 원심펌프에 관한 것이다. 본 발명의 일실시 예에 따른 축 추력 감지기능을 구비하는 원심펌프는 주축에 주축디스크를 설치하고, 상기 주축디스크와 마주보게 베어링디스크를 이격 배치한 후 축 추력에 의해 상기 주축디스크와 베어링디스크의 접촉발생시 센서유닛을 통해 이를 감지하여 외부에 신호를 송신함으로써, 내부에서 발생하는 축 추력의 발생 여부를 외부에서 쉽게 감지할 수 있고, 이를 통해 유지보수가 사전에 이루어질 수 있어 성능 및 기대수명을 효과적으로 연장할 수 있다.

Description

축 추력 감지기능을 구비하는 원심펌프{CENTRIFUGAL PUMP WITH AXIAL THRUST FORCE SENSING FUNCTION}

본 발명은 원심펌프에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 원심력을 이용한 압력상승으로 높은 곳까지 물을 퍼 올리기 위한 원심펌프에 관한 것이다.

예컨대, 원심펌프는 회전식 펌프의 하나로서, 소용돌이 모양의 날개를 빠른 속도로 회전시켜 그 원심력으로 압력 상승을 일으켜 높은 곳까지 물을 퍼 올리는 펌프를 지칭하고 있다.

즉 원심펌프는 하나 또는 복수의 회전차(Impeller)를 밀폐된 케이싱(Casing) 내에서 회전시킴으로써 발생하는 원심력을 이용하여 액체의 펌프작용, 즉 액체의 수송작용을 하거나 압력을 발생시키는 펌프로 공업 분야에 가장 많이 사용되고 있다.

이러한 원심펌프는 소형, 경량으로 구조가 간단하고 취급이 용이하며, 고속 회전이 가능하고, 효율이 높고 맥동이 적은 특징이 있다. 그리고 원심펌프는 케이싱과 회전차의 구조, 주축(Shaft)의 배치구조, 흡입구, 토출구의 지름 등에 의해 다양하게 분류되고 있다.

여기서 수도사업소, 축양장, 폐수처리장, 한해 및 수해 대책용, 재난 방지용 등으로 흡입구경이 Ø200 이상의 대형(KS B 7501: 한국표준규격) 원심펌프의 수요가 크게 증대되고 실정이다.

한편, 원심펌프는 크기(소형/대형)에 상관없이 뉴턴의 제2운동법칙과 3운동법칙으로 설명되는 반작용의 힘인 축 추력(Trust Force)이 발생할 수 있다. 그리고 이러한 축 추력은 베어링(Bearing)과 구동부(Motor) 측으로 작용할 수 있는데, 이는 상기 베어링 및 구동부의 진동을 유발하거나 심한 경우 파손을 유발하는 인자로 작용할 수 있다.

그러나 종래기술에 따른 원심펌프는 축 추력을 직접 확인할 수 있는 수단과 방법이 전혀 없어 원심펌프가 파손된 이후에야 그 원인을 밝힐 수 있는 구조적인 문제점이 있다.

따라서 원심펌프의 내부에서 발생하는 축 추력을 감지하여 사전에 유지보수함으로써, 성능 및 기대수명을 연장할 수 있도록 하는 기술개발의 필요성이 요구되고 있다.

일본 공개특허공보 특개평07-217600호

본 발명의 목적은 내부에서 발생하는 축 추력의 발생 여부를 외부에서 쉽게 감지할 수 있어 유지보수가 사전에 이루어질 수 있도록 한 축 추력 감지기능을 구비하는 원심펌프를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여,

본 발명의 일실시 예에 따른 축 추력 감지기능을 구비하는 원심펌프는 케이싱(Casing)의 내부공간에 설치된 회전차(Impeller)의 회전을 통해 발생하는 원심력을 이용한 압력상승으로 상기 케이싱의 흡입구를 통해 유체를 유입시켜 토출구로 토출하는 원심펌프로서,

상기 회전차를 회전시키는 주축(Shaft)에 고정 설치된 주축디스크(Shaft Disk);

상기 주축디스크와 마주보도록 케이싱에 설치된 베어링하우징(Bearing Housing)의 외부에 설치되며, 주축디스크와 이격 배치된 베어링디스크(Bearing Disk); 및

상기 베어링디스크에 구비되어 축 추력(Trust Force)에 의해 상기 주축디스크와 베어링디스크의 접촉발생시 이를 감지하여 외부에 신호를 송신하는 센서유닛(Sensor Unit);

을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 축 추력 감지기능을 구비하는 원심펌프에 있어서, 상기 주축디스크는 베어링디스크와 마주보게 이격 배치되는 디스크유닛(Disk Unit); 및

상기 디스크유닛이 측면에 구비되며, 볼트 체결방식으로 주축에 고정되는 디스크고정유닛;

을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 축 추력 감지기능을 구비하는 원심펌프에 있어서, 상기 베어링디스크는 베어링하우징과 주축 사이에 설치된 베어링유닛의 이탈을 방지하기 위하여 상기 베어링하우징에 설치된 제1베어링커버의 외면에 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 축 추력 감지기능을 구비하는 원심펌프에 있어서, 상기 센서유닛은 주축디스크와 베어링디스크의 접촉시 상승하는 마찰온도를 감지하는 온도센서로 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 축 추력 감지기능을 구비하는 원심펌프에 있어서, 상기 센서유닛에서 송신되는 신호를 수신하여 경광등을 점등하는 제어시스템(PLC Control System);

을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 축 추력 감지기능을 구비하는 원심펌프에 있어서, 상기 제어시스템은 경광등 점등과 함께 고객 또는 관리자의 스마트단말로 알림 문자를 전송할 수 있다.

이러한 해결 수단은 첨부된 도면에 의거한 다음의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용으로부터 더욱 명백해질 것이다.

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

본 발명의 일실시 예에 따르면, 원심펌프의 내부에서 발생하는 축 추력의 발생 여부를 외부에서 쉽게 감지할 수 있어 유지보수가 사전에 이루어짐으로써, 성능 및 기대수명을 효과적으로 연장할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따르면, 제어시스템을 통해 축력의 발생 여부를 경광등의 점등으로 알려주고, 나아가 고객 또는 관리자의 스마트단말에 알림 전송함으로써, 원심펌프의 외부에서 축 추력의 발생 여부를 쉽게 알 수 있다. 따라서 축 추력 감지기능과 관련된 신뢰성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 축 추력 감지기능을 구비하는 원심펌프를 나타내 보인 단면도.
도 2는 도 1에 따른 축 추력 감지기능을 구비하는 원심펌프의 요부를 확대하여 나타내 보인 단면도.
도 3 내지 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 축 추력 감지기능을 구비하는 원심펌프의 제어시스템을 나타내 보인 구성도.
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 축 추력 감지기능을 구비하는 원심펌프의 축 추력 감지를 위한 플로어차트.

본 발명의 특이한 관점, 특정한 기술적 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 구체적인 내용과 일실시 예로부터 더욱 명백해 질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 일실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

이하, 본 발명의 일실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 축 추력 감지기능을 구비하는 원심펌프를 나타내 보인 단면도로서, 좌측에 흡입구(11)가 형성되고, 상측에 토출구(12)가 형성된 케이싱(10)의 내부공간(10a)에 회전차(20)가 주축(30)을 통해 설치되고, 상기 케이싱(10)의 우측에 베어링하우징(50)이 설치되며, 상기 베어링하우징(50)과 주축(30) 사이에 설치된 베어링유닛(51)의 이탈을 방지하기 위한 제1베어링커버(52)와 주축(30)에 각각 주축디스크(40)와 베어링디스크(60)가 설치되어 서로 이격 배치된 결합관계를 나타내 보이고 있다.

도 2는 도 1에 따른 축 추력 감지기능을 구비하는 원심펌프의 요부를 확대하여 나타내 보인 단면도로서, 주축디스크(40)를 구성하는 디스크유닛(41)이 디스크고정유닛(42)을 통해 주축(30)에 설치되고, 상기 디스크유닛(41)과 마주보는 베어링디스크(60)가 제1베어링커버(52)의 외면에 설치되며, 상기 베어링디스크(60)에 센서유닛(70)이 구비된 결합관계를 나타내 보이고 있다.

도 1 내지 2에서 보듯이, 본 발명의 일실시 예에 따른 축 추력 감지기능을 구비하는 원심펌프(이하 '원심펌프'라 한다.)는 도면상 우측에 흡입구(11)가 형성되고, 상측에 토출구(12)가 형성된 케이싱(10)의 내부공간(10a)에 회전 가능하게 설치된 임펠러(Impeller)로 실시되는 회전차(20)의 회전을 통해 발생하는 원심력을 이용한 압력상승으로 상기 흡입구(11)를 통해 유체, 예컨대 물을 유입시켜 토출구(12)로 토출하게 된다.

여기서 상기 회전차(20)는 회전자, 회전체 또는 회전부 등으로 지칭할 수 있으며, 회전모터로 실시되는 구동부(30a)와 회전차(20)를 연결하는 주축(30)을 통해 회전하게 된다. 즉 상기 주축(30)의 도면상 좌측 선단은 회전차(20)에 축 연결되고, 우측 후단은 구동부(30a)에 축 연결되어 상기 구동부(30a)의 구동력을 회전차(20)에 전달하여 회전시키게 된다.

상기 주축(30)은 회전차(20)와의 분리방지를 위하여 선단에 와셔유닛(31) 및 너트유닛(32)이 순차적으로 체결됨과 아울러 키(Key)를 통해 고정하게 된다. 그리고 이러한 키 고정방식은 구동부(30a)와 연결되는 후단에도 적용하게 된다.

상기 케이싱(10)은 흡입구(11)의 반대편인 도면상 우측에 베어링하우징(50)이 설치되며, 상기 베어링하우징(50)의 도면상 내측 양단에 설치된 베어링유닛(51)을 통해 주축(30)의 회전을 안내하게 된다. 상기 베어링하우징(50)은 볼베어링(Ball Bearing)으로 실시되는 베어링유닛(51)의 이탈을 방지할 수 있도록 제1,2베어링커버(52)(53)를 포함한다.

여기서 상기 케이싱(10)은 케이싱서포트(13)를 통해 지지할 수 있다. 그리고 베어링하우징(50)은 베어링하우징서포트(54)를 지지할 수 있으며, 이러한 케이싱(10)과 베어링하우징(50) 사이에는 스터핑박스(Stuffing Box)가 설치될 수 있고, 상기 스터핑박스(21)와 주축(30) 사이에 주축(30) 보호를 위한 슬리브(33)가 구성될 수 있다.

또한, 상기 슬리브(33)와 스터핑박스(21) 사이에는 주축(30)의 회전을 지지하는 랜턴링(Lantern Ring)과 패킹(Packing)이 구비될 수 있으며, 이를 패킹 누르개(22)를 통해 보호할 수 있다.

다만, 이러한 원심펌프(1)의 구성은 본 발명의 기술적 특징을 이해하는데 도움을 주기 위한 배경기술로서, 본 발명의 일실시 예에 따른 원심펌프(1)의 구성 및 구조를 반드시 이로 한정하는 것은 아님을 사전에 밝혀둔다.

한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 원심펌프(1)는 축 추력(Trust Force)의 발생시 이를 감지할 수 있도록 주축에 고정 설치된 주축디스크(40) 및 상기 주축디스크(40)와 마주보게 베어링하우징(50)의 외부에 설치된 베어링디스크(60)를 포함한다.

이에 부가하여 서로 이격 배치된 베어링디스크(60)와 주축디스크(40)의 접촉발생시 이를 감지하여 외부에 신호를 송신하는 센서유닛(70)을 포함한다. 여기서 상기 센서유닛(70)은 베어링디스크(60)에 구비된 것을 도시하여 나타내 보이고 있다.

즉 축 방향으로 추력이 발생하게 되면, 주축(30)이 베어링유닛(51)과 구동부(30a) 측으로 이동하게 되며, 이는 곧 상기 베어링유닛(51) 및 구동부(30a)의 진동을 유발하거나 심한 경우 파손을 유발하는 인자로 작용할 수 있는데, 이를 감지하기 위하여 주축디스크(40)와, 베어링디스크(60) 및 센서유닛(70)이 구성되는 것이다.

상기 주축디스크(40)는 베어링디스크(60)와 마주보게 이격 배치된 디스크유닛(41) 및 상기 디스크유닛(41)을 주축(30)에 고정하는 디스크고정유닛(42)으로 구성된다.

즉 예컨대 원통형으로 형성되는 디스크고정유닛(42)을 주축(30)에 볼트 체결방식으로 고정함으로써, 결과적으로 상기 디스크고정유닛(42)의 측면에 구비된 디스크유닛(41)을 주축(30)에 고정 설치할 수 있게 된다.

상기 베어링디스크(60)는 베어링하우징(50)에서 베어링유닛(51)이 이탈되는 현상을 방지하기 위하여 상기 베어링하우징(50)에 설치된 제1베어링커버(52)의 외면에 부착되어 구비됨으로써, 디스크유닛(41)과 마주보게 배치될 수 있다.

여기서 상기 디스크유닛(41)과 베어링디스크(60)는 예컨대, 세라믹(Ceramic)을 통해 원판형으로 형성될 수 있으나 회전마찰에 의한 온도상승이 발생할 수 있는 재질이라면 어떠한 재질을 사용하여도 무방하므로, 특정한 재질로 한정하는 것은 아님을 사전에 밝혀둔다. 다만, 마찰에 의한 파손 및 온도상승으로 인한 화재 등의 안전사고를 유발하지 않는 재질을 선택하게 된다.

상기 센서유닛(70)은 주축디스크(40)와 베어링디스크(60)의 접촉시 상승하는 마찰온도를 감지하는 온도센서일 수 있다. 즉 주축디스크(40)는 회전체인 주축(30)에 고정되어 있으므로, 축 추력에 의해 상기 주축(30)이 도면상 오른쪽으로 이동하게 되면, 이를 따라 이동되어 베어링디스크(60)와 접촉하게 되는데, 상기 베어링디스크(60)와의 회전마찰에 의한 온도가 상승하게 된다.

따라서 이를 감지하여 축 추력의 발생 여부를 원심펌프(1)의 외부에서 알 수 있도록 하기 위하여 센서유닛(70)이 온도센서로 구성되는 것이다.

이하. 본 발명의 일실시 예에 따른 원심펌프의 축 추력 감지프로세스를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 축 추력 감지기능을 구비하는 원심펌프의 제어시스템을 나타내 보인 구성도로서, 스탠드형으로 구성되며, 터치스크린(81a) 방식으로 구성된 PLC컨트롤판넬(81)에 경광등(82)이 구비되어 구성된 제어시스템(80)을 나타내 보이고 있다.

도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 축 추력 감지기능을 구비하는 원심펌프의 제어시스템을 나타내 보인 구성도로서, 제어시스템(80)에 펌프판넬 전원(83), 노이즈필터(84), 파워서플라이(85), PLC 컨트롤(86)이 구성된 것을 나타내 보이고 있다.

도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 축 추력 감지기능을 구비하는 원심펌프의 축 추력 감지를 위한 플로어차트를 나타내 보이고 있다.

도 3 내지 5에서 보듯이, 본 발명의 일실시 예에 따른 원심펌프의 축 추력 감지프로세스는 먼저, 제어시스템(80)의 펌프판넬 전원(83)을 작동시킨다(ON). 그리고 PLC 컨트롤 축 추력 감시시스템을 작동시킨다(ON). 이후 디스크온도를 설정하게 되며, 디스크설정온도 이상검출이 발생하지 않으면, 초기상태인 PLC 컨트롤 축 추력 감시시스템으로 돌아가게 된다.

반대로 센서유닛을 통한 디스크설정온도 이상검출이 확인되면, 즉 상기 센서유닛에서 송신되는 신호를 제어시스템(80)이 수신하게 되면, PLC컨트롤판넬(81)의 경광등(82)을 점등하여 현장관리자 또는 고객에게 축 추력의 발생사실을 알려주게 된다. 그리고 중앙감시실 및 동력제어반으로 상태전송하고, 후속조치로서 원심펌프의 유지보수가 이루어지도록 하게 된다.

여기서 상기 PLC컨트롤판넬(81)의 경광등(82)을 통해 현장에서의 후속조치가 이루어지도록 함과 동시에 축 추력 발생 여부를 현장이 아닌 외부에서도 알 수 있도록 서버로 상태전송하고, 스마트폰으로 지칭되는 고객 또는 외부관리자의 스마트단말에 알림 문자를 전송하게 된다.

따라서 본 발명의 일실시 예에 따르면, 축 추력으로 인한 진동발생이나 파손되기 전에 원심펌프에 축 추력을 사전에 감지 가능함으로써, 원인파악 및 해결을 통한 성능 및 기대수명을 효과적으로 연장할 수 있다.

이상 본 발명을 일실시 예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 축 추력 감지기능을 구비하는 원심펌프는 이에 한정되지 않는다. 그리고 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다", 또는 "가지다", 등의 용어는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 해당 구성요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 하며, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.

또한, 이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능하다. 따라서, 본 발명에 개시된 일실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 일실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 원심펌프 10: 케이싱
10a: 내부공간 11: 흡입구
12: 토출구 13: 케이싱서포트
20: 회전차 21: 스터핑박스
22: 패킹 누르개 30: 주축
30a: 구동부 31: 와셔유닛
32: 너트유닛 33: 슬리브
40: 주축디스크 41: 디스크유닛
42: 디스크고정유닛 50: 베어링하우징
51: 베어링유닛 52: 제1베어링커버
53: 제2 베어링커버 54: 베어링하우징서포트
60: 베어링디스크 70: 센서유닛
80: 제어시스템 81: PLC컨트롤판넬
82: 경광등 83: 펌프판넬 전원
84: 노이즈필터 85: 파워서플라이
86: PLC 컨트롤

Claims (5)

1. 케이싱(10)의 내부공간(10a)에 설치된 회전차(20)의 회전을 통해 발생하는 원심력을 이용한 압력상승으로 상기 케이싱(10)의 흡입구(11)를 통해 유체를 유입시켜 토출구(12)로 토출하는 원심펌프(1)에 있어서,
   하기 베어링디스크(60)와 마주보게 이격 배치된 디스크유닛(41)과, 볼트 체결방식으로 주축(30)에 고정되어 디스크유닛(41)의 측면에 구비되는 디스크고정유닛(42)을 포함하여 상기 회전차(20)를 회전시키는 주축디스크(40)와;
   상기 주축디스크(40)와 마주보도록 케이싱(10)에 설치된 베어링하우징(50)의 외부에 설치되며, 주축디스크(40)와 이격 배치되며, 베어링하우징(50)과 주축(30) 사이에 설치된 베어링유닛(51)의 이탈을 방지하기 위하여 상기 베어링하우징(50)에 설치된 제1베어링커버(52)의 외면에 설치되는 베어링디스크(60)와;
   상기 베어링디스크(60)에 구비되어 주축디스크(40)와 베어링디스크(60)의 접촉시 상승하는 마찰온도를 감지하는 온도센서로 축 추력에 의해 상기 주축디스크(40)와 베어링디스크(60)의 접촉 발생시 이를 감지하여 외부에 신호를 송신하는 센서유닛(70)과;
   상기 센서유닛(70)에서 송신되는 신호를 수신하여 경광등(82)을 점등하는 제어시스템(80)과;
   상기 케이싱(10)과 베어링하우징(50)의 사이에는 스터핑박스(21)가 설치될 수 있고, 상기 스터핑박스(21)와 주축(30) 사이에는 주축(30)을 보호하는 슬리브(33)가 구성되고, 상기 슬리브(33)와 스터핑박스(21) 사이에는 주축(30)의 회전을 지지하는 랜턴링과 패킹을 보호하는 패킹누르개(22)를 포함하여 구성되며,
   상기 회전차(20)는 구동부(30a)와 회전차(20)를 연결하는 주축(30)을 통해 회전 가능하게 축 연결되고, 우측 후단은 구동부(30a)에 축 연결되어 상기 구동부(30a)의 구동력을 회전차(20)에 전달하여 회전시키는 것을 특징으로 하는 축 추력 감지기능을 구비하는 원심펌프.
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