KR102380405B1

KR102380405B1 - 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러의 설계방법, 이에 의해 제조된 임펠러, 및 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러를 구비한 수중펌프

Info

Publication number: KR102380405B1
Application number: KR1020210075058A
Authority: KR
Inventors: 김윤성
Original assignee: 김윤성
Priority date: 2021-06-09
Filing date: 2021-06-09
Publication date: 2022-03-30

Abstract

본 발명은 유체를 흡입 및 토출하기 위한 임펠러의 베인을 설계하는 방법 이 설계 방법에 의해 제조된 임펠러, 및 이를 갖는 수중펌프에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러의 설계방법은 구동축이 결합되는 축공부가 중앙에 형성되는 원판부, 상기 축공부에 위치하는 일단에서 150°이상 270°이하의 범위의 각도로 회전한 방향에 상기 원판부의 둘레에 위치하는 타단이 위치하도록 나선형태로 형성된 한 쌍의 스웹트 프란시스 베인을 포함하고, 상기 스웹트 프란시스 베인의 형상변수와 성능함수를 선정하는 단계, 상기 스웹트 프란시스 베인의 미리 선정된 기준 형상에 대해 상기 성능함수의 변화를 분석하는 단계, 상기 분석하는 단계에서 분석된 성능함수를 기초로 설계변수의 범위를 선정하고 LSH기법에 의해 성능함수를 계산하는 단계, 및 상기 LSH기법에 의해 계산된 성능함수를 기초하여 RSA기법을 통해 최적의 형상변수를 도출하는 단계를 포함하는 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러의 설계방법에 있어서, 상기 형상변수는 상기 스웹트 프란시스 베인은중공부와 상기 스웹트 프란시스 베인의 일단을 연결하는 제1 기준선에 대해 상기 프란시스 베인의 일단이 이루는 입구각, 및 상기 축중공부와 상기 스웹트 프란시스 베인의 타단을 연결하는 제2 기준선에 대해 상기 프란시스 베인의 타단이 이루는 출구각을 포함하며, 상기 최적의 형상변수를 도출하는 단계에서 도출된 형상변수는 상기 입구각은 71° 내지 73°이고, 상기 출구각은 75° 내지 76°이다.

Description

유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러의 설계방법, 이에 의해 제조된 임펠러, 및 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러를 구비한 수중펌프{A method for designing an impeller having a flow path expansion type swept Francis vane, an impeller manufactured thereby, and a submersible pump having an impeller having a flow path expansion type swept Francis vane}

본 발명은 유체를 흡입 및 토출하기 위한 임펠러의 베인을 설계하는 방법 이 설계 방법에 의해 제조된 임펠러, 및 이를 갖는 수중펌프에 관한 것이다.

일반적으로 펌프는 임펠러를 회전시켜 유체를 흡입하여 토출하는 데, 임펠러의 형상에 따라 펌프의 효율과 양정이 변화될 수 있다.

이에 따라 임펠러를 설계할 때에는 임펠러의 형상이 작게 변하하더라도 양정과 효율이 크게 변화될 수 있기 때문에 형상변수를 선택하는 것이 중요하다.

임펠러를 설계하는 방법은 종래에 본 출원인이 출원한 한국등록특허공보 제10-2012172호(2019.8.20.공고)의 "셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 설계방법"으로 개시된 바가 있다.

상기한 종래의 백스윕 임펠러의 설계방법은 회전축이 연결되는 허브와 상기 허브를 중심으로 복수 개의 블레이드가 원주방향으로 이격되어 형성되는 셀프 크리닝 기능을 갖는 백스윕 임펠러의 설계방법에 있어서, 상기 백스윕 임펠러의 형상변수와 목적함수를 설정하는 단계, 상기 형상변수의 범위를 설정하는 설계영역 설정단계, 상기 설계영역 설정단계에서 설정된 상기 형상변수의 범위를 기초하여 LHS기법에 의해 목적함수를 계산하는 단계, 및 상기계산된 목적함수를 기초하여 RSA기법에 의해 형상변수의 최적값을 선택하는 단계를 포함하여 최적의 형상으로 임펠러를 설계할 수 있었다.

하지만, 종래의 백스윕 임펠러의 설계방법은 축류펌프의 임펠러에 최적화된 조건값으로 설계할 수 있을 뿐, 원심임펠러와는 조건 및 형상이 달라 적용이 곤란한 문제점이 있었다.

또한, 종래의 백스윕 임펠러는 이물질의 협착을 최소화하여 펌프의 효율을 향상시키는 것이기 때문에 이물질이 없는 경우에 효율과 양정을 향상시키기 어려우며, 상대적으로 큰 이물질이 유입되는 경우, 이물질에 의해 펌프에 고장이 발생하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 최적의 형상을 갖는 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러를 용이하게 설계할 수 있을 뿐만 아니라, 양정과 효율을 향상시킬 수 있으며, 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러와 흡입인듀서에 의해 이물질의 제거성을 향상시켜 이물질의 걸림에 의한 수중펌프의 손상을 방지할 수 있는 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러의 설계방법, 이에 의해 제조된 임펠러, 및 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러를 구비한 수중펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러의 설계방법은 구동축이 결합되는 축공부가 중앙에 형성되는 원판부, 상기 축공부에 위치하는 일단에서 150°이상 270°이하의 범위의 각도로 회전한 방향에 상기 원판부의 둘레에 위치하는 타단이 위치하도록 나선형태로 형성된 한 쌍의 스웹트 프란시스 베인을 포함하고, 상기 스웹트 프란시스 베인의 형상변수와 성능함수를 선정하는 단계, 상기 스웹트 프란시스 베인의 미리 선정된 기준 형상에 대해 상기 성능함수의 변화를 분석하는 단계, 상기 분석하는 단계에서 분석된 성능함수를 기초로 설계변수를 선정하고 LSH기법에 의해 성능함수를 계산하는 단계, 및 상기 LSH기법에 의해 계산된 성능함수를 기초하여 RSA기법을 통해 최적의 형상변수의 값을 도출하는 단계를 포함하는 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러의 설계방법에 있어서, 상기 형상변수는 상기 스웹트 프란시스 베인은 상기 축공부와 상기 스웹트 프란시스 베인의 일단을 연결하는 제1 기준선에 대해 상기 프란시스 베인의 일단이 이루는 입구각, 및 상기 축공부와 상기 스웹트 프란시스 베인의 타단을 연결하는 제2 기준선에 대해 상기 프란시스 베인의 타단이 이루는 출구각을 포함하며, 상기 최적의 형상변수 값을 도출하는 단계에서 도출된 상기 최적의 형상변수의 값은 입구각이 71° 내지 73°이고, 출구각이 75° 내지 76°이다.

상기 스웹트 프란시스 베인의 상기 미리 선정된 기준 형상의 입구각과 출구각은 73.27°일 수 있다.

상기 성능함수는 효율과 양정을 포함할 수 있다.

상기 스웹트 프란시스 베인은 유체가 흡입되는 흡입공에 설치되는 흡입인듀서에 안착되어 설치되며, 상기 흡입인듀서는 유체가 흡입되는 유입공, 및 상기 유입공으로 흡입되는 유체에 포함된 이물질의 흡입을 안내하도록 상기 스웹트 프란시스 베인과 마주하는 내주면을 따라 나선형태로 형성되는 흡입가이드홈을 포함하고, 상기 흡입가이드홈과 상기 스웹트 프란시스 베인은 한 개 이상의 교차점을 갖도록 상기 흡입가이드홈의 중심선에 대한 극좌표(r2,θ2)가 r2=c*e^(d*θ2)를 만족할 때(여기서, c는 상기 유입공의 직경, d는 평면상에서 상기 흡입인듀서의 외경), 상기 스웹트 프란시스 베인의 괘적에 대한 극좌표(r1,θ2)는 r1=a+b*θ1(여기서, a는 상기 베인의 내경, b는 상기 베인의 외경)을 만족하도록 설계될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러는 상기한 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러의 설계방법에 의해 제작될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러를 구비한 수중펌프는 상기한 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러의 설계방법에 의해 제조된 임펠러, 상기 임펠러가 내부에 수용되며 흡입공과 상기 흡입공으로 유입된 유체가 토출되는 토출구가 형성된 펌프케이싱, 상기 흡입공에 설치되어 상기 임펠러가 안착되는 흡입인듀서, 및 상기 임펠러를 회전시키는 구동모터를 포함한다.

본 발명에 따르면, 최적의 형상을 갖는 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러를 설계하여 펌프의 효율과 양정을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 스웹트 트란시스 베인의 형상에 의해 이물질 제거성을 향상시킬 수 있으며, 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러와 흡입인듀서에 의해 이물질의 걸림을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 도시한 저면 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 도시한 저면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러의 설계방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러의 설계방법에 따라 입구각의 변화에 따라 양정과 효율의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러의 설계방법에서 입구각의 변화에 따른 임펠러의 90% span에서 속도장을 나타낸 도면이다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러의 설계방법에서 입구각의 변화에 따른 임펠러의 10% span에서 속도장을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러의 설계방법에서 출구각의 변화에 따라 양정과 효율의 변화를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러의 설계방법에서 출구각의 변화에 따른 임펠러의 10% span에서 속도장을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러의 설계방법에서 출구각의 변화에 따른 펌프케이싱의 10% span에서 속도장을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러의 설계방법에서 LSH기법을 통해 도출된 13 개의 실험점에 대한 입구각과 출구각을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러의 설계방법에서 RSA기법에 의해 선정된 4개의 RAS 모델의 양정과 효율을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러의 설계방법에서 RSA기법에 의해 선정된 RSA 2와 RAS 4 및 기본 형상의 임펠러 80% span에서 속도장을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러의 설계방법에서 RSA기법에 의해 선정된 RSA 2와 RAS 4 및 기본 형상의 펌프케이싱 80% span에서 속도장을 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러의 설계방법에서 최종 선정된 RSA 4의 성능 시험결과와 유동해석 결과를 비교한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러를 구비한 수중펌프를 도시한 측단면도이다.
도 16는 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러를 구비한 수중펌프를 구성하는 임펠러와 일례의 흡입인듀서를 도시한 사시도이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러를 구비한 수중펌프를 구성하는 일례의 흡입인듀서를 도시한 평면도이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러를 구비한 수중펌프를 구성하는 일례의 흡입인듀서를 도시한 측단면도이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러를 구비한 수중펌프를 구성하는 일례의 흡입인듀서에 의한 변화되는 속도장을 나타낸 도면이다.
도 20는 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러를 구비한 수중품프를 구성하는 다른 일례의 흡입인듀서를 도시한 평면도이다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러를 구비한 수중펌프를 구성하는 다른 일례의 흡입인듀서를 도시한 측단면도이다.
도 22는 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러를 구비한 수중펌프의 효율과 양정을 시험한 시험성적서이다.
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러를 구비한 수중펌프의 이물질 제거성을 시험한 시험성적서이다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 설명하도록 한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인(110)을 갖는 임펠러(100)의 설계방법으로 설계되는 스웹트 프란시스 베인(110)을 구비한 임펠러(100)는 원판부(120)의 중앙에 구동축이 결합되는 축공부(130)가 돌출되어 형성될 수 있다.

그리고, 원판부(120)는 원판부(120)의 둘레에서 축공부(130)로 갈수록 점점 높이가 높아지는 원추형태의 곡면으로 형성될 수 있다.

스웹트 프란시스 베인(Swept Francis Vane,110)은 원판부(120)의 일면에 180°간격으로 한 쌍이 돌출되어 형성될 수 있으며, 스웹트 프란시스 베인(110)은 축공부(110)에 일단이 위치하며 타단은 원판부(120)의 둘레에 위치할 수 있다.

스웹트 프란시스 베인(110)은 축공부(130)가 위치하는 일단에서 타단으로 갈수록 직경이 점점 넓어지는 나선형태로 형성될 수 있으며, 스웹트 프란시스 베인(110)은 일단에서 150°이상 270°이하의 범위의 각도로 회전한 방향에 타단이 위치될 수 있다.

여기서 스웹트 프란시스 베인(110)의 일단과 타단이 150°미만으로 회전한 방향에 위치하는 경우, 스웹트 프란시스 베인(110)에 의한 유체의 이동 경로가 짧아 펌프(500)효율이 하락되며, 270°를 초과하는 경우, 스웹트 프란시스 베인(110)에 의한 유체의 이동 경로가 길어지면서, 저항이 증가되어 펌프(500)효율이 하락되는 문제점이 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인(110)을 갖는 임펠러(100)의 설계방법은 스웹트 프란시스 베인(110)의 형상변수와 성능함수를 선정하는 단계를 포함할 수 있다.

형상변수는 스웹트 프란시스 베인(110)의 형상에 변화를 가할 수 있는 변수로서, 스웹트 프란시스 베인(110)은 나선형태의 기준 형상을 가지며, 기준 형상에 대해 3차원 모델링(ANSYS CFX 2019 R2)을 통해 다양한 형태로 변화하면서 펌프(500)의 가장 중요한 성능함수의 변화가 발생할 것이라고 예측되는 입구각(β1)과 출구각(β2)을 형상변수로서 선정하였다.

여기서, 성능함수는 수중펌프(500)의 가장 중요한 효율(η)과 양정(H)으로 선정하였다.

입구각(β1)은 스웹트 프란시스 베인(110)의 일단과 축공부(130)를 일직선상으로 연결하는 제1 기준선에 대해 스웹트 프란시스 베인(110)의 일단이 이루는 각도이고, 출구각(β2)은 스웹트 프란시스 베인(110)의 타단과 축공부(130)를 일직선상으로 연결하는 제2 기준선에 대해 스웹트 프란시스 베인(110)의 타단이 이루는 각도이다.

도 3 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인(110)을 갖는 임펠러(100)의 설계방법은 스웹트 프란시스 베인(110)의 미리 선정된 기준 형상에 대해 상기 성능함수의 변화를 분석하는 단계를 포함할 수 있다.

스웹트 프란시스 베인(110)의 미리 선정된 기준 형상에 대해 성능함수의 변화를 분석하는 단계는 스웹트 프란시스 베인(110)의 형상변수와 성능함수를 선정하는 단계에 따라 정해진 형상변수에 따라 변화되는 성능함수를 분석할 수 있다.

상기한 형상변수와 성능함수를 선정하는 단계에서 선정된 입구각(β1)과 출구각(β2)에 변화를 가할 때, 73.27°의 전후로 성능함수에 가장 큰 변화가 발생하기 때문에 기준 형상의 입구각(β1)과 출구각(β2)을 73.27°을 선정하였다.

성능함수의 변화는 ANSYS CFX 2019 R2의 유동해석 프로그램을 이용하였으며, 스웹트 프란시스 베인(110)의 프로파일은 3차 베지어 곡선(bezier curve)를 중심선에 대해 출구각(β2) 및 입구각(β1)만을 변화를 가하면서 성능함수의 변화를 관찰하였다.

입구각(β1)의 변화범위는 기준 형상의 입구각(β1)에 대해 -8°~ +4°의 범위에서 설정하였으며, 0.3CMM의 유량에서 입구각(β1)의 변화에 따라 양정과 효율의 변화를 도 4에 나타내었다.

도 4에 도시된 바와 같이 입구각(β1)을 변화시킴에 따라 기준 형상의 입구각(β1) 대비 효율 및 양정 값이 모두 증가였으며, 특히 입구각(β1)을 기준 형상의 입구각(β1) 대비 증가시킴에 따라 효율이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 입구각(β1)의 변화에 따른 임펠러(100)의 90% span에서 속도장을 도 5에 나타내었다.

도 5에 도시된 바와 같이, 기준 형상의 경우에는 축공부(130,화살표표시)에 낮은 구간이 발생하는 것을 알 수 있었으며, 이러한 저속도 구간은 입구각(β1)을 감소시킴에 따라 개선할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

이는 입구각(β1)이 감소됨에 따라 스웹트 프란시스 베인(110)의 길이가 감소하면서 상대적으로 입구부에서 균일하게 유체가 흡입되면서 유속이 낮은 영역이 넓게 분포한느 것을 확인할 수 있었다.

또한, 입구각(β1)이 -8°인 경우에는 원판부(120)의 둘레 근처에 위치하는 스웹트 프란시스 베인(110)의 근처 부분에서 유속이 높아짐을 알 수 있었다.

입구각(β1)의 변화에 따른 임펠러(100)의 10% span에서 속도장을 도 6에 나타내었다.

도 6에 도시된 바와 같이, 임펠러(100)의 회전에 따라 스웹트 프란시스 베인(110)의 후류에서 낮은 속도장이 분포하며 이는 입구각(β1)이 -8°인 경우에 확연히 나타났다.

그리고, 저속도 영역은 입구각(β1)을 증가시킴에 따라 감소하는 경향을 보이며 +4°에서는 상당히 개선된 것을 확인할 수 있었다.

결과적으로 기준 형상과 비교하여 입구각(β1)을 감소시킴에 따라 베인의 길이가 줄어들면서 임펠러(100) 90% span에서 축공부(130)의 근처에서의 저속도 구간이 개선되었고, 입구각(β1)을 증가시킴에 따라 길어진 스웹트 프란시스 베인(110)의 길이가 길어지면서 임펠러(100) 10% span에서의 후류의 저속도 영역이 개선됨을 알 수 있었다.

출구각(β2)의 변화범위는 기준 형상의 출구각(β2)에 대해 -8°~ +4°의 범위에서 설정하였으며, 0.3CMM의 유량에서 출구각(β2)의 변화에 따라 양정과 효율의 변화를 도 7에 나타내었다.

도 7에 도시된 바와 같이, 출구각(β2)을 변화시킴에 따라 기준 형상의 토축각에 대비하여 양정 및 효율이 증가하는 것을 알 수 있었다.

그리고, 출구각(β2)을 -4°로 변화시킬 경우에는 최대 양정 값을 확인할 수 있었으며, 출구각(β2)이 -4°일 경우에는 양정 및 효율이 크게 변화히지 않는 것을 알 수 있었다.

최대 효율 값은 +4°로 증가시킬 경우 나타났으며, 이는 스웹트 프란시스 베인(110)의 유체에 대한 저항이 확연히 감소되면서 효율이 증가하는 것을 알 수 있었다.

출구각(β2)의 변화에 따른 스웹트 프란시스 베인(110)을 갖는 임펠러(100)의 10% span에서 속도장을 도 8에 나타내었다.

도 8에 도시된 바와 같이, 출구각(β2)이 기준 형상의 출구각(β2)에 비해 감소할 경우, 10% span에서는 전반적으로 유속이 증가한느 경향을 보였다.

출구각(β2)의 변화에 따른 스웹트 프란시스 베인(110)을 갖는 임펠러(100)의 50% span에서 속도장을 도 9에 나타내었다.

도 9에 도시된 바와 같이, 펌프케이싱(300)의 내에서 스웹트 프란시스 베인(110)을 갖는 임펠러(100)의 유체가 유입되는 부분에서 토출구(330)로 갈수록 정압력이 크기가 증가하는 경향을 보이는 것을 알 수 있었다.

또한, 기준 형상의 경우에는 설부(cut-off) 부근의 정압 분포가 낮지만, 출구각(β2)을 변화시킴에 따라 설부 이후에서도 정압이 크기가 증가하는 것을 알 수 있었다.

여기서, 설부는 펌프케이싱(300)에서 임펠러(100)에 근접하게 돌출된 부분을 의미한다.

도 3 및 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인(110)을 갖는 임펠러(100)의 설계방법은 상기한 분석하는 단계에서 분석된 성능함수를 기초로 설계변수의 범위를 선정하고 LSH기법에 의해 성능함수를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.

이 LSH기법에 의해 성능함수를 계산하는 단계는 상기한 성능함수의 변화를 분석하는 단계에서 분석된 정보를 기초로 설계변수(형상변수의 설계범위)의 범위를 선정하고 LSH기법을 바탕으로 실험점을 도출하며, 도출된 다수의 실험점에서 성능함수를 계산할 수 있다.

LSH(Latin Hypercube Sampling)기법은 표본 추출 방법 가운데 하나로 분포 전반에 걸쳐 고르게 샘플링할 수 있는 이점이 있기 때문에 복수 개의 실험점을 도출할 때, 전반적으로 고른 분포에서 일관성을 갖도록 도출될 수 있다.

실시예에서는 LSH기법을 통해 도 10에서 보는 바와 같이, 13 개의 실험점을 토출하였다.

그리고, 각 실험점에 대해 3차원 비정상 RANS해석을 수행하여 [표 1]과 같이 성능함수를 계산하였다.

표 1에 보는 바와 같이, 스웹트 프란시스 베인(110)의 입구각(β1) 및 출구각(β2)의 조합에 따른 실험범의 성능함수 값들은 기준 형상보다는 높은 값으로 나타났으며, 이에 따라 실험점을 통해 최적의 성능함수를 갖는 입구각(β1)과 출구각(β2)의 선정이 필요하다.

도 3 및 도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인(110)을 갖는 임펠러(100)의 설계방법은 상기 LSH기법에 의해 계산된 성능함수를 기초하여 RSA기법을 통해 최적의 형상변수의 값을 도출하는 단계를 포함할 수 있다.

RSA(Response Surface Approximation)기법을 통해 최적의 형상변수의 값을 도출하는 단계는 LSH기법에 의해 계산된 성능함수를 기초로 최적의 성능함수를 도출할 수 있는 실험점을 RSA기법을 통해 최적의 형상변수를 도출할 수 있다.

여기서, RSA기법은 응답과 자극의 상관관계를 근사적으로 구하는 수치기법의 하나로써, 최적설계에 사용되는 기법중에 하나이다.

RSA기법을 통해 LSH기법에 의해 선정된 13개의 점 중 최적인 4개의 값을 파레토 최적해(pareto optimum solution)에 의해 도출하여 표 2과 이를 도 11에 나타내었다.

표 2 및 도 11에서 보는 바와 같이, RSA 1의 경우에는 가장 높은 전양정 및 가장 낮은 효율을 예측하고 있으며, 유동해석 결과 값과 비교하여 전양정 및 효율에 대해 각각 10.34% 및 5.21%의 오차를 나타내었다.

RSA 1의 성능함수 값을은 기준 형상과 비교하여 각각 6.27% 및 7.07%의 양정과 효율의 향상이 나타났다.

RSA 2는 다른 RSA 모델 들에 비해 예측 값과 유동해석이 결과 값이 가장 낮은 오차를 보였다.

RSA 2 및 RSA 3은 성능함수 값들이 기준 형상과 비교하여 전양정은 각각 15.93%, 및 3.06% 그리고 효율은 각각 11.50% 및 8.71%가 향상됨을 예측할 수 있었다.

RSA 4는 RSA 모델들 중 가장 낮은 전양정 및 가장 높은 효율 값을 예측하였고, 유동해석 결과의 오차도 2.06%와 5.57%를 보였으며, 기준 형상과 비교하여 각각 7.73% 및 11.40% 향상된 결과를 도출하였다.

RSA 모델들 중 유동해석 결과 값과 예측 값이 가장적은 RSA 2와 오차가 적으면서도 효율과 양정이 향상된 RSA 4를 최적의 형상변수를 갖는 모델로 선정하였다.

이에 따라 기준 형상과 RSA 2와 RSA 4의 스웹트 프란시스 베인(110)을 갖는 임펠러(100)의 80% span에서의 속도 분포를 도 12에 나타내었다.

도 12에서 보는 바와 같이, 기준 형상의 경우에는 축공부(130)의 부근에서 속도가 낮은 (타원형 점선)이 관찰되었으며, 낮은 속도 영역은 RSA 2 및 RSA 4에서는 개선되었음을 확인할 수 있었지만, RSA 2는 RSA 4보다 축공부(130)의 부근(화살표 표시)에서 다소 낮은 속도 구간이 분포되어 RSA 4의 개선 정도가 더 높은 것을 알 수 있었다.

그리고 RSA 2와 RSA 4의 스웹트 프란시스 베인(110)을 갖는 임펠러(100)의 80% span에서의 압력 분포를 도 13에 나타내었다.

도 13에서 보는 바와 같이, 기준 형상의 경우, 펌프케이싱(300)의 설부 근처에서 낮은 압력장이 넓게 분포하고, 이 구간은 RSA 2, RSA 4에서 모두 개선된 것을 학인할 수 있었다.

특히, RSA 2는 설부의 근처의 낮은 압력 분포가 대부분 사라진 것을 확인할 수 있었다.

이는 펌프케이싱(300)의 출구부의 압력장은 기준 형상과 비교하여 RSA 2와 RSA 4에서 큰 압력이 분포하면서 전양정 및 효율의 성능을 향상시키는 요인으로 작용한 것으로 판단할 수 있었다.

그러나, RSA 2는 펌프케이싱(300)의 내부에 비교적 압력차가 부분마다 크게 발생한다.

이에 따라 펌프케이싱(300)의 내부 압력이 비교적 균일하면서, 축공부(130)의 부근에서 낮은 속도 구간이 개선된 RSA 4를 최적의 형상변수를 갖는 모델로서 선정하였다.

선정된 RSA 4에 대한 설능시험 결과요와 유동해석 결과를 도 14에 그래프로서 하였으며, 도 14에 보는 바와 같이, 전양정은 실험과 비교하여 전반적으로 낮은값을 예측하였지만, 거의 일치하는 것으로 나타났다.

또한, 효율의 경우에도 예측 값에 대해 거의 일치하는 결과값을 나타냈으며, 0.4CMM에서 약 1.45%의 오차를 보이며 최적의 형상변수로 설계된 것으로 확인되었다.

이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인(110)을 갖는 임펠러(100)의 설계방법으로 설계되는 스웹트 프란시스 베인(110)을 구비한 임펠러(100)는 원판부(120)의 중앙에 축공부(130)가 형성되고, 원판부(120)에서 축공부(130)로 갈수록 높이가 높아지는 곡면을 가지며, 축공부(130)에서 나선형태로 일단과 타단이 150°이상 270°이하의 범위의 각도로 회전한 방향에 위치하도록 원판부(120)에 한 쌍의 스웹트 프란스시 베인이 형성된다.

한편, 스웹트 프란스시 베인의 입구각(β1)은 상기한 설계방법에서 도출된 형상변수의 값에 의해 71° 내지 73°를 가질 수 있으며, 출구각(β2)은 75° 내지 76°를 가지도록 형성될 수 있으며, 바람직하게 입구각(β1)은 72,2°이며, 출구각(β2)은 75.65°일 수 있다.

여기서, 입구각(β1)이 71°미민인 경우, 스웹트 프란시스 베인(110)의 길이가 짧아지면서 양정이 하락되며, 입구각(β1)이 73°를 초과하는 경우, 축공부(130)의 근처에서 압력이 낮아져 효율이 하락되는 문제점이 있다.

또한, 출구각(β2)이 75° 미만인 경우, 펌프케이싱(300)의 내부에서 설부의 정압력이 감소하여 효율이 하락되며, 출구각(β2)이 76° 초과하는 경우, 정압력은 증가하지만 유체의 저항성이 증가하면서 효율이 하락되는 문제점이 있다.

유로확장형 스웹트 프란시스 베인(110)은 스웹트 프란시스 베인(110)의 형상에 따라 유체가 유입되는 유입구의 구멍을 기존의 원심임펠러(100) 대비 확장시킬 수 있기 때문에 유로확장형 스웹트 프란시스 베인(110)이라고 칭한다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인(110)을 구비한 임펠러(100)는 스웹트 프란시스 베인(110)이 유체를 유입 및 토출하는 최적의 입구각(β1)과 출구각(β2)을 가져 양정과 효율을 향상시킬 수 있으며, 스웹트 프란시스 베인(110)에 의해 유체가 유입되는 흡입구(310)의 구경을 확장시켜 이물질의 걸림을 방지할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인(110)을 구비한 임펠러(100)를 구비한 수중펌프(500)를 설명한다.

도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인(110)을 구비한 임펠러(100)를 구비한 수중펌프(500)는 유로확장형 스웹트 프란시스 베인(110)을 갖는 임펠러(100)를 포함할 수 있다.

유로확장형 스웹트 프란시스 베인(110)을 갖는 임펠러(100)는 상기한 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인(110)을 갖는 임펠러(100)의 설계방법에 의해 제조된 임펠러(100)이며, 이에 대한 상세한 설명은 위에 설명하였으므로 생략한다.

도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인(110)을 구비한 임펠러(100)를 구비한 수중펌프(500)는 펌프케이싱(300), 구동모터(400), 및 흡입인듀서(200)를 포함할 수 있다.

펌프케이싱(300)은 내부에 임펠러(100)가 회전 가능하게 설치될 수 있으며, 펌프케이싱(300)에는 유체가 흡입되는 흡입구(310)와 흡입구(310)로 흡입된 유체가 토출되는 토출구(330)가 형성될 수 있다.

펌프케이싱(300)은 임펠러(100)의 둘레에서 토출구(330)로 갈수록 점점 반경이 넓어지는 형태의 내부공간을 가질 수 있으며, 흡입구(310)는 임펠러(100)의 축공부(130)와 대응되는 위치에 형성될 수 있다.

펌프케이싱(300)에는 임펠러(100)에 둘레에 근접하는 설부가 돌출되어 형성될 수 있으며, 임펠러(100)의 둘레로 토출되는 유체는 설부로부터 회전하면서 토출구(330)로 회전하여 토출되면서 유압이 증가되어 토출될 수 있다.

구동모터(400)는 펌프케이싱(300)에서 흡입구(310)가 위치하는 방향에 대해 반대방향에 위치할 수 있으며, 구동모터(400)의 구동축은 펌프케이싱(300)을 관통하여 임펠러(100)의 축공부(130)에 결합되는 형태로 임펠러(100)를 회전시킬 수 있다.

구동모터(400)는 전기에 의해 작동하는 전기모터일 수 있으며, 구동모터(400)는 수중에서 작동할 수 있도록 유체에 의해 기밀하는 모터케이싱에 의해 감싸질 수 있다.

구동모터(400)와 펌프케이싱(300)의 사이에는 펌프케이싱(300)을 관통한 구동축을 통해 구동모터(400)가 위치한 방향으로 유체가 유입되는 것을 차단하기 위해 오일이 충전되는 오일챔버가 설치될 수 있다.

흡입인듀서(200)는 흡입구(310)에 설치될 수 있으며, 흡입인듀서(200)는 임펠러(100)와 흡입구(310)의 사이로 압력이 세어나가는 것을 차단함과 동시에 유체아 흡입구(310)로 용이하게 흡입될 수 있도록 유체의 이동을 안내할 수 있다.

도 16 내지 19에 도시된 바와 같이, 흡입인듀서(200)는 유입공(210)을 포함할 수 있다.

유입공(210)은 실질적으로 유체가 흡입되는 구멍으로서 유입공(210)은 흡입인듀서(200)의 중앙부분에 관통된 형태로 형성될 수 있다.

유입공(210)의 직경은 하기에 설명할 임펠러(100)의 중앙에 형성되는 유체흡입반경보다 대응되는 직경을 갖거나, 유체흡입반경보다 작게 형성될 수 있다.

흡입인듀서(200)는 내주면부(220)를 포함할 수 있다.

내주면부(220)는 임펠러(100)의 스웹트 프란시스 베인(110)이 근접하게 안착되어 회전하는 임펠러(100)의 스웹트 프란시스 베인(110)의 중앙으로부터 흡입력을 발생할 수 있다.

내주면부(220)는 유입공(210)에서 임펠러(100)의 둘레로 갈수록 반경이 점점 넓어지는 곡면을 가지도록 형성될 수 있다.

흡입인듀서(200)는 플랜지부(250)를 포함할 수 있다.

플랜지부(250)는 흡입인듀서(200)를 펌프케이싱(300)에 설치하기 위해 고정하는 부분으로서, 흡입인듀서(200)의 둘레에서 링판의 형태로 돌출될 수 있다,

플랜지부(250)에는 펌프케이싱(300)에 흡입인듀서(200)를 고정하기 위한 볼트를 체결하는 볼트체결공이 복수 개가 관통 형성될 수 있다.

흡입인듀서(200)는 흡입가이드홈(230)을 포함할 수 있다.

이 흡입가이드홈(230)은 유입공(210)으로 유체가 흡입 시 임펠러(100)와 내주면부(220)의 사이에 끼인 이물질의 흡입을 안내할 수 있다.

흡입가이드홈(230)은 임펠러(100)의 회전에 따라 함께 회전하는 이물질이 가이드되면서 유입공(210)으로 이물질이 유도되어 유입될 수 있도록 이물질의 흡입을 가이드할 수 있다.

그리고, 흡입가이드홈(230)은 임펠러(100)에 의해 유체가 회전하는 방향으로 유체의 흡입되기 때문에 내주면부(220)에서 흡입가이드홈(230)으로 인해 유체의 흐름이 발생하면서, 유속이 증대되기 때문에 이물질의 흡입성이 향상될 수 있다.

물론 상대적으로 크기가 작은 이물질도 유속이 빠른 흡입가이드홈(230)을 통해 유입되기 때문에 이물질의 걸림을 최소화할 수 있다.

흡입가이드홈(230)은 회전하는 임펠러(100)에 의해 함께 회전하는 이물질이 흡입가이드홈(230)에 가이드되면서 흡입가이드홈(230)을 따라 흡입되도록 내주면부(220)에 오목한 홈의 형태로 형성될 수 있으며, 흡입가이드홈(230)은 유입공(210)에서 일단이 시작되어 외측으로 갈수록 반경이 점점 넓어지는 나선형태의 곡선으로 형성될 수 있다.

흡입가이드홈(230)은 임펠러(100)를 평면상에서 바라볼 때, 나선형태로 휘어진 스웹트 프란시스 베인(110)과 좌,우 대칭된 나선형태의 곡선을 가지도록 내주면부(220)에 형성될 수 있다.

한편, 흡입가이드홈(230)은 한 쌍의 스웹트 프란시스 베인(110) 중 어느 하나는 흡입가이드홈(230)과 교차점을 가지도록 형성되어 흡입가이드홈(230)으로 인해 내주면부(220)에서 흡입력이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

도 17을 참고하여, 흡입가이드홈(230)은 적어도 하나의 스웹트 프란시스 베인(110)이 흡입가이드홈(230)에 교차점(P)을 갖기 위해 하기위 공식에 의해 [수학식 1]과 [수학식 2]를 동시에 만족하도록 계산되어 설계될 수 있다.

이때, 스웹트 프란시스 베인(110)을 설계는 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인(110)을 갖는 임펠러(100)의 설계방법에 의해 설계될 때의 설계시 적용되는 기준 형상이 될 수 있다.

스웹트 프란시스 베인(110)의 궤적에 대한 극좌표(r1, θ1)는

[수학식 1]

r1 = a + b * θ1

(여기서, a는 상기 스튜드 프란시스 베인의 내경, b는 상기 스튜드 프란시스 베인의 외경)에 의해 계산될 수 있으며, 스튜드 프란시스 베인의 내경(a)은 유체유입공(210)으로 노출되는 부분을 의미한다.

상기 흡입가이드홈(230)의 중심선(CT)에 대한 극좌표(r2, θ2)는,

[수학식 2]

r2= c * e^(d*θ2)

(여기서, c는 상기 유입공(210)은 평면상에서 흡입인듀서(200)의 외경)계산될 수 있다.

위와 같이 스웹트 프란시스 베인(110)의 궤적에 대한 극좌표를 수학식 1에 의해 계산하고, 흡입가이드홈(230)의 중심선(CT) 극좌표를 수학식 2에 의해 계산하여 수학식 1과 수학식 2를 만족하족할 경우, 하나의 스튜드 프란시스 베인이 흡입가이드홈(230)에 적어도 1개 이상의 교차점(P)을 갖기 때문에 흡입가이드홈(230)의 형성으로 인한 압력손실을 최소화할 수 있다.

본 출원인은 흡입가이드홈(230)의 유속을 알아보기 위해 유체해석 프로그램인 ANSYS CFX 16.0 이용하여 시뮬레이션하여 도 19에 나타내었다.

도 19에 도시된 바와 같이, (a)는 흡입가이드홈(230)을 형성하지 않은 흡입인듀서(200)을 나타낸 것이고, (b)는 흡입가이드홈(230)을 형성한 흡입인듀서(200)를 타나낸 것으로서, 실시예에서와 같이, 내주면부(220) 중에서 흡입가이드홈(230)을 형성한 부분에 유속함에 따라 이물질이 흡입성이 향상됨을 알 수 있었다.

흡입인듀서(200)는 회전저지돌출부(240)를 포함할 수 있다.

이 회전저지돌출부(240)는 유입공(210)으로 흡입되는 이물질이 임펠러(100)의 회전에 따라 흡입되지 못하고 회전하는 경우, 이물질의 회전을 저지함으로써, 임펠러(100)의 회전력에 의해 이물질이 흡입되도록 이물질의 흡입을 유도할 수 있다.

예컨대, 상대적으로 크기가 큰 이물질의 경우, 임펠러(100)의 흡입력에 의해 흡입되지 못하고 임펠러(100)에 걸려 임펠러(100)와 함께 회전하는 데, 회전저지돌출부(240)는 회전하는 이물질의 회전을 저지시킴으로써, 임펠러(100)의 회전력에 의해 이물질이 흡입될 수 있도록 이물질의 흡입을 유도할 수 있다.

회전저지돌출부(240)는 유입공(210)이 형성된 둘레에서 유입공(210)의 중심을 향해 막대형태로 돌출되어 형성될 수 있다.

여기서, 회전저지돌출부(240)는 회전하는 임펠러(100)에 의해 회전하는 유체의 저항성을 최소화하고, 회전하는 유체의 회전을 유지하여 난류의 발생을 최소화하기 위해 유입공(210)의 반경보다는 짧은 길이로 돌출되어 형성될 수 있다.

회전저지돌출부(240)는 이물질의 회전을 저지하여 이물질의 흡입을 유도하는 동시에 회전하는 임펠러(100)와 근접하게 배치되어 회전저지돌출부(240)에 걸린 이물질이 절단될 수 있으며, 회전저지돌출부(240)에서 임펠러(100)와 근접한 둘레는 걸린 이물질이 회전하는 임펠러(100)에 의해 용이하게 절단될 수 있도록 날카로운 커터날을 가질 수 있다.

여기서, 상대적으로 긴 이물질이 임펠러(100)에 의해 흡입될 경우, 임펠러(100)에 감기거나, 이물질이 끼어 부하가 증가됨에 따라 구동모터(400)에 소손이 발생하거나, 효율이 하락된다.

그러나 흡입인듀서(200)는 회전저지돌출부(240)에 의해 상대적으로 긴 이물질이 걸리면서 회전하는 임펠러(100)에 의해 절단되거나, 상대적으로 긴 이물질이 뭉쳐 흡입되는 것이 아니라, 회전저지돌출부(240)에 걸리면서 펼쳐져 유입되도록 함으로써, 이물질에 의한 걸림을 방지할 수도 있다.

한편, 회전저지돌출부(240)는 흡입되는 유체에 의한 저항성을 감소시키기 위해 유입되는 유체와 마주하는 면이 하부로 볼록한 곡면을 가지도록 형성될 수 있다.

그리고, 회전저지돌출부(240)는 걸린 이물질이 바로 흡입가이드홈(230)으로 유도되어 흡입될 수 있도록 유체가 유입되기 시작하는 흡입가이드홈(230)의 시작단에 회전저지돌출부(240)가 위치하여 회전저지돌출부(240)에 걸린 이물질이 흡입가이드홈(230)에 안내되면서 흡입될 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 흡입인듀서(200)는 임펠러(100)에 의해 유체가 흡입되면, 유입공(210)을 통해 유체가 유입된다.

그리고, 이물질이 함께 흡입되면서 이물질이 흡입되지 못하고 함께 회전하는 경우, 이물질이 회전저지돌출부(240)에 걸리면서, 회전이 저지되고 회전이 저지된 이물질은 회전하는 임펠러(100)에 의해 딸려 가면서 흡입된다.

이때, 회전저지돌출부(240)에 걸린 이물질은 흡입가이드홈(230)을 따라 흡입되며, 흡입가이드홈(230)은 유체가 흡입되는 방향으로 회전하도록 나선형태로 형성되기 때문에 흡입가이드홈(230)에서 유속이 증대됨에 따라 이물질의 흡입력을 향상시킬 수 있다.

한편, 흡입되는 유체에 상대적으로 긴 이물질은 회전하는 임펠러(100)에 의해 회전하면서 유입공(210)으로 유입되는 데, 이때, 상대적으로 길이가 짧은 이물질은 흡입가이드홈(230)을 통해 바로 유입될 수 있지만, 상재적으로 길이가 긴 이물질은 회전저지돌출부(240)에 걸리고, 회전저지돌출부(240)에 걸린 이물질은 회전하는 임펠러(100)에 의해 절단되면서, 흡입가이드홈(230)을 통해 유입되어 이물질의 걸림을 방지할 수도 있다.

따라서, 흡입인듀서(200)는 내주면부(220)에서 이물질의 흡입을 유도하는 흡입가이드홈(230)을 형성하여 유체에 포함된 이물질이 강제 흡입되어 제거되기 때문에 내주면부(220)에 이물질이 고착되어 스튜드 프란시스 베인의 마모나 저항의 증가됨에 따라 수중펌프(500)의 성능이 하락되는 것을 방지함으로써, 수중펌프(500)의 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 유입공(210)에 회전저지돌출부(240)가 형성되어 상대적으로 크기가 큰 이물질이 임펠러(100)와 함께 회전하는 것을 저지하여 임펠러(100)의 회전에 의해 강제적으로 흡입되기 때문에 이물질의 흡입성을 향상시킬 수 있으며, 이물질의 걸림에 따른 펌프(500)의 효율이 하락을 방지하여 펌프(500)의 성능을 향상시킬 수 있다.

도 20 및 도 21에 도시된 바와 같이, 다른 일례의 흡입인듀서(200)는 회전저지돌출부(240)에 특징이 있으며, 회전저지돌출부(240)에 걸린 이물질이 제거되지 않을 경우, 걸린 이물질이 자중에 의해 회전저지돌출부(240)에서 흘러내려 배출시킬 수 있다.

회전저지돌출부(240)는 힌지결합부(241)를 포함할 수 있다.

힌지결합부(241)는 회전저지돌출부(240)에서 유입공(210)에 위치하는 일단이 상하로 회전할 수 있도록 회전저지돌출부(240)의 타단을 회전 가능하게 결합할 수 있다.

힌지결합부(241)는 회전저지돌출부(240)의 끝단을 힌지핀에 의해 고정하는 형태로 회전저지돌출부(240)를 회전 가능하게 고정할 수 있다.

힌지결합부(241)에 결합된 회전저지돌출부(240)는 초기에 회전저지돌출부(240)의 유입공(210)에서 하향된 상태로 위치하다가 유입공(210)을 통해 유체의 흡입력이 발생하거나, 이물질이 회전저지돌출부(240)에 걸려 이물질이 흡입되는 흡입력에 의해 유입공(210)의 중심을 향해 끝단이 위치하도록 회전하여 위치하여 회전하는 임펠러(100)에 의해 이물질을 절단한다.

반면, 유입공(210)에서 유체를 흡입하는 흡입력이 사라지면, 회전저지돌출부(240)의 끝단은 다시 하향 회전하여 회전저지돌출부(240)에 걸린 이물질이 자중에 의해 회전저지돌출부(240)에서 흘러내리며 제거될 수 있다.

한편, 힌지결합부(241)는 유입공(210)에서 흡입력이 발생하지 않으면, 회전저지돌출부(240)가 자중에 의해 하향 회전하되 하향 회전하는 각도를 제한하는 각도제한부(243)가 형성될 수 있다.

각도제한부(243)는 회전저지돌출부(240)가 유입공(210)에 대해 수직으로 세워지는 것이 아니라, 유입공(210)이 위치한 방향으로 기울어져 추후 유입공(210)에서 흡입력이 발생하면 용이하게 흡입력에 의해 용이하게 회전하도록 구성될 수 있다.

이때, 각도제한부(243)는 유체의 흡입력에 의해 회전저지돌출부(240)가 유입공(210)의 중심을 향해 회전한 상태를 기준으로 30°내지 80°의 각도로 하향되어 세워지도록 회전저지돌출부(240)의 세워지는 각도를 제한할 수 있다.

여기서, 회전저지돌출부(240)가 세워지는 각도가 30°미만인 경우에는 경사도가 작아 회전저지돌출부(240)에 걸린 이물질이 흘러내려 제거되는 것이 미미하며, 80°를 초과하는 경우, 유체 흡입력에 의한 회전저지돌출부(240)에 저항성이 작아 회전저지돌출부(240)가 유입공(210)의 중심을 향해 회전하지 못할 수도 있다.

또한, 각도제한부(243)는 회전저지돌출부(240)의 하향된 위치를 제한할 뿐만 아니라, 유입공(210)을 중심으로 상향 회전된 상태로의 각도도 제한할 수 있으며, 상향 회전된 상태에서는 유입공(210)에 대해 직교되도록 상향 회전된 각도를 제한 할 수도 있다.

회전저지돌출부(240)는 탄성지지부(245)를 포함할 수 있다.

탄성지지부(245)는 회전저지돌출부(240)를 탄성력에 의해 지지하여 상대적으로 강도가 높은 이물질이 회전저지돌출부(240)와 임펠러(100)의 사이에 이물질이 절단되지 않고 걸림에 따라 임펠러(100)가 정지하는 경우, 임펠러(100)의 회전력에 의해 회전저지돌출부(240)가 파손되는 것을 방지할 수 있다.

탄성지지부(245)는 임펠러(100)의 회전하는 방향으로 회전저지돌출부(240)에 미리 설정된 가압력 이상의 가압력이 작용하면, 회전저지돌출부(240)가 임펠러(100)의 회전 방향으로 휘어지면서, 회전저지돌출부(240)에 걸린 이물질이 회전저지돌출부(240)에서 이탈되거나, 회전저지돌출부(240)와 임펠러(100)의 사이에 걸린 이물질에 의해 임펠러(100)가 순간적으로 작동이 정지되는 경우, 회전저지돌출부(240)에 가해지는 충격을 완화시켜 회전저지돌출부(240)가 파손되는 것을 방지할 수 있다.

탄성지지부(245)는 일단이 힌지결합부(241)에 의해 회전 가능하게 결합되고, 타단에는 탄성스프링이 설치되며, 탄성스프링에 회전저지돌출부(240)가 연결되는 형태로 설치되어 회전저지돌출부(240)를 탄성적으로 지지할 수 있다.

여기서, 탄성스프링은 회전저지돌출부(240)에 탄성지지부(245)가 마주하는 부분에 스프링공을 관통형성하고, 스프링공에 탄성스프링이 삽입되어 끼워지는 형태로 설치되어 탄성적으로 회전저지돌출부(240)를 지지할 수 있으며, 탄성스프링은 압축된 상태의 압축코일스프링으로 구현될 수 있다.

이렇게 구성된 다른 일례의 흡입인듀서(200)는 유입공(210)을 통해 흡입력이 발생하지 않으면, 유입공(210)에 대해 세워진 상태로 회전저지돌출부(240)가 위치하다가 유입공(210)에 흡입력이 발생하면, 회전저지돌출부(240)가 흡입력에 의해 유입공(210)의 중심을 향해 상향 회전하고, 이물질이 걸리는 경우, 회전하는 임펠러(100)에 의해 이물질을 절단하여 흡입가이드홈(230)을 통해 절단된 이물질을 흡입한다.

한편, 상대적으로 길이가 긴 이물질 또는 강도가 강한 이물질이 미 절단되어 회전저지돌출부(240)와 임펠러(100)의 사이에 걸리는 경우, 임펠러(100)의 회전력에 의한 충격이 이물질을 통해 회전저지돌출부(240)로 전달되고, 회전저지돌출부(240)는 탄성지지부(245)의 탄성력에 의해 회전저지돌출부(240)가 휘어지면서 걸린 이물질이 회전저지돌출부(240)에서 이탈됨에 따라 회전저지돌출부(240)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.

그리고, 유입공(210)에 흡입력이 사라지는 경우, 회전저지돌출부(240)는 힌지결합부(241)를 중심으로 자중에 의해 하향 회전되고, 회전저지돌출부(240)에 걸렸던 이물질이 자중에 의해 흘러내려가 회전저지돌출부(240)에서 제거되어 걸린 이물질을 청소할 수 있다.

따라서, 다른 일례의 흡입인듀서(200)는 흡입력이 해제되면 회전저지돌출부(240)가 하향 회전하면서, 걸렸던 이물질을 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 회전저지돌출부(240)와 임펠러(100)의 사이에 이물질이 걸려 과도한 충격이 회전저지돌출부(240)에 가해지는 경우, 탄성지지부(245)에 의해 회전저지돌출부(240)가 휘어지면서 이물질이 이탈되어 회전저지돌출부(240)의 손상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인(110)을 갖는 임펠러(100)를 구비한 수중펌프(500)는 구동모터(400)에 의해 임펠러(100)가 회전하면, 스튜드 프란시스 베인에 의해 유입공(210)을 통해 펌프케이싱(300)의 내부로 유입되고, 스튜드 프란시스 베인의 둘레로 토출되어 펌프케이싱(300)을 내부 공간에서 회전하여 토출구(330)로 토출된다.

한편, 유입공(210)으로 유입되는 경우, 흡입인듀서(200)에 의해 이물질이 토출가이드홈을 따라 펌프케이싱(300)의 내부로 유입되어 이물질의 걸림을 최소화한다.

여기서, 상대적으로 큰 이물질은 임펠러(100)와 함께 회전하다가 회전저지돌출부(240)에 걸리면, 회전하는 임펠러(100)에 의해 강제적으로 딸려 흡입가이드홈(230)을 통해 펌프케이싱(300)의 내부로 유입되어 제거된다.

물론, 이물질이 회전저지돌출부(240)에 걸린 경우, 회전저지돌출부(240)의 커터날에 의해 절단되어 흡입될 수도 있다.

다른 일례의 흡입인듀서(200)가 설치된 경우에는 흡입력이 해제되면, 회전저지돌출부(240)가 하향 회전하면서, 회전저지돌출부(240)에 잔류되었던 이물질이 자중에 의해 탈락되어 제거되고, 임펠러(100)와 회전저지돌출부(240)의 사이에 이물질이 걸리는 경우, 회전저지돌출부(240)가 탄성지지부(245)에 의해 휘어지면서, 이물질이 제거되어 임펠러(100)의 회전력에 의해 회전저지돌출부(240)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.

본 출원인은 유로확장형 스웹트 프란시스 베인(110)을 갖는 임펠러(100)를 구비한 수중펌프(500)의 성능을 확인하기 위해 한국기계전기전자시험연구원에 성능시험을 의뢰하였으며, 성능을 시험한 시험성적서를 도 22에 첨부하였다.

시험방법은 KS B 6301:2015.12.24. 개정에 맞춰 시험하였으며, 시험규격은 출원인의 시제품인 50FNP-15, 50mm, 200V, 11A, 1.5kW의 동력을 갖는 유로확장형 스웹트 프란시스 베인(110)을 갖는 임펠러(100)를 구비한 수중펌프(500)를 4개를 제작하여 시험하였다.

도 22의 시험성적에서 보는 바와 같이, 시제품으로 제작된 4가지 모두 펌프(500)효율이 38.85% 이상으로 균일한 성능을 나타내었으며, 동제원의 다른 펌프(500)사들의 평균효율인 36%보다 높은 성능을 나타내었다.

또한, 본 출원인은 이물질 퇴적율(잔류율)을 측정하기 위해 한국기계전기전자시험연구원에 성능시험을 의뢰하였으며, 성능을 시험한 성적서를 도 23에 첨부하였다.

이물질 퇴적율의 시험은 시험 전의 건조상태의 펌프(500)의 중량을 측정하고, 건조된 상태의 이물질 중량을 측정 한상태에서 1.47m(L) X 0.97m(W) X 0.98m(H)의 수조에 이물질을 투입하고 가동 시험하였다.

이물질은 간헐적으로 준비된 이물질을 모두 투입하고, 수중펌프(500)를 통과하여 걸러니진 이물질은 반복투입하였으며, 반복 투입한 이물질의 투입회수를 기록하여 총 이물ㄹ질투입량을 아래와 같이 산정하였다.

총 이물질 투입량(g) = 이물질중량(g) * 투입회수(회)

그리고, 수중펌프(500)의 가동을 정지한 후 수조에서 인양하여 자연건조 후 펌프(500) 중량(g)을 측정하고 이물질 퇴적율(잔류율)은 아래의 기준에 따라 측정하고 기록하였다.

수중펌프(500)는 일 평균 운전시간을 감안하여 시험시간은 1회당 6시간으로 400g의 이물질을 총 5회 투입하였다. 여기서, 이물질은 PP로프, 직물류, 물티슈, 여성용품을 이용하였다.

도 23의 시험성적서에서 보는 바와 같이, 이물질 퇴적율은 1차 측정에서 0.75%이고, 나머지는 0.01%로서, 이물질의 제거성이 우수하여 이물질 걸림현상이 감소됨을 알 수 있었다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 유로확장형 스웹트 프란시스 베인(110)을 갖는 임펠러(100)를 구비한 수중펌프(500)는 스웹트 프란시스 베인(110)이 최적화되도록 설계되어 양정과 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 흡입인듀서(200)와 스웹트 프란시스 베인(110)의 상호작용에 의해 이물질의 제거성을 향상시켜 이물질 걸림에 의한 수중펌프(500)의 고장을 최소화할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.

100: 임펠러 110: 스웹트 프란시스 베인
120: 원판부 130: 축공부
200: 흡입인듀서 210: 유입공
220: 내주면부 230: 흡입가이드홈
240: 회전저지돌출부 241: 힌지결합부
243: 각도제한부 245: 탄성지지부
250: 플랜지부 300: 펌프케이싱
310: 흡입구 330; 토출구
400: 구동모터 500: 수중펌프

Claims

구동축이 결합되는 축공부가 중앙에 형성되는 원판부, 상기 축공부에 위치하는 일단에서 150°이상 270°이하의 범위의 각도로 회전한 방향에 상기 원판부의 둘레에 위치하는 타단이 위치하도록 나선형태로 형성된 한 쌍의 스웹트 프란시스 베인을 포함하고, 상기 스웹트 프란시스 베인의 형상변수와 성능함수를 선정하는 단계, 상기 스웹트 프란시스 베인의 미리 선정된 기준 형상에 대해 상기 성능함수의 변화를 분석하는 단계, 상기 분석하는 단계에서 분석된 성능함수를 기초로 설계변수를 선정하고 LSH기법에 의해 성능함수를 계산하는 단계, 및 상기 LSH기법에 의해 계산된 성능함수를 기초하여 RSA기법을 통해 최적의 형상변수의 값을 도출하는 단계를 포함하는 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러의 설계방법에 있어서,
상기 형상변수는
상기 스웹트 프란시스 베인은 상기 축공부와 상기 스웹트 프란시스 베인의 일단을 연결하는 제1 기준선에 대해 상기 프란시스 베인의 일단이 이루는 입구각, 및
상기 축공부와 상기 스웹트 프란시스 베인의 타단을 연결하는 제2 기준선에 대해 상기 프란시스 베인의 타단이 이루는 출구각을 포함하며,
상기 최적의 형상변수 값을 도출하는 단계에서 도출된 상기 최적의 형상변수의 값은 입구각이 71° 내지 73°이고, 출구각이 75° 내지 76°이며,
상기 성능함수는 효율과 양정을 포함하는 것을 특징으로 하는 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러의 설계방법.
제1항에 있어서,
상기 스웹트 프란시스 베인의 상기 미리 선정된 기준 형상의 입구각과 출구각은 73.27°인 것을 특징으로 하는 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러의 설계방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 스웹트 프란시스 베인은
유체가 흡입되는 흡입공에 설치되는 흡입인듀서에 안착되어 설치되며,
상기 흡입인듀서는 유체가 흡입되는 유입공, 및 상기 유입공으로 흡입되는 유체에 포함된 이물질의 흡입을 안내하도록 상기 스웹트 프란시스 베인과 마주하는 내주면을 따라 나선형태로 형성되는 흡입가이드홈을 포함하고,
상기 흡입가이드홈과 상기 스웹트 프란시스 베인은 한 개 이상의 교차점을 갖도록 상기 흡입가이드홈의 중심선에 대한 극좌표(r2,θ2)가 r2=c*e^(d*θ2)를 만족할 때(여기서, c는 상기 유입공의 직경, d는 평면상에서 상기 흡입인듀서의 외경),
상기 스웹트 프란시스 베인의 괘적에 대한 극좌표(r1,θ2)는 r1=a+b*θ1(여기서, a는 상기 베인의 내경, b는 상기 베인의 외경)을 만족하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러의 설계방법.
제1항에 기재된 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러의 설계방법에 의해 제조된 임펠러.
제5항에 기재된 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러의 설계방법에 의해 제조된 임펠러,
상기 임펠러가 내부에 수용되며 유체가 유입되는 흡입공과 상기 흡입공으로 유입된 유체가 토출되는 토출구가 형성된 펌프케이싱,
상기 흡입공에 설치되어 상기 임펠러가 안착되는 흡입인듀서, 및
상기 임펠러를 회전시키는 구동모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 유로확장형 스웹트 프란시스 베인을 갖는 임펠러를 구비한 수중펌프.