KR102591810B1 - Impeller design method of axial flow pump using meridional shape design to satisfy design specifications of high flow rate and low head, impeller and pump designed thereby - Google Patents

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Abstract

본 발명은 대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 설계를 이용한 축류펌프의 임펠러 설계 방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 펌프에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 설계를 이용한 축류펌프의 임펠러 설계 방법은 대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 모델링을 통해 임펠러를 설계하는 방법으로, 상기 임펠러의 설계 사양을 결정하는 단계; 상기 임펠러의 비속도를 결정하는 단계; 상기 임펠러의 설계 변수를 결정하는 단계; 상기 임펠러의 최적 형상을 도출하는 단계; 및 상기 비속도에 따른 상기 임펠러의 설계 변수의 경향성을 함수화하는 단계를 포함할 수 있다. The present invention relates to an impeller design method for an axial flow pump using meridional shape design to satisfy design specifications for high flow rate and low head, and an impeller and pump designed thereby.
The impeller design method of an axial flow pump using meridional shape design to satisfy the design specifications of large flow rate and low head according to an embodiment of the present invention designs the impeller through meridional shape modeling to satisfy the design specifications of large flow rate and low head. A method comprising: determining design specifications of the impeller; determining a specific speed of the impeller; determining design variables of the impeller; Deriving the optimal shape of the impeller; And it may include the step of functionalizing the tendency of the design variable of the impeller according to the specific speed.

Description

대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 설계를 이용한 축류펌프의 임펠러 설계 방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 펌프{Impeller design method of axial flow pump using meridional shape design to satisfy design specifications of high flow rate and low head, impeller and pump designed thereby}Impeller design method of axial flow pump using meridional shape design to satisfy design specifications of high flow rate and low head, impeller and pump designed thereby {Impeller design method of axial flow pump using meridional shape design to satisfy design specifications of high flow rate and low head, impeller and pump designed thereby}

본 발명은 대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 설계를 이용한 축류펌프의 임펠러 설계 방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 펌프에 관한 것이다. The present invention relates to an impeller design method for an axial flow pump using meridional shape design to satisfy design specifications for high flow rate and low head, and an impeller and pump designed thereby.

펌프(Pump)는 액체나 슬러리(진흙·시멘트 따위에 물을 섞어 만든 현탄액)를 이동하는 데에 쓰이는 장치이다. 그리고, 유체를 수송하는 펌프는 통상적으로 임펠러의 회전력을 이용하여 관을 통해 유입되는 수송하는 것이 대부분이다. A pump is a device used to move liquid or slurry (a suspension made by mixing water with mud, cement, etc.). And, most pumps that transport fluid typically use the rotational force of an impeller to transport fluid flowing in through a pipe.

그리고, 유체를 수송하는 펌프는 기체를 물에 수장시킨 상태에서 작동되는 펌프 또는 대기 중에서 작동되는 육상펌프로 분류되며, 임펠러의 형상과 작동원리에 따라 사류펌프, 축류펌프, 원심펌프 등이 있다. In addition, pumps that transport fluids are classified into pumps that operate while the gas is immersed in water or land pumps that operate in the atmosphere. Depending on the shape of the impeller and the operating principle, there are gradient pumps, axial flow pumps, centrifugal pumps, etc.

여기서, 축류펌프는 저양정 고유량의 송수용으로 원심 및 사류펌프보다 비속도가 높으며, 토출된 물은 임펠러에 의해 평행으로 흐르는 펌프이다. 따라서 원심 및 사류 펌프 임펠러와 다르게 축류펌프 임펠러의 자오면은 허브 및 쉬라우드의 입구 및 출구 반경이 축방향으로 동일하게 설계하고, 임펠러의 날개각 분포는 익형설계 타입으로 설계된다. Here, the axial flow pump is a pump that has a higher specific speed than centrifugal and mixed flow pumps for low head and high flow water supply, and the discharged water flows in parallel by the impeller. Therefore, unlike centrifugal and diagonal flow pump impellers, the meridional surface of the axial flow pump impeller is designed so that the inlet and outlet radii of the hub and shroud are the same in the axial direction, and the impeller's blade angle distribution is designed as an airfoil design type.

이와 같은 종래의 축류 펌프에는 대한민국 공개실용신안 제20-1997-0002219 호 '축류식 모우터 펌프'가 있다. Such a conventional axial flow pump includes Korea Public Utility Model No. 20-1997-0002219, ‘Axial Flow Type Motor Pump’.

종래에는 요구되는 설계 사양에서 성능을 만족하는 펌프의 임펠러 형상을 도출하기 위해, 요구되는 설계 사양별로 펌프의 임펠러 최적 설계를 각각 실시하여야 하는 문제점이 있었다. In the past, in order to derive a pump impeller shape that satisfies the performance within the required design specifications, there was a problem in that the optimal design of the pump impeller had to be performed for each required design specification.

상기와 같은 기술적 배경을 바탕으로 안출된 것으로, 본 발명의 일실시예는 자오면 형상 설계를 이용하여 설계 사양별로 축류펌프의 임펠러의 성능을 최적화할 수 있는 대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 설계를 이용한 축류펌프의 임펠러 설계 방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 펌프를 제공하고자 한다.It was conceived based on the above technical background, and an embodiment of the present invention uses meridional shape design to satisfy the design specifications of high flow rate and low head that can optimize the performance of the impeller of the axial flow pump for each design specification. The purpose of this study is to provide an impeller design method for an axial flow pump using meridional shape design, and an impeller and pump designed thereby.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 설계를 이용한 축류펌프의 임펠러 설계 방법은 대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 모델링을 통해 임펠러를 설계하는 방법으로, 상기 임펠러의 설계 사양을 결정하는 단계; 상기 임펠러의 비속도를 결정하는 단계; 상기 임펠러의 설계 변수를 결정하는 단계; 상기 임펠러의 최적 형상을 도출하는 단계; 및 상기 비속도에 따른 상기 임펠러의 설계 변수의 경향성을 함수화하는 단계를 포함할 수 있다. In order to achieve the above object, the impeller design method of an axial flow pump using meridional shape design to satisfy the design specifications of large flow rate and low head according to an embodiment of the present invention is used to satisfy the design specifications of large flow rate and low head. A method of designing an impeller through meridional shape modeling, comprising: determining design specifications of the impeller; determining a specific speed of the impeller; determining design variables of the impeller; Deriving the optimal shape of the impeller; And it may include the step of functionalizing the tendency of the design variable of the impeller according to the specific speed.

또한, 상기 임펠러의 설계 사양을 결정하는 단계에서, 상기 설계 사양은 유량, 양정 및 회전수일 수 있다. Additionally, in the step of determining the design specifications of the impeller, the design specifications may be flow rate, head, and rotation speed.

상기 임펠러의 비속도를 결정하는 단계에서, 상기 비속도는 In determining the specific speed of the impeller, the specific speed is

이고, 이때, Ns는 상기 비속도, Q는 상기 유량, H는 상기 양정, n은 상기 회전수이며, 상기 비속도는 상기 유량, 양정 및 회전수에 의해 결정될 수 있다. , where Ns is the specific speed, Q is the flow rate, H is the head, and n is the rotation speed, and the specific speed can be determined by the flow rate, head, and rotation speed.

또한, 상기 비속도는 2000 ∼ 3000의 범위에서 결정될 수 있다. Additionally, the specific speed may be determined in the range of 2000 to 3000.

또한, 상기 임펠러의 날개는 2개로 마련될 수 있다. Additionally, the impeller may have two wings.

또한, 상기 임펠러의 효율은, 비속도 2000 ∼ 3000의 범위에서 상기 비속도 값에 따라 단위 구간별로 경향성을 가질 수 있다. Additionally, the efficiency of the impeller may have a tendency for each unit section depending on the specific speed value in the specific speed range of 2000 to 3000.

또한, 상기 임펠러의 설계 변수를 결정하는 단계는, 상기 임펠러의 날개 형상을 표현하는 자오면의 설계 변수를 결정하는 단계; 및 상기 임펠러의 날개각도를 표현하는 날개각의 설계 변수를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. In addition, determining the design variable of the impeller includes determining a design variable of a meridional plane representing the blade shape of the impeller; And it may include determining a design variable of the blade angle representing the blade angle of the impeller.

또한, 상기 자오면의 설계 변수를 결정하는 단계에서, 상기 자오면의 설계 변수는 상기 임펠러의 중심축으로부터 상기 날개의 허브 부분까지의 길이인 제1 길이, 상기 임펠러의 중심축으로부터 상기 날개의 쉬라우드 부분까지의 길이인 제2 길이를 포함할 수 있다. In addition, in the step of determining the design variable of the meridional plane, the design variable of the meridional plane is a first length, which is the length from the central axis of the impeller to the hub portion of the wing, and a shroud portion of the wing from the central axis of the impeller. It may include a second length that is a length of up to .

또한, 상기 제1 길이의 상기 제2 길이에 대한 비율인 허브비는, 비속도 2000 ∼ 3000의 범위에서 상기 비속도 값에 따라 단위 구간별로 경향성을 가질 수 있다. Additionally, the hub ratio, which is the ratio of the first length to the second length, may have a tendency for each unit section according to the specific speed value in the specific speed range of 2000 to 3000.

또한, 상기 허브비는 In addition, the herb ratio

Y1= A1X2 - B1X + C1 Y 1 = A 1

이고, 이때, Y1는 상기 허브비, X는 상기 비속도, A1는 0.00000009 ∼ 0. 0000001의 범위에서 결정되는 상수, B1는 0.0007 ∼ 0.0008의 범위에서 결정되는 상수, C1는 2 ∼ 3의 범위에서 결정되는 상수일 수 있다. , where Y 1 is the hub ratio , It may be a constant determined in the range of 3.

또한, 상기 날개각의 설계 변수를 결정하는 단계에서, 상기 날개각의 설계 변수는 상기 임펠러의 날개의 시위선의 길이인 시위길이, 상기 임펠러의 날개의 캠버선과 상기 임펠러의 날개의 시위선 사이의 최대 높이인 최대 캠버, 상기 임펠러의 날개의 전단으로부터 상기 최대 캠버까지의 길이인 최대 캠버의 위치까지의 거리, 자오선 대비 기울어진 각도를 포함할 수 있다. In addition, in the step of determining the design variable of the blade angle, the design variable of the blade angle is the chord length, which is the length of the chord line of the impeller blade, and the maximum distance between the camber line of the impeller blade and the chord line of the impeller blade. It may include the maximum camber, which is the height, the distance from the front end of the impeller blade to the position of the maximum camber, which is the length from the front end of the impeller blade to the maximum camber, and the tilt angle relative to the meridian.

또한, 상기 시위길이는, 비속도 2000 ∼ 3000의 범위에서 상기 비속도 값에 따라 각각 단위 구간별로 경향성을 가질 수 있다. Additionally, the chord length may have a tendency for each unit section depending on the specific speed value in the specific speed range of 2000 to 3000.

또한, 상기 시위길이는 Additionally, the chord length is

Y9=(Meridional length)/Cos(Setting angle)Y 9 =(Meridional length)/Cos(Setting angle)

이고, 이때, Y9는 상기 시위길이, Meridional length는 자오선의 길이, Setting angle은 자오선 대비 기울어진 각도일 수 있다. , and at this time, Y 9 may be the chord length, Meridional length may be the length of the meridian, and Setting angle may be the inclined angle relative to the meridian.

또한, 상기 자오선의 길이는 상기 날개의 허브에서 자오선의 길이인 허브 길이 및 상기 날개의 쉬라우드에서 자오선의 길이인 쉬라우드 길이를 포함할 수 있다. Additionally, the length of the meridian may include a hub length, which is the length of the meridian from the hub of the wing, and a shroud length, which is the length of the meridian from the shroud of the wing.

또한, 상기 허브 길이는 Additionally, the hub length is

Y2= -A2X + B2 Y 2 = -A 2

이고, 이때, Y2는 상기 허브 길이, X는 상기 비속도, A2는 0.0003 ∼ 0.0004의 범위에서 결정되는 상수, B2는 1 ∼ 2의 범위에서 결정되는 상수일 수 있다. In this case , Y 2 may be the hub length,

또한, 상기 쉬라우드 길이는 Additionally, the shroud length is

Y3= -A3X + B3 Y 3 = -A 3

이고, 이때, Y3는 상기 쉬라우드 길이, X는 상기 비속도, A3는 0.0003 ∼ 0.0004의 범위에서 결정되는 상수, B3는 1 ∼ 2의 범위에서 결정되는 상수일 수 있다. In this case , Y 3 may be the shroud length,

또한, 상기 임펠러의 최적 형상을 도출하는 단계는, 상기 임펠러의 효율인 설계 목적 값에 영향을 미치는 주요 설계 변수를 결정하는 단계; 및 반응표면기법에 의해 상기 설계 목적 값을 최적화할 수 있는 최적의 설계 변수의 조건을 파악하는 단계를 포함할 수 있다. In addition, deriving the optimal shape of the impeller includes determining key design variables that affect the design target value, which is the efficiency of the impeller; And it may include the step of identifying the conditions of optimal design variables that can optimize the design objective value by using a response surface technique.

또한, 상기 주요 설계 변수를 결정하는 단계에서, 상기 주요 설계 변수는 상기 임펠러의 중심축으로부터 상기 임펠러의 날개의 허브 부분까지의 길이인 제1 길이, 상기 임펠러의 중심축으로부터 상기 임펠러의 날개의 쉬라우드 부분까지의 길이인 제2 길이, 상기 임펠러의 날개의 시위선의 길이인 시위길이, 자오선 대비 기울어진 각도일 수 있다. In addition, in the step of determining the main design variables, the main design variables include a first length, which is the length from the central axis of the impeller to the hub portion of the blade of the impeller, and a shear length of the blade of the impeller from the central axis of the impeller. It may be a second length that is the length to the wood portion, a chord length that is the length of the chord line of the impeller blade, and an inclined angle compared to the meridian.

또한, 상기 주요 설계 변수를 제외한 나머지 설계 변수들은 2k　요인실험법 및 상기 반응표면기법을 통해서 나온 결과값 중에서 최적화된 값으로 고정될 수 있다. In addition, other than the main design variables, the remaining design variables can be fixed to optimized values among the results obtained through the 2k factorial experiment method and the response surface method.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러는 제1 항 내지 제19 항 중 어느 한 항에 따른 대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 설계를 이용한 축류펌프의 임펠러 설계 방법에 의하여 설계될 수 있다. In order to achieve the above object, the impeller according to an embodiment of the present invention is an axial flow pump using a meridional shape design to satisfy the design specifications of high flow rate and low head according to any one of claims 1 to 19. It can be designed using the impeller design method.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 펌프는 제20 항에 따른 임펠러; 상기 임펠러가 내부에 설치되고 상기 임펠러의 전방으로 유체가 흡입되도록 형성된 흡입구 및 상기 임펠러의 후방으로 상기 흡입된 유체가 배출되도록 형성된 배출구를 구비하는 케이싱; 및 상기 임펠러에 일측부가 결합되어 회전에 의해 상기 임펠러를 회전시키는 작동축을 포함할 수 있다. In order to achieve the above object, a pump according to an embodiment of the present invention includes the impeller according to claim 20; a casing in which the impeller is installed and has an intake port formed to suck fluid toward the front of the impeller and an outlet formed to discharge the sucked fluid to the rear of the impeller; And it may include an operating shaft that is coupled to one side of the impeller and rotates the impeller.

본 발명의 일 실시예에 따른 대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 설계를 이용한 축류펌프의 임펠러 설계 방법은 설계 사양별로 임펠러의 성능을 최적화할 수 있는 임펠러의 형상을 설계할 수 있다. The impeller design method of an axial flow pump using meridional shape design to satisfy the design specifications of high flow rate and low head according to an embodiment of the present invention can design the shape of the impeller that can optimize the performance of the impeller for each design specification. .

본 발명의 일 실시예에 따른 대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 설계를 이용한 축류펌프의 임펠러 설계 방법은 설계 변수 경향성을 이용하여 비속도별로 효율을 만족하는 펌프의 임펠러를 설계할 수 있다. The impeller design method of an axial flow pump using meridional shape design to satisfy the design specifications of large flow rate and low head according to an embodiment of the present invention is to design an impeller of a pump that satisfies efficiency for each specific speed using design variable tendencies. You can.

도 1은 펌프의 분류도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 펌프를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 설계를 이용한 축류펌프의 임펠러 설계 방법의 순서도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 설계를 이용한 축류펌프의 임펠러 설계 방법을 통해 임펠러를 도출하는 과정을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러의 설계 변수를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러의 설계 변수를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러의 수치해석 경계조건을 도시한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 설계를 이용한 축류펌프의 임펠러 설계 방법을 통해 설계된 비속도에 따른 임펠러를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 설계를 이용한 축류펌프의 임펠러 설계 방법에 의해 설계된 임펠러의 비속도에 따른 허브비를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 설계를 이용한 축류펌프의 임펠러 설계 방법에 의해 설계된 임펠러의 비속도에 따른 효율을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 설계를 이용한 축류펌프의 임펠러 설계 방법의 설계 변수의 경향성을 이용하여 임펠러의 3차원 형상을 도출하는 과정을 나타낸 사례도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 설계를 이용한 축류펌프의 임펠러 설계 방법의 임펠러 설계 변수 결정 단계를 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 설계를 이용한 축류펌프의 임펠러 설계 방법의 실험계획법을 이용한 임펠러의 최적화 형상 도출 단계를 나타낸 것이다. Figure 1 shows a classification diagram of the pump.
Figure 2 shows a pump according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows a flow chart of an impeller design method for an axial flow pump using meridional shape design to satisfy the design specifications of high flow rate and low head according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 shows the process of deriving an impeller through an impeller design method for an axial flow pump using meridional shape design to satisfy the design specifications of high flow rate and low head according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows design variables of an impeller according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 shows design variables of an impeller according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a perspective view showing the boundary conditions of numerical analysis of an impeller according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 shows an impeller according to specific speed designed through an impeller design method for an axial flow pump using meridional shape design to satisfy the design specifications of high flow rate and low head according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 is a graph showing the hub ratio according to the specific speed of the impeller designed by the impeller design method of the axial flow pump using meridional shape design to satisfy the design specifications of high flow rate and low head according to an embodiment of the present invention.
Figure 10 is a graph showing the efficiency according to the specific speed of the impeller designed by the impeller design method of the axial flow pump using meridional shape design to satisfy the design specifications of high flow rate and low head according to an embodiment of the present invention.
Figure 11 shows the process of deriving the three-dimensional shape of the impeller using the tendency of the design variables of the impeller design method of the axial flow pump using meridional shape design to satisfy the design specifications of large flow rate and low head according to an embodiment of the present invention. This is also a case showing.
Figure 12 shows the impeller design variable determination step of the impeller design method of an axial flow pump using meridional shape design to satisfy the design specifications of high flow rate and low head according to an embodiment of the present invention.
Figure 13 shows the step of deriving the optimized shape of the impeller using the design of experiment method of the impeller design method of the axial flow pump using meridional shape design to satisfy the design specifications of high flow rate and low head according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. The present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts not related to the description are omitted, and identical or similar components are given the same reference numerals throughout the specification.

본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. In this specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

도 1을 참고하면, 요구되는 사양에 따라 다양한 펌프가 있지만, 본 발명의 경우 그 중에서 터보 펌프에 대하여 설명하기로 한다. 터보 펌프는 비속도에 따라 (a)와 같은 원심식(Ns 100 ∼ 600), (b)와 같은 사류식(Ns 400 ∼ 1400) 및 (c)와 같은 축류식(Ns 1200 이상)으로 분류할 수 있다. Referring to Figure 1, there are various pumps depending on the required specifications, but in the case of the present invention, the turbo pump will be described among them. Depending on the specific speed, turbopumps can be classified into centrifugal type as in (a) (Ns 100 to 600), cross-flow type as in (b) (Ns 400 to 1,400), and axial flow type as in (c) (Ns 1,200 or more). You can.

도 2를 참고하면, 본 발명은 대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 설계를 이용한 축류펌프의 임펠러 설계 방법에 관한 것이다. 본 발명은 비속도와 임펠러의 설계 변수 사이에 일정한 경향성을 가지는 축류 펌프에 한정하며, 원심 펌프와 사류 펌프는 생략하기로 한다. Referring to Figure 2, the present invention relates to a method of designing an impeller for an axial flow pump using meridional shape design to satisfy design specifications of high flow rate and low head. The present invention is limited to axial flow pumps with a certain tendency between specific speed and impeller design variables, and centrifugal pumps and gradient pumps will be omitted.

이하의 설명에서, 도 2에서 볼 때, 임펠러(10)쪽에서 작동축(30)쪽을 전방으로 규정하여 설명하고, 작동축(30)에서 임펠러(10)쪽을 후방으로 규정하여 설명한다. In the following description, when looking at FIG. 2, the description will be made with the impeller 10 side toward the operating shaft 30 being defined as the front, and the operating shaft 30 toward the impeller 10 being defined as the rear.

도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 펌프(1)는 임펠러 설계 방법에 의해 설계된 임펠러(10), 케이싱(20), 작동축(30)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2, the pump 1 according to an embodiment of the present invention may include an impeller 10, a casing 20, and an operating shaft 30 designed by an impeller design method.

케이싱(20)은 원통 형상으로 내부에 임펠러(10)가 설치될 수 있다. 그리고, 케이싱(20)은 임펠러(10)의 전방에 유체가 흡입되도록 흡입구(20a)가 형성될 수 있다. 또한, 케이싱(20)은 임펠러(10)의 후방에 흡입된 유체가 배출되도록 배출구(20b)가 형성될 수 있다. The casing 20 has a cylindrical shape and an impeller 10 may be installed therein. Additionally, the casing 20 may have an intake port 20a formed in front of the impeller 10 to allow fluid to be sucked in. Additionally, the casing 20 may have an outlet 20b formed at the rear of the impeller 10 to discharge the sucked fluid.

임펠러(10)는 케이싱(20)의 흡입구(20a)와 배출구(20b) 사이에서 작동축(30)에 의해 고속으로 회전하면서 유체를 흡입하고 배출할 수 있다. The impeller 10 can suck in and discharge fluid while rotating at high speed between the intake port 20a and the discharge port 20b of the casing 20 by the operating shaft 30.

그리고, 도 2 및 도 5를 참고하면, 임펠러(10)는 회전축(11) 및 날개(13)를 포함할 수 있다. And, referring to FIGS. 2 and 5, the impeller 10 may include a rotation shaft 11 and wings 13.

회전축(11)은 작동축(30)에 연결될 수 있다. 그리고, 날개(13)는 회전축(11)의 외주면에 결합될 수 있다. 또한, 날개(13)에서 회전축(11)과 접촉되는 부분인 하단부는 허브이고, 날개(13)의 상단부는 쉬라우드로 규정하여 설명한다. 그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 설계를 이용한 축류펌프의 임펠러 설계 방법에 의해 설계된 임펠러(10)의 날개(13)는 2개로 마련될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. The rotation shaft 11 may be connected to the operating shaft 30. And, the wings 13 may be coupled to the outer peripheral surface of the rotation shaft 11. In addition, the lower part of the wing 13 that contacts the rotation axis 11 is defined as a hub, and the upper part of the wing 13 is defined as a shroud. In addition, two blades 13 of the impeller 10 designed by the impeller design method of an axial flow pump using meridional shape design to satisfy the design specifications of high flow rate and low head according to an embodiment of the present invention can be provided. However, it is not limited to this.

본 발명은 비속도에 따른 축류 펌프 임펠러 형상의 경향성을 분석하기 위해, 축류 펌프 임펠러의 설계 변수를 정립하였고, 정립된 설계 변수 대상으로 비속도에 따른 설계 변수의 경향성을 분석하였다. In order to analyze the tendency of the axial flow pump impeller shape according to specific speed, the present invention established the design variables of the axial flow pump impeller, and analyzed the tendency of the design variables according to specific speed using the established design variables.

그리고, 선행연구로 최적 설계된 축류 펌프 펌프형상 및 선진문헌을 분석하여, 비속도에 따른 설계 변수의 경향성을 파악하였다. 또한, 축류 펌프 형상 및 선진문헌 기반으로 구축된 설계 변수의 경향성을 이용하여 축류 펌프 임펠러 형상을 설계하였다. 그리고, 설계 변수의 경향성을 이용하여 설계된 축류 펌프 임펠러 형상은 수치해석을 이용하여 성능을 검증하였다. 또한, 축류 펌프 임펠러의 자오면은 허브 및 쉬라우드의 입/출구 반경이 축방향으로 동일하게 설계하고, 임펠러의 날개각 분포는 익형설계 타입으로 설계된다.In addition, the optimally designed axial flow pump pump shape and advanced literature were analyzed through previous research to identify trends in design variables according to specific speed. In addition, the axial flow pump impeller shape was designed using the axial flow pump shape and the trends of design variables established based on advanced literature. In addition, the performance of the axial flow pump impeller shape designed using the trends of design variables was verified using numerical analysis. In addition, the meridional surface of the axial flow pump impeller is designed so that the inlet/outlet radii of the hub and shroud are the same in the axial direction, and the impeller's blade angle distribution is designed as an airfoil design type.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러 설계 방법은 임펠러의 설계 사양 결정 단계(S10), 임펠러의 비속도 결정 단계(S20), 임펠러의 설계 변수 결정 단계(S30), 임펠러의 최적화 형상 도출 단계(S40), 비속도에 따른 설계 변수의 경향성을 함수화하는 단계(S50)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, the impeller design method according to an embodiment of the present invention includes an impeller design specification determination step (S10), an impeller specific speed determination step (S20), an impeller design variable determination step (S30), and an impeller design step (S10). It may include a step of deriving an optimized shape (S40) and a step of functionalizing the tendency of the design variable according to the specific speed (S50).

본 발명의 일 실시예에 따른 대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 설계를 이용한 축류펌프의 임펠러 설계 방법은 비속도에 따라 임펠러의 자오면 형상 및 날개각도가 변화하는데, 이때 자오면 형상 및 날개각도 변화의 경향성을 파악하여 펌프의 임펠러 효율을 최적화시킬 수 있다. In the impeller design method of an axial flow pump using meridional shape design to satisfy the design specifications of large flow rate and low head according to an embodiment of the present invention, the meridional shape and blade angle of the impeller change depending on the specific speed, where the meridional shape and blade angle change. By identifying the tendency of blade angle changes, the pump's impeller efficiency can be optimized.

도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 설계를 이용한 축류펌프의 임펠러 설계 방법은 임펠러의 설계 사양 결정 단계(S10)를 포함할 수 있다. 한편, 임펠러의 설계 사양 결정단계(S10)에서는 펌프(1)의 임펠러(10)를 설계할 때 요구되는 설계 사양인 유량(Q), 양정(H) 및 회전수(n)를 결정하며, 펌프(1)의 임펠러(10)를 설계할 때 요구되는 사양일 수 있다. Referring to FIG. 3, the impeller design method of an axial flow pump using meridional shape design to satisfy the design specifications of high flow rate and low head according to an embodiment of the present invention may include a step (S10) of determining the design specifications of the impeller. there is. Meanwhile, in the impeller design specification determination step (S10), the flow rate (Q), head (H), and rotation speed (n), which are the design specifications required when designing the impeller (10) of the pump (1), are determined. This may be a required specification when designing the impeller 10 of (1).

이때, 유량(Q) 및 양정(H)은 축류 펌프(1)의 임펠러(10)가 회전하는 동안 기본적으로 만족해야 하는 사양이며, 회전수(n)는 모터의 사양에 따라 결정될 수 있다. At this time, the flow rate (Q) and head (H) are specifications that must be basically satisfied while the impeller 10 of the axial flow pump 1 rotates, and the rotation speed (n) can be determined according to the specifications of the motor.

한편, 효율은 주어진 유량과 양정에서 최고 효율이 되도록 펌프(1)의 임펠러(10)가 설계될 수 있다. 비속도에 따라 날개 형상 및 자오면 형상이 변화될 수 있다. Meanwhile, the impeller 10 of the pump 1 may be designed to have the highest efficiency at a given flow rate and head. The wing shape and meridional shape may change depending on the rain speed.

도 1을 참고하면, 비속도 결정 단계(S20)는 비속도를 결정하여 펌프(1)의 종류를 결정할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서 펌프의 종류는 축류 펌프일 수 있다. Referring to FIG. 1, the specific speed determining step (S20) may determine the type of pump 1 by determining the specific speed, and in one embodiment of the present invention, the type of pump may be an axial flow pump.

이때, 비속도(Specific Speed, Ns)는 이하 식으로 정의된다.At this time, specific speed (Ns) is defined as the following equation.

이때, Ns는 비속도, Q는 유량(단위 : m3/min), H는 양정(단위 : m), n은 회전수(단위 : rpm)이다. At this time, Ns is the specific speed, Q is the flow rate (unit: m 3 /min), H is the head (unit: m), and n is the number of rotations (unit: rpm).

비속도는 유량, 양정 및 회전수에 의해 결정될 수 있고, 무차원수로 마련될 수 있다. 다시 말해, 펌프 임펠러의 설계 사양인 유량(Q), 양정(H) 및 회전수(N)가 주어지면, 수학식1을 이용하여 비속도를 구할 수 있다. Specific speed can be determined by flow rate, head, and rotation speed, and can be provided as a dimensionless number. In other words, given the design specifications of the pump impeller, such as flow rate (Q), head (H), and rotation speed (N), the specific speed can be obtained using Equation 1.

본 발명의 일 실시예에 따른 대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 설계를 이용한 축류펌프의 임펠러 설계 방법은 2000 ~ 3000의 범위에서 비속도가 결정될 수 있다. 그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 설계를 이용한 축류펌프의 임펠러 설계 방법은 축류 펌프의 임펠러를 설계할 수 있다. In the impeller design method of an axial flow pump using meridional shape design to satisfy the design specifications of high flow rate and low head according to an embodiment of the present invention, the specific speed can be determined in the range of 2000 to 3000. In addition, the impeller design method of the axial flow pump using meridional shape design to satisfy the design specifications of high flow rate and low head according to an embodiment of the present invention can design the impeller of the axial flow pump.

도 12를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에서 임펠러 설계 변수 결정 단계(S30)는 펌프의 임펠러의 3차원 형상을 생성하기 위해서 날개 형상을 표현하는 자오면의 설계 변수 결정 단계(S31) 및 날개각도를 표현하는 날개각의 설계 변수 결정 단계(S32)를 포함할 수 있다. 이때, 자오면은 허브의 중심선을 포함하는 임펠러의 횡단면 중 일부이다. Referring to FIG. 12, in one embodiment of the present invention, the impeller design variable determination step (S30) includes the design variable determination step (S31) of the meridional plane representing the blade shape and the blade angle to generate the three-dimensional shape of the impeller of the pump. It may include a design variable determination step (S32) of the blade angle expressing . At this time, the meridional plane is a part of the cross section of the impeller including the center line of the hub.

그리고, 축류 펌프 임펠러의 설계 변수는 자오면의 설계 변수와 날개각의 설계 변수로 각각 정립할 수 있다. In addition, the design variables of the axial flow pump impeller can be established as the design variables of the meridional plane and the design variables of the blade angle, respectively.

자오면의 설계 변수 결정 단계(S31)에서 자오면의 설계 변수는 자오면의 기본 틀을 잡기 위한 것으로, 제1 길이(Rh) 및 제2 길이(Rs)를 포함할 수 있다.In the meridian design variable determination step (S31), the meridian design variable is used to establish the basic frame of the meridional plane and may include a first length (Rh) and a second length (Rs).

제1 길이(Rh)는 임펠러의 중심축으로부터 날개의 허브까지의 길이일 수 있다. 제2 길이(Rs)는 임펠러의 중심축으로부터 날개의 쉬라우드까지의 길이일 수 있다. 이때, 제1 길이(Rh)는 임펠러의 회전축의 반경을 나타낼 수 있다. The first length (Rh) may be the length from the central axis of the impeller to the hub of the wing. The second length Rs may be the length from the central axis of the impeller to the shroud of the wing. At this time, the first length (Rh) may represent the radius of the rotation axis of the impeller.

제2 길이(Rs)는 임펠러 전체 크기를 나타낼 수 있다. 또한, 임펠러의 날개의 쉬라우드는 케이싱의 내경에 근접하므로, 제2 길이(Rs)는 케이싱의 내경을 나타낼 수 있다. 그리고, 제2 길이(Rs)를 통해 케이싱의 내부 면적을 산출하고, 제1 길이(Rh)를 통해 회전축의 면적을 산출하여, 케이싱의 내부 면적에서 회전축의 면적을 제외하여 임펠러의 입구 부분의 면적을 나타낼 수 있다. The second length (Rs) may represent the overall size of the impeller. Additionally, since the shroud of the impeller blade is close to the inner diameter of the casing, the second length Rs may represent the inner diameter of the casing. Then, the internal area of the casing is calculated through the second length (Rs), the area of the rotation axis is calculated through the first length (Rh), and the area of the rotation axis is subtracted from the internal area of the casing to determine the area of the inlet portion of the impeller. can indicate.

그리고, 제2 길이(Rs)에서 제1 길이(Rh)를 제외함으로써, 임펠러의 날개의 높이를 알 수 있다. 또한, 제1 길이(Rh)의 제2 길이(Rs)에 대한 비율인 허브비(Rh/Rs, hub ratio)를 통해 임펠러의 형상을 유추할 수 있다. And, by subtracting the first length (Rh) from the second length (Rs), the height of the impeller blades can be known. Additionally, the shape of the impeller can be inferred through the hub ratio (Rh/Rs, hub ratio), which is the ratio of the first length (Rh) to the second length (Rs).

날개각 설계 단계는 임펠러 날개의 입/출구 각도를 부드럽게 연결해주는 곡선으로 베지어 곡선 제어 방식과 고전적 곡선 제어 방식 두 가지로 정의할 수 있다.The blade angle design stage is a curve that smoothly connects the inlet/outlet angles of the impeller blades, and can be defined in two ways: Bezier curve control method and classical curve control method.

베지어 곡선(bezier curve)은 컴퓨터　그래픽에서 임의의 형태의 곡선을 표현하기 위해 수학적으로 만든 곡선일 수 있다. 최초의　제어점(control　point)인 시작점과 최후의 제어점인 끝점 그리고 그 사이에 위치하는 내부 제어점의 이동에 의해 다양한 자유 곡선을 얻는 방법일 수 있다.　이 때 곡선은 제어점 위를 통과하지 않을 수 있다. 시작점에서 시작한 곡선은 인접한 제어점 방향으로 진행하는데, 그 옆에 있는 제어점의 영향을 받아 첫 제어점 위를 지나가지 않고, 그 다음의 제어점 방향에 영향을 받아 곡선이 작성될 수 있다. 이는 각 제어점의　좌표를 매개로 하는 매개 함수식을 통해 만들어질 수 있다. 그리고, 본 발명의 날개각 설계 단계는 베지어 곡선 제어 방식에 한정되지는 않고 고전적 곡선 제어 방식을 더 포함할 수 있다. A Bezier curve may be a curve created mathematically to express a curve of any shape in computer graphics. This can be a method of obtaining various free curves by moving the starting point, which is the first control point, the end point, which is the last control point, and the internal control points located between them. At this time, the curve may not pass over the control point. A curve starting from a starting point progresses in the direction of an adjacent control point, but due to the influence of the control point next to it, the curve may be created without passing over the first control point, but is influenced by the direction of the next control point. This can be created through a parametric function using the coordinates of each control point. In addition, the blade angle design step of the present invention is not limited to the Bezier curve control method and may further include a classical curve control method.

날개각의 설계 변수 결정 단계(S32)에서 날개각의 설계 변수는 시위길이(Chord(h,s)), 최대 캠버(Camber H), 최대 캠버의 위치까지의 거리(Camber D), 자오선 대비 기울어진 각도(setting angle)를 포함할 수 있다. In the blade angle design variable determination step (S32), the blade angle design variables are chord length (Chord(h,s)), maximum camber (Camber H), distance to the position of maximum camber (Camber D), and tilt relative to the meridian. A setting angle may be included.

시위길이(Chord(h,s))는 임펠러의 날개의 시위선의 길이이다. 여기서, 시위선(Chord line)은 날개의 전단부 꼭지점과 후단부 꼭지점을 직선으로 연결한 가상적인 선일 수 있다. Chord(h,s) is the length of the chord line of the impeller blade. Here, the chord line may be an imaginary line connecting the front end vertex and the rear end vertex of the wing with a straight line.

최대 캠버(Camber H)는 임펠러의 날개의 캠버선과 임펠러의 날개의 시위선 사이의 최대 높이일 수 있다. 여기서, 캠버선(Camber line)은 골격선으로, 날개 단면의 중심을 지나는 선일 수 있다. Maximum camber (Camber H) may be the maximum height between the camber line of the impeller blades and the chord line of the impeller blades. Here, the camber line is a skeleton line and may be a line passing through the center of the wing cross section.

최대 캠버의 위치까지의 거리(Camber D)는 임펠러의 날개의 전단으로부터 최대 캠버(Camber H)까지의 길이이다.The distance to the position of the maximum camber (Camber D) is the length from the front end of the impeller blade to the maximum camber (Camber H).

자오선 대비 기울어진 각도(setting angle)는 날개의 각도를 의미할 수 있다. 다시 말해, 자오선 대비 기울어진 각도(setting angle)는 날개 면적 분포가 임펠러(10)의 회전축(11)의 중심축을 기준으로 기울어진 각을 나타낼 수 있다. The setting angle relative to the meridian may refer to the angle of the wing. In other words, the setting angle relative to the meridian may represent the angle at which the blade area distribution is inclined relative to the central axis of the rotation axis 11 of the impeller 10.

도 13을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에서 실험계획법을 이용한 임펠러의 최적화 형상 도출 단계(S40)는 설계 목적 값에 영향을 미치는 주요 설계 변수 결정 단계(S41), 반응표면기법에 의해 설계 목적 값을 최적화할 수 있는 최적의 설계 인자의 조건을 파악하는 단계(S42) 및 최적의 설계 변수 조건으로 반응 최적화 기법을 이용하여 임펠러의 최적화 형상을 도출하는 단계(S43)를 포함할 수 있다. Referring to Figure 13, in one embodiment of the present invention, the step of deriving the optimized shape of the impeller using the design of experiment method (S40), the step of determining the main design variables affecting the design objective value (S41), and the step of determining the design objective by the response surface technique. It may include a step of identifying the conditions of optimal design factors that can optimize the values (S42) and a step of deriving the optimized shape of the impeller using a response optimization technique with optimal design variable conditions (S43).

이때, 실험계획법은 근대적 통계 해석법을 기반으로 이상 변동을 가져오는 많은 원인 중에서 중요한 원인을 적은 비용으로 선정하고 그 효과를 수량적으로 측정하는 방법이다. 그리고 동시에 두 종류 이상의 인자를 대상으로 하여 그들의 효과를 개별적으로 측정할 수 있다. At this time, the experimental design method is a method of selecting important causes among many causes of abnormal fluctuations at a low cost and measuring the effects quantitatively based on modern statistical analysis methods. And, by targeting two or more types of factors at the same time, their effects can be measured individually.

본 발명의 일 실시예에서 최적설계를 위한 수치최적화 기법으로 실험계획법의 반응표면기법(RSM, response surface method)을 사용하였다. In one embodiment of the present invention, the response surface method (RSM) of the design of experiment method was used as a numerical optimization technique for optimal design.

설계 변수에 따른 임펠러의 성능을 분석하기 위해서는 설계 목적 값을 정의해야 한다. 이때, 설계 목적 값은 임펠러의 성능을 나타내는 임펠러의 효율일 수 있다. In order to analyze the performance of an impeller according to design variables, the design objective value must be defined. At this time, the design objective value may be the efficiency of the impeller, which indicates the performance of the impeller.

2k 요인실험법이란 k개의 인자에 대해 각각의 인자의 수준을 실험을 수행하여 각 인자의 유의성을 판정하는 방식이다. 예를 들어, 3가지 인자의 모든 효과를 구하려면 실험의 크기를 8회로 하여 인자들의 주 효과와 교호작용을 구해야 한다.The 2 k factorial experiment method is a method of determining the significance of each factor by conducting an experiment on the level of each factor for k factors. For example, to find all the effects of three factors, the size of the experiment should be 8 and the main effects and interactions of the factors should be found.

주요 설계 변수 결정 단계(S41)에서, 주요 설계 변수는 제1 길이(Rh), 제2 길이(Rs), 시위길이(Chord(h,s)), 자오선 대비 기울어진 각도(setting angle)일 수 있다. In the main design variable determination step (S41), the main design variables may be the first length (Rh), the second length (Rs), the chord length (Chord(h,s)), and the tilt angle relative to the meridian (setting angle). there is.

그리고, 주요 설계 변수를 제외한 나머지 설계 변수들은 2k　요인실험법 및 반응표면기법을 통해서 나온 결과값 중에서 최적화된 값으로 고정될 수 있다. In addition, the remaining design variables, excluding the main design variables, can be fixed to optimized values among the results obtained through the 2k factorial experiment method and response surface technique.

부가적으로, 최대 캠버의 위치까지의 거리(Camber D)는 시위길이(Chord(h,s))의 40% 내지 60%로 고정되고, 최대 캠버(Camber H)는 시위길이(Chord(h,s))의 30% 내지 50%로 고정될 수 있다. 그리고, 쉬라우드에서 날개의 최대 두께는 시위길이(Chord(s))의 4% 내지 6%로 고정되고, 허브에서 날개의 최대 두께는 시위길이(Chord(h))의 8% 내지 11%로 고정될 수 있다. Additionally, the distance to the position of the maximum camber (Camber D) is fixed at 40% to 60% of the chord length (Chord(h,s)), and the maximum camber (Camber H) is determined by the chord length (Chord(h,s) It can be fixed at 30% to 50% of s)). And, the maximum thickness of the wing at the shroud is fixed at 4% to 6% of the chord length (Chord(s)), and the maximum thickness of the wing at the hub is fixed at 8% to 11% of the chord length (Chord(h)). It can be fixed.

반응표면기법에 의해 설계 목적 값을 최적화할 수 있는 최적의 설계 인자의 조건을 파악하는 단계(S42)에서 반응표면기법은 복수의 변수 작용으로 반응이 복합적으로 나타나는 문제를 통계적으로 분석하는 방법이며, 여러 개의 설계 변수가 복합적인 작용을 함으로써 어떤 목적함수에 영향을 주고 있을 때 이러한 반응의 변화가 이루는 반응표면에 대한 통계적 분석방법이다. In the step (S42) of identifying the conditions of optimal design factors that can optimize the design objective value using the response surface technique, the response surface technique is a method of statistically analyzing problems in which responses appear complex due to the action of multiple variables, It is a statistical analysis method for the response surface formed by changes in response when several design variables influence an objective function through complex actions.

또한, 반응표면기법은 어떠한 요인들이 영향을 미치는가 뿐만 아니라 그 요인들이 어떠한 조합을 이루었을 때 가장 큰 효과를 줄 수 있는가를 추정할 수 있다.In addition, the response surface technique can estimate not only what factors have influence, but also what combination of factors can have the greatest effect.

일반적인 실험계획에서 요인들의 조합을 통한 효과의 유무를 추정한다고 하면 반응표면기법은 어떤 요인이 영향을 미치며 그 요인들이 가장 큰 효과를 보여줄 때의 식을 추정할 수 있다.In a general experiment plan, if you estimate the presence or absence of an effect through a combination of factors, the response surface technique can estimate which factors have an effect and the equation when those factors show the greatest effect.

본 발명에서 적용된 반응표면기법은 4인자 5수준의 실험으로 최적화를 수행한다. 이때 설계 변수는 자오면의 설계 변수인 제1 길이(Rh), 제2 길이(Rs), 날개각의 설계 변수인 시위길이(Chord(h,s)), 자오선 대비 기울어진 각도(setting angle) 4가지로 선정하여 목적함수를 임펠러의 효율로 두고 반응 표면기법을 시행할 수 있다.The response surface technique applied in the present invention is optimized through experiments with 4 factors and 5 levels. At this time, the design variables are the first length (Rh) and second length (Rs), which are the design variables of the meridian plane, the chord length (Chord(h,s)), which is the design variable of the blade angle, and the tilt angle compared to the meridian (setting angle) 4 By selecting the branch, the response surface technique can be implemented with the objective function being the efficiency of the impeller.

본 발명의 일 실시예에서는 최적화 설계 변수 조건으로 반응 최적화 기법을 이용하여 임펠러의 최적화 형상을 도출하는 단계(S43)에서는 임펠러의 효율이 최적인 축류 펌프의 임펠러를 설계 목표값(target of design)으로 설정하였고, 목표값을 만족하는 형상을 결정하기 위하여 반응최적화(response optimization)기법을 이용하였다. In one embodiment of the present invention, in the step (S43) of deriving the optimized shape of the impeller using a response optimization technique with optimized design variable conditions, the impeller of the axial flow pump with optimal impeller efficiency is set to the target of design. was set, and a response optimization technique was used to determine a shape that satisfies the target value.

이를 통해 주요 설계 변수인 제1 길이(Rh), 제2 길이(Rs), 날개각의 설계 변수인 시위길이(Chord(h,s)), 자오선 대비 기울어진 각도(setting angle)가 최적화된 축류 펌프의 임펠러의 형상을 도출할 수 있다. Through this, the main design variables, the first length (Rh), the second length (Rs), the chord length (Chord(h,s)), which is the design variable of the blade angle, and the tilt angle relative to the meridian (setting angle) are optimized for axial flow. The shape of the pump's impeller can be derived.

그리고, 각 비속도별로 최적화된 축류 펌프의 임펠러의 형상에서의 설계 변수인 제1 길이(Rh), 제2 길이(Rs), 날개각의 설계 변수인 시위길이(Chord(h,s)), 자오선 대비 기울어진 각도(setting angle)의 수치들을 추출하여, 비속도에 따른 임펠러의 설계 변수들의 경향성을 함수화할 수 있다. In addition, the first length (Rh), the second length (Rs), which are design variables in the shape of the impeller of the axial flow pump optimized for each specific speed, and the chord length (Chord(h,s)), which is a design variable for the blade angle, By extracting the values of the setting angle relative to the meridian, the tendency of the impeller design variables according to specific speed can be functionalized.

도 8 내지 도 10을 참고하면, 본 발명에서는 비속도 2000, 2200, 2400, 2600, 2800, 3000에서의 최적화된 축류 펌프의 임펠러의 형상을 도출하고, 이 때의 설계 변수들을 추출하였다. Referring to Figures 8 to 10, in the present invention, the shape of the impeller of the optimized axial flow pump at specific speeds of 2000, 2200, 2400, 2600, 2800, and 3000 was derived, and the design variables at this time were extracted.

비속도에 따른 임펠러의 설계 변수의 경향성을 함수화하는 단계는 각 비속도별로 추출된 설계 변수들의 수치를 이용하여, 설계 변수의 경향성을 함수화할 수 있다. 설계 변수는 Ns2000급 축류펌프 임펠러 형상의 설계 변수로 무차원화 하였다.In the step of functionalizing the tendency of the design variables of the impeller according to specific speed, the tendency of the design variable can be functionalized using the numerical values of the design variables extracted for each specific speed. The design variables were non-dimensionalized as the design variables of the Ns2000 class axial flow pump impeller shape.

이를 통해, 제1 길이(Rh)의 제2 길이(Rs)에 대한 비율인 허브비(Rh/Rs)는 다음과 같은 수학식2로 도출될 수 있다. Through this, the hub ratio (Rh/Rs), which is the ratio of the first length (Rh) to the second length (Rs), can be derived from Equation 2 as follows.

여기서, Y1는 상기 허브비, X는 상기 비속도, A1는 0.00000009 ∼ 0. 0000001의 범위에서 결정되는 상수, B1는 0.0007 ∼ 0.0008의 범위에서 결정되는 상수, C1는 2 ∼ 3의 범위에서 결정되는 상수이다. Here , Y 1 is the hub ratio , It is a constant determined from a range.

바람직하게는 A1이 0.000000092, B1이 0.00075, C1이 2.1로 마련될 때, 각각의 비속도에 따른 최적화된 축류 펌프의 임펠러의 허브비(Rh/Rs)가 도출될 수 있다. 다시 말해, 수학식2를 통해 입력된 비속도에 따른 허브비(Rh/Rs)가 도출될 수 있고, 사용자는 허브비(Rh/Rs)를 이용하여 입력된 비속도에서 효율을 최대화시킬 수 있는 최적화된 축류 펌프의 임펠러를 용이하게 설계할 수 있다. Preferably, when A 1 is set to 0.000000092, B 1 to 0.00075, and C 1 to 2.1, the hub ratio (Rh/Rs) of the impeller of the axial flow pump optimized for each specific speed can be derived. In other words, the hub ratio (Rh/Rs) can be derived according to the input specific speed through Equation 2, and the user can maximize efficiency at the input specific speed using the hub ratio (Rh/Rs). The impeller of an optimized axial flow pump can be easily designed.

도 8, 9를 참고하면, 허브비(Rh/Rs)는 비속도가 커질수록 줄어드는 경향성을 나타낼 수 있다. Referring to Figures 8 and 9, the hub ratio (Rh/Rs) may tend to decrease as the specific speed increases.

또한, 시위길이(Chord(h,s))는 다음과 같은 수학식3으로 도출될 수 있다. Additionally, the chord length (Chord(h,s)) can be derived from Equation 3 as follows.

여기서, Y9는 시위길이(Chord(h,s))이고, Meridional length는 자오선의 길이이며, setting angle은 자오선 대비 기울어진 각도이다. Here, Y 9 is the chord(h,s), Meridional length is the length of the meridian, and setting angle is the inclined angle compared to the meridian.

그리고, 자오선의 길이(Meridional length)는 허브 길이(Meridional length(hub))와 쉬라우드 길이(Meridional length(shroud))를 포함할 수 있다. And, the meridional length may include the hub length (Meridional length (hub)) and the shroud length (Meridional length (shroud)).

여기서, 허브 길이(Meridional length(hub))는 날개의 허브에서 자오선의 길이이고, 쉬라우드 길이(Meridional length(shroud))는 날개의 쉬라우드에서 자오선의 길이일 수 있다. Here, the hub length (Meridional length(hub)) may be the length of the meridian at the hub of the wing, and the shroud length (Meridional length(shroud)) may be the length of the meridian at the shroud of the wing.

또한, 허브 길이(Meridional length(hub))는 다음과 같은 수학식4로 도출될 수 있다. Additionally, the hub length (Meridional length (hub)) can be derived from Equation 4 as follows.

여기서, Y2는 상기 허브 길이, X는 상기 비속도, A2는 0.0003 ∼ 0.0004의 범위에서 결정되는 상수, B2는 1 ∼ 2의 범위에서 결정되는 상수이다. Here, Y 2 is the hub length,

바람직하게는 A2가 0.00037, B2가 1.7로 마련될 때, 각각의 비속도에 따른 최적화된 축류 펌프의 임펠러의 허브 길이가 도출될 수 있다. Preferably, when A 2 is set to 0.00037 and B 2 to 1.7, the hub length of the impeller of the axial flow pump optimized for each specific speed can be derived.

또한, 쉬라우드 길이(Meridional length(shroud))는 다음과 같은 수학식5로 도출될 수 있다. Additionally, the shroud length (Meridional length (shroud)) can be derived from Equation 5 as follows.

여기서, Y3는 상기 쉬라우드 길이, X는 상기 비속도, A3는 0.0003 ∼ 0.0004의 범위에서 결정되는 상수, B3는 1 ∼ 2의 범위에서 결정되는 상수이다. Here, Y 3 is the shroud length,

바람직하게는 A3이 0.00035, B3이 1.7로 마련될 때, 각각의 비속도에 따른 최적화된 축류 펌프의 임펠러의 쉬라우드 길이가 도출될 수 있다. Preferably, when A 3 is set to 0.00035 and B 3 to 1.7, the shroud length of the impeller of the axial flow pump optimized for each specific speed can be derived.

그리고, 자오선 대비 기울어진 각도(setting angle)는 허브 각도(setting angle(hub))와 쉬라우드 각도(setting angle(shroud))를 포함할 수 있다. And, the setting angle relative to the meridian may include a hub angle (setting angle (hub)) and a shroud angle (setting angle (shroud)).

여기서, 허브 각도(setting angle(hub))는 날개의 허브에서 자오선 대비 기울어진 각도이고, 쉬라우드 각도(setting angle(shroud))는 날개의 쉬라우드에서 자오선 대비 기울어진 각도일 수 있다. Here, the setting angle (hub) may be an angle inclined relative to the meridian at the hub of the wing, and the shroud angle (setting angle (shroud)) may be an angle inclined relative to the meridian at the shroud of the wing.

또한, 허브 각도(setting angle(hub))는 다음과 같은 수학식6으로 도출될 수 있다. Additionally, the setting angle (hub) can be derived from Equation 6 as follows.

여기서, Y4는 상기 허브 각도, X는 상기 비속도, A4는 0.000000006 ∼ 0. 000000007의 범위에서 결정되는 상수, B4는 0.0003 ∼ 0.0004의 범위에서 결정되는 상수, C4는 0.3 ∼ 0.4의 범위에서 결정되는 상수이다. Here , Y 4 is the hub angle , It is a constant determined from a range.

바람직하게는 A4가 0.0000000064, B4가 0.00032, C4가 0.34로 마련될 때, 각각의 비속도에 따른 최적화된 축류 펌프의 임펠러의 허브 각도가 도출될 수 있다. Preferably, when A 4 is set to 0.0000000064, B 4 to 0.00032, and C 4 to 0.34, the hub angle of the impeller of the axial flow pump optimized for each specific speed can be derived.

그리고, 쉬라우드 각도(setting angle(shroud))는 다음과 같은 수학식7로 도출될 수 있다. And, the shroud angle (setting angle (shroud)) can be derived from Equation 7 as follows.

여기서, Y5는 상기 쉬라우드 각도, X는 상기 비속도, A5는 0.00000004 ∼ 0. 00000005의 범위에서 결정되는 상수, B5는 0.0002 ∼ 0.0003의 범위에서 결정되는 상수, C5는 1 ∼ 2의 범위에서 결정되는 상수이다. Here , Y 5 is the shroud angle , It is a constant determined in the range.

바람직하게는 A5가 0.000000045, B5가 0.00025, C5가 1.3로 마련될 때, 각각의 비속도에 따른 최적화된 축류 펌프의 임펠러의 쉬라우드 각도가 도출될 수 있다.Preferably, when A 5 is set to 0.000000045, B 5 to 0.00025, and C 5 to 1.3, the shroud angle of the impeller of the optimized axial flow pump according to each specific speed can be derived.

정리하면, 수학식4 및 수학식6을 통해 산출된 허브 길이(Meridional length(hub)) 및 허브 각도(setting angle(hub))를 통해 날개의 허브에서의 시위길이(Chord(h))를 산출할 수 있다. 그리고, 수학식5 및 수학식7을 통해 산출된 쉬라우드 길이(Meridional length(shroud)) 및 쉬라우드 각도(setting angle(shroud))를 통해 날개의 쉬라우드에서의 시위길이(Chord(s))를 산출할 수 있다. 따라서, 비속도를 통해 시위길이를 산출할 수 있다. In summary, the chord length (Chord (h)) at the hub of the wing is calculated through the hub length (Meridional length (hub)) and hub angle (setting angle (hub)) calculated through Equation 4 and Equation 6. can do. And, the chord length (Chord(s)) at the shroud of the wing is calculated through the shroud length (meridional length (shroud)) and shroud angle (setting angle (shroud)) calculated through Equation 5 and Equation 7. can be calculated. Therefore, the chord length can be calculated through the specific speed.

상기 수학식2 내지 수학식7과 같이, 설계 변수의 경향성을 함수화하고, 데이터베이스(D/B)화 하면, 비속도별로 최적화된 설계 변수가 출력될 수 있다. As shown in Equations 2 to 7 above, if the tendency of the design variables is functionalized and converted into a database (D/B), design variables optimized for each specific speed can be output.

도 10은 Ns2000, Ns2200, Ns2400, Ns2600, Ns2800 및 Ns3000급 축류펌프 임펠러의 효율을 비교한 것이다. 효율은 Ns2000급 축류펌프 임펠러 형상의 효율로 무차원화 하였으며, 각 형상의 설계유량의 효율을 비교하였다. Figure 10 compares the efficiency of Ns2000, Ns2200, Ns2400, Ns2600, Ns2800, and Ns3000 class axial flow pump impellers. Efficiency was non-dimensionalized based on the efficiency of the Ns2000 class axial flow pump impeller shape, and the efficiency of the design flow rate of each shape was compared.

도 7을 참고하면, 각 형상의 효율은 수치해석을 이용하여 검증하였고, 비속도 변화에 따른 효율 경향성을 나타내었다. Referring to Figure 7, the efficiency of each shape was verified using numerical analysis, and the efficiency trend according to specific speed change was shown.

도 10을 참고하면, 임펠러의 효율은 비속도가 증가함에 따라 감소하는 경향성을 나타낼 수 있다. Referring to FIG. 10, the efficiency of the impeller may tend to decrease as the specific speed increases.

다양한 비속도의 데이터베이스를 확보하고, 비속도에 따른 설계 변수의 경향성을 파악하면, 요구되는 설계 사양 및 성능을 만족하는 축류 펌프의 임펠러 형상을 쉽게 설계할 수 있다. By securing a database of various specific speeds and identifying the trends of design variables according to specific speed, it is possible to easily design an impeller shape for an axial flow pump that satisfies the required design specifications and performance.

도 11은 비속도에 따른 설계 변수 경향성을 이용하여 축류 펌프 임펠러를 설계하는 절차를 나타낼 수 있다. Figure 11 shows a procedure for designing an axial flow pump impeller using design variable trends according to specific speed.

도 11을 참고하면, 비속도에 따른 축 류펌프 임펠러의 설계 변수의 경향성이 도출되었으므로, 비속도가 입력되면, 비속도에 따른 설계 변수 경향성을 이용하여 축류 펌프 임펠러 형상을 설계할 수 있다. Referring to FIG. 11, since the tendency of the design variable of the axial flow pump impeller according to the specific speed has been derived, when the specific speed is input, the shape of the axial pump impeller can be designed using the design variable tendency according to the specific speed.

결과적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 설계를 이용한 축류펌프의 임펠러 설계 방법은 설계 사양별로 임펠러의 성능을 최적화할 수 있는 임펠러의 형상을 설계할 수 있다. As a result, the impeller design method of an axial flow pump using meridional shape design to satisfy the design specifications of high flow rate and low head according to an embodiment of the present invention designs the shape of the impeller that can optimize the performance of the impeller for each design specification. can do.

본 발명의 일 실시예에 따른 대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 설계를 이용한 축류펌프의 임펠러 설계 방법은 설계 변수 경향성을 이용하여 비속도별로 효율을 만족하는 펌프의 임펠러를 설계할 수 있다. The impeller design method of an axial flow pump using meridional shape design to satisfy the design specifications of large flow rate and low head according to an embodiment of the present invention is to design an impeller of a pump that satisfies efficiency for each specific speed using design variable tendencies. You can.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.Although the present invention has been described through preferred embodiments as described above, the present invention is not limited thereto and various modifications and variations are possible without departing from the concept and scope of the claims described below. Those working in the relevant technical field will easily understand.

S10 : 설계 사양 결정 단계
S20 : 비속도 결정 단계
S30 : 설계 변수 결정 단계
S40 : 3차원 형상 도출 단계
1 : 펌프
10 : 임펠러 11 : 회전축
13 : 날개 20 : 케이싱
30 : 작동축 S10: Design specification decision stage
S20: Specific speed determination step
S30: Design variable determination step
S40: 3D shape derivation step
1: pump
10: Impeller 11: Rotating shaft
13: wing 20: casing
30: operating axis

Claims (21)

자오면 형상 모델링을 통해 임펠러를 설계하는 방법에 있어서,
상기 임펠러의 설계 사양을 결정하는 단계;
상기 임펠러의 비속도를 결정하는 단계;
상기 임펠러의 설계 변수를 결정하는 단계;
상기 임펠러의 효율이 최적화된 형상을 도출하는 단계; 및
상기 비속도에 따른 상기 임펠러의 설계 변수의 경향성을 함수화하는 단계를 포함하고,
상기 임펠러의 설계 변수를 결정하는 단계는,
상기 임펠러의 날개 형상을 표현하는 자오면의 설계 변수를 결정하는 단계; 및
상기 임펠러의 날개각도를 표현하는 날개각의 설계 변수를 결정하는 단계를 포함하고,
상기 자오면의 설계 변수를 결정하는 단계에서, 상기 자오면의 설계 변수는 상기 임펠러의 중심축으로부터 상기 날개의 허브 부분까지의 길이인 제1 길이, 상기 임펠러의 중심축으로부터 상기 날개의 쉬라우드 부분까지의 길이인 제2 길이를 포함하고,
상기 제1 길이의 상기 제2 길이에 대한 비율인 허브비는, 비속도 2000 ∼ 3000의 범위에서 상기 비속도 값에 따라 단위 구간별로 경향성을 가지는 축류펌프의 임펠러 설계 방법.In a method of designing an impeller through meridional shape modeling,
determining design specifications of the impeller;
determining a specific speed of the impeller;
determining design variables of the impeller;
Deriving a shape with optimized efficiency of the impeller; and
It includes the step of functionalizing the tendency of the design variables of the impeller according to the specific speed,
The step of determining the design variables of the impeller is,
Determining design variables of a meridional plane representing the blade shape of the impeller; and
It includes the step of determining a design variable of the blade angle representing the blade angle of the impeller,
In the step of determining the design variable of the meridional plane, the design variable of the meridional plane is a first length that is the length from the central axis of the impeller to the hub portion of the wing, and a first length that is the length from the central axis of the impeller to the shroud portion of the wing. comprising a second length that is a length,
The hub ratio, which is the ratio of the first length to the second length, has a tendency for each unit section according to the specific speed value in the range of 2000 to 3000. 제1 항에 있어서,
상기 임펠러의 설계 사양을 결정하는 단계에서, 상기 설계 사양은 유량, 양정 및 회전수인 축류펌프의 임펠러 설계 방법. According to claim 1,
In the step of determining the design specifications of the impeller, the design specifications are flow rate, head, and rotation speed. 제2 항에 있어서,
상기 임펠러의 비속도를 결정하는 단계에서, 상기 비속도는

이고, 이때, Ns는 상기 비속도, Q는 상기 유량, H는 상기 양정, n은 상기 회전수이며,
상기 비속도는 상기 유량, 양정 및 회전수에 의해 결정되는 축류펌프의 임펠러 설계 방법. According to clause 2,
In determining the specific speed of the impeller, the specific speed is

, where Ns is the specific speed, Q is the flow rate, H is the head, n is the rotation speed,
An impeller design method for an axial flow pump in which the specific speed is determined by the flow rate, head, and rotation speed. 제3 항에 있어서,
상기 비속도는 2000 ∼ 3000의 범위에서 결정되는 축류펌프의 임펠러 설계 방법. According to clause 3,
Impeller design method for an axial flow pump wherein the specific speed is determined in the range of 2000 to 3000. 제4 항에 있어서,
상기 임펠러의 날개는 2개로 마련되는 축류펌프의 임펠러 설계 방법. According to clause 4,
A method of designing an impeller for an axial flow pump in which the impeller has two blades. 제4 항에 있어서,
상기 임펠러의 효율은, 비속도 2000 ∼ 3000의 범위에서 상기 비속도 값에 따라 단위 구간별로 경향성을 가지는 축류펌프의 임펠러 설계 방법. According to clause 4,
The impeller design method for an axial flow pump in which the efficiency of the impeller has a tendency for each unit section according to the specific speed value in the specific speed range of 2000 to 3000. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 허브비는
Y1= A1X2 - B1X + C1
이고, 이때, Y1는 상기 허브비, X는 상기 비속도, A1는 0.00000009 ∼ 0. 0000001의 범위에서 결정되는 상수, B1는 0.0007 ∼ 0.0008의 범위에서 결정되는 상수, C1는 2 ∼ 3의 범위에서 결정되는 상수인 축류펌프의 임펠러 설계 방법. According to claim 1,
The herb fee
Y 1 = A 1
, where Y 1 is the hub ratio , Impeller design method for an axial flow pump with a constant determined in the range of 3. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 임펠러의 효율이 최적화된 형상을 도출하는 단계는,
상기 임펠러의 효율인 설계 목적 값에 영향을 미치는 주요 설계 변수를 결정하는 단계; 및
반응표면기법에 의해 상기 설계 목적 값을 최적화할 수 있는 최적의 설계 변수의 조건을 파악하는 단계를 포함하는 축류펌프의 임펠러 설계 방법. According to claim 1,
The step of deriving a shape with optimized efficiency of the impeller is,
Determining key design variables that affect the design objective value, which is the efficiency of the impeller; and
An impeller design method for an axial flow pump including the step of identifying the conditions of optimal design variables that can optimize the design objective value by using a response surface technique. 제17 항에 있어서,
상기 주요 설계 변수를 결정하는 단계에서, 상기 주요 설계 변수는 상기 임펠러의 중심축으로부터 상기 임펠러의 날개의 허브 부분까지의 길이인 제1 길이, 상기 임펠러의 중심축으로부터 상기 임펠러의 날개의 쉬라우드 부분까지의 길이인 제2 길이, 상기 임펠러의 날개의 시위선의 길이인 시위길이, 자오선 대비 기울어진 각도인 축류펌프의 임펠러 설계 방법. According to claim 17,
In the step of determining the main design variables, the main design variables include a first length, which is the length from the central axis of the impeller to the hub portion of the blade of the impeller, and a shroud portion of the blade of the impeller from the central axis of the impeller. The second length is the length up to, the chord length is the length of the chord line of the blade of the impeller, and the impeller design method of the axial flow pump is the inclined angle with respect to the meridian. 제18 항에 있어서,
상기 주요 설계 변수를 제외한 나머지 설계 변수들은 2k　요인실험법 및 상기 반응표면기법을 통해서 나온 결과값 중에서 최적화된 값으로 고정되는 축류펌프의 임펠러 설계 방법. According to clause 18,
An impeller design method for an axial flow pump in which the remaining design variables, excluding the main design variables, are fixed to optimized values among the results obtained through the 2k factorial experiment method and the response surface method. 제1 항 내지 제6 항, 제10 항, 제17 항 내지 제19 항 중 어느 한 항에 따른 축류펌프의 임펠러 설계 방법에 의하여 설계된 임펠러. An impeller designed by the impeller design method for an axial flow pump according to any one of claims 1 to 6, 10, and 17 to 19. 제20 항에 따른 임펠러;
상기 임펠러가 내부에 설치되고 상기 임펠러의 전방으로 유체가 흡입되도록 형성된 흡입구 및 상기 임펠러의 후방으로 상기 흡입된 유체가 배출되도록 형성된 배출구를 구비하는 케이싱; 및
상기 임펠러에 일측부가 결합되어 회전에 의해 상기 임펠러를 회전시키는 작동축을 포함하는 축류펌프.
Impeller according to claim 20;
a casing in which the impeller is installed and has an intake port formed to suck fluid toward the front of the impeller and an outlet formed to discharge the sucked fluid to the rear of the impeller; and
An axial flow pump including an operating shaft that is coupled to one side of the impeller and rotates the impeller.
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