KR19980031600A - 종-흐름 임펠러 - Google Patents

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다나카시게루
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Abstract

본 발명은 임펠러 직경의 20% 이하의 블레이드 최대폭을 지니는 종-흐름 임펠러에 관한 것으로, 반경 위치 0.6에서의 경사각이 12 내지 22o이며, 블레이드의 선단부에서의 폭은 반경 위치 0.6에서의 폭의 12 내지 75%이고, 블레이드의 선단부에서의 경사각은 반경 위치 0.6에서의 경사각 보다 작은 5 내지 10o이며, 블레이드의 밑부분에서의 폭은 반경 위치 0.6에서의 폭의 40%이상이고, 블레이드의 밑부분에서의 경사각은 25 내지 50o인 종-흐름 임펠러에 관한 것이다. 본 발명은 또한 임펠러 직경의 20%이상의 블레이드 최대폭을 지니는 종-흐름 임펠러에 관한 것으로, 최대폭 부분의 반경 위치는 0.4 내지 0.8이고, 최대폭 부분의 경사각은 12 재지 22o이며, 블레이드의 선단부에서의 폭은 최대폭의 12 내지 75%이고, 블레이드의 선단부에서의 경사각은 최대폭 부분에서의 경사각 보다 작은 5 내지 10o이며, 블레이드의 밑부분에서의 폭은 최대폭의 40 내지 100%이고, 블레이드의 밑부분에서의 경사각은 25 내지 50O인 종-흐름 임펠러에 관한 것이다.

Description

종-흐름 임펠러
본 발명은 종-흐름을 유발하는 혼합 임펠러에 관한 것이고, 더욱 특히, 저장탱크에서 낮거나 중간 점도의 액체, 및 낮거나 중간 점도의 액체중의 비적 또는 입자 분산액를 혼합하는데 사용되는 혼합 임펠러에 관한 것이다.
임펠러 샤프트 방향으로 유체를 토출시킬 수 있는 혼합 임펠러(이하 종-흐름 임펠러라 한다)는 낮거나 중간 점도의 액체 및 낮거나 중간 점도의 액체중의 비말 또는 입자 분산액을 혼합함으로써 유체를 혼합하는데 사용된다.
이러한 형태의 임펠러는 다른 임펠러 보다 작은 토크 및 적은 에너지 소모하면서 보다 큰 토출유량를 제공하여, 장치의 비용 및 작동 비용면에서 경제적으로 유리하다.
이러한 형태의 임펠러로는 경사 패달 임펠러 및 프로펠러가 일반적으로 사용된다. 경사 패달 임펠러는 가장 용이하면서 가장 저렴하게 제조될 수 있지만, 프로펠러에 비해 토출시키는데 보다 큰 토크 및 보다 많은 에너지가 요구된다. 즉, 이들의 토출효율이 불량하다. 또한 경사 패달 임펠러는 경사각에 따라 종축 흐름 패턴과 반경축 흐름 패턴 사이에서 중간 흐름 패턴을 생성하는 것으로 공지되어 있다.
임펠러 블레이드가 그러한 방법으로 제조되어 리딩 에지(leading edge)로부터 트레일링 에지(trailing edge)의 두께가 선박 프로펠러 블레이드와 같은 공기-호일 프로파일에 따라 변화되는 경우, 높은 토출 효율을 달성할 수 있다. 그러나, 제조 비용이 상당히 많이 든다. 또한, 일정한 두께의 임펠러 블레이드를 이의 경사 높이가 다이를 사용함으로써 반경 방향으로 일정하게 유지되게 하면서 굴곡면으로 굽혀지게하는 제조방법이 사용되어 왔다. 블레이드가 비틀려있어 어테치의 흐름각이 블레이드상의 각각의 반경 방향에서 일정하게 유지되도록 리프트 대 드래그의 비율을 증가시키는 방법도 제시되어 있다. 리프트 대 드래그의 비율을 보다 더 증가시키기 위해서, 임펠러 블레이드가 이들의 리딩 에지에서 트레일링 에지까지의 부분에서 적합한 챔버와 함께 제공된다. 이러한 프로펠러는 기본적으로 다이를 사용하여 제조하기 때문에, 상이한 임펠러의 크기에 따라 상이한 다이를 제작해야 한다. 임펠러가 작고 대량으로 생산될 수 있다면, 이러한 방법으로도 경제적으로 제조될 수 있다. 그러나, 요구되는 크기가 큰 임펠러를 각각 제조하는 다이를 제작하는데는 상당한 비용이 요구된다.
하기된 다양한 형태의 종-흐름 임펠러가 공지되어 있다.
즉, 미합중국특허 제5052892호에는 경사 패달 임펠러의 블레이드(21)을 도 19에 도시된 바와 같이 반경 방향으로 중심선을 따라 굽힘으로써 챔버 효과를 주어 블레이드의 기계적인 강도를 증진시킬 뿐만아니라 토출효율을 개선시키는 기술이 개재되어 있다. 상기된 특허에서, 블레이드는 일정한 폭의 판이 바람직하고 블레이드의 주 경사각은 바람직하게는 25 내지 30o이어야 하고, 접힘부는 바람직하게는 블레이드의 선단에서 교차되는 두 개의 접힘부가 있어야 하며, 전체 접힘각은 바람직하게는 20 내지 30o이어야 한다고 기재되어 있다(이하 종래의 임펠러(A)라 한다).
미합중국특허 제4468130호에는, 도 20에 도시된 바와 같이, 최대 토출효율은 블레이드(22)의 선단으로부터 밑부분 까지의 챔버 및 경사각을 흐름 분리가 발생되려고 하는 문턱값(threshold value)으로 조절함으로써 달성될 수 있다고 기재하고 있으며, 챔버를 선단에서 블레이드 폭의 8%로부터 밑부분에서 0%까지 변화시키고 경사각을 선단에서 22o로부터 밑부분에서 38o까지 변화시키는 특정예가 기재되어 있다. 블레이드 폭은 임펠러 직경의 약 1/8이고 선단측에서 약간 좁으며 밑부분에서 약간 넓다. 상기 특허에 따르면, 이러한 임펠러는 프로펠러 보다 저렴한 것으로 기재되어 있지만, 동시에 굴곡이 연속적으로 변화되는 굽힘 및 비틀림이 형성되어야 하며, 정밀하게 제작하기 위해서는 상이한 다이가 각각의 임펠러 크기에 따라 요구될 수 있다(이하 종래의 임펠러(B)라 한다).
또한, 독일특허출원 제373042호에는, 도 21에 도시된 바와 같이 주 블레이드(23)과 평행하게 축방향으로 보조 블레이드(24)를 부착하여 토출효율을 증진시키고자 하고 있다. 이러한 방법으로 보조 블레이드를 추가함으로써 토크 및 에너지 소모가 증가하며, 토크 및 에너지 소모의 증가만큼 충분히 토출유량을 증가시키는 것은 도 21의 임펠러로 달성될 수 있다. 그러나, 주 블레이드가 도 21에 도시된 바와 같이 단순하게 경사 패달이므로, 이의 토출효율이 개선되었음에도 프로펠러의 토출효율과 동일한 효율을 얻기가 곤란하다(이하 종래의 임펠러(C)라 한다).
또한, 영국특허 제1454277호에는 실린더 표면을 적절하게 절단하면 블레이드 폭의 5 내지 15%의 챔버를 지니며 블레이드의 경사 높이가 반경방향으로 거의 일정하게 유지되는 블래이드를 제조할 수 있다고 기재되어 있다(이하 종래의 임펠러(D)라 한다).
진탕용의 종-흐름 임펠러에 요구되는 것은 간단히 설명하자면 장치의 비용 및 작동의 비용을 절감하고 소정의 진탕목적을 달성하는 것이다. 특히, 저점도 액체 또는 고형 입자의 분산액을 혼합하는데 있어서, 진탕성능은 토출유량, 또는 흐름속도와 토출유량의 결과에 의해 결정되며, 저렴하면서 높은 토출효율로 제작될 수 있는 종-흐름 임펠러가 요구된다.
나가제(Nagase) 및 위나르디(Winardi)의 연구(Journal of Chemical Engineering of Japan, Vol. 24, NO. 2, pp. 243-249(1991))에 따르면, 선박용 프로펠러가 진탕 탱크에 사용되는 경우, 흐름이 터빈 또는 경사 패달 임펠러의 경우에서와 같이 불안정하고, 주변의 흐름속도가 임펠러 근처의 토출 스트림에서도 두배의 값으로 오르내린다는 것이 밝혀졌다. 교류의 크기는 20 내지 50%만큼 크다. 따라서, 임펠러로부터의 유출입이 변한다는 사실은 어테크 상수의 흐름각을 유지하는 프로펠러형 방법이 혼합 임펠러의 토출효율을 용이하게 증진시킬 수 있는지에 대한 의문 뿐만아니라, 공기- 또는 수-호일(foil) 이론이 이들의 성능을 개선하는데 적용되는 종-흐름 임펠러의 디자인 방법에 유사하게 비교될 수 있는지에 대한 의문을 야기시킨다. 그러한 이유는 호일(윙)이론에 의한 흐름이 선형스트림의 일정한 흐름이고, 이는 진탕 탱크에서의 흐름과는 상당히 다르기 때문이다.
포로펠러를 포함하는 종-흐름 임펠러의 성능 디자인에서 중요한 점은 블레이드의 폭, 경사각, 및 챔버가 반경방향으로 어떻게 분포하여 최대의 토출효과를 얻느냐 하는데 있다. 가장 신뢰할 수 있는 기술은 그들의 각각의 특성을 변화시키는 것이고, 토출효율을 측정하여 특성을 최적화하는 것이다. 그러나, 이러한 형태의 연구가 거의 보고되지 않았다.
따라서, 본 발명자들은 동일한 진탕 탱크를 사용하고, 상기된 각각의 임펠러(종래의 임펠러(A 내지 D), 경사 패달 임펠러, 및 프로펠러)를 동일한 위치에 설치하며, 동일한 물의 양, 동일한 회전속도, 동일한 토크, 및 동일한 에너지 소모로 토출유량를 측정하였다. 임펠러 토크, 회전속도, 및 토출유량은 각각 스트레인 게이지 토크 메터, 전자 유속계 및 레이저 도플러 속도계로 측정하였다. 두가지 형태의 경사진 패달 임펠러가 사용되는데 하나는 45o-경사된 4-블레이드 패달 임펠러이고, 다른 하나는 30o-경사된 3-블레이드 패달 임펠러이다. 사용된 프로펠러는 이의 경사높이가 임펠러 직경과 동일하며 일정한 블레이드 두께를 지니고 블레이드상에 챔버가 없다. 상기된 측정 조건으로, 진탕기의 임펠러를 제외한 기본적으로 동일한 장치 및 동일한 작동 비용의 조건하에서 임펠러를 비교하는 것이 가능하다. 두가지 종류의 임펠러가 동일한 에너지 소모의 조건하에서 그러나 상이한 토크 및 회전속도로 비교되는 경우가 문헌에 기재되어 있지만, 그러한 비교는 경제적인 성능을 평가하는데 적합하지 않다. 예를들어, 임펠러의 직경이 동일한 형태의 임펠러에서 증가하는 경우에 보다 큰 토출유량을 동일한 에너지 소모로 얻을 수 있다. 그러나, 직경이 증가하면 임펠러토크가 보다 커지고 진탕기의 장치 비용이 증가하여, 에너지 소모를 동일한 수준으로 하는 것만으로는 경제적인 면에서의 공평한 비교를 할 수 없다.
상기된 본 발명의 발명자들의 방법으로 각각의 임펠러의 토출유량을 비교한 결과는 토출유량이 프로펠러, 종래의 임펠러(A), 종래의 임펠러(B), 30o-경사된 패달 임펠러, 종래의 임펠러(D), 종래의 임펠러(C) 및 45o-경사된 패달 임펠러 순으로 감소하였고, 서열상에서 종래의 임펠러(A) 및 (D)를 제외하는 경우, 인접한 임펠러의 토출유량의 차이는 프로펠러의 토출유량의 8 내지 11%였음을 나타낸다. 즉, 공지된 종래의 종-흐름 임펠러는 비교를 위해서 기존의 프로펠러로 용이하게 디자인하고 제작할 수 있는 상기된 프로펠러의 토출유량 보다 토출유량이 적다. 보다 큰 토출유량이 요구되는 경우에, 임펠러의 직경 또는 회전속도가 증가되어 큰 토크 및 큰 에너지 소모로 작동되어야 한다. 그결과, 임펠러의 제작비가 종래의 임펠러에 비해 저감되어도, 진탕기의 장치비용 및 작동비용이 증가하여, 경제적인 이점이 없어지게 된다.
한편, 균일한 두께의 블레이드를 지니며 챔버가 없는 프로펠러에서도 고도로 정밀한 제작을 위해서는 다이가 요구된다. 게다가, 임펠러의 크기가 변화되는 경우에, 상이한 다이가 제작되어야 하고, 이는 비용을 증가시키는 것이다. 프로펠러 뿐만 아니라 블레이드가 비틀려야되는 프로펠러, 예를들어, 종래의 임펠러(B)도 임펠러의 각각의 크기에 따라 상이한 다이를 요한다.
상기된 혼합 임펠러에서, 종래의 임펠러(A)는 이의 단순한 형태의 사각의 블레이드를 두 위치에서 굽혀 프로펠러 다음으로 토출유량를 낸다는 것을 주지해야 한다. 이에 비해, 종래의 임펠러(B) 및 (D)는 호일이론을 적용한 것이고, 계단식의 블레이드의 간섭효과를 이용하는 종래의 임펠러(C)는 종래의 임펠러(A)에 비해 복잡한 형태임에도 종래의 임펠러(A) 보다 토출유량이 적다. 이러한 이유는 3-차원 회전기에 2-차원 호일 이론을 적용한 것에 기인될 수 있으며, 진탕 탱크에서의 흐름이 인접한 공간에서 순환되고, 교류가 상당히 크며, 블레이드로 흐르는 스트림이 호일(윙)이론으로 처리되는 일정한 스트림과는 다르다는 조건의 차이에 기인될 수 있다.
상기된 조사 결과를 요약하자면, 경제적인 종-흐름 임펠러는 비틀림이 없이 간단히 굴곡된 면 또는 몇몇의 위치에서 굴곡된 평판으로 형성되고, 프로펠러의 토출효율 보다 크거나 동일한 토출효율을 제공하는 일정한 두께의 블래이드를 포함해야 한다.
본 발명의 목적은 종-흐름 임펠러, 즉, 소형이고 프로펠러의 토출효율 보다 크거나 동일한 토출효율을 지니는 경제적인 종-흐름 임펠러를 제공하는데 있다.
상기된 문제점을 제거하고 바람직한 토출효율을 지닌 종-흐름 임펠러를 얻기 위해서, 이의 블레이드 모양 및 모든 부위의 치수가 실험을 통해 최적화되고, 일련의 임펠러 모델이 블레이드의 모양 및 각각의 치수를 단계적으로 변화시킴으로써 제조되며, 임펠러 토크, 에너지 소모 및 토출유량를 진탕탱크에서 실질적으로 측정하여 모양 및 치수의 최적의 조화를 결정한다. 예비 실험에서, 다양한 종-흐름 임펠러가 형성된다; 다양한 종-흐름 임펠러는 비틀림 및/또는 챔버가 있거나 없으면서 경사각 및 블레이드의 폭이 상이하다; 이들 각각은 진탕기 탱크의 주어진 위치에서 직경이 D=400mm, 및 높이가 H=500mm로 설정되며, 도 1에 도시된 바와 같이 실린더 탱크벽상에 동일한 공간으로 40mm폭의 4개의 배플판을 지니게 하여, 물의 양 58.6리터, 회전속도 300rpm, 임펠러토크 0.43Nm, 및 에너지 소모 0.013kW의 동일한 조건하에 이의 토출유량이 측정되고 비교된다. 이러한 예비 실험의 결과는 경사각의 영향이 가장크며, 반경 방향에서의 경사각의 변화에 상응하는 비틀림의 영향이 또한 중요하며, 챔버의 영향은 명확하지 않으며, 과다하게 넓은 임펠러는 토출유량를 저하시키지만 어떠한 범위에서는 토출유량의 변화가 작고, 반경방향으로 블레이드의 폭을 변화시키면 토출유량이 변화된다는 것을 나타낸다. 토출유량을 측정하는 방법에서, 모든 임펠러는 하향의 토출방향으로 회전하고, 블레이드의 하부면의 하향 흐름속도는 반경방향에서 10mm간격으로 블레이드의 하부에지 5mm아래에서 레이저 도플러 속도계를 사용하여 측정하고, 측정된 속도를 적분하여 토출유량를 측정한다. 각각의 측정점에서의 값은 20,000개의 데이터를 평균하여 얻는다.
이어서, 최대 블레이드의 폭(1); 최대폭 부위의 반경 위치 및 경사각(2); 블레이드의 선단부에서의 폭 및 경사각(3); 및 블레이드의 밑부분에서의 폭 및 경사각(4)에 관하여 단계적으로 변화시키면서 종-흐름 임펠러를 제작하고, 토출유량을 상기된 예비실험에서와 동일한 방법으로 측정하였다. 그 결과, 하기된 모양 및 크기의 종-흐름 임펠러를 제작하면 프로펠러 보다 크거나 동일한 토출 효율을 얻을 수 있다는 것을 확인하였다. 본원에 사용된 용어의 의미를 정의하자면, 반경 위치는 임펠러 샤프트 중심를 0으로 하고 블레이드의 선단부를 1로하여 반경방향에서의 위치를 지수로 나타내는 것을 의미하고; 블레이드의 폭은 회전방향에서의 리딩 에지로부터 동일한 반경 위치에서의 트레일링 에지까지의 직선 거리를 의미하며; 경사각은 폭 및 샤프트에 수직인 평면를 한정하는 직선으로 형성된 각을 의미한다.
도 1은 진탕탱크의 단면도이다.
도 2는 토출유량과 블레이드의 최대폭 대 임펠러 직경의 비율 사이의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 토출유량과 블레이드의 최대폭의 반경위치 사이의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 블레이드의 최대폭이 반경위치 0.7에 있는 경우의 토출유량과 경사각 사이의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 토출유량과 블레이드 선단부에서의 폭 대 블레이드의 최대폭의 비율 사이의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 토출유량과 반경 위치 0.2에서의 블레이드 폭(블레이드의 밑부분에서의 폭) 대 블레이드의 최대폭의 비율 사이의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 토출유량과 반경위치 0.2에서의 블레이드의 경사각(블레이드의 밑부분에서의 경사각) 사이의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제 1 양태에 따른 종-흐름 임펠러의 평면도이다.
도 9a는 도 8의 종-흐름 임펠러의 블레이드의 확대 측면도이고,
도 9b는 도 9a의 T부분의 확대도이다.
도 10은 도 8의 종-흐름 임펠러의 블레이드의 또다른 예를 나타내는 확대 측면도이다.
도 11은 도 8의 종-흐름 임펠러의 블레이드의 또다른 예를 나타내는 확대 측면도이다.
도 12는 도 8의 종-흐름 임펠러의 블레이드의 또다른 예를 나타내는 확대 측면도이다.
도 13a는 본 발명의 제 2양태에 따른 종-흐름 임펠러의 평면도이고,
도 13b는 도 13a의 선 S-S를 따라 취한 단면도이다.
도 14는 도 13a의 종-흐름 임펠러의 블레이드의 확대 측면도이다.
도 15는 본 발명의 제 3양태의 종-흐름 임펠러의 평면도이다.
도 16은 도 15의 종-흐름 임펠러의 블레이드를 나타내는 확대 측면도이다.
도 17은 본 발명의 제 4양태의 종-흐름 임펠러의 평면도이다.
도 18은 도 17의 종-흐름 임펠러의 블레이드를 나타내는 확대 측면도이다.
도 19는 종래의 임펠러(A)의 평면도이다.
도 20은 종래의 임펠러(B)의 사시도이다.
도 21은 종래의 임펠러(C)의 사시도이다.
〈도면의 주요부호에 대한 설명〉
1... 종-흐름 임펠러2,10,12,14... 블레이드
3... 최대폭 부분4... 선단부
5,6... 접힘부7,11,13,15... 중심선
도 2 내지 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 종-흐름 임펠러의 블레이드 모양의 특징 및 특성을 측정하는 기술을 기재하지만, 동일한 도면은 또한 종래의 임펠럴(B)의 토출유량를 100으로 하여 각각의 시험 임펠러의 토출유량를 지수로 나타낸다.
(1) 블레이드의 최대폭
도 2는 토출유량과 블레이드의 최대폭(Wo: 도 8 참조) 대 임펠러의 직경(D: 도 8 참조)의 비율 사이의 관계를 나타낸다. 본 경우에 있어서, 블레이드의 최대폭 부위의 반경 위치는 0.7이고 최대폭 부위의 경사각은 20o이며, 블레이드의 선단부에서의 경사각은 13 내지 16o이며, 블레이드의 밑부분에서의 폭은 최대폭의 약 60%이고, 블레이드의 밑부분에서의 경사각은 40o이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 블레이드의 최대폭(Wo)이 임펠러 직경(D)의 10 내지 30%의 범위인 경우에, 토출유량은 거의 변하지 않으며 큰 값을 나타내지만, 블레이드의 최대폭은 토출유량에 영향을 주는 중요한 요소이고, 블레이드의 모양의 디자인 원리는 비교적 큰 최대폭(최대폭≥임펠러 직경의 20%)을 지니는 블레이드로부터 작은 최대폭(최대폭＜임펠러 직경의 20%)을 지니는 슬림 블레이드로 변화되어야 한다. 그러한 이유는 슬림형의 블레이드에서 최대폭이 큰 유체저항을 구성하지 않으며, 최대폭부분이 블레이드의 선단부에 또는 밑부분에 위치하는 경우에 토출유량에 큰 영향을 주지않는 것으로 가정되지만, 블레이드의 최대폭이 비교적 큰 경우에(최대폭≥임펠러 직경의 20%), 최대폭 부분의 반경 위치는 후술되는 바와 같이 토출유량에 큰 영향을 주기 때문이다.
(2) 블레이드의 최대폭 부분의 반경 위치
도 3은 블레이드의 최대폭 부분과 토출유량 사이의 관계를 나타내는 도면이다. 본 도면에서, 블레이드의 최대폭은 임펠러 직경의 20%이고, 최대폭 부분의 경사각은 17o이며, 블레이드의 선단부에서의 폭은 최대폭의 약 50%이고(그러나, 최대폭 부분의 반경 위치가 1.0인 경우, 선단부에서의 폭은 최대폭과 일치한다), 블레이드의 선단부에서의 경사각은 11 내지 17o이며, 블레이드의 밑부분에서의 폭은 최대폭의 약 50%이고, 블레이드의 밑부분에서의 경사각은 40o이다.
블레이드의 최대폭이 증가함에 따라(최대폭≥임펠러 직경의 20%), 최대폭 부분의 반경 위치는 토출유량과의 관계면에서 중요하다. 즉, 최대폭 부분이 블레이드의 밑부분 또는 선단부에 위치하는 경우, 원활한 진탕을 저해하는 저항을 구성할 것이다. 그러나, 도 3에 도시된 바와 같이, 최대폭 부분의 반경 위치가 0.4 내지 0.8(40% 내지 80%)의 범위내에 있는 경우, 토출유량은 증가한다. 반경 위치가 0.5 내지 0.7(50% 내지 70%)의 범위에 있는 경우, 토출유량은 더 증가하게 되고, 반경의 위치 0.6에서, 토출유량은 최대가 된다.
그러나, 블레이드의 최대폭이 임펠러 직경의 20% 이하인 임펠러의 경우, 토출유량에 대한 최대폭 부분의 반경 위치의 영향은 감소하고, 최대폭 부분이 선단에 위치하든 밑부분에 위치하든지 토출유량은 크게 변화되지 않는다.
(3) 블레이드의 최대폭 부분의 경사각
도 4는 블레이드의 최대폭 부분이 0.7 반경 위치에 위치하는 경우에서의 경사각과 토출유량 사이의 관계를 나타내는 도면이다. 본 경우에 있어서, 블레이드의 최대폭은 20%이고, 블레이드의 선단부에서의 폭은 최대폭의 약 50%이며, 블레이드의 선단부에서의 경사각은 0o내지 27o이고, 블레이드의 밑부분에서의 폭은 최대폭의 약 50%이며, 블레이드의 밑부분에서의 경사각은 40o이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 최대폭 부분의 경사각(θo: 도 8 참조)이 12 내지 22o의 범위내에 위치하는 경우, 토출유량은 증가한다. 경사각이 15 내지 20o의 범위내에 위치하는 경우, 토출유량은 더 증가한다.
블레이드의 최대폭이 임펠러 직경의 20% 이하인 경우, 경사각이 또한 중요하며, 경사각을 반경 방향으로 블레이드의 중심에서 유체저항을 감소시키기에 적합한 범위로 함으로써 큰 토출유량를 얻을 수 있으므로, 경사각을 반경 위치 0.6에서 12 내지 22o로 하는 것이 바람직하다.
(4)블레이드의 선단부에서의 폭 및 경사각
도 5는 토출유량과 선단부에서의 폭(d2: 도 8 참조) 대 블레이드의 최대폭(Wo)의 비율 사이의 관계를 나타내는 도면이다. 본 경우에 있어서, 블레이드의 최대폭은 20%이고, 최대폭 부분의 반경 위치는 약 0.6이며, 최대폭 부분의 경사각은 17o이며, 블레이드의 선단부에서의 경사각은 약 11o이고, 블레이드의 밑부분에서의 폭은 최대폭의 약 50%이며, 블레이드의 밑부분에서의 경사각은 40o이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 블레이드의 선단부에서의 폭이 최대폭의 12 내지 75%의 범위에 위치하는 경우, 토출유량은 거의 변화되지 않으며 큰 값을 나타내지만, 특히, 최대폭의 약 50%인 경우에 토출유량은 최대가 된다. 블레이드의 선단부에서의 과다한 에너지 소모를 억제하기 위해서, 선단부에서의 경사각(θ2: 도 9 참조)은 최대폭 부분의 경사각(θ0) 보다 작은 5 내지 10o인 것이 바람직하다.
블레이드의 최대폭이 임펠러 직경의 20% 이하인 경우에도, 블레이드의 선단부에서의 폭이 또한 중요하며, 유체저항 및 에너지 소모는 반경 방향으로 블레이드의 중심에서의 폭에 대한 선단부에서의 폭을 적합한 범위로 함으로써 감소시킬 수 있으므로, 선단부에서의 폭을 반경 위치 0.6에서의 폭의 12 내지 75%로 하는 것이 바람직하다. 또한 블레이드의 선단부에서의 과다한 에너지 소모를 억제하는 상기와 동일한 이유로 인해 블레이드의 선단부의 경사각은 반경 위치 0.6에서의 경사각 보다 작은 5 내지 10o인 것이 바람직하다.
(5) 블레이드의 밑부분에서의 폭
도 6은 토출유량과 반경 위치 0.2에서의 블레이드의 폭(블레이드의 밑부분에서의 폭) 대 블레이드의 최대폭(Wo)의 비율 사이의 관계를 나타내는 도면이다. 본 경우에 있어서, 블레이드의 최대폭은 20%이고, 최대폭 부분의 반경 위치는 약 0.7이며, 최대폭 부분의 경사각은 17o이고, 블레이드의 선단부에서의 폭은 최대폭의 약 50%이며, 블레이드의 선단부에서의 경사각은 약 11o이고, 블레이드의 밑부분에서의 경사각은 40o이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 블레이드의 폭이 최대폭의 40 내지 100%의 범위내에 있는 경우, 토출유량은 거의 변화되지 않으며 큰 값을 나타낸다.
블레이드의 최대폭이 임펠러 직경의 20% 보다 작은 임펠러의 경우에도, 블레이드의 밑부분에서의 폭이 중요하며, 블레이드의 반경 방향으로 중심으로부터 밑부분까지 원활한 토출을 얻기 위해서는 블레이드의 밑부분에서의 폭이 반경 위치 0.6에서의 폭의 40% 이상이 되는 것이 바람직하다.
(6) 블레이드의 밑부분에서의 경사각
도 7은 토출유량과 반경 위치 0.2에서의 경사각(블레이드의 밑부분에서의 경사각 θ1: 도 9 참조) 사이의 관계를 나타내는 도면이다. 본 경우에 있어서, 블레이드의 최대폭은 임펠러 직경의 20%이고, 최대폭 부분의 반경 위치는 약 0.7이며, 최대폭 부분의 경사각은 17o이고, 블레이드의 선단부에서의 폭은 최대폭의 약 60%이며, 블레이드의 선단부에서의 경사각은 약 11o이고, 블레이드의 밑부분에서의 폭은 최대폭의 약 50%이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 블레이드의 밑부분에서의 경사각이 50o를 초과하는 경우, 토출유량은 감소하게 되고, 경사각이 25 내지 50o의 범위내에 있는 경우, 토출유량은 증가하며, 경사각이 40 내지 45o인 경우에 토출유량은 최대가 된다.
블레이드의 최대폭이 임펠러 직경의 20% 보다 작은 임펠러의 경우에도, 블레이드의 밑부분에서의 경사각이 중요하며, 경사각이 과다하게 큰 경우에, 토출유량은 감소하게 된다. 따라서, 경사각은 25 내지 50o의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.
(7) 블레이드를 구성하는 표면
표면은 실린더형 표면, 원뿔형 표면, 또는 평면, 또는 하나 또는 두 위치에서 굴곡된 표면일 수 있으며, 또한, 표면에 비틀림이 가해진 표면, 또는 이들 모두의 복합표면 일 수 있다.
(8) 블레이드의 두께
두께는 블레이드 전체가 일정해야 하며, 요구되는 기계적인 강도를 나타내기에 충분한 두께이면 허용될 수 있다. 두께가 최대폭의 5%를 초과하는 경우, 최대폭 부분으로부터 선단부까지 블레이드의 회전방향에서 리딩측상의 두 에지중의 상류측의 에지를 깍아내는 것이 바람직하다(도 9a 및 도 9b, 단면 T의 확대도).
(9) 블레이드의 수 및 설치방법
다수의 블레이드를 사용하여 이들을 회전 대칭으로 설치하는 것이 바람직하다. 블레이드의 폭을 이등분하는 선이 중심선으로 설정되는 경우, 기본적으로, 블레이드는 반경 방향과 동일한 중심선으로 설치되야 하지만, 블레이드가 실린더형 표면 또는 원뿔형 표면으로 구성되는 경우에 블레이드의 중심선은 밑부분에서 최대폭 부분까지 회전방향으로 앞으로 나와 있을 수 있다.
(10) 요약
상기된 실험결과를 근거로 하여, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 바람직한 토출효율을 나타내는 소형이고 경제적인 종-흐름 임펠러는 하기된 혼합 임펠러 특성을 갖는다는 것이 밝혀졌다.
1) 블레이드의 최대폭이 임펠러 직경의 20% 이하인 경우:
(a) 반경 위치 0.6에서의 경사각은 12 내지 22o이고;
(b) 블레이드의 선단부에서의 폭은 반경위치 0.6에서의 폭의 12 내지 75%이며, 블레이드의 선단부에서의 경사각은 반경위치 0.6에서의 경사각 보다 작은 5 내지 10o이고;
(c) 블레이드의 밑부분에서의 폭은 반경위치 0.6에서의 폭의 40%이상이며, 동시에 블레이드의 밑부분에서의 경사각은 25 내지 50o이다.
2) 블레이드의 최대폭이 임펠러 직경의 20% 이상인 경우:
(a) 최대폭 부분의 반경위치는 0.4 내지 0.8이며, 동시에 최대폭 부분의 경사각은 12 내지 22o이고;
(b) 블레이드의 선단부에서의 폭은 최대폭의 12 내지 75%이며, 블레이드의 선단부에서의 경사각은 최대폭 부분의 경사각 보다 작은 5 내지 10o이고;
(c) 블레이드의 밑부분에서의 폭은 최대폭의 40 내지 100%이며, 동시에 블레이드의 밑분에서의 경사각은 25 내지 50o이다.
즉, 본 발명에 따르면, 하기된 요소(a) 내지 (d)를 포함하는 블레이드로 특정화되는 종-흐름 임펠러가 본 발명의 제 1양태를 구성한다:
(a) 블레이드의 최대폭이 임펠러 직경의 20%이하이고;
(b) 반경위치 0.6에서의 경사각은 12 내지 22o이며;
(c) 블레이드의 선단부에서의 폭은 반경위치 0.6에서의 폭의 12 내지 75%이며, 블레이드의 선단부에서의 경사각은 반경위치 0.6에서의 경사각 보다 작은 5 내지 10o이고;
(d) 블레이드의 밑부분에서의 폭은 반경위치 0.6에서의 폭의 40%이상이며, 블레이드의 밑분에서의 경사각은 25 내지 50o이다.
하기된 요소(a) 내지 (d)를 포함하는 블레이드로 특정화되는 종-흐름 임펠러는 본 발명의 제 2양태를 구성한다:
(a) 블레이드의 최대폭이 임펠러 직경의 20%이상이고;
(b) 블레이드의 최대폭 부분의 반경 위치는 0.4 내지 0.8이며, 최대폭 부분의 경사각은 12 내지 22o이고;
(c) 블레이드의 선단부에서의 폭은 최대폭의 12 내지 75%이며, 블레이드의 선단부에서의 경사각은 최대폭 부분에서의 경사각 보다 작은 5 내지 10o이고;
(d) 블레이드의 밑부분에서의 폭은 최대폭의 40 내지 100%이며, 블레이드의 밑분에서의 경사각은 25 내지 50o이다.
따라서, 본 발명에 따른 종-흐름 임펠러는 토출유량에 현저한 효과를 나타내는 블레이드의 최대폭의 관점에서 두가지 형태의 임펠러, 즉, 블레이드의 최대폭이 임펠러 직경의 20% 이하인 슬림형 임펠러; 및 블레이드의 최대폭이 임펠러 직경의 20% 이상인 임펠러로 구분되며, 블레이드의 각 부분의 폭 및 경사각은 최대 토출유량이 각각의 경우에서 얻어지며 유체저항 및 에너지 소모가 감소되면서 큰 토출유량를 얻을 수 있는 방법으로 제한된다.
진탕 작동에서, 액체 혼합속도는 액체 순환속도, 즉, 토출유량에 거의 비례한다. 따라서, 우수한 토출효율(큰 토출효율)을 나타내는 본 발명의 종-흐름 임펠러는 양호한 효능으로 혼합되게 한다.
특정의 진탕 작동에서, 토출유량 뿐만 아니라 임펠러가 액체에 제공하는 반경 운동량, 즉, 토출속도에 의한 토출유량이 중요하다. 예를들어, 탱크의 바닦에 가라앉아 있는 고형의 입자를 뜨게 하기 위해서, 입자를 운반하는 액체의 유속 및 탱크 바닦의 면적에 상응하는 유속이 요구된다. 종흐름율과 흐름속도의 합은 토출유량의 제곱에 비례하며, 종-흐름 임펠러의 경우에 임펠러의 회전영역에 반비례한다. 따라서, 우수한 토출 효율을 나타내는 본 발명의 종-흐름 임펠러는 종방향으로 액체의 운동량을 생성시키는데 우수한 효능을 제공하며, 매우 효능적으로 고형의 입자를 뜨게 할 수 있다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 양태를 보다 상세히 기재하고자 한다.
도 8은 본 발명의 제 1양태의 종-흐름 임펠러(1)를 나타내는 평면도이며, 도 9a는 블레이드(2)의 확대 측면도이다. 이러한 양태에서, 블레이드(2)의 최대폭(Wo)은 임펠러직경(D)의 20%이고, 최대폭 부분(3)의 반경위치는 0.6이며, 최대폭 부분(3)의 경사각(θo)은 17o이며, 블레이드의 선단부(4)에서의 폭(d2)는 임펠러 직경(D: 최대폭의 50%)의 10%이며, 블레이드의 선단부(4)에서의 경사각(θ2)는 11o이고, 반경위치 0.2에서의 블레이드의 폭은 임펠러직경(D: 최대폭의 50%)의 10%이며, 반경위치 0.2에서의 경사각(θ1)은 40o이고, 블레이드는 두 위치에서 임펠러 직경(D: 최대폭의 5%)의 1%의 두께로 평판을 굽히고 두 접힘부(5, 및 6)을 평행하게 하고 두 굽힘각(θ3) 및 (θ4)는 14.5o로 함으로써 형성된다. 이러한 양태에서, 블레이드의 중심선(7)은 회전 방향으로 밑부분부터 최대폭 위치까지 유도된다. 받침대(9)는 임펠러를 고정체(이하 보스라 한다)에 고정하고 블레이드(2)의 기계적인 강도를 보충하는데 사용된다.
본 발명의 제 1양태의 응용예로서, 도 10에 도시된 바와 같이 도 9의 굽힘으로부터 밑부분에서의 굽힘을 제거한 형태의 블레이드(2), 또는 도 11에 도시된 바와 같이 실린더형의 표면을 포함하는 형태의 블레이드(2), 또는 도 12에 도시된 바와 같이 실린더형의 표면 및 평면을 포함하는 형태의 블레이드(2)가 사용될 수 있다. 이들중에서, 도 11 및 도 12에 도시된 블레이드형이 본 발명의 제 1양태와 동일한 토출효능을 달성시킬 수 있다. 도 10에 도시된 형태의 블레이드는 블레이드의 밑부분에서의 경사각이 최적값 보다 작기 때문에 토출효율이 약간 낮다.
도 13a는 본 발명의 제 2 양태에 따른 종-흐름 임펠러의 평면도를 나타내며 도 14는 블레이드의 확대 측면도를 나타낸다. 이러한 양태에 따른 블레이드(10)의 최대폭, 최대폭 부분의 반경 위치 및 경사각, 블레이드의 선단에서의 폭, 및 반경위치 0.2에서의 블레이드의 폭 및 경사각은 블레이드의 선단부에서의 경사각이 9.5o임을 제외하고는 제 1양태에서와 동일하다. 이러한 양태에서, 블레이드는 두 개의 직선 L과 L을 따라 평면을 굽힘으로써 형성된 표면으로 구성되고 챔버가 없으며, 블레이드의 중심선(11)은 보스(8)로부터의 반경방향과 정확하게 일치한다.
도 15는 본 발명의 제 3양태에 따른 종-흐름 임펠러의 평면도를 나타내는 도면이고, 도 16은 블레이드의 확대 측면도를 나타내는 도면이다. 이러한 양태의 블레이드(12)의 최대폭, 최대폭 부분의 반경 위치 및 경사각, 블레이드의 선단부에서의 폭 및 경사각, 및 반경 위치 0.2에서의 블레이드의 폭 및 경사각은 제 1양태에서와 동일하며, 블레이드를 포함하는 표면 및 두께에 있어서, 표면은 임펠러 직경(D)의 36%의 굴곡반경(R)을 지니는 실린더형 표면이고, 두께는 임펠러 직경(최대폭의 5%)의 1%이다. 이러한 방법으로, 챔버는 실린더형 블레이드가 사용되기 때문에 외주방향으로 형성되지만, 블레이드의 비틀림 효과를 용이한 제작 및 경제적인 실린더형 표면으로 대체할 수 있다. 본 양태에서, 블레이드의 중심선(13)은 밑부분으로부터 최대폭 위치까지 반경방향으로 앞으로 나와 있다. 받침대(9)는 임펠러를 보스(8)에 고정하는데 사용되며 블레이드(12)의 기계적인 강도를 보충한다.
도 17은 본 발명의 제 4양태에 따른 종-흐름 임펠러의 평면도이고, 도 18은 블레이드의 확대 측면도이다. 본 양태의 블레이드(14)의 최대폭, 최대폭 부분에서의 반경 위치 및 경사각, 블레이드의 선단부에서의 폭 및 경사각, 및 반경 위치 0.2에서의 블레이드의 폭 및 경사각은 제 3양태에서와 동일하다. 본 양태에서, 블레이드는 간단한 비틀림이 평면에 가해진 굴곡된 표면으로 구성되며, 챔버가 없고, 블레이드의 중심선(15)는 보스(8)의 반경방향과 정확하게 일치한다.
본 발명의 종-흐름 임펠러의 토출유량를 종래의 종-흐름 임펠러의 토출유량과 비교하기 위해서, 상기된 바와 동일한 방법으로 도 1에 도시된 진탕탱크를 사용하여 임펠러를 동일한 위치에 설치하였고, 토출유량를 동일한 물의 양(58.6L), 동일한 회전속도(300rpm), 동일한 토크(0.43Nm), 및 동일한 에너지 소모(0.013kW)에서 측정하였다. 상기된 측정방법에 의한 토출유량의 측정 결과를 이하 기재하고자 한다:
1) 본 발명의 제 1양태에 따른 종-흐름 임펠러의 토출유량은 프로펠러의 토출유량 보다 24%가 컸다. 본 발명의 제 1양태에 따른 종-흐름 임펠러의 토출유량이 프로펠러의 토출유량과 동일한 수준으로 되는 경우, 회전속도는 19%까지 감소될 수 있고, 토크는 35%까지 감소되며, 에너지 소모는 48%까지 감소되었다.
2) 본 발명의 제 1양태에 따른 종-흐름 임펠러의 토출유량은 종래의 임펠러(A)의 토출유량 보다 29%가 컸다. 본 발명의 제 1양태에 따른 종-흐름 임펠러의 토출유량이 종래의 임펠러(A)의 토출유량과 동일한 수준으로 되는 경우, 회전속도는 22%까지 감소될 수 있고, 토크는 40%까지 감소되며, 에너지 소모는 53%까지 감소되었다.
3) 본 발명의 제 2양태에 따른 종-흐름 임펠러의 토출유량은 프로펠러의 토출유량 보다 17%가 컸다. 본 발명의 제 2양태에 따른 종-흐름 임펠러의 토출유량이 프로펠러의 토출유량과 동일한 수준으로 되는 경우, 회전속도는 15%까지 감소될 수 있고, 토크는 27%까지 감소되며, 에너지 소모는 38%까지 감소되었다.
4) 본 발명의 제 3양태에 따른 종-흐름 임펠러의 토출유량은 종래의 임펠러(B)의 토출유량 보다 35%가 컸다. 본 발명의 제 3양태에 따른 종-흐름 임펠러의 토출유량이 종래의 임펠러(B)의 토출유량과 동일한 수준으로 되는 경우, 회전속도는 26%까지 감소될 수 있고, 토크는 45%까지 감소되며, 에너지 소모는 59%까지 감소되었다.
5) 본 발명의 제 3양태에 따른 종-흐름 임펠러의 토출유량은 종래의 임펠러(D)의 토출유량 보다 63%가 컸다. 본 발명의 제 3양태에 따른 종-흐름 임펠러의 토출유량이 종래의 임펠러(D)의 토출유량과 동일한 수준으로 되는 경우, 회전속도는 39%까지 감소될 수 있고, 토크는 62%까지 감소되며, 에너지 소모는 77%까지 감소되었다.
이어서, 본 발명의 제 1양태의 종-흐름 임펠러의 혼합성능을 종래의 종-흐름 임펠러의 혼합성능과 비교하였다. 즉, 상기된 바와 유사한 방법으로 도 1에 도시된 진탕탱크를 사용하여 임펠러를 동일한 위치에 설치하고, 진탕탱크내의 동일한 양(50L)의 물을 요오드 전분으로 착색시킨 후에, 적합한 양의 티오황산나트륨을 가하고, 10초동안 착색된 물을 제거하는데 요구되는 회전속도, 에너지 소모, 및 토크를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타낸다.
직경 150㎛의 글래스 비드(glass bead) 10중량%를 진탕탱크에 가하고, 글래스비드를 진탕탱크에 균일하게 부유시키는데 요구되는 회전속도, 에너지 소모, 및 토크를 측정하여 표 2에 나타낸다. 글래스 비드를 균일하게 부유시키는의 의미는 물의 표면에서 수거된 적합한 양의 물에 함유되는 글래스 비드가 약 10중량%인 상태를 나타낸다.
회전속도(rpm) 단위용적당에너지 소모(W/m3) 단위용적당토크(Nm/m3)
본 발명의 제 1양태의종-흐름 임펠러 122 8.1 0.63
비교예 종래의 임펠러(B) 150 15.5 0.99
45o-경사 패달임펠러 192 37.1 1.84
회전속도(rpm) 단위용적당에너지 소모(W/m3) 단위용적당토크(Nm/m3)
본 발명의 제 1양태의종-흐름 임펠러 295 124 4.0
비교예 1 경사의프로펠러 임펠러 370 273 7.0
45o-경사 패달임펠러 510 765 14.3
표 1 및 표 2로부터 명확히 알 수 잇는 바와 같이, 본 발명에 따른 종-흐름 임펠러의 혼합 성능은 종래의 임펠러에 비해 현저하게 우수하다.
본 발명이 상기된 바와 같이 구성되기 때문에, 본 발명의 효과는 다음과 같이 나타난다.
(1) 토출유량에 큰 효과를 주는 블레이드의 최대폭이 중요하고, 임펠러가 두가지의 형태의 임펠러, 즉, 슬림형의 블레이드를 지닌 임펠러 및 블레이드가 약간 넓은 임펠러로 구분되며, 블레이드의 각각의 부분의 폭 및 경사각이 각각의 경우에서 적합한 범위로 제한되기 때문에, 본 발명의 임펠러는 현저한 토출 효능을 제공할 수 있으며, 진탕탱크에서의 흐름과 같은 격렬한 교류가 있는 스트림에 적용되는 경우에도 완전한 혼합이 가능할 수 있다.
(2) 임펠러가 하나 또는 두 위치에서 굽혀진 평면과 같은 간단한 모양의 블레이드 표면으로 구성될 수 있기 때문에, 임펠러는 저렴하게 제조될 수 있을 뿐만 아니라 진탕기의 장치 비용 및 작동비용이 감소될 수 있다.
(3) 따라서, 비이커용으로부터 큰-크기까지 임의의 크기의 임펠러가 다이를 사용하지 않으면서도 고도로 정밀하게 및 경제적으로 제조될 수 있다.

Claims (2)

  1. (a) 블레이드의 최대폭이 임펠러 직경의 20% 이하이고;
    (b) 반경 위치 0.6에서의 경사각이 12 내지 22o이며;
    (c) 블레이드의 선단부에서의 폭이 반경 위치 0.6에서의 폭의 12 내지 75%이고, 동시에 블레이드의 선단부에서의 경사각이 반경 위치 0.6에서의 경사각 보다 작은 5 내지 10o이며;
    (d) 블레이드의 밑부분에서의 폭이 반경 위치 0.6에서의 폭의 40% 이상이고, 동시에 블레이드의 밑부분에서의 경사각이 25 내지 50o로 구성된 블레이드를 특징으로 하는 종-흐름 임펠러.
  2. (a) 블레이드의 최대폭이 임펠러 직경의 20% 이상이고;
    (b) 블레이드의 최대폭 부분의 반경 위치가 0.4 내지 0.8이며, 동시에 최대폭 부분의 경사각이 12 내지 22o이고;
    (c) 블레이드의 선단부에서의 폭이 최대폭의 12 내지 75%이며, 동시에 블레이드의 선단부에서의 경사각이 최대폭 부분에서의 경사각 보다 작은 5 내지 10o이고;
    (d) 블레이드의 밑부분에서의 폭이 최대폭의 40 내지 100%이며, 동시에 블레이드의 밑부분에서의 경사각이 25 내지 50o로 구성된 블레이드를 특징으로 하는 종-흐름 임펠러.
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