KR19990044907A - 펌프 임펠러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주로 오수인 액체를 펌핑하는 원심 또는 반축류형(a half axial type) 펌프 임펠러에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 펌프 임펠러는 뒤쪽으로 심하게 기울어진 선단(3)이 마련된 하나 이상의 베인(2)을 구비한 허브(1)를 포함한다. 스위프 각(α)의 크기는 허브(1)와의 연접부에서는 35도 내지 65도, 그리고 외주(5)에서는 55도 내지 85도 사이에서 변화한다.

Description

펌프 임펠러

본 발명은 펌프 임펠러에 관한 것으로, 더욱 자세히 설명하자면, 주로 오수인 유체를 펌핑하는 원심 펌프 또는 반축류형(半軸流形) 펌프용 펌프 임펠러에 관한 것이다.

전술한 목적에 관하여 다양한 형태의 펌프와 펌프 임펠러가 문헌에 기재되어 있지만, 그들 모두에는 어느 정도의 결함이 있다. 이러한 결함은 특히, 막힘과 저효율에 관련된 것이다.

오수에는 다양한 종류의 오염물이 포함되는데, 그 양과 구성은 계절 및 오수가 방출되는 지역에 따라 다르다. 도시에서는 플라스틱재, 위생 물품, 직물 등이 보편적이지만, 산업 지역에서는 마모 입자가 방출될 수 있다. 경험상, 최악의 문제 거리는 베인의 선단(leading edge)에 달라붙어 임펠러 허브 둘레에 감기는 넝마(rags)와 같은 것이다. 이러한 사태에 의해 자주 수리를 하게 되고, 효율이 감소하게 된다.

농업 및 펄프 산업에서는 밀집, 목초, 나뭇잎 및 그 밖의 형태의 유기물을 취급하는 상이한 종류의 특수한 펌프가 사용된다. 이러한 목적상, 베인의 선단은 오염물이 선단에 들러 붙는 대신에 외주부 쪽으로 배출되도록 뒤쪽으로 만곡된다. 재료를 절단하고 유속을 더욱 용이하게 하기 위해 상이한 형태의 분해 수단이 빈번하게 사용된다. 그러한 예가, 스웨덴 특허 제435 952호와 스웨덴 특허 제375 831호 및 미국 특허 제4 347 035호에 개시되어 있다.

오수에 있는 오염물이 그 밖의 다루기에 더욱 어려운 형태이고, 오수 펌프의 작동 시간이 더욱 길어지면, 오수를 펌핑할 때 전술한 특수한 펌프는 신뢰성과 효율의 견지에서 요구를 충족시키지 못한다.

오수 펌프는 하루에 12시간까지 매우 자주 작동하는데, 이것은 에너지 소비가 펌프의 전체 효율에 크게 의존함을 의미한다.

시험에 의해서, 본 발명에 따른 오수 펌프는 기존의 오수 펌프에 비해 50%까지 효율을 향상시킬 수 있음이 입증되었다. 보통 전동(電動) 펌프의 수명 비용이 전적으로 에너지 비용(전체 비용의 80%)에 의해 좌우되므로, 이러한 극적인 향상은 아주 중요한 것임이 명백하다.

문헌에는, 펌프 임펠러의 디자인, 특히 선단의 만곡에 대해 매우 일반적으로 기재되어 있다. 상기 만곡에 대해 불명료하지 않게 정의된 것은 없다.

시험에 의해서, 선단의 스위프 각(sweep angle)의 분포의 설계가 펌프 임펠러에 요구되는 자체 세척 능력을 얻는데 매우 중요하다는 것이 밝혀졌다. 양호한 기능을 얻기 위해서는 오염물의 특성에 따라 상이한 스위프 각을 필요로 한다.

기존의 문헌은 베인의 선단을 따라 반경 방향 외부로의 오염물의 활주, 이송을 얻기 위해 필요한 어떠한 정보도 제시하지 못한다. 언급된 것으로는 스웨덴 특허 제435 952호에서처럼 대체로 선단이 둔각으로 뒤쪽으로 기울어진다는 것 등이 있다.

목초 및 기타 유기물과 같이 작은 오염물이 펌핑될 때는, 반경 방향으로 이송되고 펌프 임펠러와 이것을 에워싸고 있는 하우징 사이의 슬롯 내에 있는 오염물이 분해되는 데에는 비교적 작은 각도로도 충분할 수 있다. 실제로 임펠러가 10 내지 25 m/s의 외주 속도로 회전할 때 임펠러와 하우징의 접촉을 통해 입자가 절단됨으로써 분해가 이루어진다. 이러한 절단 공정은, 스웨덴 특허 제435 952호에서와 같이 절단 장치, 슬롯 등이 마련된 표면에 의해 개선된다. 이러한 펌프는 펄프, 비료 등의 이송에 사용된다.

자체 세척 능력을 얻기 위해 뒤쪽으로 기울어진 선단이 마련된 베인을 구비한 펌프 임펠러를 설계할 때, 기울어진 각도의 분포와, 성능 및 그 밖의 설계 기준 사이에 모순이 발생한다. 일반적으로, 증가된 스위프 각이 막힘의 위험이 적음을 의미하는 것은 사실이지만, 이와 동시에 효율이 감소된다.

본 발명은 넝마나 섬유 등과 같은 오염물을 함유하고 있는 오수의 경제적인 펌핑과 신뢰성 있는 품질 및 상이한 기능을 얻는다는 견지에서 베인의 선단을 최적의 방법으로 설계할 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 펌프 임펠러의 사시도이고,

도 2는 본 발명에 따른 펌프의 개략적인 반경 방향 단면도이며,

도 3은 임펠러 입구의 축 방향의 개략적인 평면도이고,

도 4는 임펠러 베인의 선단 영역의 확대도이며,

도 5는 본 발명에 따른 표준 반경과 선단의 뒤쪽으로의 스위프 각 사이의 관계를 도시하는 도표이다.

<도면의 주요 부분에 대한 설명>

1 : 임펠러 허브

2 : 베인

3 : 선단

4 : 연접부

5 : 외주부

6 : 선단의 법선

7 : 하우징 벽

8 : 허브 단부

9 : 회전 방향

본 발명은 기본적으로 특허 청구 범위에 기재된 3가지 특징을 포함한다.

첫 번째 특징은, 도 5에 도시된 바와 같이 양호한 기능과 효율을 만족하는 스위프 각의 분포 범위의 크기를 결정한다. 상기 범위는 크기와 외주 속도 및 재료 마찰과 관련된다. 이것을 기술하는데 사용되며 표준화된 반경으로 불리우는 독립 변수는 다음 수학식 1과 같이 정의된다.

표준화된 반경 = (r-r₁)/(r₂-r₁)

여기서, r₁은 허브와의 연접부의 반경이고, r₂는 선단 외주의 반경이며, 원점이 임펠러 샤프트의 중심인 원통 좌표계에 따른 반경은 실제 지점과 임펠러 샤프트의 연장부 상의 지점 사이의 최단 거리를 규정한다.

이러한 첫 번째 특징의 기본 원리는 선단의 스위프 각이 허브 연접부에서의 최소 40도로부터 외주에서의 최소 55도의 각도로 외측으로 상당히 증가된다는 것이다. 상한선인 60 내지 75도의 각도는 그 이상이면 신뢰성과 효율이 감소되는 경계선을 규정한다.

본 발명의 두 번째 특징은 스위프 각이 작용 지점 즉, 상이한 유속과 수두(水頭)에 거의 무관하게 되는 매우 유용한 능력을 갖는 특별한 실시예에 관한 것으로, 이는 상이한 속도 삼각형 과 일치하는 것이다.

스위프 각의 정의는 첨부한 도면을 참조로 하여 후술한다.

도면에는, 임펠러 허브(1), 선단(3)이 마련된 베인(2), 상기 선단의 허브와의 연접부(4) 및 선단의 외주부(5)가 도시되어 있다. 또한, 특정 지점에서의 선단의 법선(6)도 도시되어 있다. 펌프 하우징의 벽(7), 허브의 단부(8), 회전 방향(9), 스위프 각(α), 공회전(共回轉) 좌표계(co-rotating cordinate system)에서 유체의 분출 상대 속도(W_R), 그리고 임펠러 축 방향(Z)이 각각 도시되어 있다.

최적의 방법으로 바람직한 펌프 임펠러의 기하학적 형상을 설계하기 위해서는 스위프 각을 정확히 설정하는 것이 선행되어야 한다. 정확한 스위프 각(α)은 일반적으로 축선 방향(γ-θ) 뿐만 아니라 자오선 방향(γ-z)에서 선단의 기하학적 성분의 함수이다(도2 및 도3 참조).

정확한 정의는 선단(3)의 형상을 묘사하는 곡선과 그 곡선에서 국부적인 상대 속도 의 함수이다. 이는 다음과 같은 방식으로 수학적으로 규정된다.

속도 삼각형 의 전통적인 정의에 의하며, 상대 속도 (r)는 공회전 원통 좌표계에서 위치 벡터( )의 함수이다. 통상적으로 상대 속도 (γ,θ,z)는 그 성분(Wr,W_θ,Wz)으로도 설명될 수 있다.

선단(3)에 따른 3차원의 기울어짐은 공회전 좌표계에서 위치 벡터( ) 에 따른 함수( ) 즉, = (γ,θ,z)로 기술될 수 있다.

모든 지점에서 선단과 평행한 미소(微少) 벡터는 로 정의된다. 스칼라 적(積)의 정의로부터 의 법선과 R 사이의 각도로 정의되는 스위프 각(α)에 대한 표현식이 얻어지는데, 여기서 방출되는 상대 속도 R은 입사각 0에서 의 방향의 R의 수직 분출로 정의된다. 이는 R 과 가 때때로 최적의 효율을 나타내는 공칭 작용점 또는 이에 근접한 작용점에서 동일하다는 것을 의미한다.

입구 절대 속도가 어떠한 정규의 원주 성분도 가지고 있지 않는다고 가정하면, W_θ는 임펠러의 외주 속도와 동일하다.

전술한 정의와 가정을 사용하여 이하에서 α는 유속에 무관한 것으로 나타낸다. 선단은 임펠러 축의 z방향에 본질적으로 수직인 평면에 놓이며, 상기 선단은 입구 절대 속도가 본질적으로 축 방향으로 놓이게 배치되는 것이 조건이며, 이는 R의 반경 방향 성분이 거의 0임을 의미한다. 같은 이유로, R의 원주 방향 즉, θ방향 성분은 임펠러의 외주 속도와 동일하며, 유속과는 무관하다. R의 축 방향 성분은 전술한 바에 따라 dRz가 0인 것과 같이 α에 무시할 만한 영향을 미친다. 이는 스칼라 적의 정의에 따를 것이다. 따라서, 분모 뿐만 아니라 분자도 비례하여 변화되므로, 유속에 종속되는 변수 R은 수학식 2의 α에 영향을 미치지 않는다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 베인의 선단은 임펠러 축에 본래 수직인 평면에 위치된다. 펌프가 체적 유량 및 수두에 있어서 종종 광범위한 분야에서 사용된다는 것을 고려하면, 바람직한 실시예에 의해 상이한 작동 조건에 독립적일 수 있는 자체 세척 능력이 제공된다.

본 발명은 세 번째 특징은 선단의 허브와의 연접부가 허브(1)의 단부(8)에 인접하여 위치한다는 것으로서, 즉 허브는 중심의 돌출한 첨단부(tip)가 없다는 것이다. 이에 의해 오염물이 임펠러의 중심부를 에워쌀 위험이 감소한다.

본 발명에 따르면, 상이한 작동 조건에 독립적인 변수를 유지할 수 있는 자체 세척 능력을 제공하며, 허브 중심의 돌출한 첨단부가 없으므로 오염물이 임펠러의 중심부를 에워싸는 것이 방지된다.

Claims (4)

1. 오수 펌핑용 펌프에 사용되는 원심 또는 반축류형 펌프 임펠러에 있어서,

   상기 임펠러는 하나 이상의 베인(2), 외주를 향해 뒤쪽으로 기울어진 선단(3) 및 선단의 모든 지점에서 선단의 법선(6)과 그 지점에서 펌핑된 매체의 분출 상대 속도( R) 간의 각도로서 정의된 정확한 스위프 각(α)을 구비하며, 상기 스위프 각은 선단의 허브(1)와의 연접부(4)에서는 40 내지 55도, 외주(5)에서는 60 내지 75도의 범위 내의 대체로 고른 편차의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 펌프 임펠러.
2. 제1항에 있어서, 상기 선단(3)의 법선(6)과 선단 상의 각 지점에서 펌핑된 매체의 분출 상대 속도( R) 사이의 각도(α)는 선단의 허브(1)와의 연접부(4)에서는 45도 내지 55도, 외주(5)에서는 62도 내지 72도 사이의 범위 내의 대체로 고른 편차의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 펌프 임펠러.
3. 제1항에 있어서, 베인(2)의 선단(3)은 본래 임펠러 샤프트(z)에 수직인 평면에 배치되며, 펌핑된 매체의 절대 속도는 주로 축 방향인 것을 특징으로 하는 펌프 임펠러.
4. 제1항에 있어서, 상기 선단(3)의 허브(1)와의 연접부(4)는 상기 허브의 단부(8)에 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 펌프 임펠러.