KR200306921Y1 - 교반기용 임펠러의 구조 - Google Patents

Abstract

본 고안은 교반기용 임펠러의 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반응조 내의 유체에 균일한 크기의 유동에너지가 부여되도록 한 교반기용 임펠러의 구조에 관한 것이다.

본 고안의 임펠러는 복수개의 날개가 허브와 방사상으로 결합되어진 통상의 임펠러에 있어서, 상기 날개(14)는 유선형의 하이드로포일로 이루어지고 외측 부에는 축방향으로 경사진 경사팁(16)을 가지며, 스테빌라이져(18)가 부착된다. 상기 날개(14)는 경사팁(16)이 30도에서 60도의 범위로 경사각(Y)을 이루며, 유선형을 이루는 선단 유선각(Za)은 0도에서 15도의 범위로 이루어지고 후단 유선각(Zb)은 10도에서 30도의 범위로 이루어지면서 내측 선단부에서 외측 후단부로 비스듬하게 이루어짐을 특징으로 하는 교반기용 임펠러의 구조이다.

Description

교반기용 임펠러의 구조{Structure of mixer impeller}

본 고안은 교반기용 임펠러의 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반응조 내의 유체에 균일한 크기의 유동에너지가 부여되도록 한 교반기용 임펠러의 구조에 관한 것이다.

일반적으로 대규모 수처리 시스템의 혐기조(Anaerobic Zone) 또는 무산소조(Anoxic Zone) 등 (이하 '반응조'라 함)에 사용되는 교반기를 혼합(mixing)공정에서 보다 더 효율적이고 좋은 성능의 임펠러(Impeller)를 개발하기 위하여 임펠러에 의한 반응조 내부의 유동장에 관한 정밀한 정보를 반응조 내의 각 지점에서 유체유동해석 결과를 비교 분석하고 있다.

종래 기술에 의한 일반적인 플렛 플레이트 타입(Flat Plate Type:이하 '평판형'이라 함)의 임펠러는 도 1에서처럼, 동력발생장치(20)와 변속장치(22)와 동력 전달축(24)이 연결되고 상기 동력 전달축은 반응조 내부로 연장되어져 임펠러(26)가 결합된다. 상기 임펠러는 축의 외주연에 방사상으로 교반용 날개가 결합되어져 있고, 상기 교반용 날개는 소정의 각도(약 30에서 40도)로 기울어져 있다.

이러한 종래의 임펠러는 후술되어질, 반응조 내에서 내부 유동장에 대한 유동해석결과를 통한 속도분포를 살펴보면, 축방향(axial)의 아래방향으로만 속도분포가 발생하고 원주방향(radial)으로의 속도분포가 미약한 바, 임펠러가 회전할 때 반응조 내에서 형성되는 난류운동에너지가 반응조 내의 사각지역에까지 제대로 전달되지 못하여 혼합효율이 저하되는 문제점이 있었다. 또한, 동력의 손실이 발생될 뿐만 아니라 비경제적인 단점이 있었다.

본 고안은 상기의 문제점들을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 본 고안의 목적은 반응조 내의 유체에 균등한 크기의 유동에너지를 부여하고자 교반기 임펠러의 기계적인 회전운동에너지에 의한 속도분포가 반응조 내의 각 지역에 균일하게 전달되도록 한 교반기용 임펠러의 구조에 관한 것이다.

본 고안의 다른 목적은 임펠러가 회전 시 속도에너지의 편차를 최소화하며임펠러에 의한 유동저항을 감소시켜 임펠러 회전축에 작용하는 토크를 최소화 한 교반기용 임펠러의 구조에 관한 것이다.

도 1은 종래의 기술에 따른 교반기의 구조를 개략적으로 도시한 단면도.

도 2는 본 고안의 바람직한 실시 예에 따른 교반기용 임펠러의 구조를 나타내는 사시도.

도 3은 본 고안에 따른 임펠러의 날개를 도시한 정면도.

도 4는 본 고안에 따른 임펠러의 날개를 도시한 평면도.

도 4a는 도 4의 A - A선을 따라 절개하여 도시한 단면도.

도 5a와 도 5b는 본 고안에 따른 임펠러의 지(池) 내의 단층별 속도분포(Velocity distribution)의 결과를 나타낸 도면.

도 6a와 도 6b는 종래의 기술에 따른 임펠러의 지(池) 내의 단층별 속도분포의 결과를 나타낸 도면.

도 7a와 도 7b는 본 고안에 따른 임펠러의 지(池) 내의 난류운동에너지 분포(Turbulence Kinetic Energy distribution)의 결과를 나타낸 도면.

도 8a와 도 8b는 종래의 기술에 따른 임펠러의 난류운동에너지 분포의 결과를 나타낸 도면.

도 9는 본 고안에 따른 임펠러의 지(池) 내의 난류와동소산율 분포(Turbulence Eddy Dissipation distribution)의 결과를 나타낸 도면.

도 10은 종래의 기술에 따른 임펠러의 난류와동소산율 분포의 결과를 나타낸 도면.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10: 임펠러(Impeller) 12: 허브(Hub)

14: 날개 15A: 선단 절곡부

15B: 후단 절곡부 16: 경사팁

18: 스테빌라이져(Stabilizer) 20: 동력발생장치

22: 변속장치 24: 동력 전달축

Y: 경사각 Za: 선단 유선각

Zb: 후단 유선각

상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 고안의 교반기용 임펠러(10)는 복수개의 날개가 허브와 방사상으로 결합되어진 통상의 임펠러에 있어서, 상기 날개(14)는 유선형의 하이드로포일(Hydrofoil)로 이루어지고 외측부에는 축방향으로 경사진 경사팁(16)을 가지며, 스테빌라이져(18)가 부착된다. 상기 날개(14)는 경사팁(16)이 30도에서 60도의 범위로 경사각(Y)을 이루며, 유선형을 이루는 선단 유선각(Za)은 0도에서 15도의 범위로 이루어지고 후단유선각(Zb)은 10도에서 30도의 범위로 이루어지면서 내측 선단부에서 외측 후단부로 비스듬하게 이루어짐을 특징으로 한다.

도 2는 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 교반기용 임펠러의 구조를 나타내는 사시도이고, 도 3은 본 고안에 따른 임펠러의 날개를 도시한 정면도이며, 도 4는 본 고안에 따른 임펠러의 날개를 도시한 평면도이다.

상기 날개(14)의 경사팁(16)을 이루는 경사각(Y)은 날개의 평면부로부터 20도에서 70도의 범위로 경사지게 이루어지는 것이 바람직하고 특히, 30도에서 60도의 범위로 이루어지는 것이 가장 바람직하다.

상기 경사팁(16)의 절곡부는 날개의 뿌리부분과 나란하게 이루어지는 것이 바람직하고, 또는 선단 절곡부(15A)를 기준으로 후단 절곡부(15B)로 갈수록 5도에서 15도의 범위로 비스듬하게 각도(X)를 가지며 절곡부가 형성된다.

상기 날개(14)는 도 4a에서처럼, 날개의 선단부 및 후단부가 경사진 유선형의 하이드로포일로 이루어지고 전방의 선단 유선각(Za)과 후단 유선각(Zb)을 가지도록 하여 양력을 발생시킨다. 상기 선단 유선각(Za)은 0도에서 15도의 범위로 이루어지고 후단 유선각(Zb)은 10도에서 30도의 범위로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한 날개의 뿌리부분에서 소정의 거리를 둔 내측 선단부에서 외측의 후단 절곡부로 절곡면이 비스듬하게 연장되어진다.

이러한 하이드로포일형(Hydrofoil type: 수중익형)의 날개는 지(池) 내에서 움직이는 날개의 표면에 작용하는 항력(drag)을 감소시키고 양력(lift)을 향상시킬 수 있도록 설계되어져 있다. 이는 물의 유동방향과 익형의 중심선이 각(영각)을 이루고 있을 때, 날개의 상부면을 따라 감소되는 압력(음압력)이 작용한다. 반면에 하부의 표면을 따라 압력이 상부 보다 더 크게 되는 압력(양압력)이 작용한다.

이러한 압력분포는 익형의 상부 표면을 지나가는 물의 감속과 익형의 하부면을 지나는 물의 감속으로부터 발생하며, 양력의 큰 부분이 익형의 상부면으로부터 얻어진다.

상기 날개(14) 및 경사팁(16)은 일체의 부재가 소정의 폭을 가지면서 일정한 두께로 절곡 형성되는 것이 바람직하고, 또는 별도의 부재를 부착할 수도 있다.

상기 날개(14)에 부착된 스테빌라이져(18)는 임펠러의 회전운동을 안정화시키고 혼합효율을 높일 수 있으며, 상기 날개(14)의 하단면에 설치되는 것이 바람직하고 필요에 따라 하나 이상으로 복수 개로도 설치 가능하다.

상기 날개(14) 및 스테빌라이져(18)는 견고하게 부착되도록 하고 볼트/너트 등의 체결부재로 조립되거나 용접 등의 방법으로 융접될 수도 있다.

본 고안의 임펠러는 하수처리용 교반기에 있어서, 반응조의 교반용 임펠러의 용도로 사용될 때 반응조 내에서 성장된 플록(floc)을 전단하지 않고 플록을 보다 크게 형성시킬 수 있도록 교반기 임펠러의 구조를 설계하였다. 그리고 지(池) 내에서 임펠러가 회전하면서 발생한 유동에너지가 지 내의 사각지역까지 균일하게 영향을 미칠 수 있도록 한다.

본 고안은 임펠러의 구조를 상기한 바와 같이 하여 종래의 평판형의 임펠러와 성능을 비교하기 위해서 씨에프디(CFD)용 상용프로그램(CFX5)을 사용하여 유동장 해석을 수행하였다.

상기 씨에프디(CFD)는 'Computational Fluid Dynamics'의 약자이고 전산유체역학 프로그램으로서 산업현장, 설계부서, 연구소 등에서 연구개발의 도구로서 사용되며 기반연구나 제품의 개발, 설계를 위해 주로 실험실측에만 의존하는 것에 비하여 광범위한 응용분야에서 시간과 비용을 절감시킬 수 있는 도구(Tool)이다.

수처리용 교반기는 임펠러의 구조가 무엇보다 중요하며 그 형상에 따라서 운영효율에 상당한 영향을 미치게 된다.

본 고안은 지(池) 내에서 임펠러가 회전할 때 발생하는 기계적인 회전운동에너지가 유체에 전달되어 난류운동에너지로 전환될 때 그 에너지가 지 (池) 내의 각 지점으로 보다 균일하게 분포될 수 있는 해석결과를 얻을 수 있다.

상기의 해석결과를 살펴보면 다음과 같다. 하기에서 설명되어질 유동장 해석을 위해서 지(池) 내의 임펠러의 회전속도는 25rpm으로 하였다.

도 5a와 도 5b는 본 고안에 따른 임펠러의 지(池) 내의 단층별 속도분포(Velocity distribution)의 결과를 나타낸 도면이고, 도 6A와 도 6B는 종래의 기술에 따른 임펠러의 지(池) 내의 단층별 속도분포의 결과를 나타낸 도면이다.

도 5a, b와 도 6a, b를 살펴보면, 본 고안의 임펠러가 단면별 속도분포가 종래의 것보다 훨씬 균일하고 높게 나타남을 알 수 있다.

본 고안은 혼합에서 중요한 난류특성에 관한 해석 결과를 도 7a, b와 도 8a, b에서 나타내었다. 도 7a와 도 7b는 본 고안에 따른 임펠러의 지(池) 내의 난류운동에너지 분포(Turbulence Kinetic Energy distribution)의 결과를 나타낸 도면이고, 도 8a와 도 8b는 종래의 기술에 따른 임펠러의 난류운동에너지 분포의 결과를 나타낸 도면이다.

도 7a, b와 도 8a, b를 참조하면, 난류운동에너지(Turbulence Kinetic Energy) 측면에서 본 고안의 임펠러가 종래의 임펠러에 비해 월등히 높고 단층별로도 골고루 분포됨을 알 수 있다.

특히, 탱크의 각 모서리 부분에서 유동의 정체성이 없이 난류운동에너지가 높게 나타남으로 전 단면에 걸쳐 혼합이 잘 일어남을 알 수 있다.

도 9는 본 고안에 따른 임펠러의 지(池) 내의 난류와동소산율 분포의 결과(Turbulence Eddy Dissipation distribution)를 나타낸 도면이고, 도 10은 종래의 기술에 따른 임펠러의 난류와동소산율 분포의 결과를 나타낸 도면이다.

도 9와 도 10에서처럼, 난류와동소산율(Turbulence eddy Dissipation) 측면에서도 본 고안의 임펠러가 종래의 임펠러 보다 훨씬 높게 분포하고 있으며 단층별로도 골고루 발생됨을 알 수 있다.

이상으로 살펴본 바와 같이 유동 수치해석의 결과로부터 본 고안에 따른 임펠러의 하이드로포일(Hydrofoil)형 날개는 지(池) 내에서 난류운동이 더욱 더 활발하게 발생되고 혼합효율이 월등히 향상될 뿐만 아니라 운영효율이 증가되었다.

교반기의 동력 전달축에 작용하는 토오크(Torque)를 식으로 나타내면 다음과 같다.

본 고안의 임펠러의 동력 전달축에 작용하는 토오크(Z방향) = -175ㆍNㆍm이며, 종래의 평판형 임펠러의 동력 전달축에 작용하는 토오크(Z방향) = -306ㆍNㆍm이다.

즉, 본 고안에 따른 임펠러가 축에 작용하는 토오크의 크기가 종래의 평판형보다 월등히 감소됨은 물론, 소요되는 동력 또한 57% 정도로 현저히 절감됨을 알 수 있다.

아울러, 지(池) 내의 수심이 깊은 경우 즉, 반응조 내의 수심이 깊거나 기준용량보다 큰 경우에는 본 고안의 임펠러를 동력 전달축상에 소정의 간격으로 이격되도록 복수 개로 설치하여 지(池) 내의 속도분포가 균일하게 발생하도록 하고 반응조 전체의 유체 유동성을 높일 수 있다.

전술한 내용은 후술할 고안의 실용신안등록청구범위를 보다 잘 이해할 수 있도록 본 고안의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 개설하였다. 개시된 본 고안의 개념과 특정 실시 예는 본 고안과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 구조의 설계나 수정의 기본으로서 즉시 사용될 수 있음이 당해 기술분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.

또한, 본 고안에서 개시된 고안 개념과 실시 예가 본 고안의 동일 목적을 수행하기 위하여 다른 구조로 수정하거나 설계하기 위한 기초로서 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 사용되어질 수 있을 것이다. 또한, 당해 기술분야의 숙련된 사람에 의한 그와 같은 수정 또는 변경된 등가 구조는 실용신안등록청구범위에서 기술한 고안의 사상이나 범위를 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 변화, 치환 및 변경이 가능하다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 고안의 교반기용 임펠러는 반응조 내의 혼합이 잘 이루어지지 않았던 사각지역으로도 유동에너지가 균일하게 전달되어져 전면적인 혼합효율을 증가시키는 효과가 있다.

그리고, 본 고안의 교반기용 임펠러는 축에 작용하는 토오크의 크기가 감소될 뿐만 아니라, 임펠러는 물론 장치의 수명을 연장하는 장점이 있다. 또한 소요되는 동력을 절감할 수 있어서 경제적인 효과를 가진다.

Claims (2)

1. 복수개의 날개가 허브와 방사상으로 결합되어진 통상의 임펠러에 있어서,

   상기 날개(14)는 유선형의 하이드로포일(Hydrofoil)로 이루어지고 외측부에는 축방향으로 경사진 경사팁(16)을 가지며,

   스테빌라이져(18)가 부착됨을 특징으로 하는 교반기용 임펠러의 구조.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 날개(14)는 경사팁(16)이 30도에서 60도의 범위로 경사각(Y)을 이루며,

   유선형을 이루는 선단유선각(Za)은 0도에서 15도의 범위로 이루어지고 후단유선각(Zb)은 10도에서 30도의 범위로 이루어지면서 내측 선단부에서 외측 후단부로 비스듬하게 이루어짐을 특징으로 하는 교반기용 임펠러의 구조.