KR20060015716A - 개량된 펌프 임펠러 - Google Patents

Abstract

원심 펌프에 이용하기 적합한 임펠러(20)는, 대향면들, 외주단부 및 회전축선을 구비하는 쉬라우드, 상기 쉬라우드의 양 대향면 중의 일면 상에서 상기 회전축선으로부터 연장함과 동시에 각각 외주단부를 구비하는 복수의 펌핑 베인, 및 상기 쉬라우드의 타면 상의 복수의 보조 베인(26)을 구비하고, 상기 각 보조 베인은 외단부를 구비하고, 상기 회전축선으로부터 상기 쉬라우드의 외주단부까지의 치수(Da)가 상기 회전축선으로부터 상기 보조 베인의 외단부까지의 치수(Db) 보다 큰 치수이다.

원심 펌프, 임펠러, 베인

Description

개량된 펌프 임펠러{IMPROVED PUMP IMPELLER}

본 발명은 임펠러 특히 원심 펌프에 사용하기가 적합한 임펠러에 관한 것이다.

원심 펌프는 통상 선광이나 준설 산업에서 고체 입자와 액체의 혼합물을 처리하는데 사용된다. 이와 같은 원심 펌프는 유체 내의 입자에 의해 심각한 슬러리 침식 마모가 발생하기 쉽고, 이는 심각한 경제적 손실로 이어진다. 펌프 제작자 및 사용자들은 이러한 문제를 해소하기 위해 상당한 노력을 기울이고 있다.

이와 같은 원심 펌프는 내부에 펌프 쳄버를 구비하는 펌프 하우징과 상기 펌프 쳄버 내에 배치되어 회전축을 중심으로 회전하는 임펠러를 구비한다. 상기 임펠러의 일측은 구동축에 작동이 가능하게 연결되고, 임펠러의 타측에는 유입구가 있다. 상기 임펠러는 구동축이 연결되는 허브와 적어도 하나의 쉬라우드(shroud)를 구비한다. 상기 쉬라우드의 일측에는 복수의 펌핑 베인이 있다. 종종 2개의 쉬라우드 사이에 펌핑 베인을 설치한다. 상기 유입구의 부근의 쉬라우드는 통상 전방 쉬라우드라 하고, 다른 쉬라우드는 후방 쉬라우드라 한다.

원심 펌프, 특히 슬러리 이송용 원심 펌프는 통상 펌프의 임펠러의 전후방 쉬라우드 상에 소위 배출 베인(expelling vanes) 또는 보조 베인을 사용하여 쉬라 우드와 사이드 라이너 사이의 공간 내에서 유체의 회전을 돕는다. 상기 보조 베인은 설계자의 기호에 따라 다양한 형태로 설계될 수 있다.

임펠러와 사이드 라이너 사이의 공간 내에서 유체를 회전시킴에 의해 임펠러의 유입구의 정압(static pressure)은 생성된 원심 유동(와류 효과)에 의해 감압되고, 이에 의해 보조 베인 사이의 유체는 임펠러의 외주를 향해 유동한다. 유체는 임펠러 배출구 및 유입구 사이의 총 구동 압력차에 의해 사이드 라이너의 면상으로 하향 복귀한다. 또 유체 내의 입자는 원심력이 입자를 틈새 내로 운반하는 경향을 가지는 유체 저항력보다 큰 경우 틈새로부터 배제된다.

상기 임펠러의 전방 쉬라우드 상의 보조 베인의 주요 설치 목적은 와류실(volute)로부터 임펠러의 아이부(eye) 내로 유체를 강제 배출시키는 구동 압력을 감압시키는 것이다. 순환 유속을 감속시킴에 의해, 임펠러 및 이것에 마주하고 있는 유입구 사이드 라이너의 마모가 상당히 감소된다.

후술하는 상세한 설명 및 청구범위에 있어서 문맥상 다른 의미로 해석하는 경우를 제외하고 "포함한다(comprise)" 및 그의 변화형 예로써 "포함하는(comprising)"는 언급된 정수 또는 단계, 또는 일련의 정수들 또는 단계들을 배제하는 것이 아니라 포함하는 것을 암시하는 것으로 이해해야 한다.

본 명세서의 종래의 기술의 참조는 그 종래의 기술이 호주에서의 주지의 기술의 일부를 형성한다고 승인하거나 제안하는 것이 아니며 동시에 그렇게 이해되어서도 안된다.

종래 다수 종의 다양한 보조 베인이 개발되어 기존의 임펠러에 사용되어 왔 다.

일례로서, 미국특허 제4664592호(이 특허의 내용은 참조로서 본 명세서에 도입되었다)는 복수의 레이디얼 보조 베인을 사용하고 있다. 상기 보조 베인은 그 외단부 주위에 환상의 돌출부를 구비함과 동시에 인접하는 보조 베인 사이에서 상기 환형 돌출부를 통해 연장하는 체널을 구비한 상태로 전방 또는 후방 쉬라우드의 면 상에 배치된다.

상기 보조 베인의 문제점은 환형 돌출부를 구비하건 구비하지 않건 입자가 포함된 경우 임펠러의 외주 및 인접하는 사이드 라이너의 심각한 국부 마모의 원인이 될 수 있는 팁 와류(tip vortices; 윙팁 와류(wingtip vortices)와 유사함)가 형성되는 것에 있다.

부품이 마모되면, 각 돌출 베인의 후방에 형성되는 와류는 그 규모 및 강도가 더욱 커짐으로써 인접하는 사이드 라이너의 마모율을 더욱 증가시키는 원인이 된다.

쉬라우드 및 주 베인의 직경(이들 치수는 대체로 동일함)에 비해 소직경인 보조 베인을 구비하는 워터 펌프가 공지되어 있다. 이것은 마모를 감소시키기 위해서가 아니고 임펠러에 작용하는 축방향의 유체 추력(thrust)을 감소시키기 위한 것이다. 이 보조 베인의 직경은 축방향의 유체 추력의 평형을 유지하기 위한 치수로 되어 있다.

본 발명의 일관점에 따르면 원심 펌프에 이용하기 적합한 임펠러가 제공된다. 이 임펠러는, 대향면들, 외주단부 및 회전축선을 구비하는 쉬라우드, 상기 쉬라우드의 양 대향면 중의 일면 상에서 상기 회전축선으로부터 연장함과 동시에 각각 외주단부를 구비하는 복수의 펌핑 베인, 및 상기 쉬라우드의 타면 상의 복수의 보조 베인을 구비하고, 상기 각 보조 베인은 외단부를 구비하고, 상기 회전축선으로부터 상기 쉬라우드의 외주단부까지의 치수(Da)가 상기 회전축선으로부터 상기 보조 베인의 외단부까지의 치수(Db) 보다 큰 치수이다.

하나의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 임펠러는 2개의 쉬라우드(전방 쉬라우드 및 후방 쉬라우드)를 구비한다. 이들 전후방 쉬라우드 사이에는 펌핑 베인이 설치되고, 전후방 쉬라우드 중의 하나 또는 양쪽 모두에 보조 베인이 설치된다. 일실시예에 있어서, 상기 전방 쉬라우드는 보조 베인 및 주펌핑 베인의 직경을 초과하여 연장한다. 타실시예에 있어서, 후방 쉬라우드는 보조 베인 및 주펌핑 베인의 직경을 초과하여 연장한다. 또 다른 구조에 있어서, 전후방의 양 쉬라우드는 보조 베인 및 펌핑 베인의 직경을 초과하여 연장한다. 상기 펌핑 베인 및 보조 베인의 직경은 일례로써 상호 5% 이내로 대략 동일하게 구성하는 것이 바람직하다.

상기 펌핑 베인 및 보조 베인은 적절한 압력의 감소 및 순환유량의 감소를 위해 유사한 직경으로 구성하는 것이 바람직하고, 임펠러 쉬라우드는 마모를 개선하기 위해 상기 양 베인을 초과하여 연장시키는 것이 바람직하다.

상기 쉬라우드 임펠러의 연장된 구조의 이점은 각 보조 베인의 팁 와류(tip vortex)가 연장된 쉬라우드의 면에 충돌하여 상기 쉬라우드 및 그것에 인접하는 사이드 라이너 사이의 틈새 또는 공간 내에 포획되는 것이다. 이와 같은 구조에 의해 임펠러와 라이너의 마모가 크게 감소된다. 이와 같은 효과는 본 발명에 의해 팁 와류가 완전히 형성되지 못하는 것에 기인된 것으로 보인다.

또, 본 발명의 일실시예에 있어서, 직경이 Da인 쉬라우드 및 직경이 Db인 전방 쉬라우드의 면상에 설치된 주로 반경방향으로 연장하는 복수의 보조 베인을 구비하는 임펠러가 제공된다. 상기 베인의 반경방향의 선단부는 쉬라우드를 향해 후방으로 Z의 각도로 테이퍼를 이룬다. 상기 쉬라우드, 사이드 라이너 및 보조 베인의 마모 정도는 Db가 0.95Da 미만일 때, 더욱 바람직하게는 0.65 내지 0.95Da(더욱 바람직하게는 0.95Da 미만)일 때 특히 감소되는 것으로 밝혀졌다. 이것은 보조 베인의 선단부와 쉬라우드의 외주 사이에 말미 와류(trailing vortices)를 포획하는 충분한 공간이 형성되어 있기 때문인 것으로 보인다. 직경 Db는 주펌프 베인의 직경과 거의 동일한 치수로 구성하는 것이 바람직하다. 이와 같은 관계에 의해 상기 보조 베인의 압력 감쇄 성능은 주펌프 베인에 의해 발생되는 압력에 비교하여 크게 악화되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도 1은 미국특허 제4,664,592호의 도 1에 도시된 바와 같은 종래기술의 임펠러의 사시도;

도 2는 종래의 원심 펌프의 임펠러 및 임펠러 베인 또는 보조 베인의 부분단면도;

도 3은 보조 베인과 케이싱 라이너 사이의 슬러리 유동경로를 보여주는 도 2 의 원내 확대도;

도 4는 전형적인 배출 베인 상의 일련의 마모 형상의 사진;

도 5는 본 발명에 의한 임펠러의 일실시예를 도시한 도 2의 유사도;

도 6은 종래기술의 임펠러의 보조 베인의 마모 형상의 사진;

도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 임펠러 상의 보조 베인의 마모 형상의 사진;

도 8은 본 발명에 의한 임펠러의 타실시예의 축방향도 또는 단부도; 및

도 9는 본 발명에 의한 임펠러의 추가의 타실시예의 축방향도 또는 단부도이다.

도 1의 종래기술의 임펠러(1)는 미국특허 제4,664,592호에 상세히 기술되어 있으므로 그 명세서를 참조하면 이해할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 임펠러(20)는 케이싱 라이너(21) 내에 수용된다. 슬러리는 임펠러가 케이싱 라이너(21)의 내부에서 회전할 때 임펠러(20)의 각 펌핑 쳄버(24)의 유입구(22)로부터 유출구(23)로 유동한다. 이에 따라 유출구(23)로부터 유입구(22)로의 슬러리의 순환유동이 발생함으로써 유입구측의 라이너(25)의 마모 손상을 유발한다. 배출 베인 또는 보조 베인(26)은 위와 같이 순환유동하는 슬러리(27)를 입자(28)로 표시한 바와 같이 임펠러의 유출구 측으로 되돌리는 작용을 한다. 임펠러(20) 및 라이너(25) 사이의 슬러리 유동경로는 도 3에 더욱 상세히 도시되어 있다.

도 4의 사진에 나타나 있는 보조 베인의 마모 형상은 산업 현장에서 직면하고 있는 문제의 예시인데, 이들 마모 문제는 본 발명의 실시예를 적용함으로써 개선될 것이다.

도 5의 참조번호는 동일 부분에 대해 도 2 및 도 3의 참조번호와 동일하다. 본 발명의 이 실시예에 있어서, 보조 베인(26)은 직선형으로서 그 직경은 Db=0.85Da(여기서, Da는 쉬라우드 직경)이고, 각도는 Z=45°이다. 상기 Db는 도 5에서 Dc로 표시된 주펌핑 베인의 직경과 거의 같다.

본 발명의 이 실시예의 테스트 결과를 도 4에 도시된 종래기술의 테스트 결과와 비교해 본 결과 동일 작동시간에 대해 베인의 선단부 및 이것에 인접하는 사이드 라이너의 마모가 크게 감소된 것이 밝혀졌다.

도 6의 사진에서 볼 수 있는 바와 같이, 종래의 공지된 임펠러의 보조 베인 상의 마모는 넓은 범위에서 발생한다.

이에 비해, 도 7의 임펠러 상의 보조 베인은 유사한 작업조건 및 작업시간에도 불구하고 6의 것에 비해 매우 양호한 상태를 보인다.

도 8의 임펠러(30)는 도 5 및 도 7의 실시예의 직선형 보조 베인 대신 만곡형 선단부 및 말단부를 가지는 보조 베인(31)을 채용하고 있다. 이에 대응하는 종래기술의 구조는 도 6에 도시되어 있다. 다시, 본 발명의 이 실시예는 종래기술의 실시예에 대비하여 유사한 작업시간에 대해 베인의 선단부의 마모가 크게 감소된다.

도 9의 실시예는 임펠러(40)의 보조 베인(41)의 타실시예의 형상을 도시한 것이다.

마지막으로, 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않는 상태에서 여러 가지 부품들의 구조 및 배열에 대해 다양한 변경, 개조 및 또는 추가할 수 있음은 당연하다.

Claims (16)

1. 원심 펌프에 이용하기 적합한 임펠러에 있어서, 상기 임펠러는, 대향면들, 외주단부 및 회전축선을 구비하는 쉬라우드, 상기 쉬라우드의 양 대향면 중의 일면 상에서 상기 회전축선으로부터 연장함과 동시에 각각 외주단부를 구비하는 복수의 펌핑 베인, 및 상기 쉬라우드의 타면 상의 복수의 보조 베인을 구비하고, 상기 각 보조 베인은 외단부를 구비하고, 상기 회전축선으로부터 상기 쉬라우드의 외주단부까지의 치수(Da)가 상기 회전축선으로부터 상기 보조 베인의 외단부까지의 치수(Db) 보다 큰 치수인 임펠러.
2. 제1항에 있어서, 상기 치수(Da)는 상기 회전축선으로부터 펌핑 베인의 외주단부까지의 치수(Dc)보다 큰 치수인 것을 특징으로 하는 임펠러.
3. 제2항에 있어서, 상기 쉬라우드는 후방 쉬라우드인 것을 특징으로 하는 임펠러.
4. 제3항에 있어서, 상기 임펠러는 전방 쉬라우드, 전후방 쉬라우드 사이에 위치하는 펌핑 베인, 및 상기 쉬라우드들 중의 하나의 타면 상에 위치하는 보조 베인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 임펠러.
5. 제3항에 있어서, 상기 임펠러는 전방 쉬라우드, 전후방 쉬라우드 사이에 위치하는 펌핑 베인, 및 상기 각 쉬라우드의 타면 상에 위치하는 보조 베인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 임펠러.
6. 제4항에 있어서, 상기 전방 쉬라우드의 치수(Da)는 치수(Db 및 Dc) 보다 큰 치수인 것을 특징으로 하는 임펠러.
7. 제4항에 있어서, 상기 후방 쉬라우드의 치수(Da)는 치수(Db 및 Dc) 보다 큰 치수인 것을 특징으로 하는 임펠러.
8. 제4항에 있어서, 상기 전후방 쉬라우드의 치수(Da)는 치수(Db 및 Dc) 보다 큰 치수인 것을 특징으로 하는 임펠러.
9. 제5항에 있어서, 상기 전방 쉬라우드의 치수(Da)는 치수(Db 및 Dc) 보다 큰 치수인 것을 특징으로 하는 임펠러.
10. 제5항에 있어서, 상기 후방 쉬라우드의 치수(Da)는 치수(Db 및 Dc)보다 큰 치수인 것을 특징으로 하는 임펠러.
11. 제5항에 있어서, 상기 전후방 쉬라우드의 치수(Da)는 치수(Db 및 Dc)보다 큰 치수인 것을 특징으로 하는 임펠러.
12. 제6항에 있어서, 치수 Db 및 치수 Dc는 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 임펠러.
13. 제12항에 있어서, 치수 Db 및 치수 Dc는 서로 5% 내에 있는 것을 특징으로 하는 임펠러.
14. 제13항에 있어서, Db는 0.95Da 미만인 것을 특징으로 하는 임펠러.
15. 제14항에 있어서, Db/Da는 0.65 내지 0.95인 것을 특징으로 하는 임펠러.
16. 제14항에 있어서, Db/Da는 0.65 내지 0.9인 것을 특징으로 하는 임펠러.

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