KR20100126276A - 기체 포일 임펠러 - Google Patents

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KR20100126276A
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KR
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liquid
impeller assembly
gas
mixing
blade portion
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KR1020107016202A
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English (en)
Inventor
보이세흐 위찰코우스키
로버트 더블유. 히그비
Original Assignee
필라델피아 믹싱 솔루션스, 엘티디.
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Abstract

본 발명의 임펠러 조립체는 샤프트, 샤프트를 중심으로 원주 방향으로 이격된 복수의 스쿠프를 포함하고, 각각의 스쿠프는 선단 에지에서 이격되고 내부 에지에서 결합되는 상위 블레이드 부분 및 하위 블레이드 부분과, 내부 에지로부터 후방으로 연장하는 리브를 포함하고, 각각의 스쿠프는 리브에서 부착부에 의해 샤프트에 커플링된다. 기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하는 본 발명에 따른 시스템 및 방법은 액체를 수용하는 용기와, 용기 내로 연장하는 구동 샤프트와, 구동 샤프트를 중심으로 회전하도록 구성되고 액체 표면 아래로 침수되도록 구성되고 복수의 스쿠프를 갖는 임펠러 조립체를 포함하고, 각각의 스쿠프는 선단 에지에서 이격되고 내부 에지에서 결합되는 상위 블레이드 부분 및 하위 블레이드 부분과, 내부 에지로부터 후방으로 연장하는 리브를 포함하고, 각각의 스쿠프는 리브에서 부착부에 의해 샤프트에 커플링된다.

Description

기체 포일 임펠러{GAS FOIL IMPELLER}
본 출원은 그 전체가 참조로서 본원에 포함된, 2007년 12월 21일자로 출원된 미국 특허 가출원 제61/016,246호에 대한 우선권을 청구한다.
본 발명은 액체와 기체를 혼합하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이며, 특히 기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하는 방법, 장치 및 임펠러 조립체에 관한 것이다.
혼합 용기는 다양한 산업적 용도로 사용될 수 있다. 혼합 용기는 알루미늄 생산에서의 침전조(precipitator), 폐수 처리에서의 혐기성 소화체(anaerobic digester), 및 많은 다른 용도로 사용될 수 있다.
임펠러는 고효율 및 고출력이 요구되는 상황에서 기체를 액체에 혼합하는데 자주 사용된다. 이러한 임펠러에 대한 통상적인 산업적 용도는 테레프탈산의 조형(plastic) 및 생산, 발효(fermentation), 항생물질의 생산 및 수소 첨가를 포함한다.
일반적으로 임펠러 조립체는 특정한 특성을 갖도록 기체 또는 액체를 액체 내로 분산시키는데 사용되는 것이 바람직하다. 일부 유리한 특성은 (1) 낮은 파워 수(power number)[즉, 유체로부터 전달되는 방사상 펌핑 에너지(radial pumping energy)에 대한 기계적 구동 파워 인출(mechanical drive power draw)의 비율과 관련된, 임펠러의 특정한 기하학적 형상에 관한 임펠러 파워 상수]와, (2) 범람(flooding)(즉, 많은 양의 기체가 임펠러 블레이드에 쇄도되어, 액체 펌핑이 실질적으로 감소되는 경우)이 없는 상태의 높은 기체 분산 용적(high gas disbursement capacity)과, (3) 혼합 용기 내로의 기체 주입 또는 분산의 속도에 무관한 편평한 파워 특성(flat power characteristic)(파워 인출의 일관성)(즉, 임펠러는 기체를 액체에 혼합하는 상태에서 파워를 손실할 수 있음)과, (4) 기체 주입 도중 용기 내의 액체 내에 고체 입자(solid particle)를 부유시킬 수 있는 능력을 포함한다.
본 발명에 따른 임펠러는 일반적으로 이러한 특성에 관한 것이지만, 본 발명은 이러한 특성 모두를 포함하는 것에 제한되지는 않는다.
임펠러 조립체는 하나의 샤프트 및 샤프트를 중심으로 원주 방향으로 이격된 복수의 스쿠프(scoop)를 포함한다. 각각의 스쿠프는 상위 블레이드 부분, 하위 블레이드 부분 및 리브를 포함한다. 상위 블레이드 부분 및 하위 블레이드 부분은 선단 에지, 내부 에지 및 주연 에지를 갖는다. 상위 블레이드 부분 및 하위 블레이드 부분은 내부 에지에서 결합된다. 상위 블레이드 부분 및 하위 블레이드 부분은 선단 에지에서 이격된다. 리브는 내부 에지로부터 후방으로 연장되고, 스쿠프는 리브에서 부착부에 의해 샤프트에 커플링된다.
또한, 임펠러 조립체는 수평 리브에 의해 복수의 스쿠프 각각에 커플링되는 중심 플레이트를 포함할 수 있으며, 중심 플레이트는 대칭인 총안식 스파(symmetric, crenellated spar)를 구비할 수 있다. 또한, 임펠러 조립체는 직선 라인을 형성하는 복수의 스쿠프 각각의 내부 에지를 포함할 수 있으며, 복수의 스쿠프 각각의 리브는 회전축에 수직한 평면에 존재할 수 있다. 또한, 임펠러 조립체는 후방 경사각을 갖는 적어도 하나의 스쿠프 각각을 포함할 수 있으며, 임펠러 조립체의 직경의 1/3 반경에서의 후방 경사각은 대략 15도일 수 있다. 또한, 임펠러 조립체는 둥근 프로파일을 갖는 상위 블레이드 부분 및 하위 블레이드 부분의 주연 에지를 포함할 수 있다.
액체를 수용하기 위한 용기, 이러한 용기로 연장하는 구동 샤프트 및 임펠러 조립체를 포함하는 기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하기 위한 시스템도 개시되며, 상기 임펠러 조립체는 구동 샤프트의 장축을 중심으로 회전하도록 구성되고 액체 표면 아래 침수되도록 구성되고 복수의 스쿠프를 가지며, 상기 스쿠프는 상위 블레이드 부분 및 하위 블레이드 부분과, 리브를 포함하고, 상위 블레이드 부분 및 하위 블레이드 부분은 선단 에지, 내부 에지 및 주연 에지를 가지며, 상위 블레이드 부분과 하위 블레이드 부분은 내부 에지에서 결합되고, 상위 블레이드 부분과 하위 블레이드 부분은 선단 에지에서 이격되고, 리브는 내부 에지로부터 후방으로 연장하고, 스쿠프는 이러한 리브에서 부착부에 의해 샤프트에 커플링된다.
기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하기 위한 시스템은 수직 구동 샤프트도 포함할 수 있다. 기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하기 위한 시스템에 포함되는 임펠러 조립체는 수평 리브에 의해 복수의 스쿠프 각각에 커플링되는 중심 플레이트를 포함할 수도 있으며, 이러한 중심 플레이트는 대칭적인 총안식 스파를 구비할 수도 있다. 기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하기 위한 시스템에 포함되는 임펠러 조립체는 작선 라인을 형성하는 복수의 스쿠프 각각의 내부 에지를 포함할 수도 있으며, 복수의 스쿠프 각각의 리브는 회전 축에 수직한 평면에 있을 수 있다. 기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하기 위한 시스템에 포함되는 임펠러 조립체는 후방 경사각을 갖는 적어도 하나의 스쿠프의 각각을 포함할 수도 있으며, 임펠러 조립체의 직경의 1/3의 반경에서의 후방 경사각은 대략 15도일 수 있다. 기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하기 위한 시스템에 포함되는 임펠러 조립체는 둥근 프로파일을 갖는 상위 블레이드 부분 및 하위 블레이드 부분의 주연 에지를 포함할 수도 있다.
기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하는 방법은 액체를 수용하는 용기를 제공하는 단계와, 액체 표면 아래 침수되고 구동 샤프트의 장축을 중심으로 회전하는 임펠러 조립체를 제공하는 단계를 포함한다. 임펠러 조립체는 상위 블레이드 부분, 하위 블레이드 부분 및 리브를 포함하는 복수의 스쿠프를 갖는다. 상위 블레이드 부분 및 하위 블레이드 부분은 선단 에지, 내부 에지 및 주연 에지를 갖는다. 상위 블레이드 부분과 하위 블레이드 부분은 내부 에지에서 결합되고 선단 에지에서 이격된다. 리브는 내부 에지로부터 후방으로 연장한다. 스쿠프는 리브에서 부착부에 의해 샤프트에 커플링된다.
기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하는 방법은 수직 구동 샤프트를 제공하는 단계도 포함할 수 있다. 기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하기 위한 방법에 제공되는 임펠러 조립체는 수평 리브에 의해 복수의 스쿠프 각각에 커플링되는 중심 플레이트를 포함할 수도 있으며, 중심 플레이트는 대칭적인 총안식 스파를 가질 수도 있다. 기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하기 위한 방법에 제공되는 임펠러 조립체는 직선 라인을 형성하는 복수의 스쿠프 각각의 내부 에지를 포함할 수도 있으며, 복수의 스쿠프 각각의 리브는 회전 축에 수직인 평면에 존재할 수 있다. 기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하기 위한 방법에 제공되는 임펠러 조립체는 후방 경사각을 갖는 적어도 하나의 스쿠프의 각각을 포함할 수도 있으며, 임펠러 조립체의 직경의 1/3의 반경에서의 후방 경사각은 대략 15도일 수 있다. 기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하기 위한 방법에 제공되는 임펠러 조립체는 둥근 프로파일을 갖는 상위 블레이드 부분 및 하위 블레이드 부분의 주연 에지를 포함할 수도 있다.
종래 기술의 단점 및 특정된 실시예의 장점이 문맥을 위해 제공되었으며, 본 발명은 본원에서 설명되거나 함축적으로 제공된 문제점 또는 해결책에 제한되지 않는다. 본 발명의 양태들은 본원에 도시된 실시예에서 묘사되며, 본 발명은 이러한 특정적 실시예에 제한되는 것이 아니라, 청구항의 전체 이익에 따라 광의적으로 해석되도록 의도되었다.
도 1은 본 발명의 일 양태에 따른 임펠러 조립체의 사시도이다.
도 2a는 임펠러 조립체의 평면도이다.
도 2b는 임펠러 조립체의 측면도이다.
도 3의 (a)는 임펠러 조립체에 채용된 단일 임펠러 블레이드의 측면도이다.
도 3의 (b)는 임펠러 조립체에 채용된 단일 임펠러 블레이드의 평면도이다.
도 4a는 본 발명의 다른 양태에 따른 임펠러 조립체의 사시도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 임펠러 조립체 일부의 사시도이다.
도 4c는 본 발명의 또 다른 양태에 따른 임펠러 조립체의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 임펠러 조립체를 채용한 시스템의 측면도이다.
도 1을 참조하면, 임펠러 조립체(100)는 복수의 블레이드 조립체(110), 중심 허브(130) 및 부착 플레이트(132)를 포함한다. 각각의 블레이드 조립체(110)는 상위 블레이드 부분(112), 하위 블레이드 부분(114), 선단 에지(116), 내부 에지(118), 주연 에지(120), 내부 에지(122), 리브(124), 후단 에지(125) 및 외부 스파(126)를 포함한다.
각각의 블레이드 조립체(110)는 중심 허브(130) 및 부착 플레이트(132)를 통해 구동 샤프트(210)(도 2b)에 커플링된다. 블레이드 조립체(110)는 임펠러의 원주부 주위에 균일하게 이격되는 것이 바람직하다. 각각의 스쿠프가 상위 블레이드 부분(112) 및 하위 블레이드 부분(114)에 의해 형성된다. 도 1에 도시된 양호한 실시예에서, 상위 블레이드 부분(112) 및 하위 블레이드 부분(114)은 [도 3의 (a)에서와 같이 측면에서 볼 때] 서로의 거울상인 편평한 시트형인 분절된 섹션이다. 달리, 상위 블레이드 부분(112) 및 하위 블레이드 부분(114)은 기체 또는 액체 혼합 공정의 요구되는 파라미터에 따라 다른 형상을 가질 수도 있다(즉 서로의 거울상이 아닐 수도 있다)(도시 생략). 각각의 스쿠프는 오목한 형상을 가지며, 선단 에지(116)에서 개방되고, 상위 블레이드 부분(112) 및 하위 블레이드 부분(114)의 내부 에지(118)에서 폐쇄된다. 임펠러 조립체(100)는 (도 1에서 시계 방향으로 도시된 바와 같이) 회전 방향(140)으로 회전된다. 회전 방향(140)은 각 블레이드 조립체(110)의 개방 측[선단 에지(116)]이 액체(420)로 지향되도록 결정된다.
도 1에 도시된 실시예에서, 주연 에지(120)는 둥근 프로파일을 가져서, (바람직하게는) 각각의 주연 에지는 단일의 불연속 원의 아치형 세그먼트를 형성한다. 주연 에지(120)의 이러한 둥근 프로파일은 호(A1D1)로 도 2a 및 도 3의 (b)에도 도시된다. 다른 실시예에서, 주연 에지(120)는 에어 포일을 닮은 곡선 또는 직선 라인(도시 생략)을 포함하는 다른 형상일 수도 있다. 본 발명자는 주연 에지(120)를 둥근 프로파일로 만듦으로써 임펠러 조립체(100)가 액체(420)를 통과해 이동할 때 (직선 라인 프로파일에 비해) 더 낮은 드래그 효과(drag effect)를 생성한다는 이론을 상정하였다.
리브(124)는 각 블레이드 조립체(110)의 내부 에지(118)로부터 후방으로 연장한다. 도 1 및 도 2a에 도시된 바와 같이, 리브(124)가 주연부보다 기부에서 폭이 더 넓도록, 리브(124)에 의해 형성되는 후단 에지(125)는 부드러운 곡선을 갖는다. 도 3의 (b)는 도면 부호 125'로 지시되는 직선 라인(이후 더 상세하게 설명되는 선 F-E1)을 형성하는 후단 에지(125)에서의 리브의 다른 형상을 도시한다. 도 3의 (a) 및 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 리브(124)는 부분(D1, D3, F, E1)에 의해 경계가 형성되어, 사다리꼴 형상을 형성한다. [기부에서 폭이 더 넓은 리브(124)를 포함하는] 이러한 설계는 블레이드 조립체(110)가 구동 샤프트(210)에 커플링되는 지점에서의 리브(124)의 강도를 증가시킬 수 있다. 도면에는 샤프트(210)와 블레이드 조립체(110) 사이에 커플링된 부착 플레이트(132) 및 허브가 도시되고, 청구항에 특정적으로 개시되지 않는다면 본 발명은 임의의 부착부 형태를 포함할 수 있다.
양호한 실시예에서, 리브(124)는 구조적 지지부의 역할을 하여, 블레이드 조립체(110)를 강화한다. 리브(124)는 블레이드 조립체(110)가 구동 샤프트(210)에 커플링될 수 있게 하는 부착 표면의 역할도 한다. 본 발명자는 임펠러 조립체(100)가 유체(420)를 통해 이동할 때 블레이드 조립체(110)의 내부 에지(118)로부터 후방으로 연장하는 리브(124)의 편평한 프로파일이 [리브(124)가 없는 블레이드에 비해] 더 낮은 드래그 효과를 생성한다는 이론을 상정하였다.
외부 스파(126)는 에지(116, 120) 부근에서 블레이드 부분(112, 114)을 지지하도록 구성되는 것이 바람직하다. 일부 실시예에서는 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 외부 스파(126)는 임의 거리만큼 에지(116, 120)로부터 오프셋된 위치에서 블레이드 부분(112, 114)에 부착될 수 있다. 예컨대, 도 4a 및 도 4b에서, 외부 스파(126)는 주연 에지(120) 길이의 대략 10%만큼 선단 에지(116)로부터 오프셋된 위치에서 블레이드 부분(112, 114)에 부착되며, 외부 스파(126)는 선단 에지(116) 길이의 대략 10%만큼 주연 에지(120)로부터 오프셋된 위치에서 블레이드 부분(112, 114)에 부착된다. 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 외부 스파(126)를 (예컨대, 대체로 삼각형 형상으로 도시된) 각각의 보강 패드(234)에 부착함으로써, 외부 스파(126)는 블레이드 부분(112, 114)에 장착되는 것이 바람직하다. 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 보강 패드(234)는 각각의 블레이드 부분(112, 114)에 부착된다.
보강 패드(234)는 블레이드 부분(112, 114)에 대하여 임의 크기일 수 있다. 각 보강 패드(234)는 선단 에지(116) 부근의 블레이드 부분(112, 114) 상에 위치되는 것이 바람직하다. 각 보강 패드(234)는 대체로 주연 에지(120)와 내부 에지(122) 사이의 축을 따라, 선단 에지(116) 길이의 대략 5% 내지 20%를 블레이드 부분(112, 114)을 따라 연장하는 것이 바람직하다. 각 보강 패드(234)는 대체로 선단 에지(116)와 내부 에지(118) 사이의 축을 따라, 주연 에지(120) 길이의 대략 5% 내지 20%를 블레이드 부분(112, 114)을 따라 연장하는 것이 바람직하다.
본 발명자는 외부 스파(126)를 에지(116, 120)로부터 오프셋하고 보강 패드(234)를 통해 외부 스파(126)를 블레이드 부분(112, 114)에 부착하는 것이 임펠러 조립체(100a)의 회전 도중 블레이드 부분(112, 114)을 가로지르는 굽힘 응력을 균등화하는데 도움이 되어, 외부 스파(126)의 장착 위치 주변의 최대 굽힘 응력을 잠재적으로 감소시킨다는 이론을 상정하였다. 블레이드 부분(112, 114) 내의 최대 굽힘 응력을 낮춤으로써, 외부 스파(126)가 에지(116, 120)에 더 인접하게 위치되고 보강 패드(234) 없이 장착되는 임펠러 조립체(도 1에 예시적으로 도시됨)에 비해, 임펠러 조립체(100a)의 소정의 용도에 대해 임펠러 조립체(100a)의 블레이드 부분(112, 114)(도 4a 및 도 4b에 예시적으로 도시됨)을 더 얇게(예컨대, 더 얇은 금속 시트로 제조되게) 할 수 있다.
선택적인 것임을 나타내기 위해 도 1에는 도시되지 않은 내부 스파(230)는 내부 에지(122) 부근에서 블레이드 부분(112, 114)을 지지 및 보유하도록 구성되는 것이 바람직하다. 내부 스파(230)의 상위 및 하위 부분은 인접한(앞쪽) 스쿠프의 리브(124)에 부착된다. 외부 스파(126)의 단면은 임펠러 조립체(100)가 회전 방향(140)으로 회전될 때, 드래그 계수를 최소화할 수 있는 대체로 눈물방울 형상인 것이 바람직하다(예컨대, 선단 에지는 둥글고, 선단 에지 부근에서 가장 두꺼우며 후단 에지에서 가장 얇다). 내부 스파(230)의 단면은 임펠러 조립체(100)가 회전 방향(140)으로 회전될 때 드래그 계수를 최소화할 수 있는 난형(oval-shaped)인 것이 바람직하다. 외부 스파(126) 및 내부 스파(230)의 단면은 둥근형, 난형, 초승달형, 눈물방울형, 에어포일식 만곡형 또는 사각형을 포함하는 다른 형상일 수도 있다. 외부 스파(126) 및 내부 스파(230)의 단면은 종방향 축을 중심으로 대칭인 것이 바람직하지만, 이러한 단면은 종방향 축을 중심으로 비대칭일 수도 있다.
(둥근지 않을 때의) 외부 스파(126)의 단면의 배향은 도 2a에도 각도(θ)로 도시된 바와 같이 외부 스파 각도(250)를 가지며, 이는 드래그 계수를 더욱 최소화하기 위해 외부 스파(126)의 단면이 [일반적으로 주연 에지(120)를 가로질러 유출하는] 조합된 방사상 펌핑 벡터와 [일반적으로 선단 에지(116)를 가로질러 유입하는] 유입 유체 유동 벡터를 향해 뾰족하도록 선택되는 것이 바람직하다.
하나의 블레이드 조립체(110)의 선단 에지(116)의 프로파일은 지점(G)에서 다른 블레이드 조립체(110)의 리브(124)를 중첩한다[지점(G)은 도 3의 (b)에 도시된다]. 이러한 중첩으로 인해, 하나의 블레이드 조립체(110)의 [대체로 지점(G)에 위치되는] 내부 스파(230)가 다른 블레이드 조립체(110)의 리브(124)에 장착될 수 있다. 내부 스파(230)는 용접, 리브(124) 내의 구멍으로의 내부 스파(230)의 통과, 나사 사용 또는 당업자에게 공지된 임의의 다른 부착 기구의 이용을 포함하는 몇 가지 다른 방식 중 하나로 장착될 수 있다. 예컨대, 도 4b에 도시된 바와 같이 내부 스파(230a)의 상위 및 하위 부분은 각각의 원통형 탭(232)에 용접되고, 이러한 탭은 내부 스파(230a)의 상위 부분과 하위 부분이 서로 가장 근접한 곳에 위치된다. 각 원통형 탭(232)은 다른 블레이드 조립체(110)의 리브(124)의 장착 부분(236)에 볼트 결합된다. 각 원통형 탭(232)을 다른 블레이드 조립체(10)의 리브(124)의 장착 부분(236)에 볼트 결합하는 것은 사용자의 설비(user's facility) 내에 임펠러 조립체(100, 100a, 100b)를 설치하는 도중 수행되는 것이 바람직하다. 내부 스파(230a)의 상위 및 하위 부분은 각각의 보강 패드(234)에 용접되고, 이러한 패드는 내부 스파(230a)의 상위 부분과 하위 부분이 서로에 대해 가장 먼 곳에 위치된다. 각각의 보강 패드(234)는 [제1 보강 패드(234)를 거쳐 내부 스파(230a)의 상위 부분에 부착되는] 상위 블레이드 부분(112)과 [제2 보강 패드(234)를 거쳐 내부 스파(230a)의 하위 부분에 부착되는] 하위 블레이드 부분(114)에 용접된다.
후방 경사각(240)은 중심 허브(130)의 중심에서 시작하여 중심 허브(130)로부터 임펠러 조립체(100)의 직경의 1/3(D/3)인 거리에 있는 지점에서 내부 에지(118)와 교차하는 라인과 [상위 블레이드 부분(112)의 내측 블레이드 표면이 하위 블레이드 부분(114)의 내측 블레이드 표면과 결합하는] 내부 에지(118)가 이루는 각도이다. 이러한 후방 경사각(240)은 도 2a에 각도(α)로 도시된다.
후방 경사각(240)은 도 3의 (b)에도 도시된다. 도 3의 (b)에서, 내부 에지(118)는 라인 세그먼트(D1D3)에 의해 형성된다. 후단 에지(125)는 라인 세그먼트(E1F)에 의해 형성된다. 이러한 경사각은 후방을 지향하는데, 이는 블레이드 조립체(110)가 시계 방향(140)으로 회전한다고 가정했을 때 블레이드 조립체(110)의 내부 에지(122)를 향한 D1D3 벡터의 투영(projection)이 중심 허브(130)의 앞쪽 유체 측에 도달할 것이기 때문이다. 이러한 후방 경사각(240)은 임펠러 조립체(100)의 시계 방향 회전에 의해 발생되는 원심력에 의해 액체(420)가 유도되는 것과 동일한 방향으로 유입 유체를 주연 에지(120)를 향해 중심 허브(130)로부터 멀어지도록 외측으로 편향시키는 경향이 있다.
임펠러 조립체(100)의 직경의 1/3(D/3)과 동일한 반경에서 D1D3와 교차하고 회전 축으로부터 발산하는 라인에 대해 D1D3가 만드는 후방 경사각(240)은 15도이다. 다른 실시예에서, 후방 경사각(240)은 범위가 1도 내지 89도인 다른 값일 수 있다. 또한, 이러한 설계는 [유체(420)의 유동이 반경방향으로 직선인] 제로 경사각, 또는 [블레이드 조립체(110)가 시계 방향(140)으로 회전한다고 가정할 때, 블레이드 조립체(110)의 내부 에지(122)를 향한 D1D3 벡터의 투영이 중심 허브(130)의 후단 유체측에 도달하게 되는) 전방 경사각과 함께 사용될 수 있다.
각각의 블레이드 조립체(110)의 측면 프로파일은 오목한 형상이다. 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 선단 에지(116)의 측면은 A 및 A'에 의해 표시되고, 내부 에지(118)의 측면은 D 및 D'에 의해 표시되고, 후단 에지(125)의 측면은 E 및 E'에 의해 표시된다.
도 3의 (a)를 다시 참조하면, 상위 블레이드 부분(112)은 시트형인 분절된 섹션이며, 도 3의 (a)의 측면도에 세그먼트(AB, BC, CD, DE)로 표시되는 일련의 4개의 편평한 평면 세그먼트로 구성된다. 이러한 평면 세그먼트 각각은 불연속 벤드(discrete bend)에 의해 구분된다. 하위 블레이드 부분(114)도 시트형인 분절된 섹션일 수 있으며, 대체로 상위 섹션의 거울상이다. 다른 실시예에서, 상위 블레이드 부분(112)과 하위 블레이드 부분(114)은 상이한 형상을 가질 수도 있다(즉, 서로의 대략적인 거울상이 아닐 수도 있다). 하위 블레이드 부분(114)은 도 3의 (a)의 측면도에서 세그먼트(A'B', B'C', C'D', D'E')로 표시되는 일련의 4개의 편평한 평면 세그먼트로 구성된다. 상위 블레이드 부분(112)과 하위 블레이드 부분(114) 모두는 편평한 금속 스톡의 단일 시트로 형성될 수 있다.
달리, 상위 블레이드 부분(112)과 하위 블레이드 부분(114)의 측면 프로파일은 편평한 평면 세그먼트와 달리 부드럽게 변하는 만곡된 세그먼트(도시 생략)일 수도 있다.
상위 블레이드 부분(112)과 하위 블레이드 부분(114) 사이의 거리는 블레이드 조립체(110)의 개방측으로부터 폐쇄측으로 지수함수적으로 감소되며, 선단 에지(116) 부근에서 점진적으로 감소되고, 내부 에지(118) 부근에서 더욱 급격하게 감소된다. 이러한 지수함수적으로 감소하는 측면 프로파일 형상으로 인해, 블레이드 조립체(110)는 다른 설계에 비해, 광범위한 기체 주입 속도에 대해 더 낮은 유체 드래그 계수와 더욱 일관된 파워 인출을 가질 수 있다.
블레이드 조립체(110)의 측면 프로파일 및 상부 프로파일 치수의 특정한 세트가 도 3의 (a) 및 도 3의 (b)에 표시된 양호한 실시예에 도시되었지만, 이러한 치수 관계는 변경 가능하고 블레이드 조립체(110)의 다른 측면 프로파일이 사용될 수도 있다.
부착 플레이트(132)는 대체로 사각형 형상인 총안(220, crenellation)을 포함하지만, 다른 형상일 수도 있다. 부착 플레이트(132)는 중심 허브(130)에 부착되고, 블레이드 조립체(110)를 위한 부착 표면을 제공한다. 블레이드 조립체(110)는 총안(220)에 볼트 결합 또는 용접될 수 있다. 다른 실시예에서, 블레이드 조립체(110)는 부착 플레이트(132)에 직접 부착될 수 있거나, 또는 중심 허브(130)에 직접 부착될 수 있다. 중심 허브(130)의 존재는 선택적이다. 임의의 부착 기구가 구동 샤프트(210)(도 2b에 도시됨)에 블레이드 조립체(110)를 부착하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 예컨대 도 4c에 도시된 바와 같이, 블레이드 조립체(110b)는 중심 허브를 사용하지 않고 부착 플레이트(132b) 내의 총안(220b)에 (예컨대 볼트 또는 용접을 이용하여) 부착된다. 대신에, 부착 플레이트(132b)는 구동 샤프트(210)로부터 연장하는 플랜지(도시 생략)에 (예컨대, 볼트 또는 용접을 사용하여) 직접 부착될 수 있다. 구동 샤프트(210)로부터 연장하는 플랜지는 부착 플레이트(132b)에 대체로 평행인 것이 바람직하다. 부착 플레이트(132b)는 예컨대, 하나의 캐스팅 또는 성형된 금속편으로부터 제조될 수 있거나, 부착 플레이트(132b)는 사용자 시설에서 설치 도중 함께 볼트 결합될 수 있는 둘 이상의 부분으로 이루어질 수도 있다.
도 2a 및 도 2b에 가장 잘 도시된 바와 같이, 임펠러 조립체(100)는 도면 부호 212로 개략적으로 지시된 기계식 구동부에 의해 구동되는 구동 샤프트(210)에 부착된다. 임펠러 조립체(100)는 회전 방향(140)으로 회전한다.
중심 허브(130), 부착 플레이트(132) 및 총안(220)은 연속적인 금속편인 것이 바람직하다. 이로 인해, 단순화된 제조 및 중심 허브(130)와 구동 샤프트(210) 사이의 연속된 원형 경계면(uninterrupted circular interface)이 가능할 수 있다. 부착 플레이트(132)는 중심 허브(130) 부근의 기체가 중심 허브(130)와 블레이드 조립체(110)의 내부 에지(122) 사이를 통과하는 것을 방지할 수 있다. 양호한 실시예에서, 부착 플레이트(132)의 직경은 임펠러 조립체(100)의 직경의 대략 20%이다. 부착 플레이트(132)의 직경은 대략 중심 허브(130)의 직경으로부터 대략 임펠러 조립체(100)의 직경까지의 범위를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 부착 플레이트(132)는 총안(220)에 추가된 강성을 제공하는 역할만을 할 수 있어서, 부착 플레이트(132)의 직경은 중심 허브(130)의 직경과 대략 동일할 수 있다. 부착 플레이트(132)의 직경은 중심 허브(130)의 직경, 총안(220)의 강성 요구조건 및 블레이드 조립체(110)의 길이에 따라, 임펠러 조립체(100)의 전체 직경에 대해 변경될 수 있다. 이러한 설계로 인해 필요에 따라서는 블레이드 조립체(110)의 내부 에지(122)는 임펠러 조립체(100)의 전체 직경에 대해 중심 허브(130)에 매우 근접할 수 있어서, 일부 환경에서 이전의 임펠러 설계에서보다 더 큰 펌핑 표면적이 가능하다.
중심 허브(130)는 구동 샤프트(210)에 용접될 수 있거나, 구동 샤프트(210)에 대한 중심 허브(130)의 회전을 방지하도록 키웨이(keyway) 또는 설정 나사(set screw)를 포함할 수도 있다. 달리, 중심 허브(130)는 중심 허브(130)에 블레이드 조립체(110)를 커플링하기 위해 용접되거나 캐스팅된 부착 플레이트(132) 및 총안(220)을 포함한다. 다른 실시예에서, 블레이드 조립체(110)는 부착 플레이트(132)에 용접되거나 부착 플레이트(132) 주물(casting)에 볼트 결합된다. 구동 샤프트(210)의 하위 단부는 블레이드 조립체(110) 아래로 돌출하여, 액체(420) 내에서 블레이드보다 더 낮은 깊이에 도달할 수 있다.
기계식 구동부(212)는 구동 샤프트(210) 및 블레이드 조립체(110)를 소정의 속도로 회전시키도록 구성될 수 있는, 본 기술 분야에 공지된 임의의 정속 또는 변속 구동부일 수 있다. 기계식 구동부(212)는 구동 샤프트(210)의 상위 단부에 커플링된다. 작동시, 기계식 구동부(212)에 의해 구동 샤프트(210)에 전달되는 토크는 구동 샤프트로부터 중심 허브(130)로 전달된다.
도 5는 기체(430)를 액체(420) 내로 혼합하기 위한 시스템(400)의 측면도이다. 시스템(400)은 상술된 바와 같이 임펠러 조립체(100)와 용기 저부(412)를 갖는 용기 조립체(410)를 포함한다. 액체(420)는 액체 표면(422)을 형성한다.
기체(430)는 유체(420) 내로 분산되는 것이 바람직하다. 임펠러 조립체(100)는 (바람직하게는) 종래의 수단에 의해, 즉 스파지 링(sparge ring) 또는 다른 수단에 의해 용기(410) 내로 주입되는 기체(430)의 분산을 강화하기 위해, 유체(420) 내에서 회전한다. 임펠러 조립체(100)는 기체(430)의 분산을 달성하기 위해 유체(420)를 교반하고, 임펠러 조립체(100)는 유체(420) 내에서 (존재하거나 또는 존재하지 않을 수 있는) 고체 입자를 부유시키는 기능을 가질 수 있다. 또한, 시스템(400)은 제1 액체를 (도면에 지시되지 않은) 제2 액체로 분산시키기 위해 채용될 수도 있다.
상술한 기재는 설명을 목적으로 제공되었으며 본 발명을 제한하는 것으로 해석돼서는 안 된다. 본 발명은 양호한 실시예 또는 양호한 방법을 참조로 설명되었지만, 본원에 사용된 단어들은 제한을 위한 것이 아니라 설명 및 도시를 위한 것이라는 것이 이해될 것이다. 또한, 본 발명은 특정한 구조, 방법 및 실시예를 참조로 본원도 설명되었지만, 본 발명은 첨부된 청구항의 범주 내에 있는 모든 구조, 방법 및 용도로 확장되기 때문에, 본 발명은 본원에 개시된 특정 사항에 제한되지 않는다. 본 명세서의 교시의 이득을 위한 당업자라면 본원에 설명된 본 발명에 다양한 변형을 실행할 수 있으며 첨부된 청구항에 의해 규정된 본 발명의 범주 및 사상 내에서 변경이 이루어질 수 있다.

Claims (23)

  1. 임펠러 조립체이며,
    샤프트와,
    샤프트를 중심으로 원주방향으로 이격되는 복수의 스쿠프를 포함하고,
    각각의 스쿠프는
    선단 에지, 내부 에지 및 주연 에지를 가지며, 내부 에지에서 결합되고, 선단 에지에서 이격되는, 상위 블레이드 부분과 하위 블레이드 부분, 및
    내부 에지로부터 후방으로 연장하는 리브를 포함하고,
    상기 스쿠프는 리브에서 부착부에 의해 샤프트에 커플링되는
    임펠러 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 임펠러 조립체는 수평 리브에 의해 복수의 스쿠프 각각에 커플링되는 중심 플레이트를 더 포함하는
    임펠러 조립체.
  3. 제2항에 있어서,
    중심 플레이트는 대칭인 총안식 스파를 구비하는
    임펠러 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    복수의 스쿠프 각각의 내부 에지는 직선 라인을 형성하고 복수의 스쿠프 각각의 리브는 회전축에 수직한 평면 내에 존재하는
    임펠러 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스쿠프 각각은 후방 경사각을 갖는
    임펠러 조립체.
  6. 제5항에 있어서,
    임펠러 조립체의 직경의 1/3의 반경에서의 후방 경사각은 대략 15도인
    임펠러 조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 상위 블레이드 부분 및 상기 하위 블레이드 부분의 상기 주연 에지는 둥근 프로파일을 갖는
    임펠러 조립체.
  8. 기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하는 시스템이며,
    액체를 수용하는 용기와,
    용기 내로 연장하는 구동 샤프트와,
    임펠러 조립체를 포함하고,
    상기 임펠러 조립체는
    구동 샤프트의 장축을 중심으로 회전하도록 구성되고,
    액체 표면 아래 침수되도록 구성되고,
    복수의 스쿠프를 구비하며,
    상기 스쿠프는
    선단 에지, 내부 에지 및 주연 에지를 가지며, 내부 에지에서 결합되고, 선단 에지에서 이격되는, 상위 블레이드 부분과 하위 블레이드 부분, 및
    내부 에지로부터 후방으로 연장하는 리브를 포함하고,
    상기 스쿠프는 리브에서 부착부에 의해 샤프트에 커플링되는
    기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하는 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 구동 샤프트는 수직인
    기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하는 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 임펠러 조립체는 수평 리브에 의해 적어도 하나의 스쿠프 각각에 커플링되는 중심 플레이트를 더 포함하는
    기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하는 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    중심 플레이트는 대칭적인 총안식 스파를 갖는
    기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하는 시스템.
  12. 제8항에 있어서,
    복수의 스쿠프 각각의 내부 에지는 직선 라인을 형성하고, 복수의 스쿠프 각각의 리브는 회전 축에 수직한 평면 내에 존재하는
    기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하는 시스템.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스쿠프 각각은 후방 경사각을 갖는
    기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하는 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    임펠러 조립체의 직경의 1/3의 반경에서의 후방 경사각은 대략 15도인
    기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하는 시스템.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 상위 블레이드 부분 및 상기 하위 블레이드 부분의 상기 주연 에지는 둥근 프로파일을 갖는
    기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하는 시스템.
  16. 기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하는 방법이며,
    액체를 수용하는 용기를 제공하는 단계와,
    임펠러 조립체를 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 임펠러 조립체는
    구동 샤프트의 장축을 중심으로 회전하도록 구성되고,
    액체 표면 아래 침수되도록 구성되고,
    복수의 스쿠프를 구비하며,
    상기 스쿠프는
    선단 에지, 내부 에지 및 주연 에지를 가지며, 내부 에지에서 결합되고, 선단 에지에서 이격되는, 상위 블레이드 부분과 하위 블레이드 부분, 및
    내부 에지로부터 후방으로 연장하는 리브를 포함하고,
    상기 스쿠프는 리브에서 부착부에 의해 샤프트에 커플링되는
    기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하는 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 구동 샤프트는 수직인
    기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하는 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 임펠러 조립체는 수평 리브에 의해 적어도 하나의 스쿠프 각각에 커플링되는 중심 플레이트를 더 포함하는
    기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    중심 플레이트는 대칭인 총안식 스파를 갖는
    기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하는 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    복수의 스쿠프 각각의 내부 에지는 직선 라인을 형성하고, 복수의 스쿠프 각각의 리브는 회전 축에 수직한 평면 내에 존재하는
    기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하는 방법.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스쿠프 각각은 후방 경사각을 갖는
    기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하는 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    임펠러 조립체의 직경의 1/3의 반경에서의 후방 경사각은 대략 15도인
    기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하는 방법.
  23. 제16항에 있어서,
    상기 상위 블레이드 부분 및 상기 하위 블레이드 부분의 상기 주연 에지는 둥근 프로파일을 갖는
    기체 또는 액체를 액체 내로 혼합하는 방법.
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