KR20140053694A - Pump impeller - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 펌프 임펠러에 관한 것으로서, 특히 슬러리의 이송시에 막힘 현상이 최소화되고 비속도 변화에도 효율적인 운전이 가능하도록 하는 펌프 임펠러에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
최근 심각해지는 환경오염 문제를 해결하기 위해 폐수 방류의 수질기준을 점차 강화하고 있으며, 이에 대응하여 산업체에서도 적은 비용으로 폐수를 완벽하게 처리할 수 있는 오염 방지기술을 확보하고자 많은 연구개발에 투자를 하고 있다.In order to solve the environmental pollution problem that has recently become serious, the water quality standard of wastewater discharge is gradually strengthened. In response to this, industry also invests in research and development to secure pollution prevention technology that can treat wastewater at low cost have.
고농도의 공장 폐수나 축산 폐수의 정화를 위해 현재 사용되고 있는 통상의 기술은 막 분리 기술로 초기 개발시에 비해 막의 성능과 함께 펌프를 포함한 주요부품의 성능이 향상됨으로 현재는 다양한 형태로 폭넓게 사용되고 있다.Conventional technologies that are currently used to purify high-concentration plant wastewater and livestock wastewater are membrane separation technology, which improves the performance of major components including pumps as well as membrane performance at the time of initial development, and is now widely used in various forms.
고농도 폐수처리 공정에서 가장 중요한 역할을 하는 부품 중 하나가 재순환 펌프이며, 순환 펌프의 소비전력이 전체 시스템의 전력 소모율을 지배한다. 또한, 폐수처리 공정에서 질소제거 공정은 기존의 유기물 공정에 비해 처리시설의 규모가 크고 복잡하며 많은 양의 폐수를 장시간 재순환해야 하므로 효율적인 재순환 펌프의 선정이 전체 시스템의 경제성 확보 및 효율 증대 측면에서 매우 중요하다.One of the most important components in the high concentration wastewater treatment process is the recycle pump, and the power consumption of the circulation pump dominates the power consumption of the entire system. In addition, the nitrogen removal process in the wastewater treatment process requires a large amount and a large amount of wastewater to be recirculated for a long time compared with the conventional organic material process, so that the selection of an efficient recycling pump is very important It is important.
이러한 분야에 통상적으로 50% 정도 효율의 원심펌프를 사용하고 있지만 고상의 입자가 포함된 액체를 수송해야 하는 슬러리 펌프의 특성으로 인해 펌프에 막힘 현상이 발생하는 빈도가 잦아 안정적인 펌핑작용이 어렵다는 문제점이 있다.Although a 50% efficiency centrifugal pump is typically used in these fields, the problem of clogging of the pump due to the characteristics of the slurry pump, which is required to transport liquid containing solid particles, is frequent and the stable pumping action is difficult have.
이에, 해당 기술분야에서는 막힘 현상을 최소화하면서 넓은 운전범위에서 펌핑 효율을 향상시킬 수 있는 펌프 임펠러의 개선이 필요하며, 이러한 개선을 위해 슬러리의 특성을 적절히 반영한 형태의 임펠러 설계의 중요성이 대두되고 있다.Therefore, in the related art, it is necessary to improve the pump impeller which can improve the pumping efficiency in a wide operation range while minimizing the clogging phenomenon. For this improvement, the importance of the impeller design that reflects the characteristics of the slurry appropriately has been raised .
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점 및 요구사항에 대응하여 제안된 것으로서, 슬러리의 이송시에 막힘 현상이 최소화되고 비속도 변화에도 효율적인 운전이 가능하도록 하는 펌프 임펠러를 제공하는데 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a pump impeller capable of minimizing clogging during slurry transportation and enabling efficient operation even when the velocity is varied.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 펌프 임펠러는,According to an aspect of the present invention, there is provided a pump impeller comprising:
중심부를 이루는 허브; 상기 허브에 형성되며 입구에서 피흡입물을 흡입하여 출구로 배출하도록 구성된 다수의 블레이드; 를 포함하고, 상기 블레이드의 비틀림 각도(β)는 하기의 수학식에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.A central hub; A plurality of blades formed in the hub and configured to draw in the inhaled material at the inlet and exit to the outlet; , And the twist angle (beta) of the blade is determined by the following equation.
(여기서, u는 원주 방향의 유속, vm는 축 방향의 평균 유속, v1u는 입구에서 유입되는 유속, v2u는 출구 유속의 접선성분 값이다.)(Where u is the circumferential velocity, v m is the axial average velocity, v 1u is the inlet velocity at the inlet, and v 2u is the tangential velocity component of the outlet velocity).
이때, 상기 펌프 임펠러의 입구에 직각으로 유입되는 경우 상기 u, vm, v1u 및 v2u는 각각 하기 수학식에 의해 계산된다.At this time, when flowing at a right angle to the inlet of the pump impeller, the u, v m, v 1u and 2u v is calculated by the following equation, respectively.
(여기서, Q는 유량, D는 임펠러의 직경, DO는 임펠러의 외경, Di는 임펠러의 내경, N은 임펠러의 회전수, H는 양정, η은 효율이다.)
(Wherein, Q is flow rate, D is the diameter of the impeller, D O is the outer diameter of the impeller, Di is the inner diameter of the impeller, N is the number of revolutions of the impeller, H is the head, η is the efficiency.)
이때, 상기 비틀림 각도(β)는 14°~ 30°범위이다.At this time, the twist angle beta is in the range of 14 to 30 degrees.
이때, 바람직하게는 상기 블레이드의 휘어짐 각도(α)는 40°~ 140° 범위이고, 길이(ㅣ)는 170㎜ ~ 250 ㎜ 범위이다.In this case, preferably, the warp angle? Of the blade ranges from 40 to 140, and the length ranges from 170 to 250 mm.
본 발명에서, 더 바람직하게는 상기 블레이드의 휘어짐 각도(α)는 110°, 비틀림 각도(β)는 20°, 그리고 길이(ㅣ)는 240 ㎜이다.
In the present invention, more preferably, the warping angle alpha of the blade is 110 deg., The twisting angle beta is 20 deg., And the length (l) is 240 mm.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 펌프 임펠러는,According to another aspect of the present invention, there is provided a pump impeller,
중심부를 이루는 허브; 상기 허브에 형성되며 입구에서 피흡입물을 흡입하여 출구로 배출하도록 구성된 다수의 블레이드; 를 포함하고, 상기 블레이드의 비틀림 각도(β)는 14°~ 30°범위이고, 휘어짐 각도(α)는 40°~ 140° 범위이고, 길이(ㅣ)는 170㎜ ~ 250 ㎜ 범위이다.A central hub; A plurality of blades formed in the hub and configured to draw in the inhaled material at the inlet and exit to the outlet; Wherein the twist angle beta of the blade is in a range of 14 to 30, the warp angle alpha is in a range of 40 to 140, and the length is in a range of 170 to 250 mm.
본 발명에 의하면 펌프 임펠러에 구현된 블레이드의 비틀림 각도(β)를 14~ 30°, 휘어짐 각도(α)를 40~ 140°, 길이(ㅣ)를 170~ 250 ㎜로 함으로써 펌프의 효율을 60% 이상, 특히 약 87% 가까이 구현할 수 있으므로 종래의 50% 정도인 원심펌프에 비해 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있다.According to the present invention, the efficiency of the pump is reduced to 60% by setting the twist angle (β) of the blade implemented in the pump impeller to 14 to 30 °, the deflection angle (α) to 40 to 140 °, and the length (ㅣ) to 170 to 250 mm. Or more, especially about 87%. Therefore, the efficiency can be remarkably improved as compared with the conventional centrifugal pump of about 50%.
또한, 본 발명에 의하면 블레이드의 비틀림 각도, 휘어짐 각도, 길이 등을 상기와 같이 구현함으로써 슬러리의 이송시 막힘 현상이 최소화되고 낮은 비속도에서도 효율적인 운전이 가능하다는 효과가 있다.According to the present invention, the twist angle, the deflection angle, the length, and the like of the blade are realized as described above, thereby minimizing the clogging of the slurry during transportation and enabling efficient operation even at a low specific speed.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 펌프 임펠러의 형상을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 펌프 임펠러가 안내관에 설치된 상태를 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 펌프 임펠러의 치수설계를 위한 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 펌프 임펠러의 직경 변화에 따른 블레이드의 비틀림 각도 및 길이의 변화를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 3-D 형상 설계 프로그램을 이용한 블레이드의 형상설계 과정을 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 전산유동해석에 사용한 격자에 대하 도면.
도 7은 본 발명에 따른 블레이드의 비틀림 각도의 변화에 따른 펌프 임펠러의 형상 변화를 나타낸 도면.
도 8 내지 도 10은 본 발명에 따른 블레이드 비틀림 각도의 변화에 따른 펌프 임펠러 효율, 양정 및 축 동력에 미치는 영향을 나타낸 그래프.
도 11 내지 도 14는 본 발명에 따른 블레이드의 길이 변화에 따른 펌프 임펠러의 형상, 효율, 양정, 축 동력에 미치는 영향을 나타낸 그래프.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 블레이드의 비틀림 각도 및 길이의 변화에 따른 펌프의 효율, 양정 및 축 동력에 미치는 영향을 살펴보기 위해 3-D 모델을 사용하여 해석한 그래프.
도 16 내지 도 19는 본 발명에 따른 블레이드의 휘어짐 각도의 변화에 따른 펌프의 형상, 효율, 양정 및 축 동력에 미치는 영향을 나타낸 그래프. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a view showing the shape of a pump impeller according to an embodiment of the present invention. FIG.
Fig. 2 is a perspective view showing a state in which the pump impeller of the present invention is installed on a guide pipe; Fig.
3 is a sectional view for designing the dimensions of a pump impeller according to the present invention.
FIG. 4 is a graph showing changes in twist angle and length of a blade according to a change in diameter of a pump impeller according to the present invention. FIG.
5 is a view illustrating a shape design process of a blade using a 3-D shape design program according to the present invention.
6 is a view of a grid used in the computational flow analysis according to the present invention.
7 is a view showing a shape change of a pump impeller according to a change in twist angle of a blade according to the present invention.
8 to 10 are graphs showing influences on the pump impeller efficiency, head, and shaft power according to the change of the twist angle of the blade according to the present invention.
11 to 14 are graphs showing influences on the shape, efficiency, heading, and axial force of the pump impeller according to the length of the blades according to the present invention.
FIG. 15 is a graph obtained by using a 3-D model in order to examine the influence of the twist angle and length of the blade on the efficiency, head, and shaft power of the pump according to the embodiment of the present invention.
FIGS. 16 to 19 are graphs showing influences on the shape, efficiency, heading, and axial power of the pump according to the change of the warp angle of the blade according to the present invention.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the following description, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 펌프 임펠러의 형상을 보인 도면이고, 도 2는 본 발명의 펌프 임펠러가 안내관에 설치된 상태를 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 펌프 임펠러의 치수설계를 위한 단면도이다.2 is a perspective view of a pump impeller according to an embodiment of the present invention installed on a guide pipe. FIG. 3 is a cross-sectional view of a pump according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, Sectional view for the dimensional design of the impeller.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 펌프 임펠러(100)는 안내관(10)에 삽입되어 모터(미도시)에 의해 회전되면서 입구(20)로부터 폐수와 같은 피흡입물을 흡입하여 출구(30)를 통해 배출되도록 구성된다. 본 발명의 펌프 임펠러(100)는 중심부에 해당되는 허브(110) 및 이러한 허브(110)에 형성되는 복수의 블레이드(120)를 구비한다.1 to 3, a
허브(110)는 형태에 제한은 없으나 바람직하게는 대략 원통형으로 구현된다. 이러한 허브(110)와 모터 사이에 연결되는 축(111)은 모터의 구동력을 허브(110)에 전달하여 펌프 임펠러(100)가 회전하도록 한다. 축(111)의 직경(d)은 사각 키 홈을 고려한 안정계수 1.72 값을 고려한다. 축(111)의 재료는 예컨대 SM30C-3의 경우 동하중이 작용하는 경우 허용 비틀림 응력 값이 205 kgf/㎠이므로 이 값을 사용하여 축((111)의 직경(d)을 결정할 경우 34㎜ 정도이므로 본 실시 예에서는 안정계수를 고려하여 40㎜로 결정한다. 또한, 허브(110)의 직경(dh)은 축(111)의 직경의 1.8배 이상으로 결정되며(dh≥1.8d), 본 실시 예에서는 80㎜로 결정한다.The
그리고, 블레이드(120)는 피 흡입물에 포함된 고형물의 크기에 따라 1개 이상으로 다양하게 구성할 수 있지만, 본 실시 예에서는 슬러리를 용이하게 펌핑할 수 있도록 3개의 동일한 블레이드(120)를 구비한 구조로 형성되어 있다. 이때, 3개의 블레이드(120)는 서로 120도의 각도로 균형있게 형성됨이 바람직하다.In this embodiment, the
이러한 구성으로 이루어진 펌프 임펠러(100)의 효율 극대화를 위해서는 펌프 임펠러(100)의 설계 시 흡입되는 폐수가 블레이드(120)의 팁을 지나면서 Vortex를 형성하지 않도록 슬러리 점도에 따른 적절한 입구형상뿐만 아니라 블레이드(120)의 프로파일을 설정하는 것이 매우 중요하다.In order to maximize the efficiency of the
이에, 본 실시 예에서는 먼저 펌프 임펠러(100)의 외경(D0)은 설계 포인트에서의 회전수(N)와 양정(H)으로부터 하기 수학식 1로부터 결정된다.Thus, in the present embodiment, the outer diameter D 0 of the
상기 수학식 1에서 Ku는 비속도(Ns)로부터 결정되는 값으로서, 본 실시 예에서는 Ns=4195를 사용할 경우 Ku=3.8의 값을 가지게 된다. 이로부터 수학식 1을 사용하여 계산한 펌프 임펠러(100)의 외경(D0)은 392㎜이며, 최종적으로 400㎜로 결정한다. 그리고, 펌프 임펠러(100)의 내경(Di)의 경우 비속도(Ns)에 따라 결정되는 하기 수학식 2의 v에 의해 결정되며, 본 실시 예(Ns=4195)에서는 v=0.2의 값을 가지므로 펌프 임펠러(100)의 내경(Di)은 0.2D0가 되어 80㎜로 결정된다. In the equation (1), Ku is a value determined from the specific speed (Ns), and in the present embodiment, Ku = 3.8 when Ns = 4195 is used. The outer diameter (D 0) of a
다음은 블레이드(120)의 길이(l)를 결정한다. Stepanoff가 제시한 실험 테이블을 이용하여 블레이드(120)의 개수(z)를 3개로 할 때 비속도(Ns)와 v 값을 사용하여 vane spacing(l/t, t:피치)로부터 일차적으로 기준 값을 결정한다. 본 실시 예의 경우 Ns=4195, v=0.2 이므로, 테이블로부터 하기 수학식 2의 vane spacing 값을 가지게 되며 최종적으로 블레이드(120)의 길이(l)는 블레이드(120)의 피치(t)를 사용하여(t=πD0/z = 420㎜), 아래와 같이 240㎜로 결정한다. 단, 블레이드(120)의 안지름 부분으로 가면서 vane spcing은 강성측면에서 1.3배 큰 값을 가지도록 설계하며 블레이드(120)의 외경에서 내경으로 이동하면서 선형적으로 1.3까지 증가하는 값으로 계산한 것이다.Next, the length l of the
다음으로 결정할 값은 블레이드(120)의 비틀림 각도(β)이다. 비틀림 각도(β)는 본 발명의 펌프 임펠러(100)를 설계함에 있어 매우 중요하다. 이러한 블레이드(120)의 비틀림 각도(β)는 블레이드의 형상에 영향을 받게 되는데, 본 실시 예에서는 하기 수학식 4로부터 결정된다.The value to be determined next is the twist angle (?) Of the
상기 수학식들에서 축 방향의 평균유속(vm)은 유량(Q)과 펌프 임펠러(100)의 내,외경 값(DO,Di)을 사용하면 2.56m/sec의 값을 얻을 수 있다. 그리고 원주방향의 속도(u)는 계산하려는 위치의 직경(D)에 따라 달라지며, 회전수(N)와 임펠러(100)의 외경(D)를 사용하여 계산할 수 있다. 또한, 입구(20)에서 유입되는 유속이 직각으로 유입된다고 가정하게 되면 v1u=0의 값을 가지게 되며, 출구(30) 유속의 접선성분 값(v2u)은 수학식 7로부터 계산할 수 있다(효율 η=90% 사용).
In the above equations, the axial average velocity vm can be 2.56 m / sec when the flow Q and the inner and outer diameters D o and Di of the
도 4는 본 발명에 따른 펌프 임펠러의 직경 변화에 따른 블레이드의 비틀림 각도 및 블레이드 길이의 변화를 도시한 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing changes in blade twist angle and blade length according to the diameter change of the pump impeller according to the present invention.
도 4를 참조하면, 상기 수학식 4 내지 수학식 7에서 구한 펌프 임펠러(100)의 직경(D)의 경우 블레이드(120)의 비틀림 각도(β)는 외경(D0)에서는 12.5의 값을 가지고 직경(D)이 줄어들면서 비틀림 각도(β)는 증가하여 최종적으로 내경(Di)에서는 62.9의 값을 가지게 된다. 반대로, 임펠러(100)의 직경(D)과 블레이드(120)의 길이(l)는 실질적으로 비례하는 관계가 있다. 이러한 결과에서 알 수 있듯이, 외경에 따라 블레이드(12)의 길이(l) 및 비틀림 각도(β)가 변하게 되므로 이러한 모든 값을 반영하는 3차원 블레이드(120)의 형상을 구현하는 것이 기하학적으로 쉬운 방법이 아니다. 4, the twist angle β of the
본 실시 예에서는 3차원 유동해석을 통하여 블레이드(12)의 비틀림 각도(β), 블레이드(120)의 길이(l), 그리고, 블레이드(120)의 휘어짐 각도(α)가 펌프의 성능에 미치는 영향을 해석하여 이로부터 최종적으로 형상을 결정한다. 이하에서 이를 보다 구체적으로 설명한다.
In the present embodiment, the effect of the twist angle beta of the
1) 3차원 전산유동해석 범위1) Three-dimensional computational flow analysis range
본 실시 예에 따른 펌프 임펠러(100)의 기본적인 치수를 결정한 후 형상에 대한 상세설계는 3-D 형상 설계 프로그램(예컨대, ANSYS BladeGen 프로그램)과 3-D 유동해석 프로그램(예컨대, ANSYS CFX 프로그램)를 사용하여 수행하였다. 본 실시 예에 따른 펌프는 축류 펌프로서 블레이드(120)의 개수는 2~4개까지 설계가 가능하나, 본 실시 예에서는 12극 모터와 내구성 측면에서 직결체결을 고려하고 블레이드의 회전수 N=580rpm 값과 송출유량 값들을 고려하여 도 1 내지 도 3에서와 같이 3개의 블레이드(120)를 가진 펌프 임펠러(100)로 결정하였다.After determining the basic dimensions of the
본 실시 예에 따른 펌프 임펠러(100)의 설계는 요구되는 기본 조건 유량, 양정, 효율 등을 고려하여 이를 만족하는 기본적인 형상 치수를 정의하는 것으로부터 시작한다.
The design of the
도 5는 본 발명에 따른 3-D 형상 설계 프로그램을 이용한 블레이드의 형상설계 과정을 도시한 도면이다.5 is a view illustrating a shape design process of a blade using a 3-D shape design program according to the present invention.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 전용 3-D 형상 설계 프로그램(예:ANSYS BladeGen 프로그램)은 허브와 쉬라우드를 기준으로 하여 블레이드(120)의 길이(l)과 비틀림 각도(β)를 블레이드(120)의 직경에 따라 적절하게 입력할 경우 3차원의 펌프 임펠러(100)의 형상을 구현하도록 한다. 이러한 3차원 형상 설계 프로그램을 사용하여 해석하고자하는 변수 값을 바꾸어 가면서 그에 따른 블레이드(120)의 형상을 가진 펌프 임펠러(100)를 3-D 유동 해석에 앞서 3-D 솔리드(Solid) 모델링 하였다.Referring to FIG. 5, a dedicated 3-D shape design program (for example, ANSYS BladeGen program) according to the present invention calculates the length l of the
본 실시 예에서 펌프 임펠러(100)의 3차원 구성 및 3-D 계산에서 결정하고자 하는 주요 변수로서, 블레이드(120)의 3차원 형상을 구성하는 블레이드(120)의 길이(l)와, 비틀림 각도(β) 및 휘어짐 각도(α)는 펌프의 성능에 절대적인 영향을 미치는 중요 설계변수가 된다. 이들 설계변수는 앞에서 기술하였듯이 단순 계산을 통해 결정할 수 있는 주요 설계변수(D0,Di,z,i)와는 달리 3차원 유동 해석을 통해서만 결정할 수 있는 값들이다.
As a main parameter to be determined in the three-dimensional configuration and the 3-D calculation of the
2) 전산유동해석 방법2) Computational flow analysis method
도 6은 본 발명에 따른 전산유동해석에 사용한 격자의 모습을 도시한다.FIG. 6 shows a lattice used in the computational flow analysis according to the present invention.
도 6에서와 같이, 격자는 형상의 복잡성보다는 격자를 만드는데 소요되는 시간을 줄이기 위해(약 130개 이상의 3-D 모델에 대한 격자 생성 필요함) 사면체 격자를 주로 사용하였으며 벽면에는 계산의 정확성을 위해 8층의 프리즘 격자 층을 배치하였다. 그리고 계산시간을 고려하여 3개의 블레이드(120) 중 1개의 영역에 대해서만 해석을 수행하였으며, 전체적으로 약 80만 개의 요소로 구성하였다. 수치해석은 상용 해석 프로그램인 ANSYS CFX-12 프로그램을 사용하였으며, 작동유체는 시제품 제작 후 검증과정을 고려하여 물로 설정하였다. 전체적으로는 에너지 방정식을 제외한 연속방정식 및 운동량 방정식을 사용하였으며, 난류 모델은 k-e 모델을 채택하여 해석을 수행하였다. 해석 시 경계 조건으로는 입구(20) 측에서는 1bar의 압력을, 출구(30) 측에서는 18.5㎥/min의 유량 값을 사용하였으며, 해석은 580 rpm 조건에서 수행하였다. 그리고 해석은 펌프 임펠러(100)에 대해 회전 좌표계를 설정하여 해석하는 RFR(Reference Frame Rotation) 방식을 사용하였으며, 입구(20) 및 출구(30) 부분은 반대방향으로 회전하는 회전벽(Counting-Rotating Wall)으로 경계조건을 주어 해석을 수행하였다.
As shown in FIG. 6, a tetrahedral grid is mainly used to reduce the time required for forming a grid (more than 130 grid is required for 3-D model) rather than the complexity of the shape. On the wall, Layer prism lattice layer. Then, only one of the three
3) 3-D 전산 유동해석 결과3) Results of 3-D computerized flow analysis
도 7은 본 발명에 따른 블레이드의 비틀림 각도의 변화에 따른 펌프 임펠러의 형상 변화를 나타낸 도면이고, 도 8 내지 도 10은 본 발명에 따른 블레이드 비틀림 각도의 변화가 각각 펌프 임펠러의 효율(η), 양정(H) 및 축 동력(P)에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.FIG. 7 is a view showing a change in shape of a pump impeller according to a change in twist angle of a blade according to the present invention, and FIGS. 8 to 10 are diagrams showing changes in blade twist angle according to the present invention, (H) and the axial force (P).
먼저, 도 7에서와 같이, 펌프 임펠러(100)에서 블레이드(120)의 외경(D0=400㎜), 내경(Di=80㎜), 길이(l=240㎜), 휘어짐 각도(α=90도)는 일정하게 고정한 채, 비틀림 각도(β)를 14°, 20°, 30°로 각각 변경한 예를 도시하고 있다. 도 7에서 알 수 있듯이 블레이드(120)의 비틀림 각도(β)를 변경하게 되면 임펠러(100)에서 블레이드(120)의 비틀림 현상과 함께 축 방향 길이(la)도 함께 증가한다는 것을 알 수 있다. 해석은 유량(Q)을 18.5㎥/min으로 주었을 때, 비틀림 각도(β)의 값을 14°부터 2°씩 증가하여 30°까지 해석을 수행하였다. 또한, 비틀림 각도(β)를 변하여도 정면에서 바라본 형상은 동일하지만 비틀림 각도(β)가 증가함에 따라 블레이드(120)의 축 방향 길이(la)와 함께 회전방향 면적도 증가함을 알 수 있다.7, the outer diameter (D 0 = 400 mm), the inner diameter (Di = 80 mm), the length (l = 240 mm), the warp angle (? = 90 mm) of the
또한, 도 8 내지 도 10은 각각 블레이드 비틀림 각도(β) 변화에 따른 펌프 임펠러의 효율, 양정 및 축 동력이 미치는 영향을 나타낸 그래프로서, 도 8 내지 도 10을 살펴보면, 블레이드(120)의 비틀림 각도(β)가 증가하면 양정(H)의 경우는 비틀림 각도(β)와 함께 지속적으로 증가하지만 효율의 경우는 비틀림 각도(β)가 20°까지만 증가하며, 그 이상의 값에서는 오히려 감소하는 특성을 보임을 알 수 있다. 이러한 이유는 비록 블레이드(120)의 길이(l)은 일정하지만 비틀림 각도(β)가 증가함에 따라 블레이드(120)의 축 방향 길이(la)와 함께 회전방향 면적 또한 증가하게 되어 양정(H)과 축 동력(P)이 증가하기 때문이다.8 to 10 are graphs showing influences of the efficiency, the head, and the shaft power of the pump impeller according to the blade twist angle?, Respectively. Referring to FIGS. 8 to 10, the twist angle (β) increases continuously with the twist angle (β) in the case of head (H), but in the case of efficiency, the twist angle (β) increases only up to 20 °, . This is because even though the length l of the
그러나, 도 9 및 도 10을 살펴보면, 블레이드(120)의 비틀림 각도(β)가 증가함에 따른 양정의 증가에 비해 축력의 증가가 급하므로 효율의 경우는 비틀림 각도(β)가 20°에서 최대점을 가지게 된다는 것을 알 수 있다. 이러한 효율(η)은 하기 수학식 8과 같이 계산된다.9 and 10, as the twist angle β of the
γ는 가중치(specific weight), Q는 유량(flow rate), H는 양정(head), P는 축 동력(shaft power)이다.
γ is the specific weight, Q is the flow rate, H is the head, and P is the shaft power.
그리고, 비틀림 각도(β)가 20°에서 양정(H)은 1.34m, 축 동력(P)는 4.4kW 값을 가지므로 목표 값 H>0.5m, P<7kW에 부합되는 결과 값임을 알 수 있다.
It can be seen that the resultant value corresponds to the target value H > 0.5m and P < 7kW because the heading angle (H) is 1.34m and the axial force (P) is 4.4kW at twist angle? .
도 11 내지 도 14는 본 발명에 따른 블레이드의 길이 변화에 따른 펌프 임펠러의 형상, 효율, 양정, 축 동력에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.11 to 14 are graphs showing influences on the shape, efficiency, heading, and axial force of the pump impeller according to the length of the blades according to the present invention.
먼저, 도 11에서와 같이 펌프 임펠라(100)의 형상과 관련하여 블레이드(120)의 길이(l)이 증가하면 축 방향 길이(la)와 함께 블레이드(120)의 폭도 증가하는 형상을 가지게 된다. 또한, 도 12 내지 도 14는 블레이드(120)의 길이(l)를 170㎜부터 250㎜까지 10㎜씩 변화시켜 가면서 펌프의 효율, 양정 및 축 동력을 계산한 결과이다. 도면에서 알 수 있듯이, 블레이드(120)의 길이(l)가 증가하면 효율, 양정 및 축 동력 모두가 조금 증가하는 경향을 보여준다. 11, when the length l of the
그리고, 효율의 경우 240㎜에서 최대값을 가지며, 그 이상에서는 다시 감소하는 경향을 보여주고 있다. 이러한 결과로부터 설계변수 중 하나인 블레이드(120)의 길이(l)는 비틀림 각도(β)에 비해 상대적으로 민감도가 적다는 것을 알 수 있다.
In case of efficiency, it has the maximum value at 240 mm, and it shows a tendency to decrease again. From this result, it can be seen that the length l of the
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 블레이드의 비틀림 각도 및 길이의 변화에 따른 펌프의 효율, 양정 및 축 동력에 미치는 영향을 살펴보기 위해 3-D 모델을 사용하여 해석한 그래프이다.15 is a graph using a 3-D model to examine the effect of the blade on the efficiency, head, and axial force of the pump according to the twist angle and length of the blade according to the embodiment of the present invention.
도 15를 참조하면, 상술한 바와 같이 설계변수인 블레이드(120)의 길이(l)는 비틀림 각도(β)에 비해 효율(η) 측면에서는 상대적으로 민감도가 적으나 양정(H)과 축 동력(P) 측면에서는 비틀림 각도(β)가 큰 값을 가지는 영역에서는 중요하다는 것을 보여준다. 그리고, 모든 블레이드(120)의 길이(ㅣ) 값에 대해 축 동력이 양정에 비해 빠르게 증가하므로 이로 인해 효율 값은 비틀림 각도(β)가 20°일 때 최대 값을 가지게 된다는 것을 알 수 있다.
15, the length l of the
도 16 내지 도 19는 본 발명에 따른 블레이드의 휘어짐 각도의 변화에 따른 펌프의 형상, 효율, 양정 및 축 동력에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.FIGS. 16 to 19 are graphs showing influences on the shape, efficiency, heading, and axial force of the pump according to changes in the deflection angle of the blades according to the present invention.
도 16에서 블레이드(120)의 휘어짐 각도(α)가 증가하면 블레이드(120)의 회전방향(도면에서는 반시계 방향으로 회전함)으로 형상이 휘어지는 모습을 가지게 된다는 것을 알 수 있다. 축 방향 길이(la)와 함께 블레이드(120)의 폭도 증가하는 형상을 가지게 된다. 도 17 내지 도 19에서, 블레이드(120)의 휘어짐 각도(α)를 40°부터 10°씩 증가하여 140°까지 변화시켜 가면서 펌프의 효율, 양정 및 축 동력을 살펴본 결과를 보면, 블레이드(120)의 휘어짐 각도(α)가 증가하면 효율과 양정 그리고 축 동력 모두가 조금 증가하는 경향을 보여준다. 그리고 효율, 양정 및 축 동력 모두 휘어짐 각도(α)가 110°에서 최대 값을 가지면 그 이상에서는 감소하는 경향을 보여주고 있다. 이러한 결과로부터 설계변수 중 하나인 블레이드(120)의 휘어짐 각도(α)는 길이(l)보다는 펌프의 성능에 상대적으로 민감도가 크다는 것을 알 수 있다(해석 범위 내에서 약 11% 정도 변화됨).
16, when the warp angle? Of the
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시 예에 따른 펌프 임펠러(100)의 경우 종래에 약 50% 정도의 원심펌프보다 높은 효율을 갖기 위해서는 블레이드(120)의 비틀림 각도(β)는 14°~ 30°범위이고, 휘어짐 각도(α)는 40°~ 140° 범위이고, 길이(ㅣ)는 170㎜ ~ 250 ㎜ 범위이면 가능하다는 것을 알 수 있다. 효율을 80%로 높이고자 하는 경우에는 블레이드(120)의 비틀림 각도(β)는 17°~ 26°범위이고, 휘어짐 각도(α)는 50°~ 140° 범위이면 가능하다는 것을 알 수 있다. 특히, 본 실시 예에 따른 펌프 임펠러(100)에서 블레이드(120)의 휘어짐 각도(α), 비틀림 각도(β), 길이(ㅣ)가 각각 110°, 20°, 240㎜에서 최대의 효율을 가지게 됨을 알 수 있다. 그러나, 물을 운반하는 펌프의 경우 축 동력 문제로 인해 블레이드(120)의 휘어짐 각도(α)가 90°보다 작은 값을 많이 채택하므로, 본 실시 에에서는 휘어짐 각도(α)가 110°, 90°, 70°인 시제품을 만들었으며 이들에 대한 해석 성능은 하기 표 1과 같다.As described above, in the case of the
(목표 : 35%)Total Efficency
(Target: 35%)
(목표 : 0.5m)Head
(Target: 0.5m)
(목표 : 7kW)Shaft power
(Target: 7kW)
이상에서 설명한 본 발명은 바람직한 실시 예들을 통하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시 예들의 내용에 한정되는 것이 아님을 밝혀둔다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 비록 실시 예에 제시되지 않았지만 첨부된 청구항의 기재 범위 내에서 다양한 본 발명에 대한 모조나 개량이 가능하며, 이들 모두 본 발명의 기술적 범위에 속함은 너무나 자명하다 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. Those skilled in the art will appreciate that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the scope of the appended claims, The genius will be so self-evident. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
환경오염 문제를 해결하기 위해 고농도의 공장 폐수나 축산 폐수의 정화기술이 개발되고 있으며, 최근에 고농도 폐수처리 공정에서 가장 중요한 역할을 하는 부품 중 하나인 펌프의 효율성에 대한 요구가 있다. 이를 위하여 특히 펌프용 임펠러에 대한 설계는 중요한 요소이다.In order to solve the environmental pollution problem, purification technology of high concentration plant wastewater and livestock wastewater is being developed, and recently there is a demand for efficiency of the pump which is one of the most important parts in the high concentration wastewater treatment process. For this purpose, the design of the impeller for the pump is an important factor.
이러한 측면에서 볼 때, 본 발명에 따른 펌프 임펠러의 경우 효율 측면에서 기존의 원심펌프보다 훨씬 높은 효율을 보이기 때문에 폐수처리나 정화기술 등의 환경 관련 산업분야에서 매우 유용하게 이용될 수 있다.In this respect, the pump impeller according to the present invention exhibits a much higher efficiency than the conventional centrifugal pump in terms of efficiency, and thus can be very usefully used in environmental industry fields such as wastewater treatment and purification technology.
10 : 안내관 20 : 임펠러 입구
30 : 임펠러 출구 100 : 펌프 임펠러
110 : 허브 120 : 블레이드
α : 블레이드의 휘어짐 각도 β : 블레이드의 비틀림 각도10: guide tube 20: impeller inlet
30: impeller outlet 100: pump impeller
110: hub 120: blade
?: deflection angle of the blade?: deflection angle of the blade
Claims (7)
상기 허브에 형성되며 회전에 의해 입구에서 피흡입물을 흡입하여 출구로 배출하도록 구성된 다수의 블레이드; 를 포함하고,
상기 블레이드의 비틀림 각도(β)는 하기의 수학식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 펌프 임펠러.
(여기서, u는 원주 방향의 유속, vm는 축 방향의 평균 유속, v1u는 입구에서 유입되는 유속, v2u는 출구 유속의 접선성분 값이다.)A central hub;
A plurality of blades formed in the hub, the blades configured to draw in the inhaled material at the inlet by rotation and exit to the outlet; Lt; / RTI >
And the twist angle (beta) of the blade is determined by the following equation.
(Where u is the circumferential velocity, v m is the axial average velocity, v 1u is the inlet velocity at the inlet, and v 2u is the tangential velocity component of the outlet velocity).
상기 펌프 임펠러의 입구에 직각으로 유입되는 경우 상기 u, vm, v1u 및 v2u는 각각 하기 수학식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 펌프 임펠러.
(여기서, Q는 유량, D는 임펠러의 직경, DO는 임펠러의 외경, Di는 임펠러의 내경, N은 임펠러의 회전수, H는 양정, η은 효율이다.)The method according to claim 1,
When entering at a right angle to the inlet of the pump impeller, the u, v m, v 1u and 2u v are the pump impeller, characterized in that, calculated by the following equation, respectively.
(Wherein, Q is flow rate, D is the diameter of the impeller, D O is the outer diameter of the impeller, Di is the inner diameter of the impeller, N is the number of revolutions of the impeller, H is the head, η is the efficiency.)
상기 비틀림 각도(β)는 14°~ 30°범위인 것을 특징으로 하는 펌프 임펠러.The method according to claim 1,
Characterized in that the twist angle (beta) is in the range of 14 ° to 30 °.
상기 블레이드의 휘어짐 각도(α)는 40°~ 140° 범위이고, 길이(ㅣ)는 170㎜ ~ 250 ㎜ 범위인 것을 특징으로 하는 펌프 임펠러.The method of claim 3,
Wherein a deflection angle? Of the blade is in a range of 40 to 140, and a length is in a range of 170 to 250 mm.
상기 블레이드의 휘어짐 각도(α)는 110°, 비틀림 각도(β)는 20°, 그리고 길이(ㅣ)는 240 ㎜인 것을 특징으로 하는 펌프 임펠러.5. The method of claim 4,
Wherein the warping angle alpha of the blade is 110 deg., The twisting angle beta is 20 deg., And the length l is 240 mm.
상기 허브에 형성되며 회전에 의해 입구에서 피흡입물을 흡입하여 출구로 배출하도록 구성된 다수의 블레이드; 를 포함하고,
상기 블레이드의 비틀림 각도(β)는 14°~ 30°범위이고, 휘어짐 각도(α)는 40°~ 140° 범위이고, 길이(ㅣ)는 170㎜ ~ 250 ㎜ 범위인 것을 특징으로 하는 펌프 임펠러.A central hub;
A plurality of blades formed in the hub, the blades configured to draw in the inhaled material at the inlet by rotation and exit to the outlet; Lt; / RTI >
Wherein the blade twist angle beta is in the range of 14 to 30 and the warp angle alpha is in the range of 40 to 140 and the length is in the range of 170 to 250 mm.
상기 블레이드의 비틀림 각도(β)는 하기 수학식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 펌프 임펠러.
(여기서, u는 원주 방향의 유속, vm는 축 방향의 평균 유속, v1u는 입구에서 유입되는 유속, v2u는 출구 유속의 접선성분 값이다.)The method according to claim 6,
Wherein the twist angle (beta) of the blade is calculated by the following equation.
(Where u is the circumferential velocity, v m is the axial average velocity, v 1u is the inlet velocity at the inlet, and v 2u is the tangential velocity component of the outlet velocity).
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KR20160019630A (en) * | 2014-08-11 | 2016-02-22 | 한국생산기술연구원 | A counter-rotating type pump-turbine and a self generating system having the same and an optimal design method of a counter-rotating type pump-turbine |
CN108302062A (en) * | 2018-03-15 | 2018-07-20 | 中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司 | Dredging pump impeller structure and its design method suitable for different soil properties |
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