KR20140057549A - 축방향 추력을 발생시키는 양흡입 임펠러를 구비한 펌프 - Google Patents

축방향 추력을 발생시키는 양흡입 임펠러를 구비한 펌프 Download PDF

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Abstract

펌프 케이싱 및 펌프 케이싱 내부에서 샤프트 상에 배치되는 양흡입 임펠러를 특징으로 하는, 수직 양흡입 펌프를 비롯한 장치가 제공된다. 펌프 케이싱은 펌프 케이싱 벽을 갖는다. 양흡입 임펠러는 금속 림들을 구비한 상부 및 하부 시라우드들을 가지며, 이 금속 림들은 임펠러 배출구로부터 임펠러 입구로의 재순환 유동을 지연시키기 위해 양흡입 임펠러와 펌프 케이싱의 벽 사이에 상부 및 하부 격리 환체들을 형성하도록 구성된다. 격리 환체들은 2개의 시라우드들 상의 상이한 압력 분포를 생성하도록 구성되고, 그럼으로써 제어되고 의도된 축방향 추력 하중을 발생시킨다. 격리 환체들은 기하학적으로 상이할 수 있다.

Description

축방향 추력을 발생시키는 양흡입 임펠러를 구비한 펌프{Pump with double-suction impeller generating axial thrust}
[관련 출원에 대한 상호 참조]
본 출원은 전체적으로 참고로 포함된, 2011년 8월 11일자로 출원된 미국 특허 출원 제13/207,473호(대리인 관리번호: 911-002.043-1 (F-GI-1102US))에 대한 이익을 주장한다.
[기술 분야]
본 발명은 펌프 또는 펌핑 조립체, 기구(arrangement) 또는 조합체에 관한 것으로, 더 구체적으로는 예컨대 수직 양흡입 펌프(vertical double-suction pump)를 비롯한 그러한 펌프 또는 펌핑 조립체, 기구 또는 조합체에서 축방향 추력(axial thrust)을 제공하기 위한 신규한 기술에 관한 것이다.
편흡입(single-suction) 유형 임펠러(impeller)들은 그들의 회전축을 따른 방향으로 수압 추력 하중을 생성한다. 수직 현수형 펌프에서, 이들 축방향 추력 하중은 펌프 로터(rotor) 조립체의 저부에서 임펠러(들)로부터 펌프의 샤프트(shaft)를 통해 전달되고, 펌프의 상부에서 모터 내의 스러스트 베어링(thrust bearing)에 의해 흡수된다. 축방향 추력 하중은 2가지 이유로 수직 펌프들에서 유리하다:
1) 펌프 샤프트들에 장력으로 가해지는 축방향 추력 하중은 로터 시스템의 로터 동역학적 강성을 증가시킨다.
2) 펌프 샤프트들에 가해지는 축방향 추력 하중은 펌프 회전 요소들의 정지 요소들에 대한 내부 정렬을 개선시킨다.
전형적인 양흡입 유형 임펠러들은 수압력으로부터 축방향 추력 하중을 생성하지 못하는데, 그 이유는 임펠러의 중심선을 중심으로 한 그들의 대칭적인 기하학적 형상이 동일한 압력을 두 시라우드(shroud)들 모두에 작용하게 하기 때문이다. 그러므로, 전형적인 양흡입 임펠러들이 수직 현수형 펌프들에 사용될 때, 펌프 샤프트들에 대한 축방향 추력 하중의 이점들이 실현되지 않고, 이들 유형의 펌프들은 신뢰성의 부족을 겪는다.
전술된 것에 비추어, 수직 양흡입 펌프를 비롯한 산업용 펌프 또는 펌핑 조립체, 기구 또는 조합체에서 축방향 추력 하중을 실현하는 것과 관련된 문제점을 해결하는 개선된 설계 또는 기술을 대한, 오랫동안 절실한 필요성이 산업용 펌프 산업에 존재한다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 펌프 케이싱(pump casing) 및 펌프 케이싱 내부에서 샤프트 상에 배치되는 양흡입 임펠러를 특징으로 하는, 예를 들어 수직 양흡입 펌프를 비롯한 장치가 제공된다. 펌프 케이싱은 펌프 케이싱 벽을 갖는다. 양흡입 임펠러는 금속 림(rim)들을 구비한 상부 및 하부 시라우드(shroud)들을 가지며, 이 금속 림들은 임펠러 배출구로부터의 재순환 유동을 상부 및 하부 시라우드들에 작용할 수 있게 되도록 지연시키고 상부 및 하부 시라우드들 상의 차동적 수압으로부터 제어된 축방향 추력 하중을 생성하기 위해, 양흡입 임펠러와 펌프 케이싱의 펌프 케이싱 벽 사이에 상부 및 하부 격리 환체(annulus)들 또는 링(ring)들을 형성하도록 구성된다.
실제로, 본 발명은 임펠러 시라우드들에 작용하는 차동적 수압력으로부터 제어된 축방향 추력 하중을 생성하는 특수한 양흡입 유형 임펠러 설계를 제공한다. 양흡입 임펠러 설계의 상부 및 하부 시라우드들 상의 금속 림들 또는 링들은 양흡입 임펠러와 펌프 케이싱 벽 사이에 격리 환체들 또는 링들을 생성 또는 형성한다. 격리는 금속 림이 임펠러 배출구로부터의 재순환 유동을 상부 및 하부 임펠러 시라우드들에 작용할 수 있게 되도록 지연시키는 것의 결과로서 이루어진다. 상부 및 하부 격리 환체들 또는 링들은 임펠러의 상부 시라우드와 하부 시라우드 사이에서 기하학적으로 변동될 수 있고, 이는 임펠러 회전축에 평행한 방향으로 압력 차이를 생성한다. 따라서, 정상적으로는 회전축의 방향으로 실질적인 수압 추력 하중을 갖지 않는 양흡입 임펠러 설계에 대해 축방향 추력 하중이 생성된다.
이러한 혁신적인 양흡입 유형 임펠러 설계가 수직 현수형 펌프들에 사용될 때, 적어도 하기와 같은 이점들이 있다:
- 펌프 샤프트들에 장력으로 가해지는 축방향 추력 하중은 로터 시스템의 로터 동역학적 강성을 증가시키고, 그럼으로써 펌프 신뢰성을 개선시킨다.
- 펌프 샤프트들에 장력으로 가해지는 축방향 추력 하중은 펌프 로터와 케이싱의 내부 정렬을 개선시키고, 그럼으로써 베어링들 및 샤프트들의 마모 수명을 개선시킨다.
- 임펠러와 펌프 케이싱 벽 사이에 한 쌍의 격리 환체들을 통합하는 것은 펌프 내의 내부 누출을 감소시키고, 이는 체적 효율 및 전체 펌프 효율을 개선시킨다.
- 임펠러와 펌프 케이싱 벽 사이에 한 쌍의 격리 환체들을 통합하는 것은 펌프 케이싱 재순환으로부터의 2차 유동을 감쇠시키고, 그러한 유동을 임펠러의 시라우드들을 버피팅(buffeting)시키지 않게 격리시킨다. 이는 펌프 로터 시스템에 대한 바람직하지 않은 축방향 진동을 완화시킨다.
- 임펠러 상의 격리 환체들을 구성하는 금속 링은 임펠러 외경의 최소 트림 값(trim value)에 위치된다. 이는 임펠러가 본 발명의 이점들을 손상시키지 않고서 다양한 트림 직경들을 갖는 것을 허용한다.
도면은 반드시 축척대로 그려진 것은 아닌 하기의 도면들을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 유리한 추력을 갖는 수직 양흡입 펌프 형태의 장치의 부분 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 장치의 하부 부품의 부분 단면도.
도 3은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 양흡입 임펠러의 평면 사시도.
예시적인 실시예의 하기의 설명에서, 본 발명이 실시될 수 있는 실시예의 예시로서 도시되고 도면의 일부를 형성하는, 도면 중의 각 첨부 도면들을 참조하기로 한다. 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 구조적 및 작동적 변경이 이루어질 수 있으므로 다른 실시예들이 이용될 수 있음이 이해될 것이다.
도 1은 수직 양흡입 펌프의 형태인, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 도면부호 10으로 전반적으로 지시된 장치를 도시한다. 본 발명은 그러한 수직 양흡입 펌프와 관련하여 예로서 기술될 것이지만, 본 발명의 범주는 그 유형 또는 종류의 펌프, 펌핑 조립체, 기구 또는 조합체로 제한되도록 의도되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명이 현재 공지되거나 장래에 추후 개발되는 다른 유형 또는 종류의 펌프, 펌핑 조립체, 기구 또는 조합체로 구현되는 실시예들이 고려된다.
도 1 및 도 2에서, 수직 양흡입 펌프(10)는 펌프 케이싱(12) 및 펌프 케이싱 내부에서 샤프트(15) 상에 배치되는 양흡입 임펠러(14)(도 3 참조)를 포함한다. 펌프 케이싱(12)은 펌프 케이싱 벽(16)을 갖는다. 양흡입 임펠러(14)는 금속 림(22, 24)들을 구비한 상부 및 하부 시라우드(18, 20)들을 가지며, 이 금속 림들은 임펠러 배출구(120, 122)로부터의 재순환 유동(F)을 상부 및 하부 시라우드(18, 20)들에 작용할 수 있게 되도록 지연시키고 임펠러(14)의 위와 아래에 위치된 대응하는 격리된 섹션(30)들 내에서 양흡입 임펠러(14)의 상부 및 하부 시라우드(18, 20)들 상의 차동적 수압으로부터 제어된 축방향 추력 하중(LA)을 생성하기 위해, 양흡입 임펠러(14)와 펌프 케이싱(12)의 펌프 케이싱 벽(16) 사이에 상부 및 하부 격리 환체들을 형성하도록 구성된다. 격리된 섹션(30)들은 격리 환체(22, 24)들 및 펌프 마모 링(40, 42)들에 의해 확립된다.
작동 시에, 양흡입 임펠러(14)와 펌프 케이싱 벽(16) 사이의 격리 환체(22, 24)들의 쌍은 펌프(10) 내의 내부 누출을 감소시키고, 이는 체적 효율 및 전체 펌프 효율을 개선시키며, 또한 펌프 케이싱 재순환으로부터의 2차 유동을 감쇠시키고, 그러한 유동을 양흡입 임펠러(14)의 상부 및 하부 시라우드(18, 20)들을 버피팅시키지 않게 격리시킨다. 이는 장치(10)의 전체 펌프 로터 시스템에 대한 바람직하지 않은 축방향 진동을 완화시킨다.
일부 실시예들에 따르면, 상부 및 하부 격리 환체(22, 24)들은 또한 양흡입 임펠러(14)의 회전축(A)에 평행한 방향으로 압력 차이를 생성하도록 양흡입 임펠러(14)의 상부 시라우드(18)와 하부 시라우드(20) 사이에서 기하학적으로 변동될 수 있다.
상부 및 하부 격리 환체(22, 24)들은, 전형적으로 회전축(A)의 방향으로 수압 추력 하중을 실질적으로 갖지 않는 양흡입 임펠러(14) 상에 제어된 축방향 추력 하중(LA)을 생성하도록 구성될 수 있다.
상부 및 하부 격리 환체(22, 24)들은 샤프트(15)를 향해 적어도 부분적으로 연장하는, 상부 또는 하부 시라우드(18, 20)들을 따라 화살표(30)에 의해 전반적으로 지시된 격리된 섹션을 형성하도록 구성될 수 있다. (도 2에서, 상부 임펠러 시라우드(18)의 격리 섹션(30)은 화살표(30)에 의해 지정된 암흑선에 의해 식별되고, 하부 임펠러 시라우드(20)는 하부 격리 환체(24)에 의해 구성 및 형성된 유사한 격리 섹션을 갖는 것으로 이해된다.)
금속 림(22, 24)들은 예컨대 도 2에 도시된 바와 같이, 양흡입 임펠러(14)의 외경과 관련하여 최소 트림 값에 위치되도록 구성될 수 있다. 그러나, 본 발명의 범주는 도 2에 도시된 금속 림(22, 24)들의 특정 구성, 높이 또는 위치로 제한되도록 의도되는 것은 아니다. 예를 들어, 금속 림(22, 24)들이, 임펠러 배출구(120, 122)들에 더 근접한 외경에 더 가깝게 상부 및 하부 시라우드(18, 20)들 상에 있도록 구성되는 것을 비롯하여, 또는 샤프트(15)에 더 근접한 그의 내주연부에 더 가깝게 상부 및 하부 시라우드(18, 20)들 상에 있도록 구성되는 것을 비롯하여, 예컨대 도 2에 도시된 위치와 상이한 위치에서 상부 및 하부 시라우드(18, 20)들 상에 구성 또는 위치되는 실시예들이 고려된다. 금속 림(22, 24)들은 상부 및 하부 시라우드(18, 20)들 상의 특정 위치에 있도록, 그리고 임펠러 배출구(120, 122)로부터의 재순환 유동(F)을 상부 및 하부 시라우드(18, 20)들에 작용할 수 있게 되도록 지연시키고 상부 및 하부 시라우드(18, 20)들 상의 차동적 수압력으로부터 제어된 축방향 추력 하중(LA)을 생성하기에 충분한 높이를 갖고서 구성된다. 도시된 바와 같이, 금속 림(22, 24)들은 상부 또는 하부 시라우드(18, 20)들 둘레로 실질적으로 완전하게 연장하도록 구성된다.
더욱이, 예컨대 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 장치(10)는, 당업자에 의해 인식되는 바와 같이, 배출 파이핑 조립체(100), 모터 장착 조립체(115) 상에 배치되고 샤프트(15)에 결합되는 모터 조립체(110), 펌프 케이싱(12)과 배출 파이핑 조립체(100) 사이에 결합되는 임펠러 배출구(120, 122)들, 케이싱 조립체(125)와 샤프트(15) 사이에 배치되고 본 발명자들에 의한 다른 특허 출원의 일부를 형성하는, 화살표(130)에 의해 전반적으로 지시된 벨로우즈(bellows) 유형 기계적 페이스 밀봉(face sealing) 기구 등을 비롯한, 본 명세서에 기술된 근원적 발명의 일부를 형성하지 않아서 본 명세서에서 상세히 기술되지 않는 다른 요소들 또는 구성요소들을 또한 포함한다.
본 발명의 범주
본 명세서에서 달리 언급되지 않는다면, 본 명세서 내의 특정 실시예에 관해 기술된 특징들, 특성들, 대안예들 또는 수정들 중 임의의 것이 본 명세서에 기술된 임의의 다른 실시예와 함께 적용되거나 사용되거나 통합될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 본 명세서 내의 도면은 축척대로 그려지지 않았다.
본 발명이 본 발명의 예시적인 실시예들에 대해 기술되고 예시되었지만, 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 그 실시예들에서 그리고 그들에 대해 상기 및 다양한 다른 추가 및 생략이 이루어질 수 있다.

Claims (6)

  1. 수직 양흡입 펌프(vertical double-suction pump)(10)를 비롯한 장치(10)로서,
    펌프 케이싱 벽(pump casing wall)(11)을 갖는 펌프 케이싱(12); 및
    펌프 케이싱(12) 내부에서 샤프트(15) 상에 배치되고, 금속 림(rim)(22, 24)들을 구비한 상부 및 하부 시라우드(shroud)(18, 20)들을 갖는 양흡입 임펠러(impeller)(14)를 포함하며,
    상기 금속 림들은 임펠러 배출구로부터의 재순환 유동(F)을 상부 및 하부 시라우드(18, 20)들에 작용할 수 있게 되도록 지연시키고 상부 및 하부 시라우드(18, 20)들 상의 차동적 수압으로부터 제어된 축방향 추력 하중(axial thrust load)(LA)을 생성하기 위해, 양흡입 임펠러(14)와 펌프 케이싱(12)의 벽(11) 사이에 상부 및 하부 격리 환체(annulus)들을 형성하도록 구성되는, 장치(10).
  2. 제1항에 있어서,
    상부 및 하부 격리 환체들은 양흡입 임펠러(14)의 회전축에 평행한 방향으로 압력 차이를 생성하도록 양흡입 임펠러(14)의 상부 시라우드(18)와 하부 시라우드(20) 사이에서 기하학적으로 변동되는, 장치(10).
  3. 제2항에 있어서,
    상부 및 하부 격리 환체(24)들은, 전형적으로 회전축의 방향으로 실질적인 수압 추력 하중을 갖지 않는 양흡입 임펠러(14) 상에 제어된 축방향 추력 하중(LA)을 생성하도록 구성되는, 장치(10).
  4. 제1항에 있어서,
    금속 림(22, 24)들은 양흡입 임펠러(14)의 외경과 관련하여 최소 트림 값(minimum trim value)에 위치되도록 구성되는, 장치(10).
  5. 제1항에 있어서,
    상부 및 하부 격리 환체들 또는 링(ring)(22, 24)들은 샤프트(15)를 향해 적어도 부분적으로 연장하는 상부 또는 하부 시라우드(18, 20)들의 격리된 섹션(30)을 형성하도록 구성되는, 장치(10).
  6. 제1항에 있어서,
    금속 림(22, 24)들은 상부 또는 하부 시라우드(18, 20)들 둘레로 실질적으로 완전하게 연장하도록 구성되는, 장치(10).
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