KR20170107028A - 크랭크 기구를 구비한 프로세스 펌프 - Google Patents

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로젠크란츠 게오르그
리엘 토마스
헌케 크리스티안
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에스피엑스 플로우 테크놀로지 노더스테트 게엠베하
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Abstract

본 발명은 크랭크 기구(1) 및, 이 크랭크 기구(1) 둘레에서 시계방향 또는 반시계방향으로 볼 때, 제 1실린더, 제 2실린더 및 제 3실린더가 보이는 3개 이상의 실린더를 가지며, 크랭크 기구(1)는 수직 크랭크축 및 각 실린더용의 크로스헤드(7, 10, 13) 및 각각 크랭크축을 수용하기 위한 큰 커넥팅 로드 상단(8a, 11a)을 지닌 커넥팅 로드(8, 11, 14)를 각기 가지며, 크로스헤드(7, 10, 13)는 커넥팅 로드(8, 11, 14)를 통해 크랭크축에 기능적으로 연결되는 프로세스 펌프에 관한 것이다. 본 발명은 크랭크축이 제 1편심체 및 제 2편심체를 갖는 편심축(5)으로 형성되고, 제 1실린더의 커넥팅 로드(8)와 제 3실린더의 커넥팅 로드(14)는 제 1편심체 상에 배치되고, 제 2실린더의 커넥팅 로드(11)는 제 2편심체 상에 배치됨으로써, 제 1실린더의 커넥팅 로드(8)의 큰 커넥팅 로드 상단(8a) 및 제 3실린더의 커넥팅 로드(14)의 큰 커넥팅 로드 상단(14a)은 공통 중심축을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

크랭크 기구를 구비한 프로세스 펌프 {PROCESS PUMP WITH A CRANK MECHANISM}
본 발명은 크랭크 기구를 구비한 프로세스 펌프에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 커넥팅 로드에 대한 연결 요소로서, 크로스헤드를 각기 갖는 다수의 실린더를 구비하며, 크로스헤드는 커넥팅 로드를 통해 기능적으로 크랭크 축에 연결되는 프로세스 펌프에 관한 것이다.
일반적으로, 다수의 실린더를 구비한 그러한 프로세스 펌프는 높은 펌프 속도 및/또는 고압으로 펌핑하기 위해 채용한다. 그러한 프로세스 펌프가 지닌 한가지 문제는, 특히 멤브레인 펌프 헤드를 사용하는 경우, 펌프 헤드들은 구조상으로 서로 특정한 거리를 필요로 하므로, 비교적 큰 공간이 필요하다는 점이다. 프로세스 펌프는 고정된 스트로크 길이를 갖는 진동 양변위 펌프(oscillating positive displacement pump)임을 의미한다.
크랭크 기구를 구비한 공지의 프로세스 펌프에서, 실린더는 평행하게 직렬로 배치되며, 크랭크축을 따라 지지된다. 이 경우, 펌프 헤드에 대한 연결 영역에서 큰 실린더 거리는 크랭크축 상의 큰 베어링 스팬을 의미하기도 한다. 다수의 실린더 및 큰 펌프 헤드, 특히 멤브레인 펌프 헤드에서, 크랭크축은 그에 대응해서 길어야 한다. 차례로, 이는 특히, 안정성 및 굽힘 강도를 고려하여, 크랭크축의 특수한 특성을 필요로 한다. 때문에, 높은 공간이 필요한 점으로 인해, 생산 및 보관에 많은 비용이 발생한다.
이러한 문제를 해결하기 위해, EP 1 736 666 B1에는 실린더들이 서로 부채꼴 방식으로 배치됨으로써, 실린더들 간의 수직 오프셋이 매우 낮거나 수직 오프셋이 전혀 존재하지 않는 것이 제안되어 있다. 특히, EP 1 736 666 B1에는 크랭크축 둘레의 사분면에 걸쳐서 3개의 실린더가 분배되고, 이들 실린더는 서로에 대해 대략 커넥팅 로드의 두께만큼의 수직 오프셋을 갖는 것이 제안되어 있다. 또한, EP 1 736 666 B1에는 크랭크형 커넥팅 로드를 사용함으로써, 모든 실린더가 크랭크축에 수직인 평면에 놓이는 것이 제안되어 있다. 이러한 실린더의 배치에 의해서, 그러한 크랭크 기구를 갖는 펌프에 대한 공간 필요조건이 크게 줄어들 수 있음과 동시에, 생산 비용도 크게 감소될 수 있다.
그러한 프로세스 펌프는 본질적으로 펌핑 유체 내에서 높은 질량 가속도를 발생시킴으로써, 프로세스와 관련된 이유로 인해, 균일한 펌프 특성을 목표로 한다. 다중 실린더 펌프에서, 이것은 생성된 총 펌프 속도, 즉 개별 실린더의 펌프 속도로부터 얻어지는 총 펌프 속도이다. 거의 균질한 총 펌프 속도는 펌프 드라이브의 토오크 특성을 비롯해, 특히 후속 부재, 즉 예를 들어 파이프 내의 압력 및 펌프 속도 변동에 유리하게 작용한다. 그러므로, 상기 해법으로 인해, 적절한 펌프 드라이브를 위한 비용이 감당할 수 있는 한계 내에서 유지될 수 있다. 동시에, 보다 작은 진동 댐퍼 또는 공명기를 사용할 수 있거나, 그들로부터 완전히 억제할 수도 있으므로, 파이프를 최적화하기 위한 적당한 정도의 절감에 의해, 비용 절감을 달성할 수도 있다.
EP 1 736 666 B1에 제안된 해법은 이미 소위 FPSO (Floating Production Storage & Offloading, 부유식 생산 저장 및 하역) 유닛에서, 즉 예를 들어 동시에 펌핑된 원유를 처리하고 임시 저장하는 시추선에서 채용하기에 매우 적절하다. 그러나, 이를 위해 사용하는 펌프에서, 단위 면적당 펌프 성능이 갈수록 더 많이 요구된다. 특히, 초대형 펌프의 경우, 생성된 동적 자극은 특히 선박에서 문제가 될 수 있으므로, 이어서 가동 부품의 불균형은 특히 유해할 수 있다. 일례로, 진동에 의해 증가되는 피로 파괴에 대한 가능성을 언급할 수 있다.
WO 2013/116820 A1는 커넥팅 로드를 통해 캠축에 각기 연결된 4개의 실린더를 구비한 가스 압축 및 방출용 압축기를 나타낸다.
EP 1 736 666 A1에는 실린더 축과 적절하게 선택된 크랭크 쓰로우(crank throw) 간의 각도를 특수하게 일치시킴으로써, 실린더 진동의 균질한 위상 시프트를 가능케 하는 다수의 실린더를 구비한 펌프 드라이브가 도시되어 있다.
그러므로, 본 발명의 목적은 얻어지는 총 펌프 속도의 높은 균일성을 달성할 수 있음과 동시에, 불균형을 거의 회피하는 크랭크 기구를 구비한 프로세스 펌프를 제공하는데 있다.
상기 과제는 청구항 1에 따르는 프로세스 펌프에 의해 해결된다. 유리한 개발은 종속항에 기재되어 있다.
본 발명에 따르는 프로세스 펌프는 크랭크 기구 및 3개 이상의 실린더를 갖는다. 크랭크 기구 둘레에서 볼 때, 실린더는 제 1실린더, 제 2 실린더, 및 제 3실린더를 나타낸다. 크랭크 기구는 크랭크축 및 각 실린더용의 크로스헤드 및 각각 크랭크축을 수용하기 위한 큰 커넥팅 로드 상단을 지닌 커넥팅 로드를 각기 갖는다. 크로스헤드는 커넥팅 로드를 통해 크랭크축에 기능적으로 연결된다.
처음에 언급한 종래기술에 비해 본 발명에 따르는 프로세스 펌프는, 크랭크축이 제 1편심체 및 제 2편심체를 갖는 편심축으로 형성되고, 제 1실린더의 커넥팅 로드와 제 3실린더의 커넥팅 로드는 제 1편심체 상에 배치되고, 제 2실린더의 커넥팅 로드는 제 2편심체 상에 배치됨으로써, 제 1실린더의 커넥팅 로드의 큰 커넥팅 로드 상단 및 제 3실린더의 커넥팅 로드의 큰 커넥팅 로드 상단은 공통 중심축을 갖는 것을 특징으로 한다. 다시 말해서, 제 2실린더의 커넥팅 로드의 큰 커넥팅 로드 상단은 제 2편심체 상에서 지지되며, 제 1 및 제 3실린더의 커넥팅 로드의 큰 커넥팅 로드 상단은 제 1편심체 상에서 지지됨으로써, 제 1 및 제 3실린더의 커넥팅 로드의 큰 커넥팅 로드 상단은 공통 중심축을 중심으로 회동될 수 있다.
이러한 배치는 대형 프로세스 펌프에서 상응하게 높은 펌프 성능 및 상응하게 높은 압력으로, 균일한 펌프 속도가 달성되며, 가동 부품의 불균형으로 인해 발생하는 진동이 종래 기술에서 알려진 해법에 비해 현저하게 줄어든다. 그러므로, 본 발명에 따르는 프로세스 펌프는 가능하다면 생성된 진동을 없애거나 최소화하기 위해 비교적 작은 균형추(balancing mass)만 필요로 한다. 따라서, 그러한 프로세스 펌프는 FPSO 유닛 상에서 채용하기에 특히 적절하며, 이 분야에서 증가된 필요조건을 고려한다.
본 발명에 따르는 프로세스 펌프의 추가적인 장점은 사용한 부품을 표준화할 수 있는 점에서 볼 수 있다. 이러한 식으로, 드라이브 트레인을 제외하고, 예를 들어 편심축, 커넥팅 로드, 및 크로스헤드 같은 크랭크 기구의 거의 모든 부품은 채용한 펌프 헤드와 독립적이며, 따라서 특수한 개조를 만들 필요가 없다. 변경하지 않는 방식으로 크랭크 기구는 단동 및 복동식 펌프 헤드 모두에서 사용할 수 있다. 이는 개별 구성요소의 필수적인 개수가 다수의 상이한 유형의 펌프에 적절하므로, 본 발명에 따르는 프로세스 펌프에서 상당한 비용 절감을 가져온다.
바람직하게는, 프로세스 펌프는 정확히 3개의 실린더를 갖는다. 이러한 식으로, 불균형의 절감과 동시에 특히 간단한 구성을 달성할 수 있다.
적절하게는, 프로세스 펌프는 제 1실린더-제 3실린더-제 2실린더의 제어 시퀀스를 갖는다. 본 명세서에서, 인접한 실린더의 축들이 서로에 대해 60 °의 각도 오프셋을 갖는 경우도 유리하다. 그러므로, 3개의 실린더인 경우, 120 °의 배치를 가져오며, 다시 말해, 서로 가장 멀리 떨어져 있는 2개의 실린더의 축들 간의 최대 각도는 120°이다. 여기서, 실린더의 축은 크랭크축의 회전축 또는 편심축으로부터 거의 수직으로 연장되는 실린더의 중심축을 의미한다. 특히, 편심축의 2개의 편심이 서로에 대해 180°의 오프셋이면, 이 배치는 각 실린더의 개별 펌프 속도에서 120°의 최적 위상 오프셋이 형성됨으로써, 매우 균질하게 얻어지는 총 펌프 속도가 형성되므로, 유리하다. 여기서, 축들 간의 각도 또는 각도 오프셋은 각각, 이들을 결정하기 위해, 축들이 편심축의 회전축에 대해 수직으로 배치된 공통 평면 상으로 돌출됨으로써, 편심축을 따르는 가능한 높이 오프셋이 무시되는 것으로 이해해야 한다.
여기서, 제 1실린더의 축과 제 3실린더의 축 간의 각도 오프셋이 120°인 경우가 바람직하다. 그러므로, 제 1실린더-제 3실린더-제 2실린더의 제어 시퀀스의 경우, 중간 실린더는 가장 낮은 위치에 배치될 수 있으며, 따라서 전술한 장점에 추가하여, 특히 콤팩트하고 공간 절약적인 크랭크 기구, 및 그로 인해 상응하는 프로세스 펌프를 실현할 수 있다.
바람직하게는, 2개의 편심체 중 적어도 하나, 바람직하게는 2개 모두는 편심 디스크로서 형성된다. 편심 디스크는 작동 중에 이들이 크랭크축 또는 편심축 내에서 양호한 힘의 분배를 가능케 함으로써, 영구적인 피로 파괴 등이 일어날 수 없는 장점을 갖는다.
또한, 제 1편심체 및 제 2편심체가 180°의 오프셋으로 편심축 상에 배치되는 것도 유리하다. 이러한 유형의 배치는 작동 중에 크랭크 기구의 불균형을 줄여서, 개별 실린더의 얻어지는 부분 펌프 속도의 균일한 위상 오프셋을 가능케 하며, 추가로, 훨씬 더 콤팩트한 설계를 가능케 한다.
적절하게는, 커넥팅 로드는 커넥팅 로드 생크 및 크로스헤드와의 기능적인 연결을 위한 작은 커넥팅 로드 상단을 각기 가지며, 각각의 커넥팅 로드의 큰 커넥팅 로드 상단, 커넥팅 로드 생크, 및 작은 커넥팅 로드 상단은 원피스(one piece)로 형성된다. 이는 한편으로, 이들이 원피스로만 되어 있으므로, 커넥팅 로드를 좋은 가격으로 제조할 수 있는 장점을 갖는다. 다른 한편으로, 커넥팅 로드가 의도된 편심축 상의 지지면 상에서 미끄럼 이동만 해야 하므로, 보다 설치가 용이한 장점이 생긴다. 게다가, 분할형 커넥팅 로드와 대조적으로, 복동식 펌프 헤드의 원피스 커넥팅 로드는 작동 중에, 피로 파괴가 일어날 수 있는 연결 볼트가 끼워져 있지 않으므로 유리하다. 물론, 커넥팅 로드를 최적으로 지지하기 위해, 예를 들어 볼 또는 롤러 베어링, 또는 슬라이딩 베어링 같은 롤링 베어링인 상응하는 베어링 수단을 부가적으로 사용하는 것을 생각할 수 있다. 또한, 서로에 대한 커넥팅 로드의 축간 거리는 적절한 슬라이딩 디스크에 의해 조절할 수 있다.
추가의 개발에 있어서, 편심축은 원피스로서 형성된다. 편심축이 2개의 축 부품의 양적인 연결(positive connection)을 필요로 하지 않으므로, 원피스 편심축은 편심축 내에서 보다 우수한 힘의 분배를 가져오는 장점을 갖는다. 또한, 유지보수 목적을 위해, 크랭크 기구를 보다 용이하고 신속하게 장착하거나 분리할 수 있다. 결국, 이러한 식으로, 크랭크 기구 또는 프로세스 펌프는 제조에 큰 비용이 들지 않는다.
추가의 개발에 있어서, 편심축 상에는 균형추가 배치된다. 상기 균형추는 작동 중에 불균형, 따라서 진동 발생을 줄이거나 없애는 역할을 한다. 또한, 이러한 식으로, 편심축의 베어링의 마모도 줄일 수 있다. 여기서, 균형추가 작동 중에 X 방향 및 Y방향, 즉, 편심축의 회전축에 대해 수직으로 연장되는 방향으로 불균형 힘을 최대 50%까지 줄일 수 있음이 실험을 통해 밝혀졌다. 균형추는 편심축에 대해 반경방향 위치에서 톱니 시스템(tooth system) 등을 통해 설정할 수 있음을 생각할 수 있다. 균형추를 축방향으로 설정하기 위해, 적절한 클램핑 또는 고정 수단을 사용할 수 있다. 편심축의 축방향에서 보아, 균형추가 편심축의 일단 상에서 제 1실린더의 상류에 배열됨으로써, 전체 크랭크 기구를 분리하지 않고도 균형추에 관한 가능한 개조를 신속하고 용이하게 만들 수 있는 경우, 특히 유리하다.
본 발명에 따르는 프로세스 펌프가 필요조건에 따라서 단동식 또는 복동식 펌프 헤드로서 형성될 수 있는 하나 이상의 펌프 헤드를 갖는 경우, 적절하다. 바람직하게는, 모든 실린더는 단동식 또는 복동식 펌프 헤드를 구비한다. 복동식 펌프 헤드에 비해 단동식 펌프 헤드는 필요로 하는 공간이 어느 정도 작다는 장점을 갖는다. 그러므로, 이들 펌프 헤드는 프로세스 펌프에 대한 설정 조건이 비좁은 경우에 특히 적절하다. 복동식 펌프 헤드는 이들이 피스톤 로드의 양쪽 이동 방향으로 펌프 작동을 생성하므로, 이들이 2배의 펌프 속도를 가능케 하는 장점을 갖는다.
바람직하게는, 하나 이상의 펌프 헤드가 멤브레인 펌프 헤드로서 형성된다. 그러나, 피스톤 펌프 헤드를 사용하는 것도 생각할 수 있다. 피스톤 헤드 펌프 역시 단동식 또는 복동식으로 설계할 수 있다. 특히, 멤브레인 펌프 헤드는 펌핑 유체가 대기에 대해 기밀적으로 밀봉되며, 따라서 펌핑 액체와 주변환경 또는 펌프 드라이브 부품과의 접촉을 방지하는 장점을 갖는다. 복동식 펌프 헤드, 특히 복동식 멤브레인 펌프 헤드를 사용하는 경우, 동시에 큰 총 펌프 속도를 달성할 수 있다.
이하 도면에 도시된 실시예의 도움으로 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 복동식 펌프 헤드를 구비한 본 발명에 따르는 프로세스 펌프를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 프로세스 펌프의 일부를 통해 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따르는 크랭크 기구를 구비한 프로세스 펌프와, 각 커넥팅 로드 및 크로스헤드를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시한 크랭크 기구를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 5는 도 3에 도시된 크랭크 기구를 통해 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따르는 크랭크 기구의 편심축을 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 7은 복동식 펌프 헤드를 구비한 본 발명에 따르는 프로세스 펌프의 원리를 개략적으로 나타내는 개략도이다.
도 8은 도 7에 도시한 원리에 대한 펌프 속도를 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 9는 단동식 펌프 헤드를 구비한 본 발명에 따르는 프로세스 펌프의 원리를 개략적으로 나타내는 개략도이다.
도 10은 도 9에 도시한 원리에 대한 펌프 속도를 개략적으로 나타내는 그래프이다.
본 발명에 따르는 프로세스 펌프(100)가 도 1에 도시되어 있다. 프로세스 펌프(100)는 시계방향 또는 반시계방향에서 보았을 때, 제 1실린더(2)(도 1에서 가장 후방의 실린더), 제 2실린더(3)(도 1에서 중간 실린더) 및 제 3실린더(4)(도 1에서 전방 실린더)로 나타내는 3개의 실린더(2, 3, 4)를 갖는다. 이하에서, “제 1”, “제 2” “제 3” 등으로 지정된 부재는 상응하는 실린더(2, 3, 4)에 할당되는 것을 의미한다.
또한, 흡인 또는 분배 라인으로 이어지는 파이프가 장착되는 2개의 펌프 덮개(106)를 각기 갖는 실린더(2, 3, 4)에 추가하여, 프로세스 펌프(100)는 복동식 펌프 헤드(102, 103, 104)를 갖는 것이 도 1에 나타나 있다. 또한, 프로세스 펌프(100)는 드라이브(101) (가령, 편심 모터(101a) 및 감속기어(101b))와 케이싱(105)을 갖는다.
케이싱(105)(드라이브(101)는 없음)을 통한 단면이 도 2에 도시되어 있다. 프로세스 펌프(100)의 장착 및 작동 상태에서 크랭크 기구(1)가 케이싱(105) 내에 지지되는 방법이 나타나 있다. 이제, 이하에서는 그의 상세부분과 함께 크랭크 기구(1)를 보다 상세하게 설명한다.
도 3 내지 5에서, 본 발명에 따르는 크랭크 기구(1)는 상이한 시야 및 단면으로 각기 도시되어 있다. 크랭크 기구(1)는 3개의 실린더(2, 3, 4)로 구동되는 편심축(5)으로서 형성된 원피스 크랭크축을 갖는다. 도 4에서 실린더(2, 3, 4)는 점선 박스로 표시되어 있다. 실린더(2, 3, 4)는 크로스헤드(7, 10, 13)를 통해 각각 원피스 커넥팅 로드(8, 11, 14)에 각기 연결되는 피스톤 로드(6a, 9a, 12a)(도 7 및 도 9 참조)를 구비한 피스톤(6, 9, 12)을 각각 갖는다. 회동하는 커넥팅 로드(8, 11, 14)가 직선으로만 이동할 수 있는 피스톤(6, 9, 12)과 크로스헤드(7, 10, 13)를 통해서 연결됨으로써, 편심축(5)의 초기 회전 운동은 피스톤(6, 9, 12)의 직선 운동을 가져온다. 도 3 내지 5에서 잘 볼 수 있는 바와 같이, 커넥팅 로드(8, 11, 14) 및 수반되는 크로스헤드(7, 10, 13)는 각각 동일하게 구성되어 있다.
다시 말해, 크랭크 기구(1) 또는 편심축(5) 둘레에서, 즉 편심축(5)의 중심 또는 회전축(19)을 따라 시계방향 또는 반시계방향에서 보았을 때, 제 1크로스헤드(7) 및 제 1커넥팅 로드(8)를 통해서 편심축(5)에 기능적으로 연결되는 제 1피스톤(6)을 갖는 제 1실린더(2)가 있다. 이 실린더 다음에는 시계방향 또는 반시계방향에서 보았을 때, 제 2크로스헤드(10) 및 제 2커넥팅 로드(11)를 통해 역시 편심축(5)에 기능적으로 연결되는 제 2피스톤(9)을 갖는 제 2실린더(3)가 이어진다. 다음에, 시계방향 또는 반시계방향에서 보았을 때, 이 실린더 다음에는 제 3크로스헤드(13) 및 제 3커넥팅 로드(14)를 통해 역시 편심축(5)에 기능적으로 연결되는 제 3피스톤(12)을 갖는 제 3실린더(4)가 이어진다.
커넥팅 로드(8, 11, 14)는 큰 커넥팅 로드 상단(8a, 11a, 14a), 커넥팅 로드 생크(8b, 11b, 14b), 및 각각의 크로스헤드(7, 9, 11)가 볼트(25)에 의해 배치되는 작은 커넥팅 로드 상단(8c, 11c, 14c)을 각기 갖는다. 예를 들어, 이것은 도 2 내지 도 5에 따르는 단면도로부터 명백하며, 여기서는 제 2실린더(3)에 대한 배열만 도시되어 있으나, 제 1실린더(2) 및 제 3실린더(4)에 대해서도 동일하게 실현된다.
편심축(5)은 도 6에서 잘 볼 수 있는 바와 같이, 제 1편심체(15) 및 제 2편심체(16)를 갖는다. 제 1편심체(15) 및 제 2편심체(16)는 180°의 오프셋으로 편심축(5) 상에 배치된다. 제 1편심체(15) 상에는 제 1커넥팅 로드(8)의 큰 커넥팅 로드 상단(8a), 및 제 3커넥팅 로드(14)의 큰 커넥팅 로드 상단(14a)이 지지되어 있다. 제 2편심체(16) 상에는 제 2커넥팅 로드(11)의 큰 커넥팅 로드 상단(11a)만 지지되어 있다. 예를 들어, 도 5로부터 명백한 바와 같이, 큰 커넥팅 로드 상단(8a, 11a, 14a)은 롤링 베어링을 통해(이 예에서는 원통형 롤링 베어링을 통해), 편심축(5) 상에, 그리고 제 1편심체(15) 또는 제 2편심체(16) 상에 각기 지지되어 있다. 슬라이딩 베어링의 사용도 생각할 수 있다.
특히 도 5로부터 상당히 명백한 바와 같이, 제 1실린더(2)의 커넥팅 로드(8)과 제 3실린더(4)의 커넥팅 로드(14) 간의 편심축(5)의 축간 거리는 작으며, 슬라이딩 디스크(26)에 의해서 생긴다.
본 발명에 따르면, 제 1편심체(15) 및 제 2편심체(16)는 편심축(5)의 중심 또는 회전축(19)으로부터 오프셋된 회전축(17, 18)을 각기 갖는다(가령, 도 5 또는 도 6 참조). 전술한 바와 같이, 제 1실린더(2) 및 제 3실린더(4)는 제 1편심체(15)에 의해 구동됨으로써, 제 1실린더(2)의 커넥팅 로드(8) 및 제 2실린더(4)의 커넥팅 로드(14)는 공통 중심축(17)을 갖는다.
본 발명에 따르면, 실린더(2, 3, 4)는 그들의 축(20, 21, 22)(가령 도 4 참조)이 서로에 대해 60°의 각도 오프셋으로 각기 있도록 서로에 대해 배치된다. 여기서, 제 1실린더(2)는 바로 인접한 제 2실린더(3)에 대해 60°의 각도 오프셋(W1-2)으로 있고, 제 3실린더(4) 역시 바로 인접한 제 2실린더(3)에 대해 60°의 각오 오프셋(W2-3)으로 있다. 이는 제 1실린더(2)와 제 3실린더(4) 사이에 합해서 120°의 각도 오프셋(W1-3)을 가져온다. 또한, 이는 편심축(5)이 1회전 실행된 경우, 다시 제어를 시작하기 전에, 먼저 제 1실린더(2)가 제어되고, 다음에 제 3실린더(4) 및 이어서 제 2실린더(3)가 제어되도록 실린더의 제어 시퀀스가 이루어지는 사실을 가져오기도 한다.
작동 중에 발생하는 불균형을 해결하기 위해, 크랭크 기구(1)는 편심축(5) 상에 배치된 균형추(24)를 갖는다. 도 2에 도시된 바와 같이, 균형추(24)를 수용하기 위해 편심축(5)은 축방향에서 보았을 때, 제 1실린더(2)의 상측에 톱니 시스템(23)을 갖는다. 도 2에 도시된 바와 같이, 균형추(24)는 이 톱니 시스템(23) 상에 놓일 수 있다. 크랭크 기구(1)가 설치된 상태에서, 균형추(24)는 예를 들어, 축방향 위치에서 편심축(5) 상의 균형추(24)가 상기 톱니 시스템(23) 상에 안착되도록 보증하기 위해, 반경방향으로 작용하는 체결요소를 구비한 슬롯형 단(slotted end)을 가질 수 있다. 또한, 편심축(5)의 톱니 시스템(23)을 통해서 크랭크 기구(1)가 구동될 수 있다.
도 2로부터 상당히 명백한 바와 같이, 크랭크 기구(1)는 원피스 편심축(5) 및 원피스 커넥팅 로드(8, 11, 14)로 인해 용이하게 설치가 가능하다. 이를 위해, 처음에는 제 2실린더(3)의 커넥팅 로드(11) 및 크로스헤드(10)가 장착된다. 다음에, 편심축(5)이 케이싱(105) 내에 설치되고, 이어서 제 3실린더(4)의 커넥팅 로드(14) 및 크로스헤드(13), 그리고 제 1실린더(2)의 커넥팅 로드(8) 및 크로스헤드(7), 마지막으로 균형추(24)가 장착될 수 있다. 다음에, 케이싱(105)이 폐쇄되며, 본 발명에 따르는 프로세스 펌프(100)의 나머지 구성요소가 장착된다.
본 발명에 따르는 프로세스 펌프(100)에 있어서, 복동식 펌프 헤드(102, 103, 104 (도 7 참조)) 또는 단동식 펌프 헤드(102a, 103a, 104a) (도 9 참조)를, 특히 멤브레인 펌프 헤드 형태의 펌프 헤드로서, 사용할 수 있다. 본 발명에 따르는 프로세스 펌프(100)의 장점은 크랭크 기구(1)를 변화시킬 필요 없이, 120°의 각각의 위상 오프셋으로 여전히 부분 펌프 속도가 달성되면서, 제 1실린더(2)-제 3실린더(4)-제 2실린더(3)의 제어 시퀀스로 단동식 펌프 헤드(102a, 103a, 104a)와 복동식 펌프 헤드(102, 103, 104) 모두를 사용할 수 있는 점이다. 복동식 펌프 헤드(102, 103, 104)와 상응하는 원리가 도 7에 개략적으로 도시되어 있고, 단동식 펌프 헤드(102a, 103a, 104a)와 상응하는 원리가 도 9에 도시되어 있다.
복동식 펌프 헤드(102, 103, 104)를 구비한 각 실린더(2, 3, 4)의 개별 펌프 속도 및 얻어지는 총 펌프 속도가 도 8에 도시되어 있다. 가로축에는 편심축(5)의 위치가 각도[°]로 주어져 있으며, 세로축에는 일반적으로 단위시간당 단위 양 또는 체적[m3/h]을 갖는 펌프 속도가 주어져 있다. 제 1실린더(2)의 펌프 속도는 실선으로 도시되어 있고, 제 2실린더(3)의 펌프 속도는 긴 점선으로 도시되어 있으며, 제 3실린더(4)의 펌프 속도는 짧은 점선으로 도시되어 있다. 개별 펌프 속도로부터 얻어지는 총 펌프 속도는 굵은 선으로 도시되어 있다. 여기서, 얻어지는 총 펌프 속도는 거의 균질한 것을 알 수 있다.
단동식 펌프 헤드(102a, 103a, 104a)를 구비한 각 실린더(2, 3, 4)의 개별 펌프 속도 및 얻어지는 총 펌프 속도가 도 10에 도시되어 있다. 도시는 도 8의 도시와 거의 동일하므로, 상기 설명을 참조하기로 한다. 또한, 단동식 펌프 헤드의 경우, 굵은 회색선으로서 이 화상에 도시되어 있는 얻어지는 총 펌프 속도는 매우 균질하며, 작은 변동만 갖고 있음을 알 수 있다.
1: 크랭크 기구
2: 제 1실린더
3: 제 2실린더
4: 제 3실린더
5: 편심축
6: 제 1실린더의 피스톤
6a: 피스톤 로드
7: 제 1실린더의 크로스헤드
8: 제 1실린더의 커넥팅 로드
8a: 큰 커넥팅 로드 상단
8b: 커넥팅 로드 생크
8c: 작은 커넥팅 로드 상단
9: 제 2실린더의 피스톤
9a: 피스톤 로드
10: 제 2실린더의 크로스헤드
11: 제 2실린더의 커넥팅 로드
11a: 큰 커넥팅 로드 상단
11b: 커넥팅 로드 생크
11c: 작은 커넥팅 로드 상단
12: 제 3실린더의 피스톤
12a: 피스톤 로드
13: 제 3실린더의 크로스헤드
14: 제 3실린더의 커넥팅 로드
14a: 큰 커넥팅 로드 상단
14b: 커넥팅 로드 생크
14c: 작은 커넥팅 로드 상단
15: 제 1편심체
16: 제 2편심체
17: 제 1 및 제 3실린더의 커넥팅 로드의 큰 커넥팅 로드 상단의 중심축/제 1편심체의 중심축
18: 제 2실린더의 커넥팅 로드의 큰 커넥팅 로드 상단의 중심축/제 2편심체의 중심축
19: 편심축의 중심 또는 회전축
20: 제 1실린더의 축
21: 제 2실린더의 축
22: 제 3실린더의 축
23: 톱니 시스템
24: 균형추
25: 볼트
26: 슬라이딩 디스크
100: 프로세스 펌프
101: 드라이브
101a: 전기 모터
101b: 감속기어
102: 제 1실린더의 펌프 헤드 (복동식)
102a: 제 1실린더의 펌프 헤드 (단동식)
103: 제 2실린더의 펌프 헤드 (복동식)
103a: 제 2실린더의 펌프 헤드 (단동식)
104: 제 3실린더의 펌프 헤드 (복동식)
104a: 제 3실린더의 펌프 헤드 (단동식)
105: 케이싱
106: 펌프 덮개
W1-2: 제 1실린더와 제 2실린더 간의 각도 오프셋
W2-3: 제 2실린더와 제 3실린더 간의 각도 오프셋
W1-3: 제 1실린더와 제 3실린더 간의 각도 오프셋

Claims (11)

  1. 크랭크 기구(1)와,
    상기 크랭크 기구(1) 둘레에서 보이는, 제 1실린더(2), 제 2실린더(3) 및 제 3실린더(4)에 해당하는 3개 이상의 실린더(2, 3, 4)를 구비하고,
    상기 크랭크 기구(1)는 크랭크축(1), 각 실린더(2, 3, 4)용 크로스헤드(7, 10, 13), 커넥팅 로드 (8, 11, 14)를 가지며,
    상기 커넥팅 로드(8, 11, 14) 각각은 크랭크축(1)을 수용하기 위한 큰 커넥팅 로드 상단(8a, 11a, 14a)을 가지며, 여기서 상기 크로스헤드(7, 10, 13)는 상기 커넥팅 로드(8, 11, 14)를 통해 상기 크랭크축에 기능적으로 연결되는 프로세스 펌프(100)에 있어서,
    상기 크랭크축은 제 1편심체(15) 및 제 2편심체(16)를 갖는 편심축(5)으로 형성되고,
    상기 제 1실린더(2)의 커넥팅 로드(8)와 상기 제 3실린더(4)의 커넥팅 로드(14)는 상기 제 1편심체(15) 상에 배치되어,
    상기 제 2실린더(3)의 커넥팅 로드(11)는 상기 제 2편심체(16) 상에 배치됨으로써,
    상기 제 1실린더(2)의 커넥팅 로드(8)의 큰 커넥팅 로드 상단(8a) 및 상기 제 3실린더(4)의 커넥팅 로드(14)의 큰 커넥팅 로드 상단(14a)은 공통 중심축(17)을 가지며,
    상기 크랭크 기구(1)는 제 1실린더(2)-제 3실린더(4)-제 2실린더(3)의 제어 시퀀스를 갖는 것을 특징으로 프로세스 펌프(100).
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 크랭크 기구(1)는 3개의 실린더(2, 3, 4)를 갖는 것을 특징으로 하는 프로세스 펌프(100).
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    인접한 실린더(2, 3, 4)의 축(20, 21, 22)들이 서로에 대해 60 °의 각도 오프셋(W1-2, W2-3)을 갖는 것을 특징으로 하는 프로세스 펌프(100).
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1실린더(2)의 축(20)과 상기 제 3실린더(4)의 축(22) 간의 각도 오프셋(W1-3)은 120°인 것을 특징으로 하는 프로세스 펌프(100).
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2개의 편심체(15, 16)들 중 적어도 하나는 편심 디스크로서 형성되는 것을 특징으로 하는 프로세스 펌프(100).
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1편심체(15) 및 제 2편심체(16)는 180°의 오프셋으로 편심축(5)상에 배치되는 것을 특징으로 하는 프로세스 펌프(100).
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커넥팅 로드(8, 11, 14)는 커넥팅 로드 생크(8b, 11b, 14b) 및 상기 크로스헤드(7, 10, 13)와의 기능적인 연결을 위한 작은 커넥팅 로드 상단(8c, 11c, 14c)을 각기 가지며,
    상기 큰 커넥팅 로드 상단(8a, 11a, 14a), 커넥팅 로드 생크(8b, 11b, 14b), 및 작은 커넥팅 로드 상단(8c, 11c, 14c)은 원피스(one piece)로 형성되는 것을 특징으로 하는 프로세스 펌프(100).
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 편심축(5)은 원피스로 형성되는 것을 특징으로 하는 프로세스 펌프(100).
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 편심축(5) 상에는 균형추(24)가 배치되는 것을 특징으로 하는 프로세스 펌프(100).
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로세스 펌프(100)는 단동식 펌프 헤드(102a, 103a, 104a) 또는 복동식 펌프 헤드(102, 103, 104)로서 형성된 하나 이상의 펌프 헤드를 갖는 것을 특징으로 하는 프로세스 펌프(100).
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 하나 이상의 펌프 헤드(102, 102a, 103, 103a, 104, 104a)는 멤브레인 펌프 헤드로서 형성되는 것을 특징으로 하는 프로세스 펌프(100).
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