KR20240016695A - 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 펌프 - Google Patents

설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 펌프 Download PDF

Info

Publication number
KR20240016695A
KR20240016695A KR1020220094765A KR20220094765A KR20240016695A KR 20240016695 A KR20240016695 A KR 20240016695A KR 1020220094765 A KR1020220094765 A KR 1020220094765A KR 20220094765 A KR20220094765 A KR 20220094765A KR 20240016695 A KR20240016695 A KR 20240016695A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
angle
impeller
design
shroud
centrifugal pump
Prior art date
Application number
KR1020220094765A
Other languages
English (en)
Inventor
김성
최영석
김진혁
마상범
Original Assignee
한국생산기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국생산기술연구원 filed Critical 한국생산기술연구원
Priority to KR1020220094765A priority Critical patent/KR20240016695A/ko
Publication of KR20240016695A publication Critical patent/KR20240016695A/ko

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/18—Rotors
    • F04D29/22—Rotors specially for centrifugal pumps
    • F04D29/24—Vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/426—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps especially adapted for liquid pumps
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/04—Constraint-based CAD
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/06—Multi-objective optimisation, e.g. Pareto optimisation using simulated annealing [SA], ant colony algorithms or genetic algorithms [GA]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

본 발명은 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 펌프에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법은 임펠러의 설계 사양을 결정하는 단계; 상기 임펠러의 비속도를 결정하는 단계; 상기 임펠러의 설계 변수를 결정하는 단계; 상기 임펠러의 최적 형상을 도출하는 단계; 및 상기 임펠러의 최적 형상과 미리 설정된 기준 임펠러를 비교하여 상기 비속도에 따른 상기 임펠러의 설계 변수의 경향성을 함수화하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 펌프{The design method of the blade angle distribution for centrifugal pump impeller with improved hydraulic performance and satisfying design specifications, impeller and pump by the method}
본 발명은 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 펌프에 관한 것이다.
펌프란 공기, 액체 등을 한쪽 구멍에서 흡입, 다른 쪽 구멍으로 밀어내거나 토출하도록 만든 기계이다. 그리고, 펌프는 크게 회전식과 용적형 펌프로 구분할 수 있다.
여기서, 회전식 펌프는 펌프 안의 회전날개나 프로펠러를 회전시켜 발생하는 원심력이나 추진력을 이용, 액체를 토출하는 펌프이다. 그리고, 회전식 펌프는 회전날개차의 원심력에 의해 액체가 밀려나면서 생긴 부압으로 액을 흡입한다. 연속적으로 액체를 흡입하여 밀어올리는 것이 가능하고 대량이송이 가능하지만, 출구측의 압력변동에 영향을 받기 쉽다.
그리고, 회전식 펌프는 원심펌프와 프로펠러펌프, 점성펌프, 회전식 용적 펌프 등으로 나뉜다. 펌프의 형상은 요구되는 사양에 따라 분류될 수 있다.
펌프 사양이 저유량 및 고압을 요구되면 원심 펌프로 설계하고, 고유량 및 저압을 요구되면 축류 펌프로 설계할 수 있다. 또한, 펌프 형상은 설계 사양의 유량, 양정, 회전수로 인해 비속도가 정의되며, 비속도 및 펌프 작동 특성에 따라 원심, 사류, 원심 타입으로 구분될 수 있다.
여기서, 원심 펌프는 고속으로　회전하는 임펠러에 의해 물에 전달되는　원심력을 이용하여　물을　양수하는 장치이다. 물은 임펠러 중앙에서 들어와 주변방향으로 나간다. 저유량, 고압의 송수용으로 축류 및 사류 펌프보다 비속도가 낮으며, 토출된 물은 임펠러에 의해 수직으로 흐르는 펌프이다.
이와 같은 종래의 원심 펌프에는 대한민국 등록특허 제10-0469567호 '역설계 기법을 이용한 저소음 임펠러 설계 방법'가 있다.
종래에는 요구되는 설계 사양에서 성능을 만족하는 펌프의 임펠러 형상을 도출하기 위해, 요구되는 설계 사양별로 펌프의 임펠러 최적 설계를 각각 실시하여야 하는 문제점이 있었다.
상기와 같은 기술적 배경을 바탕으로 안출된 것으로, 본 발명의 일실시예는 설계 사양별로 펌프의 임펠러의 성능을 최적화할 수 있는 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 펌프를 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법은 임펠러의 설계 사양을 결정하는 단계; 상기 임펠러의 비속도를 결정하는 단계; 상기 임펠러의 설계 변수를 결정하는 단계; 상기 임펠러의 최적 형상을 도출하는 단계; 및 상기 비속도에 따른 상기 임펠러의 설계 변수의 경향성을 함수화하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 임펠러의 설계 사양을 결정하는 단계에서, 상기 설계 사양은 유량, 양정 및 회전수일 수 있다.
또한, 상기 임펠러의 비속도를 결정하는 단계에서, 상기 비속도는
이고, 이때, Ns는 상기 비속도, Q는 상기 유량, H는 상기 양정, n은 상기 회전수이며, 상기 비속도는 상기 유량, 양정 및 회전수에 의해 결정될 수 있다.
또한, 상기 비속도는 200 ∼ 300의 범위에서 결정될 수 있다.
또한, 상기 임펠러의 날개는 5개로 마련될 수 있다.
또한, 상기 임펠러의 효율은, 비속도 200 ∼ 300의 범위에서 상기 비속도 값에 따라 단위 구간별로 경향성을 가질 수 있다.
또한, 상기 임펠러의 설계 변수를 결정하는 단계는, 상기 임펠러의 날개 형상을 표현하는 자오면의 설계 변수를 결정하는 단계; 및 상기 임펠러의 날개각도를 표현하는 날개각의 설계 변수를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 자오면의 설계 변수를 결정하는 단계에서, 상기 자오면의 설계 변수는 상기 임펠러의 입구부에서 허브 부분의 반경, 상기 임펠러의 입구부에서 쉬라우드 부분의 반경, 상기 임펠러의 날개 전단의 기울어진 각도, 상기 임펠러의 출구부의 반경, 상기 임펠러의 날개 후단에서의 날개폭, 날개 후단의 기울어진 각도 및 쉬라우드 입구부와 출구부의 축 방향 길이를 포함할 수 있다.
또한, 상기　자오면　설계변수는 상기 임펠러의 쉬라우드 곡선이 수평선 및 수직선과 이루는 입구부 각과 출구부 각, 상기 임펠러의 허브 곡선이 수평선 및 수직선과 이루는 입구부 각과 출구부 각, 상기 임펠러의 출구부 허브와 쉬라우드에서의 직선 부분의 길이, 출구부의 직선 구간이 끝나는 지점에서 상기 임펠러의 입구부까지 베지어 커브를 생성하기 위한 쉬라우드 입구부 조정점 및 출구부 조정점 및 허브 입구부 조정점 및 출구부 조정점을 포함할 수 있다.
또한, 상기 날개각의 설계 변수를 결정하는 단계에서, 상기 날개각의 설계 변수는 자오면 곡선의 총길이, 임펠러의 스윕각과 평균 반경의 곱, 입구각, 출구각, 입구 직선부의 길이, 출구 직선부의 길이, 출구부에서 회전방향으로 기울어진 각을 포함할 수 있다.
또한, 상기 출구각은 허브에서의 출구각과, 쉬라우드에서의 출구각을 포함하고, 상기 입구각은 허브에서의 입구각과, 쉬라우드에서의 입구각을 포함하며, 상기 허브에서의 입구각은 허브에서의 입사각과, 허브에서의 유동각을 포함하고, 상기 쉬라우드에서의 입구각은 쉬라우드에서의 입사각과, 쉬라우드에서의 유동각을 포함할 수 있다.
또한, 상기 쉬라우드에서의 유동각은 비속도 200 ∼ 300의 범위에서 상기 비속도 값에 따라 각각 단위 구간별로 경향성을 가질 수 있다.
또한, 상기 허브에서의 입사각은
Y1= - A1X2 + B1X + C1
이고, 이때, Y1는 상기 허브에서의 입사각, X는 상기 비속도, A1는 0.000004 ∼ 0.000005의 범위에서 결정되는 상수, B1는 0.003 ∼ 0.004의 범위에서 결정되는 상수, C1는 0.4 ∼ 0.5의 범위에서 결정되는 상수일 수 있다.
또한, 상기 허브에서의 유동각은
Y2= A2X2 - B2X + C2
이고, 이때, Y2는 상기 허브에서의 유동각, X는 상기 비속도, A2는 0.00002 ∼ 0.000003의 범위에서 결정되는 상수, B2는 0.009 ∼ 0.01의 범위에서 결정되는 상수, C2는 2 ∼ 3의 범위에서 결정되는 상수일 수 있다.
또한, 상기 쉬라우드에서의 입사각은
Y3= - A3X2 + B3X + C3
이고, 이때, Y3는 상기 쉬라우드에서의 입사각, X는 상기 비속도, A3는 0.000003 ∼ 0.000004의 범위에서 결정되는 상수, B3는 0.003 ∼ 0.004의 범위에서 결정되는 상수, C3는 0.5 ∼ 0.6의 범위에서 결정되는 상수일 수 있다.
또한, 상기 쉬라우드에서의 유동각은
Y4= A4X2 - B4X + C4
이고, 이때, Y4는 상기 쉬라우드에서의 유동각, X는 상기 비속도, A4는 0.00001 ∼ 0.00002의 범위에서 결정되는 상수, B4는 0.008 ∼ 0.009의 범위에서 결정되는 상수, C4는 2 ∼ 3의 범위에서 결정되는 상수일 수 있다.
또한, 상기 허브에서의 출구각은
Y5= A5X + B5
이고, 이때, Y5는 상기 허브에서의 출구각, X는 상기 비속도, A5는 0.001 ∼ 0.002의 범위에서 결정되는 상수, B5는 0.7 ∼ 0.8의 범위에서 결정되는 상수일 수 있다.
또한, 상기 쉬라우드에서의 출구각은
Y6= A6X + B6
이고, 이때, Y6는 상기 쉬라우드에서의 출구각, X는 상기 비속도, A6는 0.001 ∼ 0.002의 범위에서 결정되는 상수, B6는 0.7 ∼ 0.8의 범위에서 결정되는 상수일 수 있다.
또한, 상기 임펠러의 최적 형상을 도출하는 단계는, 상기 임펠러의 효율인 설계 목적 값에 영향을 미치는 주요 설계 변수를 결정하는 단계; 및 반응표면기법에 의해 상기 설계 목적 값을 최적화할 수 있는 최적의 설계 변수의 조건을 파악하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 주요 설계 변수를 결정하는 단계에서, 상기 주요 설계 변수는 상기 허브에서의 출구각, 상기 쉬라우드에서의 출구각, 상기 쉬라우드에서의 입구각, 상기 허브에서의 입구각, 상기 쉬라우드에서의 입사각, 상기 쉬라우드에서의 유동각, 상기 허브에서의 입사각, 상기 허브에서의 유동각일 수 있다.
또한, 상기 주요 설계 변수를 제외한 나머지 설계 변수들은 2k　요인실험법 및 상기 반응표면기법을 통해서 나온 결과값 중에서 최적화된 값으로 고정될 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러는 제1 항 내지 제21 항 중 어느 한 항에 따른 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법에 의하여 설계될 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 펌프는 제22 항에 따른 임펠러; 상기 임펠러가 내부에 설치되고, 상기 임펠러의 전방으로 유체가 흡입되도록 형성된 흡입구 및 상기 임펠러의 외주부로 상기 흡입된 유체가 배출되도록 형성된 배출구를 구비하는 케이싱을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법은 설계 사양별로 임펠러의 성능을 최적화할 수 있는 임펠러의 형상을 설계할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법은 설계 변수 경향성을 이용하여 비속도별로 효율을 만족하는 펌프의 임펠러를 설계할 수 있다.
도 1은 펌프의 분류도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법에 의하여　설계된 임펠러를 구비한 원심 펌프의 자오면의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법의 순서도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법을 통해 임펠러를 도출하는 과정을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법에 의하여 설계된 임펠러의 전면도를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법에서 자오면 설계 변수를 도시한 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법에서 날개각 설계 변수를 도시한 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법에서 입구각을 도시한 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법을 통해 설계된 비속도에 따른 임펠러를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법에 의해 설계된 임펠러의 비속도에 따른 허브에서의 입사각을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법에 의해 설계된 임펠러의 비속도에 따른 효율을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법의 설계 변수의 경향성을 이용하여 임펠러의 3차원 형상을 도출하는 과정을 나타낸 사례도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법의 임펠러 설계 변수 결정 단계를 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법의 실험계획법을 이용한 임펠러의 최적화 형상 도출 단계를 나타낸 것이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법에 의하여 설계된 임펠러의 성능을 검증하기 위한 임펠러의 수치해석 경계조건 및 격자계를 도시한 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1을 참고하면, 요구되는 사양에 따라 다양한 펌프가 있지만, 본 발명의 경우 그 중에서 터보 펌프에 대하여 설명하기로 한다. 터보 펌프는 비속도에 따라 원심식(Ns 20 ∼ 600), 사류식(Ns 400 ∼ 1400) 및 축류식(Ns 1200 이상)으로 분류할 수 있다.
본 발명은 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 펌프에 관한 것이다. 본 발명은 비속도와 임펠러의 설계 변수 사이에 일정한 경향성을 가지는 원심 펌프에 한정하며, 사류 펌프와 축류 펌프는 생략하기로 한다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 펌프(1)는 임펠러 설계 방법에 의해 설계된 임펠러(10) 및 케이싱(2)을 포함할 수 있다.
이때, 원심 펌프의 내부에는 흡입구(3)와 토출구(5) 사이에서 고속으로 회전하면서 유체를 흡입하고 토출하는 임펠러(10)가 결합된다.
한편, 케이싱(2)은 내부에 원심 펌프의 임펠러(10)가 인접하게 설치되고, 임펠러(10)의 전방 중심부에는 유체가 흡입되는 흡입구(3)가 형성되고, 임펠러(10)의 외주부에는 흡입된 유체가 반경방향으로 배출되도록 토출구(5)가 형성될 수 있다.
도 5를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러(10)는 허브(11), 쉬라우드(15) 및 날개(13)를 포함할 수 있다.
이때, 허브(11)는 모터의 구동축(30)과 결합되어 구동축을 중심으로 회전하는 모터의 회전력을 전달받는 부분으로 고속 회전에 적합한 높은 강성을 갖는 소재일 수 있다.
또한, 허브(11)는 구동축(30) 방향으로 진행하면서 단면적이 축소되는 원추형상을 갖도록 형성될 수 있다. 즉, 임펠러(10)의 중심부에는 허브(11)가 형성되고 허브에는 구동축(30)이 결합되어 모터의 회전력이 임펠러(10)에 전달될 수 있다.
허브(11)를 중심으로 원주면에 방사형으로 복수개의 날개(13)가 형성될 수 있다. 이때, 복수개의 날개(13)는 5개로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
한편, 쉬라우드(15)는 허브(11)에 배치되는 복수의 날개(13)의 외측 단부를 연결하면서 외측 단부 전체를 감싸도록 형성될 수 있다. 이러한 쉬라우드(15)는 복수개의 날개(13)의 각각을 연결할 수 있다.
본 발명은 비속도에 따른 원심 펌프 임펠러 형상의 경향성을 분석하기 위해, 원심 펌프 임펠러의 설계 변수를 정립하였고, 정립된 설계 변수 대상으로 비속도에 따른 설계 변수의 경향성을 분석하였다.
그리고, 선행연구로 최적 설계된 원심 펌프 펌프형상 및 선진문헌을 분석하여, 비속도에 따른 설계 변수의 경향성을 파악하였다. 또한, 원심 펌프 형상 및 선진문헌 기반으로 구축된 설계 변수의 경향성을 이용하여 원심 펌프 임펠러 형상을 설계하였다. 그리고, 설계 변수의 경향성을 이용하여 설계된 원심 펌프 임펠러 형상은 수치해석을 이용하여 성능을 검증하였다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러 설계 방법은 임펠러의 설계 사양 결정 단계(S10), 임펠러의 비속도 결정 단계(S20), 임펠러의 설계 변수 결정 단계(S30), 임펠러의 최적화 형상 도출 단계(S40), 비속도에 따른 설계 변수의 경향성을 함수화하는 단계(S50)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법은 비속도에 따라 임펠러의 자오면 형상 및 날개각도가 변화하는데, 이때 자오면 형상 및 날개각도 변화의 경향성을 파악하여 펌프의 임펠러 효율을 최적화시킬 수 있다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법은 임펠러의 설계 사양 결정 단계(S10)를 포함할 수 있다. 한편, 임펠러의 설계 사양 결정단계(S10)에서는 펌프(1)의 임펠러(10)를 설계할 때 요구되는 설계 사양인 유량(Q), 양정(H) 및 회전수(n)를 결정하며, 펌프(1)의 임펠러(10)를 설계할 때 요구되는 사양일 수 있다.
이때, 유량(Q) 및 양정(H)은 원심 펌프(1)의 임펠러(10)가 회전하는 동안 기본적으로 만족해야 하는 사양이며, 회전수(n)는 모터의 사양에 따라 결정될 수 있다.
한편, 효율은 주어진 유량과 양정에서 최고 효율이 되도록 펌프(1)의 임펠러(10)가 설계될 수 있다. 비속도에 따라 날개 형상 및 자오면 형상이 변화될 수 있다.
비속도 결정 단계(S20)는 비속도를 결정하여 펌프(1)의 종류를 결정할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서 펌프의 종류는 원심 펌프일 수 있다.
이때, 비속도(Specific Speed, Ns)는 이하 식으로 정의된다.
이때, Ns는 비속도, Q는 유량(단위 : m3/min), H는 양정(단위 : m), n은 회전수(단위 : rpm)이다.
비속도는 유량, 양정 및 회전수에 의해 결정될 수 있고, 무차원수로 마련될 수 있다. 다시 말해, 펌프 임펠러의 설계 사양인 유량(Q), 양정(H) 및 회전수(N)가 주어지면, 수학식1을 이용하여 비속도를 구할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법은 200 ~ 300의 범위에서 비속도가 결정될 수 있다. 그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법은 원심 펌프의 임펠러를 설계할 수 있다.
도 13을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에서 임펠러 설계 변수 결정 단계(S30)는 펌프의 임펠러의 3차원 형상을 생성하기 위해서 날개 형상을 표현하는 자오면의 설계 변수 결정 단계(S31) 및 날개각도를 표현하는 날개각의 설계 변수 결정 단계(S32)를 포함할 수 있다. 이때, 자오면은 허브의 중심선을 포함하는 임펠러의 횡단면 중 일부이다.
그리고, 원심 펌프 임펠러의 설계 변수는 자오면의 설계 변수와 날개각의 설계 변수로 각각 정립할 수 있다.
자오면의 설계 변수 결정 단계(S31)에서 자오면의 설계 변수는 자오면의 기본 틀을 잡기 위한 것으로, 임펠러의 입구부에서 허브 부분의 반경(R1_h), 임펠러의 입구부에서 쉬라우드 부분의 반경(R1_s), 임펠러 날개 전단의 기울어진 각도(φ1), 임펠러 출구부의 반경(R2), 임펠러 날개 후단(trailing edge)에서의 날개폭(b2), 날개 후단의 기울어진 각도(φ2), 및 쉬라우드 입구부와 출구부의 축 방향 길이(Ztip)를 포함할 수 있다.
이때, 기본 설계 변수 중 허브 부분의 반경(R1_h), 및 쉬라우드 부분의 반경(R1_s)은 임펠러 입구 부분의 면적 및 날개 형상을 나타낸다.
또한, 임펠러 날개 전단의 기울어진 각도(φ1)는 반경(R1_h, R1_s)과 관련하여 날개 전단의 면적 분포가 임펠러 중심 축(Z축)을 기준으로 기울어진 각을 나타내며, 입구 부분의 면적과 관련된다.
그리고, 임펠러 출구부의 반경(R2)은, 임펠러 전체 크기를 표현하는 변수로써 위 변수에 의해 임펠러 형상의 크기를 결정할 수 있다. 임펠러 날개 후단에서의 날개 폭(b2), 및 날개 후단의 기울어진 각도(φ2)는 출구부의 면적을 결정한다. 이렇게 결정된 면적은 후에 출구 압력 및 속도에 영향을 미친다.
또한, 쉬라우드 입구부와 출구부의 축 방향 길이(Ztip)는 임펠러 축 방향 크기를 표현하여 축 방향으로 임펠러 형상 크기를 결정하기 위한 변수이다.
도 6을 참고하면, 임펠러 자오면의 추가적인 설계변수 결정단계에서 추가적인 설계 변수는 허브 부분과 쉬라우드 부분을 입구부에서 출구부까지 연결하기 위한 추가적인 변수이다.
이를 위해 자오면 추가 설계 변수는, 임펠러의 쉬라우드 곡선이 수평선 및 수직선과 이루는 입구부 각과 출구부 각(θ1_s, θ2_s), 임펠러의 허브 곡선이 수평선 및 수직선과 이루는 입구부 각과 출구부 각(θ1_h, θ2_h), 임펠러 출구부 허브와 쉬라우드에서의 직선 부분의 길이(%L_h, %L_s), 출구부의 직선 구간이 끝나는 지점에서 임펠러 입구부까지 베지어 커브를 생성하기 위한 쉬라우드 입구부 조정점 및 출구부 조정점(%CP1_s, %CP2_s), 및 허브 입구부 조정점 및 출구부 조정점(%CP1_h, %CP2_h)을 더 포함할 수 있다.
이때, 임펠러 출구부 허브와 쉬라우드에서의 직선 부분의 길이(%L_h, %L_s)는 출구부에 존재하는 직선 길이 구간을 나타낸다.
또한, 임펠러 자오면의 입구부와 출구부에서 연결된 곡선은 입구부와 출구부에서 수평선과 수직선을 기준으로 일정한 각을 이루며 곡선을 이루는데, 입구부 각 및 출구부 각(θ1_h, θ2_h, θ1_s, θ2_s)은 허브와 쉬라우드 각각의 측면에서 입구 부분과 출구 부분의 각을 나타낸다.
한편, 임펠러의 출구부의 직선 구간이 끝나는 지점에서 입구부까지 부드러운 곡선 형태로 연결하기 위하여 원호(Arc)를 조합하는 방식을 사용하거나, 혹은 베지어 곡선(Bezier curve)을 사용할 수 있다. 이때, 베지어 곡선은 생성하고자 하는 곡선을 근사하게 포함하는 다각형의 꼭지점을 이용하여 곡선을 정의하여 나타내게 된다. 이때, 조정점(%CP1_s, %CP2_s, %CP1_h, %CP2_h)은 베지어 커브를 생성하기 위한 조정 변수이다.
날개각 설계 단계는 임펠러 날개의 입/출구 각도를 부드럽게 연결해주는 곡선으로 베지어 곡선 제어 방식과 고전적 곡선 제어 방식 두 가지로 정의할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 베지어 곡선 제어 방식은 후술한다. 다만 본 발명의 날개각 설계 단계는 베지어 곡선 제어 방식에 한정되지는 않고 고전적 곡선 제어 방식을 더 포함할 수 있다. 부가적으로, 쉬라우드(15)와 허브(11)의 평균값으로 날개각 분포의 2D 설계를 실시할 수 있다.
도 7, 8을 참고하면, 날개각의 설계 변수 결정 단계(S32)에서 날개각의 설계 변수는 자오면 곡선의 총길이(M_total_(h,m,s)), 임펠러의 스윕각과 평균 반경의 곱(r_theta_total), 입구각(beta1_(h,m,s)), 출구각(beta2_(h,m,s)), 입구 직선부의 길이(%beta_LE_(h,m,s)), 출구 직선부의 길이(%beta_TE_(h,m,s)), 출구부에서 회전방향으로 기울어진 각(d_theta(m,h))를 포함한다. 이 때, 파라미터 h는 임펠러 허브, m은 임펠러 미드, s는 임펠러 쉬라우드이다.
한편, 입사각과 관련 있는 입구각 beta1_(h,m,s)은 임펠러 작동유량에 영향에 미치며, 출구각 beta2_(h,m,s)은 임펠러 성능을 나타내는 양정과 효율에 많은 영향을 미친다.
그리고, 출구각(beta2_(h,m,s))은 허브에서의 출구각(beta2_(h))과 쉬라우드에서의 출구각(beta2_(s))을 포함한다.
도 8을 참고하면, 입구각(beta1_(h,m,s))은 허브에서의 입구각(beta1_h)과, 미드에서의 입구각(beta1_m)과, 쉬라우드에서의 입구각(beta1_s)을 포함하며, 허브에서의 입구각(beta1_h)은 허브에서의 입사각(i_beta_h)과 허브에서의 유동각(i_flow_h)을 포함하고, 미드에서의 입구각(beta1_m)은 미드에서의 입사각(i_beta_m)과 미드에서의 유동각(i_flow_m)을 포함하며, 쉬라우드에서의 입구각(beta1_s)은 쉬라우드에서의 입사각(i_beta_s)과 쉬라우드에서의 유동각(i_flow_s)을 포함한다.
허브에서의 입구각(beta1_h)은 허브에서의 입사각(i_beta_h)과 허브에서의 유동각(i_flow_h)을 합한 것이다.
미드에서의 입구각(beta1_m)은 미드에서의 입사각(i_beta_m)과 미드에서의 유동각(i_flow_m)을 합한 것이다.
쉬라우드에서의 입구각(beta1_s)은 쉬라우드에서의 입사각(i_beta_s)과 쉬라우드에서의 유동각(i_flow_s)을 합한 것이다.
그리고, 유동각은 유체가 허브 및 쉬라우드의 입구부로 들어오는 각도이다.
도 14를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에서 실험계획법을 이용한 임펠러의 최적화 형상 도출 단계(S40)는 설계 목적 값에 영향을 미치는 주요 설계 변수 결정 단계(S41), 반응표면기법에 의해 설계 목적 값을 최적화할 수 있는 최적의 설계 인자의 조건을 파악하는 단계(S42) 및 최적의 설계 변수 조건으로 반응 최적화 기법을 이용하여 임펠러의 최적화 형상을 도출하는 단계(S43)를 포함할 수 있다.
이때, 실험계획법은 근대적 통계 해석법을 기반으로 이상 변동을 가져오는 많은 원인 중에서 중요한 원인을 적은 비용으로 선정하고 그 효과를 수량적으로 측정하는 방법이다. 그리고 동시에 두 종류 이상의 인자를 대상으로 하여 그들의 효과를 개별적으로 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 최적설계를 위한 수치최적화 기법으로 실험계획법의 반응표면기법(RSM, response surface method)을 사용하였다.
설계 변수에 따른 임펠러의 성능을 분석하기 위해서는 설계 목적 값을 정의해야 한다. 이때, 설계 목적 값은 임펠러의 성능을 나타내는 임펠러의 효율일 수 있다.
도　16을 참고하면, 임펠러 3D 형상은 ANSYS CFX-BladeGen 프로그램을 사용하여 생성하였으며, 생성된 날개형상에 대하여 유체기계 격자생성 프로그램인 ANSYS CFXTurboGrid를 사용하여 정렬 격자계(structured grid)를 생성하였다.
임펠러의 날개 수는 5개이나 수치해석에 사용된 임펠러의 날개 형상이 동일하므로 해석시간을 고려하여 주기 조건(Periodic condition)을 사용하여 임펠러 1 개의 날개 영역에 대해서만 수치해석을 수행하였다.
2k 요인실험법이란 k개의 인자에 대해 각각의 인자의 수준을 실험을 수행하여 각 인자의 유의성을 판정하는 방식이다. 예를 들어, 3가지 인자의 모든 효과를 구하려면 실험의 크기를 8회로 하여 인자들의 주 효과와 교호작용을 구해야 한다.
주요 설계 변수 결정 단계(S41)에서, 주요 설계 변수는
허브에서의 출구각(beta2_(h)), 쉬라우드에서의 출구각(beta2_(s)), 쉬라우드에서의 입구각(beta1_s), 허브에서의 입구각(beta1_h), 쉬라우드에서의 입사각(i_beta_s), 쉬라우드에서의 유동각(i_flow_s), 허브에서의 입사각(i_beta_h), 허브에서의 유동각(i_flow_h)일 수 있다.
여기서, 쉬라우드에서의 입구각(beta1_s)는 쉬라우드에서의 입사각(i_beta_s)과 쉬라우드에서의 유동각(i_flow_s)의 합으로 도출될 수 있고, 허브에서의 입구각(beta1_h)는 허브에서의 입사각(i_beta_h)과 허브에서의 유동각(i_flow_h)의 합으로 도출될 수 있으므로 제외할 수 있다.
그리고, 주요 설계 변수를 제외한 나머지 설계 변수들은 2k　요인실험법 및 반응표면기법을 통해서 나온 결과값 중에서 최적화된 값으로 고정될 수 있다.
부가적으로, 입구 직선부의 길이(%beta_LE_(h,m,s)), 출구 직선부의 길이(%beta_TE_(h,m,s))는 자오면 곡선의 총길이(M_total_(h,m,s))의 10% 내지 30%로 고정될 수 있다.
반응표면기법에 의해 설계 목적 값을 최적화할 수 있는 최적의 설계 인자의 조건을 파악하는 단계(S42)에서 반응표면기법은 복수의 변수 작용으로 반응이 복합적으로 나타나는 문제를 통계적으로 분석하는 방법이며, 여러 개의 설계 변수가 복합적인 작용을 함으로써 어떤 목적함수에 영향을 주고 있을 때 이러한 반응의 변화가 이루는 반응표면에 대한 통계적 분석방법이다.
또한, 반응표면기법은 어떠한 요인들이 영향을 미치는가 뿐만 아니라 그 요인들이 어떠한 조합을 이루었을 때 가장 큰 효과를 줄 수 있는가를 추정할 수 있다.
일반적인 실험계획에서 요인들의 조합을 통한 효과의 유무를 추정한다고 하면 반응표면기법은 어떤 요인이 영향을 미치며 그 요인들이 가장 큰 효과를 보여줄 때의 식을 추정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 최적화 설계 변수 조건으로 반응 최적화 기법을 이용하여 임펠러의 최적화 형상을 도출하는 단계(S43)에서는 임펠러의 효율이 최적인 원심 펌프의 임펠러를 설계 목표값(target of design)으로 설정하였고, 목표값을 만족하는 형상을 결정하기 위하여 반응최적화(response optimization)기법을 이용하였다.
이를 통해 주요 설계 변수인 허브에서의 출구각(beta2_(h)), 쉬라우드에서의 출구각(beta2_(s)), 쉬라우드에서의 입사각(i_beta_s), 쉬라우드에서의 유동각(i_flow_s), 허브에서의 입사각(i_beta_h), 허브에서의 유동각(i_flow_h)가 최적화된 원심 펌프의 임펠러의 형상을 도출할 수 있다.
그리고, 각 비속도별로 최적화된 원심 펌프의 임펠러의 형상에서의 설계 변수인 허브에서의 출구각(beta2_(h)), 쉬라우드에서의 출구각(beta2_(s)), 쉬라우드에서의 입사각(i_beta_s), 쉬라우드에서의 유동각(i_flow_s), 허브에서의 입사각(i_beta_h), 허브에서의 유동각(i_flow_h)의 수치들을 추출하여, 비속도에 따른 임펠러의 설계 변수들의 경향성을 함수화할 수 있다.
도 9 내지 도 11을 참고하면, 본 발명에서는 비속도 200, 250, 300에서의 최적화된 원심 펌프의 임펠러의 형상을 도출하고, 이 때의 설계 변수들을 추출하였다.
비속도에 따른 임펠러의 설계 변수의 경향성을 함수화하는 단계는 각 비속도별로 추출된 설계 변수들의 수치를 이용하여, 설계 변수의 경향성을 함수화할 수 있다. 설계 변수는 Ns200급 원심펌프 임펠러 형상의 설계 변수로 무차원화 하였다.
이를 통해, 허브에서의 입사각(i_beta_h)은 다음과 같은 수학식2로 도출될 수 있다.
이고, 이때, Y1는 상기 허브에서의 입사각, X는 상기 비속도, A1는 0.000004 ∼ 0.000005의 범위에서 결정되는 상수, B1는 0.003 ∼ 0.004의 범위에서 결정되는 상수, C1는 0.4 ∼ 0.5의 범위에서 결정되는 상수이다.
바람직하게는 A1이 0.0000049, B1이 0.0039, C1이 0.42으로 마련될 때, 각각의 비속도에 따른 최적화된 허브에서의 입사각(i_beta_h)이 도출될 수 있다.
또한, 허브에서의 유동각(i_flow_h)는 다음과 같은 수학식3으로 도출될 수 있다.
이고, 이때, Y2는 상기 허브에서의 유동각, X는 상기 비속도, A2는 0.00002 ∼ 0.000003의 범위에서 결정되는 상수, B2는 0.009 ∼ 0.01의 범위에서 결정되는 상수, C2는 2 ∼ 3의 범위에서 결정되는 상수이다.
바람직하게는 A2가 0.000021, B2가 0.0099, C2가 2.1로 마련될 때, 각각의 비속도에 따른 최적화된 허브에서의 유동각(i_flow_h)이 도출될 수 있다.
또한, 쉬라우드에서의 입사각(i_beta_s)는 다음과 같은 수학식4으로 도출될 수 있다.
이고, 이때, Y3는 상기 쉬라우드에서의 입사각, X는 상기 비속도, A3는 0.000003 ∼ 0.000004의 범위에서 결정되는 상수, B3는 0.003 ∼ 0.004의 범위에서 결정되는 상수, C3는 0.5 ∼ 0.6의 범위에서 결정되는 상수이다.
바람직하게는 A3이 0.0000039, B3이 0.0031, C3이 0.53로 마련될 때, 각각의 비속도에 따른 최적화된 쉬라우드에서의 입사각(i_beta_s)이 도출될 수 있다.
또한, 쉬라우드에서의 유동각(i_flow_s)는 다음과 같은 수학식5로 도출될 수 있다.
이고, 이때, Y4는 상기 쉬라우드에서의 유동각, X는 상기 비속도, A4는 0.00001 ∼ 0.00002의 범위에서 결정되는 상수, B4는 0.008 ∼ 0.009의 범위에서 결정되는 상수, C4는 2 ∼ 3의 범위에서 결정되는 상수이다.
바람직하게는 A4가 0.000019, B4가 0.0088, C4는 2로 마련될 때, 각각의 비속도에 따른 최적화된 쉬라우드에서의 유동각(i_flow_s)이 도출될 수 있다.
바꾸기
도 10를 참고하면, 쉬라우드에서의 유동각(i_flow_s)은 비속도 200 내지 비속도 300인 구간에서 비속도가 커질수록 커지는 경향성을 나타낼 수 있다.
또한, 허브에서의 출구각(beta2_(h))는 다음과 같은 수학식6로 도출될 수 있다.
이고, 이때, Y5는 상기 허브에서의 출구각, X는 상기 비속도, A5는 0.001 ∼ 0.002의 범위에서 결정되는 상수, B5는 0.7 ∼ 0.8의 범위에서 결정되는 상수이다.
바람직하게는 A5가 0.0012, B5가 0.78로 마련될 때, 각각의 비속도에 따른 최적화된 허브에서의 출구각(beta2_(h))이 도출될 수 있다.
그리고, 쉬라우드에서의 출구각(beta2_(s))는 다음과 같은 수학식7로 도출될 수 있다.
이고, 이때, Y6는 상기 쉬라우드에서의 출구각, X는 상기 비속도, A6는 0.001 ∼ 0.002의 범위에서 결정되는 상수, B6는 0.7 ∼ 0.8의 범위에서 결정되는 상수이다.
바람직하게는 A6가 0.0012, B6가 0.78로 마련될 때, 각각의 비속도에 따른 최적화된 쉬라우드에서의 출구각(beta2_(s))이 도출될 수 있다.
수학식2 내지 수학식7과 같이, 설계 변수의 경향성을 함수화하고, 데이터베이스(D/B)화 하면, 비속도별로 최적화된 설계 변수가 출력될 수 있다.
도 11은 Ns200, Ns250, Ns300급 원심펌프 임펠러의 효율을 비교한 것이다. 효율은 Ns200급 원심펌프 임펠러 형상의 효율로 무차원화 하였으며, 각 형상의 설계유량의 효율을 비교하였다.
도 11을 참고하면, 임펠러의 효율은 비속도 200 내지 비속도 250인 구간에서 비속도가 커질수록 커지는 경향성을 나타내고, 비속도 250 내지 비속도 300인 구간에서 비속도가 커질수록 줄어드는 경향성을 나타낼 수 있다.
다양한 비속도의 데이터베이스를 확보하고, 비속도에 따른 설계 변수의 경향성을 파악하면, 요구되는 설계 사양 및 성능을 만족하는 원심 펌프의 임펠러 형상을 쉽게 설계할 수 있다.
도 12는 비속도에 따른 설계 변수 경향성을 이용하여 원심 펌프 임펠러를 설계하는 절차를 나타낼 수 있다.
도 12를 참고하면, 비속도에 따른 원심 펌프 임펠러의 설계 변수의 경향성이 도출되었으므로, 비속도가 입력되면, 비속도에 따른 설계 변수 경향성을 이용하여 원심 펌프 임펠러 형상을 설계할 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법은 설계 사양별로 임펠러의 성능을 최적화할 수 있는 임펠러의 형상을 설계할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법은 설계 변수 경향성을 이용하여 비속도별로 효율을 만족하는 펌프의 임펠러를 설계할 수 있다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
S10 : 설계 사양 결정 단계
S20 : 비속도 결정 단계
S30 : 설계 변수 결정 단계
S40 : 3차원 형상 도출 단계
1 : 펌프 2 : 케이싱
3 : 흡입구 5 : 토출구
10 : 임펠러 11 : 허브
13 : 날개 15 : 쉬라우드 30 : 구동축

Claims (23)

  1. 임펠러의 설계 사양을 결정하는 단계;
    상기 임펠러의 비속도를 결정하는 단계;
    상기 임펠러의 설계 변수를 결정하는 단계;
    상기 임펠러의 최적 형상을 도출하는 단계; 및
    상기 비속도에 따른 상기 임펠러의 설계 변수의 경향성을 함수화하는 단계를 포함하는 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 임펠러의 설계 사양을 결정하는 단계에서, 상기 설계 사양은 유량, 양정 및 회전수인 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 임펠러의 비속도를 결정하는 단계에서, 상기 비속도는

    이고, 이때, Ns는 상기 비속도, Q는 상기 유량, H는 상기 양정, n은 상기 회전수이며,
    상기 비속도는 상기 유량, 양정 및 회전수에 의해 결정되는 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 비속도는 200 ∼ 300의 범위에서 결정되는 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 임펠러의 날개는 5개로 마련되는 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 임펠러의 효율은, 비속도 200 ∼ 300의 범위에서 상기 비속도 값에 따라 단위 구간별로 경향성을 가지는 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 임펠러의 설계 변수를 결정하는 단계는,
    상기 임펠러의 날개 형상을 표현하는 자오면의 설계 변수를 결정하는 단계; 및
    상기 임펠러의 날개각도를 표현하는 날개각의 설계 변수를 결정하는 단계를 포함하는 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 자오면의 설계 변수를 결정하는 단계에서, 상기 자오면의 설계 변수는 상기 임펠러의 입구부에서 허브 부분의 반경, 상기 임펠러의 입구부에서 쉬라우드 부분의 반경, 상기 임펠러의 날개 전단의 기울어진 각도, 상기 임펠러의 출구부의 반경, 상기 임펠러의 날개 후단에서의 날개폭, 날개 후단의 기울어진 각도 및 쉬라우드 입구부와 출구부의 축 방향 길이를 포함하는 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기　자오면　설계변수는 상기 임펠러의 쉬라우드 곡선이 수평선 및 수직선과 이루는 입구부 각과 출구부 각, 상기 임펠러의 허브 곡선이 수평선 및 수직선과 이루는 입구부 각과 출구부 각, 상기 임펠러의 출구부 허브와 쉬라우드에서의 직선 부분의 길이, 출구부의 직선 구간이 끝나는 지점에서 상기 임펠러의 입구부까지 베지어 커브를 생성하기 위한 쉬라우드 입구부 조정점 및 출구부 조정점 및 허브 입구부 조정점 및 출구부 조정점을 포함하는 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 날개각의 설계 변수를 결정하는 단계에서, 상기 날개각의 설계 변수는 자오면 곡선의 총길이, 임펠러의 스윕각과 평균 반경의 곱, 입구각, 출구각, 입구 직선부의 길이, 출구 직선부의 길이, 출구부에서 회전방향으로 기울어진 각을 포함하는 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 출구각은 허브에서의 출구각과, 쉬라우드에서의 출구각을 포함하고,
    상기 입구각은 허브에서의 입구각과, 쉬라우드에서의 입구각을 포함하며,
    상기 허브에서의 입구각은 허브에서의 입사각과, 허브에서의 유동각을 포함하고,
    상기 쉬라우드에서의 입구각은 쉬라우드에서의 입사각과, 쉬라우드에서의 유동각을 포함하는 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 쉬라우드에서의 유동각은 비속도 200 ∼ 300의 범위에서 상기 비속도 값에 따라 각각 단위 구간별로 경향성을 가지는 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 허브에서의 입사각은
    Y1= - A1X2 + B1X + C1
    이고, 이때, Y1는 상기 허브에서의 입사각, X는 상기 비속도, A1는 0.000004 ∼ 0.000005의 범위에서 결정되는 상수, B1는 0.003 ∼ 0.004의 범위에서 결정되는 상수, C1는 0.4 ∼ 0.5의 범위에서 결정되는 상수인 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 허브에서의 유동각은
    Y2= A2X2 - B2X + C2
    이고, 이때, Y2는 상기 허브에서의 유동각, X는 상기 비속도, A2는 0.00002 ∼ 0.000003의 범위에서 결정되는 상수, B2는 0.009 ∼ 0.01의 범위에서 결정되는 상수, C2는 2 ∼ 3의 범위에서 결정되는 상수인 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법.
  15. 제11 항에 있어서,
    상기 쉬라우드에서의 입사각은
    Y3= - A3X2 + B3X + C3
    이고, 이때, Y3는 상기 쉬라우드에서의 입사각, X는 상기 비속도, A3는 0.000003 ∼ 0.000004의 범위에서 결정되는 상수, B3는 0.003 ∼ 0.004의 범위에서 결정되는 상수, C3는 0.5 ∼ 0.6의 범위에서 결정되는 상수인 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법.
  16. 제12 항에 있어서,
    상기 쉬라우드에서의 유동각은
    Y4= A4X2 - B4X + C4
    이고, 이때, Y4는 상기 쉬라우드에서의 유동각, X는 상기 비속도, A4는 0.00001 ∼ 0.00002의 범위에서 결정되는 상수, B4는 0.008 ∼ 0.009의 범위에서 결정되는 상수, C4는 2 ∼ 3의 범위에서 결정되는 상수인 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법.
  17. 제11 항에 있어서,
    상기 허브에서의 출구각은
    Y5= A5X + B5
    이고, 이때, Y5는 상기 허브에서의 출구각, X는 상기 비속도, A5는 0.001 ∼ 0.002의 범위에서 결정되는 상수, B5는 0.7 ∼ 0.8의 범위에서 결정되는 상수인 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법.
  18. 제11 항에 있어서,
    상기 쉬라우드에서의 출구각은
    Y6= A6X + B6
    이고, 이때, Y6는 상기 쉬라우드에서의 출구각, X는 상기 비속도, A6는 0.001 ∼ 0.002의 범위에서 결정되는 상수, B6는 0.7 ∼ 0.8의 범위에서 결정되는 상수인 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법.
  19. 제11 항에 있어서,
    상기 임펠러의 최적 형상을 도출하는 단계는,
    상기 임펠러의 효율인 설계 목적 값에 영향을 미치는 주요 설계 변수를 결정하는 단계; 및
    반응표면기법에 의해 상기 설계 목적 값을 최적화할 수 있는 최적의 설계 변수의 조건을 파악하는 단계를 포함하는 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법.
  20. 제19 항에 있어서,
    주요 설계 변수를 결정하는 단계에서, 상기 주요 설계 변수는 상기 허브에서의 출구각, 상기 쉬라우드에서의 출구각, 상기 쉬라우드에서의 입구각, 상기 허브에서의 입구각, 상기 쉬라우드에서의 입사각, 상기 쉬라우드에서의 유동각, 상기 허브에서의 입사각, 상기 허브에서의 유동각인 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 주요 설계 변수를 제외한 나머지 설계 변수들은 2k　요인실험법 및 상기 반응표면기법을 통해서 나온 결과값 중에서 최적화된 값으로 고정되는 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법.
  22. 제1 항 내지 제21 항 중 어느 한 항에 따른 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법에 의하여 설계된 임펠러.
  23. 제22 항에 따른 임펠러;
    상기 임펠러가 내부에 설치되고, 상기 임펠러의 전방으로 유체가 흡입되도록 형성된 흡입구 및 상기 임펠러의 외주부로 상기 흡입된 유체가 배출되도록 형성된 배출구를 구비하는 케이싱을 포함하는 펌프.
KR1020220094765A 2022-07-29 2022-07-29 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 펌프 KR20240016695A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220094765A KR20240016695A (ko) 2022-07-29 2022-07-29 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 펌프

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220094765A KR20240016695A (ko) 2022-07-29 2022-07-29 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 펌프

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20240016695A true KR20240016695A (ko) 2024-02-06

Family

ID=89858778

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220094765A KR20240016695A (ko) 2022-07-29 2022-07-29 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 펌프

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20240016695A (ko)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101679186B1 (ko) 원심 및 사류 펌프 임펠러 최적화 설계 방법, 이에 의하여 설계된 원심 및 사류 펌프 임펠러 및 원심 및 사류 펌프
KR101807418B1 (ko) 효율 및 양정을 동시에 최적화하는 임펠러 및 디퓨저의 최적화 설계 방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 디퓨저, 이를 구비한 원심 및 사류 펌프
CN100482948C (zh) 改进的泵叶轮
US6634855B1 (en) Impeller and fan incorporating same
KR101252984B1 (ko) 고속 원심 펌프용 유동 벡터 제어기
KR101808076B1 (ko) 효율 및 흡입성능을 동시에 최적화하는 원심 및 사류 펌프 임펠러 최적화 설계 방법, 이에 의하여 설계된 원심 및 사류 펌프 임펠러 및 원심 및 사류 펌프
KR102613148B1 (ko) 축류펌프 임펠러 설계 방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 펌프
KR102519320B1 (ko) 자오면 형상 설계에 의한 설계사양 및 성능을 만족하는 축류펌프의 임펠러 설계 방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 펌프
KR101984022B1 (ko) 콤팩트하고 단순화한 사류 펌프의 디퓨저 설계 방법, 이에 의하여 설계된 디퓨저 및 이를 구비한 사류 펌프
KR102662661B1 (ko) 설계사양 및 성능을 만족하는 저비속도형 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 펌프
KR20240016695A (ko) 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 펌프
KR20230152997A (ko) 시제품 제작이 용이한 극저비속도형 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 펌프
KR20230152998A (ko) 대유량 및 고양정을 만족하는 고효율 원심펌프 임펠러 날개각 분포 설계방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 펌프
US3027845A (en) Impeller tip pocket
US2329696A (en) Centrifugal apparatus
KR102519317B1 (ko) 익형 형상을 이용한 펌프의 임펠러 설계 방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 펌프
KR102623889B1 (ko) 대유량 및 고양정을 만족하도록 자오면 및 날개각 분포의 수력학적 설계를 통한 축류펌프 임펠러의 설계방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 펌프
Mohammadi et al. Analysis of effect of impeller geometry including blade outlet angle on the performance of multi-pressure pumps: Simulation and experiment
KR102519323B1 (ko) 다양한 비속도에서 수력학적 성능이 향상되도록 날개각 분포 설계가 적용된 축류펌프의 임펠러 설계 방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 펌프
KR20230172932A (ko) 동일한 비속도에서 수력학적 성능을 만족하는 축류펌프 임펠러 설계방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 펌프
KR102591810B1 (ko) 대유량 및 저양정의 설계사양을 만족하도록 자오면 형상 설계를 이용한 축류펌프의 임펠러 설계 방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 펌프
KR20240016694A (ko) 임펠러 깃 수 변화에 따라 설계사양을 만족하고 수력학적 성능이 향상된 축류펌프 임펠러 설계방법, 이에 의하여 설계된 임펠러 및 펌프
CN101109394B (zh) 叶片与轮盘/轮盖具有间隙的离心式闭式叶轮
CN113987703A (zh) 强破碎高效刀片式叶轮、包括该叶轮的风机及其设计方法
KR20240018284A (ko) 프란시스 수차 러너 자오면 형상 설계를 위한 설계 방법, 이에 의하여 설계된 수차 러너