KR101823017B1 - 케이싱과 임펠러 사이의 누설손실이 저감된 원심펌프 - Google Patents

케이싱과 임펠러 사이의 누설손실이 저감된 원심펌프 Download PDF

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Abstract

본 발명은 케이싱과 임펠러 사이의 누설손실이 저감된 원심펌프에 관한 것으로서, 케이싱(100) 및 케이싱(100)의 내부에서 회전하는 임펠러(200)를 포함하여 구성되는 원심펌프에 있어서, 하나 이상의 환형 스테어(231)가 형성되고 케이싱(100)의 내면에 장착된 케이싱 웨어링(230); 하나 이상의 환형 스테어(241)가 형성되고 환형 스테어(241)가 케이싱 웨어링(230)의 환형 스테어(231)와 마주보게 임펠러(200)에 장착되는 임펠러 웨어링(240); 케이싱 웨어링(230)의 환형 스테어(231)와 임펠러 웨어링(240)의 환형 스테어(241)의 마주보는 단턱 사이에 형성된 하나 이상의 미세 환형 챔버(C); 를 포함하여 구성된다.

Description

케이싱과 임펠러 사이의 누설손실이 저감된 원심펌프{Centrifugal pump with reduced leakage loss between casing and impeller}
본 발명은 원심 펌프의 케이싱과 임펠러에 형성된, 케이싱 웨어링 스테어와 임펠러 웨어링 스테어에 의해 케이싱 내부 고압부와 저압부의 압력차에 의한 누설손실이 저감된 원심펌프에 관한 것이다.
일반적으로 원심펌프는 도 1 내지 도 3 에 도시한 구조로 되어 있고, 입구단(12) 및 출구단(14)이 형성된 케이싱(10)의 일측에는 케이싱 커버(140)가 설치되어 직경이 큰 입구단(12)과 직경이 작은 출구단(14)을 가지는 임펠러(20)가 설치된 공간부의 기밀을 유지하고 있으며, 임펠러(20)는 케이싱(10) 및 케이싱 커버(140)의 내측과 밀접하게 조립된다. 임펠러(20)는 임펠러 웨어링(wear ring)(40)과 결합되어 케이싱(10)과 임펠러(20)가 미세 간극(t)을 사이에 두고 밀접하게 접촉한다. 임펠러 웨어링(40)은 녹발생 방지 및 내구성을 위하여 통상 스텐리스강 또는 청동을 사용하고 있다.
이와 같이 구성되는 종래의 원심펌프는, 모터에 전원이 인가되면 임펠러(20)가 회전하고 이 임펠러(20)의 회전에 의해 케이싱(10) 내부의 공기가 배출되어 공기 압력이 낮아지고 진공상태가 되어, 임펠러(20)의 입구단(12)과 출구단(14)이 압력의 차이를 가지므로, 유체를 케이싱(10)의 입구단(12)을 통하여 빨아들인다. 이때, 케이싱(10)에 흡인된 유체는 케이싱(10)의 내부에서 압축되어 압력이 높아진 상태로 배출되는데 이렇게 케이싱(10)내의 유체의 압력이 높아짐에 따라 케이싱(10)의 출력단(14)의 높은 압력이 입력단(12)쪽으로 작용하여 케이싱(10)내의 유체가 케이싱(10)과 임펠러 웨어링(40) 사이의 미세 간극(t)을 통하여 누설되는 현상이 발생하며, 원심 펌프의 사용기간에 따라 케이싱(10)과 임펠러 웨어링(40)에 마모가 발생되어 넓은 미세 간극(t')이 되면 누설이 증가한다(도 3a 및 3b 참조).
이러한 미세 간극(t)를 과도하게 줄일 경우 케이싱(10)과 임펠러 웨어링(40)이 서로 구속하게 되어 작동불능 될 수도 있으며, 장기간 운전정지 중에는 임펠러 웨어링(40)의 특수재질의 면에 녹이 슬어 달라붙기 때문에, 이러한 상태를 모른 채 전원 스위치를 작동시킬 때에는 모터가 구속되고 소손되어 모터를 교환해야 함은 물론 케이싱(10)과 임펠러 웨어링(40)의 전체를 교환해야 하는 상황이 발생하였다.
이러한 문제를 방지하기 위해 케이싱(10)과 임펠러 웨어링(40) 사이의 틈새(t)를 크게 하는 경우에는 모터소손 등의 문제는 해결할 수 있으나, 원심펌프의 성능저하를 초래한다.
이와 같은 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 대한민국 공개특허공보 제1998-017629호의 "원심펌프의 웨어링 구조"가 제안되어 있다.
위의 발명은 임펠러(20)를 내장한 케이싱(10)을 포함하는 원심펌프에서, 임펠러(20)와 케이싱(10) 및 케이싱 커버(140) 사이에 탄성력이 있는 탄성고무인 기밀재(40)를 케이싱(10) 및 케이싱 커버(140) 상에 형성된 안착부 및 임펠러(20)의 좌우단에 형성한 평탄면부 사이에 설치하는 구조이다.
위의 종래 기술에서는 탄성력이 있는 탄성고무 재료의 기밀재를 설치하였기 때문에, 밀봉구조를 이루어 누설 손실을 최소화할 수 있게 됨에 따라 원심펌프의 효율을 향상시키며, 원심펌프의 작동 신뢰성을 높이는 효과가 있다.
그러나, 별도의 탄성고무 재료의 기밀재를 설치하여야 하기 때문에, 부품수가 증가되어 제작하기가 번거롭고, 탄성고무 재료로 이루어짐으로써 내구성이 낮은 것이어서 쉽게 파손되며, 결과적으로 단기간 사용후에도 누설을 방지하지 못하여, 펌핑 효율이 낮아지는 문제점이 있다.
또한, 기밀재를 교체하지 않는 한 근본적으로 성능 개선을 이룰 수 없는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-1998-017629호(1998.06.05.공개)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 원심펌프의 케이싱 웨어링과 임펠러 웨어링의 접촉부를 미세 층상 챔버형 구조로 구성하여 케이싱과 임펠러 사이의 누설 손실을 저감시킨 원심펌프를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적은, 케이싱 및 상기 케이싱의 내부에서 회전하는 임펠러를 포함하여 구성되는 원심펌프에 있어서, 하나 이상의 환형 스테어가 형성되고 상기 케이싱의 내면에 장착된 케이싱 웨어링; 하나 이상의 환형 스테어가 형성되고 상기 환형 스테어가 상기 케이싱 웨어링의 환형 스테어와 마주보게 상기 임펠러에 결합되는 임펠러 웨어링; 상기 케이싱 웨어링의 환형 스테어와 상기 임펠러 웨어링의 환형 스테어의 마주보는 단턱 사이에 형성된 하나 이상의 미세 환형 챔버; 를 포함하여 구성되는, 케이싱과 임펠러 사이의 누설손실이 저감된 원심펌프에 의해 달성된다.
본 발명의 하나의 측면에 의하면, 케이싱 웨어링의 환형 스테어와 임펠러 웨어링의 환형 스테어는 피치 간격 및 환형 단턱 높이가 각각 동일한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 임펠러 웨어링의 환형 스테어는 평탄면에 대해 직각으로 형성되고, 상기 케이싱 웨어링의 환형 스테어는 평탄면에 대해 직각, 예각 또는 둔각으로 형성되거나, 그 반대인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 임펠러 웨어링의 환형 스테어는 평탄면에 대해 예각 또는 둔각으로 형성되고, 케이싱 웨어링의 환형 스테어는 평탄면에 대해 둔각 또는 예각으로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 임펠러 웨어링의 환형 스테어는 평탄면에 대해 예각 또는 둔각으로 형성되고, 케이싱 웨어링의 환형 스테어는 평탄면에 대해 예각 또는 둔각으로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 케이싱 웨어링의 환형 스테어 및 임펠러 웨어링의 환형 스테어가 형성하는 미세 환형 챔버가 하나이고, 케이싱의 입구단측으로부터 출구단측을 향해 상향 경사지게 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 케이싱 웨어링의 환형 스테어 및 임펠러 웨어링의 환형 스테어가 2개 이상이고, 케이싱의 입구단측으로부터 출구단측을 향해 상향 경사지게 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 케이싱 웨어링의 환형 스테어와 임펠러 웨어링의 환형 스테어에 의해 형성된 원심펌프의 케이싱과 임펠러 사이의 층상 미세 챔버에서 누설 유체의 와류가 형성되어 누설 유체의 압력을 감소시킴으로써 누설 손실을 저감시켜 원심펌프의 펌핑 효율을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 원심펌프를 절개하여 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 원심펌프의 일부를 확대하여 도시한 단면도이다.
도 3a는 도 1의 원심펌프에서, 임펠러 웨어링과 케이싱 사이에 형성된 수평 유로를 도시한 단면도이다.
도 3b는 도 1의 원심펌프에서, 임펠러 웨어링과 케이싱의 맞닿는 면에 마모가 발생하여 수평 유로의 너비가 커진 상태를 도시한 단면 설명도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 원심펌프를 절개하여 도시한 단면도이다.
도 5는 도 4의 원심펌프의 요부를 도시한 단면도이다.
도 6a, 6b 및 6c 는 도 4의 원심펌프에서, 케이싱 웨어링과 임펠러 웨어링 사이에 형성된 미세 환형 챔버를 나타내는 단면도, 케이싱 웨어링 및 임펠러 웨어링 사이의 누설 유로를 도시한 단면도, 및 미세 환형 챔버내에서의 와류의 형성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 4의 원심펌프에서, 케이싱 웨어링과 임펠러 웨어링의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 도 4의 원심펌프의 케이싱 웨어링과 임펠러 웨어링, 임펠러의 결합구조를 도시한 분해도이다.
도 9는 도 4의 원심펌프의 케이싱 웨어링과, 임펠러 웨어링, 임펠러의 구조를 나타낸 요부 일부 절결 사시도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 원심펌프를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 아래의 설명에서, 동일한 부품에 대해서는 동일부호를 사용함으로써 설명상의 번잡함을 피하기로 한다.
본 발명의 실시예에 의한 케이싱과 임펠러 사이의 누설손실이 저감된 원심펌프는 케이싱(100), 상기 케이싱(100)의 내부에서 회전하는 임펠러(200)를 포함하여 구성되는 원심펌프에 있어서,
3개의 환형 스테어(231,232,233)가 층상으로 상향경사지게 형성되고 상기 케이싱(100)의 내면에 장착된 케이싱 웨어링(230);
3개의 환형 스테어(241,242,243)가 상기 케이싱 웨어링 스테어(231,232,233)와 반대방향으로 층상으로 형성되고, 상기 임펠러(200)에 장착되는 임펠러 웨어링(240); 및
상기 케이싱 웨어링 스테어(231,232,233)와 상기 임펠러 웨어링 스테어(241,242,243)의 마주보는 단턱 사이에 형성된 3개의 미세 환형 층상 챔버(C1,C2,C3); 를 포함하여 구성된다.
위의 본 발명의 실시예의 원심펌프의 케이싱(100)과 임펠러(200) 사이에 설치되는 케이싱 웨어링(230) 및 임펠러 웨어링(240)은 케이싱(100)과 임펠러(200) 상에 형성된 각각의 평탄면부(136)(236) 상에 안착되어, 종래 기술과 같이 볼트와 너트로 고정되는데, 압입 형성 등 기타 다른 방식으로 고정될 수도 있다.
케이싱 웨어링 스테어(231,232,233)와 임펠러 웨어링 스테어(241,242,243)는 일정한 피치 간격(pt)과 높이(h)를 가지며, 서로 마주 보게 결합되어 경사지고 층상을 이루는 3개의 미세 환형 챔버(C1,C2,C3)를 만들며, 맞닿은 부분에 미세 간극(t1)이 형성된다.
이러한 스테어 구조로 인하여, 도 4의 원심펌프의 미세 환형 챔버(C:C1,C2,C3)는 임펠러(200)의 회전 중심축 방향(X)에 대해서, 케이싱(100)의 입구단(21)측의 저압 영역(P1)으로부터 출구단(22)측의 고압 영역(P2)으로 향해 높아지는 20˚의 경사 각도(θ)를 형성하는데, 그 각도는 실험결과 고정된 것이 아니며, 실험결과 원심펌프의 종류와 용량 등에 따라 10˚ 내지 50˚의 범위내에서 변경가능한 것으로 확인된 설계적 사항이다.
유체의 펌핑 과정에서, 펌핑되는 유체의 압력에 의하여 케이싱 웨어링(230)과 임펠러 웨어링(240) 사이의 미세 간극(t1)에 유로가 형성되어 유체가 흐르게 되어 누설이 발생하는데, 그 과정에서 도 6c에 도시한 바와 같이, 제1 미세 챔버(C1)에 유입되는 유체는 통과 체적의 증가 및 흐르는 유체가 제1 미세 챔버(C1)의 벽에 부딪히면서 와류가 형성됨에 따라 유체의 압력이 감소되며, 이러한 작용은 제1 미세 챔버(C1)에 이은 제2, 제3 미세 챔버(C2,C3)에서도 일어나서, 제3 미세 챔버(C3)를 통과할 때에는 누설 유체가 갖는 압력이 크게 감소되어 누설되는 유체의 양이 극히 적게 된다.
케이싱 웨어링 스테어(231,232,233)는 마주보는 임펠러 웨어링 스테어(241,242,243)에 대하여 경사지게 형성되는 것으로 도 5, 도 6에 도시되어 있으나, 모두 직각으로 형성되거나 45˚이상의 예각을 이루거나 둔각을 이룰 수 있다.
본 발명의 케이싱과 임펠러 사이의 누설손실이 저감된 원심펌프의 운전점 효율과 정격점 효율을 측정한 결과를 아래에 기재하였다.
테스트 1
본 발명의 실시예의 케이싱과 임펠러 사이의 누설손실이 저감된 원심펌프의 효율을 K-water 과천권관리단 본부 진단팀에서 2016년 11월 29일 과천(가) 가압펌프 3호기에 대해 운전점 효율과 정격점 효율을 측정한 결과는 다음과 같다.
개선전 : 운전점 효율 81.28%, 정격점 효율 82.12% - 2015년 12월
개선후 : 운전점 효율 85.8%, 정격점 효율 86.3% - 2016년 11월
테스트 2
본 발명의 실시예의 케이싱과 임펠러 사이의 누설손실이 저감된 원심펌프의 효율을 K-water 과천권관리단 본부 진단팀에서 2016년 11월 29일 과천(가) 가압펌프 4호기에 대해 운전점 효율과 정격점 효율을 측정한 결과는 다음과 같다.
개선전 : 운전점 효율 79.5%, 정격점 효율 80.5% - 2015년 12월
개선후 : 운전점 효율 83.3%, 정격점 효율 84.7% - 2016년 11월
테스트 1 과 테스트 2에서 확인한 바와 같이, 본 발명의 실시예의 케이싱과 임펠러 사이의 누설손실이 저감된 원심펌프에 의하면, 임펠러(200)와 함께 회전되는 경사진 층상 챔버형 임펠러 웨어링 스테어(241,242,243)는 케이싱(100)의 경사진 층상 챔버형 케이싱 웨어링 스테어(231,232,233)와 결합하여 미세 환형 챔버(C1,C2,C3)를 만들어 유체의 역류, 즉 누설을 억제하고 펌핑 효율을 크게 향상시키는 개선된 효과를 얻게 된다.
위의 본 발명의 실시예의 설명에 있어서, 케이싱 웨어링 스테어와 임펠러 웨어링 스테어 사이의 미세챔버(C)는 3개가 아닌 1개 이상으로 할 수 있고, 원심펌프의 성능, 사양 및 크기 등에 따라서 웨어링 스테어의 다른 변형을 사용할 수 있음은 물론이다.
예를 들어, 케이싱 웨어링 스테어(231,232,233) 및 임펠러 웨어링 스테어(241,242,243)의 미세 챔버(C)내의 평탄면은 직선이 아닌 곡선으로 할 수도 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100 : 케이싱
140 : 케이싱 커버
200 : 임펠러
230 : 케이싱 웨어링
231,232,233 : 케이싱 웨어링 스테어
240 :임펠러 웨어링
241,242,243 : 임펠러 웨어링 스테어
C,C1,C2,C3 : 미세 환형 챔버

Claims (7)

  1. 케이싱(100), 상기 케이싱(100)의 내부에서 회전하는 임펠러(200), 하나 이상의 환형 스테어(231)가 형성되고 상기 케이싱(100)의 내면에 장착된 케이싱 웨어링(230), 하나 이상의 환형 스테어(241)가 형성되고 상기 환형 스테어(241)가 상기 케이싱 웨어링(230)의 환형 스테어(231)와 마주보게 상기 임펠러(200)에 장착되는 임펠러 웨어링(240) 및 상기 케이싱 웨어링(230)의 환형 스테어(231)와 상기 임펠러 웨어링(240)의 환형 스테어(241)의 마주보는 단턱 사이에 형성된 하나 이상의 미세 환형 챔버(C)를 포함하여 구성되는 원심 펌프에 있어서,
    상기 임펠러 웨어링(240)의 환형 스테어(241)는 평탄면에 대해 예각 또는 둔각으로 형성되고, 상기 케이싱 웨어링(230)의 환형 스테어(231)는 평탄면에 대해 둔각 또는 예각으로 형성되거나,
    상기 임펠러 웨어링(240)의 환형 스테어(241)는 평탄면에 대해 예각 또는 둔각으로 형성되고, 상기 케이싱 웨어링(230)의 환형 스테어(231)는 평탄면에 대해 동일하게 예각 또는 둔각으로 형성된 것을 특징으로 하는, 케이싱과 임펠러 사이의 누설손실이 저감된 원심펌프.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 케이싱 웨어링(230)의 환형 스테어(231) 및 상기 임펠러 웨어링(240)의 환형 스테어(241)가 형성하는 미세 환형 챔버(C)가 하나이고, 상기 케이싱(100)의 입구단측으로부터 출구단측을 향해 상향 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는, 케이싱과 임펠러 사이의 누설손실이 저감된 원심펌프.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 케이싱 웨어링(230)의 환형 스테어(231) 및 상기 임펠러 웨어링(240)의 환형 스테어(241)가 2개 이상이고, 상기 케이싱(100)의 입구단측으로부터 출구단측을 향해 상향 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는, 케이싱과 임펠러 사이의 누설손실이 저감된 원심펌프.
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JP2006022681A (ja) * 2004-07-07 2006-01-26 Hitachi Industries Co Ltd ターボ型流体機械及びこれに用いる段付シール装置
JP2014521861A (ja) * 2011-07-26 2014-08-28 ヌオーヴォ ピニォーネ ソシエタ ペル アチオニ 遠心式インペラ及びターボ機械

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