KR19990062540A - 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주로 오수인 액체를 펌핑하는 원심 또는 반축류형(a half axial type) 펌프 임펠러에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 펌프 임펠러는 뒤쪽으로 심하게 기울어진 선단(6)이 마련된 하나 이상의 베인(5)을 구비한 허브(4)를 포함한다. 하나 이상의 급송 홈(8)이 펌프 하우징(1) 둘레에 베인과 대향하는 하우징 표면(7)에 배치된다.

Description

펌프

본 발명은 대체로 오수인 유체를 펌핑하는 원심 또는 반축류형(半軸流形) 펌프에 관한 것이다.

전술한 목적에 관하여 다양한 형태의 펌프와 펌프 임펠러가 문헌에 기재되어 있지만, 그들 모두에는 어느 정도의 결함이 있다. 이러한 결함은 특히, 막힘과 저효율에 관련된 것이다.

오수에는 다양한 종류의 오염물이 포함되는데, 그 양과 구성은 계절 및 오수가 방출되는 지역에 따라 다르다. 도시에서는 플라스틱재, 위생 물품, 직물 등이 보편적이지만, 산업 지역에서는 마모 입자가 방출될 수 있다. 경험상, 최악의 문제 거리는 베인의 선단(leading edge)에 달라붙어 임펠러 허브 둘레에 감기는 넝마(rags)와 같은 것이다. 이러한 사태에 의해 자주 수리를 하게 되고, 효율이 감소하게 된다.

농업 및 펄프 산업에서는 밀집, 목초, 나뭇잎 및 그 밖의 형태의 유기물을 취급하는 상이한 종류의 특수한 펌프가 사용된다. 이러한 목적상, 베인의 선단은 오염물이 선단에 들러 붙는 대신에 외주부 쪽으로 배출되도록 뒤쪽으로 만곡된다. 재료를 절단하고 유속을 더욱 용이하게 하기 위해 상이한 형태의 분해 수단이 빈번하게 사용된다. 그러한 예가, 스웨덴 특허 제435 952호와 스웨덴 특허 제375 831호 및 미국 특허 제4 347 035호에 개시되어 있다.

오수에 있는 오염물이 그 밖의 다루기에 더욱 어려운 형태이고, 오수 펌프의 작동 시간이 더욱 길어지면, 오수를 펌핑할 때 전술한 특수한 펌프는 신뢰성과 효율의 견지에서 요구를 충족시키지 못한다.

오수 펌프는 하루에 12시간까지 매우 자주 작동하는데, 이것은 에너지 소비가 펌프의 전체 효율에 크게 의존함을 의미한다.

시험에 의해서, 본 발명에 따른 오수 펌프는 기존의 오수 펌프에 비해 50%까지 효율을 향상시킬 수 있음이 입증되었다. 보통 전동(電動) 펌프의 수명 비용이 전적으로 에너지 비용(전체 비용의 80%)에 의해 좌우되므로, 이러한 극적인 향상은 아주 중요한 것임이 명백하다.

문헌에는, 펌프 임펠러의 디자인, 특히 선단의 만곡에 대해 매우 일반적으로 기재되어 있다. 상기 만곡에 대해 불명료하지 않게 정의된 것은 없다.

시험에 의해서, 선단의 스위프 각(sweep angle)의 분포의 설계가 펌프 임펠러에 요구되는 자체 세척 능력을 얻는데 매우 중요하다는 것이 밝혀졌다. 양호한 기능을 얻기 위해서는 오염물의 특성에 따라 상이한 스위프 각을 필요로 한다.

기존의 문헌은 베인의 선단을 따라 반경 방향 외부로의 오염물의 활주, 이송을 얻기 위해 필요한 어떠한 정보도 제시하지 못한다. 언급된 것으로는 스웨덴 특허 제435 952호에서처럼 대체로 선단이 둔각으로 뒤쪽으로 기울어진다는 것 등이 있다.

목초 및 기타 유기물과 같이 작은 오염물이 펌핑될 때는, 반경 방향으로 이송되고 펌프 임펠러와 이것을 에워싸고 있는 하우징 사이의 슬롯 내에 있는 오염물이 분해되는 데에는 비교적 작은 각도로도 충분할 수 있다. 실제로 임펠러가 10 내지 25 m/s의 외주 속도로 회전할 때 임펠러와 하우징의 접촉을 통해 입자가 절단됨으로써 분해가 이루어진다. 이러한 절단 공정은 절단 장치, 슬롯 등과 같은 것이 마련된 표면에 의해 개선된다.

상이한 종류의 노치(notch) 및 절단 수단이 스웨덴 특허 제435 952호와 스웨덴 특허 375 831호에 기재되어 있다. 이들 특허는 모두 베인이 견부(肩部) 뒤에 배치되는 공통점이 있다. 이러한 배치는 정수(淨水)용 고효율 펌프에 사용되는 고른 윤곽의 펌프에 비해 상당한 효율의 손실이 있음을 의미하는 것이다.

스웨덴 특허 435 952호에는 축 방향의 틈이 견부 뒤에 배치된 실시예가 개시되어 있다. 상기 특허에 따르면 오염물은 뒤쪽으로 심하게 기울어진 선단을 구비한 베인에 의해 틈으로 배출된다. 그러나, 매우 일반적으로 기재된 상기 실시예는 오수 내에 함유된 중량의 오염물을 펌핑하는 데에는 적합하지 않다.

스웨덴 특허 375 831호에는 오염물이 슬롯으로부터 중심을 향해 이송되는 반대 원리를 사용하는 해결책이 제시되어 있다. 전술한 견부와 협력하여 이러한 사실에 따라 슬롯 안으로 급송하는 것이 불가능하게 된다.

전술한 바와 같이, 오염물이 외측으로 그리고 외주부에 있는 슬롯 안으로 이송될 수 있게 하기 위해서는 베인의 선단이 가능한 한 심하게 뒤쪽으로 기울어지는 것을 하나의 조건으로 삼는다. 그렇지 않으면, 심각한 폐쇄(shut down)가 예정보다 빨리 발생할 것이다. 이러한 형태의 펌프 임펠러는 스웨덴 특허 제9704222-0호 및 스웨덴 특허 제9704223-8호에 기재되어 있다. 오염물이 외측으로 미끄러져 베인과 펌프 하우징 벽 사이에 있는 슬롯에 도달하면, 이 오염물이 선단의 외주부에 고착되어 슬롯을 막을 위험이 있다.

독일 특허 제614 426호에는 전술한 견부가 필요없으면서도 이러한 문제를 해결하는 장치가 개시되어 있다. 상기 펌프는 축 방향 입구로부터 유속 채널의 반경 방향 부분까지 꽤 급경사의 연결부가 마련된 원심 펌프이다. 여기서, 선단의 외주부는 채널의 반경 방향 부분에 마련된 연결부의 하류에 위치한다. 또한 절단 칼까지 높이가 감소되는 선단 정면의 견고한 노치와, 그 뒤로 삼각형의 횡단면과 예리한 코너가 마련되고, 외주를 향해 넓어지는 나선형 홈이 구비된 장치도 개시되어 있다. 또한, 이러한 형태의 해결책의 기본 원리는 교체 가능한 절단 수단이 오염물을 분해한다는 것이다. 예컨대, 절단 수단이 무뎌져서 오염물이 분해 되지 않는다면, 노치의 높이가 감소됨으로써 오염물이 가압되어 면적이 최소가 되는 영역 즉, 상기 절단 수단의 영역 내에서 막힘이 일어나게 된다.

따라서, 전술한 특허는 특정 조건 하에서 자체 세척 능력을 얻을 수 있지만 효율, 내마모성 및 수명에 대해서 중요한 결함이 있는 해결책을 제시하고 있는 것이다. 또한, 베인의 선단에 관한 매우 중요한 조건에 대한 상세한 정보를 제공하지 못하므로, 상기 특허에 개시된 장치를 오수를 펌핑하는 데 적용하는 것은 무의미하다.

본 발명은 종래 공지된 해결책에 수반되는 결함을 제거한 오수 펌핑용 장치를 제공하기 위한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 펌프 하우징의 사시도이고,

도 2는 본 발명에 따른 펌프의 개략적인 반경 방향의 단면도이며,

도 3은 펌프 하우징 표면을 향한 축 방향의 개략적인 평면도이고,

도 4는 펌프 하우징 표면의 홈을 관통한 원통형상의 단면도이다.

도면의 주요 부분에 대한 설명

1 : 하우징

2 : 원통형 입구

3 : 임펠러

4 : 허브

5 : 베인

6 : 선단

7 : 하우징 표면

8 : 홈

9 : 회전 방향

11 : 홈의 대향 단부

12 : 홈의 표면

13 : 홈 바닥

도면에는 원통형 입구(2)가 마련된 원심 펌프 하우징(1), 원통형 허브(4)와 베인(5)이 구비된 펌프 임펠러(3), 베인의 선단(6), 펌프 하우징 벽(7), 하주징 벽에 마련된 홈(8), 회전 방향(9) 및 회전 축(z)이 도시되어 있다. 또한 홈(8)의 대향 단부(11), 홈의 표면(12), 홈의 바닥(13) 및 그 깊이(h)도 도시되어 있다.

본 발명의 중요한 원리는 펌핑된 액체 내의 오염물이 절단 수단에 의해 분해되지 않는다는 것이다. 반면에 훨씬 튼튼한 구조물이 외주를 향해 외측으로 오염물을 배출하는데 사용된다. 이는 기계의 수명이 특히, 마모 입자를 펌핑하는 경우, 상당히 증가된다는 것을 의미한다. 또한, 이러한 구조물은 안정적인 것으로, 이는 펌프 하우징 벽의 마모가 감소됨을 의미한다.

본 발명은, 하나 이상의 베인(5)의 선단(6)이 펌프 하우징의 상류 즉, 원통형 입구(2)에 배치되고, 상기 선단은 상기 임펠러의 회전축(z)에 수직인 평면에 배치되는 특별한 형태의 펌프 임펠러(3)가 구비된 펌프에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 하나 이상의 노치 또는 홈(8)이 펌프 하우징의 벽에 마련되고, 이러한 홈은 임펠러에 대향하는 하우징 표면(7)을 지나 연장된다. 즉, 상기 홈은 원통형 입구(2)로부터 본질적으로 축 방향 펌프 하우징 표면까지 연장되며 후술하는 형태를 띤다. 하나 이상의 홈(8)은 오염물이 펌프 출구의 방향으로 급송되는 방식으로 하나 이상의 베인의 선단(6)과 협력한다.

종래 기술에 비해 그 밖의 장점과 펌프를 통한 급송을 확실하게 하기 위해서는 홈(8)은 특수한 경로와 기하학적 형상을 갖는다.

도4에 도시된 홈의 원통상 단면의 형상은 임펠러가 통과하는 측면에서 펌프 하우징 표면(7)으로의 완만한 연결부(10)에 특징이 있다. 전술한 원통상 단면에서 홈의 대향 단부(11)는 펌프 하우징 벽과 관련하여, 대체로 수직인 홈의 표면(12)으로서, 이 홈의 표면은 연속으로 대체로 타원형인 바닥(13)으로 변환되고, 특징적인 횡축을 가지며, 그 길이는 홈의 깊이의 적어도 2배이다. 이러한 바닥의 둥근 부분은 마모 입자가 2차 류(secondary current)에 의해 하우징 표면(7)으로부터 이송될 때 중요한 것으로, 이에 따라 상기 표면의 마모가 상당히 감소된다.

하우징 표면(7)으로의 완만한 연결부(10)와 홈의 바닥(13) 사이에는 대체로 직선형의 전이부(14)가 마련된다. 상기 전이부와 하우징 표면(7) 사이의 각도(γ)는 2도 내지 25도 사이의 범위에 있고, 여기서 γ는 다음의 수학식 1과 같이 정의된다.

γ = arctan(△z /(r ·△θ)),

여기서, △z는 축 방향 변위이고, r ·△θ는 접선 방향 연장부이다.

도3은, 홈(8)의 스위프 각(β)을 도시한 것으로, 여기서

여기서 dr,dθ 및 dz는 홈의 엣지에 따른 미소 변위이다.

본 발명에 따르면, 최고의 결과를 얻기 위한 스위프 각(β)은 전체 경로를 따라서 10도 내지 45도 사이의 값을 갖는다.

본 발명에 의해 지금까지 알려진 해결책에 비해 다음과 같은 몇몇 장점을 얻을 수 있다.

오염물을 처리하고 이 오염물을 떨어 내는 급송 기능에 의해, 특별하고 영구적이거나 교체 가능한 절단 수단이 필요하지 않다.

기울어진 홈(8)은 슬롯을 통한 누수가 감소되어 직접적인 효율의 증가를 초래하는 슬롯 밀봉체의 기능을 한다.

마모 입자가 홈을 통과한 후에 표면 구역으로부터 제거되므로 홈에 인접한 표면의 마모가 감소된다. 이러한 방식으로, 오수에 마모 입자가 함유된 경우에도 역시 우수한 효율이 유지된다.

펌핑된 매체 내의 마모 입자는 세부적인 원형을 보존하면서 마모시키므로 수명이 길어진다. 이는 어느 정도 마모 후에도 우수한 기능이 유지됨을 의미한다.

상기 장치는 홈(8)의 경로가 축 방향으로부터 반경 방향으로 변환되므로, 성능의 견지에서 최적의 형태를 갖는 펌프 임펠러에 적용된다.

Claims (5)

1. 뒤쪽으로 기울어진 선단(6)이 마련된 하나 이상의 베인(5)과 중앙 허브(3)로 구성된 임펠러(3)와, 원통형 입구(2)가 구비된 펌프 하우징(1)을 포함하는 오수 펌핑용 원심 또는 반축류형(半軸流形) 펌프에 있어서,

   상기 베인(5)의 선단(6)은 임펠러 축(z)에 대체로 수직인 평면에 배치되고, 하나 이상의 급송 홈(8)은 베인(5)에 대향하는 펌프 하우징(1) 벽의 표면(7)에 배치되며, 상기 홈은 입구로부터 출구 쪽으로 이어지고 임펠러의 회전 방향으로 기울어진 상기 선단 영역의 상류에 배치되는 것을 특징으로 하는 펌프.
2. 제1항에 있어서, 홈(8)의 선단과, 임펠러 축을 중심으로 하는 원호 사이의 각도인 스위프 각(β)은, 상기 선단의 모든 지점에서 β = arctan( /(r·dθ))(식 중, dr,dθ 및 dz는 홈의 선단에 따른 미소 변위임)로 정의되고, 그 값은 전체 경로를 따라 10도 내지 45도 사이인 것을 특징으로 하는 펌프.
3. 제1항에 있어서, 상기 홈(8)을 관통하는 원통상의 단면 B-B에서, 임펠러(3)가 통과하는 측면에 펌프 하우징 표면(7)의 완만한 연결부가 마련되고, 상기 홈의 경사부(14)와 펌프 하우징 표면(7) 사이의 각도(γ)는 γ = arctan(△z/(r·△θ))로 정의되며, 이 각도는 2도 내지 25도 사이인 것을 특징으로 하는 펌프.
4. 제3항에 있어서, 상기 홈(8)을 관통하는 임의의 원통형의 단면 B-B선과 같이, 상기 홈의 대향 표면(12)은 대체로 수직으로 지향되고, 이 표면(12)은 대체로 타원형인 바닥(13)으로 연속적으로 변환되는 것을 특징으로 하는 펌프.
5. 제4항에 있어서, 타원형인 상기 홈(8)의 상기 바닥(13)의 횡축의 길이는 적어도 상기 홈의 깊이(h)의 2배인 것을 특징으로 하는 펌프.