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KR101861291B1 - 동적 진동 저감형 단일유로펌프 및 이의 설계방법 - Google Patents

동적 진동 저감형 단일유로펌프 및 이의 설계방법 Download PDF

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KR101861291B1
KR101861291B1 KR1020170000245A KR20170000245A KR101861291B1 KR 101861291 B1 KR101861291 B1 KR 101861291B1 KR 1020170000245 A KR1020170000245 A KR 1020170000245A KR 20170000245 A KR20170000245 A KR 20170000245A KR 101861291 B1 KR101861291 B1 KR 101861291B1
Authority
KR
South Korea
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vibration reduction
casing
fluid force
impeller
fluid
Prior art date
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Active
Application number
KR1020170000245A
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English (en)
Inventor
김진혁
최영석
이경용
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.)
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Publication date
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Abstract

본 발명은 동적 진동 저감형 단일유로펌프 및 이의 설계방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 효율을 유지하면서 유체력에 의해 유발되는 진동을 저감하기 위한 동적 진동 저감형 단일유로펌프 및 이의 설계방법에 관한 것이다. 본 발명은 유체가 통과할 수 있는 유로 공간이 원주 방향으로 연장 형성된 벌류트 케이싱; 상기 벌류트 케이싱의 내부에 유체의 유입 및 배출을 위해 회전 가능하도록 결합된 임펠러; 상기 임펠러 내부를 통과하는 유체의 흐름에 따라 발생되는 유체력을 측정하는 계측모듈; 및 상기 유체력에 상응하는 에너지를 상기 유체력의 반작용 방향으로 발생시키는 진동저감부를 포함하며, 상기 진동저감부에 발생되는 에너지의 크기에 따라 상기 유체력에 의한 동적 진동을 감쇄시키는 것을 특징으로 하는 동적 진동 저감형 단일유로펌프를 제공한다.

Description

동적 진동 저감형 단일유로펌프 및 이의 설계방법{DYNAMIC VIBRATION REDUCTION TYPE SINGLE CHANNEL PUMP AND ITS DESIGN METHOD}
본 발명은 동적 진동 저감형 단일유로펌프 및 이의 설계방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 효율을 유지하면서 유체력에 의해 유발되는 진동을 저감하기 위한 동적 진동 저감형 단일유로펌프 및 이의 설계방법에 관한 것이다.
일반적으로 오폐수 펌프는 하수, 폐수 슬러지 등을 이송하는 펌프로, 여러 산업분야에서 다양하게 사용되고 있다.
이러한 오폐수 펌프는 일반적인 수중 펌프와 달리 이물질을 포함하는 유체를 이동시켜야 하기 때문에, 유로 막힘 현상(clogging)이 자주 발생한다. 이처럼 유로 막힘 현상은 오폐수 펌프의 양정 효율 등의 성능을 감소시키거나, 오폐수 펌프의 고장 및 파손을 유발할 수 있다. 따라서, 오폐수 펌프는 막힘 현상이 발생하지 않도록 설계하는 것이 중요하다.
도 1은 종래의 보르텍스펌프 및 단일유로펌프의 내부를 나타낸 예시도이다.
도 1의 (a)는 보르텍스(vortex)펌프이다. 상기 보르텍스 펌프는 종래의 복수의 유로를 갖는 임펠러가 적용된 오폐수 펌프의 유로 막힘 현상을 방지하기 위하여 고안된 것으로써, 임펠러 길이를 짧게 하여 유로를 넓게 확보하기 때문에 유로 막힘 현상이 발생하는 것을 방지하였다. 그러나, 상기 보르텍스 펌프는 임펠러의 길이가 짧아지면서 기존 오폐수 펌프에 비해 양정 효율이 30% 정도 밖에 미치지 못하는 문제점이 있다.
도 1의 (b)는 단일유로펌프이다. 상기 단일유로펌프는 임펠러의 내부에 하나의 유로를 형성하고, 임펠러의 회전에 따라 유로가 함께 회전하여 오폐수를 이송하도록 마련된다. 이처럼 마련된 단일유로펌프는 유로 막힘 현상이 발생하지 않으면서도 상기 보르텍스 펌프에 비해 양정효율이 2배 이상 높다는 장점이 있다. 그러나, 상기 단일유로펌프의 임펠러는 일반적인 임펠러와 달리 비대칭구조로 이루어져 있기 때문에, 단일유로펌프를 작동시 유체력의 분포가 일정하지 않아 진동이 크게 발생한다는 문제점이 있다.
따라서, 상기 단일유로펌프를 사용하기 위해서는 진동을 저감해야만 한다. 일반적으로, 펌프에 발생하는 진동은 정적 진동 및 동적 진동이 있는데, 상기 정적 진동은 상기 단일유로펌프의 임펠러에 더미를 장착하여 무게 중심을 제어하는 방법으로 저감할 수 있다.
그러나, 동적 진동은 유체의 흐름에 의해 발생하는 유체력에 의해 유발되는 진동으로써, 동적 진동을 저감하기 위해서는 단일유로펌프의 크기에 따라 유체의 흐름을 해석하고, 그에 맞는 형상을 설계하기 위해 많은 노력 및 시간이 소요된다는 문제점이 있다.
또한, 단일유로펌프의 경우, 효율과 진동이 대체적으로 상호 비례 관계를 갖기 때문에, 단일유로펌프의 진동을 낮추기 위해 단일유로펌프의 형상을 변경하면 단일유로펌프의 효율이 함께 감소하는 문제점이 있다.
따라서, 단일유로펌프의 효율을 유지하면서 진동을 저감할 수 있는 기술이 필요하다.
미국등록특허 제6837684호 (2005.01.04)
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 효율을 유지하면서 유체력에 의해 유발되는 진동을 저감하기 위한 동적 진동 저감형 단일유로펌프 및 이의 설계방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 유체가 통과할 수 있는 유로 공간이 원주 방향으로 연장 형성된 벌류트 케이싱; 상기 벌류트 케이싱의 내부에 유체의 유입 및 배출을 위해 회전 가능하도록 결합된 임펠러; 상기 임펠러 내부를 통과하는 유체의 흐름에 따라 발생되는 유체력을 측정하는 계측모듈; 및 상기 유체력에 상응하는 에너지를 상기 유체력의 반작용 방향으로 발생시키는 진동저감부를 포함하며, 상기 진동저감부에 발생되는 에너지의 크기에 따라 상기 유체력에 의한 동적 진동을 감쇄시키는 것을 특징으로 하는 동적 진동 저감형 단일유로펌프를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 진동저감부는 전자석으로 형성되며, 상기 계측모듈에서 측정된 유체력에 대응하여 상기 전자석에 흐르는 전류의 세기를 조절하고, 상기 전자석에 인가되는 자기력의 세기를 조절함으로써 상기 유체력에 의한 동적 진동을 감쇄시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전자석은 상기 계측모듈에 의해 실시간으로 측정된 상기 유체력에 상응하는 에너지를 상기 유체력의 반작용 방향으로 실시간으로 발생시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 계측모듈은 상기 벌류트 케이싱 및 상기 임펠러의 회전 각도에 따른 유체력의 크기 및 작용방향을 실시간으로 측정하도록 마련되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 벌류트 케이싱과 상기 임펠러는, 복수의 패킹부재 및 웨어링부재에 의해 상호 지지 결합되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 진동저감부는 상기 패킹부재 및 상기 웨어링부재에 마련되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 진동저감부는 상기 벌류트 케이싱의 원주 방향을 따라 상기 벌류트 케이싱의 내측 또는 외측에 연장되어 마련되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 진동저감부는 상기 벌류트 케이싱의 원주 방향을 따라 상기 벌류트 케이싱의 내측 또는 외측에 복수로 마련되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 동적 진동 저감형 단일유로펌프를 적용한 배수 처리 장치를 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 a) 벌류트 케이싱과 임펠러가 결합된 단일유로펌프를 준비하는 단계; b) 상기 임펠러 내부를 통과하는 유체의 흐름에 따라 발생되는 유체력의 크기 및 작용 방향을 측정하는 단계; 및 c) 상기 유체력에 상응하는 에너지를 상기 유체력의 반작용 방향으로 발생시키는 진동저감부를 상기 벌류트 케이싱에 배치하는 단계를 포함하며, 상기 c) 단계에서, 상기 진동저감부는 전자석을 갖고, 상기 전자석의 에너지 발생에 따라 상기 유체력에 의한 동적 진동을 감쇄시키는 것을 특징으로 하는 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 설계방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 a) 단계에서, 상기 벌류트 케이싱과 상기 임펠러는, 복수의 패킹부재 및 웨어링부재에 의해 상호 지지 결합되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 c) 단계에서, 상기 진동저감부는 상기 패킹부재 및 상기 웨어링부재에 마련되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 b) 단계는, 상기 벌류트 케이싱의 각도에 따른 유체력의 크기 및 작용 방향을 실시간으로 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 c) 단계에서, 상기 진동저감부는, 상기 벌류트 케이싱의 원주 방향을 따라 상기 벌류트 케이싱의 내측 또는 외측에 연장되어 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 c) 단계에서, 상기 진동저감부는, 상기 벌류트 케이싱의 원주 방향을 따라 상기 벌류트 케이싱의 내측 또는 외측에 복수로 마련되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 c) 단계에서, 상기 전자석은, 실시간으로 측정된 상기 유체력에 상응하는 에너지를 상기 유체력의 반작용 방향으로 실시간으로 발생시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는, 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 형상을 변경하지 않기 때문에, 효율을 유지하면서도 진동을 효과적으로 저감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 이미 제작되어 현장에서 사용되고 있는 단일유로펌프에도 적용하기 용이하다.
또한, 본 발명에 따르면, 유로 막힘 현상이 발생하지 않고, 진동이 저감되기 때문에 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 고장 및 파손의 발생 가능성이 적어지고, 교체주기도 길어진다는 점에서 경제적이다.
또한, 본 발명에 따르면, 전자석은 유체력의 크기에 대응되는 에너지를 발생하도록 에너지의 크기를 조절할 수 있어, 정밀한 제어가 가능하며, 실시간으로 변화하는 유체력의 반작용 방향에 위치한 전자석이 에너지를 발생시키도록 정밀한 제어가 가능하다. 즉, 전자석을 이용하면, 동적 진동 저감형 단일유로펌프에 대한 정밀한 진동 제어가 가능하다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 종래의 보르텍스펌프 및 단일유로펌프의 내부를 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 내부를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 임펠러를 나타낸 예시도이다.
도 4는 단일유로펌프의 한 바퀴를 회전하는 동안 발생하는 유체력의 분포도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 비정상유동해석을 설명하기 위한 임펠러 및 벌류트 케이싱의 내부 유로 형상을 나타낸 도면이다.
도 6는 본 발명의 일실시예에 따른 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 진동저감부의 설치 위치를 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 내부를 개략적으로 나타낸 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 벌류트 케이싱의 각도에 따른 유체력과 자력의 에너지를 나타낸 그래프이다.
도 9는 비정상유동해석에 따른 일반적인 단일유로펌프의 압력분포도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 압력분포도이다.
도 11은 본 발명의 일반적인 단일유로펌프와 일실시예에 따른 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 압력분포도이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 일반적인 단일유로펌프와 일실시예에 따른 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 유속에 대한 등치면(ISO-surface)도이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 설계방법의 순서도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 내부를 나타낸 개략도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 임펠러를 나타낸 예시도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 것처럼, 동적 진동 저감형 단일유로펌프(100)는 벌류트 케이싱(110) 및 임펠러(120)를 포함한다.
상기 벌류트 케이싱(110)은 유체가 통과할 수 있는 유로 공간이 원주 방향으로 연장 형성된다. 구체적으로, 상기 벌류트 케이싱(110)은 유체가 통과할 수 있는 유로가 원주 방향으로 나선형으로 연장 형성될 수 있으며, 내부에 유체가 유입 및 배출될 수 있는 출구가 형성될 수 있다.
상기 임펠러(120)는 상기 벌류트 케이싱(110)의 내부에 유체의 유입 및 배출을 위해 회전 가능하도록 결합된다. 구체적으로, 상기 임펠러(120)는 상기 벌류트 케이싱(110)의 내부 중심에 설치될 수 있으며, 상기 임펠러(120)는 대체적으로 원통 형상으로 마련될 수 있으며, 만곡 형성될 수 있다. 그리고, 도시하지는 않았으나, 상기 임펠러(120)는 모터(미도시)와 연결된 구동축(미도시)과 연결되며, 상기 모터의 동력에 의해 회전 가능하도록 마련될 수 있다. 이처럼 마련된 상기 임펠러(120)는 회전시 유입되는 유체를 원심력을 이용하여 유동시킬 수 있다.
상기 벌류트 케이싱(110)과 상기 임펠러(120)는 복수의 패킹부재 및 웨어링부재에 의해 상호 지지 결합될 수 있다. 이처럼 마련된 상기 동적 진동 저감형 단일유로펌프(100)는 오폐수에 포함된 이물질에 의해 유로 막힘 현상이 발생하지 않는다. 따라서, 상기 동적 진동 저감형 단일유로펌프(100)는 유로 막힘 현상으로 인해 유발되는 양정 효율 등의 성능이 저하되거나, 고장 및 파손이 발생되지 않는다.
또한, 상기 동적 진동 저감형 단일유로펌프(100)는 계측모듈(미도시)을 더 포함한다. 상기 계측모듈은 상기 임펠러(120) 내부를 통과하는 유체의 흐름에 따라 발생되는 유체력의 크기 및 작용방향을 실시간으로 측정할 수 있다. 특히, 상기 계측모듈은 실시간으로 상기 벌류트 케이싱(110)의 각도 및 상기 임펠러(120)의 회전 각도에 따른 유체력의 크기 및 작용방향을 측정할 수 있고, 비정상유동해석을 통해 상기 유체력의 합력 및 작용 방향을 측정 및 도출할 수도 있다. 먼저, 구체적인 비정상유동해석 방법을 하기 도면을 참조하여 설명하도록 한다.
도 4는 단일유로펌프의 한 바퀴를 회전하는 동안 발생하는 유체력의 분포도이다.
도 4는 벌류트 케이싱(110)의 입구부를 원점으로 하여 측정한 유체력의 분포를 도시한 것으로서, 비정상 유체의 흐름에 따라 발생되는 유체력의 합력은 하기 수학식 1에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112017000246408-pat00001
상기 수학식 1에서 As는 유체력 분포영역을 의미하며, 상기 유체력의 분포영역은 하기 수학식 2를 통해 산출될 수 있다.
Figure 112017000246408-pat00002
그리고, 상기 수학식1에서 Ds는 원점부터 유체력 분포영역의 질량 중심점까지의 거리를 의미하며, 하기 수학식 3을 통해 산출될 수 있다.
Figure 112017000246408-pat00003
여기서, Cx 및 Cy는 각각 상기 유체력 분포영역의 질량 중심점의 x축 좌표 및 y축 좌표를 의미하며, 상기 Cx 및 Cy는 하기 수학식4 및 수학식5를 통해 각각 산출될 수 있다.
Figure 112017000246408-pat00004
Figure 112017000246408-pat00005
상기 계측모듈은 이와 같은 비정상유동해석 방법을 통해 유체력 합력 및 작용 방향을 측정 및 도출할 수 있다. 단, 상기 계측모듈이 유체력 합력 및 작용 방향을 측정 및 도출하는 방법을 일실시예로 한정하는 것은 아니다.
한편, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 비정상유동해석을 설명하기 위한 임펠러 및 벌류트 케이싱의 내부 유로 형상을 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 것처럼, 임펠러 및 벌류트 케이싱의 내부 유로 단면적은 구간별로 나누어 비정상유동해석을 실시함으로써, 시간 및 구간에 따른 유체의 유동을 해석할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 진동저감부의 설치 위치를 나타낸 예시도이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 내부를 개략적으로 나타낸 개략도이다.
도 6 및 도 7에 도시된 것처럼, 상기 동적 진동 저감형 단일유로펌프(100)는 일측으로 편중된 압력분포로 인한 동적 진동을 저감할 수 있도록 진동저감부(130)를 더 포함한다.
구체적으로, 상기 진동저감부(130)는 상기 임펠러(120)에 작용하는 유체력의 크기와 상응하는 에너지가 상기 유체력의 반작용 방향으로 발생되도록 함으로써, 상기 진동저감부(130)의 에너지 발생에 따라 상기 유체력에 의한 동적 진동을 감쇄시키도록 마련될 수 있다. 구체적으로, 상기 진동저감부(130)는 상기 벌류트 케이싱(110)에 마련되며 선택적으로 전류가 공급되어 자력이 조절되는 전자석을 갖는다. 상기 전자석은 상기 계측모듈에서 측정된 유체력에 대응하여 전류의 세기가 조절됨에 따라, 상기 전자석에 인가되는 자기력의 세기가 조절될 수 있다. 이처럼 마련된 상기 전자석은 자기력의 세기를 조절하여 실시간으로 상기 유체력의 반작용 방향으로 상기 유체력과 동일한 에너지를 발생시킬 수 있다.
이하, 상기 진동저감부(130)의 위치와 이에따른 동적 진동 저감을 설명하도록 한다.
먼저, 상기 진동저감부(130)는 상기 벌류트 케이싱(110)과 상기 임펠러(120)를 상호 지지 결합하기 위해 마련된 상기 패킹부재 및 상기 웨어링부재에 다수로 마련될 수 있다. 또는 상기 진동저감부(130)는 상기 벌류트 케이싱(110)의 원주 방향을 따라 상기 벌류트 케이싱(110)의 내측 또는 외측에 복수로 마련될 수도 있다. 그러나, 상기 진동저감부(130)의 위치는 상기 패킹부재 및 상기 웨어링부재에 마련되는 것으로 한정되지 않으며, 상기 임펠러에 작용하는 유체력의 크기에 상응하는 에너지를 상기 유체력의 반작용 방향으로 가할 수 있는 위치라면 모두 일실시예에 포함된다.
상술한 바와 같이 상기 임펠러(120)로부터 이격되어 마련되며, 상기 벌류트 케이싱(110)의 원주 방향을 따라 복수로 마련된 다수의 상기 진동저감부(130)는 다수의 상기 진동저감부(130) 중에 상기 임펠러(120)에 작용하는 상기 유체력의 반작용 방향에 위치한 상기 진동저감부(130)의 에너지를 발생시키고, 상기 유체력의 작용 방향에 위치한 진동저감부(130)의 에너지는 발생되지 않도록 제어할 수 있다. 또한, 이처럼 마련된 상기 진동저감부(130)는 계측모듈에 의해 실시간으로 변하는 유체력의 크기 및 작용 방향에 대응하여 에너지의 발생 위치 및 크기를 실시간으로 변화할 수 있다는 점에서, 정밀한 진동 제어가 가능하다. 여기서, 상기 유체력의 크기 및 작용 방향은 전술한 바와 같이, 비정상유동해석을 통해 상기 계측모듈에 의해 도출된다.
구체적으로, 상기 유체력의 크기는 상기 임펠러(120)가 한 번 회전하였을 때를 기준으로, 상기 벌류트 케이싱(110)의 입구부(원점)에서 측정한 유체력 분포영역을 도출하고, 상기 유체력 분포영역이 가지는 넓이와 상기 유체력 분포영역의 중심점(C)과 원점(O) 사이의 거리의 값을 계산하여 구해질 수 있다. 그리고, 유체력 분포영역의 이루는 면적의 넓이가 커질수록 그리고, 유체력 분포영역의 중심점(C)부터 원점(O)까지의 거리가 늘어날수록 전체 유체력은 증가하게 된다. 반대로, 유체력 분포영역의 이루는 면적의 넓이가 좁아질수록 그리고, 유체력 분포영역의 중심점(C)부터 원점(O)까지의 거리가 줄어들수록 유체력은 감소하게 된다. 이때, 유체력 분포영역의 중심점(C)부터 원점(O)까지의 거리가 가까워질수록 유체력으로 인해 유발되는 동적 진동은 감쇄된다.
따라서, 상기 진동저감부(130)의 상기 전자석은 비정상유동해석을 통해 도출된 상기 유체력의 크기 및 유체력의 작용 방향을 상기 계측모듈로부터 전달받고, 상기 임펠러(120)에 작용하는 유체력의 반작용 방향과 대응되는 장소에 위치한 상기 전자석에 에너지를 발생시킴으로써, 상기 임펠러(120)의 유체력 분포영역의 중심점(C)을 원점(O)에 인접하도록 이동시킬 수 있다. 일 예로, 도 6에 도시된 유체력 분포영역의 중심점(C)은 제4 사분면에 위치한다. 따라서, 상기 유체력의 작용 방향은 실선의 화살표로 표시된 방향이며, 상기 진동저감부(130)는 상기 유체력의 반작용 방향인 제2 사분면의 점선으로 표시된 화살표로 표시된 방향과 대응되는 위치에 마련될 수 있다. 그리고, 상기 진동저감부(130)는 상기 임펠러(120)에 상기 유체력의 크기와 대응되는 에너지를 가해 상기 임펠러(120)에 작용하는 유체력 분포영역의 중심점(C)이 원점(O)을 향해 이동하도록 할 수 있다.
또한, 상기 진동저감부(130)는 비정상유동해석으로 도출된 유체력이 아닌 실시간으로 상기 벌류트 케이싱(110) 및 상기 임펠러(120)의 회전 각도에 따른 유체력의 크기와 이의 반작용 방향을 향해 실시간으로 에너지를 발생시키도록 마련될 수도 있다. 즉, 상기 진동저감부(130)는 실시간으로 도출되는 유체력과 동일한 에너지를 유체력의 반작용 방향으로 발생시킬 수 있다. 이때, 상기 진동저감부(130)는 불연속해서 마련된 경우, 두개 이상의 진동저감부(130)의 합력을 이용하여 제어함으로써, 유체력과 동일한 에너지를 유체력의 반작용 방향으로 발생시켜 동적 진동을 감쇄시킬 수 있다.
또한, 상기 진동저감부(130)는 도 6에 도시된 것처럼, 상기 벌류트 케이싱(110)의 원주 방향을 따라 상기 벌류트 케이싱(110)의 내측 또는 외측에 단절되는 부분 없이 연장되도록 마련될 수도 있다. 이 경우, 상기 진동저감부(130)는 실시간으로 상기 벌류트 케이싱(110)의 상기 임펠러(120)의 각도에 따른 유체력의 크기와 이의 반작용 방향을 향해 실시간으로 에너지를 발생시켜 동적 진동을 감쇄할 수 있다. 더욱 상세하게 설명하기 위해 하기 도면을 참조한다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 벌류트 케이싱의 각도에 따른 유체력과 자력의 에너지를 나타낸 그래프이다.
도 8은 특히, 상기 진동저감부(130)가 도 6에 도시된 것처럼 상기 벌류트 케이싱(1110)의 원주 방향을 따라 상기 벌류트 케이싱(110)의 내측 또는 외측에 연장되어 마련된 상태에서의 상기 벌류트 케이싱(110)의 각도에 따른 유체력과 자력의 에너지를 나타낸 그래프이다. 여기에 도시된 것처럼, 상기 벌류트 케이싱(110)의 각도에 따른 유체력의 분포와 상기 진동저감부(130)의 전자석에서 발생시킨 자력의 크기는 동일하고, 서로 반대 방향으로 작용되는 것을 확인할 수 있다. 이처럼 유체력의 크기와 상기 진동저감부(130)의 자력의 크기가 서로 동일하고 서로 방향이 반대일 경우, 유체력의 발생 방향으로 편중된 에너지가 모두 제거되어 동적 진동이 발생하지 않도록 할 수 있다.
도 9는 비정상유동해석에 따른 일반적인 단일유로펌프의 압력분포도이고, 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 압력분포도이다.
도 9 및 도 10은 상기 임펠러(120)가 한 바퀴 회전하는 동안 발생한 압력의 분포를 나타낸 것으로서, 도 9의 일반적인 단일유로펌프는 임펠러가 비대칭하기 때문에 유체력으로 유발되는 동적 진동으로 인해 압력 분포가 일측으로 편중되어 발생함을 알 수 있다. 따라서, 상기 일반적인 단일유로펌프는 진동이 크게 발생하여 고장 및 파손 가능성이 증가한다.
반면에, 도 10에 도시된 것처럼 상기 동적 진동 저감형 단일유로펌프(100)는 동적 진동이 감쇄되어 압력분포가 일반적인 단일유로펌프에 비해 고르게 형성되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 11은 본 발명의 일반적인 단일유로펌프와 일실시예에 따른 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 압력분포도이다.
도 11을 더 참조하면, 도 11의 (a)는 일반적인 단일유로펌프의 압력분포이며, 도10의 (b)는 상기 동적 진동 저감형 단일유로펌프(100)의 압력분포이다. 도 11에서 확인할 수 있듯이, 상기 동적 진동 저감형 단일유로펌프(100)는 일반적인 단일유로펌프에 비해 전체적으로 압력이 낮고, 압력 분포도 고르게 형성되어 있다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 일반적인 단일유로펌프와 일실시예에 따른 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 유속에 대한 등치면(ISO-surface)도이다.
도 12는 구체적으로, 일반적인 단일유로펌프와 동적 진동 저감형 단일유로펌프(100)의 내부로 1.5m/s의 속도로 유체가 통과할 때, 유속에 대한 등치면도이다. 그리고, 도 12의 (a)는 일반적인 단일유로펌프이며, 도 12의 (b)는 동적 진동 저감형 단일유로펌프(100)이다. 도 12에서 볼 수 있듯이, 일반적인 단일유로펌프에 비해 동적 진동 저감형 단일유로펌프(100) 내부 유로에서 유속이 고르게 형성되는 것을 확인할 수 있다.
즉, 도시된 도 9 내지 도 12를 통해 동적 진동 저감형 단일유로펌프(100)는 일반적인 단일유로펌프에 비해 유체력이 고르게 분포함을 알 수 있고, 따라서, 동적 진동 저감형 단일유로펌프(100)의 동적 진동이 크게 감쇄된다는 것을 알 수 있다.
이처럼 마련되는 동적 진동 저감형 단일유로펌프(100)는 오폐수 등을 처리하는 배수 처리 장치에 적용 가능하다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 설계방법의 순서도이다.
이하, 도 13를 더 참조하여 상기 동적 진동 저감형 단일유로펌프(100)의 설계방법을 설명하도록 한다.
먼저, 상기 동적 진동 저감형 단일유로펌프(100)의 설계방법은 벌류트 케이싱(110)과 임펠러(120)가 결합된 단일유로펌프를 준비하는 단계(S210)를 포함한다. 벌류트 케이싱(110)과 임펠러(120)가 결합된 단일유로펌프를 준비하는 단계(S210)에서, 상기 벌류트 케이싱(110)과 상기 임펠러(120)는, 복수의 패킹부재 및 웨어링부재에 의해 상호 지지 결합된 것일 수 있다.
벌류트 케이싱(110)과 임펠러(120)가 결합된 단일유로펌프를 준비하는 단계(S210) 이후에는, 상기 임펠러(120) 내부를 통과하는 유체의 흐름에 따라 발생되는 유체력을 측정하는 단계(S220)를 실시할 수 있다. 상기 임펠러(120) 내부를 통과하는 유체의 흐름에 따라 발생되는 유체력을 측정하는 단계(S220)는 상기 벌류트 케이싱(110)의 각도에 따른 유체력의 크기 및 작용 방향을 실시간으로 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 벌류트 케이싱(110)의 각도에 따른 유체력의 크기 및 작용 방향을 실시간으로 측정하는 것은 프로그램화 되어 자동으로 이루어지도록 마련될 수 있다.
또는 상기 임펠러(120) 내부를 통과하는 유체의 흐름에 따라 발생되는 유체력을 측정하는 단계(S220)는 비정상유동해석을 통해 유체력 합력의 크기 및 작용방향을 도출하도록 이루어질 수도 있다. 상기 임펠러(120) 내부를 통과하는 유체의 흐름에 따라 발생되는 상기 유체력 합력의 크기 및 작용 방향을 도출하기 위한 비정상유동해석은 프로그램화되어 마련될 수 있다. 그리고, 상기 프로그램은 상기 벌류트 케이싱(110)과 상기 임펠러(120)의 형상에 대한 기설정된 변수가 입력되면 상기 임펠러(120)에 작용하는 유체력의 크기 및 작용 방향을 자동으로 도출하도록 마련될 수 있다.
상기 임펠러(120) 내부를 통과하는 유체의 흐름에 따라 발생되는 유체력을 측정하는 단계(S220) 이후에는, 상기 유체력에 상응하는 에너지를 상기 유체력의 반작용 방향으로 발생시키는 진동저감부(130)를 상기 벌류트 케이싱(110)에 배치하는 단계(S230)를 실시할 수 있다.
상기 유체력에 상응하는 에너지를 상기 유체력의 반작용 방향으로 발생시키는 진동저감부(130)를 상기 벌류트 케이싱(110)에 배치하는 단계(S230)에서, 상기 진동저감부(130)는 상기 벌류트 케이싱(110)에 마련되되, 상기 벌류트 케이싱(110)의 외측 또는 내측에 단절 없이 연장되어 마련될 수도 있고, 복수의 패킹부재와 웨어링부재에 마련될 수도 있다. 이처럼, 상기 진동저감부(130)는 상기 임펠러(120)가 회전하면서 발생시키는 유체력의 동적 진동을 감쇄할 수 있는 위치에 배치될 수 있다.
그리고, 상기 유체력에 상응하는 에너지를 상기 유체력의 반작용 방향으로 발생시키는 진동저감부(130)를 상기 벌류트 케이싱(110)에 배치하는 단계(S230)에서, 상기 진동저감부(130)는 상기 임펠러(120)에 작용하는 유체력의 크기와 상응하는 자력을 발생시킬 수 있는 상기 전자석을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. 그리고, 상기 전자석을 갖는 상기 진동저감부(130)는 상기 유체력의 크기와 동일한 에너지(자력)를 상기 유체력의 반작용 방향으로 실시간으로 발생시켜 상기 임펠러(120)에 작용하는 유체력 분포영역의 중심점(C)을 원점(O)으로 끌어당김으로써, 상기 동적 진동 저감형 단일유로펌프(100)에 발생하는 동적 진동을 감쇄시킬 수 있다.
일 예로, 상기 임펠러(120)의 유체력 작용 방향이 4사분면 방향인 경우, 4사분면에 위치한 상기 전자석은 에너지를 발생시키지 않고, 2사분면 방향에 위치한 상기 전자석이 에너지를 발생시키도록 할 수 있다. 그리고, 유체력 작용 방향이 3사분면으로 변할 경우, 2사분면 방향에 위치한 전자석의 에너지를 감소시키고, 1사분면에 위치한 전자석에 에너지를 증가시켜 상기 임펠러(120)에 작용하는 유체력 분포영역의 중심점(C)을 원점(O)으로 끌어당겨 상기 동적 진동 저감형 단일유로펌프(100)에 발생하는 동적 진동을 감쇄시킬 수 있다.
또한, 상기 임펠러(120)의 유체력 작용 방향들에 대응하여 상기 임펠러(120)의 둘레에 위치한 상기 진동저감부(130)의 에너지를 조절할 수도 있다. 일 예로, 상기 진동저감부(130)는 상기 임펠러(120)의 유체력 작용 방향에 가까이 위치될수록 에너지가 작고 상기 임펠러(120)의 유체력 반작용 방향에 가까이 위치될수록 에너지가 크도록 할 수 있다. 즉, 상기 임펠러(120)에 작용하는 유체력의 반작용 방향에 유체력의 크기에 대응되는 에너지를 발생시키는 것을 포함하여, 상기 임펠러(120)의 진동을 저감하기 위하여 상기 임펠러(120)의 주변에 발생하는 유체력을 고려하여 상기 진동저감부(130)의 에너지를 실시간으로 조절할 수도 있다.
정리하면, 상기 유체력에 상응하는 에너지를 상기 유체력의 반작용 방향으로 발생시키는 진동저감부(130)를 상기 벌류트 케이싱(110)에 배치하는 단계(S230)에서, 상기 진동저감부(130)는 상기 유체력의 반작용 방향에 위치한 상기 패킹부재 및 상기 웨어링부재에 마련될 수 있다. 단, 상기 진동저감부(130)의 위치는 일실시예에 한정되지 않으며, 상기 진동저감부(130)의 위치는 상기 임펠러(120)에 작용하는 유체력에 상응하는 에너지를 상기 유체력의 반작용 방향에 가할 수 있는 위치라면 모두 일실시예에 포함된다. 일 예로, 상기 진동저감부(130)는 상기 벌류트 케이싱(110)의 원주 방향을 따라 상기 벌류트 케이싱(110)의 내측 또는 외측에 연장되어 마련될 수도 있다. 또한, 상기 진동저감부(130)는 상기 벌류트 케이싱(110)의 원주 방향을 따라 상기 벌류트 케이싱(110)의 내측 또는 외측에 복수로 마련될 수도 있다.
상술한 바와 같이 상기 임펠러(120)로부터 이격되어 마련되며, 상기 벌류트 케이싱(110)의 원주 방향을 따라 마련된 다수의 상기 진동저감부(130)는 상기 임펠러(120)에 작용하는 상기 유체력의 반작용 방향에 위치한 상기 진동저감부(130)의 에너지를 발생시키고, 상기 유체력의 작용 방향에 위치한 진동저감부(130)의 에너지는 발생되지 않도록 실시간으로 제어할 수 있다. 또한, 이처럼 마련된 상기 진동저감부(130)는 계측모듈에 의해 실시간으로 변하는 유체력의 크기 및 작용 방향에 대응하여 에너지의 발생 위치 및 크기를 실시간으로 변화할 수 있다는 점에서, 정밀한 진동 제어가 가능하다.
전술한 바와 같이 마련된 상기 동적 진동 저감형 단일유로펌프(100)는 상기 벌류트 케이싱(110) 및 상기 임펠러(120)의 형상을 변경하지 않아도 동적 진동을 감쇄시킬 수 있기 때문에, 양정 효율 등의 성능을 유지하면서도 진동을 효과적으로 저감할 수 있다.
또한, 상기 동적 진동 저감형 단일유로펌프(100)는 이미 제작되어 현장에서 사용되고 있는 단일유로펌프에 상기 진동저감부(130)를 설치함으로 용이하게 적용할 수 있다. 즉, 기존에 설치된 단일유로펌프를 교체하지 않고도 진동을 저감할 수 있어 경제적이다.
또한, 상기 동적 진동 저감형 단일유로펌프(100)는 유로 막힘 현상이 발생하지 않고, 진동이 효과적으로 저감되기 때문에 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 고장 및 파손의 발생 가능성이 적어지고, 상기 동적 진동 저감형 단일유로펌프(100)의 교체주기도 길어진다는 점에서 경제적이다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 동적 진동 저감형 단일유로펌프
110: 벌류트 케이싱
120: 임펠러
130: 진동저감부

Claims (16)

  1. 유체가 통과할 수 있는 유로 공간이 원주 방향으로 연장 형성된 벌류트 케이싱;
    상기 벌류트 케이싱의 내부에 유체의 유입 및 배출을 위해 회전 가능하도록 결합된 임펠러;
    상기 임펠러 내부를 통과하는 유체의 흐름에 따라 발생되는 유체력을 측정하는 계측모듈; 및
    상기 유체력에 상응하는 에너지를 상기 유체력의 반작용 방향으로 발생시키는 진동저감부를 포함하며,
    상기 진동저감부에 발생되는 에너지의 크기에 따라 상기 유체력에 의한 동적 진동을 감쇄시키고,
    상기 진동저감부는 상기 벌류트 케이싱의 원주 방향을 따라 상기 벌류트 케이싱의 내측 또는 외측에, 연장되어 마련되거나 복수로 마련되는 것을 특징으로 하는 동적 진동 저감형 단일유로펌프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동저감부는 전자석으로 형성되며, 상기 계측모듈에서 측정된 유체력에 대응하여 상기 전자석에 흐르는 전류의 세기를 조절하고, 상기 전자석에 인가되는 자기력의 세기를 조절함으로써 상기 유체력에 의한 동적 진동을 감쇄시키는 것을 특징으로 하는 동적 진동 저감형 단일유로펌프.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전자석은 상기 계측모듈에 의해 실시간으로 측정된 상기 유체력에 상응하는 에너지를 상기 유체력의 반작용 방향으로 실시간으로 발생시키는 것을 특징으로 하는 동적 진동 저감형 단일유로펌프.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 계측모듈은 상기 벌류트 케이싱 및 상기 임펠러의 회전 각도에 따른 유체력의 크기 및 작용방향을 실시간으로 측정하도록 마련되는 것을 특징으로 하는 동적 진동 저감형 단일유로펌프.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 벌류트 케이싱과 상기 임펠러는, 복수의 패킹부재 및 웨어링부재에 의해 상호 지지 결합되는 것을 특징으로 하는 동적 진동 저감형 단일유로펌프.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 진동저감부는 상기 패킹부재 및 상기 웨어링부재에 마련되는 것을 특징으로 하는 동적 진동 저감형 단일유로펌프.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 따른 동적 진동 저감형 단일유로펌프를 적용한 배수 처리 장치.
  10. a) 벌류트 케이싱과 임펠러가 결합된 단일유로펌프를 준비하는 단계;
    b) 상기 임펠러 내부를 통과하는 유체의 흐름에 따라 발생되는 유체력의 크기 및 작용 방향을 측정하는 단계; 및
    c) 상기 유체력에 상응하는 에너지를 상기 유체력의 반작용 방향으로 발생시키는 진동저감부를 상기 벌류트 케이싱에 배치하는 단계를 포함하며,
    상기 c) 단계에서, 상기 진동저감부는 전자석을 갖고, 상기 전자석의 에너지 발생에 따라 상기 유체력에 의한 동적 진동을 감쇄시키고,
    상기 진동저감부는 상기 벌류트 케이싱의 원주 방향을 따라 상기 벌류트 케이싱의 내측 또는 외측에, 연장되어 마련되거나 복수로 마련되는 것을 특징으로 하는 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 설계방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 a) 단계에서, 상기 벌류트 케이싱과 상기 임펠러는, 복수의 패킹부재 및 웨어링부재에 의해 상호 지지 결합되는 것을 특징으로 하는 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 설계방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 c) 단계에서, 상기 진동저감부는 상기 패킹부재 및 상기 웨어링부재에 마련되는 것을 특징으로 하는 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 설계방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 b) 단계는, 상기 벌류트 케이싱의 각도에 따른 유체력의 크기 및 작용 방향을 실시간으로 측정하는 것을 특징으로 하는 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 설계방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 c) 단계에서, 상기 전자석은, 실시간으로 측정된 상기 유체력에 상응하는 에너지를 상기 유체력의 반작용 방향으로 실시간으로 발생시키는 것을 특징으로 하는 동적 진동 저감형 단일유로펌프의 설계방법.
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KR101944719B1 (ko) * 2018-11-22 2019-04-17 주식회사 대영파워펌프 임펠러 외경 사이즈 설계 방법

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