KR100346911B1 - Axial-flow fan bladedesigned by low noise fan design method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수치최적설계를 이용한 축류팬 설계 방법에 관한 것으로 특히, 임의의 날개를 최적설계의 최초형상으로 설정한 후 설계변경하고자 하는 목표치에 따른 목표함수와 대응하는 설계변수 및 설계시 필요한 제한조건을 정의하는 과정과, 유동장을 해석하기 위해 3차원 공간좌표에 대해 격자계를 형성하고 유한 체적법을 사용하여 x축을 중심으로 Ω의 각속도로 회전하는 유동장내의 3차원유동해석을 수행하는 과정과, 복합구배법을 사용하여 설계변수들에 대한 탐색방향을 결정하는 과정과, 결정된 탐색방향에 따라 1차원 탐색을 수행하여 정해진 탐색방향으로의 최적 거리를 산출하고 그에 따른 설계변수를 변경하여 목적함수를 변경하는 과정, 및 그에 따라 산출된 설계데이터가 적합한지의 여부를 판단하여 적합하지 않다고 판단되면 상기 격자계를 재 산출하여 설계변경을 재 수행하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 팬 설계 방법 및 이 방법에 따라 설계된 저소음 축류팬 날개를 제공하여, 기존의 이론식과 실험식에 따른 설계기법에서 탈피하여 큰 시행착오 없이 설계 스펙에 알맞는 최적 형태의 축류팬을 설계할 수 있다.The present invention relates to a method for designing an axial fan using a numerical optimum design, and in particular, after setting an arbitrary blade as an initial shape of an optimal design, a design function corresponding to a target function according to a target value to be changed and limitations required for design Process to define the flow rate, to form a lattice system for three-dimensional spatial coordinates to analyze the flow field, and to perform three-dimensional flow analysis in the flow field rotating at an angular velocity of Ω about the x-axis using a finite volume method. The process of determining the search direction for the design variables using the gradient method, and performing the one-dimensional search according to the determined search direction to calculate the optimal distance in the determined search direction and changing the design variables accordingly to change the objective function And determining whether or not the design data calculated accordingly is suitable. It provides a fan design method comprising the step of recalculating the system and performing design changes again, and low noise axial fan blades designed according to the method, and large-scale implementation of the design method according to the existing theoretical and empirical formulas. You can design the optimal type of axial fan to meet your design specifications without error.

Description

저소음 팬 설계 방법에 의한 축류팬 날개{Axial-flow fan bladedesigned by low noise fan design method}Axial-flow fan blade designed by low noise fan design method

본 발명은 각종 전자장치 또는 기계장치의 발열상태를 억제하기 위해 사용되는 냉각팬의 설계방법에 관한 것으로 특히, 자동차내 공조계통과 엔진 냉각계통의 주요 부품인 냉각팬에 대한 시뮬레이션적 설계 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for designing a cooling fan used to suppress heat generation of various electronic devices or mechanical devices, and more particularly, to a simulation design method for a cooling fan which is a main component of an automotive air conditioning system and an engine cooling system. will be.

일반적으로, 국내 자동차 산업의 급속한 발전 및 성장과 더불어 승용차의 고급화에 따른 승차감과 주행성능 향상을 위해 DOHC엔진의 탑재추세가 가속화되고 있다.In general, the mounting trend of the DOHC engine is accelerating to improve ride comfort and driving performance due to the rapid development and growth of the domestic automobile industry.

그러므로, DOHC엔진 장착에 따른 엔진냉각성능의 향상과 신냉매 에어컨 시스템 적용으로 인한 고압상승에 대한 대책이 시급한데, 그 해결방안으로 팬의 고효율화가 요구되고 있을 뿐만 아니라 저소음 팬의 장착이 요구되고 있어 팬 설계기술의 향상이 필요한 실정이다.Therefore, there is an urgent need to improve the engine cooling performance by installing DOHC engines and to increase the high pressure due to the application of a new refrigerant air-conditioning system. As a solution, high efficiency of the fans is required and low noise fans are required. It is necessary to improve the fan design technology.

그런데, 현재까지의 축류팬의 설계 및 효율성 향상을 위한 연구는 대부분 근사적인 적분형 해석에 의해 제손질 및 효율을 예측하는 것이였다. 이러한 근사설계방법은 설계조건을 설정하고 날개의 입출구부에서의 속도삼각형에 의해 설계결과를 예측하는 방법과 평균날개높이와 두 날개의 가운데 면에서 운동량방정식과 에너지 방정식을 1차원 또는 2차원적으로 적용하는 방법등인데, 이런 방법에서는 팬 내부에서 발생하는 볼텍스 및 2차유동 등 복잡한 유동구조를 반영하지 못하여 이를 보충하기 위해 많은 실험식이 필요하며 설계자의 경험적 요소가 매우 많이 필요하며, 새로운 형태의 팬을 설계하기 위해서는 실험식의 부족으로 많은 시행착오가 발생되는 방법이다.However, studies to improve the design and efficiency of axial fans up to now have been mostly to predict the deterioration and efficiency by approximate integral analysis. This approximate design method establishes the design conditions and predicts the design result by the speed triangle at the entrance and exit of the wing, and the momentum equation and the energy equation in the middle plane of the average wing height and the two wings in one or two dimensions. This method does not reflect complex flow structures such as vortex and secondary flow generated inside the fan, and requires many empirical formulas to compensate for this, and requires a lot of empirical elements of the designer. In order to design a large number of trial and error occurs due to the lack of empirical formula.

그러나, 팬의 성능은 날개의 기하학적 형상에 따라 좌우되므로, 복잡한 3차원 곡면의 설계는 보다 정밀한 유체역학적 유동해석으로 이차유동이나 유동의 박리등 3차원 유동현상을 고려하지 않으면 성공적으로 이루어질 수 없다는 한계가 있었으며, 상술한 설계방법은 정확한 설계기술의 확립이 어려울 뿐만 아니라 실험적 연구가 미진한 분야의 설계는 매우 많은 시간적 경제적 손실이 요구된다.However, the performance of the fan depends on the geometry of the wing, so the design of complex three-dimensional curved surfaces cannot be successfully achieved without considering three-dimensional flow phenomena such as secondary flow or separation of flow due to more accurate hydrodynamic flow analysis. In addition, the design method described above is difficult to establish accurate design technology, and design of the field where the experimental research is insufficient requires very much time and economic loss.

따라서, 상술한 근사적인 적분형 해석에 따른 종래기술의 한계를 극복하고자 근래들어 제안된 기술이 전산유체역학에 의한 유동해석기법과 최적설계기법을 결합한 설계방법이다.Therefore, in order to overcome the limitations of the prior art according to the above-described approximate integral type analysis, the proposed technique is a design method combining a flow analysis technique based on computational fluid dynamics and an optimal design technique.

상기 최적설계방법중 축류팬 날개와 역학적으로 유사한 항공기 익형의 기하학적 형상설계에 사용되어 왔던 최적설계기법은 크게 역설계방법(Inverse Design Method)과 수치최적설계방법(Numerical Optimization Method)으로 구분된다.Among the optimal design methods, the optimal design techniques that have been used for the design of the aircraft airfoil geometrically similar to the axial fan blades are largely classified into an inverse design method and a numerical optimization method.

이 방법들중, 역설계방법은 이상적인 유동특성 즉, 벽면에서의 압력 또는 속도분포를 정해 놓고 이에 합당한 물체의 형상을 구하는 방식이기 때문에 단순한 익형 등의 형상에만 사용이 되는 실정이고, 복잡한 형상을 갖는 3차원 팬 날개의 설계방법으로는 부적합한 부분이 많아 적용에 어려움이 발생한다는 단점이 있다.Among these methods, the reverse design method is used only for simple airfoil shape and complicated shape because it is a method of determining the ideal flow characteristics, that is, the pressure or velocity distribution on the wall and obtaining the shape of the object. The design method of the three-dimensional fan blade has a disadvantage that it is difficult to apply a lot of inappropriate parts.

그러나, 수치최적설계방법은 최적설계점에 대한 정보를 미리 알지 못해도 최소화 또는 최대화할 함수를 정해놓고 이를 만족할 설계변수들을 찾을 수 있으며 자동설계능력이 있고 다양한 제한 조건을 삽입할 수 있으며 유체유동과 열전달이 수반되는 여러 공학분야에 적용이 가능하다는 장점이 있으나 반면에, 반복적인 유동해석으로 인해 계산시간이 많이 소요되는 단점이 있고 더욱이 현재까지의 연구과정을 살펴보면 비점성방정식인 Euler 방정식이나 2차원적 경계층 방정식에 의한 해석을 사용하는 경우가 많아 수치최적설계방법을 적용하였을 경우 실제 유동의 각 현상들을 제대로 반영하지 못한다는 문제점이 발생되었다.However, the numerical optimal design method can determine the function to be minimized or maximized and find the design variables that can be satisfied without knowing the information about the optimal design point in advance, and it has automatic design ability, insert various constraints, fluid flow and heat transfer. This has the advantage that it can be applied to various engineering fields, but on the other hand, it takes a lot of calculation time due to the repetitive flow analysis, and furthermore, the current research process shows that the Euler equation or two-dimensional non-viscosity equation In many cases, analysis by boundary layer equations is used, which causes the problem of not properly reflecting the phenomena of real flow when the numerical optimal design method is applied.

따라서, 현재까지의 팬 날개 설계방식으로 사용되는 기존의 근사설계방법과비점성방정식이나 2차원 방정식을 유동해석수단으로 사용한 최적설계방법에서는 팬의 고효율화와 저소음화에 대한 소비자의 요구를 충족하기 어려웠으며 더욱이, 이러한 설계들이 외국의 기술을 사용함에 따라 상당부분 생산비의 상승이 발생한다는 문제점이 발생되었다.Therefore, it is difficult to meet the consumer's demand for high efficiency and low noise of the fan in the existing approximate design method and the optimal design method using the non-viscosity equation or the two-dimensional equation as the flow analysis means. Moreover, these designs use foreign technology, causing a considerable increase in production costs.

상술한 종래기술의 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 냉각용 축류팬의에 대한, 유동구조를 정확히 해석할 수 있는 정밀한 3차원 Navier-Stokes 방정식의 시뮬레이션에 의한 유동정보로서 소음을 저감시키는 함수를 개발하여 저소음을 목적으로 하는 수치최적설계방법에 의한 설계 방법을 제공하는 데 있다. 이러한 3차원 유동해석시뮬레이션을 직접적인 팬 설계수단으로 사용한 본 설계기법은 국내 및 외국에서도 처음 시도된 기법이다.An object of the present invention for solving the above-mentioned problems of the prior art is a function of reducing noise as flow information by simulation of a precise three-dimensional Navier-Stokes equation that can accurately analyze the flow structure of a cooling axial fan. The purpose of this study is to provide a design method by numerical optimum design method for low noise. This design technique using this three-dimensional flow simulation as a direct fan design means is the first attempted in Korea and abroad.

도 1은 본 발명에 따른 팬 설계 방법을 설명하기 위한 동작 순서 예시도1 is an exemplary operation sequence for explaining the fan design method according to the present invention

도 2a와 도 2b는 최적설계 이전에 입력되는 팬 날개의 정면도와 측면도2a and 2b is a front view and side view of the fan blade input before the optimum design

도 3은 설계변수의 변화과정 예시도3 is a diagram illustrating a change process of design variables

도 4는 목적함수의 변화과정 예시도4 is a view illustrating a change process of the objective function

도 5a내지 도 5c는 기존 팬 날개와 최적 팬 날개의 비교도와 최적 팬의 정면도 및 측면도5a to 5c is a comparison of the existing fan blades and the optimum fan blades and front and side views of the optimum fan

도 6은 기존 팬과 최적 팬의 소음 측정 비교 그래프6 is a graph comparing the noise measurement of the existing fan and the optimum fan

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 수치최적설계를 이용한 축류팬 설계 방법에 있어서, 현재 생산중인 팬의 3차원 형상에 대한 날개표면 좌표를 최적설계의 최초형상으로 설정하는 제 1 과정과, 상기 제 1 과정을 통해 설정되어진 초기형상중 설계변경하고자 하는 목표치에 따른 목적함수를 선정하고 그에 대응하는 기하학적 또는 유체역학적 변수를 설계변수로 설정하는 제 2 과정과, 상기 제 2 과정을 통해 목적함수와 설계변수가 설정되면 상기 설계변수를 포함하여 기하학적 변수와 유체역학적 변수들의 범위를 제한하거나 특정값을 유지하도록 하는 등의 제한조건을 정의하는 제 3 과정과, 상기 제 3 과정이 수행된 후 원하는 유동장을 해석하기 위해 3차원 공간좌표에 대해 x축을 중심으로 Ω의 각속도로 회전하는 유동장을 구성하기 위한 격자계를 형성하는 제 4 과정과, 3차원 Navier-Stokes 방정식을 유한체적법을 사용하여 이산화함으로써 유동해석을 수행하는 제 5 과정과, 복합구배법을 사용하여 설계변수들에 대한 탐색방향을 결정하는 제 6 과정과, 상기 제 6 과정을 통해 결정된 탐색방향에 따라 1차원 탐색을 수행하여 정해진 탐색방향으로의 최적 거리를 산출하고 그에 따른 설계변수를 변경하여 목적함수를 변경하는 제 7 과정과, 기설정된 설계변수와 목적함수 및 제한조건에 따라 얻어진 설계값을 상기 제 4 과정 내지 제 7 과정을 통해 변경된 설계데이터가 적합한지의 여부를 구배벡터의 값이 변하지 않는 설계범위이거나 목적함수 또는 설계변수의 값이 일정한 상대오차 이내인가로 판단하는 제 8 과정, 및 상기 제 8 과정을 통해 적합하다고 판단되면 수치최적설계를 종료하고 적합하지 않다고 판단되면 상기 제 4 과정으로 재 진행하여 설계변경을 수행하는 제 9과정을 포함하는 데 있다.A feature of the present invention for achieving the above object is, in the axial fan design method using a numerical optimum design, the first process of setting the wing surface coordinates for the three-dimensional shape of the fan currently being produced as the initial shape of the optimum design and And a second process of selecting an objective function according to a target value to be changed in the initial shape set through the first process and setting a corresponding geometric or hydrodynamic variable as a design variable, and through the second process. When a function and a design variable are set, a third process of defining a constraint such as limiting a range of geometric and hydrodynamic variables including the design variable or maintaining a specific value, and after the third process is performed, To construct a flow field that rotates at an angular velocity of Ω about the x-axis with respect to the three-dimensional spatial coordinates to solve the desired flow field. A fourth process of forming a magnetic field, a fifth process of performing a flow analysis by discretizing a three-dimensional Navier-Stokes equation using a finite volume method, and a search direction for design variables using a compound gradient method. A sixth process and a seventh process of performing an one-dimensional search according to the search direction determined through the sixth process to calculate an optimal distance in the determined search direction and changing the design variable accordingly to change the objective function; Whether the design data obtained according to the set design variable, the objective function and the constraint condition is suitable for the design data changed through the fourth to seventh steps is suitable or the design range of the gradient vector does not change or the value of the objective function or the design variable. The eighth step of determining whether the error is within the predetermined relative error, and if it is determined to be suitable through the eighth step, ends the numerical optimum design and is appropriate. If determined that the paper has to include a ninth step of performing a design change material proceeds to the fourth step.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

우선, 본 발명에서 사용되는 수학적 이론의 개념에 대하여 살펴보면, 수치최적설계기법에서 최적화 문제의 일반적 표현은 아래의 수학식 1과 같다.First, looking at the concept of the mathematical theory used in the present invention, the general expression of the optimization problem in the numerical optimization design method is shown in Equation 1 below.

여기서, 변수 x는 설계변수의 벡터이고, 윗첨자 l과 u는 각 설계변수의 하한값과 상한값을 나타낸다. 최적화 알고리즘은 다음 식과 같은 설계변수변경에 의한 반복과정을 통하여 이루어진다.Here, the variable x is a vector of design variables, and the superscripts l and u represent the lower limit and the upper limit of each design variable. The optimization algorithm is performed through an iterative process by changing the design variables as shown in the following equation.

x^q ~=~x^q-1 ~+~α_q ^* ~d ^q ~x ^ q ~ = ~ x ^ q-1 ~ + ~ α_q ^ * ~ d ^ q ~

여기서, q는 반복횟수이고, x는 수학식 1에서와 같이 x는 설계변수의 벡터이며, dq는 탐색방향이고, αq *는 탐색방향으로의 이동거리를 나타낸다.Where q is the number of repetitions, x is a vector of design variables, d q is the search direction and α q * is the moving distance in the search direction as in Equation 1.

이때, 탐색방향을 정하는 데 많이 사용되는 구배 또는 기울기 벡터(Gradient Vector)는 아래의 수학식 3과 같이 정의된다.In this case, a gradient or gradient vector that is frequently used to determine the search direction is defined as in Equation 3 below.

상기 수학식 3에 나타나 있는 바와 같이 정의되는 구배벡터란 함수 f값의 최대 변화율의 방향으로 나타나므로, 이러한 성질을 이용하여 목적함수를 최소화시키는 방법에는 구배벡터의 반대방향으로 설계변수를 변경하는 최급강하법과 전회 계산에서의 탐색방향에 관한 정보를 이용하는 복합구배법이 있다.Since the gradient vector defined as shown in Equation 3 appears in the direction of the maximum rate of change of the function f, the method of minimizing the objective function using this property is to change the design variable in the opposite direction of the gradient vector. There is a descent method and a compound gradient method using information about the search direction in the previous calculation.

이중 복합구배법을 적용하는 경우의 탐색방향은 아래의 수학식 4와 같이 정의된다.In the case of applying the double compound gradient method, the search direction is defined as in Equation 4 below.

이상으로, 수치최적설계방법에 대해 간략히 살펴보았는데, 제한조건이 있는 최적화문제의 최적변수 추적방법에는 패널티함수를 사용한 순차비 제한 최소화기법(Sequential Unconstrained Minimization Technique; SUMT)이 복잡한 문제의 해결에 용이하므로, 상기 순차비제한 최소화기법을 적용한 즉, 상기 수치최적설계방법에서의 목적함수에 패널티함수를 추가한 새로운 목적함수를 사용하고자 하는데 새로운 목적함수를 정의하면 아래의 수학식 5와 같다.Above, we have briefly reviewed the numerical optimal design method, and the sequential unconstrained minimization technique (SUMT) using penalty function is easy to solve the complex problem in tracking optimal variables of optimization problems with constraints. In addition, the sequential ratio limit minimization technique is applied, that is, a new objective function is added to the objective function in the numerical optimal design method. The new objective function is defined as in Equation 5 below.

이때, 상기 수학식 5에서 rp는 패널티 변수이고, ε는 과도변수(transition parameter)이며, C는 상수이다.In this equation, r p is a penalty variable, ε is a transition parameter, and C is a constant.

또한, 본 발명에서는 회전 축류팬을 지나는 유동에서 목적함수 및 그 도함수들을 구하기 위해 비압축성 3차원 정상유동에 대한 연속방정식, 운동량방정식에 대한 수치해를 구하는데, 이 방정식들은 직교좌표계에서 아래의 수학식 6과 같은 형태를 갖는다.In addition, the present invention obtains numerical solutions to the continuous equations and momentum equations for incompressible three-dimensional steady flow in order to obtain the objective function and its derivatives in the flow through the rotating axial fan. Has the same form as

상기 수학식 6에서 x, y, z 은 x축을 중심으로 Ω의 각속도로 회전하는 회전좌표들을 나타낸다. 또한, 좌표계의 회전에 따른 원심가속도와 Coriolis가속도는 R에 포함되어 있다.In Equation 6, x, y, z represent rotational coordinates that rotate at an angular velocity of Ω about the x-axis. In addition, centrifugal acceleration and Coriolis acceleration according to the rotation of the coordinate system are included in R.

상기 Navier-Stokes 방정식을 통한 유동장의 해석법을 팬의 설계에 사용한 이유는 상기 Navier-Stokes 방정식을 통해 유동장을 해석할 경우 팬 내부에서 발생하는 2차유동 및 볼텍스 등 매우 미세한 유동구조까지 파악할 수 있어 부정확한 실험식이나 경험적 요소를 사용하지 않고 상당한 정확성과 실효성을 얻을 수 있기 때문이다. 이러한 정확한 정보를 수치최적설계알고리즘에 바로 전달하여 최적의 형상을 얻을 수 있다.The reason why the Navier-Stokes equation is used for the design of the fan is that the Navier-Stokes equation can be used to analyze the flow field through the Navier-Stokes equation. This is because significant accuracy and effectiveness can be achieved without using an empirical or empirical element. This accurate information can be passed directly to the numerical optimal design algorithm to obtain the optimal shape.

또한, 본 발명에서는 비직교곡선좌표계로 변환된 지배방정식들을 이산화하기 위해 유한체적법(finite volume method; FVM)을 사용하였으며, 이를 위해서 운동량방정식을 3차원문제에 맞는 확장된 지배방정식으로 전환하였다. 이 과정에서 대류항에 대하여 Linear Upwind Differencing Scheme를 사용하였고, 확산항에 대해서는 Central-difference approximation을 사용하였다.In addition, in the present invention, the finite volume method (FVM) is used to discretize the governing equations transformed into the non-orthogonal curve coordinate system, and for this purpose, the momentum equation is converted into an extended governing equation for 3D problems. In this process, linear upwind differencing scheme is used for convective terms and central-difference approximation is used for diffusion terms.

따라서, 본 발명에서는 미분방정식이 이산화된 대수식을 풀기 위해서 Strongly Implicit Procedure(SIP)를 사용하였고, 속도-압력 보정알고리즘으로 SIMPLEC 방법을 사용하였다. 난류유동의 해석을 위해서는 Navier-Stokes 방정식에 따른 모델로서 표준 k-ε모델과 k-ω모델을 사용하였다.Therefore, in the present invention, a Strongly Implicit Procedure (SIP) was used to solve the discretized logarithm of the differential equation, and the SIMPLEC method was used as the speed-pressure correction algorithm. For the analysis of turbulent flow, standard k-ε and k-ω models were used as models according to the Navier-Stokes equation.

또한, 유동의 계산영역 경계면을 입구경제면(inlet boundary), 출구경계면(outlet boundary), 벽경계면(wall boundary)과 주기경계면(periodic boundary)으로 나누어 각각의 경계조건을 주었다.In addition, the boundary of the computational domain of the flow was divided into an inlet boundary, an outlet boundary, a wall boundary, and a periodic boundary.

연속적인 형상 변경에 따른 격자계의 재생성이 효과적으로 반복수행되어야 하므로 과도한 시간이 소요되는 미분형 격자생성법 보다는 대수형 격자 생성법을 채택하는 것이 바람직함에 따라 2차원적 교차보간함수를 사용한 격자생성코드를 개발하여 사용하였다.Since the regeneration of the grid system due to the continuous shape change should be repeated effectively, it is preferable to adopt the logarithmic grid generation method rather than the excessively time-dependent differential grid generation method. Used.

설계변수로서는 팬의 날개가 회전방향으로 휘는 정도를 나타내는 스윕각(γ) 에 관련된 변수들을 선택하였다. 스윕각의 분포를 2차함수로 나타내었을 때, 첫 번째 설계변수는 평균날개 높이에서의 스윕각이고, 두 번째 설계변수는 날개끝에서의 스윕각인데 이는 최대 스윕각에 해당하며 이를 수식으로 표현하면 아래의 수학식 7과 같이 정의할 수 있다.As design variables, variables related to the sweep angle (γ) representing the degree of warpage of the fan blades were selected. When the distribution of the sweep angle is expressed as a quadratic function, the first design variable is the sweep angle at the average wing height, and the second design variable is the sweep angle at the tip of the wing, which corresponds to the maximum sweep angle, which is expressed as an equation. If it can be defined as shown in Equation 7 below.

이러한, 수학적 산술에 의해 축류팬의 최적설계를 위한 수학적 이론을 살펴보았다. 따라서, 상기와 같은 산술적 이론을 적용하여 축류팬의 최적 설계를 위한 본 발명에 따른 팬 설계방법을 살펴보기로 한다.The mathematical theory for the optimal design of axial fan by mathematical arithmetic was examined. Therefore, the fan design method according to the present invention for the optimal design of the axial fan by applying the above arithmetic theory will be described.

도 1은 본 발명에 따른 팬 설계 방법을 설명하기 위한 순서도로서, 도시하지는 않았으나 본 발명에 따른 설계 방법은 각종 유체기계의 설계가 가능하고 3차원 형상도면외에 3차원 속도, 압력, 난류등의 각종 정보의 그래픽 처리를 위한 데이터지원을 하며, 공학용컴퓨터(workstation)과 개인용 컴퓨터에서 작동가능하다.1 is a flow chart for explaining a fan design method according to the present invention, although not shown, the design method according to the present invention is capable of designing a variety of fluid machines, and in addition to the three-dimensional shape drawings, various three-dimensional speed, pressure, turbulence, etc. It provides data support for the graphics processing of information and can be run on workstations and personal computers.

우선, 본 발명에서 적용하고자 하는 기술적 사상의 흐름을 단계별로 살펴보면, 초기팬의 형상구현단계, 설계변수의 정의단계, 목적함수의 정의단계, 제한조건의 부여단계, 격자계의 생성단계, 3차원 유동해석 단계, 탐색방향의 결정단계, 탐색방향으로의 1차원 탐색단계, 수렴조건의 판단단계, 및 설계변경단계 순으로 진행한다.First, looking at the flow of the technical ideas to be applied in the present invention step by step, the shape implementation step of the initial fan, the definition step of the design variable, the definition step of the objective function, the step of giving constraints, the generation step of the grid system, the three-dimensional flow The analysis step, the determination of the search direction, the one-dimensional search in the search direction, the determination of the convergence condition, and the design change step are performed in this order.

따라서, 상술한 각 단계를 간략히 설명하면, 초기팬의 형상구현단계는 최적설계의 대상이 되는 모델에 대한 초기형상을 구현한다. 이 초기형상은 채택한 설계변수에 의해 그 형상이 변화되는데 이 초기형상으로서 기존의 모델을 설정할 경우 기존모델의 성능을 원하고자 하는 방향으로 향상시키며, 또한 초기형상으로서 설계조건만 주어질 경우 1, 2차원 설계와 준3차원 설계를 통하여 초기형상을 구현하여 이를 최적설계의 초기형상으로 사용한다.Therefore, briefly describing each of the above-described steps, the shape implementation step of the initial fan implements the initial shape for the model that is the object of optimal design. This initial shape changes its shape according to the adopted design variables. When the existing model is set as the initial shape, the performance of the existing model is improved in the desired direction. Also, if only the design conditions are given as the initial shape, one or two dimensions are given. The initial shape is implemented through design and quasi-three-dimensional design and used as the initial shape of the optimal design.

또한, 설계변수의 정의단계는 초기형상중 설계변경하고자 하는 기하학적 또는 유체역학적 변수를 설계변수로 설정한다.In addition, the step of defining design variables sets the geometric or hydrodynamic variables to be changed in the initial shape as design variables.

또한, 목적함수의 정의단계는 설계의 목표라고도 할 수 있는 부분인데, 최적설계알고리즘은 이 목적함수의 값을 최소화 또는 최대화하는 방향으로 설계변경을 하게 된다. 예를 들어, 압력계수, 유량계수, 효율등이 목적함수로서 선정될 수 있으나 본 연구에서는 소음감소 및 풍량의 증가를 위해 새로운 목적함수를 개발하였다. 이 목적함수가 물리적으로 타당해야 설계자가 원하는 방향으로 설계를 자동화할 수 있다.In addition, the definition of the objective function can be referred to as the design goal. The optimal design algorithm changes the design to minimize or maximize the value of the objective function. For example, pressure coefficients, flow coefficients, and efficiency can be selected as objective functions. In this study, new objective functions were developed to reduce noise and increase air volume. This objective function must be physically valid so that the designer can automate the design in the desired direction.

또한, 제한조건의 부여단계는 설계변수를 포함하여 기하학적 변수와 유체역학적 변수들의 범위를 제한하거나 특정값을 유지하도록 하는 등의 제한조건을 부여할 수 있다.In addition, the step of granting the constraints may impose constraints such as limiting the range of geometrical and hydrodynamic variables including design variables or maintaining a specific value.

또한, 격자계의 생성단계는 원하는 유동장을 해석하기 위한 전처리 과정으로서 유동장내 계산점을 결정하는 격자계를 생성한다.In addition, the generating step of the lattice system is a pretreatment process for analyzing the desired flow field to generate a lattice system for determining the calculation point in the flow field.

또한, 3차원 유동해석 단계는 유한체적법(Finite volume method)을 사용하여 유동장내의 유동해석을 하며 최적설계알고리즘에서 필요한 목적함수나 민감도 해석을 위한 정보를 제공한다. 이 3차원유동해석은 최적설계결과의 질을 결정하는 중요한 부분이다. 문헌조사결과 점성유동의 3차원해석을 최적설계에 이용한 예는 없으며, 본 발명에서의 시도는 매우 우수한 설계를 가능케 한다.In addition, the three-dimensional flow analysis step uses the finite volume method to perform the flow analysis in the flow field and provides information for the objective function or sensitivity analysis required by the optimal design algorithm. This three-dimensional flow analysis is an important part of determining the quality of optimal design results. As a result of the literature review, there is no example of using the three-dimensional analysis of viscous flow in the optimum design, and the attempt in the present invention enables a very good design.

또한, 탐색방향의 결정단계는 복합구배법(Conjugate gradient method)등을 사용하여 설계변수들에 대한 탐색방향을 결정하며, 이 방향으로 설계변수를 변경하면 목적함수의 값을 향상시킬 수 있다.In addition, the step of determining the search direction determines the search direction for the design variables by using a conjugate gradient method, and by changing the design variable in this direction, the value of the objective function can be improved.

또한, 탐색방향으로의 1차원 탐색단계는 탐색방향이 정해지면 이 방향으로의 최적거리를 구한다. 이 최적거리가 구해지면 여기에서 얻어진 변수는 전단계의 변수에 비해 향상된 목적함수의 값을 갖는다.Further, in the one-dimensional search step in the search direction, the optimum distance in this direction is determined when the search direction is determined. Once this optimal distance is found, the variable obtained here has the improved value of the objective function compared to the previous step.

또한, 수렴조건의 판단단계는 수치최적설계의 수렴조건은 구배벡터의 값이 변하지 않는 설계범위이거나 목적함수 또는 설계변수의 값이 일정한 상대오차 이내일 때 등으로 정하여 이를 만족하면 최적설계가 종료된 것으로 판단한다.The convergence condition of the numerical optimum design is that the convergence condition of the numerical optimal design is defined as the design range in which the value of the gradient vector does not change or when the value of the objective function or design variable is within a constant relative error. I think that.

또한, 설계변경단계는 탐색방향과 탐색방향으로의 이동거리로서 최적의 변수를 찾는다. 이 변수로서 정의된 형상을 기준으로 다시 격자계를 생성하고 위와 같은 방법을 수렴조건이 만족될 때까지 반복한다.In addition, the design change step finds an optimal variable as the search direction and the moving distance in the search direction. Create the grid system again based on the shape defined as this variable and repeat the above method until the convergence condition is satisfied.

상술한 기술적 사상의 흐름을 순서도로 도시하면 첨부한 도 1에 도시되어 있는 바와같은데, 첨부한 도 1에 도시되어 있는 동작 순서를 살펴보면, 스텝 S101에서는 초기팬의 형상구현 즉, 최적설계의 대상이 되는 모델에 대한 초기형상을 구현한다. 이 초기형상은 기존 축류팬의 3차원 형상에 대한 날개표면 좌표를 최적설계의 최초형상으로 설정한 것으로 채택한 설계변수들에 의해 그 형상이 변화되는데 이 초기형상으로서 기존의 모델을 설정할 경우 기존 모델의 성능을 원하고자하는 방향으로 향상시키며 또한, 초기형상으로서 설계조건만 주어질 경우 1차원설계와 2차원 공기역학적 설계를 통하여 초기형상을 구현하여 이를 최적설계의 초기형상으로서 사용한다.The flow of the technical idea described above is illustrated in the accompanying FIG. 1. Referring to the operation sequence shown in the attached FIG. 1, in step S101, the shape of the initial fan, that is, the object of the optimal design is determined. Implement the initial shape for the model. This initial shape sets the wing surface coordinates of the three-dimensional shape of the existing axial fan as the initial shape of the optimal design. The shape is changed by the design variables adopted. If the design condition is given as the initial shape, and the design condition is given as the initial shape, the initial shape is implemented through the one-dimensional design and the two-dimensional aerodynamic design and used as the initial shape of the optimum design.

이후, 스텝 S102에서는 설계변수를 정의하는데, 초기형상중 설계변경하고자 하는 기하학적 또는 유체역학적 변수를 설계변수로 설정한다. 또한, 스텝 S103에서는 목적함수를 정의한다. 이때, 목적함수는 상기 수학식 5와 같이 설정되는데, 최적 설계 알고리즘은 이 목적함수의 값을 최소화 또는 최대화하는 방향으로 설계변경을 하게 된다. 예를 들어, 압력계수, 유량계수, 효율이나 본 발명에서와 같은 난류운동에너지와 압력수두의 비 등이 목적함수로 선정될 수 있다.Thereafter, in step S102, design variables are defined, and geometric or hydrodynamic variables to be changed in the initial shape are set as design variables. In addition, in step S103, an objective function is defined. In this case, the objective function is set as shown in Equation 5, and the optimal design algorithm changes the design in a direction that minimizes or maximizes the value of the objective function. For example, the pressure coefficient, flow coefficient, efficiency or ratio of turbulent kinetic energy and pressure head as in the present invention may be selected as the objective function.

상술한 바와 같이, 스텝 S102와 스텝 S103의 과정을 통해 설계변수와 목적함수가 설정되면, 스텝 S104에서는 설계변수를 포함하여 가하학적 변수와 유체역학적 변수들의 범위를 제한하거나 특정값을 유지하도록 하는 등의 제한조건을 부여하는데, 이 부분은 수치최적설계 알고리즘에 설계자의 각종 요구를 반영하고 수치적 안정성을 보장하며, 구조해석에 의한 결과도 이 부분에 삽입하여 최적 설계시 반영할 수 있다.As described above, when the design variable and the objective function are set through the process of step S102 and step S103, in step S104 to limit the range of the geometrical and hydrodynamic variables including the design variable or to maintain a specific value, etc. This part reflects the various requirements of the designer in the numerical optimal design algorithm and guarantees the numerical stability, and the result of the structural analysis can be inserted in this part and reflected in the optimal design.

이후, 스텝 S105에서는 격자계를 생성시키는데, 격자계는 원하는 유동장을 해석하기 위한 전처리과정으로서 유동장내 계산점을 결정하는 상기 수학식 6에 따른 격자계를 생성한다.Thereafter, in step S105, a lattice system is generated. The lattice system generates a lattice system according to Equation 6 above to determine a calculation point in the flow field as a preprocessing process for analyzing a desired flow field.

상기 스텝 S105의 과정을 통해 격자계를 생성한 이후에는 스텝 S106으로 진행하여 3차원유동해석을 수행하게 되는데, 이는 유한체적법을 사용하여 유동장내의 유동해석을 하며, 최적설계 알고리즘에서 필요한 목적함수나 민감도 해석을 위한 정보를 제공한다.After generating the lattice system through the process of step S105, the flow proceeds to step S106 to perform the three-dimensional flow analysis, which performs the flow analysis in the flow field using the finite volume method, and the objective function or sensitivity required by the optimal design algorithm. Provide information for interpretation.

이후, 스텝 S107의 과정에서는 상기 수학식 4에 따른 복합구배법을 사용하여 설계변수들에 대한 탐색방향을 결정하며 스텝 S108로 진행한다. 이때, 스텝 S107에서 결정된 탐색방향에 의해 설계변수를 변경하면 목적함수의 값을 향상시킬 수 있다.Thereafter, the process of step S107 determines the search direction for the design variables by using the compound gradient method according to Equation 4, and proceeds to step S108. At this time, if the design variable is changed by the search direction determined in step S107, the value of the objective function can be improved.

상기 스텝 S108에서는 상기 스텝 S107에서 결정된 탐색방향에 따라 1차원 탐색을 수행하게 되는데 즉, 정해진 탐색방향으로의 최적거리를 산출하게 된다. 이 과정을 통해 산출되는 최적거리는 전단계의 변수에 비하여 향상된 목적함수의 값을 갖는다.In step S108, a one-dimensional search is performed according to the search direction determined in step S107, that is, an optimum distance in the determined search direction is calculated. The optimal distance calculated through this process has the value of the improved objective function compared to the previous stage variable.

상술한 스텝 S105 내지 스텝 S108의 과정을 통해 기설정된 설계변수와 목적함수 및 제한조건에 따라 얻어진 설계값을 스텝 S109에서는 수렴조건에 적합한가를 판단한다. 이는 수치최적설계의 수렴조건으로 구배벡터의 값이 변하지 않는 설계범위이거나, 목적함수 또는 설계변수의 값이 일정한 상대오차 이내일 때 등으로 정하여 이를 만족하면 최적설계가 종료된 것으로 판단하는 것이다.In step S109, it is determined whether the design value obtained according to the predetermined design variable, the objective function, and the constraint condition through the process of steps S105 to S108 described above is suitable for the convergence condition. This is a design range where the gradient vector does not change as a convergence condition of the digital optimum design, or when the value of the objective function or design variable is within a certain relative error, and the like is determined to be the best design.

이때, 상기 스텝 S109에서 현재 설계된 값들이 수렴조건에 부적합하다고 판단하면 스텝 S110으로 진행하여 설계변경모드로 진행한 후 상기 스텝 S105로 진행한다.At this time, if it is determined in step S109 that the currently designed values are unsuitable for the convergence condition, the process proceeds to step S110 to the design change mode and then to step S105.

따라서, 이러한 알고리즘에 따른 팬설계시 최적설계에 따른 팬의 형상 변형과 도출 가능한 효과 및 비교 실험치를 첨부한 도면을 참조하여 살펴보기로 한다.Therefore, the fan's shape deformation, derivable effects and comparative experiments according to the optimum design when designing the fan according to this algorithm will be described with reference to the accompanying drawings.

도 2a와 도 2b는 최적설계 이전에 입력되는 팬 날개의 정면도와 측면도이며, 도3은 설계변수의 변화과정 예시도이고, 도 4는 목적함수의 변화과정 예시도이며,도 5a내지 도 5c는 기존 팬 날개와 최적 팬 날개의 비교도와 최적 팬의 정면도 및 측면도이고, 도 6은 기존 팬과 최적 팬의 소음 측정 비교 그래프이다.2a and 2b is a front view and a side view of the fan blade input before the optimum design, Figure 3 is an illustration of the process of changing the design parameters, Figure 4 is an illustration of the process of changing the objective function, Figures 5a to 5c A comparison of the existing fan blades with the optimum fan blades and a front view and a side view of the optimum fan, Figure 6 is a graph comparing the noise measurement of the existing fan and the optimum fan.

도 2a와 도 2b에 도시되어 있는 팬 날개의 정면도와 측면도는 기존에 생산되는 제품으로서, 최적설계의 목적를 소음 저감으로 설정한 후 이하에서 소음 저감의 목적 달성을 위한 설계 변경의 예를 들어보이기로 한다.Front and side views of the fan blades shown in Figures 2a and 2b is a conventionally produced product, after setting the purpose of the optimum design to reduce the noise to the following examples of design changes to achieve the purpose of noise reduction do.

따라서, 소음저감을 위해 본 발명에서는 수학식 8과 같이 목적함수를 개발하였다.Therefore, in order to reduce noise, the present invention has developed an objective function as shown in Equation (8).

이때, 상기 압력수두(H)는 팬입구부를 기준으로 출구부에서의 압력의 상승량인데 기존 설계방법에서는 간단한 식에 의해 기술되었으나 이는 매우 부정확하므로, 본 발명에서는 수십만개내지 수백만개의 격자점에서 3차원 Navier-Stokes방정식을 유한체적법으로 시뮬레이션하는 유동해석기법을 사용하여 계산된 정확한 값을 구한다. 난류운동에너지생성율(G)도 유동해석시에 난류항을 계산하여 산출되는 값을 유동장 전역에서 적분한 값이다.At this time, the pressure head (H) is the amount of increase in the pressure at the outlet portion based on the fan inlet portion, which is described by a simple equation in the existing design method, but because it is very inaccurate, in the present invention three-dimensional at hundreds of thousands to millions of grid points The exact value is calculated using the flow analysis technique which simulates the Navier-Stokes equation by the finite volume method. The turbulent kinetic energy generation rate (G) is also the value obtained by calculating the turbulent term in the flow analysis and integrating it throughout the flow field.

이상의 설명으로 설계변수로는 모든 기하학적 요소가 가능하겠으나, 이하의 설명에서는 날개의 스윕각과 관련된 함수로서 정의한다.In the above description, all geometric elements are possible as design variables, but the following description is defined as a function related to the sweep angle of the wing.

따라서, 날개의 스윕각과 관련된 함수로 한정한 설계변수는 첨부한 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 변화하게 되며, 상기 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 설계변수가 변화함에 따라 상기 수학식 8에서 정의한 목적함수의 산출값이 첨부한 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 107.9에서 89.6으로 변화하게 된다.Therefore, the design variable defined as a function related to the sweep angle of the blade is changed as shown in FIG. 3, and the objective defined by Equation 8 as the design variable is changed as shown in FIG. The calculated value of the function is changed from 107.9 to 89.6 as shown in FIG.

상기 도 3의 설계변수의 변화과정을 살펴보면 최초형상에서의 스윕각이 0o이나 본 발명에서 개발한 최적설계기법을 통해 얻은 최종설계단계에서의 스윕각은 평균날개높이에서 -3.86o이고 날개끝단에서는 9.93o이다. 따라서 허브와 평균날개높이, 그리고 날개끝단에서의 세 가지 스윕각들을 수학식 7의 경계조건으로 사용하여 축류팬 날개의 반경방향 스윕각 γ(rn)의 분포를 정의하면 γ(rn)=35.3rn 2-25.37rn이 된다. 상기 rn은 무차원화된 반경을 의미하는 것으로서,rn=(r-rh)/(rt-rh)와 같은 식으로 정의되며, 여기서 rt는 팁반경, rh는 허브반경이며, r은 축류형팬의 축중심에서 임의 위치까지의 반경방향 거리가 된다. 그리고 상기 팁(tip)은 축중심에서 가장 먼 곳에 위치하는 날개의 끝을 의미하며, 팁반경(tip radius) rt은 축중심에서 상기 팁까지의 거리를 의미한다. 상기한 평균날개높이 rm은 허브 반경을 rh ,팁반경을 rt이라고 할 때, 유로면적을 이등분하는 반경으로서, rm=((rt 2+rh 2)/2)0.5와 같이 정의된다.도 5b에 도시한 바와 같이, 스윕각 γ(rn)은 팬의 날개가 회전방향으로 휘는 정도를 각도로 나타내는 것으로, 주어진 반경방향위치(r)에서의 스윕각이라 함은, 팬의 허브와 날개 경계위치에서의 코드(chord)중심과 팬중심을 통과하는 반경방향의 선과 주어진 반경방향위치(r)에서의 날개의 코드중심과 팬중심을 통과하는 선이 이루는 각으로서, 회전방향측을 (+), 역회전방향측을 (-)로 정의한다.3, the sweep angle in the initial shape is 0 o, but the sweep angle in the final design stage obtained through the optimal design method developed in the present invention is -3.86 o at the average wing height and the tip of the wing. Is 9.93 o . Therefore, defining the hub and the average blade height, and the radial sweep of the axial fan blades, using the three sweep angle of the wing tip to the boundary conditions of Equation (7) distribution of the γ (r n) γ (r n) = 35.3r n 2 -25.37r n . R n means a dimensionless radius, and is defined as r n = (rr h ) / (r t -r h ), where r t is the tip radius, r h is the hub radius, and r Is the radial distance from the axial center of the axial fan to any position. And the tip (tip) means the end of the wing which is located farthest from the axis center, tip radius (r t ) means the distance from the axis center to the tip. The average wing height r m is a radius that divides the flow path area into two when the hub radius is r h and the tip radius is r t , such as r m = ((r t 2 + r h 2 ) / 2) 0.5 As shown in Fig. 5B, the sweep angle γ (r n ) represents the degree to which the fan blades bend in the rotational direction as an angle, and the sweep angle at a given radial position r means the fan. The direction of rotation between the cord and fan centers at the hub and blade boundary of the blade and the line passing through the cord and fan centers of the blade at a given radial position (r). The side is defined as (+) and the reverse direction is defined as (-).

이에, 첨부한 도 5a에서 점선으로 표시되어 있는 기존의 팬 날개의 형상이 실선으로 표시한 최적설계 완료된 팬의 날개형상으로 변경된다. 도 5b와 도 5c는 최적설계 완료된 팬의 정면도와 측면도이다.Accordingly, the shape of the existing fan blades indicated by dotted lines in FIG. 5A is changed to the blade shape of the optimally designed fan indicated by solid lines. 5B and 5C are front and side views of an optimally designed fan.

상술한 바와 같이 최적설계된 팬을 제작한 후 기존의 팬과 동일한 모터회전을 걸어준 후 소음측정(측정 위치: 팬의 중심에서 전방 1m 지점)을 수행한 결과 첨부한 도 6에 도시되어 있는 바와 같이 기존의 축류팬에서의 소음은 71dB(A)인데 반하여 최적설계된 축류팬의 경우 66.5dB(A)로 소음이 측정됨에 따라 소음 감축의 정도가 4.5dB(A)정도인 것을 알 수 있다. 이에 따라, 소음이 크게 감축된 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 6, the result of performing the noise measurement (measurement position: 1m forward from the center of the fan) after applying the same motor rotation as that of the existing fan after fabricating the optimally designed fan as described above. The noise of the existing axial fan is 71dB (A), whereas the optimum design of the axial fan is 66.5dB (A), and the noise reduction is about 4.5dB (A). Accordingly, it can be seen that the noise is greatly reduced.

상술한 같이 본 발명에 따른 팬 설계 방법을 제공하여, 기존의 이론식과 실험식에 의한 근사설계기법에서 탈피하여 수학과 유체역학 및 유체기계 이론을 유기적으로 사용하고 특히 3차원 점성유동방정식을 컴퓨터 시뮬레이션 방법으로 해석하여 효과적으로 최적의 형태를 갖는 축류팬을 설계할 수 있다.As described above, by providing a fan design method according to the present invention, it is possible to break away from the approximate design method based on the existing theoretical and experimental formulas, and to use mathematics, hydrodynamics, and fluid mechanical theory organically. By analyzing, it is possible to design an axial fan with an optimal shape effectively.

따라서, 종래의 수치최적설계의 방법에서는 2차원 Euler방정식 등 비점성방정식에 의한 유동정보를 사용하였기 때문에 복잡한 송풍기의 유동현상을 설계에 반영할 수 없었으나, 본 발명에서는 3차원 Navier-Stokes방정식을 사용하였기 때문에 점성의 영향뿐만 아니라 아주 복잡한 유동현상도 시뮬레이션을 통하여 예측이 가능하므로 설계의 정확성이 매우 높다. 이러한 3차원 점성유동해석을 수치최적설계에 직접 반영한 예는 지금까지 세계적으로 발표된 바가 없다. 또한 기존의 방법에서는 단순히 효율, 정압 등의 향상을 목적으로 하였으나, 본 발명에서는 난류운동에너지와 압력수두의 비를 소음을 예측하는 함수로서 개발하여 송풍기의 소음을 효과적으로 저감시킬 수 있었다.Therefore, in the conventional method of numerical optimization design, since the flow information of the non-viscosity equations such as the two-dimensional Euler equation is used, the flow phenomenon of the complex blower cannot be reflected in the design, but in the present invention, the three-dimensional Navier-Stokes equation is applied. As a result, it is possible to predict not only the influence of viscosity but also very complicated flow phenomenon through simulation, so the design accuracy is very high. An example of directly reflecting this three-dimensional viscous flow analysis in numerical optimal design has not been published worldwide. In addition, the conventional method merely aims to improve efficiency, static pressure, etc., but in the present invention, the ratio of turbulent kinetic energy and pressure head as a function of predicting the noise was able to effectively reduce the noise of the blower.

Claims (3)

허브 반경이 rh, 팁반경이 rt이며, rn이 (r-rh)/(rt-rh)일 때, 축류팬 날개의 반경방향 스윕각γ(rn)은 γ(rn)=35.3rn 2-25.37rn의 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 저소음 축류팬 날개.When the hub radius is r h , the tip radius is r t , and r n is (rr h ) / (r t -r h ), the radial sweep angle γ (r n ) of the axial fan blade is γ (r n ) = 35.3 r n 2 -25.37 r n A low noise axial fan blade characterized in that it has a distribution. 제1 항에 있어서, 상기 축류팬 날개의 평균날개 높이에서의 스윕각(γm)은 -4.36°≤ γm≤-3.36°이고, 팁에서의 스윕각(γt)은 9.43°≤ γt≤10.43°인 것을 특징으로 하는 저소음 축류팬 날개.The sweep angle γ m at the average wing height of the axial fan blade is -4.36 ° ≤ γ m ≤-3.36 °, and the sweep angle γ t at the tip is 9.43 ° ≤ γ t A low noise axial fan blade, characterized in that ≤10.43 °. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 축류팬 날개의 평균날개 높이에서의 스윕각(γm)은 -3.86°이고, 팁에서의 스윕각(γt)은 9.93°인 것을 특징으로 하는 저소음 축류팬 날개.The low noise as claimed in claim 1, wherein the sweep angle γ m at the average wing height of the axial fan blade is -3.86 ° and the sweep angle γ t at the tip is 9.93 °. Axial fan wings.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100743609B1 (en) 2006-06-20 2007-07-27 한국전력공사 Calculation method of arrange position in rotary machine blade
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100379498B1 (en) * 2000-10-18 2003-04-10 엘지전자 주식회사 an axial flow fan for package air conditioner outdoor unit
CN109441878A (en) * 2018-12-30 2019-03-08 南京航空航天大学 A kind of optimization method of the aeroperformance of dust catcher centrifugal blower

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100743609B1 (en) 2006-06-20 2007-07-27 한국전력공사 Calculation method of arrange position in rotary machine blade
WO2016047961A1 (en) * 2014-09-23 2016-03-31 한국생산기술연구원 Optimization design method of reverse rotation-type pump turbine, reverse rotation-type pump turbine designed thereby, and self-generation system

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