KR100394473B1 - 복합형상 날개를 지니는 저소음 송풍기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동일 반경위치에서 각 날개의 단면형상, 각 날개의 피치, 각 날개의 스윕각 중 어느 하나 이상의 요소를 각각의 날개에 대하여 불균일하게 조합한 임펠러를 구비하는 것을 특징으로 하며, 다른 특징으로서, 상기 날개는 동일 반경위치에서 각 부의 단면형상이 모두 동일한 경우 피치가 불균일하게 배치되고, 단면형상과 피치가 동일한 경우 날개의 스윕각이 불균일하도록 배치된다.

그러므로 독립적으로 동일한 성능을 내는 여러 가지 형상의 날개들을 송풍기 임펠러 혹은 로터의 허브에 설치함에 따라, 무게중심 및 공기역학적 힘의 평형과 각 형상에 따른 소음원들을 조합한 이산소음 상쇄를 달성하여 임펠러의 회전수와 관계없이 송풍기 방사소음을 최소화하는 효과가 있다.

Description

복합 형상 날개를 지니는 저소음 송풍기{Low-Noise Blower having a Hybrid Impeller of Differently-Shaped Blades}

본 발명은 저소음 송풍기의 설계 및 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다른 형상을 갖는 날개들을 임펠러 혹은 로터의 허브에 설치하여 임펠러의 회전수와 관계없이 송풍기 방사소음을 최소화하는 복합 형상 날개를 지니는 저소음 송풍기에 관한 것이다.

송풍기 소음은 광대역 소음과 이산 주파수소음의 두 성분으로 크게 구성된다. 광대역 소음은 송풍기 난류유입소음, 임펠러 날개 위의 경계층 유동과 날개 후연과의 상호작용에 의한 날개 후연소음 등의 공력소음을 말하며, 이산 주파수소음은 임펠러 회전수에 관련된 날개통과주파수의 정수배가 되는 조화주파수들에서 높은 소음레벨을 갖는 불연속 분포의 소음으로 저주파영역의 정상상태 하중에 의한 하중소음과 날개끝단 와류 혹은 동익·정익간의 상호간섭 등의 비정상 하중변화에 의한 소음이다(Neise, 1992).

송풍기의 광대역 소음을 줄이기 위한 공지 기술로서, 프로펠러 홴 부압면 하류에서 유동박리가 일어나 공력성능이 저하되고 소음의 원인이 되는 것을 방지하도록 홴의 부압면 상에 딤플(Dimple)을 구성하여 유동박리소음을 억제하는 송풍기 저소음 설계 및 제조방법이 제안된 바 있다.

또한 홴 날개 위의 경계층의 발달을 억제하는 송풍기 저소음화 방법으로서,날개의 전연측은 후연에 비해 날개회전방향으로 나오도록 하여 동일 반경 위치의 상류에서 하류로 이동하면서 원심력과 역방향으로 압력이 배분되도록 하는 저소음 설계도 공지되어 있다.

또한 송풍기 이산소음을 줄이는 설계방법으로 미국 특허 공개정보 제 5603607에는 송풍기 날개 후단을 톱니 모양으로 만들어 후단소음의 발생위상을 간섭시켜 소음을 줄이는 발명이 개시된다. 송풍기 날개 끝단 와류를 감소시켜 이산소음을 줄이는 설계방법으로는 미국 특허공개 정보 제 5193983에 제시되어 있다. 이외에도 같은 형상을 갖는 날개의 간격을 불균일하게 배치하여 같은 크기의 소음원들의 위상차를 발생시켜 저소음화를 실현하는 기술도 공지된 바 있다.

그러나 동일한 형상의 날개들을 임펠러 혹은 로터의 허브에 설치하는 종래의 모든 방법들을 송풍기 방사소음의 관점에서 살펴보면, 한 날개 주위의 소음원들은 다른 날개 주위의 소음원들과 일정한 지연시간 혹은 위상차만을 발생시키므로 소음원 제어의 관점에서는 극히 제한적일 수 밖에 없다.

그러므로 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 각 날개의 설계변수인 날개 코드길이분포, 날개 두께분포, 날개 설치각, 스윕각, 날개 캠버분포를 조합하여 독립적으로 동일한 성능을 내는 여러 가지 형상의 날개들을 송풍기 임펠러 혹은 허브에 설치함에 따라, 무게중심 및 공기역학적 힘의 평형과 각 형상에 따른 소음원들을 조합한 이산소음 상쇄를 달성하여 임펠러의 회전수와 관계없이 송풍기 방사소음을 최소화하는 복합 형상 날개를 지니는 저소음 송풍기를제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 최적 설계를 위한 작업을 나타내는 순서도,

도 2는 교차하는 실린더를 이용한 캠버선 설계를 나타내는 모식도,

도 3은 본 발명의 변수를 적용하여 생성된 프로펠러형 홴의 모식도,

도 4a 및 도 4b는 각기 다른 형상의 날개에서의 유동소음 변수를 나타내는 모식도,

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 축류형 송풍기에서 각 날개의 스윕각을 변화시킨 일예를 나타내는 모식도,

도 6은 송풍기의 일반적인 이산 소음원의 특성을 나타내는 그래프,

도 7은 송풍기 날개의 비정상 양력에 의한 주파수 분포를 나타내는 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

ξ : 스태거각 C : 코드길이

t : 날개두께 θ : 캠버각

W : 날개상대속도 δ^*: 후류두께

S_t : 스트롤수(0.2) Φ : 스윕각

f : 주파수 Z : 날개수

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 동일 반경위치에서 각 날개의 단면형상, 각 날개의 피치, 각 날개의 스윕각 중 적어도 2개의 요소를 각각의 날개에 대하여 불균일하게 조합한 임펠러를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 날개마다 주어진 성능을 만족하도록 두 개의 원통을 사용하거나 개념적으로 유사하게 두 개의 곡률반경을 갖는 캠버선을 구한 후, 이를 이용하여 에어포일 형상 혹은 원호의 날개가 주어진 성능 (유량, 정압상승)을 만족하며 각 단면에서 최소의 양력계수분포를 갖도록 코드의 길이, 날개두께분포, 캠버각을 조절하여 형성된다.

본 발명의 또 다른 특징으로서, 기본형상의 날개를 기준으로 날개의 스윕각을 랜덤하게 변화하여 분포시키는 경우 각 날개위에 작용하는 공력학적 힘들의 합성력이 0이 되도록 하며, 랜덤 스윕각 Φ_j의 범위로는 기본 형상 저소음 스윕각(Φ_o)을 중심으로 최대범위내에서 분포시키며, 각 반경위치에서의 스윕회전각은 각 j번째 날개에서 대하여 구한 끝단 랜덤 스윕각 Φ_o+Φ_j를 기준으로 반경 r에 대한 다항식, 조화함수, 혹은 지수함수의 조합으로 분포시킨다.

이에 따라 송풍기의 각 날개마다 설계시 주어진 성능을 만족하도록 두 개의 원통을 사용하거나 개념적으로 유사하게 두 개의 곡률반경을 갖는 캠버선을 구한 후, 이를 이용하여 에어포일 형상 혹은 원호의 날개를 각 단면에서 최소의 양력계수를 갖도록 코드의 길이, 날개두께분포, 그리고 캠버각을 조절하여 본 발명의 목적인 저소음이 달성된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 최적 설계를 위한 작업을 나타내는 순서도이고, 도 2는 교차하는 실린더를 이용한 캠버선 설계를 나타내는 모식도이고, 도 3은 본 발명의 변수를 적용하여 생성된 프로펠러형 홴의 모식도이고, 도 4a 및 도 4b는 각기 다른 형상의 날개에서의 유동소음 변수를 나타내는 모식도이다.

도 1에서, 유량(Q), 정압(P), 회전속도(N) 등의 설계요소를 이용하여 각 날개의 B₁, B₂, …, B_Z(여기서 Z는 날개 갯수)로 나타내는 것처럼 에어포일(airfoil)의 종류를 선정하는 과정을 거친다.

일반적으로 주어진 성능을 만족하도록 날개의 형상을 설계 및 제작하는 방법으로는 평균반경법, 유선곡률법, 관통류법, 삼차원 수치최적화법 등이 있는데, 본 발명은 각 반경위치에 날개 단면의 캠버선이 두 개의 곡률반경을 갖는 것에 착안하여 도 2와 같이 두 개의 실린더를 교차시켜 도 3과 같은 자취를 생성한다. 자취를 이용한 캠버선의 입출구 날개각도가 각 반경위치에서 요구되는 성능을 만족하면 저소음을 위해 각 단면에서 최소의 양력계수를 갖도록 코드의 길이(C(r)), 날개두께분포(t(r)), 그리고 캠버각(θ(r))을 조절한다.

표 1은 상기 방법으로 설계시 사용한 설계변수들의 수식적 표현이며, 이에 의해 도 3과 같은 프로펠러형 송풍기의 형상이 생성될 수 있다.

두 개의 실린더를 이용하여 캠버선을 생성시 변수들의 함수의 예

변수들	RL(r*)	θ(r*)	Φ(r*)	t(r*/C(r*))
함수식	1.0+0.2r*	-50o+50or*	4.0sin(0.5Πr*)+4.0r*	0.06{e-8.0r*+sin(0.5Π(1-r*))}+0.01

여기서이며, R_s와 R_L은 홴실린더 및 교차되는 실린더의 반경이다. 또한 θ(r^*) 와 Φ(r^*)는 도 2에 나타난 교차실린더의 각도들의 분포를 나타내며, t(r^*/C(r^*))는 에어포일의 최대두께의 r 방향분포함수이다.

도 4a 및 도 4b에서, 스태거각(ξ), 코드길이(C), 날개두께(t), 캠버각(θ) 등 날개의 형상을 결정하는 인자가 달라질 경우 날개상대속도(W) 및 이에 의한 후류두께(δ^*)가 달라지고 이는 유동소음의 변화를 유발한다. 저속으로 회전하는 송풍기 날개에 의한 두께소음의 특성은 날개형상에 매우 영향을 받으므로, 종래와 같이 동일한 형상의 날개를 반복적으로 배치하는 방법과는 달리 본 발명은 각 날개마다 날개면에 수직한 벡터의 방향이 변하도록 하여 반복되는 소음의 발생을 억제한다. 즉, 임펠러 소음의 중요한 소음원인 날개에 작용하는 정상상태의 양력벡터의 방향이 각 날개의 평균설치각의 분포로 인해 불일치되어 반복되는 소음의 발생이억제되고 이산소음이 감소하는 점에 착안한다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 축류형 송풍기에서 각 날개의 스윕각을 변화시킨 일예를 나타내는 모식도이고, 도 6은 송풍기의 일반적인 이산 소음원의 특성을 나타내는 그래프이고, 도 7은 송풍기 날개의 비정상 양력에 의한 주파수 분포를 나타내는 그래프이다.

전술한 바와 같이 각각의 날개에 대하여 주어진 성능을 만족하도록 반경에 따른 코드길이분포(C(r)), 날개 캠버각분포(θ(r)), 날개두께분포(t(r))를 구한 다음 이렇게 형상화된 기본 날개형태로부터 날개 끝단에서의 와동이 회전후류 날개와의 상호작용이 가능하면 적도록 각 날개마다 균등 분할된 중심위치로부터 편재되는 스윕각도를 조절한다.

이렇게 형성된 날개들은 일반적으로 무게중심과 토크밸런스를 이루지 않으므로 상기과정을 반복하여 힘과 토크의 불평형에서 오는 진동, 소음을 최소화한다. 즉 무게 중심은 형성된 날개들의 미소체적에 대해 적분함으로 그리고 공기역학적 힘들에 의한 토크는 미소 반경에 위치한 날개 단면에 작용하는 양력 벡터들에 반경 벡터를 곱하여 매 반복계산마다 구한다. 이러한 과정이 도 1에 도시한 것처럼 반복되어 최적의 설계치가 결정된다.

만일 같은 기본형상의 날개를 기준으로 날개의 스윕각을 랜덤하게 변화하여 분포시키려면 다음과 같은 두 조건을 만족하는 랜덤 스윕각 Φ_j를 구한다.

,,

또한 랜덤 스윕각 Φ_j의 범위로는 기본 형상 저소음 스윕각 (Φ_o)을 중심으로 최대범위내에서 분포시킨다.

도 5a 및 도 5b와 같은 축류형 송풍기를 예로 들면, 각 반경위치에서의 스윕회전각은 각 j번째 날개에서 대하여 구한 끝단 스윕각 Φ_o+Φ_j를 기준으로 반경 r에 대한 다항식, 조화함수, 혹은 지수함수의 조합으로 분포시킨다. 이에 따라 위상간섭을 통한 저소음이 가능해진다.

도 6 및 도 7에서, 송풍기 날개에 작용하는 비정상 양력은 날개위의 상대속도(W_∞)를 날개 후류두께인 δ^*로 나눈 값에 약 0.1∼0.2 사이의 스트롤 수(St)를 곱한 값, 즉의 주파수 특성을 갖게 된다. 동일한 형상의 날개를 갖는 경우 날개 위의 경계층과 날개후연의 상호작용의 비정상 양력 주파수 분포가 날개마다 다른 형태의 날개를 채용함으로 각 반경 위치에서 주파수가 겹쳐지지 않도록 설계되어 비정상 변동양력으로 인한 광대역 소음도 감소하게 된다.

또한 다른 종류의 (에어포일 혹은 원호) 형상들을 선택적으로 조합하여 각 날개마다 이산주파수 및 광대역 주파수 특성을 변화시키면 소음원들의 위상을 상쇄하여 송풍기 소음특성을 개선 및 저소음화가 실현된다.

또한 날개마다의 스윕각 등을 달리하면 날개 끝단 와동소음의 규칙적인 발생이 억제된다.

실제 제작에 있어서, 이와 같은 날개는 별도로 성형하여 허브에 조립하는 것도 가능하고, 허브와 일체로 성형하는 것도 가능하다.

한편, 본 발명은 송풍기에 관하여 도시하고 설명하였으나 이와 동일한 유동 형식으로 된 펌프, 압축기, 터빈 등의 유체기계에 적용하는 것도 가능하다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 각 날개의 설계변수인 날개 코드길이분포, 날개 두께분포, 날개 설치각, 스윕각, 날개 캠버분포를 조합하여 독립적으로 동일한 성능을 내는 여러 가지 형상의 날개들을 송풍기 임펠러 혹은 허브에 설치함에 따라, 무게중심 및 공기역학적 힘의 평형과 각 형상에 따른 소음원들을 조합한 이산소음 상쇄를 달성하여 임펠러의 회전수와 관계없이 송풍기 방사소음을 최소화하는 효과가 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims (4)

1. 동일 반경위치에서 각 날개의 단면형상, 각 날개의 피치, 각 날개의 스윕각 중 적어도 2개의 요소를 각각의 날개에 대하여 불균일하게 조합한 임펠러를 구비하는 것을 특징으로 하는 복합 형상 날개를 지니는 저소음 송풍기.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서

   상기 날개마다 주어진 성능을 만족하도록 두 개의 원통을 사용하거나 개념적으로 유사하게 두 개의 곡률반경을 갖는 캠버선을 구한 후, 이를 이용하여 에어포일 형상 혹은 원호의 날개를 각 단면에서 최소의 양력계수를 갖도록 코드의 길이, 날개두께분포, 캠버각을 조절하여 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 형상 날개를 지니는 저소음 송풍기.
4. 제 1 항에 있어서,

   기본형상의 날개를 기준으로 날개의 스윕각을 랜덤하게 변화하여 분포시키는경우 각 날개위에 작용하는 공력학적 힘들의 합성력이 0이 되도록 하며, 랜덤 스윕각 Φ_j의 범위로는 기본 형상 저소음 스윕각(Φ_o)을 중심으로 최대범위내에서 분포시키며, 각 반경위치에서의 스윕회전각은 각 j번째 날개에서 대하여 구한 끝단 랜덤 스윕각 Φ_o+Φ_j를 기준으로 반경 r에 대한 다항식, 조화함수, 혹은 지수함수의 조합으로 분포시키는 것을 특징으로 하는 복합 형상 날개를 지니는 저소음 송풍기.