KR100626759B1 - 팬 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 대형 송풍 팬을 위한 팬 블레이드 장착 시스템은 방사상으로 연장되는 허브 지주(14), 블레이드 표피를 수용하기 위해 허브 지주(14)의 단부에 회전 가능하게 결합되는 블레이드 루트 부재(60), 및 블레이드 루트 부재(60)와 허브 지주(14) 사이에 위치되는 튜브 단부(22)를 포함한다. 블레이드(12)를 효과적으로 상기 허브에 회전 가능하게 결합하기 위해 상기 블레이드 루트 부재(60)에는 한 쌍의 탄성 장착부(25)가 사용되며, 이로 인해 허브(10)에 전달되는 대부분의 수직 휨모멘트가 경감되고 상기 팬과 관련되는 심각한 진동이 제거된다. 허브 지주(14)은 오른 나사 및 왼 나사를 갖고, 응력을 상기 나사 상에 대체로 균일하게 분산시켜 피로에 대한 내성을 향상시키기 위해 상기 나사에 인접하여 충분한 벽 두께를 갖는 스터드 볼트에 의해 상기 팬의 허브(10)에 연결된다. 탄성 장착부(25)는 금속 코어(26) 및 코어(26)와 슬리브(27) 사이에 탄성의 탄성층을 구비하는 금속 슬리브(27)를 포함한다. 슬리브(27)는 블레이드 루트 부재(60)에 연결되며 상기 두 장착부의 코어(26)는 튜브 단부(22)에 클램프된다.

송풍 팬, 팬 블레이드 장착 시스템, 허브 지주, 블레이드 루트 부재, 튜브 단부, 탄성 장착부, 수직 휨모멘트, 스터드 볼트, 코어, 슬리브, 탄성층

Description

팬 {FAN}

본 발명은 일반적으로 대형 송풍 팬(large air-moving fan)에 관한 것이며, 구체적으로는 회전식 허브(rotatable hub) 상에 팬 블레이드(fan blade)를 장착하기 위한 개선된 수단에 관한 것이다.

대략 1 내지 10 미터 또는 그 이상 범위의 직경을 갖는 대형 팬은 일반적으로 냉각탑, 열교환기 및 이와 유사한 장치에 공기를 통과시키는데 사용된다. 이러한 응용에 있어서 종래의 팬은 대략 5 미터의 직경을 가지며, 회전식 허브에 대체로 2개 내지 18개의 날개(airfoil) 형상을 하는 블레이드가 결합된다. 경량이고 저렴한 팬 블레이드는 알루미늄합금 박판으로 제작할 수 있다. 상기 박판 금속은 전연(前緣; leading edge)을 제공하기 위해 만곡되며, 상기 블레이드의 상부면 및 하부면은 종연(從緣; trailing edge)쪽으로 모여 서로 리베팅 또는 스폿 용접된다. 상기 블레이드의 선단부에서 블레이드의 익현(翼弦; chord line of the airfoil)은 대체로 15 내지 40 센티미터의 범위이며, 상기 날개의 최대 두께는 대략 2 내지 15 센티미터의 범위이다.

본 명세서에서는, 상기 팬 및 블레이드의 아래로 경사진 면(downstream face)은 상부면이라 칭하고, 위로 경사진 면(upstream face)은 하부면이라 칭한다. 이것은 냉각탑 또는 이와 유사한 장치에서 매우 대형의 팬이 주로 사용되며, 수직축을 중심으로 회전하기 때문이다. 이러한 팬은 또한 수평축을 중심으로 회전하는데 사용된다.

상기 대형 송풍 팬은 원주방향으로(circumferentially) 연장되는 보호판(shroud) 내에서 작동되고, 상기 보호판은 정확한 원이 아닌 경우가 아주 흔하며 상기 허브의 축과 정확하게 동축이 아닐 수 있다. 따라서, 팬이 설치되었을 때, 상기 블레이드 및/또는 보호판은 상기 블레이브가 상기 보호판의 내면과 최소 1 또는 2 밀리미터의 간격을 유지하도록 조정되지만, 상기 블레이드는 상기 보호판으로부터 최대로 대략 20 밀리미터(또는 그 이상) 벌어질 수 있다.

본 발명의 양수인인 미국 미주리주 말셀린(Marceline) 소재의 더 무어 컴파니(The Moore Company)의 대형 팬의 블레이드는 중앙 허브에 장착되며, 제한된 수직 운동(회전축과 평행)을 허용하도록 결합되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 블레이드는 정지해 있을 때 약간 처지지만, 일반적으로 회전중에는 상기 허브로부터 방사상으로 연장된다. 상기 블레이드의 내측 단부와 허브 사이의 연결은 피로 균열(fatigue cracking)에 의한 파손의 원인이 될 수 있으므로 중요하다. 따라서 경량 및 신뢰성이 중요하다. 피로 파괴에 대하여 최소의 민감성을 갖는 블레이드의 장착을 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 상기 팬 블레이드 장착 시스템은 대체로 방사상으로 연장되는 복수의 허브 지주(支柱), 블레이드의 표피를 수용하기 위해 각 허브 지주의 단부에 회전 가능하게 결합되는 블레이드 루트 부재(blade root member), 및 각 블레이드 루트 부재와 이것에 대응되는 허브 지주 사이에 위치되는 튜브 단부 삽입부(tube end insert)를 포함한다. 상기 블레이드 루트 부재에는 상기 블레이드를 상기 허브에 효과적인 피벗식 결합을 하기 위해 한 쌍의 탄성 장착부(resilient mounts)가 사용되며, 이렇게 함으로써 상기 허브에 전달되는 대부분의 수직 휨모멘트(vertical bending moment)가 경감되고, 상기 팬과 연관되는 심각한 진동이 제거된다. 상기 탄성 장착부는 금속 코어, 및 상기 코어와 슬리브 사이에 탄성의 탄성층(resilient elastomeric layer)을 구비하는 금속 슬리브를 포함한다. 상기 슬리브는 상기 블레이드 루트 부재와 연결되고 상기 두 장착부의 코어는 상기 튜브 단부에 확실하게 맞물리고 클램프된다. 블레이드의 표피는 상기 블레이드 루트 부재에 부착되어 상기 날개 블레이드가 대체로 위로 경사진 면(팬이 위쪽으로 송풍할 경우 하부면), 및 대체로 편평하고 아래로 경사진 면을 갖도록 한다.

상기 허브 지주는 좌우측 나사(thread)를 갖고 상기 나사 상의 응력을 균일하게 분산시키기 위해 상기 나사에 인접하는 벽두께로 눈금이 새겨지는 스터드 볼트(stud)에 의해 상기 팬의 허브와 연결되고, 이렇게 함으로써 피로에 대한 내성이 개선된다.

각 블레이드 루트 부재는 상부면 또는 귀(ear)가 상기 베이스 부분으로부터 측방향 외측으로 연장되고 일반적으로 원통형인 베이스 부분, 및 상기 상부면으로부터 이격되고 상기 베이스 부분으로부터 측방향 외측으로 연장되는 하부면 또는 귀를 포함한다. 상기 블레이드 루트 부재의 상부면 및 하부면은 리벳 등에 의해 상기 블레이드의 대응되는 블레이드 표피의 상부면 및 하부면 각각에 부착된다. 상기 블레이드 루트 부재는 상기 탄성 장착부를 수용하기 위해 가로질러 연장되는 한 쌍의 원통형 구멍, 및 상기 튜브 끝에 있는 단부를 수용하기 위한 상기 원통형 구멍들 사이의 노치(notch)를 또한 포함한다.

블레이드 루트 볼트가 조여질 경우 상기 탄성 장착부의 단부 상에 짝을 이루는 윤곽(profile)을 결합시키기 위해 상기 튜브 단부에는 테이퍼(tapered) 윤곽이 또한 제공된다.

도 1은 본 발명의 원리에 따른 블레이드 장착 시스템을 구비하는 전형적인 팬의 평면도.

도 2는 도 1의 팬에서 허브 지주, 튜브 단부 및 블레이드 루트 부재를 포함하는 블레이드 장착부들 중 어느 하나에 대한 사시도.

도 3은 도 1의 팬에서 어느 하나의 블레이드에 대한 예시적 단면도.

도 4는 본 발명에 따라 상기 허브 지주과 허브 사이의 접점(junction)에서 본 발명에 사용되는 변형된 톱니 나사(buttless thread)의 수나사산(male thread)에 대한 윤곽을 도시하는 도면.

도 5a 및 도 5b는 상기 허브 지주를 상기 허브에 결합시키기 위해 사용되는 커플링 부재 또는 스터드 볼트의 평면도 및 측면도.

도 6은 상기 허브 지주과 튜브 단부 사이의 접점에서 사용되는 변형된 애크미 나사(ACME thread)의 암나사산 및 수나사산의 윤곽을 도시하는 도면.

도 7은 도 2의 튜브 단부에 대한 평면도.

도 8은 도2의 상기 블레이드 장착부에 대한 또 다른 사시도.

도 9는 상기 블레이드 루트 볼트의 나사가 형성된 단부를 수용하기 위한 구멍을 갖는 탄성 장착부의 평면도.

도 10은 상기 블레이드 루트 볼트의 헤드 단부를 수용하기 위한 구멍을 갖는 탄성 장착부의 평면도.

도 11은 블레이드 내측 단부와 상기 블레이드 루트 부재 사이의 리벳 패턴을 예시적으로 도시하는 도면.

도 12는 상기 탄성 장착부와 튜브 단부의 짝을 이루는 결합에 대한 평면도.

도 13은 상기 허브 지주과 허브의 결합에 대한 단면도.

도 14는 상기 허브 지주의 외측 단부와 튜브 단부의 결합에 대한 부분단면도.

도 15는 상기 블레이드 루트 부재가 상기 허브 지주에 회전 가능하게 결합되고, 상기 블레이드 루트 부재의 일부분이 절결된 사시도.

통상적인 대형 송풍 팬은 회전식 허브(10) 및 대개 방사상으로 연장되는 복수의 블레이드(12)를 갖는다. 도 1에 예시되는 실시예에서, 상기 팬은 지면(紙面)으로부터 위쪽으로 송풍하며 시계반대방향으로 회전한다. 상기 복수의 블레이드 각각은 방사상으로 연장되는 튜브형 허브 지주(14)에 의해 상기 허브에 결합되며, 상기 블레이드의 날개 표피(18)를 수용하기 위해 대응하는 블레이드 루트 부재(16)는 상기 허브 지주의 외측 단부(20)에 회전 가능하게 결합된다. 튜브 단부(22)는 각 구성요소를 서로 결합시키고, 피치 및 직경을 조절하기 위해 허브 지주과 이에 대응되는 블레이드 루트 부재 사이에 제공되는 것이 바람직하다. 상기 팬을 제작하는 소재는 알루미늄 합금이 바람직하다.

상기 블레이드는 상기 튜브 단부와 블레이드 루트 부재의 교차점에 위치되는 탄성 장착부(25)에 의해 상기 허브에 회전 가능하게 부착된다. 상기 탄성 장착부는 일반적으로 금속 슬리브(27)와 동축인 견고한 금속 코어(26)를 갖는 부싱(bushing)이다. 진동을 흡수하며 탄성을 갖는 원통형 탄성층(elastomer layer; 28)은 상기 금속 코어와 슬리브 사이에 놓인다. 상기 탄성 장착부 내의 상기 원통형 탄성층은 상기 탄성 장착부의 중심을 통과하여 연장되는 축(11)을 중심으로 제한된 각도의 회전을 허용하며, 또한 약간의 경사각만으로 중력에 대하여 상기 블레이드를 지지하기에 충분한 강성(剛性)을 갖는다. 따라서, 상기 팬이 가동하지 않을 때 상기 블레이드는 대개 상기 블레이드의 무게 때문에 상기 팬 축(13)의 평면 기준선보다 아래로 처진다. 가동 중에는 원심력이 상기 블레이드를 헬리콥터의 블레이드와 유사한 방식으로 이들의 작동 위치로 상승시킨다. 상기 탄성 장착부는 상기 팬 축에 대한 휨모멘트를 견디도록 견고하게 배열되어 구동 토크, 및 구동장치 또는 옆바람(cross-wind)에 의한 임의의 진동력(oscillating force)을 지지하도록 한다.

상기 설계에는 적어도 두 가지의 주요 장점이 있다. 첫째는, 고정적으로 장착되는 블레이드와 비교하여 단지 1/4 내지 1/2의 공기 부하에 의한 응력만이 지지 를 필요로 하거나, 상기 허브 및 드라이브로 전달되며, 대체로 상기 팬 블레이드 및 구동 메커니즘의 수명을 연장시킨다. 둘째, 상기 결과적인 팬은 공명진동수(共鳴振動數; resonant frequencies)가 제거되어 있고 회피해야 할 임계속도가 없으므로 변속 모터에 의해 이상적으로 작동하도록 적응된다. 상기 블레이드는 상기 장착부에 효과적으로 힌지되어(hinged) 상기 허브에 전달되는 상당한 크기의 수직 휨모멘트를 경감시킨다.

상기와 같은 대형 팬의 통상적인 블레이드는 알루미늄 합금 박판으로 제작되며, 예시적인 벽두께는 대략 1.5 밀리미터이다. 상기 알루미늄 박판은 만곡되어 상기 블레이드의 전연(24)에 충분한 만곡부를 갖는 날개 형상이 된다. 상기 박판의 모서리는 상기 블레이드의 종연을 따라 모여, 상기 형성되는 날개 블레이드는 볼록한 하부면(15) 및 대체로 편평한 상부면(17)을 갖는다. 상기 편평한 상부면의 종연(19)은 상기 캠버형(cambered) 하부면의 종연과 어울릴 수 있는 각도로 만곡되고, 여기서 상기 모서리는 일렬로 나열되는 리벳(21)에 의해 서로 고정된다. 상기 허브와 인접한 상부면의 균형은 대체로 편평하다. 상기 블레이드의 내측 단부에는 외주 방향의 휨모멘트에 견디도록 상기 허브에 부착되는 평면이 제공된다. 또한 상기 블레이드의 내측 단부로부터, 만곡부(볼록 또는 오목)는 상기 블레이드의 상부면 및 하부면 양쪽 모두에 존재할 수 있다. 보다 긴 블레이드가 요구되는 경우에는 보다 높은 강도가 필요하며, 상기 블레이드 내부에 날개뼈대(spar) 또는 다른 보강 장치가 또한 고정될 수 있거나 상기 블레이드가 포말재(foam)로 충전될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 높은 피로 강도를 갖도록 변형된 톱니 나사(30)는 상기 허브 지주의 내측 단부(32)를 상기 허브에 결합시키는데 사용된다. 도 4에는 변형된 미국표준 톱니형 나사가 도시되며, 로드 플랭크 각도(load flank angle)는 7°이고 릴리프(relief) 플랭크 각도는 45°이며 피치(pitch)는 1.5 밀리미터이다. 그러나 상기 표준 톱니 나사는 각 나사의 나사골(root; 34) 및 나사마루(crest; 36) 모두가 둥글게 변형되었다. 예시적 실시예에서, 상기 나사골은 대략 230 마이크로미터의 반경을 갖고, 상기 나사마루는 대략 203 마이크로미터의 반경을 갖는다. 상기와 같은 방법으로 상기 나사를 변형시킴으로써, 결과적인 톱니 나사는 구성요소들에 어떠한 상당한 방사상 방향의 힘(radial force)도 부여하지 않으면서 비교적 높은 수준의 축력(axial force)을 지속적으로 부여하며, 피로에 대하여 상당한 내성을 갖는다. 또한, 상기 결과적인 톱니 나사는 각 구성요소들 사이에서 접동마모(摺動磨耗; chafing)를 방지하고 전체적인 피로 수명을 증가시키는 강력한 안전장치(lock)를 형성한다. 상기 톱니 나사는 상기 허브 지주 내에서 서로 대향하여 정렬되어 각도가 7°인 각 나사의 로드 플랭크는 상기 나사 축에 걸치는 힘을 지지하도록 한다.

각 허브 지주의 내측 단부 및 상기 회전식 허브의 대응되는 부분은 내측에 상기 기술된 변형된 톱니 나사(30)로 나사가 형성된다. 각 허브 지주의 내측 단부에는 나사(30) 상의 응력을 경감시키기 위해 상기 나사와 인접한 완만한 반경(77; 도 13 참조)이 제공되는 것이 바람직하다. 상기 허브 지주를 상기 허브에 결합하기 위해 각 허브 지주의 내측 단부에는 스터드 볼트 또는 커플링 부재(38; 도 5a 및 도 5b 참조)가 제공된다. 상기 커플링 부재 또한 외측에 상기 기술된 변형된 톱니 나사(30)로 나사가 형성된다.

바람직하게, 상기 허브 지주의 내측 단부에 있는 내측 나사는 상기 회전식 허브의 대응되는 부분에 있는 내측 나사와 반대이다(즉, 한쪽이 오른 나사인 반면에 다른 한쪽은 왼 나사임). 따라서, 상기 커플링 부재의 일단부에는 왼 나사로 외측 나사가 형성되고, 상기 커플링 부재의 타단부에는 오른 나사로 외측 나사가 형성된다. 상기 설계로 인해, 상기 회전식 허브에 대한 허브 지주의 결합은 상기 커플링 부재를 한쪽 방향으로 돌려줌으로써 단단히 조여질 수 있다. 상기 허브 및 허브 지주에 대한 커플링 부재의 결합을 용이하게 하기 위해, 상기 부재 내부로 육각형의 축상 구멍(31; 도 5b 참조)이 연장된다.

상기 커플링 부재는 상기 오른 나사와 왼 나사 사이에, 나사 사이의 여유공간(thread relief)을 제공함으로써 마주하는 나사가 서로 직접 작동되지 않도록 하는 중앙 그루브(central groove; 33)를 포함한다. 도 5a에 예시되는 실시예에서, 상기 커플링 부재의 일단부(35) 상에 있는 나사의 길이는 상기 커플링 부재의 타단부(37) 상에 있는 나사의 길이보다 짧다. 상기 길이가 짧은 나사를 갖는 커플링 부재의 단부가 상기 허브에 결합되는 것이 바람직하다.

또한, 한 쌍의 만곡된 함몰부(curved recess; 39)가 상기 커플링 부재 내에 제공되어 응력을 분산시키기 위한 기능을 갖는다. 상기 나사의 개시부에 인접한 스터드 볼트의 감소된 두께 및 두께 변화는 조여짐에 따라 상기 스터드 볼트 및 나사의 변형을 허용한다. 벽 두께에 테이퍼를 이룸으로써 응력의 일부분을 상기 나사 상에 보다 더 또는 보다 덜 균일하게 분산시킨다. 이것은 상기 나사를 처음에 몇 번 회전시킬 때 응력의 수준을 감소시키며, 상기 지주에 결합되는 허브의 피로에 대한 내성을 상당히 향상시킨다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는 튜브 단부(22)를 상기 허브 지주의 외측 단부에 결합시키기 위해 접동마모를 최소화시키고 피로 수명을 최대화시키도록 변형된 애크미 나사(41)가 사용된다. 도 6을 참조하면, 상기 나사는 29°의 나사각도 및 1.5 밀리미터의 피치를 갖는 변형된 저치(低齒; stub) 애크미 윤곽의 나사이다. 그러나 상기 표준 애크미 나사는 각 나사의 나사골(40) 및 나사마루(42)를 둥글게 깍은 형태로 변형되었다. 예를 들어, 도 6에 예시되는 예시적 실시예에서는, 수나사 및 암나사 각각의 나사골 중앙에서 최고 0.6 mm의 반경이 적용된다.

각 허브 지주의 외측 단부(20)에는 상기 기술된 변형된 저치 애크미 나사(41)로 된 내측 나사가 형성된다. 각 허브 지주의 외측 단부에는 나사(41) 상의 응력을 경감시키기 위해 상기 나사에 인접하여 완만한 반경(79; 도 14 참조)이 제공되는 것이 바람직하다. 각 대응되는 튜브 단부의 일단부(46)에는 상기 기술된 변형된 저치 애크미 나사(41)로 된 외측 나사가 형성된다.

각 허브 지주의 외측 단부 상에는 종방향 슬롯(48) 및 대응되는 고정 수단(50)이 제공된다. 일단 상기 튜브 단부가 상기 허브 지주의 외측 단부 내부에 나사식으로 삽입되면, 접동마모를 최소화하는 나사(41)가 꼭 맞게 물리도록 상기 고정 수단이 보다 단단히 조여진다. 도 2에 예시되는 실시예에서, 상기 고정 수단은 상기 축상 슬롯을 중심으로 마주보는 한 쌍의 고정 부재(52)를 포함한다. 상기 두 고정 부재를 서로 가까이 조여주기 위해 볼트(54)와 같은 죔쇠(fastener)가 상기 허브 지주의 축을 가로질러 상기 고정 부재들 사이로 연장된다. 상기 볼트의 나사가 형성된 단부를 수용하기 위해 너트가 사용되거나(도 2 참조) 하나의 고정 부재에 나사가 형성될 수 있다. 상기 고정 부재를 상기 허브 지주에 단단히 결합하기 위해 종방향 더브테일 모양의(dovetail-like) 그루브(56; 이하 더브테일 그루브라 칭함)가 각 고정 부재의 하부면과 상보적인 면으로 맞닿기 위해 상기 축상 슬롯의 각 측면을 따라 이동한다. 약간 둥근 그루브(55)가 상기 허브 지주의 벽과 대체로 접선으로 연장한다(도 8 참조). 상기 고정 부재 사이의 볼트 에지는 상기 그루브 내에 놓여, 상기 고정 어셈블리가 적절하게 조여지지 않았을 경우 상기 허브 지주의 단부로부터 들뜨는 것을 방지한다.

각 튜브 단부의 타단부(58)는 대응되는 블레이드의 루트 부재와 결합된다. 각 블레이드의 루트 부재는 대체로 원통형인 기초부(60); 상기 기초부로부터 측방향 외측으로(상기 블레이드 길이에 대하여 종방향으로) 연장되는 상부면 또는 귀(62), 및 상기 상부면으로부터 이격되고 상기 기초부로부터 횡방향 외측으로 연장되는 하부면 또는 귀(64)를 포함한다. 상기 블레이드 루트 부재의 상부면 및 하부면은 상기 대응되는 블레이드의 블레이드 표피 쪽 상부면 및 하부면에 각각 리벳에 의해 부착된다. 도 11에는 상기 블레이드의 내측 단부와 블레이드 루트 부재 사이의 리벳(61)에 대한 예시적인 형식이 도시된다. 이러한 형식은 피로에 대한 내성을 개선시키도록 상기 리벳 사이 및 상기 리벳에 인접한 블레이드 표피에서의 응력을 분산시키기 위해 사용된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는 상기 블레이드 표피의 볼록한 하부면에 대체로 따르기 위해 도 8에 예시되는 바와 같이 상기 블레이드 루트 부재의 하부면이 각을 이루는 것을 허용하도록 상기 블레이드 루트 부재의 양쪽 편(68, 70)에 한 쌍의 노치(notch; 66)가 형성된다. 노치(66)는 상기 블레이드 루트 부재의 하부면에서 응력을 발생시키게 되고, 따라서 피로 강도에 악영향을 줄 수 있으므로, 상기 노치는 자신의 바닥부에서의 응력 발생이 최소화되기 위해 루트가 둥글게 되는 것이 바람직하다. 상기 형상은 상기 블레이드 표피의 설계와 함께 상기 팬 샤프트에 대한 대부분의 휨모멘트가 상대적으로 견고한 상부면 상에 지지되도록 상기 블레이드 표피의 볼록한 하부면의 유연성과 상기 블레이드 표피의 편평한 상부면의 강성을 이용하도록 해준다.

상기 블레이드 루트 부재의 기초부의 양쪽 편(74, 76)에는 가로질러 연장되는 한 쌍의 원통형 구멍(72)이 제공되며, 상기 기초부의 각 측부에 있는 하나의 구멍은 탄성 장착부를 수용하기 위함이며 대응되는 원통형 구멍 내부로 압력 끼워맞춤(press fit)될 수 있다. 원통형 구멍(72) 사이의 상기 기초부 중앙(80)에는 상기 튜브 끝에 있는 단부(58)를 수용하기 위해 넓은 노치(78)가 제공된다.

상기 블레이드 루트 부재를 상기 튜브 단부에 단단히 결합시키기 위해 블레이드 루트 볼트(82)가 사용된다. 상기 블레이드 루트 볼트는 상기 블레이드 루트 부재를 통해, 하나의 탄성 장착부로부터 상기 튜브 끝에 있는 단부(58)에 제공되는 구멍(84)을 거쳐 상기 블레이드 루트 부재에 의해 운반되는 다른 탄성 장착부로 가로질러 연장된다. 상기 블레이드 루트 볼트를 수용하기 위해, 상기 두 탄성 장착부는 축상으로 연장되는 구멍과 함께 제공되며, 하나의 구멍(86; 도 9 참조)에는 상기 나사가 형성된 블레이드 루트 볼트의 단부를 수용하도록 나사가 형성되고, 다른 구멍(88; 도 10 참조)은 상기 블레이드 루트 볼트의 머리를 수용하도록 설계된다.

각 탄성 장착부의 금속 코어 또는 중심부는 자신의 내측 단부 상에 한 쌍의 편평한 테이퍼 면(90)을 가지며, 상기 튜브 끝에 있는 단부 가장자리에서 조화를 이루는 윤곽과 결합한다. 상기 블레이드 루트 볼트는 상기 탄성 장착부와 튜브 단부 사이의 상당한 임의의 움직임을 방지하도록 상기 블레이드 루트 볼트가 조여지는 경우 상기 탄성 장착부를 상기 튜브 단부에 대하여 클램프시킨다. 도 9 및 도 10에 예시되는 예시적 실시예에서는 상기 각 탄성 장착부의 내부 단부가 각 테이퍼 상에서 대략 25도의 각도로 경사진다. 다시 도 7을 참조하면, 상기 튜브 단부의 측부(92, 94)는 상기 블레이드 루트 볼트가 조여지는 경우 상기 탄성 장착부의 경사진 단부를 밀착되게 수용하도록 상보적인 각도로 테이퍼를 이룬다. 따라서 상기 탄성 장착부의 편평한 테이퍼 면(90)은 상기 튜브 단부의 각 가장자리 경사진 면(91)과 짝을 이루어 맞닿는다(도 12 참조). 이것은 종래의 클레비스 장착 장치(clevis mounting)에 의해 제공되는 마찰 결합과는 현저히 다르게 상기 블레이드 단부와 허브 사이에 양호한 결합을 제공한다.

상기 블레이드 루트 부재와 튜브 단부 사이의 확실한 결합은 예를 들어 서로 마주보는 면이 낮은 골과 마루로 주름지는 것과 같은 다른 상보면에 의해 제공될 수 있다. 상기 튜브 단부에 관하여 탄력있게 장착되는 코어의 회전을 방지하기 위해서는 한 쌍의 상보적 원통형 표면으로 충분하게 될 수 있다. 상기 블레이드 루트 부재와 튜브 단부 사이에 확실한 결합을 제공함으로써, 상기 블레이드의 처짐은 제한되고, 상기 블레이드가 아래쪽으로 그리고 가끔은 위쪽으로 이동하는 것을 제한하기 위한 기계적 스톱장치를 사용하는 것을 피할 수 있다. 이것은 상기 블레이드가 기동할 때, 정지할 때 및 강한 옆바람을 받을 때 상기 스톱장치에 부딪히는 경우 충격력 및 이로 인한 높은 응력을 피하는데 유리하다.

상기 예시된 실시예에서, 상기 탄성 장착부는 코어, 및 상기 코어와 슬리브 사이에 탄성층을 갖는 슬리브를 각각 포함한다. 이들은 상기 블레이드 루트 부재에 눌려 끼워진다. 대안으로서, 상기 탄성 장착부의 코어는 상기 블레이드 루트 부재의 원통형 단부 내에 위치될 수 있고, 상기 탄성층은 상기 코어와 블레이드 루트 부재 사이에 형성되며, 이로 인해 상기 슬리브가 생략될 수 있다.

블레이드는 팬 상에 다음과 같이 장착된다. 상기 허브 지주는 상기 스터드 볼트를 허브에 나사 삽입한 다음, 지주에 나사 삽입함으로써 상기 중앙 허브와 결합된다. 상기 지주과 스터드 볼트를 선택적으로 회전시킴으로써, 상기 허브와 지주 사이의 연결은 상기 스터드 볼트에 있는 나사 사이의 여유공간 그루브에 인접하게 위치될 수 있다. 그리고 나서 상기 스터드 볼트는 상기 지주과 허브를 서로 단단히 조여주기 위해 상기 육각형 구멍을 통해 회전된다. 결국, 상기 튜브는 원하는 토크로 조여지기 위해 대략 60°회전된다. 상기 튜브 단부는 허브 지주의 외측 단부 내부로 나사 삽입되어 대체로 자신의 최종 위치가 된다.

이 때, 블레이드 표피는 상기 블레이드 루트 부재 상의 귀에 리벳 결합되고, 탄성 장착부는 상기 블레이드 루트 부재의 마주보는 두 쪽에 눌려 끼워진다. 각 탄성 장착부의 외측 단부에는 구멍 또는 노치가 제공되어 상기 장착부의 윤곽진 단부가 상기 블레이드 길이와 관련하여 적절히 배향된다.

상기 코어와 탄성 장착부의 슬리브 사이에 상기 탄성층이 적용되고 난 후에는 상기 탄성재가 압축되어 놓이도록 교정된 후 상기 슬리브를 스웨이지(swage)하는 것이 바람직하다는 것에 유의하여야 한다. 상기 슬리브가 생략되고 상기 탄성재가 코어와 블레이드 루트 부재 사이에 직접 놓이는 실시예를 당업자가 사용하는 경우, 상기 탄성재가 추가로 압축되도록 교정된 후 상기 내측 코어는 바깥쪽으로 스웨이지되는 것이 바람직할 수도 있다. 이 경우, 상기 탄력적으로 장착되는 코어는 한쪽에 볼트 나사가 형성된 코어 대신 너트 및 볼트에 의해 튜브 단부에 대하여 클램프될 수 있다.

상기 블레이드 루트 부재는 상기 튜브 단부를 활주하여 상기 튜브 단부의 외측 단부에 걸터앉도록 하며, 상기 탄성 장착부 코어의 테이퍼 단부는 상기 튜브 단부 상의 테이퍼 윤곽과 정렬된다. 상기 블레이드 루트 부재를 상기 튜브 단부에 단단히 클램프시키기 위해 블레이드 루트 볼트가 사용되어 조여진다. 그리고 나서 상기 튜브 단부는 상기 블레이드가 상기 팬의 보호판과 이격되도록 길이를 조절하기 위해 상기 허브 지주 내에서 회전될 수 있으며, 최종적으로 상기 길이가 적절한 경우 최적의 효율을 위해 상기 블레이드의 영입각도(angle of attack)를 조절한다. 상기 영입각도가 적절하게 정해진 경우, 상기 허브 지주 상의 클램프는 조여지고 상기 팬의 다음 번 블레이드 장착이 진행된다. 상기 허브 또는 허브 지주 상에는 금속판으로 된 공기역학적 허브 보호판(sheet aerodynamic hub shroud; 도시되지 않음)이 상기 팬 중심에서의 기밀장치로서 장착된다.

상기 나사가 형성된 튜브 단부를 통한 블레이드 위치의 조절은 바람직한 간격으로 보호판과 이격되도록 각 블레이드가 상기 팬의 호칭 직경으로부터 대략 ±19 mm, 또는 ±38 mm 조절되는 것을 허용한다. 각 블레이드 길이는 상기 나사의 1/2피치 만큼씩 조절될 수 있다.

팬 블레이드의 장착과 관련한 본 발명의 학설은 종래 기술의 팬보다 강력하고 피로에 대한 내성이 양호한 팬을 제공한다. 예를 들어, 본 발명에 따라 구성되는 대형 송풍 팬 상의 각 블레이드는 피로 파괴에 대한 내성이 증가되며, 블레이드는 종래의 클레비스 장치 장착형 블레이드와 비교하여 루트(root) 및 팁(tip)에서 현(chord)의 길이가 대략 40% 증가된다. 상기 블레이드의 유효 영역의 증가는 예를 들어, 10개의 블레이드로 만들어진 팬이 종래의 14개의 블레이드로 만들어진 팬과 동일한 공기역학적 성능을 갖는 것을 의미한다. 블레이드 당 제조원가는 증가되지만 상기 팬의 전체 제조원가는 상당히 감소된다.

상기 블레이드를 허브에 부착하는 상기 개선된 수단은 축 회전에 대하여 종래의 설계보다 대략 3.2배의 정적(靜的) 토크(static torque) 및 진동 토크(oscillating torque)를 허용한다. 또한, 상기 새로운 장착부 및 튜브 단부의 설계는 종래의 설계에서 팬이 정지했을 때 보다 긴 블레이드를 지지하기 위해 금속의 "정지 받침대(rest stop)"가 필요한 종래의 설계와는 달리 상기 블레이드를 중 력에 대하여 지지해준다. 그러므로, 40% 더 넓은 블레이드 영역을 갖는 새로운 설계는 단위 블레이드 영역 당 대략 3.2/1.4 = 2.28배 큰 토크 능력을 갖는다. 이것은 상기 팬이 동일한 풍압을 위해 종래의 팬보다 2.28배의 영역을 갖고 작동하는 것을 허용하고/허용하거나 상기 팬이 2.28배만큼 보다 응력이 많이 부여되는 조건에서 작동하는 것을 허용한다.

Claims (11)

1. 회전식 허브;

   상기 허브에 결합되고, 상기 허브로부터 실질적으로 방사상으로 연장되는 허브 지주(支柱);

   상기 허브 지주의 외측 단부에 연결되는 튜브 단부;

   견고한 내부 코어, 상기 내부 코어와 동축인 견고한 외부 슬리브, 및 제한된 원주방향의 동작을 위한, 상기 코어와 슬리브 사이의 탄성층을 각각 포함하는 한 쌍의 탄성 장착부;

   상기 탄성 장착부의 코어를 상기 튜브 단부에 확실히 고정하기 위한 수단;

   상기 탄성 장착부의 슬리브에 결합되는 블레이드 루트 부재(blade root member); 및

   상기 블레이드 루트 부재에 결합되는 날개 블레이드(airfoil blade)

   를 포함하는 팬(fan).
2. 제1항에 있어서,

   상기 블레이드 루트 부재가 상기 날개 블레이드의 편평한 면과 연결하기 위한 편평한 상부면, 및 상기 날개 블레이드의 하부면과 연결하기 위한 각이 진 하부면을 포함하는 팬.
3. 제1항에 있어서,

   상기 각 탄성 장착부의 내부 코어는 원형 대칭이 아닌 단부면을 포함하고, 상기 튜브 단부는 상기 코어 상의 단부면과 상보적인 한 쌍의 결합면(mating surface)을 포함하는 팬.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 블레이드 루트 부재가 상기 블레이드 루트 부재의 반대쪽 상에 횡방향으로 연장되며 상기 탄성 장착부를 수용하기 위한 한 쌍의 원통형 구멍, 및 상기 원통형 구멍 사이에 제공되며 상기 튜브 끝에 있는 단부를 수용하기 위한 노치를 포함하는 팬.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 각 탄성 장착부는 소정의 각도로 베벨처리된 내측 단부를 포함하고, 상기 튜브 단부는 상기 소정 각도와 여각(餘角)으로 테이퍼를 이루는 한 쌍의 테이퍼 면을 가지며, 상기 탄성 장착부의 경사진 내측 단부는 상기 튜브 단부의 테이퍼 면과 맞닿는 팬.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 튜브 단부의 일단부 및 상기 허브 지주의 외측 단부에는 상기 튜브 단부를 상기 허브 지주에 결합시키기 위한 나사가 형성되며,

   상기 허브 지주의 외측 단부 상의 상기 튜브 단부를 상기 허브 지주에 단단히 고정시키기 위해, 상기 허브 지주에서 종향으로 연장되는 슬롯, 상기 슬롯의 각 측면을 따르는 더브테일 그루브(dovetail groove), 상기 더브테일 그루브와 상보적인 면을 가지는 각각의 그루브와 결합하는 고정 부재, 및 상기 고정 부재를 서로 가까이 조여주기 위해 상기 고정 부재 사이에서 연장되는 죔쇠(fastener)로 구성되는 고정 수단을 추가로 포함하는

   것을 특징으로 하는 팬.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 허브 지주를 상기 회전식 허브에 결합하기 위해 상기 회전식 허브와 허브 지주 사이에 제공되는 나사가 형성된 스터드 볼트를 추가로 포함하며, 상기 스터드 볼트의 일단부에는 왼 나사로 외측 나사가 형성되고 상기 스터드 볼트의 타단부에는 오른 나사로 외측 나사가 형성되는 팬.
8. 회전식 허브;

   상기 허브에 회전 가능하게 결합되며, 상기 허브로부터 실질적으로 방사상으로 연장되는 복수의 날개 블레이드;

   상기 허브에 결합되며 상기 허브로부터 실질적으로 방사상으로 연장되는 튜브형 허브 지주, 상기 허브 지주의 외측 단부 내부로 나사 삽입되는 튜브 단부, 및 상기 튜브 단부에 회전 가능하게 결합되는 블레이드 루트 부재를 포함하며, 상기 복수의 날개 블레이드 각각을 상기 허브에 결합시키기 위한 블레이드 장착 시스템; 및

   상기 블레이드 루트 부재에 연결되는 블레이드 표피

   를 포함하고,

   상기 블레이드 표피는 상기 블레이드 루트 부재에 부착되는 편평한 면, 및 상기 블레이드 루트 부재의 다른 부분에 부착되는 볼록한 면을 갖는 블레이드를 형성하는

   팬.
9. 제8항에 있어서,

   상기 회전식 허브와 허브 지주 사이에 제공되며 상기 허브 지주를 상기 회전식 허브에 결합시키기 위한 나사가 형성된 스터드 볼트를 추가로 포함하며, 상기 스터드 볼트의 일단부에는 왼 나사로 외측 나사가 형성되고 상기 스터드 볼트의 타단부에는 오른 나사로 외측 나사가 형성되는 팬.
10. 회전식 허브;

    상기 허브에 회전 가능하게 결합되며, 상기 허브로부터 실질적으로 방사상으로 연장되는 복수의 날개 블레이드; 및

    상기 복수의 날개 블레이드 각각을 상기 허브에 결합시키기 위해, 상기 허브에 결합되며 상기 허브로부터 방사상으로 연장되는 튜브형 허브 지주, 상기 허브 지주의 외측 단부 내부로 나사 삽입되는 튜브 단부, 상기 튜브 단부에 회전 가능하게 결합되는 블레이드 루트 부재, 및 상기 허브의 내측 단부를 상기 허브에 연결시키는 나사가 형성된 스터드로 구성되는 블레이드 장착 시스템

    을 포함하고,

    상기 나사가 형성된 스터드는 자신의 일단부에 왼 나사로 된 외측 나사를 갖고, 자신의 타단부에 오른 나사로 된 나사를 가지며, 자신의 각 단부에 함몰부를 가지되, 상기 함몰부는 상기 나사들 상에서 응력을 실질적으로 균일하게 분산시키기 위한 충분한 벽 두께를 형성하는

    팬.
11. 제10항에 있어서,

    상기 허브 지주의 외측 단부에 연결되는 블레이드 루트 부재를 추가로 포함하며,

    상기 블레이드 루트 부재는 상기 팬의 방사상 방향을 가로지르는 축을 갖는 실질적으로 원통형인 부분, 블레이드 표피의 볼록한 면에 연결되는 상부 귀(upper ear), 및 상기 블레이드 표피의 평면에 연결되는 하부 귀

    를 포함하는 팬.

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