KR100782574B1 - 고풍량용 고효율 원심형 임펠러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고풍량용 고효율 원심형 임펠러에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다수의 날개가 원주방향으로 배열 고정되는 판의 크기를 기존의 크기보다 줄이는 동시에 판의 형상을 임펠러의 갯수에 맞는 다각형 형상으로 구비하여, 유량증대의 상승효과를 얻는 동시에 풍량 및 흡입력의 향상으로 유체 역학적 성능을 크게 개선할 수 있도록 한 고풍량용 고효율 원심형 임펠러에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 판에 원주방향을 따라 배열되는 날개를 포함하는 원심형 임펠러에 있어서, 다각형판의 일면에 원주방향을 따라 수개 또는 수십개의 날개를 등간격으로 배열 고정시키되, 각 날개의 바깥쪽단이 다각형판의 변들로부터 더 돌출 연장되도록 된 것을 특징으로 하는 고풍량용 고효율 원심형 임펠러를 제공한다.

임펠러, 풍량, 흡입력, 날개, 다각형판

Description

고풍량용 고효율 원심형 임펠러{Impeller structure for obtaining high airflow}

도 1은 본 발명에 따른 고풍량용 고효율 원심형 임펠러 구조를 나타내는 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 고풍량용 고효율 원심형 임펠러와 기존의 임펠러간의 유체역학적 성능 비교선도로서, 풍량 대비 흡입력을 대비한 그래프,

도 3은 본 발명에 따른 고풍량용 고효율 원심형 임펠러와 기존의 임펠러간의소음을 대비한 그래프,

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 고풍량용 고효율 원심형 임펠러와 기존의 임펠러간의전산해석 기법 결과를 나타내는 화면,

도 5는 본 발명의 임펠러와 기존의 임펠러를 실제 소형 청소기에 장착한 후, 풍량 대비 흡입력을 측정한 결과를 대비한 그래프,

도 6은 본 발명의 임펠러와 기존의 임펠러간의 풍량 대비 흡입력 시험을 위한 장비를 설명하는 사진,

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 임펠러와 기존의 임펠러간의 풍량 대비 흡입력 시험을 위한 장비를 설명하는 사진,

도 8은 기존의 임펠러 구조를 나타내는 사시도,

도 9는 기존의 임펠러가 생산한 분당 풍량 대비 흡입력을 설명하는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10a : 다각형판 12 : 날개

14 : 허브 100, 200 : 임펠러

본 발명은 고풍량용 고효율 원심형 임펠러에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다수의 날개가 원주방향으로 배열 고정되는 판의 크기를 기존의 크기보다 줄이는 동시에 판의 형상을 임펠러의 갯수에 맞는 다각형 형상으로 구비하여, 유량증대의 상승효과를 얻는 동시에 풍량 및 흡입력의 향상으로 유체 역학적 성능을 크게 개선할 수 있도록 한 고풍량용 고효율 원심형 임펠러에 관한 것이다.

일반적으로, 임펠러는 터보형 펌프, 송풍기 또는 압축기 등의 주요 구성품으로서, 원주상(圓周上)에 같은 간격으로 배치된 수개 내지 수십 개의 날개와, 이 날개의 일측면을 커버하며 일체로 부착되는 원판으로 구성되어 있다.

주지된 바와 같이, 공기, 물, 기름 등의 유체는 원동기에 의해서 고속으로 회전하는 임펠러의 날개 깃 사이를 흘러 지나갈 때에 날개 깃으로부터 에너지가 주어지는 바, 이러한 기능을 하는 임펠러는 원심형과 축류형으로 구분되고 있다.

상기 원심형 임펠러는 유체를 주로 회전축에 수직으로, 즉 원의 중심에서 바깥둘레의 방향으로 흐르게 하고, 축류형 임펠러는 유체를 주로 회전축의 방향으로 흐르게 한다.

더 상세하게는, 상기 원심형 임펠러는 유체의 유량보다는 유체의 압력에너지를 만들 목적으로 제작된 것으로서, 원심형 펌프, 차량의 터보차져 엔진에 배기관과 연결되는 부분, 송풍기, 압축기 등에 장착되어, 유체를 주로 회전축방향에 대하여 수직으로 흐르게 한다.

이와 같이, 고압의 풍량을 효과적으로 이송하기 위한 원심형 유체기계에 있어서 임펠러의 형상은 매우 중요하다 할 것이다.

첨부한 도 8은 기존의 임펠러 구조를 보여주는 사시도이다.

기존의 임펠러(200)는 수개 내지 수십개의 날개(12)가 원주상(圓周上)에 등간격을 이루며 배치되어 있고, 이들 날개(12)의 일측면에 원판(10b)이 일체로 부착된 구조로 되어 있다.

또한, 상기 원판(10b)의 크기는 각 날개(12)의 외끝단을 하나로 이었을 때 형성되는 원의 크기와 동일하게 제작되고, 그 중심에는 구동수단의 구동축이 연결되는 허브(14)가 형성되어 있다.

첨부한 도 9의 선도는 기존 임펠러 제품의 성능 한계를 풍량(Q) 대비 흡입력(W)의 물리량으로 표시한 것으로서, 도 9에서 보는 바와 같이 풍량은 임펠러가 생산한 분당 유체의 흐름양이고, 흡입력은 이와 같은 임펠러 지향 풍량과 흡입압력의 적으로 표현된다.

즉, W(흡입력)= Q(풍량)×Ps(흡입압력) 으로 표현된다.

그러나, 기존의 임펠러 형상은 원판의 형상을 가진 기준면에 방사방향의 날개를 수개 또는 수십개 배열하여 공기의 흐름을 제어했으나, 이 경우 유속의 증가가 풍량의 증대를 보증하는 반면 에너지 손실과 소음의 증대로 그 효율은 크게 저하되는 단점이 있다.

또한, 대부분의 기존 임펠러의 기본적인 형상이 유사하여, 임펠러의 성능은 그 크기 및 날개의 갯수, 모터 구동성능 등에 의하여 좌우되고 있는 실정에 있다.

이에, 각 산업분야에 적용되고 있는 임펠러의 풍량 증대 및 유체 흡입 성능을 보다 효율적으로 개선하기 위한 연구가 진행되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 연구된 결과물로서, 다수의 날개가 원주방향으로 배열 고정되는 판의 크기를 기존의 크기보다 줄이는 동시에 판의 형상을 임펠러의 갯수에 맞는 다각형 형상으로 구비하여, 유량증대의 상승효과를 얻는 동시에 풍량 및 흡입력의 향상으로 유체 역학적 성능을 크게 개선할 수 있도록 한 고풍량용 고효율 원심형 임펠러을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 판에 원주방향을 따라 배열되는 날개를 포함하는 원심형 임펠러에 있어서, 다각형판의 일면에 원주방향을 따라 수개 또는 수십개의 날개를 등간격으로 배열 고정시키되, 각 날개의 바깥쪽단이 다각형판의 변들로부터 더 돌출 연장되도록 된 것을 특징으로 하는 고풍량용 고효율 원심형 임펠러를 제공한다

바람직한 구현예로서, 상기 다각형판을 날개의 갯수와 일치하는 다각형의 형상으로 제작하되, 각 날개의 바깥쪽단이 다각형판의 변들로부터 돌출 연장되는 시작점을 꼭지점으로 하여 다각형으로 제작된 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 다각형으로 구비된 다각형판은 각 날개의 바깥쪽 끝단을 하나로 이었을 때 생성되는 원의 직경(D)에 비하여 작은 0.88D의 기준원으로 정해진 다음, 기준원에 내접하는 다각형 형상으로 제작된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 임펠러의 구조적 특징은 임펠러의 구성중 다각형판의 형상을 날개의 갯수와 일치하는 다각형 구조로 제작한 점, 그리고 날개의 바깥쪽 끝단이 다각형판의 변들로부터 돌출 연장되도록 한 점, 다각형의 꼭지점을 각 날개와 일치시킨 점에 있고, 이렇게 새롭게 개선된 본 발명의 임펠러를 통하여 유량증대의 상승효과, 풍량 및 흡입력의 향상 등의 효과를 제공할 수 있다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 고풍량용 고효율 원심형 임펠러 구조를 나타내는 사시도이다.

본 발명에 따른 임펠러(100)는 통상의 임펠러와 같이 다각형판(10a)과 이 다각형판(10a)에 원주방향을 따라 배열되는 수개 또는 수십개의 날개(12)를 포함하여 구성된다.

상기 각 날개(12)는 다각형판(10a)의 일면에 원주방향을 따라 등간격으로 배열 고정되는 동시에 각 날개(12)의 바깥쪽단이 다각형판(10a)의 변들로부터 더 돌출 연장되는 상태가 되도록 구성한다.

특히, 상기 다각형판(10a)은 다각형의 형상으로 형성되며, 다각형판(10a)에 일체로 배열되는 상기 날개(12)의 갯수와 일치하는 다각형 형상으로 제작된다.

바람직하게는, 상기 다각형판(10a)은 날개(12)의 갯수와 일치하는 다각형의 형상으로 제작되되, 각 날개(12)의 바깥쪽단이 다각형판(10a)의 변들로부터 돌출 연장되는 시작점을 꼭지점으로 하여 제작된다.

보다 상세하게는, 상기 다각형판(10a)은 각 날개(12)의 바깥쪽 끝단을 하나로 이었을 때 생성되는 원의 직경(D)에 비하여 작은 0.88D의 기준원을 갖는 형상으로 제작된 다음, 기준원에 내접하는 다각형 형상으로 제작되며, 각 날개(12)의 바깥쪽단이 다각형판(10a)의 변들로부터 돌출 연장되는 시작점을 꼭지점으로 하여 다각형으로 제작된다.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명하고자 한다.

하기의 실시예는 단지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 실시예에 한정되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예

본 발명의 임펠러를 다음과 같이 제작하였다.

9개의 날개가 등간격을 이루며 66mm 폭을 갖는 다각형판에 등간격으로 배열 고정되고, 이 다각형판의 중심에 형성되는 허브의 직경은 27.20mm이며, 특히 다각형판은 날개가 위치한 지점을 꼭지점으로 하여 컷오프되어, 9개의 날개수와 같은 9각형으로 제작되었다.

이때, 각 날개의 입구각은 24.32°이고, 날개의 출구각은 28.06°이다.

비교예

기존의 임펠러 구조로서, 9개의 날개가 등간격을 이루며 75mm 직경을 갖는 다각형판에 등간격으로 배열 고정된 형상의 임펠러를 제작하였으며, 이 다각형판의 중심에 형성되는 허브의 직경은 27.20mm이며, 각 날개의 입구각은 24.32°이고, 날개의 출구각은 28.06°이다.

시험예1

본 발명에 따른 실시예의 임펠러와, 기존의 임펠러인 비교예의 임펠러간의 유체역학적 성능 비교를 위하여 풍량 대비 흡입력을 시험하였다.

시험에 사용한 장비는 도 6에 도시된 바와 같이 ASHREA 규격에 의거하여 제작된 장비로서, 그 측정범위는 최소 0.7CMM에서 최대 5.0CMM까지 측정이 가능한 노즐 형식의 장비이며, 형식은 흡입형식으로 챔버 스타일이다. 또한, 시험장비의 블 로워 형식은 에어포일 형태의 축류팬으로 최대 풍량과 압력은 각각 12.8CMM, 25mmAq이고, 공기의 흐름을 따라서 정압실(③)과 유입된 공기의 유동을 안정시키는 screen(④), 차압을 이용하여 유량을 측정할 수 있는 노즐(⑥), 댐퍼(⑦), 블로워(⑧)로 구성되어 있다. 스크린은 SUS 304 #24, #16(2 Point)가 사용되었다.

또한, 총 8개의 부하를 점 측정법을 통해 성능을 측정하였으며, 실험방법은 전원공급장치에서 10.8V를 일정하게 가한 후, 10분정도의 안정화 시간을 두었다. 후 부하시료를 적용하지 않은 상태에서 소비전류와 흡입압력을 측정하였다. 이때, 부하시료의 적용은 무부하, Ф33, Ф31, Ф28, Ф25, Ф22, Ф20, Ф15, Ф0순으로 수행하였다.

이러한 시험결과는 첨부한 도 2의 그래프 및 하기의 표 1에 나타낸 바와 같다.

위의 표 1에서 보는 바와 같이, 실시예의 임펠러는 풍량이 1.86CMM, 흡입력이 73.36W로 각각 비교예의 임펠러 대비 풍량은 0.18CMM, 흡입력은 18.67W의 성능 향상을 보임을 알 수 있었다. 이는 흡입 풍량과 토출 풍량이 균일하고, 날개 끝단에서의 유동저항이 감소되었기 때문이다.

시험예2

본 발명에 따른 실시예의 임펠러와, 기존의 임펠러인 비교예의 임펠러간의 소음 발생 정도를 시험하였다.

시험장비는 첨부한 도 7a에 나타낸 장비를 이용한 것으로서, 풍동 무향실이 무향실과 방음실, 풍동실로 구성되어 있으며, 전체크기는 9,700W × 8,700D × 8,850H이다. 무향실의 고유 진동수는 6Hz이하이고 암소음은 14.3dB(A)이다. 무향실 내부에 사용된 웨지는 우레탄 소재의 폴리에스터로 200 × 200 × 680L을 사용하였으며, 방음실의 암소음은 36±1dB(A)이하로 설계되었다.

첨부한 도 7b의 사진은 무향실에서 소음 및 진동을 측정 분석하는 계측기로 LMS사의 Pimento 계측기를 이용하였다. 20KHz 16 채널, V/ICP input 모듈의 FFT 분석기로 구성되어 있다. 마이크로 폰은 1/2' Pre polarized Mic. & Pre amplifier 마이크로 폰을 사용하였으며, 그 정확성을 위하여 G.R.A.S Sound & Vibration사의 GRAS Type 42AB calibration를 사용하여 영점조절을 하여 실험의 정확성을 부여하였다.

이때, 실험조건으로서 마이크로폰에서 시료(임펠러)까지의 거리는 1m로 정하였다.

이러한 소음 시험 결과는 본 발명에 따른 고풍량용 고효율 원심형 임펠러와 기존의 임펠러간의 소음을 대비한 도 3의 그래프 및 위의 표 1에 기재된 바와 같다.

도 3 및 표 1에서 보는 바와 같이, 실시예의 임펠러는 비교예의 임펠러에 비하여 2dB[A]의 소음이 상승하였으나 소음이 증대된 것으로 느끼지 못할 정도로 미미하고, 반면에 유량증대가 110% 상승되어 그 효과가 충분하다 할 것이다.

시험예3

본 발명에 따른 실시예의 임펠러를 핸디형 소형 청소기에 실제로 장착하고, 마찬가지로 기존의 임펠러인 비교예의 임펠러를 핸디형 소형 청소기에 장착하여 시험예1과 같은 장비 및 같은 조건으로 풍량 대비 흡입력을 시험하였으며, 그 결과는 첨부한 도 5의 그래프 및 아래의 표 2에 나타낸 바와 같다.

위의 표 2에서 보는 바와 같이, 실시예의 임펠러가 비교예의 임펠러에 비하여 풍량 및 최대 흡입력이 상승됨을 알 수 있었다.

시험예4

실시예 및 비교예의 임펠러를 전산해석 기법을 통해 유체역학적 성능을 비교 측정하였으며, 그 결과는 첨부한 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같다.

도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 임펠러에 대한 속도분포, 압력분포, 유동장을 나타내고, 도 4b는 비교예에 따른 기존의 임펠러에 대한 속도분포, 압력분포, 유동장을 나타낸다.

실시예에 따른 임펠러의 속도분포는 비교예의 임펠러 대비 흡입구와 토출구에서 균일한 모습을 보여주고 있다.

또한, 압력분포의 경우는 실시예에 따른 임펠러의 토출구에서 압력분포가 균일한 것을 알 수 있으며, 이는 토출구 영역에서 유동이 비교예의 임펠러보다 더욱 안정적이기 때문이다.

또한, 내부유동장의 경우는 실시예에 따른 임펠러의 흡입구 및 토출구의 속도 벡터의 크기가 크고, 균일하게 분포되어 있고, 더욱이 허브 부근에서의 박리현상도 많이 감소된 것을 알 수 있었다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 고풍량용 고효율 원심형 임펠러에 의하면 종래의 임펠러가 갖는 한계인 유량상승과 효율저하의 현상을 개선하고자, 날개가 배열되는 기준 판의 형상을 날개 갯수에 맞춘 다각형 형상으로 제작하는 동시에 각 날개의 바깥쪽단이 돌출되는 식의 임펠러로 제작함으로써, 유량증대의 상승효과를 얻는 동시에 풍량 및 흡입력의 향상으로 유체 역학적 성능을 크게 개선할 수 있는 장점을 제공한다.

Claims (3)

1. 판에 원주방향을 따라 배열되는 날개를 포함하는 원심형 임펠러에 있어서,

   판의 일면에 원주방향을 따라 수개 또는 수십개의 날개를 등간격으로 배열 고정시키되, 각 날개의 바깥쪽단이 판의 변들로부터 더 돌출 연장되도록 하고, 상기 판은 다각형 형상으로 제작된 다각형판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고풍량용 고효율 원심형 임펠러.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 다각형판을 날개의 갯수와 일치하는 다각형의 형상으로 구비하되, 각 날개의 바깥쪽단이 다각형을 이루는 다각형판의 변들로부터 돌출 연장되는 시작점을 꼭지점으로 하여 다각형으로 제작된 것을 특징으로 하는 고풍량용 고효율 원심형 임펠러.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 다각형판은 각 날개의 바깥쪽 끝단을 하나로 이었을 때 생성되는 원의 직경(D)에 비하여 작은 0.88D의 기준원으로 정해진 다음, 기준원에 내접하는 다각형 형상으로 제작된 것을 특징으로 하는 고풍량용 고효율 원심형 임펠러.

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