KR100872294B1 - 연료펌프용 부등피치 임펠러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수의 날개를 갖는 연료펌프용 임펠러에 있어서, 상기 날개와 날개 사이의 증분각도(Δθi)는 아래의 수학식에 의해 설정되고, 증분각도의 최대값(MAX)과 최소값(MIN)은 2°≤ MAX - MIN ≤ 6°의 범위인 것을 특징으로 하는 연료펌프용 임펠러를 제공한다.

여기서, N은 전체 날개의 수(N : 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17,...), A_m은 날개 간 간격(등분각)의 분포 크기(0 < A_m < 360/N), i는 날개의 순번(i=1, 2, 3,..., N), P₁ 및 P₂는 주기에 영향을 미치는 요소(0 < P₁ < N, 0 ≤ P₁ ≤ N)를 의미한다.

임펠러, 연료펌프, 부등 피치, 등분각도, 고주파 피크, 맥동

Description

연료펌프용 부등피치 임펠러{Uneven Pitch Impeller For Fuel Pump}

본 발명은 연료펌프용 부등피치 임펠러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료펌프에 사용되는 임펠러의 날개를 부등 피치로 배열함으로써 임펠러의 회전에 의해 발생하게 되는 고주파 노이즈를 감소시키며, 부등간격 때문에 발생하는 맥동음을 최소화하도록 하는 연료펌프용 부등피치 임펠러에 관한 것이다.

유체 흡배 장치 중 내연 기관의 연료 공급 장치에서 원판 상에 형성되고 외주연에 날개(Impeller)를 갖는 회전부재가 회전하여 유체인 연료를 흡입 또는 배출하는 연료 펌프가 널리 알려져 있다.

도 1에서와 같이 연료펌프는 상부 및 하부 하우징을 갖는 펌프 하우징(102)과, 펌프 하우징 내에 회전가능하게 설치되는 디스크 형태의 임펠러(101), 임펠러를 회전시키기 위한 구동 모터(103)를 포함하고 있다.

일반적으로 이러한 연료펌프의 임펠러는 외주연에 설치되는 다수의 날개가 등피치 즉, 동일한 간격으로 배치되고, 회전부재가 회전할 때 회전부재를 수용하는 하우징측에 설치되고 연료 흡입구와 토출구 사이의 날개에 근접하는 격벽을 날개가 일정시간마다 통과한다. 이로 인해, 날개 수(또는 회전부재의 회전 수)에 상당하는 소정의 주파수대 즉, BPF(Blade Passing Frequency)라는 주파수대에서 음압(소음) 피크(Peak)가 발생 된다.

이러한, 문제를 해결하기 위해 날개 간격이 일정한 간격이 되지 않도록 날개 간격을 난수적으로 배치한 유체 흡배 장치가 일본 특개평 11-50990호에 개시되어 있다. 그러나, 일본 특개평 11-50990호에 개시된 유체 흡배 장치는 날개를 난수 배열로 배치하기 때문에 도 2에 도시된 바와 같이 날개가 몰리는 현상이 발생하게 된다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이 날개와 근접하는 격벽(Cut-off or Tongue)을 통과하는 날개의 시간 간격이 흩어지지 않고 중첩되어서 회전 부재의 회전 차수 주파수의 n배로 겹쳐지는 음압 피크가 발생하거나 경우에 따라 이 음압 피크의 주파수대에서 공진에 의한 소음 증대가 발생 되는 문제가 있다.

이러한, 문제를 해결하기 위해 특정구간의 증분각도 평균이 전체평균과 유사하도록 하기 위해 날개의 각도의 합(Sm)이 (360/k)-10≤Sm≤(360/k)+10(k=2,3,4)가 되도록 하여 소음을 줄일 수 있는 유체 흡배 장치가 한국 공개특허 제1999-23306호에 개시되어 있다.

그러나, 이와 같은 종래 기술에 따른 유체 흡배 장치는 날개 배열을 난수적으로 제어하기 때문에 날개 배열에 대한 예상 및 조절이 불가능 하는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 날개를 부등 피치로 배열하되 특정 부분에서의 날개 쏠림 현상을 방지하여 음압 피크를 줄이고, 부등 피치를 주기함수적으로 생성하여 날개 배열에 대한 예상 및 조절이 용이한 연료펌프용 부등피치 임펠러를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 임펠러의 고주파 피크의 분산을 통하여 노이즈를 저감할 수 있고, 부등간격에 의해 발생하는 맥동음(저주파 피크)을 최소화하도록 하는 연료펌프용 부등피치 임펠러를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 다수의 날개를 갖는 연료펌프용 임펠러에 있어서, 상기 날개와 날개 사이의 증분각도(Δθi)는 아래의 수학식에 의해 설정되고, 증분각도의 최대값(MAX)과 최소값(MIN)은 2°≤ MAX - MIN ≤ 6°의 범위인 것을 특징으로 하는 연료펌프용 임펠러를 제공한다.

여기서, N은 전체 날개의 수(N : 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17,...), A_m은 날개 간 간격(등분각)의 분포 크기(0 < A_m < 360/N), i는 날개의 순번(i=1, 2, 3,..., N), P₁ 및 P₂는 주기에 영향을 미치는 요소(0 < P₁ < N, 0 ≤ P₁ ≤ N)를 의미한다.

본 발명은 상기 수학식에 개시된 부등 피치 함수를 이용함으로써 부등 피치로 날개를 배열하되 (-1)ⁱ항에 의해 날개 쏠림 현상을 방지하여 음압 피크를 줄이고, 날개 간 간격(등분각)의 분포 크기(A_m) 및 주기에 영향을 미치는 요소(P_{1 ,2})를 이용하여 부등 피치를 주기함수적으로 생성함으로써 날개 배열에 대한 예상 및 조절을 용이하게 할 수 있다.

또한, 임펠러의 부등간격에 의해 일정한 유동이 형성되지 않아서 발생하게 되는 저주파 피크인 맥동음을 최소화할 수 있는 효과를 제공한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.

본 발명의 실시 예에 따른 연료펌프용 임펠러는 하기의 수학식 1에 의해 날개와 날개 사이의 증분각도(Δθi)가 설정된다.

여기서, N은 전체 날개의 수(N은 소수, N : 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17,...), A_m은 날개 간 간격(등분각)의 분포 크기(0 < A_m < 360/N), i는 날개의 순번(i=1, 2, 3,..., N), P₁ 및 P₂는 주기에 많은 영향을 미치는 요소(0 < P₁ < N, 0 ≤ P₁ ≤ N)를 의미한다.

이와 같은 부등 피치 함수에 의해 본 발명의 실시 예에 따른 임펠러는 날개 수가 변하더라도 같은 구조의 부등 피치 조건을 만들 수 있을 뿐만 아니라 생성된 함수들은 (-1)ⁱ항 때문에 진동발산함수의 형태를 띄고 있어 특정 구간에서 증분각도의 평균이 전체 평균과 유사하도록 만들 수 있게 된다.

도 2는 본 발명의 부등피치 배열에 의하여 설계되는 연료펌프용 임펠러(1)를 도시한 것으로, 날개(3)와 인접한 다른 날개(4) 사이의 각도들이 등간격이 아닌 부등간격으로 배열됨을 확인할 수 있다.

MAX - MIN 값

본 발명에 의한 연료펌프용 임펠러는 상기 수식에 의한 증분각도를 설정함으로써 부등피치로 날개를 배열할 수 있게 된다. 그러나 날개간의 각도가 동일한 등피치 임펠러와 본 발명에 의한 부등피치 임펠러의 고주파 피크 발생정도를 비교할 때, 특정구간에서는 고주파 피크의 발생정도가 서로 동등한 수준인 경우가 발생한다. 여기서 특정구간은 증분각도의 최대값(MAX)과 최소값(MIN)의 차이가 2도보다 작을 경우를 의미한다.

따라서 증분각도의 최대값과 최소값의 차이는 2도 이상이 되는 것이 바람직 하다. 도 3은 이러한 조건 하에서 등피치 임펠러와 부등피치 임펠러의 소음을 측정한 그래프이다. 그래프 상에서 등피치 임펠러의 고주파 피크의 최대값은 약 53dB(A) 인반면, 본 발명에 의한 부등피치 임펠러의 고주파 피크의 최대값은 약 45dB(A)이다. 이러한 결과에서 부등피치 임펠러의 고주파 피크가 분산되어 전체적인 노이즈가 저감됨을 확인할 수 있다.

또한, 부등피치로 임펠러의 날개를 배열하고자 할 때 고려하여야 하는 것이 저주파 맥동음을 최소로하는 각도를 선정하여야 한다는 것이다. 등피치와 같이 일정한 날개 간격을 갖는 임펠러는 유체를 이송할 때 날개와 날개 사이의 유체 통과면적이 동일하게 되므로 맥동음의 발생이 적다. 그러나, 부등피치와 같이 일정하지 않은 날개간격을 갖는 경우는 일정한 유동의 형성이 불가능하게 되므로 맥동음이 발생하게 되는 문제가 있다. 맥동이 증가하면 저주파 피크가 상승하게 된다. 특히 고유량을 토출하는 사양의 제품일수록 맥동이 문제되는 경우가 많아진다.

따라서 본 발명의 부등피치 임펠러에서 증분각도의 최대값(MAX)과 최소값(MIN)의 차이가 6도 이하일 경우 이러한 맥동값을 어느정도 수준(약 3Kpa 이하)으로 제한할 수 있게 된다. 도 4는 증분각도의 최대값과 최소값의 차이에 의한 맥동 변화량을 분석한 그래프이다. 여기서 점은 아래의 표 1에 나타난 맥동값을 표시한 것이다. 도 4에서와 같이 최대값과 최소값의 차이가 6도 이하일 경우 맥동값이 일정수준 이하로 제어될 수 있음을 알 수 있다.

표 1

MAX-MIN 값	0	4	5	4.7	6.1	8
맥동값(Kpa)	1.43	2.37	2.46	2.33	3.17	6.14

상기에서 고려한 조건들을 모두 만족하기 위하여 아래의 수식과 같이 본 발명에 따른 부등피치 임펠러는 그 증분각도의 최대값과 최소값의 차이값(A)을 제한하는 것이 바람직하며, 본 발명은 증분각도의 최대값과 최소값의 차이를 통해 고주파 피크와 저주파 피크를 모두 적절히 제어할 수 있음을 제시하게 된다.

2°≤ MAX - MIN ≤ 6°

여기서 MAX는 증분각도의 최대값, MIN은 증분각도의 최소값이다.

특정구간에서의 증분각도의 평균

본 발명에 의한 부등피치 임펠러는 임펠러의 날개를 부등간격으로 배열하여 고주파 피크를 분산시키도록 함과 동시에 부등간격에 의해 발생하는 맥동음을 최소화할 수 있도록 특정구간에서의 증분각도의 평균이 전체 날개각의 평균과 유사한 값을 갖도록 제어한다. 즉, 특정 구간에서 증분각도의 평균(AVG_SEC)과 전체 날개각도(360/N)의 평균(AVG_TOT)은 아래의 수학식 3을 만족하도록 한다.

(AVG_TOT - 0.5)≤AVG_SEC≤(AVG_TOT + 0.5)

예를 들어, 전체날개수가 N=41일 경우 여기서 특정구간을 전체날개수의 1/4로 하였을 때는 특정구간의 날개수는 41/4=10.25가 된다. 즉, 서로 인접하고 있는 10개의 증분각도의 평균값(AVG_SEC)을 도출하여 그 평균값이 전체 날개각도의 평균값(AVG_TOT)인 360/N 에 유사하여야 한다. 여기서 전체 날개각도의 평균값은 360/41=8.8 이 된다.

도 5는 전체 날개수 41일 경우 본 발명에 의하여 배열되는 부등피치 날개의 증분각도를 나타내는 그래프이다. 증분각도의 평균은 약 8.8 정도가 됨을 확인할 수 있다. 이때 전체 날개 중 1/4 구간의 서로 인접한 증분각도들의 평균값(AVG_SEC)이 전체 증분각도의 평균과 ±0.5 이내에 있도록 설정하는 것이 바람직하다.

도 6은 전체 날개수 41일 경우의 1/4구간의 인접 날개들의 증분각도의 평균각도를 도시한 그래프이다. X축값이 예를 들어 17인 경우 8~17번째 날개들의 증분각도값의 평균이고, 1인 경우는 33~41, 1번째 날개들의 평균값이다. 도 6에서와 같이 1/4 구간의 평균값들은 전체 증분각도의 평균값에서 0.5 이내의 오차범위이내에 포함되도록 설정된다.

날개수의 선정

연료펌프의 사용조건 하에서 유량, 전류, RPM 등의 성능에 영향을 미치는 값의 확보를 위해 날개수는 31 이상, 47 이하의 값을 갖는 것이 바람직하다. 즉, 31 ≤N≤47이다. 날개수가 30개 이하인 경우 임펠러의 인접날개 간격이 커지게 되며, 이때 RPM이 비교적 낮은 값을 갖는 저용량의 경우에는 연료펌프의 성능이 크게 저하하게 된다. 즉, 유로 내부에서의 회전유의 속도가 증가하게 되면 그만큼 승압능력이 좋아져서 연료펌프의 성능이 향상되나, 임펠러의 인접날개의 간격이 커지게 되면 회전유의 속도가 낮아져서 성능이 저하된다. 도 7은 임펠러(1)의 외주벽(13)이 회전하면서 회전유(15)가 생성되는 모습을 도시하고 있다. 여기서 A는 연료의 흐름방향을 나타내는 것이고 B는 연료가 통과되는 형상을 도시한 것이다.

또한, 날개수가 47을 초과하게 되면 임펠러의 인접날개의 간격이 작아지게 되어 유체가 통과할 수 있는 면적이 작아지게 되므로 고유량을 이송시킬 때 많은 부하가 발생하게 되고 전류가 상승하며 유량성능이 저하되어 연료펌프의 성능이 크게 저하하게 된다. 따라서 연료펌프의 사용조건 하에서 임펠러의 날개수는 아래의 수학식 4와 같이 되는 것이 바람직하다.

31≤N≤47 , 여기서 N은 전체 날개의 수

기타 인자의 조건

상기와 같이 수학식 1,2,3,4의 모든 조건을 만족하기 위하여 수학식 1의 Am 값은 1≤Am≤3 인 것이 바람직하게 되며, 여기서 P1=1 또는 P1=N-1 이 된다. 또한 P2=2*P1 값을 갖는 것이 바람직하다.

상기의 수학식들에 제시된 조건을 만족하기 위하여 날개 간 간격(등분각)의 분포 크기인 A_m과 주기에 영향을 미치는 요소인 P_{1 ,2} 값을 제어하게 된다. 이러한 Am 값과 P_{1 ,2} 값을 제어하여 난수조건(Random Pitch Condition)과 비슷한 피치 조건 및 일정 간격을 가진 피치 조건을 생성할 수 있으므로 날개 배열에 대한 예상 및 조절을 용이하게 할 수 있게 된다.

마지막 증분각도의 설정

상기 수학식 1에 의해 날개들 사이의 증분각도를 설정하게 되면 모든 증분각도 값들의 합이 360도를 초과하거나 360도 미만인 경우가 발생할 수 있다. 이러한 경우 마지막 각도는 상기 수학식 2,3을 만족한다는 전제하에 별도로 정의해야 한다. 즉, 모든 증분각도들의 합이 360와 같지 않은 경우 마지막 증분각도는 아래의 수학식 5에 의해 정해진다. 여기서 마지막 증분각도 역시 상기 수학식 2,3의 조건을 만족하여야 한다.

또한, 수학식 1을 통해 생성된 증분각도 값은 소수점 첫번째 자리까지로 한정하여 값을 얻는 것이 바람직하다. 만약 소수점을 한정하지 않고 증분각도를 적용하는 경우 소수점 첫자리 이하의 자리수의 값들이 인접 날개각과 설치각도에 반영되어 전체적인 합에 있어서 차이가 발생하게 된다. 본 실시예에서와 같이 전체 날 개수가 41매인 경우(N=41), 소수점을 첫째자리로 한정할 경우는 전체 증분각도의 합이 360도를 만족하게 된다.

도 1은 연료펌프의 구조를 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명에 의한 부등피치 임펠러의 날개배열을 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명에 의한 부등피치 임펠러와 등피치 임펠러의 고주파 피크값을 비교한 그래프이다.

도 4는 맥동변화량을 나타낸 그래프이다.

도 5는 본 발명에 의한 부등피치 임펠러의 증분각도를 나타낸 그래프이다.

도 6은 1/4구간에서의 인접한 증분각도들의 평균값을 나타낸 그래프이다.

도 7은 임펠러의 회전유의 생성을 도시한 도면이다.

Claims (7)

1. 다수의 날개를 갖는 연료펌프용 임펠러에 있어서,

   상기 날개와 날개 사이의 증분각도(Δθi)는 아래의 수학식에 의해 설정되고, 증분각도의 최대값(MAX)과 최소값(MIN)은 2°≤ MAX - MIN ≤ 6°의 범위인 것을 특징으로 하는 연료펌프용 임펠러.

   

   여기서, N은 전체 날개의 수(N : 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17,...), A_m은 날개 간 간격(등분각)의 분포 크기(0 < A_m < 360/N), i는 날개의 순번(i=1, 2, 3,..., N), P₁ 및 P₂는 주기에 영향을 미치는 요소(0 < P₁ < N, 0 ≤ P₁ ≤ N)를 의미함.
2. 제 1항에 있어서, 전체 날개의 수(N)는 31≤N≤47인 것을 특징으로 하는 연료펌프용 임펠러.
3. 제 1항에 있어서, 특정 구간에서 증분각도의 평균(AVG_SEC)과 전체 날개각도(360/N)의 평균(AVG_TOT)은 (AVG_TOT - 0.5)≤AVG_SEC≤(AVG_TOT + 0.5) 을 만족 하는 것을 특징으로 하는 연료펌프용 임펠러.
4. 제 3항에 있어서, 상기 특정구간은 전체 날개수의 1/4 구간인 것을 특징으로 하는 연료펌프용 임펠러.
5. 제 1항에 있어서, 1≤Am≤3 인 것을 특징으로 하는 연료펌프용 임펠러.
6. 제 1항에 있어서, P1=1 또는 P1=N-1 중 어느 하나이고, P2=2*P1 인 것을 특징으로 하는 연료펌프용 임펠러.
7. 제 1항에 있어서, 모든 증분각도의 합이 360°와 같지않을 경우, 마지막 증분각도 Δθn 는 아래의 식에 의해 정해짐을 특징으로 하는 연료펌프용 임펠러.

   

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