KR101150451B1 - 경사익형 스테이터를 구비한 제트팬 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제트팬에 관한 것으로, 임펠러에 의해 가속된 공기 유동의 스월로 인한 스테이터의 고정날개 주위의 유동 저항을 감소시켜 공기 이송 효율을 높이고 작동 소음을 감소시킬 수 있도록 한 경사익형 스테이터를 구비한 제트팬을 제공하는 것에 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제트팬은, 내부에 공기 통로가 구비된 케이싱; 상기 케이싱의 내부에 설치된 모터; 상기 모터의 출력축에 장착되어 회전되며, 회전에 따라 공기를 유동시키는 복수의 회전날개가 구비된 임펠러; 및 상기 임펠러의 전단 또는 후단에 고정 설치되며, 상기 임펠러에 의한 공기의 유동방향을 정렬하는 복수의 고정날개가 구비된 스테이터를 포함하며, 상기 스테이터의 고정날개는 상기 임펠러의 회전중심선과 평행한 방향으로 형성된 평행익부와 상기 임펠러의 회전중심선에 대하여 경사지게 형성된 경사익부를 구비하며, 상기 경사익부는 상기 임펠러의 회전날개의 경사방향과 반대방향으로 경사진 것을 특징으로 한다.

Description

경사익형 스테이터를 구비한 제트팬 {JET FAN HAVING INCLINED BLADE TYPE STATOR}

본 발명은 제트팬에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스테이터의 고정날개 주위에 발생되는 스월 성분에 의한 유동 저항을 감소시켜 공기 이송 효율을 향상시키고 작동 소음을 감소시킬 수 있는 경사익형 스테이터를 구비한 제트팬에 관한 것이다.

도로의 터널이 길어지고 통행 차량이 증가함에 따라 터널 내부 환기의 중요성도 매우 증대하였다. 터널 내부 환기의 목적은 자동차에서 배출되는 일산화탄소, 매연 등의 오염물질을 터널 외부로 방출시켜 쾌적하고 안전한 주행 환경을 유지하는 것이다. 또한, 화재 발생 시 배연 효과와 함께 비상시 인명의 안전 확보 및 유지 관리를 위하여 오염물질의 농도를 기준치 이하로 낮추는 것이다. 따라서, 터널 계획 및 건설 시에는 반드시 적절한 환기 대책이 요구된다.

터널 내부의 환기방식은 크게 자연 환기방식과 기계 환기방식으로 구분된다. 일반적으로 터널 내를 주행하는 자동차의 피스톤 효과 등에 의해 자연 환기가 가능한 터널의 길이는 약 500m 정도로 볼 수 있는데, 최근에 건설되고 있는 터널들은 500m 이상의 길이를 갖는 장대 터널이 많으며, 이러한 터널들은 기계 환기 방식을 통해 터널 내 환경을 일정 수준 이상으로 유지시켜 주어야 한다.

기계 환기방식은 종류식, 반횡류식, 횡류식 등이 있는데, 이 중에서 종류식은 터널의 내부에 소정 간격으로 제트팬을 설치하여 팬에 의해 가속된 공기를 강제 토출시키는 방식으로서, 상대적으로 건설비용과 운용비용이 적게 소요되면서도 효율이 높은 장점이 있어 국내를 비롯한 유럽, 일본 등에서 널리 사용되고 있다.

종류식 환기방식에 사용되는 통상적인 제트팬의 구조가 도 1에 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 통상의 제트팬은 케이싱(10)의 종방향 양측에 소음기(20, 60)가 결합되고, 케이싱(10)의 내부에 스테이터(50)가 고정 설치되며, 이 스테이터(50)에 장착된 모터(40)에 의해 회전되는 임펠러(30)가 구비된다. 상기 임펠러(30)는 공기에 이송력을 가하는 복수의 회전날개를 구비하여 모터(40)의 회전 방향에 따라 정방향 혹은 경우에 따라 역방향으로 공기를 압송한다. 상기 스테이터(50)는 공기의 흐름을 정렬하는 복수의 고정날개를 구비하여 임펠러(30)에 의해 이송되는 공기 흐름이 종방향으로 이루어지게 한다.

상기 임펠러(30)를 통과하는 공기는 임펠러(30)에 구비된 회전날개의 경사각도와 회전속도에 의해 종방향에 대해 소정 각도 경사진 방향으로 가속되므로, 스테이터(50)에 유입되는 공기는 종방향 운동성분과 원주방향 운동성분(swirl)을 갖게 된다.

그런데, 종래의 제트팬은 스테이터(50)의 고정날개가 종방향과 평행한 일직선 형태의 단면을 갖는 구조로 이루어졌기 때문에, 유동되는 공기의 원주방향 운동성분, 즉 스월이 고정날개에 충돌하면서 큰 유동저항이 발생하게 되어 공기 이송 효율이 떨어지고, 작동 소음이 심하게 발생되는 문제가 있었다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 임펠러에 의해 가속된 공기 유동의 스월로 인한 스테이터의 고정날개 주위의 유동 저항을 감소시켜 공기 이송 효율을 높이고 작동 소음을 감소시킬 수 있도록 한 경사익형 스테이터를 구비한 제트팬을 제공하는 것에 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 내부에 공기 통로가 구비된 케이싱; 상기 케이싱의 내부에 설치된 모터; 상기 모터의 출력축에 장착되어 회전되며, 회전에 따라 공기를 유동시키는 복수의 회전날개가 구비된 임펠러; 및 상기 임펠러의 전단 또는 후단에 고정 설치되며, 상기 임펠러에 의한 공기의 유동방향을 정렬하는 복수의 고정날개가 구비된 스테이터를 포함하며, 상기 스테이터의 고정날개는 상기 임펠러의 회전중심선과 평행한 방향으로 형성된 평행익부와 상기 임펠러의 회전중심선에 대하여 경사지게 형성된 경사익부를 구비하며, 상기 경사익부는 상기 임펠러의 회전날개의 경사방향과 반대방향으로 경사진 것을 특징으로 하는 경사익형 스테이터를 구비한 제트팬을 제공한다.

상기한 본 발명의 제트팬에서, 상기 스테이터의 고정날개는 경사익부가 평면형으로 형성되어 평행익부와 절곡된 형태로 연결된 구조로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 스테이터의 고정날개는 경사익부가 곡면형으로 형성되어 평행익부와 만곡된 형태로 연결된 구조로 이루어질 수도 있다.

상기 고정날개의 경사익부는 공기의 유동방향에 따른 평행익부의 넓이에 대하여 50 ~ 150%의 넓이를 갖도록 형성된 것이 바람직하다.

그리고, 상기 평행익부에 대한 경사익부의 경사각도는 10°~ 20°인 것이 바람직하다.

더욱 바람직하게는, 상기 평행익부에 대한 경사익부의 경사각도는 16°~ 17°로 형성될 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

(1) 스테이터의 고정날개에 공기의 유동각도에 따라 경사진 경사익부를 구비하여 공기 유동의 스월로 인한 고정날개 주위의 유동 저항이 감소되도록 함으로써, 제트팬의 공기 이송 효율을 향상시키고 작동 소음을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

(2) 고정날개의 경사익부가 평행익부와 만곡된 형태로 연결되도록 하여 유동저항이 감소되도록 함으로써, 제트팬의 공기 이송 효율을 더욱 높이고 소음 발생을 더욱 줄일 수 있는 효과가 있다.

(3) 고정날개의 경사익부와 평행익부를 비슷한 넓이로 형성함으로써, 정방향 유동 뿐 아니라 역방향 유동에 대해서도 공기 이송 효율을 향상시키고 작동 소음을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 통상의 제트팬을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 경사익형 스테이터를 구비한 제트팬의 일 실시예를 도시한 종방향 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 제트팬에서 스테이터를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 제트팬에서 슬립 팩터를 고려하지 않은 스테이터 고정날개의 경사각도 산출을 위한 모식도이다.
도 5는 본 발명에 따른 제트팬에서 슬립 팩터를 고려한 스테이터 고정날개의 경사각도 산출을 위한 모식도이다.
도 6은 본 발명에 따른 제트팬에서 스테이터의 경사각도에 따른 스테이터 고정날개 주위의 속도벡터를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 제트팬에서 스테이터 고정날개의 경사각도에 따른 유동속도와 효율을 나타내는 그래프이다.

상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 제트팬은 임펠러(110)와 스테이터(120)가 설치된 본체의 종방향 양측에 각각 소음기(101, 102)가 구비된 구조를 갖는다.

상기 본체는 공기의 이송로를 이루는 단관형의 케이싱(100) 내부에 스테이터(120)가 설치되고, 이 스테이터(120)의 중심 부분에 모터(130)가 설치되며, 상기 스테이터(120)와 소정 간격 이격되도록 상기 모터(130)의 출력축에 임펠러(110)가 장착된다.

도 3을 함께 참조하면, 상기 스테이터(120)는 상기 모터(130)가 고정되는 허브에 원주방향을 따라 소정 간격으로 다수의 고정날개(121)가 구비되며, 각 고정날개(121)의 반경방향 외측단이 케이싱(100)의 내주면에 연결되어 고정된다.

상기 임펠러(110)는 상기 모터(130)의 출력축에 결합되는 로터)에 원주방향을 따라 소정 간격으로 다수의 회전날개(111)가 구비되며, 상기 회전날개(111)는 공기를 압송할 수 있도록 원주방향에 대해 경사진 방향으로 배열된다.

본 발명에서 상기 스테이터(120)는 상기 임펠러(110)의 회전중심축 방향, 즉 종방향에 대하여 소정 각도 경사지게 형성된 경사익부(124)와 종방향에 대하여 평행하게 형성된 평행익부(123)를 구비한다.

상기 경사익부(124)의 경사 방향은 임펠러(110)의 회전날개(111)의 경사 방향과 반대방향으로 기울어진 방향이 된다. 즉, 도시된 바와 같이 상기 회전날개(111)가 전단에서 후단으로 갈수록 상향되는 방향으로 경사진 경우, 상기 고정날개(121)의 경사익부(124)는 전단에서 후단으로 갈수록 하향되는 방향으로 경사지게 형성된다.

상기 경사익부(124)의 바람직한 경사각도는 아래와 같이 산출될 수 있다.

A. 슬립 팩터(Slip Factor)를 고려하지 않은 스테이터 고정날개(121)의 경사각도(α) 산출(도 4 참조)

(1) 제트팬 내부의 유속(

) 산출 (50% span 기준)

:

(Q : 유량, A : 내부단면적)

(2) 임펠러 회전날개(111)의 유동각(

) 결정

: slip의 영향을 고려하지 않을 경우

는 임펠러 회전날개(111)의 출구 각도와 동일하다.

(3) 상대속도(

) 산출

:

(4) 회전속도(

) 산출

: R = 반경 (span 50% 지점)

:

(N : 회전수)

(5) 절대속도(

) 산출

:

(6) 절대유동각(α) 산출

:

B. 슬립 팩터를 고려한 스테이터 고정날개(121)의 경사각도(α) 산출 (도 5 참조)

(1) 제트팬 내부의 유속(

) 산출 (50% span 기준)

:

(Q : 유량, A : 내부단면적)

(2) 임펠러 회전날개(111)의 유동각(

) 결정

: slip의 영향을 고려하지 않을 경우

는 임펠러 회전날개(111)의 출구 각도와 동일하다.

(3) 상대속도(

) 산출

:

(4) 회전속도(

) 산출

: R = 반경 (span 50% 지점)

:

(N : 회전수)

(5) Slip Factor(σ) 결정

: 0.8~1.0 (수치해석을 통한 변수범위 결정)

(6) Slipdp 의한 상대속도(

) 산출

:

(7) 절대속도(

) 산출

:

(6) 절대유동각(α) 산출

:

상기와 같은 과정을 통해 제트팬 내부에서 임펠러(110)에 의해 유동되는 공기가 스테이터(120)의 회전날개(111) 주위를 통과하면서 발생되는 스월성분에 의한 유동저항을 최소화하는 절대유동각(α)를 구할 수 있으며, 스테이터 고정날개(121)의 경사각도(α)를 상기 절대유동각(α)과 동일한 각도로 형성하면, 스월에 의한 유동저항을 최소화할 수 있다.

통상적인 제트팬의 경우, 슬립팩터(σ)가 0.8 ~ 1의 범위에서 변화함에 따라 절대유동각(α)는 4.7°~ 26.9°의 범위에서 변화하게 된다.

수치해석을 통한 성능 향상 분석을 위하여 해석 세트 슬립팩터(σ)를 0.9로 결정하면, 절대유동각(α) 값으로 16.24°를 얻을 수 있다. 따라서, 유동손실을 줄이기 위하여 스테이터 고정날개(121)의 바람직한 경사각도(α)의 범위는 10°~ 20°정도가 되며, 보다 바람직하게는 16°~ 17°의 범위에서 정해질 수 있다.

도 6은 수치해석을 통해 경사각도(α)에 따른 스테이터 고정날개(121) 주위의 속도벡터를 도시한 것으로, 도시된 바와 같이 경사각도(α)가 16.24°인 경우 고정날개(121) 주위의 유동에 스월 성분이 감소되고, 경사각도(α)가 0°또는 이에 가깝게 감소되거나 20° 이상으로 증가된 경우 고정날개(121) 주위의 유동에 스월 성분으로 인한 저항이 증가됨을 확인할 수 있다.

도 7은 스테이터 고정날개(121)의 경사각도(α)에 따른 유동속도와 효율을 나타내는 그래프로서, 유동속도와 효율 모두 경사각도(α)가 0°일 때 가장 낮고, 경사각도(α)의 증가에 따라 증가하여 16.24°일 때 최대치를 나타내며, 16.24°를 넘어서면 다시 감소하는 것을 알 수 있다.

한편, 상기 스테이터(120)의 고정날개(121)는 도시된 바와 같이 경사익부(124)와 평행익부(123)가 각각 평면형으로 형성되고 양자 간의 사이 부분이 절곡된 구조로 이루어질 수도 있으나, 경사익부(124)가 곡면형으로 형성되어 평행익부(123)와 만곡된 형태로 연결된 구조로 이루어질 수도 있다. 이러한 경우, 공기의 유동 저항을 더욱 감소시켜 제트팬의 효율을 더욱 향상시키고 작동소음을 더욱 감소시킬 수 있다.

또한, 상기 경사익부(124)와 평행익부(123)는 임펠러(110)의 정방향 및 역방향 회전에 따른 양방향의 유동에 대하여 동일한 작용이 이루어질 수 있도록 유동방향에 대하여 동일한 넓이로 형성될 수 있으며, 주로 어느 특정 방향으로 유동을 발생시키는 용도로 사용되는 경우에는 해당 방향에 대한 유동속도와 효율을 높일 수 있도록 서로 다른 넓이로 형성될 수 있다. 범용으로는 경사익부(124)가 평행익부(123)의 넓이에 대해 50 ~ 150% 정도의 넓이를 갖는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

100 : 케이싱 101, 102 : 소음기
110 : 임펠러 111 : 회전날개
120 : 스테이터 121 : 고정날개
123 : 평행익부 124 : 경사익부
130 : 모터

Claims (6)

1. 내부에 공기 통로가 구비된 케이싱;
   상기 케이싱의 내부에 설치된 모터;
   상기 모터의 출력축에 장착되어 회전되며, 회전에 따라 공기를 유동시키는 복수의 회전날개가 구비된 임펠러; 및
   상기 임펠러의 전단 또는 후단에 고정 설치되며, 상기 임펠러에 의한 공기의 유동방향을 정렬하는 복수의 고정날개가 구비된 스테이터를 포함하며,
   상기 스테이터의 고정날개는 상기 임펠러의 회전중심선과 평행한 방향으로 형성된 평행익부와 상기 임펠러의 회전중심선에 대하여 경사지게 형성된 경사익부를 구비하며, 상기 경사익부는 상기 임펠러의 회전날개의 경사방향과 반대방향으로 경사진 것을 특징으로 하는 경사익형 스테이터를 구비한 제트팬.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 스테이터의 고정날개는 경사익부가 평면형으로 형성되어 평행익부와 절곡된 형태로 연결된 것을 특징으로 하는 경사익형 스테이터를 구비한 제트팬.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 스테이터의 고정날개는 경사익부가 곡면형으로 형성되어 평행익부와 만곡된 형태로 연결된 것을 특징으로 하는 경사익형 스테이터를 구비한 제트팬.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 고정날개의 경사익부는 공기의 유동방향에 따른 평행익부의 넓이에 대하여 50 ~ 150%의 넓이를 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 경사익형 스테이터를 구비한 제트팬.
   
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 평행익부에 대한 경사익부의 경사각도는 10°~ 20°인 것을 특징으로 하는 경사익형 스테이터를 구비한 제트팬.
   
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 평행익부에 대한 경사익부의 경사각도는 16°~ 17°인 것을 특징으로 하는 경사익형 스테이터를 구비한 제트팬.
   

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