KR101422765B1 - 축류팬의 스톨 방지 구조 - Google Patents

Abstract

축류팬의 스톨 방지 구조가 개시된다. 본 발명에 따른 축류팬의 스톨 방지 구조는 케이싱(casing); 상기 케이싱 내의 소정의 위치에서 회전함으로써, 상기 케이싱을 통해 기류가 송출되도록 하는 팬(fan); 및 상기 팬의 전방의 상기 케이싱의 일부가 천공되어 형성되어 유체가 유입되는 유입구를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

축류팬의 스톨 방지 구조{Structure for preventing stall of axial fan}

본 발명은 축류팬의 스톨 방지 구조에 관한 것이다.

선박의 엔진룸 등에 공기를 공급하기 위해 축류팬(axial flow fan)이 널리 사용되고 있다. 종래의 축류팬은 고속으로 회전하여 엔진룸 등에 공기를 공급하게 된다.

축류팬을 엔진룸 등에 설치할 경우, 팬의 앞단과 뒷단에는 예상치 못한 덕트 손실(duct loss)이 발생할 수 있으며, 이에 따라 축류팬의 효율 감소, 소음 증대, 진동으로 인한 파손 등이 예상된다. 이러한 현상들은 축류팬에서 일어나는 이른바 '회전 스톨(rotation stall)'에 의한 것이라고 알려져 있다.

도 1은 엔진룸 등에 널리 사용되는 축류팬의 유동 해석 결과를 유량별로 나타낸 것이다. 도 1의 (a)는 유량(flow rate)이 2,450m³/min인 경우로서, 디자인한대로 축류팬의 블레이드 단부에서의 팁 리키지 보텍스(tip leakage vortex)가 인접한 블레이드(adjacent blade)에 간섭되지 않고 깨끗한 유동장을 나타냄을 알 수 있다.

그러나, 도 1의 (a)와 같이 설계된 축류팬이라 하더라도, 실제로 엔진룸 등에 설치되어 주변의 부수적인 압력 손실(pressure loss) 인자들의 영향을 받게 되면, 도 1의 (b), (c), (d)와 같이 유량이 감소하게 되는데, 도 1의 (b)와 같이 유량이 2,000m³/min인 경우에는 리버스 플로우 리전(reverse flow region)이 보여지지는 않지만, 팁 리키지 보텍스가 인접한 블레이드에 간섭을 일으키는 현상이 나타나기 시작한다.

나아가, 도 1의 (c)(유량이 1,600m3/min이 경우)나 도 1의 (d)(유량이 1,200m³/min이 경우)와 같이 유량이 감소하게 되면 팁 리키지 보텍스의 영향으로 인하여 큰 규모로 리버스 플로우 리전이 광범위하게 발생하며, 팬의 허브(hub) 구간에도 스톨(stall)이 발생하게 된다.

스톨 현상이 발생하면 모든 블레이드는 회전함에 따라 리버스 플로우 리전과 간섭되게 되며, 이로 인하여 발생하는 난류 소음과 진동에 의해 팬 블레이드가 파손에 이르는 경우도 발생하게 된다.

종래에는 축류팬의 스톨 현상을 방지하기 위해, 도 2에 도시된 것처럼, 케이싱의 블레이드(1) 주변에 링(ring) 형상의 구조(3)를 부가하는 기술이 적용되었으나, 링 구조를 부가하기 위해서는 케이싱의 전체적인 형상을 다시 설계 및 제작해야 한다는 문제가 있다.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.

한편, 미국등록특허 US6,302,640호에는 축류팬의 스톨을 방지하기 위해 블레이드 주변의 케이싱에 링을 삽입한 구조가 개시되어 있고, 일본공개특허 2007-009730호에는 냉각풍을 유통시키는 축류 팬과, 냉각풍에 의해 냉각되는 냉각 대상과, 이류 팬보다 냉각풍의 하류측에 위치하여 날개 고정부의 외주면 부근에 설치되는 정류 부재를 구비하되, 정류 부재는 이류 팬으로부터 분출되는 냉각풍에 따른 방향에, 또한 이류 팬의 하류 회전 중심부 부근에서 이류 팬의 스톨시에 생기는 역류를 저지하는 방향에 설치되는 냉각 장치가 개시되어 있다.

특허문헌 1 : 미국등록특허 US6,302,640호 특허문헌 2 : 일본공개특허 2007-009730호

본 발명은, 축류팬을 설치한 후에 사후적으로 스톨 현상이 발생하더라도 이를 방지할 수 있는 이른바 '안티 스톨(anti-stall) 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 케이싱(casing); 상기 케이싱 내의 소정의 위치에서 회전함으로써, 상기 케이싱을 통해 기류가 송출되도록 하는 팬(fan); 및 상기 팬의 전방의 상기 케이싱의 일부가 천공되어 형성되어 유체가 유입되는 유입구를 포함하는 축류팬의 스톨 방지 구조가 제공된다.

상기 팬의 후방의 상기 케이싱의 일부가 천공되어 형성되는 유출구를 더 포함할 수 있다.

상기 팬의 전방에 형성되는 부압이 소정의 기준치보다 클 경우 상기 유입구를 개방시키는 유입구 차폐판을 더 포함할 수 있다.

상기 팬의 후방에 형성되는 정압이 소정의 기준치보다 클 경우 상기 유출구를 개방시키는 유출구 차폐판을 더 포함할 수 있다.

상기 케이싱에 설치되며, 일단부는 상기 유출구 차폐판에 연결되고 타단부는 상기 유입구 차폐판에 연결되어 상기 유출구 차폐판과 상기 유입구 차폐판이 서로 연동하여 개방되도록 하는 링크 구조를 더 포함할 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 축류팬의 제작 과정에서 안티 스톨 장치(anti-stall device)를 고려할 경우에는 많은 비용이 소요되나, 본 실시예는 축류팬 시스템을 구성한 후에도 필요에 따라 안티 스톨 장치를 사후적으로 부착하여 스톨 현상을 방지할 수 있다.

또한, 스톨을 방지하기 위해 추가적인 제어 기법이나 동력 장치가 요구되지 않으며, 스톨에 의해 발생하는 물리적인 현상을 활용하여 기계적 방식으로 스톨 방지 구조를 구현할 수 있다.

도 1은 축류팬의 유동 해석 결과를 나타낸 도면.
도 2는 종래 기술에 따른 축류팬의 구조를 나타낸 단면도.
도 3은 축류팬의 스톨 발생 부위를 나타낸 단면도.
도 4는 도 3에서 압력 상황을 나타낸 확대도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 축류팬의 스톨 방지 구조를 나타낸 단면도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 축류팬의 스톨 방지 구조를 나타낸 단면도이다. 도 5를 참조하면, 케이싱(100), 팬(110), 유출구(120), 유출구 차폐판(122), 유입구(130), 유입구 차폐판(132), 링크 구조(140)가 도시되어 있다.

본 실시예는, 축류팬을 설치한 후에 사후적으로 스톨 현상을 방지할 수 있는 부착형 '안티 스톨(anti-stall)' 장치를 특징으로 한다.

일반적으로 축류팬을 설계함에 있어서, 제작 과정에서부터 안티 스톨 장치를 고려할 경우에는, 비용이 많이 소요되므로 비용 측면에서 다소 불리하다. 또한, 시스템을 구성함에 있어서 팬의 전방과 후방에 발생하는 압력 손실(pressure loss)을 정확히 예측하기 어렵다.

이에 본 실시예에서는, 축류팬 시스템을 구성한 후에 사후적으로 스톨 현상이 발생하면, 이를 회피할 수 있도록, 팬의 변경이나 탈부착 없이 간단히 안티 스톨 장치를 부가하는 것만으로 스톨을 방지함으로써 소음 저감, 성능 향상, 파손 방지 등의 효과를 얻을 수 있도록 한 스톨 방지 구조를 특징으로 한다.

일반적으로 축류팬에서 스톨 현상을 방지하기 위해 많은 장치들이 고안되었으나, 대부분 고가의 장비일 뿐만 아니라 제작 과정에서 미리 고안된 장치를 삽입하는 방식으로 설치된다.

그러나, 엔진룸 등에 사용되는 축류팬은 전방과 후방에서의 압력 손실값을 사전에 정량적으로 예측하는 것이 어렵고, 축류팬이 고가의 장비가 아닌 탓에 굳이 안티 스톨 장치류를 적용하고 있지 않은 실정이다.

이에 본 실시예는 엔진룸에 공급되는 축류팬에 발생하는 문제점(스톨 현상)을 해결하기 위해, 축류팬에 대한 유동 해석을 통해 '안티 스톨' 장치가 구비된 축류팬 구조를 제안한 것이다.

도 3에 도시된 것처럼, 팬의 블레이드 팁과 케이싱 사이(도 3의 'S' 영역 참조)에서 스톨이 발생하게 되며, 도 4에 도시된 것처럼 스톨이 발생한 경우 팬의 전방(도 4의 'I' 참조)에는 부압이, 팬의 후방(도 4의 'O' 참조)에는 정압이 작용하게 된다.

도 5는 축류팬의 케이싱에 안티 스톨(anti-stall)을 위한 장치를 설치한 구조의 일례이다. 본 실시예는 케이싱 부위에 단순한 기계식 구조의 장치를 설치한 것을 특징으로 한다.

본 실시예에 따른 축류팬은 원통 형상의 케이싱(100) 내에 소정의 위치에서 팬(110)이 회전하는 구조로 구성되며, 팬(110)의 회전에 따라 케이싱(100)을 통해 기류가 송출되게 된다.

본 실시예에 따른 축류팬의 스톨 방지 구조는, 팬(110)의 전방 및/또는 후방에 유입구(130) 및/또는 유출구(120)가 천공된 것을 특징으로 한다.

유입구(130)는 팬(110)의 전방에 형성되는 낮은 압력(부압)을 흡수할 수 있도록 팬(110)의 전방 부근의 케이싱(100) 벽체의 일부가 천공되어 형성되는 개구부이다.

유입구(130)에는 유입구 차폐판(132)이 설치되는데, 유입구 차폐판(132)은 팬(110)의 전방에 형성되는 부압이 소정의 기준치보다 클 경우(예를 들면, 스톨이 발생할 때의 부압), 유입구(130)를 개방시킨다.

이를 위해 유입구 차폐판(132)은, 도 5에 도시된 것처럼, 스프링 등의 탄성체(도 5의 'Ki' 참조)를 개재하여 케이싱(100) 벽체에 설치될 수 있다. 스프링의 탄성력을 적절하게 조절함으로써 유입구 차폐판(132)이 평소에는 닫혀있다가 기준치 이상의 압력이 가해질 경우에만 개방되도록 할 수 있다.

유출구(120)는 팬(110)의 후방에 형성되는 높은 압력(정압)을 흡수할 수 있도록 팬(110)의 후방 부근의 케이싱(100) 벽체의 일부가 천공되어 형성되는 개구부이다.

유출구(120)에는 유출구 차폐판(122)이 설치되는데, 유출구 차폐판(122)은 팬(110)의 후방에 형성되는 정압이 소정의 기준치보다 클 경우(예를 들면, 스톨이 발생할 때의 정압), 유출구(120)를 개방시킨다.

이를 위해 유출구 차폐판(122)은, 도 5에 도시된 것처럼, 스프링 등의 탄성체(도 5의 'Ko' 참조)를 개재하여 케이싱(100) 벽체에 설치될 수 있다. 스프링의 탄성력을 적절하게 조절함으로써 유출구 차폐판(122)이 평소에는 닫혀있다가 기준치 이상의 압력이 가해질 경우에만 개방되도록 할 수 있다.

나아가, 케이싱(100)에는 링크 구조(140)가 설치될 수 있는데, 링크 구조(140)의 일단부는 유출구 차폐판(122)에 연결되고 타단부는 유입구 차폐판(132)에 연결됨으로써, 유출구 차폐판(122)이 개방되면 이에 연동하여 유입구 차폐판(132)이 개방되며, 또한 유입구 차폐판(132)이 개방되면 이에 연동하여 유출구 차폐판(122)이 개방될 수 있다.

이처럼, 유입구(130), 유출구(120), 차폐판(122, 132), 링크 구조(140)가 구비된 본 실시예에 따른 스톨 방지 구조의 작동원리는 다음과 같다.

팬(110)의 후방에는 높은 압력이 걸리는데, 높은 압력으로 인하여 케이싱(100)의 벽체(예를 들면, 유출구(120) 부분)를 미는 힘이 발생하게 되며, 이 힘은 전술한 것처럼 유출구 차폐판(122) 및 링크 구조(140)를 통해 팬(110) 전방의 케이싱 부분(예를 들면, 유입구(130) 부분)을 누르는 힘으로 전달되게 된다.

이에 의해 유입구 차폐판(132)이 개방되며, 그 결과 케이싱(100) 주변의 유체(도 5의 'F' 참조)가 케이싱(100) 내부 영역(스톨이 발생한 영역)으로 유입된다.

케이싱(100) 외부의 유체가 유입됨에 따라 케이싱(100) 내부의 유량이 증가하고, 높은 에너지(high energy)의 플로우(flow)가 공급됨에 따라 스톨 영역이 사라지게 된다. 즉, 풍부한 유량의 확보로 인하여 스톨 현상이 방지된다.

이는 매우 단순하면서 저렴한 개념의 '안티 스톨' 구조에 해당한다.

이상으로 살펴본 바와 같이, 본 실시예는 축류팬을 이용한 시스템을 구성한 후에, 팬(110)의 전방과 후방에 위치하는 각종 구성품들로 인하여 압력 손실이 발생하고 그로 인하여 스톨 현상이 문제가 될 경우, 전술한 바와 같은 안티 스톨 구조물을 이용하여 스톨 현상을 방지한 것을 특징으로 한다.

본 실시예는, 3차원 유동 해석을 통해 스톨 현상이 가지는 물리적 특성을 고려하여 도출된 아이디어로서, 스톨 발생시 물리적으로 형성되는 압력을 활용한 안티 스톨 장치라고 할 수 있다.

전술한 것처럼, 본 실시예에 따른 스톨 방지 구조는 추가적인 동력이나 센서 없이 스톨 현상을 방지할 수 있으며, 추가적인 동력이나 센서 없이 케이싱(100) 부위에 도 5에 도시된 것과 같은 기계적인 구조물을 설치함으로써 스톨 현상을 방지할 수 있다.

나아가, 축류팬 설계시에는 스톨에 대한 고려 없이 저비용으로 축류팬을 설계한 후에, 사후적으로 스톨이 문제가 될 경우 본 실시예에 따른 스톨 방지 구조를 간단히 부착함으로써 스톨 현상을 회피할 수 있다.

본 실시예는 기존에 케이싱 내부의 유동을 제어하는 기술과는 달리 케이싱 외부 유동을 이용한 스톨 방지 기술이라고 할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 케이싱 110 : 팬
120 : 유출구 122 : 유출구 차폐판
130 : 유입구 132 : 유입구 차폐판
140 : 링크 구조

Claims (5)

1. 케이싱(casing);
   상기 케이싱 내의 소정의 위치에서 회전함으로써, 상기 케이싱을 통해 기류가 송출되도록 하는 팬(fan);
   상기 팬의 전방의 상기 케이싱의 일부가 천공되어 형성되어 유체가 유입되는 유입구;
   상기 팬의 전방에 형성되는 부압이 소정의 기준치보다 클 경우 상기 유입구를 개방시키는 유입구 차폐판;
   상기 팬의 후방의 상기 케이싱의 일부가 천공되어 형성되는 유출구;
   상기 팬의 후방에 형성되는 정압이 소정의 기준치보다 클 경우 상기 유출구를 개방시키는 유출구 차폐판; 및
   상기 케이싱에 설치되며, 일단부는 상기 유출구 차폐판에 연결되고 타단부는 상기 유입구 차폐판에 연결되어 상기 유출구 차폐판과 상기 유입구 차폐판이 서로 연동하여 개방되도록 하는 링크 구조를 포함하는 축류팬의 스톨 방지 구조.
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