KR101833559B1 - 프리팁형 축류팬 조립체 - Google Patents

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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

프리팁형 축류팬 조립체는 팁 간극이 존재할 때 바람직한 블레이드 부하를 제공하는 블레이드 팁 기하구조를 가지는 팬을 포함한다. 증가하는 방사상 위치의 방향으로 블레이드 팁 반경(R)이 가까이 접근함에 따라, 최대 캠버는 급격하고 현저한 증가를 나타낸다. 일부 구성에서, 블레이드 팁 반경(R)에서의 최대 캠버는 r/R=0.95인 방사상 위치(r)에서의 최대 캠버보다 적어도 10%만큼 크다. 일부 구성에서 블레이드 각도는 r/R=0.95인 방사상 위치(r)로부터 블레이드 팁 반경(R)까지 0.01 라디안을 초과하여 증가한다. 일부 구성에서 블레이드 팁 반경(R)에서의 최대 캠버는 익현 길이의 적어도 0.06 배이다.

Description

프리팁형 축류팬 조립체{FREE-TIPPED AXIAL FAN ASSEMBLY}
본 출원은 2010년 2월 26일 출원된 미국 가특허출원 제61/308,375호의 우선권을 주장하고, 이 미국 가특허출원은 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로 합체된다.
본 발명은 일반적으로 특히 자동차 엔진 냉각 팬으로 사용될 수 있는 프리팁형 축류팬에 관한 것이다.
엔진 냉각 팬은 자동차에서 내연기관을 냉각하기 위한 라디에이터, 공기 조화기용 응축기, 및 가능하다면 추가적인 열교환기를 일반적으로 포함하는 열교환기 세트를 통해 공기를 이동시키기 위해 사용된다. 이들 냉각 팬은 통상적으로 재순환을 저감시키고 팬과 열교환기 사이에서 공기를 안내하는 역할을 하는 슈라우드에 의해 둘러싸인다.
팬은 통상적으로 제한된 기계적 물성을 갖는 재료인 플라스틱으로 사출 성형된다. 플라스틱 팬은 고온에서 회전 및 공기 역학적 부하를 받을 때 크리프 편향을 나타낸다. 이 편향은 설계 과정에서 고려되어야 한다.
일부 엔진 냉각 팬은 모든 블레이드의 팁을 연결하는 회전 팁 밴드를 갖기는 하지만, 다수는 프리팁형(free-tipped)이다(즉, 블레이드의 팁이 서로 연결되어 있지 않다). 프리팁형 팬은 블레이드 팁과 슈라우드 배럴 사이에 팁 간극 또는 작동 유격을 가지도록 구성된다. 팁 간극은 팬 조립체의 사용 수명에 걸쳐 발생할 수 있는 제조 공차와 최대 편향 양자 모두를 허용하도록 충분해야 한다.
흔히 프리팁형 팬은 일정 반경 팁 형상을 가지고 팬 블레이드와 가장 가까운 유격을 갖는 영역에서 원통형인 슈라우드 배럴 내에서 작동하도록 구성된다. 다른 경우에는 팁 반경이 일정하지 않다. 예컨대 미국특허 제6,595,744호는 블레이드 팁이 플레어형(flared) 슈라우드 배럴에 부합되도록 형성되는 프리팁형 엔진 냉각 팬을 개시한다. 어느 경우에나, 일반적으로 팬 직경의 1% 내지 1.5% 사이의 유효 팁 간극이 필요하다.
팁 간극이 항상 팬의 효율을 떨어뜨리고 팬의 소음을 어느 정도 증가시키긴 하지만, 프리팁형 팬은 저감된 재료비, 저감된 질량, 보다 양호한 균형과 같은 밴드형(banded) 팬보다 나은 일정한 이점을 제공한다. 따라서 팁 밴드의 결여로 인해 생기는 불리한 성능 효과를 최소화하는 프리팁형 팬이 요구된다. 특히, 팁 간극이 존재할 때 설계 블레이드 부하가 발현될 수 있는 팬이 요구된다. 팬이 갭을 감안하지 않고 설계되면, 그 실제 부하는 설계 부하와 달라지고 팬의 효율 및 소음 성능이 훼손된다.
일 양태에서, 본 발명은 팬과 슈라우드를 포함하되, 팬은 블레이드 후연의 최대 반경 범위와 동일한 블레이드 팁 반경(R)과, 블레이드 팁 반경(R)의 두 배와 동일한 직경(D)을 가지는, 프리팁형 축류팬 조립체를 제공한다. 각각의 블레이드는 모든 방사상 위치에서 평균선(mean line)을 가지는 단면 구조를 가지며, 평균선은 익현 길이, 블레이드 각도, 및 캠버 분포를 가지고, 캠버 분포는 최대 캠버를 가진다. 슈라우드는 블레이드 팁의 적어도 일부를 둘러싸는 슈라우드 배럴을 포함하고, 조립체는 슈라우드 배럴과 블레이드 팁 사이의 작동 유격을 가진다. 복수의 블레이드 각각의 최대 캠버는, 증가하는 방사상 위치의 방향으로 블레이드 팁 반경(R)이 가까이 접근함에 따라 급격하고 현저한 증가를 나타낸다.
일 양태에서, 본 발명은 팬과 슈라우드를 포함하되, 팬은 블레이드 후연의 최대 반경 범위와 동일한 블레이드 팁 반경(R)과 블레이드 팁 반경(R)의 두 배와 동일한 직경(D)을 갖는 프리팁형 축류팬 조립체를 제공한다. 각각의 블레이드는 모든 방사상 위치에서 평균선을 가지는 단면 구조를 가지며, 평균선은 익현 길이, 블레이드 각도 및 캠버 분포를 가지고, 캠버 분포는 최대 캠버를 가진다. 슈라우드는 블레이드 팁의 적어도 일부를 둘러싸는 슈라우드 배럴을 포함하고, 조립체는 슈라우드 배럴과 블레이드 팁 사이의 작동 유격을 가진다. 블레이드 팁 반경(R)에서의 최대 캠버는 r/R=0.95인 방사상 위치(r)에서의 최대 캠버보다 적어도 10% 만큼 크다.
본 발명의 다른 양태에서, 블레이드 팁 반경(R)에서의 최대 캠버는 r/R=0.95인 방사상 위치(r)에서의 최대 캠버보다 적어도 20% 만큼 크다.
본 발명의 다른 양태에서, 블레이드 팁 반경(R)에서의 최대 캠버는 r/R=0.95인 방사상 위치(r)에서의 최대 캠버보다 적어도 30% 만큼 크다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리팁형 축류팬 조립체는 최대 캠버 나누기 블레이드 팁 반경(R)에서의 익현이 적어도 0.06인 것을 추가적인 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리팁형 축류팬 조립체는 블레이드 각도가 r/R=0.95인 방사상 위치(r)로부터 블레이드 팁 반경(R)까지 적어도 0.01 라디안(radian)만큼 증가하는 것을 추가적인 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리팁형 축류팬 조립체는 블레이드 각도가 r/R=0.95인 방사상 위치(r)로부터 블레이드 팁 반경(R)까지 적어도 0.02 라디안만큼 증가하는 것을 추가적인 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리팁형 축류팬 조립체는 블레이드 각도가 r/R=0.95인 방사상 위치(r)로부터 블레이드 팁 반경(R)까지 적어도 0.04 라디안만큼 증가하는 것을 추가적인 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리팁형 축류팬 조립체는 슈라우드 배럴이 플레어형이고, 블레이드 팁 전연이 블레이드 팁 후연보다 큰 반경에 위치하는 것을 추가적인 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리팁형 축류팬 조립체는 팁 간극이 팬 직경(D)의 0.007배보다 크고 팬 직경(D)의 0.02배보다 작은 것을 추가적인 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태는 상세한 설명과 첨부 도면에 대한 고찰을 통해 명백하게이해될 것이다.
도 1a는 프리팁형 축류팬 조립체의 개략도로, 일정 반경 블레이드 팁과 원통형 슈라우드 배럴을 도시한다. 프리팁형 축류팬 조립체는 엔진 냉각 팬 조립체로서 구성된다.
도 1b는 프리팁형 축류팬 조립체의 개략도로, 플레어형 슈라우드 배럴에 부합하는 블레이드 팁을 도시한다. 프리팁형 축류팬 조립체는 엔진 냉각 팬 조립체로서 구성된다.
도 1c는 프리팁형 축류팬 조립체의 개략도로, 플레어형 슈라우드 배럴에 부합하는 블레이드 팁을 도시하되, 블레이드 팁은 후연이 라운드 처리되어 있다.
도 2a는 다양한 기하학적 파라미터의 정의가 병기된 것으로, 일정 반경 블레이드 팁을 갖는 팬의 축방향 투영도를 도시한다.
도 2b는 다양한 기하학적 파라미터의 정의가 병기된 것으로, 플레어형 슈라우드에 부합하는 블레이드 팁을 갖는 팬의 축방향 투영도를 도시한다.
도 2c는 플레어형 슈라우드에 부합하는 블레이드 팁을 가지며, 블레이드 팁이 후연이 라운드 처리된 팬의 축방향 투영도를 도시한다.
도 3은 다양한 기하학적 파라미터의 정의가 병기된 것으로, 도 2a의 선 A-A를 따라 취해진 팬 블레이드의 원통형 단면이다.
도 4는 팁 간극에 의해 초래되는 팁 와류의 개략도이다.
도 5는 팁 와류의 세기를 블레이드 팁에서의 익현 방향 위치의 함수로서 나타낸 그래프이다.
도 6은 팁 와류에 기인한 블레이드 팁에서의 세류 속도의 그래프이다.
도 7은 세류 속도에 의해 유발되는 유선형 만곡의 개략도이다.
도 8은 팁 와류가 존재하지 않을 때 설계 부하를 발생시키기 위해 요구되는 블레이드 팁 평균선과, 팁 와류에 의해 유발되는 유선형 만곡이 존재할 때 해당 부하를 발생시키기 위해 요구되는 평균선을 도시한다.
도 9a와 도 9b는 종래 기술의 프리팁형 팬과 본 발명에 따른 개선된 프리팁형 팬을 대상으로, 최대 캠버, 블레이드 각도 및 익현을 방사상 위치의 함수로서 나타낸 그래프를 도시한다.
도 10a와 도 10b는 다른 종래 기술의 프리팁형 팬과 본 발명에 따른 개선된 프리팁형 팬을 대상으로, 최대 캠버, 블레이드 각도, 및 익현을 방사상 위치의 함수로서 나타낸 그래프를 도시한다.
도 11a와 도 11b는 다른 종래 기술의 프리팁형 팬과 본 발명에 따른 개선된 프리팁형 팬을 대상으로, 최대 캠버, 블레이드 각도, 및 익현을 방사상 위치의 함수로서 나타낸 그래프를 도시한다.
본 발명의 실시예를 상세히 설명하기에 앞서, 본 발명은 그 적용이 이하의 설명에서 언급되거나 이하의 도면에 도시된 구성의 세부사항과 구성요소의 배열에 한정되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명은 다른 실시예로 이루어질 수 있으며, 다양한 방식으로 실시 또는 실행될 수 있다.
도 1a는 프리팁형 축류팬 조립체(1)를 도시한다. 도시된 구성에서, 프리팁형 축류팬 조립체(1)는 적어도 하나의 열교환기(2)에 인접하게 장착되는 엔진 냉각 팬 조립체이다. 일부 구성에서, 열교환기(들)(2)는 유체가 라디에이터(3)를 통과하여 다시 내연기관으로 순환하는 동안 내연기관(미도시)을 냉각하는 라디에이터(3)를 포함한다. 대안적 구동 방식의 차량에서, 팬 조립체(1)는 배터리, 모터 등을 냉각하기 위해 하나 이상의 열교환기와 연계하여 사용될 수 있다. 슈라우드(4)는 라디에이터(3)에서 팬(5)으로 냉각 공기를 유도한다. 팬(5)은 축(6)을 중심으로 회전하며, 허브(7)와 대체로 방사상으로 연장되는 복수의 블레이드(8)를 포함한다. 허브(7)에 인접한 각 블레이드(8)의 단부는 블레이드 루트(9)이고, 각 블레이드(8)의 최외측 단부는 블레이드 팁(10a)이다. 블레이드 팁(10a)은 슈라우드(4)의 배럴(11a)에 의해 둘러싸인다. 팁 간극(12a)은 블레이드 팁(10a)과 슈라우드 배럴(11a) 사이의 작동 유격을 제공한다.
팬(5)은 "풀러(puller)" 구성을 취할 수 있고 열교환기(들)(2)의 하류에 배치될 수 있긴 하지만, 일부의 경우 팬(5)은 "푸셔(pusher)"이고 열교환기(들)(2)의 상류에 배치된다. 도 1a는 풀러 구성을 가장 정확하게 표현하고 있긴 하지만, 푸셔로 해석될 수도 있으며, 이런 구성이라 하더라도 열교환기(2) 세트 내에서 라디에이터(3)의 위치는 반전될 수 있다.
도 1a는 일정한 반경을 갖는 각 블레이드 팁(10a)과, 블레이드 팁(10a)에 근접한 영역에서 대체로 원통형인 슈라우드 배럴(11a)을 도시한다. 이 예는 전체 축 길이를 따라 슈라우드 배럴(11a)과 근접한 블레이드 팁(10a)을 도시한다. 다른 경우에는 블레이드 팁(10a)이 배럴(11a)로부터 돌출될 수 있어서(예컨대 도 1a의 좌측까지 외향 연장되어), 각 블레이드 팁(10a)의 뒤쪽 부분(도 1a의 우측의 블레이드 부분)만이 슈라우드 배럴(11a)과 작은 유격 간극을 가지게 된다.
도 2a는 일정 반경의 블레이드 팁(10a)을 갖는 도 1a의 프리팁형 팬의 축방향 투영도이다. 도면에서 회전은 시계방향이고, 팬의 전연(LE)과 후연(TE)은 도시된 바와 같다. 전체 팬 반경은 블레이드 팁 반경(R)과 동일하다. 블레이드의 기하구조를 설명하는 파라미터는 블레이드 팁 반경(R) 상에서 무차원화될 수 있는 방사상 위치(r)의 함수로서 정해진다. 블레이드 단면의 기하구조는 단면 A-A에 의해 표시된 것과 같은 원통형 단면과 관련하여 정해진다.
도 1b는 다음 사항을 제외하고는 도 1a의 것과 유사한 엔진 냉각 팬 조립체로 구성되는 프리팁형 축류팬 조립체를 도시한다. 슈라우드 배럴(11b)은 실질적으로 원통형이라기보다는 플레어형이고, 블레이드 팁(10b)은 슈라우드 배럴(11b)의 플레어형 형상과 일치한다. 팁 간극(12b)은 작동 유격을 제공한다.
도 2b는 블레이드 팁(10b)이 플레어형 슈라우드(11b)과 일치하는 도 1b의 프리팁형 팬의 정면도를 도시한다. 전연(LE)에서 각 블레이드 팁(10b)의 반경은 RLE이고 후연(TE)에서는 RTE이며, 이때 RLE는 RTE보다 크다. 플레어형 블레이드 팁을 갖는 팬의 경우에는 후연 반경(RTE)이 공칭 블레이드 팁 반경으로 간주된다. 따라서 달리 명시되지 않는 한, 다음의 설명에서 "블레이드 팁 반경", "블레이드 팁 반경(R)", 또는 "팬 반경" 중 어떤 표현이 사용되든 간에 그것은 비플레어형 블레이드 팁을 갖는 팬의 일정한 블레이드 팁 반경과 플레어형 블레이드 팁을 갖는 팬의 공칭 블레이드 팁 반경 양자 모두를 포괄하도록 의도되어 있다.
도 1c는 슈라우드 배럴(11c)이 플레어형이고 블레이드 팁(10c)은 슈라우드 배럴(11c)의 플레어형 형상과 일치하는 것으로, 도 1b의 것과 유사한 엔진 냉각 팬 조립체로 구성되는 프리팁형 축류팬 조립체를 도시한다. 여기서 블레이드 팁의 후연(TE)은 국부적으로 라운드 처리된다.
도 2c는 블레이드 팁(10c)이 플레어형 슈라우드(11c)와 일치하고 블레이드 후연(TE)이 블레이드 팁에서 라운드 처리된 도 1c의 프리팁형 팬의 정면도를 도시한다. 각 블레이드 팁(10c)의 후연 반경(RTE)은 팁 간극이 공칭적 또는 실질적으로 최소값을 갖는 후연(TE)에서의 블레이드 팁 반경으로 간주된다. 블레이드 후연이 국부적으로 라운드 처리된 플레어형 블레이드 팁을 갖는 팬의 경우에는, 후연 반경(RTE)이 공칭 블레이드 팁 반경으로 간주된다.
달리 명시되지 않는 한, 이하의 설명과 첨부 도면은 프리팁형 팬에 대략적으로 적용되며, 반드시 도 1a 내지 도 2c에 도시된 팬의 특정 형상 및 구성에 한정되는 것은 아니다. 이하의 상세한 설명에서, 팬 직경(D)은 도 2a에 도시된 블레이드 팁 반경(R)의 2배 또는 도 2b 및 도 2c에 도시된 후연 반경(RTE)의 2배로 간주된다. 팁 간극(12a, 12b, 12c)은 도 1a 내지 도 2c에 도시된 팬 중 임의의 것을 대상으로 하는 팬 직경에 관해서 표현될 수 있다. 팁 간극이 최소인 축방향 위치에서, 블레이드 팁(10a, 10b, 10c)과 슈라우드 배럴(11a, 11b, 11c) 간의 팁 간극(12a, 12b, 12c)은 팬 직경(D)의 약 0.007배와 약 0.02배 사이이다. 도 1a, 도 1b, 도 1c는 팬 직경(D)의 대략 0.01배인 팁 간극(12a, 12b, 12c)을 도시한다.
도 3은 도 2a에 도시된 팬의 방사상 위치(r)에서의 원통형 단면(A-A)을 도시한다. 블레이드 단면(100)은 전연(101)과 후연(102)을 가진다. 선단-후단(nose-tail)선(103)은 전연(101)과 후연(102) 간을 잇는 일직선이다. 선단-후단선의 길이는 익현(c)으로 정의되며, 익현 방향 위치(x)는 선단-후단선(103)을 따라 전연(101)으로부터 측정된다. 블레이드 각도(θ)는 회전면(104)과 선단-후단 선(103) 간의 각도로 정의된다. 블레이드의 평균선(105)은 대향하는 "하부" 및 "상부" 면(106, 107) 사이의 중간에 놓인 선으로 정의된다. 보다 정확히 말하자면, 평균선(105)에 수직하게 측정된 평균선(105) 상의 한 점에서 상부면(107)까지의 거리는 평균선(105)에 수직하게 측정된 평균선(105) 상의 한 점에서 하부면(106)까지의 거리와 같다. 평균선(105)의 기하구조는 무차원 익현 방향 위치(x/c)(선단-후단선(103)을 따라 나아간 거리(x) 나누기 익현(c))의 함수로 설명될 수 있다. 예컨대 임의의 무차원 익현 방향 위치(x/c)에서의 캠버(f)는 선단-후단선(103)에 수직하게 측정된, 해당 위치에서의 선단-후단선(103)과 평균선(105) 간의 거리이다. 임의의 방사상 위치(r)에서의 최대 캠버(또는 "극대 캠버")(fmax)는 해당 방사상 위치(r)에서의 캠버(f) 중 가장 큰 값이다.
팬이 작동 중일 때 블레이드의 가압면(pressure side)에는 높은 압력이 존재하고 블레이드의 흡입면(suction side)에는 낮은 압력이 존재한다. 프리팁형 팬의 팁에서, 이러한 압력차로 인해서, 팁 간극을 통해 가압면으로부터 흡입면으로의 누류(leakage flow)가 야기된다. 이는 블레이드 전체에 걸쳐 압력차를 저감하고, 팁 와류(vortex)의 형성을 초래한다. 팁을 따라 존재하는 모든 익현 방향 위치에서, 국부 누출은 하류에서 대류 순환되기에 앞서 팁 전연에서 팁 후연을 향하여 강해지는 와류의 원인이 된다.
도 4는 순환과 관련하여 팁 와류의 강화를 도시하는 개략도이다. 도면은 블레이드의 바운드(bound) 순환(401)이 슈라우드에 단지 불완전하게 전달되는 것을 도시한다. 바운드 순환의 일부는 블레이드로부터 더 많은 와도(vorticity)를 공급받을 때 강도가 증가하는 팁 와류(402)를 조장한다. 이러한 강도의 증가는 팁 와류를 나타내는 선이 두꺼워지는 것으로 개략적으로 묘사되어 있다.
도 5는 팁 와류(402)의 강도를 익현 방향 위치(x/c)의 함수로서 나타낸 그래프를 도시한다. 강도는 전연에서 0이고, 처음에는 급격히 증가하다가 후연 근처에서 느리게 증가하는데, 이는 블레이드 부하가 후연에서 0으로 저감되어야만 한다는 사실에 기인한다.
도 6은 팁 와류(402)에 의해 유발되는 블레이드 팁에서의 속도의 그래프이다. 이 속도는 세류(downwash) 속도(Vdownwash)로 지칭되고 팁 와류(402)의 국부적 강도를 반영한다.
도 7은 팁 와류(402)에 의해 유발되는 블레이드 팁에서의 유선형 만곡의 개략도이다. 개시(onset) 흐름(701)은 회전과 팬의 전달 기류(air flow)에 기인한 국부 속도이다. 단순화를 위해, 개시 흐름의 속도(Vonset)(701)는 블레이드 익현을 따라 일정한 것으로 가정한다. 유선의 국부 기울기(702)는 국부 개시 유속(Vonset)에 대한 국부 세류 속도(Vdownwash)의 비율이다. 도 6에 도시된 바와 같은 익현 방향 위치에 비례한 세류 속도(Vdownwash)의 증가는 유선의 만곡을 초래한다. 유선은 그것의 캠버(fvortex) 및 각도(θvortex)와 관련하여 설명될 수 있는데, 여기서 fvortex와 θvortex는 평균선의 대응하는 특성과 유사한 방식으로 측정된다.
도 8은 평균선의 기하구조의 2가지 표현을 도시한다. 점선(801)은 팁 간극이 없고 따라서 팁 와류가 없는 것으로, 밴드형 팬에 적절할 수 있는 일반적인 블레이드 팁 평균선을 나타낸다. 최대 캠버는 fdesign으로 표기되어 있고, 블레이드 각도는 θdesign으로 표기되어 있다. 실선(802)은 팁 와류가 존재할 때 설계 부하를 발생시키는 블레이드 팁 평균선을 표시한다. 캠버(f)는 대략 설계 캠버(fdesign)와 도 7에 도시된 바와 같은 팁 와류에 기인한 캠버(fvortex)의 합이다. 마찬가지로, 블레이드 각도(θ)는 대략 설계 각도(θdesign)와 팁 와류에 기인한 각도(θvortex)의 합이다.
팁 와류에 의해 유발된 속도가 와류로부터의 거리에 따라 감소하기 때문에, 설계 블레이드 기하구조에 대한 필요 교정치는 방사상 위치(r)에서 블레이드 팁 반경(R)보다 작게 현저히 저감된다. 일반적으로 교정치는 r/R=0.95에서 매우 작다.
도 9a 및 도 9b는 종래 기술의 팬과 본 발명의 일 구성에 따른 팬을 대상으로 최대 캠버, 익현 및 블레이드 각도를 방사상 위치(r)의 함수로서 도시한다. 곡선은 팬 허브의 반경인 블레이드 루트의 방사상 위치에서 시작한다. 블레이드 팁 반경에 대한 허브 반경의 비율은 허브 비로 지칭되며, 도 9a 및 도 9b의 팬의 경우에는 0.4이다. 도 9a 및 도 9b의 그래프로 표시된 팬은 둘 다 일정 반경의 블레이드 팁을 가지며, 따라서 기하구조의 변수는 r/R=0.4의 허브 반경으로부터 r/R=1.0의 블레이드 팁 반경까지로 한정된다. 최대 캠버와 익현은 팬 직경(D) 상에서 무차원화된다. 블레이드 각도는 라디안(radian)으로 정해진다. 화살표는 왼쪽 축에는 최대 캠버가 적혀있고 오른쪽 축에는 블레이드 각도와 익현이 적혀있음을 가리킨다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 팬은 블레이드 루트로부터 블레이드 팁 반경까지 방사상 위치가 증가함에 따라 감소하는 최대 캠버와 블레이드 각도를 가진다.
도 9b의 개선된 팬은 팁 유격의 효과를 처리하기 위해 변경된 팁 기하구조를 갖는 본 발명의 특정 양태에 따라 구성된다. 블레이드 팁 반경(R)이 가까이 접근함에 따라 최대 캠버와 블레이드 각도 양자 모두는 증가하는 방사상 위치(r)에 비례하여 현저히 증가한다. 예컨대 블레이드 팁 반경(R)의 95%와 일치하는 방사상 위치(r)(r/R=0.95)에서의 최대 캠버를 블레이드 팁 반경(r/R=1.0)에서의 최대 캠버와 비교하면, 블레이드 팁에서의 최대 캠버가 약 54%만큼 크다. 또한, 블레이드 팁 반경에서의 블레이드 각도는 r/R=0.95인 방사상 위치(r)에서의 블레이드 각도보다 약 0.11 라디안만큼 크다. 블레이드 팁 반경에서, 최대 캠버 대 직경 비는 약 0.0131이고, 익현 대 직경 비는 약 0.215이며, 따라서 최대 캠버 대 익현 비는 약 0.061이다.
도 10a 및 도 10b는 다른 종래 기술의 팬과 본 발명의 일 구성에 따른 다른 팬을 대상으로 최대 캠버, 익현, 및 블레이드 각도를 방사상 위치의 함수로서 도시한다. 도 10a 및 도 10b의 그래프로 표시된 팬은 둘 다 플레어형 블레이드 팁을 가지고 플레어형 슈라우드 내에서 작동하며, 따라서 기하구조는 r/R=0.4의 허브 반경으로부터 r/R=1.0을 약간 초과하는 방사상 위치(즉, 후연 반경 또는 공칭 블레이드 팁 반경(R))까지로 한정된다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 팬은 블레이드의 루트로부터 중간 위치까지는 증가하는 방사상 위치에 비례하여 감소하다가 해당 중간 위치로부터 블레이드 팁 반경까지는 증가하는 방사상 위치에 비례하여 얼마간 증가하는 최대 캠버를 가진다. 이 완만한 증가는 약 r/R=0.7에서 시작하며, 팁 간극을 통한 누류의 성질을 상쇄하지 않는다. r/R=1.0인 방사상 위치(r)에서의 최대 캠버는 r/R=0.95인 방사상 위치(r)에서의 최대 캠버보다 단지 약 6%만큼만 크다.
도 10b의 개선된 팬은 팁 유격의 효과를 처리하기 위해 변경된 팁 기하구조를 갖는 본 발명의 특정 양태에 따라 구성된다. 블레이드 팁 반경(R)이 가까이 접근함에 따라 최대 캠버와 블레이드 각도 분포 양자 모두는 증가하는 방사상 위치(r)에 비례하여 현저히 증가한다. 블레이드 팁 반경(r/R=1.0)에서의 최대 캠버는 r/R=0.95인 방사상 위치(r)에서의 최대 캠버보다 약 40%만큼 크다. 또한, 블레이드 팁 반경(R)에서의 블레이드 각도는 r/R=0.95인 방사상 위치에서의 블레이드 각도보다 약 0.054 라디안만큼 크다. 블레이드 팁 반경(R)에서, 최대 캠버 대 직경 비는 약 0.02이고, 익현 대 직경 비는 약 0.20이며, 따라서 최대 캠버 대 익현 비는 약 0.10이다.
다른 종래 기술의 팬을 나타내는 데이터가 도 11a에 제시되어 있다. 도 11a에 도시된 바와 같이, 이 특정 종래 기술의 팬은 블레이드의 루트로부터 중간 위치까지는 증가하는 방사상 위치(r)에 비례하여 감소하는 최대 캠버와 블레이드 각도를 가진다. 이어서 해당 중간 위치로부터 블레이드 팁까지는 증가하는 방사상 위치(r)에 비례하여 두 수량 모두가 증가한다. 약 r/R=0.80과 약 r/R=0.85 사이에서 시작하는 수량의 증가는 완만하며, 팁 간극을 통한 누류의 성질을 상쇄하지 않는다. 블레이드 팁 반경(r/R=1.0)에서의 최대 캠버는 r/R=0.95인 방사상 위치(r)에서의 최대 캠버보다 단지 약 3%만큼 크고, 블레이드 팁 반경(R)에서의 블레이드 각도는 r/R=0.95인 방사상 위치(r)에서의 블레이드 각도보다 단지 약 0.029 라디안만큼 크다.
도 11b의 개선된 팬은 팁 유격의 효과를 처리하기 위해 변경된 팁 기하구조를 갖는 본 발명의 특정 양태에 따라 구성된다. 블레이드 팁 반경(R)이 가까이 접근함에 따라 최대 캠버와 블레이드 각도 분포 양자 모두는 증가하는 방사상 위치(r)에 비례하여 현저히 증가한다. 블레이드 팁 반경(r/R=1.0)에서의 최대 캠버는 r/R=0.95인 방사상 위치(r)에서의 최대 캠버보다 약 85%만큼 크다. 블레이드 팁 반경에서의 블레이드 각도는 r/R=0.95인 방사상 위치(r)에서의 블레이드 각도보다 약 0.13 라디안만큼 크다. 블레이드 팁 반경(R)에서, 최대 캠버 대 직경 비는 약 0.021이고, 익현 대 직경 비는 약 0.20이며, 따라서 최대 캠버 대 익현 비는 약 0.105이다.
도 9b, 도 10b 및 도 11b의 그래프로 표시된 각각의 팬 블레이드 프로필은 팬 블레이드와 슈라우드 배럴 간의 팁 간극을 갖는 슈라우드 내측에서의 팬 작동시 생성되는 팁 와류의 효과를 처리하거나 극복하기 위해, 블레이드 팁 반경(R)이 가까이 접근함에 따라 증가하는 방사상 위치(r)에 비례한 최대 캠버의 급격하고 현저한 증가를 포함한다. 예컨대 반경 방향 위치(r)가 블레이드 팁 반경(R)을 향해 증가함에 따라 최대 캠버의 10% 이상 증가가 블레이드 팁 반경(R)의 최종 10% 또는 심지어 최종 5%에서 일어날 수 있다. 위의 예에서 블레이드 팁 반경(R)이 가까이 접근함에 따라 블레이드 각도 또한 증가하는 방사상 위치(r)에 비례하여 현저히 증가하긴 하지만, 이것이 반드시 본 발명의 필수요건인 것은 아니다.
도 9a 내지 도 11b의 곡선은 중첩선(stacking line) 파라미터의 비틀림(skew)과 경사(rake)를 도시하지는 않는다. 팁 간극의 효과를 교정하는 블레이드 팁 기하구조에 대한 교정은 이들 파라미터와 대체로 무관하다. 본 발명의 하나 이상의 양태에 따른 물성을 갖는 팬 조립체는 전방 비틀림, 후방 비틀림, 방사상, 또는 혼합 비틀림 구성일 수 있다. 마찬가지로, 본 발명의 하나 이상의 양태에 따른 팬 조립체는 임의의 경사 분포를 가질 수 있고, 푸셔나 풀러 구성 중 어느 구성이든 취할 수 있다. 도 9a 내지 도 11b의 곡선은 0.4의 허브 비에서 시작하긴 하지만, 본 발명의 하나 이상의 양태에 따른 물성을 갖는 팬 조립체는 0.4보다 작거나 큰 허브 비를 가질 수 있다.

Claims (19)

  1. 방사상 연장되는 복수의 블레이드를 포함하는 팬으로서, 복수의 블레이드 각각은 전연, 후연 및 블레이드 팁을 가지는 팬과,
    블레이드 팁의 적어도 일부를 둘러싸는 슈라우드 배럴을 포함하는 슈라우드로서, 슈라우드 배럴과 블레이드 팁 사이에 팁 간극이 한정되는, 슈라우드를 포함하고,
    팬은 블레이드 팁 반경(R)과, 블레이드 팁 반경(R)의 두 배와 동일한 직경(D)을 가지고,
    복수의 블레이드 각각은 모든 방사상 위치에서 평균선을 가지는 단면 기하구조를 가지고, 평균선은 익현 길이, 블레이드 각도 및 캠버 분포를 가지며, 캠버 분포는 최대 캠버를 가지는, 프리팁형 축류팬 조립체에 있어서,
    블레이드 팁 반경(R)에서의 최대 캠버는 r/R=0.95인 방사상 위치(r)에서의 최대 캠버보다 적어도 10%만큼 큰 것을 특징으로 하는 프리팁형 축류팬 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 블레이드 팁 반경(R)에서의 최대 캠버는 r/R=0.95인 방사상 위치(r)에서의 최대 캠버보다 적어도 20%만큼 큰 것을 추가적인 특징으로 하는 프리팁형 축류팬 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 블레이드 팁 반경(R)에서의 최대 캠버는 r/R=0.95인 방사상 위치(r)에서의 최대 캠버보다 적어도 30%만큼 큰 것을 추가적인 특징으로 하는 프리팁형 축류팬 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 최대 캠버 나누기 블레이드 팁 반경(R)에서의 익현 길이는 적어도 0.06인 것을 추가적인 특징으로 하는 프리팁형 축류팬 조립체.
  5. 제1항에 있어서, r/R=0.95인 방사상 위치(r)로부터 블레이드 팁 반경(R)까지, 블레이드 각도는 적어도 0.01 라디안만큼 증가하는 것을 추가적인 특징으로 하는 프리팁형 축류팬 조립체.
  6. 제5항에 있어서, r/R=0.95인 방사상 위치(r)로부터 블레이드 팁 반경(R)까지, 블레이드 각도는 적어도 0.02 라디안만큼 증가하는 것을 추가적인 특징으로 하는 프리팁형 축류팬 조립체.
  7. 제6항에 있어서, r/R=0.95인 방사상 위치(r)로부터 블레이드 팁 반경(R)까지, 블레이드 각도는 적어도 0.04 라디안만큼 증가하는 것을 추가적인 특징으로 하는 프리팁형 축류팬 조립체.
  8. 제1항에 있어서, 슈라우드 배럴은 플레어형이고, 블레이드 팁 전연은 블레이드 팁 후연보다 큰 반경을 가지는 것을 추가적인 특징으로 하는 프리팁형 축류팬 조립체.
  9. 제1항에 있어서, 팁 간극은 팬 직경(D)의 0.007배보다 크고 팬 직경(D)의 0.02배보다 작은 것을 추가적인 특징으로 하는 프리팁형 축류팬 조립체.
  10. 방사상 연장되는 복수의 블레이드를 포함하는 팬으로서, 복수의 블레이드 각각은 전연, 후연, 및 블레이드 팁을 가지는 팬과,
    블레이드 팁의 적어도 일부를 둘러싸는 슈라우드 배럴을 포함하는 슈라우드로서, 슈라우드 배럴과 블레이드 팁 사이에 팁 간극이 한정되는, 슈라우드를 포함하고,
    팬은 블레이드 팁 반경(R)과, 블레이드 팁 반경(R)의 두 배와 동일한 직경(D)을 가지고,
    복수의 블레이드 각각은 모든 방사상 위치에서 평균선을 가지는 단면 기하구조를 가지고, 평균선은 익현 길이, 블레이드 각도, 및 캠버 분포를 가지며, 캠버 분포는 최대 캠버를 가지는 프리팁형 축류팬 조립체에 있어서,
    복수의 블레이드 각각의 최대 캠버는 증가하는 방사상 위치의 방향으로 블레이드 팁 반경(R)이 가까이 접근함에 따라 급격하고 현저한 증가를 나타내는 것을 특징으로 하는 프리팁형 축류팬 조립체.
  11. 제10항에 있어서, 상기 최대 캠버는 증가하는 방사상 위치의 방향으로 블레이드 팁 반경(R)이 가까이 접근함에 따라 적어도 10%만큼 증가하는 것을 추가적인 특징으로 하는 프리팁형 축류팬 조립체.
  12. 제10항에 있어서, 상기 최대 캠버는 증가하는 방사상 위치의 방향으로 블레이드 팁 반경(R)이 가까이 접근함에 따라 적어도 20%만큼 증가하는 것을 추가적인 특징으로 하는 프리팁형 축류팬 조립체.
  13. 제10항에 있어서, 상기 최대 캠버는 증가하는 방사상 위치의 방향으로 블레이드 팁 반경(R)이 가까이 접근함에 따라 적어도 30%만큼 증가하는 것을 추가적인 특징으로 하는 프리팁형 축류팬 조립체.
  14. 제10항에 있어서, 최대 캠버 나누기 블레이드 팁 반경(R)에서의 익현 길이는 적어도 0.06인 것을 추가적인 특징으로 하는 프리팁형 축류팬 조립체.
  15. 제10항에 있어서, 증가하는 방사상 위치의 방향으로 블레이드 팁 반경(R)이 가까이 접근함에 따라 블레이드 각도는 적어도 0.01 라디안만큼 증가하는 것을 추가적인 특징으로 하는 프리팁형 축류팬 조립체.
  16. 제15항에 있어서, 증가하는 방사상 위치의 방향으로 블레이드 팁 반경(R)이 가까이 접근함에 따라 블레이드 각도는 적어도 0.02 라디안만큼 증가하는 것을 추가적인 특징으로 하는 프리팁형 축류팬 조립체.
  17. 제16항에 있어서, 증가하는 방사상 위치의 방향으로 블레이드 팁 반경(R)이 가까이 접근함에 따라 블레이드 각도는 적어도 0.04 라디안만큼 증가하는 것을 추가적인 특징으로 하는 프리팁형 축류팬 조립체.
  18. 제10항에 있어서, 슈라우드 배럴은 플레어형이고, 블레이드 팁 전연은 블레이드 팁 후연보다 큰 반경을 가지는 것을 추가적인 특징으로 하는 프리팁형 축류팬 조립체.
  19. 제10항에 있어서, 팁 간극은 팬 직경(D)의 0.007배보다 크고 팬 직경(D)의 0.02배보다 작은 것을 추가적인 특징으로 하는 프리팁형 축류팬 조립체.
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