KR101921422B1 - 블레이드 구조와 이를 포함하는 팬 및 발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 블레이드 구조와 이를 포함하는 팬 및 발전장치에 관한 것으로, 팬 허브의 원주방향을 따라 소정간격을 두고 복수 개로 배치되는 블레이드의 바디부와 상기 바디부상에서 유체의 유입방향측에 형성되는 리딩엣지부 및 상기 바디부상에서 유체의 유출방향측에 형성되는 트레일링엣지부를 포함하되, 상기 바디부는 상기 허브에 연결되는 루트부와 상기 바디부의 외측단부를 형성하는 팁부로 이뤄지며, 상기 루트부에 비해 상기 팁부에서의 유체 저속 영역을 감소토록, 상기 바디부상에 직선 또는 곡선을 이루며 형성되는 스윕부 또는 스플라인부를 포함하여 구성될 수 있으며, 본 발명에 따르면, 유체의 유입 방향측으로 블레이드에 스윕(sweep) 구조 또는 스플라인(spline) 구조를 형성하여, 블레이드 팁(tip) 부근의 저속영역을 감소시킴으로써, 궁극적으로 발전장치의 효율을 향상시키는하는 효과가 있다.

Description

블레이드 구조와 이를 포함하는 팬 및 발전장치{STRUCTURE FOR BLADE AND FAN AND GENERATOR HAVING THE SAME}
본 발명은 블레이드 구조와 이를 포함하는 팬 및 발전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유체의 유입 방향측으로 블레이드에 스윕(sweep) 구조 또는 스플라인(spline) 구조를 형성하여, 블레이드 팁(tip) 부근의 저속영역을 감소시키는 블레이드 구조와 이를 포함하는 팬 및 발전장치에 관한 것이다.
도 1에는 일반적인 발전장치(1)의 일부 구성에 대한 개략도가 도시되어 있다. 팬(3)를 구동하여 외부로부터 흡입관의 유입구(2)를 통해 공기를 흡입하고, 흡입된 공기를 유출구(4)를 통해 전력발생기(5)로 공급한다. 여기서 전력발생기(5)는 가스터빈과 같이 공기를 작동매체로 하는 장치일 수 있다.
도 2에는 종래 팬(3)의 블레이드(7) 구조를 게시하고 있는데, 종래 블레이드(7) 구조는 팬(3)의 허브(6)의 원주방향을 따라 거의 수직으로 소정 간격을 두고 복수의 블레이드(7)가 배치되는 구조이다.
종래 팬(3)의 경우, 블레이드(7) 단면을 반경방향으로 각도 변경없이 그대로 허브(6)의 둘레를 따라 중첩하므로, 어느 반경에서나 속도삼각형의 형태는 같게 된다.
그런데, 종래 블레이드(7) 구조의 경우, 팬(3)의 허브(6)에 연결되는 루트부(9)와 흡입관의 내면에 인접하게 되는 팁부(5) 사이에 블레이드 길이가 존재하므로, 루트부(9)와 팁부(5)사이에 선속도 차이가 발생한다.
이는 블레이드(7)의 길이를 따라 유속 차이를 발생시키고, 팁부(5)에서 저속 영역을 발생시켜, 결과적으로는 팬(3)의 성능 및 효율 저하를 야기하는 문제가 있다.
유럽특허 등록번호: EP 1930554 A2
본 발명은 상기와 같이 관련 기술분야의 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 유체의 유입 방향측으로 블레이드에 스윕(sweep) 구조 또는 스플라인(spline) 구조를 형성하여, 블레이드 팁(tip) 부근의 저속영역을 감소시키는 블레이드 구조와 이를 포함하는 팬 및 발전장치를 제공하는 데에 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 블레이드 구조와 이를 포함하는 팬 및 발전장치에 관한 것으로, 팬 허브의 원주방향을 따라 소정간격을 두고 복수 개로 배치되고, 상기 허브에 연결되는 루트부와 상기 바디부의 외측단부를 형성하는 팁부를 포함하는 블레이드의 바디부와 상기 바디부상에서 유체의 유입방향측에 형성되는 리딩엣지부(leading edge portion)와 상기 바디부상에서 유체의 유출방향측에 형성되는 트레일링엣지부(trailing edge portion) 및 상기 루트부에 비해 상기 팁부에서의 유체 저속 영역을 감소시키도록, 상기 리딩엣지부 또는 상기 트레일링엣지부 중 적어도 어느 하나에 직선을 이루며 형성되는 스윕부(sweep portion)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 스윕부는, 상기 바디부의 리딩엣지부에 형성되되, 유체의 유입방향측으로 앞젖힘이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 스윕부는, 상기 리딩엣지부의 방사방향 기준으로 외측부에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 리딩엣지부는 길이방향 기준으로 제1 리딩부와 제2 리딩부로 분할되고, 상기 스윕부는 상기 제1 리딩부와 상기 제2 리딩부상에서 서로 다른 각도로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 스윕부는, 상기 바디부의 트레일링엣지부에 형성되되, 유체의 유입방향측으로 앞젖힘이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 스윕부는, 상기 트레일링엣지부의 방사방향 기준으로 외측부에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 트레일링엣지부는 길이방향 기준으로 제1 터미널부와 제2 터미널부로 분할되고, 상기 스윕부는 상기 제1 터미널부와 상기 제2 터미널부상에서 서로 다른 각도로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 스윕부는, 상기 리딩엣지부와 상기 트레일링엣지부에서 서로 다른 각도로 앞젖힘이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 팬 허브의 원주방향을 따라 소정간격을 두고 복수 개로 배치되고, 상기 허브에 연결되는 루트부와 외측단부를 형성하는 팁부를 포함하는 블레이드의 바디부와 상기 바디부상에서 유체의 유입방향측에 형성되는 리딩엣지부와 상기 바디부상에서 유체의 유출방향측에 형성되는 트레일링엣지부 및 상기 루트부에 비해 상기 팁부에서의 유체 저속 영역을 감소토록, 상기 리딩엣지부 또는 상기 트레일링엣지부 중 적어도 어느 하나에 곡선을 이루며 형성되는 스플라인부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 스플라인부는, 상기 바디부의 리딩엣지부에 형성되되, 유체의 유입방향측으로 소정 곡률을 이루며 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 스플라인부는 상기 리딩엣지부의 방사방향을 따라, 상기 바디부의 루트부를 기준으로 25~100 % 영역에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 스플라인부는 상기 리딩엣지부의 방사방향을 따라, 상기 바디부의 루트부를 기준으로 50~100 % 영역에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 스플라인부는 상기 리딩엣지부의 방사방향을 따라, 상기 바디부의 루트부를 기준으로 75~100 % 영역에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 스플라인부는, 상기 바디부의 트레일링엣지부에 형성되되, 유체의 유입방향측으로 소정 곡률을 이루며 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 스플라인부는 상기 트레일링엣지부의 방사방향을 따라, 상기 바디부의 루트부를 기준으로 25~100 % 영역에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 스플라인부는 상기 트레일링엣지부의 방사방향을 따라, 상기 바디부의 루트부를 기준으로 50~100 % 영역에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 스플라인부는 상기 트레일링엣지부의 방사방향을 따라, 상기 바디부의 루트부를 기준으로 75~100 % 영역에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명인 팬은 구동장치의 회전축에 연결되는 허브 및 상기 허브의 원주방향을 따라 소정 간격을 두고 복수 개가 배치되고, 상기 블레이드 구조를 포함하는 블레이드를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명인 발전장치는 외부 유체가 유입되는 흡입관과 상기 흡입관과 연결되고, 상기 흡입관에서 유입된 유체를 이용하여 전력을 생산하는 전력발생기 및 상기 흡입관과 상기 전력발생기 사이에 배치되고, 상기 흡입관에서 유체가 흡입되도록 하여 상기 전력발생기로 전달하는 상기 팬을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 유체의 유입 방향측으로 블레이드에 스윕(sweep) 구조 또는 스플라인(spline) 구조를 형성하여, 블레이드 팁(tip) 부근의 저속영역을 감소시킴으로써, 궁극적으로 발전장치의 효율을 향상시키는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 발전장치의 공기 흡입관을 나타낸 개략도.
도 2는 종래 팬의 블레이드 구조를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명인 블레이드 구조의 제1 실시예에 대한 일 형태를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 제1 실시예의 다른 형태를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 제1 실시예의 또 다른 형태를 나타낸 도면.
도 6는 본 발명의 제1 실시예의 또 다른 형태를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명인 블레이드 구조의 제2 실시예에 대한 일 형태를 나타낸 도면.
도 8는 본 발명의 제2 실시예의 다른 형태를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 제2 실시예의 또 다른 형태를 나타낸 도면.
도 10은 도 3에서의 A-A' 단면을 나타낸 도면.
도 11은 종래 블레이드 구조에 의한 저속 영역을 나타낸 도면.
도 12는 본 발명의 블레이드 구조에 의한 저속 영역을 나타낸 도면.
도 13은 종래 블레이드 구조에 의한 저속 영역을 다른 각도에서 나타낸 도면
도 14는 본 발명의 블레이드 구조에 의한 저속 영역을 다른 각도에서 나타낸 도면.
도 15는 종래와 본 발명의 실시예에 따른 압력강하 비교를 나타낸 도면.
도 16은 종래와 본 발명의 실시예에 따른 정압효율 비교를 나타낸 도면.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 블레이드 구조와 이를 포함하는 팬 및 발전장치의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하도록 한다.
[제1 실시예]
도 3은 본 발명인 블레이드 구조의 제1 실시예를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예의 다른 형태를 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명의 제1 실시예의 또 다른 형태를 나타낸 도면이고, 도 6는 본 발명의 제1 실시예의 또 다른 형태를 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 6를 참고하면, 본 발명인 블레이드(10) 구조의 제1 실시예는 바디부(11), 리딩엣지부(leading portion;12), 트레일링엣지부(trailing portion;13) 및 스윕부(sweep portion;20)를 포함하여 구성될 수 있다.
블레이드(10)를 형성하는 상기 바디부(11)는 팬(50)의 허브(90)의 원주방향을 따라 소정간격을 두고 복수 개로 배치될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 24개의 블레이드(10)가 15도 간격으로 허브(90)의 원주방향을 따라 배치될 수 있으나, 반드시 이에 한정될 것은 아니다.
그리고 상기 바디부(11)는 허브(90)에 연결되는 루트부(15)와 상기 바디부(11)의 외측단부를 형성하는 팁부(14)로 이뤄질 수 있다.
상기 리딩엣지부(12)는 상기 바디부(11)상에서 유체의 유입방향측에 형성될 수 있으며, 상기 트레일링엣지부(13)는 상기 바디부(11)상에서 유체의 유출방향측에 형성될 수 있다.
또한 상기 스윕부(20)는 상기 루트부(15)에 비해 상기 팁부(14)에서의 유체 저속 영역을 감소시키도록, 상기 바디부(11)상에 직선을 이루며 형성될 수 있다.
구체적으로 상기 스윕부(20)는 상기 바디부(11)에 형성된 리딩엣지부(12)에는 제1 스윕부(21) 및 상기 트레일링엣지부(13)에는 제2 스윕부(23)이 각각 형성될 수 있으며, 유체의 유입방향측으로 앞젖힘이 형성될 수 있다.
즉 상기 스윕부(20)는 상기 리딩엣지부(12) 및 상기 트레일일엣지부(13)상에서 유체의 유입방향측으로 형성된 앞젖힘 형상을 의미한다.
도 3에서는 본 발명의 제1 실시예에 대한 일 형태가 도시되어 있다. 도 3에서 바디부(11)의 루트부(15)에서 팁부(14)로 갈수록, 리딩엣지부(12) 및 트레일링엣지부(13) 전체에 스윕부(20)가 형성되어 있다.
도 3에 게시된 형태에서는 리딩엣지부(12)에 형성된 제1 스윕부(21)의 스윕각(Φ1)과 트레일링엣지부(13)에 형성된 제2 스윕부(23)의 스윕각(Φ1)은 동일하다.
본 발명의 제1 실시예에서는 스윕각은 20도일 수 있다. 그에 따른 효과로는 실험결과로서 도 11 내지 도 14에 게시된다.
우선 도 11 및 도 12를 참고하면, 도 11에서는 종래의 스윕부(20)가 형성되지 않은 일반적인 블레이드(도 2 참조)가 장착된 팬의 작동에 의한 흡입관(40) 내부에서의 저속영역(R1)을 나타낸다. 그리고 도 12는 스윕부(20;도 3 참조)가 형성된 본 발명의 블레이드(10)가 장착된 팬(50;도 3 참조)의 작동에 의한 흡입관(40) 내부에서의 저속영역(R2)을 나타낸다. 공기는 유입구(41)를 통해 유입되고, 팬(50)를 지나 유출구(42)를 통해 전력발생기로 유동한다.
도 11 및 도 12에서의 확대도에서 저속영역을 비교하면, R2가 R1에 비해 감소된 것을 실험결과로 확인할 수 있다.
실험결과와 같은 효과의 차이는 다음과 같은 기술적 근거에 기인한다.
종래 팬의 경우 블레이드의 단면을 반경방향으로 각도 변경 없이 그대로 중첩하여 배치하므로, 어느 반경에서나 속도 삼각형의 형태는 동일하게 된다.
그러나 실제로는 블레이드의 길이가 존재하므로, 블레이드의 루트부(15)와 팁부(14) 사이에서의 선속도 차이가 발생한다. 이에 따라 팬(50)의 입구측으로 유입되는 공기의 상대 유동각은 팬(50) 반경에 따라 달라지게 된다.
이러한 작동환경에서 블레이드의 루트부(15)에서 팁부(14)에 이르는 공기의 유동영역 전체 또는 일부에 대해 스윕 설계를 적용하면, 종래의 블레이드 형상에 비해 위치별로 다른 상대유동이 발생하고, 이는 특히 블레이드의 팁부(14)에서의 저속영역을 감소시키는 방향으로 작용하게 된다.
결과적으로 실험결과 도 11의 확대도에 게시된 저속영역(R1)에 비해 감소된 도 12의 확대도에 게시된 저속영역(R2)가 형성되게 된다.
상기와 같은 블레이드의 팁부(14)에서의 저속영역 감소 효과는 누설 손실(leakage loss)를 감소시켜, 팬(50)의 후단에서의 전압력 손실을 줄어들게 한다. 이는 궁극적으로 팬(50)의 성능 및 효율을 향상시키게 된다.
다음 도 13 및 도 14를 참고하면, 도 13에서는 종래의 스윕부(20)가 형성되지 않은 일반적인 블레이드(도 2 참조)가 장착된 팬의 작동에 의한 흡입관(40) 내부에서의 저속영역(X1)을 팬(50)의 정면에서 바라보는 각도로 나타낸 것이다. 그리고 도 12는 스윕부(20)가 형성된 본 발명의 블레이드(10)가 장착된 팬(50)의 작동에 의한 흡입관(40) 내부에서의 저속영역(X2)을 팬(50)의 정면에서 바라보는 각도로 나타낸 것이다.
도 13 및 도 14에서의 확대도에서 저속영역을 비교하면, X2가 X1에 비해 감소된 것을 실험결과로 확인할 수 있다.
도 13에 게시된 종래 팬의 경우 블레이드의 팁부(14) 부근에 형성되는 저속영역이 팬(50)의 방사방향을 따라 비교적 두껍게 형성된 것을 확인할 수 있다. 이에 비해 도 14에 게시된 본 발명의 팬(50)의 경우 리딩엣지부(12) 및 트레일링엣지부(13)에 스윕부(20)가 적용됨에 따라 블레이드(10)의 팁부(14) 부근에 형성되고 팬(50)의 방사방향으로 형성되는 저속영역(X2)이 도 13에 게시된 저속영역(X1)보다는 상대적으로 감소된 것을 확인할 수 있다.
이는 상기된 바와 같이, 공기의 유입방향으로 스윕각이 형성되어 있어서, 블레이드(10)의 루트부(15)와 팁부(14)에서 상대 유동이 발생하여 종래보다 팁부(14)에서의 속도가 향상된 것이다.
한편, 도 4에는 본 발명의 제1 실시예의 다른 형태가 게시된다. 도 4에서 스윕부(20)는 리딩엣지부(12)와 트레일링엣지부(13)에서 서로 다른 각도로 형성될 수 있다.
리딩엣지부(12)에서의 스윕각(Φ2)는 트레일링엣지부(13)에서의 스윕각(Φ3)보다 예각일 수 있으며, 역시 유체의 유입방향측으로 앞젖힘이 형성되어 있어, 블레이드(10)의 팁부(14)에서의 저속 영역 감소 효과를 달성할 수 있다.
여기서 스윕각(Φ2,Φ3)은 실험결과를 통해 최적의 저속 영역 감소 효과를 달성할 수 있는 적절한 각도로 설정될 수 있다.
그리고 도 5에는 본 발명의 제1 실시예의 또 다른 형태가 게시된다. 도 5에서 스윕부(20)는 리딩엣지부(12) 및 트레일링엣지부(13)의 방사방향 기준으로 외측부에 형성될 수 있다.
구체적으로는 리딩엣지부(12)는 길이방향을 기준으로 제1 리딩부(12a)와 제2 리딩부(12b)로 분할되고, 스윕부(20)는 제1 리딩부(12a)에만 형성될 수 있다. 즉 스윕부(20)의 스윕각(Φ4)는 제1 리딩부(12a)상에 형성되고, 제2 리딩부(12b)는 블레이드(10)의 루트부(15)상에 직각으로 형성될 수 있다.
또한 트레일링엣지부(13)는 길이방향을 기준으로 제1 터미널부(13a)와 제2 터미널부(13b)로 분할되고, 스윕부(20)는 제1 터미널부(13a)에만 형성될 수 있다. 즉 스윕부(20)의 스윕각(Φ4)는 제1 터미널부(13a)상에 형성되고, 제2 터미널부(13b)는 블레이드(10)의 루트부(15)상에 직각으로 형성될 수 있다.
여기서 제1 리딩부(12a)와 제2 리딩부(12b), 제1 터미널부(13a)와 제2 터미널부(13b)의 길이방향 영역범위는 최적의 저속영역 감소 효과 달성을 위해 실험결과를 통해 적절히 선택될 수 있다.
이 경우에도 스윕부(20)는 유체의 유입방향측으로 앞젖힘이 형성되어 있어, 블레이드(10)의 팁부(14)에서의 저속 영역 감소 효과를 달성할 수 있다.
다음 도 6에는 본 발명의 제1 실시예에 대한 또 다른 형태가 도시되어 있다. 스윕부(20)는 리딩엣지부(12) 및 트레일링엣지부(13)의 방사방향 기준으로 외측부에 형성될 수 있다.
구체적으로는 리딩엣지부(12)는 길이방향을 기준으로 제1 리딩부(12a)와 제2 리딩부(12b)로 분할되고, 스윕부(20)는 제1 리딩부(12a)와 제2 리딩부(12b)에서 서로 다른 각도로 형성될 수 있다. 즉 스윕부(20)의 스윕각(Φ6)는 제1 리딩부(12a)상에 형성되고, 제2 리딩부(12b)는 블레이드(10)의 루트부(15)상에 스윕각(Φ5)로 형성될 수 있다.
또한 트레일링엣지부(13)는 길이방향을 기준으로 제1 터미널부(13a)와 제2 터미널부(13b)로 분할되고, 스윕부(20)는 제1 터미널부(13a)와 제2 터미널부(13b)에서 서로 다른 각도로 형성될 수 있다. 즉 스윕부(20)의 스윕각(Φ6)는 제1 터미널부(13a)상에 형성되고, 제2 터미널부(13b)는 블레이드(10)의 루트부(15)상에 스윕각(Φ5)로 형성될 수 있다.
여기서 제1 리딩부(12a)와 제2 리딩부(12b), 제1 터미널부(13a)와 제2 터미널부(13b)의 길이방향 영역범위는 최적의 저속영역 감소 효과 달성을 위해 실험결과를 통해 적절히 선택될 수 있다.
이 경우에도 스윕부(20)는 유체의 유입방향측으로 앞젖힘이 형성되어 있어, 블레이드(10)의 팁부(14)에서의 저속 영역 감소 효과를 달성할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에서의 스윕각은 블레이드(10)의 팁부(14)에서의 저속 영역 감소 효과를 달성하기 위한 목적으로는 실험결과를 통해 다른 각도로 설정될 수 있으며, 이에 대한 비교실험내용은 도 15 및 도 16에 대해 검토시 설명하도록 한다.
[제2 실시예]
도 7은 본 발명인 블레이드 구조의 제2 실시예를 나타낸 도면이고, 도 8는 본 발명의 제2 실시예의 다른 형태를 나타낸 도면이며, 도 9는 본 발명의 제2 실시예의 또 다른 형태를 나타낸 도면이다.
도 7 내지 도 9를 참고하면, 본 발명인 블레이드(10) 구조의 제2 실시예에서는 바디부(11), 리딩엣지부(12), 트레일링엣지부(13) 및 스플라인부(30)를 포함하여 구성될 수 있다.
블레이드(10)를 형성하는 상기 바디부(11)는 팬(50)의 허브(90)의 원주방향을 따라 소정간격을 두고 복수 개로 배치될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 24개의 블레이드(10)가 15도 간격으로 허브(90)의 원주방향을 따라 배치될 수 있으나, 반드시 이에 한정될 것은 아니다.
그리고 상기 바디부(11)는 허브(90)에 연결되는 루트부(15)와 상기 바디부(11)의 외측단부를 형성하는 팁부(14)로 이뤄질 수 있다.
상기 리딩엣지부(12)는 상기 바디부(11)상에서 유체의 유입방향측에 형성될 수 있으며, 상기 트레일링엣지부(13)는 상기 바디부(11)상에서 유체의 유출방향측에 형성될 수 있다.
또한 상기 스플라인부(30)는 상기 루트부(15)에 비해 상기 팁부(14)에서의 유체 저속 영역을 감소시키도록, 상기 바디부(11)상에 곡선을 이루며 형성될 수 있다.
구체적으로 상기 스윕부(20)는 상기 바디부(11)에 형성된 리딩엣지부(12)에는 제1 스플라인부(31)이 형성되고, 상기 트레일링엣지부(13)에는 제2 스플라인부(33)이 각각 형성될 수 있으며, 유체의 유입방향측으로 앞젖힘이 형성될 수 있다.
도 7에는 본 발명의 제2 실시예에 대한 일 형태가 도시되어 있다. 본 발명의 제2 실시예에서는 상기 스플라인부(30)는 상기 바디부(11)의 리딩엣지부(12) 및 트레일링엣지부(13)에 형성되되, 유체의 유입방향측으로 소정 곡률을 이루며 형성될 수 있다.
일 형태에서는 스플라인부(30)는 리딩엣지부(12) 및 트레일링엣지부(13)의 방사방향을 따라, 바디부(11)의 루트부(15)를 기준으로 25~100% 영역에 형성될 수 있다.
여기서 블레이드(10)의 루트부(15)를 기준으로 L1은 25% 지점이며, L2는 50% 지점이고, L3는 75% 지점이며, L4는 100% 지점으로서 블레이드(10)의 팁부(14)가 된다.
블레이드(10)의 바디부(11)에서 스플라인부(30)가 형성되지 않은 영역은 루트부(15)에서 25% 지점이다. 이는 허브(90) 외주면에 직각으로 형성되는 영역이다.
이 경우에도 스플라인부(30)는 유체의 유입방향측으로 앞젖힘이 형성되어 있어, 블레이드(10)의 팁부(14)에서의 저속 영역 감소 효과를 달성할 수 있다.
구체적으로 종래 팬의 경우 블레이드의 단면을 반경방향으로 곡률 변경 없이 그대로 중첩하여 배치하므로, 어느 반경에서나 속도 삼각형의 형태는 동일하게 된다.
그러나 실제로는 블레이드의 길이가 존재하므로, 블레이드의 루트부(15)와 팁부(14) 사이에서의 선속도 차이가 발생한다. 이에 따라 팬(50)의 입구측으로 유입되는 공기의 상대 유동각은 팬(50) 반경에 따라 달라지게 된다.
이러한 작동환경에서 블레이드의 루트부(15)에서 팁부(14)에 이르는 공기의 유동영역 전체 또는 일부에 대해 스플라인 설계를 적용하면, 종래의 블레이드 형상에 비해 위치별로 다른 상대유동이 발생하고, 이는 특히 블레이드의 팁부(14)에서의 저속영역을 감소시키는 방향으로 작용하게 된다.
상기와 같은 블레이드의 팁부(14)에서의 저속영역 감소 효과는 누설 손실(leakage loss)를 감소시켜, 팬(50)의 후단에서의 전압력 손실을 줄어들게 한다. 이는 궁극적으로 팬(50)의 성능 및 효율을 향상시키게 된다.
그리고 도 8에는 본 발명의 제2 실시예에 대한 다른 형태가 도시되어 있다. 다른 형태에서도 상기 스플라인부(30)는 상기 바디부(11)의 리딩엣지부(12) 및 트레일링엣지부(13)에 형성되되, 유체의 유입방향측으로 소정 곡률을 이루며 형성될 수 있다.
다만 다른 형태에서는 스플라인부(30)는 리딩엣지부(12) 및 트레일링엣지부(13)의 방사방향을 따라, 바디부(11)의 루트부(15)를 기준으로 75~100% 영역에 형성될 수 있다.
블레이드(10)의 바디부(11)에서 스플라인부(30)가 형성되지 않은 영역은 루트부(15)에서 75% 지점이다. 이는 허브(90) 외주면에 직각으로 형성되는 영역이다. 스플라인부(30)는 유체의 유입방향측으로 앞젖힘이 형성되어 있어, 블레이드(10)의 팁부(14)에서의 저속 영역 감소 효과를 달성할 수 있다.
스플라인부(30)가 블레이드(10)의 루트부(15)에서 팁부(14)에 이르는 영역까지 차이가 있게 형성되는 것에 대한 비교실험내용은 이하 도 15 및 도 16를 검토할 때, 설명하도록 한다.
다음 도 9에는 본 발명의 제2 실시예에 대한 또 다른 형태가 도시되어 있다. 또 다른 형태에서도 상기 스플라인부(30)는 상기 바디부(11)의 리딩엣지부(12) 및 트레일링엣지부(13)에 형성되되, 유체의 유입방향측으로 소정 곡률을 이루며 형성될 수 있다.
또 다른 형태에서는 스플라인부(30)는 리딩엣지부(12) 및 트레일링엣지부(13)의 방사방향을 따라, 바디부(11)의 루트부(15)를 기준으로 50~100% 영역에 형성될 수 있다.
블레이드(10)의 바디부(11)에서 스플라인부(30)가 형성되지 않은 영역은 루트부(15)에서 50% 지점이다. 이는 허브(90) 외주면에 직각으로 형성되는 영역이다. 스플라인부(30)는 유체의 유입방향측으로 앞젖힘이 형성되어 있어, 블레이드(10)의 팁부(14)에서의 저속 영역 감소 효과를 달성할 수 있다.
한편, 도 15 및 도 16에서는 종래의 블레이드 구조와, 본 발명의 제1 실시예 중 첫 번째 형태에 스윕각(30°,35°)을 형성한 모델과, 본 발명의 제2 실시예 중 첫 번째 및 두 번째에 스플라인(θ1,θ2=35°)을 적용한 모델에 대한 비교 실험 내용이 게시된다.
여기서 2D Fan(71;파란색)은 종래 팬의 블레이드 구조를 의미하는 것이다.
그리고 2D Fan(72;FSW 30)(보라색)은 본 발명의 제1 실시예에 대한 첫 번째 형태에서 스윕각 30°가 적용된 형태이고, 2D Fan(73;FSW 35)(검정색)은 본 발명의 제1 실시예에 대한 첫 번째 형태에서 스윕각 35°가 적용된 형태를 의미한다.
또한 2D Fan(74;FSW SP 35_0.25NC)(붉은색)은 본 발명의 제2 실시예에 대한 첫 번째 형태에서 스플라인각 35°가 적용되고, 25% 영역까지는 비스플라인부(30)(no charge)가 적용된 형태이고, 2D Fan(75;FSW SP 35_0.75NC)(녹색)은 본 발명의 제2 실시예에 대한 두 번째 형태에서 스플라인각 35°가 적용되고, 75% 영역까지는 비스플라인부(30)(no charge)가 적용된 형태를 의미한다.
우선 도 15를 참고하면, 팬(50)을 기준으로 공기의 유입구측과 공기의 유출구측에서의 체적 유량율(volume flow rate; 단위 CFM) 대비 압력강하(pressure drop; 단위 InchH2O)를 각 형태에 따라 비교하여 나타내었다.
도 15에서 확인할 수 있듯이, 종래 블레이드 구조를 구비한 팬(71;2D Fan)에 비해 스윕각이 적용된 팬(72;2D Fan(FSW 30), 73;2D Fan(FSW 35))이 체적 유량율이 낮은 영역에서 압력강하가 상대적으로 더 크게 나타났다. 압력강하가 상대적으로 높다는 것은 베르누이의 원리상 유속이 상대적으로 높게 나타난다는 것을 의미한다. 즉 팬 주변부에서의 저속영역 감소를 의미하게 된다.
또한 종래 블레이드 구조를 구비한 팬(71;2D Fan)에 비해 스플라인 구조가 적용된 팬(74;2D Fan(FSW SP 35_0.25NC), 75;2D Fan(FSW SP 35_0.75NC)이 체적 유량율이 낮은 영역에서 압력강하가 상대적으로 더 크게 나타났다. 이 또한 팬 주변부에서의 저속영역이 감소되었다는 것을 의미하게 된다.
다만 체적유량율이 높은 영역에서는 압력강하가 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
이러한 실험결과를 통해 발전장치에 공기를 공급함에 있어서, 비교적 적은 유량을 공급할 때, 본 발명의 블레이드(10) 구조는 저속 영역을 감소시켜 큰 효과를 발생시킴을 확인할 수 있다.
그리고 체적유량율이 높은 영역에서는 압력강하에 큰 차이가 없어, 종래 블레이드 구조와의 성능차이가 없음을 알 수 있다.
즉 본 발명의 블레이드(10) 구조를 적용함에 있어서, 종래 블레이드 구조에 비해 체적유량율이 낮은 상황에서는 저속 영역을 효과적으로 감소시키고, 체적유량율이 높은 상황에서는 성능를 유지하므로, 발전장치의 흡입관(40)에 본 발명을 적용하는 것이 바람직함을 의미하게 된다.
다음 도 16를 참고하면, 팬을 기준으로 공기의 유입구측과 공기의 유출구측에서의 체적 유량율(volume flow rate; 단위 CFM) 대비 정효율(static efficiency; 단위 %)를 각 형태에 따라 비교하여 나타내었다.
도 16에서 확인할 수 있듯이, 종래 블레이드 구조를 구비한 팬(71;2D Fan)에 비해 스윕각이 적용된 팬(72;2D Fan(FSW 30), 73;2D Fan(FSW 35))이 체적 유량율이 낮은 영역에서 정효율이 상대적으로 더 크게 나타났다.
정효율이 상대적으로 높다는 것은 도 15에서와 같이 압력강하가 상대적으로 높게 형성되어, 유속이 상대적으로 높게 나타나, 팬 주변부에서의 저속영역이 감소함에 따라 팬의 효율이 향상된 것을 의미한다.
또한 종래 블레이드 구조를 구비한 팬(71;2D Fan)에 비해 스플라인 구조가 적용된 팬(74;2D Fan(FSW SP 35_0.25NC), 75;2D Fan(FSW SP 35_0.75NC)이 체적 유량율이 낮은 영역에서 정효율이 상대적으로 더 크게 나타났다. 이 또한 팬 주변부에서의 저속영역이 감소되어, 팬 효율이 향상된 것을 나타낸다.
다만 체적유량율이 높은 영역에서는 정효율이 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
이러한 실험결과를 통해 발전장치에 공기를 공급함에 있어서, 비교적 적은 유량을 공급할 때, 본 발명의 블레이드(10) 구조는 저속 영역을 감소시켜 팬 효율 및 성능 향상에 큰 영향을 줌을 확인할 수 있다.
그리고 체적유량율이 높은 영역에서는 압력강하에 큰 차이가 없어, 종래 블레이드 구조와의 성능차이가 없음을 알 수 있다.
즉 본 발명의 블레이드(10) 구조를 적용함에 있어서, 종래 블레이드 구조에 비해 체적유량율이 낮은 상황에서는 저속 영역을 효과적으로 감소시키고, 체적유량율이 높은 상황에서는 성능을 유지하므로, 발전장치의 흡입관(40)에 본 발명을 적용하는 것이 바람직함을 의미하게 된다.
한편, 본 발명은 구동장치의 회전축에 연결되는 허브(90) 및 상기 허브(90)의 원주방향을 따라 소정 간격을 두고 복수 개가 배치되고, 상기된 블레이드 구조를 포함하는 블레이드(10)를 구비하는 팬도 포함될 수 있다.
그리고, 본 발명은 외부 유체가 유입되는 흡입관(40)과 상기 흡입관(40)과 연결되고, 상기 흡입관(40)에서 유입된 유체를 이용하여 전력을 생산하는 전력발생기(5;도 1 참조) 및 상기 흡입관(40)과 상기 전력발생기(5) 사이에 배치되고, 상기 흡입관(40)에서 유체가 흡입되도록 하여 상기 전력발생기(5)로 전달하는 상기된 팬(50)를 구비하는 발전장치(1;도 1 참조)도 포함될 수 있다.
이상의 사항은 블레이드 구조와 이를 포함하는 팬 및 발전장치의 특정한 실시예를 나타낸 것에 불과하다.
따라서 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양한 형태로 치환, 변형될 수 있음을 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 파악할 수 있다는 점을 밝혀 두고자 한다.
10:블레이드
11:바디부
12:리딩엣지부
12a:제1 리딩부
12b:제2 리딩부
13:트레일링엣지부
13a:제1 터미널부
13b:제2 터미널부
14:팁부
15:루트부
20:스윕부
21:제1 스윕부
23:제2 스윕부
30:스플라인부
31:제1 스플라인부
33:제2 스플라인부
40:흡입관
41:유입구
42:유출구
50:팬
90:허브

Claims (19)

  1. 팬의 허브의 원주방향을 따라 소정간격을 두고 복수 개로 배치되고, 상기 허브에 연결되는 루트부와 외측단부를 형성하는 팁부를 포함하는 블레이드의 바디부;
    상기 바디부상에서 유체의 유입방향측에 형성되는 리딩엣지부(leading edge portion);
    상기 바디부상에서 유체의 유출방향측에 형성되는 트레일링엣지부(trailing edge portion); 및
    상기 리딩엣지부 또는 상기 트레일링엣지부 중 적어도 어느 하나에 직선을 이루며 형성되는 스윕부(sweep portion);를 포함하되,
    상기 스윕부는 유체의 유입방향측으로 경사진 앞젖힘이 형성되고,
    상기 스윕부는 상기 리딩엣지부와 상기 트레일링엣지부에서 서로 다른 각도로 앞젖힘이 형성되되, 상기 트레일링엣지부의 스윕각도가 상기 리딩엣지부의 스윕각도보다 작으며,
    상기 팁부가 상기 루트부보다 유체의 유입방향측에 가깝게 위치됨으로써, 상기 블레이드의 길이로 인한 상기 루트부와 상기 팁부 사이에서 발생되는 선속도 차이는, 상기 스윕부의 앞젖힘 형상으로 인해 완화되어 상기 루트부에 비하여 상기 팁부에서 발생되는 상대적 유체 저속 영역의 감소, 유체 누설 손실의 감소, 상기 팬의 후단에서의 전압력 손실을 감소시키는 것을 특징으로 하는 블레이드 구조.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스윕부는, 상기 리딩엣지부의 방사방향 기준으로 외측부에 형성되는 것을 특징으로 하는 블레이드 구조.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 리딩엣지부는 길이방향 기준으로 제1 리딩부와 제2 리딩부로 분할되고, 상기 스윕부는 상기 제1 리딩부와 상기 제2 리딩부상에서 서로 다른 각도로 형성되는 것을 특징으로 하는 블레이드 구조.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스윕부는, 상기 트레일링엣지부의 방사방향 기준으로 외측부에 형성되는 것을 특징으로 하는 블레이드 구조.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 트레일링엣지부는 길이방향 기준으로 제1 터미널부와 제2 터미널부로 분할되고, 상기 스윕부는 상기 제1 터미널부와 상기 제2 터미널부상에서 서로 다른 각도로 형성되는 것을 특징으로 하는 블레이드 구조.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 구동장치의 회전축에 연결되는 허브; 및
    상기 허브의 원주방향을 따라 소정 간격을 두고 복수 개가 배치되고, 제1항의 블레이드 구조를 포함하는 블레이드;
    를 포함하는 팬.
  19. 외부 유체가 유입되는 흡입관;
    상기 흡입관과 연결되고, 상기 흡입관에서 유입된 유체를 이용하여 전력을 생산하는 전력발생기; 및
    상기 흡입관과 상기 전력발생기 사이에 배치되고, 상기 흡입관에서 유체가 흡입되도록 하여 상기 전력발생기로 전달하는 상기 제18항의 팬;
    를 포함하는 발전장치.
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JP2008545097A (ja) * 2005-07-01 2008-12-11 アルストム テクノロジー リミテッド タービン機械翼

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