KR101981922B1 - 프리-팁형 축류 팬 조립체 - Google Patents

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KR101981922B1
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로버트 제이. 밴 휴튼
신윤식
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

프리-팁형 축류 팬 조립체는 입구를 포함하는 셔라우드 배럴을 특징으로 하며, 그 상류측 단부에서 상기 입구의 반경은 그 하류측 단부에서의 상기 입구의 반경보다 크다. 팬 축을 포함하는 평면에서, 상기 입구의 표면과 팬 축의 방향 사이의 각도는 표면 좌표에 대해 비점증적으로 변하고, 입구의 표면을 따르는 거리와 함께 증가한다.

Description

프리-팁형 축류 팬 조립체
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 그 전체 내용이 참조에 의해 본 명세서에 통합되는, 2015년 4월 15일 출원된 미국 특허 가출원 제62/147,686호에 대해 우선권의 이점을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 다른 용도 중에서, 자동차 엔진 냉각 팬으로 사용될 수 있는 프리-팁형 축류 유동 팬(free-tipped axial-flow fan)에 관한 것이다.
엔진 냉각 팬들은 전형적으로 내연기관, 에어컨 응축기를 냉각하는 라디에이터를 포함하는 열교환기, 및 아마도 추가의 열교환기의 세트를 통해 공기를 움직이도록 자동차에서 사용된다. 이러한 팬들은 일반적으로 열교환기들과 팬 사이에서 공기를 안내하고 재순환을 제어하는 셔라우드에 장착된다. 전형적으로, 이러한 팬들은 셔라우드에 의해 지지되는 전기 모터에 의해 구동된다.
팬들은 전형적으로 플라스틱, 제한된 기계적 특성을 가지는 재료로 사출 성형된다. 플라스틱 팬들은 고온에서 회전 및 공기 역학적 부하가 가해질 때 크리프 편향(creep deflection)을 보인다. 이러한 편향은 설계 공정에서 고려되어야만 한다.
일부 엔진 냉각 팬이 모든 블레이드의 팁을 연결하는 회전 팁 밴드를 가질지라도, 많은 것들이 프리-팁형이며, 즉 블레이드들의 팁이 서로 연결되지 않는다. 프리-팁형 팬들은 밴딩된 팬(banded fan)들과 비교할 때 몇 가지 장점을 가진다. 이러한 것들은 보다 저렴한 비용, 감소된 중량, 및 전원이 차단될 때 보다 낮은 커플링 불균형, 보다 낮은 세차 운동(precession) 토크, 보다 신속한 관성 서행(coast-down)과 같은 그 감소된 관성으로 인한 장점을 가질 수 있다.
종종 프리-팁형 팬들은 일정 반경의 팁 형상을 가지고 팬 블레이드들과 가장 근접한 간극의 영역에서 원통형인 셔라우드 배럴(shroud barrel)에서 작동하도록 설계된다. 다른 경우에서, 팁 반경은 일정하지 않다. 예를 들어, 미국 특허 제6,595,744호는 블레이드 팁들이 나팔 모양의(flared) 셔라우드 배럴에 일치하도록 형상화된 프리-팁형 엔진 냉각 팬을 개시한다. 이러한 구성은 배럴에 대한 진입측에서의 유동 분리(flow separation)를 감소시키는 한편, 블레이드 팁이 셔라우드에 아주 근접하여 작동하는 것을 가능하게 한다.
프리-팁형 팬들은 블레이드 팁들과 셔라우드 배럴 사이에 팁 갭(tip gap) 또는 구동 간극(running clearance)을 가지도록 설계된다. 이러한 팁 갭은 제조 공차 및 팬 조립체의 서비스 수명에 걸쳐서 일어날 수 있는 최대 편향을 허용하도록 충분하여야 한다. 실제, 이러한 갭은 일반적으로 팬 지름의 적어도 0.5%, 그러나 2%보다 작으며, 보다 전형적으로 팬 지름의 약 1%이다.
팁 갭의 존재는 성능에서 수많은 악영향을 가진다. 하나의 악영향은 갭이 증가함에 따라서, 팬이 주어진 작동 지점을 달성하도록 고속으로 작동하여야 한다는 것이다. 이러한 것은 블레이드 부하(blade loading)(팬 블레이드의 압력측과 흡입측 사이의 압력차)가 갭의 부근에서 감소된다는 사실에 기인한다. 다른 악영향은 특히 시스템 저항이 높을 때 감소된 팬 효율성 및 증가된 팬 소음이다. 이러한 악영향은 프리-팁형 팬의 적용 가능성을 시스템 저항이 상대적으로 낮은 응용물로 제한할 수 있다. 프리-팁형 팬들의 적용 가능성을 증가시키기 위하여, 팁 갭에 의해 유발되는 부작용을 극복하기 위한 다수의 시도가 있었다.
하나의 접근법은 팬 부하(fan loading)에서의 팁 갭의 영향에 대응하도록 팬을 설계하는 것이다. 미국 특허 제9,004,860호로서 등록된 미국 특허 출원 제13/035,440호는 팁 갭의 존재시 개선된 팁 부하를 가지는 팬을 기술한다. 이러한 팬은 팬 성능을 향상시킬 수 있지만, 팬의 효율성과 소음은 여전히 갭에 의해 손상된다.
다른 노력들이 블레이드 팁의 편향을 감소시키도록 추구되어서, 팁 갭이 간섭의 위험없이 더욱 작게 만들어질 수 있다. 미국 특허 제6,595,744호는 사행(skewed) 프리-팁형 팬의 축 방향 편향을 감소시킬 수 있는 갈퀴 분포(rake distribution)를 기술하고, 미국 특허 제8,137,070호는 반경 방향 편향을 최소화하는 선단 및 후미 가장자리 사행 분포(skew distribution)를 기술한다.
다른 접근법은 주어진 크기의 갭을 통한 공기의 유동이 최소화되는 방식으로 팬의 팁을 설계하는 것이다. 미국 특허 출원 공개 제2014/0271172호로 공개된 미국 특허 출원 제13/964,872호는 두껍지 않은 팁을 구비한 팬과 비교하여 개선된 효율 및 감소된 소음을 나타내는 국부적으로 두꺼운 팁을 구비한 팬을 기술한다.
과거의 노력들이 향상된 효율성을 가지며 프리-팁형 팬의 소음을 감소시켰을지라도, 특히 고압의 작동 지점에서, 더욱 조용한 프리-팁형 팬 조립체가 여전히 필요하다. 이러한 작동 지점들에서, 각각의 블레이드에 의해 발생된 팁 와류(tip vortex)가 그 블레이드, 셔라우드 배럴 및/또는 다음의 블레이드와 상호 작용할 수 있다. 이러한 상호 작용은 저압 작동 지점에서의 소음과 비교하여 소음에서의 상당한 증가를 유발할 수 있다.
하나의 양태에서, 본 발명은 팬과 셔라우드를 포함하는 프리-팁형 축류 팬 조립체를 제공하며, 상기 팬은 복수의 반경 방향 연장 블레이드를 포함하며, 상기 블레이드들의 각각은 블레이드 팁, 선단 가장자리 및 후미 가장자리를 가지며, 상기 팬은 후미 가장자리에서 블레이드 팁들의 반경 방향 범위의 2배와 동일한 지름(D)을 가진다. 셔라우드는 배럴을 포함하고, 배럴은 입구를 포함하고, 그 상류측 단부에서 입구의 반경은 그 하류측 단부에서의 입구의 반경보다 크다. 팬 조립체는 자오면(meridional plane)에서, 입구의 표면과 팬 축(fan axis)의 방향 사이의 각도가 그 상류측 단부로부터 그 하류측 단부로 입구의 표면을 따르는 거리와 함께 상기 입구 표면의 영역에 걸쳐서 증가하는 표면 좌표에 대하여 비점증적으로(non-monotonically) 변하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하나의 양태에서, 프리-팁형 축류 팬은 표면 좌표가 증가함에 따라서, 입구 표면의 반경 방향 좌표가 감소하거나 또는 일정하게 유지되는 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 표면 좌표가 증가함에 따라서, 입구 표면의 축 방향 좌표가 증가하거나 또는 일정하게 유지되는 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 입구가 단차부들을 포함하며, 각각의 단차부는 대략 축 방향(자오면에서 반경 방향을 대면하는) 표면, 및 대략 반경 방향(자오면에서 축 방향을 대면하는) 표면을 가지는 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 자오면에 놓이는 가상의 직선이 2개의 지점들 사이의 표면을 교차함이 없이 비점증적 변화 각도(non-monotonically varyng angle)의 영역을 따라서 위치된 상기 지점들에서 입구 표면을 접촉할 수 있으며, 상기 가상선에 대해 접선으로 측정된, 상기 가상선과 상기 2개의 지점들 사이에 놓인 상기 배럴 표면 상의 지점 사이의 거리가 상기 팬 지름의 0.2% 이상인 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 상기 거리는 팬 지름의 0.4% 이상이다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 입구의 적어도 일부가 블레이드 팁의 적어도 일부의 축 방향 위치에 위치되고, 상기 부분의 상류측 단부의 축 방향 위치에서 입구의 반경 방향 치수가 상기 부분의 하류측 단부의 축 방향 위치에서 입구의 반경 방향 치수보다 크며, 상기 부분의 상류측 단부에서의 블레이드 팁의 반경 방향 범위는 상기 부분의 하류측 단부에서 블레이드 팁의 반경 방향 범위보다 크며, 상기 블레이드 팁의 부분의 축 방향 위치에 위치된 상기 입구의 부분은 비점증적 변화 각도의 영역의 적어도 일부를 포함하고, 비점증적 변화 각도의 영역의 부분의 축 방향 위치는 블레이드 팁의 제2 부분을 한정하는 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 자오면에 놓이는 가상의 직선이, 2개의 지점들 사이의 표면을 교차함이 없이, 상기 비점증적 변화 각도의 영역에 및 블레이드 팁의 축 방향 범위 내에 놓이는 상기 2개의 지점에서 상기 입구 표면을 접촉할 수 있고, 가상선에 대해 접선으로 측정된, 상기 가상선과 상기 2개의 지점들 사이에 놓이는 상기 배럴 표면 상의 지점 사이에서 거리는 팬 지름의 0.2% 이상인 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 상기 거리가 상기 팬 지름의 0.4% 이상인 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 상기 블레이드 팁의 전체의 축 방향 위치가 상기 입구의 축 방향 범위 내에 있는 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 상기 비점증적 변화 각도의 영역이 블레이드 팁의 축 방향 범위와 중첩하는 입구의 부분의 축 방향 범위의 적어도 최상류 50%에 걸쳐서 연장되는 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 상기 비점증적 변화 각도의 영역이 적어도 블레이드 팁의 상류측인 상기 입구의 제2 부분의 축 방향 범위의 적어도 최하류측 50%에 걸쳐서 연장되는 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 상기 부분의 상류측 단부에서 입구의 반경 방향 치수가 상기 부분의 하류측 단부에서 상기 입구의 반경 방향 치수의 적어도 2%만큼 상기 부분의 하류측 단부에서 상기 입구의 반경 방향 치수보다 더 큰 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 상기 부분의 상류측 단부에서 상기 블레이드 팁의 반경 방향 범위가 상기 부분의 하류측 단부에서 상기 블레이드 팁의 반경 방향 범위의 적어도 2%만큼 상기 부분의 하류측 단부에서 블레이드 팁의 반경 방향 범위보다 더 큰 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 블레이드 팁 부분의 스위핑된 범위(swept extent)가 상기 입구 부분의 형상에 일치하는 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 블레이드 팁의 스위핑된 범위에 직각으로 측정된, 상기 블레이드 팁의 부분과 상기 입구의 부분 사이의 최소 거리가 팬 지름(D)의 0.005배보다 크고 팬 지름(D)의 0.02배보다 작은 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 자오면에서, 블레이드 팁의 제2 부분의 스위핑된 범위와 팬 축의 방향 사이의 각도가 블레이드 팁 선단 가장자리로부터 블레이드 팁 후미 가장자리까지 블레이드 팁의 스위핑된 범위를 따르는 거리와 함께 증가하는 팁 좌표(tip coordinate)에 대해 점증적으로 감소하는 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 블레이드 팁 스위핑된 범위에 대해 직각으로 측정된, 블레이드 팁의 제2 부분의 스위핑된 범위와 입구의 부분 상의 국부적으로 가장 근접한 지점들 사이의 거리가 블레이드 팁의 제2 부분을 따라서 단지 ± 30% 또는 ± 20% 만큼 변하는 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 블레이드 팁 스위핑된 범위에 대해 직각으로 측정된, 블레이드 팁의 제2 부분과 가장 근접한 지점들 중 2개 사이의 입구 표면 사이의 거리가 블레이드 팁의 제2 부분과 2개의 가장 근접한 지점들 사이의 평균 거리보다 적어도 20% 더 큰 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 블레이드 팁 스위핑된 범위에 대해 직각으로 측정된, 블레이드 팁의 제2 부분과 가장 근접한 지점들 중 2개 사이의 입구 표면 사이의 거리가 블레이드 팁의 제2 부분과 2개의 가장 근접한 지점들 사이의 평균 거리보다 적어도 40% 더 큰 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 블레이드 팁의 스위핑된 범위에 대해 직각으로 측정된, 블레이드 팁의 제2 부분과 입구의 부분 상의 가장 근접한 지점들 사이의 최소 거리가 팬 지름(D)의 0.005배보다 크고 팬 지름(D)의 0.02배보다 작은 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 블레이드 팁의 제2 부분의 스위핑된 범위가 자오면에서, 입구의 부분 상의 블레이드 팁에 국부적으로 가장 근접한 지점들을 통과하는 포락곡선(envelope curve)에 일치하는 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 포락곡선이 매끄러운 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 포락곡선의 축 방향 및 반경 방향 좌표들이 각각 스플라인 곡선(spline curve)의 값으로서 대략 주어지며, 스플라인 곡선은 다음의 방식으로 결정된다:
1) 포락곡선이 통과하는 입구 상의 지점들이 그 꼭지점들인 구분적 선형 곡선(piecewise linear curve)을 따르는 둘레 좌표(girth coordinate)를 생성하고,
2) 꼭지점에 위치된 매듭들을 사용하여 둘레 좌표에 대한 축 방향 및 반경 방향 좌표들의 3차 스플라인(cubic spline)들을 발생시키고,
3) 꼭지점들 사이에 놓인 둘레 좌표의 값들에서 스플라인을 평가한다.
본 발명의 다른 양태에서, 상기 프리-팁형 축류 팬 조립체는 상기 포락곡선에 대해 직각으로 측정된, 상기 블레이드 팁의 제2 부분의 스위핑된 범위와 상기 포락곡선 사이의 거리가 블레이드 팁의 제2 부분의 범위에 걸쳐서 단지 ± 30% 또는 단지 ± 20% 만큼 변하는 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 블레이드 팁 스위핑된 범위에 대해 직각으로 측정된, 블레이드 팁의 제2 부분과 가장 근접한 2개의 지점 사이의 지점에서 입구 표면 사이의 거리는 블레이드 팁의 제2 부분과 포락곡선 사이의 국부적인 거리보다 적어도 20% 더 큰 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 블레이드 팁 스위핑된 범위에 대해 직각으로 측정된, 블레이드 팁의 제2 부분과 가장 근접한 2개의 지점 사이의 지점에서 입구 표면 사이의 거리는 블레이드 팁의 제2 부분과 포락곡선 사이의 국부적인 거리보다 적어도 40% 더 큰 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 또한, 포락곡선에 대해 직각으로 측정된, 블레이드 팁의 제2 부분의 스위핑된 범위와 포락곡선 사이의 최소 거리가 팬 지름(D)보다 0.005배 크고 팬 지름(D)보다 0.02배 작은 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 블레이드 팁이 상기 포락곡선에 일치하는 영역에서, 포락곡선은 블레이드 팁에 국부적으로 가장 근접한 입구 상의 적어도 3개의 지점을 통과하는 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 입구 부분의 표면이 축대칭(axisymmetric)인 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 셔라우드가 플라스틱 사출 성형 부품인 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 셔라우드가 상기 팬 조립체의 상류측에 위치된 열교환기에 상기 팬 조립체를 용이하게 장착하는 특징부들을 포함하는 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 셔라우드가 상류 열교환기 뒤에 장착되는, 배럴의 상류측에 있는 플리넘을 포함하며, 상기 플리넘에 의해 덮인 열교환기면의 영역은 팬 디스크 영역의 적어도 1.5배인 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체는 각도가 전체적으로 180°보다 큰 방위각(azimuthal angle)의 하나 이상의 범위에 걸쳐서 위치된 복수의 자오면에서 비점증적으로 변하는 것을 또한 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양태는 상세한 설명 및 첨부 도면을 고려함으로써 명백해질 것이다.
도 1a는 프리-팁형 축류 팬 조립체가 엔진 냉각 팬 조립체로 구성되는, 나팔 모양의 셔라우드 배럴의 형상에 일치하는 블레이드 팁을 도시하는, 종래 기술의 프리-팁형 축류 팬 조립체의 개략도.
도 1b는 도 1a의 셔라우드 배럴의 자오면 및 각각의 블레이드의 최외측 부분의 스위핑된 영역에 대한 상세 개략도.
도 1c는 팬의 상류측으로부터 본, 선단 및 후미 가장자리들과 블레이드 팁을 도시하는 도면.
도 2a는 셔라우드 배럴이 복수의 단차부를 구비한 입구와 단차부형 배럴(stepped barrel)에 일치하는 팬 블레이드 팁을 포함하는, 본 발명의 한 실시예에 따른 프리-팁형 축류 팬 조립체의 개략도.
도 2b는 도 2a의 셔라우드 배럴의 자오면의 상세 개략도.
도 2c는 도 2a의 셔라우드 배럴의 자오면 및 각각의 블레이드의 외측 부분에 의해 스위핑된 영역의 상세 개략도.
도 3a는 셔라우드 배럴이 복수의 단차부를 가지는 입구, 및 배럴 상의 국부적으로 가장 근접한 지점들을 통과하는 매끄러운 포락곡선에 일치하는 팬 블레이드 팁을 포함하는, 본 출원의 한 실시예에 따른 프리-팁형 축류 팬 조립체의 개략도.
도 3b는 도 3a의 셔라우드 배럴의 자오면 및 각각의 블레이드의 최외측 부분에 의해 스위핑되는 영역의 상세 개략도.
도 3c는 직사각형 셔라우드 플리넘을 도시하는, 도 3a의 프리-팁형 축류 팬 조립체의(상류측으로부터 하류측을 바라 본) 평면도.
도 4a는 블레이드 팁의 축 방향 범위가 입구 상의 가장 근접한 지점들의 포락곡선을 한정하는 타원의 축방향 반축(semi-axis)보다 작은, 셔라우드 배럴의 자오면, 및 블레이드의 외측 부분의 스위핑된 영역의 상세 개략도.
도 4b는 블레이드 팁의 축 방향 범위가 입구 상의 가장 근접한 지점들의 포락곡선을 한정하는 타원의 축방향 반축보다 작고 배럴이 블레이드의 후미 가장자리 근처에서 종료되는, 셔라우드 배럴의 자오면, 및 블레이드의 외측 부분의 스위핑된 영역의 상세 개략도.
도 4c는 블레이드 팁의 축 방향 범위가 입구 상의 가장 근접한 지점들의 포락곡선을 한정하는 타원의 축방향 반축보다 작고 타원의 반경 방향 반축에 위치된 팁 후미 가장자리가 팬에 위치되는, 셔라우드 배럴의 자오면, 및 블레이드의 외측 부분의 스위핑된 영역의 상세 개략도.
도 5a는 도시되지 않은 블레이드 팁에 가장 근접한 입구 상의 지점들을 도시하는 단차부형 셔라우드 배럴의 자오선 도면((meridional view).
도 5b는 구분적으로(piece-wise) 선형인 포락곡선을 도시하고 둘레 파라미터(girth parameter)를 한정하는 단차부형 셔라우드 배럴의 자오선 도면.
도 5c는 3차 스플라인 기능에 의해 그 좌표가 한정되는 매끄러운 포락곡선을 도시하는 단차부형 셔라우드 배럴의 자오선 도면.
도 5d는 도 5c의 매끄러운 포락곡선으로부터 편심된 곡선을 도시하는 단차부형 셔라우드 배럴의 자오선 도면.
도 5e는 블레이드 팁 스위핑된 범위가 도 5d의 편심 곡선을 따르는, 단차부형 셔라우드 배럴 및 블레이드에 의해 스위핑된 영역의 자오선 도면.
도 6a는 단차부들의 대략 축 방향 표면들 상에 드래프트 각도(draft angle)가 있는, 단차부형 셔라우드 배럴 및 블레이드의 스위핑된 영역의 자오선 도면.
도 6b는 단차부들의 외부 모서리들이 반경화되는(radiused), 단차부형 셔라우드 배럴 및 블레이드의 스위핑된 영역의 자오선 도면.
도 6c는 단차부들의 내부 모서리들이 반경화되는, 단차부형 셔라우드 배럴 및 블레이드의 스위핑된 영역의 자오선 도면.
도 6d는 배럴에 대한 입구가 축 방향 그루브를 가지는, 셔라우드 배럴 및 블레이드의 스위핑된 영역의 자오선 도면.
도 6e는 배럴에 대한 입구가 연속적이지 않고 단차부들을 가지는, 셔라우드 배럴 및 블레이드의 스위핑된 영역의 자오선 도면.
도 6f는 배럴에 대한 입구가 축 방향 표면들, 및 반경 방향에 대해 각이진 표면들을 구비하는 단차부들을 가지는, 셔라우드 배럴 및 블레이드의 스위핑된 영역의 자오선 도면.
도 7a는 단차부들의 깊이가 배럴의 두께에 필적하고 배럴의 외부면이 또한 단차부형인, 단차부형 셔라우드 배럴의 양쪽 측면을 도시한 도면.
도 7b는 외부 단차부들이 반경화되는, 단차부형 셔라우드 배럴의 양쪽 측면을 도시한 도면.
도 7c는 단차부들의 깊이가 배럴의 두께에 비해 작고, 배럴의 외부면이 매끄러운, 단차부형 셔라우드 배럴의 양쪽 측면을 도시한 도면.
도 8a는 미국 특허 출원 공개 제2014/0271172호에 따른 팬의 흡입측 및 본원의한 실시예에 따른 단차부형 배럴 입구의 축방향 도면(axial view).
도 8b는 도 8a에 도시된 바와 같이 블레이드 팁에서의 최대 두께의 지점에 대응하는 각도로 블레이드 및 배럴 입구를 통과하는 자오선 단면도(meridional section).
도 8c는 도 8b의 팁 영역의 상세도.
도 9a는 단차부들이 축대칭인, 도 8a 내지 도 8c의 프리-팁형 팬 및 단차부형 배럴 입구의 사시도.
도 9b는 단차부들이 비대칭이고 나선형으로 형상화된, 도 8a 내지 도 8c의 프리-팁형 팬 및 단차부형 배럴 입구의 사시도.
도 10은 매끄러운 나팔 모양의 셔라우드 배럴을 특징으로 하는 종래 기술의 팬 조립체의 성능과 비교된 본 출원의 한 실시예에 따른 팬 조립체의 성능의 도표(plot).
도 11은 도 10의 데이터와 동일한 데이터를 도시하지만, 무차원 변수(non-dimensional variables)들을 사용하는 도면.
도 12a는 미국 특허 출원 공개 제2014/0271172호에 따른 팬의 흡입측 및 단차부들이 방위각으로(azimuthally) 불연속적인, 단차부형 배럴 입구의 축방향 도면.
도 12b는 블레이드 팁에서 최대 두께의 지점에 대응하는 각도로 블레이드 및 배럴 입구를 통과하는 도 12a에 도시된 자오선 단면도로서, 상기 단면은 단면이 단차부형인 각도로 셔라우드를 통과한다.
도 12c는 도 12a에 도시된 셔라우드 배럴 입구의 일부분의 사시도.
도 13a는 미국 특허 출원 공개 제2014/0271172호에 따른 팬의 흡입측 및 엇갈린 열들의 원형 포켓들을 가지는 배럴 입구의 축방향 도면.
도 13b는 블레이드 팁에서 최대 두께의 지점에 대응하는 각도로 블레이드 및 배럴 입구를 통과하는 도 13a에 도시된 자오선 단면도로서, 상기 단면은 2개의 입구 포켓을 통과한다.
도 13c는 단면이 하나의 입구 포켓을 통과하는 각도로 블레이드 및 배럴 입구를 통과하는 자오선 단면도.
도 13d는 도 13a에 도시된 셔라우드 배럴 입구의 일부분의 사시도.
본 발명의 임의의 실시예가 상세히 설명되기 전에, 본 발명은 이하의 설명에서 제시되거나 다음의 도면에 도시된 구성 요소들의 구성 및 배열의 상세한 설명으로 본 발명이 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명은 다른 실시예들일 수 있으며, 다양한 방법으로 실시되거나 또는 수행될 수 있다.
도 1a는 종래의 프리-팁형 축류 팬 조립체(1)를 도시한다. 도시된 구성에서, 프리-팁형 축류 팬 조립체(1)는 적어도 하나의 열교환기(5)에 인접하여 장착된 엔진 냉각 팬 조립체이다. 이러한 구성에서, 열교환기(5)는 내연기관(도시하지 않음)을 냉각하는 라디에이터(51)를 포함한다. 대안적으로 구동되는 차량에서, 팬 조립체(1)는 배터리, 전기 모터 등을 냉각하도록 하나 이상의 열 교환기와 함께 사용될 수 있다. 셔라우드(2)는 라디에이터(51)로부터 팬(4)으로 냉각 공기를 안내하고, 누설을 통제하도록 팬을 둘러싸고, 모터(3)를 위한 지지부(28)들을 제공한다.
셔라우드(2)는 플리넘(20)을 함께 둘러싸는 플리넘 벽(21) 및 측벽(23)들을 포함한다. 플리넘 벽(21)은 작은 원뿔 각도를 갖는 것으로 도시되지만, 다른 경우에 팬 축(6)에 대략 접선인 평면에 놓일 수 있다. 측벽(23)들은 팬 축(6)에 평행한 것으로 도시되어 있지만, 종종 제조 가능성을 개선하도록 드래프트 각도를 가질 것이다. 셔라우드(2)는 팬(4)을 둘러싸는 배럴(22)을 추가로 포함한다. 배럴(22)은 매끄러운 나팔 모양의 입구(24) 및 나팔 모양의 입구(24)의 하류측의 원통 부분(26)을 포함한다. 셔라우드 입구에 대한 진입측의 반경 방향 좌표(R1)(축(6)으로부터 측정된)는 원통형 부분(26)을 연결하는 반경 방향 좌표(R2)보다 크다. 비록 원통형으로서 지칭될지라도, 부분(26)은 축(6)과 실질적으로 평행하지 않도록 제조 가능성을 위하여 드래프트 각도로 형성될 수 있다. 어느 경우이든, 부분(26)은 나팔 모양의 입구(24)를 한정하는 형상을 가지는 부분과 구별 가능하다.
팬(4)은 축(6)을 중심으로 회전하며, 허브(41) 및 대체로 반경 방향으로 연장되는 복수의 블레이드(40)를 포함한다. 도 1a는 팬이 회전함에 따라서 이러한 블레이드들에 의해 스위핑되는 자오면(팬 축을 수용하는 평면)에서의 영역을 도시한다. 허브(41)에 인접한 각각의 블레이드(40)의 단부는 블레이드 루트(blade root)(43)이며, 각각의 블레이드(40)의 최외측 단부는 블레이드 팁(46)이다. 블레이드 팁(46)들은 셔라우드 배럴(22)에 일치한다. 즉, 블레이드 팁(46)들은 셔라우드 배럴(22)로부터 편심되지만, 셔라우드 배럴(22)에 의해 한정된 윤곽을 따르거나 그 형상에 매칭되는 형상을 가진다. 블레이드 팁 선단 가장자리(RLE)의 반경 방향 좌표는 블레이드 팁 후미 가장자리(RTE)의 반경 방향 좌표보다 크다. 공칭 팬 반경(R)은 RTE와 동일하도록 취해지며, 팬 지름(D)은 R의 2배와 같다. 팁 갭(7)은 블레이드 팁(46)들과 셔라우드 배럴(22) 사이의 최소 실행 간극(minimum running clearance)을 제공하며, 이는 0.005 D 내지 0.02 D이다.
도 1b는 도 1a의 셔라우드 배럴(22)의 자오면 및 각각의 블레이드(40)의 최외측 부분에 의해 스위핑되는 영역의 상세 개략도이다. 나팔 모양의 입구는 대략 타원 형상이며, 블레이드 팁(46)의 스위핑된 범위는 배럴(22)로부터 대략 일정한 거리("g")만큼 편심된 매끄러운 곡선이다. 이러한 거리는 블레이드 팁(46)과 셔라우드 배럴(22) 사이의 간극 갭(clearance gap)(7)의 폭을 나타낸다.
도 1b는 또한 입구가 플리넘 벽(21)과 만나고 입구 프로파일을 따르는 거리와 함께 선형으로 증가하는 0인 입구 표면 좌표("s")를 도시한다. 비록 도 1b에 도시된 나팔 모양의 입구가 타원형일지라도, 다른 종래 기술의 나팔 모양의 셔라우드는 그 형상과 다소 다를 수 있다. 모든 경우에 있어서, 자오면에서, 나팔 모양의 입구(24)의 표면과 팬 축(6)의 방향 사이의 각도("Θ")는 "s"가 증가함에 따라 점증적으로(monotonically) 감소한다.
도 1b가 대략 일정한 갭 폭을 도시할지라도, 다른 경우에 있어서, 갭은 선단 가장자리로부터 후미 가장자리까지 일정하지 않다. 특히, 블레이드 팁과 셔라우드 사이의 최소 축 방향 거리가 일정한 갭 폭의 경우에서의 이러한 것보다 크도록 설계되는 경우가 있다. 이러한 것은 블레이드 팁의 예측된 축 방향 편향이 예측된 반경 방향 편향보다 클 때 특히 유익하다.
도 1a 및 도 1b가 블레이드 팁(46)의 후미 가장자리(TE)의 하류측으로 일부 거리를 연장되는 배럴(22)을 도시할지라도, 이러한 것은 종종 블레이드 팁(46)의 후미 가장자리(TE)에 매우 가까이에서 종료된다. 이러한 것은 때때로 하류측에 모터 지지 구조물(28)이 존재하지 않는 배럴 원주를 따르는 위치들에 있는 경우이다. 이러한 위치들에서, 블레이드 팁(46) 주위에서 재순환을 제한하도록 요구되는 것보다 더 멀리 배럴(22)을 연장시키는 것이 공기 역학적으로 거의 또는 전혀 유익하지 않다. 일부 예들에서, 양호한 성능은 블레이드 팁 후미 가장자리(TE)의 약간 상류측에서 종료된 배럴(22)에 의해 달성될 수 있다.
도 1a 및 1b가 나팔 모양의 입구의 축 방향 범위와 대략 동등한 블레이드 팁(46)의 축 방향 범위를 도시할지라도, 이러한 것은 때때로 그러한 경우가 아니다. 일부 경우들에서, 블레이드 팁은 입구의 단부를 지나서, 배럴(22)의 대략 원통형 부분 내로 연장된다. 다른 경우에, 블레이드 팁(46)의 후미 가장자리(TE)는 팬 축(6)에 대한 나팔 모양의 입구의 각도가 아직 0이 아닌 축 방향 위치에 있다. 타원형 셔라우드 형상의 경우에, 이러한 것은 반경 방향 반축("b")의 상류측에 있는 위치에 대응한다.
일부 경우에, 블레이드 팁 선단 가장리는 입구애 대한 진입측 앞에 놓이며, 다른 경우에 입구에 대한 진입측 내부에 있다.
도 1c는 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 나팔 모양의 셔라우드에 일치하는 블레이드 팁을 가지는 종래 기술의 프리-팁형 팬(4)의 축 방향 돌출부이다. 회전은 시계 방향이며, 팬 선단 가장자리(LE) 및 후미 가장자리(TE)는 도시된 바와 같다. 선단 가장자리(RLE)에서의 블레이드 팁의 반경은 후미 가장자리(RTE)에서의 블레이드 팁의 반경보다 크다.
도 2a는 본 출원의 한 실시예에 따른 프리-팁형 축류 팬 조립체를 도시한다. 도 1a의 종래 기술의 팬 조립체와 마찬가지로, 배럴(22)은 팬 축(6)에 대한 입구 표면의 반경 방향 좌표가 출구에서보다 입구에 대한 진입측에서 더욱 큰 입구(242)를 포함한다. 이와 같이, 입구는 축 방향 유동 방향(F)으로 감소하는 단면적의 영역을 한정한다. 이 예에서, 블레이드 팁 선단 가장자리의 축 방향 위치에서 입구의 반경 방향 좌표(R1)는 R2의 대략 6.8%만큼 블레이드 팁 후미 가장자리의 축 방향 위치에서의 입구의 반경 방향 좌표(R2)보다 크다. 도 1a의 엔진 냉각 팬 조립체와는 달리, 입구(242)는 매끄러운 나팔 모양이 아니며, 대신 단차부형이며, 각각의 단차부는 자오면에서 대략 반경 방향(축 방향을 대면하는) 표면 및 대략 축 방향(반경 방향을 대면하는)을 포함한다.
도 2a는 단차부들에 일치하는 블레이드 팁(46)들을 가지는 팬(4)을 도시한다. 블레이드 팁 선단 가장자리(RLE)의 반경 방향 범위(축(6)으로부터 측정된)는 블레이드 팁 후미 가장자리(RTE)의 반경 방향 범위보다 크다. 이 예에서, RLE는 RTE의 약 6.9%만큼 RTE를 초과한다. 팁 갭(7)은, 이 예에서 대략 일정하고 팬 지름(D)의 1.0%와 동일한, 블레이드 팁과 셔라우드 배럴 사이의 진행 간극을 제공한다.
도 2b는 도 2a의 셔라우드 배럴(22)의 자오면에서의 상세 개략도이다. 배럴(22)은 단차부형 입구(242) 및 대략 원통형 부분(26)을 포함한다. 입구(242)의 상류측은 플리넘 벽(21)이다. 표면 좌표("s")는 입구가 플리넘 벽(21)과 만나는 지점에서 0이며, 원통형 부분(26)과 만날 때까지 단차부형 입구 표면을 따르는 거리와 함께 선형으로 증가한다.
도 2b에 도시된 입구의 경우에, 표면의 반경 좌표는 "s"가 증가함에 따라서 점증적으로 감소하며, 즉 감소하거나 일정하게 유지된다. 이러한 특성은 입구가 간단한 사출 성형 공구로 사출 성형된 플라스틱으로 만들어지는 것을 가능하게 한다.
도 2b에 도시된 단차부형 입구는 표면 좌표("s")가 증가함에 따라서 입구 표면의 축방향 좌표(양의 하류측(positive downstream))가 점증적으로 증가하는, 즉, 증가하거나 또는 거의 일정하게 유지되는 추가적인 특징을 가진다. 이러한 특징은 사출 성형 공구를 설계할 때 특히 유익하다.
"Θ"로서 도 2b에서 표시된 입구 표면과 팬 축 사이의 각도는, 비록 도 2a의 플리넘 벽(21)에서 도시된 바와 같이 원뿔 각도(예를 들어, 5°)를 제공하는 것에 의해 변화가 일어날지라도, 입구에 대한 진입측에서 약 90°이며, 배럴의 원통형 부분을 연결하는 입구로부터의 출구측에서 대략 0°이다. 도 1a 내지 도 1c의 매끄러운 나팔 모양의 입구와 달리, "s"가 증가함에 따라서, 각도("Θ")는 진입측에서의 그 값으로부터 배출측에서의 그 값까지 비점증적인 방식으로 감소하며, 단차부들의 대략 반경 방향 표면들을 따르는 약 90°로부터 단차부들의 대략 축 방향 표면들을 따르는 대략 0°로 변한다. 자오면을 따르는 단면에서 보았을 때, 입구 표면의 기울기는 지점("A")과 지점("B")(도 2b 참조) 사이에서 불연속적이고, 이러한 지점들 사이에, 각도("Θ")가 비점증적으로 변하는 영역이 한정된다. 비점증적 변화 각도("Θ")의 영역에서, 다수의 단차부들이 입구 표면에서 한정되며, 각각의 단차부는 별개의 반경 방향 좌표로 2개의 입구 표면 세그먼트들을 연결한다.
도 2b는 직선(28)이 입구 표면에 거슬러 배치된 직선을 나타내도록, 입구 표면과 교차하지 않고 입구 표면 상의 2개의 지점(예를 들어, 2개의 연속적인 돌출 지점)을 접촉하는 직선(28)을 도시한다. 직선(28)에 접선으로 측정된, 직선(28)과 직선(28)이 입구 표면을 접촉하는 2개의 지점들 사이에 놓인 지점에서의 배럴 표면 사이의 거리("d")는 팬 지름(D)의 적어도 1.0%(예를 들어, 팬 지름(D)의 1.5%)이도록 도시된다.
도 2c는 도 2a의 셔라우드 배럴(22)의 자오면 및 각각의 블레이드(40)의 최외측 부분에 의해 스위핑된 영역의 상세 개략도이다. 배럴 입구의 축 방향 범위 내에 놓이는 블레이드 팁의 부분(P1)은 선단 가장자리(LE)와 후미 가장자리(TE) 사이의 블레이드 팁의 전체 축 방향 길이와 동일하다. 비점증적 변화 각도(Θ)의 영역은 부분(P1)과 중첩하는 입구의 부분의 축 방향 범위의 적어도 최상류측 50%에 걸쳐서 연장된다. 비점증적 변화 각도의 영역의 축 방향 범위 내에 놓이는 블레이드 팁의 부분은 블레이드 팁의 제2 부분(P2)으로서 표시된다.
도 2c의 블레이드 팁(46)의 스위핑된 범위는 단차부형 입구에 일치하도록 단차부로 되며, 도시된 바와 같이 동일하거나 상이할 수 있는 반경 방향 갭("gr")들 및 축 방향 갭("ga")들 만큼 입구로부터 편심된다. 특히, ga를 gr보다 크게 설정하는 것이 때때로 유익하다. 이러한 것은 블레이드 팁의 예측된 축 방향 편향이 예측된 반경 방향 편향보다 클 때 특히 유익하다. 블레이드 팁과 입구 사이의 전형적인 최소 거리는 팬 지름(D)의 0.005 내지 0.02배이다.
도 3a는 도 2a와 유사하지만, 다음에 설명되는 바와 같이 특정의 차이를 가지는 프리-팁형 축류 팬 조립체를 도시한다. 상기 설명은 유사한 특징들의 개시에 의지한다. 단차부형 입구(242)에 일치하는 것 외에, 블레이드 팁(46)들은 팬 블레이드 팁에 국부적으로 가장 근접한 셔라우드 배럴 상의 지점들을 통과하는 포락곡선에 일치한다. 도 2a에서와 같이, 블레이드 팁 선단 가장자리(RLE)의 반경 범위(축(6)으로부터 측정된)는 블레이드 팁 후미 가장자리(RTE)의 반경 범위보다 크다. 배럴(22)의 입구 표면은 도 2a 내지 도 2c의 팬 조립체의 입구 표면에 비해 증가된 수의 단차부들이 형성된다.
도 3b는 도 3a의 셔라우드 배럴(22)의 자오면 및 각각의 블레이드(40)의 최외측 부분에 의해 스위핑된 영역의 상세 개략도이다. 이 예에서, 팬 블레이드 팁에 국부적으로 가장 근접한 배럴 상의 지점들을 통과하는 포락곡선은 축 방향 반반경(axial semi-radius)("a") 및 반경 방향 반축("b")을 가지는 타원의 일부를 형성한다. 블레이드 팁의 스위핑된 범위는 포락곡선으로부터 대략 일정한 거리("g")만큼 편심된 곡선이다. 이 예에서, "g"는 팬 지름(D)의 약 1.0%이다. 팁 좌표("t")는 블레이드 선단 가장자리로부터 블레이드 후미 가장자리까지 블레이드 팁의 스위핑된 범위를 따르는 거리와 함께 선형으로 증가한다. 자오면에서, 블레이드 팁의 스위핑된 범위와 팬 축(6)의 방향 사이의 각도("ψ")는 "t"가 증가함에 따라서 점증적으로 감소한다. 도 3b에 도시된 구성에서, 블레이드 팁의 스위핑된 범위는 각도("ψ")가 "t"의 연속 함수라는 점에서 매끄러운 곡선이다. 다른 구성에서, 블레이드 팁 스위핑된 범위는, 각도("ψ")가 "t"의 연속 함수가 아니고, "t"가 증가함에 따라서 여전히 점증적으로 감소하는 각도("ψ")를 이러한 구조가 여전히 특징으로 할 수 있다는 점에서 매끄럽지 않다.
자오면을 따르는 단면에서 보았을 때, 입구 표면의 기울기는 지점("A")과 지점("B")(도 3b 참조) 사이에서 불연속적이고, 이러한 지점들 사이에, 상기에서 한정된 바와 같은 입구 표면과 팬 축의 방향 사이의 각도("Θ")가 비점증적으로 변하는 영역이 한정된다. 입구의 축 방향 범위 내에 놓이는 블레이드 팁의 부분(P1)은 블레이드 팁의 전체 축 방향 범위이다. 지점들(A 및 B) 사이에 놓이는 비점증적 변화 각도("Θ")의 영역은 블레이드 팁의 축 방향 범위와 중첩되는 입구의 부분의 축 방향 범위의 적어도 최상류측 50%에 걸쳐서 연장된다. 비점증적 변화 각도의 영역의 축 방향 범위 내에 놓이는 블레이드 팁의 부분은 블레이드 팁의 제2 부분(P2)으로 표시된다.
도 3b는 입구 표면과 교차하지 않고, 블레이드 팁의 축 방향 범위 내에 있는 2개의 지점에서 입구 표면을 접촉하는 직선(28)을 도시한다. 이러한 것은 입구 표면에 거슬러 배치된 직선 가장자리를 나타낸다. 직선(28)에 직각으로 측정된, 이러한 직선과, 직선이 입구 표면을 접촉하는 2개의 지점들 사이에 놓이는 지점에서의 배럴 표면 사이의 거리("d")는 팬 지름의 약 0.5%이도록 도시된다. 이러한 특정 예에서, 이러한 측정치는 단차부 깊이의 최대값을 나타내며, 유사한 측정이 블레이드 팁(46)의 후미 가장자리(TE)에 더욱 가깝게 만들어지면, 상기 거리는 더욱 작다. 이러한 최대 단차부 깊이(d)는 다른 입구 설계를 비교하는 척도로서 사용될 수 있다. 블레이드 팁(46)의 축 방향 범위 내에서의 최대 단차부 깊이(d)는 팬 지름(D)의 0.2% 이상일 수 있으며, 일부 구성에서, 최대 단차부 깊이(d)는 팬 지름(D)의 0.3보다 크거나, 또는 심지어 0.4%보다 크다. 입구 표면을 따라서 제공될 수 있는 단차부의 양에 대해 제한할지라도, 블레이드 팁(46)의 축 방향 범위 내에서 최대 단차부 깊이(d)는 심지어 팬 지름(D)의 0.5%보다 클 수 있다.
도 3b에서, 거리("g")는 오직 국부적으로 최소인 지점들에서의 간극 갭(7)의 폭을 나타낸다. 거리("g")가 블레이드 선단 가장자리로부터 블레이드 후미 가장자리까지 일정한 예를 도 3b가 도시하였을지라도, 다른 실시예에서, 이러한 것은 이러한 거리에 걸쳐서 변할 수 있다. 특히, 이러한 것은 때때로 블레이드 팁과 셔라우드 사이의 최소 축 방향 거리가 "g"의 일정 값의 경우에서보다 크도록 설계된다. 이러한 것은 블레이드 팁의 예측된 축 방향 편향이 예측된 반경 방향 편향보다 클 때 특히 유익하다. 블레이드 팁(46) 위에서, 국부적으로 가장 근접한 지점들까지의 거리("g")의 변화의 범위는 그 평균값의 ± 30%보다 작고, 그 평균값의 ± 20%보다 작을 수 있다. 거리("g")의 최소값은 팬 지름(D)의 0.005 배 내지 0.02배일 수 있다.
거리("g")가 블레이드 팁과 셔라우드 상의 국부적으로 가장 근접한 지점들 사이의 간극 갭(7)의 폭을 나타낼지라도, 다른 지점들에서, 갭(7)은 치수("g")보다 상당히 클 수 있다. 도 3b의 예에서, 블레이드 팁 스위핑된 범위에 접선으로 측정된 간극 갭(7)의 폭은 2개의 국부적으로 가장 근접한 지점들 사이의 위치에서 치수("g")의 국부적인 값보다 50%만큼 크다. 블레이드 팁(46)에 국부적으로 가장 근접한 지점들 사이의 간극 갭(7)의 이러한 국부적으로 최대인 폭은 치수("g")의 국부적인 값보다 적어도 20% 더 클 수 있으며, 일부 구성에서, 치수 "g"의 국부적인 값보다 적어도 30%, 또는 적어도 40%, 또는 적어도 50% 더 크다.
도 3b에 도시된 블레이드 팁(46)은 포락곡선을 한정하는 타원의 전체 범위에 걸쳐서 연장되고, 블레이드 팁 후미 가장자리(TE)의 영역에 있는 단차부들의 깊이는 작다. 그러나, 입구는 블레이드 팁(46)의 후미 가장자리(TE)를 향한 축 방향 범위를 가지는 입구의 부분에 걸쳐서 매끄러울 수 있다(즉, 단차부형이 아니다). 일부 양태들에서, 단차부들은 블레이드 팁(46)의 축 방향 범위와 중첩하는 입구의 부분의 축 방향 길이의 적어도 최상류측 50%, 보다 구체적으로는 대부분에 걸쳐서 연장된다.
도 3c는 도 3a의 프리-팁형 축류 팬 조립체의 평면도(상류측으로부터 하류측으로 바라본)를 도시한다. 셔라우드(2)는 대략 직사각형의 플리넘 벽(21), 및 플리넘 벽의 외측 가장자리로부터 도시되지 않은 상류측 열교환기로 축 방향으로 연장되는 측벽(23)들에 의해 둘러싸인 대략 직사각형인 플리넘(20)을 가진다. 플리넘에 의해 덮힌 열교환기의 영역은 팬 지름(D)과 동일한 지름을 가진 원의 영역으로서 한정되는 팬 디스크 영역의 약 2.14배이다. 셔라우드는 열교환기 상의 장착 특징부들과 결합하는 브래킷(29)들을 특징으로 한다. 셔라우드는 단차부형 배럴 입구(242), 및 모터 지지체(28)들의 어레이를 특징으로 한다. 비록 도 3c가 단일 팬을 가지는 팬 조립체를 도시할지라도, 다른 구성은 단일 셔라우드에 있는 다수의 팬을 가진다. 이러한 구성에서, 열교환기 영역의 관련 계량(metric)은 모든 팬의 전체 디스크 영역에 대한 해당 영역의 비율이다.
도 3c에 도시된 팬(4)의 축 방향 돌출부는 도 1c에 도시된 종래 기술의 프리-팁형 팬의 돌출부와 동일하다. 비록 이러한 팬이 블레이드 루트 가까이에 전방 스위프 및 블레이드 팁에서 후방 스위프를 가질지라도, 다른 실시예는 스위프의 다른 분포를 보일 수 있다. 유사하게, 비록 도 2a 내지 도 2c 및 도 3a 내지 도 3c의 팬들이 도 1a에 도시된 종래 기술의 팬과 유사한 갈퀴 분포를 가질지라도, 다른 실시예는 다른 갈퀴 분포를 보일 수 있다.
도 2a 내지 도 2c 및 도 3a 내지 도 3c는 모두 입구 상의 모든 단차부가 동일한 축 방향 범위를 구비하는 축 방향 표면들과, 다양한 반경 방향 범위의 반경 방향 표면들을 가지는 팬 조립체를 도시한다. 다른 실시예들에서, 모든 단차부는 동일한 반경 방향 범위를 구비하는 반경 방향 표면들과, 다양한 축 방향 범위의 축 방향 표면을 가진다. 여전히 또 다른 가능성은 포락곡선에 접선인 깊이를 모든 단차부에서 일정하게 만드는 것이다. 다른 구성도 또한 가능하다.
도 4a는, 도 3a에서와 같이, 팬 블레이드 팁에 국부적으로 가장 근접한 배럴 상의 지점들을 통과하는 매끄러운 포락곡선이 축 방향 반반경("a") 및 반경 방향의 반축("b")을 가지는 타원(23)의 부분을 형성하는, 셔라우드 배럴(22)의 자오면 및 블레이드(40)의 외측 부분의 스위핑된 영역에 대한 상세 개략도이다. 이러한 경우에, 블레이드 팁(46)의 축 방향 범위는 타원(23)의 축 방향 반축보다 작고, 블레이드 팁 후미 가장자리(TE)는 타원 반경 방향 축의 상류측의 거리("X")이다. 이러한 것은 블레이드 팁 후미 가장자리(TE) 가까이에 있는 단차부들이 도 3b의 팬의 블레이드 팁 후미 가장자리(TE) 가까이에 있는 단차부들보다 더 깊고 더 효과적인 것을 가능하게 한다. 블레이드 팁 후미 가장자리(TE)의 입구 하류측의 부분은 단차부없이 매끄럽다. 이러한 팬 조립체의 성능은 블레이드 팁 후미 가장자리의 하류측에 있는 단차부들을 연장시키는 것에 의해 상당히 향상되지 않을 수 있다.
도 4b는 4a와 유사하지만, 이 예에서 배럴(22)은 팬의 후미 가장자리(TE) 가까이에서 종료된다. 이러한 구성은 도 3a에 도시된 모터 지지 구조물(28)들 사이의 원주 방향 위치들에서 종종 사용된다.
도 4c는 또한 블레이드 팁(46)의 축 방향 범위가 입구 상의 가장 근접한 지점들을 통해 포락곡선을 한정하는 타원(23)의 축 방향 반축("a")보다 작은 경우를 도시한다. 여기에서, 팬에는 타원(23)의 반경 방향 반축("b")에 위치된 팁 후미 가장자리(TE)가 위치되고, 블레이드 팁 선단 가장자리(LE)는 셔라우드 배럴(22)의 진입측의 하류측의 거리("Y")이다. 단차부들은 블레이드 팁(46)의 선단 가장자리(LE)의 상류측에 놓이는 입구의 제2 부분의 축 방향 범위의 적어도 최하류측 50%를 덮는 블레이드 팁 선단 가장자리(LE)의 전방을 향해 연장된다. 이러한 팬 조립체의 소음 성능은 단차부들이 블레이드 팁 선단 가장자리(LE)의 전방을 향해 연장되지 않는 유사한 조립체보다 상당히 양호하다.
도 3b 및 도 4a 내지 도 4c의 포락곡선이 타원의 일부를 형성할지라도, 다른 형상들 또한 양호한 결과를 산출할 수 있다. 일부 실시예들에서, 포락곡선의 좌표는 국부적으로 블레이드 팁(46)에 가장 근접한 셔라우드 상의 지점들에 대응하는 매듭(knot)들을 통해 스플라인 곡선으로서 형성된다. 이러한 "국부적으로 가장 근접한" 지점들은 도 5a에서 확인된다.
도 5b는 가장 근접한 지점들 사이에서 선형인 포락(envelope)을 도시한다. 이러한 것은 또한 이러한 포락의 길이를 따라서 선형으로 증가하는 둘레 좌표("sg")를 한정한다. 이러한 포락은, "sg"가 증가함에 따라서, 포락과 팬 축(6)의 방향 사이의 자오면에 있는 각도가 점증적으로 감소하는 품질을 가진다.
도 5c는 그 매듭들이 입구의 가장 근접한 지점들의 축 방향 및 반경 방향 좌표들이며 그 독립 변수가 좌표("sg")인 3차 스플라인을 따르는 축 방향 및 반경 방향 좌표들을 가지는 매끄러운 포락곡선을 도시한다. 이러한 스플라인들의 최종 상태는 매끄러운 포락곡선이 비점증적 각도 변화의 영역 외측의 셔라우드 표면과 조합하도록 하는 것이다.
도 5d는 도 5c의 매끄러운 포락곡선으로부터 일정 거리만큼 편심된 곡선을 도시하고, 도 5e는 블레이드 팁 스위핑된 범위가 편심 곡선을 따르는 팬 블레이드의 스위핑된 영역을 도시한다.
도 2a 내지 도 5e가 축 방향 및 반경 방향 면들을 가지는 단차부들을 구비한 단차부형 배럴 입구들을 도시할지라도, 다른 기하학적 형상도 또한 효과적이다. 도 6a는 도 2a 내지 도 5e에서 축 방향인 입구의 부분들 상의 드래프트 각도를 가지는 단차부형 배럴 입구(242)를 도시한다. 드래프트 각도는 5°이다. 드래프트는 플라스틱 부품의 성형성을 향상시킬 수 있으며, 팬 조립체의 성능을 상당한 정도로 저하시키지 않는다.
도 6b는 단차부들의 외부 모서리들(블레이드 팁들에 가장 근접한)이 반경화되는 단차부형 배럴 입구(242)를 도시한다. 모서리들을 반경화하는 것이 예리한 모서리들을 구비한 단차부형 배럴에 비해 성능에서 작은 손실을 유발할지라도, 포락곡선이 모서리 반경의 효과를 포함하도록 재한정되고 블레이드 팁(46)과 포락선 곡선 사이의 편심이 유지되면, 손실은 최소화된다.
도 6c는 단차부들의 내부 모서리들이 반경화된 단차부형 배럴 입구(242)를 도시한다. 성형 플라스틱 부품의 경우에, 이러한 반경의 이점은 용융 플라스틱이 제조 중에 공구를 보다 용이하게 채울 수 있다는 것이다. 이러한 반경이 반경화된 모서리들을 구비하지 않는 단차부형 배럴에 비해 성능에서 손실을 유발할 수 있을지라도, 이러한 손실은 일반적으로 도 6b와 같이 반경이 외부 모서리들에 적용되는 단차부형 입구의 경우에서보다 작다.
도 6a 내지 도 6c는 성형 부품의 제조 가능성을 향상시킬 수 있는 단차부형 배럴 입구에 대한 변형을 도시한다. 이러한 것들은 이러한 것들의 임의의 조합 또는 유사한 변형이 동일한 셔라우드 배럴에서 사용될 수 있다는 점에서 상호 배타적이지 않다.
도 6d는 축 방향 그루브를 포함하는 배럴 입구(242)를 도시한다. 확장된 도면은, 입구가 플리넘 벽(21)과 만나고 입구 프로파일을 따르는 거리와 함께 선형으로 증가하는 경우에 0인 입구 표면 좌표("s")를 나타낸다. 도 2a 내지 도 5e의 단차부형 입구의 경우에서와 같이, "s"가 증가함에 따라서, 반경 치수는 감소하거나 또는 일정하게 유지된다. 그러나, 단차부형 입구의 경우와 달리, "s"가 증가함에 따라서, 축 방향 치수(양의 하류측)가 반드시 증가하거나 일정하게 유지되지 않는다. 대신, 이러한 것은 물론 감소할 수 있다. 도 6d에 도시된 바와 같은 축 방향 그루브의 포함은 매끄러운 나팔 모양의 셔라우드 입구를 가지는 팬 조립체와 비교할 때 프리-팁형 축류 팬 조립체의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 6e는 단차부들이 연속적이지 않고 매끄러운 나팔 모양의 셔라우드의 부분들에 의해 분리되는 단차부형 배럴 입구(242)를 도시한다. 일반적으로, 이러한 구성은 단차부들이 연속되는 구성보다 덜 효과적이다. 이러한 것은 연속적인 단차부형 입구에 대해 축 방향 그루브들을 구비한 입구의 성능 부족의 일부를 설명할 수 있다.
도 6f는 단차부형 입구의 비 축방향 표면들이 반경 방향이 아니고, 대신 자오면에서 반경 방향과의 예각(예를 들어, 30° 각도)을 형성하는 구성을 도시한다. 이 예에서는 4개의 단차부들의 각이진 부분들의 반경 방향 범위는 일정하다. 이러한 구성은 그루브 입구의 추가 깊이와 단차부형 입구의 연속 특성을 제공한다. 매끄러운 나팔 모양의 입구보다 우수할지라도, 이러한 구성은 단차부 표면이 서로 대략 직각인 구성보다 덜 효과적일 수 있다.
도 4a 내지 도 6f는 셔라우드 배럴의 내부면만을 도시한다. 배럴의 외부는 일부 경우에 도 2a 및 도 3a에 도시된 바와 같이 내부의 형상을 따를 수 있다. 도 7a는 그 내부면이 도 4b에 도시된 셔라우드 배럴을 통과하는 자오선 단면도이다. 이 예에서, 외부면은 내부면으로부터 대략 일정량만큼 편심된다. 도 7b는 외부 모서리들이 반경화되는 셔라우드 배럴을 통과하는 자오선 단면도를 도시한다. 이러한 것은 사용되는 재료의 양을 감소시키고, 사출 성형된 셔라우드의 경우에, 제조 동안 플라스틱 유동(plastic flow)을 개선할 수 있다. 성형성을 더욱 향상시키도록, 외부면 및 내부면 상의 내부 모서리들은 반경화될 수 있으며, 드래프트 각도는 외부면 및 내부면 모두에 적용될 수 있다.
셔라우드에 있는 단차부들이 비교적 얕은 경우에, 대안적인 접근법은 배럴의 외부를 매끄러운 표면으로 만드는 것이다. 이러한 것은 도 7c에 예시되어 있다. 이러한 예에서 단차부들은 모두 타원형 포락곡선과 동일한 깊이를 가진다. 내부 모서리들은 공구 내로의 플라스틱 재료의 유동을 개선하도록 반경화된다.
도 8a는 미국 특허 출원 공개 제2014/0271172호에 따른 팬의 흡입측 및 본원의 실시예에 따른 단차부형 배럴 입구의 축방향 도면이다. 이러한 도면에서, 팬은 반시계 방향으로 회전한다. 도 8b는 도 8a에 도시된 바와 같이 블레이드 팁에서의 최대 두께의 지점에 대응하는 각도로 블레이드 및 배럴 입구를 통과하는 자오선 단면도이다. 배럴 입구는 도 7a에 도시된 바와 같다. 도 8c는 도 8b의 팁 영역의 상세도이며, 블레이드 팁을 지나는 유동 누설 및 유동 분리 영역에서 발생된 소용돌이 운동(vorticity)을 개략적으로 도시한다. 블레이드의 압력측이 간극 갭에 대한 입구와 만나는 분리된 영역에 추가하여, 셔라우드 입구의 각각의 단차부의 반경 방향 표면들에서의 유동 분리가 또한 존재한다. 이러한 분리된 구역들은 팁 갭을 통한 유동을 감소시킬 수 있으며, 또한 단일 와류보다 더욱 빨리 소산될 수 있는 몇몇 작은 와류로 팁 와류를 분해하고, 그러므로 다음의 블레이드와의 상호 작용을 덜 유발하는데 기여할 수 있다. 블레이드가 통과한 후, 팁 와류는 상류측 방향으로 셔라우드를 따르는 유동을 계속 유도할 수 있어서, 도시된 분리 구역들은 큰 원주 방향으로 범위에 걸쳐서 존재할 수 있다. 이러한 분리된 구역들의 존재는 불안정 압력장(unsteady pressure field)으로 인하여 셔라우드에 의해 방사되는 소음을 감소시킬 수 있다. 팁 와류가 하류측으로 움직인 블레이드들 사이의 영역에서, 단차부 표면을 따르는 유동은 하류측 방향으로 움직이고, 분리 구역은 축 표면들로 시프팅하고, 반대 기호의 소용돌이 운동이 생성된다.
도 9a는 단차부들이 축대칭인, 도 8a 내지 도 8c의 프리-팁형 팬 및 단차부형 배럴 입구의 사시도이다. 도 9b는 단차부들이 비-축대칭이며 나선형으로 형상화된, 도 8a 내지 도 8c의 프리-팁형 팬 및 단차부형 배럴 입구의 동일한 도면이다. 이러한 셔라우드 배럴(22)을 통과하는 자오선 단면도는 도 9a와 매우 유사한 단차부형 프로파일을 가지지만, 단차부들의 축 방향 위치는 팬 축을 중심으로 하는 원주 방향 위치와 함께 변한다. 비록 도시된 나선형으로 형상화된 단차부들이 블레이드 피치 나선과 반대인 배향을 가질지라도, 다른 나선형으로 형상화된 배럴 단차부들은 블레이드 피치 나선과 유사한 배향을 가질 수 있다. 비록 비축대칭 단차부형 배럴 입구가 매끄러운 나팔 모양의 입구와 비교하여 상당한 소음 감소를 유발할 수 있을지라도, 축대칭 단차부들을 구비한 입구보다 반드시 우수하지 않다.
또한, 본 명세서에 개시된 구성들 중 임의의 것에 따른 입구 기하학적 형상 중 임의의 것이 셔라우드의 전체 원주 범위(즉, 완전한 360° 방위각 범위)에 걸쳐서 제공될 수 있다는 것을 유의하여야 한다. 그러나, 일부 경우에, 기술된 입구 기하학적 형상은 전체 원주 범위보다 적게 걸쳐서 제공될 수 있다. 이러한 경우에, 기술된 입구 기하학적 형상은 원주 범위의 상당한 부분(즉, 적어도 33%)에 걸쳐서 존재할 수 있다. 일부 구성에서, 기술된 기하학적 구조는 원주 범위의 적어도 대부분(즉, 방위각의 180°이상), 및 일부 경우에 상당히 더욱 많이(예를 들어, 67%, 80%, 90%, 95% , 또는 99%)에 걸쳐서 존재할 수 있다.
도 10은 셔라우드 배럴에 대한 입구가 매끄러운 나팔 모양((점선 플롯)이라는 점만이 다른, 종래 기술의 팬 조립체의 셔라우드 배럴과 비교된 본 출원의 한 실시예에 따른 팬 조립체(실선 플롯)의 성능을 도시한다. 팬 지름은 375 mm이다. 양 팬의 작동 속도는 200 Pa의 압력에서 0.7 ㎥/s의 설계 유량을 달성하도록 조정되며, 이러한 것은 차량이 정지한 경우에 차량의 "아이들" 상태를 나타낸다. 종래 기술의 조립체에서의 팬 속도는 2760 rpm이고, 본 출원에 따른 팬 조립체의 속도는 2736 rpm이다. 압력 곡선 상에서 작은 원으로 표시된 설계 지점에서, 본 출원에 따른 팬 조립체는 종래 기술의 팬보다 2.0dB 더 조용하다. 그 효율성은 보다 높은 1.2 지점들이다. 고압 작동 지점들에서, 소음 감소는 상당히 더 크다.
도 11은 도 10의 데이터와 동일한 데이터를 도시하지만, 다른 변수에 관하여 도시된다. 여기에서, 가로 좌표는 동적 압력으로 나눈 정적 압력에 비례하는 시스템 저항 계수이다. 우측 세로 좌표는 특정 소음이며, 이는 전달된 공기 동력 및 팬 디스크 영역을 고려하여 측정된 소음을 표준화한다. 기준 팬 조립체의 소음 레벨은 2.5 내지 4.5의 시스템 계수에서 극적으로 증가한다. 이러한 것은 "소음 벽(noise wall)"으로 지칭될 수 있다. 소음의 위치뿐만 아니라 특정 소음이 70dB를 초과하는 시스템 계수를 한정하면, 단차부형 입구의 효과는 소음 벽을 28.6%만큼 움직이는 것이다. 이러한 것은 매우 상당한 증가이다. 단차부형 셔라우드는 프리-팁형 팬이 매끄러운 나팔 모양의 배럴 입구를 가지는 경우에서보다 상당히 큰 시스템 저항으로 응용에서 사용되는 것을 허용한다.
도 12a는 미국 특허 출원 공개 제2014/0271172호에 따른 팬의 흡입측 및 단차부들이 방위각으로 불연속인 단차부형 배럴 입구의 축 방향 도면이다. 단차부형 입구 형상이 배럴 입구의 선택적 방위각 부분들에만 가해짐에도 불구하고, 셔라우드 배럴 입구의 전체 원주가 단차부 형상을 가지는 실시예와 유사한 이점이 있다. 배럴 입구가 단지 부분적으로 단차부로 될 때, 단차부 부분은 단일 범위의 방위각일 수 있거나, 또는 도 12a의 경우에서와 같이, 다수의 작은 범위의 방위각일 수 있다. 요약하면, 단차부 형상을 가지는 부분들은 입구의 대부분의 방위각 부분 또는 영역(즉, 180°보다 큰 방위각)을 형성할 수 있다. 도 12b는, 단면이 다수의 단차부들을 포함하도록 형상화되는 지점에서 이러한 단면이 셔라우드 배럴 입구를 통과하는, 도 12a에 도시된 바와 같이 블레이드 팁에서 최대 두께 지점에 대응하는 각도로 블레이드 및 배럴 입구를 통과하는 자오선 단면도이다. 각각의 개별적인 단차부 부분은 도 8a 내지 도 8c에 도시된 바와 같은 형상으로 도시되며, 이와 같이 상기 설명을 참조한다. 그러나, 대안적인 구성에서, 개별 단차부 부분들은 본 명세서에서 한정된 임의의 다른 구성에 따라서 형상화될 수 있다. 도 12c는 셔라우드 배럴 입구의 일부분의 사시도이다.
도 13a는 미국 특허 출원 공개 제2014/0271172호에 따른 팬의 흡입측 및 엇갈린 열들의 포켓들(예를 들어, 원형 포켓들)을 가지는 배럴 입구의 축방향 도면이다. 각각의 포켓은 팬 축에 평행하게 연장되는 축을 한정하거나, 또는 팬 축에 평행한 대부분의 구성 요소들을 포함한다. 도 12a에 도시된 셔라우드 배럴 입구가 방위각으로 불연속적인 단차부들을 가지는데 반하여, 도 13a의 배럴 입구는 불연속 축 방향 그루브들을 나타내는 것으로 간주될 수 있다. 이러한 것은 도 13b 및 도 13c에서 알 수 있다. 도 13b는 입구 표면이 앞선 실시예들을 참조하여 설명된 바와 같이 비점증적 변화 각도("Θ")의 영역을 한정하도록, 이러한 단면이 2개의 포켓을 통과하는, 도 13a에 도시된 바와 같이 블레이드 팁에서 최대 두께의 지점에 대응하는 각도로 블레이드 및 배럴 입구를 통과하는 자오선 단면도이다. 이러한 단면은, 도 6d가 증가된 수의 형상화된 특징부들을 포함할지라도, 도 6d에 도시된 축 방향 그루브들의 단면과 비슷하다. 도 13c는 단면이 단일 포켓을 통과하는 각도로서 블레이드 및 배럴 입구를 통과하는 자오선 단면도이다. 모든 구성에서 요구되는 것은 아니지만, 다중 포켓이 한정된 부분(자오면 단면에서)들은 합계로 취할 때, 배럴 입구의 대부분의 방위각 부분 또는 영역(즉, 180°보다 큰 방위각)을 만들 수 있다.
미국 특허 제6,595,744호, 미국 특허 제8,137,070호, 미국 특허 제9,004,860호 및 미국 특허 출원 공개 제2014/0271172호의 내용은 모두 본원에서 참조에 의해 통합된다. 미국 특허 제6,595,744호는 사행 프리-팁형 팬의 축 방향 편향을 감소시킬 수 있는 갈퀴 분포를 기술하고, 미국 특허 제8,137,070호는 프리-팁형 팬의 반경 방향 편향을 감소시키는 사행 분포를 개시한다. 이러한 양 특징들은 프리-팁형 팬 조립체의 필요한 설계의 팁 갭을 감소시킬 수 있다. 미국 특허 제9,004,860호는 블레이드 팁 부하에서의 팁 갭의 효과에 대응하도록 작용하는 블레이드 캠버(blade camber) 및 블레이드 각도에서의 변화를 개시한다. 미국 특허 출원 공개 제2014/0271172호는 소음 및 효율에서 팁 갭의 악영향을 감소시키는 블레이드 팁에서 증가된 블레이드 두께를 가지는 팬을 개시한다. 본 출원의 양태 중 많은 것이 블레이드 기하학적 형상에 대한 어떠한 변경도 포함하지 않기 때문에, 팬 조립체는 본 출원의 특징 외에 참고 문헌에 의해 통합된 이러한 문헌들 중 임의의 것에 개시된 특징들의 임의의 조합을 유익하게 통합할 수 있다. 또한, 본 출원의 특징들이 다른 공지된 형태의 추가적인 프리-팁형 팬 블레이드 기하학적 형상과 함께 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
본 발명의 하나 이상의 양태에 따른 특성들을 가지는 팬 조립체는 전방-사행(forward-skewed), 후방-비스듬함, 반경 방향 또는 혼합 비스듬함(mixed-skew) 설계일 수 있다. 유사하게, 본 출원의 하나 이상의 양태에 따른 팬 조립체들은 임의의 수의 블레이드, 블레이드 각도, 캠버, 현(chord) 또는 갈퀴의 임의의 분포를 가질 수 있고, 밀대 또는 뽑는 도구(puller) 구성일 수 있다.

Claims (36)

  1. 프리-팁형 축류 팬 조립체로서,
    복수의 반경 방향 연장 블레이드를 포함하는 팬으로서, 복수의 상기 블레이드들의 각각은 블레이드 팁, 선단 가장자리 및 후미 가장자리를 가지며, 상기 팬은 상기 후미 가장자리에서 상기 블레이드 팁들의 반경 방향 범위의 2배와 동일한 지름(D)을 가지는, 상기 팬; 및
    배럴을 포함하는 셔라우드로서, 상기 배럴은 입구를 포함하고, 상류측 단부에서 상기 입구의 반경은 하류측 단부에서의 상기 입구의 반경보다 큰, 상기 셔라우드를 포함하며,
    자오면(meridional plane)에서, 상기 입구의 표면과 팬 축의 방향 사이의 각도는 상기 입구 표면의 영역에 걸쳐서 상류측 단부로부터 하류측 단부까지 상기 입구의 표면을 따르는 거리와 함께 증가하는 표면 좌표에 대하여 비점증적으로(non-monotonically) 변하고,
    상기 입구의 적어도 부분은 상기 블레이드 팁의 적어도 부분의 축 방향 위치에 위치되고;
    상기 블레이드 팁의 상기 부분의 상류측 단부의 축 방향 위치에서 상기 입구의 반경 방향 치수는 상기 블레이드 팁의 상기 부분의 하류측 단부의 축 방향 위치에서 상기 입구의 반경 방향 치수보다 크며;
    상기 블레이드 팁의 상기 부분의 상류측 단부에서의 상기 블레이드 팁의 반경 방향 범위는 상기 블레이드 팁의 상기 부분의 하류측 단부에서 상기 블레이드 팁의 반경 방향 범위보다 크며;
    상기 블레이드 팁의 상기 부분의 축 방향 위치에 위치된 상기 입구의 부분은 비점증적 변화 각도의 영역의 적어도 일부를 포함하고, 상기 비점증적 변화 각도의 영역의 부분의 축 방향 위치는 상기 블레이드 팁의 제2 부분을 한정하고,
    상기 블레이드 팁의 제2 부분의 스위핑된 범위는 자오면에서, 상기 입구의 부분 상의 상기 블레이드 팁에 국부적으로 가장 근접한 지점들을 통과하는 포락곡선에 일치하는 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 표면 좌표가 증가함에 따라서, 상기 입구 표면의 반경 방향 좌표는 감소하거나 또는 일정하게 유지되는 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 표면 좌표가 증가함에 따라서, 상기 입구 표면의 축 방향 좌표는 증가하거나 또는 일정하게 유지되는 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 입구는 단차부들을 포함하며, 각각의 단차부는 축 방향 표면, 및 반경 방향 표면을 가지는 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 자오면에 놓이는 가상의 직선이 2개의 지점들 사이의 표면을 교차함이 없이 비점증적 변화 각도(non-monotonically varyng angle)의 영역을 따라서 위치된 2개의 지점들에서 입구 표면을 접촉할 수 있으며, 상기 가상의 직선에 대해 접선으로 측정된, 상기 가상의 직선과 상기 2개의 지점들 사이에 놓인 상기 배럴 표면 상의 지점 사이의 거리(d)가 상기 팬 지름의 0.2% 이상인 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 거리(d)는 상기 팬 지름의 0.4% 이상인 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 자오면에 놓이는 가상의 직선이, 2개의 지점들 사이의 표면을 교차함이 없이, 상기 비점증적 변화 각도의 영역에서 상기 블레이드 팁의 축 방향 범위 내에 놓이는 상기 2개의 지점들 양쪽에서 상기 입구 표면을 접촉할 수 있고, 가상의 직선과 상기 가상의 직선에 대해 접선으로 측정된, 상기 2개의 지점들 사이에 놓이는 상기 배럴 표면 상의 지점 사이에서의 거리(d)는 상기 팬 지름의 0.2% 이상인 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  9. 제8항에 있어서, 상기 거리(d)는 상기 팬 지름의 0.4% 이상인 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  10. 제1항에 있어서, 상기 블레이드 팁의 전체의 축 방향 위치는 상기 입구의 축 방향 범위 내에 있는 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  11. 제1항에 있어서, 상기 비점증적 변화 각도의 영역은 상기 블레이드 팁의 축 방향 범위와 중첩하는 상기 입구의 부분의 축 방향 범위의 적어도 최상류측 50%에 걸쳐서 연장하는 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  12. 제1항에 있어서, 상기 비점증적 변화 각도의 영역은 상기 블레이드 팁의 상류측인 상기 입구의 제2 부분의 축 방향 범위의 적어도 최하류측 50%에 걸쳐서 연장하는 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  13. 제1항에 있어서, 상기 블레이드 팁의 상기 부분의 상류측 단부에서 상기 입구의 반경 방향 치수는 상기 블레이드 팁의 상기 부분의 하류측 단부에서 상기 입구의 반경 방향 치수의 적어도 2%만큼 상기 블레이드 팁의 상기 부분의 하류측 단부에서 상기 입구의 반경 방향 치수보다 더 큰 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  14. 제1항에 있어서, 상기 블레이드 팁의 상기 부분의 상류측 단부에서 상기 블레이드 팁의 반경 방향 범위는 상기 블레이드 팁의 상기 부분의 하류측 단부에서 상기 블레이드 팁의 반경 방향 범위의 적어도 2%만큼 상기 블레이드 팁의 상기 부분의 하류측 단부에서 상기 블레이드 팁의 반경 방향 범위보다 더 큰 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  15. 제1항에 있어서, 상기 블레이드 팁 부분의 스위핑된 범위는 상기 입구 부분의 형상에 일치하는 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  16. 제1항에 있어서, 상기 블레이드 팁의 스위핑된 범위에 직각으로 측정된, 상기 블레이드 팁의 상기 부분과 상기 입구의 부분 사이의 최소 거리는 상기 팬 지름(D)의 0.005 배보다 크고 상기 팬 지름(D)의 0.02배보다 작은 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  17. 제1항에 있어서, 자오면에서, 상기 블레이드 팁의 제2 부분의 스위핑된 범위와 상기 팬 축의 방향 사이의 각도는 상기 블레이드 팁 선단 가장자리로부터 상기 블레이드 팁 후미 가장자리까지 상기 블레이드 팁의 스위핑된 범위를 따르는 거리와 함께 증가하는 팁 좌표에 대해 점증적으로 감소하는 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  18. 제17항에 있어서, 상기 블레이드 팁 스위핑된 범위에 대해 직각으로 측정된, 상기 블레이드 팁의 제2 부분의 스위핑된 범위와 상기 입구의 부분 상의 국부적으로 가장 근접한 지점들 사이의 거리는 상기 블레이드 팁의 제2 부분을 따라서 단지 ± 30% 만큼 변하는 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  19. 제17항에 있어서, 상기 블레이드 팁 스위핑된 범위에 대해 직각으로 측정된, 상기 블레이드 팁의 제2 부분의 스위핑된 범위와 상기 입구의 부분의 국부적으로 가장 근접한 지점들 사이의 거리는 상기 블레이드 팁의 제2 부분을 따라서 단지 ± 20% 만큼 변하는 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  20. 제17항에 있어서, 상기 블레이드 팁 스위핑된 범위에 대해 직각으로 측정된, 상기 블레이드 팁의 제2 부분과 상기 입구의 부분 상의 국부적으로 가장 근접한 지점들 중 2개 사이의 상기 입구 표면 사이의 거리는 상기 블레이드 팁의 제2 부분과 상기 2개의 가장 근접한 지점 사이의 평균 거리보다 적어도 20% 더 큰 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  21. 제17항에 있어서, 상기 블레이드 팁 스위핑된 범위에 대해 직각으로 측정된, 상기 블레이드 팁의 제2 부분과 상기 입구의 부분 상의 국부적으로 가장 근접한 지점들 중 2개 사이의 입구 표면 사이의 거리는 상기 블레이드 팁의 제2 부분과 상기 2개의 가장 근접한 지점들 사이의 평균 거리보다 적어도 40% 더 큰 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  22. 제17항에 있어서, 블레이드 팁의 스위핑된 범위에 대해 직각으로 측정된, 상기 블레이드 팁의 제2 부분과 상기 입구의 상기 부분 상의 가장 근접한 지점들 사이의 최소 거리는 상기 팬 지름(D)의 0.005배보다 크고 팬 지름(D)의 0.02배보다 작은 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  23. 삭제
  24. 제1항에 있어서, 상기 포락곡선은 매끄러운 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  25. 제1항에 있어서, 상기 포락곡선의 축 방향 및 반경 방향 좌표들은 각각 스플라인 곡선의 값으로서 주어지며, 상기 스플라인 곡선은,
    1) 상기 지점들이 그 꼭지점들인 구분적 선형 곡선을 따르는 둘레 좌표를 생성하고,
    2) 상기 꼭지점들에 위치된 매듭들을 사용하여 상기 둘레 좌표에 대한 축 방향 및 반경 방향 좌표들의 3차 스플라인들을 발생시키고,
    3) 상기 꼭지점들 사이에 놓인 상기 둘레 좌표의 값들에서 상기 스플라인들을 평가하는, 방식으로 결정되는 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  26. 제1항에 있어서, 상기 포락곡선에 대해 직각으로 측정된, 상기 블레이드 팁의 제2 부분의 스위핑된 범위와 상기 포락곡선 사이의 거리는 상기 블레이드 팁의 제2 부분의 범위에 걸쳐서 단지 ± 30% 만큼 변하는 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  27. 제1항에 있어서, 상기 포락곡선에 대해 직각으로 측정된, 상기 블레이드 팁의 제2 부분의 스위핑된 범위와 상기 포락곡선 사이의 거리는 상기 블레이드 팁의 제2 부분의 범위에 걸쳐서 단지 ± 20% 만큼 변하는 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  28. 제1항에 있어서, 상기 블레이드 팁 스위핑된 범위에 대해 직각으로 측정된, 상기 블레이드 팁의 제2 부분과 상기 가장 근접한 2개의 지점 사이의 지점에서 상기 입구 표면 사이의 거리는 상기 블레이드 팁의 제2 부분과 상기 포락곡선 사이의 국부적인 거리보다 적어도 20% 더 큰 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  29. 제1항에 있어서, 상기 블레이드 팁 스위핑된 범위에 대해 직각으로 측정된, 상기 블레이드 팁의 제2 부분과 상기 가장 근접한 2개의 지점 사이의 지점에서 상기 입구 표면 사이의 거리는 상기 블레이드 팁의 제2 부분과 상기 포락곡선 사이의 국부적인 거리보다 적어도 40% 더 큰 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  30. 제1항에 있어서, 상기 포락곡선에 대해 직각으로 측정된, 상기 블레이드 팁의 제2 부분의 스위핑된 범위와 상기 포락곡선 사이의 최소 거리는 상기 팬 지름(D)보다 0.005배 크고 팬 지름(D)보다 0.02배 작은 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  31. 제1항에 있어서, 상기 블레이드 팁이 상기 포락곡선에 일치하는 영역에서, 상기 포락곡선은 상기 블레이드 팁에 국부적으로 가장 근접한 상기 입구 상의 적어도 3개의 지점을 통과하는 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  32. 제1항에 있어서, 상기 입구 부분의 표면은 축대칭인 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  33. 제1항에 있어서, 상기 셔라우드는 플라스틱 사출 성형 부품인 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  34. 제1항에 있어서, 상기 셔라우드는 상기 팬 조립체의 상류측에 위치된 열교환기에 상기 팬 조립체를 용이하게 장착하는 특징부들을 포함하는 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  35. 제34항에 있어서, 상기 셔라우드가 상기 배럴의 상류측에 있는 플리넘을 포함하며, 상기 플리넘에 의해 덮인 열교환기면의 영역은 팬 디스크 영역의 적어도 1.5배인 프리-팁형 축류 팬 조립체.
  36. 제1항에 있어서, 상기 각도는 전체적으로 180°보다 큰 방위각의 하나 이상의 범위에 걸쳐서 위치된 복수의 자오면에서 비점증적으로 변하는 프리-팁형 축류 팬 조립체.
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