KR102069575B1

KR102069575B1 - 임펠러의 제조 방법

Info

Publication number: KR102069575B1
Application number: KR1020180015886A
Authority: KR
Inventors: 최학규; 백승조; 이정호; 조성호
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2018-02-08
Filing date: 2018-02-08
Publication date: 2020-01-23
Also published as: KR20190096219A

Abstract

본 발명은, 임펠러의 블레이드와 허브와 쉬라우드를 개별적으로 제작하여 조립하되, 상기 블레이드를 3차원 곡면 형상으로 가공함에 있어서, 판재 형태의 모재를 프레스 가공하여, 허브와 쉬라우드 사이에서 노출되는 블레이드부(61)를 3차원 곡면 형상으로, 그리고 허브와 쉬라우드에 각각 결합되는 제1결합부(62)와 제2결합부(63)를, 각각 서로 다른 형상을 가지는 제1 2차원 곡면과 제2 2차원 곡면 형상으로 벤딩(bending) 가공한다. 제1결합부(62)와 제2결합부(63)의 벤딩 가공이 용이하게 이루어지도록 하기 위해, 상기 제1결합부와 제2결합부가 그 삽입방향의 길이로, 실제 삽입 깊이보다 더 길게 형성되도록 하여 벤딩 가공한 후, 벤딩 가공된 제1결합부와 제2결합부의 선단부를 트리밍 가공하여, 상기 제1결합부와 제2결합부의 삽입방향 길이를 실제 삽입 깊이와 일치시킨다. 상기 제1결합부(62)의 제1측벽부(624)와 제2결합부(63)의 제2측벽부(634)는 임펠러의 회전축에 평행한 면을 가지고, 이에 따라 상기 제1결합부와 제2결합부의 삽입 방향은 상기 임펠러의 회전축의 길이방향과 나란하게 된다.

Description

임펠러의 제조 방법{A Manufacturing Method for Impeller}

본 발명은, 압축기에 사용되며, 회전운동을 통해 유체를 가압하는 부품인 임펠러의 제조방법에 관한 것이다.

유체 등을 압축하는 압축기나 펌프에는 유체를 가압하기 위해 회전하는 임펠러가 구비된다. 임펠러는 회전 동력을 전달받아 회전하며 유체를 가압한다.

임펠러는 회전축과 결합되는 허브, 유체를 가압하는 블레이드, 유체의 유동 경로를 제공하는 쉬라우드를 구비한다.

이종 재질로 허브와 블레이드와 쉬라우드를 각각 구성할 수 있다면, 각 부품들에 요구되는 특성, 가령 높은 강도가 요구되는 허브와, 가벼우면서도 어느 정도 강도가 필요한 블레이드 등의 특성에 적합한 재질로 이들을 제작하여 결합하는 방식으로 임펠러를 제작하는 것이 가능하다.

그런데 이들 중 특히 블레이드의 형상은 가공하기에 상당히 복잡하다.

임펠러가 최대 효율을 가질 수 있는 블레이드의 최적의 형상은 3차원 형상이다. 즉 임펠러의 회전축을 z축이라고 하였을 때, 서로 다른 z축의 위치에 따른 x-y 평면에 해당하는 블레이드의 단면 형상은 모두 다른 형상이다. 이는 z축 방향으로 블레이드를 바라보았을 때 블레이드의 표면 형상이 보이는 구조이다.

위와 같은 블레이드의 형상은 단순한 방법으로 가공하기 어렵기 때문에, 종래에는 이러한 임펠러의 제조 방법으로서, 주로 5축 절삭가공 방식이 사용되었다. 이는 소정의 부피를 가지는 모재를 절삭하여 임펠러의 형상으로 가공하는 방식인데, 가공 방식의 특성 상 가공 시간이 길고 가공 비용이 높다. 또한 절삭가공 방식은 모재의 재료가 한가지로 구성되므로 허브와 블레이드 또는 허브와 쉬라우드를 이종 재질로 제작할 수 없었다.

US 8,727,729 B2(특허문헌 1)에는 허브와 블레이드를 일체로 제작하고, 쉬라우드를 별도로 제작하는 임펠러의 제조 방법이 개시되어 있다. 이는 블레이드와 허브가 일체로 제작되는 구조이기 때문에 5축 절삭가공이 필수적이다. 또한 블레이드와 허브를 서로 다른 재질로 제작할 수 없다는 문제점이 있다.

이러한 문제점으로 인해, 허브와 블레이드와 쉬라우드를 별도의 부품으로 제작한 후 이들을 조립하는 방식의 제조 방법에 대한 시도도 있어왔다.

US 2009/0047133 A1(특허문헌 2)에는 복잡한 블레이드의 형상을 합성 수지로 제작하고, 이를 쉬라우드와 허브에 조립하는 구조가 개시되어 있다. 블레이드를 합성 수지로 제작함으로써, 복잡한 블레이드의 3차원 곡면 형상을 용이하게 제작할 수는 있지만, 재질이 가지는 강도의 한계로 인해 고속 회전 시 큰 원심력과 압력에 의해 파손될 우려가 매우 높다.

US 2015/0204352 A1(특허문헌 3)에는, 허브와 블레이드와 쉬라우드를 별도의 부품으로 제작하되, 이들을 금속으로 제작한 구조가 개시되어 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 가공 여건 상, 금속 재질의 블레이드를 3차원 형상으로 제작하기 위해서는 5축 절삭가공을 적용할 수밖에 없었다. 이에 특허문헌 3에서는 블레이드(30; 도 3 참조)를 2차원 곡면 형상으로 제작한 구조를 적용하였다.

2차원 곡면 형상이란, 임펠러의 회전축을 z축이라고 하였을 때, 서로 다른 z축의 위치에 따른 x-y 평면에 해당하는 블레이드의 단면 형상이 모두 동일한 형상을 가지는 형태를 말한다. 즉 상기 블레이드는 z축 방향으로 블레이드를 바라보았을 때 블레이드의 표면 형상이 보이지 않는다.

2차원 형상으로 블레이드를 제작하면, 블레이드의 결합돌기(32; 도 3 참조)가 z축 방향으로 연장되므로, 블레이드와 허브(10; 도 2 참조), 그리고 블레이드와 쉬라우드(20: 도 1 참조)를 체결하기 용이하다.

그러나 이러한 2차원의 블레이드 구조는 임펠러의 효율을 떨어뜨리는 원인이 된다.

또한 2차원의 블레이드가 허브와 쉬라우드와 결합함에 있어서, 블레이드가 2차원 형상이기 때문에, 블레이드의 상단부가 쉬라우드와 접하는 부분의 제1형상과, 블레이드의 하단부가 허브와 접하는 부분의 제2형상이 동일하다. 그리고 제1형상과 제2형상이 서로 동일하면, 블레이드가 원심력을 받을 때 이 형상이 상호 간섭되어 블레이드를 지지하지 못한다.

따라서, 2차원 블레이드 구조를 적용하여 블레이드를 별도로 제작한 후 허브와 쉬라우드에 결합하는 구조는, 임펠러가 고속으로 회전할 때 블레이드가 큰 원심력을 받아 파손될 우려가 높다.

이에 특허문헌 3에서는, 블레이드에 돌기(32; 도 3 참조)를 두고, 이 돌기가 쉬라우드나 허브를 관통하도록 한 후, 리베팅 공법으로 마무리하여, 블레이드를 강제 구속하는 구조를 적용하였다. 그러나 이러한 구조는 블레이드 상단부와 쉬라우드의 저면의 접촉 부위, 그리고 블레이드 하단부와 허브 상부면의 접착 부위 사이에 미세한 간극을 일으키게 되고, 이는 유동의 누설과 소음의 원인이 된다.

US 2015/0204352 A1 US 2009/0047133 A1 US 8,727,729 B2

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 블레이드와 허브와 쉬라우드를 개별적으로 제작한 후 조립 결합할 수 있으며, 금속 재질의 블레이드를 3차원 형상으로 가공하는 것이 용이한 임펠러와 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은, 3차원 형상의 블레이드가 허브와 쉬라우드에 결합하기 용이한 구조를 가지는 임펠러와 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은, 허브 및 쉬라우드와, 블레이드 간의 결합력이 높아 고속 회전에 의해 발생하는 원심력에서 블레이드의 변형이나 파손이 일어나지 않는 임펠러와 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은, 허브 및 쉬라우드와, 블레이드 간의 결합부위에 간극이 전혀 없어 유동이 누설되거나 소음이 발생하지 않는 임펠러와 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 회전축과 체결되어 회전축의 회전력을 전달받아 회전하는 허브(5); 상기 허브의 일 면에서 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 마련되며 유체를 가압하는 복수 개의 블레이드(6); 및 상기 복수 개의 블레이드에 고정되어 상기 블레이드와 함께 유체의 유동 통로를 규정하는 쉬라우드(7);를 포함하는 임펠러와 그 제조 방법을 제공한다.

구체적으로, 상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 임펠러의 블레이드와 허브와 쉬라우드를 개별적으로 제작하여 조립하되, 상기 블레이드를 3차원 곡면 형상으로 가공함에 있어서, 판재 형태의 모재를 프레스 가공하여, 허브와 쉬라우드 사이에서 노출되는 블레이드부(61)를 3차원 곡면 형상으로, 그리고 허브와 쉬라우드에 각각 결합되는 제1결합부(62)와 제2결합부(63)를, 각각 서로 다른 형상을 가지는 제1 2차원 곡면과 제2 2차원 곡면 형상으로 벤딩(bending) 가공한다.

이 때 제1결합부(62)와 제2결합부(63)의 벤딩 가공이 용이하게 이루어지도록 하기 위해, 상기 제1결합부와 제2결합부가 그 삽입방향의 길이로, 실제 삽입 깊이보다 더 길게 형성되도록 하여 벤딩 가공한다.

그리고 벤딩 가공된 제1결합부와 제2결합부의 선단부를 트리밍 가공하여, 상기 제1결합부와 제2결합부의 삽입방향 길이를 실제 삽입 깊이와 일치시키도록 가공한다.

이에 따라 상기 블레이드(6)는: 상기 허브(5)와 상기 쉬라우드(7)가 서로 마주하는 면 사이에 배치되어 유체를 가압하는 3차원 곡면 형상의 블레이드부(61); 상기 쉬라우드(7)와 마주하는 블레이드부(61)의 제1단부에서 상기 회전축과 나란한 방향으로 상기 쉬라우드(7) 쪽으로 연장되는 제1 2차원 곡면 형상의 제1결합부(62); 및 상기 허브(5)와 마주하는 블레이드부(61)의 제2단부에서 상기 회전축과 나란한 방향으로 상기 허브(5) 쪽으로 연장되고, 회전축과 나란한 방향으로 바라보았을 때 상기 제1 2차원 곡면과 다른 형상을 가지는 제2 2차원 곡면 형상의 제2결합부(63);를 포함하게 된다.

이와 같은 가공 방법에 따르면, 3차원 곡면 형상을 가지는 블레이드부(61)를 구비하고, 상부와 하부에 각각 쉬라우드(7) 및 허브(5)와 상하 방향으로 삽입 결합되는 2차원 곡면 형상의 제1결합부와 제2결합부를 판금 공정으로 제작하는 것이 가능하다.

상기 쉬라우드(7)에는, 상기 제1결합부(62)와 대응하는 형상을 구비하여, 상기 제1결합부(62)가 삽입되는 제1결합홈(76)이 구비되고, 상기 허브(5)에는, 상기 제2결합부(63)와 대응하는 형상을 구비하여, 상기 제2결합부(63)가 삽입되는 제2결합홈(516)이 구비된다.

상기 제1결합부와 제2결합부의 2차원 곡면의 측벽부는 삽입 방향과 나란한 면으로 형성되어 있고, 이들이 삽입되는 쉬라우드의 제1결합홈과 허브의 제2결합홈의 내측벽면도 삽입 방향과 나란한 면으로 형성되어 있어서, 제1결합부와 제2결합부를 상기 제1결합홈과 제2결합홈에 삽입 방향으로 삽입하는 동작 만으로, 제1결합부와 제2결합부가 상기 제1결합홈과 제2결합홈에 삽입될 수 있다.

아울러 상기 제1결합부와 제2결합부의 삽입 방향은 상기 임펠러의 회전축의 길이방향과 나란하게 설정되어 있어서, 허브와 블레이드, 그리고 블레이드와 쉬라우드를 회전축의 길이방향으로 상호 체결하는 작업만으로 이들의 조립이 가능하게 된다.

즉 상기 제1결합부(62)의 제1측벽부(624), 상기 제2결합부(63)의 제2측벽부(634), 상기 제1결합홈(76)의 제1내측벽면(764), 및 상기 제2결합홈(516)의 제2내측벽면(5164)은 상기 회전축에 평행한 곡면을 이룰 수 있다.

상기 블레이드부(61)를 3차원 곡면 형상으로 가공하면, 삽입 방향으로 바라보았을 때, 상기 제1결합부의 형상과 제2결합부의 형상이 서로 다르게 되므로, 블레이드부(61)의 제1단부(상단부)와 제2단부(하단부)를 각각 지지하는 부분(제1결합부와 제1결합홈의 삽입 부위, 그리고 제2결합부와 제2결합홈의 삽입 부위)에서 서로 다른 방향과 구조로써 원심력을 지지하게 되므로, 고속으로 회전하는 블레이드의 원심력을 더 견고하게 지지하게 된다.

특히 상기 제1결합홈의 반경방향 외측 가장자리, 그리고 제2결합홈의 반경방향 외측 가장자리에는 상기 홈을 마감하며 가로막는 지지턱부를 두어, 블레이드에 작용하는 원심력을 기하학적으로 간섭하며 지지하여, 고속 회전에도 블레이드에 대한 확실한 고정과 지지가 가능하다.

아울러 위와 같이 판금 공정을 통해 블레이드부(61)가 3차원 곡면 형상을 가지면서도, 상기 제1결합부와 제2결합부는 블레이드부(61)와 연결되는 형태로, 임펠러의 반경 방향을 따라 연속적으로 연결된 형태로 마련되기 때문에, 허브와 블레이드 간 결합부위, 그리고 쉬라우드와 블레이드 간 결합부위 사이에 간극이 전혀 발생하지 아니하여, 유동의 누설이나 소음 발생을 방지할 수 있다.

상기 제1결합부가 상기 블레이드부에 대해 벤딩되는 경계가 되는 제1벤딩라인(623)은, 상기 제1결합부가 제1결합홈에 삽입된 상태에서 상기 쉬라우드(7)의 저면과 대응하는 높이에 마련되도록 형성된다. 또한 상기 제2결합부가 상기 블레이드부에 대해 벤딩되는 경계가 되는 제2벤딩라인(633)은, 상기 제2결합부가 제2결합홈에 삽입된 상태에서 상기 허브(5)의 상면과 대응하는 높이에 마련되도록 형성된다.

그리고 제1결합부와 제1결합홈, 그리고 제2결합부와 제2결합홈은 접착제로 접착하거나, 브레이징 등의 공정을 통해 상호 견고히 고정할 수 있다.

상기 쉬라우드(7)는: 임펠러가 회전할 때 유체가 유입되는 통로가 되는 유체 유입공(74)을 규정하는 원통부(71); 및 상기 원통부(71)의 단부에서 반경 방향으로 외향 연장되되, 외측으로 연장될수록 상기 허브(5) 쪽으로 연장되는 상판경사부(75);를 포함하고, 상기 제1결합홈(76)은 상기 상판경사부(75)의 저면에 마련될 수 있다.

상기 허브(5)는: 상기 블레이드(6)와 결합되는 하판(51); 및 상기 하판(51)의 중심에 결합되고, 상기 회전축과 결합되는 축연결부(52);를 포함할 수 있다.

그리고 상기 하판(51)은: 상기 상기 축연결부(52)와 접하고, 상기 축연결부(52)의 축수용홀(524)과 연통하는 연통홀(514)이 마련된 결합면(511); 및 상기 결합면(511)에서 반경 방향으로 외향 연장되되, 외측으로 갈수록 상기 쉬라우드(7)에서 멀어지는 쪽으로 연장되는 하판경사부(514);를 포함할 수 있다.

한편 허브(5)와 쉬라우드(7) 역시 프레스 판금 가공을 통해 성형하는 것이 가능하다. 즉 평판 형상의 모재의 외주를 블랭킹 가공하여 원형의 평판 형상의 중간물을 제작하고, 드로잉 가공을 하여 결합면(511)과 하판경사부(515), 그리고 원통부(71)와 상판경사부(75)를 성형 한 후, 피어싱 가공을 하여 중심부에 각각 연통홀(514)과 유체 유입공(74)을 성형하고, 트리밍 가공을 하여 하판경사부(515)의 외주면과 상판경사부(75)의 외주면을 가공하고, 상기 하판경사부(515)의 상면과 상기 상판경사부(75)의 저면을 각각 펀치 가공하여 제2결합홈(516)과 제1결합홈(76)을 성형하는 다단의 프레스 가공으로, 허브(5)와 쉬라우드(7)를 간단하게 제작할 수 있다.

즉 임펠러의 허브와 블레이드와 쉬라우드를 모두, 금속 판재를 판금 가공하여 제작하는 것이 가능하므로, 임펠러의 강도를 확보하면서도 임펠러를 저가에 간단하게 제작할 수 있다.

판금 가공되는 상기 허브(5)의 하판(51) 하부에, 회전축과 견고히 결합하기 위한 축연결부(52)를 더 결합하여, 판금 가공된 임펠러에 대한 회전축의 결합 강도 역시 충분히 확보할 수 있다.

본 발명에 따르면, 절삭 공정을 생략하고 프레스 성형으로 각 부품을 대량 생산하되, 블레이드의 3차원 곡면 형상을 구현하면서도, 쉬라우드와 블레이드와 허브를 회전축 방향과 나란한 방향으로 상호 삽입하며 조립할 수 있어 생산 비용과 생산 시간을 대폭 절약할 수 있다.

본 발명에 따르면, 쉬라우드와 블레이드와 허브가 별개의 부품으로 제작되므로, 이들의 재질을 이종으로 할 수 있고, 고속 회전에 따른 원심력이 가장 크게 작용하는 부품을 경량 금속으로 제작할 수 있다. 또한 경량화에 따라 낮아지는 원심력만큼, 해당 부품이 다른 부품과 결합함에 있어서 요구되는 결합력을 더 낮출 수 있다. 이는 접착제를 사용한 부품 간 결합이 가능하게 해준다.

또한 본 발명에 따르면, 상호 조립되며 체결되는 부위에서 결합력이 높고 원심력에 대한 구조적인 저항력이 높게 발휘되므로, 임펠러를 고속 회전하는 것이 가능하다.

그리고 본 발명에 따르면, 상호 조립되며 체결되는 부위에 아무런 간극도 발생하지 아니하므로, 상기 간극을 통한 유동 누설이나 소음 발생이 없다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 종래의 임펠러의 사시도이다.
도 2는 종래의 임펠러에서 쉬라우드를 제거한 상태의 사시도이다.
도 3은 종래의 임펠러의 블레이드를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 임펠러의 분해사시도이다.
도 5는 도 4의 임펠러가 조립된 상태의 사시도이다.
도 6은 도 5의 임펠러의 측면 단면도이다.
도 7은 도 4의 임펠러의 블레이드를 가공 공정의 단계별로 나타낸 도면이다.
도 8은 도 4의 블레이드의 사시도이다.
도 9는 도 6에서 허브와 블레이드와 쉬라우드의 결합 부위를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 10은 도 4의 A 부분의 확대도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

[임펠러의 구조 및 조립 공정]

도 4는 본 발명에 따른 임펠러의 분해사시도, 도 5는 도 4의 임펠러가 조립된 상태의 사시도, 그리고, 도 6은 도 5의 임펠러의 측면 단면도이다. 그리고 도 10은 도 4의 A 부분의 확대도이다.

본 발명의 임펠러(4)는 하나의 허브(5)와, 복수 개의 블레이드(6)와, 하나의 쉬라우드(7)가 적층 조립되는 형태로 제조된다.

임펠러(4)는 회전축(미도시)에 축설되어 회전하여 유체의 유동을 발생시킨다. 유체는 쉬라우드(7)의 유체 유입공(74)을 통해 임펠러(4) 내부로 유입되고, 회전하는 블레이드(6)에 의해 가압되며, 쉬라우드(7)와 허브(5)의 외측 가장자리 사이의 공간을 통해, 반경 방향으로 외향 토출된다.

이러한 유동의 흐름 상, 회전축은 허브(5)에 설치되는 것이 바람직하다.

허브(5)는, 블레이드(6)가 고정되는 하판(51)과, 회전축이 고정되는 축연결부(52)를 각각 제작한 후 이를 조립 결합하여 제조된다. 회전축과 견고한 결합력을 유지하기 위해, 상기 축연결부(52)는 두툼하게 소정의 부피를 가지도록 제작된다. 상기 축연결부(52)는 전체적으로 버섯과 유사한 모양이다.

축연결부(52)의 중앙부에는, 도면 상 상하 방향으로 상기 회전축이 압입되는 축수용홀(524)이 마련되고, 축연결부(52)의 상부에는, 상기 하판(51)과 결합되는 면인 결합면(521)이 마련된다. 결합면(521)의 중앙부는, 평평한 평탄면(522)이 마련되고, 평탄면(522)의 외주에는, 반경 방향으로 외향하며 하방으로 기울어진 경사면(523)을 구비한다.

하판(51)은, 판금(sheet metal)을 가공하여 제작된다. 상기 하판(51)의 중앙 하부에는 상기 축연결부(52)가 용접 등의 방식으로 접합 고정된다. 물론 하판과 축연결부의 접합 또는 고정 방식은 다양할 수 있다.

상기 하판(51)의 중앙에는 상기 축연결부(52)의 축수용홀(524)와 연통하는 연통홀(514)이 마련된다. 연통홀(514)의 주위로는 상기 축연결부(52)의 결합면(521)과 접하는 결합면(511)이 마련된다. 상기 결합면(511)은, 상기 축연결부(52)의 평탄면(522)과 대응하는 형태의 평탄면(512)과, 상기 축연결부(52)의 경사면(523)과 대응하는 형태의 경사면(513)을 구비한다.

상기 경사면(513)의 외주에는, 반경 방향으로 외향하며 하방으로 기울어지는 하판경사부(515)가 연장 형성되어 있다. 상기 경사면(513)과 하판경사부(515)는 전체적으로 매끄럽게 연결되어 있어, 유체 유동이 원활하게 이루어질 수 있다.

하판경사부(515)에는 후술할 블레이드(6)의 제2결합부(63)가 삽입되는 복수 개의 제2결합홈(516)이 방사 상으로 마련된다. 제2결합홈(516)은 곡선 형태를 구비하며, 하판경사부(515)의 상면에 소정의 홈 형태로 마련된다. 상기 제2결합홈(516)는 블레이드(6)의 제2결합부(632)보다 약간 큰 정도로 형성될 수 있다.

본 발명의 허브(5)는 회전축과 견고하게 결합되어야 하는 부위를 두툼한 축연결부(52) 부품으로 제작하고, 유체 유동을 안내하고 블레이드(6)와 연결되는 하판(51)을 판금(sheet metal)으로 제작한다. 도시된 형상의 허브를 하나의 부품으로 제작한다면, 두툼한 모재를 절삭하여 허브를 제작할 수밖에 없다. 이는 재료의 낭비가 심함은 물론이거니와, 절삭 가공비로 인해 부품 가격이 상승할 수밖에 없다.

그러나, 본 발명과 같이 두툼한 형상이 요구되는 부위를 축연결부(52)의 부품으로 제작하고, 얇은 판 형태로 제작하는 것이 유리한 부위를 하판(51)의 부품으로 제작함으로써, 모재의 낭비를 최소화하고, 절삭 가공비를 최소화할 수 있다. 특히 하판(51)은 판금을 프레스 가공하여 제작하는 것이 가능하므로, 강도가 높으면서도 가볍게 제작할 수 있음은 물론, 판금에 대한 프레스 가공을 통해 가공 원가를 크게 낮출 수 있다.

상기 하판(51)은, 금속 평판(metal sheet)의 외주를 블랭킹 가공하여 원형 판재 형태의 중간가공물을 제작하고, 이를 다시 드로잉 가공하여 결합면(511)과 하판경사부(515)를 가공할 수 있다. 상기 드로잉 가공은 한 번의 프레스 가공으로 가공하거나, 2 회 이상의 프레스 가공으로 가공할 수 있다.

결합면(511)과 하판경사부(515)를 성형한 후, 트리밍 가공으로 하판경사부(515)의 외주면을 성형하고, 피어싱 가공으로 연통홀(514)을 성형하고, 펀치 가공으로 하판경사부(515) 상면에 제2결합홈(516)을 성형할 수 있다.

상기 하판에 대한 가공은 상하로 가압되는 상부 금형과 하부 금형에 의해 이루어질 수 있다. 도 9를 참조하면, 상기 제2결합홈(516)은 상하 연직방향으로 연장되는 제2내측벽면(5164)와, 상기 제2내측벽면(5164)과 연결되는 제2바닥면(5165)를 포함하고, 아울러 도 10에 도시된 바와 같이 하판경사부(515)의 외부 가장자리 부분은 지지턱부(5167)로 막혀 있는 형태로 제작된다.

도 6에 자세히 도시되어 있지는 아니하지만, 블레이드(6)는 3차원 곡면 형상의 블레이드부(61)와, 그 상단부 및 하단부에서 상방과 하방으로 각각 연장되는 2차원 곡면 형태의 제1결합부(62)와 제2결합부(63)를 포함한다(도 8 참조). 복수 개의 블레이드는 모두 동일한 형상으로 제작되며, 그 구체적인 형상에 대해서는 이하 별도의 항목으로 자세히 설명하기로 한다.

블레이드(6)의 하단부는 상기 허브(5)의 제2결합홈(516)에 삽입되고, 블레이드(6)의 상단부는 상기 쉬라우드(7)의 제1결합홈(76)에 삽입되며, 브레이징 또는 접착 결합된다.

쉬라우드(7)는, 판금을 가공하여 제작된다. 상기 쉬라우드의 중앙부에는 파이프 또는 실린더 형태로 상하방향으로 연장되는 원통부(71)와, 상기 원통부(71)의 하단부에서 반경방향으로 외향 연장되는 상판경사부(75)를 포함한다.

원통부(71)는 수직한 곡면으로 이루어질 수 있다. 상기 원통부(71)의 내부 공간은 상기 임펠러로 유입되는 유체의 유입구를 규정하는 유체 유입공(74)을 이룬다. 상기 원통부(71)는 유입되는 유체의 유동을 임펠러 내측으로 부드럽게 안내한다.

상판경사부(75)는 유체 유입공(74)에서 반경 방향으로 멀어질수록 점점 허브와 가까워지는 형태로 마련된다. 상기 상판경사부(75)의 저면은 임펠러 내부의 유체를 안내할 수 있는 매끄러운 곡면 형상으로 이루어진다.

상기 경사면(144)의 저면에는 블레이드(6)의 제1단부(상단부)가 끼워져 체결될 수 있는 홈 형태의 제1결합홈(76)이 마련된다. 상기 제1결합홈(76)은 블레이드(6)의 제1결합부(62)와 대응하는 형상으로 마련된다. 상기 제1결합홈(76)은 블레이드(6)의 제1결합부(62)보다 약간 큰 정도로 형성될 수 있다.

상기 쉬라우드(7)도 하판과 마찬가지로, 판금의 프레스 가공을 통해 제작될 수 있다. 즉 판재 형태의 모재를 블랭킹 가공하여 외측 테두리를 성형하고, 중앙부를 피어싱 가공하여 내측 테두리를 성형한다.

그리고, 드로잉 공정을 통해 유체 유입공(74) 둘레의 수직한 원통부(71)와 상판경사부(75)를 성형할 수 있다. 또한 트리밍 가공을 통해 상판경사부(76)의 외주면을 성형하고 제1결합홈(76) 역시 펀칭 금형으로 가압하여 성형 가능하다. 이러한 가공은 한 번의 프레스 가공으로 이루어질 수도 있으나, 치수 정밀도와 공차 등의 관리를 위해서는 최종 형상에 점차 가까워지도록 하는 복수 개의 금형을 활용하여 복수 회의 프레스 작업을 진행하는 것이 바람직하다.

상기 쉬라우드에 대한 가공은 상하로 가압되는 상부 금형과 하부 금형에 의해 이루어질 수 있다. 도 9를 참조하면, 상기 제1결합홈(76)은 상하 연직방향으로 연장되는 제1내측벽면(764)와, 상기 제1내측벽면(764)과 연결되는 제1바닥면(765)를 포함한다. 아울러 하판경사부(515)의 지지턱부(5167)와 마찬가지로, 상판경사부(75)의 외부 가장자리 부분은 지지턱부로 막혀 있는 형태로 제작된다.

임펠러(4)는, 상술한 축연결부(52), 하판(51), 블레이드(6) 및 쉬라우드(7)의 네 부품이 순서대로 적층 결합되어 일체화된다.

상기 임펠러(4)는, 회전축(미도시)의 회전력이 축연결부(52)에 전달되고, 이에 따라 축연결부(52)와 일체로 고정되어 있는 하판, 블레이드 및 쉬라우드가 일체로 회전하며 유체의 유동을 일으키게 된다.

[블레이드의 제작 방법 및 결합 구조]

도 7은 도 4의 임펠러의 블레이드를 가공 공정의 단계별로 나타낸 도면, 도 8은 도 4의 블레이드의 사시도, 도 9는 도 6에서 허브와 블레이드와 쉬라우드의 결합 부위를 확대하여 나타낸 도면, 그리고 도 10은 도 4의 A 부분의 확대도이다.

이하 도 7 내지 도 10을 참조하여 블레이드의 구조 및 제작 방법과 이 방법에 의해 제작된 블레이드와 허브 및 쉬라우드 간의 결합 구조에 대해 설명한다.

먼저 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 블레이드(6)는, 상기 허브(5)와 상기 쉬라우드(7)가 서로 마주하는 면 사이에 배치되어 유체를 가압하는 3차원 곡면 형상의 블레이드부(61)와, 상기 블레이드부(61)의 양 단부에 각각 연결된 2차원 곡면 형상의 제1결합부(62) 및 제2결합부(63)를 포함한다.

상기 블레이드부(61)는 3차원 곡면 형상을 가진다. 3차원 곡면 형상이라 함은, 블레이드가 조립된 임펠러의 회전축을 z축이라고 하였을 때, 서로 다른 z축의 위치에 따른 x-y 평면에 해당하는 블레이드부(61)의 단면 형상들이 서로 다른 형상을 가지는 형태를 의미한다. 즉 상기 블레이드부(61)는 z축 방향으로 블레이드를 바라보았을 때 블레이드부(61)의 표면 형상이 보이게 된다. 최적의 유체 유동 효율을 가지기 위한 블레이드부(61)의 형상은 3차원 곡면 형상으로 이루어진다.

상기 제1결합부(62)는 상기 블레이드부(61)의 제1단부(상단부)에서 상기 블레이드부(61)에 대해 제1벤딩라인(623)을 기준으로 절곡되고, 임펠러의 회전축(z축)과 나란한 방향으로, 상방, 즉 쉬라우드(7) 쪽으로 연장된다. 상기 제1결합부(62)는 제1 2차원 곡면 형상을 가진다.

2차원 곡면 형상이라 함은, 블레이드가 조립된 임펠러의 회전축을 z축이라고 하였을 때, 서로 다른 z축의 위치에 따른 x-y 평면에 해당하는 제1결합부(62)의 단면 형상들이 서로 동일한 형상을 가지는 형태를 의미한다. 즉 상기 제1결합부(62)는 z축 방향으로 제1결합부를 바라보았을 때, 제1결합부(62)의 제1측벽부(624) 형상이 보이지 않게 된다.

상기 제2결합부(63)는 상기 블레이드부(61)의 제2단부(하단부)에서 상기 블레이드부(61)에 대해 제2벤딩라인(633)을 기준으로 절곡되고, 임펠러의 회전축(z축)과 나란한 방향으로, 하방, 즉 허브(6) 쪽으로 연장된다. 상기 제2결합부(63)는, 상기 제1 2차원 곡면 형상과는 다른, 제2 2차원 곡면 형상을 가진다.

2차원 곡면 형상이라 함은, 블레이드가 조립된 임펠러의 회전축을 z축이라고 하였을 때, 서로 다른 z축의 위치에 따른 x-y 평면에 해당하는 제2결합부(63)의 단면 형상들이 서로 동일한 형상을 가지는 형태를 의미한다. 즉 상기 제2결합부(63)는 z축 방향으로 제1결합부를 바라보았을 때, 제2결합부(63)의 제2측벽부(634) 형상이 보이지 않게 된다.

즉 상기 제1측벽부(624)와 제2측벽부(634)는, 회전축의 방향과 평행한 곡면으로 이루어진다.

회전축과 나란한 방향으로 임펠러를 바라보았을 때, 상기 제1결합부가 배치된 위치와 상기 제2결합부가 배치된 위치는 서로 상이하며, 제1결합부 자체의 곡선 형상과 제2결합부의 곡선 형상도 서로 상이하다.

따라서, 임펠러를 조립하는 과정에 있어서는, 상기 블레이드의 제1결합부(62)와 쉬라우드의 제1결합홈(76)이 z축 방향으로 상호 삽입 체결되고, 상기 블레이드의 제2결합부(63)와 허브의 제2결합홈(516)이 z축 방향으로 상호 삽입 체결될 수 있다. 이처럼 본 발명은 조립이 간편하다.

도 9를 참조하면, 측면에서 바라보았을 때, 상기 블레이드부는 쉬라우드와 허브 사이에서 비스듬히 배치되고, 상기 제1결합부는 상방으로, 제2결합부는 하방으로 각각 연장되어 쉬라우드와 허브에 각각 삽입 고정된다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 임펠러에서 제1결합부와 제2결합부의 배치 위치가 다르고, 제1결합부와 제2결합부의 곡선 형상도 서로 상이하므로, 임펠러가 회전할 때 블레이드에 가해지는 원심력이, z축 방향으로 보았을 때 쉬라우드와 허브의 서로 다른 위치에서 서로 다른 형상에 의해 지지되므로, 응력이 적절히 분산되어 발생한다.

또한 상기 제1결합부와 제2결합부는, 임펠러의 반경 방향을 따라 연속된 곡선 형태를 가지므로, 허브와 쉬라우드에 블레이드를 결합하였을 때, 허브와 블레이드 사이, 그리고 블레이드와 쉬라우드 사이에 간극이 발생하지 않는다. 따라서 조립식 임펠러의 간극에서 발생하던 소음을 방지하는 것이 가능하다.

상기 제1결합부와 제2결합부는 판금 제작되는 쉬라우드와 허브의 하판에 각각 결합되므로, 그 삽입 깊이가 깊지 않다. 따라서 제1결합부와 제2결합부의 삽입 방향으로의 길이는 매우 짧아야 한다(이 부분은 도 4에서 표현되지 않을 정도로 짧다). 하지만 벤딩 성형에 있어서, 이와 같이 매우 짧은 부위는 벤딩 가공하기가 매우 어렵다.

도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 블레이드는 금속 판재(metal sheet)를 성형 가공하여 제작된다. 금속 판재는 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 직사각형 형태로 제작된 후, 블레이드의 형상에 대응하도록 가장자리가 트리밍될 수 있다. 다만, 후술하겠지만, 최종적으로 블레이드의 제1결합부와 제2결합부에 대해 트리밍 공정이 적용되므로, 평판의 금속 판재 형태일 때 트리밍 공정을 생략할 수도 있다.

준비된 금속 판재는, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 벤딩 가공을 통해 블레이드부(61)와 제1결합부(62)와 제2결합부(63)을 성형한다. 블레이드부(61)는 최종적으로 임펠러의 허브(5)와 쉬라우드(7) 사이에 배치되는 부분으로서, 유체를 가압하는 표면이 된다. 블레이드부(61)는 3차원 곡면 형상으로 벤딩 가공된다.

최적의 유체 유동 효율을 가지기 위한 블레이드부(61)의 형상은 3차원 곡면 형상으로 이루어지는데, 본 발명에 따르면, 블레이드(6)를 판금 프레스 가공할 때, 블레이드부(61)가 금형에 의해 벤딩 가공되어 3차원 곡면 형상을 이루게 된다. 상기 3차원 곡면 형상이 단 한번의 프레스 공정으로 제작하기 어려울 때에는 2 이상의 프레스 공정으로 제작할 수 있다.

블레이드부의 일측 단부와 타측 단부에 각각 마련된 제1결합부(62)와 제2결합부(63)는, 상기 블레이드부(61)를 가공할 때 함께 벤딩 가공되거나, 블레이드부(61)의 3차원 곡면 형상을 가공한 후 벤딩 가공될 수 있다.

벤딩 가공을 할 때에는, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 트리밍 전 제1결합부(621)과 제2결합부(631)가, 실제 삽입 깊이보다 더욱 길게 연장된 길이를 가지도록 가공된다. 이는 제1결합부와 제2결합부가 상기 제1벤딩라인(623) 및 제2벤딩라인(624)을 기준으로 확실히 절곡 가공되도록 하기 위한 것이다.

도 7의 (b)와 같이 벤딩 가공이 완료된 후에는, 상기 제1결합부와 제2결합부의 선단부를 트리밍하여, 도 7의 (c)와 같이 트리밍 가공 후의 제1결합부(622)와 제2결합부(632)의 길이를, 쉬라우드와 허브에 대한 삽입 깊이와 일치하도록 가공한다.

이와 같이 판금 프레스 가공에 의해 3차원 곡면 형상의 블레이드부(61)를 구비하는 블레이드를 제작하면서도, 2차원 곡면 형상의 제1결합부와 제2결합부가 함께 성형되도록 할 수 있기 때문에, 블레이드와 허브, 쉬라우드의 조립과 결합이 용이하다.

도 9에 도시된 바와 같이, 제1결합부의 제1트리밍라인(625)은 쉬라우드의 제1결합홈의 제1바닥면(765)과 마주하여 접하게 되고, 제2결합부의 제2트리밍라인(635)은 허브의 제2결합홈의 제2바닥면(5165)에 접하게 된다. 아울러 제1결합부의 제1측벽부(624)는 제1결합홈의 제1내측벽면(764)과 마주하게 되고, 제2결합부의 제2측벽부(5164)는 제2결합홈의 제2내측벽면(5164)과 마주하게 된다. 아울러 제1벤딩라인(623)과 제2벤딩라인(633)이 각각 상기 쉬라우드의 저면부 및 하판의 상면부 표면 프로파일과 자연스럽게 연결되는 형태가 되어, 유체 가압 기능을 하는 블레이드부(61)가 쉬라우드와 허브 사이에 배치될 수 있다.

상기 임펠러의 허브, 블레이드 및 쉬라우드는 판금 공정으로 제작되므로 생산 시간과 비용을 모두 줄일 수 있다. 특히 본 발명에 따르면 블레이드를 판금 프레스 가공하면서도, 블레이드 형상을 3차원 곡면 형상으로 구현할 수 있기 때문에 임펠러의 제작비 절감은 물론 임펠러의 효율을 크게 높일 수 있다. 그리고 이들을 서로 체결하는 과정은 매우 간단하다.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

4: 임펠러
5: 허브
51: 하판
511: 결합면
512: 평탄면
513: 경사면
514: 연통홀
515: 하판경사부
516: 제2결합홈
5164: 제2내측벽면
5165: 제2바닥면
5167: 지지턱부
52: 축연결부
521: 결합면
522: 평탄면
523: 경사면
524: 축수용홀
6: 블레이드
61: 블레이드부(3차원 곡면)
62: 제1결합부(제1 2차원 곡면)
621: 트리밍 전 제1결합부
622: 트리밍 후 제1결합부
623: 제1벤딩라인
624: 제1측벽부
625: 제1트리밍라인
63: 제2결합부(제2 2차원 곡면)
631: 트리밍 전 제2결합부
632: 트리밍 후 제2결합부
633: 제2벤딩라인
634: 제2측벽부
635: 제2트리밍라인
7: 쉬라우드
71: 원통부
74: 유체 유입공
75: 상판경사부
76: 제1결합홈
764: 제1내측벽면
765: 제1바닥면

Claims

회전축과 체결되어 회전축의 회전력을 전달받아 회전하는 허브(5); 상기 허브의 일 면에서 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 마련되며 유체를 가압하는 복수 개의 블레이드(6); 및 상기 복수 개의 블레이드에 고정되어 상기 블레이드와 함께 유체의 유동 통로를 규정하는 쉬라우드(7);를 포함하는 임펠러의 제조 방법로서, 상기 임펠러의 제조 방법은:
제1결합홈(76)이 마련되도록 소재를 가공하여 상기 쉬라우드(7)를 성형하는 단계;
제2결합홈(516)이 마련되도록 소재를 가공하여 상기 허브(5)를 성형하는 단계;
판재 형태의 모재를 프레스 벤딩 가공하여, 허브와 쉬라우드 사이에서 노출되는 블레이드부(61), 상기 블레이드부(61)의 일측에 마련되고 상기 제1결합홈(76)으로 삽입되는 길이보다 더 긴 길이를 가지는 트리밍 전 제1결합부(621), 및 상기 블레이드부(61)의 타측에 마련되고 상기 제2결합홈(516)으로 삽입되는 길이보다 더 긴 길이를 가지는 트리밍 전 제2결합부(631)를 구비하는 블레이드(6)를 마련하는 단계;
제1결합부(62)와 제2결합부(63)의 삽입방향 길이를 실제 삽입 깊이와 일치시키도록, 상기 트리밍 전 제1결합부(621)와 트리밍 전 제2결합부(631)의 선단부를 트리밍 가공하여, 트리밍 후 제1결합부(622)와 트리밍 후 제2결합부(632)를 가공하는 단계;
상기 허브(5)의 제2결함홈(516)에 상기 블레이드(6)의 트리밍 후 제2결합부(632)를 삽입 고정하는 단계; 및
상기 쉬라우드(7)의 제1결합홈(76)에 상기 블레이드(6)의 트리밍 후 제1결합부(622)를 삽입 고정하는 단계;를 포함하는 임펠러의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제1결합부와 제2결합부를, 상기 블레이드부(61)와 연결되고 상기 임펠러의 반경 방향을 따라 연속적으로 연결된 형태로 성형하는 임펠러의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제1결합부(62)와 상기 제1결합홈(76), 상기 제2결합부(63)와 상기 제2결합홈(516)을 브레이징 또는 접착 결합하는 임펠러의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 쉬라우드(7)가:
임펠러가 회전할 때 유체가 유입되는 통로가 되는 유체 유입공(74)을 규정하는 원통부(71); 및
상기 원통부(71)의 단부에서 반경 방향으로 외향 연장되되, 외측으로 연장될수록 상기 허브(5) 쪽으로 연장되는 상판경사부(75);를 포함하도록 성형하고,
상기 제1결합홈(76)을 상기 상판경사부(75)의 저면에 가공하는 임펠러의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 허브(5)는:
상기 블레이드(6)와 결합되는 하판(51); 및
상기 회전축과 결합되는 축연결부(52);를 포함하고,
상기 하판(51)과 축연결부(52)를 별도로 제작한 후 상기 축연결부(52)를 상기 하판(51)의 중심에 결합하는 임펠러의 제조 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 하판(51)이:
상기 축연결부(52)와 접하고, 상기 축연결부(52)의 축수용홀(524)과 연통하는 연통홀(514)이 마련된 결합면(511); 및
상기 결합면(511)에서 반경 방향으로 외향 연장되되, 외측으로 갈수록 상기 쉬라우드(7)에서 멀어지는 쪽으로 연장되는 하판경사부(514);를 포함하도록 프레스 가공하는 임펠러의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제1결합홈(76)과 제2결합홈(516)의 반경방향 외측 단부는 지지턱부에 의해 막혀 있는 형태가 되도록 성형하는 임펠러의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 블레이드부(61)를 3차원 곡면 형상으로 가공하고,
상기 제1결합부(62)와 제2결합부(64)를 2차원 곡면 형상으로 가공하는, 임펠러의 제조 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 제1결합부(62)의 2차원 곡면 형상이 상기 제2결합부(63)의 2차원 곡면 형상과 다르도록 가공하는, 임펠러의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 허브(5), 쉬라우드(7) 및 블레이드(6)는 금속 판 소재를 프레스 가공하여 성형하는 임펠러의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제1결합부(62)의 제1측벽부(624), 상기 제2결합부(63)의 제2측벽부(634), 상기 제1결합홈(76)의 제1내측벽면(764), 및 상기 제2결합홈(516)의 제2내측벽면(5164)을, 상기 회전축에 평행한 면을 이루도록 가공하는 임펠러의 제조 방법.