KR102521128B1 - 불균형한 블레이드 간격을 갖는 축방향 팬 - Google Patents

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Abstract

축방향 팬은 허브 및 상기 허브의 주변으로부터 연장되는 복수의 블레이드들을 포함한다. 상기 블레이드들 각각은 선두 에지에서 후미 에지로 그리고 루트에서 팁으로 변하는 두께를 가진다. 상기 블레이드들은 불균형한 패턴으로 상기 허브의 주변 주위에 불균일하게 이격되어 있다. 상기 팬은 상기 복수의 블레이드들 중 블레이드 두께의 변화에 의해 균형을 이룬다.

Description

불균형한 블레이드 간격을 갖는 축방향 팬
본 발명은 일반적으로 다른 용도 중에서도 자동차 엔진 냉각 팬으로서 사용될 수 있는 축류 팬에 관한 것이다.
엔진 냉각 팬은 일반적으로 내연 기관을 냉각시키는 라디에이터, 에어컨 응축기를 포함하는 한 세트의 열교환기 및 아마도 추가의 열교환기를 통해 공기를 이동시키기 위해 자동차에 사용된다. 이러한 팬은 일반적으로 열교환기와 팬 사이의 공기를 유도하고 재순환을 제어하는 슈라우드에 배치된다. 전형적으로, 이들 팬은 모터 마운트로부터 슈라우드까지 연장되는 복수의 암에 의해 지지되는 전기 모터에 의해 구동된다.
이들 팬들에 의해 발생된 공기 역학적 소음은 광대역 소음 및 음향 톤 모두를 포함한다. 이 톤은 블레이드의 상류 및 하류 유동 난류에 대한 반응인, 블레이드에 대한 시변 력에 의해 발생된다. 상류 난류는 일반적으로 슈라우드 및 열교환기의 축 비대칭 특성으로 인한 것이며, 하류 난류는 모터 지지 암과 팬 블레이드에 가까운 다른 물체로 인한 것이다.
이들 유동 난류에 응답하여 각 블레이드에 의해 발생된 소음의 스펙트럼은 샤프트 회전 속도의 많은 고조파로 구성된다. 블레이드들이 균일하게 이격되면, 전체 팬에서 발생하는 소음 스펙트럼은 블레이드 속도의 고조파(블레이드 수와 샤프트 속도의 곱)로만 구성된다. 파괴적 간섭은 블레이드 속도 고조파들 사이의 고조파들을 상쇄시키고, 구성적 간섭은 블레이드 속도 고조파들에서 톤을 향상시킨다. 이러한 톤은 주관적으로 매우 성가시게 할 수 있으며 설계자는 종종 이러한 성가심을 최소화하기 위해 팬 기하학적 형상을 수정한다.
설계자가 주관적 소음 품질을 개선할 수 있는 한 가지 방법은 팬 블레이드를 불균일하게 이격시키는 것이다. 양호한 팬 성능을 유지하기 위해서는, 불균일의 정도가 제한되어야 한다. 그러나 약간의 불균일이 있어도, 팬 스펙트럼의 고차 블레이드 속도 고조파를 크게 줄일 수 있다. 팬 스펙트럼에서 블레이드 속도 고조파가 감소함에 따라, 간격이 균일한 팬의 경우 존재하지 않는 다른 샤프트 고조파가 증가한다. 다시 말해서, 블레이드가 불균일하게 배치되면, 건설적이고 파괴적인 톤 상쇄가 감소된다. 그 결과 간격이 균일한 팬보다 주관적으로 덜 성가신 소음 특징을 갖는 팬일 수 있다.
불균일한 간격의 팬의 각 블레이드는 약간 다른 유입을 나타내고, 다소 다른 양의 리프트, 피치 및 캠버를 개발하는데 요구되기 때문에, 심지어는 각각의 블레이드의 코드는 다른 블레이드에 대한 그 위치에 따라서 이상적으로 조정될 수 있다. 그러나 합리적인 양의 불균일성을 위해, 동일한 기하학적 형상의 블레이드를 사용하는 것이 종종 가능하다. 실제로, 균일한 간격의 팬은 동일한 블레이드 기하학적 형상을 사용하는 균일한 간격의 팬과 동일한 성능을 갖는 것으로 종종 관찰된다.
불균일한 간격의 블레이드를 갖는 팬의 디자인에 대한 하나의 제약은 팬이 균형을 이루는 것이다. 팬의 불균형으로 인해 팬 조립체에 불안정한 힘이 유발되고 이는 샤프트 속도 소음 및 진동을 유발시킨다. 특정 위치에서 중량체(클립 또는 밸런스 볼)를 추가하거나 빼서 소량의 불균형을 보정할 수 있지만, 부적당한 블레이드 간격에 의해 유발된 것과 같이 다량의 불균형을 보정할 때는 실용적이지 않다. 따라서, 팬 블레이드의 원하는 위치를 계산할 때, 일반적으로 이들 블레이드 위치들 중 2개의 위치는 균형 요구사항 - 각각의 가로 축 주위의 균형에 대한 하나에 따라 결정되어야 한다. 블레이드의 디자인이 동일한 경우, 이러한 방식은 커플링 불균형이 불균일한 블레이드 간격에 의해 발생하지 않도록 한다.
비록 균형을 보장하는 광범위한 블레이드 간격 배치가 다수의 블레이드를 갖는 팬의 설계자에게 이용가능하지만, 더 적은 수의 블레이드를 갖는 팬의 설계자는 선택의 여지가 적다. 특히, 4-블레이드 팬의 블레이드 간격은 임의로 선택할 수 있는 단지 하나의 블레이드 사이의 간격만을 가진다. 해당 공간이 선택되면, 다른 모든 블레이드 사이의 간격은 균형 요구사항에 따라 결정된다. 3-블레이드 팬은 균형을 보장하는 불균일한 간격의 블레이드 배열을 사용할 수 없다는 점에서 더욱 문제가 된다.
이 문제에 대한 하나의 해결책은 블레이드 간격에 약간의 유연성이 요구되는 팬에서 항상 5 개 이상의 블레이드를 사용하는 것이다. 그러나 더 적은 수의 블레이드를 사용하면 공기 역학적 이점이 종종 있다. 특히, 저 부하 팬은 블레이드의 견고성이 덜 필요하며, 블레이드 면적이 감소된 블레이드보다 적은 수의 블레이드를 사용하는 것이 좋다. 특히 팬 블레이드들 사이의 거리를 최대화하여 와류 상호 작용 소음이 최소화되기 때문에, 팁이 자유로운 팬은 적은 수의 블레이드를 사용하면 유리하다.
그러므로 적은 블레이드 수의 공기 역학적 및 소음 장점을 갖지만 불균일한 간격의 블레이드 간격의 주관적인 소음 이점을 갖는 팬이 필요하다.
일 양태에서, 본 발명은 허브 및 상기 허브의 주변으로부터 연장되는 복수의 블레이드들을 포함하는 축방향 팬을 제공한다. 상기 블레이드들 각각은 선두 에지에서 후미 에지로 그리고 루트에서 팁으로 변하는 두께를 가진다. 상기 블레이드들은 불균형한 패턴으로 상기 허브의 주변 주위에 불균일하게 이격되어 있다. 상기 팬은 상기 복수의 블레이드들 중 블레이드 두께의 변화에 의해 균형을 이룬다.
본 발명의 다른 양태에서, 제 1 블레이드의 블레이드 두께는 각각의 다른 블레이드들의 두께를 형성하기 위해 개별 블레이드 두께 계수들에 의해 조정되고, 상기 블레이드 두께 계수들은 상기 팬이 균형을 이루는 방식으로 상기 복수의 블레이드들 중에서 변한다.
본 발명의 다른 양태에서, 복수의 블레이드들 중 최대 두께의 블레이드의 두께 계수를 복수의 블레이드들 중 최소 두께의 블레이드의 두께 계수로 나눈 것으로 규정된 비율은 적어도 1.05이다.
본 발명의 다른 양태에서, 복수의 블레이드들 중 최대 두께의 블레이드의 두께 계수를 복수의 블레이드들 중 최소 두께의 블레이드의 두께 계수로 나눈 것으로 규정된 비율은 적어도 1.10이다.
본 발명의 다른 양태에서, 복수의 블레이드들 모두의 블레이드 두께 계수는 고유하다.
본 발명의 다른 양태에서, 복수의 블레이드들 중 2 개를 제외한 모든 블레이드의 블레이드 두께 계수는 고유하다.
본 발명의 다른 양태에서, 복수의 블레이드들은 정확히 3 개의 블레이드들로 구성된다.
본 발명의 다른 양태에서, 복수의 블레이드들은 정확히 4 개의 블레이드들로 구성된다.
본 발명의 다른 양태에서, 복수의 블레이드들 각각에 의해 형성된 평균 표면은 동일하다.
본 발명의 다른 양태에서, 축방향 팬은 팁이 자유로운 축방향 팬이다.
본 발명의 다른 양태에서, 축방향 팬은 자동차 엔진 냉각 팬이다.
본 발명의 다른 양태에서, 복수의 블레이드들의 간격은 대칭 선에 대해 대칭이다.
본 발명의 다른 양태에서, 복수의 블레이드들의 간격은 대칭 선에 대해 대칭이며, 그 위치가 대칭 선에 대해 대칭인 복수의 블레이드들 중 2 개의 블레이드는 동일한 두께를 갖는다.
본 발명의 다른 양태에서, 복수의 블레이드들 중 인접한 블레이드들 사이의 최대 간격 각도를 복수의 블레이드들 중 인접한 블레이드들 사이의 최소 간격 각도로 나눈 것으로 규정된 비율은 적어도 1.15이다.
본 발명의 다른 양태에서, 복수의 블레이드들 중 인접한 블레이드들 사이의 최대 간격 각도를 복수의 블레이드들 중 인접한 블레이드들 사이의 최소 간격 각도로 나눈 것으로 규정된 비율은 적어도 1.20이다.
본 발명의 다른 양태에서, 복수의 블레이드들 중 인접한 블레이드들 사이의 최대 간격 각도를 복수의 블레이드들 중 인접한 블레이드들 사이의 최소 간격 각도로 나눈 것으로 규정된 비율은 1.80 이하이다.
본 발명의 다른 양태에서, 복수의 블레이드들 중 인접한 블레이드들 사이의 최대 간격 각도를 복수의 블레이드들 중 인접한 블레이드들 사이의 최소 간격 각도로 나눈 것으로 규정된 비율은 1.60 이하이다.
도 1a는 용어의 일부 정의를 갖는 팬의 개략도이다.
도 1b는 일부 단면 특성의 정의를 갖는 도 1a의 팬을 통한 대표적인 원통형 섹션을 도시한 도면이다.
도 2a는 종래 기술의 균일한 간격의 5-블레이드 팬의 개략도이다.
도 2b는 도 2a의 팬의 톤 스펙트럼의 개략도이다.
도 2c는 도 2b의 팬 톤 스펙트럼을 초래하는 추정된 단일-블레이드 톤 스펙트럼의 개략도이다.
도 3a는 종래 기술의 불균일한 간격의 5-블레이드 팬의 개략도이다.
도 3b는 도 3a의 팬의 톤 스펙트럼의 개략도이다.
도 4a는 종래 기술의 균일한 간격의 4-블레이드 팬의 개략도이다.
도 4b는 도 4a의 팬의 톤 스펙트럼의 개략도이다.
도 4c는 도 4b의 팬 톤 스펙트럼을 초래하는 추정된 단일-블레이드 톤 스펙트럼의 개략도이다.
도 5a는 종래 기술의 불균일한 간격의 4-블레이드 팬의 개략도이다.
도 5b는 도 5a의 팬의 톤 스펙트럼의 개략도이다.
도 6a는 본 발명에 따른 불균일한 간격의 4-블레이드 팬의 개략도이다.
도 6b는 도 6a의 팬의 톤 스펙트럼의 개략도이다.
도 6c는 최대 블레이드 두께 계수 대 최소 블레이드 두께 계수의 비율이 도 6a의 팬의 블레이드 번호 2에 대해 선택된 두께 계수에 따라 어떻게 변하는지를 나타내는 그래프이다.
도 6d는 도 6a의 팬의 블레이드를 통한 대표적인 원통형 섹션을 나타내고, 균형을 보장하는 한 세트의 상대 두께를 도시한다.
도 7a는 블레이드 간격이 하나의 축에 대해 대칭인, 본 발명에 따른 불균일한 간격의 4-블레이드 팬의 개략도이다.
도 7b는 도 7a의 팬의 톤 스펙트럼의 개략도이다.
도 7c는 도 7a의 팬의 블레이드를 통한 대표적인 원통형 섹션을 나타내며, 단지 2 개의 두께 계수를 사용하여 균형을 보장하는 상대 두께를 도시한다.
도 8a는 종래 기술의 균일한 간격의 3 블레이드의 개략도이다.
도 8b는 도 8a의 팬의 톤 스펙트럼의 개략도이다.
도 8c는 도 8b의 팬 톤 스펙트럼을 초래하는 추정된 단일-블레이드 톤 스펙트럼의 개략도이다.
도 9a는 본 발명에 따른 불균일한 간격의 3-블레이드 팬의 개략도이다.
도 9b는 도 9a의 팬의 톤 스펙트럼의 개략도이다.
도 9c는 도 9a의 팬의 블레이드를 통한 대표적인 원통형 섹션을 도시하며, 균형을 보장하는 상대 두께를 도시한다.
도 10a는 블레이드 간격이 하나의 축에 대해 대칭인 본 발명에 따른 불균일한 간격의 3-블레이드 팬의 개략도이다.
도 10b는 도 10a의 팬의 톤 스펙트럼의 개략도이다.
도 10c는 도 10a의 팬의 블레이드를 통한 대표적인 원통형 섹션을 나타내고, 균형을 보장하는 상대 두께를 도시한다.
본 발명의 임의의 실시예가 상세하게 설명되기 전에, 본 발명은 이하의 기술에서 설명되거나 이하의 도면에 도시된 구성의 세부사항 및 구성요소의 세부사항으로 본 발명의 적용에 제한되지 않음을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 실시예들이 가능하고 다양한 방식으로 실시되거나 수행될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 명세서에 개시된 각각의 팬을 참조하여, 설명 및 도면의 나머지 부분에 걸쳐 사용되는 기본 용어를 정의하는데 사용된다. 도 1a는 허브(H)의 주변 표면으로부터 연장되는 복수의 블레이드(B)를 갖는 팬의 개략도이다. 팬 반경(R)은 블레이드 팁의 후미 에지의 반경으로 규정된다. 선두 에지(1), 후미 에지(2), 블레이드 루트(3) 및 블레이드 팁(4)이 도시되어 있다. 원주 섹션(A-A)은 반경 "r"로 표시되어 있다.
도 1b는 도 1a의 원주 섹션 A-A의 도면이다. 블레이드 섹션(100)은 선두 에지(101) 및 후미 에지(102)를 갖는다. 블레이드의 중간 선(105)은 마주하는 "하부" 표면과 "상부" 표면(106, 107) 사이의 중간에 위치하는 선으로 규정된다. 더욱 정확하게는, 중간 선(105)에 대해 수직으로 측정된 중간 선(105) 상의 지점으로부터 상부 표면(107)까지의 거리는 중간 선(105)에 대해 수직으로 측정된 중간 선(105) 상의 지점으로부터 하부 표면(106)까지의 거리와 동일하다. 중간 선 아크 길이는 "A"로 규정된다. 중간 선(105)을 따르는 임의의 위치 "a"에서의 블레이드 두께 "t"는 그 위치의 중간 선에 대해 수직으로 측정된 상부 표면(107)과 하부 표면(106) 사이의 거리이다. 두께는 중간 선(a/A) 및 반경 방향 위치(r/R)를 따른 위치의 함수로서 특정될 수 있다.
블레이드의 평균 표면은 상기 규정된 바와 같이, 임의의 반경에서의 원주 섹션이 그 반경의 중간 선과 동일한 표면으로 규정된다.
블레이드 "θ"의 각도 위치는 임의의 고정 각도 위치에 대한 블레이드 상의 대표 지점의 각도 위치로서 규정되고, 2 개의 인접한 블레이드들 사이의 각도 간격 "δ"는 두 블레이드들의 대표 지점들 사이의 각도 거리로서 규정된다. 본 문헌의 도 1a 및 다른 도면에서, 대표 지점은 팬 반경 R과 동일한 반경 위치에서 블레이드의 선두 에지와 후미 에지 사이의 절반으로 추정된다. 그러나, 모든 블레이드에 대해 동일한 대표 지점이 추정되는 한, 다른 대표 지점이 선택될 수 있다. 유사하게, 본 문헌의 도 1a 및 다른 도면에서, 임의의 고정 각도 위치는 y 축의 위치이지만, 임의의 다른 고정 각도 위치가 사용될 수 있다.
도 2a는 균일한 간격의 블레이드(B1 내지 B5)를 갖는 종래 기술의 5-블레이드 팬을 도시한다. 각 블레이드 팁의 각도 위치는 θi로 표시되며, 여기서 "i"는 블레이드의 인덱스이다. 인접한 블레이드들 사이의 각도 간격은 일정한 72 도이다.
도 2c는 회전할 때 도 2a의 팬의 단일-블레이드에 의해 발생되는 추정된 음향 톤의 스펙트럼의 "막대 그래프"를 도시한다. 이것은 다른 블레이드도 톤을 생성하기 때문에 이 스펙트럼에 해당하는 소음을 듣지 못할 것이라는 점에서 이론적인 스펙트럼이다. 도 2c에 도시된 단일-블레이드 스펙트럼에서, 모든 샤프트 고조파 차수는 동일한 크기를 갖는다. 이것은 시간 영역에서 임펄스인 음압(sound pressure)에 해당한다. 실제 단일-블레이드 스펙트럼은 팬 작동 환경의 세부사항에 따라 다르다. 일반적으로 알려지지 않았으며 실험에서만 추론할 수 있다. 그러나 임펄시브 스펙트럼을 추정하면, 다양한 운영 환경에서 효과적인 블레이드 간격을 선택할 수 있다.
도 2b는 도 2c의 추정된 임펄시브 단일-블레이드 스펙트럼에 기초하여 도 2a의 전체 팬의 톤 소음 스펙트럼을 도시한다. 블레이드 번호 5의 배수와 같은 샤프트 속도 차수의 톤은 건설적인 간섭으로 인해 201og5 = 14dB 만큼 증가한 반면, 다른 모든 샤프트 속도 고조파는 파괴적인 간섭으로 인해 존재하지 않는다. 단일-블레이드 샤프트 속도 고조파 톤은 -14dB 레벨로 추정하여 팬 스펙트럼에서 블레이드 속도 차수를 0dB 레벨로 만든다.
도 3a는 불균일한 간격의 블레이드를 갖는 종래 기술의 팬을 도시하며, 각각의 블레이드는 동일한 기하학적 형상을 갖는다. 블레이드 간격은 다음 관계식이 유지되는 것을 보장하도록 선택되기 때문에, 이 팬은 완벽한 균형을 유지한다.
Figure 112019112128728-pct00001
여기서 θi는 i 번째 블레이드의 각도 위치이고, Z는 블레이드의 총 수이며, 도 3a의 팬의 경우 5이다. 이 두 방정식은 블레이드가 각각 y 축과 x 축에 대해 균형을 이루고 있음을 나타낸다. 이 두 방정식을 만족하는 임의의 블레이드 간격을 균형 간격 또는 균형 패턴이라고 한다.
도 3a는 단지 한 세트의 블레이드 위치 각도를 도시하지만, 5 개의 동일한 블레이드의 다른 균형 배열도 가능하다. 하나의 블레이드 위치 각도는 단순히 팬의 회전 각도를 고정시킨다. 두 개의 블레이드 각도를 임의로 지정할 수 있으며 나머지 두 블레이드 각도는 균형 요구사항에 따라 결정된다.
도 3b는 단일-블레이드 스펙트럼이 모든 블레이드에 대해 같고 도 2c에 도시된 것과 동일하다고 추정하는, 도 3a의 팬의 톤 스펙트럼의 개략도를 도시한다. 비교를 위해 균일한 간격의 팬(도 2b)의 스펙트럼은 점선으로 표시된다. 불균일한 블레이드 간격을 갖는 팬의 스펙트럼은 블레이드 속도의 고조파에서 톤이 감소하고 블레이드 속도의 고조파가 아닌 샤프트 속도의 고조파에서 톤이 관찰 가능하다. 제 1 블레이드 속도 고조파의 톤은 약간 감소하지만 높은 블레이드 속도 고조파 톤은 크게 감소한다. 주관적으로, 대부분의 관찰자들은 불균일한 간격의 팬의 소음이 균일한 간격의 팬의 소음보다 덜 성가신 것으로 간주한다.
도 4a는 균일한 간격의 블레이드(B1 내지 B4)를 갖는 종래 기술의 4-블레이드 팬을 도시한다. 인접한 블레이드들 사이의 각도 간격은 일정한 90 도이다. 도 4c는 도 4b의 팬 스펙트럼을 초래하는 임펄시브 단일-블레이드 스펙트럼을 도시한다. 5 블레이드 균일한 간격의 팬의 경우와 같이, 강한 톤은 블레이드 속도의 고조파인 샤프트 속도 고조파에 있으며 다른 샤프트 속도 고조파에는 톤이 없다. 도 4c의 임펄시브 스펙트럼은 팬 스펙트럼의 블레이드 속도 톤의 크기가 0dB이 되도록 조정되었다.
도 5a는 불균일한 간격의 블레이드(B1 내지 B4)를 갖는 종래 기술의 4-블레이드 팬을 도시하며, 이들 각각은 동일한 기하학적 형상을 갖는다. 이 팬은 균형이 완벽하다. 4 개의 동일한 블레이드의 다른 균형 배열도 가능하다. 4-블레이드 팬의 경우, 인접한 두 블레이드들의 각도 위치를 임의로 선택할 수 있으며 나머지 두 블레이드 각도는 균형 요구사항에 따라 결정된다. 임의의 각도 중 하나는 단순히 팬의 회전 각도를 고정시켜서, 균형 패턴의 블레이드를 선택할 때 단 하나의 자유도가 있다. 4 개의 동일한 블레이드의 모든 균형 패턴은 2 세트의 직경 대향 블레이드를 특징으로 한다.
도 5b는 단일-블레이드 스펙트럼이 모든 블레이드에 대해 동일하고 도 4c에 도시된 것과 같다고 추정하는, 도 5a에 도시된 팬의 톤 스펙트럼의 개략도를 도시한다. 비교를 위해, 균일한 간격의 팬(도 4b)의 스펙트럼은 점선으로 표시된다. 도 5a에 도시된 팬의 블레이드 간격은 원주 방향으로 균일한 간격의 2 개의 동일한 블레이드 그룹을 포함하기 때문에, 팬 스펙트럼은 짝수의 샤프트-고조파 수에서만 0이 아닌 톤을 가지며 홀수의 샤프트-고조파 숫자에서 0인 톤을 갖는다. 이는 톤 에너지가 다른 고조파로 확산되는 정도를 줄이고 불균일한 블레이드 간격의 장점을 줄이다.
도 6a는 본 발명에 따른 불균일한 간격의 4-블레이드 팬을 도시한다. 원하는 톤 특성을 달성하기 위해 이격된 이 팬의 블레이드(B1 내지 B4)는 각 블레이드마다 일정한 계수에 의해 상이한 블레이드 두께를 제외하고는 동일한 기하학적 형상을 가진다. 동일한 간격(도 4a) 또는 균형 간격(도 5a)을 갖는 팬의 경우의 팬 블레이드의 두께는 "디자인 두께"로 간주될 수 있다. 이 두께 td(a/A, r/R)는 선두 에지(1)에서 후미 에지(2)까지, 루트(3)에서 팁(4)까지 변화된다. 도 6a의 팬의 i 번째 블레이드에서 모든 위치의 두께는 임의의 블레이드에 대해 일정하지만 블레이드마다 상이한 두께 계수 Ti가 곱해진 해당 위치의 디자인 두께와 동일할 것이다.
Figure 112019112128728-pct00002
균형 팬을 초래할 Ti의 값은 다음 방정식의 솔루션에 의해 주어진다:
Figure 112019112128728-pct00003
이러한 방정식은 균일하며 Ti 값의 임의의 솔루션 세트에 상수 계수를 곱하여 다른 솔루션 세트를 얻을 수 있다. 따라서, Ti의 값을 임의로 1.0으로 설정할 수 있다. 그 다음 Z-1의 미지의 Ti의 값과 두 개의 방정식을 만족시킨다.
4-블레이드 팬의 경우, Ti(1.0과 동일한 T1에 더하여)의 하나의 값은 임의로 선택될 수 있고, 나머지 2 개의 값은 2 개의 균형 방정식을 만족시킴으로써 결정된다. 가변 두께의 블레이드를 갖는 것에 기인할 수 있는 임의의 문제점을 최소화하기 위해, 임의의 두께 계수는 복수의 블레이드들 중 최대 두께의 블레이드의 두께 계수(Tmax)를 복수의 블레이드들 중 최소 두께의 블레이드의 두께 계수(Tmin)로 나눈 것으로 규정된 비율을 최소화하도록 선택될 수 있다. 도 6a에 도시된 팬의 경우, 도 6c는 T1가 1.0과 동일한 것으로 추정하는, 추정된 값 T2를 갖는 비율의 변화의 플롯을 도시한다. 도 6c에 도시된 바와 같이, 최대 블레이드 두께 계수 대 최소 블레이드 두께 계수의 비율은 최소값이 1.15 내지 1.20이고, 보다 구체적으로 1.169이다.
상기 방정식 세트를 만족시킴으로써 팬의 균형이 보장되지만, 구조적, 제조 및 비용 문제는 최소 및/또는 최대 블레이드 두께를 지시할 수 있다. 이 경우, Ti 값의 전체 세트는 개별적인 두께 계수로서 적용되기 전에 일정한 계수로 곱해질 수 있다.
도 6d는 도 6a의 팬의 4 개의 블레이드 각각을 통해 모두 블레이드 팁의 반경의 0.8 배와 같은 반경인 원통형 섹션을 도시한다. 이 섹션에는 균형 계수 팬을 초래하는 한 세트의 두께 계수 Ti를 나타낸다. 이 예에서, T2는 도 6c에 도시된 바와 같이 최소 두께 비율에 대응하는 값이 되도록 선택되었다. 알 수 있는 바와 같이, 이러한 T2의 선택으로 인해 결과적으로 T4가 T1와 동일하게 된다.
도 6b는 단일-블레이드 스펙트럼이 모든 블레이드에 대해 동일하고 도 4c에 도시된 것과 동일하다고 추정하는, 도 6a에 도시된 팬의 스펙트럼의 개략도를 도시한다. 점선 막대는 균일한 간격의 4-블레이드 팬(도 4b)의 톤을 나타낸다. 도 6a에 도시된 팬의 블레이드(B1 내지 B4)는 2 개의 동일한 블레이드 그룹을 형성하지 않기 때문에, 결과적인 팬 스펙트럼은 샤프트 속도의 모든 고조파에서 0이 아닌 톤을 가지며, 주관적 소음은 도 5a의 팬과 비교될 때 개선될 가능성이 있다.
도 7a는 블레이드 간격이 대칭인 본 발명에 따른 불균일한 간격의 4-블레이드 팬을 도시한다. 대칭 블레이드 간격은 도 7a에 "L"로 도시된 대칭 선이 존재하는 것으로 규정되며, 그 대칭 선에 대한 각각의 블레이드의 각도 위치는 동일하지만 그 대칭 선에 대한 다른 블레이드의 각도의 위치와 반대 부호이다. 대칭 선에 대한 균형은 대칭 위치를 갖는 각 블레이드 세트 - 블레이드(B1 및 B4) 및 블레이드(B2 및 B3) - 에 대해 두께 계수가 동일할 때 달성된다. 두 세트의 블레이드의 상대적인 두께 계수에 대해 하나의 균형 방정식만 풀어야 한다. 이 팬은 두개의 다른 블레이드 디자인으로만 만들어질 수 있으며, 이는 팬 제조시 약간의 단순화를 제공할 수 있다. 예를 들어, 이는 블레이드를 개별적으로 성형한 다음 팬 허브에 부착하는 경우 필요한 사출 금형 수를 줄일 수 있다.
도 7c는 도 7a의 팬의 4 개의 블레이드 각각을 통해 블레이드 팁의 반경의 0.8 배와 동일한 반경으로 원통형 섹션을 도시한다. 이 섹션에서는 균형 팬을 얻게 하는 두께 계수(Ti)를 나타낸다. 블레이드(B1 및 B4)와 블레이드(B2 및 B3)의 두께 계수는 동일하다.
도 7b는 단일-블레이드 스펙트럼이 모든 블레이드에 대해 동일한 것으로 추정하는, 도 7a에 도시되고 도 4c에 도시된 것과 동일한 팬의 톤 스펙트럼의 개략도를 도시한다. 점선 막대는 균일한 간격의 4-블레이드 팬(도 4b)의 톤을 나타낸다. 도 7b의 스펙트럼을 도 6b 및 도 5b의 스펙트럼과 비교함으로써, 불균형 간격의 장점은 블레이드의 대칭 배열의 선택에 의해 다소 손상된다는 것을 알 수 있지만, 여전히 균형 간격을 갖는 종래 기술의 팬에 대해서 여전히 상당한 장점을 나타낸다.
도 8a는 균일한 간격의 블레이드를 갖는 종래 기술의 3-블레이드 팬을 도시한다. 인접한 블레이드들 사이의 각도 간격은 일정한 120 도이다. 도 8c는 도 8b의 팬 스펙트럼을 초래하는 임펄시브 단일-블레이드 스펙트럼을 도시한다. 균일한 간격의 블레이드를 갖는 4-블레이드 또는 5-블레이드 팬의 경우와 같이, 강한 톤은 블레이드 속도의 고조파인 샤프트 속도 고조파에 있으며 다른 샤프트 속도 고조파에는 톤이 없다. 도 8c의 임펄시브 스펙트럼은 팬 스펙트럼의 블레이드 속도 톤의 크기가 0dB이 되도록 조정되었다.
도 8a에 도시된 팬의 블레이드가 동일한 기하학적 형상을 갖는 경우, 팬은 균형을 이루지만, 3 개의 동일한 블레이드의 다른 배열은 균형 방정식을 만족시킬 수 없다.
도 9a는 본 발명에 따른 불균일한 간격의 3 블레이드 팬을 도시한다. 원하는 톤 특성을 달성하도록 이격된 이 팬의 블레이드는 블레이드 두께를 제외하고는 동일한 기하학적 형상을 가지며, 이는 각 블레이드마다 일정한 계수(Ti)만큼 다르다. 균형 팬을 초래하는 Ti의 값은 도 6a의 팬의 두께 계수를 지배하는 방정식의 솔루션을 통해 주어진다. T1는 1.0과 동일하기 때문에, 미지의 값 T2 및 T3에 대해 2 개의 균형 방정식이 해결될 수 있다.
도 9c는 도 9a의 팬의 3 개의 블레이드 각각을 통해 블레이드 팁의 반경의 0.8 배와 같은 반경으로 원통형 섹션을 도시한다. 이 섹션에서는 균형 팬을 초래하는 두께 계수(Ti)를 나타낸다.
도 9b는 단일-블레이드 스펙트럼이 모든 블레이드에 대해 동일하고 도 8c에 도시된 것과 같다고 추정하는, 도 9a에 도시된 팬의 톤 스펙트럼의 개략도를 도시한다. 점선 막대는 균일한 간격의 3-블레이드 팬(도 8b)의 톤을 나타낸다.
도 10a는 블레이드 간격이 대칭인 본 발명에 따른 불균일한 간격의 3-블레이드 팬을 도시한다. 홀수의 블레이드와 대칭 블레이드 간격을 갖는 팬은 블레이드 중 하나와 각도 위치가 동일한 대칭 선을 가져야 한다. 도 10a에서, 대칭 선은 블레이드(B2)와 동일한 각도 위치를 갖는다. 이 대칭 선에 대한 균형은 두께 계수가 대칭 위치를 가진 2개의 블레이드 - 블레이드(B1 및 B3) - 에 대해 동일할 때 달성된다. 이 2개의 블레이드와 비교되는 블레이드(B2)의 상대 두께 계수에 대해 하나의 균형 방정식만 풀어야 한다. 이 팬은 2개의 다른 블레이드 디자인으로만 만들어 질 수 있으며, 이는 팬 제조시 약간의 단순화 조치를 제공할 수 있다.
도 10c는 도 10a의 팬의 3 개의 블레이드 각각을 통해 블레이드 팁의 반경의 0.8 배와 동일한 반경으로 원통형 섹션을 도시한다. 이 섹션에서는 균형 팬을 초래하는 두께 계수(Ti)를 보여준다. 블레이드(B1 및 B3)의 두께 계수는 동일하다.
도 10b는 단일-블레이드 스펙트럼이 모든 블레이드에 대해 동일하고 도 8c에 도시된 것과 같다고 추정하는, 도 10a에 도시된 팬의 톤 스펙트럼의 개략도를 도시한다. 점선 막대는 균일한 간격의 3-블레이드 팬(도 8b)의 톤을 나타낸다. 도 10b의 스펙트럼을 도 9b 및 도 8b의 스펙트럼과 비교함으로써, 불균형 간격의 장점은 블레이드의 대칭 배열의 선택에 의해 크게 손상되지만, 균형 간격을 갖는 종래 기술의 팬에 대해서 여전히 상당한 장점이 있다는 것을 알 수 있다.
도 6a, 도 7a, 도 9a 및 도 10a에 도시된 각각의 팬의 블레이드는 두께를 제외하고 동일하고, 두 균형 방정식의 만족을 통해 정적 균형이 보장되므로, 커플 불균형도 역시 0이 될 것이다. .
약간의 간격 불균일은 소음 품질을 향상시키지만, 불균일을 증가시키는 것으로 소음 품질이 반드시 더 향상되지는 않는다. 팬 소음의 인지된 음조는 일반적으로 더 불균일한 간격으로 추가로 감소될 수 있지만, 어떤 시점에서 소리의 지각된 거칠기는 불쾌한 수준으로 증가할 수 있다. 높은 공기 역학적 효율을 유지하는 것과 같은 다른 고려 사항은 또한 블레이드 불균일의 정도가 제한됨을 지시할 수 있다. 불균일의 하나의 메트릭(metric)은 최대 인터 블레이드 간격(δmax)대 최소 인터 블레이드 간격(δmin)의 비율이다. 도 6a, 도 7a, 도 9a 및 도 10a에 표시된 팬은 1.354, 1.285, 1.226 및 1.300의 블레이드 간격 비율(δmax/δmin)을 갖는다. 본 발명의 일부 실시예는 더 큰 간격 비율을 가질 수 있고, 일부는 더 작은 간격 비율을 가질 수 있다. 간격 비율은 적어도 1.15이고, 일부 구성에서는 적어도 1.20일 수 있으며, 일부 구성에서는 간격 비율이 1.80 이하이거나 또는 1.60 이하일 수 있다.
도 6d, 도 7c, 도 9c 및 도 10c의 단면도는 1.169, 1.125, 1.313 및 1.286의 최대 두께 계수 대 최소 두께 계수 비율을 갖는 블레이드를 도시한다. 본 발명의 일부 실시예는 블레이드 두께 계수에서 더 큰 변화를 가질 수 있고, 일부는 더 적은 변화를 가질 수 있다. 최대 두께 계수 대 최소 두께 계수의 비율은 일부 구성에서 적어도 1.05이고, 일부 구성에서 적어도 1.10일 수 있다.
도시된 팬은 모두 팁이 자유로운 팬이다. 다시 말해서, 이들은 블레이드 팁들을 연결하는 밴드가 없다. 팁이 자유로운 팬은 3-블레이드 또는 4-블레이드 팬이 논리적 디자인 선택이 될 수 있는 경부하에서 높은 효율을 가지며 본 발명의 좋은 예이다. 그러나 밴딩 팬은 또한 불균형 블레이드 간격을 특징으로 하며 여기에 설명된 것과 같이 동일하지 않은 블레이드 두께를 사용하여 균형을 이룰 수 있다.
일부 위치에서, 다양한 블레이드의 두께 분포는 완벽하게 조정되지 않을 수 있다. 특히, 블레이드와 허브 사이의 필렛은 조정에 맞지 않을 수 있다. 유사하게, 블레이드가 본원에 참고로 포함된 미국 특허 제 9,404,511 호에 기술된 팁 기하학적 형상을 특징으로 하는 경우, 팁 영역의 두께는 완벽하게 조정되지 않을 수 있다. 완벽한 두께 조정에서 이들 및 기타 사소한 편차는 팬의 정적 및 결합 균형에 큰 영향을 미치지 않으며 나머지 불균형은 전통적인 방식으로 처리할 수 있다. 이들 팬은 여전히 본 발명의 장점을 나타내고, 그 범위에 포함된다.
본 발명의 몇몇 실시예가 설명되었지만, 본 발명의 장점은 다른 기하학적 형상 및 구성으로 확장된다. 본 발명의 진정한 범위를 규정하는 것은 도시된 실시예가 아니라 여기에 첨부된 청구 범위 및 그에 대한 모든 합리적인 동등물이다. 본 발명의 하나 이상의 양태에 따른 특성을 갖는 팬은 전방으로 비스듬히, 후방으로 비스듬히, 방사상으로, 또는 혼합으로 비스듬히 디자인될 수 있다. 유사하게, 본 발명의 하나 이상의 양태에 따른 팬은 임의의 평균 표면 기하학적 형상을 가질 수 있다.

Claims (17)

  1. 축방향 팬으로서;
    허브(hub); 및
    상기 허브의 주변으로부터 연장되는 복수의 블레이드(blade)들을 포함하고,
    상기 복수의 블레이드들 각각은 선두 에지에서 후미 에지로 그리고 루트(root)에서 팁(tip)으로 변하는 두께를 갖고,
    상기 복수의 블레이드들은 불균형한 패턴으로 상기 허브의 주변 주위에 불균일하게 이격되고, 그리고
    상기 팬은 상기 복수의 블레이드들 중 블레이드 두께의 변화에 의해 균형을 이루고,
    제 1 블레이드의 블레이드 두께는 각각의 다른 블레이드들의 두께를 형성하기 위해 개별 블레이드 두께 계수들에 의해 조정되고, 상기 블레이드 두께 계수들은 상기 팬이 균형을 이루는 방식으로 상기 복수의 블레이드들 중에서 변하는, 축방향 팬.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 블레이드들 모두의 블레이드 두께 계수들은 고유한, 축방향 팬.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 블레이드들 중 2개를 제외한 모두의 블레이드 두께 계수들은 고유한, 축방향 팬.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 블레이드들 중 최대 두께의 블레이드의 두께 계수를 상기 복수의 블레이드들 중 최소 두께의 블레이드의 두께 계수로 나눈 것으로 규정된 비율은 적어도 1.05인, 축방향 팬.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 블레이드들 중 최대 두께의 블레이드의 두께 계수를 상기 복수의 블레이드들 중 최소 두께의 블레이드의 두께 계수로 나눈 것으로 규정된 비율은 적어도 1.10인, 축방향 팬.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 블레이드들은 정확히 3 개의 블레이드들로 이루어지는, 축방향 팬.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 블레이드들은 정확히 4 개의 블레이드들로 이루어지는, 축방향 팬.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 블레이드들 각각의 평균 표면이 동일한, 축방향 팬.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 축방향 팬은 팁이 자유로운 축방향 팬인, 축방향 팬.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 축방향 팬은 자동차 엔진 냉각 팬인, 축방향 팬.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 블레이드들의 간격은 대칭 선에 대해 대칭인, 축방향 팬.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 대칭 선에 대해 위치들이 대칭인 상기 복수의 블레이드들 중 2 개의 블레이드들은 동일한 두께를 갖는, 축방향 팬.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 블레이드들 중 인접한 블레이드들 사이의 최대 간격 각도를 상기 복수의 블레이드들 중 인접한 블레이드들 사이의 최소 간격 각도로 나눈 것으로 규정된 비율은 적어도 1.15인, 축방향 팬.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 블레이드들 중 인접한 블레이드들 사이의 최대 간격 각도를 상기 복수의 블레이드들 중 인접한 블레이드들 사이의 최소 간격 각도로 나눈 것으로 규정된 비율은 적어도 1.20인, 축방향 팬.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 블레이드들 중 인접한 블레이드들 사이의 최대 간격 각도를 상기 복수의 블레이드들 중 인접한 블레이드들 사이의 최소 간격 각도로 나눈 것으로 규정된 비율은 1.80 이하인, 축방향 팬.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 블레이드들 중 인접한 블레이드들 사이의 최대 간격 각도를 상기 복수의 블레이드들 중 인접한 블레이드들 사이의 최소 간격 각도로 나눈 것으로 규정된 비율은 1.60 이하인, 축방향 팬.
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