KR200185528Y1 - 선박용 축류팬 - Google Patents

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Abstract

본 고안은 선박의 엔진 냉각 및 공조용으로 사용되는 대형 축류팬에 관한 것으로, 허브의 외주면에 일정 간격을 두고 형성되는 날개(blade)의 리딩 에지 (leading edge) 및 트레일링 에지(trailing edge)를 특정 2차 함수식에 적용하여 소정의 곡률로 만곡(彎曲)지도록 형성함으로써 축류 송풍기의 풍량을 기존의 모델과 대비하여 대략 24% 증대시키고, 이와 동시에 소음을 기존의 모델과 대비하여 대략 10dB(A)로 현저히 저감시키도록 한 것이다.

Description

선박용 축류팬{Axial fan of vessel}
본 고안은 선박의 엔진 냉각 및 공조용으로 사용되는 대형 축류팬에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 축류 송풍기의 풍량을 현저히 증대시키면서도 소음을 현저히 저감시킨 새로운 형태의 선박용 축류팬에 관한 것이다.
일반적으로, 전자레인지, 진공청소기와 같은 가전제품 등에 사용되는 소형 송풍기의 설계 기술은 대기업 연구소들을 중심으로 국내에서도 꾸준히 연구 개발되고 있으나, 선박의 엔진 냉각 및 공조용으로 많이 사용되는 대형 송풍기의 설계 기술은 제조업체의 낮는 기술력과 실험의 어려움으로 인하여 그 수준이 매우 낙후되어 있으며, 더욱이 최근들어 선박내 소음 규제가 강화되어 이에 대처할 수 있는 대형 송풍기의 저소음 설계가 시급한 실정이다.
도 1은 종래 기술에 의한 선박용 축류팬의 전형적인 실시 형태를 보인 정면도로써, 모델명은 HAV-120C이라고 한다.
상기한 종래의 선박용 축류팬은, 소정의 직경을 갖는 허브(1)의 외주면에 복수개의 날개(2)가 일정 간격을 두고 형성되어 있으며, 소정의 형상을 갖는 케이싱 (casing)(3)의 내부에 지지되어 있다.
도면에 도시한 바와 같은, HAV-120C 모델에 의하면, 12개의 날개(2)가 형성되어 있고, 허브(1)의 반지름은 300mm, 날개(2)의 끝단까지의 반지름은 595mm, 외벽 역할을 하는 케이싱(3)까지의 반지름은 600mm, 그리고 현절비(solidity)는 0.77이다. 도 2는 상기한 선박용 축류팬의 형상을 보인사시도이고, 도 3은 축류팬의 날개만 발췌하여 보인 사시도이다.
상기한 선박용 축류팬의 날개(2)의 개수 및 각종 스펙(spec)은 도면에 도시한 일예에 꼭 한정하지는 않으며, 그 기능 및 특성에 따라 변형이 가능하다.
한편, 상기한 날개(2)의 형상을 보다 상세하게 살펴보면, 도 3에 도시한 바와 같이, 리딩 에지(leading edge)(4) 및 트레일링 에지(trailing edge)(5)가 약각 만곡선(彎曲線)을 이루고 있음을 알 수 있다.
그러나, 상기와 같은 종래 기술에 의한 선박용 축류팬에 있어서는, 기존에 송풍기의 설계에 오랫동안 적용하여 왔던 통상적인 단순한 이론식이나 실험식에 의하여 제작된 것으로, 선박 내의 소음 규제에 효과적으로 대처하지 못하는 등, 송풍기의 성능을 보다 향상시키도록 개선하는 데에 한계를 가질 수 밖에 없었다.
즉, 종래의 선박용 축류팬에 의하면, 최근들어 선박 내에서 강력히 요구되는 소음 저감에 대한 충분한 만족감을 주지 못할 뿐만 아니라, 송풍량의 증대 측면에서 볼 때에도 충분하지 못하여 선박용 축류팬의 기본 요건이라고 할 수 있는 고풍량 및 저소음의 기대에 훨씬 미치지 못하는 것이었다.
따라서, 본 고안의 목적은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로, 날개의 최적 설계를 통해 축류 송풍기의 풍량을 현저히 증대시키는 동시에 소음을 현저히 저감시킬 수 있도록 한 선박용 축류팬을 제공하려는 것이다.
도 1은 종래 기술에 의한 선박용 축류팬의 전형적인 실시 형태를 보인 정면
도.
도 2는 종래 기술에 의한 선박용 축류팬의 사시도.
도 3은 종래 기술에 의한 선박용 축류팬의 날개를 보인 사시도.
도 4는 본 고안에 의한 선박용 축류팬의 설치 상태를 보인 정면도.
도 5는 본 고안에 의한 선박용 축류팬의 사시도.
도 6은 본 고안에 의한 선박용 축류팬의 날개만 발췌하여 보인 사시도.
도 7은 본 고안에 의한 선박용 축류팬 날개의 스윕각 분포를 설명하기 위한
정면도.
도 8은 본 고안에 의한 선박용 축류팬의 날개 프로파일을 설명하기 위한 단
면도.
도 9는 설계 도면상의 날개 단면(original)과, 최적 설계상의 초기 날개 단
면(initial)을 도시한 예시도.
도 10은 본 고안에 의한 선박용 축류팬의 설계를 위한 설계 변수의 변화 과
정을 보인 도표.
도 11은 본 고안에 의한 선박용 축류팬의 설계를 위한 목적함수의 변화과정
을 보인 도표.
도 12 및 도 13은 스윕각의 변화와 허브에서의 날개 단면 형상을 보인 예시
도.
도 14는 기존의 HAV-120C 모델과, 본 고안에 의한 선박용 축류팬의 성능을
실험하기 위하여 성능실험장치에 장착된 상태를 보인 개략도.
도 15는 기존의 HAV-120C 모델의 소음 스펙트럼을 약 52kHz까지 측정한 결과
를 보인 도표.
도 16 및 도 17은 성능실험장치의 각각 A 지점에서의 소음 파워 레벨을 3.2
kHz까지의 주파수와 Strouhal수로 보인 도표.
도 18 및 도 19는 성능실험장치의 각각 B 지점에서의 소음 파워 레벨을 주파
수와 Strouhal수로 보인 도표.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11 : 허브 12 : 날개
13 : 리딩 에지 14 : 트레일링 에지
상기와 같은 본 고안의 목적을 달성하기 위하여, 날개의 스윕각(Rn) 분포를(Rn)= 19.52 Rn2- 46.4 Rn + 47.36의 2차 함수식으로 표현함을 특징으로 하는 선박용 축류팬이 제공된다.
이때, 허브의 반경을 Rh, 팁 반경을 Rt, 날개의 임의의 반경을 R이라 할 때, 허브팁 비(Rh/Rt)는 0.4 ~ 0.6로 하며, Rn=(R-Rh)/(Rt-Rh)로 한다.
상기한 본 고안에 의하면, 종래 기술에 의한 기존의 모델과 대비하여 풍량을 대략 24% 증대시키고, 이와 동시에 소음을 기존의 모델과 대비하여 대략 10dB(A)로 현저히 저감시키는 이점이 있다.
도4는 본 고안에 의한 선박용 축류팬의 설치 상태를 보인 정면도이고, 도 5는 본 고안에 의한 선박용 축류팬의 사시도이며, 도 6은 본 고안에 의한 선박용 축류팬의 날개만 발췌하여 보인 사시도이고, 도 7은 본 고안에 의한 선박용 축류팬 날개의 스윕각 분포를 설명하기 위한 정면도를 보인 것이다.
도면중 11은 소정의 직경을 갖는 허브, 12는 상기 허브(11)의 외주면에 일정 간격을 두고 형성되는 날개, 13은 리딩 에지(leading edge), 14는 트레일링 에지 (trailing edge), 15는 케이싱을 각각 보인 것이다.
상기와 같은 본 고안에 의한 선박용 축류팬의 제작을 위한 최적 설계에서 풍량의 증대와 저소음의 구현을 최대 현안으로 삼았다.
먼저, 본 고안에 의한 선박용 축류팬의 최적 설계를 위한 목적함수(F)는 난류항과 압력항을 포함하도록 하였다.
여기서, 선박용 축류팬의 형상을 정의하는 많은 기하학적 변수들 중에서 다음과 같이 4개의 변수를 설계 변수로 채택하였다.
즉, 1. 최대두께(maximum thickness, t )
2. 최대캠버(maximum camber line, m )
3. 날개(12) 중간에서의 스윕각(sweep at the middle, n)
4. 날개(12) 끝에서의 스윕각(sweep at the tip, t)
상기한 설계 변수 중에서 최대캠버(m)는 리딩 에지(13)와 트레일링 에지(14)의 사이를 잇는 코드(chord)로부터 날개(12)의 단면을 보았을 때 최고 높이를 의미한다.
상기와 같은 본 고안에 의한 선박용 축류팬에 의하면, 스윕각의 분포를 날 개 (12)의 중간과 날개(12)의 끝에서 스윕한 거리를 반경 방향 날개 길이에 대한 백분율로 하여 2차 함수로 나타내기로 한다.
상기와 같은 스윕각의 분포식은 다음과 같다.
= 19.52 Rn2- 46.4 Rn + 47.36
Rn = 0,= 0
Rn = 0,5,= m
Rn = 1,= t
이때, 허브의 반경을 Rh, 팁 반경(날개(12)의 최대 반경)을 Rt, 날개의 임의의 반경을 R이라 할 때, 허브팁 비(Rh/Rt)는 0.4 ~ 0.6로하며, Rn=(R-Rh)/(Rt-Rh)로 한다.
상기한 허브팁 Rh/Rt는 본 고안의 실시예와 같이, 허브(11)의 반지름이 300mm, 날개(12)의 끝단까지의 반지름이 595mm인 것을 고려할 때, 0.504가 가장 좋다. 그러나, 꼭 이에 한정하는 것은 아니며 미소한 차이가 있어도 무방하다.
한편, 도 8에 도시한 바와 같이, 날개(12)의 단면 형상은 NACA Four-digit Wing Section을 이용하여 표현하였다. 이 방법은 날개(12)의 중심선(mean line)과, 두께 분포를 결합하여 날개(12)의 윗면과 아랫면의 좌표값을 얻는 방법이다.
이때, 날개(12)의 두께 분포는 다음과 같다.
여기서, t는 최대두께이고, 선단부(leading edge)(13)의 반경(rt)은 rt= 1.1019t2이다. 그리고, 날개(12)의 윗면과 아랫면의 중심선인 캠버선(camber line)에 대한 식은 다음과 같다.
수학식 2,3,4의 결합에 의해 도 8에 도시한 바와 같은 날개(12)의 형상이 결정된다. 이 때, 날개(12)의 윗면과 아랫면의 좌표는 다음과 같다.
날개의 윗면의 좌표 ;
xU= x - ytsinθ
yU= yc+ ytcosθ
날개의 아랫의 좌표 ;
xL= x + ytsinθ
yL= yc- ytcosθ
상기와 같은 본 고안에 의한 선박용 축류팬은, 도면에 도시한 바와 같이, 날개(12)의 리딩 에지(13) 및 트레일링 에지(14)가 소정의 곡률로 만곡을 이루도록 형성됨을 알 수 있다.
상기한 본 고안에 의한 선박용 축류팬을 제작하기 위한 설계 요소중, 날개 (12)의 스윕각 분포가 본 고안에서 한정적으로 권리로써 보호받고자 하는 사항이다.
한편, 본 고안에 의한 선박용 축류팬의 최적 설계 알고리즘에서는 형상이 반복적으로 변경되므로 격자 생성도 자동적으로 변화되어야 하는 바, 따라서 미분방정식에 의한 격자 생성 방법을 적용하면 속도가 느려지고 수렴이 안 될 경우에는 최적 설계 도중에 멈출 수 있는 문제를 고려하여 대수적인 방법을 사용하였다.
또한, 영각(attack angle)을 고정시키기 위해 최대 캠버의 변화량에 따라 스캐커각(stagger angle)을 변화시켜 주었다.
최적 설계의 초기 형상은 HAV-120C 모델을 함수화하여 사용하였는데, HAV-120C의 설계 도면상으로는 날개 선단부가 예각이나 실제 생산품은 라운딩되어 있으므로 최적 설계의 형상 함수에서는 라운딩 처리하였다.
도9에서는 설계 도면상의 날개 단면(original)과, 최적 설계상의 초기 날개 단면(initial)을 보여주고 있다.
최적 설계의 기법은 설계 변수의 수에 따라 수렴 시간이 비례하므로 본 고안에서는 첫 단계로 목적 함수에 민감하다고 생각되는 두 개의 변수(최대두께(t), 최대캠버(m))를 먼저 사용하고, 두 번째 단계에서는 다른 두 개의 변수(스윕각의 분포)를 사용하여 첫 단계의 최적 설계에 이어 최적화하였다.
도10은 설계 변수의 변화 과정을 나타낸 것이고, 도 11은 목적 함수의 변화 과정을 나타낸 것이다. 도면에 의하면 목적 함수가 효과적으로 감소되고 있음을 알 수 있으며, 아래의 표에는 이에 대한 상세한 값을 나타내고 있다.
History of Optimization
Iteration t(thickness) m(camber) sweep at middle m sweep attip t objectivefuction(F)
1 0.0950 0.0475 . . 0.2175
2 0.0950 0.0481 . . 0.2130
3 0.0939 0.0513 . . 0.2120
4 0.0939 0.0513 . . 0.2118
5 0.0940 0.0512 0. 0. 0.2119
6 . . 0.0750 0.0639 0.2042
7 . . 0.0772 0.0643 0.2041
8 . . 0.0779 0.0646 0.2052
9 . . 0.0897 0.0676 0.2039
10 . . 0.0934 0.0692 0.2038
11 . . 0.0909 0.0722 0.2038
최적 설계된 선박용 축류팬의 형성은 도 5와 같으며, 도 12 및 도 13은 스윕각의 변화와 허브에서의 날개 단면 형상을 각각 보인 것이다.
도면에 도시한 바와 같이, 스윕각의 분포는 회전 방향으로 휘어지고 최대캠버가 다소 커짐에 따라 스태커각이 커짐을 알 수 있다.
본 고안에 의한 선박용 축류팬과 기존의 선박용 축류팬과는 도 3 및 도 6을 비교함으로써 보다 확실하게 이해할 수 있을 것이다.
이하에서는 본 고안에 의한 선박용 축류팬의 송풍 특성 및 소음 특성을 기존의 선박용 축류팬과 비교 설명하기로 한다.
종래 기술에 의한 선박용 축류팬은 도 1 내지 도 3에 도시한 HAV-120C 모델로 하고, 본 고안에 의한 선박용 축류팬은 위에 적은 수학식을 적용하여 제작하기로 한다.
그리고, 유동 조건을 설명하면, 작동유체는 20℃로 하고, Reynolds 수는 1.7 106이다. 날개의 회전 속도는 작동 속도인 1175rmp으로 한다. 또한 축대칭으로 가정하고 주기 경계조건을 사용하였으며, 허브 아래의 고체 부분을 처리하기 위하여 이 부분의 점성값을 크게 하였다.
도1 및 도4는 종래 기술에 의한 HAV-120C 모델과, 본 고안에 의하여 최적화된 선박용 축류팬이 실험장치에 각각 장착된 상태를 보인 것이다.
소음 실험을 위해 도 14에 도시한 바와 같은 성능 실험장치에 송풍기를 장착하고, 날개 앞면에서 소음을 측정하였다.
소음 측정기의 설치 부위는 날개 입구면에서 90°방향으로 1.5m 떨어진 지 점 (A)이다.
먼저, 첫 번째 소음 실험의 결과는 아래의 표와 같다.
Test Results of optimal fan and HAV-120C
HAV-120C Otimal Fan Remark
Capacity(CMM mmAq) 1183 ×40 1468 ×40 + 24 %
Rating Current(A) 32.33 36.1 -
Shaft Hores Power(Kw) 18.0 20.5 -
Fan Efficiency(%) 47 52.77 + 5 %
Noise Level(dB(A)) 102 92 - 10dB(A)
위의 표에서 보는 바와 같이, 동일 풍압(40mmAq) 하에서 최적팬의 풍량이 비교 대상팬의 1183m3/m에서 1468m3/m으로 24% 증가하였고, 소음은 102dB(A)에서 92dB(A)로 10dB(A)로 저감되었으며, 효율을 5 % 증가함을 알 수 있었다.
두 번째 실험에서는 마찬가지로 최적팬과 HAV-120C 모델을 대상으로 날개의 입구면에서 90°방향으로 1.5m 떨어진 지점(A)과, 45인 지점(B)에서 소음 파워 레벨(Sound Power Level ; SPL)을 각각 측정하였다.
도15는 기존 HAV-120C 모델의 소음 스펙트럼을 약 52kHz 까지 측정한 것으로 대부분의 소음이 저주파수 대역에서 발생함을 알 수 있다. 또한, 도 16 및 도 17은 각각 A 지점에서의 소음 파워 레벨을 3.2 kHz 까지의 주파수와 다음과 같이 정의되는 Strouhal 수로 보여준다.
여기서, f는 주파수, N은 회전수(rpm), 그리고, n은 날개수이다. 도 18 및 도 19는 각각 B 지점에서의 소음 파워 레벨을 주파수와 Strouhal 수로 나타낸 것이다.
상기와 같은 소음 파워 레빌을 볼 때 본 고안에 의한 최적 축류팬의 경우 대부분의 주파수 영역에서 비교 대상팬에 비해 소음이 저감되었음을 알 수 있다. 아래의 표에서는 풍량과 소음에 대한 상세한 결과값을 보여주고 있다.
Test Results of optimal fan HAV-120C
HAV-120C Otimal Fan Remark
Capacity(CMM mmAq) 105 ×40 453 ×40 31 %
Noise(bB(A)) point A 94.5 91.9 -2.6dB(A)
point B 92.9 90.3 -2.6dB(A)
위의 결과표에 의하면, 최적팬의 풍량은 동일 풍압(40mmAq) 하에서 1105m3/m에서 1453m3/m으로 31% 증가하였고, 소음은 A, B 두 지점에서 모두 2.6 dB(A)로 저감되었음을 알 수 있다. 동일 풍량 기준으로 소음값을 비교하면 소음 저감 효과는 더욱 향상됨을 알 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 고안에 의한 선박용 축류팬은, 허브의 외주면에 일정 간격을 두고 형성되는 날개의 리딩 에지 및 트레일링 에지를 특정 2차 함수식을 적용하여 소정의 곡률로 만곡지도록 형성함으로써 축류 송풍기의 풍량을 기존의 모델과 대비하여 24 % 증대시키고, 이와 동시에 소음을 기존의 모델과 대비하여 10dB(A)로 현저히 저감시킴으로써 선박용 축류팬의 고풍량 및 저소음화를 구현하는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 날개의 스윕각(Rn) 분포가(Rn)= 19.52 Rn2- 46.4 Rn + 47.36의 2차 함수식을 만족하고, 허브팁 비(Rh/Rt)가 0.4 ~ 0.6을 만족하는 것을 특징으로 하는 선박용 축류팬.(단, 허브의 반경을 Rh, 팁 반경을 Rt, 날개의 임의의 반경을 R이라 할 때, Rn=(R-Rh)/(Rt-Rh))
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101911706B1 (ko) * 2012-02-29 2018-10-25 엘지전자 주식회사 축류팬
CN110319057A (zh) * 2019-07-18 2019-10-11 江阴市精亚风机有限公司 一种前弯前掠偏装式叶片、叶轮及其轴流风机

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