KR200457849Y1 - 편심조절과 호환성을 개선한 냉각탑용 팬블레이드 - Google Patents

Abstract

본 고안은 편심조절과 호환성을 개선한 냉각탑용 팬블레이드에 관한 것이다.

냉각탑은 대형 건축물, 공장 등에서 혹은 다량의 냉각수가 필요한 곳에서 주로 건물의 옥상에 설치된 강제식 송풍장치에 의하여 열교환이 이루어지도록 하는 곳이다.

이 열교환을 위한 냉각팬은 길이가 1m에서 부터 수십 m에 이르며, 회전축을 중심으로 팬블레이드가 정확한 중심무게를 갖고 있지 않을 경우 팬블레이드가 고속 회전하면서 심한 진동을 발생한다.

냉각탑의 작동시 발생하는 진동과 소음의 주원인은 현재 약 40%이상이 팬블레이드의 무게중심이 맞지 않기 때문인 것으로 파악되고 있다.

팬블레이드는 무게와 제작의 편의상 금속이나 목재가 아닌 합성수지, 특히 FRP를 이용하여 금형에 폴리에스터 수지와 섬유층을 차례로 적층하여 수작업으로 만들어 진다. 그리고 내부가 중앙이 비어 있는 중공의 구조로 만들어 무게를 가볍게 한다. 그 결과 제작된 날개가 균일하지 못하며, 약간의 무게편차가 발생할 수 밖에 없다. 이러한 무게편차를 없애기 위하여 가벼운 쪽에 차이가 나는 만큼의 무게를 가하여 밸런스를 잡는다.

냉각탑의 작동시 발생하는 진동과 소음의 주원인은 현재 약 40%이상이 팬블레이드의 무게중심이 맞지 않기 때문인 것으로 파악되고있다.

본 고안은 제작된 날개의 일부에 체결공을 형성하고, 그 체결공에 고정가능한 고정구에 의하여 고형의 무게추를 고정하여 밸런스를 맞추어 주도록 한 것이다.

본 고안은 특히 무게추를 합성수지계통으로 단계적으로 다양한 무게를 갖도록 미리 제작하여 준 것을 사용하며, 밸런스를 잡기 위하여 이들 무게추를 선택하여 고정하면 모든 무게조절이 가능하게 되었다.

냉각탑, 팬블레이드

Description

편심조절과 호환성을 개선한 냉각탑용 팬블레이드{Fan blade for the cooling tower developing the balnace control capacity and changing capacity }

본 고안은 편심조절과 호환성을 개선한 냉각탑용 팬블레이드에 관한 것이다.
대형 냉각탑은 도 5에 도시하듯이 콘크리트 베이슨(10)의 기초부에 양측면에 루버(50)가 형성된 케이싱 월(12)에 의하여 대형구조물을 형성한 다음 최상면에 팬 데크(20)가 설치되어진다. 팬데크에는 구동 모터와 연동된 송풍팬(32)이 제공된 복수 개의 팬 스택(30)이 설치되어지며, 이 송풍을 위한 팬스택의 하부에 마주보도록 이격 설치된 충전재(60)와 충전재의 일면에 각기 제공된 엘리미네이터(70)가 설치되어져 송풍팬으로 부터 공급되어진 송풍공기에 의하여 냉각수가 접하여 필요한 열교환이 이루어지도록 한다. 상기한 팬스택에는 구동모터(40)에 의하여 열교환이 필요한 냉각수가 도관(36)을 통하여 헤드디스티리뷰터(34)에 의하여 일정하게 공급되어진다.

이러한 대형냉각탑에 사용되는 팬블레이드는 가능한 에너지 절감을 위하여 내부가 중공구조인 형태로 제작사용한다. 내부가 중공이므로 상하팬블레이드를 별도로 제작하여 이것을 서로 접합하여 하나의 팬블레이드로 제작사용하게 된다.

이러한 제작에 있어 금속재이던 합성수지재 이던 문제로 되는 것이 회전시 무게차에 의하여 진동과 소음이 발생하는 것이다.

이러한 무게차를 없애기 위하여 중공구조의 내부에 무게차이에 해당되는 무게를 금속재 혹은 합성수지재에 의하여 보충하고 있다. 최근에는 대부분의 팬블레이드가 FRP에 의한 수지재이므로, 내부에 FRP수지를 채워주고 있다. 이러한 수지재질은 내부에 부착되어 경화가되어 안정되어져 있으나, 사용기간이 경과하면서 부착상태가 불량하게 되면서 표면과 분리되어 무게차이가 다시 발생하게 한다. 심한 경우 팬블레이드의 파손이 아닌 모터축이나 주변 장치에 대한 손상까지 발생하는 경우가 있다.

대형 냉각탑의 경우에는 이러한 문제를 해소하기 위하여 진동측정장치를 설치하고 일정한 진동이상이 발생시, 가동을 중단하고 해당 팬블레이드를 분리한 다음 무게를 맞추어 다시 재조립설치하거나 혹은 교체하고 있다. 이러한 과정은 결국 냉각탑이 가동중단상태로 진입하는 것이며, 그만큼 공장에 대한 부담으로 작용하게 된다.

냉각탑에 대한 팬블레이드의 무게편차를 해소하고자 여러 가지 시도가 이루어지고 있다.

가장 흔한 예가 중공의 내부에 해당되는 무게차이만큼의 수지를 미경화상태로 내벽에 부착하여 주는 것이다. 이렇게하여 경화가 되면 무게차이를 극복이 가능하다. 그러나 이러한 부착상태가 오랜 세월 사용되면서 자연히 노화열화에 의하여 분리되어 다시 심각한 진동소음이 발생한다.

또 다른 방식으로 외부에 무게추에 해당되는 만큼의 무게를 모터축과 연결을 위한 죠인트부에 있는 팬블레이드의 보스부분에 금속이나 합성수지재의 무게를 볼트너트식에 의하여 조립부착하는 것이다. 보스부분은 외주부보다 회전이 빠르지 않고 공기저항도 심하지 않으므로 설치하기 쉽고 안정하다. 그러나 이역시 외부에 설치된 것으로 조립구조물인 볼트나 합성수지부착상태가 시간이 경과하면서 열화부식이 되어 자연히 분리되어 진다.

이러한 단점을 개선하기 위하여 한국특허제 10-0588078호에서는 냉각탑의 팬스택 내측에 설치되어 회전되는 팬의 불균형을 검사하기 위한 냉각탑용 팬 밸런싱 검사장치에 있어서,

상면이 평행을 유지하도록 지면에 놓여 설치되는 프레임과;

상기 프레임의 상부에 위치되어 상기 팬이 평행하게 놓이도록 하여 상기 팬을 지지하는 세팅 유니트와;

로드셀이 설치되어 상기 세팅 유니트에 대해 등간격으로 배치되고, 상기 프레임에 결합되어 상기 세팅 유니트로부터의 하중이 상기 로드셀에 작용되도록 상기 세팅 유니트를 지지하는 다수개의 서포팅 유니트 및;

상기 다수개의 서포팅 유니트의 각 로드셀로부터 측정값을 입력받아 보여주는 디스플레이 유니트를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각탑용 팬 밸런싱 검사장치를 개발하였다.

상기한 개발장치에 의하여 제작된 팬블레이드의 편심을 정확하게 측정할 수 있어 설치전에 사전에 문제가 될 불균형을 해고할 수 있게 되었다. 그런데 이러한 우수한 편심측정장치에 의하여 팬블레이드의 불균형이 발견되었다 하여도 그 팬블레이드의 무게차이를 간단하게 해결하여 설치할 수 있는 수단은 제시되지 못하고 있다.

현재 일반적으로 사용되는 방식으로는 팬블레이드가 설치되는 모터와 연결되어진 허브에서 편차를 조절하는 방식이다. 즉, 팬블레이드의 무게차이에 따른 만큼 계량된 웨이트를 허브에 설치하는 방식이다. 이 방식은 위 특허와 같은 장치에 의하여 원만하게 조절이 가능하다.

그러나 이러한 방식의 단점은 팬블레이드가 적어도 4개이상 6개 혹은 8개가 서로 짝을 이루어 균형을 이루어져 있으며, 이 다수의 팬블레이드중 어느 한개의 팬블레이드가 파손되었을 경우에 교체 수리가 어렵다는 것이다.

구체적으로는 도 6에 도시하듯이 서로 대칭이 된 팬블레이드중의 어느 하나의 팬블레이드가 파손되었을 경우 허브와 그 주변에 체결된 팬블레이드 전체를 냉각탑에서 분리하여, 이 분리된 팬블레이드중 파손된 팬블레이드를 제거한 다음 새 팬블레이드로 교체한다.

이렇게 교체가 이루어진 것은 상기한 편심측정장치에 의하여 편심을 측정한 다음 허브에 편심이 안되도록 무게를 허브에 설치하고 나서야 냉각탑에 다시 조립이 가능하다.

이러한 조립과 해체가 단순한 듯 하지만, 설치현장이 대형 공장(제철소, 반도체제조공장, 대형 화학플랜트 설비.. )인 경우 하나의 냉각탑이 도 5에 도시하듯이 적어도 수 m에 수십m에 이른다. 특히 이러한 냉각탑이 일부만 가동이 중단되어도 대형 공장에서 발생하는 생산차질은 일일 수억 내지는 수십억에 이르고 있다. 이러한 상황에서 냉각탑에 설치된 거대한 팬블레이드를 분리하여 현장에서 측정장치가 있는 공장으로 이송한 다음 조립하여 다시 조립하는 과정이 많은 시간과 노력이 필요하다.

이러한 문제를 해결하기 위한 방법의 하나로, 즉, 동일한 구조의 팬블레이드를 허브와 팬블레이드를 하나의 어셈블리로 대기하여 놓고 있고, 고장 발생시 이것을 설치하고 고장이 발생한 것은 공장으로 이송하여 수리하는 방식이다. 이러한 방식은 결국 하나의 냉각탑마다 별도의 팬블레이드를 스페어로 항시 소지하여야 하는 것이다. 팬블레이드의 크기가 수십미터에 이르므로, 설치공간도 마땅치 않을 뿐아니라 공장에서는 팬블레이드를 냉각탑의 숫자 만큼 유지하기 위한 별도의 경비가 발생하는 것이다.

본 고안은 모터와 체결되는 허브와, 이 허브에 체결된 팬블레이드의 편심이 발생하여도, 팬블레이드 세트 전체를 교체하거나 수선할 필요가 없는 무게가 균일한 팬블레이드를 제공하여 효율을 극대화한 냉각탑을 제공하고자 한다.

본 고안은 냉각탑에 설치후 사용중에 팬블레이드의 일부가 파손되어 진동소음이 발생하여도 팬블레이드 세트 전체의 수리교체가 아니라, 고장난 팬블레이드만 교체하여도 전체적인 유지보수가 가능한 팬블레이드를 갖춘 냉각탑을 제공하고자 한다.

본 고안은 팬블레이드의 구조를 상하부팬블레이드외에 별도의 무게조절가능한 부분을 설치하여 정확한 팬블레이드를 제작가능하게 하는 것이다.

본 고안은 중공구조의 팬블레이드를 상하부가 서로 대접하여 조립하도록 하되, 상하부팬블레이드의 선단부를 개방상태로 구성하였다. 그리고 이 개방된 곳을 별도의 엔드캡으로 마감하도록 하였다. 그리고 이 엔드캡에는 필요한 무게만큼 절단된 무게를 볼트에 의하여 임의로 조립하도록 하였다.

본 고안은 무게조절을 위한 무게추로 연질의 납을 봉상구조로 제작하고, 이곳에 단위표시를 정확히하여 필요한 무게를 단위눈금에 의하여 절단사용할 수 있게 하였다. 따라서 사용자는 현장에서 필요한 무게차이를 즉시 측정하고 필요한 단위만큼 절단후 조립하면 팬블레이드의 무게차이를 조정할 수있게 되었다.

본 고안은 팬블레이드를 상하부를 분리하여 제작하면서 발생하는 무게 편심을 엔드캡의 체결만으로 현장에서 간단하게 조절할 수 있다. 즉, 거대한 편심조절장치와 측정장비와 같은 고가의 장비가 없이 간단한 무게저울만으로 무게가 일정한 블레이드를 대량 생산보급이 가능하게 되었다. 그 결과 냉각탑의 설치와 유지보수성이 획기적으로 개선되었다.

또한 본 고안은 설치후 사용시간의 경과에 따라 필연적으로 발생하는 진동소음 문제를, 블레이드를 전부 분리교체할 필요없이 엔드캡에 설치된 무게추의 상태를 외부에서 관찰하여 필요시 재조립할 수 있어 보수유지도 손쉽게 할 수 있는 냉각탑을 제공할 수 있게 되었다.

본 고안의 대표적인 실시예를 첨부한 도면에 의하여 설명한다.

본 고안에서 대상으로 하는 냉각탑은 직교류식외에도 대향류식(Induced draft counter flow), 무동력( Natural draft parallel flow), 밀폐형 증발식, 백연방지식, 공냉식 밀폐형(Dry cooler)등에 제한없이 적용이 가능하다.

본 고안은 콘크리트 베이슨(10)의 기초부에 루버(50)가 형성된 케이싱 월(12)에 의하여 대형구조물을 형성한 다음 최상면에 팬 데크(20)가 설치되어지며, 팬데크에는 구동 모터(34)와 연동된 송풍팬이 제공된 복수 개의 팬 스택(30)이 설치되어지며, 이 송풍을 위한 다수의 팬블레이드들로 구성된 팬스택의 하부에 마주보도록 이격 설치된 충전재(60)와 충전재의 일면에 각기 제공된 엘리미네이터(70)가 설치되어져 송풍팬으로 부터 공급되어진 송풍공기에 의하여 냉각수가 접하여 필요한 열교환이 이루어지도록 구성한 냉각탑에 있어서,

팬스택에 설치되어지는 팬블레이드가 상부블레이드(101)과 하부블레이드(102)의 외주면에 체결용 연장부(101a)(102a)를 각각 설치하며,

상기한 상부블레이드와 하부블레이드의 연장부를 대접시켜 일체로 구성하되, 선단부에 개방부(103)를 구성하며,

상기한 개방부(103)는 엔드캡(105)으로 밀봉처리하는 것을 특징으로 하는 냉각탑용 팬블레이드를 제공하게 되었다. 본 고안에서 제작하는 상부 및 하부 팬블레이드는 유리섬유와 합성수지(폴리에스터와 그 경화제등)를 순차적으로 금형내에 적층하여 제작한다.

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본 고안에서 선단부에 밀봉처리하는 엔드캡(105)은 중앙부에 고정공(106)을 형성하고, 이 고정공에 고정볼트(107)에 의하여 무게조절을 위한 웨이트(108a)를 체결하여 준다. 웨이트(108)를 체결하는 동시에 엔드캡에는 상하블레이드가 겹치어지면서 형성한 공간내에 생성축적되는 수분을 배출 가능하게 하는 배수공(105a)을 설치하였다.

본 고안에서 엔드캡은 항시 일정한 무게를 유지하기 위하여 금형에 의하여 무게오차 ±0.01g 이내의 범위로 제작하였다. 재질은 일반적인 합성수지 재질의 사출성형품으로 제작하며, 선단에서 회전하면서 마찰과 충격에 견딜 수 있는 재질로 폴리비닐클로라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 나일론 혹은 이들의 혼합적층구조물로 특별히 제한을 둘 필요는 없다.

본 고안에서 웨이트(108a)는 납으로 제작한 봉상구조체(108)로부터 임의로 절단한 것이다. 팬블레이드는 도시하듯이 중앙의 메인축과 연결된 축죠인트부(150)에 의하여 블레이드가 좌우에 서로 대칭되게 배치된다. 좌우에 서로 배치된 상태에서 상부블레이드와 하부블레이드의 조립에 의하여 구성된 블레이드는 불가피하게 무게차이를 보이게 된다. 이 무게차이는 팬블레이드마다 각각 다른 차이를 보이므로 일정하게 고정된 무게추를 이용할 수 없다. 본 고안에서는 납을 봉상체로 미리 일정한 단위구조물로 제조하여 둔다. 그 이유는 납의 비중이 무겁고 용이하게 용융하여 여러가지 형태로 제작가능하며, 경화후에도 손쉽게 잘라 사용할 수 있기 때문이다. 도 4에 도시하듯이 일정한 형태를 갖도록 구성하고, 단위표시를 하여 준다. 단위표시는 1 단위마다 1g의 무게차이를 두게하거나 혹은 5, 10, 15g의 단위를 갖도록 표시하여 준다. 따라서 사용자는 좌우에 설치된 블레이드의 무게차이를 측정하여 무게차이에 해당되는 무게추를 무게를 측정하기 위한 계량장치가 없더라도 눈금표시부에 의하여 정확하게 절단사용이 가능하게 된다.

웨이트는 상기하듯이 납과 같은 비중이 높고 연질의 재질도 가능하지만, 현장의 요구에 따라서는 링구조체, 너트형태, 혹은 금속재를 합성수지로 밀봉처리한 구조물등으로 다양하게 제작가능하다.

도 1 은 본 고안의 분해 사시도,

도 2 는 본 고안의 엔드캡분리사시도,

도 3 은 조립상태 평면도,

도 4 는 본 고안의 무게조절추의 사시도,

도 5 는 대형 냉각탑의 설치상태를 도시한 구조도,

도 6 은 팬블레이드의 허브 조립상태 평면도임.

Claims (3)

1. 콘크리트 베이슨의 기초부에 루버가 형성된 케이싱 월에 의하여 대형구조물을 형성한 다음 최상면에 팬 데크가 설치되어지며, 팬데크에는 구동 모터와 연동된 송풍팬이 제공된 복수 개의 팬 스택이 설치되어지며, 이 송풍을 위한 다수의 팬블레이드로 구성된 팬스택의 하부에 마주보도록 이격 설치된 충전재와 충전재의 일면에 각기 제공된 엘리미네이터가 설치되어져 송풍팬으로 부터 공급되어진 송풍공기에 의하여 냉각수가 접하여 필요한 열교환이 이루어지도록 구성한 냉각탑에 있어서,

   팬스택에 설치되어지는 팬블레이드가 상부블레이드(101)와 하부블레이드(102)의 외주면에 체결용 연장부(101a)(102a)를 각각 설치하며,

   상기한 상부블레이드와 하부블레이드의 연장부를 접착처리하여 일체로 구성하되, 선단부를 개방하여 개방부(103)를 구성하며,

   상기한 개방부(103)는 엔드캡(105)으로 밀봉처리하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 편심조절과 호환성을 개선한 냉각탑용 팬블레이드.
2. 제 1 항에 있어서,

   선단부를 밀봉처리하는 엔드캡(105)은 중앙부에 고정공(106)을 형성하고,

   상기한 고정공에 고정볼트(107)에 의하여 웨이트(108)를 체결하는 동시에 배수공(105a)를 함께 병설하는 것을 특징으로 하는 팬블레이드의 편심조절과 호환성을 개선한 냉각탑용 팬블레이드.
3. 제 2 항에 있어서,

   웨이트(108a)는 납으로 제작한 봉상구조체(108)의 일부 절단체이며, 이 봉상구조체의 표면에는 눈금표시부(109)가 설치되어있는 것을 특징으로 하는 편심조절과 호환성을 개선한 냉각탑용 팬블레이드.

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