KR20060056738A - Eliment detecting method for multi-blade centrifugal fan and multi-blade centrifugal fan made by the method - Google Patents

Eliment detecting method for multi-blade centrifugal fan and multi-blade centrifugal fan made by the method Download PDF

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KR20060056738A
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김광용
서성진
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인하대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 원심다익송풍기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 임펠러(2), 블래이드(3) 그리고 스크롤(4)을 포함하는 원심다익송풍기에 있어서, 설계 변수 선정 단계(S101)와 목적함수 구성 단계(S102)와 제한 조건 설정 단계(S103)를 포함하는 설계 대상 셋업 단계(100); 격자 생성 단계(S201)와 삼차원 열유동 해석 단계(S202)와 결과 DATA 분석 단계(S203)를 포함하는 설계 대상 해석 단계(S200); 해석 결과 검증 단계(S300); 반응모델 계수결정 단계(S401)와 반응모델 구성 단계(S402)를 포함하는 회귀분석 단계(S400); 반응모델 검증 단계(S500); 반응함수의 최적점 결정 단계(S601)와 최적설계변수 결정 단계(S602)를 포함하는 최적설계 단계(S600)를 포함하는 원심다익송풍기의 요소 검출 방법 및 그 방법에 의해 제조되는 원심다익송풍기(1)에 관한 것으로, 원심다익송풍기(1)의 내부를 지나는 삼차원 유동해석을 수행하여 임펠러(2) 및 스크롤의 설계변수의 변경 범위에서 성능에 미치는 영향을 검토하고 삼차원 유동해석을 바탕으로 최적설계를 하여, 성능 및 효율이 월등한 원심다익송풍기를 제공한다.The present invention relates to a centrifugal blower, and more particularly, to a centrifugal blower including an impeller (2), a blade (3), and a scroll (4), a design parameter selection step (S101) and an objective function configuration. A design target set-up step 100 including a step S102 and a constraint condition setting step S103; A design target analysis step (S200) including a grid generation step (S201), a three-dimensional heat flow analysis step (S202), and a result DATA analysis step (S203); Analysis result verification step (S300); A regression analysis step (S400) including a reaction model coefficient determination step (S401) and a reaction model construction step (S402); Reaction model verification step (S500); Element detection method of the centrifugal multi-blister blower comprising an optimal design step (S600) comprising an optimal point determination step (S601) and an optimum design variable determination step (S602) of the reaction function and a centrifugal multi-function blower manufactured by the method (1), the three-dimensional flow analysis that passes through the inside of the centrifugal blower (1) is carried out to examine the effect on the performance in the range of change of the design variables of the impeller (2) and scroll, and based on the three-dimensional flow analysis The optimized design provides a centrifugal multi-purpose blower with superior performance and efficiency.

원심다익송풍기, 임펠러, 스크롤, 블래이드Centrifugal Blower, Impeller, Scroll, Blade

Description

원심다익송풍기의 요소 검출 방법 및 그 방법에 의해 제조되는 원심다익송풍기{Eliment detecting method for multi-blade centrifugal fan and multi-blade centrifugal fan made by the method}Element detecting method for centrifugal blower and centrifugal blower manufactured by the method

도 1은 본 발명에 따른 원심다익송풍기의 개략적인 예시도이다.1 is a schematic illustration of a centrifugal blower according to the present invention.

도 2는 원심다익송풍기에 의한 유동장 흐름에 대한 예시도이다.Figure 2 is an exemplary view of the flow field flow by the centrifugal blower.

도 3은 반응면 기법에 의해 형성되는 원심다익송풍기에 대한 예시도이다.3 is an exemplary view of a centrifugal blower formed by the reaction surface technique.

도 4는 본 발명에 따른 원심다익송풍기의 요소 검출 방법에 대한 흐름도이다.Figure 4 is a flow chart for the element detection method of the centrifugal blower according to the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 원심다익송풍기의 요소 검출에 대한 개략적인 예시도이다.Figure 5 is a schematic illustration of the detection of the elements of the centrifugal blower according to the present invention.

도 6은 본 발명에 따른 원심다익송풍기의 요소의 기준 설계변수에 대한 수치를 나타낸 것이다.Figure 6 shows the numerical values for the reference design parameters of the elements of the centrifugal blower according to the present invention.

도 7는 본 발명에 따른 원심다익송풍기의 요소의 설계변수의 설계영역을 나타낸 것이다.Figure 7 shows the design area of the design parameters of the elements of the centrifugal blower according to the present invention.

도 8는 본 발명에 따른 원심다익송풍기의 반응면 회귀분석 결과를 나타낸 것이다.Figure 8 shows the response surface regression analysis results of the centrifugal blower according to the present invention.

도 9은 본 발명에 따른 원심다익송풍기의 목적함수값을 나타낸 것이다.Figure 9 shows the objective function value of the centrifugal blower according to the present invention.

도 10은 본 발명에 따른 원심다익송풍기의 형상의 설계변수 값을 나타낸 것이다.10 shows design variable values of the shape of the centrifugal blower according to the present invention.

도 11은 본 발명에 따른 원심다익송풍기의 형상의 성능곡선을 나타낸 것이다.11 shows the performance curve of the shape of the centrifugal blower according to the present invention.

도 12 및 도 13은 원심다익송풍기의 기준 형상에 대한 유동해석과 실험 결과로부터 얻어진 효율 및 성능 곡선을 비교한 것이다.12 and 13 compare the flow analysis for the reference shape of the centrifugal blower and the efficiency and performance curves obtained from the experimental results.

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 ** Explanation of Signs of Major Parts of Drawings *

1 : 원심다익송풍기 2 : 임펠러1: centrifugal blower 2: impeller

3 : 블래이드 4 : 스크롤3: blade 4: scrolling

5 : 본체 6 : 설부5: body 6: tongue

본 발명은 원심다익송풍기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원심다익송풍기 및 내부를 지나는 삼차원 유동해석을 통한 최적설계에 의해 원심다익송풍기의 요소를 검출하여, 성능 및 효율이 월등하도록 구비된 원심다익송풍기에 관한 것이다.The present invention relates to a centrifugal blower, and more particularly, to detect the elements of the centrifugal blower by an optimal design through a three-dimensional flow analysis passing through the centrifugal blower and the inside, so as to provide superior performance and efficiency. It relates to a centrifugal blower.

일반적으로 송풍기는 기체 특히 공기를 이용한 바람의 흐름 세기를 크게 하는 것으로, 크게 터보형 송풍기와 용적형 송풍기로 나뉘어 진다. 이중 터보형 송풍기는 회전차가 회전함으로써 발생하는 날개의 양력에 의하여 에너지를 얻게 되는 축류 송풍기와 원심력에 의해 에너지를 얻는 원심 송풍기로 나뉘어 진다. 이러한 송풍기 중 원심다익송풍기는 전체적으로 원통형상인 본체의 일측면 중앙에 흡입구를 구비하고, 원주면 일측으로 유출구를 형성하며, 원통 형상의 본체 내측 원통을 중심으로 하는 축을 중심으로 회전하는 블래이드 그리고 스크롤 및 임펠러 등으로 형성되어 있다. 그리하여 다수개 구비된 작은 날개인 블래이드가 일측으로 기울어져 회전되어 다수 블래이드에 형성된 원주형의 임펠러 중앙으로 공기를 흡입하여 외측으로 밀어내도록 형성된 것이다. In general, the blower increases the flow intensity of the wind using gas, in particular air, and is divided into a turbo blower and a volume blower. The dual turbo blower is divided into an axial blower which is energized by the lift force of the blades generated by the rotation of the rotor and a centrifugal blower that is energized by the centrifugal force. Among these blowers, the centrifugal multi-function blower has an inlet port in the center of one side of the cylindrical body as a whole, and forms an outlet port on one side of the circumferential surface, and a blade and a scroll rotating about an axis centered on the inner cylinder of the cylindrical body. It is formed of an impeller or the like. Thus, the blade, which is provided with a plurality of small blades, is inclined to one side and rotated so as to suck air into the center of the cylindrical impeller formed in the plurality of blades and push it outward.

이와 같이 구비되는 원심다익송풍기에 있어서, 임펠러 내에서의 주 흐름의 급격한 변화, 임펠러 원주방향에 따른 유동의 비대칭성, 설부 주위의 압력구배 그리고 스크롤 내부에서의 유동 등의 여러 요인으로 인하여 원심다익송풍기의 내부의 유동 및 효율을 예측할 수가 없었다. 또한 효율적인 최적의 원심다익송풍기를 구비할 수 없는 등의 문제점이 있다.In the centrifugal blower provided as described above, the centrifugal blower is centrifugal due to various factors such as rapid change in main flow in the impeller, flow asymmetry along the impeller circumferential direction, pressure gradient around the tongue, and flow in the scroll. The flow and efficiency inside the blower could not be predicted. In addition, there is a problem that can not be equipped with an efficient optimal centrifugal blower.

상기와 같은 문제점을 보완하기 위한 본 발명은 원심다익송풍기의 내부를 지나는 삼차원 유동해석을 수행하여 임펠러 및 스크롤의 설계변수의 변경 범위에서 성능에 미치는 영향을 검토하고 삼차원 유동해석을 바탕으로 최적설계를 하여 원심다익송풍기를 구성함으로써, 보다 정밀한 유동해석기법을 바탕으로 하여 최적화된 원심다익송풍기를 구성하여 성능 및 효율이 월등한 원심다익송풍기를 제공함을 목적으로 하고 있다.
In order to solve the above problems, the present invention performs a three-dimensional flow analysis that passes through the inside of the centrifugal blower to examine the effect on the performance in the range of change of the design variables of the impeller and the scroll and optimizes the design based on the three-dimensional flow analysis. The purpose of the present invention is to provide a centrifugal blower having excellent performance and efficiency by configuring an optimized centrifugal blower based on a more precise flow analysis technique.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 임펠러, 블래이드 그리고 스크롤을 포함하는 원심다익송풍기에 있어서, 설계 변수 선정 단계와 목적함수 구성 단계와 제한 조건 설정 단계를 포함하는 설계 대상 셋업 단계; 격자 생성 단계와 삼차원 열유동 해석 단계와 결과 DATA 분석 단계를 포함하는 설계 대상 해석 단계; 해석 결과 검증 단계; 반응모델 계수결정 단계와 반응모델 구성 단계를 포함하는 회귀분석 단계; 반응모델 검증 단계; 반응함수의 최적점 결정 단계와 최적설계변수 결정 단계를 포함하는 최적설계 단계를 포함하는 원심다익송풍기의 요소 검출 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a centrifugal blower including an impeller, a blade, and a scroll, comprising: a design target setting step including a step for design variable selection, a step for constructing an objective function, and a step for setting a constraint condition; A design object analysis step including a grid generation step, a three-dimensional heat flow analysis step, and a result data analysis step; Verifying the analysis result; A regression analysis step comprising a reaction model coefficient determination step and a reaction model construction step; A response model verification step; An element detection method of a centrifugal multi-purpose blower including an optimal design step including an optimal point determination step and an optimal design variable decision step of a reaction function is provided.

이에 본 발명을 구성하는 상기 목적함수 구성 단계는, Ps가 정압이며, 하첨자 in과 ex가 각각 송풍기의 입구와 출구를 나타내며, Q가 유량이며,

Figure 112004054516201-PAT00001
가 임펠러의 각속도이며, 효율
Figure 112004054516201-PAT00002
이Accordingly, the object function constituting step of the present invention, Ps is a constant pressure, subscript in and ex represent the inlet and outlet of the blower, respectively, Q is the flow rate,
Figure 112004054516201-PAT00001
Is the angular velocity of the impeller,
Figure 112004054516201-PAT00002
this

Figure 112004054516201-PAT00003
일 때,
Figure 112004054516201-PAT00003
when,

Figure 112004054516201-PAT00004
Figure 112004054516201-PAT00004

인 목적함수에 의해 구성되는 단계인 원심다익송풍기의 요소 검출 방법을 제공한다.The present invention provides a method for detecting urea of a centrifugal blower which is a step constituted by an objective function.

또한 상기 반응모델 구성 단계는 xi이 설계변수이며, i 및 j가 설계변수의 수 일 때, In addition, when the reaction model construction step x i is a design variable, i and j is the number of design variables,

Figure 112004054516201-PAT00005
Figure 112004054516201-PAT00005

에 의해 형성되는 반응모델에 의한 단계를 포함하는 원심다익송풍기의 요소 검출 방법을 제공한다.It provides a method for detecting the element of the centrifugal blower comprising a step by the reaction model formed by.

본 발명의 다른 실시로 임펠러, 블래이드 그리고 스크롤을 포함하는 원심다익송풍기에 있어서, 상기 원심다익송풍기의 요소 검출 방법에 의해서 검출되는 요소에 의해 형성되는 원심다익송풍기를 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a centrifugal blower including an impeller, a blade, and a scroll, wherein the centrifugal blower is formed by an element detected by the element detection method of the centrifugal blower.

이때 일 실시로 검출되는 상기 요소인 임펠러 내경이 200mm 내지 300mm 바람직하게는 266mm, 임펠러 외경이 300mm 내지 320mm 바람직하게는 310mm, 임펠러 폭이 0.600mm 내지 0.630mm 바람직하게는 0.615mm, 임펠러 갯수가 45개 내지 50개 바람직하게는 48개로 구비되며, 다른 실시로 검출되는 상기 요소인 스크롤 확대각이 7.00도 내지 8.00도 바람직하게는 7.86도이며, 스크롤과 임펠러 설치부위가 79.5도 내지 81.5도 바람직하게는 80.9도이며, 스크롤과 임펠러 설부반경이 13.0mm 내지 14.0mm 바람직하게는 13.4mm로 구비되는 원심다익송풍기를 제공한다.At this time, the impeller inner diameter detected in one embodiment is 200mm to 300mm preferably 266mm, impeller outer diameter 300mm to 320mm preferably 310mm, impeller width 0.600mm to 0.630mm preferably 0.615mm, the number of impeller 45 50 to 50 is preferably provided, and the scroll magnification angle, which is the element detected by another embodiment, is 7.00 degrees to 8.00 degrees, preferably 7.86 degrees, and the scroll and impeller mounting portion is 79.5 degrees to 81.5 degrees, preferably 80.9 degrees. The present invention provides a centrifugal blower having a scroll and impeller tongue radius of 13.0 mm to 14.0 mm and preferably 13.4 mm.

이하 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참고로 하여 상세하게 설명하면 다 음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, an embodiment of the present invention will be described in detail as follows.

즉 도 1에 도시된 본 발명 원심다익송풍기의 요소 검출 방법 및 이에 의해 검출되는 요소에 의해 형성되는 원심다익송풍기(1)는 임펠러(2), 블래이드(3) 그리고 스크롤(4) 등으로 구비된다.That is, the element detection method of the present invention centrifugal blower shown in FIG. 1 and the centrifugal blower 1 formed by the elements detected by the present invention are the impeller 2, the blade 3, and the scroll 4. It is provided.

따라서 전체적으로 원통형상으로 형성되는 본체(5)에 대해, 평편한 일측면에 형성된 인입부로 인입된 기체가 원주면 일측으로 형성된 유출부로 유출되도록 하는 원심다익송풍기(1)는, 원통형 본체(5)의 중앙 부분 일측에 형성된 축을 중심으로 하여 회전되는 임펠러(2)를 구비하였다. 이때 임펠러(2)는 다수의 날개인 블래이드(3)가 형성되어 강한 흡입력으로 기체를 빨아들여 배출하도록 하고 있다. 그리고 스크롤(4)은 임펠러(2)로부터 유출된 기체를 모아서 스크롤(4)의 토출구로 보내는 역할을 하며, 그 형상은 도 6의

Figure 112004054516201-PAT00006
과 같이 지수함수로 나타낼 수 있다. 이때 지수함수의
Figure 112004054516201-PAT00007
가 증가함에 따라 스크롤 확장각(
Figure 112004054516201-PAT00008
)에 의한 도 1과 같이 유동단면적이 증가하게 되고, 그 결과 스크롤 내부를 지나는 유체의 속도에너지는 압력에너지로 바뀌게 된다. 임펠러(2)와 스크롤(4)과의 간극이 가장 좁은 곳을 설부(cutoff, 6)라 하며, 스크롤(4)은 설부(6)의 원주방향위치(
Figure 112004054516201-PAT00009
)에서의 임펠러(2)와 간격을 기준으로 설치된다.Therefore, the centrifugal blower 1 for allowing the gas introduced into the inlet portion formed on one flat surface to flow out to the outlet portion formed on one side of the circumferential surface with respect to the main body 5 formed in a cylindrical shape as a whole is a cylindrical body 5. It was provided with an impeller (2) rotated about an axis formed on one side of the central portion. At this time, the impeller 2 is formed of a blade (3) which is a plurality of wings to suck the gas with a strong suction force to discharge. The scroll 4 collects the gas discharged from the impeller 2 and sends it to the discharge port of the scroll 4, the shape of which is illustrated in FIG. 6.
Figure 112004054516201-PAT00006
It can be expressed as an exponential function as Where the exponential function
Figure 112004054516201-PAT00007
As the scroll expand angle (
Figure 112004054516201-PAT00008
As shown in FIG. 1, the flow cross-sectional area is increased, and as a result, the velocity energy of the fluid passing through the inside of the scroll is converted into pressure energy. The narrowest gap between the impeller 2 and the scroll 4 is called cutoff 6, and the scroll 4 is located at the circumferential position of the tongue 6.
Figure 112004054516201-PAT00009
It is installed on the basis of the impeller (2) and the gap in the).

이와 같이 형성되는 원심다익송풍기(1)의 임펠러(2)는 블래이드(3)가 형성된 부분의 크기가 내측반경(d1), 외측반경(d2) 그리고 폭(b) 등의 구성 요소에 의해 형성된다. 즉 원심다익송풍기(1)는 도 2에 도시된 바와 같이, 입체형상의 일측면으로 흡입되는 유체가 원주면을 따라 회동된 후 일측으로 유출되는 유동장 흐름을 나타내고 있다. The impeller 2 of the centrifugal blower 1 thus formed is formed by components such as inner radius d1, outer radius d2, and width b of the size of the portion where the blade 3 is formed. do. That is, as shown in FIG. 2, the centrifugal multi-purpose blower 1 shows a flow field flow flowing out to one side after the fluid sucked to one side of the three-dimensional shape is rotated along the circumferential surface.

<실시예><Example>

이와 같이 구비되는 본 발명 원심다익송풍기(1)는 삼차원 전산유체역학에 따른 삼차원 RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes Analysis) 유동 해석기법과 실험값 혹은 목적함수를 매끄러운 다항 함수로 모델링하기 위해 물리적 혹은 수치적 실험을 통하여 도출된 결과들을 이용하는 일련의 수리통계적 기법인 반응면기법을 바탕으로 하는 수치최적설계기법에 의하여 구비한 것이다. 그리고 임펠러(2) 내에서의 주 흐름의 운동량 변화, 스크롤(4)의 형상이 설부(6)에서 유동단면적이 가장 좁고 원주방향을 따라 진행하면서 점차 유동단면적이 증가하는 비대칭적인 기하학적 형상으로 인해 임펠러의 원주방향에 따른 유동의 비대칭성, 스크롤(4)과 임펠러(2)와의 간격이 가장 좁은 부분인 설부(6) 주위의 매우 큰 압력구배 그리고 스크롤(4) 내부에서의 강한 삼차원 유동 등에 의해 검출되는 요소들에 의해 원심다익송풍기의 형태를 결정할 수 있다.The present invention centrifugal multi-purpose blower (1) is provided with a three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes Analysis (RANS) flow analysis method according to the three-dimensional computational fluid dynamics and physical or numerical value to model the experimental value or objective function as a smooth polynomial function It is based on the numerical optimal design technique based on the response surface technique, which is a series of mathematical statistical techniques using the results obtained through the numerical experiments. And the impeller due to the change in the momentum of the main flow in the impeller (2), the shape of the scroll (4) due to the asymmetric geometric shape that the flow cross-sectional area is the narrowest and the flow cross-section gradually increases along the circumferential direction in the tongue (6) Flow asymmetry in the circumferential direction of, detection by very large pressure gradient around tongue 6, the narrowest distance between scroll 4 and impeller 2, and strong three-dimensional flow inside scroll 4. The type of centrifugal blower can be determined by these factors.

따라서 상기와 같은 수치최적설계기법에 의한 원심다익송풍기(1)의 요소 검출 방법에 의해 검출된 요소인 임펠러(2)의 폭, 설부(6)의 반경 및 위치 등 기하학적 형상 요소에 의해 본 발명 원심다익송풍기(1)를 구비한 것이다.Therefore, the present invention is based on the geometrical elements such as the width of the impeller 2, the radius and the position of the tongue 6, which are elements detected by the element detection method of the centrifugal blower 1 by the numerical optimum design technique as described above. A centrifugal blower 1 is provided.

즉 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 임펠러(2), 블래이드(3) 그리고 스크롤(4)을 포함하는 원심다익송풍기(1)의 요소 검출 방법은, 성능에 민감한 영향을 미치는 것으로 알려진 기하학적 설계변수로 스크롤(4)에 대해서 설부(6)의 위치(

Figure 112004054516201-PAT00010
) 및 반경(
Figure 112004054516201-PAT00011
)을 선택하였고, 임펠러(2)에 대해서 폭(b)을 선택하고, 추가로 송풍기의 운전과 관련된 유량을 포함하는 설계 변수 선정 단계(S101)와, 유체기계의 형상변화에 따른 성능의 변화를 정량화하고 그 크기를 서로 비교함으로써 이를 최대화할 수 있도록 목적함수로써 설정하는 목적함수 구성 단계(S102)와, 도 6에 나타낸 반응면 구성을 위해 필요한 실험점을 얻고자 선택한 각 설계변수에 대한 영역과 무차원 비속도 등의 한계를 결정하는 제한 조건 설정 단계(S103)를 포함하여 설계 대상 셋업 단계(100)를 구성하였다. 그리고 도 3에 도시된 바와 같이, 중심부에서 30×18×18, 임펠러부에서 6×66×20 그리고 스크롤부에서 96×12×20개의 세 블록으로 분할하여 대수적인 방법으로 계산격자를 구성하는 다중블록시스템을 적용함으로써 원심다익송풍기(1)의 복잡한 기하학적 형상에 대한 유동해석을 수행하기 위한 격자 생성 단계(S201)와, 표준 k-ε 난류모델을 사용하여 비압축성 난류유동의 삼차원 Reynolds-averaged Navier-Stokes방정식을 계산하고자 지배방정식들을 비직교곡선좌표계로 변환하였으며 유한체적법으로 이산화한 후, 선형대수방정식의 계산에 SIP(Strongly Implicit Procedure), 압력계산에 SIMPLEC 알고리듬을 사용하는 삼차원 열유동 해석 단계(S202)와 상기 제한조건 설정 단계(S103)에서 선택된 각 실험점에 대해서 상기 삼차원 유동 해석 단계(S202)를 거쳐 얻어진 결과로부터 상기 목적함수 구성 단계(S102)에서 정의된 효율을 계산하는 결과 DATA 분석 단계(S203)를 포함하는 설계 대상 해석 단계(S200)를 구성하였다. 또한 상기 유동 해석 단계(S202)에서 사용된 해석 방법의 타당성을 검증하고자 기준 형상에 대한 삼차원 유동해석 결과와 실험결과를 비교하는 해석 결과 검증 단계(S300)를 구성하고, 다항식으로 정의된 반응함수(y=Xβ+ε)의 계수(β) 값을 결정하는 단계로써 여기서 y는 실험을 통해 얻어진 반응(response)의 (n×1)벡터이고, X는 독립변수(independent variable)의 (n×p)벡터이며, β는 회귀상수의 (p×1)벡터이고, ε은 오차의 (n×1)벡터로 되어, 수치 오차(εi)의 제곱을 최소화하기 위하여 오차의 제곱 함수를 구하면,1 and 4, the element detection method of the centrifugal blower 1 including the impeller 2, the blade 3 and the scroll 4 is known to have a sensitive effect on performance. Position of tongue 6 with respect to scroll 4 with geometric design parameters (
Figure 112004054516201-PAT00010
) And radius (
Figure 112004054516201-PAT00011
), Select the width (b) for the impeller (2), and further select the design parameter selection step (S101) including the flow rate associated with the operation of the blower, and the performance change according to the shape change of the fluid machine An objective function construction step (S102) for quantifying and comparing the magnitudes with each other and maximizing them, and an area for each design variable selected to obtain an experimental point necessary for the response surface configuration shown in FIG. The design target set-up step 100 was configured including a constraint setting step S103 for determining a limit such as dimensionless specific speed. As shown in FIG. 3, the multiplexing block is divided into three blocks of 30 × 18 × 18 at the center, 6 × 66 × 20 at the impeller, and 96 × 12 × 20 at the scroll. Three-dimensional Reynolds-averaged Navier for incompressible turbulent flow using a grid generation step (S201) and a standard k- ε turbulence model for performing flow analysis on the complex geometrical shape of the centrifugal blower 1 by applying the block system. In order to calculate the Stokes equation, the governing equations are transformed into non-orthogonal curve coordinate system, and after discretizing by finite volume method, the three-dimensional thermal flow analysis step using the SIP (Strongly Implicit Procedure) for the linear algebraic equation and the SIMPLEC algorithm for the pressure calculation From the results obtained through the three-dimensional flow analysis step (S202) for each experimental point selected in (S202) and the constraint setting step (S103) Results of calculating the efficiency, defined by the function configuration step (S102) was constructed to the design target analysis step (S200) comprises the DATA analysis step (S203). In addition, to verify the validity of the analysis method used in the flow analysis step (S202) to configure the analysis result verification step (S300) for comparing the experimental results with the three-dimensional flow analysis results for the reference shape, the reaction function ( determining the value of the coefficient β of y = Xβ + ε, where y is the (n × 1) vector of the response obtained from the experiment, and X is the (n × p) of the independent variable. ), Β is the (p × 1) vector of the regression constant, ε is the (n × 1) vector of the error, and the square function of the error is obtained to minimize the square of the numerical error (ε i )

Figure 112004054516201-PAT00012
Figure 112004054516201-PAT00012

와 같이 표현되며, 함수 L이 최소 제곱함수가 되기 위해서 최소 제곱방정식(least square normal equation)이라 불리는And the function L is called the least square normal equation in order to be the least square function.

Figure 112004054516201-PAT00013
Figure 112004054516201-PAT00013

인 방정식을 만족하며, 이때 p개의 방정식들로 구성되며, 이 연립방정식을 만족하는 미정계수 b0, b1,......bk를 구하는 반응모델 계수결정 단계(S401)와 이들 미정계수를 사용하여 반응모델을 구성하는 반응모델 구성 단계(S402)를 포함하는 회귀분석 단계(S400)를 구성한다. 그리고 상기 회귀분석 단계(S400)에서 얻어진 미결정계수의 불확실성은 계수의 값에서 표준편차가 차지하는 비율의 역수인 t- statistics를 이용해 평가하고 임의의 항이 전체적인 반응모델의 신뢰도에 미치는 영향인

Figure 112004054516201-PAT00014
을 평가하고, 정확도가 떨어지는 항을 제거함으로써 반응모델의 신뢰도를 높이고 예측성을 향상시켜, 이때 Satisfying the equation of, which is composed of p equations, and the response model coefficient determination step (S401) of determining the unidentified coefficients b 0 , b 1 , ...... b k satisfying the simultaneous equations A regression analysis step S400 including a reaction model construction step S402 constituting a reaction model using coefficients is configured. The uncertainty of the microcrystal coefficient obtained in the regression analysis step (S400) is evaluated using t-statistic, which is the inverse of the ratio of the standard deviation in the value of the coefficient, and the effect of any term on the reliability of the overall response model.
Figure 112004054516201-PAT00014
To improve the reliability and predictability of the response model by eliminating the less accurate terms.

Figure 112004054516201-PAT00015
Figure 112004054516201-PAT00015

로 되어, 여기서 SSE는 오차제곱의 총 합이며, Syy는 반응함수 제곱 값의 총합이며,

Figure 112004054516201-PAT00016
의 최대값은 1.0이며, 클 수록 정확한 반응모델이 구성되며, 상기 회귀분석 단계(S400)에서 얻어진 t-statistics과
Figure 112004054516201-PAT00017
의 값을 비교함으로써 반응모델이 실제 반응함수를 잘 반영하고 있는 지를 검사하는 반응모델 검증 단계(S500)를 구성한 것이다. 상기 회귀분석 단계(S400)에서 얻어진 반응함수로부터 선형 계획법을 사용하여 함수의 최대 혹은 최소값을 탐색하는 반응함수의 최적점 결정 단계(S601)와 상기 반응함수의 최적점 결정 단계(S601)로부터 목적함수가 최대 혹은 최소가 되는 위치에서의 설계변수의 최적값을 결정하는 최적설계변수 결정 단계(S602)를 포함하는 최적설계 단계(S600)를 구성하여 원심다익송풍기(1)의 요소 검출하는 원심다익송풍기(1)의 요소 검출 방법을 구성한 것이다.Where SS E is the sum of squared errors, S yy is the sum of squared response functions,
Figure 112004054516201-PAT00016
The maximum value of is 1.0, the larger the more accurate response model is composed, the t-statistics and the obtained in the regression analysis step (S400)
Figure 112004054516201-PAT00017
By comparing the values of the reaction model verification step (S500) to check whether the reaction model reflects the actual reaction function well. From the response function obtained in the regression analysis step (S400) using the linear programming method to determine the optimum point of the response function to find the maximum or minimum value of the function (S601) and the target function from the determination of the optimal point of the response function (S601) Is a centrifugal element for detecting the elements of the centrifugal blower 1 by constructing an optimal design step S600 including an optimal design variable determining step S602 for determining an optimum value of a design variable at a position where the maximum or minimum value is maximum. The element detection method of the blower 1 is comprised.

본 발명에서 유동해석에 소요되는 계산시간을 절약하기 위해 임펠러 힘에 대한 수학적 모델을 사용하였다. 즉 도 5에 도시된 바와 같이, 임펠러(2) 모델에서 임펠러(2) 블록 내에서 작용하는 블래이드(3)에 의한 힘(f)의 반경방향 힘(fr)과 원 주방향 힘(fc)은 임펠러(2) 입구와 출구에서의 유량과 유동 조건들에 의해 다음과 같이 구비된다. 즉, In the present invention, a mathematical model of impeller force is used to save the computation time required for flow analysis. 5, the radial force f r and the circumferential force f c of the force f by the blade 3 acting within the impeller 2 block in the impeller 2 model, as shown in FIG. 5. ) Is provided by flow rate and flow conditions at the inlet and outlet of the impeller 2 as follows. In other words,

Figure 112004054516201-PAT00018
Figure 112004054516201-PAT00018

으로 구비되며, 이때

Figure 112004054516201-PAT00019
은 각각 질량 유량, d는 임펠러(2) 반경,
Figure 112004054516201-PAT00020
는 각속도,
Figure 112004054516201-PAT00021
는 유동각,
Figure 112004054516201-PAT00022
은 미끄럼계수,
Figure 112004054516201-PAT00023
는 밀도,
Figure 112004054516201-PAT00024
는 평균 유동 단면적, c는 원주방향 유동 속도,
Figure 112004054516201-PAT00025
는 날개 회전속도,
Figure 112004054516201-PAT00026
은 반경,
Figure 112004054516201-PAT00027
는 검사 체적 그리고
Figure 112004054516201-PAT00028
은 임펠러 효율이며, 하첨자 1과 2는 각각 임펠러(2)의 입구와 출구를 나타낸다.It is provided as, wherein
Figure 112004054516201-PAT00019
Is the mass flow rate respectively, d is the radius of the impeller (2),
Figure 112004054516201-PAT00020
Is the angular velocity,
Figure 112004054516201-PAT00021
Is the flow angle,
Figure 112004054516201-PAT00022
Silver slip coefficient,
Figure 112004054516201-PAT00023
Is the density,
Figure 112004054516201-PAT00024
Is the average flow cross section, c is the circumferential flow velocity,
Figure 112004054516201-PAT00025
Wing speed,
Figure 112004054516201-PAT00026
Silver radius,
Figure 112004054516201-PAT00027
Is the inspection volume and
Figure 112004054516201-PAT00028
Is the impeller efficiency, and subscripts 1 and 2 represent the inlet and outlet of the impeller 2, respectively.

이에 따라 임펠러(2)와 스크롤(4)에 대한 기하학적 형상변수들 중에서 설부(6)의 위치(

Figure 112004054516201-PAT00029
)와 곡률반경(Rc) 그리고 임펠러(2) 폭(b)을 설계변수로 하며, 송풍기의 운전과 관련된 유량(Q)을 설계변수로 하였다. 이들 설계변수를 무차원화하였다. 그리하여 수치해석을 통해 다음과 같은 목적함수(f)를 구하여, 목적함수(f)의 값이 최소가 되는 최적 설계점을 구할 수 있도록 하였다. 즉,Accordingly, the position of the tongue 6 among the geometrical parameters for the impeller 2 and the scroll 4 (
Figure 112004054516201-PAT00029
), The curvature radius (R c ) and the impeller (2) width (b) were design variables, and the flow rate (Q) related to the operation of the blower was the design variable. These design variables are dimensionless. Thus, through the numerical analysis, the following objective function (f) was obtained, and the optimal design point was obtained to minimize the value of the objective function (f). In other words,

Figure 112004054516201-PAT00030
Figure 112004054516201-PAT00030

이며, 여기서 효율(

Figure 112004054516201-PAT00031
)은Where efficiency (
Figure 112004054516201-PAT00031
)silver

Figure 112004054516201-PAT00032
Figure 112004054516201-PAT00032

이며, 이때

Figure 112004054516201-PAT00033
는 정압이며, 하첨자 in과 ex가 각각 원심다익송풍기(1)의 입구와 출구를 나타내며, Q가 유량이며,
Figure 112004054516201-PAT00034
가 임펠러(2)의 각속도이다. 그리고 효율(
Figure 112004054516201-PAT00035
)의 분모는 송풍기 입력일률에 대한 것으로 임펠러 모델에 의해서 계산된다., Where
Figure 112004054516201-PAT00033
Is constant pressure, subscript in and ex represent inlet and outlet of the centrifugal blower 1, respectively, Q is the flow rate,
Figure 112004054516201-PAT00034
Is the angular velocity of the impeller (2). And efficiency (
Figure 112004054516201-PAT00035
The denominator of) is the blower input power and is calculated by the impeller model.

상기의 목적함수와 설계변수를 이용하여 구성되는 반응모델은 다음과 같다. 즉,The reaction model constructed using the objective function and design variables is as follows. In other words,

Figure 112004054516201-PAT00036
Figure 112004054516201-PAT00036

이며, 여기서 xi, i 및 j가 설계변수이며, 다항식의 계수

Figure 112004054516201-PAT00037
0,
Figure 112004054516201-PAT00038
1 의 수는 (n+1)(n+2)/2이다. 상기의 계수는 실험 데이터로부터 최소자승법(least square method)에 의해 결정되며, 구성된 반응모델에서 최적점을 찾아서 최적설계변수의 값을 구하도록 하였다.Where x i , i and j are design variables, and the coefficients of the polynomial
Figure 112004054516201-PAT00037
0 ,
Figure 112004054516201-PAT00038
The number of 1 is (n + 1) (n + 2) / 2. The above coefficients were determined by the least square method from the experimental data, and the optimum point was found from the constructed response model to find the value of the optimal design variable.

그리하여 검출된 원심다익송풍기(1)의 요소들은 도 6 및 도 7에 나타난 바와 같이, 임펠러(2)는 임펠러 내경(d1)이 200mm 내지 300mm 바람직하게는 266mm, 임펠러(2) 외경(d2)이 300mm 내지 320mm 바람직하게는 310mm, 임펠러(2) 폭(b/d1)이 0.600mm 내지 0.630mm 바람직하게는 0.615mm, 임펠러(2) 갯수(z)가 45개 내지 50개 바람직하게는 48개이고, 스크롤(4)은 스크롤 확대각(

Figure 112004054516201-PAT00039
)이 7.00도 내지 8.00도 바람직하게는 7.86도, 스크롤(4)과 임펠러(2) 설치(6) 부위(
Figure 112004054516201-PAT00040
)가 79.5도 내지 81.5도 바람직하게는 80.9도 그리고 스크롤(4)과 임펠러(2) 설부(6)반경(Rc)이 13.0mm 내지 14.0mm 바람직하게는 13.4mm로 하여 본 발명 원심다익송풍기(1)를 구성한 것이다.The elements of the centrifugal blower 1 thus detected are shown in FIGS. 6 and 7, and the impeller 2 has an impeller inner diameter d1 of 200 mm to 300 mm, preferably 266 mm, and an impeller 2 outer diameter d2. The 300mm to 320mm preferably 310mm, the impeller 2 width (b / d1) is 0.600mm to 0.630mm preferably 0.615mm, the number of impeller 2 (z) is 45 to 50, preferably 48 , Scroll (4) is the scroll zoom angle (
Figure 112004054516201-PAT00039
) Is 7.00 to 8.00 degrees, preferably 7.86 degrees, the scroll (4) and the impeller (2) installation (6)
Figure 112004054516201-PAT00040
79.5 degrees to 81.5 degrees, preferably 80.9 degrees, and the scroll 4 and the impeller 2, the tongue 6, the radius R c is 13.0 mm to 14.0 mm, preferably 13.4 mm. (1) is configured.

이때 도 7에 나타낸 유량계수의 범위에 대응하는 무차원 비속도

Figure 112004054516201-PAT00041
는 기하학적으로 닮고 크기가 다른 유체기계 내의 흐름이 유체역학적으로 닮은꼴이 되도록 하여 유도해 낸 수치로 무차원 비속도는 유량과 압력에 대한 관계식으로,At this time, the dimensionless specific velocity corresponding to the range of the flow coefficient shown in FIG.
Figure 112004054516201-PAT00041
Is a numerical value derived from the geometrically similar and differently sized flows within a fluid machine that is hydrodynamically similar. The dimensionless specific velocity is a relationship between flow and pressure.

Figure 112004054516201-PAT00042
Figure 112004054516201-PAT00042

로 표시된다. 여기서 n은 회전수(rpm), Q는 유량 그리고 H는 전양정을 의미한다. 본 발명에서 비속도의 범위는 0.19로부터 0.20까지이며, 이는 실험을 얻기 위해 선택한 유량의 범위인 유량계수가 1.15에서 1.65내에서 크게 변하지 않는다. 그리고 도 8은 구성된 반응면의 회귀분석 결과를 나타낸 것으로

Figure 112004054516201-PAT00043
가 0.807이고, 도 9는 기준형상과 최적화된 형상의 설계변수의 값을 비교한 것이다. 즉 최적화 결과를 보면 효율이 27.7%인 기준 형상에 38.8%로 최적형상에서 성공적으로 향상되었음을 알 수 있으며, 최대 효율점에서의 정압은 최적화에 의해 미세하게 증가함을 알 수 있다.Is displayed. Where n is rotational speed (rpm), Q is flow rate and H is full head. In the present invention, the specific velocity ranges from 0.19 to 0.20, which does not change much within 1.15 to 1.65, which is the range of flow rates chosen for the experiment. And Figure 8 shows the regression analysis results of the response surface configured
Figure 112004054516201-PAT00043
Is 0.807, and FIG. 9 compares values of design variables of the reference shape and the optimized shape. In other words, the optimization result shows that the efficiency was improved to 38.8% in the reference shape with the efficiency of 27.7% in the optimum shape, and the static pressure at the maximum efficiency point is finely increased by the optimization.

그리고 도 10은 설계 유량계수, 즉 최고효율을 나타내는 유량계수(flow coefficient)를 나타낸 것으로, 1.2로부터 1.479로 변화함을 알 수 있으며, 이에 대한 기준 송풍기와 최적화된 송풍기의 효율곡선을 도 11에 도시한 것이다. 아울러 설계변수로 유량을 사용한 본 발명의 타당성을 검증하기 위하여 유량계수를 고정(

Figure 112004054516201-PAT00044
=1.38)해서 얻은 형상의 성능 곡선도 함께 나타내었다. 여기서
Figure 112004054516201-PAT00045
는 기준 형상에 대한 효율 곡선을,
Figure 112004054516201-PAT00046
는 유량을 고정시킨 상태에서의 수 치최적설계의 결과로부터 얻어진 효율 곡선을 그리고
Figure 112004054516201-PAT00047
는 유량을 변화시킨 상태에서의 수치최적설계의 결과로부터 얻어진 효율 곡선을 의미한다. 유량을 변수로 사용한 경우 유량을 고정시켰을 경우에 비해 최대 효율이 증가함을 확인할 수 있다. 이것을 통해 설계변수에 의해 유량에 대한 최적 형상뿐만 아니라 최적화된 설계유량을 성공적으로 구할 수 있다. 그리고 도 12 및 도 13에 기준 형상에 대한 효율 및 성능곡선을 실험결과와 비교하여 나타내었다. 이에 따라 설계변수에 의해 유량에 대한 최적 형상뿐만 아니라 최적화된 설계유량을 구할 수 있다.FIG. 10 shows a design flow coefficient, that is, a flow coefficient representing the highest efficiency, and it can be seen that it varies from 1.2 to 1.479. The efficiency curves of the reference blower and the optimized blower are shown in FIG. It is. In addition, in order to verify the validity of the present invention using the flow rate as a design variable,
Figure 112004054516201-PAT00044
The performance curve of the shape obtained by = 1.38) is also shown. here
Figure 112004054516201-PAT00045
Is the efficiency curve for the reference shape,
Figure 112004054516201-PAT00046
Is the efficiency curve obtained from the result of the numerical optimum design with the flow fixed.
Figure 112004054516201-PAT00047
Means the efficiency curve obtained from the result of the numerical optimization design with the flow rate changed. When the flow rate is used as a variable, it can be seen that the maximum efficiency increases compared to the case where the flow rate is fixed. In this way, the optimum design flowrate as well as the optimum design flowrate can be successfully determined by design variables. 12 and 13 show the efficiency and performance curves for the reference shape in comparison with the experimental results. Accordingly, the optimized design flow rate as well as the optimum shape for the flow rate can be obtained by design variables.

상기와 같이 구비된 본 발명은 원심다익송풍기의 내부를 지나는 삼차원 유동해석을 수행하여 임펠러 및 스크롤의 설계변수의 변경 범위에서 성능에 미치는 영향을 검토하고 삼차원 유동해석을 바탕으로 최적설계를 하도록 한 것이다. 이러한 최적화 기술에 의해 설계된 원심다익송풍기를 구성함으로써, 보다 정밀한 유동해석기법을 바탕으로 하여 최적화된 원심다익송풍기를 구성하여 성능 및 효율이 월등한 원심다익송풍기를 제공하는 효과가 있다.The present invention provided as described above is to perform the three-dimensional flow analysis passing through the inside of the centrifugal blower to examine the effect on the performance in the range of change of the design variables of the impeller and scroll and to optimize the design based on the three-dimensional flow analysis will be. By constructing a centrifugal blower designed by such an optimization technique, an optimized centrifugal blower is constructed based on a more precise flow analysis technique to provide a centrifugal blower having superior performance and efficiency.

Claims (6)

임펠러(2), 블래이드(3) 그리고 스크롤(4)을 포함하는 원심다익송풍기에 있어서,In a centrifugal blower comprising an impeller 2, a blade 3 and a scroll 4, 설계 변수 선정 단계(S101)와 목적함수 구성 단계(S102)와 제한 조건 설정 단계(S103)를 포함하는 설계 대상 셋업 단계(100)와A design target setup step 100 including a design variable selection step S101, an objective function construction step S102, and a constraint condition setting step S103; 격자 생성 단계(S201)와 삼차원 열유동 해석 단계(S202)와 결과 DATA 분석 단계(S203)를 포함하는 설계 대상 해석 단계(S200)와Design target analysis step (S200) comprising a grid generation step (S201), three-dimensional heat flow analysis step (S202) and result data analysis step (S203) and 해석 결과 검증 단계(S300)와Analysis result verification step (S300) and 반응모델 계수결정 단계(S401)와 반응모델 구성 단계(S402)를 포함하는 회귀분석 단계(S400)와A regression analysis step (S400) including a response model coefficient determination step (S401) and a response model construction step (S402); 반응모델 검증 단계(S500)와 Reaction model verification step (S500) and 반응함수의 최적점 결정 단계(S601)와 최적설계변수 결정 단계(S602)를 포함하는 최적설계 단계(S600)를 포함하는 원심다익송풍기의 요소 검출 방법.The element detection method of the centrifugal blower comprising an optimum design step (S600) comprising an optimum point determination step (S601) and an optimum design variable determination step (S602) of the reaction function. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 목적함수 구성 단계(S102)는The objective function configuration step (S102) is Ps가 정압이며, 하첨자 in과 ex가 각각 송풍기의 입구와 출구를 나타내며, Q가 유량이며,
Figure 112004054516201-PAT00048
가 임펠러의 각속도이며, 효율
Figure 112004054516201-PAT00049
Ps is the constant pressure, subscript in and ex represent the inlet and outlet of the blower, respectively, Q is the flow rate,
Figure 112004054516201-PAT00048
Is the angular velocity of the impeller,
Figure 112004054516201-PAT00049
this
Figure 112004054516201-PAT00050
일 때,
Figure 112004054516201-PAT00050
when,
Figure 112004054516201-PAT00051
Figure 112004054516201-PAT00051
인 목적함수에 의해 구성되는 단계인 것을 특징으로 하는 원심다익송풍기의 요소 검출 방법.It is a step comprised by the objective function which is the element detection method of the centrifugal multipurpose blower characterized by the above-mentioned.
제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 반응모델 구성 단계(S402)는 xi이 설계변수이며, i 및 j가 설계변수의 수 일 때, The reaction model construction step (S402) is when x i is a design variable, i and j is the number of design variables,
Figure 112004054516201-PAT00052
Figure 112004054516201-PAT00052
에 의해 형성되는 반응모델에 의한 단계를 포함하는 원심다익송풍기의 요소 검출 방법.The element detection method of the centrifugal blower comprising the step of the reaction model formed by.
임펠러(2), 블래이드(3) 그리고 스크롤(4)을 포함하는 원심다익송풍기에 있어서,In a centrifugal blower comprising an impeller 2, a blade 3 and a scroll 4, 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항의 원심다익송풍기의 요소 검출 방법에 의해 제조되는 원심다익송풍기.A centrifugal blower manufactured by the urea detection method of the centrifugal blower according to any one of claims 1 to 3. 제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 검출되는 상기 요소인 임펠러 내경이 200mm 내지 300mm, 임펠러 외경이 300mm 내지 320mm, 임펠러 폭이 0.600mm 내지 0.630mm, 임펠러 갯수가 45개 내지 50개로 구비되는 원심다익송풍기의 요소 검출 방법에 의해 구성되는 원심다익송풍기.The element detected by the impeller inner diameter of 200mm to 300mm, impeller outer diameter of 300mm to 320mm, impeller width of 0.600mm to 0.630mm, impeller number of 45 to 50 is provided by the element detection method of the centrifugal blower Centrifugal blower. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,The method according to claim 4 or 5, 검출되는 상기 요소인 스크롤 확대각이 7.00도 내지 8.00도이며, 스크롤과 임펠러 설치부위가 79.5도 내지 81.5도이며, 스크롤과 임펠러 설부반경이 13.0mm 내지 14.0mm로 구비되는 원심다익송풍기의 요소 검출 방법에 의해 구성되는 원심다익송풍기.Detecting the element of the centrifugal blower equipped with the scroll magnification angle of 7.00 degrees to 8.00 degrees, the scroll and impeller installation portion of 79.5 degrees to 81.5 degrees, and the scroll and impeller tongue radius of 13.0 mm to 14.0 mm. Centrifugal blower configured by the method.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160082304A (en) * 2014-12-30 2016-07-08 주식회사 멕 아이씨에스 Simulating apparatus for impeller of 2 step radial blower
US9970455B2 (en) 2015-02-05 2018-05-15 Hanwha Power Systems Co., Ltd. Compressor
WO2022216055A1 (en) * 2021-04-07 2022-10-13 연세대학교 산학협력단 Method for designing swirling flow dust collector
KR20230015067A (en) * 2021-07-22 2023-01-31 한국생산기술연구원 A method for designing an impeller and a volute provided in a small-capacity two-vane pump that satisfies low flow rate and high lift and can transport solids, and a two-vane pump designed thereby

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