KR20070107877A - 축류 팬의 다중영역설계방법 및 그 설계방법에 의해 제작되는 축류팬 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축류 팬의 다중영역설계방법에 관한 것으로, 상기 본 발명은 작동점에서의 설계 유량과 압력을 바탕으로 코르디어(Cordier)의 비속도 및 비직경의 관계를 이용하여 팬 직경을 선정하고, 소음 등을 고려한 설계 회전수(N*) 혹은 코르디에의 비속도로 부터의 회전수를 바탕으로 모터토크 특성으로부터 예상 작동점에서의 토크(T*)를 결정하는 제1단계; 상기 작동점 토크를 바탕으로 그 작동점에서의 예상 효율이 낮거나 예상토크보다 너무 크게 판단된 경우, 다중영역설계를 위한 영역의 개수를 정하는 제2단계; 원하는 토크특성을 바탕으로 전압분포함수를 결정하여 주어진 성능을 만족하도록 각 다중영역에서의 설치각 분포, 코드길이 분포, 캠버각 분포, 휨각 분포, 날개두께 분포 등을 결정하는 제3단계; 속도 삼각형의 결정, 유동변수 계산 및 효율을 가정하는 제4단계; 상기 제4단계의 값을 바탕으로 절현비를 결정하고, 상세한 캠버각, 입구영각, 출구이탈각, 경계층 두께 및 스태거각 등 을 계산하는 제5단계; 상기 제5단계에서 계산된 값을 손실모델에 적용하여 효율을 판단하고 원하는 효율이 미치지 못할 경우, 다시 코드길이 및 캠버각을 조정하여 상기 제5단계를 반복적으로 행하는 제6단계; 상기 제6단계를 통해 상기 수렴된 효율을 이용하여 다시 토크를 계산하는 제7단계; 상기 제7단계에서 계산된 토크의 크기를 바탕으로 모터토크 특성곡선으로부터 회전수(N)를 구하여 소음 등을 고려한 설계 회전수(N*)에 수렴할 때까지 상기 제2단계부터 상기 제7단계를 반복하여 다중영역별 설계를 진행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

팬, 송풍기, 다중영역설계, 임펠러, 와동분산구간, 축류형, 고효율, 저소음설계, 후단소음

Description

축류 팬의 다중영역설계방법{Multi Sectioning Design Method for Axial Fan}

도 1은 통상의 DC 모터의 성능 특성을 나타내는 그래프,

도 2는 날개 단면설계 시 설계변수의 정의를 나타내는 도면,

도 3은 종래의 설계방법에 의해 제작된 축류 팬 위에서 발생하는 와동특성을 나타내는 도면,

도 4는 종래의 설계방법에 의해 제작된 축류 팬의 다중 스윕각에 의한 팬 위의 와동특성을 나타내는 도면,

도 5는 본 발명에 따른 축류 팬의 다중영역설계방법에 의한 팬 위의 와동특성을 나타내는 도면,

도 6은 본 발명에 따른 축류 팬의 다중영역설계과정을 나타내는 순서도,

도 7은 본 발명에 따른 축류 팬의 다중영역설계방법을 통해 제작된 프로펠러형 임펠러 날개를 나타내는 사시도,

도 8은 도 7에 도시된 프로펠러형 임펠러 날개의 설치각 분포를 나타내는 그래프,

도 9는 본 발명에 따른 축류 팬의 다중영역설계방법에 의한 자동차 슈라우드 축류팬을 나타내는 개략도,

도 10은 도 9에 도시된 자동차 슈라우드 축류팬 설치각 분포를 나타내는 그래프,

도 11은 본 발명에 따른 축류 팬의 다중영역설계방법에 의한 최고효율점 이동을 나타내는 그래프,

도 12a는 본 발명에 따른 축류 팬의 다중영역설계방법 및 종래기술에 의한 프로펠러형 임펠러 날개의 소음특성을 비교한 그래프,

도 12b는 본 발명에 따른 축류 팬의 다중영역설계방법 및 종래기술에 의한 슈라우드 축류 팬의 소음특성을 비교한 그래프,

도 13은 동일 성능 조건에서 측정된 본 발명 및 종래기술의 팬 설계방법에 의한 팬에 대한 음감분석을 비교한 표이다.

*도면 내 주요부분에 대한 부호설명*

10: 프로펠러형 임펠러 날개 20: 슈라우드 축류 팬

본 발명은 축류 팬의 설계방법에 관한 것으로, 특히 소음을 낮추고 팬의 부하를 조절하여 원하는 설계점에서의 최고효율을 얻을 수 있는 축류 팬의 다중영역설계방법에 관한 것이다.

일반적으로 송풍기(blower)의 공력학적 설계에 관한 연구는 지난 수십 년간 지속되어 왔으며, 그 설계기법에 있어 많은 발전이 이루어졌다. 그러나 최근에는 성능 뿐 아니라 소음에 대한 요구수준이 높아지고 제품의 생산주기가 단축되어 보다 높은 수준의 설계수단의 개발을 필요로 하게 되었다.

특히, 송풍기는 모터와 팬의 조합으로 이루어져 있으며, 모터자체도 최적효율을 가지는 토크지점을 가지고 있다. 비록 팬을 잘 설계하였다 하더라도 모터와 팬의 토크 매칭성을 고려하지 않고 설계를 하면 전체적인 효율의 저하를 초래한다.

따라서 팬을 설계하기 전에 모터의 성능 및 특성을 파악하여야 한다. 일반적인 모터특성곡선은 도 1과 같다. 도 1의 x축은 토크값, 왼쪽 y축은 전류값, 오른쪽 y축은 회전수를 나타낸다. 일반적인 DC모터에서는 전류값과 회전수가 교차되는 지점이 모터효율이 가장 좋은 지점이며, 이 지점은 팬을 설계할 때 팬의 설계점에서의 회전수로 설정된다. 모터의 최적 효율지점이 아닌 부분에서 설계 회전수를 사용하게 되면 팬모터 결합의 전체적인 효율 저하 및 소비전력의 상승 등의 문제가 발생하였다.

결국, 모터와 팬의 토크 매칭성은 팬 설계시 중요한 문제이다. 예를 들어, 압력이 10.2mmAq, 유량이 2800CMH, 효율이 40％, RPM이 2400인 팬이 있다면 토크의 계산은 다음의 수학식 1과 같다.

이며, 1N*m=10.1972㎏f㎝ 으로부터 팬의 토크는 7.89 ㎏f㎝이다. 단, Del_p = 10.2mmAq = 99.96Pa, Q=2800CMH = 0.778 CMS, efficiency = 0.4 (팬 효율 가정), RPM=2400이다.

상기 수학식 1과 같은 방법으로 팬의 토크를 예측하여 초기의 팬 설계 시 부하문제와 효율문제에 대하여 설계의 가이드 라인을 얻을 수 있다. 또한 여기서 효율의 예측은 코르디에(Cordier) 계산식이나 손실모델을 이용한 성능예측법 등에 의한다.

한편, 소음에 영향을 주는 인자는 여러 가지가 있다. 우선, 코드길이를 살펴보면 필요한 압력 상승과 유량 발생을 위해서는 적당한 길이가 요구되나 코드길이가 증가할수록 압력이 증가한다. 또한 코드길이의 증가는 소음레벨을 증가시키고 동력도 증가하게 되어 부정적 영향을 끼친다. 캠버각은 영각과 함께 양력계수(C_L)에 직접적인 영향을 준다. 즉, 캠버각이 증가하면, 양력계수가 증가하여 발생압력도 증가하게 된다. 그러나 과도하게 큰 캠버각은 유동박리를 발생시키며 날개후단과의 상호작용에 의한 소음과 형상(Profile) 손실 등을 증가시킨다. 이 경우, 상기 두 변수들의 설명에서 알 수 있듯이 소음을 줄이는 전략으로 코드길이나 캠버각을 줄이는 방법이 있으나, 이들 모두를 줄이면 원하는 설계결과인 성능이 나올 수 없으므로 두 변수를 조정하여 적절한 성능이 나오는 범위에서 소음이 최소가 되는 적정 코드길이와 캠버각을 계산한다. 휨(Sweep)각은 성능에 큰 영향을 주지 않지만 소음에는 영향을 주는 변수이므로 주로 소음에만 초점을 두어 조정할 수 있다.

이러한 휨각을 이용한 방법의 원리는 날개가 회전시 경계층에서 유체 입자의 경로에 영향을 미치며 원심력 때문에 유선은 반경방향으로 휘어지게 된다. 만약 후 향 휨각일 경우 유동경로는 날개 후단에 도달하기 전에 더 바깥쪽으로 이동하게 되며, 이것은 특히 휨각이 매우 커질 때 뚜렷이 나타난다. 반대로 전향 휨각일 경우 원래 날개에서보다 유동 경로가 짧아진다. 따라서 매우 큰 전향 휨각에서는 일반적으로 경계층 두께가 일직선일 때보다 얇으며, 후향휨각 날개의 경우에는 더 두껍게 나타난다. 그러나 다양한 모양의 날개에서는 휨각을 정확히 결정하기가 어려우며, 날개 모양에 따라 유동패턴이 변화하여 유동이 지나는 코드길이 등이 변하기 때문에 성능의 정확한 영향을 예측하기 힘들게 된다.

이와 같은 휨각의 특성을 이용하여 국내공개특허 제2002-0094183호에서는 날개의 전연부와 후단부가 허브에서 날개 끝단으로 가면서 전향과 후향 형태를 교번하는 파형으로 고안하여 날개에 다중 곡률의 면을 통해 유동분산의 효과를 달성하는 축류팬을 제안하였다. 또한, 미국특허 5,906,179에는 날개의 코드길이가 허브에서 날개끝단까지 변화하며 임의의 위치에서 최소값을 갖는 축류팬이 제안되었으며, 미국특허 5,603,607 및 미국특허 4,089,618에는 톱니모양의 후단을 이용한 후단 소음저감의 축류팬이 개진되어 있다.

한편, 휨각에 의한 또 다른 영향은 양력의 변화이다. 휨각의 존재 시 양력은 날개 코드 방향에 따라 계산되므로 휨각이 있으면 코사인(cosine) 함수에 비례하여 감소하게 된다. 이것은 또한 소음식을 결정하는데 중요한 와동에 영향을 미치게 된다. 전향 휨각이 소음을 줄이게 되는 요인을 다음과 같이 나눌 수 있다. 첫째, 날개 형상의 변경으로 인한 소음 공명이 잘 일어나지 않으며, 둘째, 날개를 지나는 유체가 다음 날개에 영향을 적게 주게 되며, 셋째, 후단선에서 난류 경계층 두께를 감소시키고 날개 위에서의 박리(seperation)를 줄여 와동을 감소시키게 된다. 첫 번째와 두 번째는 간섭소음을 줄이는데 영향을 주며, 세 번째는 난류 경계층 소음을 줄이는데도 영향을 준다. 날개의 형상에 따라 다르지만 보통 40ㅀ∼50ㅀ에서 약 5∼10dB_A 정도의 소음을 감소시키는 것으로 알려져 있다.

그런데, 휨각을 통해 유동(Flow)분산구역을 만드는 기존 특허의 설계방식은 휨각의 다양한 분포에 의한 양력의 변화를 설계에 반영할 수 없게 되어 모터토크의 특성에 부합하는 휨각 분포를 설계하기 어려운 문제점이 있으며, 이에 따라 휨각의 다양한 분포에 의해서는 날개 전연에서 음향상쇄가 발생하는 것보다 후단에서의 와동 구조의 상호작용에 의한 후단소음 저감설명이 적절하다. 또한, 설계점을 이동시켜 다양한 부하조건에서 성능을 만족하며 와동분산구역을 갖는 팬은 휨각의 분포에 의해서는 불가능한 문제점이 있다.

또한, 축류팬 저소음의 다른 방법으로는 축류팬에서 날개의 끝단부분 와동을 억제하여 팬의 소음을 저감시키는 방법이다. 날개 끝단에서는 압력면에서 부압면으로 회전하는 와동이 발생하여 축류팬의 송풍효율을 떨어뜨리는 손실 요인으로 작용할 뿐만 아니라, 팬 소음을 일으키는 주된 요인으로 작용하게 된다. 이때 와동은 날개의 끝단을 타고 블레이드 압력면에서 부압면으로 넘어가는 유동형태를 띠게 된다. 이와 같이 다양한 소음원에 의한 소음방사로 인한 팬소음을 개선시키기 위해 등록특허 10-0469567에는 임펠러의 허브에서 끝단까지의 전압분포함수를 변경해 가면서, 원하는 소음분포함수를 찾도록 하는 역설계기법이 개진된다.

한편, 유체가 날개를 통과하게 되면 날개의 윗부분(부압면)에서는 가속되어서 속도가 빨라지고, 아랫부분(압력면)에서는 감속되어 늦어지게 된다. 이러한 속도의 변화는 압력의 변화를 가져오고 속도가 빨라지는 부압면에서는 압력이 감소하며 반대로 속도가 늦어지는 압력면에서는 압력이 증가하게 된다. 이러한 압력차이는 회전하는 날개에 의한 유체로의 에너지 전달로 이어지게 된다. 부압면에서는 압력이 대기압보다 감소되어서 무차원화된 압력값이 음의 값을 가지고, 압력면에서는 압력이 증가하여 양의 값을 갖게 되며, 부압면과 압력면에서의 압력 차이는 날개의 전연부에서 크고 후단으로 갈수록 감소한다고 알려져 있다. 또한 부압면의 경우 역압력구배가 존재하게 되며 날개 끝단부근 전연부에서 압력이 많이 떨어지게 된다. 또한 일반적으로 압력면에서는 끝단의 전연부분의 압력이 가장 높다. 즉, 도 3에서 볼 수 있듯이 일반적인 설계기법으로 축류 팬을 설계할 경우, 압력면과 부압면 사이의 압력값과 유속의 차이는 존재하지만 유동흐름은 비슷한 방향으로 진행하게 되며 결국 후단 압력면에서 발생하는 와동과 부압면에서 발생한 유동박리를 동반하는 후류와 부딪히면서 후단(T.E.) 소음이 증가하게 된다.

또한, 도 4에 도시된 설계기법은 각 날개의 휨각을 전향과 후향이 교차되는 형태로 소음을 감소시키는 방식으로, 이는 도 4에서와 같이 각 날개가 허브와 끝단사이를 적어도 3개 이상의 구간으로 나뉘어 허브에서 끝단으로 가면서 상기 각 구간에서 그 휨각의 방향이 전향에서 후향 또는 후향에서 전향으로 교차되어 이루어진 형태이다. 또한 이는 휨각의 영향으로 같은 무차원 코드위치(s/C)에서 날개 두께 변화가 발생하여 유동분산구간이 만들어지게 된다. 그러나 전향과 후향의 복합 적 영향으로 어느 단면에서는 경계층이 얇아지고 다른 단면에서는 두꺼워지기도 하여 후단 와동의 간섭이 감소하기도 하지만 경우에 따라서는 악화될 수 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 날개의 중간영역에서 부하적인 손실을 줄여 하중의 분산구역을 만들어 압력을 분산시킴으로써 비정상 하중으로 인한 날개 후단(Trailing-Edge) 소음을 낮추는 축류 팬의 다중영역설계방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 팬의 부하를 조절하여 원하는 설계점에서의 효율을 상승 및 최고 효율점을 이동시키는 축류 팬의 다중영역설계방법을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 작동점에서의 설계 유량과 압력을 바탕으로 코르디어(Cordier)의 비속도 및 비직경의 관계를 이용하여 팬 직경을 선정하고, 소음 등을 고려한 설계 회전수(N*) 혹은 코르디에의 비속도로 부터의 회전수를 바탕으로 모터토크 특성으로부터 예상 작동점에서의 토크(T*)를 결정하는 제1단계; 상기 작동점 토크를 바탕으로 그 작동점에서의 예상 효율이 낮거나 예상토크보다 너무 크게 판단된 경우, 다중영역설계를 위한 영역의 개수를 정하는 제2단계; 원하는 토크특성을 바탕으로 전압분포함수를 결정하여 주어진 성능을 만족하도록 각 다중영역에서의 설치각 분포, 코드길이 분포, 캠버각 분포, 휨각 분포, 날개두께 분포 등을 결정하는 제3단계; 속도 삼각형의 결정, 유동변수 계산 및 효율을 가정하는 제4단 계; 상기 제4단계의 값을 바탕으로 절현비를 결정하고, 상세한 캠버각, 입구영각, 출구이탈각, 경계층 두께 및 스태거각 등을 계산하는 제5단계; 상기 제5단계에서 계산된 값을 손실모델에 적용하여 효율을 판단하고 원하는 효율이 미치지 못할 경우, 다시 코드길이 및 캠버각을 조정하여 상기 제4단계를 반복적으로 행하는 제6단계; 상기 제6단계를 통해 상기 수렴된 효율을 이용하여 다시 토크를 계산하는 제7단계; 상기 제7단계에서 계산된 토크의 크기를 바탕으로 모터토크 특성곡선으로부터 회전수(N)를 구하여 소음 등을 고려한 설계 회전수(N*)에 수렴할 때까지 상기 제2단계부터 상기 제7단계를 반복하여 다중영역별 설계를 진행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 축류 팬의 다중영역설계방법을 제공한다.

본 발명의 다른 특징은, 상기 축류 팬 다중영역설계방법에 의해 제작되는 축류 팬에 있어서, 유량 및 정압상승 등을 만족하며, 팬 모터의 토크 부족으로 인한 회전수 감소가 일어나지 않도록 날개 끝단으로 가면서 설치각이 줄어드는 날개와, 상기 날개끝단으로 가면서 설치각을 증가시키는 2개 이상의 날개들을 복합시킨 것을 특징으로 하는 축류 팬을 제공한다.

이 경우, 상기 날개 스팬 방향으로의 접합은 각 연결점에서 적어도 위치 함수값, 연결선의 접선 및 법선 방향의 일차 미분함수가 일치하여 부드러운 날개면을 이루는 것이 가능하다.

상기 날개의 중간영역에서의 스테각 분포함수의 극소값이 적어도 1개 이상 존재하도록 하며, 상기 날개 위의 곡률 분포로 인한 후단 와동 들을 분산시켜 압력면의 와동과 부압면 위의 후류와의 상호작용을 줄여 BPF소음과 광대역 난류소음 저 감시킬 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징은, 상기 축류 팬 다중영역설계방법에 의해 제작되는 축류 팬에 있어서, 날개 후단 와동의 분산구역을 만들기 위해 전연부는 후향에서 전향, 전향에서 후향, 전체 후향, 전체 전향 중 어느 하나로 휨각분포를 갖고, 상기 날개의 코드길이가 허브에서 날개 끝단까지 변화하며 허브와 날개 끝단 사이에서 한 개 이상의 위치에서 극소값을 갖게 하여 와동분산구역을 이루며, 상기 날개 중간부분에서 와동분산구역을 만들어 부압면과 압력면 위의 와동의 흐름을 상이하게 함으로써 부압면 후단에서의 와동과 부압면 후류와의 상호작용을 감소시켜 광대역소음을 저감시키는 것을 특징으로 하는 축류 팬을 제공한다.

이하, 본 발명에 따른 축류 팬의 다중영역설계방법을 첨부된 도면을 참고하여 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명에 따른 축류 팬의 다중영역설계방법에 의한 날개 위의 와동특성을 나타내는 도면이다.

본 발명에 따른 다중영역(Multi-sectioning)설계방법은 종래의 기술처럼 휨각을 통해 유동분산구역을 만드는 방법이 아니라, 도 5와 같이, 설치각을 통해 와동분산구역을 만드는 방법으로써, 대략 날개중간부분에서 와동분산구역을 만들어 부압면과 압력면 위의 유동의 흐름을 다르게 함으로써 부압면 후단에서의 와동과 부압면 후류와의 상호작용을 감소시키며, 최고 효율점을 이동시킬 수 있게 된다.

또한 압력면의 경우 와동분산구역을 기준으로 하여 유동이 양쪽으로 나뉘게 되며, 유동이 나뉘는 부분의 유동흐름은 입구 영각이 낮아지는 효과를 가져온다. 이를 통해 후단에서 발생하는 와동 강도가 일반적인 설계기법으로 설계한 팬보다 낮아지게 하여 와동분산구역은 광대역소음을 저감시키게 된다.

도 6에는 본 발명에 따른 다중영역(Multi-Sectioning)설계방법의 순서도가 나타나 있다.

먼저, 작동점에서의 설계 유량과 압력이 주어지면(S1), 이를 바탕으로 코르디어(Cordier)의 비속도 및 비직경의 관계를 이용하여 팬 직경을 선정하게 된다(S2).

또한 소음 등을 고려한 설계 회전수(N*) 혹은 코르디에(Cordier)의 비속도로 부터의 회전수를 바탕으로 모터토크 특성으로부터 예상 작동점에서의 토크(T*)를 결정한다(S3). 이러한 작동점 토크를 바탕으로 그 작동점에서의 예상 효율이 낮거나 예상토크보다 너무 크게 판단된 경우, 다중영역설계를 위한 영역의 개수를 정하며(S4), 원하는 토크특성을 바탕으로 전압분포함수를 결정하여(S5) 주어진 성능을 만족하도록 각 다중영역에서의 설치각 분포, 코드길이 분포, 캠버각 분포, 휨각 분포, 날개두께 분포 등을 결정한다(S6). 이러한 날개의 상세설계는 전체 효율이 수렴할 때까지 반복적으로 계산한다. 즉, 속도 삼각형의 결정, 유동변수 계산 및 효율을 가정한 후(S7), 이를 바탕으로 절현비를 결정하고(S7), 이어서 캠버각, 입구영각, 출구이탈각, 경계층 두께 및 스태거각을 계산하여(S8) 이를 손실모델에 적용하여(S9) 효율을 판단하고(S10) 원하는 효율이 미치지 못할 경우, 다시 코드길이 및 캠버각을 조정하여(S11) 상기 S7∼S10의 과정을 반복한다.

상기의 수렴된 효율을 이용하여 다시 토크를 계산하며(S12), 계산된 토크의 크기를 바탕으로 모터토크 특성곡선으로부터 회전수(N)를 구하여(S13) 소음 등을 고려한 설계 회전수(N*)에 수렴(S14)할 때까지 전 과정을 반복하여 다중영역별 설계를 진행하게 된다.

도 7과 도 9에는 본 발명에 따른 축류 팬의 다중영역설계방법을 이용한 프로펠러형 축류 팬(10)(도 7 참조)과, 슈라우드 축류 팬(20)(도 9 참조)이 도시된다.

여기서, N=2Πf, Q(㎥/s), ΔP(Pa) 이다.

상기 도 7 및 도 9에는 각각 수학식 2를 통해 계산된 비속도가 3.01인 프로펠러형 축류 팬(10)과 비속도가 7.52인 자동차 냉각장치의 슈라우드 축류 팬(20)에 적용하여 설계된 형상을 보여주고 있다. 이 경우, 각각에 적용된 설치각분포는 각각 도 8과 도 10에 나타나 있다.

아울러, 도 11과 같이, 종래 팬의 최대효율지점은 최대유량지점이 아니라 대부분 중간지점에 위치하지만, 본 발명에 따른 축류 팬의 다중영역설계방법의 경우에는 최대유량지점으로 갈수록 효율을 증가시킬 수 있게 된다. 이는 종래의 팬의 설계기법에서 설치각의 분포가 허브쪽에서 가장 크고 끝단으로 갈수록 낮아지는 분포를 보이는데 반하여, 본 발명에 따른 다중영역설계방법의 설치각 분포는 도 8 및 도 10과 같이, 허브에서 중간영역까지 감소하다가 중간영역에서 끝단까지 다시 증가한다. 이는 많은 유량을 내기 위해서는 회전속도가 큰 끝단부분에서의 설치각이 큰 값을 갖는 것이 좋다. 그러나 종래의 설계방법을 통해 제작된 팬은 끝단의 설치각이 커지게 되어 허브에서의 설치각이 비정상적으로 증가하게 된다. 따라서 전체적인 팬의 부하가 증가되어 소비전력의 상승과 회전수 저하로 인한 유량감소가 발생하게 된다.

한편, 도 12a에서는 본 발명에 따른 다중영역설계방법 및 종래 설계방법에 의해 제작한 프로펠러형 축류팬(10)의 소음을 비교한 그래프이며, 도 12b에서는 본 발명에 따른 다중영역설계방법 및 종래 설계방법에 의해 제작한 자동차 냉각장치의 슈라우드 축류 팬(20)의 소음을 비교한 그래프이다. 도 12a 및 도 12b에서 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 제작된 축류팬(10,20)에 발생하는 BPF주파수와 광대역의 난류소음이 종래발명에 비해 많게는 약 5dB_A 정도 낮게 나타난다. 즉, 고주파수 대역의 소음이 감소하는 이유는 중간 스팬 부근에서 와동분산구역을 만들어 부압면과 압력면의 와동의 흐름을 다르게 함으로써 후단의 와동들을 분산시킴과 동시에 상호작용으로 인한 와동의 강도를 작아지게 하기 때문이다. 또한 팬의 종류마다 팬의 작동점 혹은 설계점이 다르기 때문에 본 발명에 따른 다중영역설계방법을 이용하여 와동분산구역의 위치 조절함으로써 최적의 사용점을 갖는 팬을 설계할 수 있다.

도 13은 동일 성능 조건에서 측정된 종래의 팬 설계방법 및 본 발명에 따른 다중영역설계방법에 의한 팬에 대한 음감분석을 비교한 표이다.

한편, 음질에 대한 주관적 평가를 음향신호의 물리적인 특성과 연관시키는 작업을 다루는 심리 음향학에 있어서 음질을 결정하는 주요 요소는 라우드니스(Loudness), 샤프니스(Sharpness), 러프니스(Roughness), 변동강도(Fluctuation Strength) 등으로 정의 하고 있다.

이러한 샤프니스, 러프니스, 변동강도 등이 소리의 발생 원인을 설명하는 기본적 청감인 반면에, 라우드니스는 사람이 주관적으로 느끼는 소리의 크기를 의미하며 그 자체로도 음질을 결정하는 중요한 인자이다. 동일한 라우드니스 값 또는 소음 레벨을 갖는 소음일지라도 고주파수 대역에 주요 소음성분이 존재하는 소음은 그렇지 않은 소음에 비해 날카로우며 성가신 느낌을 준다. 이와 같은 청감의 척도를 샤프니스라고 정의하며, 샤프니스는 비-라우드니스의 주파수 분포에 의해서 결정된다. 변동강도가 20Hz 이상으로 증가하면 변동강도를 거의 느끼지 못하게 되며 거친 느낌을 받게 된다. 이렇듯 주관적으로 느끼는 음에 대한 거칠기의 정도를 나타내는 척도가 러프니스이다. 20Hz 미만으로 진폭 또는 주파수 변조되는 소음의 경우 정상 상태의 소음에 노출되어 있는 경우보다 짜증스러운 느낌을 갖게 된다. 즉, 변동강도는 음의 변화를 느끼는 속성에 대한 주관적 지각량을 의미한다.

상기 도 13을 보면 Ns=7.52인 경우 다중영역설계기법에 의한 팬의 SPL값도 낮고, 라우드니스, 샤프니스, 러프니스, 변동강도 등의 수치가 모두 낮아졌으므로 감성적으로도 저소음화 된 팬으로 평가 분석된다. 특히 비속도가 동일하게 7.52인 성능이 동일한 팬에 적용한 결과 소음레벨 뿐만 아니라 음감 인덱스인 라우드니스와 변동강도가 현저하게 개선됨을 알 수가 있다.

상기한 본 발명에 있어서는, 팬의 형상을 결정하는 주요 인자 중 설치각, 캠버각, 코드길이를 와동분산구간인 팬의 날개 중간 스팬에서 최소값 혹은 극소값들로 설계하여 종래의 설계방법과 비교하여 BPF주파수와 광대역의 난류 소음을 감소시키는 이점이 있다.

또한, 팬의 부하를 조절하여 원하는 설계점에서의 효율을 상승시킬 수 있고, 아울러 최고 효율점을 이동시킬 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (5)

1. 작동점에서의 설계 유량과 압력을 바탕으로 코르디어(Cordier)의 비속도 및 비직경의 관계를 이용하여 팬 직경을 선정하고, 소음 등을 고려한 설계 회전수(N*) 혹은 코르디에의 비속도로 부터의 회전수를 바탕으로 모터토크 특성으로부터 예상 작동점에서의 토크(T*)를 결정하는 제1단계;

   상기 작동점 토크를 바탕으로 그 작동점에서의 예상 효율이 낮거나 예상토크보다 너무 크게 판단된 경우, 다중영역설계를 위한 영역의 개수를 정하는 제2단계;

   원하는 토크특성을 바탕으로 전압분포함수를 결정하여 주어진 성능을 만족하도록 각 다중영역에서의 설치각 분포, 코드길이 분포, 캠버각 분포, 휨각 분포, 날개두께 분포 등을 결정하는 제3단계;

   속도 삼각형의 결정, 유동변수 계산 및 효율을 가정하는 제4단계;

   상기 제4단계의 값을 바탕으로 절현비를 결정하고, 상세 캠버각, 입구영각, 출구이탈각, 경계층 두께 및 스태거각 등을 계산하는 제5단계;

   상기 제5단계에서 계산된 값을 손실모델에 적용하여 효율을 판단하고 원하는 효율이 미치지 못할 경우, 다시 코드길이 및 캠버각을 조정하여 상기 제5단계를 반복적으로 행하는 제6단계;

   상기 제6단계를 통해 상기 수렴된 효율을 이용하여 다시 토크를 계산하는 제7단계;

   상기 제7단계에서 계산된 토크의 크기를 바탕으로 모터토크 특성곡선으로부 터 회전수(N)를 구하여 소음 등을 고려한 설계 회전수(N*)에 수렴할 때까지 상기 제2단계부터 상기 제7단계를 반복하여 다중영역별 설계를 진행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 축류 팬의 다중영역설계방법.
2. 제1항의 축류 팬 다중영역설계방법에 의해 제작되는 축류 팬에 있어서,

   유량 및 정압상승 등을 만족하며, 팬 모터의 토크 부족으로 인한 회전수 감소가 일어나지 않도록 날개 끝단으로 가면서 설치각이 줄어드는 날개와, 상기 날개끝단으로 가면서 설치각을 증가시키는 2개 이상의 날개들을 복합시킨 것을 특징으로 하는 축류 팬.
3. 제2항에 있어서,

   날개 스팬 방향으로의 접합은 각 연결점에서 적어도 위치 함수값, 연결선의 접선 및 법선 방향의 일차 미분함수가 일치하여 부드러운 날개면이 이루어지는 것을 특징으로 하는 축류 팬.
4. 제2항에 있어서,

   상기 날개의 중간영역에서의 스테거각 분포함수의 극소값이 적어도 1개 이상 존재하도록 하며, 상기 날개 위의 곡률 분포로 인한 후단 와동 들을 분산시켜 압력면의 와동과 부압면 위의 후류와의 상호작용을 줄여 BPF소음과 광대역 난류소음 저감시키는 것을 특징으로 하는 축류 팬.
5. 제1항의 축류 팬 다중영역설계방법에 의해 제작되는 축류 팬에 있어서,

   날개 후단 와동의 분산구역을 만들기 위해 전연부는 후향에서 전향, 전향에서 후향, 전체 후향 전체 전향 중 어느 하나로 휨각분포를 갖고, 상기 날개의 코드길이가 허브에서 날개 끝단까지 변화하며 허브와 날개 끝단 사이에서 한 개 이상의 위치에서 극소값을 갖게 하여 와동분산구역을 이루며,

   상기 날개 중간부분에서 와동분산구역을 만들어 부압면과 압력면 위의 와동의 흐름을 상이하게 함으로써 부압면 후단에서의 와동과 부압면 후류와의 상호작용을 감소시켜 광대역소음을 저감시키는 것을 특징으로 하는 축류 팬.

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