KR20140044284A - 증가된 압력측 표면을 갖는 고효율 프로펠러 블레이드 - Google Patents

증가된 압력측 표면을 갖는 고효율 프로펠러 블레이드 Download PDF

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KR20140044284A
KR20140044284A KR1020137013208A KR20137013208A KR20140044284A KR 20140044284 A KR20140044284 A KR 20140044284A KR 1020137013208 A KR1020137013208 A KR 1020137013208A KR 20137013208 A KR20137013208 A KR 20137013208A KR 20140044284 A KR20140044284 A KR 20140044284A
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Abstract

본 발명은 비행기/선박, 펌핑 시스템, 풍력 및 수력 터빈에 사용되는 프로펠러에 관한 것으로, 프로펠러(10) 허브(11) 위치결정면(12)의 둘레에 배치되며 프로펠러 허브(11)의 축(x)과 각도를 설정하기 위하여 고정되는 프로펠러 날개들(13), 상기 날개들(13)의 전방면(a)에 형성되고 물을 밀어내는 오목한 곡선의 접촉면(13.3) 및 상기 접촉면(13.3)에 이어지며 접촉면(13.3)보다 짧은 볼록한 출구 반경(13.4)을 포함한다.

Description

증가된 압력측 표면을 갖는 고효율 프로펠러{HIGH EFFICIENCY PROPELLER WITH INCREASED PRESSURE SIDE SURFACE}
본 발명은 비행기 및 선박, 펌핑 시스템, 풍력 터빈 수력 터빈에 사용하기 위하여 개발된 고효율 프로펠러에 관한 것이다.
상기 발명은 프로펠러 허브의 축과 각도를 설정하기 위하여 프로펠러 허브 둘레에 배치되는 프로펠러 날개들, 상기 날개들 전방면에 형성되고 물을 밀어내는 오목한 곡선의 접촉면 및 상기 접촉면에 이어지며 접촉면보다 짧은 볼록한 출구 반경에 관한 것이다.
공지된 바와 같이, 선박 프로펠러는 구동원에 의해 선박을 이동시키고 회전운동을 일으키기 위해 사용되는 구동 요소이다. 다양한 형상들로 제작된 프로펠러 들은 선체의 기계에 의해 생성된 동력을 물 위에서 선박을 이동시키기 위한 추진력으로 변환시킨다. 프로펠러는 프로펠러를 통과하는 물을 가속시키며 이 가속 흐름에 의해 야기되는 운동량의 반작용에 의해 선박을 앞으로 밀어낸다. 운동량의 증가는 커다란 물의 질량에서 작은 속도의 증가에 의하거나(대형, 저속 프로펠러들), 작은 물의 질량에서 커다란 속도의 증가에 의해(소형, 고속 프로펠러들) 확보된다. 첫 번째 시스템이 높은 효율을 갖는다.
선박 차체의 형상은 프로펠러로 향하는 물의 흐름에 커다란 영향을 미친다. 선박은 앞으로 이동하는 동안에 물 질량의 일부를 끌기(drag) 때문에, 물속에 있는 프로펠러의 상대적 진행속도는 선박의 실제 속도보다 느리다.
축 방향 물의 속도는 프로펠러의 여러 부분에서 상이하다. 따라서, 회전 날개들은 고속 및 저속의 속도를 갖고 물을 통과한다. 일반적으로, 상대적인 물의 속도는 날개가 최고점(수직방향)에 있을 때 최저 수준에 도달하며, 날개가 최저점에 있을 때 최고 수준에 도달한다. 그 결과, 날개들에 의해 적용되는 힘은 일정 범위 내에서 연속적으로 변화하며, 따라서 진동, 내구성 및 캐비테이션 등의 문제를 만나게 된다.
캐비테이션 : 에어로포일 형상에서 프로펠러 날개들은 날개 플랩(wing flap)으로 기능한다. 날개 둘레를 통과하는 물은 앞쪽에서 저압을 형성하며 뒤쪽에서 압력을 증가시킨다. 프로펠러 효과의 많은 부분은 저압 영역에서 발생한다. 어떤 지점에서 물의 증기압 이하로 압력 강하가 발생하면, 물속에 공기 방울이 생성된다. 바다에서 사용되는 프로펠러들은 캐비테이션으로 인하여 공기 중에서 사용되는 프로펠러들보다 매우 큰 날개를 갖도록 제작된다.
프로펠러 제작에 있어서 중요한 문제점 중의 하나는, 선박력(ship force)이 초기 설정된 회전수 내에서 반발력으로 변환되는 것이다. 이는 대체로 프로펠러 피치에 의존한다. 피치는 날개들의 유선 방향에 의해 만들어지는 각도에 의존한다는 점과, 생성되는 반발력과 압력은 프로펠러 운동의 결과라는 점은 캐비테이션에 관하여 피치를 중요하게 만든다. 따라서, 피치를 날개의 전체 면적 상에서 각각 반경의 수치로 변화되도록 처리함으로써 발생할 수 있는 캐비테이션을 감소시킬 수 있다.
프로펠러에 대하여 ; 미국 특허 US 4,1318,671, 1982년, 에 특수한 구조가 개시되어 있다. 이 구조는 선박 프로펠러에서 발생하는 에너지 손실을 감소시키기 위하여 삼각의 날개 에지에 폴리머 표면을 사용하는 것에 관계되며, 와류의 원인이 되는 표면 손실을 감소시키는 것에 관계한다. 본 발명에서는 프로펠러 날개 상에서 세 개의 상이한 각도를 통과하는 표면이 에너지 효율을 증가시키기 위하여 사용되었다.
미국 특허 US 4,171,183, 1979.10.16., 에 에너지 효율을 증가시킬 목적으로 프로펠러 날개 각도를 변화시킬 수 있는 메커니즘이 다른 방법으로 제안되었다. 여기에서 제안된 프로펠러 디자인과 같이 속도(피치 컨트롤)에 의존하는 날개 각도 변화가 사용될 수 있다. 날개 각도 조절은 여기에서 언급된 디자인의 주 개념과 독립적이다. 미국특허 US 4,932,908, 1990,06.12., 에는 프로펠러 날개에 대한 비스코스 마찰의 최소화, 날개에 대한 운동에너지 손실의 최소화 및 총 에너지 효율의 증가를 위하여, 경사진 축 각도에 의해 유체 흐름을 상쇄한다. 본 발명에서는 삼각의 프로펠러 날개 프로파일 총 에너지 변환 효율이 축에 대한 변화를 야기하지 않고 증가한다.
미국 특허 US 6,877,692 B2, 2005.04.12., 에는 유체 내에서 에너지 변환 효율을 증가시키고 압축 유체의 반발력 생성을 확보하기 위하여 두 개의 프로펠러 날개들의 서로에 대한 역 위상 진동을 개시한다.
미국 특허 US 4,073,601, 1978.02.14., 는 고속에서의 프로펠러 날개 표면들의 생성에 관하여 개시한다. 본 발명도 캐비테이션 감소에 유사한 메커니즘을 가지지만, 주요 차이점은 역방향 인입(어택(attack)) 각도 및 방출(끌림(trailing)) 각도가 에너지 변환 효율을 증가시키는 특정한 수치를 갖는다는 점이며, 날개 프로파일도 그에 따라 디자인된다.
본 발명의 목적은 비행기 및 선박, 펌핑 시스템, 풍력 터빈 수력 터빈에 사용하기 위하여 개발된 고효율을 얻고 진동을 제거할 수 있는 프로펠러 를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 프로펠러 상태로 인하여 선박이 앞으로 진행하지 못할 때 선박 뒤에서 공기 방울이 발생하지 않도록 하는 것이다. 시스템은 물에 대한 공기역학적 어택 인테이크(attack intake)가 물을 수용할 수 있으며 기존의 날개는 필요한 균형을 유지하면서 전체가 높은 압력하에 있는 것에 기초한다.
본 발명의 또 다른 목적은 전체 날개가 물과 접촉하여 날개의 전체 표면에 의해 물을 밀어냄으로써 높은 추진력을 달성하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 모든 종류의 선박에 채용가능하게 하는 것이다. 이는 선박에 결합되었을 때 프로펠러의 교체 필요없이 시스템에 용이하게 적용되도록 디자인되었다.
본 발명은 프로펠러 유체의 변위 운동과 회전 운동 사이의 전환 동안에 에너지 전달이 최대화하도록 디자인되며, 이 목적을 위하여 개발된 프로펠러의 기본적 구성은 날개를 지나는 유체 흐름의 서로 다른 축 방향 변화에 기초하여 세 개의 구별되는 영역이 존재하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래 방법에서 사용되는 프로펠러에서 발생하는 소음 및 허밍(humming)을 새로운 프로펠러 구조에서 90% 제거하는 것이다. 소음이 90% 감소하기 때문에 공기 방울이 발생하지 않는다.
본 발명의 또 다른 목적은 다음과 같다. 종래의 방법에서 사용되는 프로펠러 에서는 엔진의 rpm 이 3200에서 2600으로 감소한다. 새로운 프로펠러에 의해 rpm 은 3200에서 3500으로 증가한다. 이러한 개량의 결과로 선박은 시간당 12 마일의 속도로 운행할 수 있다. 이러한 개발 결과로 연료가 절감될 수 있으며, 고출력 및 고성능이 달성된다.
본 발명의 또 다른 목적은 날개들 스팬(span) 및 각각의 날개 엔드(end)가 G-코리도어(G-corridor) 형상을 갖는 것이다.
유체가 공기역학적 어택 인테이크로부터 들어오고 수용된 후에(수용 영역, Receipt Area), 유체는 중간 영역(전이 영역, Transition Area)에서 최대 압력에 도달한다. 최종적으로, 밀침 영역(Pushing Area)에서 유체는 날개 표면을 떠나기 위하여 밀침(pushing), 반발(repulsion) 및 끌림(trailing) 액션을 받는다. 입구에서 수용된 유체가 밀침 운동으로 변환하고 밀침 운동이 회전 운동으로 변환할 때 유체역학적 효율은 증가한다.
본 발명의 또 다른 목적은, 세 개의 서로 다른 표면 및 두 개의 서로 다른 역방향 각도를 갖는 날개의 메카니즘은 와류 및 캐비테이션을 감소시키고 이에 의하여 날개의 회전 운동과 수직 축에서의 변위 운동 사이에서 최대 에너지 변환 효율을 달성한다. 이러한 프로펠러 디자인에 있어서, 출구 유체가 회전 축에 비하여 연속적인 평행 흐름을 생성하기 때문에 환기 손실(ventilation loss)은 최소화된다. 사용되는 유체의 밀도 및 회전 속도에 따라, 오목 및 볼록 표면들, 날개의 표면 면적 및 개수는 36 가지의 서로 다른 방법으로 조절될 수 있다.
전술한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명은 프로펠러 허브의 축과 각도를 설정하기 위하여 프로펠러 허브 둘레에 배치되는 프로펠러 날개들, 상기 날개들 전방면에 형성되고 물을 밀어내는 오목한 곡선의 접촉면 및 상기 접촉면에 이어지며 접촉면보다 짧은 볼록한 출구 반경을 포함한다.
도 1은 특정한 날개 각도로 허브 상에 위치한 본 발명에 따른 프로펠러 의 사시도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 프로펠러 의 2차원 정면도이다.
도 2b는 본 발명에 따른 프로펠러 의 G-G 영역에서의 2차원 단면도이다.
도 2c는 본 발명에 따른 프로펠러 의 H-H 영역에서의 2차원 단면도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 프로펠러 날개를 분리하여 도시한 2차원 평면도이다.
도 3b는 프로펠러 날개의 C-C 영역에서의 2차원 단면도이다.
도 3c는 프로펠러 날개의 D-D 영역에서의 2차원 단면도이다.
도 3d는 프로펠러 날개의 E-E 영역에서의 2차원 단면도이다.
도 3e는 프로펠러 날개의 F-F 영역에서의 2차원 단면도이다.
도 4a는 프로펠러 허브 상에 위치한 프로펠러 날개의 2차원 단면도이다.
도 4b는 유체가 프로펠러 날개를 접촉하는 표면을 도시한 도면이다.
도 5a는 본 발명에 따른 날개의 모든 날개들을 도시한 2차원 평면도이다.
도 5b는 본 발명에 따른 날개의 단면도이다.
본 발명은 비행기/선박, 펌핑 시스템, 풍력 및 수력 터빈에 사용되는 프로펠러에 관한 것으로, 프로펠러(10) 허브(11) 위치결정면(12)의 둘레에 배치되며 프로펠러 허브(11)의 축(x)과 각도를 설정하기 위하여 고정되는 프로펠러 날개들(13), 상기 날개들(13)의 전방면(a)에 형성되고 물을 밀어내는 오목한 곡선의 접촉면(13.3), 상기 접촉면(13.3)에 이어지며 접촉면(13.3)보다 짧은 볼록한 출구 반경(13.4), 상기 날개들(13)의 후방면(b)에 반경 시작점(c)에서부터 끝점(c1)까지 형성되는 후방 반경면(13.1) 및 상기 반경 끝점(c1)에서부터 평탄면의 끝점(c2)까지의 영역에 형성되는 평탄면(13.2)을 포함한다.
상기 프로펠러(10)는 그가 접촉면(13.3)에서 받아들이는 유체를 첫 번째 일정한 각도 변화를 가지고 차체-날개 중간 부분(hull-blade mid-part)쪽으로 회전 방향(f)으로 유도하며, 이어서 최대 압력하에 그러나 출구 반경(13.4)을 통과할 때 작은 수치를 갖는 두 번째 반경 변화를 가지고 첫 번째 변화의 역방향으로 방출한다. 따라서, 날개 회전 축으로 인하여 발생하는 전방-후방 압력차는 유체의 현재 속도로 인하여 상대적으로 증가하는 방향으로 유체를 선형 라인으로(와류 없이) 방출하며, 회전 에너지를 선형 운동 에너지로 변환하는 효율이 종래의 프로펠러 프로파일과 비교하여 증가하며 반면 캐비테이션 및 프로펠러 날개 표면상의 마찰 효과는 감소한다.
날개(13)의 접촉면(13.3)은 후방면(b)의 축에 비하여 오목하며, 따라서 이는 회전에서 발생하는 밀침 압력(pushing pressure)에 기여한다. 유체가 받아들여지는 접촉면(13.3)의 에지는 볼록한 후방과 비교하여 경사가 낮으며 바닥 표면의 구성은 얇은 표면을 형성하여 상부 및 바닥 표면에 대해 유체를 스크래핑함으로써(scraping) 발생하는 손실을 최소화할 수 있다. 접촉면(13.3) 및 출구 반경면(13.4)을 마찰면(d)이라 칭하면,
d = 13.3 + 13.4
13.3 > 13.4
즉, 마찰면(d)의 접촉면(13.3)은 출구 반경(13.4)에 비해 공간의 90% 이상을 차지한다.
출구 반경면(13.4)은 접촉면(13.3)보다 작으며 와류 효과는 접촉면(13.3)이 끝나고 출구 반경면(13.4)이 시작하는 지점에서 발생한다.
후방 반경면(13.1) 이후, 유체가 공기역학적 어택 인테이크로부터 들어오고 수용되면, 유체는 접촉면(13.3)의 중간 영역에서 최대 압력에 도달한다. 넓은 영역 및 큰 반경을 갖는 접촉면(13.3)은 밀침, 반발 및 끌림 액션을 받으며, 유체는 출구 반경(13.4)을 거쳐서 날개 표면을 떠난다.
세 개의 서로 다른 표면 및 두 개의 서로 다른 역방향 각도를 갖는 날개의 메카니즘은 와류 및 캐비테이션을 감소시키고 이에 의하여 날개의 회전 운동과 수직 축에서의 변위 운동 사이에서 최대 에너지 변환 효율이 달성된다. 이러한 프로펠러 디자인에 있어서, 출구 유체가 회전 축에 비하여 연속적인 평행 흐름을 생성하기 때문에 환기 손실(ventilation loss)은 최소화된다.
전술한 평탄면(13.2)은 날개(13)의 후방을 따라 연장되며 날개 폭(13) 돌출 길이의 1/3을 차지한다. 후방 반경면(13.1)은 평탄면(13.2)과 교차하며 후방 돌출 폭의 2/3를 차지하는 반경 R을 가지며 따라서 후방면의 나머지 부분이 완성된다.
상기 후방 반경(13.1)의 빈 말단(empty end)에, 각도 3°내지 9°를 형성하기 위하여 프로펠러 회전 평면과 교차하는 반경 1.5 R 을 갖는 내측 접촉면(13.3)이 있으며, 상기 내측 접촉면(13.3)의 날개 말단 두께(blade end thickness)의 절반 이하 낮은 지점에 위치하는 면 및 상기 평탄면(13.2)과 교차하고 내측 접촉면(13.3)과 반대 방향으로 굽어진 반경 0.5 R 을 갖는 출구 반경면(13.4)이 있다. R 및 1.5 R 의 반경을 가지는 상기 반경면들(13.1, 13.3)의 후방 평탄면(13.2)이 위치하는 면에 대한 교차점의 거리는 후방면 돌출폭의 1/4 및 1/5이다. 날개 후방면(13.7)의 F 직경은 R400 및 R650 사이 범위의 직경에 있다. 날개 후방면(13.7)의 직경이 600 이면 유체는 날개를 통과한 후에 오픈되며(opened) 이는 광폭 밀침(a wide base pushing)을 가져온다. 따라서 직경이 R600 이면 광폭 밀침이 반드시 생성된다.
날개들(13)이 프로펠러 허브(11)의 위치결정면(12)에 대해 각도를 36°, 40°, 44°, 및 48° 갖도록 고정되고 기본 각도가 36°라면, A-거리:55, B-거리:A/5, C-거리:A/3, E-거리:A/3 이다. K-직경이 112 이면, L-직경은 90 이 된다.
만일 날개들이 36°, 40°, 44°, 및 48°의 각도로 위치하게 되면, A, B, C, E, K 및 L 의 비율은 아래 표와 같다.
Figure pct00001
K 직경이 A/K 이면, 이는 0.49~0.53 범위의 R 직경을 갖는다.
L 직경이 A/L 이면, 이는 0.55~0.73 범위의 R 직경을 갖는다.
K = (0.49~0.53) x A
L = (0.55~0.73) x A
B = 1/5 A = 0.2 A
10 : 프로펠러(propeller)
11 : 프로펠러 허브(propeller hub)
12 : 위치결정면(positioning surface)
13 : 날개(blade)
13.1 : 후방 반경면(back radiused surface)
13.2 : 평탄면(plane surface)
13.3 : 접촉면(contact surface)
13.4 : 출구 반경면(output radiused surface)
13.5 : 어택 인테이크(attack intake)
13.6 : G-코리도어(G-corridor)
13.7 : 후방면(back surface)
a : 전방면(front surface)
b : 후방면(back surface)
c : 반경 시점(radius starting point)
c1 : 반경 종점(radius ending point)
c2 : 평탄면 종점(plane surface ending point)
d : 마찰면(friction surface)
f : 날개 회전 방향(blade rotational direction)

Claims (4)

  1. 비행기/선박, 펌핑 시스템, 풍력 및 수력 터빈에 사용되는 프로펠러로서, 상기 프로펠러는
    - 날개(13)의 후방을 따라 연장되며 날개 폭(13) 돌출 길이의 1/3 폭을 차지하는 평탄면(13.2).
    - 평탄면(13.2)과 교차하고 후방 돌출 폭의 2/3를 차지함으로써 후방면의 나머지 부분을 완성하는 반경 R을 갖는 후방 반경면(13.1),
    - 상기 후방 반경(13.1)의 빈 말단(empty end)에, 각도 3°내지 9°를 형성하기 위하여 프로펠러 회전 평면과 교차하는 반경 1.5 R 을 갖는 내측 접촉면(13.3),
    - 상기 내측 접촉면(13.3)의 날개 말단 두께(blade end thickness)의 절반 이하 낮은 지점에 위치하는 면 및 상기 평탄면(13.2)과 교차하고 내측 접촉면(13.3)과 반대 방향으로 굽어진 반경 0.5 R 을 갖는 출구 반경면(13.4)을 포함하고,
    - R 및 1.5 R 의 반경을 가지는 상기 반경면들(13.1, 13.3)의 후방 평탄면(13.2)이 위치하는 면에 대한 교차점의 거리는 후방면 돌출폭의 1/4 및 1/5이며,
    - 날개(13) 후방면(13.7)의 F 직경은 R400 및 R650 사이 범위의 직경이며, G-거리는 F 직경의 1/4 인 것을 특징으로 하는 프로펠러.
  2. 제1항에 있어서, 상기 프로펠러는 어택 인테이크(13.5)와 g-코리도어(13.6)의 곡률 반경이 서로 같은 날개를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로펠러.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 날개 직경을 가지며 프로펠러 허브(11)에 36°내지 48°사이의 각도로 위치하는 복수의 날개들(13)을 포함하는 것을 특징으로 하는 프로펠러.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 날개 말단 거리(blade end distance)는 G 거리의 1/3에 비례하는 E-거리를 갖는 것을 특징으로 하는 프로펠러.
KR1020137013208A 2010-10-27 2011-10-17 증가된 압력측 표면을 갖는 고효율 프로펠러 블레이드 KR20140044284A (ko)

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