KR20150105974A - 에너지-효율형 터널 환기 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 배출된 흐름이 주변 터널 표면으로부터 멀어지도록 전환시키고 노즐 트레일링 에지(6)를 기울임으로써, 노즐 중앙선(8)에 대해 일정 각도(16)를 형성하도록, 터널 내에 장착된 팬 조립체의 세로방향 유효 추력을 향상시키는 환기 장치에 관한 것이다.

Description

에너지-효율형 터널 환기 장치{ENERGY-EFFICIENT TUNNEL VENTILATION DEVICE}

본 발명은 터널 내에 장착된 팬 조립체의 세로방향 유효 추력을 향상시키는 환기 장치에 관한 것이다.

터널에 대한 비용-효율적인 해결책으로, 제트팬(jetfan)을 통한 세로방향 환기(longitudinal ventilation)이 일반적으로 알려져 있는데, 터널의 길이 및 위험 프로파일(risk profile)은 이러한 장착 방법을 허용할 수 있다. 하지만, 제트팬은, 통상적인 장착 방법이 공급된 전기력의 절반 이상을 낭비하기 때문에, 특히 에너지 효율적이지 않다.

제트팬의 비효율성에 대한 주된 이유는 코안다 효과(Coanda effect)이다. 이는 제트팬으로부터 배출되는 고속의 공기 흐름이 밑면(soffit) 및 터널 울림(tunnel wail)을 포함하는 인접한 견고한 표면(solid surface)에 점착되게(adhere) 한다. 이에 따라, 일반적으로 20% 내지 30%의 공기역학 추력(aerodynamic thrust)의 상당한 부분이 제트 및 주변 터널 표면 사이의 마찰을 통해 낭비된다.

본 발명의 출원인에 허여된 이전 특허 GB2465261호는 터널 공기를 가속화시켜 이 공기 흐름이 터널 표면으로부터 멀어지도록 전환시키기(turning) 위하여 제트팬의 한쪽 또는 양쪽에 장착될 수 있는 수렴 노즐(convergent nozzle)에 대해 기술하고 있다. 실제로, 본 발명은 원뿔 노즐(conical nozzle)을 제트팬에 끼워맞춤으로써(fitting) 이를 실시해왔다.

하지만, 수렴 노즐을 제트팬에 끼워맞추면, 이러한 노즐이 가역방식 제트팬(reversible jetfan)의 입구 쪽(inlet side)에 끼워맞출 때, 에너지 성능 하락이 수반된다. 이에 대한 이유로는, 입구 쪽 압력 강하(pressure drop)로 인해 흡수된 전력(power)이 회복될 수 없기 때문이다. 이는, 배출된 공기의 운동학적 에너지(kinetic energy)가 터널 공기를 가속화시키도록 사용되는 배출 쪽과는 반대이다.

제트팬에 대한 입구 압력 손실(pressure loss)을 줄이기 위하여, 부드러운 흐름을 보장하기 위하여 통상적으로 원형의 벨 마우스(bellmouth)가 입구 쪽에 끼워맞춤된다. 가역방식의 흐름 제트팬을 위해, 이러한 벨 마우스는 통상 제트팬의 양쪽에 끼워맞춤된다. 제작상의 이유로, 벨 마우스는 일반적으로 시트 금속으로부터 스핀(spin) 과정을 거쳐 원형의 형태가 된다. 원형의 벨 마우스로 인해, 제트팬 노즐의 형태가 현저하게 제약된다. 특히, 입구 흐름 손실이 작은 수렴 노즐을 제트팬 내에 끼워맞춤으로써 코안다 효과를 줄이는 데 대한 이점들을 결합하는 것이, 이전에는 가능하지 않았다.

JP-A-H1-237400호는 배출된 공기가 터널 밑면(tunnel soffit)으로부터 멀어지도록 하기 위해 원통형의 케이싱의 하측면(lower side) 위에 절단부(undercut)를 가진 제트팬을 기술하고 있다.

JP01130099A호는 연결된 다수의 팬이 평행하게 배열되어 회전 베인(turning vane)과 끼워맞춤된 노즐에 공기를 공급하는 공통 플리넘(plenum)에 전달하는 장치에 대해 기술하고 있다. 이렇게 복잡한 장치는 개별적인 제트팬을 사용하여 환기되는 대부분의 터널에는 적합하지 않다.

하지만, JP-A-H1-237400호 또는 JP01130099A호 그 어느 것도 실용적이거나 효율적인 시스템을 기술하고 있지 않다. 본 발명의 출원인은 세로방향의 터널 환기 시스템(longitudinal tunnel ventilation system)의 에너지 효율을 개선하기 위한 여지가 존재한다고 믿는다.

본 발명의 한 양태에 따르면, 터널 내에 환기 흐름을 제공하기 위해 터널 내에 장착하기 위한 팬 조립체(fan assembly)가 제공되는데, 상기 팬 조립체는:

환기 흐름을 생성하기 위한 팬 로터;

상기 팬 로터로부터의 배출 흐름(outflow)에 대해 실질적으로 평행한 팬 로터 내로의 유입 흐름(inflow);

팬에 결합된 노즐을 포함하며, 상기 노즐은 팬으로부터 원위 단부(distal end)에 트레일링 에지(trailing edge)를 가지고;

상기 조립체는 팬에 의해 생성된 환기 흐름이 환기되는 터널 내에 유입되도록 조립체로부터 배출되기 전에 노즐을 통과하게끔 배열되거나(arranged) 배열가능하며(arrangeable);

상기 조립체는 팬에 의해 생성된 환기 흐름이 조립체로부터 배출되기 전에 노즐을 통과하여 환기되는 터널 내에 유입되도록 배열되거나 배열가능하며;

노즐은 흐름이 주변 터널 표면으로부터 멀어지도록 흐름 방향을 전환시키게끔 배열되어, 노즐의 관통보어(throughbore)의 하나 이상의 에지가 팬 중앙선(centerline)에 대해 각도를 형성하고;

노즐의 중앙선과 노즐의 트레일링 에지 사이에 형성된 각도는 45° 내지 85° 사이에 있다.

제트팬을 통과하는 흐름은 터널 공기 흐름에 임펄스(impulse)를 제공하는 축방향 팬(axial fan)에 의해 구동된다. 본 발명은, 제트팬을 통하는 흐름이 막혀서(choking) 압력 손실이 증가되게 하지 않고, 어떻게 제트팬으로부터의 흐름이 주변 터널 표면으로부터 멀어지도록 전환시키며 이에 따라 높은 터널내 공기역학적 추력(aerodynamic thrust)를 구현하는 지에 대한 기술적인 문제에 대한 해결책을 제공한다.

본 발명의 추가적인 양태에 따르면, 터널 환기를 위한 팬 조립체가 제공되는데, 상기 조립체는:

제1 방향으로 환기 흐름을 생성하기 위한 팬;

환기 흐름이 환기되는 터널 내로 배출되기 전에 노즐을 통과하도록 제1 방향에서 팬에 인접한 노즐을 포함하며;

상기 노즐은 팬에 근접한 제1 단부 및 트레일링 에지를 가진 팬으로부터 떨어져 있는 제2 단부를 가지고,

노즐 중앙선과 트레일링 에지 사이에 형성된 각도는 실질적으로 45° 내지 85° 사이에 있으며 노즐은 환기 흐름이 주변 터널 표면으로부터 멀어지도록 안내하게끔 배열된다.

본 발명의 상기 양태는 노즐의 한 쪽("압력 쪽(pressure side)")이 맞은편 쪽("흡입 쪽(suction side)")보다 더 길어지도록 노즐의 트레일링 에지를 기울임으로써 구현된다. 여기서, 용어 "노즐의 압력 쪽"은, 노즐이 제트팬의 배출 쪽(discharge side)에 위치될 때, 제트팬 사용 시에 상기 압력 쪽이 공기 흐름을 주변 터널 표면으로부터 멀어지도록 '밀어내기' 때문에 "압력 쪽"이라고 명명된다. 따라서, 압력 쪽은 맞은편 흡입 쪽보다 더 큰 정압력(static pressure)이 제공될 것이다.

특허 GB2465261호에 기술된 것과 같이 수렴 노즐(convergent nozzle)이 사용되는 경우, 노즐의 트레일링 에지를 기울이면, 노즐의 공기역학적 추력이 증가되어 따라서 노즐 관통보어를 통해 압력 강하가 줄어드는 효과가 있다. 따라서, 제트팬의 전력 소모(power consumption)는 현저하게 줄어든다.

노즐 중앙선과 트레일링 에지 사이에 형성된 각도 범위는 이러한 제트팬의 디자인, 제작 및 테스트에 따른 실험 결과에 좌우되어 선택된다. 일반적으로 전체 노즐 길이의 팬 직경에 대한 단위 비율 및 팬과 똑같은 직경의 원형의 트레일링 에지에 대해, 노즐 중앙선과 트레일링 에지 사이의 45°의 낮은 각도 값은 약 1.4의 관통보어의 팬 영역에 대한 비율에 상응하며, 대부분의 제트팬 임펠러(impeller)를 현저하게 막을 것이다. 노즐 중앙선과 트레일링 에지 사이의 85°의 높은 각도 값은 경험상 제작하기에 상업적으로 이로울 것이라고 나타내는 종래의 제트팬 노즐 장치로부터 최소한의 변화에 상응한다.

실제로, 제작업자들은 표준 범위의 벨 마우스를 재고로 보관한다. 본 발명은 노즐의 중앙선에 대해 한 경사각(tilt)으로 장착될 수 있는 표준 크기의 벨 마우스를 선택할 수 있게 해 준다. 특히, 팬과 똑같은 공칭 직경(nominal diameter)을 가진 벨 마우스가 사용될 수 있는데, 상기 벨 마우스 상부에 노즐이 장착될 수 있다. 이렇게 표준 제트팬 부분을 사용하는 선택 사항은 본 발명의 주된 이점이다.

노즐은 일반적으로 음향 사일런싱(acoustic silencing)을 위해 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 배출된 흐름이 주변 터널 표면들로부터 멀어지도록 전환시키기 위해 사용될 수 있다. 이전의 실험실 측정값들로부터, 사일런서(silencer)의 성능은 사일런서 표면에 의해 팬 출구 위로 대향된(subtended) 견고한 각도(solid angle)에 좌우되는 것으로 구현되어 왔다. 노즐의 '압력 쪽'에 의해 팬 출구가 막히는 것을 고려할 때, 노즐의 기하학적 형상(geometry)의 신중한 선택을 통해, 적절한 음향 사일런싱이 구현될 수 있다.

경사진 벨 마우스에 연결된 원형의 팬 출구의 배열(arrangement)로 인해, 노즐 형태가 통상적으로 비-원뿔형이 되는데, 시트 금속 절단을 위해서 노즐 스킨(nozzle skin)을 위한 복잡하게 개발된 형태가 필요하다. 따라서, 제안된 노즐의 형태는 GB2465261호 및 JP-A-H1-237400호에서 고려된 형태와는 상이하다. JP-A-H1-237400호의 경우, 노즐 트레일링 에지가 타원(ellipse)으로서 형태가 형성되기 때문에, 노즐 트레일링 에지 위에 벨 마우스를 결부시키는(attach) 것이 가능하지 않으며, 이에 따라 상당한 압력 손실이 일어나게 된다. 또한, 노즐은 일직선(straight)이며 이에 따라 배출 공기가 효율적으로 전환되지 않는다(no effective turning). 따라서, 종래 기술의 디자인은 터널 환기를 위해 실용적이거나 효율적인 해결책을 제공하지 않는다.

이제, 본 발명의 다수의 바람직한 실시예가 첨부도면들을 참조하여 오직 예에서만 기술될 것이다:
비슷한 도면부호들은 본 명세서에 걸쳐 비슷한 구성요소들을 표시하도록 사용되는데;
도 1은 팬의 양쪽 위에 장착된 본 발명에 따른 노즐을 가진 환기 장치의 한 실시예를 도시한 도면;
도 2는 본 발명에 따른 노즐을 포함하는 환기 장치의 단부도;
도 3은 팬의 한쪽 위에 장착된 본 발명에 따른 노즐을 가진 환기 장치의 한 실시예를 도시한 도면;
도 4는 시트 금속으로부터 절단된 노즐 스킨을 위한 통상적인 평평하게 개발된 패턴을 도시한 도면이다.

도 1을 보면, 이 도면은 완전히 가역 방식으로(fully reversible) 작동되도록 구성된 양방향 환기 장치 내에 있는 본 발명의 실시예의 측면도를 도시한다.

상기 실시예에서, 모터(4)에 의해 구동되는 팬 로터(3)를 포함하는 팬 조립체가 팬 하우징(15) 내에 장착된다. 공기 흐름(5)이 벨 마우스(1)와 입구 노즐 관통보어(10A)를 통해 팬 로터(3)에 유입되고, 그 뒤, 출구 노즐 관통보어(10B)를 통해 배출된다.

도 1에서 볼 수 있듯이, 노즐은 압력 쪽(pressure side)(11)과 흡입 쪽(suction side)(12) 사이에서 기하학적 평균(geometric mean)으로 정의되는 중앙선(8)을 가진다. 팬 중앙선(7)과 노즐 중앙선(8) 사이에 각도(13)가 형성된다. 노즐(11)의 압력 쪽은 흐름 방향을 전환하도록 배열되며, 이에 따라, 사용 시에, 배출된 공기는 주변 터널 표면으로부터 멀어지도록 흐른다.

노즐의 트레일링 에지(trailing edge)(6)와 노즐 중앙선(8) 사이에 추가적인 각도(16)가 형성된다. 이 각도(16)는 45°와 85° 사이인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 상기 각도(16)는 약 65°이다.

도 1의 실시예는 7°의 노즐 압력 쪽 각도(17)를 도시한다. 노즐 트레일링 에지(6)를 노즐 중앙선(8)과 트레일링 에지(6) 사이의 각도(16)만큼 기울임으로써, 노즐의 배출 쪽 및 입구 쪽 모두에 상대적으로 더 큰 기하학적 스로트(geometric throat)(1)가 배열될 수 있다. 이에 따라, 압력 손실이 줄어들고 에너지 효율이 개선된다.

흡입 쪽의 길이가 한 팬 직경과 거의 똑같게 되도록 배열시킬 수 있으며, 압력 쪽 각도(17)가 6°가 되도록 선택할 수도 있다. 이러한 바람직한 실시예는 도 1에 기술된 실시예에 비해 향상된 수준의 음향 감쇠(acoustic attenuation)를 제공한다.

도 1은 노즐 관통보어(12)의 흡입 쪽이 팬 중앙선(7)에 평행하도록 배열되는 바람직한 실시예를 도시한다.

이제, 본 발명에 따른 실시예의 단부도인 도 2를 보면, 노즐 형태는 미리 기술된 방향으로 흐름을 전환하기 위해 배열되는데, 주변 터널 표면으로부터 멀어지도록 배열되는 것이 바람직하다.

도 2는 원형의 벨 마우스에 결부될 수 있도록 하기 위해 노즐의 트레일링 에지의 형태가 원형인 것을 도시한다. 이러한 원형의 벨 마우스는 입구 압력 강하를 현저하게 줄인다.

이제, 본 발명의 특정 실시예의 측면도를 도시한 도 3을 보면, 본 발명의 특정 실시예는 일반적으로(하지만 배타적이지는 않은) 일방향으로 작동될 수 있다.

상기 실시예에서, 표시된 공기 흐름 방향은 좌측으로부터 우측으로 형성되는데, 즉 공기 흐름은 팬 로터(3)에 의해 관통보어(10)를 가진 노즐 안으로 가속되기 전에, 우선 벨 마우스(1)를 통해 일직선 노즐 안으로 유입된다. 배출된 흐름은 흡입 쪽(12)보다 더 긴 압력 쪽(11)에 의해 전환되며, 사용 시에, 배출된 공기 흐름이 주변 터널 표면들로부터 멀어지게 흐른다. 상기 실시예에서는 일직선의 입구 노즐이 선택되기 때문에, 팬에 대한 입구 압력 강하는 도 1에 도시된 실시예보다 더 작다. 따라서, 공기역학적 추력(aerodynamic thrust)이 도 1의 실시예에 비해 도 3에 기술된 실시예에서 더 높을 것으로 기대될 수 있다.

도 3에서, 흐름 방향은, 팬 로터를 반대 방향으로 배열함으로써, 필요 시에, 반전시킬 수 있다. 증가된 코안다 효과(Coanda effect) 및 추가적인 입구 압력 강하로 인해, 도 3에 기술된 실시예에서 반대 흐름 방향(즉 우측으로부터 좌측으로의)에서, 터널-내 공기역학적 추력이 감소할 것이라고 예상될 수 있다.

노즐을 본 발명에 기술된 것과 같이 팬의 하나 또는 그 이상의 쪽에 끼워맞춤(fit) 하고, 이에 따라 개선된 성능을 구현하기 위하여, 기존의 팬 조립체를 변형하는 것도 가능할 것이다.

본 발명에 따른 관통보어 영역(throughbore area)의 발산(divergence) 또는 수렴(convergence)의 크기(degree)에는 제한이 없다. 특히, 입구 및 배출구에서의 관통보어 영역은 팬 영역(fan area)과 똑같거나 팬 영역보다 더 크도록 배열될 수 있다. 팬 흐름 특성에 따라, 위에서 언급한 유연성은 팬 조립체의 효율을 증가시킬 수 있다. 본 발명은 GB2465261호에 기술된 입구 흐름의 "막힘(choking)" 현상을 완화시키며, 따라서 팬 성능을 현저하게 개선시킨다.

도 4는 도 1과 2에 도시된 제트팬을 위해 시트 금속으로부터 절단된 노즐 스킨(nozzle skin)을 위한 평평하게 개발된 패턴(flat developed pattern)을 보여준다. 본 발명은 노즐 스킨을 위해 단일의 곡률(curvature) 방향을 필요로 하며, 따라서 노즐 스킨은 연신(stretching)할 필요 없이 평평한 시트로부터 개발될 수 있다. 따라서, 본 발명에서의 노즐 스킨의 토폴로지(topology)는 시트 금속 제작에 특히 적합하다.

본 발명의 노즐의 비용-효율 및 제작성은 제작 과정을 통해 입증되었다. 노즐 스킨은 작은 팬 직경(약 500mm)을 위해 단일의 금속의 평평한 시트로부터 압연될(rolled) 수 있는 반면, 각각 평평한 시트로부터 압연된 노즐 스킨의 개별 섹션은 최대 2m의 대형 팬 직경을 필요로 한다. 내부 및 외부 노즐 스킨은 둘 다 모두 필요 형태(requisite shape)로 압연될 수 있으며, 팬 작동 동안 음향 감쇠를 위해 두 스킨 사이에는 음향 재료(acoustic material)가 삽입된다.

위에서 기술한 내용은 단지 본 발명의 실시예의 예이며 이들을 사용하기 위한 몇몇 예라는 것을 이해해야 된다. 당업자라면, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 본 발명의 변형예들이 가능하다는 것을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

1. 터널 내에 환기 흐름을 제공하기 위해 터널 내에 장착하기 위한 팬 조립체에 있어서, 상기 팬 조립체는:
   환기 흐름을 생성하기 위한 팬 로터;
   상기 팬 로터로부터의 배출 흐름에 대해 평행한 팬 로터 내로의 유입 흐름;
   팬에 결합된 노즐을 포함하며, 상기 노즐은 팬으로부터 원위 단부에 트레일링 에지(trailing edge)를 가지고;
   상기 조립체는 팬에 의해 생성된 환기 흐름이 환기되는 터널 내에 유입되도록 조립체로부터 배출되기 전에 노즐을 통과하게끔 배열되거나 배열가능하며;
   노즐 형태는 흐름이 주변 터널 표면으로부터 멀어지도록 흐름 방향을 전환시키게끔 배열되어, 노즐의 관통보어의 하나 이상의 에지가 팬 중앙선에 대해 각도를 형성하고;
   노즐의 중앙선과 노즐의 트레일링 에지 사이에 형성된 각도는 45° 내지 85° 사이인 것을 특징으로 하는 터널 내에 장착하기 위한 팬 조립체.
2. 제1항에 있어서, 노즐 트레일링 에지는 원 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 터널 내에 장착하기 위한 팬 조립체.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 노즐 관통보어의 하나 이상의 에지는 팬 중앙선에 대해 평행한 것을 특징으로 하는 터널 내에 장착하기 위한 팬 조립체.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 벨 마우스(bellmouth)가 노즐 에지에 결부되는 것을 특징으로 하는 터널 내에 장착하기 위한 팬 조립체.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 하나의 노즐이 팬의 양쪽 중 한쪽에 장착되는 것을 특징으로 하는 터널 내에 장착하기 위한 팬 조립체.
6. 첨부도면들 중 임의의 도면을 참조하여 본 명세서에 기술된 것과 실질적으로 똑같은 터널 내에 환기 흐름을 제공하기 위해 터널 내에 장착하기 위한 팬 조립체.
7. 첨부도면들 중 임의의 도면을 참조하여 본 명세서에 기술된 것과 실질적으로 똑같은 터널 내에 환기 흐름을 제공하기 위해 배열된 팬을 포함하는 팬 조립체를 변형하는 방법.
8. 첨부도면들 중 임의의 도면을 참조하여 본 명세서에 기술된 것과 실질적으로 똑같은 터널 내에 환기 흐름을 제공하기 위해 팬에 끼워맞춤하기 위한 노즐.

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