KR20160141812A - 큰 피치 실속 저항성 프로펠러 - Google Patents

Abstract

소용돌이, 즉 스퀘어 쌍곡선에 의해 형성된 표면에 투사된 피보나치 나선형의 선들을 따라 형성된 프로펠러가 제공된다. 유체는 난류가 적게 발생하도록 프로펠러의 길이를 따라 고르게 흘러서, 보다 큰 피치에서 실속(stalling) 없이 작동되게 하고 주어진 유속에 요구되는 동력의 감소를 가능하게 한다. 소용돌이의 기저를 이루는 기하학적 모양은 고둥에서부터 나선 은하에 이르는 천연 물체에서 종종 발견되는, 황금 나선형 또는 피보나치 나선형으로 알려진 등각 로그 나선형이다. 3차원 상에서 볼 때, 소용돌이 상 유체의 흐름은 황금 나선형을 꼭짓점이 1이고 초점은 2의 제곱근과 같은 스퀘어 쌍곡선의 회전면에 투사하여 그릴 수 있다.

Description

큰 피치 실속 저항성 프로펠러{High pitch stall resisting propeller}

[0001] 본 발명은 프로펠러, 특히 큰 피치 실속(stall;失速)에 저항성을 갖는 프로펠러에 관한 것이다.

[0002] 프로펠러는 회전력(torque)을 추력(thrust)으로 변화시키는 장치로서, 유체를 축 방향으로 가속함으로써 회전 운동을 직선 운동으로 변환시킨다. 프로펠러가 최소량의 입력 축 동력으로 최대의 추력을 발생시키기 위해서는, 큰 블레이드 피치 (blade pitch) 와 낮은 회전 속도의 조합이 유리하다.

[0003] 프로펠러에 적용할 수 있는 최대의 피치는 프로펠러가 작동되는 유체의 속도에 의해 실질적으로 제한된다. 만약 유입하는 유체의 속도가 낮거나 0이라면, 프로펠러 블레이드는 너무 큰 피치 각도(high pitch angles)에서는 실속(stall)을 경험하게 되어 더 이상의 유체를 움직이지 않게 될 것이다. 따라서 속도가 0인 조건에서 작동하는 송풍기 또는 정적인 추진기는 피치 각도 제한 때문에 얼마나 효율적으로 동작할 수 있느냐에 제한을 받는다.

[0004] 본 발명의 목적은 유속이 0인 유입 흐름 조건 하에서 큰 블레이드 피치 각도에서 실속을 일으키지 않고 동작할 수 있는 프로펠러를 제공하여, 종래 형식의 프로펠러들에 비해 상당히 감소된 동력 입력 레벨에서도 동등한 추력을 제공하거나, 적어도 대중에게 종래의 프로펠러들의 유용한 대체물을 제공하는 것이다.

[0005] 발명의 한 측면에 있어서, 본 발명은 원점(origin)에서 3차원 나선(spiral)으로 투사하는 표면 선들에 의해 정의되는(defined) 표면 기하학적 구조(surface geometry)를 갖는 프로펠러 블레이드를 포함하고, 상기 3차원 나선은 2차원 나선을 쌍곡선에 의해 정의되는 회전면으로 투사함으로써 형성된다.

[0006] 바람직하게는 상기 2차원 나선은 피보나치 나선이다.

[0007] 바람직하게는 상기 쌍곡선은 스퀘어 쌍곡선이며, 상기 쌍곡선의 꼭짓점은 1과 같고 상기 쌍곡선의 초점은 2의 제곱근과 같다.

[0008] 바람직하게는 상기 블레이드의 선도 부분(leading portion) 및 후행 부분(trailing portion)은 대칭이거나, 한 방향으로 성능을 높이기 위해 상기 선도 부분이 상기 후행 부분보다 더 작다.

[0009] 바람직하게는 상기 블레이드의 두께는 일정하다.

[0010] 발명의 다른 측면에 있어서, 본 발명은 위에서 기술한 것과 같은 복수의 프로펠러 블레이드들을 갖는 프로펠러를 포함한다.

[0011] 위에서 언급한 측면들 중, 어느 하나라도 위에서 언급한 다른 측면들의 어느 하나의 발명의 요소들 중 어떤 것이라도 포함할 수 있고, 필요할 경우 아래에서 기술할 실시 예들의 어느 하나의 특징들 가운데 어떠한 것도 포함할 수 있다.

상기 프로펠러는 에어로포일(aerofoil) 역할을 할 필요가 없으며 따라서 일정한 두께로 만들어질 수 있다는 점에서 많은 전통적인 프로펠러들과 같지 않다. 이는 금속판에서 찍어낼 수 있기 때문에 프로펠러의 생산을 엄청나게 간소화할 수 있다는 점에서 매우 유리하다. 프로펠러들은 또한 극도로 얇게 제작될 수 있으며, 따라서 항력을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시 예에서는, 도시되지는 않았지만, 프로펠러의 선도 부분 및 후행 부분이 비대칭적으로 제조될 수 있다. 좀 더 가파른 선도 윤곽(leading profile)을 가진 프로펠러는 훨씬 더 큰 성능상 이점을 준다는 사실이 밝혀졌다.

독자들은, 본 발명이 유입 흐름의 유체 속도가 0인 조건에서 큰 블레이드 피치 각도에서도 실속을 일으키지 않고 작동될 수 있는 프로펠러를 제공하여, 종래 형식의 프로펠러들에 비해 획기적으로 감소된 동력 입력 레벨에서 동일한 추력을 전달하는 것으로 평가할 것이다.

[0012] 본 발명의 바람직한 특징, 실시 예, 그리고 변형들은 당 업계에 숙련된 이들이 본 발명을 실시하는 데에 충분한 정보를 제공하는 다음의 상세한 설명에서 얻을 수 있을 것이다. 상기 상세한 설명은 위에서 언급한 본 발명의 요약 부분의 권리 범위를 어떤 방식으로든 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 상기 상세한 설명 부분은 다음의 여러 도면들을 참조하여 설명될 것이다.
[0013] 도 1은 본 발명의 프로펠러 블레이드의 기하학적 모양을 결정하기 위해 사용되는 쌍곡선의 회전면에 투사되는 나선을 도시한다. 메시(mesh)가 3차원 시각화를 돕기 위해 포함된다.
[0014] 도 2는 메시(mesh)를 제외한 도 1을 도시한다.
[0015] 도 3은 프로펠러 블레이드의 표면 기하학적 구조의 절반을 나타내는 도 2의 투사로부터 구성한 3차원 표면을 도시한다.
[0016] 도 4는 프로펠러 블레이드의 완전한 표면 기하학적 구조를 생성하기 위해 복사하고 회전한 도 3의 표면을 도시한다.
[0017] 도 5는 제1 프로펠러 블레이드를 구성하기 위하여 도 4의 표면에 투사된 제1 프로펠러 블레이드의 윤곽을 도시한다.
[0018] 도 6은 중심축을 중심으로 이동된 도5의 세 개의 블레이드들에 의해 형성된 제1 프로펠러를 도시한다.
[0019] 도 7은 제2 프로펠러 블레이드를 구성하기 위하여 도4의 표면 위로 투사된 제2 프로펠러 블레이드의 윤곽을 도시한다.
[0020] 도 8은 중심축을 중심으로 이동된 도7의 세 개의 블레이드들에 의해 형성된 제2 프로펠러를 도시한다.
[0021] 도 9는 비대칭 윤곽을 갖도록 형성된 제3 프로펠러를 도시한다.
[0022] 도 10은 도 11의 종래 기술의 프로펠러와 비교하도록 구성된 제4 프로펠러를 도시한다.
[0023] 도 11은 비교하기 위해 사용되는 종래 기술의 프로펠러를 도시한다.

[0024] 다음의 본 발명의 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조한다. 가능한 한, 동일한 또는 유사한 부분들을 가리키기 위해 도면과 다음의 설명 전체를 통하여 동일한 도면 부호들이 사용될 것이다. 도면에 도시된 어떤 부분들의 크기는 명확하게 하기 위해 또는 단지 설명을 위해 변경되거나 과장되었을 수 있다.

[0025] 본 발명은 그 표면 윤곽선이 자연적인 소용돌이 모양에 내재하는 흐름 윤곽선(flow contours)에서 도출된 로그 스케일드 블레이드들(logarithmically scaled blades)을 포함하는 프로펠러를 제공한다. 이 같은 방식으로 제조된 프로펠러들은 유속이 0인 유입 흐름 조건하에서 큰 블레이드 피치 각도에서 실속을 일으키지 않고 작동하여, 종래 기술 방식의 프로펠러들에 비해 획기적으로 감소된 동력 입력 레벨에서 동일한 추력을 전달한다는 것이 밝혀졌다.

[0026] 소용돌이 깔때기(vortex funnel) 내부의 유체 흐름은 명확하게 정의되는 기하학적 매개 변수들에 따라 자기-조직적인 방식으로 발생한다. 소용돌이 안에서, 유체는 난류를 발생시키지 않으며 또한 더 큰 속도로 흐르게 될 것이다. 본 발명에서 기술된 프로펠러 블레이드는 소용돌이 흐름선 기하학적 구조로부터 도출되는 표면 윤곽선을 갖게 되어, 표면 난류의 형성에 저항하는 프로펠러를 만들게 되며, 그 표면 전체에 걸쳐 고르고 일관성 있는 유체의 흐름을 만들어낼 것이다. 그 결과, 프로펠러들은 낮은 유체 유입 흐름 속도의 조건하에서 가파른 피치 각도에서도 실속을 일으키지 않고 작동될 수 있다. 동일한 공기 부피 전달률에서 더 낮은 회전속도로 작동함으로써, 획기적으로 더 적은 축 동력이 소비되고, 블레이드 끝부분 속도가 감소됨에 따라, 소음 또한 감소된다. 달리 설명하면, 종래 기술에 의한 프로펠러들과 비교할 때, 고정된 양의 동력이 사용되어 더 많은 부피의 공기를 전달할 수 있게 된다.

[0027] 소용돌이의 근원적인 기하학적 모양은 바다 고둥에서 나선 은하에 이르는 자연물들에서 종종 발견되는 황금 나선 또는 피보나치(Fibonacci) 나선이라고 알려져 있는 등각 로그 나선(equiangular logarithmic spiral)이다. 3차원으로 볼 때, 소용돌이에서의 유체 흐름은 하나의 황금 나선을 꼭짓점이 1이고 초점이 2의 제곱근과 같은 스퀘어 쌍곡선(square hyperbola)의 회전면으로의 투사(projection)로서 그려질 수 있다.

[0028] 도 1은 본 발명에 따른 프로펠러 블레이드의 표면을 정의하기 위해 사용되는 기본적인 기하학적 요소들을 도시한다. 스퀘어 쌍곡선은 10으로 도시되고, 20은 회전체를 형성하기 위해 상기 쌍곡선이 360도 회전하면서 형성된 베이스를 도시한다. 쌍곡선의 원점(the origin of the hyperbola) 둘레에 있는 황금 나선(30)은 소용돌이에 있는 유체 흐름에 대응하는 3차원 나선(40)을 형성하기 위해 회전면 위로 투사된다. 도 1은 시각화를 돕기 위해 격자와 함께 도시되고 있다. 추가적인 기하학 표현은 도 2에서 격자 없이 도시되고 있다.

[0029] 프로펠러 블레이드의 제1 반절의 기하학적 구조 표면(50)은, 도 3에서 그물망 모양(mesh)으로 도시되는데, 원점(origin)(나선과 쌍곡선의 원점)에서 시작하여 3차원 나선(40)에서 끝나는 선들로 형성되어 있다.

[0030] 도 4에서, 상기 표면(50)은 제2 표면(60)을 만들기 위해 복사된 다음 회전된다. 이 두 표면들은 함께 발산 및 수렴하는 흐름 윤곽선을 갖는 연속 표면(70)을 만들어 낸다.

[0031] 제1 블레이드 윤곽은 도 5에서 80으로 도시되고 있다. 제1 프로펠러 블레이드(90)을 형성하기 위해 상기 블레이드 윤곽은 상기 연속 표면(70) 위로 투사된다.

[0032] 완전한 제1 프로펠러(100)는 도 6에 도시되고 있고, 이는 하나의 블레이드(90)와 허브(95) 주변에 등간격으로 배치된 두 개의 동일한 복사체(91 및 92)를 포함하고 있다.

[0033] 제1 프로펠러 블레이드들의 XY 수평 단면상에서의 대칭적인 윤곽은 프로펠러의 두 가지 회전 방향에서 동일한 성능을 제공한다.

[0034] 상기 블레이드 윤곽은 미학적 또는 성능상 고려사항들에 따라 변경될 수 있고, 또한, 상기 블레이드는 프로펠러의 허브까지 연장될 수도 있고, 연장되지 않을 수도 있다. 그와 같은 변화는 성능에 최소한의 영향만 주는 것으로 보인다.

[0035] 제2 대칭 블레이드 윤곽은 도 7에서 105로 도시되고 있다. 이 블레이드 윤곽은 제2 프로펠러 블레이드(106)를 구성하기 위해 상기 표면으로 투사되는데, 이는 두개의 다른 블레이드들과 함께 도 8에 도시된 것처럼 제2 프로펠러(101)를 형성한다.

[0036] 본 발명의 다른 실시 예에서는, 도 4의 표면으로의 비대칭적인 투사가 비대칭 블레이드 윤곽을 생성하는 데에 사용된다. 그와 같은 블레이드 윤곽선을 가진 프로펠러는 도 9에 102로 도시되어 있다. 그와 같은 프로펠러는 하부 블레이드 높이가 항력을 감소시킴에 따라 도 6 및 도 8의 대칭적인 프로펠러들보다 더 큰 효율로 제1 방향 (상기 윤곽선의 더 좁은 부분이 선도하는)으로 작동할 것이다. 이 프로펠러는 비록 낮은 효율이지만 반대 방향으로도 작동될 것이다.

[0037] 도 6의 프로펠러(100)는 풍동 실험에서 블레이드의 길이 전체에 걸쳐 고르고 일정한 공기 속도를 갖는 것으로 나타났는데, 이는 효율로 직결된다. 이에 비해, 종래 기술의 윤곽선을 가진 송풍기는 지름의 대강 2/3 지점에서 최고의 공기 속도를 보이고, 중심 및 그 끝부분으로 갈수록 0으로 감소된다.

[0038] 본 발명의 작동하는 원형은 생산되어 직경이 1.1미터인 종래의 천장 송풍기와 비교되었다. 축 속도가 150rpm 일 때, 표준적인 송풍기는 9.8와트의 동력을 사용하여 분당 107 입방미터의 공기를 전달했다. 이에 비해, 축 속도 100rpm 으로 작동하는 본 발명에 따른 송풍기는 5.7와트의 동력을 사용하여 분당 114 입방미터의 공기를 전달했다. 이는 효율이 46퍼센트 증가된 것을 의미한다. 다른 블레이드 직경 및 속도에 대한 추가적인 실험과 모의실험은 유사한 개선이 이루어졌음을 보여주었다. 또한 피치는 모든 속도에서 적정한 것이었음을 보여주었다. 이는 속도에 따라 변하는 적정 피치를 갖는 종래의 프로펠러들과 같지 않다. 이는 별도의 피치 제어 메커니즘에 대한 필요성을 제거하여 명백한 단순성과 비용상 장점을 제공한다. 공기 흐름은 프로펠러의 속도만을 변화시켜 조절되고, 이렇게 하는 것은 구현하기가 상대적으로 단순하다. 더 낮은 속도에서 동일한 공기 흐름을 만들어낼 수 있기 때문에, 이 프로펠러들은 작동시 훨씬 조용한데, 블레이드로부터 30센티미터 떨어진 지점에서 측정한 값이 92dB에서 83dB로 잡음이 감소하였음을 보여준다.

[0039] 본 발명에 따라 제조된 또 다른 비대칭 프로펠러는 도 10에서 103으로 도시되어 있다. 이 프로펠러의 윤곽은 허브까지 모두 연장되지는 않는다. 이 프로펠러는 대대적으로 모델링되어, 도 11에 200으로 도시되어 있는, 시장에 나와 있는 종래 기술의 양호한 성능을 보인 예들 가운데 하나와 비교되었다.

[0040] 상기 프로펠러들을 통한 공기 흐름의 속도 궤적은 본 발명의 프로펠러(103)를 통한 것은 곧고 일정한 공기 흐름을 보여주지만, 종래 기술의 프로펠러(200)를 통한 공기 흐름은 난류임을 보여준다. 프로펠러들의 압력 도면은 프로펠러(103)의 바깥측 전면의 후단부에 최소한의 고압력 구역을 보여주는 반면, 프로펠러(200)의 전면 후단부 전체와 후면 선단부 전체를 따라 심각한 고압력 구역이 있음을 보여준다. 따라서, 직경 1.5미터 송풍기를 사용하여 분당 891 입방미터의 공기 흐름을 생성하기 위해 필요한 축 동력이 송풍기(103)에서는 단지 1.198킬로와트인 반면, 종래 기술의 송풍기(200)에서는 1.832킬로와트였다.

[0041] 상기 프로펠러는 에어로포일 역할을 할 필요가 없으며 따라서 일정한 두께로 만들어질 수 있다는 점에서 많은 전통적인 프로펠러들과 같지 않다. 이는 금속판에서 찍어낼 수 있기 때문에 프로펠러의 생산을 엄청나게 간소화할 수 있다는 점에서 매우 유리하다. 프로펠러들은 또한 극도로 얇게 제작될 수 있으며, 따라서 항력을 감소시킬 수 있다.

[0042] 본 발명의 또다른 실시예에서는, 도시되지는 않았지만, 프로펠러의 선도 부분 및 후행 부분이 비대칭적으로 제조될 수 있다. 좀 더 가파른 선도 윤곽(leading profile)을 가진 프로펠러는 훨씬 더 큰 성능상 이점을 준다는 사실이 밝혀졌다.

[0043] 독자들은, 본 발명이 유입 흐름의 유체 속도가 0인 조건에서 큰 블레이드 피치 각도에서도 실속을 일으키지 않고 작동될 수 있는 프로펠러를 제공하여, 종래 형식의 프로펠러들에 비해 획기적으로 감소된 동력 입력 레벨에서 동일한 추력을 전달하는 것으로 평가할 것이다.

[0044] 또 다른 장점과 개량이 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않고도 이루어질 수 있을 것이다. 본 발명이 비록 가장 실용적이고 바람직한 실시예로 간주되는 내용으로 도시되고 개시되었을지라도, 본 발명의 권리범위와 그 기술사상 안에서 그 개시 내용으로부터 벗어날 수 있음을 알아야 하고, 본 발명이 여기에 개시된 상세한 내용들에 국한되지 않으며, 모든 동등한 기구와 장치들을 포괄하도록 청구범위의 전체 권리범위에 부합되는 것임을 알아야 한다. 본 명세서를 통하여 종래 기술을 논한 것은 그러한 종래 기술이 널리 알려져 있거나 본 분야에서 상식적이고 일반적인 지식을 형성함을 인정하는 것으로 간주되어서는 안 된다.

[0045] 본 명세서와 청구범위에서, “포함하는(comprising)” 이라는 단어와 그로부터 파생된 "포함한다"(comprises, comprise)는 언급된 정수들 각각을 포함하지만, 하나 또는 그 이상의 정수들의 포함을 배제하지 않는다.

Claims (8)

1. 원점으로부터 3차원 나선으로 투사하는 표면선들에 의해 정의되는 표면 기하학적 구조를 가진 프로펠러 블레이드이고, 상기 3차원 나선은 2차원 나선을 쌍곡선에 의해 정의되는 회전면에 투사함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 프로펠러 블레이드.
2. 제1항에 있어서, 상기 2차원 나선은 피보나치 나선인 것을 특징으로 하는 프로펠러 블레이드.
3. 제1항에 있어서, 상기 쌍곡선은 스퀘어 쌍곡선임을 특징으로 하는 프로펠러 블레이드.
4. 제3항에 있어서, 상기 쌍곡선의 꼭짓점은 1과 같고, 상기 쌍곡선의 초점은 2의 제곱근과 같은 것을 특징으로 하는 프로펠러 블레이드.
5. 제1항에 있어서, 상기 블레이드의 선도 부분들 및 후행 부분들이 대칭인 것을 특징으로 하는 프로펠러 블레이드.
6. 제1항에 있어서, 상기 선도 부분이 상기 후행 부분보다 더 작은 것을 특징으로 하는 프로펠러 블레이드.
7. 제1항에 있어서, 상기 블레이드의 두께는 일정한 것을 특징으로 하는 프로펠러 블레이드.
8. 제1항에 따른 복수의 프로펠러 블레이드들을 포함하는 것을 특징으로 하는 프로펠러.

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