KR20180020117A - 주 날개 및 보조 날개를 구비한 임펠러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제1 허브와, 상기 제1 허브의 외주를 따라 동일한 간격을 두고 연장 형성된 다수의 주 날개를 구비하는 제1 부분; 및 상기 제1 허브의 하측에 요철 결합되는 제2 허브와, 상기 제2 허브의 외주를 따라 간격을 두고 연장 형성된 다수의 보조 날개를 구비하는 제2 부분;을 포함하며, 각 주 날개의 전단(L.E.)과 후단(T.E.) 사이의 투영 각도를 Φ₁, 다수의 보조날개의 각 전단(L.E.)과 후단(T.E.) 사이의 투영 각도를 θ₁ 라고 할 때, 각 주 날개와 보조 날개가 겹치는 상류 각도 Φ_1u, θ_1u 및 하류 각도 Φ_1d, θ_1d 와, 각 주 날개와 보조 날개가 겹치지 않는 Φ_1m, θ_1m 으로 구성되며, 상기 Φ₁ 및 θ₁ 는 주 날개 및 보조 날개의 반경이 각 허브부터 끝단으로 가면서 0 < θ₁ < Φ₁를 만족하도록, 상기 θ₁ 이 상기 Φ₁ 보다 작은 것을 특징으로 한다.

Description

주 날개 및 보조 날개를 구비한 임펠러{Impeller having primary blades and secondary blades}

본 발명은 임펠러에 관한 것으로, 특히 다수의 주 날개(primary blades) 사이에 다수의 보조 날개(secondary blades)를 배치하여 날개 유동제어를 행하는 임펠러에 관한 것이다.

공지의 팬(fan), 송풍기 및 펌프와 같은 유체기계의 설계에 관한 연구는 과거 수십 년간 지속되어 설계기법에 있어 많은 발전이 이루어졌다. 그러나 최근에는 성능뿐만 아니라 소음에 대한 요구수준이 높아지고 제품의 크기가 줄어들면서 보다 수준 높은 설계수단의 개발을 필요로 하게 되었다.

유체기계에 적용되는 통상의 축류형 임펠러는 압력과 유량으로 그 성능을 나타낸다. 구체적으로, 입구와 출구에서의 압력차이(Δp)는, 도 1과 같이, 유체가 날개(1) 사이로 지나가면서 날개 곡률을 따라서 유선이 휘어지면서 날개 양력에 의해 압력이 증가하게 된다. 따라서 날개 캠버선(3)을 따라 유선이 많이 휘어질수록 회전속도성분이 발생하여 압력증가에 유리하다.

하지만 유선(stream line)이 너무 많이 휘게 되면 날개 부압면에서 유동박리도 날개 후단 (T.E.) 각도인 α__2'과 달리 α_₂의 각도로 나가면서 α_₂-α__2' (=δ) 차이만큼의 이탈각이 발생한다. 이때, 이탈각 δ는 하기 수학식 1과 같이 날개가 휘어진 캠버각(Φc)과, 날개코드(C)와 날개 사이의 피치(s)와의 비인 현절비(σ=C/s)의 함수이다. 즉, 캠버각(Φc)이 증가하면 이탈각이 커지며, 현절비 즉 날개코드가 증가하면 이탈각이 감소하여 성능이 증가한다.

여기서, δ₀ 은 에어포일 형상이고, m₀ 은 현절비이고, b 는 입구유동각(α_₁)에 따라 정해지는 상수이다.

종래기술은 유동박리가 일어나지 않으면서도 가능한 캠버각을 크게 하여 양력증가를 통해 큰 압력 상승을 일으키며 코드를 길게 하거나 날개수를 증가시켜 날개피치를 줄여 현절비 증가로 출구 이탈각을 줄이는 것에 집중하여 왔다. 그러나 코드를 길게 하면 회전축방향으로 임펠러가 높아지며, 압력을 높이기 위한 캠버각은 부압면에서의 유동박리로 인한 한계가 있다.

미국 공개특허 US 2014/0233178 A1에는 보조 날개를 주 날개의 후단 (T.E.)근처에서 시작하도록 하여 날개가 길어진 효과로 현절비를 증가시켜 날개 출구의 이탈각을 줄여 성능을 증가시킨 예가 개시되어 있다. 그러나 이와 같은 발명은 임펠러의 높이가 증가하고, 주 날개의 길이를 주날개와 보조날개가 겹쳐진 길이만큼 길게 하는 것과 큰 성능의 차이를 보이지 않는 한계가 있다.

한국 등록특허 제10-1342746호에는 다수의 보조날개를 다수의 주 날개들 사이에 설치하여 날개피치를 줄여 현절비를 증가시킨 종래의 임펠러가 개시되어 있다. 이와 같은 임펠러는 사출금형의 어려움으로 인해 주 날개의 겹쳐진 부분을 파내어 이로 인한 양력의 감소 및 소음의 증가가 불가피한 단점이 있다.

도 2에는 후향익 원심형 임펠러(20)의 날개와 유동각이 나타나 있다. 임펠러의 압력상승과 오일러(Euler) 방정식에 의한 일은 하기 수학식 2와 같은 관계를 갖는다.

여기서, η_R은 임펠러의 효율로서 이론적인 전달 에너지 대비 내부 유동에 의한 이론적인 전압 상승에서 유동손실을 제외한 실제 전달에너지에 대한 퍼센트(%)이다.

도 2에 도시된 임펠러(에서 나오는 유동은 출구날개를 따라서 흐르지 않으며 미끄러짐(slip)이 발생하며, 날개 각도가 β_2b일 때 미끄러짐 계수를 μ라고 하면

이 되며, 미끄러짐 계수(μ_E)는 스토돌라(Stodola) 식을 사용하면 하기 수학식 3과 같이 표현된다.

여기서, N_B는 날개수이며, β₂는 출구유동각, U₂와 C_m2 는 각각 날개끝단 회전속도와 출구유동의 절대속도의 반경방향 성분이다. 수학식 2와 수학식 3으로부터 압력전달을 높이려면 출구 절대속도의 회전성분 C_θ2를 증가시켜야 하며, 이를 위해서는 가능한 날개수를 증가시켜 슬립계수를 크게 하여야 한다.

미국 공개특허 US 2009/0155048 A1에는 원심형 펌프 임펠러에서 주 날개들과 동축으로 같이 회전하는 보조 날개인 스플릿 베인을 주날개 사이에 설치하여 날개 수를 증가시킨 효과를 내는 예가 개시되어 있다. 그런데 큰 정압을 내는 원심형 펌프와는 달리 압력의 증가보다는 유량의 증가가 필요한 팬이나 송풍기에서는 임펠러의 직경 대비 높이 비가 펌프보다 훨씬 커서 임펠러 날개의 윗부분을 통상의 슈라우드 판으로 덮든지 아니면 날개 윗면의 출구부를 얇은 띠 형상의 원판으로 덮어 강도를 보강해야 했다. 하지만 이 경우 사출성형의 어려움이 있었다.

본 발명의 목적은 회전하는 축류형 및 원심형 임펠러의 성능 증가와 동시에 소음이 저감되도록 회전하는 다수의 보조 날개를 임펠러 높이의 증가 없이 주 날개 사이에 설치하여, 축류형의 경우에는 날개이탈각을 줄여 성능을 증가시키며 동시에 날개 후류 유동의 크기를 줄여 소음을 줄이며, 원심형의 경우에는 부압면 유동박리가 줄어들게 하여 날개 슬립계수의 개선을 통한 성능의 증가와 유동박리소음이 줄어들게 하는 임펠러를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 제1 허브와, 상기 제1 허브의 외주를 따라 동일한 간격을 두고 연장 형성된 다수의 주 날개를 구비하는 제1 부분; 및 상기 제1 허브의 하측에 요철 결합되는 제2 허브와, 상기 제2 허브의 외주를 따라 간격을 두고 연장 형성된 다수의 보조 날개를 구비하는 제2 부분;을 포함하며, 각 주 날개의 전단(L.E.)과 후단(T.E.) 사이의 투영 각도를 Φ₁, 다수의 보조날개의 각 전단(L.E.)과 후단(T.E.) 사이의 투영 각도를 θ₁ 라고 할 때, 각 주 날개와 보조 날개가 겹치는 상류 각도 Φ_1u, θ_1u 및 하류 각도 Φ_1d, θ_1d 와, 각 주 날개와 보조 날개가 겹치지 않는 Φ_1m, θ_1m 으로 구성되며, 상기 Φ₁ 및 θ₁ 는 주 날개 및 보조 날개의 반경이 각 허브부터 끝단으로 가면서 0 < θ₁ < Φ₁를 만족하도록, 상기 θ₁ 이 상기 Φ₁ 보다 작은 것을 특징으로 하는 임펠러를 제공한다.

상기 보조 날개의 θ_1u와 θ_1d 의 크기는 상기 주 날개 부압면 하류 부근의 채널이 가이드 되도록 상기 주 날개와의 겹쳐지는 각도들일 수 있다.

상기 제1 허브는 저면에 간격을 두고 다수의 제1 결합돌기와, 상기 다수의 결합돌기에 의해 마련되는 다수의 제1 결합홈이 형성되고, 상기 제2 허브는 상면에 간격을 두고 다수의 제2 결합돌기와, 상기 다수의 결합돌기에 의해 마련되는 다수의 제2 결합홈이 형성되며, 상기 다수의 제1 결합돌기는 상기 다수의 제2 결합홈에 결합되고, 상기 다수의 제2 결합돌기는 상기 다수의 제1 결합홈에 결합될 수 있다.

상기 다수의 제1 결합돌기와 상기 다수의 제2 결합홈에 압박 결합되고, 상기 다수의 제2 결합돌기는 상기 다수의 제1 결합홈에 압박 결합될 수 있다.

상기 다수의 제1 결합돌기는 접착제에 의해 상기 다수의 제2 결합홈에 접착 결합되고, 상기 다수의 제2 결합돌기는 접착제에 의해 상기 다수의 제1 결합홈에 접착 결합될 수 있다.

상기 제1 허브 및 상기 제2 허브는 띠 형상으로 이루어질 수 있다.

상기 제1 및 제2 허브는 상호 결합 시 단일 원추 형상으로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명은, 원형 밑판과, 상기 원형 밑판의 상면 중앙에 돌출 형성된 허브와, 상기 원형 밑판의 상면에 동일한 간격을 두고 상기 허브를 중심으로 원주 방향으로 형성된 다수의 주 날개를 구비하는 제1 부분; 및 슈라우드와, 상기 슈라우드의 저면을 따라 간격을 두고 일체로 형성된 다수의 보조 날개를 구비하는 제2 부분을 포함하며, 주 날개 부압면과 보조날개 압력면 사이의 입구면적을 Ssu 라 하고, 주 날개 압력면과 보조날개 부압면 사이의 입구면적을 Spu 라 하고, 각 채널 하류에서의 면적인 주 날개의 부압면 채널 하류면적을 Ssd라 하고, 주 날개의 압력면 채널 하류면적을 Spd라 할 때, 각 보조 날개의 출구각은 각 주 날개 출구각과 동일하고, 상기 보조 날개의 입구는 S 형태의 변곡이 생기는 곳에 위치하고, 상기 보조 날개의 입구각도는 채널의 주 유선에 유동각 접선이 일치하는 각도인 것을 특징으로 하는 임펠러를 제공함으로써, 상기 목적을 달성할 수도 있다.

상기 Ssu와 상기 Spu가 동일하게 되도록 상기 보조 날개 전단(L.E.)을 입구 동일 반경 채널 사이로 위치할 수 있다.

상기 Ssu와 Ssd가 유사하게 유지되도록 상기 보조 날개 전단(L.E.)을 피봇점으로 하여 상기 보조 날개 후단(T.E.)을 출구 동일 반경 채널 사이로 회전 이동하여 출구각과 채널 사이 출구위치를 설정할 수 있다.

상기 슈라우드는 띠 형상으로 이루어질 수 있다.

상기 밑판은 상면에 상기 다수의 보조 날개의 하단이 삽입되는 다수의 제1 결합홈이 형성되고, 상기 슈라우드는 저면에 상기 다수의 주 날개의 상단이 삽입되는 다수의 제2 결합홈이 형성될 수 있다.

상기 다수의 보조 날개의 하단은 상기 다수의 제1 결합홈에 압박 결합되고, 상기 다수의 주 날개의 하단은 상기 다수의 제2 결합홈에 압박 결합될 수 있다.

상기 다수의 보조 날개의 하단은 접착제에 의해 상기 다수의 제1 결합홈에 접착 결합되고, 상기 다수의 주 날개의 하단은 접착제에 의해 상기 다수의 제2 결합홈에 접착 결합될 수 있다.

각 주 날개 사이에 1개씩 배치된 다수의 보조 날개는 임펠러의 회전 방향을 따라 서로 상이한 간격으로 배치될 수 있다.

상기 원형 밑판과 상기 슈라우드는 유동 하류방향으로 경사지거나 회전축 방향에 평행하게 형성될 수 있다.

상기 원형 밑판의 외경이 상기 슈라우드의 내경보다 작게 형성될 수 있다.

상기 다수의 주 날개와 상기 다수의 보조 날개는 상기 원형 밑판과 상기 슈라우드에 일체로 결합될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 주 날개사이의 채널에 보조날개를 배치한 임펠러는 하기와 같이 축류형과 원심형에 대하여 각각 하기와 같은 이점이 있다.

본 발명에 따른 축류형 임펠러의 경우, 주 날개의 부압면에서의 2차 유동을 줄이며 날개 후단의 이탈각을 줄여 압력증가와 소음감소 효과를 얻을 수 있다. 또한, 임펠러 높이를 증가시키지 않도록 다수의 주 날개 사이에 각각 다수의 보조 날개를 배치하는 경우, 다수의 주 날개가 연결된 상부 허브로 이루어진 제1 부품과, 다수의 보조날개가 연결된 하부 허브로 이루어진 제2 부분을 서로 별개의 부분으로서 사출 형성하고, 상부 허브 및 하부 허브를 원주상 반경 두께를 갖는 띠 형상으로 형성하고 상호 요철 결합 가능한 구조를 가짐에 따라, 사출성형 과정에서 날개가 중첩되어 금형 상하 빼기가 어려운 문제를 근본적으로 해결할 수 있다.

본 발명에 따른 원심형 임펠러의 경우, 후향익과 전향익 또는 레이디얼이 조합된 하이브리드 S 형태의 주 날개의 부압면에서의 2차 유동을 줄이며 날개슬립의 감소를 통해 에너지전달의 증가와 소음감소의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 다수의 주 날개가 붙은 밑판으로 이루어진 제1 부분과 다수의 보조날개가 붙은 띠 형태의 슈라우드로 이루어진 제2 부분을 별개의 부품으로서 사출 성형하고, 다수의 주 날개가 슈라우드에 요철 결합하고 다수의 보조날개가 밑판에 요철 결합하도록 형성함으로써, 사출성형 시 발생하는 문제를 해결할 수 있다.

도 1은 일반적인 축류형 임펠러 날개 사이의 유동 관련 설계 변수 및 날개 관련 설계변수들을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 후향익 원심형 임펠러의 날개와 유동각 관련 설계변수들을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 축류형 임펠러를 나타내는 조립 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 축류형 임펠러의 제1 부분의 저면과 제2 부분의 상면을 동시에 도시한 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 축류형 임펠러와 종래의 임펠러의 날개 주위의 유동이 개략적으로 유선과 함께 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 축류형 임펠러의 주 날개 및 보조 날개 간의 구조를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원심형 임펠러를 나타내는 조립 사시도이다.
도 8은 도 7에 도시된 원심형 임펠러의 제1 부분의 저면과 제2 부분의 상면을 동시에 도시한 분해 사시도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 원심형 임펠러의 주 날개 후류 유동형태가 후향익(실선으로 표시)이고 스플릿 베인 형태의 보조 날개를 구비한 예와, 원심형 임펠러의 주 날개 후류 유동형태가 전향익(점선으로 표시)인 것을 함께 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원심형 임펠러의 주 날개와 보조 날개를 함께 보여주는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원심형 임펠러의 보조 날개의 채널 사이의 위치를 회전방향으로 동일하게 배치하지 않고 랜덤하게 배치한 예를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 사류형 주 날개와 보조 날개를 구비한 임펠러를 나타내는 사시도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 임펠러를 나타내는 평면도이다.
도 14는 도 13에 표시된 A-A선을 따라 나타낸 단면도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 축류형 임펠러와 다른 실시예에 따른 원심형 임펠러에 대하여 순차적으로 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 축류형 임펠러를 나타내는 조립 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 축류형 임펠러의 제1 부분의 저면과 제2 부분의 상면을 동시에 도시한 분해 사시도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 축류형 임펠러(100)는 별개의 부품으로 이루어지는 제1 부분(110)과 제2 부분(130)을 포함한다. 별도로 제작된 제1 부분(110) 및 제2 부분(130)은 상호 결합한 상태로 임펠러로서 사용된다.

도 4를 참조하면, 제1 부분(110)은 대략 링 형상으로 이루어진 제1 허브(111)와, 제1 허브(111)의 외주면에 동일한 간격을 두고 형성된 다수의 주 날개(primary blades)(120)를 포함한다.

제1 허브(111)는 축류형 임펠러(100)를 회전 구동시키기 위해 회전축(미도시)과 같은 소정의 구동 부재와 연결될 수 있도록 중앙에 구멍(113)이 형성될 수 있다.

또한, 제1 허브(111)는 저면을 따라 동일한 간격으로 다수의 제1 결합돌기(115)가 돌출 형성된다. 이 경우, 각 제1 결합돌기(115) 사이에는 후술하는 다수의 제2 결합돌기(135)가 삽입되는 다수의 제1 결합홈(117)이 마련된다.

다수의 주 날개(120)는 허브(111)의 일단이 외주면에 일체로 연결되고, 타단으로 갈수록 소정 곡률로 휘어지게 형성된다.

도 4와 같이, 각 주 날개(120)는 부압면(121)과, 부압면의 반대측에 위치한 압력면(123)과, 제1 허브(111)에 인접한 날개 허브면(125)과, 주 날개(120)의 끝단에 위치한 날개팁 면(127)을 포함한다. 이 경우, 각 주 날개(120)는 상단을 전단(L.E.)으로 정의하고, 하단을 후단(T.E.)으로 정의한다.

제2 부분(130)은 대략 링 형상으로 이루어진 제2 허브(131)와, 제2 허브(131)의 외주면에 동일한 간격을 두고 형성된 다수의 주 날개(primary blades)(140)를 포함한다.

또한, 제2 허브(131)는 제1 허브(111)와 마찬가지로 중앙에 구멍(133)이 형성될 수 있다. 이 경우 제2 허브(131)의 외경은 제1 허브(111)의 외경과 동일하게 형성될 수 있고, 제2 허브(131)의 내경은 제1 허브(111)의 내경과 같거나 작게 형성될 수 있으며, 이는 회전축 또는 회전축에 대응하는 회전하는 구동 부재에 임펠러(100)를 고정하기 위해 고려될 수 있는 구조이다.

또한, 제2 허브(131)는 상면을 따라 동일한 간격으로 다수의 제2 결합돌기(135)가 돌출 형성된다. 이 경우, 각 제2 결합돌기(135) 사이에는 다수의 제1 결합돌기(115)가 삽입되는 다수의 제2 결합홈(137)이 마련된다.

이와 같이, 제1 및 제2 허브(111, 131)는 다수의 제1 결합돌기(115)가 다수의 제2 결합홈(137)에 삽입되고, 동시에 다수의 제2 결합돌기(135)가 다수의 제1 결합홈(117)에 각각 삽입됨에 따라 상호 결합된다. 이 경우, 제1 및 제2 허브(111, 131)는 상호 압박 상태로 결합되거나, 별도의 접착제를 이용하여 상호 접착될 수 있다.

다수의 보조 날개(140)는 일단이 제2 허브(131)의 외주면에 일체로 연결되고, 타단으로 갈수록 소정 곡률로 휘어지게 형성된다. 또한, 제1 및 제2 허브(111, 131)가 상호 결합하게 되면, 다수의 보조 날개(140)는 각각 다수의 주 날개(120) 하측에 배치될 수 있다.

도 4와 같이, 각 보조 날개(140)는 부압면(141)과, 부압면의 반대측에 위치한 압력면(143)과, 제2 허브(131)에 인접한 날개 허브면(145)과, 보조 날개(140)의 끝단에 위치한 날개팁 면(147)을 포함한다. 이 경우, 각 보조 날개(140)는 상단을 선단(L.E.)으로 정의하고, 하단을 후단(T.E.)으로 정의한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 축류형 임펠러와 종래의 임펠러의 날개 주위의 유동이 개략적으로 유선과 함께 보여주는 도면이다.

도 5(a)를 참조하면, 일반적으로 입구 영각이 +인 경우(즉, 입구유동이 입구 날개 캠버접선방향보다 압력면 쪽으로 입사하는 경우), 날개의 캠버로 인해 부압면(S) 위에서 유동박리가 일어나 유선이 날개를 따라 흐르지 못하고 날개후단 캠버접선방향보다 부압면쪽으로 벗어나게 된다. 이 경우에는 날개후단 근처에서 유동박리로 인한 두꺼운 경계층 유동이 진행하면서 δ'의 두꺼운 후류 유동이 발생하게 된다. 도 5(a)에서 미설명부호 P는 날개의 압력면을 나타낸다.

그런데 본 발명은, 도 5(b)와 같이, 두 개의 주 날개(120) 사이에 보조 날개(140)가 배치된다. 이에 따라, 입구면적 A2와 A3의 채널 유동을 만들면 도 5(a)와 같이 주 날개 사이의 입구 면적 A1에서부터 유동이 감속되어 유동박리가 일어나는 것과는 달리, 입구면적 A2 부근에서는 오히려 가속이 일어나면서 주 날개(120)의 부압면(121) 하류에서 유동박리가 없어진다. 또한, 보조 날개(140)의 부압면(141)에서 작은 크기의 유동박리로 인해 좁은 후류 두께 δ'가 발생하며, 채널 사이의 이탈각 δ도 줄어들어 날개 캠버에 의한 압력증가가 발생하게 하므로 보조날개가 없는 경우보다 더 큰 캠버각의 적용이 가능하다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 축류형 임펠러의 주 날개 및 보조 날개 간의 관계를 보여주는 도면이다.

도 6을 참조하면, 주 날개(120)의 전단 (L.E.)과 후단 (T.E.)사이의 제1 원통위 각도는 Φ1이며 같은 수의 보조날개(140)의 전단 (L.E.)과 후단 (T.E.)사이의 제2 원통위 각도는 θ1이다.

그리고 제1 원통위 각도 Φ₁은 보조 날개(140)와 겹치는 상류 각도 Φ_1u 와, 하류 각도 Φ_1d 와, 보조 날개(140)와 겹치지 않는 Φ_1m로 구성된다. 여기서, Φ_1u = θ_1d, Φ_1d = θ_1u 이며, 이 값들은 날개 반경이 허브부터 끝단으로 가면서 바뀌게 된다. 만일 Φ₁ = θ₁이면 동일한 날개의 수가 2배가 되는 배치가 되므로, 본 발명은 0 < θ₁ < Φ₁를 만족하여 주 날개(120)보다 보조 날개(140)의 각도간격이 작은 경우이며, 보조 날개(140)의 후단이 주 날개(120)의 후단과 일치하여 임펠러(100, 도 3 참조)의 높이가 증가하지 않도록 하며, 보조날개의 θ_1u 가 θ_1d 보다 커서 주 날개(120)의 부압면(121, 도 4 참조) 하류 부근의 채널이 충분히 가이드 되도록 한다.

전술한 바와 같이, 제1 허브(111)와 제2 허브(131)는 제1 및 제2 결합돌기(115, 135)와 제1 및 제2 결합홈(117, 137)에 의해 도 3과 같이 상호 결합된다. 이때 주 날개(120)의 하류각도 Φ_1d에 해당하는 주 날개(120)의 후단 부분은 제1 허브(111)에는 붙지 않으나 제2 허브(131)와 밀착 결합된다.

도면에 도시하지는 않았으나, 제1 및 제2 허브(111, 131)가 원통 형상이 아닌 원추 형상으로 제작될 수 있다. 예를 들어, 제1 허브(111)의 하측에 제2 허브(131)를 결합하는 경우, 전체적으로 단일 원추 형상을 이룰 수도 있다. 이와 같이 제1 및 제2 허브가 원추 형상으로 이루어지는 경우 사류형 임펠러로도 사용될 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원심형 임펠러를 나타내는 조립 사시도이고, 도 8은 도 7에 도시된 윈심형 임펠러의 제1 부분의 저면과 제2 부분의 상면을 동시에 도시한 분해 사시도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 원심형 임펠러(200)는 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 축류형 임펠러(100)와 마찬가지로 각각 사출성형을 통해 별개의 부품으로 이루어지는 제1 부분(210)과 제2 부분(230)을 포함한다. 제1 부분(210) 및 제2 부분(230)은 상호 결합한 상태로 임펠러로서 사용된다.

도 8을 참조하면, 제1 부분(210)은 허브(211)와, 원형의 플레이트로 이루어진 밑판(225)과, 일정한 간격을 두고 형성된 다수의 주 날개(220)를 포함한다.

허브(211)는 원심형 임펠러(200)를 회전 구동시키기 위해 회전축(미도시)과 같은 소정의 구동 부재와 연결될 수 있도록 중앙에 구멍(213)이 형성될 수 있다. 허브(211)는 대략 원추 형상으로 이루어질 수 있다.

밑판(215)은 상면 중앙부에 허브(211)의 하단이 일체로 연결 형성된다. 밑판(215)은 다수의 주 날개(220)가 원주 방향을 따라 동일한 간격으로 배치되고, 다수의 주 날개(220)의 하단이 밑판(215)의 상면에 일체로 연결 형성된다.

또한, 밑판(215)은 상면에 서로 인접한 주 날개(220) 사이에 후술하는 다수의 보조 날개(240)의 하단이 삽입되는 다수의 제1 결합홈(217)이 형성된다.

다수의 주 날개(220)는 전단(L.E.)이 제1 허브(211)의 외주면에 인접하게 배치되고, 전단으로부터 후단(T.E.)으로 갈수록 소정 곡률로 휘어지게 형성된다.

각 주 날개(220)는 부압면(221)과, 부압면의 반대측에 위치한 압력면(223)과, 밑판(215)에 인접한 날개 아랫면(225)과, 후술하는 제2 부분(230)의 슈라우드(231)에 인접한 날개 윗면(227)을 포함한다. 이 경우, 각 주 날개(220)의 내측단을 전단(L.E.)으로 정의하고, 외측단을 후단(T.E.)으로 정의한다.

제2 부분(230)은 대략 링 형상으로 이루어진 슈라우드(231)와, 슈라우드(231)의 저면을 따라 동일한 간격을 두고 형성된 다수의 보조 날개(240)를 포함한다. 이 경우, 다수의 보조 날개(240)는 원호 형상 또는 S자 형상으로 이루어질 수 있다.

슈라우드(231)의 외경은 대략 밑판(215)의 외경과 동일하게 형성될 수 있다. 또한, 슈라유드(231)의 저면에는 다수의 보조 날개(240) 사이에 다수의 주 날개(220)가 삽입되는 다수의 제2 결합홈(233)이 마련된다. 다수의 제2 결합홈(233)에는 각각 다수의 주 날개(220)의 상단의 일부가 삽입된 수 있다.

이와 같이, 다수의 제1 결합홈(217)에 다수의 보조 날개(240)의 하단이 삽입되고, 동시에 다수의 제2 결합홈(233)에 다수의 주 날개(220)의 상단이 삽입됨에 따라, 제1 및 제2 부분(210, 230)은 상호 결합된다. 이 경우, 각 결합부분은 상호 압박 상태로 결합되거나, 별도의 접착제를 이용하여 상호 접착될 수 있다.

다수의 보조 날개(240)는 각각 부압면(241)과, 부압면의 반대측에 위치한 압력면(243)과, 날개 아랫면(245)과, 슈라우드(231)에 인접한 날개 윗면(247)을 포함한다. 이 경우, 각 보조 날개(240)의 내측단을 선단(L.E.)으로 정의하고, 외측단을 후단(T.E.)으로 정의한다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 원심형 임펠러의 주 날개 후류 유동형태가 후향익(실선으로 표시)이고 스플릿 베인 형태의 보조 날개를 구비한 예와, 원심형 임펠러의 주 날개 후류 유동형태가 전향익(점선으로 표시)인 것을 함께 도시한 도면이고, 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원심형 임펠러의 주 날개와 보조 날개를 함께 보여주는 단면도이다.

도 9를 참조하면, 원심형 임펠러 주 날개 후류 유동형태가 후향익인 것을 실선으로 표시하고, 원심형 임펠러 주 날개 후류 유동형태가 전향익인 것을 점선으로 각각 표시하였다.

이 경우, 회전방향과 반대 방향으로 휘어진 후향익에서는 파란색 실선으로 표시된 바와 같이 압력면을 제외하면 슬립에 의한 날개 사이의 넓은 후류(wake)유동이 존재한다. 한편, 주 날개 출구가 회전방향과 같은 방향으로 휘어진 전향익에서는 주황색 실선과 같이 회전방향으로 휘어지면서 부압면에서 큰 유동박리가 발생하므로 후류(wake)의 에너지손실이 후향익 출구날개보다 크다. 그러나 회전방향 출구 상대속도로 상기 수학식 2의 Cθ2 의 증가로 압력에너지증가는 상대적으로 크다.

본 발명은 후향익 날개의 높은 효율과 전향익 날개의 고압력에너지의 장점을 동시에 이용하기 위해, S 형태의 하이브리드 날개가 도 10에 함께 도시되어 있으나 전향익 날개 부압면의 큰 유동박리를 극복하기 위해 주 날개 사이에 스플릿 베인이라고 불리는 보조 날개가 설치되어 축류형 임펠러에서와 같이 채널을 두 개로 나눔에 따라 초록색 실선과 같이 주 날개 부압면에서의 슬립과 후류 유동은 감소되며 단지 보조 날개 부압면에서 작은 유동박리와 함께 후류 유동이 존재하므로 세 가지 유동형태 중 가장 바람직하다.

도 9에서 미설명 부호 U₂와 C_m2 는 각각 날개끝단 회전속도와 출구유동의 절대속도의 반경방향 성분이고, C_θ2는 출구 절대속도의 회전성분이고, C₂와 W₂는 각각 출구 절대속도벡터의 크기 및 출구 상대속도벡터의 크기이다.

도 10을 참조하면, 보조 날개를 설치하는 하이브리드 날개에서의 채널은 주 날개 부압면과 보조 날개 압력면 사이의 입구면적 Ssu(u는 상류를 나타내는 첨자), 주 날개 압력면과 보조 날개 부압면 사이의 입구면적 Spu, 그리고 각 채널 하류에서의 면적인 Ssd 과 Spd 로 구성되며, 일반적으로 날개 입구높이와 출구높이는 거의 비슷하므로 날개 하류로 가면서 반경이 커지면서 입구면적에 비해 출구면적의 증가로 인한 속도감소 및 압력 증가로 인한 유동박리가 발생하게 된다.

본 발명에서는 주 날개 부압면 채널의 입구면적 Ssu와 출구면적 Ssd가 크게 달라지지 않도록 보조 날개의 출구각은 주 날개 출구각(도 2의 β2b)과 비슷하게 유지하면서 S 형태의 변곡이 생기는 위치 근처에 보조 날개의 입구가 시작하도록 하며, 보조 날개의 입구각도는 채널 사이의 주 유선에 유동각 접선이 일치하도록 한다. 또한, 보조 날개가 2개의 주 날개 중앙에 배치되어도 채널 수직면적 중 Ssu가 Spu보다 작게 되므로 두 면적이 같도록 보조날개 전단(L.E.)을 입구 동일 반경 채널 사이로 이동시키며, Ssu와 Ssd가 비슷하도록 앞서 구한 위치의 보조 날개 전단 (L.E.)을 피봇점으로 보조 날개 후단(T.E.)을 출구 동일 반경 채널 사이로 이동하여 출구각과 채널 사이 출구위치를 정할 수 있다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원심형 임펠러의 보조 날개의 채널 사이의 위치를 회전방향으로 동일하게 배치하지 않고 랜덤하게 배치한 예를 나타낸 도면이다.

본 발명은 원심형 임펠러의 보조 날개의 채널 사이의 위치를 회전방향으로 동일하게 배치하지 않고, 도 11과 같이 랜덤하게 배치하여 보조 날개 부압면 위의 유동박리 와동(Vortex)과 채널통과 와동(Vortex)들의 위상이 상쇄되도록 하며, 이 경우 양력분포에 의한 축 수직면 추력(Thrust)과 토크밸런스(torque balance)가 이루어지도록 배치할 수 있다.

한편, 도 7에 도시된 원심형 임펠러(200)는 제1 부분(210) 및 제2 부분(230)을 상호 결합하는 형태의 임펠러로서, 제1 및 제2 부분(210,230)을 별도로 제작한다. 하지만 본 발명은 이에 제한되지 않고 단일 몸체를 이루는 임펠러를 제공할 수 있다. 구체적인 설명은 도 12 내지 도 14을 참고하여 설명한다.

도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 사류형 주 날개와 보조 날개를 구비한 임펠러를 나타내는 사시도이고, 도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 임펠러를 나타내는 평면도이고, 도 14는 도 13에 표시된 A-A선을 따라 나타낸 단면도이다.

도 12 내지 도 14를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 임펠러(300)는 단일 몸체로 사출하기 위해 원형 밑판(315)의 외경을 슈라우드(331)의 내경보다 약간 작게 형성할 수 있다.

이 경우, 원형 밑판(315)과 슈라우드(331)는 도 14와 같이 모두 유동 하류방향으로 경사지게 형성되어 있으나, 이에 제한되지 않고 회전축 방향과 수직이 되도록 수평 방향으로 형성될 수도 있다.

또한, 임펠러(300)에 구비된 다수의 주 날개(320)와 다수의 보조 날개(330)는 단일 금형으로 제작이 가능하도록 슈라우드(331)와 원형 밑판(315) 또는 허브(317)에 일체로 결합될 수 있다. 즉, 다수의 주 날개(320)는 상단이 슈라우드(331)에 연결되고 하단이 원형 밑판(315) 또는 허브(317)에 연결된다. 또한 다수의 보조 날개(330) 역시 상단이 슈라우드(331)에 연결되고 하단이 원형 밑판(315) 또는 허브(317)에 연결된다.

이 경우, 다수의 주 날개(320)와 다수의 보조 날개(330)는 원주 방향을 따라 교대로 형성될 수 있다.

한편, 도 7에 도시된 축류형 임펠러(200)는 유동이 회전축 방향으로 유입된 후 회전축 방향에 수직한 반경방향으로 압력이 상승되어 토출된다. 이와 달리 도 12에 도시된 사류형 임펠러(300)는 유동이 회전축 방향으로 유입되어 축류형과 비슷하게 회전축 방향에 대해 소정의 경사를 가지고 압력이 상승되어 토출하게 된다. 이 경우 사류형 임펠러(300)는 도 14에 도시된 유선의 유동 방향과 같은 유로가 형성될 수 있다.

본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 당해기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 해야 할 것이다.

110: 제1 부분 111: 제1 허브
115: 제1 결합돌기 117: 제1 결합홈
120: 주 날개 130: 제2 부분
131: 제2 허브 135: 제2 결합돌기
137: 제2 결합홈 140: 보조 날개

Claims (18)

1. 제1 허브와, 상기 제1 허브의 외주를 따라 동일한 간격을 두고 연장 형성된 다수의 주 날개를 구비하는 제1 부분; 및
   상기 제1 허브의 하측에 요철 결합되는 제2 허브와, 상기 제2 허브의 외주를 따라 간격을 두고 연장 형성된 다수의 보조 날개를 구비하는 제2 부분;을 포함하며,
   각 주 날개의 전단(L.E.)과 후단(T.E.) 사이의 투영 각도를 Φ₁, 다수의 보조날개의 각 전단(L.E.)과 후단(T.E.) 사이의 투영 각도를 θ₁ 라고 할 때,
   각 주 날개와 보조 날개가 겹치는 상류 각도 Φ_1u, θ_1u 및 하류 각도 Φ_1d, θ_1d 와, 각 주 날개와 보조 날개가 겹치지 않는 Φ_1m, θ_1m 으로 구성되며,
   상기 Φ₁ 및 θ₁ 는 주 날개 및 보조 날개의 반경이 각 허브부터 끝단으로 가면서 0 < θ₁ < Φ₁를 만족하도록, 상기 θ₁ 이 상기 Φ₁ 보다 작은 것을 특징으로 하는 임펠러.
2. 제1항에 있어서,
   상기 보조 날개의 θ_1u와 θ_1d 의 크기는 상기 주 날개 부압면 하류 부근의 채널이 가이드 되도록 상기 주 날개와의 겹쳐지는 각도들인 것을 특징으로 하는 임펠러.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 허브는 저면에 간격을 두고 다수의 제1 결합돌기와, 상기 다수의 결합돌기에 의해 마련되는 다수의 제1 결합홈이 형성되고,
   상기 제2 허브는 상면에 간격을 두고 다수의 제2 결합돌기와, 상기 다수의 결합돌기에 의해 마련되는 다수의 제2 결합홈이 형성되며,
   상기 다수의 제1 결합돌기는 상기 다수의 제2 결합홈에 결합되고,
   상기 다수의 제2 결합돌기는 상기 다수의 제1 결합홈에 결합되는 것을 특징으로 하는 임펠러.
4. 제3항에 있어서,
   상기 다수의 제1 결합돌기와 상기 다수의 제2 결합홈에 압박 결합되고,
   상기 다수의 제2 결합돌기는 상기 다수의 제1 결합홈에 압박 결합되는 것을 특징으로 하는 임펠러.
5. 제3항에 있어서,
   상기 다수의 제1 결합돌기는 접착제에 의해 상기 다수의 제2 결합홈에 접착 결합되고,
   상기 다수의 제2 결합돌기는 접착제에 의해 상기 다수의 제1 결합홈에 접착 결합되는 것을 특징으로 하는 임펠러.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1 허브 및 상기 제2 허브는 띠 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 임펠러
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 허브는 상호 결합 시 단일 원추 형상인 것을 특징으로 하는 임펠러.
8. 원형 밑판과, 상기 원형 밑판의 상면 중앙에 돌출 형성된 허브와, 상기 원형 밑판의 상면에 동일한 간격을 두고 상기 허브를 중심으로 원주 방향으로 형성된 다수의 주 날개를 구비하는 제1 부분; 및
   슈라우드와, 상기 슈라우드의 저면을 따라 간격을 두고 일체로 형성된 다수의 보조 날개를 구비하는 제2 부분을 포함하며,
   주 날개 부압면과 보조날개 압력면 사이의 입구면적을 Ssu 라 하고, 주 날개 압력면과 보조날개 부압면 사이의 입구면적을 Spu 라 하고, 각 채널 하류에서의 면적인 주 날개의 부압면 채널 하류면적을 Ssd라 하고, 주 날개의 압력면 채널 하류면적을 Spd라 할 때,
   각 보조 날개의 출구각은 각 주 날개 출구각과 동일하고,
   상기 보조 날개의 입구는 S 형태의 변곡이 생기는 곳에 위치하고,
   상기 보조 날개의 입구각도는 채널의 주 유선에 유동각 접선이 일치하는 각도인 것을 특징으로 하는 임펠러.
9. 제8항에 있어서,
   상기 Ssu와 상기 Spu가 동일하게 되도록 상기 보조 날개 전단(L.E.)을 입구 동일 반경 채널 사이로 위치하는 것을 특징으로 하는 임펠러.
10. 제8항에 있어서,
    상기 Ssu와 Ssd가 유사하게 유지되도록 상기 보조 날개 전단(L.E.)을 피봇점으로 하여 상기 보조 날개 후단(T.E.)을 출구 동일 반경 채널 사이로 회전 이동하여 출구각과 채널 사이 출구위치를 설정하는 것을 특징으로 하는 임펠러.
11. 제8항에 있어서,
    상기 슈라우드는 띠 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 임펠러.
12. 제8항에 있어서,
    상기 밑판은 상면에 상기 다수의 보조 날개의 하단이 삽입되는 다수의 제1 결합홈이 형성되고,
    상기 슈라우드는 저면에 상기 다수의 주 날개의 상단이 삽입되는 다수의 제2 결합홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 임펠러.
13. 제12항에 있어서,
    상기 다수의 보조 날개의 하단은 상기 다수의 제1 결합홈에 압박 결합되고,
    상기 다수의 주 날개의 하단은 상기 다수의 제2 결합홈에 압박 결합되는 것을 특징으로 하는 임펠러.
14. 제12항에 있어서,
    상기 다수의 보조 날개의 하단은 접착제에 의해 상기 다수의 제1 결합홈에 접착 결합되고,
    상기 다수의 주 날개의 하단은 접착제에 의해 상기 다수의 제2 결합홈에 접착 결합되는 것을 특징으로 하는 임펠러.
15. 제1항 또는 제8항에 있어서,
    각 주 날개 사이에 1개씩 배치된 다수의 보조 날개는 임펠러의 회전 방향을 따라 서로 상이한 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 임펠러.
16. 제8항에 있어서,
    상기 원형 밑판과 상기 슈라우드는 유동 하류방향으로 경사지거나 수평 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 임펠러.
17. 제16항에 있어서,
    상기 원형 밑판의 외경이 상기 슈라우드의 내경보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 임펠러.
18. 제16항에 있어서,
    상기 다수의 주 날개와 상기 다수의 보조 날개는 상기 원형 밑판과 상기 슈라우드에 일체로 결합된 것을 특징으로 하는 임펠러.
    

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