KR20180087306A - 축류 팬 날개 사이의 각도 간격을 계산하는 프로세스 - Google Patents

Abstract

허브(2)와 허브로부터 연장하는 다수(z)의 날개(3)를 포함하는 축류 팬(1)의 각도 간격을 계산하는 프로세스가 기재되어 있으며, 다양한 날개의 각도 위치는

로 표시되고

라고 가정하며, 다양한 날개 사이의 각도 차이는

,

,

로 표시되며, 상기 프로세스는 각각이 각도 간격이 만족해야 하는 제약의 표현인 복수의 수학적 문제를 포함하는 계산 시스템을 설정하는 단계를 포함하고, 계산 시스템은, 팬(1)이 정적으로 균형잡힐 것을 요구하는 제1 수학적 문제와, 이웃하는 날개(3)들이 중첩되지 않을 것을 요구하는 제2 수학적 문제, 그리고 모든 각도 차(

)가 서로 다를 것을 요구하는 제3 수학적 문제를 포함한다.

Description

축류 팬 날개 사이의 각도 간격을 계산하는 프로세스

본 발명은 각도 간격(angular spacing)을 계산하는 프로세스, 특히 축 방향 유동 팬 또는 축류 팬 날개들 사이의 각도 간격을 계산하는 프로세스 또는 이를 설계하는 방법에 관한 것이다.

여기서 축류 팬은 자동차 분야용으로, 특히 적절한 열 교환기, 예를 들어 라디에이터와 일반적으로 결합되는 엔진 냉각 시스템용으로 설계되는 팬이다.

이러한 유형의 팬은, 고효율, 특히 축 방향으로 작은 크기, 양호한 헤드(압력)와 유속 값에 도달할 수 있는 능력 및 저 소음을 포함하는 몇 가지 요건을 만족해야 한다.

축류 팬의 날개들 사이의 각도 간격에 대한 기술은 시간이 지남에 따라 발전되어 왔다.

사실상, 팬의 실시예는 이론적으로는 무한한 해결책을 갖지만, 이는 복잡한 식들의 시스템에 적절한 제한 조건을 도입함으로써 감소된다. 예를 들어, 항상 준수해야 하는 하나의 제한 조건은 팬이 균형잡히는 것이다.

본 발명과 동일한 출원인의 특허 EP0553598B호는 동일한 각도로 이격되는 날개를 구비하는 팬을 도시한다.

이 특허에 따라 제조되는 팬은 양호한 효율 및 저소음 수준 값을 제공하지만, 소음의 음 분포(sound distribution)가 인간의 청각에 방해될 수 있다.

실제로, 등거리 각도로 이격된 날개를 사용하면, 주파수가 날개 통과 주파수(blade passage frequency)의 전체 배수에 대응하는 일련의 고조파와 함께 공진 현상이 발생한다. 이 주파수는 팬의 초당 회전 수와 날개 수를 곱한 것에 대응한다. 이러한 공진 현상은 인간의 청각에 성가실 수 있는 히싱 잡음을 유발한다.

소음에 의해 유발되는 불편감은 주관적인 문제지만, 음 분포에 영향을 미치는 요인이 실질적으로 두 가지 있다. 이는, 음압 수준, 즉 소음의 세기와 소음의 톤 분포(tonal distribution)이다. 따라서, 세기가 약한 소음이라도, 소음의 톤 분포가 이 소음을 배경 소음으로부터 구분시킨다면, 성가실 수 있다. 예를 들어, 톤이 (광대역) 소음의 기본 수준보다 적어도 6dB 클 경우, 성가시게 느껴질 수 있다.

이러한 단점을 극복하기 위해, 팬은 공압적 단절(aeraulic discontinuity)의 존재에 의해 결정되는 톤이 공기의 유동에 영향을 주는 것을 방지하기 위해, 부등각으로 이격되는 날개들을 갖는 팬이 제안된다. 이러한 팬의 일 예시가 동일한 출원인에 의한 특허 EP0945625호에 기재되어 있다.

다양한 주파수(전체 소음)에서의 음 세기 값의 적분을 계산함으로써, 등각으로 이격되는 날개에 의한 노이즈와 대략적으로 동일한, 부등각으로 이격되는 날개에 의한 소음이 생성된다. 하지만, 소음의 톤 분포는 달라서, 음향 쾌적성이 향상된다.

날개를 오프셋하는 논리는, 음 방출 스펙트럼에 기초하여 감지된 소음을 개선하는 데에 더욱 초점이 맞춰진, 대응하는 제한 조건으로 해석되는 정교한 논리로 발전되어 왔다.

하지만, 스펙트럼에 보이지 않으면서 불쾌감을 유발하는, 감지된 소음의 유형도 존재한다.

그 반대로, 수용 가능한 또는 양호한 스펙트럼을 가졌음에도 불구하고, 사용 중에 불쾌감을 전달하는 팬의 경우도 있다.

이와 관련하여, 본 발명의 주된 목적은 전술한 단점들을 극복하는 각도 간격을 계산하는 프로세스를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은, 회전 시 발생되는 소음을 최대한 쾌적하게 만드는 방식으로, 소음 측면, 특히 감지되는 소음 측면에서 개선점을 갖는 유형의 팬의 구현예로 전환되는 축류 팬에서, 각도 간격을 계산하는 프로세스를 제공하는 것이다.

기재된 기술적 목적 및 특정된 목적들은 실질적으로 청구항 제1항에 따른 계산 프로세스에 의해 달성된다.

본 발명의 추가적인 특징 및 이점은, 첨부된 도면에 도시된 유형의 축류 팬의 날개 사이의 각도 간격을 계산하는 프로세스에 대한, 바람직하고 비-제한적인 실시예를 참고하여, 이하의 상세한 설명으로부터 보다 명확해진다.

도 1은 본 발명에 따른 프로세스로 계산되는 축류 팬의 개략적인 평면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 프로세스로 계산되는 축류 팬의 제2 실시예의 개략적인 평면도이다.

첨부된 도면을 참조하면, 도면부호 1은 축류 팬을 나타내며, 본 발명에 따른 프로세스를 설명하기 위해 사용되는 용어들의 간단한 정의가 아래에 제공된다.

날개 이격 각도(

)는 각 날개의 대응 지점, 예를 들어 날개 단부의 에지를 지나는 반지름 사이의 각도를 회전 중심에서 측정한 각도이다. 각각의 이격 각도(

)는 각 위치에 대응한다. 편의상,

이다.

도 1에 예시로서 도시되어 있는 팬(1)은 허브(2)를 포함하며, 허브(2)로부터 5개의 날개(3)가 연장한다. 반면, 도 2의 팬은 11개의 날개를 포함한다. 이하에서, 팬(1)의 날개(3) 수는 "z"로서 표시된다.

각각의 날개(3)는 근부(4) 및 정점(apex) 또는 단부(5)를 구비하고, 일련의 공기 역학적 프로파일에 의해 형성되며, 이론적으로는 날개의 각각의 반경 방향 단면에 대해 하나의 공기 역학적 프로파일이 제공되어, 근부(4)로부터 시작하여 단부(5)에서 점진적으로 결합된다.

다양한 날개 사이의 각도 차이는 아래와 같이 표시된다.

,

,

각도 간격을 계산하는 프로세스는, 각각이 각도 간격이 충족해야 하는 제약 또는 조건의 표현인, 복수의 수학 문제를 포함하는 시스템을 설정하는 단계를 포함한다.

바람직한 일 실시예에서, 시스템은 팬(1)이 정적으로 균형잡힐 것 (statically balanced)을 요구하는 제1 수학적 문제를 포함한다.

도 1의 예시에서 5개의 날개를 갖는 팬(1)의 경우,

임을 고려하면, 다음과 같아진다.

문제의 미지수로 대체하면, 각도 차이는 다음의 3개의 방정식을 준다.

즉, 5개의 미지수와 2개의 자유도를 갖는 3개의 방정식의 시스템이 주어진다. 일반적으로, z개의 날개를 갖는 팬의 경우, z개의 미지수를 갖는 3개의 방정식의 균형 조건으로부터 시스템이 획득된다. 즉, z-3자유도를 갖는 시스템이 획득된다.

각 위치를 계산함으로써 시스템의 솔루션이 획득된다.

계산 과정에서, 시스템 설정은, 이웃하는 날개가 중첩되지 않을 것을 요구하는 제2 수학적 문제를 포함한다.

날개(3)가 중첩하지 않도록 하는, 허브(2) 에 대한 날개(3)의 "각도 연장"을 고려하는 각도(

)를 도입하면,

일 필요가 있다.

5개의 날개(3)를 갖는 팬(1)의 예시의 경우, 아래와 같이 쓸 수 있다.

이러한 조건은, 날개(3)가 중첩하지 않음으로써 몰드의 개방을 허용하기 때문에(그렇지 않으면 문제가 됨), 팬을 플라스틱 재료로 성형할 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 계산 프로세스에서, 계산 시스템은 날개(3) 사이의 각도 차이(

)가 모두 서로 다를 것을 요구하는 제3 수학적 문제를 포함한다.

이렇게 함으로써, 사용 시, 여러 쌍의 날개가 동일한 각도로 이격됨으로써 발생되는 효과가 상쇄(annulled)된다.

이 경우, 저 주파수에서 동일한 고조파 성분, 즉 동일한 고조파 성분을 갖는 음압 파형을 생성하는 2개의 시스템이 존재할 것이다. 본 출원인은 이러한 상황들이 "래틀 소음(rattle noise)"을 일으키는 것을 관찰하였으며, 이는 불쾌감을 유발하는 스펙트럼에는 보이지 않지만, 날개 간 각도 차이를 모두 다르게 부과함(impose)으로써 제거되는 소음의 예시이다.

바람직한 일 실시예에서, 날개의 쌍이 동일한 각도 차이를 갖지 않도록 하기 위해, 다음의 조건이 특정된다.

,

일 실시예에서, 예를 들어

이다.

5개의 날개(3)를 갖는 팬(1)의 예시의 경우,

임을 고려하면, 다음과 같이 쓸 수 있다.

본 발명에 따른 계산 프로세스에서, 계산 시스템은 180˚로 오프셋되는 날개가 존재하지 않을 것을 요구하는 제4 수학적 문제를 포함한다. 즉,

유리하게는, 이 조건은 팬(1)이 설치되는 적용예가 대칭이라는 이유로, 동일한 소음이 동시 생성되는 것을 방지한다. 즉, 2개의 날개가 동일한 소음을 동시에 생성하지 않도록 하기 위해서는, 동일한 형상을 갖는 공기 나사산(threads air)에 마주치는 대각선상 정반대의 날개가 없어야 한다.

따라서, 본 발명에 따른 프로세스는 전술된 조건을 모두 체크하고, 발견된 각각의 솔루션에 대해, 다음과 같이 정의되는 타깃 함수

를 평가한다.

일반적으로, 타깃 함수는 다음과 같이 표현될 수 있다.

계산 프로세스는, 각도 차이가 가능한 한 서로 다르도록 하기 위해, 전술된 타깃 함수를 최대화하는 것을 포함한다.

바람직한 일 실시예에서, 일단 각도 차이(ε)가 계산되면, 계산된 각도에 따라 오프셋되는 날개의 기하학적 구조가, 모든 날개(3)에 대해 동일하게 공지된 방식으로 결정된다.

실제로, 예를 들어 도 1에 도시된 팬(1)에는 계산된 각도만큼 서로 오프셋되는 날개(3)(vane)가 제공된다.

도 2에 도시되어 있는 또 다른 바람직한 실시예에서, 날개(3)는 각각 서로 다른 소위 "에지 보우(edge bow)"를 갖도록 생성된다.

실제로, 날개(3)는 날개마다 차별화되고 서로 동일하지 않은 에지 보우를 갖도록 생성된다.

바람직하게는, 날개(3)는, 허브(2)에서, 즉 근부(4)에서는 등 간격으로 이격되는 프로파일, 즉 서로에 대해 모두 동일한 각도로 분리되는 프로파일이지만, 정점(5)에서는 계산된 대로의 각도(ε)로 이격되는 프로파일을 갖도록 생성된다.

실제로, 이 경우, 에지 보우 각도, 즉 정점 프로파일이 허브 또는 근부에 대해 얼마나 회전되었는지를 식별하는 스윕 각도(sweep angle)를 이미 갖는, 실질적으로 공지된 방식으로 생성된 날개 기하학 구조로부터 시작한다.

전술된 바와 같이 계산되는 각도(ε)는 초기 에지 보우에 더해지고, 이로 인해 각각의 날개는 서로 다른 에지 보우를 갖게 된다.

설명된 본 발명은 중요한 이점을 제공한다.

축류 팬의 실시예는 이론적으로는 무한의 해결책을 가지지만, 이는 더 많은 제약에 의해 감소되고, 문제의 변수의 수를 줄이게 할 수 있다.

복수의 문제에 기초하는 제시된 계산 시스템은, 문제의 관점에서 특정되는 조건을 만족하는 하나 이상의 개체(수, 함수, 기하학적 수치, 집합 등)의 결정 또는 제한을 요구하는 문제의 측면에서, 계산 프로세스의 자유도를 감소시킬 수 있다.

제시된 설계 방법은 소위 "래틀 소음"을 상당히 감소시킬 수 있고, 일반적으로 감지되는 소음의 측면에서 팬의 성능을 향상시킨다.

Claims (7)

1. 축류 팬(1)의 각도 간격을 계산하는 프로세스로, 축류 팬(1)은 허브(2)와 상기 허브(2)로부터 연장하는 다수(z)의 날개(3)를 포함하고, 각각의 날개(3)는 근부(4)와 정점(5)을 구비하되, 각각의 날개는 근부(4)로부터 시작하여 단부(5)까지 점진적으로 결합되는 복수의 공기 역학적 프로파일에 의해 형성되며,
   다양한 날개의 각도 위치는

   

   

   로서 표시되고,
   다양한 날개들 사이의 각도 차이는

   

   

   

   로서 표시되며,
   상기 프로세스는, 각각이 각도 간격이 만족해야 하는 제한의 표현인, 복수의 수학적 문제를 포함하는 계산 시스템을 설정하는 단계를 포함하고, 계산 시스템은,
   팬이 정적으로 균형잡힐 것을 요구하는 제1 수학적 문제,
   이웃하는 날개들이 중첩되지 않을 것을 요구하는 제2 수학적 문제를 포함하는 축류 팬 각도 간격 계산 프로세스에 있어서,
   계산 시스템은 모든 각도 차이(

   

   )가 서로 다를 것을 요구하는 제3 수학적 문제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 축류 팬 각도 간격 계산 프로세스.
2. 제1항에 있어서,
   제3 수학적 문제는

   

   

   

   ,

   

   의 유형인 것을 특징으로 하는, 축류 팬 각도 간격 계산 프로세스.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   계산 시스템은 180˚만큼 오프셋되는 날개들이 없을 것, 즉

   

   

   ,

   

   ,

   

   일 것을 요구하는 제4 수학적 문제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 축류 팬 각도 간격 계산 프로세스.
4. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
   계산 시스템의 각각의 솔루션에 대해

   

   유형의 타깃 함수를 계산하는 단계와, 가능한 한 서로 다른 각도 차이(

   

   ,

   

   ,

   

   )를 갖도록 타깃 함수를 최대화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 축류 팬 각도 간격 계산 프로세스.
5. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
   모든 날개(3)에 대해 동일한 날개 기하학 구조를 생성하는 단계와, 각도 차이(

   

   )에 따라 날개(3)를 오프셋시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 축류 팬 각도 간격 계산 프로세스.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   허브(2), 즉 근부(4)에서의 프로파일은 균등하게 이격되고, 정점(5)에서의 프로파일은 각도 차이(

   

   )에 따라 이격되는 날개 기하학 구조를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 축류 팬 각도 간격 계산 프로세스.
7. 제6항에 있어서,
   날개의 기하학 구조를 생성하는 단계는, 정점(5)에서의 프로파일이 근부(4)에서의 프로파일에 대해 얼마나 회전되는지를 식별하는 에지 보우 각도를 구비하는 에지-보우 날개 기하학 구조를 생성하는 단계와, 날개(3)들이 서로 다른 에지 보우를 구비하는 각도 차이(

   

   )를 에지-보우 각도에 더하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 축류 팬 각도 간격 계산 프로세스.

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