KR20240007295A - 보조 축류 팬을 포함하는 로터 및 축류 벤틸레이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산업용 대구경 축류 벤틸레이터(22)용 로터(20)에 관한 것이다. 본 발명에 따른 로터는 허브(24)와 n개의 블레이드(26)를 포함하며, 각 로터 블레이드는 허브에 대한 구조적 연결을 위한 루트 부분(28)과 공기역학적 부분(30)을 포함하고; 본 발명에 따른 로터는 축 방향으로 볼 때 로터 블레이드의 공기역학적 부분의 n개의 반경 방향 내부 단부에 의해 정의된 영역 P 내에 실질적으로 포함되는 n개의 반경 방향으로 연장되는 베인(34)을 포함하는 동축의 보조 축류 팬(32)을 더 포함한다. 본 발명은 또한 그러한 로터를 포함하는 산업용 대구경 축류 벤틸레이터(22)에 관한 것이다.

Description

보조 축류 팬을 포함하는 로터 및 축류 벤틸레이터

본 발명은 축류 벤틸레이터에 관한 것으로 특히 산업용으로 사용하기 위한 대구경 축류 벤틸레이터 분야에 관한 것이다.

산업 부문에서는 상당히 많은 양의 열을 소산해야 하는 설비의 특수 복사 표면 주위에 적절한 공기 흐름을 보장하기 위해 축루 벤틸레이터가 사용되는 것으로 알려져 있다.

예를 들어 산업용 축류 벤틸레이터는 복수의 블레이드가 장착되는 중앙 허브를 포함한다. 허브는 블레이드가 주위를 회전하는 축을 정의한다. 각 블레이드는 일반적으로 루트 부분과 공기역학적 부분, 즉 익형에 따라 형성된 부분으로 구성된다. 루트 부분은 블레이드를 허브에 구속하는 순전히 구조적인 기능을 하는 반면, 공기역학적 부분은 공기와 상호 작용하는 기능을 한다. 당업자가 잘 이해할 수 있듯이, 접선 속도는 블레이드 섹션마다 다르다. 실제로 각 블레이드 섹션의 접선 속도는 각속도(모든 섹션에서 동일함)와 회전축에 대한 반경 거리(회전축에서 멀어질수록 증가함)의 곱이다.

이러한 이유로, 당업자가 알고 있는 바와 같이, 축류 벤틸레이터 블레이드는 이들의 전체 반경방향 구멍에 걸쳐 동일한 효과를 발휘하는 방식으로 작동하지 않는다. 블레이드의 반경 방향 가장 안쪽 부분의 접선 속도는 종종 기류에 대해 효과적인 상대 운동을 달성하기에는 너무 낮은 것으로 여겨진다. 따라서 벤틸레이터의 실제 작동은 축류 벤틸레이터에 의해 생성되는 거의 전체 기류를 보장하는 반경 방향 외부 섹션에 주로 의존한다.

단일 블레이드에 부딪히는 유동 라인은 이론적으로 중심이 회전축과 일치하는 원주 호이다. 그러나 이러한 이론적인 유동 라인 추세는 실제로 블레이드의 중앙 부분에만 반영된다. 대조적으로, 블레이드의 반경 방향 내부 및 반경 방향 외부 끝에서 유동 라인은 아래에 간략하게 설명되는 소위 엔드 효과(end effect)에 의해 변경된다.

블레이드의 중간 부분을 따라 고압 공기 영역과 저압 공기 영역은 블레이드 자체의 존재에 의해 물리적으로 서로 분리된다. 블레이드의 단부들에서, 이러한 분리가 더 이상 존재하지 않으므로 기류가 자발적으로 생성되어 고압 영역에서 저압 영역으로 이동하는 경향이 있다. 이로 인해 벤틸레이터의 효율성을 상당히 제한하는 단부 와류(end vortices)가 생성된다. 더욱이, 주변 공기를 빨아들이는 단부 와류는 유동 라인에 변화를 가져온다. 이러한 변경은 외부 단부와 내부 단부 모두로부터 블레이드의 중앙 부분을 향해 확장되어, 블레이드의 전체 반경 방향 연장부의 상당 부분에 영향을 미친다. 이러한 이유로, 알려진 많은 축류 벤틸레이터에서 블레이드의 많은 부분은 이론적인 유동 라인으로 표시되는 최적의 작동점에서 벗어나 작동한다.

엔드 효과의 문제는, 위에서 언급한 바와 같이 반경 방향 외부 단부가 블레이드의 전체 공기역학적 작업에 가장 많이 기여하는 블레이드 영역에 인접하기 때문에 반경 방향 외부 단부에 대해 종종 해결되었다.

외부 단부에서 와류의 영향을 상쇄하기 위해 제안된 초기 솔루션은 벤틸레이터를 삽관하여, 벤틸레이터 자체의 외경보다 약간 큰 직경을 갖는 튜브 내에 가두는 것이었다. 이러한 튜브를 이하에서는 덕트(duct)로 지칭한다.

덕트를 추가하면, 외부 단부에서의 와류 크기가 상당히 줄어들고, 그 결과 이러한 와류에 의해 이동하는 공기의 양이 감소되어 유도되는 저항이 감소한다. 그러나 블레이드의 외부 단부와 덕트의 내경 사이의 거리를 없애는 것은 불가능할 뿐만 아니라, 그 거리를 일정 한도 이상으로 줄이는 것도 불가능하다.

항공학에서 차용한 또 다른 해결책은 각 블레이드의 외부 단부에 윙릿(winglet)으로 불리는 보조 표면(accessory surface)을 제공하는 것이다. 윙릿의 주요 기능은 공기의 움직임을 방해하는 벽을 형성하여 단부 와류의 형성을 방해하는 것이다. 또한 채택된 형상에 따라, 윙릿은 잔류 단부 와류에 영향을 주어 이를 최적화하여 소음 형성을 제한할 수도 있다.

동일한 출원인에 의한 국제 특허 출원 WO 2020/245674호에 다른 해결책이 설명되어 있다. 이하에서는 간단히 "환형 시트(annular seat)"라고 하는 이러한 솔루션을 아래에 간략하게 설명한다. 더 자세한 설명을 위해 동일한 공개 WO 2020/245674호를 참조하기 바란다. 이러한 해결책에 따르면, 환형 시트가 덕트의 내벽에 제공되며, 이는 벤틸레이터 로터 주위로 원주 방향으로 연장되고, 외부 블레이드 단부들을 부분적으로 수용한다. 특히 환형 시트는 축 방향으로 개방되어 있으며 각 블레이드 단부에 장착된 윙릿으로 정의된 축방향 배플이 그 내부에서 연장한다. 이 특별한 구성은 블레이드 외부 단부 주변의 공기 움직임을 효과적으로 방해하는 일종의 미로를 정의한다. 따라서 환형 시트는 전반적인 벤틸레이터 효율성 측면에서 상당한 이점을 시사한다.

블레이드의 반경 방향 내부 단부와 관련하여, 공기 재순환을 물리적으로 방해하는 장애물을 개입시키기 위한 시도로 허브 영역에 배치하기 위한 평평한 디스크의 사용이 제안되었다.

특허 문헌 WO 2014/117288호는 보조 원심 팬을 포함하는 축류 벤틸레이터용 로터를 개시한다. 보조 원심 팬은 로터 중앙에 동축으로 장착된다. 이러한 솔루션에서 보조 원심 팬은 엔드 효과로 인한 재순환을 방해할 목적으로 로터 블레이드의 반경 방향 내부 단부에 충돌하는 반경 방향 바깥쪽으로 향하는 기류를 생성한다.

널리 인식되고 있지만, 위에서 설명된 공지된 해결책에 단점이 없는 것은 아니다. 실제로, 블레이드의 반경 방향 외부 단부에서 와류 문제를 해결하기 위해 위에 설명된 다양한 해결책과 비교할 때, 현재까지 반경 방향 내부 단부에서의 와류를 해결하기 위해 알려진 제안은 없다. 아마도 블레이드의 반경 방향 내부 영역의 낮은 공기역학적 기여로 인해 설계자는 항상 이 영역에 개입하면 벤틸레이터의 전반적인 동작에 대해 주목할 만한 결과를 얻을 수 없다고 생각하게 되었다.

또한 실험 캠페인에서는 허브 영역에 평탄형 디스크를 추가해도 벤틸레이터 효율성 측면에서 실질적인 이점이 없음을 보여주었다.

따라서 와류 측면에서 로터의 반경 방향 내부 영역의 거동이 개선되는 산업용 축류 벤틸레이터에 대한 필요성이 느껴진다.

그러므로 본 발명의 목적은 종래 기술과 관련하여 위에서 강조된 단점을 극복하는 것이다.

특히, 본 발명의 과제는 효율이 향상된 축류 벤틸레이터를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 공지된 유형의 벤틸레이터에 비해 동일한 속도에서 더 높은 압력을 발생시킬 수 있는 축류 벤틸레이터를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 공지된 유형의 벤틸레이터에 비해 단부 와류의 형성을 더 제한하는 축류 벤틸레이터를 제공하는 것이다.

다시 말하면, 본 발명의 과제는 이론에 의해 예측된 것과 가능한 한 유사하게 유동 라인을 만들어 유동 라인을 규칙화할 수 있는 축류 벤틸레이터를 제공하는 것이다.

마지막으로, 본 발명의 과제는 추가 이점을 제공할 뿐만 아니라 공지된 유형의 벤틸레이터에 의해 이미 달성된 이점들을 유지하는 덕트형 축류 벤틸레이터를 제공하는 것이다.

본 발명의 이러한 목적 및 기타 목적은 청구항 1에 따른 로터와 청구항 10에 따른 벤틸레이터에 의해 달성된다. 추가 특징들은 종속항에 기재되어 있다. 첨부된 모든 청구항들은 본 설명의 통합된 부분을 구성한다.

제1 측면에 따르면, 본 발명은 산업용 대구경 축류 벤틸레이터용 로터에 관한 것이다. 로터는 허브와 n개의 블레이드를 포함하여 구성되며, 각 로터 블레이드는 허브에 구조적으로 연결하기 위한 루트 부분(root portion)과 공기역학적 부분(aerodynamic portion)을 포함한다. 로터는 반경 방향으로 연장되는 n개의 베인을 포함하며, 축 방향으로 볼 때 실질적으로 로터의 블레이드의 공기역학적 부분의 n개의 반경 방향 내부 단부들에 의해 정의되는 영역 P 내에 포함되는 보조 축류 팬(accessory axial fan)을 포함한다.

보조 축류 팬이 있으면 로터의 반경 방향 내부 영역에서 속도와 압력 범위가 안정화되어 로터가 더 잘 작동하여 벤틸레이터의 전반적인 효율성이 향상된다.

바람직하게는, 축 방향에서 볼 때, 보조 축류 팬(32)은 영역 P 내에 내접된다. 이러한 특징은 보조 축류 팬과 메인 로터 사이에 간섭을 일으키지 않으면서 영역 P의 연장부를 가장 잘 활용할 수 있게 해준다.

일부 실시형태에서, 보조 축류 팬은 n개의 베인이 반경 방향으로 돌출하는 중앙 부분을 포함한다. 다른 실시형태에서, n개의 베인을 로터 허브에 직접 부착함으로써 보조 축류 팬이 획득된다.

일부 실시형태에서, 보조 축류 팬은 단일의 모놀리식 피스로 만들어진다. 일부 실시형태에서, 보조 축류 팬의 베인들은 허브에 대한 구조적 연결을 위한 루트 부분과 공기역학적 부분을 포함한다.

보조 축류 팬과 각각의 베인의 이러한 다양한 실시형태는 보조 축류 팬이 다양한 요구 사항에 최적으로 적응될 수 있게 한다.

바람직하게는, 보조 축류 팬의 베인의 반경 방향 연장부는 보조 축류 팬 반경의 60% 내지 75% 사이에 포함되며, 더욱 바람직하게는 보조 축류 팬 반경의 65% 내지 70% 사이에 포함된다.

바람직하게는, 보조 축류 팬의 베인의 축 방향 연장부는 보조 축류 팬 직경의 20% 이내, 더욱 바람직하게는 보조 축류 팬 직경의 5% 내지 15% 사이에 포함된다.

바람직하게는, 각각의 보조 축류 팬 베인의 두께는 베인의 전체 연장부에 걸쳐 실질적으로 균일하다. 바람직하게는, 보조 축류 팬의 베인의 두께는 보조 축류 팬의 베인의 축 방향 연장부의 10% 내지 20%에 포함된다.

수행된 실험에 따르면, 이러한 보조 축류 팬 비율은 로터의 전반적인 효율을 높이는 측면에서 특히 긍정적인 결과를 달성한다.

로터의 일부 실시형태에서, 적어도 하나의 블레이드는 반경 방향 외부 단부에 윙릿을 포함하고, 윙릿은 축 방향과 원주 방향으로 연장되는 배플을 포함한다.

제2 측면에 따르면, 본 발명은 상기에 따른 로터 및 모터를 포함하는 산업용 벤틸레이터에 관한 것이다.

일부 실시형태에서, 벤틸레이터는 또한 로터를 둘러싸는 덕트를 포함한다. 바람직하게는, 덕트는 로터 주위에 원주 방향으로 연장되고 로터 블레이드의 외부 단부들을 부분적으로 수용하는 환형 시트를 포함한다. 바람직하게는, 환형 시트는 축 방향으로 적어도 부분적으로 연장되고, 블레이드 윙릿에 의해 정의된 배플을 부분적으로 수용한다.

이러한 벤틸레이터 구성은 보조 축류 팬에 의해 반경 방향 내부 로터 영역과 배플을 수용하는 환형 시트에 의해 반경 방향 외부 로터 영역 모두에서 속도 및 압력 범위를 안정화한다. 이에 의해, 벤틸레이터가 최상의 성능을 발휘하여 전반적인 효율성을 높인다.

본 발명의 추가 특징 및 이점들이 첨부 도면의 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.

이하에서 비제한적인 예로서 제공되고 첨부 도면들에 예시된 특정 실시 예들을 참조하여 본 발명을 설명한다. 이들 도면은 본 발명의 다양한 측면과 실시형태를 예시하며, 다른 도면의 구조, 구성요소, 재료 및/또는 유사한 요소를 나타내는 참조 번호는 적절한 경우 유사한 참조 번호로 표시된다. 또한, 예시의 명확성을 위해 특정 참조 번호는 모든 도면에서 반복되지 않을 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 산업용 축류 벤틸레이터의 입체도이다.
도 2는 도 1의 II-II선을 따른 단면의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 산업용 축류 벤틸레이터의 입체도이다.
도 4는 도 3의 IV-IV 선을 따라 절단한 단면의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 3 블레이드 벤틸레이터 로터의 입체도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 3 블레이드 벤틸레이터 로터의 입체도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 4 블레이드 벤틸레이터 로터의 입체도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따라 로터에 사용하도록 고안된 3 베인 보조 축류 팬의 평면도이다.
도 9는 도 8의 보조 축류 팬의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따라 로터에 사용하도록 고안된 4 베인 보조 축류 팬의 평면도이다.
도 11은 도 10의 보조 축류 팬의 사시도이다.
도 12는 도 5의 것과 유사한 로터의 중앙 부분의 평면도이다.
도 13은 도 7의 로터와 유사한 보조 축류 팬과 허브로 구성된 조립체의 분해 사시도이다.
도 14는 도 13의 조립체의 평면도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시형태에 따른 5 블레이드 벤틸레이터 로터의 평면도이다.
도 16은 도 15의 XVI로 표시된 부분의 확대도이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 5 블레이드 벤틸레이터 로터의 평면도이다.
도 18은 도 17의 XVIII으로 표시된 부분의 확대도이다.
도 19는 본 발명의 일 실시형태에 따라 로터에 사용하도록 고안된 4 베인 보조 축류 팬의 입체도이다.
도 20은 본 발명의 일 실시형태에 따라 로터에 사용하도록 고안된 또 다른 4 베인 보조 축류 팬의 입체도이다.
도 21은 도 7의 것과 유사한 로터의 중앙 부분의 평면도이다.
도 22a 및 도 22b는 각각 하나의 로터 블레이드에 하나만이 장착된 본 발명의 일 실시형태에 따른 보조 축류 팬 베인의 일 실시형태에 대한 평면도이다.
도 23은 이론적이고 실제적인 유동 라인이 개략적으로 강조되어 있는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 로터의 중앙 세부 평면도이다.
도 24는 종래 기술에 따른 벤틸레이터 및 본 발명에 따른 벤틸레이터의 특성 곡선이 개략적으로 도시된 유속-압력 평면에 대한 다이어그램을 도시한다.
도 25는 종래 기술에 따른 2개의 벤틸레이터 및 본 발명에 따른 2개의 벤틸레이터의 특성 곡선이 개략적으로 도시되어 있는 유속-효율 평면의 다이어그램을 도시한다.

본 발명은 다양한 수정 및 대체 구성이 가능하지만, 특정한 바람직한 실시형태가 도면에 도시되어 있으며 이하에서 상세히 설명된다. 어떤 경우에도 본 발명을 예시된 특정 실시형태로 제한하려는 의도가 없으며, 반대로 본 발명은 청구항들에 정의된 본 발명의 범위 내에 속하는 모든 수정, 대안 및 등가 구성을 포괄한다는 점을 이해해야 한다.

발명의 설명에서는 본 발명의 독특한 기술적 측면과 특징을 자세히 다루고, 공지되어 있는 측면과 기술적 특징은 그 자체만 언급할 수 있다. 이러한 측면에서, 종래 기술을 참조하여 위에서 언급한 내용은 유효하다.

"예를 들어", "등", "또는"의 사용은 달리 명시되지 않는 한 제한 없이 비배타적 대안을 의미한다. "포함하다" 및 "포함하는"의 사용은 달리 표시되지 않는 한 "포함하거나 포함하지만 이에 국한되지 않음"을 의미한다.

본 발명의 축류 벤틸레이터는 "축 방향(axial)", "반경 방향(radial)", "원주 방향(circumferential)" 및 "접선 방향(tangential)"이라는 용어가 명확하게 정의되는 회전 축을 정의한다. 또한, 본 발명의 축류 벤틸레이터는 "하류", "이후" 등의 용어와 반대로 "상류", "이전" 등의 용어가 고유하게 정의되는 기류(airflow)를 생성하도록 구성된다.

본 발명의 측면은 공지된 대형 벤틸레이터의 로터에 장착되도록 의도된 소형 보조 축류 팬에 관한 것이다. 모호함을 피하기 위해, 본 발명의 팬은 이하에서 팬으로 칭하고, 공지된 대형 벤틸레이터는 이하에서 벤틸레이터로 칭하기로 한다.

제1 측면에 따르면, 본 발명은 산업용으로 사용되는 대구경 축류 벤틸레이터(22)용 로터(20)에 관한 것이다. 본 발명에 따른 로터(20)는 허브(24) 및 n개의 블레이드(26)를 포함하며, 로터(20)의 각 블레이드(26)는 허브(24)에 대한 구조적 연결을 위한 루트 부분(28) 및 공기역학적 부분(30)을 포함하고; 본 발명에 따른 로터(20)는 축 방향으로 볼 때 로터(20)의 블레이드(26)의 공기역학적 부분(30)의 n개의 반경 방향 내부 단부들에 의해 정의되는 영역 P 내에 실질적으로 포함되는 반경 방향으로 연장되는 n개의 베인(34)을 포함하는 동축 보조 축류 팬(32)을 더 포함한다.

첨부된 도면들의 실시형태에 따르면, 축 방향 또는 평면도에서 블레이드(26)의 공기역학적 부분(30)의 반경 방향 내부 단부는 직선이고 접선 방향으로 배향된다. 이러한 이유로, 이러한 실시형태에서, 공기역학적 부분(30)의 n개의 반경 방향 내측 단부에 의해 정의되는 영역 P는 n개의 변을 갖는 다각형 영역이고, 여기서 각 변은 현 C, 그 일부 또는 그 연장선에 의해 정의된다. 따라서, 이러한 실시형태에서, 영역 P는 n개의 변을 갖는 정다각형의 형태를 취한다. 이와 관련하여 도 12, 도 15 내지 도 18 및 도 21을 참조하기 바란다. 블레이드(26)의 공기역학적 부분(30)의 반경 방향 내부 단부들이 다른 형상을 취하는 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 영역 P는 궁극적으로 다른 형상을 취한다. 일반적으로 영역 P는 중앙 대칭을 갖는 규칙적인 형상을 취하며, 원에 내접할 수 있다.

여기 및 이하에서, 대구경 벤틸레이터(22)는 직경이 80㎝를 초과하는, 바람직하게는 150㎝를 상회하는 벤틸레이터(22)를 의미한다. 나중에 설명될 특정 기술적 특징과 관련하여, 본 발명과 관련된 대구경 벤틸레이터(22)와 관련하여 직경이 약 5m 미만인 소위 소형 팬과 직경이 약 5m를 넘는 소위 대형 벤틸레이터는 구별된다.

로터(20)의 블레이드(26)의 구조는 그 자체로 공지되어 있으며, 순전히 구조적 기능을 수행하는 루트 부분(28)과 기류와 상호 작용하는 공기역학적 기능을 수행하는 공기역학적 부분(30)을 포함한다. 루트 부분(28)의 크기는 블레이드(26)를 허브(24)에 연결하는 역할을 하며, 허브(24)로부터 공기역학적 부분(30)으로 그리고 그 반대로 응력을 효과적으로 전달할 수 있도록 정해진다. 블레이드(26)의 공기역학적 기능은 에어포일에 따라 형상화되는 공기역학적 부분(30)에 의해서만 수행된다. 공기역학적 부분(30)은 반경 방향 내부 단부와 바람직하게는 아래에서 더 설명되는 윙릿(36)을 포함하는 반경 방향 외부 단부를 포함한다.

블레이드(26)의 공기역학적 부분(30)은 특정 요구사항에 따라 금속 재료(전형적으로 알루미늄) 또는 복합 재료(전형적으로 에폭시 매트릭스의 유리섬유)로 만들어질 수 있다. 바람직하게는, 공기역학적 부분(30)은 예를 들어 압출(extrusion)(공기역학적 부분이 금속 재료로 만들어진 경우) 또는 인발성형(pultrusion)(공기역학적 부분이 복합 재료로 만들어진 경우)에 의해 얻어지는 일정한 단면을 갖는 하나 이상의 반제품으로부터 얻어진다.

일부 실시형태에 따르면, 공기역학적 부분(30)은 반경 방향 내부 단부로부터 반경 방향 외부 단부까지 전체 반경 방향 개구를 따라 일정한 현을 갖는다. 그러나 다른 실시형태에 따르면, 블레이드(26)는 미리 결정된 위치로부터 시작하여 바깥쪽으로 테이퍼진다(도 1 내지 도 6 참조). 이 경우, 반경 방향 내부 단부의 프로파일 현은 반경 방향 외부 단부의 프로파일 현보다 더 크다. 이하에서, 달리 명시하지 않는 한, 블레이드(26)를 지칭하는 "현(chord)"라는 용어는 반경 방향 내부 단부에 있는 현(C)으로 이해되어야 한다(도 12 참조). 실시형태에 따라, 현(C)은 100㎜와 1000㎜ 사이, 바람직하게는 150㎜와 800㎜ 사이에서 변할 수 있다.

허브(24)(특히 도 13 참조)는 일반적으로 원통형의 중앙 부분(38)을 포함하며, 중앙 부분의 위에는 블레이드(26)의 루트 부분(28)과 연결되도록 구성된 n개의 부착물(40)이 배치된다. 일부 실시형태에서 부착물(40)은 허브(24)의 중앙 부분(38)으로부터 반경 방향으로 돌출되는 반면(예를 들어 도 13 및 도 14 참조), 다른 실시형태에서 부착물(40)은 허브(24)에 통합되어 있다(예를 들어 도 19 및 도 20 참조).

바람직하게는 각각의 부착물(40)과 대응하는 루트 부분(28) 사이의 협력은 블레이드(26)의 피치 각도

(또는 입사각)이 조정될 수 있게 한다. 즉 피치 변형의 각 반경 방향 축 주위에 각 블레이드(26)의 방향을 변경시킬 수 있게 한다. 그러나 거의 모든 경우(특히 첨부 도면에 도시된 경우)에서 본 발명의 로터(20)는 벤틸레이터(22) 작동 중에 효과적인 피치 변경을 허용하지 않는다는 점에 유의해야 한다. 여기 및 아래에서 피치 변경(pitch variation)은 기술자가 수행하는 유지 관리 작업으로 벤틸레이터(22)가 정지된 동안에만 수행될 수 있는 블레이드(26)의 재구성을 의미한다.

로터(20)는 회전축(R)을 정의한다. 첨부된 도 1, 도 3 및 도 5 내지 도 7에서, 회전축(R)은 벤틸레이터(22)에 의해 생성된 축방향 기류의 전반적인 방향을 나타내도록 배향된다. 전술한 바와 같이, '이전', '상류' 등은 기류의 방향에 따라 고유하게 정의되고, '이후', '하류' 등은 이와 반대이다.

위에서 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 로터(20)는 로터(20)의 허브(24)의 회전축(R)과 기하학적 축을 공유하도록 장착된 동축 보조 축류 팬(32)을 포함한다.

보조 축류 팬(32)은 로터(20)의 블레이드(26)의 수 n과 동일한 수 n개의 베인(34)을 포함한다. 예를 들어, 로터(20)가 3개의 블레이드(26)를 포함하는 경우, 보조 축류 팬(32)은 3개의 베인(34)을 포함하고(예를 들어 도 3 내지 도 6 참조); 로터(20)가 4개의 블레이드(26)를 포함하는 경우, 보조 축류 팬(32)은 4개의 베인(34)을 포함하고(예를 들어 도 7 및 도 21 참조); 로터(20)가 5개의 블레이드(26)를 포함하면, 보조 축류 팬(32)은 5개의 베인(34)을 포함하며(예를 들어 도 15 내지 도 18 참조); 그 이후도 동일하다.

위에서 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 로터(20)의 축 방향 뷰 또는 평면도에서, 보조 축류 팬(32)은 로터(20)의 블레이드(26)의 공기역학적 부분(30)의 n개의 반경 방향 내부 단부들에 의해 정의되는 영역 P 내에 실질적으로 포함된다. 바람직하게는, 동일한 축 방향 뷰 또는 평면도에서, 보조 축류 팬(32)은 전체적으로 영역 P 내에 포함된다. 구체적으로 도 12 및 도 15 내지 도 18을 참조하면, 보조 축류 팬(32)은 영역 P 내에 내접한다. 이는 보조 축류 팬(32)의 반경 방향 외측 단부들이 영역 P의 둘레에 놓인다는 것을 의미한다.

그러나, 본 논의의 맥락에서, "실질적으로 포함된다"라는 용어는 더 넓은 의미를 가지며, 이는 특히 도 21을 참조하여 아래에서 더 자세히 설명된다. "실질적으로 포함된다"라는 표현은 보조 축류 팬(32)의 반경 방향 외부 단부들이 측정값 f만큼 영역 P로부터 돌출할 수 있다는 것을 의미한다. 여기서 f는 보조 축류 팬(32) 자체의 직경 d의 5% 미만이다.

벤틸레이터(22)가 소위 소형인(즉, 그 직경이 약 5미터 미만인) 본 발명의 일부 실시형태에 따르면, 축 방향 도면에서 보조 축류 팬(32)의 베인(34)은 개구각 β의 원형 섹터 형상이다(예를 들어 도 3 내지 도 14 참조). 보조 축류 팬(32)의 베인(34) 각각의 개구각 β와 두 개의 인접하는 베인(34) 사이의 각도 거리 γ의 합은 간단한 법칙에 따라 베인(34)의 수에 따라 달라진다.

β+γ=360°/n

일부 실시형태에 따르면, 베인(34)의 개구각 β는 2개의 인접한 베인(34) 사이의 각도 거리 γ와 동일하다:

β=γ

위의 두 관계로부터, 팬 베인(34) 각각의 개구각은 간단한 법칙에 따라 베인(34)의 수에 종속한다는 결론이 나온다.

β=360°/2n

예를 들어, 베인(34)이 3개인 경우, 개구각 β는 60°가 될 것이며, 이는 인접하는 2개의 베인(34) 사이의 동일한 각도 γ를 보장한다. 4개의 베인(34)을 갖는 경우에 개구 각도 β는 45°가 될 것이다.

일부 실시형태에 따르면, 보조 축류 팬(32)은 바람직하게는 원통형의 중앙 부분(42)을 포함하고, 중앙 부분으로부터 n개의 베인(34)이 반경 방향으로 돌출한다. 바람직하게는, 축 방향 도면에서, 보조 축류 팬(32)의 중앙 부분(42)의 특징적인 치수는 로터(20)의 허브(24)의 중앙 부분(38)의 대응하는 특징적인 치수와 동일하다. 첨부된 도면의 실시형태에서, 양쪽 중앙 부분(38, 42)이 원통형인 경우 축 방향으로 볼 때 특징적인 치수는 각각의 반경 또는 직경일 수 있다. 특히, 보조 축류 팬(32)의 중앙 부분(42)의 직경은 로터(20)의 허브(24)의 중앙 부분(38)의 직경과 동일하다(도 13 및 도 14 참조).

다른 실시형태에 따르면, n개의 베인(34)을 로터(20)에 직접 적용함으로써 보조 축류 팬(32)을 획득할 수 있다. 예를 들어(도 19 및 도 20 참조), 보조 축류 팬(32)은 n개의 베인(34)을 직접 부착함으로써 획득될 수 있다. 대안적으로(도 22a 및 도 22b 참조), 보조 축류 팬(32)의 각 베인(34)은 블레이드(26)의 공기역학적 부분(30)의 반경 방향 내부 단부에 적용될 수 있다. 예를 들어, 각 베인(34)은 일반적으로 공기역학적 부분(30)의 반경방향 내부 단부를 폐쇄하는 데 사용되는 캡(29)에 적용될 수 있다. 이러한 실시형태에 따르면, 베인(34)은 독립적인 부분으로 제조된 다음 조립되어 로터(20) 상에서 직접 보조 축류 팬(32)을 형성할 수 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 보조 축류 팬(32)의 베인(34)은 반경 방향으로 연장된다. 즉, 베인(34)은 적어도 부분적으로 보조 축류 팬(32)의 중앙 부분(42)으로부터 또는 허브(24)의 중앙 부분(38)으로부터 바깥쪽으로 반경 방향으로 연장된다.

바람직하게는 보조 축류 팬(32)의 베인(34)의 반경 방향 연장부(B)(즉, 보조 축류 팬(32)의 직경(d)과 허브(24)의 중앙 부분(38) 또는 존재한다면 보조 축류 팬(32)의 중앙 부분(42)의 직경 사이의 차이의 절반)는 보조 축류 팬(32)의 반경 d/2의 60% 내지 75% 사이에 포함되며, 더욱 바람직하게는 연장부(B)는 보조 축류 팬(32)의 반경 d/2의 65% 내지 70% 사이에 포함된다.

도 8 내지 도 11의 것과 같은 일부 실시형태에 따르면, 보조 축류 팬(32)은 단일의 모놀리식 피스로 만들어질 수 있다. 이러한 실시형태는 일반적으로 본 발명의 범위에 비해 상대적으로 작은 로터(20), 예를 들어 직경이 최대 5미터인 로터(20)에 바람직하다. 이러한 경우, 실제로 보조 축류 팬(32)의 직경(d)은 가정용 탁상형 벤틸레이터 또는 자동차 또는 에어컨의 외부 장치 분야에서 열기관의 냉각 회로에 사용되는 벤틸레이터와 같은 공지된 유형의 다른 소형 벤틸레이터의 직경(d)과 비슷하다. 즉, 이러한 경우에, 보조 축류 팬(32)의 직경(d)은 당업자가 이미 획득한 지식을 사용하여 단일 부품으로 제조될 수 있을 만큼 충분히 작다. 모놀리식 보조 축류 팬(32)은 예를 들어 판금 성형, 사출 성형 또는 적당한 폴리머의 3D 프린팅에 의해 제조될 수 있다.

도 15 내지 도 18과 같은 일부 실시형태에 따르면, 보조 축류 팬(32)은 메인 로터(20)에 사용된 것과 유사한 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 다시 말해서, 보조 축루 팬(32)의 베인(34)은 허브(24) 또는 중앙 부분(42)에 대한 구조적 연결을 위한 루트 부분(54) 및 공기역학적 부분(56)을 포함한다. 이러한 실시형태는 상대적으로 큰 로터(20)용으로 의도된 보조 축류 팬(32), 예를 들어 직경이 5미터가 넘는 로터(20)용으로 일반적으로 바람직하다. 이러한 경우, 보조 축류 팬(32)의 직경(d)은 메인 로터(20) 자체에 사용되는 구성 기술을 활용할 수 있을 만큼 충분히 크다.

직경이 약 5미터 이내인 벤틸레이터(22)를 참조하면, 보조 축류 팬(32)에서 각 베인(34)의 개구각 β는 바람직하게는 인접한 베인(34)에 대한 각도 거리 γ와 동일하다. 이 특정 구성은 평면도에서 중앙부(42)를 제외하면 고형물 대 공극의 비율이 대략 1이라는 것을 의미한다. 즉, 베인(34)이 차지하는 면적은 베인(34)의 수 n과 관계없이 베인들(34) 사이의 공기가 차지하는 면적과 동일하다. 이러한 특징은 도 8 및 도 10에서 특히 인지될 수 있다.

산업용 벤틸레이터의 맥락에서, 고형물(solid)과 공극(void)의 비율은 일반적으로 고형도(solidity) Θ라는 매개변수로 평가된다. 전통적으로, 벤틸레이터(22)의 고형도 Θ는 다음과 같이 정의된다.

Θ=n*c/D

여기서 n은 블레이드(26) 또는 베인(34)의 수이고,

c는 반경 방향 외부 단부에서의 현이며,

D는 벤틸레이터(22)(허브(24) 포함)의 직경이다.

직경 5미터 이내의 벤틸레이터(22)용으로 의도된 본 발명의 보조 축류 팬(32)에 대해, 위의 고전적인 공식을 사용하여 고형도 Θ가 바람직하게는 1과 2.5 사이에 포함된다는 것이 얻어진다. 즉:

1≤Θ≤2.5.

보다 구체적으로, 첨부된 도 8과 도 10의 보조 축류 팬(32)에 대해 다음을 갖는다.

Θ=1.4

바람직하게는, 보조 축류 팬(32)의 베인(34)의 축방향 연장부(a)는 보조 축류 팬(32) 자체의 직경(d)의 20% 내에 포함되며, 보다 더 바람직하게는 축방향 연장부(a)는 직경(d)의 5% 내지 15% 사이에 포함된다. 도 13 및 도 20 참조. 축방향 연장부(a)는 이하에서 회전축 R에 수직인 두 평면 사이의 거리로 이해되며, 여기서 제1 평면은 베인(34)의 최상류 지점을 포함하고 제2 평면은 베인(34)의 최하류 지점을 포함한다. 도 13의 실시형태에서, 베인(34)의 축방향 연장부(a)는 보조 축류 팬(32)의 중앙 부분(42)의 축방향 연장부와 일치한다.

바람직하게는, 베인(34)의 두께(t)는 도 9, 도 11 및 도 13에서 볼 수 있는 바와 같이 베인(34) 자체의 다른 치수에 비해 더 얇다. 바람직하게는, 보조 축류 팬(32)의 각 베인(34)의 두께(t)는 두께(t)는 베인(34)의 전체 연장부에 걸쳐 실질적으로 균일하다. 두께(t)는 베인(34)의 둘레의 근처, 즉 베인(34)의 선행 에지 및/또는 후행 에지 및/또는 반경방향 외측 단부 근처에서 감소될 수 있다. 특히, 보조 축류 팬(32)의 베인(34)의 두께(t)는 바람직하게는 보조 축류 팬(32)의 축 연장ㅂ부)의 10% 내지 20%로 구성된다. 두께(t)의 이러한 특징은 베인(34)의 후행 에지에서 와류의 형성을 방지하는 것을 가능하게 한다. 이로 인해 각 베인(34)은 다음 베인(34)을 위한 우선 방향으로 공기를 운반하게 되고 와류 분리로 인해 간섭이 발생하지 않게 된다.

본 출원인이 수행한 연구는 로터(20)에 대한 보조 축류 팬(32)의 정확한 위치 설정의 중요성을 보여주었다. 도 12에 강조된 양들 사이의 일부 우선적인 관계가 아래에 간략하게 설명된다.

는 특히 반경 방향 내부 단부에서 블레이드(26)의 공기역학적 부분(30)의 현의 회전 평면 상의 투영이고; 이는 공기역학적 부분(30)과 피치 각도

를 위해 선택된 에어포일의 크기에 따라 달라진다.

B는 보조 축류 팬(32)의 베인(34)의 반경방향 연장부, 즉 보조 축류 팬(32)의 반경(d/2)과 허브(24)의 중앙 부분(38)과 보조 축류 팬(32)(존재하는 경우)의 중앙 부분(42) 사이에서 더 큰 반경 사이의 차이이다.

A는 블레이드(26)의 공기역학적 부분(30)과 허브(24)의 중앙 부분(38) 사이의 최소 거리, 또는 루트 부분(28)과 허브(24)의 부착물(40)의 반경방향 연장부의 합이다.

α는 A가 측정된 반경과 A가 측정된 블레이드(26)를 따르는 베인(34)의 선행 에지 사이의 각도이다.

Z는 블레이드(26)의 선행 에지와 A가 측정된 지점 사이의 현(C)을 따른 거리이다.

X는 블레이드(26)의 후행 에지와 베인(34)이 블레이드(26)의 공기역학적 부분(30)에 도달하는 지점 사이의 현(C)을 따르는 거리이다.

바람직하게는, 로터(20)에 대한 보조 축류 팬(32)의 위치는 다음 방정식에 의해 정의된다:

현(C)과 관련하여 모든 것을 축소하면 다음과 같다.

여기서

피치 각도

가 증가함에 따라, 보조 축류 팬(32)의 위치는 블레이드(26)의 공기역학적 부분(30)의 반경 방향 내부 단부와 겹치지 않도록 조정되어야 한다. 이로 인해, 언급된 기하학적 관계는 다음과 같이 정의된다.

여기서 B는 반경 방향의 베인(34)의 길이이고, C는 프로파일 현이고 X는 후행 에지로부터의 거리이다.

두 개의 미지수가 있는 위 방정식에서 X를 α의 함수로 찾는 것이 가능하다. 따라서 α를

로 유도하고 이를 위 방정식에 대입하면 각 피치각

에 대해 보조 축류 팬(32)의 위치를 찾을 수 있다.

로터(20)에 대해 보조 축류 팬(32)을 위치시키기 위한 추가적인 자유도는 축방향 위치이다. 실제로, 보조 축류 팬(32)은 바로 하류(예를 들어 도 5에서와 같이) 또는 바로 상류(예를 들어 도 6에서와 같이)에서 허브(24)의 축방향 면에 인접하게 배열될 수 있고 또는 회전축(R)을 따르는 축 방향으로 거리 h로 이동할 수 있다.

예를 들어, 거리 h는 보조 축류 팬(32)의 반경방향 외부 단부가 블레이드(26)의 공기역학적 부분(30)의 반경방향 내부 단부 근처에서 축 방향으로 도달하도록 정의될 수 있다.

예를 들어 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.

바람직하게는 본 발명의 로터(20)의 적어도 하나의 블레이드(26)는 반경방향 외부 단부에 윙릿(36)을 포함한다. 잘 알려진 바와 같이, 윙릿(36)은 블레이드(26)의 단부에 적용되어 공기역학적 효율을 향상시키고 단부 와류에 의해 유발되는 저항을 감소시키기 위해 적용되는 형상의 장치이다. 그 자체로 공지된 윙릿(36)은 바람직하게는 축방향 및 원주방향으로 연장되는 배플(44)을 포함한다.

본 발명의 특정 실시형태에 따르면, 본 발명의 로터(20)는 평면도에서 V형 형상을 갖는 n개의 블레이드(26)를 포함한다. 이러한 해결책(첨부된 도면에는 표시되지 않음)은 본 출원인의 특허 문헌 WO 2017/085134호에 자세히 설명되어 있다. 특히, 블레이드(26)의 선행 에지가 평면에서 볼 때 오목한 블레이드(26)의 V자 형상은 벤틸레이터(22)에 의해 발생되는 소음을 크게 감소시킬 수 있다.

제2 측면에 따르면, 본 발명은 위에서 설명한 로터(20)와 모터(46)를 포함하는 산업용 축류 벤틸레이터(22)에 관한 것이다. 바람직하게는, 본 발명의 벤틸레이터(22)는 전기 모터(46)를 포함한다.

본 발명의 일부 실시형태에 따르면, 본 발명의 벤틸레이터(22)는 덕트형 벤틸레이터이다. 즉, 이는 로터(20)를 둘러싸는 그 자체로 공지된 덕트(48)를 포함한다(도 3 및 도 4 참조).

바람직하게는, 덕트(48)는 특허 문헌 WO 2020/245674호에 설명된 바와 같이 환형 시트(50)를 포함한다. 특히, 이러한 해결책에 따르면, 덕트(48)의 내부 벽은 벤틸레이터(22)의 로터(20) 주위에서 원주 방향으로 연장되고 로터(20)의 블레이드(26)의 외부 단부를 부분적으로 수용하는 환형 시트(50)를 포함한다. 바람직하게는, 환형 시트(50)는 축 방향으로 적어도 부분적으로 연장되고, 윙릿(36)에 의해 형성된 배플(44)을 부분적으로 수용한다.

일부 실시형태에 따르면, 본 발명의 벤틸레이터(22)는 모든 작동 조건 하에서 벤틸레이터(22)를 지지하도록 구성된 프레임워크(52)를 포함한다. 특히, 프레임워크(52)는 제어되지 않은 진동을 경험하지 않으면서, 일시적 및 정지 상태 모두에서 모든 회전 속도에서 벤틸레이터(22)를 견고하게 지지하도록 구성된다.

일부 실시형태에 따르면, 본 발명의 벤틸레이터(22)는 회전축(R)이 수직이고 위쪽을 향하도록 배향된다. 이러한 경우, 프레임워크(52) 및 모터(46)는 바람직하게는 로터(20)의 상류(즉, 로터(20) 아래)에 배치되고, 프레임워크(52)는 설비에 단단히 고정되어 일반적으로 지면에 고정된다.

특정 실시형태에 따르면, 본 발명의 벤틸레이터(22)는 벤틸레이터(22)의 바로 하류에 배치되고 냉각 액체가 순환하는 냉각 모듈을 포함하는 열 소산 시스템의 일부이다. 다른 실시형태에 따르면, 본 발명의 벤틸레이터(22)는 환기(ventilation) 또는 공기 이동 시스템의 일부이다. 이러한 경우, 벤틸레이터 하류에는 일반적으로 벤틸레이터(22)에 의해 생성된 기류를 분배 네트워크에 공급하기 위해 하나 이상의 덕트가 분기되는 매니폴드가 있다.

본 출원인이 수행한 실험 테스트에서는 벤틸레이터(22)의 유형에 관계없이 보조 축류 팬(32)을 도입한 후 효율성이 크게 향상된 것으로 나타났다.

각각의 실험 시험에서, 유속-압력의 측정(하류)과 전력 인버터 상류에서 모터(46)에 의해 흡수되는 전력의 측정(상류) 사이의 비율에 의해 전체 효율이 계산되었다. 결과적으로, 이러한 전체 효율은 본 논의에서 가장 관심을 끄는 로터(20)의 공기역학적 효율에 추가하여 인버터의 전기적 효율, 모터(46)의 전기기계적 효율 및 커플링 및 트랜스미션의 기계적 효율의 기여도 포함한다. 따라서 이러한 방식으로 측정된 전체 효율은 제대로 작동하지 않는 벨트 구동장치나 인버터와 같은 비효율적인 요소 하나에 의해서도 크게 저하된다는 점에 유의해야 한다.

본 출원인이 수행한 실험 테스트에는 여러 가지 다양한 벤틸레이터(22) 구성이 포함되었다. 벤틸레이터(22)의 다양한 구성은 블레이드(26)의 수, 블레이드(26)의 평면 형태, 블레이드(26)의 피치 각도

, 허브(24)에 대한 블레이드(26)의 부착물 유형(40), 덕트(48)의 유무, 윙릿(36)의 존재/부재, 블레이드(26)의 반경방향 외측 단부를 부분적으로 수용하는 환형 시트(50)의 덕트(48) 내의 존재/부존재가 다르다. 벤틸레이터(22)의 각각의 특정 구성에 대해, 위에서 설명한 전체 효율이 두 번 계산되었다. 처음에는 보조 축류 팬(32)이 없을 때, 그 다음에는 보조 축류 팬(32)이 있을 때이다. 공지된 다양한 구성에서 벤틸레이터(22)의 효율은 41%에서 46% 사이였으며 평균 약 44%였다. 고려된 모든 구성에서, 보조 축류 팬(32)을 추가하면 효율성이 눈에 띄게 증가했다. 보조 축류 팬(32)을 추가한 후 측정된 효율 증가는 1.9%와 6.5% 사이로 구성되며 평균은 3.46%이다. 이러한 효율성 향상은 상당하지만, 당업자라면 이를 공기역학적 구성요소에만 관련시킴으로써(즉, 모든 비공기역학적 기여에 대한 전반적인 효율성 측정을 배제함으로써) 보조 축류 팬(32)의 기여가 더 증가될 것이라는 점을 잘 이해할 수 있을 것이다.

본 출원인은 또한 본 발명에 따른 벤틸레이터(22), 즉 보조 축류 팬(32)을 포함하는 벤틸레이터의 유속-압력(flowrate-pressure) 평면의 특성 곡선을 결정하기 위해 실험 테스트를 수행했다. 그런 다음 이러한 벤틸레이터(22) 각각에 대해 특성 곡선을 전체적으로 동일하지만 보조 축류 팬(32)이 없는 벤틸레이터(22)의 특성 곡선과 비교했다. 도 24는 이러한 특성 곡선에 대해 정성적인 방식으로 관찰된 평균 경향을 보여준다. 특히, 공지된 유형의 벤틸레이터(22)는 공통 덕트(48)에 포함되고, 여기에 각각의 보조 축류 팬(32)이 추가되어 본 발명의 상응하는 벤틸레이터(22)를 얻게 된다. 도 24에서, 본 발명에 따른 보조 축류 팬(32)의 배열은 두 가지 이점을 얻을 수 있게 하며, 두 가지 모두 중요한 이점을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 첫째로, 본 발명의 보조 축류 팬(32)은 특성 곡선을 위쪽으로 이동시키며, 그 결과 알려진 유형의 벤틸레이터(22)에서는 피치 각도를 증가시킴으로써 달성된다. 둘째, 동일한 유속에서 감소된 피치를 허용한다는 사실로 인해, 본 발명의 보조 축류 팬(32)은 종래 기술의 곡선 특성의 왼쪽 부분에 보이는 실속 영역(stall zone)을 줄이거나 일부 경우에서는 제거할 수 있다. 실속을 줄이거나 제거함으로써, 본 발명의 보조 축류 팬(32)을 포함하는 벤틸레이터(22)이 더 효율적으로 작동할 수 있다.

본 출원인 자신의 연구와 수행된 테스트에 따라, 본 출원인은 보조 축류 팬(32)의 기여가 허브(24) 영역에서 공기 이동으로 인한 것이 아니라, 즉 메인 로터(20)에 의해 생성된 것에 추가하여 기류 쿼터가 더 추가된 것에 기인하는 것으로 생각한다. 반대로, 본 출원인은 보조 축류 팬(32)의 기여가 메인 로터(20)의 반경방향 내부 영역(즉, 블레이드(26)의 루트 영역(28))에서 속도 및 압력장을 안정화시켜, 로터(20)가 더 잘 작동하여 전체 효율이 증가하는 것으로 생각한다. 즉, 보조 축류 팬(32)의 존재는 이론적인 유동 라인들에 의해 제시되는 최적 지점에 가까이서 작용하는 반경 방향에서의 블레이드(26)의 부분을 연장하는, (내부) 엔드 효과로 인한 교란의 반경 방향 확장을 상당히 제한한다. 로터(20)의 반경 방향 내부 영역에서 유동에 대한 보조 축류 팬(32)의 효과가 도 23에 개략적으로 도시되어 있다. 여기서 점선은 회전축(R)에 중심을 둔 원주 호를 나타내고, 화살표는 유동 라인을 나타낸다. 도 23의 개략도에서 볼 수 있는 바와 같이, 보조 축류 팬(32)은 로터(20)의 반경 방향 내부 영역에서 공기의 재순환을 방해하도록 의도되지 않고, 그러한 재순환 경향을 이용하여 유동을 안정화시키도록 구성된다.

본 발명의 로터(20)의 보조 축류 팬(32)에 의해 획득된 것과 유사한 효과는 특허 문헌 WO 2020/245674호에 기술된 환형 시트(50)에 의해 또한 획득되었다. 실제로, 로터(20)의 블레이드(26)의 단부를 적어도 부분적으로 수용하는 환형 시트(50)는 이론적인 유동 라인들에 의해 제시되는 최적 지점에 가까이서 작용하는 반경 방향에서의 블레이드(26)의 부분을 연장하는, (내부) 엔드 효과로 인한 교란의 반경 방향 확장을 상당히 제한한다.

특허 문헌 WO 2020/245674호에 설명된 환형 시트(50)와 본 발명의 보조 축류 팬(32) 사이의 상호 작용을 구체적으로 참조하여, 출원인은 벤틸레이터(22)의 구성이 변경될 때 유속의 함수로서 효율의 추세를 결정하기 위해 다양한 실험 테스트를 수행했다. 도 25에는 전체 실험 캠페인의 결과를 개략적이고 즉시 이해할 수 있는 방식으로 요약하는 정성적인 방식으로 중요한 곡선이 표시되어 있으며 이에 대해 아래에서 간략하게 설명한다.

실험 캠페인의 예비 단계에서, 블레이드 수, 직경, 프로파일 유형, 피치 각도 등과 같은 하나 이상의 설계 매개변수가 서로 다른 복수의 공지된 유형의 벤틸레이터(22)가 지정되었다. 실험 캠페인에서 고려된 벤틸레이터(22) 모두는 전통적인 유형의 윙릿(36)과 덕트(48)를 공통적으로 사용했다. 그 후, 각 유형의 벤틸레이터(22)에 대해 다음을 준비하고 유지관리 하였다.

- 본 발명에 따른 보조 축류 팬(32); 그리고

- WO 2020/245674호에 설명된 환형 시트(50), 즉 축 방향으로 개방되고 윙릿(36)의 배플(44)을 부분적으로 수용하도록 구성된 환형 시트(50).

실험 캠페인의 작동 단계에서, 유향의 함수로서 효율의 변화를 보여주는 곡선을 동일한 벤틸레이터(22)의 4가지 다른 구성에서 각 유형의 벤틸레이터(22)에 대해 실험적으로 플롯되었다.

- 종래 기술에 따른 기본 구성. 그러한 기본 구성에서, 벤틸레이터(22)는 윙릿(36)과 덕트(48)만을 포함한다.

- 종래 기술에 따른 구성의 최초로 개선된 구성. 이러한 구성은 기본 구성에 WO 2020/245674호에 설명된 환형 시트(50)를 추가하여 얻어진다.

- 본 발명에 따른 제2의 개선된 구성. 이러한 구성은 기본 구성에 본 발명의 보조 축류 팬(32)을 추가한 것이다.

- 본 발명에 따른 제3의 개선된 구성. 이러한 구성은 기본 구성에 WO 2020/245674에 기술된 환형 시트(50)와 본 발명의 보조 축류 팬(32)이 추가된 것이다.

도 25는 위에서 지정된 각 구성에 대해 얻은 곡선을 개략적으로 나타내는 네 가지 다른 곡선을 보여준다.

- 기본 구성(종래 기술 부분)과 관련된 곡선은 긴 스트로크의 점선이다.

- 제1의 개선된 구성(종래 기술 부분)과 관련된 곡선은 짧은 스트로크를 갖는 점선이다.

- 제2의 개선된 구성(본 발명 부분)과 관련된 곡선은 연속 단일 스트로크 곡선이다.

- 제3 개선된 구성(본 발명 부분)과 관련된 곡선은 연속 이중 스트로크 곡선이다.

알 수 있듯이, 모든 개선된 구성은 기본 구성에 대해 위쪽으로 이동된 곡선을 갖는다. 이는 일반적으로 각각의 개선 사항을 도입하면 동일한 기류에 대해 벤틸레이터(22)의 효율이 증가한다는 것을 의미한다. 관찰될 수 있는 다른 현상은 최대 효율 지점의 이동이다. 그렇지만 이러한 현상은 현재의 논의에서는 관심이 가는 것은 아니다.

훨씬 더 흥미로운 관찰은 다양한 곡선의 상향 이동의 크기에 관한 것이다. 특히, 환형 시트(50)만을 추가하면(제1 개선된 구성) 보조 축류 팬(32)만을 추가하여 얻은 것(제2 개선된 구성)과 비교하여 주목할만한 개선을 가져온다는 점에 주목할 수 있다.

정말 놀라운 점은 두 가지 개선 사항이 결합된 효과이다. 두 가지 개선 사항을 적용(제3 개선된 구성)하여 얻은 효율성의 증가는 동일한 개선 사항을 함께 적용하지 않은 경우, 즉 먼저 환형 시트(50)만이 적용된 것과 보조 축류 팬(32)만이 적용된 것의 증가의 합보다 확실히 더 크다는 것을 도 25로부터 명확하게 알 수 있다. 수행된 연구 결과에 기초하여, 본 출원인은 제3 개선된 구성에서 환형 시트(50)와 보조 축류 팬(32)이 동시에 존재하면, 보조 축류 팬(32)으로 인해 로터(20)의 반경 방향 내부 영역과 윙릿의 배플(44)을 수용하는 환형 시트(50)로 인해 로터(20)의 반경 방향 외부 영역 모두에서 속도 및 압력 범위가 안정화되는 것으로 생각된다. 이에 따라 전체 벤틸레이터(22)가 최상의 상태로 작동하여 전반적인 효율성이 향상된다.

위의 관점에서, 당업자는 동일한 벤틸레이터(22)에 두 솔루션의 존재가 블레이드(26)의 부분의 반경 방향 연장부가 이론적인 유동 라인이 최대로 됨에 따라 제시되는 최적 지점에 가까이에서 작용하는 특히 바람직한 실시형태로 어떻게 이어지는지 잘 이해할 수 있을 것이다. 위에서 설명된 성능의 전체적인 개선은, 일부 경우에서, 필요했던 종래의 벤틸레이터(22)에 비해 블레이드가 하나 더 적은 본 발명에 따른 벤틸레이터(22)를 사용할 수 있게 한다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 일부 경우에 본 발명에 따른 3개의 블레이드가 있는 벤틸레이터(22)는 종래 기술에 따른 4개의 블레이드가 있는 벤틸레이터(22)의 성능을 보장할 수 있다.

또한, 전체 효율의 개선은 어떤 경우에는 동일한 성능으로 종래의 벤틸레이터(22)를 구동하는 데 필요한 것보다 덜 강력한 모터가 본 발명에 따른 벤틸레이터(22)에 사용될 수 있게 한다.

당업자가 잘 이해할 수 있듯이, 이러한 결과는 벤틸레이터(22)의 투자 및 관리 비용을 제한할 수 있게 해준다.

당업자가 잘 이해할 수 있는 바와 같이, 본 발명은 종래 기술과 관련하여 위에서 강조된 단점을 극복한다.

특히, 본 발명은 효율성이 개선된 축류 벤틸레이터(22)를 제공한다.

또한, 본 발명은 공지된 유형의 벤틸레이터에 비해 동일한 속도에서 더 높은 압력을 발생시킬 수 있는 축류 벤틸레이터(22)를 제공한다.

또한, 본 발명은 공지된 유형의 벤틸레이터에 비해 단부 와류의 형성을 더 제한하는 축류 벤틸레이터(22)를 제공한다.

다시 말하면, 본 발명은 유동 라인을 이론에 의해 예상되는 것과 가능한 한 가깝게 만듦으로써 정규화되도록 하는 축류 벤틸레이터(22)를 제공한다.

마지막으로, 본 발명은 추가적인 이점을 제공할 뿐만 아니라 공지된 유형의 벤틸레이터에 의해 이미 달성된 이점을 유지하는 덕트형 축류 벤틸레이터(22)를 제공한다.

결론적으로 모든 세부 사항은 기술적으로 동등한 다른 요소로 대체될 수 있다. 특정 실시형태와 관련하여 설명된 특징은 다른 실시형태에서도 사용될 수 있다. 사용된 재료뿐만 아니라 대표적인 형상 및 치수는 아래의 청구범위의 보호 범위를 벗어나지 않으면서 특정 구현 요구 사항에 따라 변경될 수 있다.

Claims (15)

1. 허브(24)와 n개의 블레이드(26)를 포함하며, 산업용 대구경 축류 벤틸레이터(22)용 로터(20)로, 상기 로터(20)의 각 블레이드(26)는 허브(24)에 구조적으로 연결하기 위한 루트 부분(28) 및 공기역학적 부분(30)을 포함하고,
   상기 로터(20)는 반경방향으로 연장되는 n개의 베인(34)을 포함하고, 축 방향으로 볼 때, 로터(20)의 블레이드들(26)의 공기역학적 부분(30)의 반경 방향의 n개의 내부 단부들에 의해 획정되는 영역(P) 내에 실질적으로 포함하는 보조 축류 팬(32)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 로터.
2. 제1항에 있어서, 축 방향으로 볼 때, 보조 축류 팬(32)이 상기 영역(P) 내에 내접되는 것을 특징으로 하는 로터.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 보조 축류 팬(32)이 중앙 부분(42)을 포함하고, 상기 중앙 부분(42)으로부터 n개의 베인들(34)이 반경 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 로터.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, n개의 독립적인 베인들(34)을 로터(20) 상에 직접 적용함으로써 보조 축류 팬(32)이 얻어지는 것을 특징으로 하는 로터.
5. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 보조 축류 팬(32)의 베인(34)의 반경방향 연장부(B)는 보조 축류 팬(32)의 반경 d/2의 60% 내지 75% 사이, 바람직하게는 보조 축류 팬(32)의 반경 d/2의 65% 내지 70% 사이에 포함되는 것을 특징으로 하는 로터.
6. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 보조 축류 팬(32)의 베인(34)의 축방향 연장부(a)는 보조 축류 팬(32)의 직경 d의 20% 내에 포함되며, 바람직하게는 보조 축류 팬(32)의 직경 d의 5% 내지 15% 사이에 포함되는 것을 특징으로 하는 로터.
7. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 보조 축류 팬(32)의 베인(34)은 허브(24)에 구조적으로 연결하기 위한 루트 부분(54) 및 공기역학적 부분(56)을 포함하는 것을 특징으로 하는 로터.
8. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 보조 축류 팬(32)이 통합된, 모놀리식 피스로 제작되는 것을 특징으로 하는 로터.
9. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 보조 축류 팬(32)의 각각의 베인(34)의 두께(t)는 보조 축류 팬(32)의 베인(34)의 축방향 연장부(a) 위에서 실질적으로 균일한 것을 특징으로 하는 로터.
10. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 보조 축류 팬(32)의 베인(34)의 두께(t)는 보조 축류 팬(32)의 베인(34)의 축방향 연장부(a)의 10% 내지 20% 사이에 포함되는 것을 특징으로 하는 로터.
11. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 블레이드(26)는 반경방향 외부 단부에서 윙릿(36)을 포함하고, 상기 윙릿(36)은 축 방향과 원주 방향으로 연장하는 배플(44)을 포함하는 것을 특징으로 하는 로터.
12. 선행하는 청구항들 중 하나 이상의 항에 따른 로터(20) 및 모터(46)를 포함하는 산업용 벤틸레이터(22).
13. 선행 청구항에 있어서, 상기 로터(20)를 에워싸는 덕트(48)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 벤틸레이터(22).
14. 선행 청구항에 있어서, 상기 덕트(48)는 상기 로터(20) 주위를 원주 방향으로 연장하며, 상기 로터(20)의 블레이드들(26)의 외부 단부들을 부분적으로 수용하는 환형 시트(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 벤틸레이터(22).
15. 선행 청구항에 있어서, 제11항에 따른 로터(20)를 포함하고, 상기 환형 시트(50)는 적어도 부분적으로 축 방향으로 연장하고, 윙릿(36)에 의해 정의되는 배플(44)을 부분적으로 수용하는 것을 특징으로 하는 산업용 벤틸레이터(22).