KR950006563B1 - 시로코 팬(Sirocco Fan) 빔 처짐형 블레이드(Blade)형상 결정방법 - Google Patents

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Description

시로코 팬(Sirocco Fan) 빔 처짐형 블레이드(Blade)형상 결정방법

제1도는 일반적인 시로코 팬의 전체구조를 보인 것으로, (a)는 정면도이고, (b)는 측면도.

제2도는 종래의 단일원호상 블레이드가 장착된 일펠러의 구성 및 기류흐름을 보인 단면도.

제3도는 종래의 단일원호상 블레이드를 갖는 시로코 팬이 장착된 에어컨디셔너의 소음 스펙트럼.

제4도는 양단 지지빔에서 일측지지부에 회전모멘트가 걸렸을 때의 빔현상을 보인 정면도.

제5도는 종래 빔 처짐형 블레이드가 적용된 임펠러 구성과 기류흐름을 보인 단면도.

제6도는 종래의 시로코 임펠러에서 메인플레이트에 결합되는 빔 처짐형 블레이드의 취부관계도.

제7도는 종래의 시로코 임펠러에서 빔 처짐형 블레이드형상의 휨 각도 산출관계도.

제8도는 본 발명 빔 처짐형 에어포일 블레이드가 적용된 임펠러의 구성과 기류흐름을 보인 단면도.

제9도는 본 발명 처짐형 에어포일 블레이드형상의 휨 각도 산출관계도.

제10도는 본 발명 빔 처짐형 에어포일 블레이드 상세도.

제11도는 본 발명 빔 처짐형 에어포일 블레이드의 전산 설계 소프트웨어 플로우챠트.

제12도는 본 발명 처짐형 에어포일 블레이드의 캠버라인 데이타.

제13도는 본 발명 빔 처짐형 에어포일 블레이드의 상부 표면 데이타.

제14도는 본 발명 빔 처짐형 에어포일 블레이드의 하부 표면 데이타.

제15도는 본 발명 빔 처짐형 에어포일 블레이드의 임펠러 사양 출력예를 보인 도표.

본 발명은 에어컨디셔너등의 각종 공조기에서 사용되는 팬(Fan)의 형상 결정방법에 관한 것으로, 특히 블레이드 통로를 공기가 빠져 나갈때 블레이드의 단면 형상 차이와 블레이드 취부각 등의 영향으로 발생하는 난류 소음을 감소할 수 있도록 한 시로코 팬 빔 처짐형 블레이드형상 결정방법에 관한 것이다.

일반적으로 사용되고 있는 시로코 팬의 블레이드형상은 주로 직선익근, 원호익근, 2중원호익근, 대수나선익근 및 인블류트(Involute)익근 등을 들 수 있으며, 이러한 공지의 블레이드에 대한 형상 특징과 각도를 지배하는 함수관계식은 여러 문헌에 기공지되어 있다.(참고문헌 : 코로나사발행 "터보송풍기와 압축기", 生井式文와, 1988. 222-230page).

제1도는 일반적인 시로코 팬의 전체구조를 나타낸 것으로, 이에 도시된 바와 같이 시로코 팬은 스크롤케이싱(1)의 내부에 샤프트(2)를 중심으로 회전하는 임펠러(3)와 임펠러(3)의 회전에 의해 배출되는 유체의 토출을 위한 디퓨저(4)의 결합구성으로 이루어지는 바, 이같은 시로코 팬의 임펠러(3)에서 널리 사용되는 단일원호의 곡율반경을 갖는 블레이드의 구조 및 기류흐름도를 제2도를 통해 살펴보면 다음과 같다.

임펠러(3)는 외경(D₂)부의 내면으로부터 내경(D₁)부에 이르는 구간에 걸쳐 등간격을 유지한 채 단일원호상 블레이드(5)가 형성되어 그 단일원호상 블레이드(5)사이에 형성된 기류통로를 통하여 기류의 유동이 이루어지도록 형성되는 바, 이와 같은 단일원호상 블레이드(5)를 통한 기류의 흐름은 블레이드 입구측의 리딩에지(leading edge) (5a)를 통행 유입되는 유체가 석션표면(5b)에서 발생하는 급격한 역압력기울기의 형성에 의해 유동박리점(A)를 기점으로 하여 유동박리(low separetion)가 심하게 일어나 블레이드 트레일링 에지(blade trailing edge)(5c)부에서 와방출(eddy)(6)이 심하게 발생하게 된다.

이에따라, 단일원호상 블레이드(5)가 입구측에서는 임펠러(3)의 회전시 유입되는 유체와 블레이드(5)가 충돌되면서 유동소음이 발생하게 되고, 블레이드의 출구측에서는 유동박리현상에 의해서 와방출(vortex shedding)등의 난류발생 소음발생으로 전체적으로 제3도에 도시된 바와 같이 소음스펙트럼에서 고주파 소음대가 크게 상승하는 문제점을 지니고 있다.

따라서, 본 발명 출원인은 종래의 시로코 팬에서 사용되고 있는 블레이드의 형상 특성에 기인하여 발생되는 유동소음발생과 운동에너지이 손실과 같은 문제점을 해소하기 위하여 블레이드의 입구각도를 블레이드내로 유입되는 기류의 상대유동과 일치시켜 주고 입구측은 곡율을 크게 유지함과 아울러 출구측은 완만한 곡율을 유지하도록 구성된 시로코 팬 빔 처짐형 블레이드의 형상 결정방법을 창안하여 특허 출원 제91-25788호에 선출원한 바 있다.

이와 같은 선출원 발명의 시로코 팬 빔 처짐형 블레이드형상 결정방법은 제4도에 도시된 바와 같이 L의 현길이를 지니며 양단부(A,B)가 지지되는 빔에서 일측지지부(A)에 회전모멘트 Ma가 걸렸을 때 빔의 처짐형상을 결정하여, 이를 블레이드 제작에 활용하는 것으로서, 이와 같은 방법을 통하여 얻어진 블레이드의 형상 및 기류흐름도를 제5도에 도시된 바와 같다.

제5도에 도시된 바의 선출원 발명 시로코 팬 빔 처짐형 블레이드가 형성된 임팰러는 ω의 각속도로 회전하는 경우 빔 처짐형 블레이드(7)의 리딩에지(7a)로부터 유입되어 트레일링에지(7b)를 거쳐 배출되는 기류의 흐름은 유선(streamtine)과 같은 상태를 나타내게 된다.

이하, 선출원 발명의 시로코 팬 빔 처짐형 블레이드의 형상 결정방법에 대해서 제6도 및 제7도에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 제6도는 시로코 임펠러에서 메인 플레이트(main plate)상에 선출원 발명의 빔 처짐형 블레이드가 장착된 상태의 결합관계를 보인 것이고, 제7도는 빔 처짐형 블레이드형상의 휨(deflection)각도 산출관계를 설명하기 위한 것이다.

제6도 및 제7도에 나타나 있는 바의 부호 중 Ta는 리딩에지(7a)부의 처짐각도, Tb는 트레일링에지(7b)부의 처짐각도, θ는 익취부각, δ는 전향각, β₁,β₂는 각각 블레이드 입구 및 출구각도이고, R₁,R₂는 각각 임펠러의 안쪽반지름 및 바깥쪽 반지름이다.

상기 제2도에 도시된 바의 빔 처짐형 블레이드(70 양단부에서의 처짐각도 사이의 관계는

Ta=2Tb…………………………………………………………………………(1)

가 되고, 이 처짐곡선의 방정식은 다음의 (2)식을 통하여 얻을 수 있다.

위의 (2)식에서 알 수 있는 바와 같이 빔 처짐형 블레이드(7)형상을 만족시키기 위해서는 Ta, Tb 혹은 블레이드의 현길이(L)만 결정하면 된다.

블레이드의 현길이(L)는 제6도로부터 다음의 (3)식을 만족한다.

(3)식은 (2)식에 대입하는 경우 빔 처짐형 블레이드형상을 만족하는 방정식은 Tb와 θ만의 값을 알고 있으면 결정할 수 있다.

Tb와 θ를 결정하기 위해서는 제7도에 의거한 기하학적인 관계로부터,

의 (4)식을 얻을 수 있으며, 이같은 (4)식으로부터 θ를 구하게 되면 역시 Tb도 쉽게 구해지게 된다.

상기한 바와 같은 빔 처짐형 블레이드 적용 시로코 팬의 설계는 제7도의 빔의 처짐형 블레이드 적용 임펠러 설계전산 프로그램의 루틴(Routine)에서와 같이 원심 팬 설계중 특히 시로코 팬 설계 계산식의 설계조건을 만족하는 팬 운전 포인트에서 만족하는 풍압대 풍량을 계산식에서 입력시켜 임펠러의 기하학적 치수를 결정하고, 이 스펙(spec)를 통해서 최종적으로 산출하면 된다.

이때, 빔 처짐형 블레이드형상을 통해 에어포일(Aerofoil)형으로 블레이드를 접목시킬 때에는 CAD상에서 쉽게 변형시켜 사용할 수도 있다.

한편, 선출원 발명의 블레이드형상 결정방법은 콤퓨터 CAD상에서 블레이드의 캠버라인(camberline)으로 빔처짐형의 형상데이타를 기준으로 하고, 캠비라인을 중심으로 상하부곡면을 에어포일 형상으로 작동한 후, 이를 만족하는 상·하부의 곡면데이타를 CAD상에서 역으로 추출할 수 있다.

따라서, 선출원 발명의 빔 처짐형 블레이드형상으로부터 용이하게 에어포일형 블레이드를 얻을 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 선출원 발명의 빔 처짐형 블레이드형상 결정방법은 기존의 시로코 팬에서 적용된 단일원호 및 2중 원호형상의 방법을 적용한 임펠러에서는 임펠러 블레이드를 갖는 유로통로중 블레이드 석션부에서 발생하는 역압력기울기에 의한 유동박리와 난류경계층에 의해 발생하는 와방출에 의한 광범위한 난류소음이 심하게 발생되기 때문에, 블레이드 입구각도를 블레이드 내로 유입되는 공기의 상대유동과 일치시켜 주고 입구측에서는 작은 반경로 곡율을 크게 해주고, 블레이드 출구측은 블레이드 석션부 표면의 역압력기울기와 와방출을 없애기 위한 방편으로 완만하게 큰 반경으로 구성한 다중 곡율을 갖는 블레이드형상을 취함으로써 블레이드 석션부에서 발생하는 유동박리현상을 억제할 수 있고, 또한 난류경계층에 의한 와방출현상도 억제할 수 있어 제9도의 본 고안 시로코 팬을 장착한 패키지 에어컨디셔너의 소음스펙트럼에서와 같이 현저한 소음저감효과를 얻을 수 있다.

그러나, 상기한 바와 같은 선출원 발명의 빔 처짐형 블레이드의 형상 결정 방법은 콤퓨터 소프트웨어의 출력된 빔 처짐형 방정식(2)에 의한 데이타를 콤퓨터 CAD상에 블레이드 상면 혹은 하면 데이타로 입력시킨후 블레이드의 상대되는 하면 혹은 상면 형상은 업세트(UPSET) 기능으로 곡선을 만들어 인위적으로 플래트(flat)형이나, 에어포일형으로 블레이드 단면을 형성시킨 다음, 역으로 CAD상에서 블레이드 제작에 필요한 데이타를 추출하였기 때문에 설계하는데 시간이 많이 소요되었으며, 지정한 빔 처짐 곡율을 반영한 완벽한 블레이드를 설계할 수 없게 되었다. 따라서, 이같은 플래트한 빔 처짐형 블레이드를 탑재한 시로코 팬의 경우 블레이드 사이의 유로를 통과하는 공기 흐름이 석션부의 블레이드 면에서 완벽한 빔 처짐형의 다중곡율을 만족하지 못하기 때문에 그만큼 소음 측면에서나, 팬 전압효율 측면에서 성능이 떨어지는 결함이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 결함을 해소하기 위하여 창안한 것이다.

이러한 본 발명은 블레이드 입구각도를 유입되는 공기의 상대유동과 일치시키기 위해 블레이드 입구측에서는 작은 반경으로 곡율을 크게 해주고, 블레이드 출구측은 블레이드 석션부 표면에서 역압력 기울기와 난류 경계층이 형성되지 않도록 완만하게 큰 반경으로 구성한 다중 곡율을 갖는 빔 처짐형 에어포일 블레이드 형상의 취함으로서 블레이드 석션부에서 발생하는 유동박리 현상을 억제할 수 있고, 또한, 난류 경계층에의해 발생하는 와방출도 줄일 수 있게 되어 공조기 제품의 저소음화를 달성할 수 있도록 한 것인바, 이러한 본 발명을 첨부한 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제8도는 본 발명 빔 처짐형 에어포일 블레이드가 적용된 임팰러의 구성과 기류흐름을 보인 단면도이고, 제9도는 본 발명 빔 처짐형 에어포일 블레이드형상의 휨 각도 산출관계도이며, 제10도는 본 발명 빔 처진형 에어포일 블레이드 상세도, 제11도는 본 발명 빔 처짐형 에어포일 블레이드의 전산 설계 소프트웨어 플로우챠트를 각각 보인 것으로서, 제8도에서 본 발명 시로코 팬의 빔 처짐형 에어포일 블레이드가 형성된 임팰러는의 각속도로 회전하는 경우 빔 처짐형 블레이드(11)의 리딩에지(11a)로부터 유입되어 트레일링에지(11b)를 거쳐 배출되는 기류의 흐름은 유선(streamtine)과 같은 상태를 나타내게 된다.

그리고, 제9도 및 제10도에서 12는 빔 처짐형 에어포일 블레이드의 캠버라인을 보인 것이고, 13은 에어포일 블레이드의 하면 형상, 14는 에어포일 블레이드의 상면 형상을 각각 보인 것이다.

본 발명은 종래의 빔 처짐형 블레이드의 방정식(2)을 캠버라인으로 삼고, 이 캠의 상부 및 하부면의 데이타는 NACA 4 자리수축 대칭인 윙(wing) 단면 형상을 제10도와 같이, 반영하였을 때 얻어지는 빔 처짐형 에어포일 블레이드형상의 방정식으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

* 상부 표면 방정식 좌표 :

x_u=x-y_tSinΨ^*, y_u=y+y_tCosΨ^*……………………………………………(5)

* 하부 표면 방정식 좌표 :

x₁=x-y_tSinΨ^*, y₁=y+y_tCosΨ^*……………………………………… ……(6)

* 두께 분포 :

±y_t=t/0.2(0.2969-0.126x-0.3516x²+0.2843x³-0.1015x⁴………(7)

* 선단부 반경 :

R_t=1.1019t²…………………………………………………………………(8)

한편, 상기 식들을 종합적으로 연계시켜 콤퓨터 소프트웨어로 제11도와 같이, 계발한 후에 요구되는 풍량, 정압, 임펠러의 외경 및 내경, 회전수, 폭, 그리고 블레이드 갯수 및 두께 등을 입력시킨 다음, 수치해석적으로 최적치를 계산 출력하였을 때, 임펠러의 성능 스펙은 제15도로 출력되며, 빔 처짐형 에어포일의 캠버라인 좌표값은 제12도와 같이, 그리고, 에어포일 상부 및 하부 좌표값은 각각 제13도 및 제14도와 같이 출력될 수 있다.

따라서, 빔 처짐형 에어포일 블레이드를 설계하기 위해서는 종래의 콤퓨터의 CAD상에 블레이드의 일부 데이타를 입력시킨후 유상형 블레이드로 형상을 만드는 과정과는 달리 직접 제13도 및 제14도와 같은 상·하부의 블레이드 데이타를 직접 자동 기계 가공으로 연결시키면 보다 쉽게, 그리고 보다 신뢰성있는 빔 처짐형 에어포일 블레이드를 제작할 수 있으며, 이와 같이 얻어진 블레이드를 시로코 팬 주판(main plate)에 제15도에서의 블레이드 취부각 ?값을 활용하여 세팅시키게 되면 비로소 완벽한 빔 처짐형 에어포일 블레이드 적용 시로코 팬을 만들 수 있게 되었다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 각종 공조기 분야야 적용되는 원심 팬 중 특히, 시로코 팬의 블레이드의 설계를 저소음, 고효율 성능 발휘에 적합하도록 함에 있어서, 설계시 보다 짧은 시간으로 완벽한 성능 효과를 발휘할 수 있도록 종래 선출원 발명을 보완하여 콤퓨터상에서 직접 소프트웨어의 구동시 출력데이타로서 빔 처짐형 에어포일 블레이드형상 데이타를 얻을 수 있게 하여 진정한 빔 처짐 곡율의 에어포일 블레이드를 적용한 시로코 팬을 쉽게 제작할 수 있다. 또한, 저소음화에 유리한 빔 처짐 곡율과 블레이드 선단부에서 후단부까지 공기가 유로를 흐를때 에어포일 블레이드 상하부의 표면 곡율로 인해 높은 양력이 발생되어 흡입력이 증대됨으로서 정압의 상승과 아울러 전압 효율이 상승되어 동일 회전수 대비 모타 동력 감소 및 저소음화에 크게 기여하는 이점이 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 중요한 용도는 공조 분야의 냉난방시 고효율 및 저소음 성능 발휘에 적합하며, 적용분야로서는 룸 에어컨디셔너 및 패키지 에어컨디셔너, 그리고, 각종 환기용 팬에 유리하게 적용할 수 있다.

Claims (1)

1. 시로코 팬의 유로통로(blade passage)에서 발생되는 유동박리와 난류경계층에 의한 와방출에 기인하여 발생되는 난류소음의 억제를 위한 빔 처짐형 블레이드(7)의 형상을 다음의 (5)식 내지 (8)식,

   * 상부 표면 방정식 좌표 :

   x_u=x-y_tSinΨ^*, y_u=y+y_tCosΨ^*……………………………………………(5)

   *하부 표면 방정식 좌표 :

   x₁=x+yt SinΨ^*, y₁=y+y_tCosΨ^*……………………………………… ……(6)

   * 두께 분포 :

   ±y_t=t/0.2(0.2969-0.126x-0.3516x²+0.2843x³-0.1015x⁴)………(7)

   * 선단부 반경 :

   R_t=1.1019t²…………………………………………………………………(8)

   에 의하여 결정함을 특징으로 하는 시로코 팬 빔 처짐형 에어포일 블레이드형상 결정방법.