KR970001834B1 - 횡치 팬용 임펠러 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

횡치 팬용 임펠러

제1도는 전형적인 횡치 팬 배치의 개략도.

제2도는 횡치 팬 임펠러의 사시도.

제3도는 횡치 팬 임펠러의 구획 링의 일부와 블레이드 배치를 도시한 도면도.

제4도는 횡치 팬 임펠러의 부분 절개 사시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 팬 조립체 11 : 외피

14 : 와류 벽 22 : 입구 플리넘

23 : 출구 플리넘 30 : 임펠러

31 : 블레이드 32 : 모듈

33,34 : 구획 디스크

본 발명은 통상 팬 및 송풍기와 같은 공기 이동 장치 분야에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명은 횡치형 팬에 사용되는 임펠러에 관한 것이다. 횡치 팬은 교차 유동 또는 접선식 팬으로 또한 알려져 있다.

횡치 팬의 작동 특성 및 물리적 형상은 이 횡치 팬의 다양한 공기 이동 장비에 특히 적합하게 사용될 수 있게 한다. 이것은 공조 및 환기 장치에 폭넓게 사용되고 있다. 이러한 장치는 거의 항상 사무실 등과 같이 사람이 있는 곳에서 또는 그 근처에서 작동되므로, 설계 및 제조의 중요한 목적은 정숙 작동 관점이다.

제1도는 전형적인 횡치 팬 설비의 일반적인 배치 및 공기 유동 경로를 개략적으로 도시하고 있다. 제2도는 전형적인 횡치 팬 임펠러의 주요 특징부를 도시하고 있다. 팬 조립체(10)는 임펠러(30)가 내부에 위치하는 외퍼(11)를 포함하고 있다. 임펠러(30)는 통상 원통형이고, 외부 표면을 따라 종측 방향으로 배치된 다수의 블레이드(31)를 구비하고 있다. 임펠러(30)가 회전함에 따라, 외퍼의 입구(21)로부터 입구 플리넘(inlet pienum, 22)과 임펠러(30)와 출구 플리넘(23)을 차례대로 거쳐서 외퍼의 출구(24)를 통해 배출되도록 공기를 유동시킨다. 후방 또는 안내벽(15)과 와류 벽(vortex wall, 14)은 각각 입구 플리넘(22)과 출구 플리넘(23)의 일부를 형성한다. 횡치 팬의 일반적인 작동 원리는 잘 알려져 있으며 본 발명의 이해에 필요한 것 외에는 자세히 설명할 필요가 없다.

횡치 팬이 작동할 때, 일정량의 소음이 발생하게 된다. 이 팬의 전체 소음량의 주요한 요소 중의 하나는 팬 블레이드의 개수와 팬의 회전 속도를 곱한 것에 해당되는 주파수를 갖는 음색(블레이드 속도에 따라 음색)이다. 와류 벽을 지난 블레이드의 통로(passage)는 블레이드 속도에 따른 음색을 발생시킨다. 이산 주파수를 갖는 소음은 동일한 세기(intensity)를 갖는 광대역 소음(broad band noise) 보다 일반적으로 귀에 거슬린다. 선행 기술에 의한 전형적인 횡치 팬에 의해 발생된 블레이드 속도에 따른 음색은 정숙 작동을 요하는 설비에는 이러한 팬의 사용이 제한받게 된다.

선행 기술에 의한 적어도 하나의 공지 문헌은 횡치 팬에 의해 발생되는 블레이드 속도에 따른 음색 소음(blade rate tonal noise)을 감소시키는 수단을 제한하고 있다. (수지오 등의 1985년 9월 3일자로 공고된) 미합중국 특허 제4,538,963호는(이 특허에서는 피치각으로 명명된) 외주연 블레이드의 간격이 무작위(random)인 횡치 팬의 임펠러를 개시하고 있다. 무작위인 블레이드 간격은 소음 감소에는 효과적일 수 있으나, 정역학적 및 동역학적 균형 문제를 초래하고 제조하기가 어렵게 된다.

블레이드 속도에 따른 음색 소음은 횡치형 팬으로 한정되는 것은 아니다. 알.씨. 멜린과 지. 소브란(이하 멜린과 소브란)에 의해 (1969년에) 미합중국 기계 공학 학회지의 번호 69 WA FE-23에 발표된 제목이 팬 로터에 의해 생성된 공기 역학적 음색 특성의 제어라는 논문은 축류(axial flow)형 또는 프로펠러식 팬과 관련된 블레이드 속도에 따른 음색 소음에 관해 서술하고 있으며 블레이드 속도에 따른 음색 소음을 최소화하기 위해 비균일 블레이드 간격을 갖는 팬을 설계하는 기술을 제시하고 있다. 멜린과 소브란은 축류 팬 만을 발표했다. 더욱이, 이 저자는 이 기술이 격리된 로터(isolated rotor)로 한정되고 이 로터의 상류 또는 하류에 몸체를 위치시킴으로써 음향학적 상호 작용 및 블레이드 속도에 따른 음색과 다른 음색의 발생을 초래한다고 기술하였다. 멜린과 소브란은 이 기술이 축류형 외의 팬에 적용될 수 있다는 것을 설명 또는 제안하지 않았을 뿐만 아니라 횡치 팬 설비 내의 와류 벽과 같은 몸체의 존재가 멜린과 소브란의 기술이 횡치팬에 적용될지 의문시 될 만큼 음색을 상호 작용시키고 또한 발생시킬 것이라고 제안하였다.

더욱이, 멜린과 소브란의 설명에 의해 제조된 적어도 하나의 축류 팬의 변형예는 그 논문에서 저자가 인정한 것처럼 균형을 이룰 수 없을 것이다.

또한, 멜린과 소브란은 이 방법에 의해 이격된 블레이드를 갖는 축류 팬은 블레이드 속도에 따른 주파수 성분을 갖는 소음 수준을 감소시킬 수 있으나, 전체 소음 수준은 균등 이격된 블레이드를 갖는 유사한 팬에 비해서 거의 변화가 없을 것이라고 설명하였다.

본 발명은 종래의 횡치 팬 임펠러에 비하여 블레이드 속도에 따른 음색 및 전체 소음 수준을 현저히 감소시키는 형상을 갖는 횡치 팬 임펠러에 관한 것이다. 본 출원인은 축류 팬에 관한 멜린과 소브란의 원리가 횡치 팬 내에 있는 블레이드의 간격에 일치하도록 적용함으로써 이러한 감소를 달성 할 수 있었다. 또한, 본 발명에 의해 임펠러는 멜린과 소브란의 기술의 소정의 변형을 위하여 정적 균형이 이루어지도록 제조될 수 있다.

블레이드의 각각이 임펠러의 스팬(span)을 완전히 가로질러 연장하는 블레이드를 구비하기 보다는 길이 방향으로 적어도 2개의 모듈로 분리된다. 이 모듈들은 구획 디스크에 의해 한정된다. 각 모듈 내에서는, 한쌍의 인접한 구획 디스크들 사이에서 블레이드들이 길이 방향으로 연장한다. 각 모듈의 외주연 주위의 이 블레이드의 회전 각도(angular) 간격은 멜린과 소브란의 기술을 적용함으로써 결정된다. 각 모듈내의 블레이드 배치는 동일하다.

각 모듈은, 한 모듈 내의 소정의 블레이드가 360도를 임펠러 내의 전체 모듈의 수로 나눈 각도로 인접하는 모듈 내의 대응 블레이드로부터 외주연 방향으로 이격 배치되어 있다. 이러한 방법으로, 비록 하나의 모듈이 불균형이 되더라도, 완전한 임펠러를 형성하는 모듈의 전체 조립체는 균형을 이루게 된다.

제1도 및 제2도를 참조로 하여, 상기 발명의 배경 부분에서 횡치 팬의 기본적인 구성 및 작동에 관한 정보를 제공하였다. 본 발명에 의한 임펠러는 제2도의 임펠러(30)와 같이 제조될 수 있다. 임펠러(30)는 몇 개의 모듈(32)로 구성되는데, 이 각각은 인접한 구획 디스크(33)의 쌍에 의해 한정된다. 각각의 인접한 한쌍의 디스크 사이에서 다수의 블레이드(31)가 길이 방향으로 연장되고 있다. 각 블레이드는 길이 방향의 한 단부에서 한 디스크에 부착되고, 타단부에서 쌍을 이루는 다른 디스크에 부착되게 된다.

각 모듈(32)내에 있는 다수의 블레이드(31)는 이 모듈의 외주연 주위로 균등 이격된 것은 아니다. 차라리, 이것들은 측류 팬의 블레이드용으로 멜린과 소브란의 논문에서 개시된 블레이드 간격 기술에 의해 이격되어 있다. 멜린과 소브란의 논문은 다음과 같은 블레이드 간격에 대한 공식을 제공하고 있다.

이 경우에, n은 1에서 B까지의 정수이고, B는 한 모듈 내에 있는 블레이드의 개수이고, S'n은 n번째 블레이드의 한 지점과 (n+1)번째 블레이드의 유사 지점 사이의 보정되지 않은 회전 각도 간격이고, j는 이 팬의 외주연 주위의 블레이드 간격의 정현파 변조 사이클의 수와 동일한 1 이상의 정수이고, β는 블레이드 간격의 불균일 정도를 나탸내는 0 이상의 인자이다.

소정의 B, j 및 β의 값에 관한 상기 공식은 합산되었을 때 360도에 상당하지 않는 블레이드 간격을 산출할 수 있다. 멜린과 소브란의 논문은 이 사실을 인지하여 다음과 같은 공식을 제공하고 있다.

이 경우에, Sn은 블에이드의 보정된 회전 각도의 간격이다. 이러한 블레이드의 보정된 회전 각도의 간격은 360도에 상당하는 모든 개별 블레이드의 회전 각도의 간격의 합산을 산출하게 된다.

제3도는 이에 부착되는 블레이드(31)를 구비한 구획 디스크(34)의 일부를 도시한 횡단면도이다. 이 도면은 n번째 블레이드와 n+1번째 블레이드 사이의 개별 블레이드의 간격(Sn)을 이것의 인접부 사이의 간격과 함께 도시하고 있다.

멜린과 소브란의 논문은 B와 j의 함수로서 β의 최저값(β_opt)을 결정하기 위한 방법을 포함하고 있다. 이 방법은 다음과 같은 공식으로 구체화 된다. B/j의 값이 20 이하인 경우에는 β_opt=a₀+a₁(B/j)-a₂(B/j)²+a₃(B/j)³이고, B/j의 값이 20 이상인 경우에는 β_opt=b₀+b₁(B/j-20)의 공식이 적용되며, 이 경우에 a₀,a₁,a₂,a₃,b₀, 및 b₁은 각각 8.964×10^-1, 8.047×10^-2, 4.730×10^-3, 9.533×10^-5, 1.367, 및 1×10^-3의 상수값을 가진다.

전형적인 환기 장치 또는 공조 설비에 사용되기에 적절한 크기의 횡치 팬의 경우에, 임펠러의 한 모듈 내의 블레이드의 개구(B)는 20 내지 40의 범위를 가져야 한다는 것을 알 수 있었다.

팬의 외주연 주위의 블레이드 간격의 정현파 변조 사이클의 개수(j)가 하나이며, 이 팬은 정역학적으로 불균형이 될 것이다, 이러한 사실은 축류 팬의 경우에는 용인될 수 없으나, 비록 j가 1이 될지라도 후술할 이유로 인하여 본 발명에 의한 횡치 팬의 경우에는 가능하다. 그럼에도 불구하고 양호하게는 j는 적어도 2이상이 된다. 한편으로는 j 값을 너무 크게 하면, 임의의 인접한 블레이드 쌍 사이의 최종적인 간격은 너무 작게 되고 다른 쌍 사이의 간격은 너무 크게 된다. 2 내지 8 범위의 j값이 양호한 결과를 얻을 수 있다는 것을 알게 되었다.

본 발명에 의한 횡치 팬 임펠러에 있어서, 각 모듈 내의 브레이드 간격은 동일하며, 즉 각 모듈 내의 간격은 B, j 및 β의 동일한 값에 따르게 된다. 그러나, 한 모듈 내의 한 블레이드는 소정의 임펠러의 전체 모듈 개수로 360도를 나눈 각도량에 의해 인접 모듈 내의 대응 블레이드로부터 이격되도록 배치되어 있다. 이를 설명하기 위하여 제4도에는 임펠러(30)의 2개의 모듈의 부분 절개된 등각도가 도시되어 있다. I₁은 한 모듈 내의 n번째 블레이드의 외주연 위치이다. I₂는 인접한 모듈 내의 n번째 블레이드의 외주연 위치이다. I₂는 I₁으로부터 각도(A)만큼 이격 배치되어 있다. M이 임펠러 내에 있는 모듈의 개수인 경우 A는 360/M도에 해당하게 된다. 본 발명에 의한 임펠러는 적어도 2개의 모듈을 구비하고 있으므로, 각 모듈은 j의 값이 1에 해당하는 간격을 가질 수 있다. 2개의 모듈이 있는 경우에, 한 모듈에서의 블레이드의 최소 간격의 지점, 즉 최대 중량 지점은 다른 모듈 내에서의 최소 간격 지점으로부터 180도 만큼 이격 배치되어 있다. 따라서, 함께 고려된 2개의 모듈을 포함하는 전체 임펠러는 균형을 이룰 것이다. 만약 임펠러가 3개 또는 그 이상의 모듈을 구비한다면, 물론 모듈들 사이의 각 변위는 임펠러의 한단부로부터 타단부로 이어지는 모듈 상에서 동일한 방향, 즉 시계 방향 또는 반시계 방향으로 적용되어야 한다.

본 발명에 의한 횡치 팬에 있어서, 그러할 경우는 없겠지만 다른 모듈의 블레이드와 동일한 또는 거의 동일한 각 변위가 되는 적어도 한 블레이드가 소정의 모듈내에 존재할 수 있다. 이러한 구성(lineup)의 개수는 많지 않아서 서술한 바와 같이 블레이드를 배치하는 효과가 감소하지 않는다.

본 발명에 의한 임펠러를 사용하는 팬을 제작하여 시험하였다. 이 임펠러는 35개의 블레이드를 갖고(B=35), 외주연 주위로 4개의 블레이드 변조 사이클을 구비하여(j=4), β값의 최적값(β_opt)이 1.34가 되게 한다. 이하의 표는 블레이드의 회전 각도 간격을 도시하고 있다.

이 팬은 균일하게 이격된 블레이드를 갖는 유사한 팬에 비하여 블레이드의 속도에 따른 음색 주파수에 있어서 1/3 옥타브 대역 측정 방벙(one third octave band)으로 8데시벨(dB)의 소음 수준 감소를 보였고 A웨이팅된 전체 음향력 수준(overall A-weighted sound power level)으로는 6데시벨(dB_A) 감소를 보였다.

Claims (4)

1. 종방향을 따라 이격되고 임펠러의 회전측 상에 수직하게 중심을 둔 적어도 3개의 평행한 디스크 부재(34)와, 상기 임펠러의 회전축에 대해 평행하게 종방향으로 정렬되고 회전축으로부터 방사상으로 외향 연장되고 또는 상기 디스크 부재의 인접한 쌍들 사이에 정착된 적어도 2개의 다수의 블레이드(31)를 각각 포함하는 적어도 2개의 블레이드 모듈(32)을 구비한 형태의 횡치 팬의 개량된 임펠러(30)에 있어서, 각 모듈 내에 있는 상기 블레이드의 인접한 쌍들 위의 유사한 지점들 사이의 회전 각도 간격이 공식,에 의해 결정되고, (m+1)번째 모듈 내에 있는 n번째 블레이드의 위치는 m번째 모듈 내에 있는 n번째 블레이드로부터 360도를 M으로 나눈 값에 해당하는 각 변위 만큼 외주연 상으로 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 임펠러. 단, n은 1에서 B까지의 정수이고, B는 한 모듈 내에 있는 블레이드의 개수이고, Sn은 n번째 블레이드의 일지점과 (n+1)번째 블레이드의 유사 지점 사이의 회전 각도 간격이고, m은 1에서 M까지의 정수이고, M은 상기 임펠러 내에 있는 상기 모듈의 개수이고, 또한 j를 상기 모듈의 외주연 주위의 블레이드의 정현파 간격 변조 사이클의 개수에 해당하는 1 이상의 정수라 하고 β를 B/j의 값이 20 이하이면 8.964×10^-1+×10^-2·(B/j)-4.730×10^-3·(B/j)²+9.533×10^-5·(B/j)³에 해당하고 B/j의 값이 20 이상이면 1.376+.0.001·(B/j-20)에 해당하는 양수라 할 때 Sn'는 공식로부터 계산된 n번째 블레이드의 한 지점과 (n+1)번째 블레이드의 유사 지점 사이의 보정되지 않은 회전 각도 간격이라함.
2. 제1항에 있어서, 적어도 3개의 상기 모듈을 구비하고 있으며, (m+1)번째 모듈 내에 있는 n번째 블레이드가 m번째 모듈 내에 있는 n번째 블레이드로부터 외주연 상으로 이격 배치된 것과 동일한 방향(즉, 시계 방향 또는 반시계 방향)으로 (m+2)번째 모듈 내에 있는 n번째 블레이드의 위치가 (m+1)번째 모듈 내에 있는 n번째 블레이드로부터 외주연 상으로 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 임펠러.
3. 제1항에 있어서, B가 20 내지 40의 값이고 j가 2 내지 8 사이의 값인 것을 특징으로 하는 임펠러.
4. 제1항에 있어서, B의 값은 35이고, j의 값은 4이고, 또한 β의 값은 1.34인 것을 특징으로 하는 임펠러.