KR100558375B1

KR100558375B1 - 블래이드 및 이를 구비한 회전동력장치

Info

Publication number: KR100558375B1
Application number: KR1019997009424A
Authority: KR
Inventors: 치 케웅 렝
Original assignee: 치 케웅 렝
Priority date: 1997-04-14
Filing date: 1998-04-08
Publication date: 2006-03-10
Also published as: EP0975516A4; NZ337595A; AUPO620197A0; JP2002511033A; NO994980D0; EP0975516A1; EA199900930A1; CN1252032A; KR20010006339A; EA002323B1; YU49099A; CA2286705C; CN1114544C; WO1998046482A1; IL132307A0; NO994980L; US6354804B1; HK1025292A1; CA2286705A1

Abstract

축(14)으로부터 지지되는 5개의 블래이드를 갖는 프로펠러(11)가 예시되어 있다. 프로펠러(11)는, 관찰자(지면으로부터)와 마주하는 블래이드(13)의 표면(15)을 갖는 것으로 도시되어 있고, 각 표면(15)으로부터 각 블래이드(13)의 후방으로 블래이드(13)를 관통하여 연장되고, 각 블래이드의 연장부에 걸쳐 고르게 분포된 개구(19)를 갖는다. 개구(19)의 축방향 연장부는 프로펠러(11)의 축에 대하여 블래이드(13)의 이동 방향에 정렬된다. 각 개구(19)는 표면(15)의 외주 가장자리로 연장되는 원추형 립(21) 형태의 경사진 가장자리를 포함한다. 개구(19)를 관통하는 유체의 흐름은 프로펠러(11)의 후방에 인접한 유체의 난류를 간섭하고, 프로펠러의 효율성을 개선시키는 것으로 믿어진다.

Description

블래이드 및 이를 구비한 회전동력장치{Blade and Rotodynamic Machine having the Blade}

본 발명은 유체에 작용하는, 특히 선박(craft)의 추진뿐 아니라 펌프의 유체 상에도 작용하는 블래이드에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 수상 선박 추진용으로 작동하는 블래이드, 즉 인 보드(in-board), 아웃 보드(outboard)상의 프로펠러 또는 유람선과 같은 보트의 선미 구동 유니트(stern drive unit), 대형 보트와 선박의 스크루(screw), 제트구동 장치의 임펠러(impellor)와 같은 회전동력장치(rotodynamic machine)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 비행기, 호버선박(hovercraft) 및 헬리콥터의 로터와 같은 공기 이동 프로펠러에도 적용 가능하다. 또한, 본 발명은 펌프 및 터빈 등의 임펠러에도 적용 가능하다.

수상 선박 프로펠러의 문제점은, 프로펠러의 속도가 증가함에 따라서 효율이 감소한다는데 있다. 물에 회전 운동을 전달하고, 또 흐름 및 미끄러짐(slippage)에 난류(turbulence)와 소용돌이(eddy)를 발생시키는 프로펠러 블래이드의 회전 운동에 의해 많은 감소가 유발된다. 속도가 더욱 증가함에 따라, 캐비테이션(cavitation)으로 알려진 치명적 효과(catastrophic effect)도 관찰되기도 한다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것이다. 명세서 전체를 통하여 다른 언급이 없으면, 단어"포함" 또는 "포함한다" 또는 "포함하는" 등의 유사 용어는 언급된 완전체(integer) 또는 완전체 그룹을 내포하는 것으로 의미하지만, 다른 완전체 또는 완전체 그룹을 배제하지는 않는다는 것으로 이해될 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 유체에 작용하는 회전동력장치의 블래이드에 있어서, 블래이드는 대향하는 2개의 표면을 갖고, 그 중 적어도 하나의 표면은 유체에 작용하고, 블래이드는 회전동력장치의 방사방향 연장부에 대체로 수직한 방향으로 2개의 표면 사이에서 블래이드를 통하여 연장되며, 회전동력장치의 축방향 연장부에 수직한 것으로부터 유체를 통해 블래이드의 이동 방향으로부터 30°까지 연장하는그 축방향 연장부와 함께 블레이드를 통하여 연장되는, 전체 블래이드 면적의 20%까지의 총단면적을 가지는 복수 개의 개구를 구비하며, 복수 개의 개구는 블래이드 전체에 대체로 균일하게 퍼진 위치에 배치된다.

바람직하게는, 개구는 전체 블래이드 면적의 10%까지의 단면적을 갖는다. 바람직하게는, 개구는 전체 블래이드 면적의 5%까지의 단면적을 갖는다. 바람직하게는, 개구는 전체 블래이드 면적의 1% 및 3%사이의 단면적을 갖는다. 바람직하게는, 개구는 전체 블래이드 면적의 약 2%의 단면적을 갖는다. 바람직하게는, 개구는 직경 종횡비(aspect ratio)로 1:10의 비율을 갖는다. 바람직하게는, 개구는 직사각형 또는 타원형을 하고 직경 종횡비로 1:4까지, 그리고 바람직하게는, 1: 2까지의 비율을 갖는다. 바람직하게는, 개구는 단면이 원형이다(직경 종횡비로 1:1). 바람직하게는, 개구는 블래이드의 전면에 경사진 선두 가장자리를 포함한다.

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개구의 크기는 유체를 관통하는 블래이드의 속도와 같은 요소에 좌우된다. 이 점에서, 2.5mm 내지 3.5mm의 개구 크기는 블래이드가 동력 보트의 사용을 위한 프로펠러인 경우에 적절하다. 보다 빠른 회전속도 또는 미세한 피치는 큰 개구를 필요로 한다. 한편, 프로펠러의 블래이드이며, 보다 미세한 피치 또는 보다 빠른 회전 속도가 사용되는 경우에, 개구는 블래이드의 보다 큰 단면적을 포함한다.

프로펠러인 경우에, 외측 가장자리(선형 속도가 빠름)의 개구 크기가 축 부근의 개구보다 큰 것이 바람직하다. 개구의 크기는 프로펠러의 외측 가장자리에서 축을 향하여 점진적으로 또는 계단식으로 감소하는 것이 바람직하다. 동력 보트 또는 아웃 보드 모터상의 프로펠러에 대하여, 블래이드 외측 가장자리 근처의 개구 크기는 2.8mm 내지 3.0mm인 반면, 축에 가장 가까운 개구의 크기는 약 2.0mm 내지 2.2mm이다. 블래이드의 외측 가장자리로부터 축에 가장 근접하여 위치된 가장자리를 향한 개구의 크기는 점진적으로 감소한다. 블래이드의 외측 가장자리와 축방향 사이의 개구 크기는, 각 개구를 관통하여 흐르는 유체의 흐름 속도가 전체 블래이드를 가로질러 대체로 일정하고, 전달되는 효과가 전체 프로펠러를 통하여 일정하도록 선택되는 것이 가장 바람직하다.

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바람직하게는, 복수 개의 개구는 프로펠러의 축에 대하여 블래이드의 이동방향으로부터 20°까지 연장하는 축방향 연장부와 나란히 배열된다.

바람직하게는, 복수 개의 개구는 프로펠러의 축에 대하여 블래이드의 이동방향으로부터 10°까지 연장하는 축방향 연장부와 나란히 배열된다.

바람직하게는, 복수 개의 개구는 프로펠러의 축에 대하여 블래이드의 이동방향으로부터 5°까지 연장하는 축방향 연장부와 나란히 배열된다.

바람직하게는, 복수 개의 개구는 프로펠러의 축에 대하여 블래이드의 이동방향으로 대체로 연장하는 축방향 연장부와 나란히 배열된다.

상기에 참조된 각도는 프로펠러의 축에 대한 회전 이동방향에 대한 각도이지 블래이드에 의해 분산된 추진력으로부터 야기된 어떤 성분도 포함하지 않는다. 미세한 피치 블래이드의 경우에 약 20 °보다 큰 개구의 각을 가질 필요가 있다. 프로펠러의 각이 미세하면 할 수록, 개구 경사의 각은 더욱 커진다.

본 발명의 제2 실시예에 따르면, 전술한 바와 같이 적어도 하나의 블래이드를 갖는 회전동력장치가 구비된다. 회전동력장치의 균형을 맞추기 위하여, 2개 이상의 블래이드를 구비하는 것이 바람직하다. 실시예에서, 동력학적으로 균형잡힌 형상으로는 일반적으로 3개 이상의 블래이드가 구비된다.

상기 회전동력장치는 인 보드, 아웃 보드상의 프로펠러 또는 유람선과 같은 보트의 선미 구동 유니트, 배의 프로펠러 또는 스크루, 제트보트의 제트구동 유니트의 임펠러일 수 있다. 유사하게, 회전동력장치는 펌프의 임펠러 및 수력 발전 설비(hydro-electric power generation plant)의 터빈일 수 있다. 또한, 회전동력장치는 비행기 또는 헬리콥터의 로터일 수 있다.

본 발명이 도면을 참조하여 다음의 설명에 의하여 명백해질 것이다.

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도 1은 보트의 아웃 보드 모터용 프로펠러로서 본 실시예의 프로펠러의 회전축에 따른 도면이다.

도 2는 프로펠러 중 하나의 블래이드를 도시하는 도 1의 프로펠러에 대한 방사 방향 단면도이다.

도 3은 도 1의 블래이드 중의 하나에 대한 측단면도이다.

도 1에 따르면, 프로펠러(11) 형태의 회전동력장치(rotodynamic machine)가 도시되어 있다. 프로펠러는 허브(14)로부터 지지되는 5개의 블래이드(13)를 가지며, 관찰자(도시 생략)와 마주하는 이들 블래이드(13)의 표면(15)이 도시되어 있다. 우회전의 프로펠러(11)는 시계방향으로 회전할 때, 보트를 전방으로 추진시키는 추력(thrust)을 발생시킨다. 표면(15)의 각각의 면적은 4,000㎟이고, 블래이드는 80mm의 길이와 50mm의 폭을 갖는다. 표면(15)으로부터 후면(17)으로 각각의 블래이드(13)를 관통하여 연장되는 31개의 개구(19)가 있다. 프로펠러의 외측 가장자리 근처에 위치된 이들 개구는 2.8mm의 직경을 갖는 반면, 허브 근처에 위치된 개구는 2.2mm의 직경을 갖는다. 프로펠러의 외측 가장자리로부터 약 28mm 내지 50mm의 중심밴드에 위치된 개구는 2.5mm의 직경을 갖는다. 개구(19)의 축방향 연장부는 프로펠러(11)의 축에 대한 블래이드(13)의 이동방향에 대체로 정렬된다. 선택적인 실시예에서 개구는 아치형(arcuate)일 수 있지만, 구조의 단순화를 위해서, 개구(19)는 프로펠러의 각 방향 이동에 정렬되는 선형(linear)이다. 개구(19)는 프로펠러(11)의 방사방향 연장부와 축방향 연장부 양자에 대하여 수직이다.

각 개구(19)는 표면(15)상에 원주둘레로 연장되는 원추형 립(21, countersunk lip)형태의 경사진 가장자리(bevelled edge)를 포함한다. 이 원추형 립(21)은 귀따기 공구(de-burring tool)로 개구(19)를 디-스와핑(de-swarfing)할 때 형성되고, 비록 다른 실시예에서 생략될 수도 있지만, 표면을 횡단하는(그리고 개구(19)를 관통하는) 유체 흐름을 보조하는 것으로 믿어진다.

본 실시예의 프로펠러는 소형 알루미늄 딩기(dingy)에 고정된 2마력 아웃 보드 모터에 사용하기 위해 의도된 것이다. 개구(19)를 관통하는 물의 흐름은 프로펠러(11)의 후방부(17)에 인접하는 난류를 간섭하고, 또한 프로펠러의 효율을 증가시키는 것으로 믿어진다.

프로펠러가 보다 강력한 모터에 의해 구동되는 경우에, 개구는 진공과 공기 방울이 프로펠러의 후방을 향하여 형성될 수 있는 곳으로 유체의 흐름이 이루어지도록 하는 것으로 믿어진다. 이 효과는 캐비테이션으로 공지되어 있으며, 이것은 미끄러짐(또는 마찰의 감소)을 유도하고 블래이드 표면에 부식을 초래한다. 다른 실시예와 특히, 프로펠러가 미세한 피치인 경우에, 개구는 블래이드의 후방을 향하여 앞쪽으로 45°수직하게, 또는 미세 피치 프로펠러에서 최대 60°내지 75°까지 연장되고, 개구의 축방향 연장부의 각은 프로펠러의 축방향 연장부에 대하여 측정되나, 축방향 연장부는 프로펠러의 축방향 연장부에 수직을 유지할 수 있다. 본 발명의 범위는 전술된 실시예의 범위에 제한되지 않는다.

본 발명에 따른 블래이드와 회전동력장치에 의해 수상 선박 프로펠러의 효율을 개선한다.

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Claims

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유체에 작용하는 회전동력장치(rotodynamic machine)의 블래이드(blade)에 있어서, 상기 블래이드는 대향하는 2개의 표면을 갖고, 그 중 적어도 하나의 표면은 상기 유체에 작용하고, 상기 블래이드는 상기 회전동력장치의 방사방향 연장부(radial extent)에 대체로 수직한 방향으로 상기 2개의 표면 사이에서 상기 블래이드를 통하여 연장되며, 상기 회전동력장치의 축방향 연장부에 수직한 것으로부터 유체를 통해 블래이드의 이동 방향으로부터 30°까지 연장하는 그 축방향 연장부와 함께 상기 블레이드를 통하여 연장되는, 전체 블레이드 면적의 20%까지의 총단면적을 가지는 복수 개의 개구를 구비하며, 상기 복수 개의 개구는 상기 블래이드 전체에 대체로 균일하게 퍼진 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 블래이드.
제29항에 있어서,

상기 개구는 전체 블래이드 면적의 10%까지의 단면적을 갖는 것을 특징으로 하는 블래이드.
제29항에 있어서,

상기 개구는 전체 블래이드 면적의 5%까지의 단면적을 갖는 것을 특징으로 하는 블래이드.
제29항에 있어서,

상기 개구는 전체 블래이드 면적의 1% 내지 3% 사이의 단면적을 갖는 것을 특징으로 하는 블래이드.
제29항에 있어서,

상기 개구는 전체 블래이드 면적의 2%의 단면적을 갖는 것을 특징으로 하는 블래이드.
제29항에 있어서,

상기 개구는 원형 또는 직사각형의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 블래이드.
제34항에 있어서,

상기 복수 개의 개구는 유체를 관통하는 블래이드의 이동 방향으로부터 20°까지 연장하는 축방향 연장부와 나란히 배열되는 것을 특징으로 하는 블래이드.
제35항에 있어서,

상기 복수 개의 개구는 유체를 관통하는 블래이드의 이동 방향으로부터 10°까지 연장하는 축방향 연장부와 나란히 배열되는 것을 특징으로 하는 블래이드.
제36항에 있어서,

상기 복수 개의 개구는 유체를 관통하는 블래이드의 이동 방향으로부터 5°까지 연장하는 축방향 연장부와 나란히 배열되는 것을 특징으로 하는 블래이드.
제37항에 있어서,

상기 복수 개의 개구는 유체를 관통하는 블래이드의 이동 방향으로 대체로 연장하는 축방향 연장부와 나란히 배열되는 것을 특징으로 하는 블래이드.
제34항에 기재된 블래이드를 적어도 하나 갖는 것을 특징으로 하는 회전동력장치.
제39항에 있어서,

외측 가장자리 부근의 상기 개구의 크기는 축 부근의 상기 개구의 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 회전동력장치.
제40항에 있어서,

상기 개구의 크기는 회전동력장치의 외측 가장자리로부터 축을 향하여 감소하도록 점진적으로 또는 계단식으로 변화하는 것을 특징으로 하는 회전동력장치.
제41항에 있어서,

각 개구를 관통하여 흐르는 유체의 유속이 블래이드를 가로질러 대체로 일정하고, 전달되는 효과가 전체 회전동력장치를 가로질러 균일하도록 블래이드의 외측 가장자리와 축을 향하는 사이 개구의 크기를 판정하는 것을 특징으로 하는 회전동력장치.
제39항에 있어서,

동력학적으로 균형잡힌 형상으로 복수 개의 블래이드가 있는 것을 특징으로 하는 회전동력장치.
제43항에 있어서,

외측 가장자리 부근의 상기 개구의 크기는 축 부근의 상기 개구의 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 회전동력장치.
제44항에 있어서,

상기 개구의 크기는 회전동력장치의 외측 가장자리로부터 축을 향하여 감소하도록 점진적으로 또는 계단식으로 변화하는 것을 특징으로 하는 회전동력장치.
제45항에 있어서,

각 개구를 관통하여 흐르는 유체의 유속이 블래이드를 가로질러 대체로 일정하고, 전달되는 효과가 전체 회전동력장치를 가로질러 동일하도록 블래이드의 외측 가장자리와 축을 향하는 사이 개구의 크기를 판정하는 것을 특징으로 하는 회전동력장치.
제34항에 있어서,

상기 개구는 그 표면상에 경사진 선단 가장자리(bevelled leading edge)를 포함하는 것을 특징으로 하는 블래이드.
제47항에 기재된 블래이드를 적어도 하나 갖는 것을 특징으로 하는 회전동력장치.
제48항에 있어서,

외측 가장자리 부근의 상기 개구의 크기는 축 부근의 상기 개구의 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 회전동력장치.
제49항에 있어서,

상기 개구의 크기는 회전동력장치의 외측 가장자리로부터 축을 향하여 감소하도록 점진적으로 또는 계단식으로 변화하는 것을 특징으로 하는 회전동력장치.
제50항에 있어서,

각 개구를 관통하여 흐르는 유체의 유속이 블래이드를 가로질러 대체로 일정하고, 전달되는 효과가 전체 회전동력장치를 가로질러 균일하도록 블래이드의 외측 가장자리와 축을 향하는 사이 개구의 크기를 판정하는 것을 특징으로 하는 회전동력장치.
제51항에 있어서,

동력학적으로 균형잡힌 형상의 복수 개의 블래이드가 있는 것을 특징으로 하는 회전동력장치.
제52항에 있어서,

외측 가장자리 부근의 상기 개구의 크기는 축 부근의 상기 개구의 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 회전동력장치.
제53항에 있어서,

상기 개구의 크기는 회전동력장치의 외측 가장자리로부터 축을 향하여 감소하도록 점진적으로 또는 계단식으로 변화하는 것을 특징으로 하는 회전동력장치.
제54항에 있어서,

각 개구를 관통하여 흐르는 유체의 유속이 블래이드를 가로질러 대체로 일정하고, 전달되는 효과가 전체 회전동력장치를 가로질러 균일하도록 블래이드의 외측 가장자리와 축을 향하는 사이 개구의 크기를 판정하는 것을 특징으로 하는 회전동력장치.