KR101105820B1

KR101105820B1 - 유동채널 벽면에 가이드베인을 가지는 재생형 유체기계

Info

Publication number: KR101105820B1
Application number: KR1020110048611A
Authority: KR
Inventors: 이경용; 최영석
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2011-05-23
Filing date: 2011-05-23
Publication date: 2012-01-19
Also published as: WO2012161436A3; US9551354B2; US20140079543A1; WO2012161436A2; DE112012002199T5

Abstract

본 발명은 유동채널 벽면에 유체의 유동을 안내하는 가이드베인이 돌출 형성되어 임펠러홈에 유입되는 유체의 각도를 변화시킴으로써 임펠러 홈 내부의 와류발생에 의한 에너지 손실을 줄일 수 있는 유동채널 벽면에 가이드베인을 가지는 재생형 유체기계에 관한 것이다.
이를 위해, 외측 둘레에 일정간격을 이루어 방사형으로 형성된 다수의 베인이 구비된 원판 형태의 임펠러; 임펠러가 내장되는 케이싱; 및 양단에 흡입구와 토출구가 각각 구비되며, 베인들과 마주보도록 케이싱의 내측에 원주방향으로 형성된 유동채널;을 포함한 재생형 유체기계에 있어서, 임펠러홈에 유입되는 유체의 상대 유입각(β)이 커지도록 유동채널의 벽면에 임펠러의 회전방향으로 반경방향과 경사각(θ)을 이루는 다수의 가이드베인을 돌출 형성시킴으로써 유체의 절대 유입각(α)을 작게 하는 것을 특징으로 하는 유동채널 벽면에 가이드베인을 가지는 재생형 유체기계가 제공된다.

Description

유동채널 벽면에 가이드베인을 가지는 재생형 유체기계{Regenerative type fluid machinery having guide vane on channel wall}

본 발명은 재생형 유체기계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유동채널 벽면에 유체의 유동을 안내하는 가이드베인이 돌출 형성되어 임펠러홈에 유입되는 유체의 각도를 변화시킴으로써 임펠러 홈 내부의 와류발생에 의한 에너지 손실을 줄일 수 있는 유동채널 벽면에 가이드베인을 가지는 재생형 유체기계에 관한 것이다.

재생형 유체기계는 일반적인 원심형 또는 축류형 유체기계에 비해 단순한 구조로 내구성이 우수할 뿐만 아니라 상대적으로 적은 유량에서 큰 양정을 얻는데 적합한 특징을 가지고 있다. 이와 같은 재생형 유체기계는 고압을 필요로 하는 자동차용 연료펌프, 산업용 고압 송풍기 또는 연료전지용 송풍기 등에 적용되고 있으며 소형화, 펌핑효율의 향상 등에 관한 위한 연구가 이루어지고 있다. 특히 재생형 유체기계는 송풍기 분야에서 링블로워(Ring Blower)로 알려져 있는데, 이를 중심으로 종래기술의 문제점을 설명하기로 한다.

도 1은 종래기술에 따른 링블로워의 일례를 나타내는 분해사시도이고, 도 2는 도 1의 조립상태를 나타내는 단면도이다. 종래기술에 따른 링블로워는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 원판 형태의 임펠러(10)가 한 쌍의 케이싱(20) 내부에 설치되는 구조를 가진다. 임펠러(10)는 양면의 외측 둘레에 일정간격을 이루어 방사형으로 형성된 다수의 베인(12)이 각각 구비되고, 베인(12) 사이마다 임펠러홈(14)이 형성되어 있다. 이와 같은 임펠러(10)는 모터(미도시)에 의해 회전 구동하게 된다.

그리고, 한 쌍의 케이싱(20) 내측에는 상기 임펠러홈(14)들과 마주보는 고리 형태의 유동채널(30)이 각각 구비되고, 각각의 유동채널(30)은 분리된 유동장을 형성하게 된다. 이와 달리 임펠러(10)의 일면에만 임펠러홈(14)이 형성되고, 이와 대응되는 하나의 유동채널(30)을 갖는 구조도 있다. 그리고, 유동채널(30)의 양단에는 흡입구(32)와 토출구(34)가 구비되어 있다.

이와 같은 구성을 갖는 링블로워는 임펠러(10)가 회전함에 따라 기체가 유동채널(30)의 흡입구(32)를 통해 유입되고, 임펠러(10)가 회전함에 따라 임펠러홈(14)과 유동채널(30) 사이를 순환하며 에너지가 누적된 고압의 기체가 토출구(34)를 통해 배출된다.

한편, 링블로워와 같은 재생형 유체기계의 성능향상을 위해서는 유체의 유동특성을 정확하게 파악하여 에너지 손실에 따른 펌핑효율의 저하를 방지할 필요가 있다. 이를 위해 상대속도 개념을 도입하여 재생형 유체기계에서의 유동특성을 살펴보기로 한다.

도 3은 유동채널과 임펠러홈에서 유체의 유동특성을 설명하기 위한 도면이다. 도 3에 표시된 다수의 작은 화살표들은 유체의 유동에 따른 속도벡터들을 나타낸다. 이에 의하면 임펠러(10)가 시계방향으로 회전함에 따라 유체가 유동채널(30)에서 임펠러홈(14)의 내측으로 유입되어 임펠러홈(14)의 외측으로 유동하고 다시 유동채널(30)로 복귀하는 순환 흐름이 나타나 있다. 이러한 순환 흐름이 다수의 임펠러홈(14)과 유동채널(30)에서 반복적으로 이루어짐으로써 유체의 압력이 높아지게 되는 것이다.

도 3에 도시된 큰 화살표는 상대속도 개념을 도입하여 상기 순환 흐름을 간략하게 도식화한 것이다. 도면부호 Va는 유동채널(30)에서 임펠러홈(14)으로 유입되는 유체의 절대속도를 나타내고, Vb는 시계방향으로 회전하는 임펠러(10)의 속도를 나타낸다. 그리고, Vc는 임펠러(10)가 상대적으로 회전함을 반영한 임펠러홈(14)에 유입되는 유체의 상대속도를 나타낸다. 이때, 유체의 절대속도(Va)와 상대속도(Vc)는 임펠러(10)의 속도(Vb)와 각각 절대 유입각(α)과 상대 유입각(β)을 이루게 된다.

한편, 도 3에서와 같이 유체의 상대 유입각(β)은 임펠러 베인(12)의 날개각도와 차이를 이루고 있는데, 이러한 유동이 임펠러홈(14) 내부에서 와류를 발생시키고 이에 따른 에너지 손실로 재생형 유체기계의 펌핑효율이 크게 저하되는 문제점이 있다. 이때, 유체가 임펠러홈(14)에 유입되는 상대 유입각(β)이 베인(12) 의 날개각도와 차이가 클수록 와류발생에 의한 에너지 손실이 더욱 커진다는 것을 알 수 있다.

따라서 유체의 상대 유입각(β)을 크게 함으로써, 다시 말하면 유체의 상대속도(Vc)의 방향이 베인(12)과 평행하도록 하여 임펠러홈(14)에 유입시킴으로써 와류발생을 최소화하고 재생형 유체기계의 성능을 향상시킬 수 있다.

그러나, 종래에는 재생형 유체기계의 성능향상을 위해 주로 임펠러(10)의 베인(12)과 임펠러홈(14)의 형상을 개선하는 것에 초점이 맞추어져 있었다. 이와 같은 경향은 임펠러(10)의 형상을 제작하는 것이 갈수록 까다로워지고, 제작비용이 많이 소요되는 문제점이 있었다.

또한, 종래기술은 유체의 유동특성에 대한 연구가 제대로 이루어지지 않은 상태에서 임펠러(10)의 설계가 이루어지기 때문에 재생형 유체기계의 성능을 향상시키는데 한계가 있었다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 임펠러홈에 유입되는 유체의 각도를 변화시킴으로써 임펠러 홈 내부의 와류발생에 의한 에너지 손실을 줄일 수 있는 유동채널 벽면에 가이드베인을 가지는 재생형 유체기계를 제공하는 데 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여,

외측 둘레에 일정간격을 이루어 방사형으로 형성된 다수의 베인이 구비된 원판 형태의 임펠러; 임펠러가 내장되는 케이싱; 및 양단에 흡입구와 토출구가 각각 구비되며, 베인들과 마주보도록 케이싱의 내측에 원주방향으로 형성된 유동채널;을 포함한 재생형 유체기계에 있어서,

임펠러홈에 유입되는 유체의 상대 유입각(β)이 커지도록 유동채널의 벽면에 임펠러의 회전방향으로 반경방향과 경사각(θ)을 이루는 다수의 가이드베인을 돌출 형성시킴으로써 유체의 절대 유입각(α)을 작게 하는 것을 특징으로 하는 유동채널 벽면에 가이드베인을 가지는 재생형 유체기계가 제공된다.

또한, 본 발명에 따른 가이드베인은 흡입구와 토출구측을 제외한 유동채널의 적어도 1/3 이상의 영역에 일정간격으로 형성되는 것이 바람직하다.

그리고, 가이드베인은 유동채널의 바닥면, 외측면 및 내측면에서 적어도 1/3 이상의 영역에 형성될 수 있다.

그리고, 가이드베인의 경사각은 30 ~ 80°인 것이 바람직하다.

그리고, 가이드베인은 유동채널 깊이의 5 ~ 30%의 높이로 형성되는 것이 바람직하다.

그리고, 가이드베인의 간격은 베인의 간격과 동일한 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 가이드베인은 사각 형태의 단면을 가질 수 있다. 이와 달리 가이드베인은 삼각 형태의 단면을 가질 수도 있고, 반원 또는 타원 형태의 단면을 가지는 것도 가능하다.

본 발명에 따른 재생형 유체기계는 임펠러의 형상을 변경하지 않고서도 재생형 유체기계의 성능을 개선할 수 있는 이점이 있다. 예를 들면 임펠러 베인의 형상을 프로펠러 형태와 같이 경사지게 하는 것과 비교할 때 제조비용이 적게 드는 장점이 있다. 또한, 유동채널의 벽면에 유체의 유동을 안내하는 가이드베인이 구비되어 임펠러홈에 유입되는 유체의 각도를 변화시킴으로써 와류발생에 의한 에너지 손실을 최소화하고 펌핑효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 재생형 유체기계는 가이드베인의 단면 형상이 사각, 반원 또는 타원 형태를 가지고 유동채널의 벽면에 돌출 형성된다. 따라서 케이싱 제작시에 주조, 단조 등의 방법으로 가이드베인과 유동채널을 동시에 형성하기가 용이하다. 즉, 가이드베인을 형성하기 위한 추가적인 비용을 들이지 않고서도 재생형 유체기계의 성능향상을 꾀할 수 있는 이점이 있다.

아울러, 본 발명은 펌핑효율이 낮은 종래 재생형 유체기계의 문제점을 해결함으로써 산업 전반에 걸쳐 그 적용범위를 확대할 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관된 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

도 1은 종래기술에 따른 링블로워의 일례를 나타내는 분해사시도,
도 2는 도1의 조립상태를 나타내는 단면도,
도 3은 유동채널과 임펠러홈에서 유체의 유동특성을 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 재생형 유체기계의 케이싱의 일부를 나타내는 사시도,
도 5는 도 4의 정면도,
도 6a 및 6b는 본 발명에 따른 가이드베인의 변형예를 나타내는 정면도,
도 7은 본 발명에 따른 재생형 유체기계에서의 유동특성을 설명하기 위한 개략도,
도 8은 본 발명의 유동채널에서의 개선된 유선형태를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 도면부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면에 표시되었다 하더라도 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.

먼저, 본 발명에 따른 유동채널 벽면에 가이드베인을 가지는 재생형 유체기계의 구성에 대하여 설명한다.

설명에 앞서 본 발명은 링블로워를 포함한 송풍기, 재생 펌프 등의 각종 재생형 유체기계에 적용가능함을 미리 밝혀 둔다. 그리고, 본 발명에 따른 임펠러(10)의 구성 및 작용효과는 앞선 배경기술의 설명과 동일하므로 중복된 설명을 줄이고 관련된 설명은 도 1 및 도 2를 참조하기로 한다.

임펠러(10)는 원판 형태를 가지고, 일면 또는 양면의 외측 둘레에 일정간격을 이루어 방사형으로 형성된 다수의 베인(12)이 구비된다. 그리고, 베인(12) 사이마다 임펠러홈(14)이 형성되어 있다. 임펠러홈(14)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 반원 형태의 단면 형상을 가질 수 있다. 또한, 유체의 유동특성을 고려하여 타원 혹은 사각 형태로 제작할 수 있으며 단면적을 달리한 변형된 형태를 가질 수 있다.

임펠러(10)는 임펠러홈(14)과 대응된 위치에 유동채널(30)이 형성된 케이싱(20)에 내장되는데, 이와 같은 구조를 가진 재생형 유체기계를 사이드채널형(side channel type)이라고 한다. 이러한 사이드 채널형의 임펠러(10)는 임펠러홈(14) 없이 베인(12)만 구비된 형태를 가질 수도 있다. 한편, 도면에는 도시되어 있지 않지만 임펠러(10)의 반경방향 끝단이 개방되고 그 둘레를 따라 유동채널(30)이 형성된 오픈채널형(open channel type)이 있는데, 본 발명에 따른 재생형 유체기계는 사이드채널형뿐 아니라 오픈채널형에도 적용될 수 있음을 밝혀 둔다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 재생형 유체기계의 케이싱의 일부를 나타내는 사시도이고, 도 5는 도 4의 정면도이다. 유동채널(30)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 케이싱(20)의 내측에 고리 형태로 형성되고, 상술된 임펠러(10)의 베인(12) 및 임펠러홈(14)들과 마주보게 된다. 그리고, 유동채널(30)의 양단에는 흡입구(32)와 토출구(34)가 각각 구비되는데, 흡입구(32)와 토출구(34)는 임펠러(10)의 축방향 혹은 반경방향으로 케이싱(20)에 형성된다.

유동채널(30)은 상기 임펠러홈(14)과 대응된 단면 형상을 가지는 것이 바람직하다. 본 실시예에 의하면 유동채널(30)은 도 4에 도시된 바와 같이 바닥면(30a), 외측면(30b) 및 내측면(30c)의 벽면을 가진 U자 형태의 단면을 가지고 있다.

가이드베인(40)은 임펠러홈(14)에 유입되는 유체의 각도를 변화시키는 역할을 한다. 가이드베인(40)은 도 4에서와 같이 직사각 형태의 단면을 가진 긴 띠 형태로 상기 유동채널(30)의 흡입구(32) 근처로부터 토출구(34) 근처까지 바닥면(30a), 외측면(30b) 및 내측면(30c)의 벽면을 따라 다수가 일정간격으로 돌출 형성된다. 이때, 가이드베인(40)은 케이싱(20)과 일체를 이루어 케이싱(20) 제작시 유동채널(30)과 동시에 형성되는 것이 바람직하다.

가이드베인(40)은 유체의 유동저항을 고려하여 사다리꼴, 삼각, 반원 혹은 타원 등 다양한 형태의 단면을 가지도록 설계할 수 있다.

또한, 가이드베인(40)은 유체의 유동특성에 따라 유동채널(30) 깊이의 약 5 ~ 30%의 높이로 형성되는 것이 바람직한데, 이는 유동채널(30)을 통한 유체의 흐름을 방해하지 않으면서 후술하는 임펠러홈(14)으로 유체를 안내하는 작용을 유지하기 위함이다.

한편, 가이드베인(40)은 도 5에 도시된 바와 같이 유체의 유동특성에 따라 케이싱(20)의 반경방향과 약 30 ~ 80°의 경사각(θ)을 이루는 것이 바람직하다. 도 5에서 다수의 가이드베인(40)이 반시계 방향으로 기울어져 있는데, 이때 임펠러(10)는 도 5의 화살표와 같이 시계방향으로 회전한다. 또한, 가이드베인(40)의 간격은 유체의 유동특성에 따라 넓히거나 줄일 수 있는데, 가장 바람직한 형태는 상술된 임펠러(10)의 베인(12) 간격과 동일하게 하는 것이다.

도 6a 및 6b는 본 발명에 따른 가이드베인의 변형예이다. 가이드베인(40)은 도 6a에서와 같이 흡입구(32)와 토출구(34)측을 제외한 유동채널(30)의 적어도 1/3 이상의 영역에 일정간격으로 형성될 수 있다. 이는 가이드베인(40)의 역할이 임펠러홈(14)에 유입되는 유체의 각도를 변화시키는 것인데 흡입구(32) 및 토출구(34)와 인접한 영역에서는 필요가 없으며, 유동채널(30)의 중간 영역에만 가이드베인(40)이 형성된 경우에도 유동이 안정화되는 부분이 중간 영역이어서 그 효과에 있어서 큰 차이가 없기 때문이다.

또한, 본 발명에 따른 가이드베인(40)은 도 6b에 도시된 바와 같이 유동채널(30)의 바닥면(30a)과 내측면(30c)의 일부 영역에서만 형성될 수 있다. 이와 유사하게 가이드베인(40)은 유동채널(30)의 바닥면(30a), 외측면(30b) 및 내측면(30c)에서 적어도 1/3 이상의 영역에서만 형성될 수 있는데, 이때 가이드베인(40)은 길이방향으로 연속적이거나 단속적인 형태를 가질 수 있다.

이하, 상술된 구성을 갖는 본 발명에 따른 유동채널 벽면에 가이드베인을 가지는 재생형 유체기계의 작용효과에 대하여 설명한다.

먼저, 도 3을 참조하여 임펠러홈(14)에서 유체의 순환 흐름을 설명한다. 앞서 설명한 바와 같이 임펠러(10)가 시계방향으로 회전함에 따라 유체가 유동채널(30)에서 임펠러홈(14)의 내측으로 유입되어 임펠러홈(14)의 외측으로 유동하고 다시 유동채널(30)로 유입된다.

다음으로, 임펠러홈(14)의 외측으로부터 유동채널(30)로 유입된 유체는 도 5에 도시된 가이드베인(40)의 좌측면을 따라 내측으로 유동하게 되고, 앞서 설명한 임펠러홈(14)의 내측으로 다시 유입된다. 이와 같은 흐름은 다수의 임펠러홈(14)와 가이드베인(40)에서 반복적으로 이루어지게 된다. 여기서, 가이드베인(40)은 유동채널(30)에서 유체의 흐름을 안내함으로써 상기 임펠러홈(14)에 유입되는 유체의 절대 유입각(α)을 감소시키는 역할을 한다.

도 7은 본 발명에 따른 재생형 유체기계에서의 유동특성을 설명하기 위한 개략도이다. 도 7에 점선으로 표시된 화살표는 종래 재생형 유체기계에서의 유체 및 임펠러의 속도를 나타내고, 실선으로 표시된 화살표는 본 발명에 있어서의 유체 및 임펠러의 속도를 나타낸다.

종래의 재생형 유체기계는 임펠러홈(14)에 유입되는 유체의 절대속도(Va)와 상대속도(Vc)가 임펠러(10)의 속도(Vb)와 각각 절대 유입각(α)과 상대 유입각(β)을 이루고 있다.

본 발명에 따른 재생형 유체기계는 유동채널(30)의 벽면에 다수의 가이드베인(40)이 구비됨으로써 상기 유체의 절대 유입각(α)이 감소(α")하고, 결국 절대속도(Va")가 증폭된다. 이때, 임펠러의 속도(Vb)는 일정하고 유체의 절대속도(Va")가 커지므로 임펠러홈(14)에 유입되는 유체의 상대속도(Vc")는 작아지며 상대 유입각(β")이 커지게 된다.

결국, 상대 유입각(β")이 커져서 유체가 베인(12)과 거의 평행하게 임펠러홈(14)에 유입시킬 수 있고, 이를 통해 임펠러홈(14) 내부에서 와류발생으로 인한 에너지 손실을 최소화할 수 있는 것이다.

도 8은 본 발명의 유동채널에서의 개선된 유선형태를 설명하기 위한 도면이다. 이에 의하면 종래 재생형 유체기계의 유동채널(30) 영역에서의 유선형태(A)를 나타낸다. 즉, 본 발명에 따른 가이드베인(40)이 없는 경우 도 8에서와 같이 실선으로 나타난 유선형태(A)가 유동채널(30)의 반경방향 내측에서 안쪽으로 만곡된 형태로 나타난다.

그러나, 본 발명에 따른 재생형 유체기계는 다수의 가이드베인(40)이 구비됨으로써 점선으로 표시된 유선형태(B)를 가지게 된다. 즉, 유동채널(30)의 반경방향 내측에서 바깥쪽으로 만곡됨으로써 가이드베인(40)의 형상에 따른 유선형태(B)를 가진다. 이와 같은 유선형태(B)는 가이드베인(40)이 유동채널(30)에서 유체의 흐름을 안내함으로써 나타나고, 임펠러홈(14)에 유입되는 유체의 절대 유입각(α)을 감소시킨다.

상기한 본 발명의 특정 실시예와 관련하여 도면을 참조하여 상세히 설명하였지만 본 발명을 이와 같은 특정 구조에 한정하는 것은 아니다. 당업계에서 통상의 지식을 가진 당업자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상을 벗어나지 않고서도 용이하게 수정 또는 변경할 수 있을 것이다. 그러나 이러한 단순한 설계변형 또는 수정사항에 의한 등가물 및 변형물은 모두 명백하게 본 발명의 권리범위 내에 속함을 미리 밝혀둔다.

10 : 임펠러
12 : 베인
14 : 임펠러홈
20 : 케이싱
30 : 유동채널
30a : 바닥면
30b : 외측면
30c : 내측면
32 : 흡입구
34 : 토출구
40 : 가이드베인
α : 절대 유입각
β : 상대 유입각
θ : 경사각
Va : 유체의 절대속도
Vb : 임펠러의 속도
Vc : 유체의 상대속도

Claims

외측 둘레에 일정간격을 이루어 방사형으로 형성된 다수의 베인(12)이 구비된 원판 형태의 임펠러(10);
상기 임펠러(10)가 내장되는 케이싱(20); 및
양단에 흡입구(32)와 토출구(34)가 각각 구비되며, 상기 베인(12)들과 마주보도록 상기 케이싱(20)의 내측에 원주방향으로 형성된 유동채널(30);을 포함한 재생형 유체기계에 있어서,
상기 임펠러홈(14)에 유입되는 유체의 상대 유입각(β)이 커지도록 상기 유동채널(30)의 벽면(30a, 30b, 30c) 전체에 걸쳐 상기 임펠러(10)의 회전방향으로 반경방향과 경사각(θ)을 이루는 다수의 가이드베인(40)을 돌출 형성시킴으로써 유체의 절대 유입각(α)을 작게 하고, 상기 가이드베인(40)은 상기 유동채널(30) 깊이의 5 ~ 30%의 높이로 형성된 것을 특징으로 하는 유동채널 벽면에 가이드베인을 가지는 재생형 유체기계.
제1항에 있어서,
상기 가이드베인(40)은 상기 흡입구(32)와 토출구(34)측을 제외한 상기 유동채널(30)의 적어도 1/3 이상의 영역에 일정간격으로 형성된 것을 특징으로 하는 유동채널 벽면에 가이드베인을 가지는 재생형 유체기계.
삭제
제1항에 있어서,
상기 가이드베인(40)의 경사각(θ)은 30 ~ 80°인 것을 특징으로 하는 유동채널 벽면에 가이드베인을 가지는 재생형 유체기계.
삭제
제1항에 있어서,
상기 가이드베인(40)의 간격은 상기 베인(12)의 간격과 동일한 것을 특징으로 하는 유동채널 벽면에 가이드베인을 가지는 재생형 유체기계.
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