KR101660565B1 - 비대칭 축류 팬 조립체 - Google Patents

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KR101660565B1 KR1020127023410A KR20127023410A KR101660565B1 KR 101660565 B1 KR101660565 B1 KR 101660565B1 KR 1020127023410 A KR1020127023410 A KR 1020127023410A KR 20127023410 A KR20127023410 A KR 20127023410A KR 101660565 B1 KR101660565 B1 KR 101660565B1
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Abstract

프리-팁형 축류 팬 조립체는 팬 노이즈를 저감하면서 반경방향 팁 편향을 최소화하는 비대칭 분포를 갖는다. 팬 반경에서 전연 에지 비대칭 값과 전연 에지 비대칭 최대값 간의 차이는 적어도 10°이다. 팬 반경에서 후연 에지 비대칭 값과 후연 에지 비대칭 최대값 간의 차이에 대한 팬 반경에서 전연 에지 비대칭 값과 전연 에지 비대칭 최대값 간의 차이의 비율은 적어도 2.5이다.

Description

비대칭 축류 팬 조립체{SKEWED AXIAL FAN ASSEMBLY}
본원은 2010년 3월 10일자로 출원된 미국특허 가출원 제61/312,487호를 우선권 주장하며, 이 가출원은 인용에 의해 그 내용 전체가 본 명세서에 통합되었다.
본 발명은 일반적으로 프리-팁형(free-tipped) 축류 팬들에 관한 것으로, 특히, 자동차 엔진 냉각 팬들로서 사용될 수 있는 프리-팁형 팬들에 관한 것이다.
엔진 냉각 팬들은 내연 기관, 공조기 콘덴서 및 추가적인 열교환기들이 있다면 이들을 냉각시키기 위해 통상적으로 라디에이터를 포함한 일 세트의 열교환기들을 통해 공기를 이동시키기 위해 자동차에서 사용된다. 이 팬들은 일반적으로 재순환을 줄이고 공기를 열 교환기들과 팬 사이로 지향하는 역할을 하는 슈라우드(shroud)에 의해 둘러싸인다.
슈라우드 플리넘(열교환기에 인접한 슈라우드의 부분)은 대체로 직사각형이며, 팬에 대한 유입이 축대칭적이지 않다. 라디에이터는 통상적으로 핀-및-튜브 구조를 가지며, 이는 유입에 대해 추가적인 비-축대칭적 유동 구조의 원인이 된다. 유입에서의 이러한 대칭성의 결여는 불안정한 블레이드 하중과 음향톤의 발생을 유발한다. 또한, 광대역 노이즈의 여러 가지 원인들이 있다. 음성적인 노이즈와 광대역 노이즈를 모두 줄이기 위해, 팬 블레이드들은 흔히 비대칭적으로 된다.
팬들은 통상적으로 플라스틱으로, 기계적 특성이 제한된 재료로 사출 성형된다. 플라스틱 팬들은 고온에서 회전성 및 공기역학적 하중을 받을 때 크리프 편향(creep deflection)을 나타낸다. 이는, 팬이 고온의 공기 속에서 작동하고 다양한 언더-후드 부품들로부터의 복사열을 더 받게 되는, 열교환기들의 하류에 팬이 장착될 때 특히 문제가 된다. 이러한 편향은 디자인 프로세스에서 반드시 고려되어야 한다.
일부 엔진 냉각 팬들이 회전형 팁 밴드들을 갖지만, 다수가 프리-팁형이다. 이 팬들은 블레이드 팁들과 슈라우드 배럴 사이에 팁 갭 또는 작동 간극(running clearance)을 갖도록 디자인된다. 이 팁 갭은 팬 조립체의 내용연한 동안 발생할 수 있는 최대 편향과 제조 공차들을 모두 허용하기에 충분하여야만 한다. 불행하게도, 팁 갭이 크면, 대체로 팬 효율이 낮아지고 팬 노이즈가 증대되는 결과를 유발하게 된다.
프리-팁형 팬들을 이용한 많은 팬 조립체들은 비교적 저출력 조립체들이다. 이 팬들은 다량의 전력을 소비하지 않고, 많은 노이즈를 발생시키지도 않는다. 이들은 흔히 큰 팁 갭들과 최소의 블레이드 비대칭으로 설계된다. 그 결과로 인한 성능의 저하와 소음의 증가가 더 강력한 팬 조립체들의 경우에서 만큼 중요하지 않을 수 있다.
그러나, 다른 팬 조립체들은 상당한 전력을 소비하고 부적절한 노이즈를 만든다. 이 조립체들은 노이즈를 최소화하고 효율을 최대화하도록 디자인되어야만 한다. 이를 위해, 팁 갭이 가능한 작아져야 한다. 따라서, 블레이드 팁의 편향을 최소화하는 팬 디자인이 요구된다. 팬 디자이너가 직면하게 되는 문제는 노이즈 저감을 위해 요구되는 블레이드 비대칭이 편향을 증대시킨다는 것이다.
프리-팁형 팬들은 흔히 정반경 팁 형상을 갖고, 팬 블레이드들과의 최소 간극의 영역 내에서 원통형인 슈라우드 배럴 내에서 작동하도록 디자인된다. 이 경우, 팁 편향의 반경방향 성분이 주요 관심 성분이다. 그러나, 미국특허 제6,595,744호는 블레이드 팁들이 플레어형(flared) 슈라우드 배럴에 부합하는 프리-팁형 엔진 냉각 팬을 개시하고 있다. 이 경우에서, 축방향 및 반경방향 팁 편향이 모두 팁 갭의 크기를 변화시킬 수 있다. 미국특허 제6,595,744호가 주어진 비대칭성에 대하여 블레이드 팁의 축방향 편향을 최소화하는 팬 형태를 더 개시하고는 있으나, 반경방향 편향을 최소화하는 비대칭 분포에 대한 방안을 제시하고 있지는 않다.
본 발명은 팬 노이즈를 줄이기 위해 비대칭이지만 반경방향 블레이드 팁 편향이 작은 팬에 대한 필요에 부응한다. 반경방향 편향을 최소화함으로써, 팁 갭이 최소화될 수 있으며, 성능이 향상될 수 있다.
일 양태에서, 본 발명은 반경(R)과 직경(D)을 갖고 축을 중심으로 회전가능한 팬을 포함하는 프리-팁형 축류 팬 조립체를 제공한다. 상기 팬은 반경(Rhub)을 가진 허브와, 상기 허브로부터 대체로 반경방향으로 연장하는 복수의 블레이드들을 포함한다. 상기 복수의 블레이드들 각각은 전연 에지, 후연 에지, 블레이드 팁, 및 상기 팬 반경(R)과 상기 허브 반경(Rhub) 간의 차이와 동일한 스팬(S)을 갖는다. 상기 팬 조립체의 슈라우드는 상기 블레이드 팁들의 적어도 일부를 둘러싼 슈라우드 배럴을 포함한다. 상기 슈라우드 배럴과 상기 블레이드 팁들 사이에 팁 갭이 규정된다. 상기 복수의 블레이드들 각각은, 축방향으로 투사하여 볼 때, 모든 반경방향 위치에서 전연 에지 비대칭 각도와 후연 에지 비대칭 각도를 갖는 기하학적 형태를 갖는다. 상기 전연 에지 비대칭 각도는 최대값을 갖고, 팬 반경(R)에서 상기 전연 에지 비대칭 각도와 상기 전연 에지 비대칭 각도의 최대값 간의 차이는 적어도 10°이다. 상기 후연 에지 비대칭 각도는 최대값을 갖고, 팬 반경(R)에서 상기 전연 에지 비대칭 각도와 상기 전연 에지 비대칭 각도의 최대값 간의 차이는 상기 팬 반경(R)에서 상기 후연 에지 비대칭 각도와 상기 후연 에지 비대칭 각도의 최대값 간의 차이의 적어도 2.5배이다.
몇몇 구성예에서, 상기 팬 반경(R)에서 상기 전연 에지 비대칭 각도와 상기 전연 에지 비대칭 각도의 최대값 간의 차이는 상기 팬 반경(R)에서 상기 후연 에지 비대칭 각도와 상기 후연 에지 비대칭 각도의 최대값 간의 차이의 적어도 3.5배이다.
몇몇 구성예에서, 상기 팬 반경(R)에서 상기 전연 에지 비대칭 각도와 상기 전연 에지 비대칭 각도의 최대값 간의 차이는 상기 팬 반경(R)에서 상기 후연 에지 비대칭 각도와 상기 후연 에지 비대칭 각도의 최대값 간의 차이의 적어도 4.5배이다.
몇몇 구성예에서, 상기 팬 반경(R)에서 상기 전연 에지 비대칭 각도와 상기 전연 에지 비대칭 각도의 최대값 간의 차이는 적어도 15°이다.
몇몇 구성예에서, 상기 팬 반경(R)에서 상기 전연 에지 비대칭 각도와 상기 전연 에지 비대칭 각도의 최대값 간의 차이는 적어도 20°이다.
몇몇 구성예에서, 상기 전연 에지 비대칭 각도의 최대값은 적어도 2°이다.
몇몇 구성예에서, 상기 전연 에지 비대칭 각도의 최대값은 적어도 5°이다.
몇몇 구성예에서, 상기 전연 에지 비대칭 각도의 최대값은 적어도 9°이다.
몇몇 구성예에서, 상기 전연 에지 비대칭 각도의 최대값은 상기 블레이드 스팬(S)의 약 0.2배와 상기 블레이드 스팬(S)의 약 0.6배 사이의 블레이드 스팬방향 위치에서 발생한다.
몇몇 구성예에서, 상기 전연 에지 비대칭 각도의 최대값은 상기 블레이드 스팬(S)의 약 0.3배와 상기 블레이드 스팬(S)의 약 0.5배 사이의 블레이드 스팬방향 위치에서 발생한다.
몇몇 구성예에서, 상기 슈라우드 배럴은 플레어형이며, 상기 블레이드 팁 전연 에지는 상기 블레이드 팁 후연 에지보다 반경방향으로 외측으로 더 연장한다.
몇몇 구성예에서, 상기 팁 갭은 상기 팬 직경(D)의 0.02배 미만이다.
몇몇 구성예에서, 상기 블레이드들은 플라스틱 재료로 성형된다.
몇몇 구성예에서, 상기 팬 조립체는 풀러-타입(puller-type) 자동차 엔진 냉각 팬 조립체이다.
몇몇 구성예에서, 상기 복수의 블레이드들 각각은, 축방향으로 투사하여 볼 때, 모든 반경방향 위치에서 전연 에지 스위프(sweep) 각도를 갖고, 상기 팬 반경(R)에서 상기 전연 에지 스위프 각도는 후방 방향으로 적어도 47°이다.
몇몇 구성예에서, 상기 복수의 블레이드들 각각은, 축방향으로 투사하여 볼 때, 모든 반경방향 위치에서 전연 에지 스위프 각도를 갖고, 상기 팬 반경(R)에서 상기 전연 에지 스위프 각도는 후방 방향으로 적어도 55°이다.
몇몇 구성예에서, 상기 복수의 블레이드들 각각은, 축방향으로 투사하여 볼 때, 모든 반경방향 위치에서 전연 에지 스위프 각도를 갖고, 상기 팬 반경(R)에서 상기 전연 에지 스위프 각도는 후방 방향으로 적어도 62°이다.
도 1a는 정반경 블레이드 팁과 원통형 슈라우드 배럴을 도시하고 있는, 프리-팁형 엔진 냉각 팬 조립체의 개략도이다.
도 1b는 플레어형 슈라우드 배럴의 형상에 부합하는 블레이드 팁을 도시하고 있는, 프리-팁형 엔진 냉각 팬 조립체의 개략도이다.
도 1c는 다양한 기하학적 파라미터들의 정의와 함께 정반경 블레이드 팁을 가진 프리-팁형 팬의 전개도(swept view)이다.
도 1d는 다양한 기하학적 파라미터들의 정의와 함께 가변 반경 블레이드 팁을 가진 프리-팁형 팬의 전개도이다.
도 2a는 반경방향 외측 영역에서 양의 전연 에지 스위프 각도와 정반경 블레이드 팁을 가진 종래 기술의 팬의 축방향 투시도를 나타낸다.
도 2b는 다양한 기하학적 파라미터들의 정의와 함께 도 2a에 도시된 팬의 하나의 블레이드의 축방향 투시도를 나타낸다.
도 3a는 반경방향 외측 영역에서 음의 전연 에지 스위프 각도와 플레어형 슈라우드에 부합하는 블레이드 팁을 가진 종래 기술의 팬의 축방향 투시도를 나타낸다.
도 3b는 도 3a에 도시된 팬의 하나의 블레이드의 축방향 투시도를 나타낸다.
도 3c는 도 3b에 도시된 블레이드의 반경방향 외측 영역의 후연 에지 부분에 가해지는 휨력(bending force)의 개략도이다.
도 4a는 본 발명의 일 구성예에 따른 팬의 축방향 투시도를 나타낸다.
도 4b는 도 4a에 도시된 팬의 하나의 블레이드의 축방향 투시도를 나타낸다.
도 5a는 본 발명의 일 구성예에 따른 팬의 축방향 투시도를 나타낸다.
도 5b는 도 5a에 도시된 팬의 하나의 블레이드의 축방향 투시도를 나타낸다.
도 6은 도 3, 도 4 및 도 5에 도시된 팬들에 대한 블레이드 팁의 계산된 반경방향 편향의 그래프를 나타낸다.
도 1a는 일 세트의 열교환기(2)들에 인접하여 장착된 엔진 냉각 팬 조립체로서 사용하기 위해 구성된 프리-팁형 축류 팬 조립체(1)를 도시하고 있다. 이러한 세트의 열교환기들은 통상적으로 내연 기관을 냉각하는 라디에이터(3)를 포함하지만, 다른 방식으로 구동되는 차량들은 배터리들, 모터들 등을 냉각시키기 위한 열교환기들을 포함할 수 있다. 슈라우드(4)는 라디에이터(3)로부터 팬(5)으로 냉각 공기를 가이드한다. 상기 팬(5)은 축(6)을 중심으로 회전하며, 허브(7)와 대체로 반경방향으로 연장하는 블레이드(8)들을 포함한다. 블레이드(8)들 중 하나가 전개도에 도시되어 있으며, 축방향 범위가 반경의 함수로서 도시되어 있다. 상기 허브(7)에 인접한 블레이드(8)의 단부가 블레이드 루트(root)(9)이며, 블레이드(8)의 최외측 단부가 블레이드 팁(10a)이다. 상기 블레이드 팁(10a)은 슈라우드 배럴(11a)에 의해 둘러싸여 있다. 팁 갭(12a)은 블레이드 팁(10a)들과 슈라우드 배럴(11a) 사이에 작동 간극을 제공한다.
가장 전형적으로 상기 팬은 "풀러" 구조이며 열교환기들의 하류에 위치되지만, 몇몇 경우에서, 상기 팬이 "푸셔(pusher)"이며 열교환기들의 상류에 위치된다. 도 1a는 풀러 구조를 가장 정확하게 도시하고 있으나, 세트의 열교환기(2)들 내부에서 라디에이터(3)의 위치가 역전된 구조에서는 푸셔로서 해석될 수도 있다.
도 1a는 정반경이 되는 블레이드 팁(10a)과, 블레이드 팁(10a)에 근접한 영역에서 원통형이 되는 슈라우드 배럴(11a)을 도시하고 있다. 이 예는 전체 블레이드 팁(10a)이 슈라우드 배럴(11a)과 근접한 상태를 도시하고 있다. 다른 예에서, 블레이드 팁(10a)이, 각각의 블레이드 팁(10a)의 후방 부분(도 1a에서 우측의 블레이드 부분)만이 슈라우드 배럴(11a)과 작은 간극을 갖도록, 배럴(11a)로부터 돌출하게(예컨대, 도 1a에서 좌측으로 연장하는) 될 수 있다.
도 1b는 슈라우드 배럴(11b)이 플레어형인 엔진 냉각 팬 조립체로서 사용하기 위해 구성된 프리-팁형 축류 팬 조립체를 도시하고 있으며, 블레이드 팁(10b)은 플레어형 슈라우드 배럴(11b)의 형상에 부합한다. 팁 갭(12b)은 블레이드 팁(10b)들과 슈라우드 배럴(11b) 사이에 작동 간극을 제공한다. 도 1b에 점선으로 도시된 바와 같이, 블레이드 팁(10b)은 후연 에지에 국소적으로 둥근 형상을 선택적으로 가질 수 있다.
도 1c는 정반경 블레이드 팁을 가진 프리-팁형 팬의 전개도이다. 상기 팁의 반경은 R이며, 허브의 반경은 Rhub이다. 상기 허브가 원통형 이외의 형상을 가지면, Rhub는 블레이드 후연 에지(TE)에서의 허브 반경으로 규정될 수 있다. 상기 블레이드의 스팬(S)은 블레이드 후연 에지에서의 허브와 블레이드 팁 간의 반경방향 거리 또는 (R-Rhub)이다. 상기 블레이드의 기하학적 형태는 반경방향 위치(r)의 함수로서, 흔히 r/R과 같이 비입체적으로, 또는 (r-Rhub)와 동일한 스팬방향 위치(s)의 함수로서, 설명될 수 있다. 상기 스팬방향 위치는 s/S로서 비입체적으로 나타낼 수 있다. 상기 반경방향 위치(r)와 상기 스팬방향 위치(s)는 반경방향 외측 방향으로 증가하는 것으로서 규정될 수 있다.
도 1c는 반경방향 위치(r)의 함수로서 도시된 블레이드 후연 에지(TE)와 블레이드 전연 에지(LE)의 축방향 위치를 도시하고 있다. 반경방향 위치(r)의 중앙선(midchord line)은 반경방향 위치(r)의 전연 에지와 후연 에지 사이의 축방향으로 중앙에 도시되어 있다. 반경방향 위치(r)에서 블레이드의 중앙선 기울기(XMID)는 허브 반경(Rhub)에서 중앙선의 위치로부터 반경방향 위치(r)에서 중앙선의 축방향 거리로 규정된다. 반경방향 위치(r)에서 중앙선 경사각(θMID)은 그 방사상 위치(r)에서 중앙선에 대한 접선과 사선(radial line) 사이에 형성된 각도이다. 상기 기울기(XMID)와 각도(θMID)는 모두 도 1c에 도시된 임의의 방사상 위치(r)에서 양인 것으로 나타나 있다. 상기 중앙선은 블레이드 루트(9)에서의 그 위치의 축방향으로 정방향에 있고, 방사상 위치(r)가 증가할수록 더 전진하는 경향이 있다.
도 1d는 도 1b에 도시된 바와 같이 플레어형 슈라우드 배럴에 부합하도록 플레어형으로 되어 있는 블레이드 팁을 가진 프리-팁형 팬의 전개도이다. 전연 에지에서 블레이드 팁의 반경은 RLE이고, 후연 에지에서 블레이드 팁의 반경은 RTE이다. 상기 블레이드의 스팬(S)은 허브와 블레이드 팁 간의 반경방향 거리이다. 플레어형 블레이드 팁들을 가진 팬의 경우, 상기 후연 에지 반경(RTE)은 공칭 블레이드 팁 반경인 것으로 간주된다. 또한, (도 1b 및 도 1d에 점선으로 도시된 바와 같이) 블레이드 팁이 후연 에지에서 국소적으로 둥글면, 각각의 블레이드 팁(10b)의 후연 에지 반경(RTE)은 팁 갭이 공칭값 또는 실질적으로 최소값인 후연 에지(TE)에서 블레이드 팁의 반경인 것으로 간주된다. 따라서, 특별히 다르게 지적하지 않았다면, 이하의 설명에서 "블레이드 팁 반경", "블레이드 팁 반경(R)" 또는 "팬 반경"이 사용되는 모든 경우, 이는 플레어형 이외의 블레이드 팁들을 가진 팬의 일정한 블레이드 팁 반경과 플레어형 블레이드 팁들을 가진 팬의 공칭 블레이드 팁 반경을 모두 포함하는 것을 의미한다. 따라서, 도 1d의 팬의 블레이드 스팬(S)은 (RTE-Rhub) 또는 (R-Rhub)로 표현될 수 있다.
블레이드를 따른 임의의 위치의 반경방향 위치(r)와 스팬방향 위치(s)를 규정하기 위한 관례가 도 1c에 도시되어 있다. 플레어형 블레이드 팁들을 가진 도 1d의 팬의 경우에서, 블레이드 스팬(S)보다 더 큰 스팬방향 위치(s)의 값과 블레이드 팁 반경(R)(RTE)보다 더 큰 반경방향 위치(r)의 값에 대응하는 블레이드의 작은 부분이 있을 것이다.
팬의 직경(D)은 도 1c에 도시된 바와 같은 블레이드 팁 반경(R)의 2배인 팬 반경의 2배 또는 도 1d에 도시된 바와 같은 후연 에지 반경(RTE)의 2배인 것으로 간주된다. 최소가 되는 축방향 위치에서, 팬과 슈라우드 간의 팁 갭은 팬 직경(D)의 0.007 내지 0.02배일 수 있다. 도 1a 및 도 1b는 팬 직경(D)의 약 0.01배인 팁 갭을 도시하고 있다.
도 2a는 팬의 회전축에 수직한 평면으로 팬의 기하학적 형태가 돌출된 종래 기술의 프리-팁형 팬의 축방향 투시도이다. 상기 팬은 정반경 블레이드 팁(10a)을 갖는다. 회전은 시계방향이며, 팬 전연 에지(LE)와 후연 에지(TE)는 도시된 바와 같다.
도 2b는 도 2a에 도시된 팬의 단일 블레이드의 축방향 투시도이다. 팬 반경(R), 허브 반경(Rhub) 및 블레이드 스팬(S)이 도시되어 있다. 전연 에지와 후연 에지는 모두 스위프 각도와 비대칭 각도에 의해 특정되며, 이들은 각각 반경방향 위치(r)의 함수이다. 반경방향 위치(r)에 대응하는 스팬방향 위치(s)가 또한 도시되어 있다.
반경방향 위치(r)에서 에지의 스위프 각도는 그 반경방향 위치(r)에서 에지에 대한 사선과 그 반경방향 위치(r)에서 에지에 대한 접선에 의해 형성되는 축방향 돌출부에서의 각도이다. 전연 에지의 스위프 각도가 ΛLE로서 도 2b에 도시되어 있으며, 후연 에지의 스위프 각도가 ΛTE로서 도시되어 있다. 표시된 반경방향 위치(r)에서, ΛLE와 ΛTE는 모두 양이다(즉, 반경방향 위치(r)가 증가할수록, 전연 에지와 후연 에지가 회전 방향으로 향하는 경향이 있다). 이를 흔히 정방향 스위프라 한다.
반경방향 위치(r)에서 에지의 비대칭 각도는 그 반경방향 위치(r)에서 에지에 대한 사선과 블레이드 루트에서 동일한 에지에 대한 사선에 의해 형성되는 축방향 돌출부에서의 각도이다. 전연 에지의 비대칭 각도가 ΦLE로서 도 2b에 도시되어 있으며, 후연 에지의 비대칭 각도가 ΦTE로서 도시되어 있다. 표시된 반경방향 위치(r)에서, ΦLE와 ΦTE는 모두 양이다(즉, 전연 및 후연 에지들이 블레이드 루트에서 그들의 위치에 대해 회전 방향으로 변위된다). 이를 흔히 정방향 비대칭이라 한다.
도 3a는 도 1b에 도시된 바와 같이 플레어형 슈라우드에 부합하는 블레이드 팁을 가진 종래 기술의 프리-팁형 팬의 축방향 사시도이다. 회전은 시계방향이며, 팬 전연 에지(LE)와 후연 에지(TE)는 도시된 바와 같다. 전연 에지에서 블레이드 팁의 반경은 RLE이고, 후연 에지에서 블레이드 팁의 반경은 RTE이며, RLE는 RTE를 초과한다. 전술한 바와 같이, 팬 반경 또는 블레이드 팁 반경(R)은 RTE와 동일하게 규정된다.
스위프 각도들이 도 3a의 팬에 표시되어 있지 않지만, 전연 에지와 후연 에지가 모두 블레이드의 반경방향 내측 영역에서 양(정방향)의 스위프를 갖고, 블레이드의 반경방향 외측 영역에서 음(역방향)의 스위프를 갖는다. 도 3a의 팬은 미국특허 제6,595,744호의 도 4a에 개시된 것과 유사하다. 미국특허 제6,595,744호의 교시는 이 팬이 본원의 도 1b에 도시된 것과 유사한 미국특허 제6,595,744호의 도 4b에 도시된 것과 유사한 경사 분포를 갖는다는 것을 제안하였을 것이다. 구체적으로, 미리 정해진 경사각들은 반경방향 내측 영역에서 양(정방향)이며, 반경방향 외측 외측영역에서 음(역방향)이다. 이러한 경사 분포는 블레이드의 축방향 편향을 최소화하지만, 반경방향 편향에 대해서는 제한적인 영향을 미친다.
도 3b는 도 3a에 도시된 팬의 단일 블레이드의 축방향 투시도이다. 전연 에지와 후연 에지 모두에 대하여, 도 3b는 최대의(즉, 가장 큰 양의) 비대칭 값과 팬 반경(R)에서 비대칭 값을 도시하고 있다. 이는, 각각의 에지에 대하여, 이 두 값들의 차이를 또한 도시하고 있다. 전연 에지에 있어서, 이 차이는 ΔΦLE로서 규정되며, 후연 에지에 있어서, 이는 ΔΦTE로서 규정된다. 도시된 블레이드에 있어서, 전연 에지 비대칭은 약 9.5°의 최대값(ΦLE(max))을 갖고, 약 -14.8°의 팬 반경에서의 값(ΦLE(R))을 가지며, 약 24.3°의 전연 에지 비대칭 차이(ΔΦLE)를 제공한다. 후연 에지 비대칭은 약 16.3°의 최대값(ΦTE(max))을 갖고, 약 -2.1°의 팬 반경에서의 값(ΦTE(R))을 가지며, 약 18.4°의 후연 에지 비대칭 차이(ΔΦTE)를 제공한다. ΔΦTE에 대한 ΔΦLE의 비율은 약 1.32이다. 후연 에지와 블레이드 팁 간의 교차지점이 도 3b에 국소적으로 둥근 것으로 도시되지 않았으나, 몇몇 팬들은 이 위치에서 국소적으로 둥글 수 있다. (비대칭이 측정되는 축방향 투사도에서 보았을 때) 후연 에지와 블레이드 팁 사이가 국소적으로 둥글게 형성된 경우, 팬 반경에서 후연 에지 비대칭(ΦTE(R))은 국소적인 라운딩 영역 내에서 최소의(가장 큰 음의) 비대칭 값으로 간주된다.
도 3b는 약 -62°인 팬 반경에서 전연 에지 스위프 각도(ΛLE(R))를 나타낸다. 전연 에지 스위프는 톤과 광대역 노이즈, 특히 난류 흡수(turbulence-ingestion) 노이즈를 모두 감소시킬 수 있다.
도 3b는 팬 반경(R)의 약 0.625배인 전연 에지의 최대 비대칭 각도의 반경방향 위치(rΦ LEmax)를 또한 도시하고 있다. 최대 전연 에지 비대칭 각도의 스팬방향 위치(sΦ LEmax)는 블레이드 스팬(S)의 약 0.375배이다.
도 3c는 도 3b에 도시된 블레이드의 팁의 후연 에지 영역에 작용하는 회전으로 인한 힘들의 간단한 개략도이다. 블레이드 팁 후연 에지를 외측으로 편향되게 하는 벤딩 모우멘트가 존재함을 알 수 있다. 이 외측방향 편향은 팬과 슈라우드 배럴 간의 작동 간극의 저감을 유발할 수 있으며, 궁극적으로 팬과 슈라우드 간의 접촉을 유발할 수 있다. 전통적으로, 팬과 슈라우드 간의 접촉 가능성을 줄이는 방법은 큰 팁 갭을 제공함으로써 팬 성능과 낮은 노이즈를 희생하거나, 팬을 고강도 재료로 제조함으로써 저렴한 제조를 희생시키는 것을 포함한다.
도 4a는 본 발명의 일 구성예에 따른 팬의 축방향 투시도이다. 이는 플레어형 슈라우드에 부합하는 블레이드 팁을 갖는다. 회전은 시계방향이다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 전연 에지와 후연 에지는 모두 블레이드의 반경방향 내측 영역에서 양(정방향)의 스위프를 갖고, 블레이드의 반경방향 외측 영역에서 음(역방향)의 스위프를 갖는다.
도 4b는 도 4a에 도시된 팬의 단일 블레이드의 축방향 투시도이다. 이 팬의 허브 반경과 전연 에지 프로파일은 도 3b의 것과 동일하다. 후연 에지 비대칭은 약 8.6°의 최대값(ΦTE(max))을 갖고, 약 0.7°의 팬 반경에서의 값(ΦTE(R))을 가지며, 약 7.9°의 후연 에지 비대칭 차이(ΔΦTE)를 제공한다. ΔΦTE에 대한 ΔΦLE의 비율은 약 3.08이다.
도 4b의 블레이드 팁은, 팁 후연 에지 영역이 원심력들로 인해 더 작은 모우멘트를 받기 때문에, 도 3b의 블레이드 팁과 비교하면 반경방향으로 편향되려는 경향이 감소하였다. 따라서, 팬 직경(D)의 0.02배 미만의(예컨대, 팬 직경(D)의 약 0.01 배 또는 그보다 더 작은) 팁 갭이 더 용이하게 구현된다.
도 5a는 본 발명의 일 구성예에 따른 팬의 축방향 투시도이다. 이는 플레어형 슈라우드에 부합하는 블레이드 팁을 갖는다. 회전은 시계방향이다. 도 3a 및 도 4a에 도시된 바와 같이, 전연 에지와 후연 에지는 모두 블레이드의 반경방향 내측 영역에서 양(정방향)의 스위프를 갖고, 블레이드의 반경방향 외측 영역에서 음(역방향)의 스위프를 갖는다.
도 5b는 도 5a에 도시된 팬의 단일 블레이드의 축방향 투시도이다. 이 팬의 허브 반경과 전연 에지 프로파일은 도 3b 및 도 4b의 것들과 동일하다. 후연 에지 비대칭은 약 1.6°의 최대값(ΦTE(max))을 갖고, 약 -3.1°의 팬 반경에서의 값(ΦTE(R))을 가지며, 약 4.7°의 후연 에지 비대칭 차이(ΔΦTE)를 제공한다. ΔΦTE에 대한 ΔΦLE의 비율은 약 5.2이다.
도 5b의 블레이드 팁은 도 3b의 블레이드 팁과 비교하면 반경방향으로 편향되려는 경향이 훨씬 감소하였다. 따라서, 팬 직경(D)의 0.02배 미만의(예컨대, 팬 직경(D)의 약 0.01 배 또는 그보다 더 작은) 팁 갭이 더 용이하게 구현된다.
도 6은 도 3, 도 4 및 도 5에 도시된 팬들에 대해 계산된 반경방향 팁 편향의 그래프를 나타낸다. 편향은 ΔΦLE/ΔΦTE의 비율의 함수로서 도시되어 있으며, 도 3의 종래 기술의 팬의 편향에 대해 정규화되었다. 선은 최적합 지수가 -1.63인 데이터의 지수 법칙 회귀(power-law regression)이다. 회귀는 ΔΦLE/ΔΦTE의 비율이 1.3에서 2.5로 증가하면 편향을 65퍼센트 감소시킨다는 것을 나타낸다. ΔΦLE/ΔΦTE의 비율이 1.3에서 3.5로 증가하면 편향을 80퍼센트 감소시키고, ΔΦLE/ΔΦTE의 비율이 1.3에서 4.5로 증가하면 편향을 87퍼센트 감소시킨다. 원심력들에 대한 팬의 저항은 비대칭 파라미터(ΔΦLE/ΔΦTE)를 제어함으로써 현저히 향상된다. 전술한 바와 같이, 도 4 및 도 5에 도시된 팬들은 원심력들에 대한 저항의 장점을 이용하기 위해 ΔΦLE/ΔΦTE의 비율의 값이 적어도 2.5가 되도록 디자인되었다.
노이즈 감소 가능성의 척도는 전연 에지 비대칭 차이(ΦLE)의 값이다. 도 3, 도 4 및 도 5의 팬들이 약 24°의 전연 에지 비대칭 차이(ΦLE)를 갖지만, 현저한 노이즈 감소는 24°를 초과하거나 그 미만인 전연 에지 비대칭 차이(ΦLE)로도 또한 구현될 수 있다. 몇몇 구성예들에서, 전연 에지 비대칭 차이(ΦLE)는 약 10°또는 그 이상이며, 다른 구성예들은 적어도 15°이거나 적어도 20°이다.
미국특허 제6,595,744호는 블레이드 팁의 축방향 편향을 최소화하는 경사 분포를 개시하고 있다. 루트에서 정방향 스위프되고 팁에서 역방향 스위프된 블레이드에 있어서, 이는 루트에서 정방향 경사각과 팁에서 역방향 경사각을 규정한다. 축방향으로 컴팩트한 팬의 기하학적 형태를 유지하기 위해, 반경방향 내측 영역에서 정방향 스위프의 양은 반경방향 외측 영역에서 역방향 스위프의 양과 균형을 이루어야 한다. 반경방향 내측 영역에서 정방향 스위프의 양의 척도는 전연 에지의 최대 비대칭 각도의 값(ΦLE(max))이다. 도 3, 도 4 및 도 5는 모두 약 9.5°의 ΦLE(max) 값을 갖지만, 이 파라미터의 더 작거나 더 큰 값이 적절하다는 것이 가끔 밝혀진다. 적어도 2°(예컨대, 적어도 5°또는 몇몇 경우들에서, 적어도 9°)의 ΦLE(max) 값을 가진 팬들은 작은 노이즈, 작은 편향 및 컴팩트한 축방향 치수를 가질 수 있다.
도 3, 도 4 및 도 5의 팬들은 전연 에지에서 최대 비대칭 값(ΦLE(max))을 갖으며, 이는 블레이드 스팬(S)의 약 0.375배와 같은 스팬방향 위치(s)에서 발생한다. 전형적으로, 전연 에지에서 최대 비대칭 값(ΦLE(max))은 블레이드 스팬(S)의 약 0.2배 내지 블레이드 스팬(S)의 약 0.6배인 스팬방향 위치(s)에서, 가장 전형적으로, 블레이드 스팬(S)의 약 0.3배 내지 블레이드 스팬(S)의 약 0.5배인 스팬방향 위치(s)에서, 발생하는 것으로 밝혀졌다.
도 4 및 도 5의 팬들은 모두 도 3b의 팬에 도시된 ΛLE (R)과 유사한 팬 반경(R)에서 전연 에지 스위프 각도(즉, 약 -62°)를 갖는 것으로 도시되어 있으나, 더 크거나(더 음인) 더 작은(덜 음인) 역방향 전연 에지 스위프가 팬 반경(R)에 존재할 수 있다. 예컨대, ΛLE (R)의 값이 역방향에서 적어도 55°이거나(ΛLE (R)〈-55°), 심지어 역방향에서 47°정도로 작은(ΛLE (R)〈-47°) 팬에서, 현저한 노이즈 감소가 이루어질 수 있다. 역으로, 팬 반경(R)에서 더 역방향인 전연 에지 스위프를 가짐으로써, 즉, ΛLE (R)의 값이 역방향에서 62°를 초과하는 경우(ΛLE (R)〈-62°), 심지어 더 큰 노이즈 감소가 이루어질 수 있다.
전연 에지와 블레이드 팁 간의 교차지점이 도 3, 도 4 및 도 5에 국소적으로 둥근 것으로 도시되지 않았으나, 본 발명의 다른 구성예들에 따른 팬들은 이 위치에서 국소적으로 둥글 수 있다. (비대칭이 측정되는 축방향 투사도에서 보았을 때) 전연 에지와 블레이드 팁 사이가 국소적으로 둥글게 형성된 경우, 팬 반경에서 전연 에지 비대칭(ΦLE(R))과 팬 반경에서 전연 에지 스위프(ΛLE(R))는, 예컨대, 블레이드 팁 형상과 전연 에지 형상이 교차할 때까지 이들을 외삽(extrapolate)한 다음, 팬 반경(R)에서 외삽된 전연 에지의 스위프 각도와 비대칭 각도를 측정함으로써, 이러한 둥근 형태를 무시하는 방식으로 측정되었다.
도 4 및 도 5의 팬들이 모두 블레이드의 반경방향 내측 영역에서 양의 전연 에지 스위프와 반경방향 외측 영역에서 음의 전연 에지 스위프를 보이고 있으나, 본 발명의 특정 양태에 따른 팬들은 다른 분포의 전연 에지 스위프를 가질 수 있다. 마찬가지로, 도 4 및 도 5의 팬들이 모두 블레이드의 반경방향 내측 영역에서 양의 후연 에지 스위프와 반경방향 외측 영역에서 음의 후연 에지 스위프를 보이고 있으나, 본 발명의 팬들은 다른 분포의 후연 에지 스위프를 가질 수 있다.
또한, 후연 에지 비대칭 최대 값(ΦTE(max))의 반경방향 위치는 도면들에 도시된 것에 한정되지 않으며, 허브 반경(Rhub)에서 팬 반경(R)까지 그들의 극한을 포함하여 임의의 반경방향 위치(r)에서 발생할 수 있다.
도 4 및 도 5의 팬들은 모두 플레어형 슈라우드 배럴에 부합하는 플레어형 블레이드 팁들을 갖지만, 본 발명에 따른 팬들은 정반경 블레이드 팁을 가질 수 있으며, 최소 팁 간극의 영역에서 원통형인 슈라우드 배럴 내에서 작동할 수 있다.
팬 조립체가 풀러 구조인 경우, 본 발명의 장점들은 대체로 더 커지며, 본 발명에 따른 팬 조립체들은 다르게 명시적으로 주장하는 경우를 제외하고 푸셔 또는 풀러 구조중 어느 한 구조일 수 있다.

Claims (17)

  1. 프리-팁형 축류 팬 조립체이며,
    반경(R)과 직경(D)을 갖고 축을 중심으로 회전가능한 팬으로서, 반경(Rhub)을 가진 허브와, 상기 허브로부터 반경방향으로 연장하는 복수의 블레이드들을 포함하고, 상기 복수의 블레이드들 각각은 전연 에지, 후연 에지, 블레이드 팁, 및 상기 팬 반경(R)과 상기 허브 반경(Rhub) 간의 차이와 동일한 스팬(S)을 갖는, 팬; 및
    상기 복수의 블레이드 팁들 각각의 적어도 일부를 둘러싼 슈라우드 배럴을 포함하는 슈라우드로서, 상기 슈라우드 배럴과 상기 블레이드 팁들 사이에 팁 갭이 규정되는, 슈라우드를 포함하고,
    상기 복수의 블레이드들 각각은, 축방향으로 투사하여 볼 때, 모든 반경방향 위치에서 전연 에지 비대칭 각도와 후연 에지 비대칭 각도를 갖는 기하학적 형태를 가지며, 상기 전연 에지 비대칭 각도는 최대값을 갖고, 팬 반경(R)에서 상기 전연 에지 비대칭 각도와 상기 전연 에지 비대칭 각도의 최대값 간의 차이는 적어도 10°이고,
    상기 후연 에지 비대칭 각도는 최대값을 갖고, 팬 반경(R)에서 상기 전연 에지 비대칭 각도와 상기 전연 에지 비대칭 각도의 최대값 간의 차이는 상기 팬 반경(R)에서 상기 후연 에지 비대칭 각도와 상기 후연 에지 비대칭 각도의 최대값 간의 차이의 적어도 2.5배이고,
    플레어형 블레이드 팁들을 가진 팬의 경우, 상기 팬 반경(R)은 후연 에지에서 측정되고, 블레이드 팁이 후연 에지에서 국소적으로 둥근 경우, 상기 팬 반경(R)은 팁 갭이 최소값인 지점에서 측정되는,
    프리-팁형 축류 팬 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 팬 반경(R)에서 상기 전연 에지 비대칭 각도와 상기 전연 에지 비대칭 각도의 최대값 간의 차이는 상기 팬 반경(R)에서 상기 후연 에지 비대칭 각도와 상기 후연 에지 비대칭 각도의 최대값 간의 차이의 적어도 3.5배인,
    프리-팁형 축류 팬 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 팬 반경(R)에서 상기 전연 에지 비대칭 각도와 상기 전연 에지 비대칭 각도의 최대값 간의 차이는 상기 팬 반경(R)에서 상기 후연 에지 비대칭 각도와 상기 후연 에지 비대칭 각도의 최대값 간의 차이의 적어도 4.5배인,
    프리-팁형 축류 팬 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 팬 반경(R)에서 상기 전연 에지 비대칭 각도와 상기 전연 에지 비대칭 각도의 최대값 간의 차이는 적어도 15°인,
    프리-팁형 축류 팬 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 팬 반경(R)에서 상기 전연 에지 비대칭 각도와 상기 전연 에지 비대칭 각도의 최대값 간의 차이는 적어도 20°인,
    프리-팁형 축류 팬 조립체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전연 에지 비대칭 각도의 최대값은 적어도 2°인,
    프리-팁형 축류 팬 조립체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전연 에지 비대칭 각도의 최대값은 적어도 5°인,
    프리-팁형 축류 팬 조립체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전연 에지 비대칭 각도의 최대값은 적어도 9°인,
    프리-팁형 축류 팬 조립체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전연 에지 비대칭 각도의 최대값은 상기 블레이드 스팬(S)의 0.2배와 상기 블레이드 스팬(S)의 0.6배 사이의 블레이드 스팬방향 위치에서 발생하는,
    프리-팁형 축류 팬 조립체.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전연 에지 비대칭 각도의 최대값은 상기 블레이드 스팬(S)의 0.3배와 상기 블레이드 스팬(S)의 0.5배 사이의 블레이드 스팬방향 위치에서 발생하는,
    프리-팁형 축류 팬 조립체.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 슈라우드 배럴은 플레어형이며, 상기 블레이드 팁 전연 에지는 상기 블레이드 팁 후연 에지보다 반경방향으로 외측으로 더 연장하는,
    프리-팁형 축류 팬 조립체.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 팁 갭은 상기 팬 직경(D)의 0.02배 미만인,
    프리-팁형 축류 팬 조립체.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 블레이드들은 플라스틱 재료로 성형되는,
    프리-팁형 축류 팬 조립체.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 팬 조립체는 풀러-타입 자동차 엔진 냉각 팬 조립체인,
    프리-팁형 축류 팬 조립체.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 블레이드들 각각은, 축방향으로 투사하여 볼 때, 모든 반경방향 위치에서 전연 에지 스위프 각도를 갖고, 상기 팬 반경(R)에서 상기 전연 에지 스위프 각도는 후방 방향으로 적어도 47°인,
    프리-팁형 축류 팬 조립체.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 블레이드들 각각은, 축방향으로 투사하여 볼 때, 모든 반경방향 위치에서 전연 에지 스위프 각도를 갖고, 상기 팬 반경(R)에서 상기 전연 에지 스위프 각도는 후방 방향으로 적어도 55°인,
    프리-팁형 축류 팬 조립체.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 블레이드들 각각은, 축방향으로 투사하여 볼 때, 모든 반경방향 위치에서 전연 에지 스위프 각도를 갖고, 상기 팬 반경(R)에서 상기 전연 에지 스위프 각도는 후방 방향으로 적어도 62°인,
    프리-팁형 축류 팬 조립체.
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