KR20120046366A - 프로펠러의 출력효율을 향상시키고 소음을 감소시키는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 프로펠러의 출력효율을 향상시키고 소음을 감소시키는 방법의 경우, 프로펠러의 블레이드 외판의 전체 또는 적어도 일부에 다수의 작은 캐비티들이 형성되어 있어, 프로펠러가 회전되어 유체가 상기 다수의 작은 캐비티들을 통과할 때, 상기 블레이드 외판에 다수의 작은 와류들이 형성되어, 상기 블레이드 외판에서의 난류에 작용하는 유익한 간섭을 허용하는 얇은 난류 경계층을 형성한다. 이러한 방식으로, 유체의 일부가 상기 블레이드 외판과 접촉하지 않게 되며, 항적을 연장시켜 상기 항적의 항력을 감소시킴으로써 상기 블레이드 외판에 작용하는 점성저항이 감소하게 된다. 전술한 바와 같은 메커니즘을 통해 프로펠러의 출력효율을 향상시키고 소음을 감소시킬 수 있다.

Description

프로펠러의 출력효율을 향상시키고 소음을 감소시키는 방법{METHOD OF ENHANCING THE OUTPUT EFFICIENCY OF A PROPELLER AND REDUCING THE NOISE THEREOF}

본 발명은 프로펠러에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 프로펠러의 출력효율을 향상시키고 소음을 감소시키는 방법에 관한 것이다.

프로펠러의 회전 블레이드들은 빠른 회전속도를 갖는다. 일반적으로 종래에는 상기 회전 블레이드들이 더 매끄러운 표면을 가질수록, 유체와의 마찰저항이 더 작을 것으로 여겼었다. 그러나, 실제로는 그렇지 않다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 유체(40)가 프로펠러(50)의 블레이드(51)의 평평한 표면의 지점 A를 매끄럽게 통과할 때, 상기 블레이드의 표면에 작용하는 점성저항은 상기 유체(40)의 흐름을 흐리게 하여, 순간적으로 유동장(flow field)에 경계층을 형성함으로써, 상기 유체(40)의 유동점(flowing point)을 후방으로 이동시키게 된다. 상기 유체(40)의 유동점이 후방으로 이동됨으로써 야기된 저항은 역압(reverse pressure)으로 불리며, 상기 유체의 저항으로 알려져 있다. 상기 유체(40)의 유동점이 지점 B로 이동하게 되면, 상기 경계층의 분리가 일어나게 되며, 유동장의 지점 C, D 및 E에서 난류가 형성됨으로써, 상기 블레이드들의 주행속도가 떨어지게 된다. 또한, 유체가 상기 프로펠러(50)의 블레이드(51)의 매끄러운 표면을 통과할 때, 그 항적(wake: 42)은 더 짧은 거리(W1)로 인하여 더 큰 항력(drag force)을 야기하게 된다. 결과적으로, 매우 강력한 유체 저항이 야기된다.

따라서, 상기 프로펠러의 출력효율에 악영향을 미치게 된다. 또한, 그에 상응하여 소음이 증가한다. 따라서, 추가적인 개선이 요구된다.

본 발명의 주요 목적은 프로펠러의 출력효율을 향상시키고 소음을 감소시키는 방법을 제공하는 것이며, 상기 방법은 비파괴적 수단을 이용하여 블레이드 외판에 다수의 작은 캐비티들(cavities)을 형성하여, 유체가 상기 다수의 작은 캐비티들을 통과할 때, 상기 블레이드 외판에서의 난류에 작용하는 유익한 간섭을 허용하도록, 상기 블레이드 외판에 얇은 난류 경계층을 형성하는 다수의 작은 와류들을 형성시킴으로써, 유체의 일부가 상기 블레이드 외판과 접촉하지 않게 하며, 회전하는 블레이드 외판에 작용하는 점성저항이 감소되게 한다. 따라서, 유체가 블레이드들의 표면을 빠르게 통과하여, 프로펠러의 출력효율을 향상시키는 효과를 달성하게 된다.

본 발명의 다른 목적은 난류에 작용하는 유익한 간섭을 허용하는 전술한 얇은 난류 경계층을 이용하여, 유체가 블레이드 외판을 따라 항적을 길게 잡아늘이게 하고, 길게 늘어난 항적은 회전하는 블레이드의 항적의 항력을 감소시키게 함으로써 프로펠러의 출력효율이 더욱 향상되게 하는 것이다.

상기 작은 와류들과 난류 경계층 및 길게 늘어난 항적을 통해 프로펠러의 출력효율이 향상되며, 소음도 줄어들게 된다.

본 발명은 비파괴적 수단을 채택하기 때문에, 상기 블레이드 외판에 어떠한 손상도 일어나지 않는다. 본 발명은 장착 작업을 위한 빠르고 편리한 방법을 제공할 뿐만 아니라, 손상 또는 금속 피로(metal fatigues)로부터 블레이드 구조를 보호하는 방법을 제공한다. 본 발명은 또한 안전 사용을 제공하며, 더 빠른 주행속도 및 더 큰 동력을 제공하는 효과를 달성한다.

전술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 프로펠러의 출력효율을 향상시키고 소음을 감소시키는 방법은 a) 비파괴적 수단을 이용하여 블레이드 외판의 전체 또는 적어도 일부에 다수의 작은 캐비티들(cavities)을 형성하는 단계; b) 유체가 상기 다수의 작은 캐비티들을 통과할 때, 얇은 난류 경계층을 형성하도록 상기 블레이드 외판에 다수의 작은 와류들을 형성시켜, 항적을 연장시키고 상기 항적에 작용하는 항력을 감소시킴으로써 상기 블레이드 외판에 작용하는 점성저항이 감소되게 하는 단계; 및 c) 상기 작은 캐비티들을 이용하여 다수의 작은 와류들을 형성시켜 유체가 부분적으로 상기 블레이드 외판과 접촉하는 것을 막도록 하는 얇은 난류 경계층이 형성되게 하고, 이를 통해 소음을 감소시키는 단계를 포함한다.

전술한 바와 같은 기술적 특징들을 갖는 본 발명은 다음과 같은 이점들을 갖는다:

1. 유체(40)가 다수의 작은 캐비티들(31)을 통과할 때, 블레이드 외판(20)에 자연스럽게 난류 경계층(30)이 형성됨으로써, 상기 블레이드 외판 표면의 기류에 작용하는 간섭의 효과를 성취하기 위한 터뷸레이터(turbulator)를 구비할 필요가 없기 때문에, 매우 편리하고 효율적이면서도 효과적이라는 이점이 있다.

2. 도 6을 참조하면, 아래쪽 그림은 본 발명에 따른 프로펠러(10)의 유체 흐름을 보여주며, 위쪽 그림은 도 1에 도시된 종래 기술에 따른 프로펠러의 유체 흐름을 보여주는데, 이 그림들은 본 발명과 종래 기술을 비교한 것이다. 본 발명은 상기 블레이드 외판(20)에 작용하는 유체(40)의 점성저항을 감소시킬 수 있고, 항적(41)을 길게 연장할 수 있다. 다시 말해, 본 발명은 더 짧은 거리(W1)를 갖는 종래 기술에 따른 항적(42)을 후방으로 더 긴 거리(W2)를 갖도록 연장할 수 있기 때문에, 상기 블레이드 외판(20)의 항적(41)의 항력을 감소시키는 효과를 달성할 수 있다. 따라서, 본 발명은 속도를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 에너지 소비를 줄일 수 있는 이점이 있다.

3. 도 7을 참조하면, 아래쪽 그림은 본 발명의 이용시, 유체가 블레이드로부터 분리되는 과정을 보여주며, 위쪽 그림은 도 2에 도시된 종래 기술의 이용시, 유체가 블레이드로부터 분리되는 과정을 보여주는데, 이 그림들은 본 발명과 종래 기술을 비교한 것이다. 종래 기술의 경우, 유체가 프로펠러(50)의 블레이드(51) 표면을 통과하면서 지점 A로부터 지점 B로 이동될 때, 분리점(separation point)은 경계층에서 생기게 되며, 그 후 지점 B 이후의 지점 C, D 및 E에서 난류가 형성된다. 이와 달리, 본 발명의 경우에는, 유체가 프로펠러(10)의 표면을 통과할 때, 상기 유체는 먼저 지점 A에 위치한 후, 곧 지점 B에 의해 표시된 상기 프로펠러(10)의 블레이드 외판(20)에서 경계층이 출현한다. 본 발명에 따른 블레이드 외판(20)은 난류 경계층(30)을 형성하도록 마련된 다수의 작은 캐비티들(31)을 갖기 때문에, 지점 B 이후의 지점 C, D 및 E로 흐르는 유체가 (도 7의 위쪽 그림에 도시된 종래 기술에서의 유체에 의해 형성된 것과 같은) 난류를 형성하지 않아, 상기 블레이드 외판(20)의 영역에서 발생되는 소음뿐만 아니라 (상기 블레이드 외판(20)에 작용하는) 저항을 효과적으로 감소시킬 수 있는 이점이 있다.

4. 본 발명은 비파괴적 수단을 채택하여 난류 경계층(30)을 만들기 위한 다수의 작은 캐비티들(31)을 형성하며, 그와 같은 설치는 안전사용을 제공할 뿐만 아니라 빠르고 편리하며 비용 효율이 높은 애플리케이션을 제공하는 이점이 있다.

도 1은 종래 프로펠러의 표면에서의 유체 흐름을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 종래 프로펠러의 표면으로부터 유체가 분리되는 과정을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 작은 캐비티들(cavities)의 형성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 난류 경계층의 형성을 보여주는 개략적 단면도이다.
도 5는 도 4의 일부 확대도이다.
도 6은 종래 프로펠러의 공기 흐름과 본 발명에 따른 프로펠러의 공기 흐름을 비교한 개략도이다.
도 7은 종래 프로펠러의 공기분리과정과 본 발명에 따른 프로펠러의 공기분리과정을 비교한 개략도이다.
도 8a 내지 도 8d는 다양한 프로펠러들에 적용된 본 발명을 나타낸 도면이다.

본 발명에 대한 이하의 설명에서, "유체"라는 용어는 공기 및 물을 포함하며, "프로펠러"라는 용어는 보트/배의 프로펠러, 헬리콥터의 프로펠러, 헬리콥터의 꼬리회전날개, 항공기의 프로펠러, 제트엔진의 프로펠러, 제트엔진의 가압기 로터(pressurizer rotor) 및 터빈 로터(turbine rotor) 등을 포함한다. 다시 말해, 블레이드, 임펠러 및 상기 터빈 로터 뿐만 아니라, 추진용으로 작동될 수 있는 조립체들 역시 포함된다.

본 발명에 따른 프로펠러(10)는 도 3에 도시된 보트/배의 프로펠러 이외에도 도 8a 및 도 8b에 도시된 헬리콥터(11)의 프로펠러와 꼬리회전날개에도 적용되며, 도 8c 및 도 8d에 도시된 바와 같은 프로펠러 항공기(12)의 프로펠러 및 제트엔진 항공기(13)의 제트엔진 프로펠러 등에도 역시 적용된다.

전술한 프로펠러(10)는 블레이드 표면과 유체(공기 및 물) 사이에 마찰저항을 야기한다. 따라서, 주행저항을 감소시키기 위해 본 발명은 상기 프로펠러(10)의 블레이드 외판(blade skin: 20)에 형성된 디자인을 이용한다. 도 3 내지 도 7에 도시된 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예는 다음과 같다:

본 발명의 바람직한 실시예에서, 프로펠러(10)의 블레이드 외판(20)이 개시되며, 상기 블레이드 외판(20)의 전체 또는 적어도 일부에 다수의 작은 캐비티들(cavities: 31)이 형성되어, 유체(40)가 상기 다수의 작은 캐비티들(31)을 통과할 때, 상기 블레이드 외판(20)에 다수의 작은 와류들(vortexes: 33)이 형성되게 하며, 상기 다수의 작은 와류들(33)은 상기 블레이드 외판(20)에서의 난류에 대한 유익한 간섭을 달성하는 얇은 난류 경계층(30)을 상기 블레이드 외판(20)에 형성하고, 상기 블레이드 외판(20)에 작용하는 상기 유체(40)의 점성저항을 감소시키도록 상기 블레이드 외판(20)의 일부로부터 상기 유체(40)를 분리시킴으로써, 상기 유체(40)가 상기 블레이드 외판(20)을 빠르게 통과하게 하며, 주행저항을 감소시키는 효과를 달성한다. 상기 난류 경계층(30)은 난류에 대한 유익한 간섭을 가능하게 하여, 상기 유체(40)가 상기 블레이드 외판(20)을 따라 항적(wake: 41)을 더 긴 거리(W2)까지 잡아끌게 하며, 길게 늘어난 항적(41)은 상기 블레이드 외판(20)의 항적의 항력을 감소시킨다. 따라서, 본 발명은 프로펠러(10)의 출력효율을 향상시키고, 소음을 줄이도록 전술한 세 가지 메커니즘(작은 와류들(33), 난류 경계층(30) 및 길게 늘어난 항적(41))을 결합한다.

본 발명에 따른 상기 블레이드 외판(20)의 작은 캐비티들(31)은 블레이드의 안정성을 보장하기 위해 프로펠러의 구조가 바뀌거나 손상되지 않도록 하는 비파괴적 수단에 의해 형성될 수 있으며, 본 발명은 제조 공장에서 출고되는 프로펠러들에 쉽게 활용될 수 있다.

본 발명에 따른 비파괴적 수단을 이용하여 상기 블레이드 외판(20)에 다수의 작은 캐비티들(31)을 형성하는 적합한 실시예들 중 하나로서, 코팅(coating), 프린팅(printing) 또는 이들의 조합을 포함하는 방식들이 이용될 수 있고, 이를 통해 상기 블레이드 외판(20)에 0.001mm 내지 수(several)mm의 두께를 갖는 얇은 막(21)을 부착할 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 얇은 막(21)은 코팅 또는 상기 코팅과 스크린 프린팅(screen printing)의 조합에 의해 상기 블레이드 외판(20)에 형성된 도료(paint)이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 얇은 막(21)의 표면에는 스트립(strip) 형상, 다각형 형상, 원 형상, 타원 형상 또는 다른 기하학적 형상과 같은 미리 정해진 기하학적 형상을 갖는 다수의 작은 캐비티들(31)이 형성되어 있으며, 바람직한 실시예에 따른 작은 캐비티들(31)은 중앙부가 더 낮은 오목한 호(arc) 형상을 갖는다. 상기 유체(40)를 향해 마주보는 오목한 호 형상의 전방 에지는 공기 흐름이 상기 작은 캐비티들(31) 속으로 매끄럽게 유입되도록 하여 상기 캐비티들(31) 속에 다수의 작은 와류들(33)이 형성되게 하는 원형부(32)를 포함한다.

또한, 상기 다수의 작은 캐비티들(31)은 0.001~10mm의 깊이 및 0.001~100㎟의 영역을 가지며, 더 높은 밀도의 캐비티들(31)은 저항을 감소시키는 효과가 더 크다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 작은 캐비티들은 조밀하게 분포될 수 있도록, 전술한 0.001~10mm의 깊이 및 0.001~100㎟의 영역을 가질 수 있도록, 인접한 두 캐비티들 사이의 간격은 상기 캐비티들(31)의 최대 직경 또는 폭보다 크지 않다.

따라서, 상기 다수의 작은 캐비티들(31) 각각에 형성되는 다수의 작은 와류들(33)은 자연스럽게 난류 경계층(30)을 형성하도록 점들(points)로부터 면(plane)으로 변화된다. 상기 작은 캐비티들(31)의 폭, 깊이 및 영역은 그에 의해 형성되는 난류 경계층(30)을 최적화하도록, 블레이드의 회전속도 및 표면 영역에 따라 다르게 설계될 수 있다.

또한, 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 상기 다수의 작은 캐비티들(31)은 상기 얇은 막(21)의 두께(T)보다 크지 않은 깊이(H)를 갖는다. 예를 들어, 상기 얇은 막(21)의 두께(T)가 2mm인 경우, 상기 작은 캐비티들(31)의 최대 깊이(H)는 1.0~2.0mm, 바람직하게는 1.5~1.8mm가 될 수 있다. 그러나, 반드시 전술한 범위로 제한되는 것은 아니다. 상기 얇은 막(21)의 바닥부의 영역 대부분은 접착을 향상시키도록 상기 블레이드 외판(20)과 결합된다.

또한, 상기 얇은 막(21)은 도료 코팅/프린팅 방식에 의해 상기 블레이드 외판(20)에 고착된다. 상기 코팅/프린팅 방식이 채택될 경우, 상기 작은 캐비티들(31)은 별다른 어려움 없이 동시에 스크린(screen)을 이용하여 형성된다. 상기 도료 또는 코팅 물질은 높은 온도와 낮은 온도 및 부식에 대한 저항성을 갖는다.

전술한 얇은 막(21)에 의해 블레이드 외판(20)에 형성된 본 발명에 따른 다수의 작은 캐비티들(31)은 또한 금형주조(mold casting) 방식, 선반(lathe) 가공방식 또는 디몰딩(demolding) 형성방식 등에 의해서도 형성될 수 있다. 블레이드의 구조 및 강도가 파괴되지 않도록, 상기 작은 캐비티들(31)은 오직 상기 블레이드 외판(20)의 표면에만 형성될 수 있다. 결과적으로, 상기 다수의 작은 와류들(33)뿐만 아니라 상기 다수의 작은 캐비티들(31)은 자연스럽게 얇은 난류 경계층(30)을 만들도록 형성될 수 있고, 그 특징들 및 효과들은 전술한 바와 동일하므로, 부연설명은 생략한다.

본 발명의 정신을 벗어나지 않는 다양한 변형들 및 수정들이 전술한 본 발명의 실시예들에 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 과학 및 유용한 기술들에 있어서의 진보를 증진시키도록 제공되며, 본 발명은 오직 첨부된 특허청구범위에 의해서만 제한됨을 유념하여야 한다.

Claims (5)

1. a) 비파괴적 수단을 이용하여 블레이드 외판의 전체 또는 적어도 일부에 다수의 작은 캐비티들(cavities)을 형성하는 단계;
   b) 유체가 상기 다수의 작은 캐비티들을 통과할 때, 얇은 난류 경계층을 형성하도록 상기 블레이드 외판에 다수의 작은 와류들을 형성시켜, 항적을 연장시키고 상기 항적에 작용하는 항력을 감소시킴으로써 상기 블레이드 외판에 작용하는 점성저항이 감소되게 하는 단계; 및
   c) 상기 작은 캐비티들을 이용하여 다수의 작은 와류들을 형성시켜 유체가 부분적으로 상기 블레이드 외판과 접촉하는 것을 막도록 하는 얇은 난류 경계층이 형성되게 하고, 이를 통해 소음을 감소시키는 단계를 포함하는 프로펠러의 출력효율을 향상시키고 소음을 감소시키는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 다수의 작은 캐비티들은 스트립 형상, 다각형 형상, 원 형상, 타원 형상 및 다른 기하학적 형상들로 구성된 그룹으로부터 선택된 미리 정해진 형상을 가지며, 중앙부가 더 낮은 오목한 호 형상인 것을 특징으로 하는 프로펠러의 출력효율을 향상시키고 소음을 감소시키는 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 다수의 작은 캐비티들은 조밀하게 분포되며, 각각의 작은 캐비티는 0.001~10mm의 깊이 및 0.001~100㎟의 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 프로펠러의 출력효율을 향상시키고 소음을 감소시키는 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 다수의 작은 캐비티들은 도료 코팅/프린팅 방식에 의해 상기 블레이드 외판에 부착고정되는 얇은 막에 의해 형성되며, 상기 얇은 막에 의해 형성된 상기 다수의 작은 캐비티들의 최대 높이(H)는 상기 얇은 막의 두께(T)를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 프로펠러의 출력효율을 향상시키고 소음을 감소시키는 방법.
5. 제3항에 있어서,
   상기 다수의 작은 캐비티들은 금형주조 방식, 선반 가공방식 또는 디몰딩(demolding) 형성방식에 의해 상기 블레이드 외판에 직접 형성되는 것을 특징으로 하는 프로펠러의 출력효율을 향상시키고 소음을 감소시키는 방법.

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