KR100255622B1 - 수렴/확산 노즐용 확산형 시일 구조체 - Google Patents

Abstract

트러스트 방향전환 노즐의 확산 실은 공기측면에 고정된 종축(52)을 구비한 길다란 주름 강성 시이트(46)를 갖는다. 종축(52)은 시이트(46)에 대해 굽힘시 수직방향으로 튼튼하지만, 비틀림시 유연하다. 상류 단부에만 고정된 접촉 시이트(56)는 강성 시이트(46)의 가스 측면을 덮는다.

Description

[발명의 명칭]

수렴/확산 노즐용 확산형 시일 구조체

[기술분야]

본 발명은 가스터어빈 엔진에 관한 것으로, 특히 가스터어빈 엔진의 방향전환 배기 노즐(vectorial discharge nozzle)에 관한 것이다.

[발명의 배경]

항공기용 가스터어빈 엔진은 배기 노즐을 통해 고온가스를 배출함으로써 추진력을 발생시킨다. 다용도의 효율적인 동작을 위해 가변 면적 수렴/확산 노즐(variable area convergent/divergent nozzles)의 사용이 요구된다.

가변 수렴/확산 노즐의 형상은 다수의 원주방향으로 배열된 플랩을 사용하여 축대칭 노즐에서 얻는다. 인접 플랩들 사이에 겹침 시일(seal)이 위치한다.

힌지 구조체는 각 수렴 플랩 또는 시일과 각 확산 플랩 또는 시일 사이에 제공되어야 한다. 동작하는 동안 스로트와 말단 배기구에서 변화가 이루어질 수도 있다.

추진력의 방향 전환에 의해 항공기의 조종성을 향상시킬 수 있다. 여기서 가스의 배기는 추력 성분이 상하 또는 측방으로 구성되도록 축방향으로부터 방향 설정된다. 미국특허 제5,082,182호(브루케츠 등(Bruchez et al.), 1992년 1월 21일 특허됨)에 도시된 바와 같이 확산 플랩과 시일의 방향 전환 운동에 따라 벡터링(vectoring)을 수행할 수도 있다. 수렴 플랩과 시일은 대칭을 유지한다.

수렴 플랩과 확산 플랩사이 힌지는 그의 방사상 축과 측방향 축을 중심으로 회전할 수 있어야 한다. 또한 확산 시일은 고온가스 흐름 누출과 추력 손실을 방지하기 위해 항상 양 인접 플랩에 대한 밀봉을 유지해야 한다.

냉각 공기는 수렴 노즐의 표면을 따라 배기되어 확산 노즐의 스로트를 통과한다. 힌지는 노즐 스로트의 기학적 형상에 아무런 영향을 주지 않아야 하며 수렴 노즐을 통과하는 냉각 흐름을 차단해서도 안된다.

방향 전환동안 모든 확산 플랩은 동일 방향(예컨대 우측상향으로 등)으로 이동한다. 확산 플랩은 후단부에서 방사상으로 오프셋된다. 시일은 상기 이동을 통해 플랩과 접촉을 유지해야 한다. 시일은 특히 큰 노즐 스로트 영역에서 플랩과 접촉을 유지하기 위해 상류말단으로부터 하류말단까지 20°의 각도를 통해 측방향으로 비틀려져야 한다.

또한, 시일은 가스흐름 안팎으로의 확산형 방향 전환에 의해 발생하는 높은 정압 및 부압(high positive and negative pressures)을 지지해야 한다. 또한 시일은 고온의 가스 흐름내로의 방향전환 및 접촉으로 인한 높은 열 상태를 견디어야 한다.

[발명의 요약]

시일은 노즐의 종방향으로 연장하는 거의 직사각형의 기다란 강성 시이트를 구비한다. 이 강성 시이트는 노즐의 내측을 향하는 가스 측면과 노즐로부터 외향으로 향하는 대향 공기 측면을 갖는다. 기다란 종축은 시이트에 직교하며 시이트의 공기 측면에 고정되는 강성 시이트를 따라 종방향으로 연장한다. 이 종축의 높이 대 폭의 비는 10미만이어서, 종축은 시이트에 직교하지만 비틀림을 허용하기 위해 시이트에 평행하게 가요성을 가진다.

강성 시이트는 종방향으로 거의 평평한 플레이트이기 때문에 시이트의 종방향 축을 중심으로 절곡될 때 견고하다. 그러나, 축을 중심으로 비틀림될 때는 가요성을 지닌다. 접촉 시이트는 강성 시이트의 가스 측면을 덮는다. 이 가스 측면은 강성 시이트의 종방향 연부 둘레에 겹쳐지며 단지 상단부에서 강성 시이트에 단단히 고정된다. 시일은 상단 수렴 시일에 힌지 연결된다.

접촉 시이트는 한 위치에만 고정되므로 열팽창하지 않는다. 또한 용접을 피하는 방식으로 고정되어 고온에서 내성을 갖는 재료의 사용이 허용된다. 플레이트를 따라 연장하는 강성 중축은 시일상에 존재하는 정압과 부압에 견딜 정도로 강화된다. 시일은 강성 플레이트상의 주름 형상으로 인해 상대적으로 비틀려지지 않으며 접촉 시이트에 의한 구속을 받지 않는다.

[도면의 간단한 설명]

제1도는 수렴/확산 노즐의 부분 등각사시도.

제2도는 축방향 트러스트 위치에서 두 인접 플랩을 도시하는 등각사시도.

제3도는 방향 전환 트러스트 위치에서 두개의 인접 플랩을 도시하는 등각사시도.

제4도는 제3도를 절단한 일련의 단면도.

제5도는 확산 시일의 단면도.

제6도는 확산 시일의 부분의 확대도.

제7도는 확산 시일의 상단부의 확대도.

제8도는 변형 확산 시일의 단면도.

[실시예]

제1도는 수렴 플랩(12)과 확산 플랩(14)을 갖는 수렴/확산 노즐(10)의 개략도이다. 이 두 플랩사이에 수렴 시일(16)과 확산 시일(18)이 개재된다.

수렴 및 확산 플랩 힌지 조립체(20)는 확산 플랩 힌지 시일(22)을 포함한다. 이 확산 플랩 힌지 시일은 확산 플랩(14)과 겹쳐진다.

수렴/확산 시일 힌지(24)는 수렴 시일과 확산 시일을 결합한다. 확산 시일 수렴 및 억제 구조체(26)는 확산 시일(18)을 중앙에 두어 억제한다.

종래의 구동장치를 사용하여 수렴 플랩(12) 및 수렴 시일(16)의 각 위치를 변화시킴으로써, 노즐의 스로트 개구를 변환시킬 수도 있다. 고정형 상류 구조체(30)에 대해 동작하는 액츄에이터(28)는 싱크 링(32)을 구동시킨다. 이 싱크 링은 드라이브 링크(34)를 통해 확산 플랩(14)에 연결된다. 이 싱크 링(32)을 후방으로 이동시키면, 출구가 줄어든다. 이 싱크 링(32)을 경사지게 하면, 플랩이 노즐 축(36)에 대해 방향전환되어 노즐의 방향 전환 배기를 이룬다.

제2도는 두개의 인접 플랩(14)의 접촉면이 플랩사이 공간을 양분하고 있는 라인(38)상에서 교차하는 축 방향 트러스트 위치에서 확산 플랩을 도시한다.

제3도에는 두개의 인접 플랩의 접촉면이 두 플랩 사이의 중간지점으로부터 경사진 라인(40)과 교차하는 방향전환 위치에서 이들 동일한 두개의 인접 플랩(14)이 도시되어 있다.

제4도는 제3도의 플랩 A-A 단면, B-B 단면 및 C-C 단면에서 취한 일련의 단면도를 도시한다. 본 도면에서 플랩(14)으로부터 접촉 평면의 교차는 라인(40)을 따라 교차하는 지점에서 볼 수 있다. 참조번호(42)로 지시된 시일링 표면을 갖는 확산 시일은 전단부에서 통상의 방식으로 밀봉되어야 하지만, 플랩의 후단부를 향한 위치(43, 44)에서 비틀려져야 한다.

제5도를 참조하면, 강성 시이트(46)는 조늘의 종방향으로 연장하는 거의 기다란 직사각형의 시이트이다. 이 강성 시이트는 시이트를 따라 연장하는 다수의 주름(48)을 포함하는데, 이 주름은 시이트를 횡방향으로 강화시키는 반면 종축(50)을 중심으로 비틀릴 때 유연성을 부여한다.

종축(52)은 10이하인 높이 대 두께의 비를 갖는 것에 의해 시이트의 수직방향으로 튼튼하며 시이트의 평행방향으로는 유연하게 된다. 이 종축은 비틀림시 시이트의 유연성을 저하시키지 않고, 추가의 돌출 아암(54)과 이들 아암의 스팟 용접에 의해 T형 부재를 형성하는 것에 의해서 강성 시이트에 고정될 수 있다.

접촉 시이트(56)는 강성 시이트의 종방향 연부(60)에 의해 강성 시이트에 고정된다. 절곡 연부의 오버랩은 노즐이 작동하는 동안 접촉 시이트와 강성 시이트의 팽창 차이(differential expansion)보다 크다. 이것은 접촉 시이트가 분리되는 것을 배제한다. 접촉 시이트는 주름(48)에 의해 지지되지만, 강성 시이트는 배제시킴으로써, 시이트에 대한 열 팽창을 허용한다. 접촉 시이트와 강성 시이트간의 단단한 부착은 상류 단부에만 존재한다. 이 접촉 시이트는 용접이 필요없는 콜럼븀 합금(columb alloy)으로 제조될 수도 있다.

시일 표면(62)은 제6도의 확대도에서 접촉 시이트(56)의 연부에서 다시 볼 수 있다. 상기 도면에서는 또한 강성 시이트(46) 및 종축(52)의 장치와 전체 외형을 볼 수 있다.

제7도에서, 고형 리벳(64)은 접촉 시이트(56)와, 강성 시이트(46) 및 힌지에 인접한 시이트의 상류 단부에서 종축(52)의 지지부(54)를 통과한다. 이 리벳은 접촉 시이트와 다른 부재를 단단히 연결시키므로, 접촉 시이트의 팽창을 자유롭게할 뿐만아니라, 연부가 고정되는 지점에 발생하는 방식으로 비틀림에 대한 접촉 시이트의 저항으로부터 나머지 시일을 완화시킨다.

강성 시이트가 비틀림에 따라, 외측 연부의 길이가 증가되어 외측 연부의 연신이 유도된다. 상기 기술된 실시예와 같이, 강성 시이트의 종방향 연부는 직선이며 충분한 연신을 할 수 있다는 것을 알았다. 제8도에 도시하는 바와 같이, 주름(48)을 강성 시이트(46)의 연부(66)까지 연속되게 하면 비틀림시 가요성이 증대된다. 연부에 남아있는 시이트의 두께의 반정도에 약간의 주름을 형성하는 것으로도 이 기능을 수행할 수 있다.

본원에 개시된 시일은 일 단부에서 다른 단부까지 20°각도로 비틀릴 정도로 충분히 유연하다. 이 주름은 횡방향 강성을 제공하는 반면, 종축은 현존하는 높은 정압 및 부압을 지지할 수 있는 정도가지 종방향 강성을 제공한다. 이것은 필요한 비틀림 가요성을 방해하지 않는 정도이다. 이 시일은 고온의 콜럼븀 내성 재료와 같은 재료를 사용하면 간섭이 발생하는 용접을 요구하지 않는다. 게다가, 접촉 플레이트는 구조적으로 빔 구조체 형성을 피하는 방식으로 강성 시이트와 종축을 조합하지 않고, 종방향과 횡방향으로의 열팽창을 허용한다.

Claims (13)

1. 방향 전환 수렴/확산 노즐(10)의 인접한 확산 플랩(14) 사이를 밀봉하기 위한 확산형 시일 구조체(18)로서, 상기 노즐(10)의 내측을 향한 가스 측면과 대향된 공기 측면을 가지며, 상기 노즐의 종방향으로 연장하며, 상기 시이트를 따라 종방향 축을 중심으로 굽힘시 견고하지만, 상기 축을 중심으로 비틀림시 유연한 거의 직사각형의 기다란 강성 시이트(46)와; 상기 시이트(46)에 수직하며, 상기 시이트의 공기 측면에 고정된 상기 강성 시이트(46)의 종방향으로 연장하며, 상기 시이트의 수직방향으로는 견고하지만 상기 시이트의 평행방향으로 유연한 기다란 종축(52)과; 상류 수렴 시일(16)을 상기 강성 시이트와 상기 종축중 하나에 고정하기 위한 힌지 수단(20)을 구비한, 상기 확산형 시일 구조체에 있어서, 상기 기다란 종축은 10보다 작은 높이 대 폭의 비를 가지며; 상기 강성 시이트의 종방향 에지 둘레에 접혀지며 한 위치에서만 상기 강성 시이트에 단단히 고정되며, 상기 강성 시이트(46)의 가스 측면을 덮는 접촉 시이트(56)가 제공되는 것을 특징으로 하는 확산형 시일 구조체.
2. 제1항에 있어서, 상기 강성부재에 고정되는 헤드를 구비한 상기 종축(52)은 T자형 부재를 형성하며 추가의 외향 연장부를 구비하는 것을 특징으로 하는 확산형 시일 구조체.
3. 제1항에 있어서, 상기 강성 시이트는 횡방향 주름(48)을 구비하는 것을 특징으로 하는 확산형 시일 구조체.
4. 제3항에 있어서, 상기 주름(48)은 안쪽 길이는 줄어들지만, 상기 강성 시이트의 종방향 연부에 계속해서 유지되는 것을 특징으로 하는 확산형 시일 구조체.
5. 제1항에 있어서, 상기 강성 플레이트의 각 연부 둘레에 겹쳐지되, 상기 수렴/확산 노즐이 동작하는 동안 상기 접촉 시이트와 상기 강성 시이트간의 횡방향으로의 열팽창 차이보다 큰 거리로 오버랩되는 것을 특징으로 하는 확산형 시일 구조체.
6. 제1항에 있어서, 상기 접촉 시이트(56)는 상기 접촉 시이트의 상류 단부에 단단히 고정되는 것을 특징으로 하는 확산형 시일 구조체.
7. 제6항에 있어서, 상기 접촉 시이트(56)는 콜럼븀 합금으로 형성되며 그리고 상기 강성 시이트에 리벳 결합되는 것을 특징으로 하는 확산형 시일 구조체.
8. 제3항에 있어서, 상기 접촉 시이트(56)는 상기 강성 플레이트의 각 연부 둘레에 겹쳐지되 상기 수렴/확산 노즐이 동작하는 동안 상기 접촉 시이트와 상기 강성 시이트간의 횡방향으로의 열팽창 차이보다 큰 거리로 오버랩되는 것을 특징으로 하는 확산형 시일 구조체.
9. 제8항에 있어서, 상기 접촉 시이트(56)는 상기 접촉 시이트의 상류 단부에 단단히 고정되는 것을 특징으로 하는 확산형 시일 구조체.
10. 제9항에 있어서, 상기 접촉 시이트(56)는 콜럼븀 합금으로 형성되며 상기 강성 시이트에 리벳 결합되는 것을 특징으로 하는 확산형 시일 구조체.
11. 제4항에 있어서, 상기 접촉 시이트(56)는 상기 강성 플레이트의 각 연부둘레에 겹쳐지되 상기 수렴/확산 노즐이 동작하는 동안 상기 접촉 시이트와 상기 강성 시이트간의 횡방향으로의 열팽창 차이보다 큰 거리로 오버랩되는 것을 특징으로 하는 확산형 시일 구조체.
12. 제11항에 있어서, 상기 접촉 시이트(56)는 콜럼븀 합금으로 형성되며 상기 강성 시이트에 리벳 결합되는 것을 특징으로 하는 확산형 시일 구조체.
13. 제12항에 있어서, 상기 접촉 시이트(56)는 그의 상류 단부에 단단히 고정되는 것을 특징으로 하는 확산형 시일 구조체.