KR100746378B1 - 복합 구조물 및 가스 터빈 엔진 - Google Patents

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Abstract

개선된 탄도 인성을 갖고 팬 내장 케이스에 사용하기에 적절한 복합 구조물이 제공된다. 복합 구조물은 복수의 코어 층, 각각 유기 매트릭스 복합 재료로 형성되고 상기 코어 층 중 인접한 코어 층들 사이에 위치된 복수의 내부 겹, 상기 코어 층 중 최내층에 인접하여 위치된 내부 스킨 및 상기 코어 층 중 최외층에 인접하여 위치된 외부 스킨을 포함한다. 양호한 실시예에서, 코어 층은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된 하니콤 재료로 형성된다.
팬, 케이스, 복합 구조물, 코어 층, 스킨

Description

복합 구조물 및 가스 터빈 엔진{COMPOSITE STRUCTURE AND GAS TURBINE ENGINE}
도1은 팬 내장 케이스 내에 포함될 수 있는, 본 발명에 따른 복합 구조물의 확대 단면도.
도2 및 도3은 본 발명의 복합 구조물을 포함하는 가스 터빈 엔진의 팬 내장 케이스의 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 복합 구조물
12 : 코어 층
14 : 내부 겹
16 : 내부 스킨
18 : 외부 스킨
20 : 랩
30 : 케이스
32 : 팬
미국 특허 제4,490,092호
미국 특허 제5,516,257호
본 발명은 가스 터빈 엔진에 관한 것이며, 특히 가스 터빈 엔진의 해제식 블레이드 부분을 포함하는 팬 영역 내의 복합 구조물에 관한 것이다.
가스 터빈 엔진은 고속으로 회전하는 전방 단부에 큰 팬을 갖는다. 팬 블레이드가 파손되어 일부를 해제하면, 고에너지 발사체가 된다. 이러한 부분은 7 킬로그램의 중량이며 초당 약 9.30 미터의 속도로 이동할 수 있다. 이러한 블레이드 부분을 보유하고, 팬과 그 블레이드를 둘러싸는 케이싱의 구조적 일체성을 유지하는 것은 중요하다.
통상의 내장 구조물은 프리몬트(Premont)에게 허여된 미국 특허번호 제4,490,092호에 개시된다. 지지 구조물은 내부 덮개와 외부 덮개 사이에 "C" 형상의 보강재를 갖는다. 이러한 구조물은 팬을 둘러싸고, 직물 캐블라(KEVLER) 탄도 패브릭의 다중 층을 갖는다. 이러한 패브릭은 장력 하에서 권취되어 지지 구조물을 통과하는 블레이드 부분을 탄성적으로 보유하는 역할을 한다.
미국 특허번호 제4,490,092호의 도10 내지 도15는 지지 구조물을 통과하고 탄도 패브릭에 의해 유지된 블레이드 부분의 접지 트랙을 도시한다. 블레이드 부분은 후미 부품을 가지며, 후미 부품으로 탄도 패브릭을 당겨서 후미 방향으로 이동한다. 탄도 패브릭은 개구를 덮는 전방 위치로부터 패브릭과 함께 하류로 당겨 진다. 필요에 따라, 패브릭은 이러한 파손의 경우에 블레이드에 의해 구멍 내로 당겨진다. 블레이드와 패브릭의 상호 작용은 추가적인 손상을 일으킨다.
과거에는 큰 하니컴 구조를 만들고 로터에서 이격된 클로스 웰을 위치시킴으로써 이를 방지하였다. 그러나, 이는 내장 구조물의 직경을 증가시킨다. 다른 접근 방법으로, 패브릭을 제 위치에 유지하기 위해 기계식 체결기를 사용하지만, 이는 하중의 집중을 일으킬 수 있어서 패브릭이 찢어질 수 있다.
카스프로우(Kasprow) 등에게 허여된 미국 특허번호 제5,516,257호는 등격자 지지 구조물을 둘러싸는 다중 층의 직물 섬유 탄도 패브릭에 관한 것이다. 커프 부분은 주 부분 보다 더 짧은 와프 나사를 갖고, 에폭시 수지가 주입된다. 직경부는 블레이드 방출 시에 패브릭이 후미로 이동하는 것을 방지한다.
이러한 구조물을 갖고 우수한 성능을 가지지만, 조립체의 중량을 최소화하고자 하는 목적은 남아있다.
따라서, 본 발명의 목적은 탄도 발사체에 의해 충돌될 때 파손을 최소화하고 여전히 케블라 외부 랩을 완전하게 지지하는, 매우 가볍고 강성의 복합 구조물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전술한 바와 같이 팬 내장 케이스에 사용하기에 적절한 복합 구조물을 제공하는 것이다.
전술한 목적은 본 발명의 복합 구조물에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면 팬 내장 케이스에 사용하기에 적절한 복합 구조물이 제공된다. 넓게는, 복합 구조물은 복수의 코어 층, 인접한 코어 층 사이에 위치하고 각각 유기 매트릭스 복합 재료로 형성된 복수의 내부 겹, 코어 층 중 최내층에 인접하게 위치된 내부 스킨 및 코어 층 중 최외층에 인접하게 위치된 외부 스킨을 포함한다. 양호한 실시예에서, 코어 층은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된 하니콤 재료로 형성된다.
다른 목적 및 이에 따르는 부수적인 이점과, 본 발명의 개선된 탄도 인성을 갖는 복합 샌드위치 구조의 다른 상세한 설명은 이하의 상세한 설명 및 동일한 부품에 동일한 도면 부호를 표시한 첨부 도면에 기재된다.
도1 내지 도3은 본 발명에 따른 복합 구조물(10)을 도시한다. 복합 구조물(10)은 복수의 코어 층(12) 및 인접한 코어(12)들 사이에 위치된 내부 겹(14)을 갖는 복수의 내부 겹 층(14)을 갖는다. 각각의 내부 겹 층(14)은 막 지지 접착제와 같이 당해 분야에 공지된 임의의 적절한 접착제에 의해 인접한 코어(12)들에 결합될 수 있다. 막 지지 접착제는 코어(12)와 층(14)에 사용된 임의의 카본 구조물 사이의 갈바니(galvanic) 작용을 방지하기 때문에 바람직하다.
코어(12)는 하니콤 재료 또는 발포 재료로 형성될 수 있다. 적절한 하니콤 재료는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성된다. 하니콤 재료의 벽은 임의의 적절한 두께를 가질 수 있다.
내부 겹(14)은 바람직하게는 각각 유기 매트릭스 복합 재료(OMC)로 형성된다. OMC는 높은 인장 강도를 제공하는 섬유 및 섬유들을 서로 결합하는 매트릭스 재료로 제조된다. 섬유의 방향은 요구되는 구조와 이러한 경우의 하중 경로를 제공할 것이다. OMC 재료에 사용될 수 있는 적절한 섬유는 유리 섬유, 아라미드 및/또는 카본 섬유를 포함한다. 매트릭스는 에폭시, 비스말레이미드 및 폴리아미드 수지와 이들의 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 전술한 섬유 및 매트릭스 재료는 요구되는 강도 및 적용하기 위한 온도에 의해 추구되는 재료를 선택하여 이들의 임의의 조합으로 사용될 수 있다.
각각의 층(12)의 두께는 사용되는 층의 개수 및 요구되는 구조의 강성에 기초한다. 각각의 층(12)을 형성하는 재료의 밀도는 바람직한 층의 두께에 대해 균형을 이루도록 선택하는 것이 바람직하다. 본 발명의 복합 샌드위치 구조의 각각의 층(12)에 대한 적절한 두께는 0.25 cm 내지 3.81 cm(0.1 인치 내지 1.5 인치)의 범위이다.
각각의 OMC 층(14)의 두께는 구조에 대해 요구되는 인성/강성 및 개별적인 층을 관통할 때 구조에 걸리는 발사체의 에너지의 양에 따라 결정된다. 층(14)이 두꺼울수록 더 많은 에너지가 발사체로부터 구조 내로 전달되고, 따라서 전체 구조에 더 많은 손상을 주게 된다. 0.22 구경 탄환을 전화번호부 책 내로 쏠 경우에 그 모든 에너지는 책 내로 부과되고 책 전부를 관통하지 않는 것이 그 좋은 예이다. 책의 모든 페이지를 서로 몇 밀리미터 간격으로 분리한다면 탄환은 책을 쉽게 관통할 것이다. 이것이 에너지 전달의 결과이다. 본 발명의 복합 샌드위치 구조에서, 각각의 OMC 층은 요구되는 인성 및 허용되는 에너지 전달에 기초하여 0.20 cm 내지 0.64 cm(0.08 인치 내지 0.25 인치)의 범위의 두께를 가질 수 있다.
층(12, 14)에 부가하여, 복합 구조물(10)은 내부 및 외부 스킨(16, 18)을 갖는다. 내부 및 외부 스킨(16, 18)은 바람직하게는 전술된 동일한 OMC 재료로부터 각각 형성된다. 내부 및 외부 스킨(16, 18)은 0.20 cm 내지 0.64 cm(0.08 인치 내지 0.25 인치) 범위의 두께를 갖는다.
도1을 참조하면, 가스 터빈 엔진의 팬 내장 케이스(30)가 도시된다. 케이스(30)는 팬 및 팬을 형성하는 복수의 블레이드(32)를 둘러싼다. 케이스(30)는 본 발명의 복합 구조물(10)을 포함한다. 케이스(30)는 내부 스킨(16)에 접착된 (도시하지 않은) 다른 구조물 및 방음 처리부를 가질 수 있다. 내부 구조물은 당해 분야에 공지된 임의의 적절한 재료로 형성될 수 있다. 케이스는 또한 바람직하게는 복합 구조물(10)의 외부 스킨(18)을 둘러싸는 방향족 폴리아미드 섬유 랩(20)을 갖는다. 랩(20)은 케블라와 같은 장력하에 권취된 복수의 겹의 방향족 폴리아미드 섬유를 포함한다. 발사체가 복합 구조물(10)을 관통한 후에, 랩(20)은 복합 구조물(10)의 층(12)에 전단력을 발생시키는 압축력을 제공할 것이다. 이에 부가하여, 복합 구조물(10)은 여전히 회전하는 팬(32)의 불균형으로부터 야기되는 떨림 상태에 있게 된다.
본 발명의 복합 구조물(10) 내에 얇은 다중 층(12)을 사용하는 것은 두께가 감소함에 따라 층(12)을 형성하는 재료의 전단력이 감소한다는 이점이 있다. 본 발명의 복합 구조물 설계의 부가적인 이점은 OMC의 얇은 층 중 하나의 층을 통해 전파되는 크랙이 도2 및 도3에 도시된 바와 같이 더 두꺼운 플랜지 영역(34) 내로의 전이에 필요한 에너지를 갖지 않는다는 것이다.
본 발명의 복합 구조물은 몇 가지 장점을 갖는다. 예를 들어, 개재된 내부 겹(14)은 코어(12)의 내전단성을 증가시키는 강화 겹의 역할을 한다. 부가하여, 복합 구조물은 해방된 블레이드에 의해 생성된 구멍 주위에 여러 가지 하중 경로로 개선된 내파손성을 갖는다. 또한, 본 발명의 복합 구조물은 주 중량을 감소시키고, 자동화성이 높은 공정으로 용이하게 제조될 수 있다. 본 발명의 복합 구조물은 탄도 발사체에 의해 충돌될 때 최소 손상으로 견딜 수 있는 매우 강성의 구조물이다. OMC 재료의 개별적인 층을 얇게 유지함으로써, 각각의 층의 에너지 전달량을 최소화한다.
본 발명의 복합 구조물이 팬 내장 케이스에 대해 특정 유용성을 갖지만, 추가적인 충돌 인성이 요구되는 임의의 영역에 사용될 수 있다. 그러한 영역은 구조적으로 유선형 구조, 비행기의 엔진실 및 군용 비행기 등을 포함한다.
본 발명에 따라 전술된 목적, 수단 및 이점을 완전하게 만족시키는 개선된 탄도 인성을 갖는 복합 샌드위치 구조를 제공하는 것은 명백하다. 본 발명이 특정 실시예의 내용으로 기재되었지만, 다른 다양한 변경 및 수정이 전술된 기재를 읽는 당해 분야의 숙련자들에게 명백할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위의 범위 내에 있는 그러한 다양한 변경 및 수정을 포함하려 한다.
본 발명에 따르면, 탄도 발사체에 의해 충돌될 때 파손을 최소화하고 여전히 케블라 외부 랩을 완전하게 지지하는, 매우 가볍고 강성의 복합 구조물을 제공할 수 있다.

Claims (13)

  1. 복수의 코어 층과,
    각각 유기 매트릭스 복합 재료로 형성되어 상기 코어 층 중 인접한 코어 층들 사이에 위치된 복수의 내부 겹과,
    상기 코어 층 중 최내층에 인접하여 위치된 내부 스킨과,
    상기 코어 층 중 최외층에 인접하여 위치된 외부 스킨을 포함하는 복합 구조물.
  2. 제1항에 있어서, 각각의 상기 코어 층은 하니콤 재료로 형성되는 복합 구조물.
  3. 제2항에 있어서, 상기 하니콤 재료는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성되는 복합 구조물.
  4. 제1항에 있어서, 각각의 상기 코어 층은 발포 재료로 형성되는 복합 구조물.
  5. 제1항에 있어서, 각각의 상기 코어 층은 0.25 cm 내지 3.81 cm(0.1 인치 내지 1.5 인치) 범위의 두께를 갖고, 각각의 상기 내부 겹은 0.20 cm 내지 0.64 cm(0.08 인치 내지 0.25 인치) 범위의 두께를 갖는 복합 구조물.
  6. 제1항에 있어서, 각각의 상기 내부 및 외부 스킨은 유기 매트릭스 재료로 형성되는 복합 구조물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 유기 매트릭스 재료는 매트릭스에 의해 둘러싸인 복수의 섬유를 포함하고, 상기 섬유는 유리 섬유, 아라미드, 카본 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 복합 구조물.
  8. 제7항에 있어서, 상기 매트릭스는 에폭시, 비스말레이미드, 폴리아미드 수지 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 복합 구조물.
  9. 복수의 블레이드를 갖는 팬과,
    상기 팬을 둘러싸는 팬 내장 케이스를 포함하고,
    상기 팬 내장 케이스는 복수의 코어 층, 각각 유기 매트릭스 복합 재료로 형성되고 상기 코어 층 중 인접한 코어 층들 사이에 위치된 복수의 내부 겹, 상기 코어 층 중 최내층에 인접하여 위치된 내부 스킨 및 상기 코어 층 중 최외층에 인접하여 위치된 외부 스킨을 포함하는 복합 구조물로 형성되는 가스 터빈 엔진.
  10. 제9항에 있어서, 각각의 상기 코어 층은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된 하니콤 재료로부터 형성되는 가스 터빈 엔진.
  11. 제10항에 있어서, 각각의 상기 내부 및 외부 스킨은 유기 매트릭스 복합 재료로 형성된 가스 터빈 엔진.
  12. 제11항에 있어서, 상기 복합 구조물을 둘러싸는, 파손된 팬 블레이드 부분을 유지하는 수단을 추가로 포함하는 가스 터빈 엔진.
  13. 제12항에 있어서, 상기 유지 수단은 방향족 폴리아미드 섬유 재료로 형성된 복수의 겹을 포함하는 가스 터빈 엔진.
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