KR101197481B1 - 가스터빈엔진의 시동모터용 클러치 - Google Patents
가스터빈엔진의 시동모터용 클러치 Download PDFInfo
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Abstract
Description
본 발명은 가스터빈엔진에 관한 것으로서, 특히 시동모터와 가스터빈엔진의 로터를 단속(斷續)하는 가스터빈엔진의 시동모터용 클러치에 관한 것이다.
가스터빈엔진은 고온·고압의 연소가스로 터빈을 가동시키는 회전형 열기관으로서, 압축기, 연소기, 터빈으로 이루어져 있다. 보다 구체적으로, 가스터빈엔진은 압축기로 공기를 압축하고 연소실에서 압축된 공기와 연료를 연소한다. 이때 생긴 고온 ·고압의 가스를 터빈에 내뿜으면서 팽창시켜 터빈을 회전시킨다. 보통 압축기와 터빈은 직접 또는 간접적으로 1개의 축으로 연결되어 있는데, 압축기를 가동시키는 동력은 터빈에서 발생하는 출력의 25~30%를 사용한다. 따라서 가스터빈으로 발전기 ·프로펠러 등을 회전시키는 출력은 터빈에서 발생하는 출력에서 압축기를 가동시키는 데 소요되는 출력을 뺀 것이 된다.
이러한 가스터빈엔진은 시동 모터에 의해 구동되어 시동된다. 보다 구체적으로, 상기 시동모터는 가스터빈엔진의 로터와 클러치를 통해 연결되어 시동모터의 회전력이 상기 가스터빈엔진의 로터에 전달된다. 시동모터에 의해 회전하는 가스터 빈엔진의 로터가 일정 회전속도에 도달하면 연소기에서 연소반응이 발생하게 되어, 로터는 연소반응에 의해 회전하게 된다. 연소반응에 의해 회전하는 로터의 회전속도가 약 3000rpm(revolutions per minute)에 도달하면 클러치에 의해 시동모터와 로터가 분리된다.
일반적으로, 가스터빈엔진의 시동모터용 클러치는 전달해야하는 회전토크가 크고 회전속도가 고속이기 때문에 기계식이 이용된다. 통상적으로, 기계식 클러치는 로터와 시동모터의 구동축을 연결하거나 분리하기 위한 복수의 동력전달부재를 포함한다. 복수의 동력전달부재는 로터와 시동모터의 구동축을 동력 전달이 가능하도록 동시에 연결되어 있어야 시동모터의 토크를 로터에 효율적으로 전달할 수 있게 된다.
그러나 각 구성부품의 가공오차나 조립오차 등으로 인해 복수의 동력전달부재 중 일부만 동력 전달에 이용되고, 나머지 동력전달부재는 시동모터와 로터를 연결시키는데 이용되지 못하는 경우가 발생한다. 이러한 경우, 동력전달에 이용되는 동력전달부재에 집중 하중이 작용하여 쉽게 손상될 수 있음은 물론 충격 등에 의한 이음이 발생하고 시동모터의 토크를 로터에 효율적으로 전달할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 조립오차나 가공오차가 있더라도 복수의 동력전달부재 모두가 동시에 시동모터의 동력을 로터에 전달할 수 있도록 하여 동력전달부재의 손상을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 시동모터의 토크를 로터에 효율적으로 전달할 수 있는 가스터빈엔진의 시동모터용 클러치를 제공하는데 그 목적이 있다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가스터빈엔진의 시동모터용 클러치는 시동모터의 토크를 로터에 선택적으로 전달하기 위한 것으로서, 상기 시동모터의 구동축과 회전력 전달 가능하게 연결되며 외주면에 제 1 스플라인이 형성된 허브; 일측 내주면에 상기 제 1 스플라인과 결합되는 제 2 스플라인이 형성된 스플라인 유닛; 및 상기 스플라인 유닛과 상기 로터를 선택적으로 연결하는 동력단속유닛을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 스플라인 유닛은 일측 내주면에 상기 제 2 스플라인이 형성되며, 타측 외주면에 제 3 스플라인이 형성된 스플라인 부재; 및 일측 내주면에 상기 제 3 스플라인과 결합되는 제 4 스플라인이 형성된 외륜을 포함한다.
상기 외륜의 내주면에는 원주 방향으로 상호 이격되게 배치된 복수의 걸림홈이 형성되며, 상기 동력단속유닛은 상기 걸림홈에 삽입되어 상기 외륜과 상기 내륜 을 연결시키는 제1위치와 상기 걸림홈으로부터 이탈되어 상기 외륜과 상기 내륜을 분리시키는 제2위치 사이에서 회동 가능하게 상기 로터의 내륜에 설치되는 복수의 동력전달부재; 및 상기 동력전달부재를 상기 걸림홈에 삽입되는 방향으로 가압하도록 상기 내륜에 설치된 가압유닛을 포함하며, 상기 내륜의 회전속도가 기준 회전속도 이하이면, 상기 동력전달부재는 상기 가압유닛에 의해 상기 걸림홈에 삽입되고, 상기 내륜의 회전속도가 기준 회전속도 이상이면, 상기 동력전달부재는 원심력에 의해 상기 걸림홈으로부터 이탈된다.
또한, 상기 복수의 걸림홈 각각의 사이에는, 상기 내륜의 회전속도가 상기 외륜의 회전속도보다 큰 경우, 상기 동력전달부재의 마주하는 면과 접촉하여 상기 동력전달부재를 상기 걸림홈으로부터 이탈되는 방향으로 회동시키는 접촉부가 형성되며, 상기 접촉부는 경사면으로 형성된다.
한편, 전술한 바와 같은 가스터빈엔진의 시동모터용 클러치는 일측 내주면이 상기 허브의 일측 외주면에 결합되고 타측 내주면은 상기 외륜의 외주면에 결합되어 상기 허브와 상기 외륜을 지지하는 지지용 슬리브; 및 상기 외륜이 축방향으로 이동하는 것을 제한할 수 있도록 상기 외륜의 일측과 타측 각각에 배치되는 제 1 및 제 2 고정링을 포함하며, 상기 지지용 슬리브에는 적어도 하나의 절개부가 형성된다.
이상에서 설명한 바와 같은 과제 해결 수단에 의하면, 허브와 스플라인 유닛이 스플라인 결합함으로써, 클러치의 유연성(flexibility)를 향상시킬 수 있고, 이 에 의해 허브 및 스플라인 유닛에 가공오차 및 조립오차가 발생하더라도 복수의 동력전달부재 모두가 동시에 동력 전달에 이용될 수 있게 된다. 이에 의해, 기존에 복수의 동력전달부재 중 어느 하나에 시동모터의 토크가 집중되어 쉽게 손상되는 것을 방지할 수 있음은 물론 시동모터의 토크를 로터에 효율적으로 전달할 수 있게 된다.
또한, 스플라인 유닛을 스플라인 부재와 외륜으로 구성하고 스플라인 부재와 외륜을 스플라인 결합시킴으로써, 클러치의 유연성(flexibility)이 더욱 향상될 수 있어 동력전달부재의 손상을 최소화할 수 있음은 물론 토크 전달 효율을 극대화할 수 있게 된다.
또한, 동력단속유닛을 복수의 동력전달부재와 가압유닛으로 구성하고 내륜의 원심력을 이용하여 동력전달부재를 외륜의 걸림홈으로부터 이탈시킴으로써, 동력전달부재를 걸림홈으로부터 이탈시키기 위한 별도의 구성품이 사용되지 않아도 되고, 이에 의해 동력단속유닛의 구성을 간소화할 수 있게 된다.
또한, 복수의 걸림홈 각각의 사이에 경사면으로 형성된 접촉부를 형성함으로써, 동력전달부재가 접촉부에 접촉시 충격을 최소화할 수 있고, 이에 의해 동력전달부재의 손상을 최소화하여 클러치의 수명을 연장시킬 수 있게 된다.
한편, 지지용 슬리브를 통해 허브와 외륜을 지지함으로써, 허브와 스플라인 부재 및 외륜이 자중에 의해 처지는 현상을 방지할 수 있고, 이에 의해 클러치의 유연성을 향상시키면서도 불필요하게 처지는 현상을 방지할 수 있어 클러치의 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 제 1 및 제 2 고정링을 통해 스플라인 부재와 외륜이 축방향으로 이동하는 것을 제한함으로써, 클러치의 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈엔진의 시동모터용 클러치에 대하여 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈엔진의 시동모터용 클러치는 허브(10)와, 스플라인 유닛(20)과, 로터의 내륜(30)과, 동력단속유닛(40)과, 지지용 슬리브(50) 및 제 1 및 제 2 고정링(60)(70)을 포함한다.
상기 허브(10)는 그 내부에 시동모터의 구동축(1)이 삽입되며, 키(11) 및 고정볼트(12)를 통해 상기 구동축(1)과 회전력 전달가능하게 결합된다. 이러한 허브(10)의 외주면에는 제 1 스플라인(13)이 형성된다.
상기 스플라인 유닛(20)은 상기 허브(10)와 스플라인 결합하여 자유도를 높이기 위한 것으로서, 스플라인 부재(21)와 외륜(24)을 포함한다.
상기 스플라인 부재(21)는 그 일측 내주면에 상기 제 1 스플라인(13)과 결합하는 제 2 스플라인(22)이 형성되며, 타측 외주면에는 상기 외륜(24)과 스플라인 결합하기 위한 제 3 스플라인(23)이 형성된다. 이와 같은 구성에 의해, 상기 허브(10)의 타측이 상기 스플라인 부재(21)의 내부에 삽입되어 상기 스플라인 부재(21)와 스플라인 결합되며, 상기 스플라인 부재(21)는 그 타측이 상기 외륜(24)에 삽입되어 상기 외륜(24)과 스플라인 결합된다. 이와 같이, 상기 허브(10)와 상기 스플라인 부재(21) 및 상기 외륜(24)이 스플라인 결합됨으로써, 상기 허브(10) 와 상기 스플라인 부재(21) 및 상기 외륜(24)은 스플라인 결합에 의한 유격으로 인해 원주 방향으로 유연성(flexibility)이 생기게 되고, 이와 같은 유연성으로 인해 후술한 동력단속유닛(40)의 복수의 동력전달부재(41) 모두가 동시에 외륜(24)에 접촉할 수 있게 된다. 이에 의해, 시동모터의 토크가 외륜(24)을 통해 내륜(30)에 효율적으로 전달될 수 있음은 물론 일부 동력전달부재(41)가 집중 하중에 의해 파손되는 것을 방지할 수 있게 된다.
상기 외륜(24)은 그 일측 내주면에 상기 제 3 스플라인(23)과 스플라인 결합되는 제 4 스플라인(25)이 형성된다. 또한, 상기 외륜(24)에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 반경 방향으로 함몰된 복수의 걸림홈(26)이 형성된다. 상기 걸림홈(26)은 후술한 상기 동력단속유닛(40)의 동력전달부재(41)가 선택적으로 삽입되는 홈이다. 한편, 상기 복수의 걸림홈(26)들의 사이에는 접촉부(27)가 형성된다. 상기 접촉부(27)는, 외륜(24)의 회전속도가 내륜(30)의 회전속도보다 작아지는 경우, 상기 동력전달부재(41)를 상기 걸림홈(26)으로부터 이탈되게 가압하는 부분으로서, 경사면으로 형성된다. 상기 접촉부(27)가 경사면으로 형성됨으로서, 상기 동력전달부재(41)가 상기 접촉부(27)에 접촉시 충격을 줄일 수 있으며, 이에 의해 동력전달부재(41)의 손상을 최소화하여 클러치의 수명을 연장할 수 있게 된다.
상기 내륜(30)은 그 일측이 상기 동력단속유닛(40)을 통해 상기 외륜(24)과 선택적으로 연결되며, 그 타측은 로터에 연결된다. 또한, 상기 내륜(30)은 상기 외륜(24)의 내부에 삽입되며, 베어링(31)에 의해 회전 가능하게 지지된다.
상기 동력단속유닛(40)은 상기 외륜(24)을 통해 전달되는 시동모터의 회전력 을 상기 내륜(30)에 선택적으로 전달하기 위한 것으로서, 상기 내륜(30)의 일측면에 회동 가능하게 설치되는 복수의 동력전달부재(41)와, 상기 동력전달부재(41)를 상기 외륜(24)의 걸림홈(26)에 삽입하는 방향으로 가압하는 복수의 가압유닛(42)을 포함한다.
상기 동력전달부재(41)는 3개가 원주 방향으로 상호 이격되게 배치되며, 각각은 상기 내륜(30)의 일측면에 회동 가능하게 설치된다. 보다 구체적으로, 상기 동력전달부재(41)는 상기 가압유닛(42)에 의해 가압되어 일 방향(A 방향)으로 회동하면서 상기 걸림홈(26)에 삽입되고, 내륜(30)의 회전하게 되면 상기 동력전달부재(41)는 그 회동축이 일측으로 편심되어 내륜(30)의 원심력에 의해 타 방향(B 방향)으로 회동하게 된다. 따라서, 내륜(30)이 기준 회전속도이상 회전하게 되면, 상기 동력전달부재(41)의 타 방향(B 방향)의 회전력이 가압유닛(42)의 가압력보다 커져서 상기 동력전달부재(41)는 타방향(B 방향)으로 회전하게 되고, 이에 의해 상기 동력전달부재(41)는 걸림홈(26)으로부터 이탈할 수 있게 된다. 여기서, 상기 동력전달부재(41)가 상기 걸림홈(26)에 삽입되는 위치를 제1위치로 정의할 수 있고, 상기 동력전달부재(41)가 상기 걸림홈(26)으로부터 이탈된 위치를 제2위치로 정의할 수 있다. 이와 같이 정의한 경우, 상기 동력전달부재(41)는 상기 제1위치와 제2위치 사이에서 회동가능하게 내륜(30)에 설치된 것으로 표현될 수 있다.
상기 가압유닛(42)은 상기 동력전달부재(41)의 일측에 접촉되는 피스톤(43)과 상기 피스톤(43)을 가압하는 탄성부재(44)를 포함한다. 이러한 가압유닛(42)은 3개의 동력전달부재(41)에 대응되게 3개가 마련되며, 상기 내륜(30)에 설치된다.
상기 지지용 슬리브(50)는 상기 스플라인 부재(21)와 외륜(24)을 지지하여 자중에 의해 처지는 현상을 방지하기 위한 것이다. 이러한 지지용 슬리브(50)는 그 일측의 내주면이 허브(10)의 일측 외주면과 압입이나 열박음 또는 고정볼트 등의 결합수단으로 고정되게 결합되며, 그 타측의 내주면은 상기 외륜(24)의 외주면과 접촉하여 상기 외륜(24)을 지지한다. 또한, 상기 지지용 슬리브(50)는 그 일측에 단차부(51)가 형성되어 있어서, 상기 스플라인 부재(21)가 축방향 일측으로 이동하는 것을 제한한다. 한편, 상기 지지용 슬리브(50)에는 지지용 슬리브(50)의 유연성(flexibility)를 증가시킬 수 있도록 복수의 절개부(52)가 형성되어 있다.
상기 제 1 및 제 2 고정링(60)(70) 각각은 상기 외륜(24)의 축방향 일측과 타측 각각에 설치되어 상기 외륜(24) 및 상기 스플라인 부재(21)가 축방향으로 이동하는 것을 제한한다.
보다 구체적으로, 상기 제 1 고정링(60)은 상기 스플라인 부재(21)의 일측 외주면에 설치되어 상기 외륜(24)이 축방향 일측으로 이동하는 것을 제한함과 아울러 상기 스플라인 부재(21)의 축방향 타측으로 이동하는 것을 제한한다.
상기 제 2 고정링(70)은 상기 지지용 슬리브(50)의 타측 내주면에 설치되어 상기 외륜(24)이 축방향 타측으로 이동하는 것을 제한한다.
이와 같이, 허브(10) 및 스플라인 부재(21)와, 스플라인 부재(21) 및 외륜(24)을 각각 스플라인 결합하여 클러치의 유연성(flexibility)을 향상시킬 수 있다. 클러치의 유연성이 향상됨으로써, 클러치의 각 구성부품의 가공오차 및 조립오차에 의해 동력전달부재(41)가 외륜(24)에 동시에 접촉하지 못하는 현상을 방지할 수 있게 되고, 이에 의해 집중 하중에 의한 동력전달부재(41)의 손상을 방지할 수 있음은 물론 외륜(24)의 회전력을 내륜(30)에 효율적으로 전달할 수 있게 된다.
이하, 전술한 바와 같은 구성을 가지는 클러치의 동력 단속 과정에 대하여 상세히 설명한다.
가스터빈엔진을 시동하기 위한 시동모터를 구동시키면, 시동모터의 구동축(1)이 회전하고, 구동축(1)의 회전력은 허브(10)와, 스플라인 부재(21)와, 외륜(24)으로 순차적으로 전달된다. 이때, 허브(10)에 고정되는 지지용 슬리브(50)는 상기 허브(10)와 함께 회전한다.
한편, 시동모터의 구동축(1)이 회전하기 시작하면, 도 4a에 도시된 바와 같이, 동력전달부재(41)는 가압유닛(42)에 의해 가압되어 외륜(24)의 걸림홈(26)에 삽입된 상태가 된다. 이와 같은 상태에서, 외륜(24)의 회전력은 걸림홈(26)과 동력전달부재(41)를 통해 내륜(30)에 전달된다. 이에 의해 외륜(24)의 회전속도가 점진적으로 증가하게 되면, 내륜(30)의 회전속도가 점진적으로 증가하게 된다. 내륜(30)의 회전속도가 일정 회전속도 이상이면, 연소실에 연료가 공급되어 연소반응이 발생한다. 그러면 상기 내륜(30)의 회전속도가 상기 외륜(24)의 회전속도보다 큰 상태가 되는 시점에 도달하게 된다. 이와 같은 시점의 상기 내륜(30)의 회전속도를 기준 회전속도라고 정의한다.
이와 같이, 내륜(30)의 회전속도가 외륜(24)의 회전속도보다 높으면, 도 4b에 도시된 바와 같이, 동력전달부재(41)의 일면이 외륜(24)의 접촉부(27)에 접촉하게 된다. 그러면, 상기 외륜(24)과 내륜(30)의 속도차에 의해 상기 접촉부(27)는 상기 동력전달부재(41)를 타 방향(B 방향)으로 회전시켜 걸림홈(26)으로부터 이탈시킨다. 상기 동력전달부재(41)가 걸림홈(26)으로부터 이탈되면, 내륜(30)의 원심력에 의해 상기 동력전달부재(41)의 타 방향(B 방향) 회전력이 상기 가압유닛(42)에 의해 일 방향(A 방향) 회전력보다 커지게 된다. 이에 의해, 상기 동력전달부재(41)는 상기 걸림홈(26)으로부터 이탈된 상태를 유지할 수 있게 되고, 이에 의해 외륜(24)과 내륜(30)은 동력이 단절된 상태를 유지할 수 있게 된다.
여기서, 상기 접촉부(27)가 경사면으로 형성되기 때문에, 상기 내륜(30)의 회전속도가 외륜(24)의 회전속도보다 커지는 시점에 상기 동력전달부재(41)와 접촉부(27)의 충돌에 의한 충력량을 최소화할 수 있게 된다. 이에 의해 동력전달부재(41)는 물론 외륜(24)의 손상을 방지할 수 있어, 클러치의 수명을 연장시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈엔진의 시동모터용 클러치를 개략적으로 나타낸 단면도,
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ를 따라 절개한 단면도,
도 3은 도 1의 지지용 슬리브를 분리한 분해 사시도,
도 4a 내지 도 4c는 도 1에 도시된 가스터빈엔진의 시동모터용 클러치의 작동 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>
1; 시동모터 구동축 10; 허브
13; 제 1 스플라인 20; 스플라인 유닛
21; 스플라인 부재 22; 제 2 스플라인
23; 제 3 스플라인 24; 외륜
25; 제 4 스플라인 26; 걸림홈
27; 접촉부 30; 로터의 내륜
40; 동력단속유닛 41; 동력전달부재
42; 가압유닛 50; 지지용 슬리브
52; 절개부 60; 제 1 고정링
70; 제 2 고정링
Claims (6)
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- 시동모터의 토크를 로터에 선택적으로 전달하기 위한 가스터빈엔진의 시동모터용 클러치에 있어서,상기 시동모터의 구동축과 회전력 전달 가능하게 연결되며 외주면에 제 1 스플라인이 형성된 허브;일측 내주면에 상기 제 1 스플라인과 결합되는 제 2 스플라인이 형성된 스플라인 유닛; 및상기 스플라인 유닛과 상기 로터에 연결된 로터의 내륜을 선택적으로 연결하는 동력단속유닛을 포함하고,상기 스플라인 유닛은,일측 내주면에 상기 제 2 스플라인이 형성되며, 타측 외주면에 제 3 스플라인이 형성된 스플라인 부재; 및일측 내주면에 상기 제 3 스플라인과 결합되는 제 4 스플라인이 형성된 외륜을 포함하고,상기 외륜의 내주면에는 원주 방향으로 상호 이격되게 배치된 복수의 걸림홈이 형성되며,상기 동력단속유닛은,상기 걸림홈에 삽입되어 상기 외륜과 상기 로터의 내륜을 연결시키는 제1위치와 상기 걸림홈으로부터 이탈되어 상기 외륜과 상기 로터의 내륜을 분리시키는 제2위치 사이에서 회동 가능하게 상기 로터의 내륜에 설치되는 복수의 동력전달부재; 및상기 동력전달부재를 상기 걸림홈에 삽입되는 방향으로 가압하도록 상기 로터의 내륜에 설치된 가압유닛을 포함하며,상기 로터의 내륜의 회전속도가 기준 회전속도 이하이면, 상기 동력전달부재는 상기 가압유닛에 의해 상기 걸림홈에 삽입되고, 상기 로터의 내륜의 회전속도가 기준 회전속도 이상이면, 상기 동력전달부재는 원심력에 의해 상기 걸림홈으로부터 이탈되는 것을 특징으로 하는 가스터빈엔진의 시동모터용 클러치.
- 제3항에 있어서,상기 복수의 걸림홈 각각의 사이에는, 상기 로터의 내륜의 회전속도가 상기 외륜의 회전속도보다 큰 경우, 상기 동력전달부재의 마주하는 면과 접촉하여 상기 동력전달부재를 상기 걸림홈으로부터 이탈되는 방향으로 회동시키는 접촉부가 형성되며,상기 접촉부는 경사면으로 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈엔진의 시동모터용 클러치.
- 제3항에 있어서,일측 내주면이 상기 허브의 일측 외주면에 결합되고 타측 내주면은 상기 외륜의 외주면에 결합되어 상기 허브와 상기 외륜을 지지하는 지지용 슬리브를 포함하며,상기 지지용 슬리브에는 적어도 하나의 절개부가 형성된 것을 특징으로 하는 가스터빈엔진의 시동모터용 클러치.
- 제5항에 있어서,상기 외륜이 축방향으로 이동하는 것을 제한할 수 있도록 상기 외륜의 일측과 타측 각각에 배치되는 제 1 및 제 2 고정링을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈엔진의 시동모터용 클러치.
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