KR101267072B1 - 일체형 응력-토크-전달 요소를 구비한 회전자 날개 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

회전익 항공기의 꼬리 회전자용으로, 섬유층들을 포함하는 섬유-보강 복합 설계의 회전자 날개는, 공기역학적으로 효과적인 프로파일을 포함하는 블레이드 몸체(41 ~ 47)와 블레이드 스킨(40, 50)을 포함하는 회전자 블레이드(1)와, 이에 연결된 것으로 회전자 블레이드(1)와 함께 하나로 설계된 응력-토크-전달 요소(3)와, 응력-토크-전달 요소(3)를 통해 확장하며 회전자 블레이드(1)에 스카프-결합되는 섬유층들(42 ~ 47)을 구비한 것으로, 섬유층들(42 ~ 47)이 응력-토크-전달 요소(3)로부터 블레이드 몸체(41 ~ 47)까지 곧바로 확장하는 점에서 개선된다. 또한, 회전자 날개 제조방법이 기술된다.

Description

일체형 응력-토크-전달 요소를 구비한 회전자 날개 및 이의 제조방법{Rotor wing with integrated tension-torque-transmission element and method for its production}

본 발명은 특히 회전익 항공기 또는 헬리콥터의 꼬리 회전자용으로, 섬유층들을 포함하는 섬유-보강 복합 설계의 회전자 날개에 관한 것이다. 회전자 날개는 공기역학적으로 효과적인 프로파일을 포함하는 블레이드 몸체와 블레이드 스킨을 구비한 회전자 블레이드를 포함하며 이에 연결된 응력-토크-전달 요소를 포함하며, 이 응력-토크-전달 요소는 회전자 블레이드와 하나로 설계된다. 섬유층들은 응력-토크-전달 요소를 통해 확장되며 회전자 블레이드 내에 포함된다. 또한, 발명은 이러한 회전자 날개 제조방법에 관한 것이다.

무게 및 비용에 관계된 이유로, 특히 항공기 제조에서, 금속으로 만들어지는 요소들을 섬유-보강 복합 설계로 제조되는 성분들로 대체하려는 많은 시도가 증가된다. 이들의 기하학적 형상에 기인하여 이들 성분들은 이 설계에 적합해야 한다. 이들은 몰드에 넣어 제조되는데 몰드 내에는 섬유층들이 넣어지며, 이어서 이들은 합성 보강 수지에 의해서, 온도 및 온도의 영향 하에서, 함께 가압된다. 헬리콥터의 덮개 꼬리 회전자, 소위 페네스트론(fenestron)의 회전자 날개들도 섬유-보강 복합 설계로 제조될 수 있다.

예를 들어 DE 693 07 856는 이러한 회전자 블레이드를 개시하고 있다. 이것은 회전자의 구동장치의 허브에 부착하기 위한 연결장치를 포함한다. 회전자 블레이드는 공기역학적 프로파일을 포함하는 단단한 쉘로부터 건조되는데, 이 쉘은 블레이드의 전장의 전체 길이를 따라 확장하며 허브에 연결되는 측에 관형 블레이드 기부까지 확장된다. 또한 상기 회전자 블레이드는, 적어도 나누어서 쉘 내에 길게 수용되어 상기 쉘에 연결되는 저항성 지지 프레임워크를 포함한다. 또한, 허브에 연결되는 측에서, 회전자 블레이드는 블레이드의 적어도 한 회전가능한 연결 번들을 포함하는 근부에서 끝나 있는데, 이 번들은 필수적으로 쉘의 길이방향 연장으로 확장하며 이의 길이방향 축선으로 회전할 수 있다. 상기 번들은, 필수적으로 한 방향으로 확장하며 굳은 합성 수지를 통해 가압되는 섬유들을 포함하는 섬유-보강 물질로부터 만들어진다. 번들은 지지 프레임워크에 연결되고, 블레이드 기부를 횡단하여, 쉘 바깥쪽으로 해서 번들 및 이에 따라 회전 블레이드를 허브에 연결하게 설계된 단부 영역 내로 확장한다. 이의 단부 영역에서 번들은 보강된 헤드를 포함하며, 이 헤드는 허브의 보유수단을 지지한다. 이에 대한 대안으로서, 회전가능한 번들은 단부 영역을 포함하는 대신에, 허브에 연결을 위해 볼트를 넣을 수 있는 루프에서 끝날 수 있다. 회전자 블레이드와, 특히 단부 영역 내 번들의 제조가 간단해 보이기는 하나, 손상 허용범위가 없고 사용수명이 너무 짧음을 보였다. 이의 임박한 고장은 분명하지 않으며, 조사하는 중에도 쉽게 검출될 수 없다. 이에 따라 회전자 블레이드는 실시가능한 해결책을 제공하지 못한다.

이에 따라 발명의 목적은, 섬유-보강 복합 설계의 회전자 블레이드 제조에도 불구하고, 이 회전자 블레이드가 긴 사용 수명 및 내손상 거동 특징이 있고 저 유지보수 특성이 있으며 가능한한 제조하기가 복잡하지 않은, 특히 페네스트론 회전자들을 위한 회전자 블레이드를 제공하는 것이다.

도입부에서 언급된 회전자 날개에서 이 목적은 섬유층들이 응력-토크-전달 요소부터 블레이드 몸체까지 곧바로 확장하는 점에서 충족된다. 이에 따라 발명은 안정된 쉘 및 이에 연결된 별도의 지지 프레임워크를 포함하는 회전자 날개의 설계에서 떨어져 있다. 대신에, 발명은 별도의 지지 프레임워크를 불필요하게 만드는 자기-지지 쉘의 원리에 따른다. 쉘 자체는 이에 작용하는 모든 힘들을 흡수 및 제거하기에 충분히 안정하고 견고하다. 자기-지지 쉘은 필수적으로, 얇은 블레이드 스킨에 의해 덮여 있고 공기역학적으로 효과적인 형상이 될 것을 회전자 블레이드에 제공하는 블레이드 몸체를 포함한다. 블레이드 몸체는 전체 블레이드 몸체를 따라서 확장할 뿐만 아니라, 어떠한 중단도 없이 응력-토크-전달 요소로 천이하며 또는 끊김이 없으며 평탄해지게 이 요소 내에 일체화되는 섬유층들을 포함한다. 이에 따라 회전자 블레이드는 블레이드 몸체를 형성할 뿐만 아니라 응력-토크-전달 요소도 형성하는 섬유층들을 포함한다. 이렇게 하여 이들은 회전자 블레이드의 끝부분부터 이의 전체 길이를 따라 응력-토크-전달 요소를 거쳐 블레이드 끝부분 반대쪽인 응력-토크-전달 요소의 끝에 연결부 내로 곧바로 연속적으로 확장할 수 있다. 한편으로는 쉘의 기능과 다른 한편으로는 지지 프레임워크의 기능을 단일 성분에, 즉 자기-지지 블레이드 몸체에 결합함으로써, 회전자 블레이드의 중량 및 이의 제조에 필요한 성분들의 수와 제조 단계들이 감소될 수 있다. 또한, 한편으로는 쉘과, 다른 한편으로는 지지 프레임워크 간에 연결을 제공할 어떠한 필요성도 더 이상 없으며, 이 연결은 그렇지 않았다면 별도의 제조단계에서 제조되어야 했을 것이다. 이에 따라 있을 수 있는 오류원이 배제되고, 회전자 블레이드에 관계된 제조 수고가 감소된다.

관통-섬유들은 이들의 길이방향으로 부하를 받으며 이에 따라 회전체가 사용될 때 압도적으로 작용하는 원심력 방향으로 이들이 확장하여 있기 때문에 최적으로 부하를 받는다. 섬유들의 이러한 정렬의 결과로서,

- 이 정렬은 부하에 대응한다.

- 개개의 섬유층들은 더 큰 내력성능(load-bearing capacity)을 갖게 되고, 따라서 동일한 부하 인가성을 달성하기 위해 적은 수의 섬유층들이 요구된다. 이것은 평탄하고 공간 절약적인 설계가 되게 하며 이는 더구나 회전자 날개의 중량 감소가 되게 한다.

회전자 블레이드의 프로파일 영역의 구체적인 기하구조에 따라, 회전자 날개에는 회전자 날개가 동작시 회전하는 회전면에 관하여 소위 입사각이 주어진다. 입사각들은 공기역학적 이유들로 사전에 결정된다. 회전자 블레이드는 최대 20°의 입사각만큼 꼬리 회전자 내 자신의 회전면에 관하여 경사져 있기 때문에, 개개의 섬유층들에도 최대 20°의 약간의 회전이 주어진다. 회전은 횡 인장변형의 결과로서 임의의 박리를 방지할 만큼 충분히 작다. 또한, 구조는 박리가 일어나게 될지라도 섬유층들의 내력성능이 여전히 보장될 정도로 안정하다. 특히 응력-토크-전달 요소의 섬유층들은 다른 성분들, 예를 들어 제어튜브에 의해 덮이지 않기 때문에, 회전자 날개는 손상에 대해서, 특히 개개의 섬유층들의 박리에 대해서, 단순 시각적 조사에 의해 체크될 수 있다.

발명의 잇점이 있는 실시예에 따라, 섬유층들은 단일방향 섬유물질로 만들어진 스파(spar) 테이프들을 포함한다. 스파 테이프들은 개개의 평탄한 층들을 형성하며 이들 층들의 섬유들은 힘 플럭스 방향, 즉 원심력 방향으로 확장하며, 이에 따라 이 방향으로 우수한 내력성능을 갖는다. 이것은 특히 응력-토크-전달 요소에 적용되고, 이 요소의 주 부하는 원심력에 기인한다. 무엇보다도, 부하의 방향으로 놓여진 단일방향 섬유물질의 응력-토크-전달 요소의 설계는 물질들의 경제적이고 최적의 활용을 보여준다. 이것은 성분에 최소의 응력을 초래하고 결국 회전자 블레이드는 긴 사용수명을 갖는다. 간단한 구조는 제조 오류의 감소된 위험을 수반하고 동일 고 품질의 회전자 블레이드의 양호한 재현성을 보증한다.

발명의 잇점이 있는 실시예에 따라, 스파 테이프들은 특히 응력-토크-전달 요소의 영역에서 직사각형 단면을 포함한다. 이것은 특히 응력-토크-전달 요소의 간단하고 경제적인 설계가 되게 하고, 이 설계는 감소된 오류 위험 및 이에 따른 고 품질의 가망성을 제공한다.

발명의 또 다른 잇점이 있는 실시예에 따라, 한편으로는 블레이드 몸체, 다른 한편으로는 응력-토크-전달 요소의 공기역학적 프로파일을 형성하기 위한 스파 테이프들은 적층이 되게 배열되며, 필요하다면 서로 엇갈리게 배열된다. 결국, 관통-섬유층들에도 불구하고 회전자 블레이드 및 응력-토크-전달 요소 둘 다의 매우 다른 단면 프로파일은 상당한 낭비 없이 제작될 수 있다. 이것은 회전자 날개 제조 비용 감소에 이르게 한다.

발명의 또 다른 잇점이 있는 실시예에 따라, 스파 테이프들은 응력-토크-전달 요소 내 자신들의 높이 위치에 따라, 폭이 서로 다르다. 응력-토크-전달 요소의 중간 영역에 배열되는 이들 스파 테이프들은 바깥에, 또는 상부와 하부에 위치된 것들보다 넓게 설계된다. 이에 따라 응력-토크-전달 요소는 대체로 직사각형이며 이의 좁은 변들이 약간 불룩하거나 만곡된 특징적 단면을 얻는다.

알려진 바와 같이, 응력-토크-전달 요소는 층상(stratified)의 평탄한 섬유층 다발을 포함한다. 회전하는 회전자 블레이드의 원심력으로부터 인장력을 제외하고, 응력-토크-전달 요소는 비틀림 모멘트를 흡수해야 한다. 그러므로, 어느 정도는 비틀림에 대해 유연하도록 설계되어야 한다. 이것은 단면의 치수에 의해서 달성될 수 있다. 예를 들어, 대응하는 비틀림 강성을 달성하기 위해서 정규 직사각형 단면은 높이 및 폭에 따라서 그리고 높이 대 폭의 비에 따라 치수가 정해질 수 있다. 이에 대한 대안으로서, 비틀림 강성에 영향을 미치기 위해서, 필요하다면 원심력 방향으로 확장하는 절개들 혹은 공동의 공간들을 갖고, 다른 단면들, 예를 들어 십자형 단면들, 타원형들, 육각형들 혹은 8각형들 혹은 이들 형상들의 변형들이 선택될 수 있다. 이에 따라, 응력-토크-전달 요소는, 예를 들어, 평탄하고 서로 수직으로 배열되는 브레이스들, 혹은 다른 것 옆에 놓이게 배열된 거의 정사각형 브레이스들을 포함할 수 있고, 이들 브레이스들의 엔벨로프는 평탄한 직사각형 단면을 이룬다. 필수적으로 회전자 날개의 확장방향으로 확장하고 서로 분리된 몇 개의 적층된 스파 테이프들을 포함하는 단면은 비틀림 강성, 특히 이의 제조에 관한 한 특히 잇점이 있음을 보였다. 서로 연결된 몇 개의 적층된 스파 테이프들은 박막들을 형성하며 몇 개의 박막들은 응력-토크-전달 요소를 형성한다. 이웃한 박막들은 단면의 적합한 치수들을 갖고 응력-토크-전달 요소가 요망되는 비틀림 강성을 얻도록 분리층들에 의해 분리될 수 있다. 이웃한 박막들 간에 분리층들은 박막들을 서로 격리시키므로 꼬임(twisting)의 경우에, 박막들 간에 전단변형(shearing strain)의 전달이 적어도 감소된다. 그럼에도불구하고 이것은 응력-토크-전달 요소가 매우 콤팩트한 설계가 되게 한다.

발명의 또 다른 잇점이 있는 실시예에 따라, 분리층들은 스파 테이프들 사이에 막들의 형태로 제공될 수 있다. 또한, 막들은 적합히 코팅될 수 있다. 이들은 스파 테이프들이 서로 들러붙는 것을 방지하며, 또한 이들은 개개의 박막들을 서로 간에 완전히 격리시키므로 이들의 서로 대면하는 경계표면들에서 전단변형의 어떠한 전달도 일어날 수 없다. 이를 위해서, 분리층들로서 예를 들어, 소위 Tedlar(등록상표) 막이 사용될 수 있다. 이것은 Teflon(등록상표)로 코팅되고, 적합하고, 특히 적절히 저항력이 있고 양호한 동작특성들을 제공함을 보였다.

발명의 대안적 실시예에 따라, 분리층으로서 공기 갭을 제공하는 슬롯들이 박막들 사이에 형성될 수 있다. 이에 따라, 이 영역에서 박막들의 대면하는 측면들은 서로 직접 더 이상 접촉하지 않으며, 대신에 이들은 서로의 사이에 공기 갭을 포함한다. 이렇게 하여 개개의 박막들 간에 전단변형의 어떠한 전달도 실제로 배제된다. 또한, 별도의 분리막이 없으므로 응력-토크-전달 요소의 제조가 더 간단해지고 더 경제적이 되는 잇점이 제공된다. 분리층들은 온도 및 습기의 영향에 기인하여 노화되고, 부서지기 쉽게 되고, 팽창될 수 있음에 유념해야 한다. 또한, 이들은 섬유층들이 휨 부하들 및 비틀림 부하들에 기인하여 서로를 벗겨내는 결과로서 마모될 수 있다. 서로 이격된 박막들은 이들이 개별적으로 임의의 손상에 대해 조사될 수 있는 잇점에 연관된다.

이러한 배열에서 슬롯들의 높이 혹은 박막들간에 거리는 이들을 의도적으로 꼬는 경우에도 서로 닿지 않게 하는 치수를 가져야 한다. 개개의 박막들 간에 슬롯들의 치수를 정하거나 박막들의 두께의 설계에서, 회전자 날개의 동작동안 작용하는 원심력은 긍정적 효과를 미친다. 이것은 원심력이 박막들을 신장시켜 이에 따라 박막들이 서로 닿는 것을 저지하기 때문이다.

토크-전달 요소를 제조하는 비용 및 복잡성을 낮게 유지하기 위해서, 박막들의 수는 가능한 한 적게 유지된다. 계산들은 대략 1.13 mm의 두께의 4개의 박막들로 적절한 강도 및 비틀림 강성이 제공됨을 보였다.

설치시 취급 오류에 대한 토크-전달 요소의 보호는 슬롯들 및 박막들의 두께의 설계에서 또 하나의 기준이다. 즉, 박막들 및 이들과 함께 응력-토크-전달 요소는 응력-토크-전달 요소가 허용가능한 비틀림 각을 넘어 수동으로 과도하게 꼬여질 수 없게, 즉 성분이 설치시 이미 이전의 손상을 입을 수 있을 상황을 방지하도록 하는 치수이어야 한다. 응력-토크-전달 요소의 설계의 계산들은 대략 1.3 mm의 박막 두께, 대략 75 mm의 길이, 및 대략 12 mm의 유리한 폭을 나타낸다.

발명의 또 다른 잇점이 있는 실시예에 따라, 한편으로 회전자 블레이드 상에, 다른 한편으로 블레이드 연결 상에 응력-토크-전달 요소의 연결부들 내에, 슬롯들의 높이에 추가의 직조된 섬유층들이 배열될 수 있다. 한편으로 이들은 연결부들을 보강하는 것으로, 이렇게 하여 임의의 손상을 입지 않고, 임의의 부하 도입, 및 적용할 수 있다면, 부하 편향을 제거할 수 있다. 다른 한편으로 이들 추가의 직조된 섬유층들은 분리 슬롯들을 형성하기 위해 박막들 사이에 공간을 생성하며, 따라서 박막들을 형성하는 섬유층들은, 일측에서 보았을 때, 완전히 평면적으로 그리고 응력-토크-전달 요소를 통해 직선으로 확장할 수 있다. 이에 따라 박막의 단일방향 섬유층들은 원심력을 받은 결과로서 이들의 확장면 방향의 어떠한 편향도 없이 최적으로 부하가 걸리고, 따라서 상기 섬유층들은 물질을 최소로 사용하여 최대 부하를 받을 수 있다.

단일방향 섬유층들로부터 추가의 직조된 섬유층들로의 확실한 부하 전달이 단일방향 섬유층들 사이에 추가의 직조된 섬유층들이 스카프-결합(scarf joint)된 이들 단일방향 섬유층들을 팬 오픈(fan open) 함으로써 발생한다. 또한 단일방향 섬유층들 및 추가의 직조된 섬유층들 모두 매우 얇기 때문에, 다수의 접촉 표면들 및 본딩 표면들이 층들 사이에 생성된다. 이들은 큰 영역에 걸쳐 부하가 분산될 수 있어 각각의 개별적 접촉 영역이 과부하 되지 않고 크랙이 전개될 위험에 있지 않기 때문에, 손상이 없는 부하 전달을 보증한다. 이에 따라, 층들을 연결하기 위해서 팬 오픈 및 스카프-결합은 연결 및 회전자 날개 전체의 내손상 거동 및 적절한 사용수명을 보증한다.

발명의 또 다른 잇점이 있는 실시예에 따라, 추가의 직조된 섬유층들은 회전자 날개의 주 확장방향 혹은 이의 길이방향 축선에 관하여 대략 +/-45°의 섬유 방위를 갖는다. 어떠한 손상도 야기함이 없이 +/-10°의 허용범위를 가질 수 있는 섬유 방위의 이러한 각도적 편향은 이웃한 박막들로 부하 도입 및 부하 분배를 야기한다.

발명의 또 다른 잇점이 있는 실시예에 따라, 연결부들에 분리 슬롯들의 천이들에서 연속한 천이가 형성된다. 이의 목적은, 꼬여질 때, 특히 바깥 박막에서, 끝 부분과 박막들 사이에 강성 단차에 기인할 수 있는 큰 휨 응력의 발생을 방지하기 위한 것이다. 이에 따라 연속한 천이는 휨 응력에서 부하 피크들, 및 특히 바깥 박막에의 손상을 방지하기 위해서 토크-전달 요소에 비틀림 강성을 연속적으로 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 응력-토크-전달 요소를 측면에서 보았을 때 분리 슬롯들이 완전히 채워지고 박막들이 외견상 함께 커져 균일한 블록, 즉 연결부를 형성할 때까지 천이부 내 박막들의 두께가 연속적으로 증가하게 추가의 직조된 섬유층들이 배열될 수 있다. 즉, 추가의 직조된 섬유층들은 박막의 위부터 시작하여 계단상으로 수직으로 배열된다. 또한, 상기 층들은 폭이 다를 수 있는데, 예를 들어 제 1 및 가장 긴 추가의 직조된 섬유층이 가장 넓을 수 있고, 다음에 이어서 배열된 층들은 높이는 증가하고 폭은 더 좁다. 이렇게 하여 박막과 연결부간에 거의 단차없는 천이가 달성될 수 있다.

발명의 또 다른 잇점이 있는 실시예에 따라, 회전자 블레이드와 면하여 있지 않은 연결부는 연결 눈(eye)을 포함하며 이에 의해서 회전자 블레이드는 필수적으로 확장면에 수직하게 확장하는 볼트에 의해 구동장치에 부착될 수 있다. 이에 따라, 가장 간단한 경우에, 연결 눈은 연결부 내에 원통형 개구로서 설계될 수 있다. 이것은 개개의 섬유층들의 확장면에 수직하게 이들 섬유층들을 관통한다. 동작에서, 연결 눈은 연결부의 섬유층들 및 이에 따라 실제로 이들의 확장면으로만 응력-토크-전달 요소들의 섬유층들에 부하를 가하는 구멍-면의 연결을 형성하며, 이에 따라 부하는 섬유들에 따라 최적이 된다. 볼트에 의해 힘 도입으로, 연결 눈의 구멍-면 연결에 의해서 섬유층들에 어떠한 힘 편향도 일어나지 않는데, 이 힘 편향은 연결부에서 박리를 초래할 수도 있을 것이다. 대신에, 부하가 걸린 섬유층들은 연결 눈과 회전자 블레이드 간에 거의 비틀림 없이 확장한다. 그러면 이것은 물질들의 최소 사용으로 최대 부하 인가성을 가능하게 한다. 이것은 회전자 날개의 경제적인 제조, 긴 사용수명, 짧은 외부 치수들 및 경량의 맥락에서 잇점이 있다.

구멍-면에 의해서 힘을 들여오는 연결 눈을 가진 연결부는 섬유 끝 혹은 섬유 맞댐이음에 의해 방해받지 않는 성분을 나타내는데, 이 성분은 볼트의 힘을 회전자 날개 내로 최적으로 들여온다. 완전히 방해받지 않는 성분으로서, 이것은 특히 양호한 내력성능이 있음을 보였으며 몇 개의 과실을 갖고 제조될 수 있다. 이상적인 설계높이에서 연결 눈은 종래의 루프 설계에서 제작된 눈보다 더 큰 내력성능을 갖는다. 이의 마진 공간 대 직경의 비는 최적의 강도 거동을 보장하기 위해서 1.3 내지 2.0의 범위 내에 있어야 한다.

또한, 연결 눈이 만들어지는 섬유 길이들은 필수적으로, 평탄하고, 평면적으로, 그리고 현 기술의 경우 루프가 90°만큼 섬유층들을 꼬는 것을 제공하는 이 현 기술과는 반대로 완전히, 어떤 문제가 되는 꼬임 없이 확장한다. 이에 따라 발명은 연결 눈의 구조적으로 유리한 설계에도 불구하고 어떤 불리한 꼬인 섬유층들을 필요로 하지 않는 회전자 날개의 설계를 교시한다. 현 기술에 따른 섬유층들의 꼬임은 개개의 섬유층들의 매우 정밀한, 이에 따라 고가의 오류가 나기 쉬운 위치맞춤을 요구한다. 이와는 반대로, 베어링 적층의 설계는 비교적 간단하고 제조 과실들에 덜 민감하다.

또한, 현 기술에 따른 "직립 루프"를 형성하기 위한 꼬임은 어떤 설계 길이를 요구한다. 이와는 반대로, "누운 루프"는 꼬임을 불필요하게 하며, 이것은 특히 회전자 날개의 콤팩트한 치수에 이르게 한다. 또한, 동일한 내력성능으로 "누운 루프"는 연결부의 낮은 설계 높이를 가지며 따라서 페네스트론 포트 내에 더 쉽게 일체화될 수 있다.

발명의 또 다른 잇점이 있는 실시예에 따라, 연결 눈은 응력-토크-전달 요소의 경화된 상태에서만 완전하게 형성된다. 예를 들어, 이것은 밀링 혹은 드릴될 수 있고, 어떤 경우에 이것은 나중에 제작될 수 있다. 이것은 연결 눈의 정규 원통형 구멍-면이 매우 고르고 균질의 마진 설계가 되게 하며, 이로부터 이의 나중에 제작은 어떠한 의심도 없이 검출될 수 있다. 방해받지 않는 마진 설계의 결과로서, 연결부는 연결 눈의 마진까지 완전히 부하가 가해질 수 있고, 이것은 단면을 최적으로 사용하게 하며 이에 따라 연결부의 최소 치수들이 되게 한다. 단면의 최적의 사용은 페네스트론 포트에서 몇 개의 연결부들이 작은 공간 내에 서로 옆에 배열될 필요가 있기 때문에, 특히 연결 눈에서 바람직하며, 상기 연결부들의 공간 요건은 페네스트론 포트의 치수를 정하는 데 있어 바람직하지 못한 영향을 미치지 않아야 한다.

토크-전달 요소, 연결부 및 응력-토크-전달 요소의 연결 눈을 설계하는 또 하나의 선택들에 관련하여, 여기에서는 출원번호 2008E 00532의 출원을 참조하며, 이에 관계된 이의 내용을 본원의 요부를 이루를 위해서 분명히 포함시킨다.

발명의 또 다른 잇점이 있는 실시예는 회전자 블레이드와 응력-토크-전달 요소 간에 회전자 날개의 결합부와, 별도의 제어 슬리브, 혹은 길이방향 축선을 따라 회전자 날개를 조절하기 위한 제어 튜브와, 제어 튜브를 회전자 블레이드에 연결하기 위한 연결부를 구비한, 회전자 날개에 관계된 것이다. 발명에 따라서, 회전자 날개의 결합부와 제어 튜브의 연결부는 회전자 블레이드와 제어 튜브 간에 제어 힘들의 힘 전달을 포지티브-로킹 하기 위한 대응하는 단면 형상을 포함한다. 연결 눈 및 응력-토크-전달 요소를 가진 연결부에 의해 회전자 날개에 별도의 제어 튜브가 부착되고, 결합부에서 회전자 날개에 결속된다. 결합부 및 결속부의 대응하는 단면 형상들에 의해서, 제어 힘들이 손상 없이, 추가의 연결 요소로서 예를 들어 회전자 날개의 길이방향 축선을 가로로 확장하는 볼트에 대한 필요성 없이, 회전자 날개 내로 인입될 수 있다.

유리하게, 결합부 및 결속부의 단면 형상들은 회전자 날개가 원주 선을 따라 제어튜브에 선형으로 받쳐지게 할 뿐만 아니라 잇점이 있게 접촉표면에도 받쳐지게 한다. 이러한 간단한 조치로, 제어튜브와 회전자 날개 간에 힘 전달의 유발이 간단하고 경제적으로 달성될 수 있고, 이는 구성성분들에 관계된 절약 및 조립 오류 위험의 연관된 감소 외에도 비용 및 무게 감소에도 연관된다.

회전면에 관한 회전자 블레이드의 입사각의 공기역학적 요건으로 인해 회전면으로 확장하는 응력-토크-전달 요소가 정밀하게 이 입사각만큼 회전되거나 비틀림 운동하게 된다. 어쨌든, 회전자 블레이드 및 응력-토크-전달 요소의 일체형 설계의 경우에, 두 부분들을 형성하는 이들 섬유층들의 비틀림 운동이 발생하는 영역이 제공되어야 한다. 부하 고찰 관점에서, 섬유층들의 비틀림 운동은 한편으로 10°내지 20°의 범위만을 커버하고 다른 한편으로 어떤 최소 거리에 걸쳐 확장하는 정도여서 부차적으로 중요하다. 실험에서, 20 내지 30 mm의 길이가 유리함을 보였다. 대체로, 이 길이에서 비틀림 운동은 아직 횡 인장력의 결과로서 박리를 초래하지 않으며, 따라서 비틀림 영역에서 섬유층들의 확장은 여전히 필수적으로 평면적인 것으로 간주될 수 있다.

천이영역은, 예를 들어, 응력-토크-전달 요소의 연결부에서 회전자 블레이드의 천이부에 있을 수 있다. 발명의 또 다른 잇점있는 실시예에 따라, 비틀림 운동 영역은 회전자 블레이드에 면하는 응력-토크-전달 요소의 연결부에 있거나 이들 사이에 놓여 있다. 블레이드에 가까운 연결부를 비틀림 운동 영역과 결합함으로써 회전자 날개는 별도의 비틀림 운동 영역을 제공할 필요성이 없기 때문에 더 짧게 설계될 수 있다. 이에 따라 꼬리 회전체는 전체적으로 더 작아질 수 있고, 따라서 상당한 비용 절감이 될 수 있다.

발명의 또 다른 잇점이 있는 실시예에 따라, 회전자 블레이드와 응력-토크-전달 요소 간에 비틀림 운동은 제어 슬리브의 결속부와 상호작용하는 회전자 날개의 결합부에 마련된다. 이에 따라 비틀림 운동 영역에서 섬유층들의 과도한 편향을 야기하기 않기 위해서 적절한 길이를 가진 영역이 발견 혹은 정의되었다. 공기역학은 꼬리 회전체들의 회전자 블레이드들의 경우에도 결정적 중요성을 취하기 때문에, 결합부가 기류를 직접 받지 않는 회전자 날개의 결합부는 기류를 직접 받는 천이영역보다 유동 동특성(flow dynamics) 관점에서 더 유리한 영역을 나타낸다. 대체로, 비틀림 운동 영역은 단면을 증가시키게 되고, 이에 따라 천이영역과 같은 기류를 받는 부분에서 증가된 드래그(drag)가 초래될 것이다. 이와는 반대로, 결합부에서 비틀림 운동은 제어 튜브에 의해 감싸여지고, 이미 테네스트론 포트 내에 마련되어 이에 따라 공기역학적으로 무효한 상태에 있게 된다.

도입부에 언급된 목적과 방법은 다음의 단계들을 수반하는 방법으로, 회전자 블레이드로부터 회전자 날개를 제작하고, 섬유-보강 물질로 만들어진 연결 눈과 일체화된 응력-토크-전달 요소를 제작하는 방법에 의해 또한 충족된다:

a) 필요하다면 중간층들을 스카프-결합함으로써, 적어도 부분적으로 미리 만든 섬유층들을 몰드 도구 내에 재치하여 몰드 모재를 만드는 단계;

b) 열과 함께 압력하에 상기 몰드 모재를 경화하는 단계;

c) 상기 몰드로부터 제거된 경화된 몰드 모재를 최종 윤곽을 주기 위해 밀링하는 단계.

이에 따라 발명에 따른 방법은 섬유-보강 복합 설계의 성분이 이의 계획된 최종 윤곽으로 완전히 제조되지 않고 대신에 적어도 일부 영역들에서, 현저히 과대하게 어림하여 제조되고, 경화된 상태에서만 최종 치수들을 수용하는 점에서 특이한 수법을 취한다. 제안에 따라, 발명에 따른 회전자 날개의 회전자 블레이드만이 이의 최종 치수들로 제작되며, 일체화된 응력-토크-전달 요소는 이의 최종 치수들에 비교했을 때 더 긴 길이 및 더 넓은 폭으로 만들어진다. 이것은 섬유층들의 움직임들에 기인하여, 응력-토크-전달 요소의 몰드 모재 영역에서 경화시 변위가 일어날 수 있고, 이 변위로 인해 박막들의 몰드 모재 영역에서 질적 손실이 야기되기 때문이다. 그러므로 응력-토크-전달 요소를 위한 몰드 도구의 내부 윤곽은 이의 최종 형태보다 더 넓고 더 길게 선택될 수 있다. 응력-토크-전달 요소의 외부 윤곽은 이의 최종 형태를 주기 위해서, 몰드로부터 회전자 날개를 제거한 후에만 밀링된다. 이의 결과로서, 특히, 제조시 방해받을 수도 있을 임의의 몰드 모재 영역들이 이어서 밀링되기 때문에, 특히 고 품질의 토크-전달 요소가 얻어진다. 이에 따라, 이 제조방법은 최소 가능한 치수들을 갖고 최적의 물질 사용을 제공하는 응력-토크-전달 요소가 되게 한다. 또한, 몰드 모재가 경화된 후에, 예를 들어 토크-전달 요소의 폭에 변화가 여전히 가능하고, 이에 따라, 필요하다면, 토크-전달 요소의 비틀림 강성이 변경될 수 있다. 과대하게 어림하여 미리 만든 개개의 섬유층들을 제공하는 것은 이들의 절단 공정도 단순화하며, 따라서, 준비 비용이 감소될 수 있다.

건 섬유들 및 사전에 수지가 선-함침된 섬유층들로서 소위 프리프레그 둘 다는 적합한 미리 만들어지는 섬유층들이다. 몰드 모재 및 이에 따라 장래에 회전자 날개의 안정성을 증가시키기 위해서, 특히 부하들이 가해지는 회전자 날개의 부분들, 예를 들어 연결부 영역 혹은 응력-토크-전달 요소와 회전자 블레이드 혹은 그의 천이부 영역에, 중간층들 또는 충전재 층들이 스카프-결합될 수 있다. 이들 보강층들은 남은 섬유층들의 치수들에 대응하는 치수들을 포함할 수도 있고 아니면 이들과는 다르고 보강될 영역들에만 대응하는 치수들을 포함할 수도 있다. 또한, 보강층들은 섬유층들과 동일한 섬유 방위를 가질 수 있고, 혹은 이들은 이와는 다른 섬유 방위를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 보강층들은 보강될 부분들에 개선된 강도와 강성을 제공하기 위해서 +/-45°내지 +/-90°의 각도로 확장할 수 있다.

발명에 따른 방법의 잇점이 있는 실시예에 따라, 이어서, 단계 d)에서, 응력-토크-전달 요소에 연결 눈이 응력-토크-전달 요소의 확장면에 수직한 방향으로 드릴 또는 밀링된다. 연결 눈 및 주위 박막은 구멍-면으로서 치수가 정해지고 부하를 받는다. 이것이 나중에 제작된 결과로서, 박막은 구멍-면까지 줄곧 방해받지 않는다. 또한, 이것은 나중에 드릴을 행한 결과로서 구멍-면이 서로 수직으로 콤팩트하게 배치되는 완전히 방해받지 않는 섬유층들을 나타내는 점에서, 나중에 연결 눈이 제조된 것임을 드러낸다. 결국, 응력-토크-전달 요소는 낮은 내력성능을 가지며 방해받는 임의의 섬유층들에 대해 과도하게 어림으로 계산할 필요성이 없기 때문에 최소로 가능한 치수들로 제작될 수 있다.

도면을 참조하여 예시적으로 더 상세히 발명의 원리를 설명한다.

도 1은 회전자 날개의 평면도이다.
도 2는 도 1의 회전자 날개의 단면도이다.
도 3은 회전자 날개의 부분 종단면도이다.
도 4는 회전자 날개를 제조하기 위한 섬유층들에 관계된 템플렛들이다.
도 5는 회전자 날개의 블레이드부의 단면도이다.
도 6은 섬유층들을 함께 보인 회전자 날개의 평면도이다.
도 7은 회전자 날개의 측면도이다.
도 8은 회전자 날개의 제조시 이 회전자 날개의 평면도이다.
도 9는 회전자 날개의 또 하나의 평면도이다.
도 10은 3개의 박막들을 가진 응력-토크-전달 요소의 연결 눈이다.
도 11은 4개의 박막들을 가진 응력-토크-전달 요소의 측면도이다.
도 12는 회전자 날개 및 제어튜브의 부분도이다.
도 13은 제어튜브가 적소에 결합된 회전자 날개이다.
도 14는 도 13에 따른 종단면도이다.
도 15는 도 14의 부분 단면도이다.
도 16은 연결 눈의 부분 단면도이다.
도 17은 회전자 날개를 제조하기 위한 장치도이다.

도 1에 따른 회전자 날개는 필수적으로 회전자 블레이드(1) 및 응력-토크 전달 요소(3)를 포함한다. 응력-토크-전달 요소(3)는 회전자 블레이드(1)를 구동장치(도시되지 않음)에 연결한다. 회전자 블레이드(1) 및 응력-토크-전달 요소(3)는 하나로 설계되는 것으로, 허브측 회전자 블레이드(1)의 블레이드부(5)부터 블레이드 천이부(7)가 이어져 있고, 블레이드 천이부(7) 상에는 토크-전달부(9)가 있다. 토크-전달부(9)부터 응력-토크-전달 요소(3)가 블레이드측 연결부(11)에 의해 이어져 있는데, 이 블레이드측 연결부(11)는 특히 위에서 보면 현저히 가는 직사각형 토크-전달 요소(13)로의 확연한 원뿔형 천이를 이루고 있다. 토크-전달 요소(13)는 허브측으로 확장하여 클럽 형상의 연결부(15)를 형성하며 이 연결부(15)는 이 연결부(15)를 수직으로 관통하여 확장하는 원형 연결 눈(17)을 수용한다. 점선은 응력-토크-전달 요소(3)의 제조시 응력-토크-전달 요소(3)의 제조 윤곽을 나타내는 윤곽선(19)을 나타낸다.

도 3에 따라 측면도로 보인 바와 같이, 토크-전달 요소(13)는 서로 평행하게 확장하고 적층된 4개의 개별적인 테이프 형상의 박막들(lamellae)(21)을 포함하며, 박막들은 동일 특성의 슬롯들(23)을 둘러싼다. 거의 동일 설계 높이로 토크-전달 요소(13)는 허브측 연결부(15)로 천이한다. 이와는 반대로, 블레이드측 상에 배열된 반대쪽에 연결부(11) 상에서, 상기 토크-전달 요소(13)는 넓어져 블레이드측 연결부(11)는 도 3의 측면도에서도 원뿔형상을 갖는다. 반대측의 연결부(15)처럼 상기 연결부(11)는 대칭축 또는 대칭면(A)에 관하여 필수적으로 축선방향으로 대칭이며, 또한 이 안에서 박막들(21)이 끝나 있기 때문에, 도 2에 따른 단면도로 도시된 바와 같이, 측방향으로 슬롯이 파여 있다.

블레이드부(5)는 도 5에 도시된 바와 같이, 단면이 공기역학적으로 효과적인 프로파일을 포함한다. 상기 프로파일은 필수적으로 길고 대칭축 혹은 대칭면(B)에 관하여 거의 축선방향으로 대칭이다. 연결 블레이드 천이부(7)(도 1과 도 7를 비교)는 블레이드부(5)의 긴 프로파일과 타원형의 연결 토크-전달부(9)의 콤팩트한 단면 사이에 천이가 이루어지게 한다. 토크-전달부(9)는 상당히 더 콤팩트하기 때문에, 블레이드 천이부(7)에서 확실한 단면 변화가 일어난다.

회전자 날개는 회전면(대칭면(A)과 비교)에 관하여 블레이드부(5)의(혹은 대칭면(B)의) 대략 16°의 소위 입사각을 가지며, 이 각도는 도 12에 도시되었다. 토크-전달부(9)는 한편으로는 블레이드부(5)의, 그리고 다른 한편으로는 응력-토크-전달 요소(3) 서로 다른 결과적인 확장면들에 일치하게 작용한다. 또한, 이것은 후술하는 제어 튜브(70)(도 12 내지 도 15를 비교)에 대한 접촉면으로서 사용된다.

토크-전달부(9)보다 설계에서 훨씬 더 확실하게 원뿔형인 블레이드측 연결부(11)에서, 타원형 토크-전달부(9)와 거의 직사각형상의 응력-토크-전달 요소(3) 간에 단면의 적응이 행해진다. 상기 연결부(11)는 박막들(21)으로의 천이를 형성하며 박막들(21)은 토크-전달 요소(13)를 형성하는 것으로 필수적으로 직사각형상 단면 및 이들이 긴 테이프같은 형상을 갖고 허브측 연결부(15)에 이른다.

발명에 따른 회전자 날개는 섬유-강화 복합 설계로 제작된다. 이것이 포함하는 개개의 섬유층들(도 6과 비교)은 부분적으로 허브측 연결부(15)부터 토크-전달부(9)를 경유하여 응력-토크-전달 요소(3), 블레이드 천이부(7), 블레이드부(5)를 거쳐 블레이드 끝부분(6)까지 확장한다. 특히 블레이드부(5)의 그리고 허브측 연결부(15)의 매우 서로 다른 단면형상들에 기인하여, 모든 섬유층들이 전체 회전자 날개를 통하여 확장하는 것은 아니다. 그러나, 박막들(21)을 형성하는 이들 섬유층들은 허브측 연결부(15)부터 전체 회전자 날개를 거쳐 상기 회전자 날개의 블레이드 끝부분(6)까지 확장한다. 이들은 회전자 날개의 주요 구조를 형성한다.

도 4는 회전자 날개를 형성하기 위한 섬유층들의 구성을 도시한 것이다. 좌측에 도시된, 수직으로 적층된 섬유층들(40 내지 48)은 쌍으로 배열된 것으로, 이들의 대면하는 내측들(401, 411, 421, 등)은 회전자 블레이드(1)의 차후에 전연(leading edge)(25)에 연관되는 것이며(도 5와 비교), 이들의 서로 떨어져 면하여 있는 마진들(402, 412, 422, 432, 등)은 대응하여 회전자 블레이드(1)의 후연(trailing edge)(27)에 연관된다. 이들은 회전자 날개 내에서 자신들의 위치에 따라 배열된다. 좌측부터 시작하여, 직사각형 부분들(a, b)은 함께 응력-토크-전달 요소(3)의 제조 윤곽(19)(도 1 및 도 6)을 나타낸다. 부분(b)은 블레이드측 연결부(11)가 될 것을 형성한다. 허브측 연결부(15)는 도 4에 별도로 도시되지 않았다. 응력-토크-전달 요소(3)에는 부분(c)에 대응하는 토크-전달부(9)가 연결된다. 블레이드 천이부(7)는 섬유층들(40 내지 48)의 부분(d)에 의해 형성된다. 마지막으로, 회전자 날개의 부분(5)은 추가의 섬유층들(50, 51) 뿐만 아니라 부분들(e)에 섬유층들(40 내지 48)에 의해 형성된다.

나머지 섬유층들, 즉 층들(52 내지 57), 함께하여 빗 형상으로 취해진 층들(60 내지 62), 충전재 층들(63 내지 69)은 섬유층들(40 내지 57) 간에 스카프-결합(scarf-jointed) 된다.

섬유층(42 내지 47)은 허브측 연결부(15)부터 블레이드 끝부분(6)까지 전체 회전자 날개를 통해 확장하는 섬유층들을 나타낸다. 이들은 섬유들이 섬유층들(42 내지 47)의 세로 연장 방향으로 확장하는 단일방향 섬유물질을 포함한다. 섬유 연장에 가로 방향으로, 섬유들은 직조됨으로써 함께 화학적으로 혹은 기계적으로 결합된다.

섬유층들(40, 41, 48)이 단일 방향 섬유물질을 포함하나, 그러나 이들은 전체 회전자 날개를 통해 확장하지 않는다. 우측에 도시된 63 내지 69뿐만 아니라(도 8 참조) 섬유층들(50 내지 57)은 섬유 방향들이 이들의 마진들(502, 512)에 평행 또는 직교하지 않게 서로 직각으로 확장하는 다축 섬유물질을 포함한다. 그러므로 층들(50 내지 57)은 45°만큼 회전된 것으로 보여졌고 층들(60 내지 62)은 회전자 날개 내에서 자신들의 끝 위치에 관하여 90°만큼 회전된 것으로 보여졌다. 이들은 단일방향 섬유 방위로 놓이는 각각의 2개의 섬유층들(40 내지 48) 사이에 적어도 한 섬유층이 확장하고 이의 섬유들이 단일방향 섬유들에 관하여 +/- 45°혹은 90°의 각도로 배열되게 주로 섬유층(40 내지 48) 사이에 위치 또는 스카프-결합된다. 따라서 이로부터 만들어진 섬유 패키지 및 이에 따른 회전자 날개는 횡방향으로도 적절한 안정성을 얻는다.

이와 같이 하여 섬유층들(40 내지 48)의 부분(e)은 회전자 블레이드(1)의 블레이드부(5)를 형성한다. 회전자 날개의 프로파일에서 섬유층(40, 41, 등)의 장래에 위치에 대응하여, 서로 대면하는 내측들(401, 411, 421, 등)은 부분(e)에서 거의 직선으로 확장한다. 이와는 반대로, 회전자 날개의 장래에 후연(27)에 연관되는 변들(422, 432, 442, 등)은 회전자 날개의 내부 내에 폼 코어(foam core)(39)를 위한 자리를 남기기 위해 절개된다(도 5와 비교). 블레이드부(5)의 프로파일의 높이는 블레이드 끝부분(6) 방향으로 감소하기 때문에, 섬유층들(47, 48)은 블레이드 끝부분(6)까지 곧바로 확장하지 않는다.

섬유층(40) 및 다축 섬유층(50)은 회전자 블레이드(1)의 전체 프로파일을 둘러싸는 블레이드 스킨을 형성한다. 이들은 전체 회전자 날개를 통하여 아직 확장하지 않으며, 이에 따라 회전자 날개의 회전동안 어떠한 원심력도 흡수하지 않는다. 위와는 반대로, 관통-층들(42 내지 47)은 부하 흡수에 참여한다. 이들은 2중 내지 3중으로 수직으로 적층하여 배열되고, 중간층들과 함께, 예를 들어 스카프-결합된 섬유층들(52 내지 57) 및 충전재 층들(63 내지 69)은 프로파일 형태의 안정성을 보장할 뿐만 아니라 회전자 날개의 길이방향 부하 제거를 취하는 안정된 블레이드 몸체를 형성한다. 블레이드 몸체들로서 이들은 안정된 쉘 기능뿐만 아니라, 초기 회전자 블레이드 구성들의, 내력성능을 갖는 지지 프레임워크 기능도 이행한다.

여러 겹으로 스카프-결합되는 섬유층들(52 내지 57)(도 6 참조)은 주로 블레이드 천이부(7), 토크-전달부(9) 및 블레이드측 연결부(11)를 형성한다. 이들의 둥근 측들이 블레이드측 연결부(11) 내로 돌출하여 이곳에서 이들은 박막들(21) 사이에 슬롯들(23)의 공간 영역을 형성하며, 이 공간은 연결 토크-전달 요소(13) 내에서 노출되어 있다. 위와는 반대로, 섬유층들(52 내지 55)의 뾰족한 영역(522, 532, 542, 552)은 블레이드 천이부(7)의 형성에 관여하며 블레이드부(5) 내로 곧바로 돌출하여 폼 코어(39)에서 끝난다.

연결부(15) 내 빗 형상의 섬유층들(60, 61, 62)은 블레이드측 연결부(11) 내 그들의 둥근 부분들(521, 531, 541, 551)(도 4)에 대응한다. 이들의 절개부들에서 이들은 서로 분리되고 부분(a)의 좌측 마진에서 이들은 섬유층들(42 내지 47)의 부분들(a) 간에 스카프-결합된다. 이들은 토크-전달 요소(13)의 슬롯들(23)의 높이에서 허브측 연결부(15)를 형성한다.

마지막으로, 충전재 층들(63 내지 69)은 블레이드 천이부(7)의 영역에서 그리고 필수적으로 층들(42 내지 48)의 바깥쪽, 즉 섬유층들(40, 50)의 블레이드 스킨 밑에 토크-전달부(9)의 영역에서 여러 겹으로 부착된다. 이들은 관통-섬유층들(42 내지 48)이 과도하게 편향됨이 없이, 블레이드 천이부(7) 및 토크-전달부(9)의 단면적을 증가시키게 된다. 이러한 편향은 섬유층들이 확장에서 이들의 직선성을 잃게 하는 것이지만, 없다면 원심력을 받았을 때 개개의 섬유층들의 박리를 야기할 수도 있을 과도한 횡 인장변형을 초래할 것이다. 그럼에도 불구하고 블레이드 천이부(7) 및 토크-전달부(9)의 요구되는 설계 높이를 달성하기 위해서, 바깥쪽으로 크기가 감소하는 충전재 층들(63 내지 69)은 적소에 배치되고, 즉 피라미드 형상으로 놓여 지고 이어서 블레이드 스킨을 형성하는 섬유층들(40, 50)에 의해 덮일 뿐이다.

도 5는 블레이드부(5)의 영역에서의 회전자 날개의 프로파일도이다. 이것은 상부(29)와 하부(31)를 가진 평탄한 액적 형태를 갖고 전연(25) 및 반대쪽에 후연(27)을 포함한다. 상부(29) 및 하부(31) 상에 프로파일은 단차(33)를 포함하며, 이 단차에는 블레이드부(5)의 전연(25)부터 표면상에 예를 들어 금속으로 만들어지는 부식 보호장치(도시되지 않음)가 적용된다. 바깥에서 안쪽으로 블레이드부(5)의 프로파일은 전체 프로파일을 블레이드 스킨으로서 감싸는 섬유층(40)에 의해 형성된다. 이것은 블레이드부(5)의 전연(25)에 접해 있다. 그 밑에는 섬유층(50)이 오고, 이 또한 전연(25)에 접한다. 섬유방향을 가진 제 1 섬유 위치(40)는 회전자 날개의 길이방향으로 설계되나, 섬유층(50)의 섬유들은 그에 대략 45°각도로 확장한다. 그 다음에 오는 섬유층은 다축 섬유물질층(51)에 이웃하고 단일방향으로 정렬된 섬유물질을 포함한다. 이 다음엔 각각의 회전자 날개용으로 개별적으로뿐만 아니라 여러 겹으로 사용될 수 있는 다른 섬유층들이 온다. 섬유층들은 더 무거운 섬유층들이 위치된 전방 영역에 블레이드부(5)의 프로파일의 무게 중심이 있도록 블레이드부(5)의 후연(27)에 더 가깝게 배열되는 폼 코어(39)를 감싼다.

도 6은 예시적으로 개개의 섬유층들(40 내지 55)의 위치의 평면도이다. 이들 중 일부, 이를테면 섬유층들(40, 50)이 서로를 완전히 덮을 정도까지, 이들은 한 윤관선만을 포함한다. 한편 이들은 축선방향으로 대칭이 되게 설계되지 않고, 대신에 특히 이들의 후연들(421, 422, 432, 등)이(도 4와 비교) 폼 코어(39)를 위한 공간을 남기기 위해서 다른 깊이의 절개부를 갖기 때문에, 연관된 섬유층들(41, 42, 43, 등)을 몇 개의 윤곽선들에 의해 도 6에서 확인할 수 있다.

섬유층들(40 내지 55)은 블레이드부(5)의 일부분, 블레이드 천이부(7), 토크-전달부(9), 및 블레이드측 연결부(11)를 형성한다. 또한, 섬유층들(42 내지 47)은 전체 응력-토크-전달 요소(3) 및 그 위치에서 제조 윤곽(19)을 형성한다. 이 위치에서 원칙적으로 이들은 블레이드부(5)에 관련하여 기술된 바와 같이, 도 4에 빗 형상으로 도시된 섬유층들(60 내지 62)과 번갈아 층을 이룬다. 도 6에서 응력-토크-전달 요소(3)는 블레이드부(5)의 대칭면(B)이 블레이드 면에 평행하게 배열되기 때문에 입사각만큼 기울어지게 도시되었다.

도 7은 회전자 날개의 일부, 즉 응력-토크-전달 요소(3)와, 회전자 블레이드(1)의 토크-전달부(9) 및 블레이드 천이부(7)와 함께 회전자 블레이드(1)의 측면도를 도시한 것이다. 이 도시에서도, 블레이드(5)의 후연(27)의 위치는 응력-토크-전달 요소(3)에 관해 상기 블레이드(5)의 입사각을 보여준다. 특히 도 7은 수직으로 배열되고 사이에 3개의 슬롯들(23)이 놓여져 평행하게 배열된 박막들(21)의 응력-토크-전달 요소(3)의 설계를 도시한 것이다. 박막들(21)은, 단일 방향이고 전체 회전자 날개를 통해 확장하는 섬유층들(42 내지 47)에 의해 형성되며, 각 경우에 섬유층들(42 내지 47) 중 3개가 박막들(21)을 형성한다. 허브측 연결부(15)로부터 시작하여, 상기 섬유층들(42 내지 47)은, 어떠한 편향도 없이, 토크-전달 요소(13)를 통해 블레이드측 연결부(11) 내로 완전히 평탄하고 평면적으로 확장한다. 블레이드 천이부(7) 내에서 블레이드부(5)의 평면으로의 천이 전에 토크-전달부(9) 내에서만 응력-토크-전달 요소(3)에 관하여 16°의 입사각만큼 경사진 어떤 편향이 있다. 이 편향은 대략 25 mm의 길이를 따라 발생하며 너무 적어 원심력의 결과로서 동작동안 응력부하 하에서조차 층들 간에 박리를 초래하게 되는 어떠한 손상을 일으키는 전단력들도 야기하지 않는다.

허브측 연결부(15) 내에서 그리고 블레이드측 연결부(11) 내에서 박막들(21)이 슬롯들(23)에 의해 서로 분리된, 토크-전달 요소(13)의 박막들(21)은 토크-전달 요소(13) 내에서보다 더 큰 균질 층 패킷을 형성한다. 이것은 한편으로는 도 4에 빗 형상으로 도시된 층들(60 내지 62)에 의해 달성되며, 다른 한편으로는 블레이드측 연결부(11)에서 섬유층들(52, 53, 등)의 둥근 부분들(521, 531, 등)에 의해 달성된다. 이것이 도 10 및 도 11에 상세히 더 명백하게 도시되었다.

도 8은 블레이드 천이부(7), 토크-전달부(9) 및 블레이드측 연결부(11) 영역을 상세히 도시한 것이다. 이 영역에서 회전자 날개는 토크-전달 요소(13)로부터의 방향으로 설계 높이를 얻는다. 요구되는 설계높이를 얻으면서도 아울러 입사각에 기인하여, 토크-전달부를 통해 최소한의 있을 수 있는 편향을 갖고, 토크-전달 요소(13)로부터 섬유층들(42 내지 47)을 이끌 수 있기 위해서, 특히 상기 토크-전달부의 단면은 충전재 층들(63 내지 69)에 의해 보충된다. 이에 따라 단면은 특히 토크-전달부에 제어 튜브(도 13과 비교)를 설치할 수 있기 위해서 적절한 크기가 된다.

도 9는 근사적으로 대칭면(B)에서의 회전자 날개의 단면을 도시한 것이다. 이 결과로서 폼 코어(39)(도 5와 비교)가 보이는데, 이것은 블레이드 끝부분(6)을 제외하곤 전체 블레이드부(5)를 거쳐 블레이드측 연결부(11) 내로 확장한다. 상기 폼 코어(39)는 섬유층들에서 불균일한 영역들을 보상하기 위해 사용되며 제조시 층들에 가해지는 과도한 압력을 방지하며, 또한 어떠한 변위도 방지한다. 또한, 이의 치수에 의해서 회전자 날개의 중심축이 영향을 받을 수 있는데, 이것은 효과적으로 블레이드부의 전연(25)에 가능한한 가까이 확장한다.

도 10은 3개의 박막들(21)과 함께, 허브측 연결부(15), 응력-토크-전달 요소(3)의 사시도이다. 4개의 박막들을 가진 응력-토크-전달 요소의 도 11에 따른 측면도에 도시된 바와 같이, 박막들(21)은 콤팩트한 연결부(15)로 점차적으로 천이한다. 이것은 섬유층들(42, 43 또는 44, 45 또는 46, 47)(도 4 참조) 사이에 위치된 섬유층들(60, 61, 62)을 스카프-결합함으로써 달성된다. 이 결과로서 평면도는 한편으로는 이격된 박막들(21)을 가진 요소(13)와 다른 한편으로는 콤팩트한 연결부(15) 사이에 강성 단차를 피하는 삼각형상의 천이 영역들을 보여준다. 결국, 바깥 박막들(21)에서 휨 응력이 현저히 감소될 수 있는데, 이렇게 하지 않을 경우 이의 부하 피크들은 박막들(21)이 손상될 수도 있을 것이다. 대신에, 섬유층들(60, 61, 62)을 스카프-결합하는 것은 토크-전달 요소(13)와 연결부(15) 사이에 비틀림 강성의 연속적 증가를 보장한다. 반대쪽에 연결부(11)는 이와 유사하게 섬유층들(52 내지 57)을 스카프-결합함으로써 구성된다.

도 12는 제어 튜브(70)가 응력-토크-전달 요소(3)에 의해 회전자 블레이드(1)에 나사결합되거나 이에 놓여지기 전에 제어 튜브(70)와 회전자 블레이드(1)의 부분도이다. 상기 제어 튜브(70)는 대체로 관형인 기체(base body)(71)를 포함하며, 이 기체는 회전자 블레이드 측에서는 큰 직경의 디스크-형상의 베어링 배열부(72)를 포함하며, 허브측에서는 작은 직경의 유사한 디스크-형상의 베어링 배열부(74)를 포함한다. 이들 사이에는 제어 레버(76)가 기체(71)로부터 삼각형상으로 반경방향으로 뻗어있다. 블레이드측에서 제어 튜브(70)는 탄원형의 나사결합 개구(80)(도 12에선 가려져 보여졌다)를 포함하며, 이 안으로 설치시 회전자 날개(1)가 응력-토크-전달 요소(3)를 선두로 하여 삽입된다. 나사결합 개구(80) 반대편에는 원형 개구(81)가 있으며 동작상태에서는 이로부터 응력-토크-전달 요소(3)가 적어도 일부가 돌출한다.

도 13 및 도 14는 설치된 상태를 투영 및 단면도로 도시한 것이다. 따라서, 제어 튜브(70)는 토크-전달부(9) 및 블레이드측 연결부(11) 둘 다를 완전히 덮고 있고, 토크-전달 요소(13)의 대략 반을 덮고 있다. 이의 베어링 배열부(72) 영역에서 나사결합 개구(80)에 바로 이웃한 제어튜브(70)의 내부는 타원형 내측 원뿔(도 15에 상세도와 비교)을 포함하며, 이는 타원형 토크-전달부(9)에 끼워 맞추어진다. 이것은 토크-전달부(9)의 생성된 표면의 전체 면적에 걸쳐 접촉하게 되고, 이 표면에서 제어튜브(70)는 회전자 블레이드(1)에 본딩된다. 이와 같이 하여 토크-전달부(9)는 동시에 회전자 블레이드(1)와 제어튜브(70) 간에 결합부를 나타낸다.

회전자 블레이드(1) 상에 제어튜브(70)의 중심을 정확하게 맞추기 위해서, 본딩공정 동안에 나사결합 개구(80) 대향측에 원형 개구(81) 내로 장착쐐기들(84)이 삽입되며, 장착쐐기들은 응력-토크-전달 요소(3)에 의해 지지된다.

도 16은 허브측 연결부(15)의 상세도이다. 연결 눈(connecting eye)(17)은 연결부(15)의 양측 상에 설치된 보호 링들(86)을 포함한다. 이들은 페네스트론 포트 내 응력-토크-전달 요소(3)의 포크(fork) 형상 클랩핑 위치에서 연결부(15)의 섬유층들을 보호한다. 이들은 저 마찰저항의 특별한 직조된 섬유를 포함하며 마찰에 기인한 마모에 대해 양호한 보호를 제공한다.

도 17은 회전자 블레이드(1)를 제작하기 위해, 알루미늄으로부터 만들어진 몰드 도구(90) 또는 소위 FEMI 제작수단을 도시한 것이다. 상기 몰드 도구(90)는 상부 몰드(92), 이형면(release plane)(95)을 가진 하부 몰드(94), 2개의 측 단부 판들(96), 경사진 모서리들(99)을 가진 몇 개의 슬롯이 있는 금속 시트들(98), 및 2개의 슬라이드-인 장치들(100)을 포함한다. 이들은 상부 몰드(92) 및 하부 몰드(94)의 교환가능한 성분들을 형성한다. 장래에 회전자 블레이드(1)의 후연(27) 상에는 하부 몰드(94)의 길이방향으로 수지 홈(102)이 확장한다. 특히 하부 몰드(94) 상에 상부 몰드(92)의 정밀한 위치맞춤이 될 수 있게 위치맞춤 보조기구로서 스터드들(104)이 사용된다.

몰드로부터 회전자 블레이드(1)를 성공적으로 제거할 수 있기 위해서, 상부 몰드(92)과 하부 몰드(94) 사이에 - 이중에서 하부 몰드(94)의 이형면(94)만이 도 17에 도시되었다- 이형면들은 항시 회전자 블레이드(1)의 가장 넓은 윤곽선에 맞추어야 한다. 응력-토크-전달 요소(3)와 블레이드부(5) 사이에 토크-전달부(9)에 기인하여, 혹은 회전자 블레이드(1)의 입사각에 기인하여, 이형면들(95)은 입사각만큼 서로에 대해 경사진 2개의 면들로 확장한다. 이것이 몰드 도구(90)의 기하학적 복잡성에 대한 이유이다.

이미 도 4에 도시된 바와 같이, 블레이드부(5), 블레이드 천이부(7) 및 토크-전달부(9)는 이들의 최종 윤곽들로 제작된다. 그러므로 섬유층들(40 ~ 51)은 회전자 블레이드(1)의 최종 형상으로 이미 만들어진 그들의 대응하는 영역들(c, d, e)에 있게 된다. 이와는 반대로, 응력-토크-전달 요소(3)는 몰드로부터 제거된 후에 그의 최종 형상으로 밀링되기만 하면 된다.

회전자 블레이드(1)의 제작 동안에, 특히 토크-전달 요소(13)로부터의 과잉의 수지가 몰드 도구(90)로부터 나올 수 있어 못 움직이게 막히거나 점착되어 막힐 수 있다. 그 후에, 몰드 도구(90)는 상당한 노력을 들여야만 개방될 수 있다. 그러므로 하부 몰드(94)에서, 블레이드의 장래에 후연(28)의 영역에서, 밀링에 의해 수지 홈(102)이 만들어졌으며, 이 수지 홈(102)은 과잉의 수지를 수집하며 유출되는 수지에 대한 적절한 수집공간을 제공한다.

이형제를 상부 몰드(92) 및 하부 몰드(94)의 이형면들에 도포한 후에, 미리 만든 섬유층들(40 ~ 69)의 적층을 시작한다. 하부 몰드(94)에서 적층공정은 층들의 순서 및 개수를 명시하는 적층계획(도 4와 비교)에 따른다. 마지막으로, 폼 코어(39)가 적소에 마련되고 이를 덮는 섬유층들이 적용된다. 토크-전달 요소(13)의 박막구조를 얻기 위해서, 슬롯이 있는 금속시트들(98)이, 박막들(21)을 형성하는 섬유층들(42 ~ 47) 사이에 배치된다. 이들의 치수들은 장래에 슬롯들(23)의 치수들에 대응한다. 양 단부 상에, 단부 판들(96)이 장래에 회전자 날개가 모든 측들로부터 고르게 가열되도록 몰드 도구(90) 상에 설치된다.

전연(25) 상에 블레이드부(5)는 일체로 제작되는 부식 방지 장치를 포함한다. 이를 위해서, 섬유층들(40 ~ 69)이 몰드 도구(90) 내에 놓여진 후에 그리고 도구(90)가 닫혀진 후에, 현재까지는 부식 방지장치를 위한 플레이스홀더들(placeholder)로서 사용되었던 슬라이드-인 장치들(100)은 제거된다. 이후에 부식 방지 장치가 연한 섬유층들(40 ~ 69)에 적용되고, 다른 슬라이드-인 장치들(도시되지 않음)을 사용하여 도구(90)가 닫혀 진다. 이들은 삽입된 부식 방지장치를 고려하며 슬라이드-인 장치들(100)을 대체한다. 이어서 회전자 날개는 압력 및 열의 영향 하에서 경화된다. 이렇게 하여 처음에는 개별적으로 제작된 부식 보호 장치의 제작이 회전자 블레이드의 제작에 경제적으로 통합될 수 있다. 또한, 부식 보호장치의 일체적 설계의 결과로서, 블레이드부(5)는 높은 공기역학적 질의 특징을 갖는다.

경화 공정동안 온도변화의 결과로서 알루미늄 몰드 또는 몰드 도구(90)는 회전자 날개의 섬유-보강 물질보다 큰 정도로 확장한다. 가열 동안, 몰드 도구(90)는 특히 길이방향 신장 방향으로 상당한 길이 변화를 겪으며, 회전자 날개의 섬유들을 잇점이 있게 신장시킨다. 이의 결과로서, 특히 단일방향 섬유층들이 회전자 날개의 길이방향으로, 이에 따라 원심력 방향으로, 정렬되고, 인장 하에 표면적으로 프리스트레스(pre-stressed) 된다. 회전자 날개를 이 상태에서 경화한다. 후속되는 냉각 동안에, 몰드 도구(90)는 수축하고, 반면 회전자 날개 대부분은 이의 길이를 유지한다. 이후에 단부 판들(96)은 제거되지 않을 경우 압력이 회전자 날개에 가해져 이에 압력이 손상을 입힐 수도 있을 것이기 때문에 제거되어야 한다.

위에 상세히 기술된 회전자 날개는 단지 일실시예이므로, 상기 실시예는 발명의 범위 내에서 당업자들에 의해 일상적 방식으로 큰 정도로 수정될 수 있다. 특히, 섬유층들의 특정한 절단 및 이들의 배열 순서는 이 문서에 기술된 것과는 다른 형태로 행해질 수 있다. 마찬가지로, 허브측 연결부에서 기계적 결합은 공간적 이유 혹은 설계적 이유로 필요할 경우 어떤 다른 형태로 설계될 수 있다. 또한, 단수표현 혹은 "한(one)"의 사용은 각각의 특징들이 복수개로 있을 가능성을 배제하는 것은 아니다.

1 회전자 블레이드
3 응력-토크-전달 요소
5 블레이드부
6 블레이드 끝부분
7 블레이드 천이부
9 토크-전달부
11 블레이드측 연결부
13 토크-전달 요소
15 허브측 연결부
17 연결 눈(eye)
19 제조 윤곽
21 박막
23 슬롯
25 전연
27 후연
29 상부
31 하부
33 단차
39 폼 코어
40 to 48 단일방향 섬유층
401, 411, 등 전연
402, 412, 등 후연
50 to 57 다축 섬유층
521, 531, 등 둥근 부분
522, 532, 등 뾰족한 영역
60 to 62 빗 형상의 섬유층
63 to 69 충전재 층
70 제어 튜브
71 기체
72 블레이드측 베어링 배열부
74 허브측 베어링 배열부
76 제어 레버
78 배수구
80 나사결합 개구
81 개구
82 원뿔
84 장착쐐기
86 보호 링
90 몰드 도구
92 상부 몰드
94 하부 몰드
95 이형면
96 단부 판
98 슬롯형상 금속 시트
99 모서리
100 슬라이드-인 장치
102 수지 홈
104 스터드
a 내지 e 섬유층들(40 내지 48)의 부분들
A, B 대칭축선 혹은 대칭면

Claims (18)

1. 회전익 항공기의 꼬리 회전자용으로, 섬유체층들을 포함하는 섬유-보강 복합 설계의 회전자 날개는,
   - 공기역학적으로 효과적인 프로파일을 포함하는 블레이드 몸체와 블레이드 스킨(40, 50)을 포함하는 회전자 블레이드(1)와 토크 전달부와;
   - 이에 연결된 것으로, 상기 회전자 블레이드(1)와 함께 하나로 설계된 응력-토크-전달 요소(3)와; 상기 응력-토크-전달 요소(3)는 토크-전달 요소(13)를 포함하고,
   상기 응력-토크-전달 요소(3)를 통해 확장하며 상기 회전자 블레이드(1) 내 포함되는 섬유층들(42 ~ 47)을 구비한 것으로,
   상기 섬유층들(42 ~ 47)은 상기 응력-토크-전달 요소(3)로부터 상기 회전자블레이드(1) 몸체까지 곧바로 확장되고,
   토크-전달 요소(13)의 영역에서 이웃한 박막들 사이에 분리층들을 갖고 상기 섬유층들(42 ~ 47) 내의 적층된 스파 테이프들의 박막들(21)로부터의 응력-토크-전달 요소(3)를 포함하는 회전자 날개에 있어서,
   상기 섬유층들(42 ~ 47)은 상기 토크 전달부 또는 상기 회전자 블레이드(1) 내에서 상기 회전자 블레이드(1)의 회전 평면에 대하여 10 내지 20도의 비틀림 운동을 커버하고, 상기 섬유층들(42 ~ 47)의 상기 비틀림 운동은 회전 평면에 대하여 상기 회전자 블레이드(1)의 입사각에 대응하는 것을 특징으로 하는 회전자 날개.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 섬유층들(42 ~ 47)은 단일방향 섬유물질로 만들어진 상기 스파(spar) 테이프들을 포함하는, 회전자 날개.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 섬유층들(42 ~ 47) 내의 상기 스파 테이프들은 필수적으로 직사각형 단면을 가진, 회전자 날개.
   
4. 청구항 2 또는 3에 있어서,
   상기 섬유층들(42 ~ 47)내의 상기 스파 테이프들은 공기역학적 블레이드 프로파일을 형성하기 위한 층상(layered) 및 서로 엇갈린(staggered) 배열을 가진, 회전자 날개.
   
5. 청구항 2 또는 3에 있어서,
   상기 섬유층들(42 ~ 47) 내의 상기 스파 테이프들은 상기 응력-토크-전달 요소(3) 내에서 높이 위치에 따라 상이한 폭을 가진, 회전자 날개.
   
6. 삭제
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 섬유층들(42 ~ 47) 내의 상기 스파 테이프들 사이에 분리층들로서 막을 포함하는, 회전자 날개.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 섬유층들(42 ~ 47) 사이에 슬롯들(23)을 형성하기 위해서, 상기 토크-전달 요소(13)의 영역에서 상기 섬유층들(42 ~ 47) 내의 상기 스파 테이프들은 서로의 사이에 자유공간을 가지고 배열된, 회전자 날개.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   허브측 연결부(15)를 구비하며,
   상기 슬롯들(23)의 높이에서 상기 섬유층들(42 ~ 47) 내의 상기 스파 테이프들 사이에 연결부들(11; 15)은 추가의 직조된 섬유층들(52 ~ 57)을 포함하는, 회전자 날개.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 추가의 직조된 섬유층들(52 ~ 57)은 ±45°의 섬유 방위를 갖는, 회전자 날개.
    
11. 청구항 8 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬롯들(23)은 연결부들(11; 15)에서 비스듬히 끝나 있는, 회전자 날개.
    
12. 청구항 7 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
    구동장치에 필수적으로 평면에 수직으로 연장된 볼트에 의해 상기 회전자 블레이드(1)를 부착하기 위해 상기 응력-토크-전달 요소(3) 내에 연결 눈(eye)(17)을 포함하는, 회전자 날개.
    
13. 삭제
14. 청구항 7 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 회전자 블레이드(1)와 응력-토크-전달 요소(3) 간에 상기 회전자 날개의 결합부와;
    - 제어 힘들을 상기 회전자 날개에 전달하기 위한 별도의 제어튜브(70)와, 상기 제어 튜브(70)를 상기 회전자 블레이드(1)에 결속하기 위한 필수적으로 원통형의 연결부(71)를 구비한 것으로,
    상기 회전자 날개의 상기 결합부와 상기 제어 튜브(70)의 상기 연결부(71)는 상기 회전자 블레이드(1)와 상기 제어 튜브(70) 간에 제어 힘들의 힘 전달을 포지티브-록킹(positive-locking)하기 위한 대응 단면 형상을 포함하는, 회전자 날개.
    
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 토크-전달부(9)는 상기 회전자 블레이드(1)와 응력-토크-전달 요소(3) 간에 상기 결합부 내에 배열된, 회전자 날개.
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제

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