KR101267073B1 - 섬유 강화 복합 재료로 만든 로터 블레이드 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

회전 날개 항공기(헬리콥터)의 꼬리 로터용 섬유 강화 복합재 디자인의 로터 블레이드는 블레이드 외피(a, r)와 블레이드 몸체(b-g, s, t)를 구비하고 공기 역학적으로 효과적인 프로파일을 형성하는 블레이드 섹션(5, 5')과, 로터의 구동 장치의 허브로부터 외측으로 향하는 블레이드 팁(6)과, 상기 허브를 향해 마주보고 장력-토크 전달 요소(3)와 제어 튜브(4)용의 부착 장치(2)를 구비한 커플링 섹션(9, 11)(9', 11')을 포함하며, 이 로터 블레이드는 블레이드 섹션(5, 5')과 커플링 섹션(9, 11)(9', 11')은 전체에 걸쳐 연장하고 단일 방향 섬유 재료로 만들어진 스파 테이프(a 내지 g)를 포함한다는 점에서 개선된 것이다.

Description

섬유 강화 복합 재료로 만든 로터 블레이드 및 그 제조 방법{Rotor blade made of a fibre-reinforced composite material and production method for it}

본 발명은 회전 날개 항공기 또는 헬리콥터의 꼬리 로터, 특히 포위형 꼬리 로터, 이른바 페네스트론(fenestron)을 위한 섬유 강화 복합재 디자인의 로터 블레이드에 관한 것이다. 이 로터 블레이드는 블레이드 외피와 블레이드 몸체를 가진 블레이드 섹션을 포함한다. 이 블레이드 섹션은 공기 역학적으로 효과적인 프로파일(profile)을 형성한다. 로터 블레이드는 모터의 구동 장치의 허브로부터 외측으로 향하는 블레이드 팁(tip)과, 이 블레이드 팁과 마주보고 허브와 마주보는 커플링 섹션을 포함한다. 이 커플링 섹션은 장력-토크 전달 요소 및 제어 튜브를 위한 부착 장치를 포함한다. 장력-토크 전달 요소는 로터 블레이드를 허브에 연결하는 데에 사용되며, 작동 중에 로터 블레이드에 작용하는 원심력을 기본적으로 전달한다. 제어 튜브 또는 제어 슬리브(sleeve)를 통해, 한편으로는 제어력이 모멘트의 형태로 로터 블레이드를 비틀기 위해 로터 블레이드의 종축에 발휘되며, 다른 한편으로는 제어력이 예컨대 로터 블레이드의 플래핑(flapping)에 기인하는 굽힘 모멘트를 로터 블레이드의 베어링, 예컨대 페네스트론 포트(fenestron pot)로 도입시킨다.

섬유 강화 복합재 디자인의 로터 블레이드, 특히 페네스트론 블레이드는 이미 약 30년 동안 사용되었다. 본 출원인이 만든 헬리콥터 "Dauphin N4"의 경우, RTM 구성의 페네스트론 블레이드가 사용되었는데, 금속으로 만든 별도의 장력-토크 전달 요소가 볼트 부착에 의해 제어 튜브 내에 연결되어 있다. 이 제어 튜브는 단일 부품으로 로터 블레이드에 결속되고, 또한 섬유 강화 복합재 디자인으로 구성되어 있다. 그러나 수많은 개별 섬유 층을 사용할 필요성 때문에 이러한 페네스트론 블레이드의 제조는 복잡하고 매우 비용 집약적이다. 이러한 비용 단점에 추가되는 것이 비교적 짧은 수명이다.

본 발명의 목적은 섬유 강화 복합재 디자인의 페네스트론 블레이드에서 이러한 단점을 피하는 것이다.

서두에 언급된 로터 블레이드에 있어서 이러한 목적은 로터 블레이드와 제어 튜브가 서로 분리되도록 되어 있다는 점에서 달성된다. 이를 위해 로터 블레이드의 블레이드 섹션과 이의 커플링 섹션은 전체에 걸쳐 연장하고 단일 방향 섬유 재료로 만들어진 스파 테이프(spar tapes)를 포함한다. 따라서 본 발명은 로터 블레이드의 블레이드 섹션과 제어 튜브 및/또는 장력-토크 전달 요소의 조합된 단일의 구성 요소와 거리가 멀다. 이 대신에 본 발명은 별도의 구성 요소로서 로터 블레이드를 구성해서 그 디자인을 로터 블레이드에서 겪게 되는 힘에만 일치시키고, 이러한 방식으로 디자인을 단순화하는 원리를 추구한다.

본 발명에 따르면, 로터 블레이드는 섬유가 실질적으로 단일의 방향으로, 환언하면 한쪽 방향으로만 연장하는 섬유 재료로 만들어진 스파 테이프를 포함한다. 이들 스파 테이프는 블레이드 팁으로부터 전체 블레이드 섹션에 걸쳐 로터 블레이드의 커플링 영역까지 단절 없이 그리고 방해 없이 연장한다. 섬유의 흐름 방향도 작동 동안에 로터 블레이드에 작용하는 원심력의 방향에 상당하기 때문에 스파 테이프는 겪게 되는 부하를 최적으로 흡수한다. 부하의 인가 방향으로 배향된 단일 방향 섬유 재료로 만든 로터 블레이드의 디자인은 결국 재료의 최적 및 경제적인 활용으로 이어진다. 이것은 구성 요소에 최소 장력이 걸리고, 결국 로터 블레이드는 긴 수명을 가진다. 단순한 구조가 제로 에러의 위험을 감소시키고, 동일한 고품질로 로터 블레이드의 우수한 재현을 보장한다. 로터 블레이드 관련 금속 디자인과 비교하면, 섬유 강화 복합재 디자인은 현저하게 감소된 중량이라는 결정적인 장점을 제공한다. 게다가 섬유 강화 복합재 디자인의 로터 블레이드는 금속 구성의 경우에 가능한 것보다 더 길어지도록 그리고 더 큰 프로파일을 포함하도록 치수 조정될 수 있다.

본 발명의 유리한 실시 형태에 따르면, 스파 테이프는 직사각형 횡단면을 가진다. 거의 모든 스파 테이프 또는 섬유 층을 위한 단순한 직사각형 횡단면은 선제조된 품목의 제조를 단순화시키는데, 왜냐하면 로터 블레이드에서 섬유 층의 추후 위치는 주로 그 횡단면에 의존하기 때문이다. 이것은 결국 에러 위험의 감소와 고품질의 보장으로 이어지는 단순하고 경제적인 디자인에 이른다.

블레이드 몸체의 프로파일을 공기 역학적으로 효과적으로 만들기 위해, 본 발명의 다른 유리한 실시 형태에 따르면, 스파 테이프가 층상으로 되도록 배열되고, 필요한 경우 엇갈리게 배열된다. 동일한 횡단면에도 불구하고 이와 같이 전체에 걸쳐 연장하는 스파 테이프에 의해 한편으로는 로터 블레이드의, 다른 한편으로는 커플링 섹션의 매우 상이한 횡단면 프로파일은 실질적인 절단 가공 쓰레기 없이 만들어질 수 있다. 따라서 로터 날개의 제조비가 감소된다.

로터 블레이드의 커플링 섹션은 장력-토크 전달 요소와 계면 역할을 하며, 이 계면에서는 원심력이 우세하게 전달된다. 본 발명의 다른 유리한 실시 형태에 따르면, 커플링 섹션은 연결 고리를 포함하며, 이 연결 고리에 의해 로터 블레이드는 기본적으로 그 연장면에 대해 수직으로 연장하는 볼트에 의해 구동 장치에 부착될 수 있다. 가장 단순한 경우, 연결 고리는 커플링 섹션에서 원통형 개구로서 디자인될 수 있다. 연결 고리는 개개의 평탄한 섬유 층을 그 연장면에 대해 수직으로 관통한다. 원심력과 이에 대항하는 구속력(holding forces)이 원통형 개구의 구멍-표면으로 볼트의 생성면에 의해 압축력으로서 전달되고, 그 역으로도 전달된다. 구멍-표면은 개구의 축선에 대해 수직으로 층을 이루는 스파 테이프의 교차면에 의해 형성된다. 작동 시에 연결 고리는 커플링 섹션의 섬유 층과 이에 따라 장력-토크 전달 요소의 섬유 층에 실질적으로 그 연장면에서만 부하를 가하는 구멍-표면 연결부를 형성하며, 이에 따라 부하는 섬유에 따라 최적으로 된다.

볼트에 의한 힘의 도입 동안에는, 섬유 층에서 어떠한 힘의 편향도 구멍-표면 연결의 결과로서 발생하며, 이러한 힘의 편향은 결국 커플링 섹션의 영역에서 세층화(delamination)에 이를 수 있다. 이 대신에 부하가 걸린 섬유 층은 연결 고리와 로터 블레이드 사이에서 기본적으로 회전 없이 그리고 비틀림 없이 연장한다. 이것은 로터 날개의 긴 수명과 경량에 이르게 되는 경제적이면서 단순한 저결함 제조의 측면에서 유리하다. 따라서 구멍-표면에 의한 힘 도입을 위한 연결 고리를 가진 커플링 섹션이 섬유 단부, 섬유 맞대기 조인트 또는 편향된 섬유 층에 의해 방해받지 않는 구성 요소를 제공한다. 이 구성 요소는 볼트의 힘을 로터 날개에 최적으로 도입시킨다. 이 구성 요소는 완전하게 방해받지 않는 구성 요소로서 특히 우수한 부하 지탱 능력을 가진 것으로 도시되어 있고, 거의 에러 없이 제조될 수 있다.

더군다나 디자인은 적절한 부하 저항을 제공하면서 낮은 디자인 높이만을 요구한다는 점에서 장점과 관련되어 있다. 예를 들면 커플링 섹션은 장력-토크 전달 요소를 위해 축방향으로 연장하는 수용 포켓을 포함할 수 있으며, 이 포켓 속으로 커플링 섹션이 활주할 수 있고, 부착될 수 있다. 이 포켓은 장력-토크 전달 요소를 포크 모양으로 둘러쌀 수 있고, 수직으로 연장하는 볼트에 의해 장력-토크 전달 요소를 부착시킬 수 있다. 이러한 디자인의 작은 치수는 전체 비용을 감소시키며, 왜냐하면 로터 블레이트가 더 밀집되고, 이에 따라 로터가 동일한 공기 역학적인 성능을 제공하면서도 더 소형으로 될 수 있기 때문이다.

본 발명의 다른 유리한 실시 형태에 따르면, 연결 고리는 장력-토크 전달 요소의 경화된 상태(cured state)에서만 형성된다. 연결 고리는 예컨대 밀링 가공 또는 드릴링 가공될 수 있고, 어떤 경우에는 나중에 만들어질 수 있다. 이것은 결국 연결 고리의 원통형 구멍-표면의 매우 균일하면서 균질한 여유 디자인에 이르게 하며, 이로부터 연결 고리의 추후 형성은 어떠한 의심 없이 간파될 수 있다. 추후 단계에서 형성한 결과로서, 섬유 층들이 어떠한 방해 포획 공기 또는 부채형 개방 영역 없이 완전하게 밀집되고 긴밀하게 포장되며, 이에 따라 연속적인 폐쇄형 구멍-표면을 형성한다. 여유에 대한 방해받지 않는 구성의 결과로서, 커플링 섹션은 연결 고리의 여유까지 부하에 충분하게 노출될 수 있으며, 이것은 결국 커플링 섹션의 최적 횡단면 활용, 이에 따라 최소 치수에 이르게 된다. 커플링 섹션의 치수는 또한 커플링 섹션에 연결되는 제어 튜브용 분기부를 가지며, 이 제어 튜브는 다음에 페네스트론 포트에 수용되기 때문에, 커플링 섹션의 더 작은 치수는 페네스트론의 치수 조정, 이에 따라 전체 비용에 유리한 영향을 미칠 수 있다.

따라서 커플링 섹션은 로터 블레이드와 제어 튜브 사이의 연결부의 역할도 추가로 한다. 이 경우, 커플링 섹션에서는 굽힘 모멘트도 제어 튜브로 전달된다. 제어 튜브는 어떠한 재료, 예컨대 금속으로 제조될 수 있거나, 섬유 강화 복합재 디자인으로 제조될 수 있고, 연결 수단에 의해 로터 블레이드에 부착될 수 있다. 본 발명의 다른 유리한 실시 형태에 따르면, 연결 수단은 로터 블레이드에 장력-토크 전달 요소 및 제어 튜브 양자를 부착할 수 있는 방식으로 구성되어 있다. 장력-토크 전달 요소 및 제어 튜브 양자의 부착부로서 연결 수단의 기능적인 조합의 경우, 제어 튜브를 부착하기 위한 구성 요소와 이의 설치는 어려움 없이 이루어질 수 있다. 예를 들면 장력-토크 전달 요소를 로터 블레이드에 비형상결합 방식(non-positive manner)으로 부착하는 볼트가 제어 튜브를 관통할 수도 있고, 제어 튜브를 로터 블레이드에 구멍-표면 연결을 통해 연결할 수 있다. 이러한 조합은 구멍-표면 연결의 결과로서 가능해질 뿐인데, 왜냐하면 구멍-표면 연결이 장력-토크 전달 요소의 연결과 함께 매우 한정된 공간에서 제어 튜브 내에 수용될 수 있을 정도로 구멍-표면 연결의 공간 요건이 너무 작기 때문이다.

제어 튜브는 기본적으로는 로터 블레이드로 그 종방향 축선 상에서 모멘트를 전달한다. 대체로 이러한 모멘트는 장력-토크 전달 요소에 의해 로터 블레이드로 전달되는 힘보다 작다. 따라서 연결 수단은 그 치수에 있어서 큰 변화 없이 제어 튜브로부터 추가의 힘을 흡수할 수 있다. 본 발명의 다른 유리한 실시 형태에 따르면, 커플링 섹션은 로터 블레이드와 제어 튜브를 형상 끼워 맞춤 방식으로 상호 연결할 것을 가능하게 하는 횡단면 형상을 포함한다. 로터 블레이드와 제어 튜브 사이에서 제어력의 힘 전달을 위해, 커플링 섹션은 특히 원형 횡단면과 다른 횡단면을 포함한다. 따라서 본 발명은 별도의 로터 블레이트와 이의 관련 제어 튜브의 접촉 지점에서 원형 횡단면 윤곽과 거리가 멀다. 이 대신에 본 발명은 로터 블레이드와 제어 튜브 사이의 형상 맞물림 끼워 맞춤에 의해 로터 블레이드를 위한 제어력의 힘 전달을 가능하는 원리를 추구한다. 환언하면, 힘 전달 동안에 상호 작용하는 로터 블레이드의 커플링 섹션과 제어 튜브의 대응 결속 섹션의 횡단면 형상은 이들 두 섹션 사이에서 로터 블레이트의 종방향 축선 상에서 모멘트를 신뢰성 있게 전달하는 것을 가능하도록 되어 있다.

이들 상호 작용 섹션의 횡단면 형상은 기본적으로 대응할 수 있거나, 적절한 수의 접촉면에서 형상 끼워 맞춤을 가지면서 연동할 수 있다. 따라서 제어 튜브의 결속 섹션은 별도의 횡단면 형상을 가질 수 있으며, 이 결속 섹션의 4개 모서리는 로터 블레이드의 커플링 섹션의 4개 빔 열십자 또는 별 모양의 횡단면 형상에 의해 맞물려서 모멘트를 사각형 횡단면의 중심에 전달할 수 있다. 환언하면, 형상 결합 힘 전달은 로터 블레이드의 커플링 섹션 내에서 제어 튜브의 완전하거나 선형 접촉을 요구하지 않는다. 적절한 수의 접촉점에서 유사 점 접촉으로도 충분할 수 있다.

형상 끼워 맞춤 연결은 추가의 다른 연결, 예컨대 볼트 연결을 여전히 필요로 하는 정도로 경감시킬 수 있다. 이러한 형상 끼워 맞춤 연결은 심지어 커플링 섹션과 결속 섹션 사이의 유일한 연결이 될 수 있는데, 왜냐하면 형상 끼워 맞춤 연결이 충분하게 가능하기 때문이다. 형상 끼워 맞춤 연결은 다음에 중량 및 설치 노력의 감소에 기여하며, 이것은 다음에 시스템의 비용을 감소시킨다. 로터 블레이드를 제어 튜브로부터 물리적으로 분리시킨 결과, 양자의 구성 요소는 더 단순하게, 경제적으로, 그리고 에러의 더 낮은 범위로 제조될 수 있으며, 이는 또한 양자의 구성 요소의 수명의 관점에서 유리하다. 이와 같이 각각의 구성 요소에 대해 최적 디자인과 가장 유리한 재료가 직면하게 될 부하에 따라 선택될 수 있다.

별도의 구성 요소로서, 로터 블레이드는 더 큰 디자인 자유도를 한층 제공한다. 로터 블레이드는 안정성을 증가시킬 수 있고, 제조하기에 더 단순하게 될 수 있는데, 왜냐하면 섬유 강화 복합재 디자인으로 제조하는 동안에 블레이드의 모든 섬유가 로터 블레이드의 커플링 섹션으로 큰 편향 없이 최적으로 평탄하게 연장할 수 있기 때문이다. 어떠한 편향을 가지지 않는 결과, 예컨대 통합 제어 슬리브를 형성하기 위해 섬유 층들을 부채꼴 배열하거나(fanning) 분할해서(splitting) 개방함으로써 섬유 층 내의 횡방향 인장 변형률이 제거될 수 있다. 이 변형률은 결국 세층화에 이를 수 있고, 이에 따라 로터 블레이드의 안정성 및 수명에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 게다가 로터 블레이드의 제조 과정이 단순화되고, 결국 발생하는 제조 에러의 위험을 감소시킬 뿐만 아니라 제조 과정의 재현성도 향상된다. 이러한 이유로 로터 블레이드는 섬유 강화 복합재 디자인의 시리즈 제조에서조차도 고품질로 제조될 수 있다.

로터 블레이드의 프로파일 영역의 구체적인 형상에 따라, 동작 시에 로터 블레이드에는 그 회전면에 대해 이른바 영각(迎角)이 제공된다. 영각은 공기 역학적인 이유로 미리 결정되는데, 영각은 20°까지 될 수 있다. 이와 대조적으로 대체로 장력-토크 전달 요소가 회전면에서 연장한다. 장력-토크 전달 요소는 일반적으로 포크 형상 부착부에서 로터 블레이드에 연결되며, 포크 형상 부착부는 볼트 연결을 위해 장력-토크 전달 요소의 연장면에 대해 수직으로 개구를 포함한다. 따라서, 로터 블레이드에서 각도 조정은 블레이드 섹션 외측에서 이루어져야 한다. 이를 위해 축방향 포크 형상 부착부와 볼트 연결을 위한 개구는 로터 블레이드에 대해 커플링 섹션의 무경사 횡단면(non-tilted cross section)에 배열되어 영각에 의해 경사질 수 있다. 다음에 개구는 커플링 섹션에서 90°외의 각도로 섬유 층을 관통한다. 포크 형상 부착부가 커플링 섹션의 섬유 층에 평행하게 정렬되지 않기 때문에 섬유 층은 경사지게 절단 가공된다. 이와 같이 섬유 층의 윤곽은 로터 블레이드의 섬유 층의 구체적인 위치에 따라 서로 상이하다.

변형예로서 토션 이동부(torsional movement)가 커플링 섹션과 블레이드 천이 섹션 사이에 배열될 수 있다. 그때 포크 형상 부착부와 함께 커플링 섹션은 영각에 의해 로터 블레이드에 대해 경사진다. 이것은 블레이드 섹션으로부터의 섬유 층이 영각과 동일한 양만큼 비틀어지고 커플링 섹션의 영역에서 포크 형상 부착부에 이르는 별도의 토크 전달 섹션을 요구한다.

본 발명의 다른 유리한 실시 형태에 따르면, 토크 전달 섹션은 로터 블레이드의 커플링 섹션에 배열된다. 토션 이동부가 커플링 섹션에 통합되는 경우, 로터 블레이드는 더 짧아지도록 디자인될 수 있는데, 이는 결국 비용 및 중량 감소에 이른다. 커플링 섹션, 이에 따라 제어 튜브 내에서 위치로 인해 토크 전달 섹션은 기류를 겪게 되는 로터 블레이드의 영역으로부터 기류를 겪지 않고 이에 따라 공기 역학적으로 효과적이지 못한 영역으로 더 이동하게 된다. 이것은 토크 전달 섹션의 횡단면이 로터 블레이드의 주된 연장 방향을 향해 커지기 때문에 유리하며, 더 큰 횡단면은 공기 역학적인 항력을 생성하게 된다. 따라서 항력은 제거될 수 있다.

장력-토크 전달 요소는 기본적으로 로터 블레이드의 원심력을 구동 장치의 허브로 전달한다. 동시에 장력-토크 전달 요소는 제어 튜브가 로터 블레이드로 전달하는 제어 모멘트에 반작용하는 것을 피하도록 소정 한도 내에서 토션에 있어서 유연해질 필요가 있다. 토션에 있어서 유연한 장력-토크 전달 요소는 공지되어 있으며, 몇몇 금속 박막을 구비하거나 2개의 연결 부시("섬유사 릴") 둘레에 감긴 가는 금속 와이어를 구비한다. 이 장력-토크 전달 요소는 본 발명에 따라 로터 블레이드의 연결 수단과 조합될 수 있다. 본 발명의 다른 유리한 실시 형태에 따르면, 장력-토크 전달 요소도 역시 섬유 강화 복합재 디자인으로 제조된다. 장력-토크 전달 요소는 기본적으로 금속 박막의 섬유 층과 비교될 수 있는 방식으로 서로 중첩하여 평행한 적층으로 배열되는 섬유 층을 포함한다. 그러나 금속으로 만들어진 장력-토크 전달 요소와 동일한 부하 지탱 능력, 설치 및 취급과 관련하여, 섬유 강화 복합재 디자인으로 만들어진 장력-토크 전달 요소가 중량에 있어서 현저하게 가볍다.

본 발명의 다른 유리한 실시 형태에 따르면, 섬유 층은 단일 방향 섬유 재료로 만들어진 스파 테이프를 포함한다. 스파 테이프는 섬유의 흐름이 힘 흐름의 방향으로, 환언해서 원심력의 방향으로 연장하는 개별 평탄 층을 형성하고, 이러한 방향으로 우수한 부하 지탱 능력을 가진다. 부하 방향으로 배향되는 단일방향 섬유 재료를 포함하는 이러한 디자인은 결국 재료의 최적이면서 경제적인 활용에 이르게 한다. 단순한 구조는 제조 결함의 위험을 감소시키고 장력-토크 전달 요소의 우수한 재현성을 동일한 고품질로 보장한다.

기본적으로 로터 날개의 연장 방향으로 연장하고 서로 분리되어 있는 몇 개의 층상 스파 테이프를 포함하는 장력-토크 전달 요소의 디자인이 토션 강성, 특히 그 제조에 관한 한 특히 유리한 것으로 보여주고 있다. 상호 연결된 몇 개의 층상 스파 테이프는 함께 박막을 형성하며, 이때 수 개의 박막은 장력-토크 전달 요소를 형성한다. 인접한 박막은 분리 층에 의해 분리될 수 있으며, 그 결과 횡단면의 치수가 적절한 경우 장력-토크 전달 요소는 원하는 토션 강성을 얻는다. 인접한 박막 사이의 분리 층은 박막을 서로 분리시키며, 그 결과 비틀리는 경우 박막 사이의 전단 변형률의 전달이 최소로 감소된다. 그럼에도 불구하고 이것은 결국 장력-토크 전달 요소의 디자인을 매우 밀집시키게 된다.

본 발명의 다른 유리한 실시 형태에 따르면, 슬롯이 박막 사이에 형성될 수 있으며, 이들 슬롯은 분리 층으로서 공기 틈새를 제공한다. 따라서 이 영역에서는 박막의 마주보는 측면이 더 이상 서로 직접 접촉하지 않는다. 이 대신에 이들 측면은 서로 간에 공기 틈새를 합체시킨다. 이와 같이 개별 박막 사이에 전단 변형률의 어떠한 전달도 배체된다. 게다가 별도의 분리막의 부재(不在)는 장력-토크 전달 요소의 제고가 더 단순하고 경제적으로 된다는 점에서 장점을 제공한다. 분리 층들은 온도와 습도의 영향으로 인해 시효, 취성화, 및 팽윤을 겪을 수 있다는 점을 유념해야 한다. 게다가 분리 층들은 섬유 층들이 굽힘 부하 및 토션 부하로 인해 서로에 대해 마멸되는 결과 마모될 수 있다. 게다가 이격된 박막은 개별적으로 어떠한 손상 여부에 대해 검사될 수 있다.

본 발명에 따른 로터 블레이드는 단순한 디자인과 저렴한 비용으로 제조될 수 있고, 비교적 긴 수명을 제공할 수 있다.

도 1은 별도의 장력-토크 전달 요소와 제어 튜브를 구비한 로터 블레이드의 분해사시도.
도 2는 로터 블레이드에 설치된 제어 튜브를 보여주는 단면도.
도 3은 로터 블레이드의 평면도.
도 4는 로터 블레이드의 단면도.

이하, 본 발명의 원리를 도면을 참조로 하여 바람직한 방식으로 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 별도의 장력-토크 전달 요소(3)와 제어 튜브(4)를 구비한 로터 블레이드(1)를 분해도로 도시하고 있다. 로터 블레이드(1)는 도 4에 따른 공기 역학적인 프로파일을 가진 블레이드 섹션(5)을 포함한다. 이 블레이드 섹션 다음에는 블레이드 천이 섹션(7)이 위치하며, 이 블레이드 천이 섹션에서는 블레이드 섹션(5)의 횡단면으로부터 아래의 커플링 섹션의 콤팩트 횡단면까지 횡단면이 크게 변한다. 커플링 섹션은 토크 전달 섹션(9)과 연결 섹션(11)을 포함한다. 토크 전달 섹션(9)은 로터 블레이드(1)의 영각(angle of incidence)을 그 회전면에 대해 약 16°보상한다. 또한 토크 전달 섹션(9)에 연결된 연결 섹션(11)은 기본적으로 로터 블레이드(1)의 회전면 내에서 연장한다. 이 연결 섹션(11)은 별도의 장력-토크 전달 요소(3)와 제어 튜브(4)를 부착하는 데에 사용된다. 이를 위해 연결 섹션(11)은 로터 블레이드(1)의 회전면에 대해 수직인 방향으로 부착을 위한 원통형 관통구(13)를 구비한다. 게다가 연결 섹션(11)은 포크 형상 수용 포켓(15)을 포함하는데, 이 수용 포켓은 로터 블레이드(1)의 종방향 축선 방향으로 연결 섹션(11) 내에서 축방향으로 연장한다. 이 연결 섹션의 거의 평탄한 측벽(17)은 부착 구멍(13)에 의해 관통되어 있다.

볼트(21)와 이와 상호 작용하는 카운터 너트(23)가 로터 블레이드(1)의 장력-토크 전달 요소(3)와 제어 튜브(4) 양자를 위해 기본적으로 통상적인 부착 수단(2)을 제공한다. 또한 볼트(21)는 이의 회전면에 대해 수직인 방향으로 제어 튜브(4)를 관통한다. 볼트(21)는 2개의 슬리브(25) 속에 삽입되는데, 각각의 슬리브는 외측에서 2개의 벽(17) 중의 하나를 지나 부착 구멍 속으로 삽입된다. 각각의 슬리브(25)는 평탄부(28)를 가진 칼라(collar)(27) 및 샤프트(29)를 포함한다.

별도의 장력-토크 전달 요소(3)는 그 종방향 축선과 횡방향 축선에 대해 대칭인 구조로 되어 있는데, 이 구조는 대체로 뼈다귀 모양이다. 이 장력-토크 전달 요소(3)의 단부는 연결 고리(32)를 가진 결속 섹션(30)을 포함한다. 토크 전달 요소(34)는 장력-토크 전달 요소(3)의 중간 영역을 형성한다.

제어 튜브(4)는 대체로 관 모양의 베이스 몸체(40)를 포함하며, 이 베이스 몸체 상에는 블레이드 측의 대직경의 베어링 배열 섹션(42)과 허브 측의 소직경의 베어링 배열 섹션(44)이 배열되어 있다. 제어 튜브는 그 허브 측 단부에서 자신의 회전 축선에 대해 경사지게 절단 가공되어 있으며, 제어 레버(46)가 반경 방향으로 이격하도록 배열되어 있다. 블레이드 측의 베어링 배열 섹션(42)과 허브 측의 베어링 배열 섹션(44) 사이에는 부착 섹션(48)이 연장하며, 이에 따라 형성된 표면은 돌출면에서 원통형이면서 서로 마주보며, 이에 따라 서로에 대해 평행하도록 배열되는 2개의 평탄부(50)를 포함한다. 이들 평탄부(50)에서, 반경방향으로 정렬된 부착 구멍(52)이 배열되며, 이 부착 구멍의 내경은 슬리브의 샤프트(29)의 영역에서 슬리브(25)의 외경에 대응한다.

단일의 연결 수단(2)만, 즉 볼트(21)가 로터 블레이드(1)를 장력-토크 전달 요소(3)와 제어 튜브(4)에 연결한다. 이를 위해 제어 튜브(4)는 자신의 부착 구멍(42)이 로터 브레이드(1)의 부착 구멍(13)과 동일한 높이에 위치할 때까지 로터 블레이드(1)의 연결 섹션(11) 상으로 활주한다. 슬리브(25)를 부착 구멍(52)에 삽입함으로써 제어 튜브(4)는 우선 로터 블레이드(1)에 고정되며, 이는 슬리브(25)의 샤프트(29)가 로터 블레이드(1)의 부착 구멍(13)에 맞물리기 때문이다. 이제 장력-토크 전달 요소(3)는 최전방의 결속 섹션들 중의 하나와 함께 자신의 연결 고리(32)가 순차적으로 부착 구멍(13 또는 52)과 열린 슬리브(25)와 동일한 높이에 위치할 때까지 제어 튜브(4)의 베이스 몸체(40)를 통해 로터 블레이드(1) 내의 수용 포켓(15) 속으로 삽입될 수 있다. 이어서 제어 튜브(4)와 장력-토크 전달 요소(3)는 로터 블레이드(1)에 최종적으로 부착되며, 여기에서 볼트(21)가 슬리브(25)를 통해, 이에 따라 제어 튜브(4)와 장력-토크 전달 요소(3)를 통해 밀려 들어가며, 카운터 너트(23)에 의해 맞은편에서 부착된다.

연결 수단(2)는 본래 로터 블레이드(1)가 운전 시에 겪는 원심력을 장력-토크 전달 요소(3)로 전달하며, 이 장력-토크 전달 요소(3)는 원심력을 자신으로부터 구동 장치의 허브(도시 생략)로 전달한다. 이에 따라 볼트(21)는 전단력을 받고, 부착 구멍(13, 52) 속에서 구멍-표면 압력을 발생시키며, 여기에서 특히 로터 블레이드(1)의 연결 섹션(11) 내에서 슬리브(25)는 그 위치에서 구멍-표면 압력을 섬유 재료로 가능한 한 균일하게 전달하고, 섬유 층으로 도입시킨다. 제어 레버(46)가 그 종방향 축선 상에 모멘트로서 로터 블레이드(1)에 작용하도록 제어 튜브(4)에 전달하는 제어력은 연결 수단(2)에 다른 부하를 제공한다. 이러한 제어력은 덜 엄격하고, 원심력에 기인하는 부하에 대해 직각인 방향으로 연결 수단(2)에 부하를 가한다.

제어력에 기인하는 부하에 관한 한, 연결 수단(2)은 로터 블레이드(1)와 제어 튜브(4) 사이에는 형상 끼워 맞춤(positive fit)이 존재한다는 점에서 완화된다. 평면 평행 평탄부로서 벽(17)을 가진 연결 섹션(11)의 평탄한 원형 횡단면은 제어 튜브(4)의 대응하는 모양을 가진 부착 섹션(48)에 형상 맞물림 방식(positive-locking manner)으로 끼워진다. 이러한 수단 덕분에 제어력이 단독으로 미리 전달될 수 있으며, 그 결과 연결 수단(2)은 로터 블레이드(1)와 제어 튜브(4) 사이의 연결 여유도(redundancy of connection)를 보장할 뿐이다. 추가의 결합 연결은 로터 블레이드(1)와 제어 튜브(4) 사이의 어떠한 미세 움직임도 중지시킬 수 있다. 이러한 결합 연결은 로터 블레이드(1)와 제어 튜브(4) 사이의 유지 보수가 필요없는 연결(maintenance-free connection)을 이들의 접촉 지점에서 어떠한 마모 없이 제공한다.

도 2는 로터 블레이드(1)에 대한 장력-토크 전달 요소(3) 및 제어 튜브(4)의 부착을 보여주는 단면도이다. 이 도면은 특히 슬리브(25)에 대한 추가 기능을 예시하고 있다. 이 슬리브의 두 샤프트(29)는 자신의 축방향(종방향)으로 부착 구멍(13, 52) 속으로 삽입된 후에, 그리고 장력-토크 전달 요소(3)가 수용 포켓(15)에 삽입된 후에 수용 포켓(15) 속에서 장력-토크 전달 요소(3)의 중심을 맞추도록 치수 조정되어 있다. 따라서 이 장력-토크 전달 요소(3)는 로터 블레이드(1)의 무게 중심 축선(centroidal axis)에 정확하게 위치하며, 그 결과 장력-토크 전달 요소는 자신의 중심 맞추기 덕분에 작동 동안에 로터 블레이드(1)에 발휘되는 원심력을 편심에 기인하는 어떠한 모멘트 부하 없이 전방으로 흡수 및 전달할 수 있다.

블레이드 측에서 제어 튜브(4)는 도 1에 보이지 않는 나사진 개구(56)를 포함하는데, 이 나사진 개구 속에는 설치 동안에 로터 블레이드(1)가 자신의 연결 섹션(11)과 함께 최전방에 삽입된다 (도 1 비교). 이 나사진 개구(56)는 유사 분화구 모양으로 블레이드 측의 베어링 배열 섹션(42)으로부터 떨어져 있다. 이 나사진 개구(56)는 둥근 천이 섹션(54)의 블레이드측 단부를 형성하며, 이 단부는 로터 블레이드(1)를 향해 축방향으로 감소되는 횡단면을 가진다.

게다가 도 2는 로터 블레이드(1)를 형성하는 섬유 층들의 흐름을 예시하고 있다. 직선이면서 평면의 형태로 블레이드 섹션(5)의 방향으로부터 들어오면, 블레이드 천이 섹션(7)에서 섬유 층들이 거의 S자 모양으로 반대 방향으로 약간 편향되어 인접한 토크 전달 섹션(9) 또는 연결 섹션(11)에서 직선이면서 평행한 형태로 이어진다. 한편으로 커플링 섹션의 전반적으로 매우 평탄한 디자인은 섬유에 따른 디자인을 의미하고, 다른 한편으로 장력-토크 전달 요소(3)와 제어 튜브(4) 양자를 동일한 횡단면에서 결속하는 것을 가능하게 해준다.

부착 구멍(13)은 추후 단계에서만 연결 섹션(11) 속으로 천공된다. 이것은 결국 부착 구멍(13)의 규칙적인 원통형 구멍-표면에 대한 매우 균일하면서 균질한 디자인에 이르게 하며, 이 부착 구멍의 추후 제조는 어떠한 의심 없이 부착 구멍으로부터 검출될 수 있다. 구멍-표면의 방해받지 않는 구성의 결과, 연결 섹션(11)의 나머지 횡단면이 부착 구멍(13)의 여유까지 부하에 완전하게 노출될 수 있으며, 이는 결국 최적의 횡단면을 활용하게 되며, 이에 따라 커플링 섹션(11)이 최소 치수로 된다. 부착 구멍(13)이 섬유 층의 연장면에 대해 수직으로 연결 섹션(11)에서 로터 블레이드(1)의 섬유 층들을 관통하며, 이에 따라 부하는 섬유에 따라 최적으로 된다. 볼트(21)를 통해 힘이 도입되는 경우, 섬유 층들에서 어떠한 힘의 편차도 부착 구멍(13)의 구멍-표면 연결을 통해 발생하지 않는데, 이러한 힘의 편차는 결국 연결 섹션(11)에서 세층화(delamination)에 이르게 할 수 있다. 이것은 다음에 재료의 최저 사용으로도 최대 부하 능력을 가능하게 해준다. 이것은 로터 블레이드(1)의 경제적인 제조, 긴 수명, 짧은 외부 치수, 및 경량의 관점에서 유리하다.

도 3은 원칙적으로 도 1에 따른 로터 블레이드(1)와 동일하게 디자인된 로터 블레이드 블랭크(1')를 보여준다. 이 로터 블레이드 블랭크는 블레이드 팁(6')을 가진 블레이드 섹션(5'), 블레이드 천이 섹션(7'), 토크 전달 섹션(9'), 그리고 연결 섹션(11')을 포함한다. 도면에서는 장력-토크 전달 요소 또는 제어 튜브를 부착하기 위한 어떠한 부착 구멍도 아직 도시되어 있지 않은데, 그 이유는 부착 구멍이 단지 가공되어 추후에 블레이드 블랭크(1')로 만들어지기 때문이다.

블레이드 블랭크(1')는 섬유 층들의 배열에 대한 일례이다. 블레이드 블랭크는 원심력(F)의 방향으로 연장하는 섬유 층(a 내지 g)을 포함하며, 이들 섬유 층 사이에는 추가의 섬유 층(r 내지 t)이 끼움 접합되어 있다. 이들 섬유 층(a 내지 g)은 전체 로터 블레이드(1')에 걸쳐 허브 측의 연결 섹션(11')으로부터 블레이드 팁(6')까지 연장하는 섬유 층들이다. 이들 섬유 층은 단일 방향의 섬유 재료를 포함하며, 이 섬유 재료의 섬유는 섬유 층(a 내지 g)의 종방향으로 연장한다. 섬유의 흐름에 대해 횡방향으로 섬유가 화학적으로 또는 기계적으로 바느질에 의해 합쳐진다.

섬유 층(r 내지 t)은 다축 방향 섬유 재료를 포함하며, 이 섬유 재료의 섬유 방향은 설치된 상태에서는 서로에 대해 직각으로 연장하지만 원심력(F)의 방향에 대해 평행하거나 수직으로 되지 않도록 연장한다. 필요한 경우 이들 섬유 층은 섬유 층(a 내지 g) 사이에 다겹으로 위치하거나 끼움 접합되며, 그 결과 매 2개의 단일 방향의 섬유 배향을 가진 섬유 층(a 내지 g)의 매 2개 층 사이에 적어도 하나의 섬유 층(r, s 또는 t)이 연장하며, 이 섬유 층의 섬유는 단일 방향 섬유에 대해 +/-45°의 각도로 배열된다. 이와 같이 섬유 층으로 만든 섬유 패키지(package)와, 이에 따른 블레이드 블랭크(1')가 횡방향으로도 적당한 안정성을 얻는다.

도 4는 블레이드 섹션(5')의 영역에서 로터 블레이드(1')를 보여주는 개략적인 단면도이다. 이 로터 블레이드는 공기가 마주보고 흐르는 전면(60)과, 최상면(64)과 최하면(66)을 가진 평탄한 액적(液滴) 모양의 반대측 추종 가장자리(62)를 포함한다. 최상면(64)과 최하면(66) 양자에서 프로파일이 단차(step)(68)를 포함하며, 이 단차에는 블레이드 섹션(5')의 전면(60)으로부터의 표면에 예컨대 금속으로 만들어진 방식(防蝕) 장치(도시 생략)가 적용되어 있다.

외부에서 내부까지 블레이드 섹션(5')의 프로파일은 그때 섬유 층(a)에 의해 형성되며, 이 섬유 층은 블레이드 외피로서 전체 프로파일을 둘러싸고 있다. 이 섬유 층은 블레이드 섹션(5')의 전면(60)과 접해 있다. 이 섬유 층 아래에는 섬유 층(r)이 위치하며, 이것 역시 전면(25)과 접해 있고, 섬유 층(a)과 대부분 합동이다. 제1 섬유 층(a)이 로터 날개의 종방향으로 섬유 방향과 함께 디자인되어 있는 반면에, 섬유 층(r)의 섬유는 로터 날개에 대해 약 45°의 각도로 연장한다.

다음의 후속 섬유 층(b)은 단일 방향으로 정렬된 섬유 재료를 포함하며, 이 섬유 재료는 다시 다축 방향인 층(s)의 섬유 재료와 인접해 있다. 이 다음에는 각각의 로터 날개(1')에 개별적으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 다겹으로 이용될 수 있는 나머지 섬유 층들(도시 생략)이 위치하며, 이에 따라 안정한 블레이드 몸체를 형성한다. 이들 섬유 층은 블레이드 섹션(5')의 추종 가장자리(27)에 더욱 인접하게 배열되는 발포 코어(foam core)(70)를 둘러싸며, 그 결과 블레이드 섹션(5')의 프로파일의 중력 중심은 더 무거운 섬유 층들이 위치하고 있는 전방 영역에 존재한다.

도 3과 도 4의 예시도는 단지 로터 블레이드(1')에서 층들을 배열하는 원리는 보여주는 역할을 할 뿐이다.

위에서 상세하게 설명되었던 로터 날개는 단지 하나의 바람직한 실시 형태이기 때문에 이러한 바람직한 실시 형태는 통상적으로 발명의 범위를 벗어나지 않고 당업자에 의해 상당한 정도로 변형될 수 있다. 특히, 섬유 층들의 특정 절단 가공과 이들 섬유 층의 순서도 역시 본 명세서에서 설명된 것과 다른 형태로 일어날 수 있다. 유사하게 커플링 섹션 또는 제어 튜브에서 기계적인 결합이 공간 또는 디자인의 이유로 필요한 경우에 다소 다른 형태로 디자인될 수 있다. 게다가 부정관사 "a" 또는 "one"의 사용은 각각의 특징부가 복수의 형태로 존재할 가능성을 배제하지는 않는다.

1: 로터 블레이드 2: 연결 수단
3: 장력-토크 전달 요소 4: 제어 튜브
5: 블레이드 섹션 7: 블레이드 천이 섹션
9: 토크 전달 섹션 11: 연결 섹션
13: 부착 구멍 15: 수용 포켓
17: 벽 21: 볼트
23: 카운터 너트 25: 슬리브
27: 칼라 28: 평탄부
29: 축(shank) 30: 결속 섹션
32: 연결 고리 34: 토크 전달 요소
40: 베이스 몸체 42: 베어링 배열 섹션
44: 베어링 배열 섹션 46: 제어 레버
48: 부착 섹션 50: 평탄부
52: 부착 구멍 54: 천이 섹션
56: 나사진 개구 60: 전면(前面)
62: 추종 가장자리 64: 최상면
66: 최하면 68: 단차
70: 발포 코어 a 내지 g: 단일방향 관통 섬유 층
r, s, t: 다축방향 섬유 층

Claims (9)

1. 블레이드 외피(a, r)와 블레이드 몸체(b-g, s, t)를 구비하며, 공기 역학적으로 효과적인 프로파일을 형성하는 블레이드 섹션(5, 5')과,
   로터의 구동 장치의 허브로부터 외측으로 향하는 블레이드 팁(6)과,
   상기 허브를 향해 마주보고 장력-토크 전달 요소(3)와 부착 장치(2)를 구비하고, 상기 부착 장치(2)에 의하여 상기 장력-토크 전달 요소(3)와 제어 튜브(4)를 부착시키는 커플링 섹션(9, 11)(9', 11')과,
   상기 블레이드 섹션(5, 5')과 상기 커플링 섹션(9, 11)(9', 11')은 전체에 걸쳐 연장하고 단일 방향 섬유 재료로 만들어진 스파 테이프(spar tapes)(a 내지 g)를 포함하는, 섬유 강화 복합재로 구성된 로터 블레이드를 가진 회전 날개 항공기의 포위형 꼬리 로터에 있어서,
   제어 튜브(4)와 볼트(21)가 별도로 구비되고,
   상기 장력-토크 전달 요소(3)는 연결 고리(32)를 포함하고, 상기 제어 튜브(4)에는 부착 구멍(52)이 구비되어 있고,
   상기 커플링 섹션(9)은 상기 볼트(21)에 의해 상기 로터 블레이드(1)에 상기 제어 튜브(4)와 상기 장력-토크 전달 요소(3), 구동 장치에 상기 로터 블레이드(1)를 부착하기 위한 적어도 하나의 부착 구멍(13, 52)을 가지고, 상기 볼트(21)와 상기 적어도 하나의 부착 구멍(13, 52)은 스파 테이프(a...g)의 교차 평면에 의해 구멍 표면을 형성하고,
   상기 스파 테이프(a 내지 g)의 단면이 직사각형 단면이고,
   평탄한 액적 모양의 공기 역학적인 블레이드 프로파일을 형성하기 위해 상기 스파 테이프(a 내지 g)가 층상으로 엇갈리게 배열된 것을 특징으로 하는 포위형 꼬리 로터.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 커플링 섹션에는 상기 블레이드 섹션(5')과 부착 구멍 사이의 커플링 섹션(9')이 배열되는 것을 특징으로 하는 포위형 꼬리 로터.
   
9. 제1항에 있어서,
   섬유 강화 복합재 디자인의 별도의 장력-토크 전달 요소(3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 포위형 꼬리 로터.
   

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