KR101914306B1 - 동력 샤프트, 특히 초임계 샤프트 내에서 충격을 동적으로 흡수하기 위한 방법 및 상기 방법을 실시하기 위한 충격 흡수 구조물 - Google Patents

동력 샤프트, 특히 초임계 샤프트 내에서 충격을 동적으로 흡수하기 위한 방법 및 상기 방법을 실시하기 위한 충격 흡수 구조물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 구동 피니언의 동력 치형부의 맞물림을 저하시키지 않기 위하여 전방 베어링에서 강성을 유지하면서 동력 샤프트에 대해 충격의 충분한 흡수를 제공할 수 있는 구조물에 관한 것이다. 이러한 목적으로, 압축가능한 동적 충격 흡수가 추가 메싱의 다운스트림 충격 흡수기와 함께 정렬되어 제공된다. 본 발명에 따르는 동력 샤프트에 대해 충격을 동적으로 흡수하기 위한 조립체는 치형부 시스템(15)에 대해 일련의 업스트림 베어링(12) 및 다운스트림 베어링(14)의 옆에 위치된, 구동 피니언(16)에 치형부 시스템(15)을 포함한다. 다운스트림 베어링(14)은 치형부 시스템(15)에 대향하는 업스트림 베어링(12)에 대해 축방향으로 오프셋되는 다운스트림 충격 흡수기(20, 26)를 형성하기 위하여 압축가능한 스퀴즈 필름(26)과 연계된 롤링 요소(20, 20r)와 함께 하나 이상의 추가 베어링과 결합된다. 다운스트림 베어링(12, 14)은 공통 케이싱(34) 상에 장착된 가요성 프레임(24)에 의해 연결될 수 있다. 본 발명은 동력-트랜스미션 샤프트, 특히 터빈 엔진 내의 초임계 샤프트에 대해 사용될 수 있다.

Description

동력 샤프트, 특히 초임계 샤프트 내에서 충격을 동적으로 흡수하기 위한 방법 및 상기 방법을 실시하기 위한 충격 흡수 구조물{METHOD FOR DYNAMICALLY ABSORBING SHOCKS IN A POWER SHAFT, IN PARTICULAR A SUPERCRITICAL SHAFT, AND SHOCK-ABSORBING ARCHITECTURE FOR IMPLEMENTING SAID METHOD}
본 발명은 동력 샤프트, 특히 초임계 샤프트 내에서 충격을 동적으로 흡수하기 위한 방법 및 상기 방법을 실시하기 위한 충격 흡수 구조물에 관한 것이다.
동력 회전 샤프트, 특히 터보샤프트 엔진은 이의 편향의 제1 임계 속도를 초과할 수 있는 공칭 작동 범위를 갖는다. 정의로서, 초임계 샤프트의 작동 범위는 항시 이의 제1 임계 속도를 초과한다. 임계 속도에 교차 시에 발생되는 공진은 샤프트의 불균형에 의해 야기되는 스트레인 및 변형을 증가시키는 과부하 현상을 겪는다.
전형적으로 전방 베어링 및 후방 베어링을 갖는 주어진 동력 샤프트의 구조물의 모달 분석은 구동 샤프트, 전방 및 후방 베어링과 이들 베어링들 사이에 링크고정된 샤프트의 구성 부분들 간에 스트레인 에너지의 분배뿐만 아니라 모달 변형의 형상, 임계 속도 값을 계산할 수 있다.
주어진 초임계 샤프트의 예시적인 모달 분석은 15000 rpm, 즉 이의 공칭 속도의 70%와 동일한 제1 임계 속도의 값을 제공하고, 스트레인 에너지의 분배는 전방 베어링에서 10%, 후방 베어링에서 30%, 샤프트에서 60%이다.
현저히 초임계 샤프트의 사용과 연계되는 증가된 스트레스를 흡수하기 위하여, 또한 "스퀴즈 필름"으로 불리는 오일 필름을 갖는 충격-흡수 베어링은 임계 속도와의 교차 시에 야기되는 과부하(overload)의 크기를 제한할 수 있다.
그러나, 이들 샤프트는 동력 샤프트의 회전 속도가 높을 때 항공 도메인(aeronautical domain)에서 사용된 감속기가 구비된 터보샤프트 엔진 상의 일반적으로 케이스인 동력 치형부 시스템을 가질 수 있다. 감속기는 리시버(헬리콥터 주 트랜스미션 기어 박스, 전기 제너레이터 등)에 공급하기 위한 동력을 변환시킬 수 있다. 그 경우, 동력 샤프트의 치형부 시스템의 옆에 있는 베어링과 스퀴즈 필름의 사용은 배제된다. 이들 베어링이 맞물림 력을 겪는 피니언의 임의의 반경방향 변위를 제한하기 위해 충분한 강성을 가져야하기 때문에, 구동 토크가 전달되고 임의의 변위 또는 조기 마모가 방지된다. 요즘에, 스퀴즈 필름은 롤링-요소 시스템의 반경방향 변위를 필요로 하고, 이에 따라 스퀴즈 필름은 압축될 수 있고 이의 충격 흡수 효과를 생성할 수 있다. 따라서, 스퀴즈 필름의 사용은 옆에 위치된 치형부 시스템에 대해 사용된 이들 베어링과 호환되지 않는다.
스트레인 에너지가 항시 후방 베어링에 존재하는 것이 중요하며(여기서 10% 초과), 충격 흡수는 동력 치형부 시스템의 존재로 인해 전방 베어링에서 구현되기가 어렵고, 임계 샤프트 및 감속기가 구비된 엔진의 구조물의 충격 흡수 시스템은 구동 샤프트의 후방 베어링에 배열된다.
그러나, 일부 최신 구조물 내에서, 후방 베어링은 모달 변형에서 임의로 관여되지 않으며, 그 뒤 이들 후방 베어링에서 외부 충격 흡수가 가능하다. 이에 따라, 전방 베어링은 전형적으로 스트레인 에너지의 약 25%를 집중시키고 샤프트는 대략 75%를 집중시키며, 그 뒤에 충격 흡수기로서 작동하지 않는 후방 베어링은 실제로 변형을 흡수하지 않는다(1% 미만). 따라서, 구동 피니언의 베어링은 외부 충격 흡수기능을 전체 구동 샤프트에 제공할 수 있는 유일한 영역이 되며, 75 %의 샤프트 변형 에너지는 허용되지 않는다.
본 발명은 구동 피니언의 동력 치형부의 맞물림을 저하시키지 않기 위하여 전방 베어링에서 강성을 유지하면서 동력 샤프트에 대해 충격의 충분한 흡수를 제공할 수 있는 구조물에 관한 것이다. 이러한 목적으로, 압축가능한 동적 충격 흡수가 추가 메싱의 다운스트림에 있는 베어링에 대한 연장으로서 제공된다.
더욱 구체적으로, 본 발명의 목적은 치형부 시스템에 대해 업스트림 베어링 및 다운스트림 베어링 세트의 옆에 위치된, 구동 피니언에 치형부 시스템을 포함하는 동력 샤프트 내에서 충격을 동적으로 흡수하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 구조물 내에서, 상기 지지부 세트는 치형부 시스템에 대향하는 업스트림 지지부에 대해 축방향으로 오프셋된 다운스트림 충격 흡수기를 형성하기 위하여 임의로 이동하는 압축가능한 충격 흡수기와 결합된 적어도 하나의 추가 지지부와 함께 다운스트림 방향으로 연장된다.
특정 실시 형태에 따라서:
-다운스트림 방향으로의 연장은 강성-조절 레버를 형성하는 가요성 링크에 의해 구현되며, 상기 강성-조절 레버는 샤프트 내에서 스트레인 에너지의 분배 및 이로부터 생성되는 흡수된 에너지를 조절할 수 있으며, 가요성 링크는 다운스트림 충격 흡수기의 강성을 제어할 수 있고, 이에 따라 샤프트 내에서 스트레인 에너지를 우수하게 분배함으로써 임계 속도의 효과를 제한하고,
-추가 충격 흡수기의 다운스트림 오프셋(downstream offset)은 반경방향 압축에 의해 최대 충격 흡수를 제공하도록 샤프트의 변형부 내에 이 충격 흡수기를 배치하기 위하여 반복적으로 계산하고, 치형부는 최적의 토크 전달을 제공하는 2개의 강성 베어링의 옆에 위치된다.
본 발명은 또한 상기 방법을 실시하고 동력 샤프트 내에서 충격을 동적으로 흡수하기 위한 조립체에 관한 것이다. 이러한 조립체는 감속 치형부 시스템의 메싱 옆에 있는 동력 롤러와, 업스트림 및 다운스트림 베어링을 포함한다. 다운스트림 베어링은 치형부 시스템에 대향하는 업스트림 베어링에 대해 축방향으로 오프셋되는 다운스트림 충격 흡수기를 형성하기 위하여 압축가능한 충격 흡수기와 연계된 롤링 요소)와 함께 하나 이상의 추가 베어링과 결합된다.
특정 실시 형태에 따라서:
-2개의 다운스트림 베어링은 공통 케이싱(common casing) 상에 장착된 가요성 프레임에 의해 링크고정되고,
-압축가능한 충격 흡수기는 스퀴즈 필름, 특히 가요성 프레임에 의해 동력 샤프트의 중앙에 위치되는 스퀴즈 필름으로 구성되고,
-추가 다운스트림 베어링의 롤링-요소 시스템은 볼 베어링 또는 롤러 베어링일 수 있다.
본 발명의 그 외의 다른 특징과 이점은 각각 예시된 첨부 도면에 따르는 상세한 예시적인 실시 형태를 읽음으로써 명확해질 것이다.
도 1은 구동 피니언과 링크고정된 전방 베어링과 후방 베어링 사이에 장착된 동력 샤프트의 모달 변형의 도면.
도 2는 본 발명에 대응하는 구조물에 따라 도 1의 동력 샤프트와 링크고정된 감속 구동 피니언의 절반(부분) 종단면도.
도 3은 본 발명에 따르는 동적 충격 흡수기가 장착된 동력 샤프트의 부분 사시도.
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명에 따르는 동적 충격 흡수기의 부존재 및 존재 시에 회전 속도의 함수로서 동력 샤프트의 전방 베어링에서 스트레인의 2개의 다이어그램.
하기 기술 내용에서, 용어 전방 또는 업스트림은 구동 피니언(drive pinion)에 더 인접하거나 또는 구동 피니언의 측면에 의해 배열된 요소들의 위치에 대한 축(X'X)를 따른 비교로서 지칭되는 반면, 용어 다운스트림 또는 후방은 엔진 토크를 생성하는 부분을 향하여 또는 구동 피니언으로부터 더 떨어진 요소들의 위치를 축(X'X)를 따른 비교로서 지칭된다. 게다가, 동일한 도면부호는 동일하거나 또는 동등한 요소를 지칭한다.
도 1의 전체 도면을 참조하면, 터빈(19)을 구동하기 위한 동력 샤프트(power shaft, 10)가 정지 시에 이의 축(X'X)에 대한 모델 변형으로서 후방 베어링(18)이 충격 흡수를 거의 받지 않는 상태에서(1% 미만) 스트레인 에너지의 대략 75%를 포함하는 편향(deflection)을 나타낸다. 감속 구동 피니언(16)이 장착되는 치형부 시스템(tooth system, 15)의 측면에 위치하는 업스트림 및 다운스트림 베어링(12, 14)은 그 뒤에 흡수되지 않은 스트레인 에너지의 대략 25%를 지지한다. 이러한 분배(distribution)는 특히 공진(resonance) 시에 허용가능하지 않을 수 있다. 전방 베어링에서 롤링-요소 시스템에 의해 받는 스트레인은 후술되고 도 4a에 도시된다.
도 2(절단 단면도) 및 도 3(사시도)에 도시된 바와 같이 본 발명에 따르는 구조물에 따라 전방 피니언의 맞물림(meshing)을 손상시키지 않고 강성 롤러 베어링(12r, 14r)로 구성된 업스트림 및 다운스트림 베어링(12, 14)에 의해 가해진 스트레인을 흡수할 수 있다. 상기 업스트림 및 다운스트림 베어링(12, 14)은 각각 나사-너트 조립체(38) 및 환형 링(39)을 통하여 플랜지(36)에 의해 케이싱(32, 34) 상에 장착된다.
이 구조물에서, 샤프트(10)의 지향된 축(X'X)을 따라 업스트림 베어링(12)에 대해 다운스트림에 위치된 다운 스트림 베어링(14) 및 추가 베어링(20)은 케이싱(34)의 단부에 장착된다. 베어링은 제트(jet)와 결합된 덕트(22)를 통하여 윤활된다. 플랜지(36)는 홀이 형성된 스틸(holed steel)로 제조된 농형 가요성 프레임(squirrel-cage-type flexible frame, 24)과 함께 축방향으로 연장되고 교대로 추가 베어링(20)의 외측 프레임(20a)과 함께 연장된다. 따라서, 가요성 프레임(24)은 롤링-요소(20r)와 롤러(14r)를 링크하고, 추가 베어링(20)은 가요성 프레임(24)을 통하여 플랜지(36)에 의해 제 위치에 유지된다. 선택 사항으로서, 텅(tongue, 25)과 함께 축방향으로 연장되고 나사-너트 조립체(38a)에 의해 고정되는 플랜지(21)에 따라 케이싱(34)을 보호할 수 있다(플랜지(21)와 케이싱(34)은 프레임을 보이게 하기 위해 도 3에서 도시되지 않음). 상기 추가 베어링의 롤링-요소(20r), 이 예시에서 볼은 전체 구동 샤프트의 축방향 스트레인을 취하는 방식의 "스러스트" 롤링-요소이다.
케이싱(34)은 바람직하게는 그 중앙 부분에서 다운스트림 베어링(14) 및 추가 베어링(20) 사이에 홀이 형성된 스틸로 제조된 농형 가요성 프레임(24)을 형성한다. 이에 따라, 가요성 프레임(24)과의 커플링을 통하여 동적 충격 흡수 기능을 제공하는 추가 베어링(20)은 기준으로서 치형부 시스템(15)의 중앙 섹션을 취할 때 업스트림 베어링(12)에 대해 오프셋된다. 이에 따라, 가요성 프레임(24)은 추가 베어링(20)의 강성을 제어하고 이에 따라 임계 속도를 조절할 수 있다.
가요성 프레임(24) 상에 장착된 추가 베어링(20)의 동적 충격 흡수 기능을 구현하기 위하여, 롤링-요소(20r)는 스퀴즈 필름(squeeze film, 26)과 반경방향으로 결합된다. 이는 바람직하게는 누출 속도를 제어하기 위해 압축-링 밀봉부를 포함하고, 2개의 밀봉 요홈(27, 28)들 사이에서 축(X'X)을 따라 축방향으로 연장되는 추가 베어링(20)의 외측 프레임(20a)과 링(25) 사이에 배열된 오일 필름(oil film)이다. 대안으로, 프레임 상의 중앙에 위치되는 대신에, 스퀴즈 필름은 "플로팅(floating)" 베어링 외부 레이스(도시되지 않음)와 함께 케이싱(34) 상에 직접 장착될 수 있다.
샤프트 모드 교차(crossing) 시에 스퀴즈 필름에 의해 흡수되는 스트레인 에너지의 백분율은 그 뒤에 예를 들어, 적어도 대략 15%인 충격 흡수에 따라 가요성 프레임(24)의 유연성 덕택으로 조절될 수 있다. 따라서, 이러한 구조물에 따라 하기 분배: 전방 베어링에서 15% 내지 25%의 에너지 흡수/ 샤프트 내에서 70% 내지 60%의 에너지 흡수/15%의 에너지 비흡수가 가능하다. 이러한 분배는 기계적 관점에서 상당히 허용될 수 있다.
게다가, 스페이서(spacer, 23)에 의해 구현되는 다운 스트림 베어링(14)에 대한 추가 베어링(20)의 오프셋(offset) 위치를 지칭하는 오프셋 "d"는 반복적으로 조절되어 충격-흡수를 위한 추가 베어링(20)이 샤프트의 변형부 내에 배치된다. 벌크(bulk)를 감소시키기 위한 최단 오프셋과 모드의 충격 흡수를 증가시키기 위한 최장 오프셋 사이에 절충안에 도달된다. 또한, 상기 오프셋의 값은 명백히 샤프트 직경뿐만 아니라 치형부 시스템 및 샤프트의 길이 및 구동 속도의 범위의 함수이다. 오프셋 "d"은 효율을 특히, 샤프트의 편향의 임계 속도(또한, 소위 공진)와 교차 시에 최대 충격 흡수 기능을 제공할 수 있도록 하며 이의 효율을 증가시키는, 스퀴즈 필름을 가장 잘 압축하는 효과를 갖는다. 예시적인 실시 형태에서, 오프셋 "d"은 40 mm로 설정된다.
실제로, 구동 피니언 내로 낮은 토크의 전달에 대응하는 이 속도와 교차 시에, 샤프트는 이의 자체 불균형의 영향 하에서(도 1 참조) 축(X'X)에 대해 궤도 운동(orbital movement)을 겪는다. 가요성 프레임(24) 상에 장착된 충격-흡수를 위한 추가 베어링(20)은 동일한 운동을 따르며, 이에 따라 스퀴즈 필름(26)이 압축되어 동적 충격 흡수 기능이 증대된다.
게다가, 동력 치형부 시스템의 측면에 위치한 베어링의 강성에 따라 엔진 토크가 인가 시에, 또한 풀 동력에서 또는 샤프트의 변형부에 교차 시에 치형부 시스템의 우수한 상호 거동이 보장될 수 있다.
도 4a 및 도 4b의 다이어그램은 각각 본 발명에 따르는 동적 충격 흡수기의 부존재 및 존재 시에 회전 속도(V)(분당 회전; rpm)의 함수로서 표현된 동력 샤프트의 일련의 전방 베어링의 롤링-요소 시스템에 뉴턴 E(N)로 가해진 스트레인을 나타낸다.
특히, 제1 곡선(C1)(도 4a)은 특히 19000　rpm의 임계 속도에서 샤프트의 모달 교차(modal crossing) 동안에 약 4500　N의 공진(P1)의 매우 중요한 피크를 나타낸다. 인가된 스트레인은 상호 계합된 치형부 시스템의 조기 마모 또는 맞물림 해제를 야기할 수 있다.
제2 곡선(C2)(도 4b)은 전술된 유형의 구조물에 의해 구현된 동적 충격 흡수의 덕택으로 24000　rpm의 임계 속도를 샤프트가 교차할 때 스트레인의 주요 피크를 더 이상 나타내지 않는다. 기록된 피크(P2)는 단지 전적으로 허용가능한 상태로 유지되는 값이다.
본 발명은 기재되고 도시된 예시적인 실시 형태에 제한되지 않는다. 예를 들어, 스퀴즈 필름: 엘라스토머 밀봉부, 압축 공기, 자기 베어링, 등 이외에 압축가능한 충격 흡수의 유형을 제공할 수 있다. 게다가, 가요성 링크는 다양한 재료, 가요성 합금 또는 와이어 브레이드(wire braid)의 대체물에 의해 구현될 수 있다. 게다가, 몇몇 추가 베어링이 정확히 조절된 전방 충격 흡수를 생성하기 위한 목적으로 조절된 레이아웃에 따라 제공될 수 있다.

Claims (10)

  1. 동력 샤프트 내에서 충격을 동적으로 흡수하기 위한 조립체에 있어서,
    동력 롤러(12r, 14r)와 함께 업스트림 베어링(12) 및 다운스트림 베어링(14)을 포함하고, 상기 업스트림 및 다운스트림 베어링(12, 14)은 동력 샤프트(10)에 장착되고 속도-감소 메싱의 측면에 위치되며,
    압축가능한 충격 흡수기와 연계되고 상기 동력 샤프트(10)에 장착된 롤링 요소(20r)를 가진 추가 베어링(20)을 포함하고, 상기 추가 베어링(20)은 다운스트림 베어링(14)의 다운스트림에 배치되고, 업스트림 베어링(12)에 대해 축방향으로 오프셋되는 다운스트림 충격 흡수기를 형성하기 위하여 다운스트림 베어링(14)과 결합되고,
    상기 다운스트림 베어링(14)과 추가 베어링(20)사이에 배치되고 공통 케이싱(34)에 장착되는 가요성 프레임(24)을 포함하여 구성되고, 상기 가요성 프레임(24)은 상기 다운스트림 베어링(14)과 추가 베어링(20)을 링크하는 것을 특징으로 하는 충격을 동적으로 흡수하기 위한 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압축가능한 충격 흡수기는 스퀴즈 필름(26)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 충격을 동적으로 흡수하기 위한 조립체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 스퀴즈 필름(26)은 가요성 프레임(24)에 의해 샤프트(10)의 중앙에 위치되는 것을 특징으로 하는 충격을 동적으로 흡수하기 위한 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 추가 베어링(20)의 롤링-요소(20r)는 볼인 것을 특징으로 하는 충격을 동적으로 흡수하기 위한 조립체.
  5. 제3항에 있어서, 추가 베어링(20)의 롤링-요소(20r)는 롤러인 것을 특징으로 하는 충격을 동적으로 흡수하기 위한 조립체.
  6. 제5항에 있어서, 초임계 샤프트에 적용되는 것을 특징으로 하는 충격을 동적으로 흡수하기 위한 조립체.
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