KR102061831B1

KR102061831B1 - 블레이드 구조 시험장치 및 이를 이용한 블레이드 시험방법

Info

Publication number: KR102061831B1
Application number: KR1020180044620A
Authority: KR
Inventors: 김태주
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2018-04-17
Filing date: 2018-04-17
Publication date: 2020-01-02
Anticipated expiration: 2038-04-17
Also published as: US20210025786A1; KR20190121096A; US11402300B2; WO2019203469A1

Abstract

본 발명은, 블레이드의 일단이 장착되는 장착치구; 상기 블레이드의 타단이 결합되는 그립부재 및 상기 그립부재에 일단이 부착되어 상기 블레이드에 지면에 대해 소정의 각도를 갖는 방향으로 인장력을 가하는 와이어(W);를 포함하는 블레이드 구조 시험장치를 제공하며, 또한, 블레이드의 일단을 장착치구에 결합하고 타단은 그립부재에 결합하는 1단계; 상기 블레이드에 부가하고자 하는 원심력과, 플랩 모멘트와, 래그 모멘트의 값를 결정하는 2단계; 상기 2단계에서 결정된 값을 기초로 블레이드에 가할 인장력의 크기와 방향을 결정하는 3단계; 및 상기 그립부재에 와이어의 일단을 부착하고, 상기 3단계에서 결정된 인장력의 크기와 방향으로 상기 블레이드에 와이어로 인장력을 가하는 4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드 시험방법을 제공한다.

Description

블레이드 구조 시험장치 및 이를 이용한 블레이드 시험방법{APPARATUS FOR BLADE STRUCTURE TEST AND TEST METHOD USING THE BLADE STRUCTURE APPARATUS}

본 발명은 회전운동을 통해 양력을 발생시키는 헬리콥터 블레이드나 프로펠러와 같은 회전체 양력 발생 구성품의 구조 시험을 위한 장치이며, 구체적으로는 블레이드의 실제 운용시의 하중/경계조건과 근사한 힘과 모멘트를 부가할 수 있는 구조를 제공하는 구조 시험장치에 관한 것이다.

헬리콥터와 같은 회전익 항공기의 동적구성품을 설계하고 개발하는 경우 구조적인 안전성에 문제가 없는지를 확인하여야 하며, 이를 위해 구조해석이나 시험을 통해 이를 확인하고 있다. 회전익 항공기의 경우, 블레이드가 고속으로 회전하면서 양력을 발생시키는 과정에서, 블레이드에는 원심력과 양력 및 항력의 세가지 힘이 작용하며(도 1의 f1,f2,f3) 동시에 이들 힘에 의해 플랩 모멘트, 리드래그 모멘트 및 뒤틀림 모멘트의 세 가지 모멘트가 발생한다(도 2의 M1,M2,M3). 이 중 원심력과 리드래그 모멘트와 플랩 모멘트와 같은 인장 응력과 굽힘 하중이 구조적인 영향을 가장 크게 미친다. 그러므로, 프로펠러 내지 블레이드를 개발하는 과정에서는 이들 힘과 모멘트를 고려하여 블레이드의 구조적 안전성을 테스트 하기 위한 시험을 수행하여야 한다.

블레이드 구조 성능을 테스트하는 종래기술로는 공개특허 제10-2016-0027529가 있으며 대표적인 모습을 도 3에서 도시하고 있으며, 이러한 종래 대부분의 블레이드 구조 테스트를 위한 장치들에 대한 개념적인 형태는 도 4와 같다.

종래의 블레이드 구조시험 수행 방법을 도 4를 참조하여 개략적으로 보면 다음과 같다.

블레이드 시험 시편(이하, 블레이드)의 일단을 구조시험용 치구의 몸체(10)에 고정하고, 블레이드(B)의 타단에는 하중을 부가하기 위한 유압작동기(20,30)를 장착한다. 유압작동기에서 발생시키는 하중을 시험 시편에 전달하기 위해서 어뎁터를 이용하여 유압작동기와 시편을 연결한다. 유압작동기에서 하중(원심력과 양력)을 발생시켜 시험 시편에 하중을 가하고 시편에 파손이 일어나는지를 확인한다.

그런데, 이러한 종래의 테스트 방법에 따른 문제점을 도 4와 도 5를 비교하여 설명한다. 도 5는 블레이드의 실제 운용환경에서 작용하는 힘을 개념적으로 도시한 그림이다.

-도 5를 보면, 실제 블레이드 운용환경에서는 블레이드에 작용하는 하중은 공기력과 원심력뿐이며(블레이드에는 고정경계조건만이 존재함), 블레이드에 힘이 전달되기 위해 접촉하는 회전경계조건이 없다. 그런데, 도 4와 같은 종래 테스트 방법에서는 유압작동기를 이용하여 부가적인 회전경계조건이 추가된다.

-이로 인해 종래 테스트 방법에서는 실제하중 부가시 발생하는 모멘트를 예측할 수 없으며, 이를 위해서는 스트레인게이지 등 센서를 활용한 모멘트 모니터링 환경을 구축하여 원하는 모멘트가 부가되는지를 확인하면서 시험을 하여야 하는 문제가 있다.

-또한, 종래 테스트 방법에서는 유압작동기 사용을 위해 로드셀을 교정하여야 하고, 부가되는 모멘트를 계산하기 위해 블레이드 시편에 휘스톤 브릿지를 구성하고 교정하여야 하는 등 복잡한 과정이 동반되는 불편함이 있었다.

본 발명은 위 문제를 해결하기 위한 것으로, 블레이드 구성품에 원하는 원심력과 모멘트를 간편하게 부가할 수 있는 방법을 제시하는 것을 목적으로 하며, 또한 블레이드 실제 운용과 동일한 경계조건을 가하며 부가적인 센서의 교정도 필요없는 방법을 제시하여 테스트 작업의 간편화를 도모하면서 동시에 결과의 신뢰성을 높일 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 블레이드 시편의 일단이 장착되는 장착치구; 상기 블레이드 시편의 타단이 결합되는 그립부재 및 상기 그립부재에 일단이 부착되어 상기 블레이드 시편에 지면에 대해 소정의 각도를 갖는 방향으로 인장력을 가하는 와이어;를 포함하는 블레이드 구조 시험장치를 제공한다.

상기 와이어의 타단에는 무게추가 연결되어 있어서, 상기 무게추의 하중으로 상기 블레이드 시편에 인장력을 가하게 된다.

상기 장착치구는 지지대(110);와 상기 지지대의 상단에 결합되고, 상기 블레이드 시편의 일단이 장착되는 어뎁터(125);를 구비하며, 또한 상기 장착치구는 상기 지지대와 상기 어뎁터 사이에 위치하면서, 상기 어뎁터를 블레이드 시편의 길이방향을 축방향으로 하여 회전가능한 회전부재(120);를 더 구비한다.

상기 회전부재를 소정 각도 회전시킴에 따라 상기 와이어 인장력에 의해 상기 블레이드 시편에는 플랩 모멘트와 래그 모멘트가 가해진다.

상기 와이어의 하중 방향을 변경하기 위해 구비되는 도로레(180)를 더 포함하고, 상기 도르레는 상기 블레이드 시편보다 더 높은 곳에 위치하면서 상하 방향 이동이 가능하게 배치된다.

또한, 본 발명은, 블레이드 시편의 일단을 장착치구에 결합하고 타단은 그립부재에 결합하는 1단계; 상기 블레이드 시편에 부가하고자 하는 원심력과, 플랩 모멘트와, 래그 모멘트의 값를 결정하는 2단계; 상기 2단계에서 결정된 값을 기초로 블레이드 시편에 가할 인장력의 크기와 방향을 결정하는 3단계; 및 상기 그립부재에 와이어의 일단을 부착하고, 상기 3단계에서 결정된 인장력의 크기와 방향으로 상기 블레이드 시편에 와이어로 인장력을 가하는 4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드 시편 시험방법을 제공한다.

상기 4단계에서, 상기 와이어의 타단에는 상기 3단계에서 결정된 인장력의 크기에 해당하는 무게추를 연결하여 상기 블레이드 시편에 인장력을 가하는 것이며, 상기 3단계에서 결정된 인장력의 방향으로 상기 와이어를 배치하기 위해 와이어 인장력 방향을 조절할 수 있으며, 상기 와이어의 배치는, 와이어가 도르레에 의해 지지되도록 하면서 도르레의 상하 위치를 조절하여 와이어가 인장력 방향으로 배치되도록 한다.

상기 4단계에서, 상기 3단계에서 결정된 인장력의 방향으로 상기 와이어를 배치하기 위해, 상기 블레이드 시편을 그 길이방향을 축방향으로 하여 회전시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명은 위 문제를 해결하기 위한 것으로, 무게추 만을 이용하여 블레이드의 실제 운용과 동일한 경계조건을 가하는 테스트 환경을 제공하며, 블레이드 작용하는 주요한 원심력과 리드래그 모멘트와 플랩 모멘트를 경계조건 변화 없이 부가할 수 있는 유리한 효과가 발생한다.

도 1과 도 2는 헬리콥터 등 회전체의 블레이드에 작용하는 힘과 모멘트를 도시하고 있으며,
도 3은 종래 기술에 따른 블레이드 구조 시험장치의 모습이며,
도 4는 종래 기술에 따른 블레이드 구조 시험장치에서의 경계조건을 보여주는 그림이며,
도 5는 실제 운용시 블레이드의 경계조건을 보여주는 그림이며,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드 구조 시험장치의 모습이며,
도 7은 도 6에 도시된 블레이드 구조 시험장치의 일부 모습이며,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드 구조 시험장치에서 와이어에 의해 작용하는 인장력의 분력의 모습이며,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드 구조 시험장치에 장착되는 블레이드가 길이방향을 기준으로 회전되는 단면의 모습이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 또한, 사용된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 6과 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드 구조 시험장치의 모습이다.

본 발명에 따른 블레이드 구조 시험장치의 구성을 보면, 먼저 블레이드 시편(또는 '블레이드', B)의 일단이 고정되어 장착되는 장착치구와 상기 블레이드 시편의 타단이 결합되는 그립부재(150)를 갖는다. 상기 장착치구(110,125)는, 지면에 수직하게 배치되는 기둥형상의 지지대(110)와 지지대의 상단에서 블레이드 시편을 직접적으로 결합하는 어뎁터(125)로 이루어진다. 상기 어뎁터(125)는 블레이드의 크기와 형상을 고려하여 교체하여 지지대에 장착할 수 있는 구조로 이루어진다.

본 발명의 상기 장착치구는 상기 지지대(110)와 상기 어뎁터(125) 사이에 위치하는 회전부재(120)를 더 포함할 수 있으며, 상기 회전부재(120)는 회전축(123)을 구비하고 있어서 어뎁터를 블레이드 시편의 길이방향(도 7의 X방향)을 회전축 방향으로 회전시킬 수 있는 부재이다.

도 6과 도 7에서 도시된 바와 같이, 본 발명 설명 편의상 블레이드 시편의 길이방향을 X방향이라 하고, 상기 지지대(110)의 방향을 Z방향이라고 하고 X및 Z방향에 수직한 방향을 Y방향이라고 한다. 상기 어뎁터는 회전부재(120)에 의해 X방향을 기준축으로 하여 회전할 수 있게 되므로, 상기 블레이드 시편(B)은 장착치구에 일단이 고정된 상태에서 회전할 수 있다. 본 발명 설명에서 "블레이드 축방향 회전"이라 함은, 블레이드 시편의 이러한 방향의 회전을 의미한다. 이렇게 블레이드를 X축 방향으로 회전시키는 이유는 시편에 플랩 모멘트와 함께 리드래그 모멘트를 동시에 가하기 위한 것이다(이하, 설명함).

본 발명의 블레이드 구조 시험장치는 또한 블레이드 시편(B)의 타단을 잡는 그립부재(150)와 상기 그립부재에 일단이 부착되어 인장력을 가함으로써 상기 블레이드 시편에 힘을 가하는 와이어(W)를 더 포함한다. 상기 와이어는 블레이드 시편에 힘을 가하되 블레이드 시편에 수평방향에 대해 소정 각도(도 7의 θ)만큼 상향 경사져서 힘을 가하는 것이 좋다. 이를 위해 블레이드 시편 보다 위쪽에서 와이어(W)를 지지하는 도르레(180)를 구비하도록 한다. 상기 도르레는 상하 방향으로 이동이 가능하게 장착함으로써 블레이드 시편에 가해지는 경사각을 조절할 수 있다. 그리고, 상기 와이어의 타단에는 무게추(190)가 연결되어 있어서, 상기 무게추의 하중으로 상기 블레이드 시편에 인장력을 가하게 된다. 와이어의 타단에 무게추를 이용하여 인장력을 가하는 도면이 도시되어 있으나, 반드시 무게추를 이용할 필요는 없고 인장력을 가할 수 있는 수단만 있으면 가능할 것이다. 즉, 도 6의 도면에서 도르레와 무게추를 제거하고 상기 와이어를 일정 각도 경사진 방향으로 인장력을 줄 수 있는 수단을 이용하여 힘을 작용하게 할 수도 있을 것이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드 구조 시험장치에서 와이어에 의해 작용하는 인장력의 분력의 모습이며, 위에서 설명한 '블레이드 축방향 회전'이 일어나지 않은 상태에서의 모습이다.

와이어에 의해 블레이드 시편에 소정각도 상향으로 인장력을 가하게 되면, 와이어 인장력(Fw)는 X축방향의 수평력(F1, 원심력에 해당)과 Z방향의 수직력(F2, 양력에 해당)으로 분리될 수 있다. 여기서 와이어 인장력(Fw)과 수평력(F1)이 이루는 각이 θ가 된다. 그리고, 상기 수평력(F1)에 의해 플랩 모멘트가 발생하게 된다.

이를 통해, 시편에 부가하고자 하는 원심력과 플랩 모멘트가 결정되면(리드래그 모멘트는 없는 경우), 와이어에 작용시켜야 하는 인장력의 합력의 크기와 방향을 결정할 수 있게 된다. 즉, 원심력에 의해 수평력(F1)이 결정되고, 플랩 모멘트에 의해 수직력(F2)를 결정할 수 있게 된다. 또한, 수평력과 수직력의 합력에 의해 와이어 인장력(Fw)의 크기와 방향이 결정되는 것이다. 이런 원리를 이용하여 와이어에 인장력을 가해서 시편 시험을 할 수 있게 되는 것이다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드 구조 시험장치에 장착되는 블레이드가 길이방향을 기준으로 회전하는(블레이드 축방향 회전) 단면의 모습이다. 도 9의 단면은 블레이드 시편을 좌측에서 바라본 즉, X축에 수직한 단면의 모습이다. 도 9의 (b), (c)에서의 30도, 45 등은 블레이드 축방향 회전의 예시적인 회전각도를 의미한다. 즉, 시험장치의 회전부재(120)를 회전시켜서 블레이드 축방향 회전이 일어나고, 이 상태에서 와이어에 인장력을 가하는 시험이다. 이때는 블레이드 시편에 원심력과 플랩 모멘트 뿐 아니라 리드래그 모멘트까지 부여할 수 있다.

즉, 와이어 인장력(Fw)의 수직방향 분력인 수직력(F2)이 블레이드 상면에서 '블레이드 축방향 회전'만큼 경사진 상태로 작용하기 때문에, 상기 수직력(F2)은 플랩 모멘트를 발생시키는 제1분력(F3)과 리드래그 모멘트를 발생시키는 제2분력(F4)으로 나누어질 수 있다.

그러므로, 블레이드 시편에 가하고자 하는 원심력과 플랩 모멘트가 결정되면, 그에 필요한 X,Y,Z방향의 분력이 각각 결정된다. 본 시험장치에서는 외팔보 경계조건이므로 힘과 모멘트 암 두 가지만으로 모멘트 크기가 결정된다. 그리고, 결정된 X,Y,Z방향의 분력을 벡터 합 연산을 통해 하나의 합력을 구할 수 있고 이 합력이 와이어에 작용시키야 하는 인장력(Fw)이 되므로, 와이어의 방향과 인장력의 크기가 결정 된다. 그리고, 와이어에 결정된 인장력을 부가하기 위하여 도르레의 상하 이동과 적절한 무게의 무게추를 선택하면 된다.

본 발명에서는 원심력과 플랩 모멘트 및 리드래그 모멘트는 모두 물리학적인 방법으로 계산되는 하중이므로, 블레이드에 부가되는 하중을 추가로 검증할 필요가 없게 된다. 즉, 종래 기술에서는 모멘트 확인을 위해 휘스톤 브릿지를 이용하고 또한 보정을 하는 과정을 거치게 되는데, 본 발명에서는 이러한 과정이 불필요하게 되는 유리한 점이 있다.

이하는 본 발명에 따른 블레이드 시편 시험장치를 이용하여 시험 시험을 하는 방법에 대해 설명한다.

먼저, 블레이드 시편의 일단을 장착치구에 결합하고 타단은 그립부재에 결합하는 1단계와, 상기 블레이드 시편에 부가하고자 하는 원심력과, 플랩 모멘트와, 래그 모멘트의 값를 결정하는 2단계와, 상기 2단계에서 결정된 값을 기초로 블레이드 시편에 가할 인장력의 크기와 방향을 결정하는 3단계와 및 상기 그립부재에 와이어의 일단을 부착하고, 상기 3단계에서 결정된 인장력의 크기와 방향으로 상기 블레이드 시편에 와이어로 인장력을 가하는 4단계 과정을 통해 블레이드 시편 시험을 실시하게 된다.

상기 4단계에서, 상기 와이어의 타단에는 상기 3단계에서 결정된 인장력의 크기에 해당하는 무게추를 연결하여 상기 블레이드 시편에 인장력을 가하거나 기타 다른 방법을 통해 와이어를 견인하도록 할 수도 있다. 또한, 3단계에서 결정된 인장력의 방향으로 상기 와이어를 배치하기 위해 와이어 인장력 방향을 조절할 수 있으며, 그 하나의 예로서 와이어가 도르레에 의해 지지되도록 하면서 도르레의 상하 위치를 조절하여 와이어가 인장력 방향으로 배치되도록 할 수 있다.

본 발명은 중력이 직접적인 접촉 없이 작용하는 것을 고려하여 여러 개의 무게추를 활용하여 와이어를 통해 블레이드에 힘을 가하는 원리를 고려한 것이며, 무게 추를 활용하여 블레이드에 작용하는 6분력(원심력, 양력, 항력, 플랩 모멘트, 리드래그 모멘트, 뒤틀림 모멘트) 중 가장 주요한 3가지 하중인 원심력과 리드래그 모멘트와 플랩 모멘트를 부여하되, 실제 블레이드 운용환경과 비교하여 경계조건이 변화하지 않도록 부가할 수 있는 이점이 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims

블레이드의 일단이 장착되는 장착치구(110,125); 상기 블레이드의 타단이 결합되는 그립부재(150); 및 상기 그립부재에 일단이 부착되어 인장력을 가하는 와이어; 상기 와이어의 타단에 구비되는 무게추; 상기 와이어의 하중 방향을 변경하기 위해 구비되는 도르레(180);를 포함하고,
상기 장착치구는,
지지대; 상기 지지대의 상단에 결합되고, 상기 블레이드의 일단이 장착되는 어뎁터(125); 및 상기 지지대와 상기 어뎁터 사이에 위치하면서, 상기 어뎁터를 블레이드의 길이방향(X방향)을 기준으로 회전가능한 회전부재(120);를 구비하고,
상기 와이어는 상기 블레이드의 길이방향(X방향)에 대해 소정의 각도를 갖는 방향으로 인장력을 가하며,
상기 회전부재가 소정 각도 회전함에 따라 상기 와이어 인장력에 의해 상기 블레이드에는 플랩 모멘트와 래그 모멘트가 가해지고, 상기 블레이드에는 길이방향으로 인장력이 가해지고,
상기 도르레는 상기 블레이드보다 더 높은 곳에 위치하면서 상하 방향 이동이 가능하게 구비되는 것을 특징으로 하는 블레이드 구조 시험장치.
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제1항의 블레이드 구조 시험장치를 이용한 시험방법으로서,
블레이드의 일단을 장착치구에 결합하고 타단은 그립부재에 결합하는 1단계;
상기 블레이드에 부가하고자 하는 원심력과, 플랩 모멘트와, 래그 모멘트의 값를 결정하는 2단계;
상기 2단계에서 결정된 값을 기초로 블레이드에 가할 인장력의 크기와 방향을 결정하는 3단계; 및
상기 그립부재에 와이어의 일단을 부착하고, 상기 3단계에서 결정된 인장력의 크기와 방향으로 상기 블레이드에 와이어로 인장력을 가하는 4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드 시험방법.
제7항에 있어서,
상기 4단계에서, 상기 와이어의 타단에는 상기 3단계에서 결정된 인장력의 크기에 해당하는 무게추를 연결하여 상기 블레이드에 인장력을 가하는 것을 특징으로 하는 블레이드 시험방법.
제8항에 있어서,
상기 4단계에서, 상기 3단계에서 결정된 인장력의 방향으로 상기 와이어를 배치하기 위해 와이어 인장력 방향을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드 시험방법.
제9항에 있어서,
상기 와이어의 배치는, 와이어가 도르레에 의해 지지되도록 하면서 도르레의 상하 위치를 조절하여 와이어가 인장력 방향으로 배치되도록 하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 블레이드 시험방법.
제9항에 있어서,
상기 4단계에서, 상기 3단계에서 결정된 인장력의 방향으로 상기 와이어를 배치하기 위해, 상기 블레이드을 그 길이방향을 축방향으로 하여 회전시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드 시험방법.