KR20090003167A - 유체 정역학적으로 구동되는 변속 헬리콥터 테일 로터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적어도 3개의 고정-피치로 구성된 로터(r)를 직접적으로 구동시키는 고정-변위 유압식 모터(n), 비-관절식 블레이드(b), 헬리콥터의 메인 로터 샤프트(m)에 의해 구동되는 가변-변위 유압식 유체 펌프(p), 컨트롤 페달(f)에 연결된 유압식 유체 펌프의 변위를 가변시키기 위한 장치 및 펌퍼(p)와 모터(n) 사이의 유압식 연결 파이프(c)를 포함하는 단일-로터 헬리콥터 및 각각의 유체정역학적 트랜스미션 시스템용 테일 로터에 관한 것이다.

Description

유체 정역학적으로 구동되는 변속 헬리콥터 테일 로터{VARIABLE SPEED HELICOPTER TAIL ROTOR HYDROSTATICALLY DRIVEN}

본 발명은 단일의 메인 로터 헬리콥터에서 이용되도록 설계된 헬리콥터 테일 로터 및 이의 구동 시스템에 관한 것이다.

한편, 로터는 메인 헬리콥터 로터에 의해 발생된 반응 토크에 대해 반작용을 하며, 이에 따라 헬리콥터는 메인 로터의 수직축 주위에서 상승되고 추진되며, 다른 한편 테일 로터로 인해 수직 축 주위에서(헤딩) 항공기의 각 위치가 결정되고 조절된다.

이를 위해 오직 하나의 메인 로터가 장착된 헬리콥터는 이동 방향과 상반된 방향으로 연장된 테일 붐으로 불리는 구조적 부품을 가지며, 이의 단부에는 "테일 로터"로 불리는 로터가 형성되고, 로터의 회전 축은 테일 붐의 종방향 축에 의해 그리고 메인 로터 샤프트의 수직 축에 의해 형성된 평면에 수직하게 형성된다. 테일 로터는 적절한 관절식 조인트에 의해 중앙 허브로 연결된 상승을 위한 공기역학적 형태인 2개 또는 이보다 많은 블레이드로 구성된다. 이는 테일 붐보다 길지 않 을 정도의 길이를 가지기 때문에 "롱 샤프트(long shaft)"로 불리는 구동샤프트에 의해 메인 로터에 따라 동력이 공급되는 90° 베벨 기어박스에 의해 회전한다.

메인 로터의 회전축에 대해 편심 구조에 따라 대략 일정한 속도로 회전하는 테일 로터에 의해 형성된 공기역학적 스러스트(aerodynamic thrust)는 상반된 토크를 발생시키며, 상기 토크의 강도는, 파일럿이 메인 로터 축 주위에서 항공기의 트림을 조절할 수 있는 쌍을 이루는 링크고정된 페달에 연결된, 레버 및 로드의 시스템 또는 유사 장치를 통해 변형되는 관절식 블레이드의 기하학적 피치에 의존된다.

상기 기술된 로터 및 구동 시스템의 타입을 이용하는 현 단일-로터 헬리콥터에 있어서, "롱 샤프트"와 테일 로터가 장착된 테일 붐의 기하학적 위치는 붐과 메인 로터 블레이드 사이의 최소한의 자유 공간에 의해 조절된다. 따라서 테일 로터 구동 축의 위치는 메인 로터의 평면상에 위치된 이상적인 위치보다 상당히 낮은 것으로 입증되었으며, 이에 따라 동역학적 현상이 저해된다.

상기 언급된 헬리콥터에서, 테일 로터의 블레이드가 일정한 속도로 회전하는 것으로 알려진 메인 로터의 구동샤프트에 연결된 고정-비 기계 장치에 의해 구동되기 때문에 이러한 블레이드는 일정 속도로 회전한다. 이러한 상태는 토크에 대해 작용할 필요가 없을 때 심지어 엔진이 중지된 비행 상태, 0의 블레이드 피치를 가진 테일 로터가 동일한 속도로 스핀회전을 유지할 때를 의미하며, 이에 따라 구동 샤프트와 테일 로터 상의 마찰로 인해 에너지가 불필요하게 소모되고, 비-동력 오도로테이션 시 메인 로터의 에너지가 손실된다.

상기 언급된 헬리콥터에서 유발된 추가 문제점은 "롱 샤프트" 축이 메인 로 터 축에 대해 수직하게 형성되고 엔진이 샤프트 축과 수평 방향으로 배열될 때 엔진과 구동 시스템을 배치시키는 상태에서 메인 로터 상에 제 2 베벨 기어박스가 요구되는 데 있다. 그러나 엔진이 축과 수직하게 배열된다면 제 2 베벨 기어박스는 "롱 샤프트"의 전방 단부에 장착되어야 한다.

이러한 모든 경우 상당한 기술적 및 설계적 복잡함이 야기되며, 뿐만 아니라 트랜스미션 시스템의 전체 중량이 증가된다.

NOTAR로 불리는 그 외의 다른 안티-토크 시스템이 제공되며, 이 내에서 메인 로터에 의해 유발된 토크는 선호되는 공기역학적 효과를 형성하기 위해 적절한 윈도우를 이용하여 터빈에 의해 형성된 공기 도는 가스 제트에 의해 상쇄되고 테일 붐을 따라 이동된다.

이러한 시스템의 개선점에 따라 오직 터빈-구동식 헬리콥터에서만 이용되는 상당한 구조적 문제점이 발생된다.

본 명세서에 기술된 본 발명의 기본적인 목적은 이용하기에 효율적이고 안정적이며, 용이하고 높은 유연성을 가진 테일 로터와 각각의 구동 시스템을 제공함으로써 단일-로터 헬리콥터에 따른 상기 언급된 문제점을 극복하는 데 있다.

본 발명의 제 2 목적은 블레이드의 피치보다 속도를 가변시킴으로써 로터의 스러스트를 조절할 수 있는 테일 로터 및 트랜스미션 시스템을 제공하는 데 있으며, 이에 따라 엔진이 중지 시 비행 상태에서 기계적인 마찰이 제한된다.

본 발명의 제 3 목적은 "롱 샤프트"를 제거하는 데 있으며, 이에 따라 유해한 진동원이 제거되고, 샤프트가 제공되어야 하는 제한사항으로부터 트랜스미션의 형상이 자유로워진다.

본 발명의 제 4 목적은 조종석으로부터 로터 블레이트 피치, 테일 로터 및 테일 붐을 변형시키기 위해 필요한 모든 컨트롤 및 장치를 제거하는 데 있으며, 이에 따라 테일 붐은 이동 부분(moving part)로부터 제거된다.

본 발명의 제 5 목적은 테일 로터를 구동하기 위해 필요한 베벨 기어박스를 제거하는 데 있으며, 이에 따라 설계가 용이해지고 마모가 작아지며 내구성이 개선된다.

본 발명의 제 6 목적은 엔진 동력이 중지된 비행 상태 하에서 항공기의 방향을 테일 로터에 의해 조절하는 데 있다.

본 발명의 그 외의 다른 목적은 테일 로터에 대해 독립적으로 엔진의 기하학적 위치를 형성하는 데 있으며, 이에 따라 엔진은 메인 로터 샤프트를 구동시키기 위해 베벨 기어박스 없이 모터 샤프트와 수직 방향으로 장착될 수 있다.

하기에서 상세히 언급된 상기 및 그 외의 다른 목적은 단일-로터 헬리콥터(single-rotor helicopter)용 테일 로터 및 트랜스미션 시스템에 의해 구현되며, 상기 헬리콥터는 3개 또는 이보다 많은 고정된 비-관절식 블레이드를 포함한 로터, 상기 고정-블레이트 로터를 직접적으로 구동하는 유압식 모터, 고정-변위 축방향 실린더, 축방향 실린더를 포함하는 가변-변위 유압식 유체 펌프, 페달로 연결된 펌프의 변위를 조절하기 위한 메커니즘 및 펌프로부터 모터로 유압식 유체 연결하기 위한 파이프를 포함한다.

본 발명의 추가 특징 및 장점은 첨부된 도면에 따른 하기 기술 내용으로부터 보다 명확해진다.

도 1은 단일-로터 헬리콥터로 제공된 테일 로터 및 트랜스미션 시스템의 실시예를 도시하는 도면.

도 1은 최소 3개의 고정-피치 블레이드(fixed-pitch blade)를 가진 테일 로터(tail rotor, r)를 도시한다. 로터(r)는 테일 붐(t)의 단부에 장착된 유압식 모터, 축방향 실린더(피스톤), 규격 고정-변위의 샤프트로 스플라인되고(spline), 강성의 또는 유연한 인풋 및 아웃풋 파이프에 의해 표준 가변-변위, 축방향 실린더(피스톤), 유압식 실린더로 연결되고, 상기 샤프트는 통상의 트랜스미션 메커니즘을 이용하여 메인 로터의 샤프트(m)에 의해 구동된다.

펌프(p)의 역류(backflow)와 변위(displacement)를 조절하는 컨트롤 레버(h)는 로드(d)와 레버(l)를 통해 조종석(cabin)에 위치된 페달(f)로 연결된다. 컨트롤 레버(h)가 메인 로터 회전의 동일한 방향으로 페달을 작동시킴으로써 최대 펌프 변위에 해당하는 위치로 이동된다면, 테일 로터 모터에 대한 유체의 유동 속도는 최대에 도달되고, 로터(r)는 최대 속도로 스핀 회전하며, 메인 로터의 토크에 대한 작용에 상반되도록 최대 스러스트(maximum thrust)가 형성된다. 페달이 중간 위치에 있음에 따라, 펌프의 유동 비율은 0으로 떨어지며, 로터(r)는 움직이지 않고, 이러한 상태는 비행 중 오토로테이션(autorotation) 시 동력이 소진될 때 파일럿에 의해 유발될 수 있다.

페달이 중간 위치를 초과하여 이동된다면, 로터는 역회전되고, 이에 따라 스러스트가 역으로 형성되어 메인 로터의 수직 축 주위에서 비행선의 충분하고(ample) 전체적인 제어(total control)가 가능하다.

페달(f)은 통상적인 방식으로 배열되며, 펌프(p)의 변위를 변경시키는 레버에 링크연결된 2개의 페달은 일반적으로 페달을 통합적 컨트롤(collective control)에 연결시켜 전형적인 테일 로터 내의 관절형 블레이드(articulated blade)의 피치를 증가시키도록 사용되는 것과 같은 동일한 구성 요건을 제공한다.

설계 단계에서, 펌프(p)의 최대 변위와 유압식 모터(n)의 변위 사이의 비율을 조절함으로써 테일 로터와 메인 로터 사이의 트랜스미션 비율을 가변시킬 수 있으며, 이에 따라 본 발명은 보다 폭넓은 분야에서 이용될 수 있다.

유압식 유체 서킷(hydraulic fluid circuit)은 유체정역학적 타입이며, 드레인 파이프(i), 오일 탱크(k), 오일 필터(o), 라디에이터(e) 및 펌프(p)가 일반적으로 장착되는 로딩 펌프(loading pump, p)를 포함한다.

다양한 변형물과 개조물이 설계에 있어서 적용될 수 있으며, 이에 따라 본 발명의 일부분으로 구성된다. 게다가 모든 세부 사항이 그 외의 다른 기술적인 균등물에 의해 대체될 수 있다.

특히 부품의 크기와 개수뿐만 아니라 사용된 재료도 필요 시 가변될 수 있다.

Claims (6)

1. 단일의 메인-로터 헬리콥터 및 각각의 구동 시스템용 테일 로터에 있어서, 상기 테일 로터는

   -고정-피치, 비-관절식 블레이드(b)로 구성된 로터(r),

   -고정-변위의 축방향 실린더, 로터(r)를 직접적으로 구동시키는 유압식 모터,

   -헬리콥터의 메인 로터 샤프트(m)에 의해 구동되는 유압식 펌프(p), 가변-변위의 축방향 실린더,

   -조종석에 위치된 컨트롤 페달(f)로 연결된 펌프(p)의 변위를 가변시키는 컨트롤 레버(h) 및

   -펌프(p)를 모터(n)로 연결하는 유압식 파이프(c)를 포함하고, 상기 시스템은 드레인 파이프(i), 오일 탱크(k), 오일 필터(o), 라디에이터(e) 및 로딩 펌프(g)가 장착되는 것을 특징으로 하는 단일의 메인-로터 헬리콥터 및 각각의 구동 시스템용 테일 로터.
2. 제 1 항에 있어서, 로터(r)는 3개 이상의 고정-피치 블레이드(b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일의 메인-로터 헬리콥터 및 각각의 구동 시스템용 테일 로터.
3. 제 1 항 및 제 2 항에 있어서, 스러스트의 크기는 유압식 모터(n)를 통해 유체의 유속을 가변시킴으로써 가변될 수 있으며, 이에 따라 로터(r)의 회전 속도가 가변되는 것을 특징으로 하는 단일의 메인-로터 헬리콥터 및 각각의 구동 시스템용 테일 로터.
4. 제 1 항 및 제 2 항에 있어서, 스러스트의 방향은 유압식 모터(n)를 통해 유체의 흐름을 역으로 형성함으로써 가변될 수 있으며, 이에 따라 로터의 회전 방향이 역으로 형성되는(reverse) 것을 특징으로 하는 단일의 메인-로터 헬리콥터 및 각각의 구동 시스템용 테일 로터.
5. 제 1 항 및 제 2 항에 있어서, 로터(r)의 회전 속도는 메인 로터로 가해진 엔진 토크가 감소됨에 따라 낮아지고, 동력 손실 및 오토로테이션 시 0으로 떨어지는 것을 특징으로 하는 단일의 메인-로터 헬리콥터 및 각각의 구동 시스템용 테일 로터.
6. 제 1 항 및 제 2 항에 있어서, 비행 상태는 엔진 고장에 따른 동력 손실을 포함하고, 펌프(p)는 오토로테이션 시 메인 로터에 의해 구동되며, 유도 컨트롤(guidance control)은 작동 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 단일의 메인-로터 헬리콥터 및 각각의 구동 시스템용 테일 로터.

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