KR20100002119A - 블레이드의 항력 운동을 감소시키기 위한 블레이드 및 항력 운동을 감소시키는 방법 - Google Patents

블레이드의 항력 운동을 감소시키기 위한 블레이드 및 항력 운동을 감소시키는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 블레이드(10)의 루트부(11)로부터 블레이드(10)의 자유 단부(12)까지 종방향으로 연장된 블레이드(10)에 관한 것으로서, 상기 블레이브(10)는 상기 블레이드(10)의 항력 운동(F1, F2)을 감소시키기 위하여 블레이드에 결합된 공명기(13)를 가지며, 상기 공명기(13)는 강성이며 이동가능한 중량 요소(30)를 가지고 구비되며, 상기 중량 요소(30)와 상기 블레이드(10)에 고정되어 있는 탄성 지지 수단(20)을 가진다. 또한, 상기 공명기(13)는 안내 수단(40)을 포함하고, 상기 중량 요소(30)가 종방향으로 진동(F1', F2')할 수 있고, 상기 안내 수단(40)은 블레이드의 종방향(D1)으로 배열되어 있다.

Description

블레이드의 항력 운동을 감소시키기 위한 블레이드 및 항력 운동을 감소시키는 방법{A Blade for Reducing the Drag Movements of Said Blade, and A Method of Reducing Such a Drag Movement}
본 발명은 블레이드의 항력 운동을 감소시키기 위한 공명기가 결합된 블레이드에 관한 것이며, 또한 이러한 블레이드로 실시하는 항력 운동을 감소시키기 위한방법에 관한 것이며, 특히 회전익 항공기, 특히 헬리콥터의 주양력 회전익 및 추진 회전익을 위한 블레이드에 관한 것이다.
본 발명의 기술 분야는 블레이드의 양력 운동을 완화하기 위한 수단에 관한 것이다.
일반적으로, 회전익 항공기의 회전익은 파워 트랜시미션 기어 박스로부터 구동축이라 불리는 출력축에 의하여 회전축에 대하여 회전구동되는 허브와, 각 블레이드에 전용인 적층형 구면 트러스트 베어링을 거쳐 허브에 적어도 두 개의 블레이드가 적절한 힌지에 의해 적어도 두 개의 블레이드가 댐퍼와 함께 고정되고, 서로 상호 연결되어 있는 두 개의 인접한 블레이드 또는 각각의 블레이드는 허브에 연결하는 댐퍼에 연결된다.
각각의 블레이드가 구부러지는 것이 억지되도록 허브에 결합되는 것을 상정하여, 회전익은 강성 회전익으로 구성되어 있다. 비행시, 블레이드를 따르는 동력학적 힘의 분포는 플랩핑(flapping) 및 항력 운동시 굽힘 모멘트에서 굽힘 모멘트의 분포를 주게 되고, 굽힘 모멤트는 회전익의 반경에 비례하는 회전 속도가 증가하기 때문에 블레이드의 루트부에 매우 큰값이 되게 된다.
또한, 병진 비행을 할 때, 소위 "전진" 블레이드는 하기에 상술한 바와 같이, 이들의 공기 속도가 차이가 있기 때문에 소위 "퇴각" 블레이드의 양력보다 더 큰 양력을 발생시킨다.
따라서, 블레이드 상에 작용하는 동력학적인 합성력은 각각의 방위각 위치에서 같은 값을 가지지 않을 뿐만 아니라 합성력의 적용이 같은 점에서 일어나지 않고, 블레이드의 루트부의 억제된 굽힘 모멘트는 높으며 변화하고, 이에 따라 재료에 치명적인 피로 현상을 주게 되는 교호 스트레스가 증가하게 된다. 또한, 모든 블레이드의 동력학적인 합성력이 회전익의 축을 따라 더 이상 향하지 않으며, 이에 따라 롤(Roll)이동을 하게 되고, 이는 속도를 증가시키며 병진 비행을 할 때, 힘의 균형을 잡기 곤란하게 된다.
이러한 결점을 해결하기 위하여, 임의의 방향으로 힘을 전달할 수 있는 수직 플랩핑을 위한 힌지에 대응하는 수직 플랩핑이라 불리우는 구동축에 수직인 각각의 축에 관하여 회전익을 블레이드에 어떤 경우하에서라도 힘을 전달할 수 없도록 힌 지 고정하는 것이 공지되어 있다. 따라서, 블레이드가 허브에 대하여 플랩되도록 힌지 결합되면, 그 굽힘 모멘트는 부착되는 점에서 플랩핑에서의 굽힘 모멘트는 제로가 된다. 블레이드가 균형을 잡게 하려면, 원심력은 일정량 이동한 후에 블레이드를 제자리에 지지해야 하고, 이에 의해 원추각 a0를 생성한다.
이러한 상태하에서, 병진 비행할 때, 첫째로, 더 이상의 주 롤 모멘트가 없고, 둘째로 회전하는 회전익은 더 이상 평면을 그리지 않으며 오히려 그들의 외측 단부는 매우 편평한 원추형을 그린다. 실제로, 플랩핑축은 더 이상 회전축상에 놓이지 않으나 편심이라 불리는 거리 a 만큼 편위된다.
헬리콥터가 여러 가지 구조의 양력을 가지도록 제공되기 위해서는 회전익의 양력을 변경하도록 제어할 필요가 있다. 피치 힌지는 대응하는 블레이드의 스팬과 실제적으로 평행한 축이다. 이러한 새로운 자유도는 블레이드의 양력이 일반적인 피치 콘트롤의 작용에 의해 제어되고, 또한 피치를 주기적으로 되게 할 수 있으며, 이에 의해 기하학적축의 원추가 구동축과 더 이상 일치하지 않도록 묘사되도록 블레이드의 회전 평면이 제어될 수 있으며, 허브에 적용된 합성력은 회전익의 평면과 같은 방향으로 변경된다.
상기한 바와 같이, 블레이드의 회전 평면은 구동축에 수직인 평면과 다를 수도 있다. 이러한 조건하에서, 각각의 블레이드의 단부가 회전익 축으로부터 가변 거리에 있기 때문에 각각의 블레이드는 항력으로 선회되도록 힌지 결합될 필요가 있다. 다르게는, 관성력은 나타날 필요가 있으며, 이에 의해 각각의 블레이드 상 에 자체 평면 내에 반복적인 굽힘 모멘트가 생성된다. 이러한 항력 힌지는 회전익 축에 실제적으로 평행한 항력축에 대하여 선회하도록 하며, 따라서 항력에 실제적으로 수직이다. 이러한 블레이드가 구동축에 의해 구동되게 하기 위하여, 항력과 관성력에 의해 운동이 균형되도록 원심력에 의해 운동을 위한 회전익축으로부터 충분히 멀리 항력 힌지가 필요하고, 이 때문에 항력축이 편위되는 양 e 만큼 편위될 필요가 있고, 너무나도 큰 소위 "항력" 각도 δ 없이 달성될 수 있다.
따라서, 회전익 항공기, 특히 헬리콥터에서 힌지 고정된 회전익의 블레이드는 아래의 4가지 종류의 운동을 받게 된다.
i) 회전익축에 대한 회전
ii) 수직 플랩핑 힌지에 의해 이루어질 수 있는 수직 플랩핑의 축에 대한 선회
iii) 수평 플랩핑 힌지 또는 항력 힌지에 의해 이루어질 수 있는 수평 플랩핑 축이라 알려진 항력축에 대한 선회
iv) 피치 힌지(힌지 고정된 회전익과 특정하지 않은)에 의해 이루어질 수 있는 블레이드의 피치축에 대한 선회
예를 들면, 상기한 3개의 선회운동 ii, iii 및 iv에 대한 FR 2 497 073 특허는 적층형 구면 트러스트 베어링과 같은 단일 부재로 이루어질 수 있는 장치가 개시되어 있다.
그럼에도 불구하고, 항력축에 대하여 각각의 블레이드의 진동은 항공기 몸체의 이동과 탄성 변형 모드일 때, 특히 랜딩 기어로 지면에 내려앉을 때, 불안정한 방법으로 결합될 수 있으며, 이는 소위 "지면 공명"현상의 원초가 되며, 이는 블레이드가 그들의 항력축에 대하여 진동하는 공명 주파수가 회전익 항공기의 기준 자체에 대하여 나타나는 주파수와 회전익 항공기의 진동 주파수의 공명 주파수 중의 하나와 근접하게 되면 위험하다.
FR 791 701은 블레이드의 진동을 감쇠하는 데 기여하여 진동을 완화하기 위한 관성 공명기가 부착되어 있는 회전익 블레이드가 개시되어 있다.
상기 관성 공명기는 블레이드의 종축에 대하여 가역 운동을 수행할 수 있는 하나 이상의 중량 요소를 구비한다.
그 후, "상자"를 블레이드의 리브에 부착한다. 블레이드의 리브는 종축을 따라 연장되어 있기 때문에 상자는 상기 리브를 가로질러 배열된다.
적어도 하나의 중량 요소가 상기 상자 내에 위치되기 때문에 상자는 상자가 횡단 방향으로 이동할 때, 안내 수단으로서의 역할을 한다.
FR 791 701에 따르면, 상기 문제점을 해결하기 위하여 중량 요소가 가로 방향으로 이동된다는 것을 알 수 있다.
FR 791 701는 블레이드가 항력 운동을 한다면 블레이드가 이동하는 방향과 반대방향으로 중량 요소가 이동되고 이에 의해 블레이드의 운동을 완화시키는데 기여하고 중량 요소의 이동은 그 관성에 의해 블레이드의 이동에 관하여 느려진다.
마찬가지로, 풍력 터빈 블레이드 분야가 본 발명과 동떨어져 있을지라도 지면 공명 현상은 DE 10 202 995 및 EP 0 79 414호에서는 나타나지 있지는 않으나 이들 문서에서는 블레이드의 종방향에 수직인 방향으로 중량 요소가 횡단 변위하는 관성 공명기의 사용을 개시하며, 상기 종방향은 블레이드의 루트부와 그 단부를 거쳐 통과하고 블레이드의 피치 변화에 대한 축에 실제적으로 평행하거나 상기 피치 변경 축과 실제로 일치한다.
끝으로, 같은 선상에서, EP 1 101 034는 풍력 터빈 블레이드가 액체가 진동 방향으로 이동하는 O자 형상의 공동 내에 제공되며 이에 따라 블레이드에 대하여 횡단방향으로 제공된다.
이들이 효과적일지라도, 이들 여러 가지의 공명기는 중량 요소를 구비하여야 하기 때문에 댐핑이 제한적이며, 따라서, 이들은 완전한 만족을 주지 못한다.
따라서, 회전익 항공기 제작 업체들은 일반적으로 다른 해결책을 사용하였다. 이러한 제작 업체들은 상기한 "지면 공명" 현상을 해결하기 위하여, 건식 또는 점성 형식의 댐퍼를 가지는 공명기에 의해 항력축 댐핑을 도입하거나, 본 출원인에 의해 제작된 앨루트(Alouette) 헬리콥터에서와 같이, 선택적으로 댐퍼와 결합할 수 있는 블레이드-스페이싱 케이블의 조력으로 강도를 보강하는 해결책이 도입되었다.
블레이드-스페이싱 케이블의 기능과 유사한 기능은 탄성 인터 블레이드 연결에 의해 제공되었다. 사실상, 한쌍의 인접한 블레이드들 사이에 댐퍼를 위치시키는 결과는 각 댐퍼를 두 개의 인접한 각 블레이드에 상기 댐퍼를 결합하는 것은 회전익의 중심으로부터 같은 거리, 즉 상기 회전익 중심으로부터 동일한 반경상에 있다.
이러한 인터 블레이드 항력 댐퍼는 공명 현상, 특히 지면 공명과 특히 헬리 콥터에서 나타날 수 있는 구동 시스템 공명에 대항하는 댐핑과 결정된 강도에 의해 탄성 지지 수단을 포함해야 한다.
특허 FR 2 630 701 및 US 4 915 585에는 각 블레이드는 두 개의 이격되고 대향하는 타인(tine)을 각각 구비하는 포크 형태의 단부를 가진 슬리브에 의해 허브에 고정되고, 두 개의 각각의 볼죠인트를 거쳐 두 개의 인접한 블레이드에 결합되어 있는 인터 블레이드 항력 댐퍼를 가진 회전익에 대하여 개시되어 있다.
인터 블레이드 항력 댐퍼 장치는 효과적이지만 결점을 가지고 있다.
첫째로, 각각의 인터 블레이드 댐퍼의 무게는 6 내지 11 킬로그램이며, 이는 무시하지 못할 정도이다.
둘째로, 회전익의 허브는 인터 블레이드 댐퍼를 수용할수 있도록 치수결정되어야 하는 데 이는 허브의 무게를 증가시킨다.
끝으로, 인터 블레이드 댐퍼는 블레이드의 부분적인 동적인 운동의 효과하에서 대부분의 시간 동안 작용하게 되는 데 이는 회전익의 항력을 증가시킨다.
본 발명의 특별한 목적은, 특히 "지면 공명" 현상의 출현을 회피하기 위하여 블레이드의 항력 운동을 완화시킬 수 있는 공명기를 구비한 회전익 항공기의 양력 블레이드를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따라서, 블레이드의 루트부로부터 블레이드의 자유 단부까지 종방향으로 연장된 블레이드는 공명기가 결합되어 제공, 즉 회전익 항공기의 회전익의 매스트와 같은 회전축에 대하여 블레이드가 회전할 때, 상기 블레이드의 항력 운동을 감소시키기 위한 목적으로 공명기가 블레이드에 결합된다. 그러므로, 공명기는 상기 중량 요소 및 상기 블레이드에 고정된 탄성 지지 수단과 결합되어 있는 강성이고 이동가능한 중량 요소를 구비한다.
블레이드, 즉 회전익 항공기의 블레이드는 상기 공명기가 안내수단을 포함한다는 것과, 중량 요소가 종방향으로 진동할 수 있으며 안내 수단은 종방향으로 배열되어 있다는 것을 주목해야 한다.
종방향을 따라 상기 중량 요소는 블레이드의 피치 변경축에 실제적으로 평행하게 이동 또는 상기 피치 변경축과 일치하게 자유롭게 이동된다. 따라서, 종방향은 블레이드의 전길이를 따라 연장된다.
현존하는 편견과는 반대로, 본 발명은 상기 강성의 중량 요소가 블레이드의 종방향으로 자유롭게 이동하고 블레이드의 피치 변경축에 수직인 횡단방향으로 이동하지 못하게 한 상태에서 블레이드 내에 강성의 중량 요소를 배열한다.
놀랍게도, 블레이드가 회전축에 대하여 회전 구동될 때, 공명기는 블레이드의 항력 운동에 효과적으로 대항할 수 있으며, 이는 공명기가 제 2 코리올리의 힘을 발생시키기 때문에 달성된다.
탄성 지지 수단의 정적 강도는 블레이드가 블레이드 루트부에 고정된 회전익 허브에 의해 회전 구동될 때, 안내 수단 내에서 평형 위치에 중량 요소를 유지시키도록 작용한다. 탄성 지지 수단의 정적 강도는 중량 요소가 평형 위치를 유지하고 관성의 영향하에서 접촉되는 것을 방지하기에 충분할 필요가 있다.
블레이드가 항력 운동을 개시하려고 할 때, 중량 요소는 일차 코리올리의 힘의 영향하에서 블레이드에 의해 묘사되는 궤적에 대하여 방사방향으로 이동하게 되고 이에 따라 블레이드에 대하여 종방향으로 이동한다.
항력 운동이 평균 위치로부터 어떤 방향으로 블레이드를 앞서서 나가는 경향, 즉 상기 블레이드에 결합된 회전익의 회전 방향에 대하여 블레이드가 앞서서 이동한다면, 중량 요소는 블레이드의 자유 단부에 근접하게 되도록 회전축으로부터 멀리 이동하는 경향이 있다. 이는 이차 코리올리의 힘이 블레이드의 항력 운동 방향에 수직으로 작용이 생성되게 하는 결과가 되고 이에 따라 회전익의 회전 방향과 반대 방향이 된다.
더 정확하게는, 블레이드가 전진, 즉 입사 공기 유동에 대하여 그 속도의 증가를 받아 블레이드가 상방으로 이동하게 된다. 그 결과로, 블레이드의 모든 요소 는 회전익의 회전축에 근접하게 운동하며 블레이드의 외주 속도는 그 궤적을 따라 증가된다. 그러나, 관성의 효과에 의하여, 일차 코리올리의 힘은 블레이드의 자유 단부의 속도와 블레이드의 각도 모멘텀을 일정하게 유지시킨다.
블레이드의 항력 운동을 상승시키는 이들 일차 코리올리의 힘은 구동되는 회전익의 회전 각속도와 관련된 블레이드의 상대 상방 속도의 결과인 코리올리 가속의 결과이다.
블레이드의 각요소는 회전익의 회전 방향으로 속도가 증가되며 이에 따라 원심력이 증가되며 중량 요소를 전방으로 이동시킨다.
그러므로, 블레이드의 중력 중심은 바깥쪽으로 이동하고 이에 따라 중력의 영향하에서 블레이드를 낮추게 하는 경향이 있고 동시에 블레이드의 모든 요소의 속도가 증가에 반하게 된다. 그러므로, 항력 운동은 회전 방향으로 감소된다.
더 정확하게는, 블레이드의 이러한 하방 상대 속도는 회전의 각도 속도와 관련이 되며, 회전익은 일차 코리올리의 힘에 대항하는 이차 코리올리의 힘이 상승되도록 구동되고, 이에 따라 블레이드의 항력 운동에 대항한다.
따라서, 본 발명이 없는 경우에 블레이드는 대량의 항력 운동을 통하여 구동하게 하는 경향을 가진 일차 코리올리의 힘을 독자적으로 받게 될 것이다.
대조적으로, 본 발명은 상기 일차 코리올리의 힘에 대항하는 이차 코리올리의 힘을 발생시키는 것이 가능하고, 이에 따라 블레이드의 항력 운동을 제한 또는 제거까지도 가능하다.
유사하게는, 항력 운동이 평균 위치로부터 블레이드가 처지는 경향이 있다 면, 즉 블레이드가 회전익의 회전 방향에 대하여 후방으로 이동된다면, 중량 요소는 블레이드의 루트부에 근접하게 오도록 항력축에 가까이 오는 경향이 있다. 이는 이차 코리올리의 힘이 회전익의 회전 방향으로 작용하도록 생성되는 결과가 된다.
놀랍고도 혁신적인 방법에 있어서, 공명기는 중량 요소가 블레이드의 항력 운동의 축을 따라 그 방향과는 독립적으로, 이동하도록 구비되어 있지 않으나, 반대로, 블레이드의 상기 항력 운동에 실제적으로 직각인 방향으로 종축을 따라 이동하도록 구비된다.
또한, 본 발명은 하나 이상의 다음의 부가적인 특성을 더 포함할 수도 있다.
탄성 지지 수단은 정적 강도는 높고, 동적 강도는 낮다.
이러한 특성은 변칙적이며 모순되게 나타나는 데, 이는 테스트에 의해 간단하게 발견되지 않는다는 의미이다. 그럼에도 불구하고, 공명기의 작동에 최적으로 작용한다.
공명기의 정적인 높은 강도는 중량 요소가 블레이드의 자유 단부와 인접하게 안내 수단의 단부에 대하여 접촉되지 않게 보장한다.
대조적으로, 낮은 동적 강도는 중량 요소가 그 평형 위치에 대하여 요구되는 방식으로 변경되도록 허용한다.
제 1 실시예에 있어서, 탄성 지지 수단은 스프링을 포함한다.
더욱 정확하게는, 제 1 실시예의 제 1 변형예에서, 탄성 지지 수단은 직선으로 연장되어 있는 스프링으로 구성된다.
대조적으로, 제 1 실시예의 제 2 변형예에서, 탄성 지지 수단은 토션 스프링을 구비한다.
제 2 실시예에 있어서, 탄성 지지 수단은 탄성 중합체기의 일종으로 형성된 재료를 포함한다.
또한, 어떤 실시예이든지 간에, 공명기의 정적 강도는 공명기의 진동의 제 1 모드가 항력 운동을 하는 블레이드의 제 1 공명 모드에 가능한 근접하도록 두배까지 상승된 블레이드의 제 1 항력 모드의 각도 주파수에 곱해지는 공명기의 질량의 두배와 같은 것이 바람직하다.
그러므로, 공명기의 정적 강도는 다음의 관계에 의해 구해질 수 있다.
Ka = 2 x ma x ωa 2
여기에서, x는 곱하기 부호이고,
Ka는 공명기의 정적 강도,
ma는 공명기의 질량,
ωa는 블레이드의 제 1 항력 모드에서의 각도 주파수이다.
이러한 조건하에서, 동적 강도는 다음 방정식에 의해 구해진다.
K1 a = Ka - ma x ωa 2
여기에서, K1 a 은 상기 동적 강도를 나타낸다.
또한, 공명기는 중량 요소를 둘러싸고 있는 적층 베어링을 포함할 수도 있고, 적층 베어링은 적층된 금속 재료와 탄성중합체 재료를 포함한다.
안내 수단과 접촉하는 적층 베어링을 사용함으로써, 공명기의 정적 강도 및 동적 강도를 최적화할 수 있다.
끝으로, 안내 수단은 선택적으로 블레이드 내에 내장되는 튜브의 형태의 것이며, 상기 중량 요소는 상기 튜브 내에 배열된다.
따라서, 탄성 지지 수단의 제 1 단부는 튜브의 단부벽에 고정되고, 탄성 지지 수단의 제 2 단부는 중량 요소에 고정된다.
본 발명은 또한 본 발명의 블레이드 내에서 실시되기에 적합한 방법에 관한것이다.
그러므로, 블레이드의 루트부로부터 블레이드의 자유 단부까지 종방형으로 연장된 블레이드의 항력 운동을 감소시키기 위한 방법은 블레이드의 항력 운동에 대항하는 이차 코리올리의 힘을 생성하도록 블레이드의 종방향을 따라 강성 중량 요소가 변위할 때 괄목할만하다.
더욱이, 상기 블레이드가 회전익, 즉 회전익 항공기의 회전익의 허브에 항력 힌지를 거쳐 연결됨으로써, 중량 요소의 정적 강도는 다음의 최종 관계식에 의해 결정되는 것이 바람직하다.
[수학식]
Figure 112009036038092-PAT00001
여기에서, x는 곱하기 부호,
ka는 공명기의 정적 강도,
ma는 공명기의 질량,
Ω는 회전익의 회전 속도 및 래디언 퍼 세컨드의 공칭 속도,
e 는 편심도, 즉 블레이드의 항력 힌지와 회전익의 회전축 사이의 제 1 거리,
ra는 상기 항력 힌지와 상기 중량 요소의 중력 중심 사이의 제 2 거리,
M5는 블레이드의 정적 모멘트,
Iδ 는 블레이드의 항력 관성을 나타낸다.
본 발명과 그 잇점을 첨부된 도면을 참조하여 주어진 실시예의 설명을 읽으면 명백해 질 것이다.
하나 이상의 도면에 도시된 요소는 각 도면에서 같은 도면부호가 주어진다.
도 1 및 도 2에는 X, Y, Z의 직교 좌표가 그려져 있다. 이러한 직교 좌표를 참조로 도시된 블레이드의 프레임을 규정한다.
방향 X는 블레이드(10)의 피치 변경축에 수직으로 연장되어 있는 "횡단축"이라 말할 수 있다. "횡단"이라는 용어는 거기에 평행한 방향에 관한 것이다.
다른 방향 Y는 종축이라 말할 수 있다. "종축"이라는 용어는 거기에 평행한 방향에 관한 것이다.
끝으로, 방향 Z는 설명된 구조체의 높이 치수에 대응하는 상승이라 말할 수 있다.
도 1은 블레이드의 루트부(11)로부터 블레이드의 자유 단부(12)까지 연장되어 있는 블레이드(10)를 개략적으로 단면으로 도시한다. 블레이드(10)는 항력 힌지(50)에 의해 회전익 항공기의 회전익의 허브(1)에 고정되고 상기 블레이드의 루트부(11)는 통상적인 수단에 의해 항력 힌지(50)에 연결되어 있다.
회전익 항공기의 회전익이 회전하려고 준비될 때, 블레이드(10)는 회전익의 회전축(1') 둘레에서 회전 운동을 실행한다.
또한, 블레이드(10)는 항력축(50')에 관하여 선회한다. 블레이드(10)의 이러한 항력 운동은, 랜딩 기어에 의해 서있을 때, 항력축에 관하여 각 블레이드 진동의 공명 주파수가 랜딩 기어에 관하여 회전익 항공기 진동의 공명 주파수 중의 하나와 인접할 때, 비극적인 상황을 초래할 수도 있다.
이러한 문제점을 회피하기 위하여, 블레이드(10)는 블레이드(10)의 내측에 결합되어 있는 공명기(13)를 부착한다. 따라서, 공명기에 접근, 즉 유지보수 작업을 할 수 있도록 블레이드(10)의 흡인측에 해치가 구비된다.
공명기(13)는 블레이드(10)의 내측에 배치된 안내 수단(40)을 구비한다. 더 정확하게는, 도 1에 도시된 안내 수단(40)은 블레이드(10)의 피치 변경축(AX)에 평행하게 종방향(D1)으로 배열된 튜브(41)로 이루어진다. 안내 수단은 블레이드의 루트부(11)로부터 블레이드(10)의 자유 단부(12)까지 차례로 제 1 단부 영역(42), 중간 영역(44), 제 2 단부 영역(43)을 구비한다.
안내 수단(40)은 블레이드(10)의 전 길이를 따라 대향되어 있지 블레이드(10)의 코드(CO)를 따라 대향되어 있지는 않다.
더욱이, 공명기(13)는 탄성 지지 수단(20)과 함께 강성인 실린더와 같은 중량 요소(30)를 포함한다.
탄성 지지 수단(20)의 제 1 단부(20')는 블레이드(10)에 대하여 고정되어 있고, 예를 들면 블레이드(10)의 필러 요소(14)에 고정되어 있거나 안내 수단(40)의 제 1 단부 영역(42)에 고정되어 있다.
대조적으로, 탄성 지지 수단의 제 2 단부(20')는 중량 요소(30)에 고정된다.
중량 요소(30)는 안내 수단(40)과 탄성 지지 수단(20)과 협동한다.
탄성 지지 수단(20)과 중량 요소(30)가 안내 수단(40)내에 설치되어 있음으로써, 안내 수단(40)은 중량 요소(30)와 협동하며 이 때문에 중량 요소는 종방향(D1)을 따라 단독으로 이동하게 된다.
중량 요소(30)가 튜브(41) 내측에 배열되어 있음으로써, 중량 요소(30)는 안내 수단(40)이 연장되어 있는 종방향(D1)을 따라서만 이동할 수 있다.
도 1에 선택된 실시예를 독립적으로 참조하면, 블레이드(10)가 화살표(FO)방 향으로 회전하도록 구동될 때, 중량 요소(30)는 평형 위치에 도달하도록 움직인다.
그러나, 도 2를 참조하면, 블레이드(10)가 항력축(50')에 대하여 화살표(F1)를 따라 일차 항력(Cl')의 효과하에서 항력 운동이 실행되고, 블레이드(10)가 회전축(1')에 대하여 회전 할 때, 같은 방향으로 상대적인 운동이 실행된다면, 중량 요소는 화살표(F1)로 나타낸바와 같이, 블레이드(10)의 자유 단부(12)에 인접하게 이동하게 될 것이다.
중량 요소(30)의 위치의 변경은 블레이드(10)의 항력 운동에 대향하여 이차 코리올리의 힘을 발생시키게 되고 이에 따라 폭이 한정된다.
이와는 반대로, 블레이드(10)가 항력축(50')에 대하여 화살표(F2)로 나타낸바와 같이 항력 운동을 실행하면, 회전축(1')에 관하여 회전하는 블레이드(10)의 방향에 반대 방향으로 상대적인 운동이 실행되어 늦어지면, 중량 요소는 화살표(F2)로 나타낸바와 같이, 블레이드(10)의 자유 단부(12)로부터 멀리 이동하게 되고, 이에 의해 이차 코리올리의 힘이 발생하게 된다. 이들 이차 코리올리의 힘(C2)은 블레이드(10)의 항력 운동에 반대이다.
그러므로, 중량 요소는 일시적으로 이동하나, 평형 위치에 대하여 진동하여 종방향(D1)을 따라 단독으로 이동한다.
본 발명에 따라서, 중량 요소는 블레이드의 항력 운동에 반대로 이차 코리올리의 힘이 발생되도록 블레이드의 종방향을 따라 이동된다.
최적화를 위하여, 탄성 지지 수단(20)은 회전익의 회전축(1')에 대하여 회전하는 블레이드에 의해 발생되는 관성력에 대항할 수 있도록 블레이드의 주요부의 길이를 초과하도록 만들수 있으며 높은 정적 강도를 가질 필요가 있다.
따라서, 중량 요소(30)의 평형 위치는 안내 수단(40)의 제 2 단부 영역(43), 즉 안내 수단(40)이 블레이드(10)의 자유단부(12)에 가장 인접한 영역이 아니라 안내 수단(40)의 중간 영역(44)에 사실상 위치한다.
이러한 특성은 중량 요소가 제 1 및 제 2 끝단 위치 사이에서 진동하며, 상기 제 1 끝단 위치는 블레이드(10)의 루트부(11)와 평형 위치 사이에 놓여 있고, 제 2 끝단 위치는 평형 위치와 블레이드(10)의 자유 단부 사이에 놓여 있다.
더욱 정확하게는, 공명기의 정적 강도는 공명기 진동의 제 1 모드가 블레이드의 항력의 제 1 공명 모드에 가능한 근접하도록 두배까지 상승된 블레이드의 제 1 항력 모드의 각도 주파수에 곱해지는 공명기의 질량의 곱의 두배와 같은 것이 바람직하다.
그러므로, 공명기의 정적 강도는 다음의 관계에 의해 구해질 수 있다.
Ka = 2 x ma x ωa 2
여기에서, x는 곱하기 부호이고,
Ka는 공명기의 정적 강도,
ma는 공명기의 질량,
ωa는 블레이드의 제 1 항력 모드에서의 각도 주파수이다.
블레이드의 제 1 항력 모드의 각도 주파수를 얻기 위하여 공명기의 부가적인 질량을 고려하여 다음과 같은 최종 관계식이 얻어진다.
[수학식]
Figure 112009036038092-PAT00002
여기에서, x는 곱하기 부호,
ka는 공명기의 정적 강도,
ma는 공명기의 질량,
Ω는 회전익의 회전 속도 및 래디언 퍼 세컨드의 공칭 속도,
e 는 편심도, 즉 블레이드의 항력 힌지와 회전익의 회전축 사이의 제 1 거리,
ra는 상기 항력 힌지와 상기 중량 요소의 중력 중심 사이의 제 2 거리,
M5는 블레이드의 정적 모멘트,
Iδ 는 블레이드의 항력 관성을 나타낸다.
또한, 탄성 지지 수단(20)은 종방향(D1)으로 평형 위치에 관하여 중량 요소(30)의 진동을 최소화하기 위하여 그들의 정적 강도와 비교하여 낮은 동적 강도를 나타내는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 1 실시예에 있어서, 탄성 지지 수단은 스프링을 구비한다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 제 1 실시예의 제 1 변형예에 있어서, 탄성 지지 수단(20)은 직선형 스프링(21)을 구비한다.
그러나, 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 실시예의 제 2 변형예에 있어서, 탄성 지지 수단(20)은 토션 스프링(22)을 구비한다.
도 4를 참조하면, 탄성 지지 수단(20)은 비직선 특성을 가지는 재료(23)를 포함하고 탄성중합체로 구성된 그룹의 일부를 형성한다.
끝으로, 도 5를 참조하면, 요구되는 정적 및 동적 강도를 얻기 위하여 적층 베어링(25)을 갖는 공명기가 부착된 것이 도시되어 있다. 이러한 적층 베어링은 금속층(25')과 탄성중합체층(25")이 연속으로 제공된 것이다.
적층 베어링(25)은 이를 둘러싸도록 중량 요소(30)의 외측 외주에 고정되어 있다. 또한, 적층 베어링(25)은 안내 수단(40)과 접촉한다.
자연적으로, 본 발명은 실시예에 있어서 여러 가지 변형예를 가질 수 있다. 비록 여러 실시예가 설명되어 있을지라도, 모든 가능한 실시예를 총망라하는 것을 고려할 수는 없다. 본 발명의 영역을 벗어나지 않고 동등한 수단에 의해 기술된 수단을 대체하는 것도 당연히 가능하다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 제 1 실시예를 구성하는 공명기를 구비한 블레이드의 개략적인 단면도이다.
도 3은 제 1 실시예의 제 2 변형예에 따른 공명기를 지지하기 위한 수단을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 제 2 실시예에 따른 공명기를 지지하기 위한 수단을 도시한 개략적인 단면도이다.
도 5는 공명기의 선택적인 탄성중합체 베어링을 도시한 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 허브 10 : 블레이드
11 : 루트부 12 : 자유 단부
13 : 공명기 20 : 탄성 지지 수단
21, 22 : 스프링 30 : 중량 요소
40 : 안내 수단

Claims (11)

  1. 블레이드(10)는 블레이드(10)의 루트부(11)로부터 블레이드(10)의 자유 단부(12)까지 종방향으로 연장되어 있고, 상기 블레이드(10)는 상기 블레이드(10)의 항력 운동(F1, F2)을 감소시키기 위하여 그 내부에 결합되어 있는 공명기(13)를 가지고, 상기 공명기(13)는 강성이며 이동가능한 중량 요소(30)와 상기 중량 요소(30) 및 상기 블레이드(10)에 고정되어 있는 탄성 지지 수단(20)을 구비하고, 상기 공명기(13)는 안내 수단(40)을 포함하고 그 안에서 상기 중량 요소(30)가 종방향으로 진동(F1', F2') 할 수 있고, 상기 안내 수단(40)은 블레이드의 종방향(D1)으로 배열된 것을 특징으로 하는 블레이드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄성 지지 수단(20)은 높은 정적 강도를 나타내며 낮은 동적 강도를 나타내는 것을 특징으로 하는 블레이드.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄성 지지 수단(20)은 스프링(21, 22)을 구비한 것을 특징으로 하는 블레이드.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 스프링은 토션 스프링(22)인 것을 특징으로 하는 블레이드.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄성 지지 수단은 탄성중합체기의 일부로 형성된 재료(23)를 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 공명기의 정적 강도(Ka)는 두 배로 상승된 블레이드의 제 1 항력 모드의 각도 주파수(ωa)로 곱한 공명기의 질량(ma)의 곱의 두 배와 같은 것을 특징으로 하는 블레이드.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 공명기(13)는 상기 중량 요소(30)를 둘러싸고 있고 상기 안내 수단(40) 과 접촉하는 적층 베어링(25)을 포함하고, 상기 적층 베어링(25)은 금속 재료(25')와 탄성중합체 재료(25")의 적층층을 구비한 것을 특징으로 하는 블레이드.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 안내 수단(40)은 상기 블레이드(10) 내에 내장된 튜브(41)를 구비하고, 상기 중량 요소(30)는 상기 튜브(41) 내부에 배열된 것을 특징으로 하는 블레이드.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 블레이드(10)는 회전익 항공기의 블레이드인 것을 특징으로 하는 블레이드.
  10. 블레이드(10)의 루트부(11)로부터 블레이드(10)의 자유 단부(12)까지 종방향으로 연장된 블레이드(10)의 항력 운동(F1, F2)을 감소시키기 위한 방법에 있어서,
    상기 블레이드(10)는 청구항 1에 기재된 블레이드이고, 상기 블레이드의 강성 중량 요소(30)는 상기 블레이드의 항력 운동에 반대로 이차 코리올리의 힘(C1, C2)이 생성되도록 블레이드의 종방향(D1)으로 평형 위치에 대하여 안내 수단 내에서 진동이 야기되게 하는 것을 특징으로 하는 블레이드의 항력 운동을 감소시키는 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 블레이드(10)는 항력 힌지로 회전익의 허브(1)에 배열되어 있고, 상기 중량 요소의 정적 강도는 하기 최종 관계식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 블레이드의 항력 운동을 감소시키는 방법.
    Figure 112009036038092-PAT00003
    여기에서, x는 곱하기 부호,
    ka는 공명기(13)의 정적 강도,
    ma는 공명기(13)의 질량,
    Ω는 회전익(1)의 회전 속도 및 래디언 퍼 세컨드의 공칭 속도,
    e 는 편심도, 즉 블레이드(10)의 항력 힌지(50)와 회전익(1)의 회전축(1') 사이의 제 1 거리,
    ra는 상기 항력 힌지(50)와 상기 중량 요소(30)의 중력 중심(Cg) 사이의 제 2 거리,
    M5는 블레이드(10)의 정적 모멘트,
    Iδ 는 블레이드(10)의 항력 관성을 나타낸다.
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