KR20120070071A - 복합재료로 이루어진 프로펠러용 블레이드 및 이를 구비하는 프로펠러 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복합재료와 금속 코아를 사용하여 단위 블레이드를 제작하고, 이와 같이 제작된 단위 블레이드를 프로펠러 축과 연결되는 프로펠러 보스에 착탈 가능한 구조로 구비시킴으로써 대형화 제작 작업, 수리 작업, 제작 결함에 대한 어려움을 해소하고, 나아가 원가 절감은 물론, 내구성 및 강도를 한층 향상시킬 수 있도록 한 복합재료로 이루어진 프로펠러용 블레이드 및 이를 구비하는 프로펠러에 관한 것이다.
Description
본 발명은 복합재료로 이루어진 프로펠러용 블레이드 및 이를 구비하는 프로펠러에 관한 것으로, 특히 본 발명에서는 복합재료와 금속 코아를 사용하여 단위 블레이드를 제작하고, 이와 같이 제작된 단위 블레이드를 프러펠러 보스에 착탈 가능한 구조로 구비시킴으로써 대형화 제작, 수리, 주물 결함 등에 대한 제작상의 어려움을 해소할 수 있도록 함은 물론, 원가 절감과 함께 내구성 및 강도도 한층 향상시킬 수 있도록 한 것이다.
일반적으로 선박이나 항공기에서 사용되고 있는 대부분의 프로펠러는 내식성과 강도를 확보하기 위해 고가의 니켈-알류미늄-동으로 이루어지는 비철 재료를 사용하여 주물로 제작하고 있다. 그런데, 위와 같이 프로펠러 전체를 주물로 제작하게 되면 프로펠러의 형상 그 자체에 대하여 형틀을 먼저 제작하여야 하는데, 이때 프로펠러가 대형인 경우 프로펠러의 크기 이상의 크기로 형틀이 제작하여야 함으로써 형틀 제작에 많은 시간과 많은 작업 인원이 요구되는 문제가 있었다.
또한, 주물의 특성상 불균일한 냉각에 의해 기포 및 균열이 발생하는 결함을 최소화하기 위해 많은 후 가공이 요구됨으로써, 제작이 번거롭고 제작 기간을 단축하기 어려우며 그로 인해 대량 생산은 물론, 생산성 향상을 기대할 수 없다.
또한, 상기 비철 재료(예를 들면 니켈-알류미늄-동)로 이루어진 프로펠러는 해수 중 108 cycle의 조건으로 실험한 결과 피로강도는 약 50 ~ 100MPA에 불과하여 수명을 더 연장하기 어려우며, 이러한 비철 재료인 니켈-알류미늄-동은 고가이어서 많은 제작 비용이 소요됨으로써 원가 절감을 실현할 수 없는 문제도 있다.
또한, 일반적으로 블레이드가 일체화된 프로펠러에서는 블레이드의 파손 또는 변형시 블레이드가 일체화되어 있어 부분적인 수리가 불가하고, 그로 인해 프로펠러를 새로 제작하여야 하는 문제도 있었다.
이에 따라 본 발명은 위와 같은 문제점을 해소하기 위해 개발된 것으로, 복합재료와 금속 코아를 사용하여 단위 블레이드를 제작하고, 이와 같이 제작된 단위 블레이드를 프로펠러 축과 연결되는 프로펠러 보스에 착탈 가능한 구조로 구비시킴으로써 대형화 제작, 수리, 주물 결함에 대한 제작상의 어려움을 해소하고, 나아가 원가 절감은 물론, 내구성 및 강도를 한층 향상시킬 수 있는 복합재료로 이루어진 프로펠러용 블레이드 및 이를 구비하는 프로펠러를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 원판부의 상면 중앙에 솟은 상태로 돌출된 고정부를 포함하는 금속 코어와; 상기 고정부를 중심으로 금속 코어의 양편에 각각 배치되며 고정부가 매립되는 상태로 서로 부착되는 복합재료로 이루어진 제1 및 제2 블레이드 세그먼트;로 구성된 단위 블레이드를 포함하는 복합재료로 이루어진 프로펠러용 블레이드가 제공된다.
또한, 상기 고정부의 표면에는 제1 및 제2 블레이드 세그먼트가 하나로 합쳐지게 될 때, 제1 및 제2 블레이드 세그먼트의 내부에 박힌 상태로 매립되어 고정되도록 매립 돌기가 돌출 형성되어 있는 복합재료로 이루어진 프로펠러용 블레이드가 제공된다.
또한, 상기 금속 코어의 원판부에 놓이도록 제1 및 제2 블레이드 세그먼트의 뿌리 부분에는 결합부가 형성되어 있고, 상기 원판부와 결합부에는 체결구가 체결될 수 있는 체결공이 일치하는 상태로 각각 형성되어 있는 구조가 제공된다.
또한, 상기 제1 및 제2 블레이드 세그먼트는 탄소섬유강화플라스틱(carbon fiber Reinforced plastics), 유리섬유강화플라스틱(Glass Reinforced Plastic) 중 어느 하나의 재질로 이루어진 프로펠러용 블레이드가 제공된다.
한편, 프로펠러 보스에는 서로 대응하는 상태로 결합면이 각각 형성되어 있고, 이 결합면에는 청구항 제 4항의 단위 블레이드의 원판부가 밀착되는 상태로 체결구에 의해 체결 고정되는 복합재료로 이루어진 프로펠러용 블레이드를 구비하는 프로펠러가 제공된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면, 복합재료와 금속 코아를 사용하여 단위 블레이드를 제작하고, 이와 같이 제작된 단위 블레이드를 프로펠러 보스에 분리 가능한 구조로 결합시킴으로써, 대형화 제작, 수리, 주물 결함 등에 대한 제작상의 어려움을 해소할 수 있다.
나아가 물론, 원가 절감과 함께 내구성 및 강도를 한층 향상시킬 수 있는 효과도 기대할 수 있다.
도 1a은 본 발명에 따른 복합재료로 이루어진 프로펠러용 블레이드를 보여주는 도면이다.
도 1b는 도 1의 블레이드를 보여주는 단면도이다.
도 2는 도 1의 블레이드가 프로펠러 보스에 결합되는 상태를 보여주는 일부 분리 사시도이다.
도 3은 본 발명의 프로펠러의 해수에서 109 cycle의 조건에 대한 피로강도를 나타낸 그래프이다.
도 1b는 도 1의 블레이드를 보여주는 단면도이다.
도 2는 도 1의 블레이드가 프로펠러 보스에 결합되는 상태를 보여주는 일부 분리 사시도이다.
도 3은 본 발명의 프로펠러의 해수에서 109 cycle의 조건에 대한 피로강도를 나타낸 그래프이다.
아래에서, 본 발명에 따른 복합재료로 이루어진 프로펠러용 블레이드 및 이를 구비하는 프로펠러의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1a에서는 본 발명에 따른 복합재료로 이루어진 프로펠러용 블레이드를 보여주는 도면이 도시되어 있고, 도 1b에서는 도 1의 블레이드를 보여주는 단면도가 도시되어 있다.
도면에서 보듯이, 탄소섬유강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastics 또는 유리섬유강화플라스틱(Glass Reinforced Plastic) 중 어느 하나의 재질을 선택하여 블레이드 제작용 금속 몰드 내에 서로 다른 방향으로 적층 배치시키고, 이와 같이 적층된 재질의 중간에 후술하는 금속 코아(10)를 배치시킨 후 VaRTM(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding)이라고 하는 고품질의 진공 성형법을 사용하여 접착 성형하게 되며, 그에 따라 금속 코아(10)가 서로 대칭을 이루는 제1 및 제2 블레이드 세그먼트(12, 14) 사이에 매립되는 구조로 일체화된 단위 블레이드(16)를 제작한다.
참고로 앞서 소개된 진공성형법의 일종인 VaRTM은 일반적으로 널리 사용되는 방법을 그대로 이용한 것에 불과한 것이므로 구체적인 설명은 생략한다.
구체적으로 단위 블레이드(16)는 원판부(20)와, 이 원판부(20)의 상면 중앙에 솟은 상태로 돌출되는 고정부(22)와, 이 고정부(22)를 중심으로 양편 원판부(20)에 각각 형성되는 체결공(24)과, 상기 고정부(22)의 표면에 돌출 형성되는 매립 돌기(26)를 포함하는 금속 코아(10) 및, 상기 고정부(22)를 중심으로 금속 코어(10)의 양편에 각각 배치되며 고정부(22)가 매립되는 상태로 합쳐는 제1 및 제2 블레이드 세그먼트(12, 14)로 구성된다.
또한, 위와 같이 제1 및 제2 블레이드 세그먼트(12, 14)가 금속 코어(10)에 접착 성형될 때, 금속 코어(10)의 매립돌기(26)는 제1 및 제2 블레이드 세그먼트(12, 14)에 매립되는 상태로 박히게 된다. 그로 인해 제1 및 제2 블레이드 세그먼트(12, 14)와 금속 코어(10) 간 결합력 및 고정력은 더욱 증강하게 된다.
또한, 상기 제1 및 제2 블레이드 세그먼트(12, 14)의 뿌리부에는 볼트인 체결구(28)가 체결될 수 있도록 체결공(30)을 형성한 결합부(32)가 구비되어 있고, 이 결합부(32)가 배치되는 금속 코어(10)의 원판부(20)에는 결합부(32)의 체결공(30)과 대응 일치하는 구조로 체결공(24)이 형성되어 있다.
위와 같이 상기 단위 블레이드(16)의 뿌리 부분에 금속 코아(10)가 매립되는 상태로 배치되게 되면, 두께가 두꺼워 질수록 복합재료의 적층 성형에 따른 균열이나 성형 불량이 발생하게 되는데, 이때 두께가 두꺼워지게 되는 단위 블레이드(16)의 뿌리 부분에 금속 코아(10)가 매립되어 있어 이러한 균열이나 성형 불량을 방지할 수 있게 된다.
특히, 프로펠러 축(도시되지 않음)이 연결되는 프로펠러 보스(34)에 단위 블레이드(16)를 고정시, 별도의 부속품이 없이도 신속 간편하게 분해 조립이 가능하게 되고, 나아가 단위 블레이드(16)의 단면에 대한 강성을 더 배가시킬 수 있게 된다.
도 2에서는 도 1의 블레이드가 프로펠러 보스에 결합되는 상태를 보여주는 일부 분리 사시도가 도시되어 있다.
도면에서 보듯이 상기 프로펠러 축과 연결되는 프로펠러 보스(34)에는, 예를 들어 X축과 Y축이 지나가는 각 대응 면에 편평한 결합면(36)이 각각 형성되어 있고, 이 결합면(36)에는 앞서 설명된 단위 블레이드(16)의 원판부(20)에 형성된 체결공(24)과 대응하는 체결공(38)이 형성되어 있다.
따라서, 상기 단위 블레이드(16)의 결합면(36)에 단위 블레이드(16)의 원판부(20)를 밀착시키고, 볼트인 체결구(28)를 통해 서로 체결시키게 됨으로써, 프로펠러에 대한 구성이 완료된다. 이러한 조립 구조에 의해 예컨대, 단위 블레이드(16) 또는 프로펠러 보스(34) 중 어느 하나의 파손이 발생하더라도 종래와 같이 프로펠러 전체를 새로 제작하는 것이 아니라 파손된 해당 구성요소만을 교체하는 방식으로 수리하게 됨으로써, 작업에 대한 편의는 물론, 수리 작업의 신속 간편함을 제공받을 수 있게 된다.
위와 같이, 복합재료와 코어를 이용한 프로펠러용 블레이드 및 이 블레이드를 구비하는 프로펠러를 사용하게 되면, 단위 블레이드(16)가 복합재료인 탄소섬유강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastics 또는 유리섬유강화플라스틱(Glass Reinforced Plastic) 중 어느 하나의 재질과 금속 코아(10)가 결합되고, 이와 같이 제작된 단위 블레이드(16)가 프로펠러 보스(34)에 체결되는 구조로 프로펠러가 완성됨으로써, 종래에 제시된 주물불량, 대형화 제작, 수리 작업 등 여러 제반 문제점을 모두 해소할 수 있음을 물론, 원가 절감과 내구성 및 강도를 한층 향상시킬 수 있게 된다. 나아가, 앞서 소개된 어느 하나의 복합재료를 사용하여 층을 가지도록 중첩하고 이와 같이 중첩된 복합재료와 금속 코아(10)가 결합하는 구조로 단위 블레이드(16)를 제작할 수도 있다.
참고로, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 프로펠러를 사용하게 되면, 프로펠러 해수 중 프로펠러는 해수 중 109 cycle의 조건으로 실험한 결과 피로강도가 인장 강도의 약 40% 수준으로 약 400MPa 이상임을 확인할 수 있어, 종래의 피로강도에 비해 4배에서 8배까지 증가 됨에 따라 장시간 사용에 대한 수명을 더 연장할 수 있게 된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실기 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 구성 및 변형 가능함은 물론이다.
10 : 금속 코아 12 : 제1 블레이드 세그먼트
14 : 제2 블레이드 세그먼트 16 : 단위 블레이드
20 : 원판부 22 : 고정부
24, 30 : 체결공 26 : 매립돌기
28 : 체결구 32 : 결합부
34 : 프로펠러 보스 36 : 결합면
14 : 제2 블레이드 세그먼트 16 : 단위 블레이드
20 : 원판부 22 : 고정부
24, 30 : 체결공 26 : 매립돌기
28 : 체결구 32 : 결합부
34 : 프로펠러 보스 36 : 결합면
Claims (5)
- 원판부(20)의 상면 중앙에 솟은 상태로 돌출된 고정부(22)를 포함하는 금속 코어(10)와; 상기 고정부(22)를 중심으로 금속 코어(10)의 양편에 각각 배치되며 고정부(22)가 매립되는 상태로 서로 부착되는 복합재료로 이루어진 제1 및 제2 블레이드 세그먼트(12, 14);로 구성된 단위 블레이드(16)를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료로 이루어진 프로펠러용 블레이드.
- 제 1항에 있어서,
상기 고정부(22)의 표면에는 제1 및 제2 블레이드 세그먼트(12, 14)가 하나로 합쳐지게 될 때, 제1 및 제2 블레이드 세그먼트(12, 14)의 내부에 박힌 상태로 매립되어 고정되도록 매립 돌기(26)가 돌출 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 복합재료로 이루어진 프로펠러용 블레이드.
- 제 2항에 있어서,
상기 금속 코어(10)의 원판부(20)에 놓이도록 제1 및 제2 블레이드 세그먼트(12, 14)의 뿌리 부분에는 결합부(32)가 형성되어 있고, 상기 원판부(20)와 결합부(32)에는 체결구(28)가 체결될 수 있는 체결공(24, 30)이 일치하는 상태로 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 복합재료로 이루어진 프로펠러용 블레이드.
- 제 1 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 블레이드 세그먼트(12, 14)는 탄소섬유강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastics), 유리섬유강화플라스틱(Glass Reinforced Plastic) 중 어느 하나의 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합재료로 이루어진 프로펠러용 블레이드.
- 프로펠러 보스(34)에는 서로 대응하는 상태로 결합면(36)이 각각 형성되어 있고, 이 결합면(36)에는 청구항 제 4항의 단위 블레이드(16)의 원판부(20)가 밀착되는 상태로 체결구(28)에 의해 체결 고정되는 것을 특징으로 하는 복합재료로 이루어진 프로펠러용 블레이드를 구비하는 프로펠러.
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