KR20120114774A - 캐비테이션 저항성이 우수한 복합재료 프로펠러 블레이드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비철 금속재료로 이루어진 블레이드의 뿌리 부분의 양측면의 접합부에 접착제를 도포하고, 접착제를 도포한 블레이드의 뿌리 부분의 양측면에 유연성 복합재료의 섬유층을 다수 개수 적층하여 블레이드의 팁 부분을 일체로 형성하여 경화된 것을 특징으로 하는 금속-복합재료의 2종의 다른 물질을 일체로 형성한 블레이드 팁 부분이 강성 및 유연성을 가진 복합재료로 구성하여, 프로펠러의 블레이드의 공동현상에 따른 프로펠러의 진동 및 소음을 억제하며, 블레이드의 침식 및 부식을 방지할 수 있고, 선박 자체의 손상도 방지할 수 있는 금속-복합재료를 접합한 프로펠러 블레이드를 제공한 것에 특징이 있다.

Description

캐비테이션 저항성이 우수한 복합재료 프로펠러 블레이드{Propeller blade with composite material to improve a cavitation resistance}

본 발명은 선박에 사용되는 프로펠러의 블레이드에 내식성 및 고강도를 가진 고가의 비철재료를 사용하여 주물에 의해 제작되고 있는 블레이드의 팁 부분에 유연성을 부가한 복합재료를 금속 부분과 접착 결합함으로써 캐비테이션 저항성이 우수한 복합재료 프로펠러 블레이드에 관한 것이다.

현재 대부분의 대형 선박용 프로펠러의 블레이드는 고가(高價)의 비철 금속으로 제작되고 있다.

이러한 대형 선박용 프로펠러의 블레이드의 회전에 의하여 유체의 흐름에 변화가 생기고 그에 따른 유체의 속도에 변화가 생기며, 속도의 변화는 압력차를 발생시키게 됨으로, 주위 압력이 유체의 증기압 이하로 강하되는 경우에 액체 상태의 유체가 기체 상태로 바뀌는 캐비테이션(공동현상(cavitation))이 일어나게 되고, 기포(air bubble)인 공동(cavity)의 생성 및 소멸에 의해 프로펠러에 소음과 진동을 발생시키는 동시에 마모나 침식을 일으키는 캐비테이션 손상에 의해 프로펠러의 출력 저하 및 수명을 감소시키고, 프로펠러의 불규칙한 진동이나 소음에 의해 선체 구조물 및 승조원에 불쾌감을 주게 된다.

그러나, 현재 주물로 제작되는 금속제의 프로펠러의 블레이드는 금속 재료로 제조되어 강성은 유지되고 있으나 블레이드 자체가 휘거나 구부러지는 유연성(flexible)이 전혀 없어서 캐비테이션에 적절하게 대응하지 못하여 프로펠러 블레이드에 캐비테이션 손상이 반복적으로 발생되는 문제점이 있다.

본 발명은 금속 및 비철 금속으로 주조된 블레이드의 뿌리 부분과 복합재료의 블레이드 팁 부분을 접착(bonding) 결합하여 블레이드 팁 부분이 유연성을 가지는 복합재료로 이루어지게 함으로써 캐비테이션 저항성이 우수한 금속-복합재료로 구성된 프로펠러의 블레이드를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 프로펠러의 블레이드 뿌리 부분에는 강성을 유지하고 블레이드 팁 부분에는 유연성을 가지는 구성의 프로펠러 블레이드를 제공하여 프로펠러에 발생되는 캐비테이션 손상을 방지할 수 있도록, 블레이드의 뿌리 부분에는 강성을 가지도록 비철 금속 부분으로 형성하고, 블레이드 팁 부분은 유연성을 가지도록 복합재료로 형성하여, 서로 다른 물성 특징을 가진 금속-복합재료를 접착 결합하여 일체로 형성한 선박용 프로펠러 블레이드를 제공한다.

본 발명은 비철 금속재료로 이루어진 블레이드의 뿌리 부분의 양측면의 접합부에 접착제를 도포하고, 접착제를 도포한 블레이드의 뿌리 부분의 양측면에 유연성 복합재료의 섬유층을 다수 개수 적층하여 블레이드의 팁 부분을 일체로 형성하여 경화된다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 블레이드의 팁 부분 양측면의 섬유층은 접착제가 미리 함침(含浸)된 복합재료를 양측면에 다수 개수 적층하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 블레이드의 팁 부분 양측면의 섬유층은 섬유직물에 적층하고 접착제를 도포하는 과정을 반복하여 다수 개수 적층하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 블레이드의 팁 부분에서 양측면의 섬유층은 동일한 개수로 적층하여 대칭으로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 블레이드의 팁 부분에서 양측면의 섬유층은 서로 다른 개수로 적층하여 비대칭으로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 블레이드의 뿌리 부분 끝단의 형상은 단면이 끝으로 갈수록 감소하는 테이퍼 형상으로 되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 블레이드의 뿌리 부분 끝단의 형상은 중앙 부분이 “凸” 형태로 돌출하여 凹凸 형태로 적층 결합되는 것이 바람직하다.

본 발명은 선박용 블레이드의 뿌리 부분은 금속제에 의해 강성을 유지하고, 블레이드 팁 부분은 캐비테이션 현상에 유연하게 대응하는 유연성 복합재료로 형성하여 일체로 결합한 2종의 재질로 이루어진 프로펠러 블레이드를 제공함으로써, 종래의 금속류만으로 주조된 프로펠러 블레이드에서 발생되는 캐비테이션 손상의 발생을 최소화함으로써 프로펠러 블레이드의 수명을 연장시키는 것이 가능하고, 또한 주물로 제작되는 프로펠러 블레이드 부분의 최소화로 주물 결함을 방지하고, 고가의 비철재료 사용량 줄임에 따른 제작 원가 절감 등의 부수적인 효과가 있다.

도 1 금속-복합재료로 이루어진 블레이드를 가진 프로펠러 나타낸 사시도,
도 2 금속-복합재료로 이루어진 블레이드 전면 및 측면도,
도 3 블레이드의 금속 부분과 복합재료 부분을 접합한 전면 및 측단면도를 나타낸 것이다.

본 발명은 선박용 프로펠러의 블레이드에 발생되는 공동현상을 최소화하기 블레이드 팁 부분을 강성 및 유연성을 가진 복합재료로 구성하여, 프로펠러 블레이드의 공동현상에 따른 프로펠러의 진동 및 소음을 억제하며, 블레이드의 침식 및 부식을 방지할 수 있고, 선박 자체의 손상도 방지할 수 있는 금속-복합재료를 접합한 프로펠러 블레이드를 구성한다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 금속-복합재료로 이루어진 블레이드를 가진 프로펠러 나타낸 사시도이고, 도 2는 금속-복합재료로 이루어진 블레이드의 전면 및 측면도이다. 프로펠러 블레이드의 뿌리 부분은 금속 부분으로서, 예를 들면 니켈-알루미늄(NiAl)계 청동합금(bronze)의 특수강으로 이루어지고, 블레이드 팁 부분은 복합재료(composite material)로 구성되어 있다. 도면 번호 1은 블레이드를 나타내고, 2는 블레이드 뿌리 부분(blade root), 3은 블레이드 팁 부분(blade tip), 4는 접합부를 나타낸다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 프로펠러 블레이드의 뿌리 부분은 강성을 큰 금속 재료로 제조하여 강성이 제어되고, 부식에 강한 유연성을 가진 복합재료의 블레이드 팁 부분을 접합(bonding)하여 제조하는 것으로, 본 발명에서 선박 프로펠러 블레이드의 제조는 다음과 같다.

본 발명에서 비철 금속재료의 블레이드 뿌리 부분(2)에 블레이드 팁 부분(3)을 복합재료 접합 성형하는 과정은 프로펠러 블레이드의 뿌리 부분을 니켈-알루미늄(NiAl)계 청동합금(bronze)의 특수강으로 제조하고, 제조된 블레이드의 뿌리 부분에 복합재료를 접합 성형하기 위하여 블레이드의 뿌리 부분의 접합부(4)에 그라인더 소지 작업을 수행한다.

그라인더 소지 작업이 완료된 블레이드의 뿌리 부분 양측면의 접합부(4)에 강성 및 유연성을 가진 복합재료를 적층 결합하기 위하여 수지계의 접착제를 도포한다. 여기서, 접착제의 한 예로 수지계의 에폭시(epoxy) 접착제를 사용한다.

블레이드를 성형하는 방법은, 비철 금속제의 블레이드의 양측면의 접합부의 적층은 접합부에 접착제를 도포하고, 양측면에 복합재료(composite materials)로 제조된 섬유직물을 적층한 후, 접착제를 도포하는 단계를 반복적 과정을 통하여 블레이드의 팁 부분을 형성하도록 적층한 후에 경화하거나 또는 진공이나 가열로(autoclave)에서 가열 및 가압 경화하여 성형하거나 접착제가 미리 함침된 복합재료(resin impregnated composite material)를 다수 개수 적층한 후 가열 및 가압 성형하여 경화시키는 통상의 복합재료의 성형 방법을 사용하는 것이 가능하다.

통상적으로 가열 및 가압은 진공 상태에서 성형하여 경화하고 있다.

본 발명의 선박 프로펠러 블레이드는 양측면이 대칭되는 복합재료가 적층되는 것으로 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않고 양측면의 복합재료의 적층수를 다르게 함으로써 비대칭 형상으로 제조할 수 있다.

또한, 본 발명에서 복합재료가 접착 결합되는 선박 프로펠러 블레이드는 뿌리 부분의 끝단의 형상은 단면이 끝으로 갈수록 감소하게 테이퍼지게 되어거나 또는 연결부의 접착 면적을 크게 하기 위하여 중앙 부분의 단면이 끝단의 형상은 중앙 부분이 “凸” 형태로 돌출하여 凹凸 형태로 결합하는 되어 있는 다양하게 변형하여 형성할 수 있다.

복합재료로서는 고강도 및 고탄성을 가진 첨단소재인 탄소섬유보강폴리머(CFRP, Carbon Fiber Reinforced Polymer) 또는 유리섬유보강폴리머(GFRP, Glass Fiber Reinforced Polymer)의 복합재료가 많이 사용되나 이에 한정되지 않으며, 접착제는 통상적으로 수지계의 에폭시 접착제가 주로 많이 사용되고 있으나 다양한 비철 금속제의 블레이드 뿌리 부분에 대응되어 접착 결합되는 복합재료에 따라 금속과 복합재료의 접착 강화를 위한 재료의 성질에 적합한 다양한 종류의 접착제가 선택되어 사용된다.

복합재료 및 접착제는 탄소섬유 및 유리섬유로 이루어진 고강도와 고탄성을 가지고 있으므로, 블레이드가 회전함에 따라 블레이드 팁 부근에서 주로 발생되는 캐비테이션에 의해 생성된 기포가 파괴되어 소멸되는 과정에서 생기는 충격이 블레이드에 전달되어도 유연성을 가진 복합재료가 흡수하는 것이 가능하여 캐비테이션 손상(cavitation damage)이 일어나지 않고, 블레이드의 침식 및 부식을 방지할 수 있고, 또한 블레이드 진동에 따른 선박 자체의 손상도 방지할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비철 금속 재료, 복합재료, 접착제의 종류에 한정되지 않는 비철 금속과 강성과 유연성을 가진 복합재료로 이루어진 2종의 다른 물질을 접착 결합하여 선박용 프로펠러의 블레이드에 발생되는 공동현상을 최소화시키는 것이 가능하다.

1 : 블레이드 2 : 블레이드 뿌리 부분
3 : 블레이드 팁 부분 4 : 접합부

Claims (7)

1. 비철 금속재료로 이루어진 블레이드의 뿌리 부분의 양측면의 접합부에 접착제를 도포하고, 접착제를 도포한 블레이드의 뿌리 부분의 양측면에 유연성 복합재료의 섬유층을 다수 개수 적층하여 블레이드의 팁 부분을 일체로 형성하여 경화된 것을 특징으로 하는 캐비테이션 저항성이 우수한 복합재료 프로펠러 블레이드.
2. 제1항에 있어서,
   상기 블레이드의 팁 부분 양측면의 섬유층은 접착제가 미리 함침(含浸)된 복합재료를 양측면에 다수 개수 적층한 것을 특징으로 하는 캐비테이션 저항성이 우수한 복합재료 프로펠러 블레이드.
3. 제1항에 있어서,
   상기 블레이드의 팁 부분 양측면의 섬유층은 섬유직물에 적층하고 접착제를 도포하는 과정을 반복하여 다수 개수 적층한 것을 특징으로 하는 캐비테이션 저항성이 우수한 복합재료 프로펠러 블레이드.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 블레이드의 팁 부분에서 양측면의 섬유층은 동일한 개수로 적층하여 대칭으로 형성한 것을 특징으로 하는 캐비테이션 저항성이 우수한 복합재료 프로펠러 블레이드.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 블레이드의 팁 부분에서 양측면의 섬유층은 서로 다른 개수로 적층하여 비대칭으로 형성한 것을 특징으로 하는 캐비테이션 저항성이 우수한 복합재료 프로펠러 블레이드.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 블레이드의 뿌리 부분 끝단의 형상은 단면이 끝으로 갈수록 감소하는 테이퍼 형상으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 캐비테이션 저항성이 우수한 복합재료 프로펠러 블레이드.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 블레이드의 뿌리 부분 끝단의 형상은 중앙 부분이 “凸” 형태로 돌출하여 凹凸 형태로 적층 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 캐비테이션 저항성이 우수한 복합재료 프로펠러 블레이드.
   

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