KR20160055820A - 플라이휠 격납 어셈블리용 튜브형 격납 부재 및 이의 제조 방법 - Google Patents

플라이휠 격납 어셈블리용 튜브형 격납 부재 및 이의 제조 방법 Download PDF

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클라이브 서튼
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타타 스틸 유케이 리미티드
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Abstract

본 발명은 플라이휠 격납 어셈블리에 사용되는 튜브형 격납 부재에 관한 것으로, 상기 튜브형 격납 부재는 상이한 재료들의 용이하게 제조될 수 있는 층들로 이루어지며, 격납 케이징은 하나 이상의 상이한 재료들로 구성된 층들로부터 형성된, 나선형으로 감긴 튜브형 구조체로 이루어진다. 본 발명은 추가로 상기 튜브형 격납 부재의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

플라이휠 격납 어셈블리용 튜브형 격납 부재 및 이의 제조 방법{TUBULAR CONTAINMENT PART FOR A FLYWHEEL CONTAINMENT ASSEMBLY AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}
본 발명은 플라이휠 격납 어셈블리용 튜브형 격납 부재에 관한 것으로, 특히 고속 플라이휠, 예컨대, 에너지를 일시적으로 저장하기 위해 사용되는 기계적, 전기-기계적 플라이휠 및 전동 발전기(motor-generator)용 플라이휠 격납 어셈블리용 튜브형 격납 부재에 관한 것이다. 본 발명은 또한 다양한 사양의 격납 용기를 위한 대량 생산가능한 방법에 관한 것이기도 하다.
고속의 기계적, 전기-기계적 플라이휠 및 전동 발전기는, 매우 고에너지의 충방전 레이트를 취급하기 위한 이들 설계의 지속성(longevity) 및 용량에 기인하여, 정적 상황 및 동적 상황 모두에서의 배터리 에너지 저장에 대한 대안으로서 점차 사용되고 있다. 그러나, 작업 속도, 통상 20,000 rpm 내지 120,000 rpm의 범위에서, 이들 플라이휠은 매우 다량의 운동 에너지(kinetic energy)를 저장한다. 만일 플라이휠이 파괴되는 경우, 이 에너지의 즉각적인 유출은 사람에게 치명적인 위험이 될 뿐만 아니라, 1차 회전하는 플라이휠 조각의 파괴 파편과 격납 케이징이 이에 응답하여 파손될 때의 파편들의 2차 필드 유출을 통하여 주변 장비의 무결성(integrity)에 치명적인 위험이 된다.
에너지 저장 플라이휠의 기계적인 파괴의 위험성에 대한 해법을 제공하는 것을 목적으로 하는, 다수의 에너지 저장 플라이휠 격납 용기가 알려져 있다. US 2005/0188777에는, 예를 들어 개별 및 공축 실린더 강 차폐기를 구비한 격납 어셈블리가 개시되어 있는데, 그 차폐기들 사이에는 진동 감쇄 재료가 포함된다. US 6203924에 개시된 격납 구조체는 내부 구조층을 갖는 다수의 공축 실린더층들, 에너지 흡수층 및 외부 지지층으로 이루어져 있으며, 상기의 연속적인 층들에는 상이한 재료들이 사용된다.
파열 격납 용기(burst containment)의 가장 일반적인 가스 터빈에 사용되는 것으로서, 고비용의 우주 항공급 재료를 사용하여 좁은 특수 터빈 블레이드 디스크 주위에 에너지-흡수 재료의 강하고 개별적인 "후프들(hoops)"을 형성한다. 전형적인 가스 터빈 엔진의 길이를 따라 형성된 좁은 고리형 층들의 형태에는 몇가지가 있을 수 있다.
모바일/자동차 산업분야에서 발달한 현재의 격납 용기 해법은, 통상 기계 가공-마감된 주조 알루미늄을 사용하여 제조된 실린더이거나, 또는 고체 강 빌렛(steel billet)으로부터 절단된 칩을 사용하는 최종 형태로 기계가공 된다. 이들 두가지 해법은 무거울 수 있고, 공지된 모든 경우 주문 제작되어, 대량 생산하기에는 비용이 많이 들고 속도가 너무 느리다. 나아가, 플라이휠 내에 저장된 운동 에너지의 유출은, 승용차의 소형 브레이크 에너지 재생 시스템에 대해서는 200kJ 급(order)인데, 상기 격납 용기를 파손 및 해체시켜, 불특정 방향으로 상기 장치로부터 고속으로 날아가는 2차의 가능한 더욱 위험한 파편 필드(fragment field)가 발생할 것으로 기대된다.
본 발명의 목적은 캐이징 튜브 내부의 플라이휠이 파괴되는 경우 유출되는 운동 에너지를 완전히 흡수할 수 있는 플라이휠 격납 어셈블리용 튜브형 격납 부재의 제조를 위한, 비용-효율적이고 용이하게 고안된 해법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 가동 중에 플라이휠이 파괴되는 경우 회전하는 플라이휠에 의해 생성된 파편을 완전히 격납할 수 있는 플라이휠 격납 어셈블리용 튜브형 격납 부재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상이한 재료로 이루어진 연속층 및 다중층을 모두 사용하는 플라이휠 격납 어셈블리용 튜브형 격납 부재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 특정의 플라이휠 질량과 동작 속도 설계를 위한 격납 임무에 대하여, 강도(strength)와 중량의 이유에서 최적화된 플라이휠 격납 어셈블리용 튜브형 격납 부재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 어려움 없이 격납 용기에 대한 특정의 크기 및 강도 요구 조건을 만족하도록 구성될 수 있는, 플라이휠 격납 어셈블리용 튜브형 격납 부재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 산업적 규모로 대량 제조되기에 용이하며 비용-효율적일 수 있는 플라이휠 격납 어셈블리용 튜브형 격납 부재를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 측면에 의하면, 본 발명의 하나 이상의 목적은 플라이휠 격납 어셈블리용 튜브형 격납 부재를 제공함으로서 실현되는데, 상기 튜브형 격납 캐이징 부재는 상이한 재료의 층들로 제조되며, 상기 튜브형 격납 캐이징 부재의 상이한 재료의 층들은 서로에 대해 나선형으로 감겨있는 무한층(continuous layer)들이며, 상기 무한층들은 구조 재료의 제 1 층, 및 하나 이상의 상이한 재료로 구성된 하나 이상의 연속층(succesive layer)을 포함하며, 상기 튜브형 케이징 부재의 내벽은 상기 제 1 층의 구조 재료에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한 나선형으로 감긴 튜브형 격납 부재의 단면을 개략 도시한 제조 작업예(manufacturing operation example)에 의해 추가로 설명된다.
상기 튜브형 격납 부재는 상이한 재료들의 무한층들로 제조되는데, 이때 "무한(continuous)"이란 말은 특정 재료의 스트립이나 웹이 무한 나선으로 감긴 것을 의미한다. 그러나, 반드시 상기 특정 재료의 각 나선이 다른 재료의 나선과 동일한 횟수로 감겨야 한다는 것을 의미하지는 않는다. 매 권수(turn)마다 반복된 "샌드위치 형태"의 상이한 재료를 갖는 대신에, 격납 부재의 외부에 또는 그 근처에서의 권수 또는 권수들을 위해 "샌드위치 형태"의 조성을 변화시키는 것도 또한 가능하다. 이로서 특정한 크기 및 강도 요구 조건을 갖는 다양한 사양의 플라이휠 격납 어셈블리용 격납 부재를 제조할 수 있게 된다.
본 발명에 의한 나선형으로 감긴 캐이징은 몇몇 상이한 층들의 단단한 감김(tight winding)을 제공하는데, 이는 특수 플라이휠 설계에서 파편 파열 에너지(fragment burst energy)를 관리하기 위해 요구된다. "샌드위치 형태"의 층들이 단단히 감겨 있기 때문에, 튜브형 격납 부재의 벽 두께는 최근의 "고체로부터 가공된" 단일 격납 캐이징의 두께보다 더 얇을 수 있고, 따라서 더 가볍다. 동시에, 단단히 감긴 층들 때문에, 플라이휠의 기계적 파괴 동안 유출된 운동 에너지의 흡수, 및 파괴된 플라이휠의 파편 부분이 형성된 튜브형 격납 부재를 완전 관통하는 것을 방지하는데 대한 이들의 효율성은 개선된다.
본 발명의 추가적 측면에 의하면, 구조 재료의 제 1 층은 강 스트립이고, 상기 강은 고강도 저-합금강, 베이나이트 강 TWIP 등급 및 중탄소강 내지 고탄소강으로 이루어진 그룹에서 선택된다. 이 층에 대해서는, 또한 게이지 및 표면 경도 특성은 플라이휠 격납 어셈블리를 위한 요구 조건에 의해서도 결정된다. 이러한 제 1 층 또는 다른 강 층의 성능은 또한 화학적 또는 열-처리에 기초한 표면 처리를 사용하여, 예를 들어 인성(toughness) 또는 경도를 보강함으로써 개선될 수 있다.
격납부 "샌드위치 형태"의 하나 이상의 연속층들의 일부에 사용되는 강은 통상 연신율과 강도 특성이 양호한 것들이어서, 상기 재료로 제조된 케이징 어셈블리에서, 파편이 내부 강층들을 통과하여 절단될 때 변형된 결과로서 표면 에너지 및 강의 연신에 기인한 에너지 흡수에 의하여, 파괴된 플라이휠 파편들의 운동 에너지의 일부를 흡수하게 된다.
나선형으로 감긴 제 1 층 또는 강 재료의 가장 내층은, 초기의 탄도 저항성(ballistic-resistant) 표면을 제공하는 외에, 또한 튜브형 격납 부재를 포함하는 섬유 및 다른 금속 재료의 연속 샌드위치 형태의 연속층들을 위한 지지층으로 사용된다.
하나 이상의 연속층들은 알루미늄, 알루미늄 합금, 섬유 재료 및 합금강으로 이루어진 재료의 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 재료의 스트립 또는 웹으로 제조된다. 상기 섬유 재료들은 금속 또는 플라스틱 섬유 재료 또는 이들의 조합일 수 있다.
섬유 재료는 아라미드 섬유, 나일론 섬유, 유리 섬유, 탄소 섬유, 강 섬유를 포함한다. 이들 섬유 재료는 "그물(net)" 장벽을 부여하는데 사용되는데, 이들의 파편들이 전체 격납 부재에 의해 파편들에 제공된 전체 360도의 층상 장벽을 통과하여 절단될 수 있는 경우, 플라이휠 파편들의 잔여 운동 에너지를 흡수하게 된다.
하나 이상의 연속층들의 금속층들은, 통상 내부층(inter-layer)을 위한 얇은 다중 시트로서 제공될 수 있는 고신장 및 저강도의 금속들이다. 대체물로서, 이들 금속에 주름진 금속층(corrugated metal layer)으로서 하나 이상의 금속으로 된 연속층들이 제공되어 격납 공간이 증가할 수 있기 때문에, 이들의 공극은 유기, 무기 또는 공융 상-변화(eutectic phase-change) 재료로부터 적합하게 선택하여 충진되거나 또는 부분 충진될 수 있고, 상기 공융 상-변화 재료는 파편이 이들 통과하는 동안 국소적으로 생성된 발열의 결과로, 이들이 원래의 고체 상태에서 액체 상태로 변할 때 운동 에너지를 소모하게 된다.
본 발명의 추가적 측면에 의하면, 섬유 재료는 아라미드 섬유, 나일론 섬유, 유리 섬유, 탄소 섬유 및 강 섬유의 혼합물을 포함하게 될 것이다. 또 다른 측면에서, 이들 섬유 재료는 일단 튜브형 격납 부재가 형태를 이루도록 성형되면, 건조 층을 이루거나, 습식-층상 처리(wet laid-up) 되거나, 또는 추후 고열 경화(elevated heat curing)를 위해 프리프레그(pre-preg) 수지에 매립된다(embeded).
층은 또한 얇은 시트 금속 및 섬유 재료의 대체물을 포함할 수도 있는데, 상기 섬유 재료는 프리프레그 수지 내에 매립되거나, 건식 또는 연속 습식 층상 처리되어 격납 요구 조건에 적합해질 수 있을 것이다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 섬유 재료의 하나의 층 내에, 또는 섬유 재료의 상이한 층들 내에서, 섬유 재료는 서로에 대하여 상이한 배향 및 경사과 위사의 조합을 갖는 그룹으로 제공된다. 이러한 방식으로, 이들 섬유층까지 격납 케이징을 관통하는 플라이휠의 파편들을 붙잡을 수 있는 "그물-유사" 구조가 생성된다.
제 1 층 및 이와 같이 형성된 복수의 연속적인 샌드위치 층들은 하나의 완전한 권수(turn)를 초과하여 연장하여, 나선형으로 감긴 튜브형 격납 부재를 형성한다.
본 발명은 또한 상기 설명에 따른 튜브형 격납 부재를 포함하는 플라이휠용 격납 어셈블리를 제공하며, 상기 격납부는 말단 부재의 양쪽 맞은 편에 탑재된다. 추가의 측면에 의하면, 격납부는 축상에 고정되거나, 그렇지 않으면 격납 부재에 대하여 제자리에 유지되는 이들 말단 부재 안으로 절단된 홈(groove) 내에 유지되며, 이로 인하여 상기 파열(burst event) 동안 에너지 분산이 추가로 발생하는데, 이는 격납 부재가 이들 말단 부재 안으로 형성된 홈 내에서 "회전(spin)"할 수 있거나 또는 그렇지 않기 때문이다. 말단 부재는 또한 그 다음에 플라이휠 상의 스핀들(spindle)에 부착되는 베어링을 유지하며, 이에 의해 회전축 상에 상기 플라이휠을 유지시켜, 튜브 케이징이 예컨대 차량 섀시에 전체 어셈블리를 장착하는데에도 또한 사용될 수 있게 한다.
플라이휠 파괴가 개시됨에 따라, 플라이 휠은 단일 위치 또는 가끔 다중 위치에서 파손되고, 이후 크고 작은 조각들로 파편화하는데, 그 각각의 조각은 회전축으로부터 반경 방향 및 접선 방향(tangential velocity)으로 고속으로 날아간다. 최악의 경우, 플라이휠은 두 개 또는 세 개의 큰 조각들로 파손되어 통상 플라이휠의 회전축에 대해 높은 접선 방향 속도(약 1000m/s)로 이동한다.
이러한 파편 조각들은 이후 튜브형 격납 부재의 내벽에 속도의 접선 방향 및 반경 방향 성분으로 충격을 준다. 각 파편의 에너지에 따라서, 이들 파편은 방향을 바꾸거나 또는 더욱 가능성 있기로는 격납부를 구성하는 제 1층 및 하나 이상의 연속층을 점차 관통할 것이다. 파편은 통상 처음 감긴 안쪽의 단단한 제 1 층, 및 그 후 제 1 감김에 의한 상기 파편의 속도를 늦출 수 있는 점차 부드러워지는 층들과 만나며, 상기 점차 부드러워지는 층들은 또한 더 큰 파편들이 작은 조각들로 분쇄됨에 따라 더 작은 파편 크기의 것들에도 대처한다. 이들 더 작은 파편은 이후 감긴 단단한 층과 다시 만나고, 그 파편들이 점차 더 작은 에너지로 이들 샌드위치 형태의 각 층을 관통할 때 상기 공정을 반복한다. 파편 격납에 이러한 적층/샌드위치 장벽 접근을 사용하는 것은, 케이징 튜브가 단일/고체 재료로 제조된 경우 단일 크랙을 추가로 분할하기보다는 오히려 각 층에 새로운 크랙을 반드시 재생성할 것을 보장한다. 따라서, 제안된 나선형으로 감긴 튜브형 격납 부재에 의해, 흡수된 에너지는, 단일 주조 또는 기계 가공된 고체 격납 케이징 내에서 플라이휠이 파손되는 경우에 비해, 제 1 층 및 하나 이상의 연속층에서 열, 변형 표면 에너지로 분산된다.
본 발명에 의한 튜브형 격납 부재에서, 격납벽의 상세(예를 들어 강의 등급 및 게이지, 아라미드, 탄소 섬유 및 다른 재료의 상세)는 또한 튜브형 격납 부재로 형성되는 샌드위치 층들의 재료 및 두께의 선택을 통하여, 그리고 이렇게 형성된 케이징 상에서의 완전 감김 횟수 (및 따라서 격납부 벽 두께)의 선택을 통하여, 특정 플라이휠 타입에 대해 파편을 포함하는데 필요한 직경, 성능, 질량 및 비용에 맞게 용이하게 구성될 수 있다.
추가로, 튜브형 격납 부재를 형성하는 나선의 방향은 또한 플라이휠의 회전 방향에 대하여 용이하게 구성될 수 있으며, 이로 인해 최적 성능, 중량 및 제조 비용으로 가능한한 최장의 파괴 이벤트 시간 주기동안 최고의 에너지 흡수 특성을 전달한다.
본 발명은 또한 하기의 단계를 포함하는, 플라이휠 격납부용 튜브형 격납 부재를 제조하는 방법을 제공한다:
- 구조 재료의 제 1 층을 위한 강 스트립을 선택하는 단계로서, 상기 강이 고강도 저합금 강, 베이나이트 강, TWIP 강 등급 및 중탄소강 내지 고 탄소강으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 단계;
- 알루미늄, 알루미늄 합금, 섬유 재료 및 합금강으로 이루어진 재료의 그룹으로부터 하나 이상의 연속층 각각을 위한 스트립 및 웹의 재료를 선택하는 단계;
- 제 1 층 및 하나 이상의 연속층의 스트립을 나선형으로 감아, 상응하게 형성된 튜브형 격납 부재의 내벽이 제 1 층의 구조 재료에 의해 형성되도록 하는 단계.
상이한 층들은 적어도 하나의 권수(turn) 초과에 걸쳐 연속 스트립 또는 웹으로 감긴다. 대부분의 경우에, 최종의 튜브형 격납 부재는 상이한 무한층들의 여러 개의 권수로 이루어진다. "무한(contineous)"이라 함은 특정층의 재료가 무한한 것을 의미하며, 격납 부재의 모든 권수들에서 무한해야 할 필요가 있다고 의미하는 것은 아니다. 상기 연속층의 제 1 층 또는 어느 층은, 하나 이상의 권수 이후 다른 재료의 스트립 또는 웹과 연속될 수 있다. 제 1 층 또는 연속층은 또한 하나의 권수 또는 추가의 권수의 일부에 대해서도 무한하여, 튜브형 격납 부재를 위한 균일한 외부 표면을 제공한다.
튜브형 격납 부재의 내벽을 형성하는 샌드위치 형태의 층들 중 제 1 층에 대해 선택된 강은, 통상 저비용의 구조 재료에 양호한 표면 경도 및 인장율의 목적에 맞는 신장률과 강도 특성을 제공하는 강이다.
계속되는 샌드위치층에 사용되는 금속은, 바람직하게는 직선형 또는 직조된 "의류" 섬유 재료, 또는 주름진 시트 금속 재료로 구성된 얇은 다중 시트로서 제공될 수 있는 고 신장성 재료이다.
섬유 재료층은 아라미드 섬유, 나일론 섬유, 유리 섬유, 탄소 섬유, 강섬유, 예를 들어 타이어코드(tyre cord), 또는 다른 금속 섬유(단일 또는 다중의 위사 섬유(weft fabric)로 직조되고, 상기 플라이휠 회전축에 적합하게 배향된 위사과 경사 방향을 가짐)로 구성될 수 있어, 이들 파편 포획 및 에너지 흡수 효과가 최대화된다.
본 발명의 추가적 측면에 의하면, 하나 이상의 연속층은 경화성 레진에 함침된 섬유 재료를 포함하여, 함침된 층을 포함하는 하나 이상의 적용된 연속층들 및 제 1 층의 구조 재료의 스트립이 이후 추후-상온 제조 또는 고온 경화 공정을 거친다.
경화 공정은 층들이 튜브형 격납 부재로 감긴 이후에 실시될 수 있거나, 또는 튜브형 격납 부재가 형성될 때 적절한 장비를 사용하여 층들이 맨드릴로 감겨들어가는 시점에서 경화가 개시될 수 있다.
제 1 층 및 하나 이상의 연속층들은 바람직하게는 별도의 공급원로부터 연속 또는 반-연속 생산 라인으로 공급되어, 다중층의 나선형으로 감긴 튜브형 격납 부재를 형성한다. 별도의 코일 상에 상이한 재료들을 사용함으로써, 이들 코일이 격납부 내의 원하는 연속층들에 맞게 배치되기가 용이하다.
재료의 상이한 층들을 튜브형 격납 부재로 감는 대체물로서, 중간 생성물로서 다층의 "샌드위치 형태의" 스트립이 감긴 코일이 제공되는데, 상기 스트립은 다수의 튜브형 격납 부재에 충분할 정도의 길이를 갖는다. 생산 현장에서, 다층 재료를 중간 코일로부터 적절한 길이로 절단하여, 상세에 따라 튜브형 격납 부재로 나선형으로 감을 수 있다. 스트립은 또한 이를 원하는 길이로 절단하기 전에, 맨드릴 또는 이와 유사한 것에 먼저 감길 수도 있다.
튜브형 격납 부재의 적절한 내부 실린더 형태 및 치수를 얻기 위하여, 케이징은 통상 명목상 원형 단면(제한되지 않음)의 맨드릴 또는 이와 유사물의 둘레에 샌드위치 형태의 재료를 연속 권취하여 감음으로써 형성될 것이다. 첫번째 감김의 개시 말단을 맨드릴로 고정하는 수단이 맨드릴 설계 내에 포함될 것이다.
일단 튜브형 격납 부재로 제조되면, 권취된 튜브는 맨드릴로부터 제거되어, 오토 클래이브 또는 프리프레그 섬유 재료가 사용될 경우와 유사한 열 경화 장치로 전달될 때 당업계에 유용한 몇가지 기계적 제한 중 하나가 권취된 튜브의 형태 유지를 위해 사용될 것이다. 추가로, 동일한 최종 내부 직경을 갖는 다중 케이징은, 연속적인 각 샌드위치 층을 만드는 복합 샌드위치 스트립 재료를 분할함으로써 제조될 수 있고, 이것은 상기 다중 케이징이 벌크의 단일층 재료 코일로부터 풀려서 격납 "튜브" 어셈블리의 평행 구조가 가능해지기 때문이다.
본 발명에 의한 방법은 격납 케이징이 연속 공정으로 이루어져 비용이 저렴해지고, 복합 금속 내부층들의 강 게이지, 등급 및 갯수의 구성을 통하여, 뿐만 아니라 직조된 섬유 및 직조된 폴리머 메트릭스 및 경화 시스템 요소의 구성에 의해, 상이한 플라이휠 에너지 저장 장치 설계들의 파편 에너지 격납 요구 조건에 저항하도록 구성될 수 있는 점에서 종래 기술에 비해 개선되었다. 추가로, 상기 방법은 하나의 공정에서 재료(금속, 비-금속, 섬유 등)의 몇몇 층을 튜브형 격납 부재로 유도하는 신속하고 단순한 구조의 산업적으로 가능한 수단을 제공한 후, 라인 제조 공정에서 전체 튜브형 격납 부재의 공동-경화 또는 추후 경화를 실시한다.
도면에서, 구조 재료의 가장 안쪽의 제 1층(2)을 갖는 맨드릴(mandrel)(1) 위로 예시적 격납 케이징의 제조 방법이 나타나 있는데, 상기 제 1 구조층은 강하고 고인성의 강 스트립, 예컨대 S900, S960, 고강도 베이나이트 강, 또는 적절한 연신률, 강도 및 인성(toughness) 성능을 보이는 다른 고탄소강이다.
다음의 층(3)은 예비-함침된 직조 아라미드 섬유를 포함하며, 이는 다양한 직조, 섬유 각도의 조합 및 두께를 가질 수 있다.
연속층들(4, 5)는 예컨대 약 45/45 도 탄소 섬유의 프리프레그 층들이 개재된(interspersed) 얇지만(0.1mm) 고연신률의 강 시트를 사용하여 형성된다.
최외각층(6)(제 1의 강 층(2)에서 가장 먼 층들)은 추가로 2000-4000 MPa 최대 인장 강도의 타이어 코드 및 프리-프레그 유리 섬유가 개재된 얇은 강 및/또는 알루미늄 시트를 포함하여, 저속이지만 고온의 파편들을 추가로 격납한다.
강 층들 및 섬유로 된 내부층을 위한 재료는, 통상의 상이한 산업용 플라이휠 설계, 예컨대 철도 및 발전용 플라이휠 시스템을 위해서는 층이 두껍고 그리고/또한 더욱 권취된 것을 선택하고, 예컨대 자동차 및 다른 모바일용 플라이휠 시스템 응용 분야를 위해서는 더 얇고 그리고/또한 더 적은 층들에서 요구되는 것을 선택한다. 다이아그램에 나타난 것보다 더 많거나 더 적은 층들이 있을 수 있고, 그 층들을 위한 순열(permutation)은 플라이휠 타입에 따른 에너지 격납 필요성에 적합하도록 구성될 수 있다. 추가로, 분할(slitting) 단계 뿐만 아니라 라인 습식 층상 처리(layup) 및 예비 경화 단계(7)는 벌크 재료 코일과 맨드릴 사이에 삽입될 수 있다.
강 층들 및 섬유층들을 위한 재료를 선택하기 위하여, 원하는 플라이휠 설계 직경 및 안전 케이스 속도에서 최악의 경우의 파편 격납을 위한 요구 조건과 관련된 파편 운동 에너지 수준이 확립될 것이다.
그 정보에 기초하여, 파편화 격납에 적합한 강 등급 (및 다른 금속 내부층 등급), 갯수, 게이지 및 너비가 구성된다. 추가로, 파편 에너지 격납 요구 조건을 만족하는 직조 섬유 내부층와 매트릭스 접착제의 조합도 또한 정의될 것이다.
요구되는 강의 게이지 및 등급과 다른 금속 등급은 인성, 변형율(strain rate) 민감도, 표면 경도, 연신율, 용접성, 항복 강도, 최대 인장 강도, 밀도 및 비용에 기초하여 선택될 것이다.
복합체 등급 및 섬유 재료 선택(층상 방향 포함)은 인장 강도, 수지 메트릭스 결합, 에너지 흡수 성능, 중량 및 비용에 기초하여 이루어질 것이다.
0.15mm 내지 2.5mm의 강(예를 들어, S960, TWIP 패키징 및 이중상 등급과 같은 등급 포함)은 인성, 연성 및 에너지 흡수 요구 조건에 적합하게 선택될 수 있다. 프리프레그 탄소 섬유 및 아라미드 등급은 비용 및 강도, 뿐만 아니라 이들의 오토클래이브 경화 온도 및 성능 프로파일에 대한 적합성의 이유로 선택될 수 있다.
튜브형 격납 부재를 위한 재료 및 구조가 정의된 경우, 특정된 재료는 연속 생산 라인에 공급되어 다중층의 튜브형 격납 부재를 형성한다.
얻어진 직경 및 벽 두께를 갖는 "나선 모양으로 감긴(spiral-wrapped)" 튜브형 격납 부재는 이후 레진 시스템과 선택된 강 등급에 적합한 방식으로 경화되는데, 이는 적절한 온도의 베이킹, 및/또는 예컨대 타이어 코드와 같은 강 섬유를 샌드위치 층들에 이용하는 금속 연결(metal joining) 방법들을 사용하여, 최종 구성 요소의 오븐-경화를 사용하는 것을 포함할 수 있다. 온라인 경화 수단도 또한 고려된다. 케이징 튜브를 형성된 튜브에 따른 열수축 유연관(heat-shrunk)에 적합한 모양으로 유지하거나, 또는 기계적인 클램핑 배열은, 레진이나 다른 접착성 매트릭스가 경화될 때 사용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 플라이휠 격납 어셈블리용 튜브형 격납 부재로서,
    상기 튜브형 격납 케이징 부재는 상이한 재료의 층들로 구성되며,
    상기 튜브형 격납 케이징 부재의 상이한 재료의 층들은 서로에 대해 나선형으로 감긴 무한층들이며, 상기 무한층들은 구조 재료의 제 1 층, 및 하나 이상의 상이한 재료로 구성된 하나 이상의 연속층들을 포함하며, 상기 튜브형 케이징 부재의 내벽은 상기 제 1 층의 구조 재료에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 격납 부재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층의 구조 재료는 강 스트립이고, 상기 강은 고강도 저합금강, 베이나이트 강 TWIP 등급, 및 중탄소강 내지 고탄소강으로 이루어진 그룹에서 선택되는, 격납 부재.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 연속층들은 알루미늄, 알루미늄 합금, 섬유 재료 및 합금 강으로 이루어진 재료의 그룹에서 선택되는 하나 이상의 재료의 스트립 또는 웹으로 제조되는, 격납 부재.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 섬유 재료는 아라미드 섬유, 나일론 섬유, 유리 섬유, 탄소 섬유, 강 섬유를 포함하는, 격납 부재.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 섬유 재료는 경화된 수지에 매립된, 격납 부재.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 섬유 재료의 하나의 층 내에서, 또는 섬유 재료의 상이한 층들 내에서, 섬유들은 서로에 대하여 상이한 경사 및/또는 위사 방향을 갖는 그룹으로 제공되는, 격납 부재.
  7. 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    하나 이상의 금속층 내의 금속은 주름진 금속(corrugated metal)인, 격납 부재.
  8. 제 7 항에 있어서,
    주름에 의해 형성되는 공극은 상-변화 재료로 충진되어 파편 에너지 흡수를 더욱 보강하는, 격납 부재.
  9. 제 3 항 내지 제 8 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    제 1 층 및 연속층들의 각각은 나선형으로 감긴 케이징 부재의 하나 초과의 권수(turn)에 걸쳐 연장되는, 격납 부재.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 하나의 항에 기재된 튜브형 격납 부재를 포함하는 플라이휠 격납 어셈블리로서,
    형성된 격납 부재는 격납 어셈블리의 각 말단 부재 안으로 절단된 홈 내의 대향면 상에 장착되는, 플라이휠 격납 어셈블리.
  11. 하기의 단계를 포함하는 플라이휠 격납 어셈블리용 튜브형 격납 부재의 제조 방법:
    - 구조 재료의 제 1 층을 위해 강 스트립을 선택하는 단계로서, 상기 강은 고강도 저-합금 강, 베이나이트 강, TWIP 강 등급 및 중탄소강 내지 고탄소강으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되고;
    - 하나 이상의 연속층들을 위한 스트립 또는 웹의 재료를 알루미늄, 알루미늄 합금, 섬유 재료 및 합금 강으로 이루어지는 재료의 그룹으로부터 선택하는 단계; 및
    - 제 1 층 및 하나 이상의 연속층의 스트립을 나선형으로 감아서, 이에 따라 형성된 튜브형 격납 부재의 내벽이 구조 재료의 제 1 층에 의해 형성되게 하는 단계.
  12. 제 11 항 에 있어서,
    상기 하나 이상의 층들은 경화성 레진이 함침된 섬유 재료를 포함하며, 상기 나선형으로 감긴 층들은 경화 공정을 거치는, 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 경화 공정은 제 1 층 및 연속층들을 튜브형 격납 부재로 감은 이후에 실시되는, 방법.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 섬유 재료는 연속 습식 층상 공정을 사용하여 함침 및 경화되는, 방법.
  15. 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 층들은 명목상 원형 또는 다른 형태의 단면을 갖는 맨드릴 둘레에 감기는, 방법.
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