KR20170094235A - 비틀림-파괴가능 기계식 퓨즈 및 이러한 퓨즈가 끼워맞춤된 터빈 엔진의 냉각 유닛 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동일한 회전 축(7) 주위에서 각각 회전하는 수용 부재(10)와 구동 부재(8, 9) 사이에 고정되게 장착된 기계식 퓨즈에 관한 것으로, 상기 퓨즈는 퓨즈가 상기 구동 부재(8, 9)와 수용 부재(10) 사이에 장착되면 회전 축(7)에 평행한 종방향으로 연장되는 몸체(13)를 포함한다. 본 발명에 따라, 상기 몸체(13)는 복수의 종방향 바(14)를 포함하고, 각각의 종방향 바(14)는 파괴가능 기계식 퓨즈를 형성하기 위하여 굽힘에 의해 변형된다.

Description

비틀림-파괴가능 기계식 퓨즈 및 이러한 퓨즈가 끼워맞춤된 터빈 엔진의 냉각 유닛{TWIST-BREAKABLE MECHANICAL FUSE AND COOLING UNIT OF A TURBINE ENGINE FITTED WITH SUCH A FUSE}

본 발명은 비틀림-파괴가능 기계식 퓨즈에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 기계식 퓨즈가 끼워맞춤된 터빈 엔진의 냉각 유닛에 관한 것이다.

많은 기술적 분야에서, 특히 항공 응용에서, 미리정해진 값 초과의 대향력으로 구성된 토크가 커플링에 가해질 때 파괴될 수 있는 기계식 샤프트의 커플링을 가질 필요가 종종 있다. 이 기능에 따라 이들 커플링의 다운스트림에 있는 구성요소를 보호할 수 있다. 이를 위하여 샤프트 라인 상에 비틀림-파괴가능 섹션을 제공하는 것은 공지되었다. 이러한 비틀림-파괴가능 섹션은 미리정해진 값 초과의 대항력으로 구성된 토크의 작용에 노출 시에 파괴될 수 있는 특정 특징을 갖는다.

샤프트 라인 상에 비틀림-파괴가능 섹션을 형성하기 위한 공지된 해결 방법은 이의 직경이 국부적으로 감소된 중실 샤프트의 사용을 포함하며, 이에 따라 더 작은 직경의 상기 부분이 토크가 미리정해진 값을 초과할 때 파괴될 수 있다.

이 해결 방법의 단점들 중 일 단점은 파괴가능 섹션이 파괴될 때 일부 응용에서 샤프트에 연결된 구성요소들 모두의 제거를 필요로 하는 전체 샤프트를 교체해야 하는 데 있다. 이는 특히 터빈 엔진의 냉각 유닛에 따른 경우이다. 냉각 유닛은 피니언을 지지하는 샤프트 상에서 캔틸레버식으로 장착된 임펠러 및 피니언을 포함한다. 국부적으로 직경이 감소된 샤프트 상에 형성된 파괴가능 섹션이 파괴되는 경우, 구동 샤프트를 교체할 수 있도록 냉각 유닛에 연결된 리듀서 모듈과 임펠러를 제거할 필요가 있다. 이에 따라 이러한 파괴가능 섹션은 복잡해지며 구현하기가 매우 곤란해진다.

게다가, 예를 들어, 냉각 유닛 임펠러에 다른 경우와 같이 최대 토크가 매우 낮은 경우, 파괴가능 섹션이 작을 수 있어서 이는 상당한 설치 제약(파괴가능 섹션을 스트레싱하지 않기 위해) 및 작동 제약(샤프트 라인의 동역학, 조종 하중 하에서의 운동)이 야기될 수 있다.

샤프트 라인 상에 비틀림 파괴가능 섹션을 제공하기 위한 또 다른 해결방법은 그 내부 또는 외부 벽 상의 재료를 국부적으로 감소시키는 중공 샤프트를 사용하는 것을 포함한다. 이 해결방법에는 여전히 이전 해결방법의 단점이 있다. 또한, 이 해결방법의 파괴 토크에 대한 사이징은 적절히 제어하기에 너무 얇은 두께를 제공한다.

다른 해결방법은 하나의 기계식 구성 요소를 다른 구성 요소로 수축시키고 슬라이딩 력을 제어하는 것이다. 이 해결방법의 단점 중 하나는 해당 구성 요소의 작동 온도 범위에서 슬라이딩을 적절하게 제어하는 것이 어렵다는 것이다. 이러한 단점으로 인해 이 해결방법은 특히 터빈 엔진 냉각 유닛에 적합하지 않다.

따라서, 터빈 엔진의 구성 요소들의 기계적인 커플링에서 비틀림 파괴가능 섹션을 제공하기 위한 개선된 해결책을 제공할 필요가 있다. 이러한 필요성은 특히 터빈 엔진 냉각 유닛에서의 사용에 대해서만 나타나지만 전적으로는 아니다.

특히, 임의의 특별한 어려움 없이 그리고 특히 이 커플링에 의해 영향을 받는 기계적 구성 요소의 완전한 분리를 요구하지 않고 이 파괴가능 섹션을 대체할 수 있는 해결방법을 가질 필요가 있다.

본 발명은 터빈 엔진에서의 기계적 커플링에서 비틀림 파괴가능 섹션을 제공하기 위한 공지된 해결방법의 단점 중 적어도 일부를 극복하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또한 본 발명의 적어도 하나의 실시 형태에서, 조립 및 굽힘 응력에 대해 본질적으로보다 견고한 파괴가능 섹션을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 본 발명의 적어도 하나의 실시 형태에서 특별한 어려움 없이 조작자에 의해 대체될 수 있는 파괴가능 섹션을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 파괴가능 섹션을 구비한 냉각 유닛을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해, 본 발명은 구동 부재로 지칭되는 기계식 구동 부재와 동일한 회전 축 주위에서 각각 회전하는 수용 부재로 지칭되는 기계식 피동 부재 사이에서 터빈 엔진 내에 고정되게 장착되는 기계식 퓨즈에 관한 것이다.

본 발명에 따른 퓨즈는 퓨즈가 상기 구동 부재와 수용 부재 사이에 장착되면 회전 축에 평행한 종방향으로 연장되는 몸체를 포함한다.

상기 몸체는 복수의 종방향 바를 포함하고, 각각의 종방향 바는 파괴가능 기계식 퓨즈를 형성하기 위하여 모든 바에 비틀림 모멘트가 인가되는 상태에서 굽힘에 의해 변형된다.

따라서, 본 발명은 터빈 엔진에서의 기계식 부재들의 커플링에서 비틀림 파괴가능 섹션을 제공하기 위한 새로운 해결방법을 제안한다. 이 해결방법은 2개의 기계식 부재를 상호연결하는 인서트인 기계식 퓨즈를 사용하는 것을 포함한다. 따라서 이 인서트는 파괴가능 섹션이 파괴된 경우에 교체될 수 있다. 이 기계식 퓨즈는 각각 비틀림 모멘트의 작용 하에 만곡시킴으로써 변형가능한 복수의 바를 포함하는 특정 특징을 갖는다.

이 퓨즈에 의해 연결된 기계식 부재의 회전 축에서 종방향으로 제공된 일련의 바는 비틀림 파괴가능 퓨즈를 형성한다. 즉, 퓨즈의 비틀림에 대한 저항은 바의 굽힘에 대한 저항에 따른다. 본 발명에 따른 퓨즈는 굽힘 강성을 증가시켜 불균형에 대한 감도를 감소시킨다. 즉, 본 발명에 따른 퓨즈는 부적합한 방식으로 파괴되는 종래 기술의 파괴가능 섹션보다 덜 비틀림 파괴가능 섹션을 형성하는 것을 가능하게 한다.

또한, 본 발명에 따른 퓨즈는 바의 개수, 바의 길이, 바의 폭, 바의 두께, 바의 단면 및 파의 모든 치수적 및 기하학적 특징의 결정을 통하여 파괴가능 섹션의 개선된 사이징을 허용한다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 기계식 퓨즈는 구동 부재에 퓨즈의 가역가능 커플링을 위한 수단을 포함하고, 상기 수단은 원위 단부로 지칭된 몸체의 종방향 단부에 배열된다.

바람직하게는 본 발명에 따라서, 상기 몸체의 상기 원위 단부는 구동 부재의 원통형 또는 원뿔형 부분에 적합한 원통형 부분 또는 원뿔형 부분을 갖는다. 이들 부분은 가역가능 커플링 수단을 형성한다.

구동 부재와 기계식 퓨즈 사이의 원뿔형 또는 원통형 연결부에 따라 수용 부재 내에서의 불균형을 제한할 수 있도록 최소의 이심률(eccentricity)을 제공할 수 있다. 특히, 본 발명의 변형예에 따른 기계식 퓨즈는 기계식 퓨즈에 의해 피니언 상에 캔틸레버식으로 장착된 임펠러와 냉각 유닛의 피니언 사이의 연결 부분으로서 사용되고, 원뿔형 연결부는 밸런싱 기준을 형성한다. 이에 따라 각각의 조립 중에 임펠러와 피니언 사이의 연결이 동일하게 반복될 수 있는 것이 보장된다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 퓨즈는 구동 부재에 퓨즈의 가역가능 커플링을 위한 수단을 포함하고, 상기 수단은 근위 단부로 지칭되는 상기 몸체의 종방향 단부에 배열된다.

바람직하게는 본 발명에 따라서, 상기 몸체의 상기 근위 단부는 수용 부재에 부착되기에 적합한 부착 플레이트를 포함한다. 이 부착 플레이트는 가역가능 커플링 수단을 형성한다.

이에 따라서, 이 변형예에 따른 기계식 퓨즈의 조립 및 분해가 특히 용이해진다. 게다가, 터빈-엔진 냉각 유닛에서 사용 시에, 퓨즈는 특히 유닛의 리듀서를 제거할 필요 없이 분리 및 교체될 수 있다.

바람직하게는 본 발명에 따라서, 몸체는 중공 구조이며, 중공 몸체에 따라 몸체의 중심에서 부착 요소가 배제될 수 있다. 바의 사용에 따라 쉽사리 기계가공되도록 재료의 두께를 유지할 수 있고 이의 치수는 파괴가능 섹션의 파괴 토크 범위를 제어할 수 있다. 이들 부착 요소는 예를 들어, 퓨즈의 원위 단부까지 중공 몸체 내에 수용된 나사 또는 너트를 포함한다. 이들 부착 요소는 원뿔형 부분과 관련하여 구동 부재 상의 퓨즈의 조립체에 기여한다.

바람직하게는 본 발명에 따라서, 기계식 퓨즈는 구동 부재의 원뿔형 부분 상에서 원위 단부의 원뿔형 부분을 지지하도록 배열하고 근위 단부를 통하여 중공 몸체 내에 수용된 스트럿을 추가로 포함한다.

스트럿의 사용에 따라 나사/너트 타입의 부착 요소에 대한 접근을 용이하게 하고 기계식 퓨즈의 내측 직경을 제한할 수 있다. 게다가, 구동 부재의 원통형 부분 상의 원위 단부의 원뿔형 부분의 이 지지에 따라 기계식 퓨즈에 의해 구동 부재에 의하여 수용 부재의 회전 구동을 제공할 수 있다.

바람직하게는 본 발명에 따라서, 상기 스트럿은 퓨즈의 기계식 파괴 시에 상기 수용 부재의 축방향 운동을 제한할 수 있다. 스트럿 상에 제공된 숄더는 기계식 퓨즈에 의해 형성된 파괴가능 섹션의 파괴 시에 수용 부재의 축방향 운동을 차단할 수 있다.

또 다른 변형예에 따라서, 기계식 퓨즈는 구동 부재의 원뿔형 부분 상에 지지되도록 원위 단부의 원뿔형 부분을 배열하기 위하여 중공 몸체 내에 직접 수용된 나사를 추가로 포함한다.

바람직하게는 본 발명에 따라서, 몸체는 몸체 주위에 균일하게 분포된 3개의 바를 포함한다.

다른 변형예에 따라서, 기계식 퓨즈는 3개 초과의 바를 포함할 수 있다.

본 발명은 또한 샤프트 상에 캔틸레버식으로 장착된 임펠러 및 구동 샤프트를 포함하는 터빈 엔진의 냉각 유닛에 관한 것으로 이는 본 발명에 따른 기계식 퓨즈를 포함한다.

본 발명은 또한 터빈 엔진의 냉각 유닛 및 기계식 퓨즈에 관한 것으로 전술된 또는 후술된 특징부 모두 또는 일부에 의해 조합된다.

도 1은 구동 샤프트, 구동 샤프트 상에 캔틸레버식으로 장착된 임펠러, 및 구동 샤프트의 직경 감소에 의해 형성된 비틀림 파괴가능 섹션을 포함하는 종래 기술에 따른 터빈 엔진의 냉각 유닛의 단면도.
도 2는 구동 샤프트, 구동 샤프트 상에 캔틸레버식으로 장착된 임펠러, 및 본 발명의 실시 형태에 따른 기계식 퓨즈에 의해 형성된 비틀림 파괴가능 섹션을 포함하는 본 발명의 실시 형태에 따른 터빈 엔진의 냉각 유닛의 단면도.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 따른 기계식 퓨즈의 사시도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시 형태에 따른 기계식 퓨즈의 바의 각각의 도식적인 단면도 및 평면도.

도면에서 비율 및 비례는 명확함과 도시의 목적으로 엄격히 고려되지 않는다. 달리 지시되지 않는 한, 도면에 대해 후술되는 상세한 설명에 걸쳐, 기계식 퓨즈의 각각의 요소는 퓨즈가 피니언 상의 캔틸레버 내에 장착된 냉각 유닛의 임펠러와 유닛의 구동 피니언 사이에 터빈 엔진의 냉각 유닛 내에 장착될 때 기재되고 배열된다. 이 배열은 도 2에 도시된다.

종래 기술의 냉각 유닛은 도 1에 부분적으로 도시된다. 이 냉각 유닛은 샤프트(9) 상에 캔틸레버식으로 장착된 임펠러(10) 및 샤프트(9) 상에 장착된 피니언(8)을 포함한다. 피니언(8) 및 샤프트(9)는 단일 부분으로 형성되고 이에 따라 하기 기재에 걸쳐서 피니언(8) 또는 샤프트(9)가 피니언(8) 및 샤프트(9)에 의해 형성된 조립체를 나타내기 위하여 사용된다. 임펠러(10)와 샤프트(9) 사이의 이 기계식 커플링(mechanical coupling)은 샤프트(9)의 직경 감소에 의해 형성된 비틀림-파괴가능 섹션(twist-breakable section, 11)을 포함한다. 이 파괴가능 섹션은 전형적으로 대략 5 mm까지 샤프트(9)의 직경의 국부적 감소에 의해 구현된다.

도 1로부터 명확한 바와 같이, 파괴가능 섹션(11)이 파괴되는 경우, 이는 샤프트(9)를 대체하기 위하여 필요하다. 게다가, 샤프트(9)에 접근하기 위하여, 임펠러(10) 및 명확함을 위해 도면에 도시되지 않은 리듀서(reducer)와 같은 이 피니언의 업스트림에 연결된 기계식 부재를 제거하기 위하여 필요하다.

도 2는 파괴가능 섹션(11)이 본 발명의 실시 형태에 따른 기계식 퓨즈(12)에 의해 대체되는 동일한 냉각 유닛의 도식적인 도면이다. 샤프트(9)의 형상 및 임펠러(10)의 형상은 본 발명에 따라 기계식 퓨즈의 장착을 허용하기 위하여 약간 변형되었다. 특히, 이 기계식 퓨즈는 중공 몸체(13), 샤프트(9)의 일 단부에 대해 접합하여 배열되도록 구성된 원위 단부(20), 및 임펠러(10)에 연결되도록 구성된 근위 단부(21)를 포함한다.

이를 위해, 원위 단부(20)는 샤프트(9)의 단부에 제공된 원뿔형 부분(22)에 적합한 내부 원뿔형 부분(이 원뿔형 부분은 도 2에 도시될 수 있음)을 포함한다. 게다가, 나사(23)가 샤프트(9)와 기계식 퓨즈(12)를 고정되게 부착할 수 있도록 근위 단부(21)를 통하여 중공 몸체(13) 내에 수용될 수 있다. 이를 위해, 샤프트(9)의 원뿔형 부분(22)이 나사(23)를 수용하기에 적합한 나사산 보어를 갖는다.

나사(23) 및 원뿔형 부분(20, 22)은 샤프트(9) 상에 퓨즈(13)를 조립하기 위한 수단을 형성한다.

퓨즈의 근위 단부(21)는 부착 플레이트(25)를 포함한다. 이 플레이트는 4개의 보어(26)를 포함하고, 각각의 보어는 부착 플레이트에 임펠러(10)를 부착하기 위하여 셩크-온 핀(shrunk-on pin, 27)을 수용할 수 있다. 이를 위해, 임펠러(10)는 또한 부착 플레이트 내의 보어(26)와 마주보게 배열된 보어를 포함한다.

원뿔형 부분의 지지를 돕기 위하여, 퓨즈는 보어(13) 내에 수용된 스트럿(29)을 추가로 포함한다. 이 스트럿(29)은 기계식 퓨즈의 근위 단부를 통하여 수용된다. 이 스트럿에 따라 샤프트(9)의 원뿔형 부분(22)이 퓨즈의 원뿔형 원위 단부(20)를 통하여 지지된다. 요구된 토크로 퓨즈의 파괴를 보장하고 마찰을 방지하기 위하여 기계식 퓨즈(12)의 몸체(13)와 스트럿(29) 사이에 반경방향 간격이 형성된다.

이 스트럿(29)은 또한 퓨즈의 기계식 파괴 시에 임펠러(10)의 축방향 운동을 제한하기 위한 숄더(30)를 갖는다. 요구된 토크로 퓨즈의 파괴를 보장하고 마찰을 방지하기 위하여 기계식 퓨즈의 플레이트(25)와 스트럿(29)의 숄더(30) 사이에 축방향 간격이 형성된다.

도면에서 실시 형태에 따른 기계식 퓨즈는 도 3에 더욱 상세히 도시된 바와 같이 중공 몸체(13) 주위에 균일하게 분포된 3개의 종방향 바(14)를 추가로 포함하고, 각각의 바(14)는 굽힘에 의해 변형되도록 구성된다. 바(14)는 굽힘에 의해 작용하고 피니언(8)에 의해 임펠러(10)의 구동과 관련된 토크를 흡수한다.

도 4a 및 도 4b는 바(14) 및 굽힘에 의한 이의 변형의 도식적인 도면이다. 도시된 바와 같이, 토크(C)가 퓨즈에 가해지는 경우, 그 뒤에 각각의 바는 중공 몸체(13)에 접선방향의 힘(F)이 가해진다. 이 힘(F)은 C=n.r.F이고 여기서 r은 회전 축(7)에 대한 중립 섬유(neutral fibre)의 반경이고, n은 바의 개수이다(본 경우에 n=3).

바이-임베디드 빔(bi-embedded beam)의 이론에 따라서, 최대 굽힘 모멘트(M)가 등식 M=F.L/2에 의해 정의되며, 여기서 L은 바의 길이이다. 도 4b는 힘(F)이 가해진 바(14)의 평면도이다. 바는 굽힘에 의해 변형된다.

다음에 빔의 단면에서 응력의 값이 빔의 어떠한 영역이든지 최대 응력과 동일할 때 바에 대한 파괴 기준을 결정할 수 있다. 이 값은 재료의 분산 및 바의 가소성(plasticisation)에 의존된다.

도면에서 실시 형태에 따라서, 각각의 바(14)는 직사각형 단면을 가지며 이의 길이는 2.95 mm이고 이의 폭은 2.9 mm이다. 중립 섬유는 샤프트의 축(7)에 대해 6.475 mm의 직경에 위치된다. 게다가, 각각의 바는 11.85 mm의 길이를 갖는다. 자연적으로, 이들 치수는 단지 예시로서 제시되고 본 발명은 이 실시 형태에 제한되지 않는다. 계산에 따라 바는 스테인리스 스틸로 제조되고 파괴 토크는 18.3 Nm 내지 40.5 Nm의 범위이다. 게다가, 실험에 따라 100 N의 반경방향 힘 하에서 종래 기술의 7545 N/mm의 굽힘 강성보다 상당히 큰 15,453 N/mm의 굽힘 강성이 수득되었다.

본 발명은 기재된 실시 형태에 제한되지 않는다. 특히 기계식 퓨즈는 터빈-엔진 냉각 유닛의 결합 이외에 설비 결합 및 3개 초과의 바를 포함할 수 있다.

Claims (10)

1. 구동 부재(8, 9)로 지칭되는 기계식 구동 부재와 동일한 회전 축(7) 주위에서 각각 회전하는 수용 부재(10)로 지칭되는 기계식 피동 부재 사이에서 터빈 엔진 내에 고정되게 장착되는 기계식 퓨즈로서, 상기 퓨즈는 퓨즈가 상기 구동 부재(8, 9)와 수용 부재(10) 사이에 장착되면 회전 축(7)에 평행한 종방향으로 연장되는 몸체(13)를 포함하고, 상기 몸체(13)는 복수의 종방향 바(14)를 포함하고, 각각의 종방향 바(14)는 파괴가능 기계식 퓨즈를 형성하기 위하여 모든 바에 비틀림 모멘트가 인가되는 상태에서 굽힘에 의해 변형되는 기계식 퓨즈.
2. 제1항에 있어서, 구동 부재(8, 9)에 퓨즈의 가역가능 커플링을 위한 수단을 포함하고, 상기 수단은 원위 단부(20)로 지칭되는 상기 몸체(13)의 종방향 단부에 배열되는 기계식 퓨즈.
3. 제2항에 있어서, 상기 몸체(13)의 원위 단부는 구동 부재의 원통형 부분 또는 원뿔형 부분(22)에 적용되는 원뿔형 부분 또는 원통형 부분을 갖는 기계식 퓨즈.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수용 부재(10)에 대한 퓨즈의 가역가능 커플링을 위한 수단을 포함하고, 상기 수단은 근위 단부(21)로 지칭되는 몸체(13)의 종방향 단부에 배열되는 기계식 퓨즈.
5. 제4항에 있어서, 몸체(13)의 근위 단부는 수용 부재(10)에 부착되도록 구성된 부착 플레이트(25)를 포함하는 기계식 퓨즈.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 몸체(13)는 중공 구조인 기계식 퓨즈.
7. 제3항, 제4항 및 제6항에 있어서, 구동 부재(8, 9)의 원뿔형 부분(22) 상에서 원위 단부(20)의 원뿔형 부분을 지지하도록 배열하고 근위 단부(21)를 통하여 중공 몸체(13) 내에 수용된 스트럿(29)을 포함하는 기계식 퓨즈.
8. 제7항에 있어서, 스트럿(29)은 퓨즈의 기계식 파괴 시에 수용 부재(10)의 축방향 이동을 제한할 수 있는 숄더(30)를 갖는 기계식 퓨즈.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 몸체(13)는 원통형이고 몸체(13) 주위에 균일하게 분포된 3개의 바(14)를 포함하는 기계식 퓨즈.
10. 샤프트(9) 상에 캔틸레버식으로 장착된 임펠러(10) 및 구동 샤프트(9)를 포함하는 터빈 엔진의 냉각 유닛으로서, 임펠러(10)와 구동 샤프트(9) 사이에 배열되는 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 기계식 퓨즈를 포함하는 냉각 유닛.

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