KR20190066539A - 토크 제어된 콜렉티브 피치가 있는 회전익기용 로터 조립체 - Google Patents

토크 제어된 콜렉티브 피치가 있는 회전익기용 로터 조립체 Download PDF

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모리츠 부에싱
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에어버스 헬리콥터스 도이칠란트 게엠베하
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Abstract

본 발명은 회전익기용 로터 조립체(1)에 관한 것으로서, 이러한 로터 조립체(1)는 로터 샤프트(8), 상기 로터 샤프트에 회전 가능하지 않게 장착되는 토크 전달 유닛(4), 연관된 각 변위 가능 성분(9)을 거쳐 상기 로터 샤프트(8)에 회전 가능하게 장착되는 로터 허브(7), 및 상기 로터 허브(7)에 연결되는 적어도 2개의 로터 블레이드(2b, 2d)를 포함하고, 상기 토크 전달 유닛(4)은 피치 제어 유닛(10)을 거쳐, 로터 조립체 유출측에서 적어도 2개의 로터 블레이드에 결합되며, 상기 피치 제어 유닛은 상기 로터 샤프트(8)로부터 상기 토크 전달 유닛(4)으로 인가되는 토크를 적어도 2개의 로터 블레이드(2b, 2d)에 전달하고, 만약 토크가 증가한다면 상기 피치 제어 유닛(10)이 적어도 2개의 로터 블레이드(2b, 2d)의 각각의 피치 각도를 증가시킨다.

Description

토크 제어된 콜렉티브 피치가 있는 회전익기용 로터 조립체{A ROTOR ASSEMBLY FOR A ROTORCRAFT WITH TORQUE CONTROLLED COLLECTIVE PITCH}
본 발명은 회전익기용 로터 조립체에 관한 것이다. 더 나아가, 본 발명은 그러한 로터 조립체를 가지는 회전익기에 관한 것이다.
회전익기의 로터 조립체는 그러한 회전익기가 작동하는 동안 미리 결정된 방향으로 추력을 생성하기 위해 제공된다. 로터 조립체에 의해 생성된 추력은 2가지 상이한 방식, 즉 주어진 로터 조립체의 각각의 회전 속도를 제어함으로써, 또는 주어진 로터 조립체의 각각의 로터 블레이드의 주어진 공기역학적 프로필의 각각의 공기역학적 양력 계수를 제어함으로써 제어될 수 있다. 각각의 공기역학적 양력 계수는 보통 작동중인 로터 블레이드의 근본적인 피치 각도를 조정함으로써 제어된다.
더 구체적으로, 주어진 로터 조립체의 회전 속도는 로터 마스트(mast), 즉 주어진 로터 조립체의 로터 샤프트(shaft)로부터 전달된 각각의 토크를 증가 또는 감소시킴으로써 제어될 수 있다. 그로 인해, 회전 속도가 가속 또는 감속될 수 있다. 하지만, 이 경우 주어진 로터 조립체의 기초가 되는 회전 관성 모멘트가 회전 속도, 즉 로터 샤프트의 가속 또는 감속에 있어서의 각각의 변화를 지연시키고, 따라서 주어진 로터 조립체의 회전 속도의 증가 또는 감소에 있어서의 각각의 변화를 지연시킨다.
이러한 회전 관성 모멘트는 주어진 로터 조립체의 각각의 기하학적 사이즈가 인자 x에 의해 선형적으로 비율에 따라 정해진다면 인자 x4만큼 증대된다. 다시 말해, 회전 관성 모멘트는 인자 x를 가지고 4제곱까지 증대된다. 그러므로 로터 조립체의 공기역학적 성질과 굽힘 강성에 관한 유익한 스케일링(scaling) 효과가 큰 로터 조립체의 질량(mass)을 감소시키기 위해 일반적으로 사용될 때에도, 회전 관성 모멘트는 각각 선택된 스케일링 인자인 x보다 훨씬 더 빠르게 증대된다.
따라서, 큰 로터 조립체들, 즉 1m보다 큰 반경을 가지는 로터 조립체에 관해서는 로터 제어를 위한 요구된 토크가 엄청나게 커진다. 하지만, 예컨대 50㎜와 500㎜ 사이에 있는 비교적 적은 로터 직경을 갖는 드론(drone)들과 같이 작은 로터 조립체에 관해서는, 로터 조립체의 회전 속도를 제어하는 것에 의해 추력 제어를 사용하는 것이 유익할 수 있는데, 이는 임의의 추가적인 액추에이터(actuator)를 요구하지 않으면서 드론들의 엔진만으로 행해질 수 있기 때문이다.
그에 반해, 피치 각도 제어에 의한 추력 제어는 각각의 로터 조립체가 일반적으로 능동적으로 또는 수동적으로 관절 연결되는(articulated) 것을 요구한다. 능동적으로 관절 연결된 로터 조립체에서는, 각각의 연관된 로터 블레이드가 관절 연결되고, 그것의 회전 방위각에 걸쳐 개별적으로 제어된다. 이는 일반적으로 복잡하고 무거우며, 각각의 로터 블레이드를 능동적으로 작용하게 함으로써 각각의 로터 블레이드를 개별적으로 조정하는 것이 필수적인 비용 집약적 피치 조정 장치들을 요구하는 사이클릭(cyclic) 피치 작용(actuation)이라고 알려져 있다.
더 구체적으로, 보통 양력 및 항력에 관해 효과적이 되기 위해, 능동적으로 작용하는 로터 조립체들에는 사이클릭 및 콜렉티브 피치 조정 장치가 제공된다. 그러므로 비축(non-axial) 유입 필드에서 작동하는 동안에도 로터 조립체들의 회전 방위각에 걸쳐 균질한 양력 분포가 달성될 수 있다. 각각의 사이클릭 및 콜렉티브 피치 조정 장치들이 있는 그러한 능동적으로 작용된 로터 조립체들에 관한 예들은 US2,684,721과 US3,508,841에 설명된다.
하지만, 사이클릭 및 콜렉티브 피치 조정 장치들은 일반적으로 비교적 큰 복잡도 및 무게를 가진 채로 구현되고, 비용 집약적이고 복잡한 제어 메커니즘, 그리고 감시 수단의 구현을 요구한다. 더 구체적으로, 그러한 사이클릭 및 콜렉티브 피치 조정 장치는 보통 스와시 판(swashplate) 또는 각각의 로터 마스트 둘레에서 축 이동 가능한 고리에 의해 움직여지는 피치 제어 로드(rod)들을 포함한다. 이들 요소는 추가 액추에이터에 의해 움직여질 필요가 있고, 따라서 이는 여분의 비용을 생성한다.
문서 US2,614,637은 사이클릭 및 콜렉티브 피치 조정 장치가 제공되고, 스로틀(throttle) 설정 및 파워, 즉 작동중인 로터 조립체의 회전 속도에 기초한 자동 로터 피치 조정 메커니즘이 제공되는 헬리콥터의 로터 조립체를 설명한다. 더 구체적으로, 로터 조립체는 복수의 로터 블레이드를 포함하고, 이러한 로터 블레이드 각각은 피치 변화를 위해 헬리콥터의 허브 구조물에서 각을 이루게 조정 가능한 연관된 스터브(stub) 샤프트에 부착되어 있다. 허브 구조물은 헬리콥터의 적절한 동력원(source of power)에 의해 작동시 회전되는 수직으로 연장하고 속이 빈 샤프트에 결합된다. 로터 블레이드들 각각은 연관된 암(arm)을 통해 칼라(collar)에 연결되어 함께 사이클릭 및 콜렉티브 피치 조정 장치를 형성하고, 이러한 칼라는 그것에 인가된 탄력 있는 힘에 의해 능동적으로 움직임이 이루어질 수 있다. 로터 블레이드 각각은 벨 크랭크(bell crank) 레버를 통해 균형추(counterweight)에 더 연결되고, 이러한 벨 크랭크 레버는 작동시 균형추에 작용하는 원심력에 의해 움직여질 수 있다. 따라서, 로터 블레이드들 각각의 피치는 자동 로터 피치 조정 메커니즘에 의해 작동시 자동으로 조정되고, 모든 다른 로터 블레이드의 피치와는 독립적이다. 그러므로 로터 조립체는 들어오는 바람 또는 RPM의 갑작스런 변동에 긍정적으로 반응하고, 블레이드의 입사각을 감소/증가시킴으로써 반작용하기에 적합하다.
하지만, 요구된 암들, 칼라들, 레버들, 및 균형추들로 인해, 이러한 결합된 사이클릭 및 콜렉티브 피치 조정 장치와 자동 로터 피치 조정 메커니즘은 상당히 복잡하고, 무거우며 비용 집약적이다. 더 나아가, 사이클릭 및 콜렉티브 피치 조정 장치와 자동 로터 피치 조정 메커니즘이 결합되어 제공되는 것 때문에, 그 결과로 생기는 전반적인 시스템이 복잡하고 비용이 많이 들며, 상당히 큰 무게를 가진다.
문서 US3,105,558은 수동적으로 작용된 로터 조립체를 설명한다. 더 구체적으로는, 가운데로 배치된 드라이브 샤프트가 있고 곧은 스플라인 연결부를 가지는 허브를 포함하는 가변 피치 프로펠러가 설명된다. 이러한 허브는 한 쌍의 방사상으로 연장하는 베어링 스트럿(bearing strut)가 배치된 중간의 고리 모양의 홈(groove)을 가진다. 블레이드 지지체는 롤러 베어링 조립체에 의해 각각의 베어링 스트럿의 컵 형상의 오목부(recess)에 저널(journal)되어 있다. 프로펠러 블레이드의 루트 끝(root end)에는 블레이드 지지체와 나사산들을 통해 연결되어 있다. 각각의 프로펠러 블레이드의 생크(shank) 부분은 제어 슬리브 내에 장착되고 그것에 쇠로 채워져 있다(keyed). 그러므로 각각의 제어 슬리브는 연결되어 그것의 세로축 주위에서 각각의 프로펠러 블레이드를 가지고 회전한다. 프로펠러 블레이드들은 그것들의 세로축의 양쪽에서 같은 면적(area)을 가지고, 따라서 균형잡힌 프로펠러 블레이드라고 불릴 수 있다. 허브는 전방 섹션(section)과 후방 섹션을 포함하는 2개의 부분으로 된 하우징에 의해 둘러싸이고, 그러한 섹션들은 볼트에 의해 함께 연결되어 있다. 이러한 섹션들 사이의 분리선(parting line)은 프로펠러 블레이드의 세로축과 일치하고, 각각의 베어링 스트럿의 외부 단부는 전방 섹션과 후방 섹션, 그리고 그것들 사이의 분리선에서 형성된 슬롯에서 수용된다. 허브는 그것의 전방 단부에 인접하고 샤프트와 나사산으로 맞물리는 너트에 의해 드라이브 샤프트에 대한 축 방향 움직임에 대항하여 억제된다. 하우징은 전방 니들 스러스트(needle thrust) 베어링과 후방 니들 스러스트 베어링, 그리고 전방 래디얼(radial) 베어링과 후방 레디얼 베어링에 의해 허브 상에서 지지된 베어링이다. 허브는 한 쌍의 베어링 오목부를 가지고, 이러한 오목부 각각은 각각의 제어 슬리브와 일체로 된 크랭크 암(crank arm)의 공(ball)과 같은 형성물(formation)을 수용한다. 각각의 제어 슬리브는 한 쌍의 실질적으로 방사상 연장부, 또는 접합부(abutment)로 형성되고, 이 경우 첫 번째 연장부는 프로펠러 블레이드의 최소 피치 위치를 결정하기 위해 허브와 맞물려질 수 있고, 두 번째 연장부는 최대 피치 위치에서 허브와 맞물려질 수 있다. 각각의 연장부는 연관된 링크의 끝에서 공과 같은 형성물을 수용하기 위한 볼 소켓(ball socket)을 가지고 형성된다. 연관된 링크의 다른 쪽 끝은 스러스트 링(thrust ring)의 소켓 내에 배치되는 공과 같은 형성물을 가진다. 스러스트 링은 압축 응력을 받은(prestressed) 탄성 중합체 링을 담고 있는 프로펠러 하우징의 후방 섹션 내에서의 축 방향 움직임을 위해 지지된다. 이러한 스러스트 링은 하우징 섹션에서 축 슬롯(axial slot)에 배치된 탱(tang)을 가지고 따라서 그것에 대해 축 방향으로 미끄러질 수 있다. 그러한 링은 제어된 밀도를 가지는 임의의 다른 알맞은 플라스틱이나 고무로 이루어질 수 있고, 그로 인해 그것의 탄성 특징과 변형 특징은 프로펠러의 토크 특징들과 맞게끔 되어 있다. 프로펠러 블레이드들은 압축 응력을 받은 탄성 중합체 링에 의해 그것들의 최대 피치 위치들에서 보유된다. 드라이브 샤프트가 시계 방향으로 회전될 때, 수평 프로펠러 축들 주위의 회전이 블레이드들에 전해지고, 따라서 제어 슬리브들 상의 크랭크들을 통해 프로펠러 하우징에 전해진다. 탄성 중합체 링의 초기 압축 응력은 정상적인 작동 중에는 토크 입력과 반대로 작용한다. 하지만, 이륙 동안 또는 상승하는 동안과 같이 엔진이 가속될 때에는, 블레이드가 받는 증가된 입력 토크가 제1 연장부가 허브와 맞물리는 최대 피치 위치들 쪽으로 그것들의 세로축 주위에서 블레이드를 회전시킨다. 시계 방향으로 그것들의 축 주위로 프로펠러 블레이드를 회전시키는 동안에, 탄성 중합체 링은 스러스트 링의 움직임으로 인해 변형된다. 스러스트 링은 또한 2개의 프로펠러 블레이드의 움직임을 조정하는 피치를 조직화하는 기능을 한다. 프로펠러의 피치 위치의 변동은 드라이브 샤프트의 입력 토크에만 반응이 이루어진다. 그러므로 입력 토크가 정상적인 작동 범위로 감소되면, 탄성 중합체 링은 프로펠러 블레이드들을 제2 연장부가 허브와 맞물리는 그것들의 최대 피치 위치로 다시 옮긴다.
하지만, 비교적 많은 수의 구성 성분들로 인해, 이러한 가변 피치 프로펠러는 상당히 복잡하고, 무거우며 비용 집약적인 피치 조정 메커니즘을 가진다. 더 나아가, 이러한 피치 조정 메커니즘은 제1 리드-래그(lead-lag) 고유모드(eigenmode)의 각각의 주파수, 즉 연관된 로터 허브에 대한 회전 평면 내의 로터 블레이드들의 구부러짐이 로터 조립체의 주어진 회전 주파수의 2배보다 큰 고강성 로터 조립체용으로만 알맞다.
하지만, 이는 제공된 높은 강성이 엄청나게 큰 높은 굽힘 하중을 초래하기 때문에 큰 로터 조립체에는 적용할 수 없다. 더 나아가, 2m 미만인 직경을 갖는 비교적 작은 로터 조립체에 관해서도, 만약 로터 조립체가 회전축과 흐름 방향 사이의 각도가 15°보다 큰 비교적 큰 측면 흐름 속도를 갖는 상태에서 사용된다면, 발생하는 하중이 엄청나게 커질 수 있다. 이는 일반적으로 모든 회전익기에 관한 경우이다.
따라서, 문서 US3,105,558에 따른 피치 조정 메커니즘은 일반적으로 회전익기에 적용될 수 없다. 예외는 50kt 미만인 저속으로 비행하고, 비교적 많은 수의 작은 로터 조립체, 즉 7개 이상의 로터 조립체를 구비하거나 일반적으로 비교적 작은 전체 치수가 제공되는, 즉 최대 이륙 중량이 500㎏ 미만인 회전익기가 있을 수 있다.
마지막으로, 문서 US3,105,558에 따른 피치 조정 메커니즘을 사용할 때, 드라이브 샤프트와 허브에서 제공된 증가된 토크가 피치 각도의 감소를 가져오고 따라서 추력 감소가 이어진다. 하지만, 이는 더 높은 토크로 인한 회전 속도의 변경을 통해 생기는 추력 변경의 효과를 없앤다. 그러므로 추력의 요구되는 장기 변경은 오로지 회전 속도의 변경을 통한 이러한 피치 조정 메커니즘으로 달성 가능하고, 그러한 피치 조정 메커니즘에 의해 훨씬 더 지연되며 약해진다. 실제로, 이러한 피치 조정 메커니즘을 사용함으로써, 로터 블레이드들의 각각의 피치 각도는 시작하는 동안에 상이한 축 유입 속도에 맞게, 즉 높은 토크와 낮은 공기 유입 속도로, 및 순항(cruise) 즉 낮은 토크 및 높은 공기 유입 속도로 적합하게 되지만, 추력의 달성 가능한 제어 능력은 감소시킨다.
문서 US1,970,114는 비슷한 목적을 가지는 비교 가능한 피치 조정 장치를 설명한다. 하지만, 이러한 피치 조정 장치에서는 로터 허브와 로터 마스트가 단단히, 즉 회전 가능하지 않게 서로 연결된다.
그러므로 본 발명의 목적은 연관된 로터 샤프트에서 토크 모멘트 변동을 통해 개선된 추력 제어를 가능하게 하는, 회전익기용의 새로운 로터 조립체를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 그러한 새로운 로터 조립체를 구비한 회전익기를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1의 특징들을 포함하는, 회전익기용 로터 조립체에 의해 이루어진다.
더 구체적으로는, 본 발명에 따른 회전익기용 로터 조립체는 로터 샤프트, 그러한 로터 샤프트에 회전 가능하지 않게 장착되는 토크 전달 유닛, 연관된 각 변위 가능 성분을 통해 로터 샤프트에 회전 가능하게 장착되는 로터 허브, 및 로터 허브에 연결되고, 각각의 로터 평면을 통해 로터 조립체 유입측(side)으로부터 로터 조립체 유출측으로의 기류를 생성하기 위해 제공된 적어도 2개의 로터 블레이드를 포함한다. 이러한 토크 전달 유닛은 피치 제어 유닛을 통해 로터 조립체 유출측 상의 적어도 2개의 로터 블레이드에 결합된다. 이러한 피치 제어 유닛은 로터 샤프트로부터 토크 전달 유닛으로 인가되는 적어도 2개의 로터 블레이드 토크에 전달한다. 더 나아가, 이러한 피치 제어 유닛은 만약 토크가 증가되면 적어도 2개의 로터 블레이드의 각각의 피치 각도를 증가시킨다.
일 양태에 따르면, 토크는 로터 샤프트로부터 로터 허브로 직접 인가되지 않고, 로터 샤프트로부터 토크 전달 유닛으로 직접 전달되고, 로터 허브는 로터 샤프트에 회전 가능하게 장착되는데, 즉 로터 샤프트는 적어도 미리 결정된 한계 내에서 로터 허브에 대해 회전할 수 있다. 바람직하게, 토크는 각각의 피치 링크 로드를 통해 로터 샤프트로부터 로터 허브로 인가된다. 그러므로 각각의 피치 링크 로드의 한쪽 축 끝은 연관된 캔틸레버 암(cantilever arm)에 바람직하게 연결되고, 이러한 연관된 캔틸레버 암은 단단히, 즉 회전 가능하지 않게 로터 샤프트에 장착되는데, 즉 그러한 로터 샤프트는 연관된 캔틸레버 암에 대해 회전할 수 없다. 각각의 피치 링크의 각각의 다른 축 끝은 연관된 로터 블레이드의 소위 피치 호른(pitch horn)에 바람직하게 연결된다. 이러한 피치 호른은 연관된 제어 커프(cuff) 또는 로터 블레이드의 일체형(integral) 부품일 수 있다.
유리하게, 로터 허브와 로터 샤프트는 서로 분리되어 있다. 분리된다는 것은 양 성분이 서로로부터 결합 해제되어 있지만, 각각의 베어링, 슬라이딩 표면, 구면 베어링, 4개의 점(four-point) 베어링 등을 통해 서로 연결된다는 것을 의미하고, 이는 로터 허브로부터 로터 샤프트로의 직접적인 연결을 형성한다. 이들 직접적인 연결은 바람직하게는, 예컨대 베어링 및/또는 슬라이딩 표면의 경우에서의 임의의 비틀림 모멘트, 또는 예컨대 바람직하게는 95%보다 작은 탄성 있는 스프링의 경우의 탄성 있는 스프링들의 경우에서의 비틀림 모멘트의 일부분만을 전달하지 않는다. 비틀림 모멘트의 나머지 부분은 피치 링크 로드들과 로터 블레이드들을 통해 로터 허브에 전달된다. 그 결과, 로터 샤프트로부터 로터 블레이드들, 즉 로터 허브로 캔틸레버 암들과 피치 링크 로드들을 통해 인가된 토크의 변하는 레벨들이, 로터 샤프트와 로터 허브 사이의 회전 각도, 즉 각 변위를 일으키게 된다.
일 양태에 따르면, 피치 링크 로드들은 로터 조립체 유출측 상에서 로터 블레이드들에 결합된다. 더 구체적으로, 로터 블레이드들의 각각의 피치축은 회전 평면, 또는 더 정확하게는 로터 조립체의 대응하는 회전 코누스(conus)를 형성한다. 로터 조립체의 유입측은 또한 로터 평면의 전방 또는 상부 측이라고 불리고, 유출측은 후방 또는 하부 측이라고도 불린다. 회전축과 회전 평면 사이의 교차점은 로터 조립체의 중심(center)을 형성한다.
유리하게, 피치 링크 로드들과 연관된 피치 호른들, 즉 제어 커프들 사이의 연결점은 로터 평면의 후방 또는 하부측, 즉 유출측에 위치한다. 유리하게, 이는 캔틸레버 암들과 피치 링크 로드들을 통해 로터 샤프트로부터 로터 블레이드로 인가된 토크가 증가되면, 로터 블레이드의 피치 각도를 증가시킨다. 이러한 증가된 피치 각도는 더 높은 추력을 가져온다.
일 양태에 따르면, 피치 호른들, 또는 제어 커프들은 각각의 리드-래그 힌지축들보다 로터 중심으로부터 더 멀리 떨어진 위치들에서 로터 블레이드들에 단단히 연결된다. 이들 리드-래그 힌지축은, 예컨대 소위 플렉스빔(flexbeam)에 제공된 것과 같은 탄성 있는 리드-래그 힌지용의 사실상(virtual) 리드-래그 축과 동등한 것일 수 있다. 더 나아가 피치 호른들, 또는 제어 커프들과 피치 링크 로드들 사이의 연결점들은 바람직하게는 각각의 리드-래그 힌지들보다 로터 중심으로부터 더 멀리 떨어진 위치들에 바람직하게 배치된다. 이는 로터 블레이드들을 뒤처지게 하기 위한 피치 각도들의 증가와, 로터 블레이드들을 이끌기 위한 피치 각도들의 감소를 유리하게 가져온다. 따라서 각각의 사이클릭 리드-래그와 플랩핑(flapping) 진폭의 역동적 감쇠(damping)를 가져오는, 리드-래그 각도에 의한 블레이드별 조정이 제공될 수 있다.
일 양태에 따르면, 로터 블레이드들의 각각의 피치 각도는 로터 샤프트로부터 로터 허브, 즉 로터 블레이드로 인가되는 토크에 기초하여 영향을 받고 조정될 수 있다. 그러므로 주어진 로터 조립체의 상이한 치수는 이후 설명된 바와 같이 고려되어야 한다. 고려되어야 할 첫 번째 치수는 연관된 피치 링크 로드로의 캔틸레버 암의 연결점과 로터 샤프트 축 사이의 방사상 거리로서, 이 거리는 이후 L1이라고 부른다. 고려되어야 할 두 번째 치수는 피치 호른 연결점과 로터축에 평행한 로터 블레이드의 각각의 피치축 사이의 각각의 거리로서, 이 거리는 이후 L2라고 부른다. L2는 로터 평면으로부터 뒤쪽(backwards) 방향으로 양(positive)의 값인 것으로 간주되어야 한다. 고려되어야 할 세 번째 치수는 피치 호른 연결점과, 로터 샤프트의 회전축에 접하는 피치 축 사이의 거리로서, 이 거리는 이후 L3라고 부른다. L3는 연관된 로터 블레이드의 각각의 리딩 에지 쪽으로 갈수록 양의 값인 것으로 간주되어야 한다.
유리하게, 토크 모멘트 전달은 각각의 기하학적 레버 비(ratio)들을 조정함으로써 조정될 수 있다. 이는 특히 L1과 L2 사이의 기초가 되는(underlying) 비에 적용되지만, 피치 링크 로드들의 대응하는 피치 링크축과 연결점들에서의 로터 샤프트 축 둘레의 접선 방향 사이의 선택된 각도에도 적용된다. 이는 로터 블레이드와 로터 허브 사이의 피치 각도에 대한 로터 샤프트와 로터 허브 사이의 변위 각도의 기하학적 전달비를 가져온다. 큰 전달비는 주어진 토크 모멘트 변경에 관한 더 큰 피치 각도 변경을 의미한다.
더 나아가, 로터 블레이드와 로터 허브 둘레의 회전 강성, 로터 허브와 로터 샤프트 사이의 로터 샤프트 축 둘레의 회전 강성, 및 로터 블레이드들과 로터 허브 사이의 리드-래그 강성은 피치 각도를 조정하기 위해 조정될 수 있다. 회전 강성이 증가하고 리드-래그 강성이 감소하게 되면, 토크 모멘트의 변경으로 인해 로터 샤프트와 로터 허브 사이의 변위 각도의 더 작은 변경을 유리하게 가져온다. 이는 회전 강성의 감소와 리드-래그 강성의 증가가 주어진 토크 모멘트 변경에 관해 더 큰 피치 각도 변경을 가져온다는 것을 의미한다.
피치 각도에 영향을 주는 또 다른 방식은 공기역학적 피치 각도의 변경으로 인해 공기역학적 피치 모멘트를 변경하는 것에 있다. 더 구체적으로, 공기역학적 피치 모멘트의 이러한 변경의 증가는 일정한 흐름 조건에 관해 위에서 설명된 회전 강성의 증가와 동일한 효과를 가진다. 하지만, 이러한 효과는 유입 속도의 변경에 대한 더 양호한 적응을 허용할 수 있다. 그러므로 로터 블레이드의 각각의 공기역학적 모양은 증가된 공기 유입 속도로 인한 공기역학적 피치 모멘트의 변경이 더 큰 피치 각도를 가져오도록 선택될 수 있고, 이는 일반적으로 대부분의 현재 회전익기 로터의 공기역학적 모양에 관한 경우에 해당한다.
L3에 관한 양의 값들이 이른바 델타(delta)3 각도라고 하는, 기초가 되는 플랩핑 감쇠 효과를 증가시키는 점이 더 주목할 수 있다. 그에 반해, L3에 관한 음의(negative) 값들은 로터 블레이드 플랩핑 움직임의 추가 여기(excitation)를 야기할 수 있다. 더 나아가, 각각의 로터 블레이드의 리딩 에지에 가까운 피치 호른 위치, 그리고 따라서 큰 L3 값들은 도입될 수 있는 최대 피치 축을 제한한다. 대안적으로, 피치 각도에 관한 한계 정지부(limit stop)가 적용될 수 있다. 최대 피치 축을 제한하는 것은 로터 블레이드들의 정적인 일탈(static divergence)을 유리하게 방지한다.
유리하게, 로터 샤프트 토크가 증가하는 것은 일반적으로 로터 속도를 증가시킨다. 일부 지연을 가지고, 이는 여전히 전술한 바와 같은 피치 제어에 더하여 추력을 변경하게 된다.
또한, 유리하게 새로운 로터 조립체는 추력 제어를 위한 추가적인 액추에이터뿐만 아니라 스와시 판의 제공을 요구하지 않는다. 더 나아가, 높은 관성 회전 모멘트로 인한 추력 제어의 임의의 지연이 방지된다. 특히, 본 발명의 로터 조립체를 가지고, 토크 모멘트 변동을 통한 추력 제어가 유리하게 증가될 수 있다. 마찬가지로, 낮은 리드-래그 강성을 갖는 큰 로터들에 관한 동적 안정성이 가능하게 될 수 있다.
바람직한 일 실시예에 따르면, 로터 샤프트에 대한 로터 허브의 각 변위를 적어도 가능하게 하기 위해 연관된 각 변위 가능 성분이 제공된다. 연관된 각 변위 가능 성분은 래디얼(radial) 베어링, 슬라이딩 표면들, 탄성 있는 스프링 및/또는 방사상 박판(lamella)들 중 적어도 하나를 포함한다.
또 다른 바람직한 일 실시예에 따르면, 피치 제어 유닛이 각각 연관된 제어 커프(cuff)를 통해 적어도 2개의 로터 블레이드 각각에 결합된다.
또 다른 바람직한 일 실시예에 따르면, 적어도 2개의 로터 블레이드 각각은 피치 각도 조정을 위해 탄력적으로 변형 가능한 비틀림 요소를 포함한다.
또 다른 바람직한 일 실시예에 따르면, 적어도 2개의 로터 블레이드 각각과 그것의 비틀림 요소는 일체형 성분으로서 형성된다.
또 다른 바람직한 일 실시예에 따르면, 적어도 2개의 로터 블레이드 각각과 각각 연관된 제어 커프는 일체형 성분으로서 형성된다.
또 다른 바람직한 일 실시예에 따르면, 각각의 비틀림 요소와 로터 허브는 일체형 성분으로서 형성된다.
또 다른 바람직한 일 실시예에 따르면, 각각의 비틀림 요소는 연관된 리드-래그 힌지 영역보다 로터 샤프트에 더 가깝게 배열되는 탄성 있는 플랩핑 힌지 영역을 포함한다.
또 다른 바람직한 일 실시예에 따르면, 각각의 비틀림 요소는 로터 허브의 연관된 리드-래그 힌지 영역에서 로터 허브에 장착된다.
또 다른 바람직한 일 실시예에 따르면, 로터 허브는 연관된 리드-래그 힌지 영역들보다 로터 샤프트에 더 가깝게 배열되는 탄성이 있는 플램핑 힌지 영역들을 포함한다.
또 다른 바람직한 일 실시예에 따르면, 피치 제어 유닛은 적어도 2개의 피치 링크 로드를 포함한다. 토크 전달 유닛은 적어도 2개의 피치 링크 로드 중 하나를 통해 각각 연관된 제어 커프에 결합된다.
또 다른 바람직한 일 실시예에 따르면, 각각 연관된 제어 커프는 적어도 2개의 피치 링크 로드 중 하나에 결합되는 피치 호른을 로터 조립체 유출측 상에서 포함한다.
또 다른 바람직한 일 실시예에 따르면, 피치 호른은 로터 블레이드 트레일링 에지보다 로터 블레이드 리딩 에지에 더 가깝게 배열된다.
또 다른 바람직한 일 실시예에 따르면, 토크 전달 유닛은 적어도 2개의 캔틸레버 암을 포함한다. 적어도 2개의 캔틸레버 암과, 로터 샤프트에 대한 적어도 2개의 로터 블레이드 중 연관된 것 사이에는 -100°내지 +100°의 범위를 가지는 변위 각도가 형성된다.
본 발명은 또한 전술한 바와 같이 구현되는 적어도 하나의 로터 조립체를 회전익기에 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 첨부 도면들을 참조하여 이어지는 설명에서 예를 통해 개요가 서술된다. 이들 첨부 도면에서, 동일하거나 동일하게 기능을 하는 성분들 및 요소들은 동일한 참조 번호와 문자로 표시되고, 따라서 이어지는 설명에서 오직 한번만 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 4개의 로터 블레이드와 토크 전달 유닛을 구비한 멀티블레이드 로터 조립체의 상면도.
도 2는 일 변형예에 따른 토크 전달 유닛과 2개의 전형적인 로터 블레이드만을 구비한 멀티블레이드 로터 조립체의 상면도.
도 3은 2개의 전형적인 로터 블레이드와 토크 전달 유닛만을 구비한, 도 1의 멀티블레이드 로터 조립체의 일 부분의 단면도.
도 4는 일 양태에 따른 로터 허브의 단면도.
도 1은 회전긱기용 로터 조립체(1)를 보여준다. 예를 들면, 그러한 로터 조립체(1)는 회전익기의 멀티-블레이드(multi-blade) 로터 조립체(1)로서 구현되고, 특히 헬리콥터의 메인 로터용 멀티-블레이드 로터 조립체로서 구현된다. 일 양태에 따르면, 멀티-블레이드 로터 조립체(1)는 로터 허브(7)를 가지고 구현되는 로터 샤프트(8)를 포함한다.
멀티-블레이드 로터 조립체(1)는 로터 허브(7)와 복수의 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d) 사이의 인터페이스로서 다수의 탄성이 있는 힌지 유닛(3)을 가지는 베어링이 없는 로터 조립체로서 바람직하게 구현된다. 하지만, 이들 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d)는 도면의 간단함 및 명료함을 위해, 도 1에서나 나머지 도면 그 어디에도 더 상세하게 도시되어 있지 않다는 점이 주목되어야 한다. 더 나아가, "멀티-블레이드 로터 조립체"라는 표현은 그것의 적어도 2개의 로터 블레이드를 가지는 모든 로터 조립체를 망라하도록 본 발명의 상황에서 해석되어야 한다는 점이 주목되어야 한다.
다수의 탄성이 있는 힌지 유닛(3)은 멀티 블레이드 로터 조립체(1)의 로터 블레이드 각각에 관한 적어도 하나의 탄성이 있는 힌지 유닛을 바람직하게 포함한다. 다시 말해, 예시된 예에서는 4개의 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d)가 제공되고, 따라서 4개의 탄성이 있는 힌지 유닛(3a, 3b, 3c, 3d)이 제공되며, 이들 각각은 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d)의 연관된 것과 연관되어 있다.
더 구체적으로, 다수의 탄성이 있는 힌지 유닛(3)은 다수의 비틀림 요소(5)를 바람직하게 구현한다. 예시된 예에서는 4개의 비틀림 요소(5a, 5b, 5c, 5d)가 구현된다. 이러한 비틀림 요소(5a, 5b, 5c, 5d) 각각은 복수의 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d)의 주어진 로터 블레이드와 연관된다.
일 양태에 따르면, 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d)와 비틀림 요소(5a, 5b, 5c, 5d), 즉 탄성이 있는 힌지 유닛(3a, 3b, 3c, 3d)은, 그것들이 서로 분리될 수 없도록 일체형 성분들로서 구현된다. 또한, 비틀림 요소(5a, 5b, 5c, 5d), 즉 탄성이 있는 힌지 유닛(3a, 3b, 3c, 3d)과 로터 허브(7)는 그것들이 서로 분리될 수 없도록 일체형 성분들로서 또한 바람직하게 구현된다. 다시 말해, 일 양태에 따르면, 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d), 비틀림 요소(5a, 5b, 5c, 5d), 즉 탄성이 있는 힌지 유닛(3a, 3b, 3c, 3d)은, 및 로터 허브(7)는 하나의 일체형 성분으로서 구현된다. 하지만, 도 2에 예를 통해 예시된 것처럼, 이들 성분은 개별 성분들로서 또한 구현될 수 있다는 점이 주목되어야 한다.
바람직하게, 비틀림 요소(5a, 5b, 5c, 5d) 각각은 다수의 제어 커프(6)들의 제어 커프, 즉 제어 커프들(6a, 6b, 6c, 6d)과도 연관된다. 제어 커프들(6a, 6b, 6c, 6d) 각각은 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d) 중 연관된 것의 일체형 성분으로서 바람직하게 형성된다. 하지만, 대안적으로 제어 커프들(6a, 6b, 6c, 6d) 각각은 기존 방식으로 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d)의 각각의 것에 장착될 수 있다. 이들 제어 커프(6a, 6b, 6c, 6d)는 비틀림 요소(5a, 5b, 5c, 5d), 즉 탄성이 있는 힌지 유닛(3a, 3b, 3c, 3d)의 현재(current) 비틀림을 제어함으로써 멀티-블레이드 로터 조립체(1)의 작동시 현재 피치 또는 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d)의 블레이드 각도를 설정하기 위해 바람직하게 적합하게 된다. 예컨대, 제어 커프(6d)는 비틀림 요소(5d)의 현재 비틀림, 즉 탄성이 있는 힌지 유닛(3d)의 현재 비틀림을 제어함으로써, 로터 블레이드(2d)의 블레이드 각도 또는 현재 피치를 설정하기 위해 구동 가능하다.
"제어 커프(control cuff)"라는 용어는 단지 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d) 중 연관된 것의 각각의 피치 각도를 제어하기에 알맞은 제어 요소를 가리킨다는 점이 주목되어야 한다. 다시 말해, 제어 커프는 비틀림 요소(5a, 5b, 5c, 5d) 중 연관된 것의 적어도 일부를 완전히 둘러싸는 코누스(conus) 모양의 자루(bag)과 같은 제어 자루로서 구현될 수 있다. 하지만, 대안적으로 그리고 예시에 의해, 제어 커프(6a, 6b, 6c, 6d) 각각은 예를 들면 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d) 중 주어진 것, 즉 탄성이 있는 힌지 유닛(3a, 3b, 3c, 3d) 중 주어진 것에 나란히 배열되는 빔(beam) 모양의 요소로서 또한 구현될 수 있다.
바람직하게, 탄성이 있는 힌지 유닛(3a, 3b, 3c, 3d)은 다수의 리드-래그 힌지 영역(11)을 형성하는, 연관된 리드-래그 힌지 영역(11a, 11b, 11c, 11d)을 포함한다. 다수의 리드-래그 힌지 영역(11)은 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d)의 리드-래그 운동(motion)을 허용하기 위해 제공된다.
더 나아가, 탄성이 있는 힌지 유닛(3a, 3b, 3c, 3d)은 다수의 탄성이 있는 플랩핑 힌지 영역(12)을 형성하는, 연관된 탄성이 있는 플랩핑 힌지 영역(12a, 12b, 12c, 12d)을 바람직하게 포함한다. 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d)의 플랩핑 운동을 가능하게 하기 위해 다수의 탄성이 있는 플랩핑 힌지 영역(12)이 제공된다. 바람직하게, 탄성이 있는 플랩핑 힌지 영역(12a, 12b, 12c, 12d) 각각은 리그-래그 힌지 영역(11a, 11b, 11c, 11d) 중 연관된 것들보다 로터 샤프트(8)에 더 가깝게 배열된다.
또한, 탄성이 있는 힌지 유닛(3a, 3b, 3c, 3d)은 다수의 탄성이 있는 비틀림 영역(13)을 형성하는 연관된 탄성이 있는 비틀림 영역(13a, 13b, 13c, 13d)을 우선적으로 포함한다. 다수의 탄성이 있는 비틀림 영역(13)은 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d)의 피치 각도 제어를 가능하게 하기 위해 제공된다.
하지만, 본 발명에 따르면, 다수의 탄성이 있는 비틀림 영역(13)만이 강제적이고, 다수의 리드-래그 힌지 영역(11)과 다수의 탄성이 있는 플랩핑 힌지 영역(12)은 선택적인 것이며, 구현되어야 하는 멀티 블레이드 로터 조립체의 기초가 되는 타입에 따라서 생략될 수 있다는 점이 주목되어야 한다.
더 나아가, 리그-래그 힌지 영역(11a, 11b, 11c, 11d), 탄성이 있는 플랩핑 힌지 영역(12a, 12b, 12c, 12d), 및 탄성이 있는 비틀림 영역(13a, 13b, 13c, 13d) 중 어느 하나는 탄성이 있는 각각의 가상(virtual) 힌지 또는 관절로 이어진(articulated) 힌지로서 구현될 수 있다는 점이 주목되어야 한다. 따라서, 아래에서 리그-래그 힌지 영역(11a, 11b, 11c, 11d)에 대한 예를 통해 도 2를 참조하여 설명된 것처럼, 탄성 중합체 베어링 및/또는 기존 베어링에 의해 충분히 탄성이 있는 플렉스빔에 의해 탄성이 있는 힌지 유닛(3a, 3b, 3c, 3d)이 구현될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 로터 허브(7)는 연관된 각 변위 가능 성분(9)을 통해 로터 샤프트(8)에 회전 가능하게 장착된다. 연관된 각 변위 가능 성분(9)은 로터 샤프트(8)에 대한 로터 허브(7)의 각 변위를 적어도 가능하게 하기 위해 바람직하게 제공된다. 그러므로 연관된 각 변위 가능 성분(9)은 우선적으로 래디얼 베어링, 슬라이딩 표면들, 탄성이 있는 스프링들 및/또는 방사상 박판(도 4에서 18) 중 적어도 하나를 포함한다. 하지만, 위에서 인용되는 특정 각 변위 가능 성분들은 단지 예로서 언급된 것이고 거기에 본 발명을 제한하는 것이 아니라는 점이 주목되어야 한다. 대신, 예컨대 구면 베어링 및/또는 소위 4개의 점(four-point) 베어링과 같이, 로터 허브(7)와 로터 샤프트(8) 사이의 상대적인 회전 움직임을 허용하기에 알맞은 임의의 다른 각 변위 가능 성분이 마찬가지로 예측된다.
로터 허브(7)와 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d)는 로터 평면(도 3에서의 1d)을 예시적으로 형성한다. 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d)는 로터 조립체 유입측(도 3에서 1b)으로부터 로터 조립에 유출측(도 3에서 1c)으로 기류(도 3에서 19)를 생성하기 위해 바람직하게 제공된다. 도 1에서, 멀티-블레이드 로터 조립체(1)는 로터 조립체 유입측으로부터 로터 평면 쪽으로 향하는 보기(viewing) 방향으로 도시되어 있다.
일 양태에 따르면, 멀티-블레이드 로터 조립체(1)는 또한 로터 샤프트(8)에 회전 가능하지 않게 장착되는 토크 전달 유닛(4)을 포함한다. 바람직하게, 이러한 토크 전달 유닛(4)은 로터 조립체 유츨 측 상에서 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d)에 결합된다. 더 구체적으로, 토크 전달 유닛(4)은 로터 샤프트(8)로부터 토크 전달 유닛(4)으로 인가되는 토크를 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d)에 전달하기 위해 제공되는 연관된 피치 제어 유닛(10)을 거쳐 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d)에 결합된다. 피치 제어 유닛(10)은 만약 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d)에 인가된 토크가 증가되면, 연관된 피치축 둘레에서 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d)에를 회전시킴으로써, 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d)에의 각각의 피치 각도를 바람직하게 증가시킨다.
도면의 간단함 및 명료함을 위해, 로터 블레이드(2b)에 대해서만 단일 피치 축(10e)이 예시되고 표시되어 있음이 주목되어야 한다. 피치 축(10e)은 모든 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d)의 모든 피치 축을 대표해서 나타나 있는 것으로 간주되어야 한다.
일 양태에 따르면, 멀티-블레이드 로터 조립체(1)는 화살표(1a)로 전형적으로 나타나고 표시되는 미리 결정된 회전 방향으로 회전하기 위해 구현된다. 따라서, 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d) 각각은 연관된 리딩 에지(2g)와 연관된 트레일링 에지(2h)를 포함한다. 바람직하게, 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d) 각각의 리딩 에지(2g)는 피치 제어 유닛(10)에 결합된다. 더 일반적으로, 피치 제어 유닛(10)은 트레일링 에지(2h) 보다 리딩 에지(2g)에 적어도 더 가까운 위치에서 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d) 각각에 우선적으로 결합된다.
더 구체적으로, 일 양태에 따르면, 피치 제어 유닛(10)은 토크 전달 유닛(4)에 결합되는 적어도 2개의 피치 링크 로드를 포함한다. 예를 들면, 피치 제어 유닛(10)은 토크 전달 유닛(4)에 결합되는 4개의 피치 링크 로드(10a, 10b, 10c, 10d)를 포함한다. 예시적으로, 토크 전달 유닛(4)은 로터 샤프트(8)에 회전 가능하지 않게 장착되는 4개의 캔틸레버 암(4a, 4b, 4c, 4d)을 포함한다. 바람직하게, 캔틸레버 암(4a, 4b, 4c, 4d)은 로터 샤프트(8)에 회전 가능하지 않게 장착되는 별 모양 구조물 또는 X자 모양의 구조물을 형성한다. 캔틸레버 암(4a, 4b, 4c, 4d)은 외측 끝, 즉 피치 링크 로드(10a, 10b, 10c, 10d)에 각각 연결되는 방사상 외측 끝을 바람직하게 포함한다. 피치 링크 로드(10a, 10b, 10c, 10d)는 또한 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d) 중 연관된 것들에 연결된다.
더 구체적으로, 피치 링크 로드(10a, 10b, 10c, 10d)는 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d)의 제어 커프(6a, 6b, 6c, 6d) 중 각각의 것에 캔틸레버 암(4a, 4b, 4c, 4d)의 방사상 외측 끝을 바람직하게 연결한다. 캔틸레버 암(4a, 4b, 4c, 4d)은 -100°내지 +100°의 범위를 가지는 변위 각에 의해 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d)에 대해 바람직하게는 각이 지게 옮겨진다. 모든 변위 각에 관해 예를 통해 그리고 대표적으로, 캔틸레버 암(4b)이 대략 +30°의 변위 각만큼 로터 블레이드(2b)의 피치 축(10e)에 대해 각이 지게 예시적으로 옮겨진다.
-100°내지 +100°의 변위 각도 범위는 멀티-블레이드 로터 조립체(1)의 회전 방향(1a)에 대해 표시되어 있음이 주목되어야 한다. 다시 말해, 만약 캔틸레버 암(4a, 4b, 4c, 4d)이 회전 방향(1a)으로 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d)를 나아가게 한다면, 그 변위 각도는 양의 값을 가진다. 하지만, 만약 캔틸레버 암(4a, 4b, 4c, 4d)이 회전 방향(1a)으로 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d) 중 연관된 것 다음에 오게 되면, 그 변위 각도는 음의 값을 가진다.
도 2는 도 1의 멀티-블레이드 로터 조립체(1)를 보여주고, 이는 본 발명의 일 변형예에 따라 예시적으로 구현된 것이다. 더 구체적으로, 도 1과는 대조적으로 이제 멀티-블레이드 로터 조립체(1)는 오로지 2개의 로터 블레이드(2b, 2d), 캔틸레버 암(4b, 4d), 그리고 피치 링크 로드(10b, 10d)를 포함한다. 더 나아가, 로터 허브(7) 또한 단순화되고, 대략 타원형으로 되어 있는데, 이는 그것이 이제 도 1에 예시된 바와 같이 4개의 로터 블레이드(2a, 2b, 2c, 2d)를 더 이상 다루지 않고, 단지 2개의 로터 블레이드(2b, 2d)를 상호 연결하기 때문이다.
도 1에 대하여 위에서 설명된 것처럼, 로터 허브(7)는 연관된 각 변위 가능 성분(9)을 거쳐 로터 샤프트(8)에 회전 가능하게 장착된다. 예시적으로, 각 변위 가능 성분(9)은 롤러 베어링으로서 구현되고, 더 구체적으로는 볼 베어링으로서 구현되어 로터 허브(7)가 로터 샤프트(8) 둘레에서 회전하는 것을 허용한다. 하지만, 모든 다른 5개의 자유도, 모든 변위, 및 로터 샤프트(8), 즉 로터 샤프트(8)의 회전축에 수직인 회전 방향 모두가 볼 베어링(9)을 통해 속박된다.
일 양태에 따르면, 로터 허브(7)는 이제, 도 1의 다수의 리그-래그 힌지 영역(11)을 구현하는 관절로 이어진 리그-래그 베어링들을 통해 로터 블레이드(2b, 2d)에 연결된다. 이들 관절로 연결된 리그-래그 베어링은 슬라이딩 베어링 및/또는 탄성 스프링에 의해 바람직하게 구현되고, 이는 마찰을 통한 추가적인 리그-래그 댐핑을 유리하게 가져온다. 더 나아가, 그러한 관절로 이어진 리그-래그 베어링은 원심력을 안정화시키지 않고, 로터 시동을 걸기 위해 요구된 최소 리그-래그 강성을 제공한다.
일 양태에 따르면, 다수의 리그-래그 힌지 영역(11)을 구현하는, 관절로 이어진 리그-래그 베어링은 연관된 블레이드 연결점(2e, 2f)에서 로터 허브(7)를 로터 블레이드(2b, 2d)의 비틀림 요소(5b, 5d)에 각각 연결한다. 예를 들면, 비틀림 요소(5b, 5d)는 연관된 로터 블레이드(2b, 2d)의 일체형 부품으로서 구현된다. 더 나아가, 그것들은 도 1의 각각 연관된 제어 커프(6b, 6d)에 의해 예시적으로 에워싸지는, 즉 둘러싸인다. 이는 또한 커트 라인(cut line)(14)의 방향으로 도시되어 있는 커트 뷰(view)(15)에 의해 예시된다.
하지만, 비틀림 요소(5b, 5d)는 로터 블레이드(2b, 2d)의 일체형 부품으로서 반드시 구현되어야 하는 것은 아님이 주목되어야 한다. 대신, 비틀림 요소(5b, 5d)는 로터 블레이드(2b, 2d)에 임의의 알맞은 방식으로 단단히 부착되는 개별 성분들로서 구현될 수 있다. 마찬가지로, 제어 커프(6b, 6d)는 비틀림 요소(5b, 5d)를 반드시 에워싸거나 둘러싸야 하는 것은 아니자. 대신, 제어 커프(6b, 6d)는 비틀림 요소(5b, 5d)에 평행하게 적어도 부분적으로 배열되는 빔 모양 성분들과 같이 제공될 수도 있다. 마지막으로, 또한 제어 커프(6b, 6d)가 로터 블레이드(2b, 2d) 내로 반드시 통합될 필요는 없지만, 마찬가지로 로터 블레이드(2b, 2d)뿐만 아니라 비틀림 요소(5b, 5d)에 오로지 단단히 부착되는 개별 성분들로서 구현될 수 있다는 점이 주목되어야 한다.
일 양태에 따르면, 제어 커프(6b, 6d)와, 더 구체적으로는 도 1의 다수의 제어 커프(6)에는 각각 연관된 피치 호른(16)이 제공된다. 이러한 피치 호른은 제어 커프(6b)에 대한 커트 뷰(15)에서 더 상세히 예시된다. 하지만, 이러한 예시는 다수의 제어 커프(6) 각각의 피치 호른(16) 각각에 관해서만 대표하고 있음이 주목되어야 한다.
커트 뷰(15)로부터 볼 수 있는 것처럼, 제어 호른이라고도 부를 수 있는 피치 호른(16)은 로터 블레이드(2b)의 트레일링 에지(2h)보다, 리딩 에지(2g)에 더 가까운 위치에서 제어 커프(6b) 상에 배열된다. 다시 말해, 제어 커프(6b)의 피치 호른(16)과 피치 링크 로드(10b) 사이의 각각의 연결점은 로터 블레이드(2b)의 피치 축(10e) 바로 뒤에 있지 않고, 대응하는 플랩핑 감쇠 효과를 증가시키기 위해, 로터 블레이드(2b)의 리딩 에지(2g) 쪽으로 이동된다. 연결점, 즉 피치 호른(16)의 위치와 피치 축(10e) 사이의 각각의 거리는 각각의 피치 오프셋(16a)에 의해 예시적으로 도시된다.
각각의 피치 오프셋(16a)에 관한 양의 값들은, 소위 델타(delta)3 각도라고 하는 기초가 되는 플랩핑 감쇠 효과를 증가시킨다는 점이 주목되어야 한다. 그에 반해, 각각의 피치 오프셋(16a)에 관한 음의 값들은, 로터 블레이드 플랩핑 움직임의 또 다른 여기(excitation)를 야기할 수 있다. 더 나아가, 로터 블레이드(2b)의 리딩 에지(2g)에 가까운 피치 호른 위치와, 따라서 각각의 피치 오프셋(16a)의 큰 값들은 도입될 수 있는 최대 피치 축을 제한한다. 대안적으로, 피치 각도에 관한 한계 정지부가 적용될 수 있다. 최대 피치 축을 제한하는 것은 로터 블레이드(2b)들의 정적인 일탈을 방지한다.
로터 블레이드(2b, 2d) 상의 피치 호른(16)은 피치 링크 로드(10b, 10d)를 거쳐 캔틸레버 암(4b, 4d)에 연결된다. 캔틸레버 암(4b, 4d)은 로터 샤프트(8)의 반대 측에 단단히 부착된다. 바람직하게, 캔틸레버 암(4b, 4d)은 바깥쪽으로 방사상으로 연장하는데, 적어도 개략적으로는 멀티-블레이드 로터 조립체(1)의 회전 평면(도 3에서 1d)에 평행하게 연장한다. 특히, 캔틸레버 암(4b, 4d)은 멀티-블레이드 로터 조립체(1)의 유출측(도 3에서 1c) 상에 바람직하게 배치된다.
도 1을 참조하여 위에서 설명된 것처럼, 로터 블레이드(2b, 2d)의 리딩 에지(2g)에 대하여 예시적으로 30°인, 로터 블레이드(2b, 2d), 즉 로터 블레이드(2b, 2d)의 피치 축(10e)의 세로 연장부와 캔틸레버 암(4b, 4d)의 세로 연장부 사이의 각각의 변위 각도가 구현된다. 하지만, 이러한 변위 각도는 더 일반적으로는 -100°내지 +100°인 범위에 있는 값에 다다른다는 점이 주목되어야 한다. 더 구체적으로, 만약 각각의 ?위 각도가 양의 값을 가진다면, 이는 캔틸레버 암(4b, 4d)이 멀티-블레이드 로터 조립체(1)의 회전 방향(1a)으로 로터 블레이드(2b, 2d)를 나아가게 함을 의미하고, 이에 반해 각각의 변위 각도의 음의 값은 회전 방향(1a)으로 로터 블레이드(2b, 2d)가 캔틸레버 암(4b, 4d) 뒤를 따른다는 것을 의미한다. 예시적으로, 캔틸레버 암(4b, 4d) 각각은 적어도 미리 결정된 제작 공차 내에 있는 암 길이(4e)를 가지고, 이는 오로지 캔틸레버 암(4b)에 관해서 예시된 도면들의 간단함 및 명료함을 위한 것이다.
일 양태에 따르면, 로터 샤프트(8)로부터 로터 블레이드(2b, 2d)로의 토크 모멘트 전달은 로터 블레이드(2b, 2d), 즉 로터 블레이드(2b, 2d)의 피치 축(10e)과 캔틸레버 암(4b, 4d)의 세로 연장부들 사이의 선택된 변위 각도를 조정함으로써 조정될 수 있다. 이는 로터 블레이드(2b)(도 2에서는 2d)와 로터 허브(7) 사이의 피치 각도에 대한 로터 샤프트(8)와 로터 허브(7) 사이의 선택된 변위 각도의 기하학적 전달비를 가져온다. 큰 전달비란 주어진 토크 모멘트 변경에 관한 더 큰 피치 각도 변경을 의미한다.
멀티-블레이드 로터 조립체(1)가 작동할 때, 로터 샤프트(8)로부터 캔틸레버 암(4b, 4d)으로 인가되는 토크는 캔틸레버 암(4b, 4d)이 회전 방향(1a)으로 회전하게 한다. 그러므로 캔틸레버 암(4b, 4d)은 각각의 피치 호른(16)을 거쳐 제어 커프(6b, 6d)에 연결되는 피치 링크 로드(10b, 10d)에 의해 로터 블레이드(2b, 2d)를 끌고 간다. 그러므로 로터 샤프트(8)에 의해 인가된 토크는 로터 블레이드(2b, 2d)의 피치 각도를 증가시키고, 또한 멀티-블레이드 로터 조립체(1)의 각각의 회전 속도를 증가시킴으로써, 피치 링크 로드(10b, 10d)에서의 인장 하중(tension load)을 가져온다. 하지만, 로터 샤프트(8)에 음의 값을 가지는 토크를 인가하면 로터 블레이드(2b, 2d)의 피치 각도를 감소시키고, 멀티-블레이드 로터 조립체(1)의 회전 속도를 느리게 함으로써, 피치 링크 로드(10b, 10d)에서의 압축 하중을 가져온다. 그러므로 이러한 배열에서는, 피치 링크 로드(10b, 10d)에서의 대응하는 피크 인장 하중은 일반적으로 로터 블레이드(10b, 10d)의 공기역학적 항력으로 인해 대응하는 피크 압축 하중보다 커야 한다.
도 3은 도 1에 예시된 구성에 따른 멀티-블레이드 로터 조립체(1)의 부분을 보여주는 것으로, 멀티-블레이드 로터 조립체(1)의 유출측(1c)뿐만 아니라 멀티-블레이드 로터 조립체(1)의 유입측(1b)을 더 예시하기 위한 것이다. 더 구체적으로, 멀티-블레이드 로터 조립체(1)는 로터 평면(1b)을 예시적으로 형성하고, 유입측(1b)으로부터 로터 평면(1d)을 거쳐 유출측(1c)으로의 기류(19)를 생성하기 위해 로터 블레이드(2b)(도 1의 2d)가 제공된다.
도 3은 또한 각 변위 가능 성분(9)의 일 구현예와 함께, 로터 샤프트(8)로의 토크 전달 유닛(4)의 캔틸레버 암(4b, 4d)의 바람직하고 회전 가능하지 않은 장착을 추가로 예시하고, 이러한 구현예에 따라 각 변위 가능 성분(9)은 탄성 중합체 베어링에 의해 구현된다. 도 3은 또한 멀티-블레이드 로터 조립체(1)의 유출측(1c)에서의 도 2에 따른 피치 호른(16)의 배열을 추가로 예시한다. 더 구체적으로, 피치 호른(16)은 유출측(1c)에서 로터 평면(1d)과, 피치 로드 링크(10b)로의 연결점 사이의 수직 오프셋(17)이 생성되도록 배치된다.
일 양태에 따르면, 로터 샤프트(8)로부터 로터 블레이드(2b)(도 1의 2d)로의 토크 모멘트 전달은 각각의 기하학적 레버 비들, 즉 도 2에 따른 캔틸레버 암 길이(4e)와 수직 오프셋(17) 사이의 기초가 되는 비를 조정함으로써 조정될 수 있다. 이는 로터 허브(7)와 로터 블레이드(2b)(도 1의 2d) 사이의 피치 각도에 대한 로터 허브(7)와 로터 샤프트(8) 사이의 변위 각도의 기하학적 전달비를 가져온다. 큰 전달비는 주어진 토크 모멘트 변경에 관한 더 큰 피치 각도 변경을 의미한다.
도 4는 본 발명의 일 변형예에 따른 도 2 및 도 3의 로터 허브(7)를 보여준다. 이러한 변형예에 따르면, 앞선 도면들의 각도 변위 가능 성분(9)은 방사상 박판(18)에 의해 구현 즉 대체된다. 이러한 방사상 박판(18)은 로터 허브(7)와 로터 샤프트(8) 사이의 상대적인 움직임을 가능하게 한다.
전술한 실시예는 단지 본 발명의 가능한 변형예를 예시하기 위해 기술된 것이고, 본 발명을 그러한 실시예에 국한하기 위한 것이 아니라는 점이 주목되어야 한다. 대신, 본 발명의 다수의 수정예와 변형예가 가능하고 따라서 그러한 것들은 본 발명의 부분으로서 간주되어야 한다. 예컨대, 도 1 내지 도 3의 멀티-블레이드 로터 조립체(1)는 도 1의 회전 방향(1a)으로의 회전을 위해 본보기적으로 구현된다. 하지만, 도 1 내지 도 3의 멀티-블레이드 로터 조립체(1)가 도 1의 회전 방향(1a)과 반대인 회전 방향으로 회전하기 위해 구현되어야 한다면, 멀티-블레이드 로터 조립체(1)는 단순히 이러한 반대 회전 방향으로 비추어지는 것이다.
1: 멀티로터 블레이드 조립체 1a: 회전 방향
1b: 로터 조립체 유입측 1c: 로터 조립체 유출측
1d: 로터 평면 2a, 2b, 2c, 2d: 로터 블레이드
2e, 2f: 블레이드 연결점 2g: 로터 블레이드 리딩 에지
2h: 로터 블레이드 트레일링 에지 3: 다수의 탄성이 있는 힌지 유닛
3a, 3b, 3c, 3d: 탄성이 있는 힌지 유닛들
4: 토크 전달 유닛 4a, 4b, 4c, 4d: 캔틸레버 암
4e: 캔틸레버 암 길이 5: 다수의 비틀림 요소
5a, 5b, 5c, 5d: 비틀림 요소 6: 다수의 제어 커프
6a, 6b, 6c, 6d: 제어 커프 7: 로터 허브
8: 로터 샤프트 9: 각 변위를 가능하게 하는 성분
10: 피치 제어 유닛 10a, 10b, 10c, 10d: 피치 링크 로드
10e: 피치 축 11: 다수의 리드-래드 힌지 영역
11a, 11b, 11c, 11d: 리드-래그 힌지 영역
12: 다수의 탄성이 있는 플랩핑 힌지 영역
12a, 12b, 12c, 12d: 탄성이 있는 플랩핑 힌지 영역
13: 다수의 탄성이 있는 비틀림 영역
13a, 13b, 13c, 13d: 탄성이 있는 비틀림 영역
14: 커트 라인 15: 커트 뷰
16: 피치 호른 16a: 피치 호른 오프셋
17: 수직 오프셋 18: 방사상 박판

Claims (15)

  1. 회전익기용 로터 조립체(1)로서,
    로터 샤프트(8), 상기 로터 샤프트(8)에 회전 가능하지 않게 장착되는 토크 전달 유닛(4), 연관된 각 변위 가능 성분(9)을 거쳐 상기 로터 샤프트(8)에 회전 가능하게 장착되는 로터 허브(7), 및 상기 로터 허브(7)에 연결되고 로터 조립체 유입측(1b)으로부터 각각의 로터 평면(1d)을 거쳐 로터 조립체 유출측(1c)으로의 기류(19)를 생성하기 위해 제공되는 적어도 2개의 로터 블레이드(2b, 2d)를 포함하고,
    상기 토크 전달 유닛(4)은 피치 제어 유닛(10)을 거쳐, 상기 로터 조립체 유출측(1c)에서 적어도 2개의 로터 블레이드(2b, 2d)에 결합되고, 상기 피치 제어 유닛(10)은 상기 로터 샤프트(8)로부터 상기 토크 전달 유닛(4)으로 인가되는 토크를 적어도 2개의 로터 블레이드(2b, 2d)에 전달하며, 만약 상기 토크가 증가한다면 상기 피치 제어 유닛(10)이 적어도 2개의 로터 블레이드(2b, 2d)의 각각의 피치 각도를 증가시키는, 로터 조립체.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 연관된 각 변위 가능 성분(9)은 상기 로터 샤프트(8)에 대한 상기 로터 허브(7)의 각 변위를 적어도 가능하게 하기 위해 제공되고, 상기 연관된 각 변위 가능 성분(9)은 래디얼 베어링, 슬라이딩 베어링, 탄성 스프링 및/또는 방사상 박판(18) 중 적어도 하나를 포함하는, 로터 조립체.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 피치 제어 유닛(10)은 각각 연관된 제어 커프(6b, 6d)를 거쳐 적어도 2개의 로터 블레이드(2b, 2d)의 각각에 결합되는, 로터 조립체.
  4. 제3 항에 있어서,
    적어도 2개의 로터 블레이드(2b, 2d) 각각은 피치 각도 조정을 위해 탄력적으로 변형 가능한 비틀림 요소(5b, 5d)를 포함하는, 로터 조립체.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 로터 블레이드(2b, 2d)와 그것의 비틀림 요소(5b, 5d)는 일체형 성분으로서 형성되는, 로터 조립체.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 로터 블레이드(2b, 2d) 각각과 상기 연관된 제어 커프(6b, 6d)는 일체형 성분으로서 형성되는, 로터 조립체.
  7. 제4 항에 있어서,
    각각의 비틀림 요소(5b, 5d)와 로터 허브(7)는 일체형 성분으로서 형성되는, 로터 조립체.
  8. 제4 항에 있어서,
    각각의 비틀림 요소(5b, 5d)는 연관된 리드-래그(lead-lag) 힌지 영역(11b, 11d)보다 로터 샤프트(8)에 더 가깝게 배치되는 탄성 있는 플랩핑 힌지 영역(112b, 12d)을 포함하는, 로터 조립체.
  9. 제4 항에 있어서,
    각각의 비틀림 요소(5b, 5d)는 로터 허브(7)의 연관된 리드-래그 힌지 영역(11b, 11d)에서 상기 로터 허브(7)에 장착되는, 로터 조립체.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 로터 허브(7)는 연관된 리드-래그 힌지 영역(11b, 11d) 보다 로터 샤프트(8)에 더 가깝게 배치되는, 탄성 있는 플랩핑 힌지 영역(12b, 12d)을 포함하는, 로터 조립체.
  11. 제3 항에 있어서,
    상기 피치 제어 유닛(10)은 적어도 2개의 피치 링크 로드(10b, 10d)를 포함하고, 상기 토크 전달 유닛(4)은 적어도 2개의 피치 링크 로드(10b, 10d) 중 하나를 거쳐 각각 연관된 제어 커프(6b, 6d)에 결합되는, 로터 조립체.
  12. 제11 항에 있어서,
    각각 연관된 제어 커프(6b, 6d)는 로터 조립체 유출측(1c)에서 적어도 2개의 피치 링크 로드(10b, 10d) 중 상기 하나에 결합되는 피치 호른(16)을 포함하는, 로터 조립체.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 피치 호른(16)은 로터 블레이드 트레일링 에지(2h) 보다 로터 블레이드 리딩 에지(2g)에 더 가깝게 배치되는, 로터 조립체.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 토크 전달 유닛(4)은 적어도 2개의 캔틸레버 암(4b, 4d)을 포함하고, 로터 샤프트(8)에 대해서 적어도 2개의 캔틸레버 암(4b, 4d) 각각과 적어도 2개의 로터 블레이드(2b, 2d) 중 연관된 것 사이에는 -100°내지 +100°의 범위를 가지는 변위 각도가 형성되는, 로터 조립체.
  15. 회전익기로서,
    제1 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 따라 구현되는 적어도 하나의 로터 조립체(1)를 구비한 회전익기.
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