KR20230064219A - 항공기용 프로펠러 허브 - Google Patents

Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 항공기용 프로펠러 허브는 허브 마스트와 연결되어 모터의 회전 동력을 블레이드로 전달하는 중심 허브, 그리고 블레이드가 장착되고, 상기 중심 허브에 대하여 상대적으로 상하 방향으로 회전 가능하게 힌지 핀으로 상기 중심 허브에 결합하는 블레이드 장착 허브를 포함하며, 상기 블레이드 장착 허브는 복수 개의 개별 블레이드 장착 허브를 포함하며, 상기 복수 개의 개별 블레이드 장착 허브 각각은 서로 연동하게 기어로 맞물려 있는 것을 특징으로 한다.

Description

항공기용 프로펠러 허브{Propeller hub for airplane}

본 발명은 항공기용 프로펠러 허브에 관한 것으로, 상세하게는 조류 충돌 피해를 효과적으로 줄일 수 있는 항공기용 프로펠러 허브에 관한 것이다.

도심형 항공기(UAM, Urban Air Mobility)에 대한 관심이 증대되고 이와 관련된 연구개발도 활발히 진행 중에 있다. 도심형 항공기, 즉 드론 택시는 도심 내에서 운용을 위해 이착륙 시에는 프로펠러를 회전익기의 로터처럼 수직으로 틸트 시켜 양력을 발생시키고, 비행 시에는 전진 방향으로 프로펠러를 배치하여 추력을 발생시킬 수 있다.

이러한 도심형 항공기는 비행 공역이 기존 항공기 대비 낮고 다중 프로펠러를 사용하므로, 조류 충돌 상황에 많이 노출될 수 있다.

도 7에는 종래의 도심형 항공기용 프로펠러 허브의 주요 구성을 나타낸다. 종래의 프로펠러 허브(100)는 프로펠러의 블레이드(200)와 서로 고정이 된 형태이다.

따라서, 조류 충돌 하중 및 충격량이 충돌 단면적에 비례하며, 기존 프로펠러의 블레이드(200)는 고정이 된 채로 넓은 단면적에 대하여 하중 및 충격을 받게 된다. 따라서, 하중과 충격에 강건하도록 블레이드와 허브의 설계 시 강도 보강이 이루어지며, 이에 따라 전체 중량도 증가하여 비행 성능하락을 야기하는 문제점이 있다.

또한, 조류충돌 모멘텀은 충돌이 발생한 블레이드의 굽힘 변형 모멘텀과 원심력에 의한 복원 모멘텀의 합이 될 수 있다. 이 경우, 블레이드 굽힙응력이 과도하게 발생할 수 있고, 이로 인해 블레이드의 파손 가능성도 증가한다. 또한, 한 번의 조류 충돌에도 블레이드에 구조적 파손이 부분적으로 발생할 수 있으며, 더 나아가 다수의 조류(새떼)와의 충돌시에는 안정성 확보에도 한계가 있다.

한국공개특허공보 제2021-0008017호(2021.01.20.)

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 조류 충돌시 블레이드와 허브에 가해지는 충격량을 효과적으로 감소시킬 수 있는 항공기용 프로펠러 허브를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 항공기용 프로펠러 허브는 허브 마스트와 연결되어 모터의 회전 동력을 블레이드로 전달하는 중심 허브, 그리고 블레이드가 장착되고, 상기 중심 허브에 대하여 상대적으로 상하 방향으로 회전 가능하게 힌지 핀으로 상기 중심 허브에 결합하는 블레이드 장착 허브를 포함하며, 상기 블레이드 장착 허브는 복수 개의 개별 블레이드 장착 허브를 포함하며, 상기 복수 개의 개별 블레이드 장착 허브 각각은 서로 연동하게 기어로 맞물려 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 개별 블레이드 장착 허브는 3개가 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 중심 허브는, 중심 허브 본체, 그리고 상기 중심 허브 본체로부터 방사상으로 분기된 복수 개의 힌지 프레임을 포함하며, 상기 복수 개의 힌지 프레임 각각은, 상기 복수 개의 개별 블레이드 장착 허브 각각을 둘러싸고, 상기 힌지 핀은 상기 복수 개의 개별 블레이드 장착 허브 각각을 관통하여, 상기 복수 개의 힌지 프레임 각각에 고정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 복수 개의 개별 블레이드 장착 허브 각각은 서로 결합시 원형을 이루는 부분 몸체부, 그리고 상기 부분 몸체부에 방사상으로 연결되는 블레이드 연결부를 포함하며, 상기 부분 몸체부는 서로 연동하게 기어로 맞물려 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 힌지 핀은 상기 블레이드 연결부를 관통하는 것을 특징으로 한다.

상술한 구성을 가진 본 발명의 실시예에 따른 항공기용 프로펠러 허브에 따르면, 조류 충돌시 블레이드와 허브에 가해지는 충격량을 효과적으로 감소시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

한편, 본 발명은 명시적으로 기재되지는 않았지만 상술한 구성으로부터 기대할 수 있는 다른 효과도 물론 포함한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 항공기용 프로펠러 허브를 구비한 프로펠러를 나타낸다.
도 2는 도 1의 항공기용 프로펠러 허브의 주요 구성의 사시도이다.
도 3은 도 1의 프로펠러 허브의 중심 허브를 나타낸다.
도 4는 도 1의 프로펠러 허브의 블레이드 장착 허브를 나타낸다.
도 5는 도 4의 블레이드 장착 허브의 개별 블레이드 장착 허브가 서로 기어 맞물림으로 연동되어 있는 모습을 나타낸다.
도 6은 도 2의 항공기용 프로펠러 허브의 작용을 설명하기 위한 도면으로서, 도 6의 (a)는 조류(시험체)가 블레이드에 충돌하는 모식도이고, 도 6의 (b)는 충돌 후 시험체의 단면에서 바라본 잘려나간 부위를 나타내고, 도 6의 (c)는 충돌시 프로펠러 허브의 작용을 나타낸다.
도 7의 (a)는 종래의 항공기용 프로펠러 허브를 나타내고, 도 7의 (b)는 충돌 후 시험체의 단면에서 바라본 잘려나간 부위를 나타낸다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1 내지 도 4를 참고하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 항공기용 프로펠러 허브에 대하여 설명한다.

본 항공기용 프로펠러 허브(300)는 주요 구성으로 중심 허브(1)와 블레이드 장착 허브(2)를 포함한다.

중심 허브(1)는 허브 마스트(400)와 연결되어 모터(500)의 회전 동력을 블레이드(200)로 전달한다.

블레이드 장착 허브(2)는 블레이드(200)가 장착되고, 중심 허브(1)에 대하여 상대적으로 상하 방향(도 2의 X-X 방향)으로 회전 가능하게 힌지 핀(3)으로 중심 허브(1)에 결합한다. 여기서, 블레이드 장착 허브(2)의 위쪽으로의 회전은 후술하는 힌지 프레임(12)에 의해 제한된다.

또한, 블레이드 장착 허브(2)는 복수 개의 개별 블레이드 장착 허브(21,22,23)를 포함하며, 복수 개의 개별 블레이드 장착 허브(21,22,23) 각각은 서로 연동되게 기어(7)로 맞물려(gear mesh) 있다.

한편, 본 실시예에서는 블레이드(200)가 3개, 개별 블레이드 장착 허브(21,22,23)가 3개가 구비된 프로펠러 허브(300)가 예시되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 중심 허브(1)는, 중심 허브 본체(11)와, 중심 허브 본체(11)로부터 방사상으로 분기된 복수 개의 힌지 프레임(12)을 포함한다.

복수 개의 힌지 프레임(12) 각각은, 복수 개의 개별 블레이드 장착 허브(21,22,23) 구체적으로, 블레이드 연결부(212,222,232)를 '┌┐' 형상으로 둘러싼다(도 2의 A 부분 참조).

힌지 핀(3)은 이들 복수 개의 개별 블레이드 장착 허브(21,22,23), 다시 말해, 블레이드 연결부(212,222,232)를 관통하여, 복수 개의 힌지 프레임(12) 각각에 고정된다. 이를 위하여, 블레이드 연결부(212,222,232)에는 관통구멍(213,214,215)이 형성되어 있다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 복수 개의 개별 블레이드 장착 허브(21,22,23) 각각은 서로 결합시 대략 원형을 이루는 부분 몸체부(211,221,231)와, 부분 몸체부(211,221,231)에 방사상으로 연결되는 블레이드 연결부(212,222,232)를 포함한다. 여기서, 부분 몸체부(211,221,231)는 서로 연동하게 기어(7)로 맞물려 있는 것이 특징이다.

이하에서는 도 6을 참고하여, 상술한 구성을 가진 본 발명의 한 실시예에 따른 항공기용 프로펠러 허브의 작용에 대하여 설명한다.

본 발명의 프로펠러 허브(300)를 포함하는 항공기가 비행 도중에, 블레이드(200)에 조류(B)가 충돌할 경우 프로펠러로 충격 및 하중 전달 메커니즘은 다음과 같다. 참고로, 도 6의 (a)에서, 블레이드의 전방(도 6의 (a) 기준 블레이드의 위쪽)이 항공기의 진행 방향이 될 수 있다.

먼저, 복수의 블레이드 중 블레이드(200')에 조류(B)가 충돌할 경우, 이때 가해지는 충격 하중으로, 개별 블레이드 장착 허브(21,22,23) 중 조류(B)가 충돌한 블레이드(200')가 장착된 특정의 개별 블레이드 장착 허브(예컨대, 개별 블레이드 장착 허브(22))와 함께, 블레이드(200')는 아래 방향(R)으로 회전한다.

이때, 힌지 핀(3)을 중심으로 하여 회전하는 특정의 개별 블레이드 장착 허브(22)에 의해 기어(7)로 맞물려 있는 나머지 개별 블레이드 장착 허브(21,23)들도 연동하여 아래 방향(R)으로 회전한다(즉, 나머지 블레이드가 조류가 충돌한 특정 블레이드와 연동하여 회전됨).

따라서, 블레이드(200')가 아래 방향으로 회전함에 따라 조류 충돌이 되는 단면적이 줄어들게 되고, 결과적으로 블레이드(200')와 프로펠러 허브(300)에 가해지는 충격량이 감소한다. 참고로, 조류 충돌 시험시, 조류에 대응하여 젤라틴 소재의 원통형상의 시험체(500)를 블레이드에 충돌시켜 그 충격량을 확인하게 되는데, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 시험체(500)에서 블레이드 충돌로 잘려나간 부위(C')가 종래(도 7의 (b) 참조)에 비하여 확연히 축소되어 있음을 알 수 있다.

충돌 후 블레이드(200')는 모터의 회전력에 따른 원심력으로 받음각을 회복하고 원래의 위치로 회복되어 원래의 추력을 다시 내게 된다.

한편, 도 6를 참고하면, 조류충돌 시, 조류충돌모멘텀은 아래와 같이 계산될 수 있다.

조류충돌모멘텀 = 블레이드의 개수 × (블레이드의 처짐 모멘텀 + 원심력에 의한 복원 모멘텀)

그런데, 조류 충돌에 의해 블레이드에 전달되는 모멘텀이 종래에서와 같이 구조적 변형이 아니라, 모든 블레이드들의 동역학적 강체 거동에 의해 감쇠된다. 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는, 조류 충돌시, 블레이드의 시소운동(seesaw)에 의한 조류 충돌 질량 감소와 더불어, 구조적 파손이 최소화되는 충돌에너지 감쇠 효과를 얻을 수 있어, 다수의 조류(새떼) 충돌시에도 블레이드의 구조적 안정성 확보가 가능하다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

300...프로펠러 허브
1...중심 허브
11...중심 허브 본체
12...힌지 프레임
2...블레이드 장착 허브
21,22,23...개별 블레이드 장착 허브
212,222,232...블레이드 연결부
200...블레이드

Claims (5)

1. 허브 마스트와 연결되어 모터의 회전 동력을 블레이드로 전달하는 중심 허브, 그리고
   블레이드가 장착되고, 상기 중심 허브에 대하여 상대적으로 상하 방향으로 회전 가능하게 힌지 핀으로 상기 중심 허브에 결합되는 블레이드 장착 허브
   를 포함하며,
   상기 블레이드 장착 허브는 복수 개의 개별 블레이드 장착 허브를 포함하며, 상기 복수 개의 개별 블레이드 장착 허브 각각은 서로 연동하게 기어로 맞물려 있는 것
   을 특징으로 하는 항공기용 프로펠러 허브.
2. 제1항에서,
   상기 개별 블레이드 장착 허브는 3개가 구비되는 것을 특징으로 하는
   항공기용 프로펠러 허브.
3. 제1항에서,
   상기 중심 허브는,
   중심 허브 본체, 그리고
   상기 중심 허브 본체로부터 방사상으로 분기된 복수 개의 힌지 프레임
   을 포함하며,
   상기 복수 개의 힌지 프레임 각각은, 상기 복수 개의 개별 블레이드 장착 허브 각각을 둘러싸고,
   상기 힌지 핀은 상기 복수 개의 개별 블레이드 장착 허브 각각을 관통하여, 상기 복수 개의 힌지 프레임 각각에 고정되는 것
   을 특징으로 하는
   항공기용 프로펠러 허브.
4. 제3항에서,
   상기 복수 개의 개별 블레이드 장착 허브 각각은
   서로 결합시 원형을 이루는 부분 몸체부, 그리고
   상기 부분 몸체부에 방사상으로 연결되는 블레이드 연결부
   를 포함하며,
   상기 부분 몸체부는 서로 연동하게 기어로 맞물려 있는 것
   을 특징으로 하는
   항공기용 프로펠러 허브.
5. 제4항에서,
   상기 힌지 핀은 상기 블레이드 연결부를 관통하는 것을 특징으로 하는
   항공기용 프로펠러 허브.

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