KR950013725B1 - 헬리콥터용 복합 회전사판 - Google Patents

헬리콥터용 복합 회전사판 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

헬리콥터용 복합 회전사판
제 1 도는 본 발명인 복합 회전사판을 절단 사시도.
제 2 도는 서로 반대로 회전하는 2개의 회전사판링의 평면도.
제 3 도는 제 2 도의 회전사판링의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
3 : 회전사판링 6 : 스페이서링
9 : 편직링 10 : 주위섬유
11 : 각이진 섬유 12 : 상부링판
15 : 하부링판 18 : 지지부재
30 : 개구 33 : 러그부재
본 발명이 관련되는 기술분야는 헬리콥터 회전사판, 특히 섬유 강화 에폭시 기지복합물로 구성된 회전사판에 관한 것이다.
역사적으로 헬리콥터의 회전사판은 고강도와 경량의 금속 또는 합금으로 만들어져 왔다. 이들 금속성분은 충분한 기능을 발휘하지만 이들 금속에 기인한 많은 결함이 있다. 이들 재료가 최적의 특성을 갖지 않는 세 개의 인자는 중량, 효용과 손상에 대한 내성이다.
중량은 언제나 헬리콥터 구조에서 중요한 고려 대상이었으며 연료소비가 증가됨에 따라 보다 가벼운 재료를 사용하여 전체 헬리콥터의 중량을 줄이는 것이 주요한 목적이 된다. 현재 알루미늄과 티타늄이 가볍고 강도가 크기 때문에 광범위하게 사용되지만 보다 가볍고 강한 재료를 찾으려는 연구가 계속된다. 추가로 이들 많은 경량 금속은 수입을 통하여 주로 사용되는 "임계"재료로 정의된다. 과거 오일 수출금지에 의하여 증명된 것처럼 이들 재료를 외국에 의존하는 것은 바람직하지 못하다. 더욱이 이들 금속은 손상에 대한 내성을 부여하지 않는다. 금속성분이 약화되기 시작할 때 피로 또는 다른 원인 때문에 크랙이 발생한다. 이들 크랙은 크랙 전파를 방해하지 않으며 빠르게 진행하여 성분 부품은 완전히 파괴된다. 알 수 있듯이 손상에 대한 내력이 부족하면 헬리콥터에서 치명적으로 작용할 수 있다.
최근 복합재료가 가볍고 비교적 저렴하기 때문에 많은 금속성분 대신에 사용되어 왔다. 예를 들어 복합재료는 현재 헬리콥터의 테일로터 조립체와 메인로터 블레이드 같은 주요 구조에서 상용된다. 그러나 금속성분을 복합재료로 바꾸는 것은 특별한 설계연구와 합성물리적 성질에서 결점 때문에 언제나 실용적인 것은 아니다.
전형적으로 비행기내의 회전사판링은 단조 알루미늄 소톡으로 제조되고 제어봉(외부 회전링), 입력링크장치(내부 고정링) 및 가위형 링크장치를 설치하도록 적당한 최종직경을 갖게끔 기계가공된다. 외부 회전사판링은 제어봉 링크장치를 관절식으로 설치하도록 반경방향의 선외로 연장하는 러그마운트와 적어도 하나의 가위형 링크장치를 설치하는 피봇을 포함한다. 같이하여 내부 회전사판은 입력링크장치를 설치하도록 반경방향의 선내로 연장하는 러그마운트와 적어도 하나의 가위형 링크장치를 설치하는 피봇을 포함한다.
따라서 상기 기술에 필요한 것은 헬리콥터 회전사판 조립체에서 생기는 힘에 견딜수 있는 파괴에 대한 내성과 비교적 값이 싸고 경량의 복합성분이다.
본 발명은 회전사판 평면에 수직한 힘과 평면방향 힘에 견딜수 있는 삼축방향 편직 관형 복합재료를 갖는 헬리콥터 복합 회전사판에 관한 것이다. 상기 삼축편직 관형링은 주위섬유에 소정의 각으로 배향된 각을 이루는 섬유로 직조된 주위섬유로 구성된다. 상기 관형링은 다수의 제 1 관형 지지부재에 의해 하부링판에 연결되어 있는 상부링판을 구성하는 복합 주위 스페이서링을 포함한다. 상기 상부링판과 하부링판은 각각 관형링의 내측상부 및 내측 하부표면에 인접되어 있다. 상기 상하부 판은 상기 제 1 관형 지지부재와 정열되어 있는 개구를 갖고 있다. 이 링판들은 방사상 외부로 뻗어있는 다수의 부분을 갖고 있다. 이 부분들은 서보 또는 제어봉 러그를 받아들이도록 상기 부분들 사이에 채널을 형성하기 위해 제 2 수직 지지부재와 정열되어 있는 러그개구를 갖는다.
이 회전사판은 종래의 복합회전 사판측들을 분리하게 하는 층간 전단력에 견딜 수 있다.
전술한 것 및 다른목적, 특징 및 장범 등은 본 발명의 실시예를 도시한 첨부한 도면과 명세서 및 청구범위로부터 명확해질 것이다.
본 발명에 중요한 것은 삼축편직 관형복합물이다. 삼축편집 섬유를 직조하면 종래의 적층복합물에 있는 것과 같은 봉합선이 없는 일체로 된 부품이 된다.(미합중국 특허 제 4,586,245호 참조). 따라서 푸시로드제어 하중이 아닌 양력에 의해 생기는 전단력에서 비롯되는 즉 하중은 링내의 섬유에 의해서 반응되지 수지기질에 의해서 되지 않는다. 삼축편집 관형물질은 파이버 이노베이션, 인코오포레이티드(매사츄세츠주 노우드소재)로부터 판매된다. 또한 연속링 브레이더는 연속관형링을 편직하기에 적합한 스프릿 베드 브레이더를 형성할 수 있도록 개조 될 수 있다. 워드웰 브레이딩머신 캠패니(로드 아일랜드, 센트럴 폴즈 소재)의 뉴잉글랜드 버트분소에서 제조되는 연속링 브레이더는 2개의 반쪽링은 힌지에 부착되어 편직된 링이 베드로부터 제거되도록 베드는 개방된다. 작동중에 반쪽링들이 서로 결합 유지되도록 로크메카니즘이 구비되어 있다.
대체로 편직 관형 복합물은 전형적으로 최소 필라멘트 탄성계수가 30 ×106psi 인 고강도 흑연섬유인 흑연섬유 보강물로 사용된다. 각각의 섬유는 일반적으로 직경이 약 0.35 내지 0.399밀이다. 흑연섬유는 건식조방형으로 허큐리스 인코오포레이티드사 제품으로부터 구할 수 있다. 큐어링된 흑연/수지 복합물은 기계적 특성에 영향을 미치지 않으려면 50 내지 60% 체적%의 섬유를 함유할 수 있지만 55%체적의 섬유를 함유하는 것이 바람직하다.
에폭시 같은 수지기지는 섬유 보강물과 양립할 수 있도록 선택되는 것이 바람직하다. 에폭시수지는 낮은 압력(즉, 20 내지 100psig에서 만족스럽게 처리 될 수 있다. Dow Tactax 123TM수지 및 Dow TactaxTMH41경화제인 하나의 수지계는 도우 인더스트리즈로부터 판매된다.
제 1 도에 따르면 스페이서링(6)을 둘러싸는 편직 관형링(9)은 주위섬유(10)에 대하여 약 ±30˚ 내지 ±60˚로 배향된 각이진 섬유(11)로 직조된 주위섬유(10)을 포함하는 3축방향 편직을 갖는다. 주위섬유(10)는 편직링(9)과 공동평면에 위치하는 것이 바람직하지만 0˚로부터 약간의 편차(즉 ±5˚) 가 허용된다. 축으로부터 10˚이상에서 주위섬유는 회전사판이 받는 굽힘모멘트에 견디는 능력이 감소되어 강도가 떨어지게 된다. 30˚내지 60˚에서 각이진 섬유(11)는 박층분리를 야기하는 횡전단력(예를 들면 푸시로드 제어 하중에 의해 생기는)에 견딜수 없다. 예를 들면 종래의 복합적층 회전사판은 굽힘피로시험시 박층분리될 수 있다.
회전사판링(3)의 내부가 보이도록 절개한 도면인 제 1 도에 따르면 주위 스페이서링(6)은 3축방향 편직 관형링(9)에 의해 둘러쌓여 있다. 상기 스페이서링(6)은 형상이 대체로 동일한 상부링판(12)과 하부링판(15)을 포함하고 있다. 전형적으로 상기 링판들은 그 형상이 방사상 외부로 뻗어있는 로케이터부(27)를 갖고 있다. 상부 및 하부링판(12) (15)은 서로 연결되고 이격되어 있는 다수의 수직 지지부재(18)에 의해 떨어져 지지되어 있다. 상기 수직 지지부재(18)는 아래에 기술할 외부로 뻗어있는 로케이터부(27)에 대해 원주방향으로 배치되어 있다. 수직 지지부재(18)는 이들이 편직 관형링(9)의 내부주위의 내축에 인접하도록 링(9)내부주위에 배치되어 있다. 그래서 일단 상기 링판들(12) (15) 및 수직 지지부재(18)가 3축방향 편직 관형링(9)에 의해 덮혀지면 수직구멍(21)(예를 들면 정열된 구멍)은 3축 링, 링판들(12) (15) 및 수직 지지부재(18)을 통해 뚫리게 된다. 링판들(12) (15)은 3축방향 편직 관형링(9)의 외축 상부 및 하부표면에 대해 관통 볼트(24)에 의해 클램프 연결된다.
상부 및 하부링판(12) (15)은 방사상 외부로 연장하는 다수의 로케이터부(27)를 갖고 있다. 로케이터부(27)의 수는 대개 서보 또는 제어봉 러그수에 상응한다. 상하부판 로케이터부(27)는 서보 또는 제어봉 러그를 받아들이도록 러그개구(30)와 정렬되어 있다. 상기 러그개구(30)와 정렬되어 있는 상하부판(12) (15)사이에는 러그코어채널을 제공하는 복합관형 러그부재(33)가 있다. 반경방향으로 연장하는 로케이터부(27)는 러그개구(30)를 배치하는 역할을 하므로 조립체가 성형되어 큐어링된 후에 편직 관형링(9)을 통해 뚫려있는 구멍은 러그개구(30)와 관형 러그부재(33)을 관통한다.
밀폐된 셈 폼 블록(cell foam block) (36)의 미리 성형된 원형부는 상부 및 하부링판(12) (15)사이와 관형 러그부재들(33)사이에 배치된다. 또한 폼블록(36)은 링판 폭위로 방사상으로 연장하며 양호한 폭과 양호한 강도를 편직 섬유에 의해 한번 싸여진 링단면에 제공할 수 있도록 사이징(sizing)된다. 그러나 상기 폭은 로케이터부(27)의 폭을 넘지 않도록 선택된다. 폼블록(39)은 또한 러그개구(30)에도 배치된다. 폼블록(36) (39)은 편직링(9)에 연속된 안감을 제공한다. 러그개구(30)에 배치된 폼블록(39)은 성형 및 큐어링 후 쉽게 제거될 수 있다.
회전사판링(3)은 다음과 같이 제조된다. 수직부재(18)를 포함하는 복합 스페이서링(6)은 예를 들면 잘라진 섬유 및 적당한 수지로 성형된다. 또한 상부 및 하부판(12) (15)은 적층되어 큐어링된 후 미리 성형된 복합 수직부재(18)에 연결된다. 복합 관형 러그부재(33)는 러그개구(30)와 정렬된 로케이터부들(29)사이에 배치되며 냉간접착과 같은 적당한 수단에 의해 스페이서링(6)에 부착된다. 폼블록(36) (39)은 냉간접착과 같은 적당한 수단에 의해 상기 판(12) (15), 수직 지지부재(18) 및 관형 러그부재(33)에 연결된다.
상기 조립체는 회전사판링(3)용의 영구적인 반구조 맨드릴 같은 역할을 한다. 이 맨드릴은 맨드릴상의 전술한 3축 편직을 편조함으로써 덮이게 되며, 수지 전달 방법에 의해 성형된다. 건식 섬유 편직 및 맨드릴은 마무리된 부분형상을 갖는 주형에 놓이게 되며 수지가 주입되며 종래의 열 및 압력이 종래의 시간이상 회전사판링을 큐어링하도록 가해진다. 또다른 제조방법은 3축 편직을 조사하는 프리프레그를 이용하고 종래의 프리프레그 성형방향을 이용하는 것이다.
러그개구(30) (방사상으로 뻗어있는 로케이터부(27)에 의해 위치하는)는 편조된 슬리이브의 상부 및 하부 표면을 통해 뚫려있고 폼블록(39)은 제거된다. 구멍(24)은 로케이터부(27)을 기준삼아 배치되어 편조된 관형링(9)의 상부 및 하부표면을 관통하여 뚫려있다.
대체로 2개의 상기 회전사판링은 회전사판 역할을 하도록 반대로 회전할 수 있게 조립된다. 제 2 도 및 제 3 도는 제어봉(44), 지비볼트(41), 제어봉 베어링(42), 제어봉 출력(45), 스페이서(55)에 의해 분리되는 회전형 회전사판(43) 및 고정사판(40) 조립체사이의 회전사판 베어링(53) 및 베어링 리테이너판(59)을 포함하는, 반대방향으로 회전하도록 세팅된 2개의 회전사판링의 평면도 및 단면도를 도시한다. 수직 지지부재(18), 구멍(21) 및 볼트(24)는 제 3 도 및 제 4 도에 도시한대로 관형 러그부재(33)의 양측상에 배치되어 있다. 관형 러그부재(33)에 바로 인접한 관통볼트(24)는 큐어링된 편직 관형링(9)의 내측 상부 및 하부표면에 대해 직접 지지하는 지지부재(18)를 통해 베어링 리테이너(50)를 클램프 연결시킨다.
상기 편조된 복합 회전사판링은 평면상의 힘과 평면에 수직한 힘에 견딘다. 3축 편직 방법은 최적의 수치(예를 들면 0˚ 섬유의 양과 섬유축에서 떨어져 배향됨은 쉽게 조절될 수 있다)를 얻도록 링의 강성을 조절하는 수단을 제공한다. 중요한 것은 상기 링은 종래의 복합층들을 분리하는 층간 전단력에 견딜수 있는 다른 점이다. 상기 링은 적은 전면 면적을 제공하는 경량의 링이다. 또한 상기 링은 손상과 탄도허용치(ballistic tolerance) 및 탄도잔류성을 향상시키는 다중의 과도한 하중 경로를 갖는다. 마지막으로 3축방향 편직 복합 재료는 느린 균열 전파속도로 인해 파괴에 대한 안정성을 향상시키게 되었다.
본 발명은 본 발명의 범위와 취지를 벗어나지 않고도 다양하게 개조될 수 있다.

Claims (1)

  1. 내측, 외측, 상부 및 하부표면을 갖는 삼축방향 편조된 관형링을 포함하며, 상기 관형링은 복합 주위 스페이서링과 주위섬유에 대해 소정의 각도로 배향되어 있는 각이진 섬유로 직조된 대체로 주위방향의 섬유를 포함하며, 상기 스페이서링은 상기 상부 관형링 표면에 인접한 상부 링판과 상기 하부 관형링 표면에 인접한 하부 링판을 포함하며, 상기 링판들은 다수의 제 1 관형부재에 의해 연결되며, 상기 상부 및 하부판은 이들 사이에 채널을 형성하기 위해 상기 제 1 관형 지지부재와 정열된 제 1 개구를 갖고 있으며, 상기 링판들 주위에 대체로 대칭적으로 이격배치되어 있는 다수의 제 2 수직 지지부대는 상기 판들 사이에 배치되어 있고, 상기 상부 및 하부 링판은 이들로부터 방사상 외부로 연장하는 다수의 부분을 갖고 있고 상기 부분들은 서보 또는 제어봉 러그를 받아들이도록 상기 판들을 통해 채널을 형성하도록 상기 제 2 관형 지지부재와 정열되어 있는 러그개구를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 헬리콥터용 복합 회전사판링.
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