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KR100440720B1 - 가변배기노즐의 플랩 조립체 - Google Patents

가변배기노즐의 플랩 조립체 Download PDF

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KR100440720B1 KR10-2001-0057526A KR20010057526A KR100440720B1 KR 100440720 B1 KR100440720 B1 KR 100440720B1 KR 20010057526 A KR20010057526 A KR 20010057526A KR 100440720 B1 KR100440720 B1 KR 100440720B1
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Abstract

본 발명의 가변배기노즐의 플랩 조립체는 노즐부에 원형벽을 형성하는 플랩들의 사이에 신장부재를 배열하여 노즐부의 수축 및 확장시에도 플랩들간의 사이 공극을 밀폐시킬 수 있고, 제트엔진에서 배출되는 공기 흐름도를 일정하게 유지시키며, 플랩들을 상대적으로 간편하게 제작할 수 있는 가변배기노즐의 플랩 조립체를 제공하는 데 그 목적이 있다.
이런 본 발명의 가변배기노즐의 플랩 조립체는 제트엔진의 노즐부(20) 내부에서 원형벽을 형성하도록 세그먼트 형식으로 배열된 다수의 플랩(30, 31)들과, 플랩(30, 31)들을 각각 움직여서 노즐부(20)의 내부 원형 단면적을 가변시키도록 링크절과 액추에이터에 결합되어 있으며, 이때 플랩(30, 31)들은 장착홈(32)을 양측의 모서리에 길이방향으로 연장하여 형성하고, 장착홈(32)에 각각 고정되어서 플랩(30, 31)들의 사이에서 부채꼴 형상으로 굽혀지거나 펴지는 신장부재(40)를 구비한 플랩 연결 구조를 갖는다.

Description

가변배기노즐의 플랩 조립체{FLAP ASSEMBLY OF VARIABLE-AREA EXHAUST NOZZLE}
본 발명은 가변배기노즐의 플랩 조립체에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 플랩과 플랩 사이의 공극을 밀폐하여 배기 가스와 외부 공기와의 간섭을 방지하는 플랩 연결구조를 갖는 가변배기노즐의 플랩 조립체에 관한 것이다.
일반적으로 대형 여객기, 화물기, 전투기, 고등훈련기 등과 같은 대부분의 초고속/초음속 항공기는 터보제트, 터보팬과 같은 제트엔진을 탑재하고 있다. 제트엔진은 통상적으로 흡입구, 압축기, 연소실, 터빈, 배기노즐의 구성으로 이루어져 있으며, 흡입구로 흡입된 공기를 압축기로 압축하여 연소실에 집어넣고 연소실에서 연료를 분사하여 연소 폭발시킨 팽창 압력으로 터빈을 회전시켜 주는 일종의 가스터빈 엔진이다.
또한, 초음속 군용기의 경우 제트엔진은 이륙이나 특별한 비행조건을 위해 추력을 증가시키는 추력증강 또는 추력보조장치의 일종인 애프터버너(afterburner)를 구비하되, 이는 산소가 풍부한 배기가스에 연료를 분사시켜 추가적으로 40∼60% 추력을 발생하도록 재연소장치와 가변배기노즐을 구비한다.
도 1a에 도시한 바와 같이, 가변배기노즐은 터보제트엔진의 배출구에 장착되어서 배출구의 출구 면적을 변화시킬 수 있는 장치로서, 원형 단면의 본체(1)의 내부에 가변 가능한 단면 영역을 구비한 노즐부(2)를 제공한다. 노즐부(2)는 길이쪽 변이 폭에 비해 상대적으로 긴 판형상의 플랩(3, 3' ; flap)들을 원형으로 배열하여 원형벽을 형성한다. 여기에서, 플랩(3, 3')들은 제트엔진의 노즐부(2)에 결합되는 세그먼트(segments)들로 한정한다. 또한 각각의 플랩(3, 3')들은 도시하지 않았지만, 소정 형상의 링크절과 함께 액추에이터(4)의 작동축에 각각 결합되어서 수축 및 확장하도록 결합되어 있다. 즉, 액추에이터(4)의 작동축이 움직여 전체 스트로크가 늘어날 때, 플랩(3, 3')들이 동시에 안쪽으로 힌지작동하여서 노즐부(2)의 내부 원형 단면적을 수축(convergent)시키고, 이와 반대로 전체 스트로크가 줄어들 때, 플랩(3, 3')들이 동시에 바깥쪽으로 힌지작동하여서 노즐부(2)의 내부 원형 단면적을 확장(divergent)시킨다.
도 1b와 도 1c에 도시한 바와 같이, 플랩(3, 3')들은 폭에 비해 상대적으로 긴 길이를 갖는 판부재들로서, 중심 두께의 절반 정도의 두께를 갖는 양측 단부들이 상하로 서로 엇갈리게 형성되어, 노즐부의 내부 원형 단면적의 수축시 이들이 서로 겹치더라도 중심 두께를 유지하는 플랩 연결 방식(flap to flap)으로 결합되어 있다.
이러한 플랩 연결 방식은 노즐부의 내부 원형 단면적의 확장시 플랩(3, '3)들이 각각 원형벽의 방사방향으로 움직여서 서로 소정 거리(o)만큼 떨어지게 됨으로써, 확장된 원형벽의 상태를 유지함과 동시에 제트엔진의 터빈에서 빠져나오는 압축 공기의 흐름을 확장 유동 형태로 유지시키기 위한 것이다.
그러나, 종래 기술의 플랩 연결 방식을 갖는 플랩들은 액추에이터에 의해서 노즐부의 내부 원형 단면적의 축소시 노즐부의 축심 안쪽으로 모여있게 되어서, 플랩들간의 기밀한 접촉이 가능하여 노즐부를 통과하는 압축 공기의 흐름이 흐트러지지 않지만, 노즐부의 내부 원형 단면적의 확장시 노즐부의 바깥쪽으로 펼쳐지면서, 플랩들 간에 기밀한 접촉이 이루어지지 못하고, 도 1c에 도시한 바와 같이 겹쳐진 측면 단부들 사이에 틈새(5)가 형성되어서, 압력 손실로 인한 와류와 같은 공기 흐름(f)이 발생하고, 이로 인하여 노즐부를 통과하는 압축 공기의 흐름이 방해를 받음은 물론이고, 실추력 발생에 악영향을 끼침은 물론이고 각각의 플랩에 로드가 많이 걸리는 단점이 있다.
또한, 종래 기술의 플랩 연결 방식은 액추에이터, 링크절로 연결되어 작동하고, 플랩의 측면 단부들이 단순히 겹쳐져 결합되어 있는 기계적 결합 방식이므로, 플랩의 측면 단부들 사이의 갭 또는 노즐부의 확장시에 발생하는 틈새를 제거하기 매우 어렵고, 다만 갭 또는 틈새를 최소화하기 위해 정밀한 수치 가공을 필요로 하므로, 플랩의 제작이 매우 힘들고 어려운 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 노즐부에 원형벽을 형성하는 플랩들의 사이에 신장부재를 배열하여 노즐부의 수축 및 확장시에도 플랩들간의 사이 공극을 밀폐시킴으로써, 제트엔진에서 배출되는 공기 흐름도를 일정하게 유지시킬 수 있고, 플랩들을 상대적으로 간편하게 제작하고 용이하게 조립할 수 있는 할 수 있는 가변배기노즐의 플랩 조립체를 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1a 내지 도 1c는 종래 기술에 따른 가변배기노즐의 플랩 조립체의 구성을 설명하기 위한 도면들,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 가변배기노즐의 플랩 조립체의 구성을 설명하기 위한 정면도,
도 3은 도 2에 도시된 가변배기노즐의 플랩 조립체의 주요부위를 확대한 사시도,
도 4a와 도 4b는 도 2에 도시된 가변배기노즐의 플랩 조립체의 작동원리를 설명하기 위한 단면도들,
도 5는 도 2에 도시된 가변배기노즐의 플랩 조립체의 확장시의 작동관계를 설명하기 위한 정면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
20 : 노즐부 30, 31 : 플랩
32 : 장착홈 40 : 신장부재
앞서 설명한 바와 같은 본 발명의 목적은 제트엔진의 노즐부 내부에서 원형벽을 형성하도록 세그먼트 형식으로 배열된 다수의 플랩들과, 이런 플랩들을 각각 움직여서 노즐부의 내부 원형 단면적을 가변시키도록 링크절과 액추에이터로 결합된 가변배기노즐의 플랩 조립체에 있어서, 플랩들은 장착홈을 양측의 모서리에 길이방향으로 연장하여 형성하고, 장착홈에 각각 고정되어 플랩들의 사이에서 부채꼴 형상으로 굽혀지거나 펴지는 신장부재를 이용한 플랩 연결 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변배기노즐의 플랩 조립체에 의해 달성된다.
또한, 본 발명에 따르면, 신장부재는 플랩에 대응한 길이와 소정 폭을 갖는 판상의 부재로서, 장착홈의 표면에 압접, 본딩과 같은 고정방법으로 길이방향을 따라 고정되도록 양측 단부를 갖는 것이 바람직하다.
아래에서, 본 발명에 따른 가변배기노즐의 플랩 조립체의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.
도면에서, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 가변배기노즐의 플랩 조립체의 구성을 설명하기 위한 정면도이고, 도 3은 플랩 조립체의 주요부위를 확대한 사시도이며, 도 4a와 도 4b는 도 2에 도시된 가변배기노즐의 플랩 조립체의 작동원리를 설명하기 위한 단면도들이고, 도 5는 도 2에 도시된 가변배기노즐의 플랩 조립체의 확장시의 작동관계를 설명하기 위한 정면도이다.
도 2에 있어서, 본 발명의 가변배기노즐의 플랩 조립체는 노즐부(20) 내부에 원형벽을 형성하도록 각각의 플랩(30, 31)들을 세그먼트 형식으로 배열하고, 이들을 통해 노즐부(20)의 내부 원형 단면적을 가변시키도록 소정 형상의 링크절과 액추에이터(도시 안됨)들로 각각 결합시킨다.
도 3에 확대하여 도시한 바와 같이, 플랩(30, 31)들은 신장부재(40)를 이용한 플랩 연결 구조를 갖는다.
여기에서, 플랩(30, 31)들은 신장부재(40)가 안착될 수 있는 깊이의 장착홈(32)을 양측의 한쪽 모서리에 길이방향으로 연장하여 형성하고 있다. 신장부재(40)는 플랩(30, 31)에 대응한 길이와 소정 폭을 갖는 판상의 부재로서, 장착홈(32)의 표면에 압접, 본딩과 같은 고정방법으로 길이방향을 따라 고정되는 양측 단부(42)를 갖는다. 이런 신장부재(40)는 연신율과 변형율이 뛰어난 물성을 가져야 하며, 이와 동시에 고온에 매우 강해야 한다. 따라서 이런 조건을 만족하는 신장부재(40)의 재질은 유기 고분자의 분산상(disperse phase)의 크기를 나노미터(nm) 수준 또는 분자 레벨에서 제어해서 만든 폴리머에 텅스텐, 이산화 지르코늄, 실리카, 케블라, 카본 화이버, 카본 블랙 등을 합성하여 만든 유기-무기 복합체로 제작되며, 제트엔진에서 빠져나오는 고온의 압축 공기에 매우 강한 재질로 형성된다.
또한, 신장부재(40)는 상온에서는 딱딱한 고체 상태이고 소정 온도에서 유연성을 갖는 고분자 복합재료로 제작될 수 있다.
이런 신장부재(40)는 각각의 양측 단부(42)를 장착홈(32)에 고정하여 플랩(30, 31)들간의 사이 간격을 밀폐시킨다. 또한, 신장부재(40)는 플랩(30, 31)들간의 간격이 가변될 때, 즉 폭방향으로 늘어나거나 줄어들고 벤딩된절곡부(41)가 부채꼴 형상으로 굽혀지거나 펴질 때에도 플랩(30, 31)들간의 사이 간격을 밀폐시킨다.
이를 더욱 상세하게 설명하면, 도 4a와 도 4b에 도시한 바와 같이 노즐부의 내부 원형 단면적의 축소시, 플랩(30, 31)들은 서로 근접하게 배치되며, 이때 양측 단부(32)를 각각 플랩(30, 31)들에 고정시킨 신장부재(40)는 절곡부(41)를 형성하게 된다. 이후, 노즐부의 내부 원형 단면적의 확장시, 플랩(30, 31)들은 서로 소정의 간격(O)만큼 떨어지게 된다,
이때, 도 5에 도시한 바와 같이, 신장부재(40)는 제트엔진의 터빈쪽 끝단의 반대쪽 끝단이 폭방향으로 펴짐으로써, 플랩(30, 31)들의 사이 간격을 밀폐시킨다.
따라서, 노즐부의 안쪽에서 유동하는 공기가 신장부재(40)들에 의해서 플랩(30, 31)의 외표면 쪽으로 빠져나가지 않게 되어서 압력 손실과 와류 발생을 줄일 수 있고, 질량 유동에 영향을 거의 미치지 않아서 실추력 발생 효율을 상대적으로 증가시키게 된다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 가변배기노즐의 플랩 조립체는 노즐부의 세그먼트들인 플랩들간의 사이 간격을 신축 부재로 밀폐하여 모든 항공기에 적용가능하며, 엔진 부위의 압축 공기를 원활하게 배출시킬 수 있어서 플랩에 하중이 걸리는 문제를 미연에 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 가변배기노즐의 플랩 조립체는 고온에 견디면서 연신율이뛰어난 신축 부재의 사용에 따라 플랩 연결 방식이 상대적으로 간소해지며 플랩 제작시 정밀한 수치 가공을 요구하지 않게 되어 제작이 용이한 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 가변배기노즐의 플랩 조립체에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (2)

  1. 제트엔진의 노즐부(20) 내부에서 원형벽을 형성하도록 세그먼트 형식으로 배열된 다수의 플랩(30, 31)들과, 상기 플랩(30, 31)들을 각각 움직여서 상기 노즐부(20)의 내부 원형 단면적을 가변시키도록 링크절과 액추에이터로 결합된 가변배기노즐의 플랩 조립체에 있어서,
    상기 플랩(30, 31)들은 장착홈(32)을 양측의 모서리에 길이방향으로 연장하여 형성하고, 상기 장착홈(32)에 각각 압접 또는 본딩으로 결합되어 상기 플랩(30, 31)들의 사이를 밀폐하며, 자체 탄성에 의해 부채꼴 형상으로 굽혀지거나 펴지는 판상 형태의 신장부재(40)가 구비되되,
    상기 신장부재(40)는 유기 고분자의 분산상(disperse phase)의 크기를 나노미터(nm) 수준 또는 분자 레벨에서 제어해서 만든 폴리머에 텅스텐, 이산화 지르코늄, 실리카, 케블라, 카본 화이버, 카본 블랙 등을 합성하여 만든 유기-무기 복합체로 된 것을 특징으로 하는 가변배기노즐의 플랩 조립체.
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