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KR101121126B1 - 블레이드의 항력 운동을 감소시키기 위한 블레이드 및 항력 운동을 감소시키는 방법 - Google Patents

블레이드의 항력 운동을 감소시키기 위한 블레이드 및 항력 운동을 감소시키는 방법 Download PDF

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KR101121126B1
KR101121126B1 KR1020090052940A KR20090052940A KR101121126B1 KR 101121126 B1 KR101121126 B1 KR 101121126B1 KR 1020090052940 A KR1020090052940 A KR 1020090052940A KR 20090052940 A KR20090052940 A KR 20090052940A KR 101121126 B1 KR101121126 B1 KR 101121126B1
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drag
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axis
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토마스 만프레도티
폴 크란가
줄리앙 기통
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유로꼽떼르
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Abstract

본 발명은 블레이드(10)의 루트부(11)로부터 블레이드(10)의 자유 단부(12)까지 종방향으로 연장된 블레이드(10)에 관한 것으로서, 상기 블레이드(10)는 상기 블레이드(10)의 항력 운동(F1, F2)을 감소시키기 위하여 블레이드에 결합된 공진기(13)를 가지며, 상기 공진기(13)는 중실체이고 이동 가능한 중량 요소(30)를 구비하고, 상기 중량 요소(30)와 상기 블레이드(10)에 고정되어 있는 탄성 유지 수단(20)을 가진다. 또한, 상기 공진기(13)는 안내 수단(40)을 포함하고, 이 안내 수단 내에서 상기 중량 요소(30)가 종방향으로 진동(F1', F2')할 수 있고, 상기 안내 수단(40)은 블레이드의 종방향(D1)으로 배치되어 있다.

Description

블레이드의 항력 운동을 감소시키기 위한 블레이드 및 항력 운동을 감소시키는 방법{A Blade for Reducing the Drag Movements of Said Blade, and A Method of Reducing Such a Drag Movement}
본 발명은 블레이드의 항력 운동을 감소시키기 위한 공진기가 결합된 블레이드에 관한 것이며, 또한 이러한 블레이드에 의해 실행되는 항력 운동을 감소시키기 위한 방법에 관한 것이며, 특히 회전익 항공기, 특히 헬리콥터의 주양력 및 추진 회전익을 위한 블레이드에 관한 것이다.
본 발명의 기술 분야는 블레이드의 양력 운동을 완화하기 위한 수단에 관한 것이다.
일반적으로, 회전익 항공기의 회전익은 파워 트랜스미션 기어 박스로부터 구동축이라 불리는 출력축에 의하여 회전축을 중심으로 회전 구동되는 허브와, 적절한 힌지를 통해, 특히 각 블레이드를 위해 설치된 적층형 구면 트러스트 베어링을 통해 허브에 고정되는 적어도 두 개의 블레이드, 인접하는 2개의 블레이드를 상호 연결하는 인터-블레이드(inter-blade) 댐퍼, 또는 각 블레이드를 허브에 연결하는 복수의 댐퍼를 포함한다.
각각의 블레이드를 굴곡 변형되지 않도록 허브 내에 결합한 경우, 이와 같이 구성된 회전익은 강체 회전자(rigid rotor)이다. 정지 비행(hovering)시, 블레이드에 평행한 공기역학적인 힘의 분포는 플래핑(flapping) 및 항력의 굽힘 모멘트를 유발하고, 굽힘 모멘트는 블레이드의 루트의 위치에서 매우 큰 값이 되는데, 그 이유는 원주속도가 회전익의 반경에 비례하기 때문이다.
또한, 전진 비행시, 소위 "전진(advancing)" 블레이드는 "후퇴(retreating)" 블레이드에 비해 높은 양력을 발생하는데, 이것은 이하에서 상술하는 바와 같이 두 블레이드 사이의 공기 속도의 차이 때문이다.
따라서, 블레이드 상에 작용하는 공기역학적인 합성력은 각각의 방위 위치에서 동일한 값을 가지지 않을 뿐만 아니라 그 합성력이 동일한 지점에 작용하지도 않는다: 따라서 블레이드의 루트부의 억제된 굽힘 모멘트는 높고 가변적이므로 재료에 유해한 피로 현상을 유발하는 교호 응력(alternating stress)을 유발한다. 또, 모든 블레이드의 공기역학적 합성력이 더 이상 회전익의 축선을 따라 작용하지 않으므로, 이에 따라 롤 모멘트(roll moment)가 생성된다. 이 롤 모멘트는 속도와 더불어 증가하고 또 전진 비행시 힘의 균형을 잡는 것을 곤란하게 할 수 있다.
이들 결점을 해소하기 위하여 회전익의 블레이드를 구동축에 수직한 축선들을 중심으로 힌지 결합하는 것이 공지되어 있다. 상기 구동축에 수직한 축선들은 수직 플래핑(vertical flapping) 축선이라 부르는 것으로서, 임의의 방향의 힘을 전달할 수 있으나 모멘트를 전달하는 임의의 상황 하에서는 임의 전달이 불가능한 수직 플래핑 힌지에 대응된다. 따라서, 블레이드를 허브에 대해 플래핑 가능하게 힌지 결합시키면 플래핑시 부착점의 굽힘 모멘트는 0이 된다. 블레이드의 균형유지가 가능하도록 하기 위해, 블레이드가 특정의 양만큼 상승하여 a0 각도의 원추를 형성하면 원심력에 의해 블레이드는 정위치로 구속된다.
이러한 상태 하에서는, 첫째 전진 비행시 심각한 롤 모멘트가 더 이상 발생하지 않고, 둘째 회전하는 블레이드가 더 이상 평면을 그리지 않고 블레이드의 말단부가 극히 평평한 원추를 그리게 된다. 실제로, 플래핑 축선은 더 이상 회전 축선 상에 위치하지 않고, 회전 축선으로부터 a 거리만큼 어긋나게 되는데 이것을 편심이라고 한다.
또 다양한 구조의 헬리콥터에 양력을 제공하기 위해서는 회전익의 양력을 제어하는 것 및 양력을 변화시키는 것이 가능해야 한다는 것을 상기해야 한다. 이것이 대응하는 블레이드의 익폭에 실질적으로 평행한 축선을 가지는 피치 힌지를 제공하는 이유이다. 이 새로운 자유도에 의해 일반적 피치 제어에 작용하는 것에 의해 블레이드의 양력이 제어될 수 있고, 또 피치가 주기적으로 변화될 수 있고, 그 결과 블레이드의 회전 평면이 제어됨으로써 블레이드가 구동축선과 더 이상 일치하지 않는 축선을 가지는 원추를 그린다. 그 결과 허브에 가해지는 힘은 회전익의 방향 및 회전평면을 변화시킨다. 이것 때문에, 모멘트는 헬리콥터의 중력중심을 중심으로 하여 발생되고, 그 결과 헬리콥터의 조종이 가능해진다.
전술한 바와 같이, 블레이드의 회전평면은 구동축에 수직한 면 이외의 면일 수 있다. 이러한 상태 하에서, 각 블레이드의 단부가 회전축으로부터 가변 거리에 위치하므로 각 블레이드는 항력에 의해 선회되도록 힌지 결합시켜야 한다. 그렇게 하지 않으면 관성력이 필연적으로 발생하고, 그 결과 자체 평면 내의 각 블레이드 상에 왕복 굴곡운동이 발생한다. 이러한 항력 힌지에 의해 블레이드는 회전익 축선에 실질적으로 평행한 따라서 항력에 실질적으로 수직한 항력 축선을 중심으로 선회가 가능하다. 이러한 블레이드를 구동축에 의해 구동시킬 수 있도록 하기 위해서는 원심력에 의한 모멘트가 항력 및 관성력에 의한 모멘트를 상쇄시키도록 하기 위해 당연히 항력 힌지가 회전익의 축선으로부터 충분히 멀리 이격되어야 하고, 그 결과 항력 축선이 소정의 거리(e) 만큼 편심되어야 하고, 이것은 소위 "항력 각도(δ)"가 지나치게 크지 않은 상태에서 달성되어야 한다.
따라서, 회전익 항공기, 특히 헬리콥터의 힌지 결합된 회전익의 블레이드는 아래의 4 종류의 운동을 할 수 있다.
i) 회전익의 축선을 중심으로 하는 회전 운동;
ii) 수직 플래핑 힌지에 의해 이루어질 수 있는 수직 플래핑의 축선을 중심으로 한 선회 운동;
iii) 수평 플래핑 힌지 또는 항력 힌지에 의해 이루어질 수 있는 항력 축선(이것을 수평 플래핑 축선이라고도 함)을 중심으로 한 선회 운동; 및
iv) 피치 힌지(힌지 결합된 회전익을 특정하지 않음)에 의해 이루어질 수 있는 블레이드의 피치 축선을 중심으로 한 선회 운동.
예를 들면, 상기한 3개 종류의 선회운동(ii, iii, iv)이 적층식 구면 트러스트 베어링과 같은 단일 부재에 의해 실행되는 실시예가 FR 2 497 073 특허에 개시되어 있다.
그러나, 항력축을 중심으로 하는 각 블레이드의 진동은 항공기의 기체의 운동이나 항공기의 기체의 탄성 변형 모드, 특히 랜딩 기어로 지면에 착륙 중인 헬리콥터의 진동과 불안정한 방법으로 결합될 수 있으며, 이는 소위 "지상공진(ground resonance)"현상의 원인으로서, 이 현상은 회전익 항공기의 기준계(frame of reference)에 대해 표현된 블레이드의 자체의 항력축을 중심으로 한 공진 진동수가 회전익 항공기의 공진 진동수들 중의 하나에 근접하는 경우 위험해질 수 있다.
FR 791 701은 블레이드의 진동을 감쇠하기 위해 회전익 블레이드에 장착되는 관성 공진기가 개시되어 있다.
상기 관성 공진기는 블레이드의 종축에 대하여 횡방향운동을 수행할 수 있는 하나 이상의 중량 요소를 구비한다.
따라서, "상자(box)"를 블레이드의 리브에 부착한다. 블레이드의 리브는 종축을 따라 연장되어 있으므로 상기 상자는 리브에 대해 횡방향으로 배치된다.
적어도 하나의 중량 요소가 상기 상자 내에 설치되므로 상자는 횡방향으로 운동하는 중량 요소의 안내 수단의 역할을 한다.
FR 791 701에 따르면, 제기된 문제점을 해결하기 위하여 중량 요소를 횡방향으로 이동시키는 것이 적절하다.
FR 791 701는 블레이드가 항력 운동을 수행하는 경우 중량 요소는 블레이드의 운동방향의 반대방향으로 운동함으로써 블레이드의 운동을 완충하는 작용을 한다. 중량 요소의 운동은 그 관성에 의해 블레이드의 운동에 비해 지연된다.
마찬가지로, 풍력 터빈 블레이드 분야는 지상공진 현상이 발생하지 않는 점에서 본 발명으로부터 동떨어진 분야이지만 DE 10 202 995 및 EP 0 79 414는 블레이드의 종방향에 수직한 방향에서 중량 요소의 횡방향 이동을 이용하는 관성 공진기를 구상한다. 상기 종방향은 블레이드의 루트 및 단부를 통과하고, 블레이드 피치 변동 축선과 실질적으로 평행하거나 일치한다.
끝으로, 같은 선상에서, EP 1 101 034는 O자 형상의 공동이 구비된 풍력 터빈 블레이드를 제공한다. 상기 공동 내에서 액체가 진동 방향인 블레이드에 대해 횡방향으로 이동한다.
이들 중량 요소를 횡방향으로 운동시키는 다양한 공진기는 제한된 효과를 가지므로 완전한 만족을 주지 못한다.
따라서, 회전익 항공기 제작 업체들은 일반적으로 다른 해결책을 사용하였다. 이러한 제작 업체들은 건식 또는 점성 형식의 댐퍼를 가지는 공진기를 이용하여 항력축을 완충하거나, 본 출원인에 의해 제작된 앨루트(Alouette) 헬리콥터에서와 같이, 선택적으로 댐퍼와 결합할 수 있는 블레이드-스페이싱 케이블을 이용하여 강성을 부여하는 것에 의해 전술한 "지상공진" 현상을 해결하고 있다.
블레이드-스페이싱 케이블의 기능과 유사한 기능은 탄성 인터 블레이드 연결에 의해 제공된다. 이것은 실제로 상호 인접하는 각 쌍의 블레이드들 사이에 상기 회전익의 중심으로부터 동일 거리(즉, 상기 회전익의 중심으로부터 동일한 반경)에 댐퍼를 설치하는 것을 의미한다.
이러한 인터 블레이드 항력 댐퍼는 공진 현상, 특히 지상공진과 특히 헬리콥터에서 나타날 수 있는 구동 시스템의 공진에 대처하기 위한 규정된 강성 및 댐핑을 가지는 탄성 복귀수단을 포함한다.
FR 2 630 701 및 US 4 915 585에는 각 블레이드가 두 개의 이격되고 대향하는 타인(tine)을 각각 구비하는 포크 형태의 단부를 가진 슬리이브에 의해 허브에 고정되고, 인터 블레이드 항력 댐퍼가 두 개의 볼조인트를 통해 두 개의 인접하는 블레이드에 고정되는 회전익이 개시되어 있다.
인터 블레이드 항력 댐퍼는 효과적이지만 결점을 가지고 있다.
첫째, 각 인터 블레이드 댐퍼의 무게는 6 내지 11 킬로그램이며, 이는 무시할 수 없는 무게이다.
둘째, 회전익의 허브의 치수는 인터 블레이드 댐퍼를 수용할 수 있는 치수로 결정되어야 하는 데 이는 허브의 무게를 증가시킨다.
끝으로, 인터 블레이드 댐퍼는 대부분의 시간 동안 부분적으로 블레이드의 동적 운동의 영향 하에서 작용하고, 이것이 회전익의 항력을 증가시키는 것이 관찰된다.
본 발명의 특별한 목적은 특히 "지상공진" 현상의 출현을 회피하기 위하여 블레이드의 항력 운동을 완화시킬 수 있는 공진기를 구비한 회전익 항공기의 양력 블레이드를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따라, 블레이드의 루트부로부터 블레이드의 자유 단부까지 종방향으로 연장된 블레이드는 그 내부에 공진기, 예를 들면 회전익 항공기의 회전익의 매스트(mast)와 같은 회전축선을 중심으로 블레이드가 회전할 때 상기 블레이드의 항력 운동을 감소시키기 위한 공진기를 구비한다. 그러므로, 이 공진기는 중실체(solid)이고 이동이 가능한 중량 요소 및 이 중량 요소와 블레이드에 고정되는 탄성 유지 수단을 구비한다.
이 블레이드(예, 회전익 항공기의 블레이드)의 특징은 공진기 내에 중량 요소가 종방향으로 진동할 수 있는 종방향 배치의 안내수단을 포함하는 것이다.
중량 요소가 자유롭게 이동하는 방향인 상기 종방향은 블레이드의 피치 변동 축선에 실질적으로 평행하거나, 실제로 이 피치 변동 축선과 일치한다. 따라서, 종방향은 블레이드의 길이를 따라 연장된다.
기존의 편견과는 반대로, 본 발명은 상기 중실 중량 요소가 블레이드의 종방향으로 자유롭게 이동하고 블레이드의 피치 변화 축선에 수직인 횡단방향으로 이동하지 않도록 블레이드 내에 중실 중량 요소를 배치하도록 한다.
놀랍게도, 블레이드가 회전축선을 중심으로 회전 구동될 때, 공진기는 블레이드의 항력 운동에 효과적으로 대처할 수 있으며, 이는 2차 코리올리 힘을 발생하는 공진기에 의해 달성된다.
탄성 유지 수단의 정적 강성(static stiffness)은 블레이드가 블레이드 루트부에 고정된 회전익 허브에 의해 회전 구동될 때, 중량 요소를 안내 수단 내의 평형 위치에 유지시키는 작용을 한다. 탄성 유지 수단의 정적 강성은 중량 요소를 평형 위치에 유지하는데 충분하고, 또 관성의 작용 하에서의 접촉을 방지하는데 충분해야 한다.
그럼에도 불구하고, 블레이드가 항력 운동을 개시할 때, 중량 요소는 일차 코리올리 힘의 영향 하에서 블레이드가 그리는 궤적에 대해 반경방향으로 운동하고, 따라서 블레이드의 종방향으로 운동한다.
항력 운동이 블레이드를 그 평균 위치로부터 일 방향으로 전진시키는 경우, 즉 블레이드를 이 블레이드에 결합된 회전익의 회전 방향에 대해 전방으로 이동시키는 경우, 중량 요소는 블레이드의 회전축선으로부터 멀어지는 방향으로 이동하여 블레이드의 자유단부에 접근하는 경향이 있다. 이것에 의해 블레이드의 항력 운동 방향에 수직으로 작용하고, 이에 따라 회전익의 회전 방향의 반대 방향으로 작용하는 이차 코리올리 힘이 생성된다.
더 정확하게는, 블레이드가 전진하는 중에, 즉 블레이드의 입사 기류에 대한 속도가 증가하는 중에 블레이드는 상방으로 이동하게 된다. 그 결과, 블레이드의 모든 요소는 회전익의 회전축선을 향해 이동하고 블레이드의 궤적 상에서의 원주 속도는 감소되어야 한다. 그러나, 관성 효과에 의해 일차 코리올리 힘은 블레이드의 자유 단부의 속도와 블레이드의 각운동량을 일정하게 유지시킨다.
블레이드의 항력 운동을 유발하는 이들 일차 코리올리 힘은 회전익을 구동시키는 회전 각속도와 관련된 블레이드의 상대적 상방 속도로부터 유발되는 코리올리 가속으로부터 발생한다.
따라서 블레이드의 각 요소는 회전익의 회전 방향으로의 속도가 증가되며 이에 따라 원심력이 증대되어 중량 요소를 원심력 방향으로 이동시킨다.
그러므로, 블레이드의 중력 중심도 외방향으로 이동함으로써 블레이드를 중력의 영향에 의해 하강시키는 경향이 있고 동시에 블레이드의 모든 요소의 속도 증가를 억제시킨다. 그러므로, 항력 운동은 회전 방향에서 감소된다.
더 정확하게는, 회전익을 구동시키는 회전 각속도와 관련된 블레이드의 이러한 하방 상대 속도는 일차 코리올리 힘에 대항하는 이차 코리올리 힘을 유발하고, 이것에 의해 블레이드의 항력 운동을 억제한다.
따라서, 본 발명이 적용되지 않은 블레이드에는 대진폭의 항력 운동을 통해 블레이드를 구동하는 경향이 있는 일차 코리올리 힘만이 작용할 것이다.
대조적으로, 본 발명은 상기 일차 코리올리 힘에 대항하는 이차 코리올리 힘을 발생시키는 것이 가능하고, 이에 따라 블레이드의 항력 운동을 제한하거나 제거하는 것이 가능하다.
유사하게는, 항력 운동이 블레이드를 그 평균 위치로부터 지연시키는 경향이 있는 경우, 즉 블레이드를 회전익의 회전 방향에 대해 후방으로 이동시키는 경우, 중량 요소는 항력 축선에 접근함으로써 블레이드의 루트부에 접근하는 경향이 있다. 이것에 의해 회전익의 회전 방향으로 작용하는 이차 코리올리 힘이 생성된다.
놀랍고도 혁신적인 방법에 있어서, 공진기는 그 방향에 무관하게 중량 요소를 블레이드의 항력 운동 축선을 따라 이동시키지 않고, 반대로 블레이드의 항력 운동에 실질적으로 직각인 종축선을 따라 이동시킨다.
또한, 본 발명은 다음의 부가적인 특성들 중의 하나 이상을 포함할 수도 있다.
탄성 유지 수단은 높은 정적 강성과 낮은 동적 강성을 가진다.
이 특성은 특이하고 모순적인 것으로 보이는데, 이는 이 특성이 실험에 의해 간단히 발견될 수 없다는 것을 의미한다. 그럼에도 불구하고, 이 특성은 공진기의 작동을 최적화하는 작용을 한다.
공진기의 높은 정적 강성은 중량 요소가 블레이드의 자유 단부에 인접하는 안내 수단의 단부에 접촉하지 않도록 보장해 준다.
대조적으로, 낮은 동적 강성은 중량 요소가 그 평형 위치를 중심으로 요구되는 방식으로 이동될 수 있도록 허용한다.
제 1 실시예에 있어서, 탄성 유지 수단은 스프링을 포함한다.
더욱 정확하게는, 제 1 실시예의 제 1 변형예에서 탄성 유지 수단은 직선상으로 신장하는 스프링으로 구성된다.
대조적으로, 제 1 실시예의 제 2 변형예에서 탄성 유지 수단은 토션 스프링을 포함한다.
제 2 실시예에 있어서, 탄성 유지 수단은 탄성 중합체군의 일부를 형성하는 재료를 포함한다.
또한, 어떤 실시예에서든지 간에, 공진기의 정적 강성은 공진기의 제 1 진동 모드가 항력 운동을 하는 블레이드의 제 1 공진 모드에 가능한 근접하도록 2 x (공진기의 질량) x (블레이드의 제1의 항력 모드의 각진동수를 제곱한 값)과 같게 하는 것이 바람직하다.
따라서, 공진기의 정적 강성은 다음의 관계식에 의해 구해질 수 있다.
Ka = 2 x ma x ωa 2
여기에서, x는 곱셈 기호,
Ka는 공진기의 정적 강성,
ma는 공진기의 질량,
ωa는 블레이드의 제 1 항력 모드에서의 각진동수이다.
이러한 조건하에서, 동적 강성은 다음 식에 의해 구해진다.
K'a = Ka - ma x ωa 2
여기에서, K'a 은 상기 동적 강성을 나타낸다.
또한, 공진기는 중량 요소를 둘러싸고 있는 적층 베어링을 포함할 수 있고, 이 적층 베어링은 적층된 금속 재료와 탄성중합체 재료를 포함한다.
안내 수단과 접촉하는 적층 베어링을 사용함으로써, 공진기의 정적 강성 및 동적 강성을 최적화할 수 있다.
끝으로, 안내 수단은 선택적으로 블레이드에 내장되는 튜브 형태이며, 상기 중량 요소는 상기 튜브 내에 배치된다.
따라서, 탄성 유지 수단의 제 1 단부는 튜브의 단부벽에 고정되고, 탄성 유지 수단의 제 2 단부는 중량 요소에 고정된다.
본 발명은 또 본 발명의 블레이드 내에서 실시되기에 적합한 방법을 제공한다.
그러므로, 블레이드의 루트부로부터 블레이드의 자유 단부까지 종방형으로 연장된 블레이드의 항력 운동을 감소시키기 위한 방법은 중실체인 중량 요소가 블레이드의 종방향을 따라 변위됨으로써 블레이드의 항력 운동에 대항하는 이차 코리올리 힘을 생성한다는 점에서 주목할 만한 것이다.
더욱이, 상기 블레이드가 회전익(예, 회전익 항공기의 회전익)의 허브에 항력 힌지를 통해 연결되므로 중량 요소의 정적 강성은 다음의 최종 관계식에 의해 결정되는 것이 유리하다.
[수학식]
Figure 112009036038092-pat00001
여기에서, x는 곱셈기호,
ka는 공진기(13)의 정적 강성,
ma는 공진기(13)의 질량,
Ω는 회전익(1)의 회전 속도 및 공칭 속도(라디안/초),
e는 편심도, 즉 블레이드(10)의 항력 힌지(50)와 회전익(1)의 회전축(1') 사이의 제 1 거리,
ra는 상기 항력 힌지(50)와 상기 중량 요소(30)의 중력 중심(Cg) 사이의 제 2 거리,
Ms는 블레이드(10)의 정적 모멘트,
Iδ는 블레이드(10)의 항력 관성을 나타낸다.
본 발명과 그 잇점은 첨부 도면 및 이하의 예시적 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다.
하나 이상의 도면에 도시된 요소들에는 각 도면에서 동일한 참조부호가 부여되었다.
도 1 및 도 2에는 상호 직각을 이루고 있는 3개의 방향(X, Y, Z)이 도시되어 있다. 이들 3개의 방향은 도시된 블레이드의 좌표계를 형성한다.
X 방향은 블레이드(10)의 피치 변화 축선(AX)에 수직으로 연장되어 있는 경우 "횡단축선"이라 말할 수 있다. "횡단"이라는 용어는 수직한 방향에 관한 것이다.
다른 방향인 Y 방향은 종축선이다. "종축"이라는 용어는 평행한 방향에 관한 것이다.
끝으로, 높이를 나타내는 Z 방향은 설명된 구조체의 높이 치수이다.
도 1은 블레이드의 루트부(11)로부터 블레이드의 자유 단부(12)까지 연장되는 블레이드(10)의 개략 단면도이다. 이 블레이드(10)는 항력 힌지(50)에 의해 회전익 항공기의 허브(1)에 고정되고, 블레이드의 루트부(11)는 통상적인 수단에 의해 항력 힌지(50)에 연결되어 있다.
회전익 항공기의 회전익이 회전을 개시하면, 블레이드(10)는 회전익의 회전축선(1')을 중심으로 회전 운동을 실행한다.
또한, 블레이드(10)는 항력축선(50')을 중심으로 선회한다. 블레이드(10)의 이러한 항력 운동은 블레이드의 항력축선을 중심으로 하는 각 블레이드의 진동의 공진진동수가 특히 랜딩기어로 착륙된 상태에 있을 때 그 랜딩기어를 중심으로 하는 회전익 항공기의 진동의 공진진동수들 중의 하나에 근접하는 경우에 비극적인 상황을 초래할 수도 있다.
이 문제점을 회피하기 위하여, 블레이드(10)의 내측에 공진기(13)가 장착된다. 따라서, 블레이드(10)의 흡입측에 공진기에 접근하기 위한, 즉 유지보수 작업을 수행하기 위한 해치(hatch)가 구비된다.
공진기(13)는 블레이드(10)의 내측에 배치된 안내 수단(40)을 구비한다. 더 정확하게는, 도 1에 도시된 안내 수단(40)은 블레이드(10)의 피치 변화 축선(AX)에 평행한 종방향(D1)으로 배치된 튜브(41)로 이루어진다. 이 안내 수단은 블레이드의 루트부(11)로부터 블레이드(10)의 자유 단부(12)까지 연속적으로 제 1 단부 영역(42), 중간 영역(44), 제 2 단부 영역(43)을 구비한다.
따라서 안내 수단(40)은 블레이드(10)의 길이 방향으로 설치되어 있고, 블레이드(10)의 코드(CO)를 따라 설치되어 있지 않다.
더욱, 공진기(13)는 실린더와 같은 중실체인 중량 요소(30) 및 탄성 유지 수단(20)을 포함한다.
탄성 유지 수단(20)의 제 1 단부(20')는 예를 들면 블레이드(10)의 필러 요소(14)에 고정되거나 안내 수단(40)의 제 1 단부 영역(42)에 고정됨으로써 블레이드(10)에 고정된다.
대조적으로, 탄성 유지 수단의 제 2 단부(20')는 중량 요소(30)에 고정된다.
따라서, 중량 요소(30)는 안내 수단(40)과 탄성 유지 수단(20)과 협동한다.
안내 수단(40) 내에 탄성 유지 수단(20) 및 중량 요소(30)가 설치되어 있으므로, 이 안내 수단(40)과 중량 요소(30)의 협동에 의해 중량 요소(30)는 종방향(D1)으로만 이동할 수 있게 된다.
중량 요소(30)가 튜브(41) 내에 배치되어 있으므로, 중량 요소(30)는 안내 수단(40)이 연장되어 있는 종방향(D1)을 따라서만 이동할 수 있다.
선택된 실시예와 무관하게 도 1를 참조하면, 블레이드(10)가 화살표 F0의 방향으로 회전하도록 구동될 때, 중량 요소(30)는 변위하여 평형 위치에 도달한다.
그러나, 도 2를 참조하면, 블레이드(10)가 항력축선(50')을 중심으로 화살표 F1을 따라 일차 항력(C1')의 효과 하에서 항력 운동을 실행하고, 그 결과 회전축선(1')을 중심으로 한 블레이드(10)의 회전방향과 동일한 방향으로 상대운동을 실행하여 전진(advance)하면, 중량 요소는 화살표 F1'로 표시한 바와 같이 블레이드(10)의 자유 단부(12)에 더욱 근접하게 이동하게 될 것이다.
중량 요소(30)의 위치 변화에 의해 블레이드(10)의 항력 운동에 대향하는 이차 코리올리 힘이 발생됨으로써 중량 요소의 진폭을 제한시킨다.
반대로, 블레이드(10)가 항력축선(50')에 대하여 화살표 F2로 표시되는 바와 같이 항력 운동을 실행하고, 그 결과 회전축선(1')을 중심으로 한 블레이드(10)의 회전방향과 반대 방향으로 상대운동을 실행하여 지연(retard)되면, 중량 요소는 화살표 F2'로 표시한 바와 같이 블레이드(10)의 자유 단부(12)로부터 멀어지는 쪽으로 이동하게 될 것이고, 그 결과 이차 코리올리 힘이 발생될 것이다. 이들 이차 코리올리 힘(C2)은 블레이드(10)의 항력 운동에 대항한다.
그러므로, 중량 요소는 그 평형 위치를 중심으로 종방향(D1)을 따라서만 계속하여 진동한다.
따라서, 본 발명에 따르면 중량 요소는 블레이드의 종방향을 따라 이동함으로써 블레이드의 항력 운동에 대항하는 이차 코리올리 힘을 발생한다.
탄성 유지 수단(20)은 최적화를 위해 고수준의 정적 강성을 구비함으로써 회전익의 회전축선(1')을 중심으로 회전하는 블레이드에 의해 발생되는 관성력에 대처할 수 있도록 블레이드의 주요부의 길이를 초과하는 것을 방지할 수 있도록 해야 한다.
따라서, 중량 요소(30)의 평형 위치는 실제로 안내 수단(40)의 중간 영역(44)에 위치하고, 안내 수단(40)의 제2 단부 영역(43), 즉 안내 수단(40)의 영역 중에서 블레이드(10)의 자유단부(12)에 최 근접한 영역에 접촉하지 않는다.
이러한 특성은 중량 요소가 제 1 극단위치 및 제 2 극단위치 사이에서 진동하는 것을 보장할 수 있다. 제 1 극단위치는 블레이드의 루트부(11) 및 평형 위치의 사이에 위치하고, 제 2 극단위치는 평형 위치와 블레이드(10)의 자유단부 사이에 위치한다.
더욱 정확하게는, 공진기의 정적 강성은 공진기의 제 1 진동 모드가 항력 운동을 하는 블레이드의 제 1 공진 모드에 가능한 근접하도록 2 x (공진기의 질량) x (블레이드의 제1의 항력 모드의 각진동수를 제곱한 값)로 할 수 있다.
그러므로, 공진기의 정적 강성은 다음의 관계식에 의해 구해질 수 있다.
Ka = 2 x ma x ωa 2
여기에서, x는 곱셈 기호,
Ka는 공진기의 정적 강성,
ma는 공진기의 질량,
ωa는 블레이드의 제 1 항력 모드에서의 각진동수이다.
블레이드의 제 1 항력 모드의 각진동수를 얻기 위하여 공진기의 부가적인 질량을 고려하면 다음과 같은 최종 관계식이 얻어진다.
[수학식]
Figure 112009036038092-pat00002
여기에서, x는 곱셈기호,
ka는 공진기(13)의 정적 강성,
ma는 공진기(13)의 질량,
Ω는 회전익(1)의 회전 속도 및 공칭 속도(라디안/초),
e는 편심도, 즉 블레이드(10)의 항력 힌지(50)와 회전익(1)의 회전축(1') 사이의 제 1 거리,
ra는 상기 항력 힌지(50)와 상기 중량 요소(30)의 중력 중심(Cg) 사이의 제 2 거리,
Ms는 블레이드(10)의 정적 모멘트,
Iδ는 블레이드(10)의 항력 관성을 나타낸다.
또한, 탄성 유지 수단(20)은 종방향(D1)의 평형 위치를 중심으로 하여 중량 요소(30)의 진동을 최대화하기 위하여 그 정적 강성과 비교하여 낮은 동적 강성을 가지는 것이 유리하다.
본 발명의 제 1 실시예에 있어서, 탄성 유지 수단은 스프링을 포함한다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 제 1 실시예의 제 1 변형예에 있어서, 탄성 유지 수단(20)은 직선형 스프링(21)을 포함한다.
그러나, 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 실시예의 제 2 변형예에 있어서, 탄성 유지 수단(20)은 토션 스프링(22)을 포함한다.
도 4를 참조하면, 탄성 유지 수단(20)은 비선형 특성을 가지는 그리고 탄성중합체 군의 일부를 형성하는 재료(23)를 포함한다.
끝으로, 도 5를 참조하면, 요구되는 정적 강성 및 동적 강성을 얻기 위하여 공진기에 적층 베어링(25)을 설치하는 것을 구상할 수 있다. 이러한 적층 베어링은 일련의 금속층(25')과 일련의 탄성중합체층(25")을 구비한다.
이 적층 베어링(25)은 중량 요소(30)의 외면을 둘러싸도록 고정된다. 또, 이 적층 베어링(25)은 안내 수단(40)과 접촉한다.
당연히 본 발명은 그 실시예에 있어서 여러 가지 변형예를 가질 수 있다. 본 명세서에 다수의 실시예가 설명되어 있지만, 모든 가능한 실시예를 철저히 확인할 수 없다는 것은 쉽게 이해될 수 있을 것이다. 당연히 본 발명의 범위 내에서 등가의 수단에 의해 본 명세서에 기술된 수단을 대체하는 것을 구상할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 제 1 실시예를 구성하는 공진기를 구비한 블레이드의 개략적인 단면도이다.
도 3은 제 1 실시예의 제 2 변형예에 따른 공진기를 유지하기 위한 수단을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 제 2 실시예에 따른 공진기를 유지하기 위한 수단을 도시한 개략적인 단면도이다.
도 5는 공진기의 선택적인 탄성중합체 베어링을 도시한 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 허브 10 : 블레이드
11 : 루트부 12 : 자유 단부
13 : 공진기 20 : 탄성 유지 수단
21, 22 : 스프링 30 : 중량 요소
40 : 안내 수단

Claims (11)

  1. 블레이드(10)는 블레이드(10)의 루트부(11)로부터 블레이드(10)의 자유 단부(12)까지 종방향으로 연장되어 있고, 상기 블레이드(10)는 상기 블레이드(10)의 항력 운동(F1, F2)을 감소시키기 위하여 그 내부에 공진기(13)를 내장하고 있고, 상기 공진기(13)는 중실체인 이동 가능한 중량 요소(30)와 상기 중량 요소(30) 및 상기 블레이드(10)에 고정되어 있는 탄성 유지 수단(20)을 구비하고, 상기 공진기(13)는 내부에서 상기 중량 요소(30)가 종방향으로 진동(F1', F2') 할 수 있는 안내 수단(40)을 포함하고, 상기 안내 수단(40)은 블레이드의 종방향(D1)으로 배치되는 것을 특징으로 하는 블레이드.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄성 유지 수단(20)은 스프링(21, 22)을 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 스프링은 토션 스프링(22)인 것을 특징으로 하는 블레이드.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄성 유지 수단은 탄성중합체 군의 일부를 형성하는 재료(23)를 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 공진기의 정적 강성(Ka)은 2 x 공진기의 질량(ma) x 블레이드의 제1의 항력 모드의 각진동수를 제곱한 값(ωa 2)인 것을 특징으로 하는 블레이드.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 공진기(13)는 상기 중량 요소(30)를 둘러싸는 그리고 상기 안내 수단(40)과 접촉하는 적층 베어링(25)을 포함하고, 상기 적층 베어링(25)은 금속 재료(25')와 탄성중합체 재료(25")의 적층을 구비한 것을 특징으로 하는 블레이드.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 안내 수단(40)은 상기 블레이드(10) 내에 내장된 튜브(41)를 구비하고, 상기 중량 요소(30)는 상기 튜브(41) 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 블레이드.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 블레이드(10)는 회전익 항공기의 블레이드인 것을 특징으로 하는 블레이드.
  10. 블레이드(10)의 루트부(11)로부터 블레이드(10)의 자유 단부(12)까지 종방향으로 연장된 블레이드(10)의 항력 운동(F1, F2)을 감소시키기 위한 방법에 있어서,
    상기 블레이드(10)는 청구항 1에 기재된 블레이드이고, 상기 블레이드의 중실 중량 요소(30)는 상기 블레이드의 항력 운동에 대항하는 이차 코리올리 힘(C1, C2)을 생성하도록 블레이드의 종방향(D1)의 평형 위치를 중심으로 하여 안내 수단 내에서 진동을 유발하는 것을 특징으로 하는 블레이드의 항력 운동을 감소시키는 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 블레이드(10)는 항력 힌지를 통해 회전익의 허브(1)에 배치되어 있고, 상기 중량 요소의 정적 강성은 다음의 최종 관계식, 즉
    Figure 112011085334100-pat00009
    (여기에서,
    x는 곱셈기호,
    ka는 공진기(13)의 정적 강성,
    ma는 공진기(13)의 질량,
    Ω는 회전익(1)의 회전 속도 및 공칭 속도(라디안/초),
    e는 편심도, 즉 블레이드(10)의 항력 힌지(50)와 회전익(1)의 회전축(1') 사이의 제 1 거리,
    ra는 상기 항력 힌지(50)와 상기 중량 요소(30)의 중력 중심(Cg) 사이의 제 2 거리,
    Ms는 블레이드(10)의 정적 모멘트,
    Iδ는 블레이드(10)의 항력 관성을 나타냄)
    에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 블레이드의 항력운동을 감소시키는 방법.
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