비행체용 덕트 팬

비행체용 덕트 팬{Ducted fan for vehicle}

본 발명은 비행체용 덕트 팬에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 유동 박리 발생을 최소화 하여 비행 안정성을 증대시킬 수 있는 비행체용 덕트 팬에 관한 것이다.

일반적으로 수직이착륙 기능을 필요로 하는 비행체는 대부분 로터(rotor)를 사용하여 비행체의 무게를 들어올리는 추력을 생성하였다. 하지만 로터를 사용할 경우에는 로터의 회전면이 노출이 되어서 사람이 접근할 경우 심각한 신체 손상을 유발할 수 있고, 또한 회전하는 로터로 인한 소음이 매우 커서 이를 개선하기 위한 노력이 지속되어 왔다.

이와 관련하여, 도 1에 도시된 바와 같이, 로터가 노출됨으로써 발생할 수 있는 문제점을 개선하기 위해 로터 주변을 실린더 형태의 덕트(duct)로 보호하는 덕트 팬(ducted fan)이 사용되고 있다.

덕트 팬은 프로펠러(propeller) 형식의 팬이 원통형 쉬라우드(shroud) 또는 덕트 안에 장착된 추진 장치를 말한다.

현재 사용 중인 덕트 팬은 프로펠러를 보호하는 원통형 실린더가 스테이터(stator)에 고정되어 있는 형태이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 수직이륙을 위한 호버링(hovering) 상태에서는 덕트 팬의 하우징 평면이 지상면과 평행이 되고, 빠른 속도로 이동을 하기 위해서는 덕트 팬이 서서히 각도를 증가시켜 순항할 때는 하우징 평면이 유동 방향과 수직이 된다.

이러한 덕트를 사용하게 되면, 덕트가 없는 동일 직경의 로터 대비 이론상 약 30% 이상의 효율 상승을 갖는다. 또한, 덕트 팬의 장점은 덕트 안에서 회전하는 프로펠러가 생성하는 소음이 BPF(Blade Passing Frequency)와 하모닉(harmonic)으로 구성이 되는데, 덕트 안에 마이크로폰과 스피커를 장착해서 BPF와 하모닉들에 대응하는 크기를 갖고 페이스(Phase)가 정반대인 압력을 부가해서 회전체가 생성하는 소음을 크게 저감할 수 있다(중대형 항공기에 사용하는 터보팬 엔진들에 적용됨).

그러나 덕트 팬을 항공기에 부착하고 수직 이착륙에 필용한 추력을 얻기 위해서는 어느 방향에서 바람이 불어와도 균일한 양의 공기가 덕트 팬 내부에 위치한 프로펠러를 통과해야 덕트 팬이 불균형한 디스크 로딩(disk loading)을 경험하지 않는다.

만일, 불균형한 로딩이 작용하면 비행체가 한쪽으로 쏠리게 되어 비행체 자세를 제어하기 어렵게 된다. 이를 해결하기 위해 덕트 팬 하우징에 대한 다양한 립 형상(lip shape)과 측풍을 방지하기 위한 방안들이 제시되었지만, 호버링(Hovering) 상태에서 측풍에 의한 영향을 해결하는데 한계가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 호버링 상태에서 측풍이 불어도 프로펠러면에 균일한 하중을 얻어 비행 안정성을 증대시킬 수 있는 덕트 팬을 구비한 비행체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 명시되지 않았지만 본 발명의 구성으로부터 도출될 수 있는 다른 목적도 포함한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 비행체용 덕트 팬은 프로펠러, 상기 프로펠러의 하측에 배치된 스테이터(stator), 그리고 상기 프로펠러를 둘러싸는 덕트 팬 하우징(ducted fan housing)을 포함하며, 상기 덕트 팬 하우징은 상기 프로펠러의 프로펠러면이 선택적으로 노출 또는 비노출 되도록 상기 프로펠러의 축 방향으로 이동 가능한다.

또한, 상기 덕트 팬 하우징은 상기 비행체가 호버링 상태일 때는 상기 프로펠러면이 노출되도록 이동하고, 상기 비행체가 순항 시에는 상기 프로펠러면이 비노출되도록 원래의 위치로 이동한다.

또한, 상기 덕트 팬 하우징에는 상기 프로펠러의 축 방향으로 홈이 형성되고, 상기 홈에는, 상기 스테이터가 고정되게 연결되는 스테이터연결부와, 상기 스테이터연결부의 상하측에 각각 배치되고 상기 홈에는 접힐 수 있는 주름판이 배치된다.

또한, 상기 덕트 팬 하우징을 상기 프로펠러에 상대적으로 이동시키는 구동부를 포함한다.

또한, 상기 구동부는, 상기 덕트 팬 하우징에 고정된 지지부재, 상기 지지부재에 연결된 샤프트, 상기 샤프트를 상기 프로펠러에 대하여 상하 방향으로 이동시킬 수 있는 기어박스(gear box), 및 상기 기어박스를 구동하는 모터를 포함한다.

또한, 상기 비행체는 1개의 상기 비행체용 덕트 팬을 구비하며, 상기 홈은 상기 덕트 팬 하우징의 내면에만 형성된다.

또한, 상기 비행체는 2개의 상기 비행체용 덕트 팬을 구비하며, 상기 비행체의 동체에 가까운 쪽에는 상기 덕트 팬 하우징의 외면 및 내면에 모두 상기 홈이 형성되고, 상기 동체의 먼 쪽에는 상기 덕트 팬 하우징의 내면에만 상기 홈이 형성된다.

또한, 상기 주름판은 상기 스테이터연결부의 상측에 연결된 상측주름판과 하측에 연결된 하측주름판을 구비한다.

또한, 상기 샤프트와 상기 기어박스는 웜 기어 방식으로 결합된다.

또한, 상기 구동부는 상기 스테이터에 연결된 플레이트 상에 지지된다.

본 발명에 의하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

본 비행체용 덕트 팬은 비행체의 호버링 상태에서는 덕트 팬 하우징(2)이 프로펠러(1)의 회전면 아래로 내려와 측풍이 불어도 덕트 팬에 의한 유동 박리가 발생하지 않아 프로펠러의 효율이 헬리콥터의 로터와 동일한 수준으로 유지할 수 있다.

또한, 고속 순항할때는 덕트 팬이 기존 장착 상태로 돌아와 덕트 팬의 본래 성능을 발휘할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 효과는 이에 국한되지 않고 후술하는 본 발명의 상세한 설명으로부터 도출되는 다른 효과도 포함한다.

도 1은 종래의 덕트 팬의 일 예이다.
도 2는 도 1의 덕트 팬이 비행체의 호버링 상태에서 순항 상태로 전환시의 덕트 팬의 상태를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 비행체용 덕트 팬(ducted fan)의 주요 구성의 모식도이다.
도 4는 도 3의 비행체용 덕트 팬의 평단면도이다.
도 5는 도 4의 비행체용 덕트 팬의 평단면도에서 주요 부분의 확대도이다.
도 6은 도 3의 비행체용 덕트 팬의 주요 구성의 부분 확대도이다.
도 7은 도 3의 비행체용 덕트 팬의 덕트 팬 하우징에 주름판이 배치된 모습을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비행체용 덕트 팬의 주요 구성의 모식도이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 비행체용 덕트 팬이 프로펠러의 프로펠러면이 노출되도록 이동한 모습을 나타낸다.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명한다. 한편, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.

먼저, 도 3 내지 도 7를 참조하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 비행체용 덕트 팬(100)(이하, 본 '비행체용 덕트 팬'이라 함)에 대하여 설명한다. 본 실시예는 비행체의 동체(300)의 양쪽에 동일한 덕트 팬이 장착된 경우에 해당하며, 도면에는 우측의 덕트 팬만 도시되어 있으며, 설명의 편의상 이하에서는 우측 덕트 팬에 대해 설명한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 비행체용 덕트 팬(100)은 프로펠러(또는 로터)(1)와, 프로펠러(1)의 하측에 배치된 스테이터(stator)(4)와, 프로펠러(1)를 둘러싸는 덕트 팬 하우징(ducted fan housing)(2)을 포함한다. 여기서, 스테이터(4)는 덕트 팬 하우징(2)을 관통하여 동체(300)에 연결된다.

본 비행체용 덕트 팬(100)의 핵심적인 기술 구성은 덕트 팬 하우징(2)이 프로펠러(1)의 프로펠러면이 선택적으로 노출 또는 비노출 되도록 프로펠러(1)의 축 방향으로 이동 가능하다는 점이다. 이를 통하여, 덕트 팬 하우징(2)은 비행체가 호버링 상태일 때는 프로펠러면(프로펠러의 회전면)이 노출되도록 프로펠러면의 아래로 이동하고(도 9 참조), 비행체가 순항 시에는 프로펠러면이 노출되지 않도록 원래의 위치로 이동하여 프로펠러면을 둘러싼다(도 3 참조).

이를 위하여, 덕트 팬 하우징(2)에는 프로펠러(1)의 축 방향으로 길게 홈(21)이 형성되어 있다(도 3, 도 7 등 참조). 본 덕트 팬 하우징(100)은 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 동체(300)에 가까운 쪽에는 하우징(100)의 외면 및 내면에 모두 홈(21)이 형성되고, 동체(300)에 먼 쪽에는 하우징(100)의 내면에만 홈(21)이 형성되어 있다.

그리고 덕트 팬 하우징(2)의 홈(21)에는, 스테이터(4)가 고정되게 연결되는 스테이터연결부(22)와, 스테이터연결부(22)의 상하측에 각각 배치되고 접힐 수 있는 주름판(23)이 배치되어 있다. 스테이터(4)는 예컨대, 스테이터연결부(22)의 관통홀에 삽입되는 방식으로 고정될 수 있다.

여기서, 주름판(23)은 접혔다 펼칠 수 있는 복원력을 가진 소재 예컨대, 알루미늄 등으로 제작되는 것이 바람직하다. 그리고 주름판(23)은 스테이터연결부(22)의 상측에 장착된 상측주름판(231)과, 그 하측에 장착된 하측주름판(232)을 구비한다. 이들 주름판(231,232)의 일단은 덕트 팬 하우징(2)의 내부에 고정되고, 타단은 스테이터연결부(22)에 고정될 수 있다.

한편, 본 비행체용 덕트 팬(100)은 덕트 팬 하우징(2)을 프로펠러(1)에 대하여 상대적으로 이동시키는 구동부(3)를 포함한다(도 3 기준으로 볼 때, 덕트 팬 하우징(2)를 종 방향으로 이동시킴). 도시의 편의상, 이 구동부(3)는 도 3, 도 8, 도 9에는 도시되어 있지 않고, 도 5 및 도 6에 구체적으로 도시되어 있다. 또한, 도 5 및 도 6에는 주름판(23) 및 홈(21)은 도시가 생략되어 있다.

예시적으로 이러한 구동부(3)는, 도 5 및 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 덕트 팬 하우징(2)에 고정된 지지부재(31)와, 지지부재에 연결된 샤프트(34)와, 샤프트(34)를 프로펠러(1)에 대하여 상하 방향으로 이동시킬 수 있는 기어박스(gear box)(32)와, 기어박스(32)를 구동하는 모터(33)를 구비할 수 있다. 기어박스(32) 및 모터(33) 등은 도 4에 도시된 바와 같이, 스테이터(4)와 연결되는 플레이트(25) 상에 배치될 수 있다.

한편, 지지부재(32)는 샤프트(34)에 고정 연결되고, 샤프트(34)는 기어박스(32)에 기어 결합 방식으로 결합될 수 있다. 예컨대, 샤프트(34)는 기어박스(32)에 웜 기어(worm gear) 방식으로 결합 즉, 샤프트(34)의 외측에는 워엄 나사(worm)가 형성되고, 이에 맞물리도록 기어박스(32)에는 톱니 기어(worm wheel)가 형성되어 모터(33)에 연동된 기어박스(32)의 작동에 의하여 샤프트(34)는 상하 방향으로 이동할 수 있다.

물론, 도 5 및 도 6에 도시된 구동부(3)의 구조는 예시적인 것으로서 이에 한정되지 않으며, 구동부(3)는 덕트 팬 하우징(2)을 프로펠러(1)에 대하여 상대적으로 이동시킬 수 다양한 방식의 메커니즘으로 구성될 수 있을 것이다. 참고로, 도 7은 덕트 팬 하우징(2)을 내측에서 바라본 도면으로서, 스테이터(4), 스테이터연결부(22), 주름판(23)의 결합 관계를 보여주고 있다.

이하에서는 상술한 바와 같은 구성을 가진 본 비행체용 덕트 팬(100)의 작용에 대하여 설명한다.

덕트 팬을 추진시스템으로 사용하는 비행체는 이륙을 위해 충분한 추력을 얻어야 한다. 그런데, 이륙시 측풍이 불면 덕트 팬으로 유입되는 공기량이 일정하지 않아, 측풍의 방향에 따라 덕트 팬에 위치한 프로펠러가 경험하는 프로펠러면(회전면)에 균일한 하중을 얻기 어렵게 된다. 이로 인하여 불균일한 디스크 로딩(disk loading)을 만들어 비행체가 자세를 유지할 수 없고, 효율이 급격히 떨어져서 심할 경우 수직 이착륙이 불가능한 상태에 직면하게 된다.

본 비행체용 덕트 팬(100)은 비행체가 순항 상태일 때는 도 3에 도시된 바와 같이 덕트 팬 하우징(2)이 프로펠러(1)의 회전면이 노출되지 않도록 둘러싸고 있다.

다음, 본 비행체용 덕트 팬(100)은 비행체가 호버링 상태일 때에는 구동부(3)의 모터(33) 및 기어박스(32)가 작동되면서 샤프트(24)에 연결된 지지부재(31)가 하측으로 이동함에 따라 덕트팬 하우징(2)이 이에 연동하여 하측으로 이동하게 된다. 이때, 덕트 팬 하우징(2)의 홈(21)에 장착된 주름판(23) 중 상측주름판(231)은 접히게 되고 하측주름판(232)는 펼쳐지게 된다.

최종적으로 도 9에 도시된 바와 같이, 덕트 팬 하우징(2)이 프로펠러(1)의 회전면 아래로 내려오게 되고, 이를 통하여 비행체의 호버링 상태에서는 측풍이 불어도 덕트 팬 하우징(2)에 의한 유동 박리가 발생하지 않아 프로펠러의 효율이 헬리콥터의 로터와 거의 동일한 수준으로 유지될 수 있다.

그리고 일단 비행체가 충분한 추력을 얻어서 호버링 상태에 도달하면 덕트 팬 하우징(2)은 원래의 위치로 되돌아 온다(도 3). 이때는, 모터(33) 및 기어박스(32)를 통하여 샤프트(34)에 연결된 지지부재(31)를 상측으로 구동시켜줌으로써 이에 연동하여 덕트 팬 하우징(2)이 프로펠러(1)의 회전면이 노출되지 않도록 한다. 이때, 덕트 팬 하우징(2)의 홈(21)에 장착된 주름판(23) 중 상측주름판(231)은 펼쳐지게 되고 하측주름판(232)는 접히게 된다.

이와 같이, 본 비행체용 덕트 팬(100)을 사용할 경우, 호버링 상태에서 측풍에 의한 유동 박리를 방지할 수 있고, 고속 순항할때는 덕트 팬(100)이 기존 장착 상태로 돌아와 덕트 팬(100)의 본래 성능을 발휘할 수 있게 된다.

이하에서는 도 8을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따라 비행체용 덕트 팬(200)에 대하여 설명한다.

본 덕트 팬(200)은 하나의 덕트 팬만 구비하는 비행체에 적용될 수 있는 것으로서, 상술된 덕트 팬(100)과의 차이점은 덕트 팬 하우징(2)의 내면에만 홈(21)이 형성되고 그 홈(21)에 주름판(23)이 장착된 것이다. 나머지 구성 및 작동 방식은 상술된 덕트 팬(100)과 동일하므로 추가적인 설명은 생략하도록 한다.

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.

1...프로펠러(또는 로터)
2...덕트 팬 하우징(ducted fan housing)
21...홈, 22...스테이터연결부
23...주름판,
231...상부주름판, 232...하부주름판
24...샤프트
3...구동부
31...지지부재, 32...기어박스(gear box)
33...모터
4...스테이터