항공기용 프로펠러 블레이드{PROPELLER BLADE FOR AIRCRAFT}
본 발명은 헬리콥터나 비행기 등 항공기의 구동모터에 연결되어 회전하는 프로펠러의 블레이드에 관한 것이다.
일반적으로 헬리콥터나 비행기 등의 항공기를 구동시키는 원리는 일명 프로펠러형 블레이드의 회전으로 얻어지는 추력과 양력에 기인한다. 추력은 항공기를 밀거나 당기는 힘이고, 양력은 중력의 반대방향으로 작용하는 힘으로서 항공기를 뜨게 한다. 이러한 항공기의 프로펠러는 복수의 블레이드로 이루어지는데, 2개의 블레이드를 갖는 2엽 프로펠러부터 6개의 블레이드를 갖는 6엽 블레이드까지 다양하다. 상기와 같은 블레이드를 회전시키기 위한 항공기의 프로펠러는, 도 1에 도시된 바와 같이 항공기를 구동하는 모터의 회전력으로 회전하는 구동샤프트(10)와, 상기 구동샤프트(10)에 결합되어 함께 회전하는 로터허브(20)와, 상기 로터허브(20)에 방사상으로 결합된 복수의 블레이드(30)를 포함한다. 즉, 모터의 회전력으로 구동샤프트(10)가 회전하면서 로터허브(20) 및 복수의 블레이드(30)가 함께 회전하는 것이다. 상기 블레이드(30)는 도 2 내지 4에 도시된 바와 같이 분리된 상판(31) 및 하판(32)의 결합으로 하나의 몸체를 이루어 에어포일 형상으로 된 블레이드몸체(30a) 및 상기 로터허브(20)에 결합되는 블레이드헤드(30b)로 이루어진다. 이때 상기 블레이드(30)의 상판(31) 및 하판(32)은 상호 접착되어 결합된다. 상술한 항공기용 프로펠러 블레이드는 최근 복합재료 기술의 발달로 기존의 금속재 프로펠러 블레이드의 재질이 복합재료로 변화되어 가고 있는 추세이다. 즉, 복합재 프로펠러가 금속재 프로펠러에 비해 높은 진동 흡수 능력을 갖는 것에서 기이한 양호한 비행 조정 특성과 경량성으로 인하여, 온도 변화에 따른 블레이드의 기하학적 변형이 적고, 이에 따라 공기 역학적 성능을 향상시킬 수 있기 때문이다. 이러한 복합재 프로펠러는 1930년대에 처음으로 목화 섬유(Cotton fabric)를 강화한 페놀 수지 블레이드가 개발된 이후 최근에는 유리섬유 및 탄소섬유 등이 복합재 블레이드 재료로 다양하게 적용되고 있다. 따라서 복합재 적용 경량화 및 진동 흡수 특성이 좋은 고효율, 고강도 프로펠러 블레이드 개발은 항공기 국산화율 증대 및 관련 산업의 경제적 성장을 향상시키기 위해 매우 중요하다.
상기와 같은 관점에서 안출된 본 발명의 목적은, 복합소재를 이용하되, 단순히 블레이드를 일체로 복합소재로 제작하지 않고, 블레이드의 구조를 분리제작한 후 결합함으로써 각 구성간의 결합력을 더욱 높이면서 제작의 용이성 및 내구성을 보다 향상시키며, 저중량 고강도를 실현할 수 있는 항공기용 프로펠러 블레이드를 제공하는 데 있다. 본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관된 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 항공기용 프로펠러 블레이드는, 항공기를 구동하는 회전모터의 구동샤프트에 결합되어 함께 회전하는 로터허브에 방사상으로 결합된 항공기용 프로펠러 블레이드에 있어서, 상기 블레이드는, 분리된 상판 및 하판의 결합으로 하나의 몸체를 이루며, 에어포일 형상으로 된 블레이드몸체 및 상기 로터허브에 결합되는 블레이드헤드를 포함하고, 상기 블레이드의 상판 및 하판은, 각각 서로 마주보는 면에 내부로 코어홈이 함몰 형성되고, 상기 블레이드는, 상기 코어홈의 내부에 결합되는 내부코어를 더 포함하고, 상기 블레이드의 상판, 하판 및 내부코어 각각은, 유리섬유 또는 탄소섬유로 이루어진 섬유재를 수지로 다층 접착하여 경화시킨 섬유강화 복합소재(FRP, Fiber Reinforced Plastics)에 의해 제작된 것 을 특징으로 한다. 또한, 상기 블레이드의 상판 및 하판 각각은, 상기 코어홈과 연통되도록 상기 블레이드헤드의 전방에 코어주입홀이 관통 형성되고, 상기 내부코어는, 상기 블레이드의 코어주입홀로부터 상기 코어홈의 내부로 주입되어 상기 코어홈의 내부에 충진된 후 경화되면서 상기 상판 및 하판과 결합되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 항공기용 프로펠러 블레이드는, FRP재질의 상판, 하판 및 내부코어가 서로 긴밀히 견고하게 결합되고, 상판 및 하판 사이에 결합된 내부코어를 통해 상판 및 하판이 쉽게 슬라이딩에 의한 결합해제가 되는 것을 방지하여 내구성을 향상시킬 수 있다. 특히, 상판 및 하판 사이에 내부코어를 결합시 상판 및 하판을 결합한 상태에서 블레이드의 코어주입홀을 통해 코어홈으로 내부코어를 주입하여 충진함으로써 상판 및 하판 사이에 내부코어가 긴밀하게 결합되어 결합력을 더욱 강화할 수 있다.
도 1은 일반적인 항공기용 프로펠러를 도시한 사시도이고,
도 2는 도 1의 실시예 중 블레이드를 도시한 사시도이며,
도 3은 도 2에 도시된 블레이드를 상판 및 하판으로 분리한 사시도이고,
도 4는 도 1의 실시예의 측단면도이며,
도 5는 본 발명에 따른 항공기용 프로펠러의 일 실시예를 도시한 사시도이고,
도 6은 도 5의 실시예의 분해 사시이며,
도 7은 도 5의 실시예를 도시한 측단면도이고,
도 8은 도 5의 실시예의 제작과정을 도시한 측단면도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 항공기용 프로펠러 블레이드의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 항공기용 프로펠러 블레이드는, 도 1을 참조할 때 항공기를 구동하는 회전모터의 구동샤프트(10)에 결합되어 함께 회전하는 로터허브(20)에 방사상으로 결합되는 블레이드(100)로서, 도 5 내지 8에 도시된 바와 같이 상판(110), 하판(120) 및 내부코어(130)를 포함하여 이루어진다. 상기 블레이드(100)의 상판(110) 및 하판(120)은 도 5 및 6에 도시된 바와 같이 분리된 상태에서 하나의 몸체를 이루도록 결합되고, 전체적으로 에어포일 형상을 된 블레이드몸체(101) 및 상기 로터허브(20)에 결합되는 블레이드헤드(102)를 포함한다. 즉, 블레이드(100)는 널리 알려진 바와 같이 상판(110) 및 하판(120)으로 분리 가능하며, 상판(110) 및 하판(120)이 서로 마주보면서 대칭되게 접착 결합된다. 상판(110) 및 하판(120)이 하나의 몸체로서 결합되어 블레이드(100)로 기능하며, 결합된 전체로서 블레이드(100)는 에어포일 형상으로 된 블레이드몸체(101) 및 블레이드헤드(102)로 구분할 수 있다. 블레이드몸체(101)는 에어포일 형상으로 블레이드(100)가 회전시 공기를 밀어주거나 당겨 추력 및 항력을 발생시키고, 블레이드헤드(102)는 로터허브(20)에 결합되어 상기 로터허브(20)와 함께 회전하면서 상기 블레이드몸체(101)를 회전시키는 것이다. 이러한 블레이드(100)의 상판(110) 및 하판(120)은 도 5 내지 7에 도시된 바와 같이 각각 서로 마주보는 면에 내부로 코어홈(131)이 함몰 형성된다. 상판(110) 및 하판(120)은 각각 분리된 상태에서 별도로 제작되는데 이때 각각의 상판(110) 및 하판(120) 제작시 미리 코어홈(131)을 함몰 형성해 놓는다. 상판(110) 및 하판(120)을 서로 마주보도록 결합시키면 각각의 상판(110) 및 하판(120)의 코어홈(131)은 함께 공간을 형성하고, 후술하는 내부코어(130)가 상기 코어홈(131)에 결합된다. 즉, 상기 블레이드(100)는 도 5 내지 7에 도시된 바와 같이 상기 코어홈(131)의 내부에 결합되는 내부코어(130)를 더 포함한다. 내부코어(130) 없이 단순히 상판(110) 및 하판(120)을 평면상 서로 접착 결합하면 상판(110) 및 하판(120) 사이의 결합력이 떨어지고, 상호 결합면을 따라 상판(110) 및 하판(120)이 서로 슬라이딩하여 쉽게 결합해제될 수 있다. 이러한 문제를 방지하고자 상판(110) 및 하판(120) 사이에 함몰된 코어홈(131)을 형성하고, 코어홈(131)의 내부에 결합되는 내부코어(130)를 상판(110) 및 하판(120) 사이에 배치하는 것이다. 이때, 내부코어(130)를 통해 상판(110) 및 하판(120)의 결합면은 더욱 넓어져 결합력을 더욱 견고히 할 수 있을 뿐만 아니라 상호 슬라이딩에 의한 결합해제도 일어나기 힘들어지는 것이다. 특히 상기 블레이드(100)의 상판(110), 하판(120) 및 내부코어(130) 각각은, 유리섬유 또는 탄소섬유로 이루어진 섬유재를 수지로 다층 접착하여 경화시킨 섬유강화 복합소재(FRP, Fiber Reinforced Plastics)에 의해 제작된다. 상기 섬유강화 복합소재는 유리섬유 또는 탄소섬유와 같은 섬유재를 수지로 다층 접착하여 경화시킨 복합재료로서, 철강 소재에 비하여 경량으로 만들 수 있는 것은 물론, 제작이 용이하고 기계적인 강도는 오히려 향상될 수 있다. 특히, 상기 섬유강화 복합소재는 고분자 재료에 첨가되는 섬유재의 종류에 따라 강도를 조절할 수 있고, 비중이 1.6 정도로 제작할 수 있어서 비중이 7.85인 강철 소재에 비하여 매우 경량으로 제작할 수 있는 이점이 있다. 또한, 상기 섬유강화 복합소재를 형성하기 위한 섬유재로 사용되는 소재로는 유리섬유, 탄소섬유, 케블라섬유, 보론섬유, SiC섬유 및 Al 2 O 3 섬유 등이 있으며, 상기 섬유재는 그 방향성에 따라 일정한 방향성 없이 산개되어 있는 Non-Axial Type, 일방향성을 갖는 Mono-Axial Type, 이방향성을 갖는 Biaxial Type 및 그 이상의 방향성을 갖는 Multi-Axial Type 등으로 구별된다. 상기 섬유강화 복합소재는 전술한 섬유재 각각의 소재 및 그 방향성에 따라 기계적 물성이 달라진다. 상기 섬유강화 복합소재를 형성하기 위해 전술한 섬유재를 다층 접착하는 수지로는 일반적으로 불포화 폴리에스테르 수지나 에폭시 수지가 이용된다. 한편, 상기 상판(110) 및 하판(120)에 함몰 형성된 코어홈(131)에 섬유강화 복합소재로 미리 만들어진 내부코어(130)를 삽입하는 방식으로 접착 결합시킬 수도 있으나, 상판(110), 하판(120) 및 내부코어(130) 간의 더욱 긴밀한 결합을 위하여 내부코어(130) 형성시 주입 충진방식을 사용한다. 즉, 상기 블레이드(100)의 상판(110) 및 하판(120) 각각은, 도 5 내지 8에 도시된 바와 같이 상기 코어홈(131)과 연통되도록 상기 블레이드헤드(102)의 전방에 코어주입홀(132)이 관통 형성되고, 상기 내부코어(130)는, 상기 블레이드(100)의 코어주입홀(132)로부터 상기 코어홈(131)의 내부로 주입되어 상기 코어홈(131)의 내부에 충진된 후 경화되면서 상기 상판(110) 및 하판(120)과 결합된다. 이를 통해, 내부코어(130)는 상판(110) 및 하판(120) 사이에 형성된 코어홈(131)에 긴밀하게 결합됨은 물론, 상판(110) 및 하판(120)의 결합면의 미세하게 벌어진 간극에도 침투하여 결합력을 더욱 높일 수 있다. 특히, 상기 내부코어(130) 역시 상판(110) 및 하판(120)과 같은 동일 재료로서 상호 결합에 의한 배척없이 쉽게 융합되어 결합력을 높일 수 있다.
이하에서는 도 8을 참조하여 내부코어(130)의 주입 충진방식에 의한 본 발명에 따른 항공기용 프로펠러 블레이드(100)의 제작과정을 살펴본다. 먼저, 상판(110) 및 하판(120)을 섬유강화 복합소재를 이용하여 제작한다. 이때, 상판(110) 및 하판(120)의 서로 마주보는 면에는 각각 코어홈(131)이 함몰 형성된 상태이며, 코어홈(131)의 내부와 연통되도록 상판(110) 및 하판(120)의 블레이드헤드(102)에는 코어주입홀(132)이 관통 형성된 상태이다. 다음으로, 상기 상판(110) 및 하판(120)을 서로 마주보도록 접착 결합한다. 상판(110) 및 하판(120)이 하나의 몸체로서 결합되면 각각의 코어홈(131)이 블레이드몸체(101)의 내부 공간을 형성하고, 블레이드헤드(102)로부터 관통 형성된 코어주입홀(132)이 코어홈(131)과 연통되어 있다. 그 다음으로, 결합된 상판(110) 및 하판(120)을 인서트로 하여 금형 내부에 안착시킨 후 블레이드헤드(102)에 관통 형성된 코어주입홀(132)을 통해 용융된 상태의 내부코어(130)를 주입한다. 용융된 상태의 내부코어(130)는 유동성이 있으므로 주입압에 의해 코어주입홀(132)을 따라 코어홈(131)의 내부에 충진된다. 마지막으로, 내부코어(130)가 상판(110) 및 하판(120) 사이의 코어홈(131)에 완전히 충진된 후 경화되면서 상기 상판(110) 및 하판(120)과 결합된다. 그에 따라, 본 발명에 따른 항공기용 프로펠러 블레이드의 제작이 완료된다. 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 항공기용 프로펠러 블레이드는, FRP재질의 상판, 하판 및 내부코어가 서로 긴밀히 견고하게 결합되고, 상판 및 하판 사이에 결합된 내부코어를 통해 상판 및 하판이 쉽게 슬라이딩에 의한 결합해제가 되는 것을 방지하여 내구성을 향상시킬 수 있다. 특히, 상판 및 하판 사이에 내부코어를 결합시 상판 및 하판을 결합한 상태에서 블레이드의 코어주입홀을 통해 코어홈으로 내부코어를 주입하여 충진함으로써 상판 및 하판 사이에 내부코어가 긴밀하게 결합되어 결합력을 더욱 강화할 수 있다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
100 : 블레이드
101 : 블레이드몸체 102 : 블레이드헤드
110 : 상판 120 : 하판
130 : 내부코어
131 : 코어홈 132 : 코어주입홀 |
