KR20220093987A - 개선된 용접부 구조를 구비하는 배기 덕트 어셈블리 및 이를 포함하는 비행체 - Google Patents

개선된 용접부 구조를 구비하는 배기 덕트 어셈블리 및 이를 포함하는 비행체 Download PDF

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KR20220093987A
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송준수
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Abstract

본 발명은 배기 덕트 어셈블리 및 이를 포함하는 비행체에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리는 내부 공간을 구비하는 케이스, 상기 케이스의 내부 공간에 삽입되며, 배기 가스가 유입되는 유입부와 배기 가스가 배기되는 배기부를 구비하는 덕트, 상기 덕트를 상기 케이스에 고정하는 스티프너 및 상기 배기부의 상부에 각각 배치되는 커넥터를 포함하고, 상기 덕트, 상기 스티프너 및 상기 커넥터는 용접 결합되되, 적어도 일부가 제1 방향으로 서로 중첩된다.

Description

개선된 용접부 구조를 구비하는 배기 덕트 어셈블리 및 이를 포함하는 비행체{AN EXHAUST DUCT ASSEMBLY WITH AN IMPROVED WELD ZONE STRUCTURE AND AIRCRAFT INCLUDING THE SAME}
본 발명은 배기 덕트 어셈블리 및 이를 포함하는 비행체에 관한 발명으로, 보다 상세하게는 용접부 구조가 개선된 배기 덕트 어셈블리 및 이를 포함하는 비행체에 관한 발명이다.
배기 덕트는 비행체의 터보프롭(turbo-prop) 엔진, 터보팬(turbo-fan) 엔진 또는 터보샤프트(turbo-shaft) 엔진 등에 포함되어, 터빈을 통과한 배기 가스를 외부로 배기시킨다. 배기 덕트는 배기 가스의 이동 방향을 기준으로 저압 터빈(동력 터빈)의 후방에 배치된다. 저압 터빈을 거친 배기 가스는 배기 덕트를 통과하면서 외부로 배기된다.
배기 덕트는 고온 및 고압의 배기 가스가 통과하기 때문에 기계 하중과 열하중을 복합적으로 받게 된다. 따라서 배기 덕트는 높은 수준의 구조적 안정성을 만족해야 하며, 특히 고온 및 고압 조건에서의 응력 조건을 만족해야 한다.
한편 배기 덕트는 터빈에서 배출된 배기 가스를 가이드하고 이동시키는 부재와 이를 고정하는 부재를 포함하며, 이들 부재는 용접 결합된다. 그런데 종래는 이들 부재를 여러 차례에 걸쳐 용접함에 따라 용접에 소요되는 시간과 비용이 증가하고, 서로 다른 두 개의 얇은 부재들을 서로 용접하다 보니 충분한 구조 안정성을 갖지 못했다.
전술한 배경 기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지 기술이라 할 수는 없다.
유럽 등록특허공보 제2905227호
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 발명으로, 배기 덕트 어셈블리의 용접부 구조를 개선함으로써 용접부에 응력이 국소적으로 집중되는 것을 방지하여, 수명을 향상시킬 수 있는 배기 덕트 어셈블리 및 이를 포함하는 비행체를 제공한다.
다만 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리는 내부 공간을 구비하는 케이스, 상기 케이스의 내부 공간에 삽입되며, 배기 가스가 유입되는 유입부와 배기 가스가 배기되는 배기부를 구비하는 덕트, 상기 덕트를 상기 케이스에 고정하는 스티프너 및 상기 배기부의 상부에 각각 배치되는 커넥터를 포함하고, 상기 덕트, 상기 스티프너 및 상기 커넥터는 용접 결합되되, 적어도 일부가 제1 방향으로 서로 중첩된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리에 있어서 상기 덕트, 상기 스티프너 및 상기 커넥터는 상기 제1 방향을 향해 순서대로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리에 있어서 상기 배기부는 배기부 연결단을 구비하고, 상기 스티프너는 상기 제1 방향으로 상기 배기부 연결단의 외측에 배치되는 스티프너 연결단을 구비하고, 상기 배기부 연결단과 상기 스티프너 연결단은 서로 용접되어 제1 용접부를 형성하고, 상기 제1 용접부가 상기 배기부 연결단과 상기 스티프너 연결단의 내측에 위치하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리에 있어서 상기 커넥터는 상기 제1 방향으로 상기 스티프너 연결단의 외측에 배치되는 커넥터 연결단을 구비하고, 상기 스티프너 연결단과 상기 커넥터 연결단은 서로 용접되어 제2 용접부를 형성하고, 상기 제2 용접부가 상기 스티프너 연결단 및 상기 커넥터 연결단의 내측에 위치하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리에 있어서 상기 커넥터는 상기 커넥터 연결단의 일면에 오목하게 형성된 안착부를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리에 있어서 상기 배기부 연결단과 상기 스티프너 연결단은 상기 안착부에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리에 있어서 상기 제1 용접부와 상기 제2 용접부는 상기 제1 방향으로 중첩되도록 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 비행체는 가스 터빈 엔진, 상기 가스 터빈 엔진에서 토출되는 배기 가스를 외부로 배기하는 배기 덕트 어셈블리를 포함하는 비행체로서, 상기 배기 덕트 어셈블리는 내부 공간을 구비하는 케이스, 상기 케이스의 내부 공간에 삽입되며, 배기 가스가 유입되는 유입부와 배기 가스가 배기되는 하나 이상의 배기부를 구비하는 덕트, 상기 덕트를 상기 케이스에 고정하는 스티프너 및 상기 배기부의 상부에 배치되는 커넥터를 포함하고, 상기 덕트, 상기 스티프너 및 상기 커넥터는 용접 결합되되, 적어도 일부가 제1 방향으로 서로 중첩된다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 청구범위 및 도면으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리 및 이를 포함하는 비행체는 덕트, 스티프너 및 커넥터를 서로 중첩한 상태에서 용접함으로써 용접부에 열응력이 국소적으로 집중되는 것을 방지하여 배기 덕트 어셈블리의 구조 안정성을 개선할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리 및 이를 포함하는 비행체는 용접부의 크기를 최소화하면서 충분한 두께를 확보하여, 배기 덕트 어셈블리를 소형화하면서 동시에 용접부의 강성을 개선할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리 및 이를 포함하는 비행체는 용접 공정에 소요되는 시간과 비용을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리 및 이를 포함하는 가스 터빈 엔진을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리를 확대하여 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리의 용접부를 나타낸다.
도 6은 비교예에 따른 배기 덕트 어셈블리의 용접부를 나타낸다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 발명의 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시예로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 다른 실시예에 도시되어 있다 하더라도, 동일한 구성요소에 대하여서는 동일한 식별부호를 사용한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하의 실시예에서, x축, y축 및 z축은 직교 좌표계 상의 세 축으로 한정되지 않고, 이를 포함하는 넓은 의미로 해석될 수 있다. 예를 들어, x축, y축 및 z축은 서로 직교할 수도 있지만, 서로 직교하지 않는 서로 다른 방향을 지칭할 수도 있다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리(10) 및 이를 포함하는 가스 터빈 엔진(1)을 나타내고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리(10)를 나타내고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트(200)를 나타내고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리(10)를 확대하여 나타내고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리(10)의 용접부를 나타내고, 도 6은 비교예에 따른 배기 덕트 어셈블리의 용접부를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리(10)는 비행체(미도시)의 가스 터빈 엔진(1)에 적용될 수 있다. 예를 들어, 가스 터빈 엔진(1)은 상기 비행체의 터보프롭(turbo-prop) 엔진일 수 있다. 가스 터빈 엔진(1)은 배기 덕트 어셈블리(10)와, 저압 터빈(동력 터빈; 20)과, 고압 터빈(30)과, 연소기(40)와, 압축기(50)와, 흡기 덕트(60)와, 나셀(nacelle; 70)과, 프로펠러(80)를 포함할 수 있다.
먼저 흡기 덕트(60)를 통해 나셀(70)의 내부로 유입된 외부 공기는 압축기(50)와 연소기(40)를 거쳐 고온 및 고압의 상태가 된다. 다음 외부 공기는 고압 터빈(30)을 거쳐 팽창하여 저압 터빈(20)으로 공급된다. 공급된 외부 공기에 의해 저압 터빈(20)이 구동되고, 저압 터빈(20)과 구동축을 통해 연결된 프로펠러(80)가 회전하게 된다. 그리고 저압 터빈(20)을 빠져나간 외부 공기는 배기 덕트 어셈블리(10)를 통해 외부로 배기된다.
배기 덕트 어셈블리(10)는 나셀(70)의 내부에 배치되어, 저압 터빈(20)을 통과한 배기 가스를 상기 비행체의 외부로 배기하는 역할을 한다. 즉, 배기 덕트 어셈블리(10)는 가스 터빈 엔진(1)의 저압 터빈부에 배치될 수 있다. 일 실시예로, 배기 덕트 어셈블리(10)의 내부에는 구동축(90) 및/또는 저압 터빈(20)의 일부가 배치될 수 있다.
배기 덕트 어셈블리(10) 및 가스 터빈 엔진(1)을 포함하는 비행체의 종류는 특별히 한정하지 않는다. 상기 비행체는 무인 또는 유인 비행체일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리(10)는 케이스(100), 덕트(200), 스티프너(300) 및 커넥터(400)를 포함할 수 있다.
케이스(100)는 배기 덕트 어셈블리(10)를 상기 비행체 또는 기타 다른 부재에 고정 및 결합하는데 이용될 수 있다. 케이스(100)는 후술하는 덕트(200)가 내부에 배치되도록 내부 공간을 구비할 수 있다. 예를 들어 케이스(100)는 내부가 비어있는 원통 형상을 가질 수 있으며, 내측면이 덕트(200)의 외측면의 적어도 일부를 커버하도록 배치될 수 있다. 케이스(100)는 배기 덕트 어셈블리(10)를 나셀(70)의 일측에 고정하고, 배기 덕트 어셈블리(10)가 다른 부재와 간섭하거나 충돌하는 것을 방지할 수 있다.
일 실시예로 케이스(100)는 케이스 바디(110), 케이스 플랜지(120) 및 장착 홀(130)을 포함할 수 있다.
케이스 바디(110)는 내부에 덕트(200)가 배치되는 내부 공간을 구비하며, 일 실시예로 원통 형상일 수 있다. 케이스 바디(110)는 일체로 형성되거나, 복수 개의 세그먼트(segment)가 결합되어 형성될 수 있다. 예를 들어 케이스 바디(110)는 원주 방향을 따라 소정의 개수로 분할된 파트들이 결합되어 형성될 수 있다. 다만 이하에서는 설명의 편의를 위해, 케이스 바디(110)가 일체로 형성된 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
케이스 플랜지(120)는 케이스 바디(110)의 일측에 배치될 수 있다. 예를 들어 도 2에 나타낸 바와 같이, 케이스 플랜지(120)는 케이스 바디(110)의 양단에 원주 방향으로 배치될 수 있다.
장착 홀(130)은 덕트(200)의 제1 배기구(220) 및 제2 배기구(230)가 각각 배치되도록 케이스 바디(110)의 양측에 배치될 수 있다. 예를 들어 도 2에 나타낸 바와 같이, 장착 홀(130)은 케이스 바디(110)의 양측의 일부가 절개되어 형성될 수 있다. 장착 홀(130)의 형상 또는 개수는 특별히 한정하지 않으며, 덕트(200)의 배기부의 개수에 따라 적절히 선택될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면 덕트(200)는 케이스(100)의 내부에 배치되며, 가스 터빈 엔진(1)에서 배출된 배기 가스를 외부로 배기한다. 예를 들어 덕트(200)는 저압 터빈(20)을 통과한 배기 가스를 외부로 배기하기 위한 유로를 구비할 수 있다.
일 실시예로 덕트(200)는 중심축 Ax1을 중심으로 대칭인 형상을 가질 수 있다. 여기서 중심축 Ax1은 배기 덕트 어셈블리(10) 및/또는 덕트(200)의 중심축일 수 있다.
일 실시예로 덕트(200)는 유입구(210), 제1 배기구(220), 제2 배기구(230), 제1 유로(240), 제2 유로(250), 스플리터(260) 및 장착 보어(270)를 포함할 수 있다.
유입구(210)는 배기 가스를 배출하는 저압 터빈(20)을 지향하도록 배치되어, 저압 터빈(20)을 통과한 배기 가스를 덕트(200)의 내부로 유입시킨다. 유입구(210)로 유입된 배기 가스는 제1 배기구(220) 및 제2 배기구(230)를 통해 이동할 수 있다. 일 실시예로 유입구(210)는 중심축으로 Ax1을 갖는 고리 형상일 수 있다.
제1 배기구(220)는 유입구(210)에서 일측으로 연장 형성될 수 있다. 제1 배기구(220)는 유입구(210)에서 유입된 배기 가스의 일부를 외부로 배기한다. 일 실시예로 제1 배기구(220)는 중심축 Ax2를 갖는 고리 형상일 수 있다.
제2 배기구(230)는 유입구(210)에서 타측으로 연장 형성될 수 있다. 제2 배기구(230)는 유입구(210)에서 유입된 배기 가스의 나머지를 외부로 배기한다. 일 실시예로 제2 배기구(230)는 중심축 Ax3을 갖는 고리 형상일 수 있다.
일 실시예로 제1 배기구(220)의 중심축 Ax2를 연장하는 가상선과 제2 배기구(230)의 중심축 Ax3을 연장하는 가상선은 서로 교차하도록 배치될 수 있다. 즉 중심축 Ax2와 중심축 Ax3는 서로 평행하지 않도록 배치될 수 있다.
일 실시예로 덕트(200)는 Y자 형상을 가질 수 있다. 보다 구체적으로 덕트(200)는 하나의 유입구(210)에서 연장된 제1 배기구(220) 및 제2 배기구(230)가 서로 다른 방향을 지향할 수 있다. 또한 덕트(200)는 유입구(210)의 반대측 부분이 유입구(210)를 향해 함몰된 형상을 가질 수 있다.
제1 유로(240)는 유입구(210)와 제1 배기구(220)에 의해 구획되는 내부 공간이다. 유입구(210)로 유입된 배기 가스는 제1 유로(240)를 거쳐 제1 배기구(220)를 통해 외부로 배기된다(도 3의 위쪽 화살표).
제2 유로(250)는 유입구(210)와 제2 배기구(230)에 의해 구획되는 내부 공간이다. 유입구(210)로 유입된 배기 가스는 제2 유로(250)를 거쳐 제2 배기구(230)를 통해 외부로 배기된다(도 3의 아래쪽 화살표).
일 실시예로 덕트(200)는 스플리터(260)를 포함할 수 있다. 스플리터(260)는 제1 배기구(220)와 제2 배기구(230)의 사이, 즉 덕트(200)에서 유입구(210)를 향해 함몰된 부분에 배치될 수 있다. 스플리터(260)는 유입구(210)와 대향하도록 배치되어, 유입구(210)에서 유입된 배기 가스와 충돌할 수 있다. 스플리터(260)와 충돌한 배기 가스는 각각 제1 유로(240)와 제2 유로(250)로 분기되어, 제1 배기구(220)와 제2 배기구(230)를 통해 배기될 수 있다.
일 실시예로 덕트(200)는 장착 보어(270)를 포함할 수 있다. 장착 보어(270)는 중심축 Ax1 방향으로 형성되며, 덕트(200)의 내측면에 의해 구획되는 내부 공간이다. 장착 보어(270)는 덕트(200)와 동일한 중심축 Ax1을 가질 수 있으며, 장착 보어(270)의 내부에는 가스 터빈 엔진(1)의 구동축 등이 배치될 수 있다.
도 2 및 도 3에는 덕트(200)가 1개의 유입구(210)와 2개의 배기구(제1 배기구(220) 및 제2 배기구(230))를 갖는 듀얼 배기 덕트인 것으로 나타냈으나, 이에 한정하지 않는다. 유입구와 배기구의 개수는 조건에 따라 달라질 수 있다. 다만 이하에서는 설명의 편의를 위해 배기 덕트 어셈블리(10)가 1개의 유입구(210)와 제1 배기구(220) 및 제2 배기구(230)를 포함하는 것을 중심으로 설명하며, 그 외 부재도 상기 구성을 중심으로 설명한다.
스티프너(300)는 케이스(100)의 외측면에 배치되어 덕트(200)를 케이스(100)에 고정할 수 있다. 보다 구체적으로 도 2 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 스티프너(300)는 깔때기 형상을 가지며, 일측이 배기구의 외주면을 감싸도록 배치되고, 타측이 케이스(100)의 장착 홀(130)의 주변부에 배치될 수 있다.
일 실시예로 스티프너(300)는 배기구의 개수에 대응되는 개수로 구비될 수 있다. 이하에서는 스티프너(300)가 제1 배기구(220)와 제2 배기구(230) 주변에 각각 배치되는 것을 중심으로 설명한다.
커넥터(400)는 덕트(200)의 일측에 배치되어, 배기 덕트 어셈블리(10)를 가스 터빈 엔진(1)의 일측에 고정할 수 있다. 예를 들어 커넥터(400)는 덕트(200)의 배기부의 상부에 배치될 수 있다. 또한 커넥터(400)는 일측이 나셀(70)의 내측과 연결되어, 배기 덕트 어셈블리(10) 및/또는 덕트(200)를 나셀(70)에 지지할 수 있다.
일 실시예로 커넥터(400)는 커넥터 바디(410)와 커넥터 플랜지(420)를 포함할 수 있다.
커넥터 바디(410)는 내부가 비어있는 원통 형상의 부재로서, 배기구의 외측과 접하도록 배치될 수 있다. 예를 들어 도 4에 나타낸 바와 같이, 커넥터 바디(410)는 내측면이 제1 배기구(220)의 외측면과 접촉하도록 배치되며, 배기 가스의 배기 방향을 따라 연장될 수 있다. 도 4에는 제1 배기구(220)만을 나타냈으나, 제2 배기구(230) 상에도 커넥터 바디(410)가 배치될 수 있다.
커넥터 플랜지(420)는 커넥터 바디(410)의 일단에서 반경 방향 외측으로 연장되어, 다른 부재 상에 장착될 수 있다.
일 실시예로 덕트(200), 스티프너(300) 및 커넥터(400)는 적어도 일부가 서로 고정될 수 있다. 예를 들어 덕트(200), 스티프너(300) 및 커넥터(400)는 용접에 의해 서로 결합될 수 있다.
일 실시예로 덕트(200), 스티프너(300) 및 커넥터(400)는 적어도 일부가 서로 중첩되도록 배치될 수 있다. 예를 들어 도 5에 나타낸 바와 같이, 덕트(200), 스티프너(300) 및 커넥터(400)는 용접 결합되며, 이들 3개의 부재 모두 제1 방향(예를 들어 배기구 또는 커넥터(400)의 반경 방향)으로 서로 중첩되도록 배치될 수 있다. 이에 따라 용접부가 제1 방향으로 중첩되어, 용접부가 차지하는 영역을 최소화함으로써 배기 덕트 어셈블리(10)의 전체 크기를 줄일 수 있다.
일 실시예로 덕트(200), 스티프너(300) 및 커넥터(400)는 일 방향으로 순서대로 배치될 수 있다. 예를 들어 도 5에 나타낸 바와 같이, 덕트(200)가 가장 내측에 배치되고, 덕트(200)의 외측면에 스티프너(300)가 배치되고, 스티프너(300)의 외측면에 커넥터(400)가 배치될 수 있다.
보다 구체적으로 덕트(200)는 고온의 배기 가스와 직접 접촉하기 때문에 배기 덕트 어셈블리(10)에서 가장 온도가 높은 부재다. 그리고 커넥터(400)는 덕트(200)를 유동하면서 온도가 낮아진 배기 덕트가 배기되는 부분에 배치되기 때문에 덕트(200)에 비해 상대적으로 온도가 낮은 상태다. 따라서 덕트(200) 상에 커넥터(400)를 직접 용접할 경우, 덕트(200)와 커넥터(400)의 온도 차이로 인해 용접부 또는 연결부에 과도한 열응력이 집중될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리(10)는 커넥터(400)에 비해 상대적으로 온도가 높은 스티프너(300)를 덕트(200)의 외측면에 배치한 다음, 스티프너(300)의 외측면에 커넥터(400)를 배치함으로써 용접부 또는 연결부에 집중되는 열응력을 저감할 수 있다.
일 실시예로 덕트(200)의 배기부는 스티프너(300)와 연결되는 배기부 연결단을 구비할 수 있다. 보다 구체적으로 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 제1 배기구(220)는 후술하는 제1 스티프너 연결단(301)과 연결되는 제1 배기부 연결단(221)을 구비할 수 있다. 도 4 및 도 5에는 제1 배기구(220)와 제1 배기부 연결단(221)만을 나타냈으나, 제2 배기구(230)도 제2 배기부 연결단(미도시)을 구비할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 제1 배기구(220)를 중심으로 설명한다.
일 실시예로 스티프너(300)는 일 방향으로 배기부 연결단의 외측에 배치되는 스티프너 연결단을 구비할 수 있다. 보다 구체적으로 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 스티프너(300)는 제1 방향(예를 들어 배기부 또는 커넥터(400)의 반경 방향)으로 제1 배기부 연결단(221)의 외측에 배치되는 제1 스티프너 연결단(301)을 구비할 수 있다. 도 4 및 도 5에는 제1 배기부 연결단(221) 상에 배치되는 제1 스티프너 연결단(301)만을 나타냈으나, 제2 배기부 연결단(231) 상에도 제2 스티프너 연결단(미도시)이 배치될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 제1 배기부 연결단(221) 상에 배치되는 제1 스티프너 연결단(301)을 중심으로 설명한다.
일 실시예로 배기부 연결단과 스티프너 연결단은 서로 용접되어 제1 용접부(WZ1)를 형성할 수 있다. 예를 들어 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 제1 스티프너 연결단(301)은 제1 배기부 연결단(221)의 외주면에 배치되어 서로 용접됨으로써 제1 용접부(WZ1)를 형성할 수 있다. 여기서 제1 용접부(WZ1)는 실제 용접된 부분과 용접 열영향부(HAZ; Heat Affected Zone)를 포함할 수 있다. 일 실시예로 제1 용접부(WZ1)는 길이 L1을 가질 수 있다.
일 실시예로 제1 용접부(WZ1)는 배기부 연결단과 스티프너 연결단의 내측에 위치할 수 있다. 예를 들어 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 제1 배기부 연결단(221)과 제1 스티프너 연결단(301)이 서로 용접되어 형성된 제1 용접부(WZ1)는 제1 방향과 교차하는 제2 방향(예를 들어 배기부 또는 커넥터(400)의 길이 방향)으로 제1 배기부 연결단(221)과 제1 스티프너 연결단(301)의 내측에 위치할 수 있다.
일 실시예로 커넥터(400)는 일 방향으로 스티프너 연결단의 외측에 배치되는 커넥터 연결단을 구비할 수 있다. 예를 들어 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 커넥터(400)의 커넥터 바디(410)는 제1 스티프너 연결단(301)과 겹치는 부분에 대응되는 제1 커넥터 연결단(411)을 구비할 수 있다. 도 4 및 도 5에는 제1 배기구(220)에 배치되는 제1 커넥터 연결단(411)만을 나타냈으나, 커넥터 바디(410)는 제2 배기구(230)에 배치되는 제2 커넥터 연결단(미도시)을 더 구비할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 제1 배기부 연결단(221) 상에 배치되는 제1 커넥터 연결단(411)을 중심으로 설명한다.
일 실시예로 스티프너 연결단과 커넥터 연결단은 서로 용접되어 제2 용접부(WZ2)를 형성할 수 있다. 예를 들어 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 제1 커넥터 연결단(411)은 제1 스티프너 연결단(311)의 외주면에 배치되어 서로 용접됨으로써 제2 용접부(WZ2)를 형성할 수 있다. 여기서 제2 용접부(WZ2)는 실제 용접된 부분과 용접 열영향부(HAZ; Heat Affected Zone)를 포함할 수 있다. 일 실시예로 제2 용접부(WZ2)는 길이 L2을 가질 수 있다.
일 실시예로 제2 용접부(WZ2)는 스티프너 연결단과 커넥터 연결단의 내측에 위치할 수 있다. 예를 들어 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 제1 스티프너 연결단(301)과 제1 커넥터 연결단(411)이 서로 용접되어 형성된 제2 용접부(WZ2)는 제1 방향과 교차하는 제2 방향(예를 들어 배기부 또는 커넥터(400)의 길이 방향)으로 제1 스티프너 연결단(301)과 제1 커넥터 연결단(411)의 내측에 위치할 수 있다.
일 실시예로 커넥터(400)는 커넥터 연결단의 일면에 오목하게 형성된 안착부를 구비할 수 있다. 예를 들어 도 5에 나타낸 바와 같이, 제1 커넥터 연결단(411)은 제1 배기부 연결단(221)과 제1 스티프너 연결단(301)이 안착되는 면이 일부 절개되어 형성되는 제1 안착부(412)를 구비할 수 있다. 도 5에는 제1 배기구(220)에 배치되는 제1 안착부(412)만을 나타냈으나, 커넥터(400)는 제2 배기구(230)에 배치되는 제2 안착부(413)를 더 구비할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 제1 안착부(412)를 중심으로 설명한다.
이와 같이 제1 배기부 연결단(221)과 제1 스티프너 연결단(301)이 제1 안착부(412) 상에 안착됨으로써 제1 배기부 연결단(221), 제1 스티프너 연결단(301) 및 제1 안착부(412)에 의해 형성되는 용접 영역의 전체 높이(H3)가 지나치게 두꺼워지는 것을 방지할 수 있다.
또한 제1 커넥터 연결단(411)의 일면에 제1 안착부(412)를 형성함으로써 제1 커넥터 연결단(411)의 두께를 줄여, 제1 용접부(WZ1) 및 제2 용접부(WZ2)의 용접 품질을 향상시킬 수 있다.
즉, 심(seam) 용접과 같이 전기 저항을 이용하는 용접 시 전기 저항은 모재의 두께에 영향을 받고, 모재의 두께가 서로 다를 경우 용접 품질이 떨어질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리(10)는 용접 시 모재가 되는 덕트(200), 스티프너(300) 및 커넥터(400)의 형상과 치수가 결정된 상태에서, 제1 안착부(412)를 형성함으로써 모재 간의 두께 편차를 줄여, 용접 품질을 향상시킬 수 있다.
일 실시예로 제1 용접부(WZ1)와 제2 용접부(WZ2)는 서로 중첩되도록 배치될 수 있다. 예를 들어 도 5에 나타낸 바와 같이, 제1 용접부(WZ1)와 제2 용접부(WZ2)는 전부 또는 일부가 제1 방향(예를 들어 배기부 또는 커넥터(400)의 반경 방향)으로 겹치도록 배치될 수 있다. 이에 따라 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 용접부 전체가 차지하는 영역을 줄여, 배기 덕트 어셈블리(10)의 전체 크기를 줄일 수 있다.
일 실시예로 제1 용접부(WZ1)의 길이 L1과 제2 용접부(WZ2)의 길이 L2는 동일할 수 있다. 이에 따라 제1 용접부(WZ1)와 제2 용접부(WZ2)가 차지하는 영역을 보다 줄일 수 있다.
이와 같은 구성을 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리(10)는 용접부에 가해지는 국소적인 열응력 집중을 해소하여 수명을 향상시킬 수 있다. 또한 용접부의 전체 길이를 줄여 배기 덕트 어셈블리(10)의 크기를 줄일 수 있다. 또한 용접부가 충분한 두께를 가질 수 있어 용접부의 강성을 증가시킬 수 있다.
보다 구체적으로 비교예에 따른 배기 덕트 어셈블리를 나타내는 도 6을 참조하면, 비교예는 덕트, 스티프너 및 커넥터가 모두 중첩되는 영역을 갖지 않는다. 즉 덕트와 스티프너, 스티프너와 커넥터는 서로 중첩되되 3개의 부재가 모두 중첩되는 영역을 갖지 않는다. 이로 인해 덕트와 스티프너가 형성하는 용접부 및 덕트와 커넥터가 형성하는 용접부는 서로 이격하여 배치된다.
따라서 전체 용접부의 길이(d)는 덕트와 스티프너가 형성하는 용접부의 길이(l1), 덕트와 커넥터가 형성하는 용접부의 길이(l2), 스티프너와 커넥터가 이격된 거리(c) 및 스티프너의 돌출부 길이(t1)와 커넥터의 돌출부 길이(t2)까지 모두 합친 길이를 갖는다. 따라서 전체 용접부가 차지하는 영역이 지나치게 커지게 되고, 이를 구비하는 배기 덕트 어셈블리의 전체 크기도 커질 수밖에 없다.
또한 덕트 및 스티프너가 형성하는 용접부와 덕트와 커넥터가 형성하는 용접부는 서로 이격되어 있기 때문에 한 번의 용접 공정으로 용접을 완료할 수 없다.
또한 모재로서 덕트, 스티프너 및 커넥터의 두께 및 형상이 결정된 상태에서, 용접 영역은 각각 덕트와 스티프너, 덕트와 커넥터로만 형성되기 때문에 각각의 용접 영역은 전체 두께(h)를 갖게 된다. 따라서 조건에 따라 충분한 두께를 확보할 수 없어 용접부의 강성이 떨어진다.
또한 덕트와 커넥터가 직접 접촉하는 용접부는 덕트와 커넥터의 온도 차이로 인해 열응력이 집중되고, 이로 인해 배기 덕트 어셈블리 전체의 수명이 떨어진다.
반면 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리(10)는 덕트(200)와 스티프너(300) 및 커넥터(400)가 모두 서로 중첩되어 용접 영역을 형성하기 때문에 용접부가 차지하는 크기를 최소화할 수 있다. 따라서 배기 덕트 어셈블리(10)의 전체 크기도 줄일 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리(10)는 제1 용접부(WZ1)와 제2 용접부(WZ2)가 높이 방향으로 미소하게 이격되어 있기 때문에 한번의 용접 공정으로 용접을 완료할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리(10)는 덕트(200), 스티프너(300) 및 커넥터(400) 순으로 배치되기 때문에 인접하는 부재 간의 온도차를 최소화하여 열응력이 집중되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 덕트 어셈블리(10)는 덕트(200), 스티프너(300) 및 커넥터(400)를 3중으로 용접하여 충분한 용접부 두께를 확보함으로써 용접부 강성을 높일 수 있다.
이와 같이 도면에 도시된 실시예를 참고로 본 발명을 설명하였으나, 이는 예시에 불과하다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 충분히 이해할 수 있다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위에 기초하여 정해져야 한다.
실시예에서 설명하는 특정 기술 내용은 일 실시예들로서, 실시예의 기술 범위를 한정하는 것은 아니다. 발명의 설명을 간결하고 명확하게 기재하기 위해, 종래의 일반적인 기술과 구성에 대한 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재는 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로 표현될 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
발명의 설명 및 청구범위에 기재된 "상기" 또는 이와 유사한 지시어는 특별히 한정하지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 지칭할 수 있다. 또한, 실시 예에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 또한, 실시예에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 실시예들이 한정되는 것은 아니다. 실시예에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 실시예를 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상, 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 실시예의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 통상의 기술자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
1: 가스 터빈 엔진
10: 배기 덕트 어셈블리
100: 케이스
200: 덕트
300: 스티프너
400: 커넥터

Claims (8)

  1. 내부 공간을 구비하는 케이스;
    상기 케이스의 내부 공간에 삽입되며, 배기 가스가 유입되는 유입부와 배기 가스가 배기되는 배기부를 구비하는 덕트;
    상기 덕트를 상기 케이스에 고정하는 스티프너; 및
    상기 배기부의 상부에 각각 배치되는 커넥터;를 포함하고,
    상기 덕트, 상기 스티프너 및 상기 커넥터는 용접 결합되되, 적어도 일부가 제1 방향으로 서로 중첩되는, 배기 덕트 어셈블리.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 덕트, 상기 스티프너 및 상기 커넥터는 상기 제1 방향을 향해 순서대로 배치되는, 배기 덕트 어셈블리.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 배기부는 배기부 연결단을 구비하고,
    상기 스티프너는 상기 제1 방향으로 상기 배기부 연결단의 외측에 배치되는 스티프너 연결단을 구비하고,
    상기 배기부 연결단과 상기 스티프너 연결단은 서로 용접되어 제1 용접부를 형성하고, 상기 제1 용접부가 상기 배기부 연결단과 상기 스티프너 연결단의 내측에 위치하도록 배치되는, 배기 덕트 어셈블리.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 커넥터는 상기 제1 방향으로 상기 스티프너 연결단의 외측에 배치되는 커넥터 연결단을 구비하고,
    상기 스티프너 연결단과 상기 커넥터 연결단은 서로 용접되어 제2 용접부를 형성하고, 상기 제2 용접부가 상기 스티프너 연결단 및 상기 커넥터 연결단의 내측에 위치하도록 배치되는, 배기 덕트 어셈블리.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 커넥터는 상기 커넥터 연결단의 일면에 오목하게 형성된 안착부를 구비하는, 배기 덕트 어셈블리.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 배기부 연결단과 상기 스티프너 연결단은 상기 안착부에 배치되는, 배기 덕트 어셈블리.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 용접부와 상기 제2 용접부는 상기 제1 방향으로 중첩되도록 배치되는, 배기 덕트 어셈블리.
  8. 가스 터빈 엔진, 상기 가스 터빈 엔진에서 토출되는 배기 가스를 외부로 배기하는 배기 덕트 어셈블리를 포함하는 비행체로서,
    상기 배기 덕트 어셈블리는
    내부 공간을 구비하는 케이스;
    상기 케이스의 내부 공간에 삽입되며, 배기 가스가 유입되는 유입부와 배기 가스가 배기되는 하나 이상의 배기부를 구비하는 덕트;
    상기 덕트를 상기 케이스에 고정하는 스티프너; 및
    상기 배기부의 상부에 배치되는 커넥터;를 포함하고,
    상기 덕트, 상기 스티프너 및 상기 커넥터는 용접 결합되되, 적어도 일부가 제1 방향으로 서로 중첩되는, 비행체.
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