KR100188464B1 - 항주체의 마찰을 감소시키는 방법과 마찰저감 항주체 및 마찰을 감소시키기 위한 미소기포 발생방법과 그 장치 - Google Patents

항주체의 마찰을 감소시키는 방법과 마찰저감 항주체 및 마찰을 감소시키기 위한 미소기포 발생방법과 그 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 항주체의 마찰저항을 감소기키는 방법과, 그 항주체의 마찰을 감소 시키기 위한 미소기포들을 발생시키는 방법 및 그 장치를 제시한다. 그 마찰저항의 감소는 적은 양의 에너지소비로 실행되어 배를 운행하기 위한 전반적인 에너지 효율을 개선시킨다. 기포/물 혼합체가 잠수면에 대하여 일정한 각도로 배의 잠수면 부근에 형성된 경계층으로 선체의 선미를 향하여 분사된다. 공기보다 더 큰 질량을 가진 물의 동적인 에너지가 기체를 포함한 혼합체를 단지 기포들만의 경우에 있어서 보다도 더 먼 거리까지 경계층으로 분사시키기 때문에 마찰저항 감소는 효과적으로 수행된다.

Description

[발명의 명칭]
항주체(航走체)의 마찰을 감소시키는 방법과 마찰저감 항주체 및 마찰을 감소시키기 위한 미소기포 발생방법과 그 장치
[기술분야]
본 발명은 항주체의 마찰저항을 감소시키는 방법과, 마찰저감 항주체에서의 마찰을 감소시키기 위한 미소기포를 발생시키는 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 기포와 물의 혼합체를 선박의 수증면으로부터 바깥으로 분사시켜서 그 혼합체의 동적인 에너지를 추력으로 이용함으로써 전반적인 에너지이용 효율을 향상시킬 뿐 아니라 마찰저항을 감소시키는 기술에 관한 것이다.
[기술배경]
선박의 마찰을 감소시키기 위한 목적으로 선박의 수증면에 기포를 발생시키거나 공기층을 만들기 위한 많은 제안이 있었다. 물속으로 기포들을 분사시키기 위한 기술들의 실예는 다음과 같은 선행기술에서 개시되어 있다.
(1) 일본특허출원 공개 소50-83992 (2) 일본특허출원 공개 소53-136289
(3) 일본특허출원 공개 소60-139586 (4) 일본특허출원 공개 소61-71290
(5) 일본실용신안출원 공개 소61-39691 (6) 일본실용신안출원 공개 소61-128185
또한, 선박의 저면의 오목한 부분에 공기층을 형성시키는 기술은 (7) 일본실용안출원 공개 소61-128184에 개시되어 있다. 이 기술들은 다수의 구멍 또는 다공판들을 통하여 압축기로부터 가압된 공기를 물속으로 분출시키는 것에 기초한 것이다. 그러나, 다수의 구멍을 통하여 오직 가압된 공기만을 분사시키는 것에 기초한 이 방법들로는 미세기포들을 얻기가 어려우며, 부력이 있는 기포들은 선박의 수중면으로부터 용이하게 분리되어서 마찰감소는 표면의 좁은 지역에서만 효력을 갖는 것이다. 다공판들에 기초한 방법으로는 다공판을 통하여 압력강하를 초래하면서 그 판을 통하여 기포를 불어내는데 많은 양의 에너지가 소모되어서 기포들을 불어내기 위해 사용된 에너지 소모가 마찰저항을 감소시켜서 얻어진 에너지보다 더 크게 된다. (1)로부터 (6)까지의 선행기술에서 언급된 기술들은 실용적인 기술로 성숙되지 못한 것이다. 선행기술(7)에서 개시된 기술도 또한 실용적이지 못한 것으로, 그 이유는 그 기술을 위해 요구되는 다량의 공기소비는 비실제적이기 때문이다. 본 발명은 현재 기술의 그와 같은 상황을 감안하여 제시된 것으로 다음과 같은 목적을 가진다;
(1) 낮은 에너지소비로 마찰력을 감소시킴으로써 에너지평형을 향상시켜서 선박의 전체에너지 소모를 효과적으로 감소시킴.
(2) 마찰저항을 감소시키기 위한 간단한 방법을 개발함.
(3) 마찰의 감소시키기 위해 기포혼합비와 기포직경의 조정을 위한 효과적인 기술을 개발함.
(4) 선박의 형상에 영향받음없이 신뢰성있게 마찰을 감소시킴.
(5) 마찰을 감소를 위해 요구되는 공기와 물의 처리를 단순화시킴.
(6) 선박에 간단히 설치되도록 한 마찰감소를 위한 장치를 개발함.
[발명의 개시]
선박의 마찰을 감소시키기 위한 본 발명의 방법은 기포/물 혼합체를 선박의 잠수면 부근에 형성된 경계층으로 분사시키는 기술과, 기포/물 혼합체를 잠수면으로부터 이격되어 경사진 각도로 선박의 선미를 향해 분사시키는 기술을 단일로, 또는 조합으로 하여서 구성된다. 선박에 작용하는 마찰을 감소시키는 방법은 기포/물 혼합체에 함유된 기포의 양을 99%보다 적게 유지하는 기술과, 기포의 평균직경을 600㎛보다 작게 유지하는 기술의 조합을 포함한다. 본 발명은 마찰저감 선박은 선박에 배치된 기포/물 혼합체 발생 및 공급장치; 그리고 선박의 잠수면 부근에 형성된 기포/물 혼합체를 임의의 각도로, 그리고 선박의 선미를 향하는 방향으로 분출시키기 위해 기포/물 혼합체 발생 및 공급장치에 연결된 유체분사구; 를 구비한다. 본 발명은 더욱, 그 혼합체의 분사각도를 약 20도로 하는 기술의 조합을 포함한다; 유체분사구들은 서로 엇갈린 위치에서 선박의 전후방향에 배치된다; 유체분사구는 슬리트형상이다; 유체분사구는 다수의 세공을 갖는다; 선박은 이중선체 구조를 구성한다; 기포/물 혼합체 발생 및 공급 장치는 외측선체와 내측선체 사이에 형성된 공간구역에 배치된다; 그리고 기포/물 혼합체 발생 및 공급장치는 유체분사구들 부근에 배치된다. 본 발명의 마찰저감 선박은 내외측 선체들의 이중선체 구조에 형성된 공간구역들에서 전후방향으로, 또는 수직방향으로 , 또는 좌우현 방향으로 일정간격으로 배치된 다수의 기포/물 혼합체 발생 및 공급장치들과; 기포/물 혼합체 발생 및 공급장치와 유체분사구 사이에 배치되어 그들 사이를 연통시키며 선박의 외측선체를 관통하는 유체분사파이프들과; 기포/물 혼합체 발생 및 공급장치를 다수의 유체분사파이프들과 접속시키기 위해 공간구역에 배치된 헤더(header)와; 공간구역에 개재된 차단밸브들과; 그리고 유체분사파이프들이 외측선체를 관통하는 구역을 보강하기 위한 보상판들; 로 구성된다. 본 발명에 따른 기포를 발생시키는 방법은 기류(氣流)를 수많은 세공을 통하여 수류(水流)에 직각으로 분사시키는 기술과, 기포들을 수류속에 혼합하기 위해 수류로 기류를 흩뜨리는 기술로 구성된다. 본 발명의 미소기포들을 발생시키기 위한 장치는 수많은 세공을 가지며 측벽들에 마련되어 기포/물 혼합체를 발생시키기 위한 물공급장치와 연통되는 유체이송파이프들과; 상기 유체이송파이프들의 측벽의 외측면을 둘러싸며 세공들과 연통하는 기체실과; 그리고 세공들로부터 가압기체를 분출시키기 위해 기체실과 접속되는 가압기체 공급장치; 로 구성된다.
[작용효과]
기포/물 혼합체가 선박으로부터 경계층으로 분사될 때, 물의 보다 큰 질량과, 이로 인한 기포/물 혼합체의 보다 큰 동적인 에너지 때문에 기포들은 단지 기포들만을 사용할 때의 비교하여 경계층의 바람직한 저부지역까지 더 효과적으로 전달될 수 있어서 마찰을 감소시킨다. 더욱, 근본적으로 물의 동적인 에너지의 이용에 기인하여 기포혼합체의 분사방향에 반대방향으로 발생되는 추력이 있게된다. 기포혼합체가 유체분사구들로부터 선미방향으로 분사되면, 기포들은 선박의 수중면을 따라 스스로 분산되어 전방으로의 추력을 발생시킬 뿐아니라 마찰저항을 감소시키는 것이다. 물과 공기의 질량에서의 3가지 종류의 크기차이가 있으며, 기포/물 혼합체에 단지 물을 1% 부가하기만 해도 기포전달과 추력발생에 더욱 효과적으로 영향을 주게된다. 일반적으로, 기포의 크기가 작을수록 마찰을 감소시키는데 더욱 효과적으로 되며, 기포의 평균직경이 600㎛보다 크지 않게 하는 것이 필요하다. 기포/물 혼합체의 분사각도가 수중면에 약20。로 될 때 마찰감소는 향상된다. 기포의 크기는 기포를 기포/물 혼합체에 포함시킴으로써 조정가능하게 되며, 그 혼합체는 더욱 기포의 크기를 유지시키는 역할을 한다. 그러므로, 기포의 크기는 유체분사구 크기 또는 형상에 덜 영향받게 되는 것이다. 선박이 이중선체구조를 가질 때, 내외측선체들 사이의 공간이 이용될수 있으며, 기포/물 혼합체들은 유체분사구들을 선박의 선수와 선미방향과, 수직방향과, 그리고 선박의 좌우현 방향으로 엇갈리게 배치시킴으로써 그분사구들 주위에서 발생될 수 있어서 그 혼합체들을 다수의 구멍들로부터 선박의 여러 위치들로 분사시킬수 있게 된다. 유체분사파이프들이 유체분사구와 기포/물 혼합체 공급수단 사이에 선박의 외측선체를 관통하여 배치되면, 하나의 기포/물 혼합체 공급수단은 하나의 헤더를 통하여 기포/물 혼합체를 여러곳으로 공급할 수 있으며 밸브들은 선박의 외부주위와 격리시키거나 연결시키기 위해 작동되어 유체분사구들을 개방 또는 차단시킨다. 마찰저항을 감소시키기 위한 목적으로 미소기포들을 발생시키기 위한 방법과 장치에 있어서는, 가압공기를 다수의 구멍들을 통하여 기체실로부터 유체이송파이프로 흐르는 수류속으로 분사시킴으로써 기류는 수류에 의해 흩뜨러지고 그 흩뜨러지는 과정에 의해 형성되는 기포들이 수류에 혼합되어져서, 그 혼합체가 유체이송파이프를 통하여 선박의 소요지역들로 전달되는 것이다. 기포/물 혼합체에서의 기포들은 직경, 세공들의 수, 공기유량과 유체흐름속도와 같은 인자들에 의해 지배된다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명에 따른 선박의 마찰을 감소시키는 방법을 선박에 적용시킨 실시예에 대한 단순화 된 측면도.
제2도는 본 발명에 따른 선박의 마찰을 감소시키는 방법을 선박에 적용시킨 실시예에 대한 단순화 된 평면도.
제3도는 본 발명에 따른 선박의 마찰을 감소시키는 방법을 선박에 적용시킨 실시예에 대한 단순화된 정단면도.
제4도는 미소기포 발생을 위한 본 발명의 장치의 사용을 설명하기 위해 도시한 부분단면도.
제5도는 제1도에 나타낸 유체분사구의 한 실예를 도시한 도면.
제6도는 제1도에 나타낸 유체분사구의 또다른 실예를 도시한 도면.
제7도는 미소기포 발생장치 부근의 구조를 나타내는 단면도.
제8도는 컴퓨터분석에 의해 얻어진, 대형탱커선에 대한 수중면상의 마찰계수의 분포를 나타낸 도면.
제9도는 제8도에 나타낸 대형탱커의 수중면에 형성되는 경계층에서의 속도분포를 나타낸 도면.
제10도는 제1도에 나타낸 마찰저감 선박의 모델위의 측정점들과 유체분사 구멍들을 도시한 확대도면.
제11도는 제10도에 나타낸 여러 측정점에서의 공기유량과 마찰 감소정도 사이의 관계를 나타낸 도면.
제12도는 제10도에 나타낸 측정점들의 평균값들에 기초하여 마찰감소에 대한 물분사율의 효과를 나타낸 도면.
제13도는 마찰저감 선박의 모델에 기초하여 마찰감소에 대한 공기유량비와 물분사율의 효과를 나타낸 도면.
제14도는 마찰저감 선박모델에서 공기유량비와 기포발생율에 의해 무차원화된, 기포발생율에 따른 새로운 파라미터에 관한 곡선을 나타낸 도면.
제15도는 마찰저감 선박모델에서 마찰감소율, 물분사율 그리고 토탈에너지에 관한 곡선들을 나타낸 도면.
제16도는 분당5리터의 공기유량으로 작동되는, 제4도에 도시된 미소기포 발생장치에 의해 만들어지는 기포의 직경에 대한 기포존재의 가능성을 나타낸 도면.
제17도는 분당 10리터의 공기유량으로 작동되는, 제4도에 도시된 미소기포 발생장치에 의해 만들어지는 기포의 직경에 대한 기포존대의 가능성을 나타낸 도면.
제18도는 분당 20리터의 공기유량으로 작동되는, 제4도에 도시된 미소기포 발생장치에 의해 만들어지는 기포의 직경에 대한 기포존재 가능성을 나타낸 도면.
제19도는 분당 5리터의 공기유량으로 평균직경 60㎛의 구멍들을 가진 다공판에서 만들어지는 기포의 직경에 대한 기포존재 가능성을 나타낸 도면.
제20도는 분당 20리터의 공기유량으로 평균직경 60㎛의 구멍들을 가진 다공판에서 만들어지는 기포의 직경에 대한 기포존재 가능성을 나타낸 도면.
제21도는 분당 5리터의 공기유량으로 평균직경 15㎛의 구멍들을 가진 다공판에서 만들어지는 기포의 직경에 대한 기포존재 가능성을 나타낸 도면.
제22도는 분당 20리터의 공기유량으로 평균직경 15㎛의 구멍들을 가진 다공판에서 만들어지는 기포의 직경에 대한 기포존재 가능성을 나타낸 도면.
제23도는 평균마찰감소율과 운동량유입율 사이의 관계를 나타낸 도면.
제24도는 1.3의 거듭제곱으로 증가되는 공기유량비로 수직축위의 값들을 나누어서 노말라이즈(normalized)된, 제23도에 도시된 것과 동일한 관계를 나타낸 도면.
[발명의 실시예]
다음은 선박의 마찰을 감소시키는 방법과 그것을 위해 사용하기 위한 미소기포들을 발생시키는 장치를 탱커선이나 콘테이너선과 같은 배에 적용한 한 실시예를 제시한 것이다. 제1도 내지 제7도에 있어서, 다음의 참조부호들이 사용된다; 마찰저감 선박 Y; 선체1; 기포/물 혼합체 공급장치(미소기포 발생장치, 기포/물 혼합체 공급시스템) 2; 유체분사구 3; 잠수면 4(선박면); 추력장치 5; 러더(rudder) 6; 흡기구 7; 급수구 8.
제3도에 나타낸 마찰저감 선박(Y)의 선체(1)는 외측선체(11)와 내측선체(12)를 가진 이중선체 구조의 한 실예이다. 외측선체(11)와 내측선체(12) 사이에 형성되는 공간구역(13)에는 다수의 기포/물 홉합게 발생장치(2)가 좌우현방향 뿐 아니라 수직방향으로 일정간격으로 설치될 수 있도록 여러개의 지지구조물(14)이 있다. 흡기구(7)들은 갑판의 전면부에 전방을 향하여 배치되며, 급수구(8)들도 좌현과 우현의 수증면(4)에 전방을 향하여 배치된다. 지지구조물(14)에 의해 지지되는 기포/물 혼합체 공급장치(2)는 선체(1)의 적당한 위치에 배치된다. 그 기포/물 혼합체 공급장치(2)는 혼합체가 유체분사구(3)으로 부터 분사되기 전에 임의의정해진 비율로 공기와 물을 공급하여 기포와 물의 혼합체를 형성할 수 있도록 한다.
급수구(8); 급수장차(21); 그 장치(21)에 연결된 유체이송파이프(22); 그 파이프(22)의 원주방향과 종방향으로 일정한 간격을 두고 그 유체이송파이프(22)의 측벽(파이프벽)위에 균일하게 마련된 수많은 세공(23); 그리고 세공(23)들을 둘러싸는 기체실시스템(24)으로 구성된다. 그 기포/물 홉합체 공급장치(2)에 대해서는 다음에 설명될 것이다.
제4도에 나타난 바와 같이, 수공급장치(21)에 해수(물)를 끌어들이기 위해 급수구(8)에 연결된 펌프(21a); 펌프(21a)와 연결되며, 선체(1)의 요구되는 위치로 물을 전달하기 위해 외측선체(11)와 내측선체(12)를 관통하는 수공급파이프(21b)들; 물의 유량을 조절하기 위해 급수파이프(21b)들에 배치된 유량조절밸브(21c)들; 급수압력을 측정하기 위해 급수파이프(21b)에 설치된 급수압력계(21d); 그리고 급수량을 측정하기 위해 급수파이프(21b)에 설치된 유량계(21e)로 구성된다.
제4도에 나타낸 바와 같이, 기체실(24)는 유체이송파이프(22)의 외벽들과 세공(23)들을 둘러싸기 위해 공간구역(24a)을 둘러싸는 하우징(24b) : 그 하우징 (24b)의 개구부를 폐쇄하기 위한 캡(24c) : 하우징(24b)과 캡(24c)을 유체이송파이프(22)에 취부시키기 위한 소켓(24d) : 공간구역(24a)을 가압 공기 공급장치(25)에 연결시키기 위해 하우징(24b)에 배치된 연결플러그(24e); 그리고 유체이송파이프(22)와 하우징(24b), 그리고 캡(24c)들과 소켓(24d)들 사이의 각 이음매를 밀봉시키기 위한 밀봉부재(24f)들로 구성된다. 제4도에 나타낸 바와 같이, 가압공기 공급장치(25)는 흡기구(7)와 연결되어 공기(대기)를 흡입하는 블로우어(25a); 블로우어(25a)에 연결되며, 가압공기를 기포/물 혼합체 공급장치(2)의 연결플러그(24e)로 전달시키기 위해 외측선체(11)와 내측선체(12)사이의 공간구역(13)을 통과하는 가압공기 공급파이프(25b); 공기공급량을 조정하기 위해 가압공기 공급파이프(25b)위에 설치된 공기량 조절밸브(25c); 공기공급량을 측정하기 위한 공기유량계(25d); 유로룰 제한하는 오리피스를 구비한 압력탐지기(25e);공기압력을 전기신호로 전환시키기 위해 압력탐지기(25e)에 연결된 압력변환기(25f); 그리고 가압공기 공급파이프(25b)에서의 공급압력을 측정하기 위한 공기압력계(25g)로 구성된다. 다음으로 유체분사구(3)의 상세사항이 설명될 것이다. 제1, 4, 5, 6 그리고 7도에 나타낸 바와 같이, 유체분사구(3)은 기포/물 공급장치(2)에 연결되며, 수중면(4)에서 목표로 된 마찰감소면적(분사지역)을 한정하는 면적(E)에 배치된다. 그 분사구의 형상은 제5도와 6도에 나타낸 바와 같이, 슬리트 또는 세공으로 된다. 유체분사구(3)은 수중면에 대하여 배의 선미를 향하여 각도θ로 경사지도록 배치된다. 예를 들면, 그 각도θ는 제4도와 7도에 나타낸 바와 같이, 약20°로 정해진다. 여기서, 유체분사구(3)들 사이의 세로 간격은 제5도와 6도에 나타낸 바와 같이, 분사구(3)들이 고밀도를 제공하면서 서로 겹치지 않도록 선택되어야한다. 전후 간격에 대해서는 후에 더 상세히 설명될 것이지만, 그들은 기포 상태를 유지하도록 배치되어 진다. 유체분사구(3)은 수중면(4)(외측선체 11)을 관통하는 홀을 형성하여 설치되기 때문에 그것은 제4도와 7도에 나타낸 바와 같이, 특별한 구조를 가진다. 유체분사구(3)은 외측선체(11)와 내측선체(12) 사이에 배치된 기포/물 공급장치(2)의 유체이송파이프(22)에 연결된 헤더(3a); 그 헤더(3a)로 부터 분기되어 외측선체(11)를 관통하는 다수의 유체분사파이프(3b); 공간구역(13)과 외부(해수등)를 연결하거나 격리하기 위해 유체분사파이프(3b)위에 배치된 차단밸브(3c); 그리고 유체분사파이프(3b)를 강화하기 위해 외측선체(11)와 유체분사파피프(3b)에 일체로 배치된 보강판(11a)으로 구성된다.
제8도는 20만톤 내지 30만톤급 탱커선(1)의 수중면(4)에서의 마찰계수분포에 대한 컴퓨터분석을 나타낸 것이다. 여기서, 선체(1)의 형상과 관계된 레이놀드 수는 2.43 x 109이다. 제8도에 나타낸 마찰계수의 분포결과는 제3도의 Z방향에서 보여지는, 수중면(4)의 오른쪽 반에 속한다는 것을 주의바란다. 선체측면(1a)에서의 C는 선체저면(1b)의 값과는 다소 다르며, 그 값들은 선체(1)의 선미측에서 약간 작다는 것을 알 수 있다. 그러므로 추력장치(5)에서의 기포들과 협동함으로써 야기되는 캐비테이션현상의 영향을 피하기 위해 목표된 마찰감소면적(E)은 선미지역을 제외한다.
제9도는 잠수면(4)에 형성된 경계층(B)에서의 속도분포를 나타낸다. 선체(1)가 화살표방향으로 나아갈 때, 수중면(4)에 대한 물의 상대속도(μ)는 수중면(4)으로 부터의 거리δ가 증가함에 따라 증가한다. 이 거리에 있어서의 경계층(B)의 두께 즉, 상대속도(μ)가 선체(1)의 전진속도와 동일할 때의 두께는 20만톤 내지 30만톤급 탱커에 대해서는 약 1.2m이고, 동급의 콘테이너선에 대해서는 1.0m 이다. 그러므로 기포/물 혼합체 분사장치(2)로부터 기포/물 혼합체의 분사거리는 기포(미소기포)들이 그와 같은 경계층 거리내에서 형성되도록, 그리고 작은직경의 기포(미소기포)들이 수중면(4)부근에서 형성되도록 조절된다. 기포/물 혼합체 공급장치(미소기포 발생 및 공급장치)를 사용하여 마찰저감 선박(Y)의 마찰감소 방법, 그리고 미소기포 발생방법은 다음에서 설명된다. 수공급장치(21)가 작동되면, 급수구(8)들로 부터 흡입되는 해수등 펌프(21a)에 의해 가압되어 수공급파이프(21a)를 경유하여 유체이송파이프(22)로 전달된다. 유체이송파이프(22)내에서 수류가 만들어지고, 물이 헤더(3a)에 의해 다수의 유체분사파이프(3b)들로 분배되어서 유체분사오프닝(3)들로 부터 분사되어진다. 수압과 공급량은 급수압계(21d)와 수량계(21e)와 수량에 의해 감시되며, 그 양은 유체분사구(3)들의 위치에 따른 유량조절밸브(21c)를 작동시킴으로써 조절된다. 가압공기 공급장치(25)가 작동되면, 흡기구(7)로 부터 흡입되는 공기는 블로우어(25a)에 의해 가압된 후, 가압공기 공급파이프(25b)를 경유하여 기체실(24)로 배출된다. 가압공기가 수많은 세공(23)을 통해서 내측공간(24a)으로 배출되면, 공기는 미세기포들의 상태로 수류에 혼합되어 진다. 이 경우에 있어서, 유체이송파이프(22)내에 유체흐름이 있을 때, 세공(23)들로 부터 분사되는 기류와 수류는 서로 직각으로 교차되며, 만일 수류가 충분한 속도로 유동한다면 기류가 수류에 의해 분산되어지는 현상이 발생할 수 있는 것으로 여겨진다. 예를 들어, 세공(23)들의 직경이 물유속에 비추어 작을 때, 기류는 빈번히 분산되어서 무수한 기포들이 발생되어 수류에 포함되어지며, 이에 따라 기포/물 혼합체는 유체이송파이프(22)안에서 소정의 유체분사구(3)들로 전달되어 진다. 이 경우에, 기포/물 혼합체안의 기포들은 세공(23)들의 크기와 수, 공기량, 그리고 수류의 이동속도에 의해 지배된다. 기포/물 혼합체는 여러위치에 배치된 기포/물 혼합체 발생장치(2)에 의해 유체분사구(3)들의 부근에서 발생되기 때문에 혼합체의 발생과 수중면(4)에서 경계층으로의 혼합체의 분사사이의 거리는 짧게 유지된다. 기포/물 혼합체는 큰 동적인 에너지를 갖는데, 그 이유는 그 혼합체는 공기보다 훨씬 큰 질량을 갖는 물을 포함하여서, 제9도에 도시된 바와같이, 기포(A)만의 경우보다 마찰감소의 목적을 성취하기 위해 경계층(B)의 원하는 저층으로 훨씬 더 효과적으로 전달될 수 있기 때문이다. 더욱, 제2, 4, 5, 6 그리고 7도에 나타낸 바와 같이, 기포/물 혼합체를 선체(1)의 선미를 향하여 일정각도로 분사시킴으로써 그 반대방향으로 추력이 발생되는 것이다. 또한 이 경우에 있어서, 기포/물 혼합체의 제트흐름에 의한 추력의 발생은 공기와 물의 질량이 3가지 혼합상태에 따라 다르다는 사실과 함께 우선적으로 물의 동적인 에너지에 의해 야기되어 진다. 예를들어, 용적에 의한 물함유량이 그 혼합체에서 오직1%인 경우일지라도 그 혼합체에서 동적인 에너지의 대부분은 물에 의해 공급되는 것이다. 그러므로, 기포(A)들을 경계층(B)의 요구위치까지 전달하기 위하여, 또는 기포/물 혼합체에서 큰 동적인 에너지를 얻기 위하여 마찰감소효과를 손상시키지 않는 정도까지 기포/물 혼합체에서 물함유량을 증가시키는 것이 효과적이다. 선체(1)가 이중선체 구조를 가질 때 기포/물 혼합체 공급장치(2)는 외측선체(11)와 내측선체(12)사이의 공간구역(13)에 용이하게 배치될 수 있다. 다수의 장치(2)들은 수중면(4) 주위에 유체분사구(3)들이 분포되도록 전후, 좌우현 그리고 상하방향으로 놓여질 수 있다. 그렇게 함으로써 기포/물 혼합체는 제2도에서 화살표로 나타나 있듯이, 여러장소로 부터 분사될 수 있는바, 기포(A)들은 커지지 전에 분사될 수 있는 것이다.
[마찰감소의 타당성]
마찰저감 선박(Y)과 기포/물 혼합체 공급장치(2)의 마찰감소 성능들은 선체(1)의 축소모델을 만들어서 검사되어 졌다.
제10도는 선체(1)의 축소모델을 사용하여 성능을 체크한 상태를 나타내며, 원안의 번호들은 구역 1~5를 가리킨다. 구역 1~5는 유체분사구(3)으로부터 취해져서 선체(1)의 선미를 향하여 일정간격으로 배치된 측정위치들을 가리킨다. 숫자들은 mm단위로서 위치들사이의 거리를 나타낸다. 실험들은 다음 절에서 설명된다.
선체(1)는 항해조건에 놓여졌으며, 기포/물 혼합체는 유체분사구(3)으로부터 분사되었고, 마찰계수와 다른 파라미터들은 구역 1~5에서 측정되어졌다. 그 조건들은 다음과 같다; 항해속도 8m/s, 분사수량 Qw는 0.25-7리터/분의 범위에서 변동함, 유체분사구(3)을 위한 슬리트 폭 40mm, 슬리트들사이의 간격 0.6mm, 그리고 공기유량 5-25리터/분. 물과 공기는 혼합되어 분사된다. 그 실험들은 다음 조건들하에서 행하여 졌다.
[실험번호 1]
제4도에 나타낸 기포/물 혼합체 발생장치(2)와 제10도에 나타낸 시험체(X)를 사용하여 기포/물 혼합체는 다음 조건들하에서 유체분사구(3)으로 부터 분사되었다.
유체이송파이프(22)의 내경 : 8mm
유체이송파이프(22)에서의 수류 : 0.25-7리터/분
유체분사구(3)의 슬리트폭 : 40mm
유체이송파이프(22)의 슬리트 간격 : 0.6mm
세공(23)들의 직경 : 0.5mm
시공(23)들의 수 : 144
공기유량 : 5-25리터/분
기포/물 혼합체의 이송거리 : 150mm(세공(23)들로 부터 유체분사구(3)까지의 거리)
경사각θ : 20。
[실험번호 2]
다공판의 크기 : 350mm X450mm X 10mm 두께
구멍들의 평균크기 : 60㎛
다공판으로 부터의 분수방향 : 수류에 대해 직각으로
공기유량 : 5-25리터/분
[실험번호 3]
다공판의 크기 : 350mm X 450mm X 10mm 두께
구멍들의 평균직경 : 15㎛
다공판으로 부터의 분사방향 : 수류에 대해 직각으로
공기유량 : 5-25리터/분
공통조건 :
수유동속도(항해속도) : 8m/s
수유동의 정압 : 0.26kg/㎠
마찰감소를 평가하기 위한 파라마터(Parameter)는 공기분사량을 경계층의 제거된 두께, 슬리트폭, 그리고 수유동 속도를 무차원화시킴으로써 얻어진 비율에 기초하였다. 이를 달리 표현하면, 공기유량비 = 공기분사량/(경계층 두께·슬리트폭·수유동 속도)로 된다. 마찰감소율은 (공기분사의 마찰계수 CF)/(공기분사가 없을때의 마찰 계수CFO)의 비율로 표현되었다. 구역 1~5에서의 공기유량비와 마찰감소율과의 관계는 제11도에 나타나 있다, 물분사량은 0.25리터/분(일정)이다. 그 결과는 공기분사량이 증가함에 따라 마찰감소효과가 증가하는 경향이 있다는 것이다. 그 거동들은 모든 구역 1~5에서 거의 동일하였다. 구역 1~5로부터 얻어진 값들은 평균되어져서 마찰감소에 대한 물분사량(Qw)의 효과가 고찰되었으며, 그 결과들이 제12도에 나타나 있다. 그 경향은 보다 높은 마찰감소 효과가 물분사량을 증가시킴으로써 관찰되어 졌다는 것이다. 공기분사량과 물분사량(Qw) 사이의 차이에 의해 야기되는 압력손실은 제13도에 나타나 있다. 그 경향은 보다 높은 공기분사량과 물분사량이 증가된 압력손실을 유도한다는 것이었다. 새로운 파라미터(Rcf)가 공기유량비에 의해 무차원화되어서 얻어진 기포율과 그 새로운 파라미터사이의 관계를 구하기 위해 도입되었다. 그 결과들은 제14도에 나타나 있다. 그 새로운 파라마터는 다음 식에 의해 표현된다.
Rcf = (1-마찰감소율)/공기유량비 = 마찰감소효과/공기유량비
수평축은 공기분사량과 총분사량(공기분사량과 물분사량과의 합)의 비율에 의해 무차원화 된 기포발생율에 근거한 것이다. 각 공기유량비에 대한 Rcf의 값들은 그들의 언덕형상(hill Shape)으로 균일하게 분포된다는 것을 보여준다. 피크(peak)위치들은 공기유량비가 증가함에 따라 1.0의 기포발생율을 향하여 이동하는 경향이 있다. 그 결과는 기포들을 마찰을 감소시키는데 효과적인 경계층으로 분사시키기 위한 물분사량의 최적치가 있음을 지적한다. 물분사량이 증가할수록 기포들은 상향으로 향하는 것으로 여겨진다. 그러므로, 물분사량이 최적치보다 적다면 기포들은 최적의 층에 도달할 수 없으며, 만일 물분사량이 최적치를 초과하면 기포들은 최적층을 벗어나서 밀려날 것이다. 피크들은 공기유량비가 증가함에 따라 기포발생 = 1을 향하여 이동하려는 경향이 있는데, 이것은 기포들이 물분사력에 의한 도움없이 마찰을 감소시키기에 효과적인 층에 도달함으로써 야기되는 것으로 생각된다. 상기 관찰들은 물을 기포에 혼합시키면 그 혼합체가 마찰을 감소시키는데 효과적인 경계층내의 특별한 층으로 효과적으로 분사될 수 있다는 것을 보여준다. 공기와 물분사들의 압력치와 유량으로 부터 분사를 위해 요구되는 토탈에너지가 계산되어졌다. 수평축위의 토탈에너지와 수직축위의 마찰감소정도를 보여주는 제15도의 결과들은 물분사량이 0.25 와 0.5리터/분사이에 있을 때 그 효과가 높다는 것을 나타낸다.
수류에 혼합된 기포들의 사진들이 그들의 직경분포를 측정하기 위해 취해졌다. 그 측정결과의 일부가 제16도 내지 제22도에 나타나 있다. 제16도에서, 물속도 =8m/s, 공기량 = 5리터/분, 그리고 물분사량 Qw = 1리터/분의 조건하에서 기포들의 최대분포는 250㎛직경에서 발생하며, 그 토탈범위는 200~425㎛사이에 있음을 볼 수 있다. 세공(23)들의 직경이 0.5mm일때조차도 보다 작은 크기의 기포들이 수류에 의한 공기유동의 분산효과에 의해 발생된다는 것이 관찰되었다. 제17도와 18도로부터, 공기유량이 증가될 때 보다 큰 직경의 기포들을 발생시키는 평균적인 경향이 있음을 알 수 있다. 다공판들이 사용될 때 그 판들의 구멍직경보다 더 큰 기포들이 예외없이 발생된다. 제19도와 20도를 비교함으로써 공기량이 증가되면 기포들의 직경이 평균적으로 증가하는 경향이 있음을 알수 있다. 또한 21도와 22도의 비교로부터, 공기량이 증가될때 기포직경이 증가하는 경향이 있다는 것을 알 수 있지만, 제19도와 20도에 나타난 결과를 비교하면 보다 작은 직경의 기포들이 발생된다는 것을 알수 있다. 이결과들로부터 제4도에 나타낸 미소기포 발생장치(2)에 있어서 조차도 용이하게 작은 지경의 기포들을 발생시킬 수 있다는 것을 추측할 수 있다. 기포들의 크기와 양은 유체이송파이프(22)의 측벽에 형성된 세공(23)들의 수와 범위를 변경함으로써 자유로이 조정될 수 있다. 또한, 기포들이 너무크고 많아서 서로 접촉함으로써 보다 큰 직경으로 성장할 때 이 현상은 세공(23)들을 시험체(X)에 있는 유체분사구(3)들 부근에 놓음으로써 교정될 수 있다.
[에너지절약의 검토]
종래기술에서는 디젤엔진과 같은 주동력이 사용되며, 마찰저감 선박의 본 발명에 있어서는 기포/물 혼합체의 분사에 의해 추력의 일부가 공급된다, 그러므로, 감소된 마찰로 부터 기인하는 에너지의 감소가 기포/물 혼합체를 발생시키고 분사시키기 위해 요구되는 에너지보다 더 크다면 그 마찰저감 선박은 실용적이 될 것이다. 제11내지 15도에 나타낸 결과들에 기초하여 평균 마찰계수의 감소율의 분석이 윤동량유입율h를 정의하고 파라미터로서 공기유량비qa를 사용함으로써 수행되었다. 그 분석의 결과는 제23도에 나타나 있다. 운동량유입율은 단위시간당 마찰에 기인한 동적인 에너지손실(즉, 마찰저항 그자체)과 경계층의 바닥으로 분사된 기포/물 혼합체의 단위시간당 동적인 에너지 사이의 비율에 의해 정의된다. 제23도로부터 공기유량비 qa가 증가하면 평균마찰저항 계수의 감소율도 또한 증가되며, 더욱 그 거동은 운동량유입율 h에 대하여 대략 대칭적임을 알수 있다. 여기서, 평균마찰저항 계수의 감소율이 1.3의 거듭제곱으로 상승되는 공기유량비qa에 의해 얻어진 양으로 노말라이즈되어 운동량유입율h에 대하여 도면화되면 공기유량비 qa에 관계없이 모든 결과들이 대략 하나의 곡선위에 놓여지게 된다. 제24도의 결과들에 기초하여 에너지감소의 계산의 일예를 하기에 제시한다.
그 전제조건은 다음과 같다 :
(1) 마찰을 감소시키기 위한 설비가 없는 배를 순항속로 운전시키기 위해 요구되는 구동력은 1HP이다.
(2) 마찰저항은 순항하는데 있어서의 전체적인 저항의 90%에 상당한다.
(3) 조파저항과 점성저항과 같은 다른 저항들은 10%에 상당한다.
(4) 기포/물 혼합체를 분사시킴으로써 발생되는 마찰저항 계수에서의 감소율은 0.4이다. 이것은 그 혼합체가 이상적으로 최적의 경계층으로 분사될때 감소의 정도(CF/CFO 의 평균)를 40%로 맞춘것에 해당한다.
(5) 기포/물 혼합체가 분사되는 경사각은20°이며, COS20。 = 0.94로 된다.
(6)운동량유입률h = 0.3으로 선정한다. 이것은 마찰에 기인한 동적인 에너지손실의 30%가 기포/물 혼합체에 의해 경계층에 공급된다는 것을 의미한다.
계산의 실예(그 혼합체를 수중면의 100%에 걸쳐서 효율1로 분사시키는 경우)
마찰감소에 기인한 구동력의 절감 = 0.09HP X 0.4 = 0.36HP
토탈구동력=0.1PH + (0.9HP - 0.36HP)=0.64HP
미소기포 발생장치에서 소비된 에너지 = 0.9HP X 0.3 = 0.27HP, 이는 가정(6)에 해당한다. 기포/물 혼합체를 발생시키기 위해 사용된 0.27HP중에서 94%는 구동력을 위해 사용된다(가정5). 따라서, 0.27HP X 0.94 = 0.25HP 그러므로, 마찰저감 선박의 에너지감소량은 식[토탈구동력 + 미소기포 발생장치로 부터의 출력-미소기포/물 혼합체로 부터 유도되는 구동력]으로 부터 :
에너지 감소 = 0.64HP + 0.27HP - 0.25HP = 0.66HP
그러므로, 에너지 절약의 양은 : 1.0HP - 0.66HP = 0.34HP
이는 에너지감소가 34%임을 가리킨다.
[다른 실시예]
상기에 제시된 결과들로 부터 다음의 기술들이 본 발명에 효과적인 것으로 여겨진다.
(a) 저항의 대부분은 마찰저항에
의해 야기되며, 제8도에서의 마찰저항의 분포결과에 비추어 본 발명을 적용하기 위한 배는 얕은 흘수선(water line)을 갖는 것이 바람직하다.
(b) 본 발명은 선박의 길이와 폭사이의 차가 작은 선체에 적용되어야 한다.
(c) 본 발명은 다른 형식을 가진 선체들에 적용된다.
(d)이젝터(djector)들이 물과 공기를 혼합하기 위한 장치로서 사용된다.
(e) 유체분사구(3)들의 수를 증가시키고 공기(기포)압력을 조정한다.
(f)유체분사구(3)은 선체(1)의 모든 수중면에 또는,정수압(hydrostatic pressure)이 낮은 위치에서 사용되는 유체기계들에 배치된다.
(g) 유체분사구(3)의 형상은 슬리트형상이외의 다른 적당한 형상을 갖는다.
(h) 공기외의 다른 기체들과, 물이외의 다른 액체들을 적용한다.
(i) 유체분사파이프들을 이중관구조, 또는 다중관구조로 하여서 공기 또는 다른 기체들을 내측 또는 외측으로 분사시켜서 공기와 물의 혼합성을 높인다.
(j) 세공(23)들을 위한 직경, 수, 기체의 종류와 물유동속도의 적당한 조합을 개발한다.
(k) 여러 직경의 기포들을 발생시키도록 여러 직경을 가진 세공들을 마련한다.
[본 발명의 효과 및 이용가능성]
다른 효과들이 본 발명에 따른 선박과 마찰저감 선박의 마찰감소 방법과, 마찰감소를 위한 미소기포들을 발생시키는 방법 및 장치에 의해 이루어진다.
(1) 본 발명은 선체의 마찰을 감소시키기에 효과적인 방법을 산출하기 위해 기포들보다 큰 질량의 물에 의해 야기되는 혼합체의 높은 동적인 에너지를 이용하여 배의 수중면의 경계층내에서 기포/물 혼합체를 원하는 위치에서 분사시킬 수 있다.
(2) 본 발명은 물의 동적인 에너지를 이용하여 분사방향과 반대방향의 추력을 제공하도록 배의 수중면으로 부터 기포/물 혼합체를 분사시킴으로써 배에 공급되는 에너지소비를 감소시킬 수 있다.
(3) 기포/물 혼합체를 선미방향을 향해 수중면에 대하여 일정각도로 분사시킴으로써 그 혼합체는 경계층에 효과적으로 유도되어서 마찰감소 효과를 개선시키고 증대시킬 수 있다.
(4) 기포/물 혼합체를 제공함으로써, 기포들의 크기를 변화시킬수 있게 되고, 또한 발생된 기포들의 크기를 그대로 유지하면서 그 혼합체를 분사시킬 수 있게 된다.
(5) 상기의 구성에 의해 유체분사구의 크기나 형상에 영향받지 않고 효과적으로 기포를 분사시킬 수 있다.
(6) 본 발명을 이중선체 구조에 적용함으로써 그 선체들사이의 공간에 수많은 기포/물 혼합체 발생장치들을 배치하는 것이 가능하며, 더욱 유체분사구들의 근방에서 기포/물 혼합체를 발생시키는 것이 가능하게 되어 분사를 위한 에너지 손실을 저감시킬 수 있다.
(7) 기포/물 혼합체에 함유된 기포량을 자유롭게 조정할 수 있어서 배의 마찰저감을 위한 최적의 기포량을 발생시키는 것이 가능하다.
(8) 공간구역에 배의 외측선체를 관통하는 유체분사파이프들을 배치함으로써 기포/물 혼합체의 분사를 용이하게 할 수 있다.
(9) 복수의 유체분사파이프를 접속하기 위한 헤더를 제공함으로써 기포/물 혼합체의 분배성을 높일 수 있다.
(10)유체분사파이프와 차단밸브를 조합시킴으로써 배를 외부와 접속하고 분리할 수 있다.
(11)기체를 수류에 직각으로 분사시켜서 기류가 수류에 의해 분산되는 기술을 채용함으로써 수류에 함유된 기체유량의 혼합율을 용이하게 조정할 수 있다.
(12) 본 기술은 수류와 세공으로 부터 분사되는 기류에 기초한 것이므로, 그 장치가 비교적 간단하고 경제적으로 작동될 수 잇다.
(13)선박의 항해시의 마찰저감의 검사는 기포분사를 이용하여 용이하게 행해질 수 있다.
(14) 세공의 직경과 수류와 같은 파라마터들을 조정함으로써 기포들의 직경을 조정하는 것이 용이하다.

Claims (14)

  1. 기포/물 혼합체를 발생시켜서 공급하기 위한 기포/물 혼합체 발생 및 공급 장치(2), 및 상기 기포/물 혼합체 발생 및 공급장치(2)와 접속되고 잠수면(4)에서 마찰 저감 항주체의 선미를 향해 기포/물 혼합체를 분사시키는 유체 분사구(3)를 구비한 마찰 저감 항주체에 있어서, 선체(1)가 이중 선체 구조로 이루어지고, 복수의 기포/물 혼합체 발생 및 공급 장치(2)가 외측 선체(11)와 내측 선체(12)사이에 형성된 공간 구역(13)에 배치되는 것을 특징으로 하는 마찰 저감 항주체.
  2. 제1항에 있어서, 잠수면(4)에 대한 상기 유체 분사구(3)의 경사 각도가 20。 정도인 것을 특징으로 하는 마찰 저감 항주체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유체 분사구(3)가 선체(1)의 전후 방향으로 어긋난 위치에 배치된 것을 특징으로 하는 마찰 저감 항주체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유체 분사구(3)가 슬리트 형상인 것을 특징으로 하는 마찰 저감 항주체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 유체 분사구(3)가 다수의 세공을 구비하는 것을 특징으로 하는 마찰 저감 항주체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 기포/물 혼합체 발생 및 공급 장치(2)가 상기 유체 분사구(3)부근에 배치된 것을 특징으로 하는 마찰 저감 항주체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 기포/물 혼합체 발생 및 공급 장치(2)가 상기 외측 선체(11)와 내측 선체(12)사이에 형성된 공간 구역(13)에 선체(1)의 전후 방향으로 일정 간격을 두고 복수 배치되는 것을 특징으로 하는 마찰 저감 항주체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 기포/물 혼합체 발생 및 공급 장치(2)가 상기 외측 선체(11)와 내측 선체(12)사이에 형성된 공간 구역(13)에 선체(1)의 상하 방향으로 일정 간격을 두고 복수 배치되는 것을 특징으로 하는 마찰 저감 항주체.
  9. 제1항에 있어서, 상기 기포/물 혼합체 발생 및 공급 장치(2)가 상기 외측 선체(11)와 내측 선체(12) 사이에 형성된 공간 구역(13)에 선체(1)의 좌우방향으로 일정 간격을 두고 복수 배치되는 것을 특징으로 하는 마찰 저감 항주체.
  10. 제1항에 있어서, 유체 분사 파이프(3b)가 유체 분사구(3)와 기포/물 혼합체 발생 및 공급 장치(2)사이에 배치되어 선체(1)의 외측 선체(11)를 관통하는 것을 특징으로 하는 마찰 저감 항주체.
  11. 제10항에 있어서, 상기 외측 선체(11)와 내측 선체(12)사이에 형성된 공간 구역(13)에 헤더(3a)가 배치되어, 상기 기포/물 혼합체 발생 및 공급 장치(2)를 복수의 유체 분사 파이프(3b)와 접속시키는 것을 특징으로 하는 마찰 저감 항주체.
  12. 제10항에 있어서, 상기 외측 선체(11)와 내측 선체(12)사이에 형성된 공간 구역(13)내의 상기 유체 분사 파이프(3b)에 차단 밸브(3c)가 설치된 것을 특성으로 하는 마찰 저감 항주체.
  13. 기포/물 혼합체를 발생시키는 방법에 있어서, 기체를 다수의 세공(23)을 통하여 유수중에 교차 상태로 분출하고, 유수에 의해 기체류를 분단시켜 기포(A)를 유수중에 혼입시키는 것을 특징으로 하는 미소기포 발생 방법.
  14. 기포/물 혼합체를 발생시키는 장치에 있어서, 수공급 장치(21)에 접속되는 측벽에 다수의 세공(23)이 구비된 유체 이송 파이프(22) : 상기 유체 이송 파이프(22)의 측벽의 외면을 둘러싸도록 배치되며 상기 세공(23)과 연통되는 기체실(24) : 및 상기 기체실(24)에 접속되어 가압 기체를 전달하여 상기 세공(23)을 통하여 분사시키는 가압 기체 공급 수단(25)을 구비하는 것을 특징으로 하는 미소기포 발생 장치.
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