KR100346513B1 - 선박의 방향타 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박의 방향타에 관한 것으로, 프로펠러 후방의 유체흐름을 정류시켜 추진효율을 향상시키기 위해 부설된 유선형 벌브의 형상 및 배치 상태가 개선, 즉 노우즈부의 선단이 선체중심선에서 프로펠러의 정회전 방향으로 편향하게 형성되고, 벌브의 한 측방면은 테일부가 프로펠러의 회전축에서 상향으로 기울어지며, 다른 측방면은 테일부가 프로펠러의 회전축에서 하향으로 기울어지게 형성되어, 프로펠러의 회전방향에 따른 회전류의 편심 현상에 의한 에너지 손실이 최대한 회수되어 그 손실이 최소화되고, 유체흐름을 강력하게 정류시켜 프로펠러의 추진효율이 향상되는 이점이 있다.

Description

선박의 방향타{A rudder of ship}

본 발명은 선박의 방향타(rudder)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프로펠러 후방의 유체흐름을 정류시켜 추진효율을 향상시키기 위해 부설된 유선형 벌브의 형상 및 배치 상태를 개선하여 에너지 손실의 최소화 및 추진효율의 향상이 양립되도록 한 선박의 방향타에 관한 것이다.

주지와 같이, 각종의 선박에는 그 진행방향을 조정하기 위한 수단의 하나로서 방향타(rudder)가 사용되고 있으며, 이 방향타는 물의 흐름 속에 놓여진 상태에서 받음각을 가질 때 여기에 작용하는 양력의 수직성분을 회두력으로 이용하여 선박의 진행방향을 조정하는 원리로 작동된다.

방향타에 요구되는 성능 중에는, 큰 양력을 발생시킬 수 있을 것, 받음각을 크게 하더라도 실속(失速)이 잘 안될 것, 받음각을 크게 변화시키더라도 양력의 착력점의 위치변화가 작을 것 등이 중요한 것으로 알려져 있다.

최초 선박에 적용된 방향타는 단순히 한 장의 판형상 키판을 선미에 장착하는 간단한 구성의 단판형 타였으나, 이런 단판형 타는 그 후면에서의 유체 박리로 인하여 타의 효과가 상실되는 실속각이 작고 타의 저항이 매우 크다는 등의 여러 가지 문제점들을 본질적으로 내포하고 있다.

이에 맞추어, 타의 성능을 최대화시키기 위한 여러 가지의 개량된 방향타가지속적으로 개발되어 왔으며, 그 중 방향타의 양력을 증대시키기 위한 방향타의 예로서, 방향타의 가동부와 고정부 사이의 틈새를 통과하는 가속된 유체가 타의 후면의 유속을 증가시켜 양력을 증가시키는 하이드로 갭 러더(hydro gap rudder), 방향타 후방의 일부를 가동 가능하게 구성하여 사용상태에 따라 방향타의 단면 캠버를 변형시킴으로써 양력을 증가시키는 베카 러더(beca rudder), 방향타에 프로펠러를 장착한 것으로 저속에서도 타력을 발생시키는 능동 러더(active rudder) 등이 있다.

또한, 추진효율을 향상시키기 위한 방향타로서는, 프로펠러 후류의 받음각을 이용하여 저항을 감소시키고 추력을 발생시키도록 하는 형상을 가지는 리액션 러더(reaction rudder; 반동타), 프로펠러 후방의 유체흐름을 정류시켜 추진효율을 향상시키기 위해 프로펠러 보스의 후부에 대응하는 위치에 벌브를 설치한 코스타 벌브 러더(COSTA bulb rudder) 등이 있다.

한편, 선박 추진기(프로펠러) 후방의 유체는 크게 선체 좌우의 빌지(bilge) 부근으로부터 발생되어 안쪽으로 회전하는 좌우 대칭의 빌지 와류와 프로펠러의 회전방향을 따라 회전하는 회전류로 구성된다. 이들 빌지 와류와 회전류는 방향타와 충돌하여 방향타의 정류작용에 의해 어느 정도 약해지기는 하지만, 타의 후단부 이후의 흐름에는 빌지 와류와 회전류가 잔존하게 되며, 이런 빌지 와류와 회전류를 더욱 정류하여 후방의 흐름을 변환시키면 선박의 추진효율을 더욱 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 선박(1)을 후방에 바라볼 때에 프로펠러(2)가 우측으로 정회전하는 경우에, 프로펠러(2)의 회전방향과 동일 방향으로 회전류(R)가 발생되고, 우현측(3)의 빌지 와류(S)는 반대 방향으로 회전하는 회전류(R)에 의해 약해지며, 좌현측(4)의 빌지 와류(P)는 동일 방향으로 회전하는 회전류(R)에 의해 강해진다.

그러나, 전통적인 선박에서는 방향타가 프로펠러의 회전축 상을 지나도록 배치되기 때문에 타의 후방 흐름에 있어서는 빌지 와류와 회전류의 복합회전류가 좌현측에서 강하게 나타나고 우현측에서 약하게 나타나는 좌우 비대칭 상태로 존재된다.

따라서, 좌현측의 강력한 복합회전류에 대한 방향타의 정류작용이 충분히 발휘되지 않게 된다. 즉 프로펠러의 역회전 방향에 나타나는 강력한 복합회전류에 대한 방향타의 정류작용이 충분히 발휘되지 않는다.

전술한 코스타 벌브 러더와 같이 방향타에 벌브를 설치한 경우에도, 방향타가 프로펠러의 회전축 상을 지나도록 배치되기 때문에 복합회전류가 여전히 좌우 비대칭으로 남아 있어서 추진기의 역회전 방향에 나타나는 복합회전류의 에너지를 추진력으로 회수하는 효율이 낮다.

이와 같은 기술적 배경 하에서, 일본국 실용신안등록 제2552808호에는 코스타 벌브 러더를 개선한 "선박용타"가 공지되어 있다.

도 2 내지 도 4는 동호의 첨부 도면으로서, 추진기(11)를 가지는 선박(10)에 있어서 추진기(11)의 회전방향이 우회전인 경우 좌현측으로 그리고 좌회전인 경우에는 우현측으로, 선체 중심선(CL)에서 0.1Dp(Dp는 추진기의 직경)∼0.3Dp의거리(E)만큼 어긋나게 방향타(14)를 배치하고, 방향타(14)의 측부에 복수의 리액션핀(17,18)을 추진기(11)의 축(15)과 평행이면서 대략 동일 높이에 위치하는 방향타(14)의 중심선(19)에 대하여 방사상으로 설치하되, 방향타(14)에 대하여 선체중심선(CL)쪽에 위치하는 리액션핀(18)은 반대쪽에 위치하는 리액션핀(17)보다 방사방향으로 더 길게 형성하고, 추진기 축(15)과 대략 동일 높이에 위치하는 방향타(14)의 높이 방향 중간부에 유선형 단면을 가지는 회전체 형상의 러더벌브(16)를 방향타(14)의 중심선(19)과 동심 상으로 설치하며, 복수의 리액션핀(17,18)의 기단부가 러더벌브(16)에 고정된다.

이와 같은 동호의 기재 내용에 의하면, 좌현과 우현의 복합회전류가 유체역학적으로 대칭을 이루도록 방향타(14)가 선체 중심선(CL)에서 수평위치로 0.1Dp 내지 0.3Dp의 거리만큼 어긋나게 배치되어 방향타(14)가 복합회전류를 고효율로 정류할 수 있어 추진효율을 향상시킬 수 있고, 리액션핀(17,18)이 러더벌브(16)에 방사방향으로 직교하게 비대칭적인 길이로 고정되어 그 효율이 향상되며, 좌우의 복합회전류로부터 동일하고 효율 좋은 에너지 회수를 이룰 수 있고, 러더벌브(16)에 의해 선박(10)의 추진효율을 향상시킬 수 있다고 하였다.

전술한 일본국 실용신안등록 제2552808호의 기재 내용에 의하면, 선체 중심선에서 소정의 거리만큼 어긋나게 배치되고 유선형 단면을 가지는 러더벌브에 복수의 리액션핀이 고정된 방향타는 좌우의 복합회전류로부터 동일하고 효율 좋은 에너지 회수 효과가 기대된다.

그러나, 동호 기술에 따른 방향타는 실제적으로 에너지의 회수 효과가 그다지 크게 나타나지 않았다.

한편, 효과적인 에너지 회수에 의한 선박의 연료절감을 이루기 위해서는 방향타 설치위치에서의 유동장에 대한 정확한 정보와 방향타와 프로펠러의 상호작용을 정확히 파악하여야 한다.

따라서, 본 발명은 종래 기술에 의한 코스타 벌브 러더 주위의 유동장 특성을 면밀히 분석하고, 이를 참고한 기초실험으로부터 추진기 후류의 에너지 회수를 효과적으로 이룰 수 있도록 하는 방안을 모색한 일련의 연구성과를 기초로 한 것이다.

이와 같은 연구실험에 기초하여 제안하는 본 발명의 목적은, 프로펠러 후방의 유체흐름을 정류시켜 추진효율을 향상시키기 위해 부설된 유선형 벌브의 형상 및 배치 상태를 개선하여, 프로펠러의 회전방향에 따른 회전류의 편심 현상에 의한 에너지 손실을 최대한 회수하여 그 손실을 최소화하고, 유체흐름을 강력하게 정류시켜 프로펠러의 추진효율을 향상시키는 데 그 목적이 있다.

도 1은 선박에서 프로펠러 후방의 유체흐름을 보여주는 모식도.

도 2는 종래 방향타의 일 예를 보여주는 선박 선미 부분의 측면도.

도 3은 도 2의 방향타와 프로펠러의 수평적 배치관계를 보여주는 평면도.

도 4는 도 2의 방향타와 프로펠러의 수직적 배치관계를 보여주는 평면도.

도 5는 본 발명에 따른 방향타가 적용된 선박 선미부의 측면도.

도 6은 본 발명에 따른 방향타에 적용된 벌브의 형상 및 프로펠러와의 배치관계를 보여주는 평면도.

도 7은 본 발명에 따른 방향타에 적용된 벌브의 가상적인 노우즈 선을 보여주는 벌브의 정면도.

도 8은 본 발명에 따른 방향타에 적용된 벌브의 상세한 프로필을 보여주는 도면.

도 9는 프로펠러의 후류에 놓인 방향타에 작용하는 압력의 분포를 보여주는 도면.

도 10과 도 11은 본 발명에 따른 방향타의 우측면도와 좌측면도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100 : 선박 110 : 프로펠러

111 : 회전축 120 : 방향타

130 : 벌브

131 : 벌브의 노우즈부

132 : 벌브의 테일부

133,134 : 벌브의 측방면

141,142 : 벌브의 중심선

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 선박의 방향타는, 선체중심선 상에 배치되고, 프로펠러의 회전축과 대략 동일한 높이에 그 노우즈부가 전방으로 돌출하는 유선형의 벌브가 부설된 선박의 방향타에 있어서:

상기 노우즈부는 그 선단이 상기 선체중심선에서 상기 프로펠러의 정회전 방향으로 편향하게 형성된다.

바람직하기로, 상기 벌브의 두 측방면 중 상기 정회전 방향의 측방면은 그 노우즈부에서 테일부로 잇는 중심선이 상기 회전축에서 상향으로 기울어지게 형성되며; 상기 벌브의 두 측방면 중 상기 프로펠러의 역회전 방향의 측방면은 그 노우즈부에서 테일부로 잇는 중심선이 상기 회전축에서 하향으로 기울어지게 형성된다.

선택적으로, 상기 노우즈부의 선단이 상기 선체중심선에서 편향된 거리는 상기 프로펠러 직경의 5 내지 10% 로 규정되며, 상기 회전축과 상기 중심선이 이루는 각도는 7 내지 21°로 규정된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이 실시예를 통해 본 고안의 목적, 특징 및 이점들을 보다 잘 이해할 수 있게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 방향타가 적용된 선박 선미부의 측면도, 도 6은 본 발명에 따른 방향타의 형상 및 프로펠러와의 배치관계를 보여주는 평면도, 도 7은 본 발명에 따른 방향타에 적용된 벌브의 가상적인 노우즈 선을 보여주는 벌브의 정면도, 도 8은 본 발명에 따른 방향타에 적용된 벌브의 상세한 프로필을 보여주는 도면, 도 9는 프로펠러의 후류에 놓인 방향타에 작용하는 압력의 분포를 보여주는 도면, 도 10과 도 11은 본 발명에 따른 방향타의 우측면도와 좌측면도이다.

본 발명에 따른 방향타(120)는 프로펠러(110)를 추진장치로 하는 선박(100)에서 프로펠러(110)의 후방에 회동 가능하게 설치되는 것으로, 프로펠러(110)의 회전축(111)과 대략 동일한 높이에 프로펠러(110)의 대략 후방에 벌브(130)가 형성된다.

벌브(130)는 방향타(120)의 전방으로 돌출된 노우즈부(131)가 크게 비후되어 있고, 후방의 테일부(132)로 갈수록 비후 정도가 작아지는 원추 유선형이며, 프로펠러(110) 쪽에서 바라볼 때 노우즈부(131)의 선단은 선체중심선(CL)에서 프로펠러(110)의 정회전 방향으로 편향되어져 있다.

다시 말해서, 프로펠러(110)가 우측으로 회전할 때에 전진하는 선박에서는 첨부한 도 6과 같이 소정의 거리(D)로 선체중심선(CL)에서 우측으로 편향되고, 프로펠러(110)가 좌측으로 회전할 때에 전진하는 선박에서는 도시하지는 않았으나 소정의 거리(D)로 선체중심선(CL)에서 좌측으로 편향된다.

따라서, 설명의 이해를 돕기 위해 벌브(130)의 노우즈 선을 가상하여 표시하면 도 7의 벌브 정면도에 도시한 바와 같이 프로펠러(110)의 정회전 방향으로 편향되게 나타낼 수 있다.

노우즈부(131)의 편향 정도, 즉 선체중심선(CL)에서 노우즈부(131) 선단까지의 거리(D)는 프로펠러 자체의 특징, 방향타의 특징, 프로펠러와 방향타 사이의 거리, 프로펠러와 방향타의 상호작용 등 프로펠러(110)의 후류에 영향을 미칠 수 있는 모든 인자들의 상호 작용에 따라 다소 차이를 가질 수 있으나, 표준 조건에 의하면 노우즈부(131)의 선단이 프로펠러(110) 직경의 5 내지 10% 만큼의 거리(D)로 편향된다.

노우즈부(131)의 편향 정도가 5% 미만인 경우에는 노우즈부(131)의 편향에 따라 정류 효과가 극대화가 되지 않고, 10%를 초과하는 경우에는 방향타(120)의 위치가 좌우의 복합회전류에 대하여 유체역학적으로 대칭인 곳에 위치하지 않는 결과가 되어 프로펠러(110) 추진효율의 향상을 기대할 수 없게 된다.

여기서, 본 발명의 이해를 돕기 위해 도 8을 통해 종래 기술의 코스타 벌브 러버에 적용되는 벌브와 본 발명의 방향타에 적용되는 벌브를 비교하여 보면, 검은 점(P1)들이 연결되는 종래의 좌우 대칭형 벌브와는 달리 흰 점(P2)들이 연결되는 본 발명의 벌브는 방향타에서 소정 길이(X)로 돌출한 노우즈부(131)의 선단이 프로펠러(110)의 정회전 방향(도면에서는 상측)으로 소정 거리(D)만큼 편향된다.

한편, 프로펠러(110)의 후류에 놓인 방향타(120)에 작용하는 압력의 분포를 살펴보면 프로펠러(110)가 우측으로 정회전되는 경우에 그 압력분포는 도 9에 나타낸 바와 같다. 즉 좌현 상부와 우현 하부가 압력면을 형성하고, 우현 상부와 좌현 하부가 흡입면을 형성한다.

이와 같은 압력 분포에 따라, 프로펠러(110)를 기준으로 한 유선방향은 방향타(120)의 좌우측면에서 각기 다르게 형성되며, 이런 방향타(120)의 좌우에 대한 비대칭적인 유선방향은 특히 돌출된 벌브(131)를 가지는 방향타(120)에 있어서 저항 증가의 요인으로 작용된다. 따라서, 방향타(120) 좌우측의 비대칭적인 유선방향에 기원하여 벌브(130)의 설치에 따라 증가되는 저항을 최소화시킬 필요가 있다.

여기서, 방향타(120)를 따라 좌우로 흐르는 유선의 특성을 살펴보면, 프로펠러(110)의 정회전 방향에서는 후방 쪽으로 진행함에 따라 상향으로 경사지면서 흐르고, 프로펠러(110)의 역회전 방향에서는 후방 쪽으로 진행함에 따라 하향으로 경사지면서 흐른다.

이를 감안하여 본 발명의 방향타(120)에 부설된 벌브(130)는 유선 특성에 부합하도록 도 10 및 도 11에 나타낸 바와 같이, 방향타(120)의 좌우로 돌출한 두 측방면(133,134)이 방향타(120)를 기준으로 상호 비대칭하게 형성된다. 도 10 및 도 11은 프로펠러가 우측으로 정회전하는 선박의 경우로서, 도 10은 방향타의 우측면도, 도 11은 방향타의 좌측면도이다.

프로펠러(110)의 정회전 방향으로 돌출한 측방면(133)은 노우즈부(131)에서 테일부(132)로 잇는 중심선(141)이 프로펠러의 회전축(111)에서 상향으로 7 내지 21°의 각도로 기울어져 형성되고, 프로펠러(110)의 역회전 방향으로 돌출한 측방면(134)은 노우즈부(131)에서 테일부(132)로 잇는 중심선(142)이 프로펠러의 회전축(111)에서 하향으로 7 내지 21°의 각도로 기울어져 형성되는 것이다.

벌브(130)의 중심선(141,142)과 프로펠러의 회전축(111)이 이루는 경사각도 7∼21°는 일반적인 형상의 벌브를 가지는 종래의 방향타에 대한 유동장 테스트로부터 실측된 데이터에 근거한 것이다. 경사각도가 7°미만이면 벌브(130)가 방향타 좌우측의 비대칭적인 유선방향에 대해 충분히 순응하지 못하여 벌브로 인한 저항 증가를 충분히 저감시키지 못하며, 21°를 초과하면 벌브 측방면(133,134)의 비대칭적인 경사가 오히려 더 큰 저항을 유발하게 된다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 방향타(120)가 적용되는 선박의 프로펠러(110)는, 허브 와류의 발산을 크게 하기 위하여 컷오프형 캡(112)을사용하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 방향타는, 프로펠러 후방의 유체흐름을 정류시켜 추진효율을 향상시키기 위해 부설된 유선형 벌브의 형상 및 배치 상태가 개선되어, 프로펠러의 회전방향에 따른 회전류의 편심 현상에 의한 에너지 손실이 최대한 회수되어 그 손실이 최소화되고, 유체흐름을 강력하게 정류시켜 프로펠러의 추진효율이 향상되는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 선체중심선 상에 배치되고, 프로펠러의 회전축과 대략 동일한 높이에 그 노우즈부가 전방으로 돌출하는 유선형의 벌브가 부설된 선박의 방향타에 있어서:

   상기 노우즈부는 그 선단이 상기 선체중심선에서 상기 프로펠러의 정회전 방향으로 편향하게 형성된 것을 특징으로 한 선박의 방향타.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 벌브의 두 측방면 중 상기 정회전 방향의 측방면은 그 노우즈부에서 테일부로 잇는 중심선이 상기 회전축에서 상향으로 기울어지게 형성되며;

   상기 벌브의 두 측방면 중 상기 프로펠러의 역회전 방향의 측방면은 그 노우즈부에서 테일부로 잇는 중심선이 상기 회전축에서 하향으로 기울어지게 형성된 것을 특징으로 한 선박의 방향타.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 노우즈부의 선단이 상기 선체중심선에서 편향된 거리는 상기 프로펠러 직경의 5 내지 10% 로 규정된 것을 특징으로 한 선박의 방향타.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 회전축과 상기 벌브의 노우즈부에서 테일부로 잇는 중심선이 이루는 각도는 7 내지 21°로 규정된 것을 특징으로 한 선박의 방향타.