KR100392745B1

KR100392745B1 - 플래핑 포일을 사용하는 추진기구

Info

Publication number: KR100392745B1
Application number: KR1019960702646A
Authority: KR
Inventors: 마이클 에스. 트리안타필로우; 데이비드 에스. 바레트
Original assignee: 매사츄세츠 인스티튜트 오브 테크놀러지
Priority date: 1993-11-18
Filing date: 1994-11-17
Publication date: 2004-03-22
Also published as: EP0728099B1; DE69413056T2; EP0728099A1; WO1995013959A1; DE69413056D1; US5401196A; ATE170477T1; KR960705716A

Abstract

본 발명은 유체에 사용하기 위한 추진 시스템, 즉 추진 방향을 가로 지르는 방향으로 진동수(f)와 진폭(a)으로써 진동할 뿐만 아니라 원만한 주기 운동으로써 소정의 운동 방향에 대한 포일의 피치각을 변경시키도록 회동 지점에 대해 플랩하거나 또는 피칭되는 적어도 하나의 포일을 이용하는 시스템에 관한 것이다. 스트로할 수, 입사각, 포일의 전방 엣지로부터의 회동 지점에 대한 거리와 익현 길이의 비, 진동 진폭과 익현 폭의 비, 및 기복과 피치 사이의 위상각을 포함하는 본 시스템의 인자들은 상기 포일 시스템의 구동 효율을 최적화하도록 선택된다.

Description

플래핑 포일을 사용하는 추진 기구

지금까지 가장 효율적인 선박 추진 기구의 형태는 프로펠러였다. 패들 휠 등의 다른 형태의 선박 추진 기구는 매우 낮은 효율로 작동한다. 그러나, 프로펠러는 장기간의 사용 기록을 갖고는 있으나 이상적인 선박 추진 기구는 아니다. 그 첫째 이유는 이상적인 조건하에서도 프로펠러의 효율은 80%를 좀처럼 넘지 못하며, 부하가 큰 경우, 특히 프로펠러 직경상에 제한이 가해진 경우에 효율은 40%를 거의 넘지 못한다. 둘째로는 이상적인 효율을 얻기 위해서 프로펠러가 매우 깊은 홀수(draft)를 필요로 한다는 것이다. 이는 수중 차량, 얕은 홀수의 선박, 선현 추진기를 갖춘 선박 및 초고속정 등에는 실제 적용이 어려울 수도 있다. 또한, 프로펠러는 잠수함 등의 몇몇 은밀한 용도, 개방형의 관광용 선박 또는 소음 공해를 최소화시킬 필요가 있는 상황에서는 바람직하지 않은 비교적 큰 소음을 일으킨다. 마지막으로, 프로펠러는 선박을 추진하는 데에만 사용할 수 있다. 선박을 조타하는데에는 별도의 조타 시스템을 필요로 한다. 구동 및 조타 기능 모두를 수행하는 단일 추진 기구를 사용한다면 바람직할 것이다.

개선된 추진 시스템, 특히 선박 추진용 시스템을 얻기 위하여 물고기가 사용하고 있는 추진 시스템과 유사한 포일 등의 플래핑 포일에 대한 연구가 이루어졌다. 그러나, 과거에 플래핑 포일을 사용함으로써 얻어졌던 효율(즉, 에너지 소모량으로 나눈 유효 추진 에너지)은 대부분의 조건하에서 프로펠러에 의해 얻어졌던 효율보다 상당히 작았으며, 이러한 포일 효율은 이상적인 조건하에서 대개 65% 정도이다. 1985면 8월 20차 국제 사회 에너지 변환 엔지니어링 회의 과정에서, 워렌 데일의 「소사이어터 오브 오토모티브 엔지니어즈」3.51 페이지 내지 3.58 페이지에 이런 종래 기술이 제시된 바 있다. 이런 최근의 종래 기술 시스템으로는 엠.에스. 트리안타 필로우 외 몇명이 1991년 12월에 아메리칸 인스티튜트 오브 피직스의 물리 유체 AD(12)에 발표한 『진동하는 포일 내에 추력을 발생하기 위한 항적 공항』이라는 논문(2885 내지 2837 페이지)과 지.에스.트리안타필로우 외 몇명이 1993년 저널 오브 플루드 앤드 스트럭쳐에 발표한 『어류 추진을 적용한 진동 포일의 적정 추력 개발』 이라는 논문 205내지 244페이지 등의 두 개의 논문이 있다.

기존 포일 시스템에서의 효율이 낮은 이유중 하나는 포일을 뒤따르는 포일의 항적 내에 큰 소용돌이가 형성된다는 사실을 고려하지 않았으며 포일 및 나머지 기구의 변수를 최적화하는 데 실패했기 때문이다. 따라서, 플래핑 포일을 사용하는 개선된 추진 기구를 마련할 필요가 있다.

발명의 요약

본 발명의 기술에 따르면, 선박을 전방 추진 속도(U)로 추진시키기 위하여 하나 이상의 포일을 사용하는 액중 추진 기구가 마련된다. 이 포일은 추진 방향에 대체로 교차하는 방향으로의 진폭(a)을 갖는 주파수(f)로 진동되며, 포일 피치각을 매끄러운 주기적 운동을 갖게 되는 소정의 운동 방향으로 변경시키도록 피봇 지점을 중심으로 플래핑한다. 이 플래핑은 양호하게는 진동과 거의 같은 주파수(f)이며, 포일의 피치 각과 이의 교차 진동 사이에 위상각(ψ)을 갖고 +θ° 내지 -θ°의 각으로 수행된다. 각 포일은 평균 익현(c), 평균 경간(S) 및 포일의 전연으로부터 거리(b) 만큼 이격된 피봇 지점을 갖는다. 포일의 미부 엣지의 총 익스커젼(excursion, A)은 대략 다음과 같다.

포일 효율에 대한 와동의 악영향을 최소화하기 위하여, 상기 기구는 스트로할 수 (Strouhal number) St = fA/U0.20 내지 0.45, 바람직하게는 0.35를 갖도록 설계되어야 한다. 포일 추진 기구의 효율 최적화와 관련한 다른 변수로는 다음 관계식으로 대략적으로 주어지는 공칭 입사각(α)을 포함한다.

(여기서, 양호한 값은 약 20°)

bc의 10% 내지 40% (양호한 값은 c의 약 33 1/3%),

a/c (포일 익현으로 나눈 진동의 진폭) > 1 (양호한 값은 약 1.5),

ψ전방 추진에 대하여 70°내지 110°, 후진에 대해서는 -70°내지 -110° (b/c의 함수로서 변화하며, b = 0.3c 에서의 양호한 값은 전방 추진에 대하여 약 75°, 후진에 대해서는 -75°).

소정 운동 방향에 교차하는 방향으로의 포일의 평균 추력이 영(zero)이 되도록 위상을 벗어나서 진동하는 복수개의 포일을 마련하는 것이 바람직하다. 포일의 수효가 짝수인 경우에 포일의 절반은 나머지 절반의 위상을 180°벗어나서 진동하는 것이 바람직하다. 복수개의 포일을 갖는 경우에, 인접 포일의 각 쌍은 약 3c의 최소 거리로 이격되는 것이 바람직하다. 추진되는 선박은 포일의 순간적인 피치각에 편향각을 더함으로써 조타되며, 여기서는 추진 방향으로의 추진시에 거의 0이고 선박을 회전시키도록 양호하게는 ± 10° 각도에서 가변적이다.

스프링 또는 다른 적절한 기구를 사용하여 포일의 진동 또는 기복 운동에 사용된 에너지를 저장하여 이 에너지를 기구의 효율을 증진시키도록 복귀 스트로크중에 복귀시킬 수 있다.

상기 기구의 설계시에 최소 홀수(H)는 예를 들어 0.8 H로서 H보다 약간 작은 포일 경간(S)을 마련할 수도 있다. N개의 포일의 결합 면적 NA_o은 C_rA_wNC_t와 동일하게 되어야 하며, 여기서 A_w는 선체의 수중 면적, C_r및 C_t는 각각 선체의 저항 계수 및 포일의 추력 계수이다. 따라서, 각 포일의 평균 익현은 c = A_o/S로 주어진다. 그러면, 상기에서 정해진 c는 a(진폭)를 얻도록 이미 마련된 방정식에 사용할 수 있다. b 및 c의 양호한 값과 관련한 상기 값은 A(미부 엣지의 총 익스커젼)를 정하는데 사용할 수 있으며, 이는 소정 속도 및 양호한 스트로할 수와 관련하여 진동 주파수를 정하는 데 사용할 수 있다.

상기에 설명한 본 발명의 목적 및 기타의 목적과 특징 및 장점에 대해서는 첨부 도면에 도시한 본 발명의 예시적인 실시예에 대한 이후의 설명으로부터 명확하게 이해할 수 있다.

본 발명은 추진 기구, 특히 플래핑 포일(flapping foils)을 사용하는 선박 추진 기구에 관한 것이다. 본 발명은 미합중국 상무성에 의해 사정된 계약 번호 NA-86AA-D-SG089 및 NA-90AA-D-SG424와 미합중국 해군에 의해 사정된 인정 번호 N00014-92-J-1726에 근거하여 미합중국 정부의 지원하에 이루어졌다. 따라서, 미합중국 정부는 본 발명에 관하여 일정 권리를 갖는다.

제1A도, 제1B도 및 제1C도는 여러 변수를 나타내는 데 사용된 본 발명의 기술을 실시하기에 적합한 3개의 대표적인 포일의 측면도이다.

제2도는 추가의 변수를 나타내는 본 발명의 기술에 따른 2개의 포일 작동을 도시한 평면도이다.

제3A도 내지 제3G도는 여러 위상각 차(ψ)에 대한 포일의 상대 기복 및 피치 위치를 도시한 개략도이고, 제3G도는 편향각이 +10°인 상태를 도시한다.

제4A도는 본 발명의 기술에 따른 선박 추진 시스템의 실시예를 도시한 개략 배면도이다.

제4B도는 제4A도의 선 B-B를 따라 통상 취해진 개략 측면도이다.

제5A도 내지 제5C도 각각은 제4A도 및 제4B도에 도시된 종류의 선박 구동 시스템을 구체적으로 도시한 배면도, 측면도, 평면도이다.

제6A도는 여러가지 작동 조건 하에서의 대표적인 포일에 대한 스트로할 수 St와 효율 간의 관계를 나타내는 챠트이다.

제6B도는 여러가지 작동 조건 하에서의 대표적인 포일에 대한 스트로할 수와추력 계수 간의 관계를 나타내는 챠트이다.

제1A도, 제1B도, 제1C도는 본 발명의 개시 내용을 실시하는 데 사용할 수 있는 여러가지 다른 형상을 갖는 예시적인 포일(10A, 10B, 10C) 각각을 도시하는 측면도이다. 제2도는 포일(10A, 10B, 10C) 중 적절한 어느 한 포일에 대한 평면도이다. 본 발명의 개시 내용을 실시하는 데 사용되는 포일의 정확한 형상은 중요하지 않으며 적용예에 따라 달라진다. 실용상 적절한 포일의 예로는 NACA형 포일인데, 본 발명은 이러한 포일의 사용에 제한되지 않는다. 포일이 포일(10A)에 대하여 도시한 바와 같이 실질적으로 직사각형인 형상을 갖는 경우, 경간(S)은 실질적으로 포일의 높이가 되며 익현(c)은 실질적으로 포일의 폭이 된다. 포일이 포일(10B, 10C)에 대하여 예시적으로 도시된 바와 같이 불규칙한 형상을 갖는 경우, 경간(S)과 익현(c)은 포일의 높이와 폭 각각의 평균이 된다. 어느 포일에 대해서나 포일의 면적(A_o)은 S_c(즉, 경간×익현)로 정의된다.

포일 각각은 포일의 선단 엣지(14)로부터 거리(b) 만큼 이격된 피봇 지점(12)을 중심으로 해서 고정 또는 피봇 연결된다. 선단 엣지(14)는 포일이 부착되는 선체가 정상적으로 움직이게 되는 방향으로 향한다. 선단 엣지(14)의 반대 방향으로 향해 있는 측면은 미부 엣지(16)가 된다.

제2도를 참고하면, 포일[10(1), 10(2)]은 이들 두 포일이 각각 그 중심 위치[18(1), 18(2)]에 있을 때에 피봇 지점(12)에서 거리(D) 만큼 이격된다. 각각의 포일은 진동[즉, 기복 운동(heave motion)]하여서 피봇 지점(12)을 (사인파 형태인 것이 바람직한) 주기적 패턴으로 대응하는 중심선(18) 둘레에서 1 사이클 이동시키고, 이 때 중심선(18)의 각 측면에서의 최대 익스커젼은 진폭(a)이 된다. 이하에서 설명하는 바와 같이, 진폭(a)은 익현의 길이(c)의 함수로서 결정되는 것이 바람직하다. 포일 각각의 피봇 지점(12)의 순간 위치[Y(t)]는 본 발명의 양호한 실시예에 있어서는 방정식, Y(t)= a.sin(2πft)로 결정된다. 그러나, 현재 사용 가능 구동 시스템에 대해서는 사인파 운동이 일반적으로 가장 좋기는 하지만, 이것은 진동이 원만하고 규칙적인 주기적 패턴을 유지하는 한은 본 발명에 제한되지 않는다. 2개의 포일[10(1), 10(2)]의 운동은 2개의 포일에 대한 Y(t)_avg가 항상 실질적으로 0이 되도록 서로 위상이 일치하지 않는 180° 인 것이 바람직하다. 이것은 선체 상의 측면 추력이 바람직하지 않게 구동되어서 피쉬테일링(fishtailing) 효과가 야기 되는 것을 방지하며 이러한 관계는 사용되는 포일의 수와 무관하다. 일례로, 3개의 포일이 사용되는 경우, 포일 각각은 위상이 다른 120° 로 되어서 소정의 평균 Y(t)는 0으로 유지된다.

각각의 포일은 또한 다음 관계식에 의해 결정된 운동(U) 방향에 대한 θ(t)를 갖는다.

여기서, ψ는 포일의 기복 운동(heave)과 피칭 운동 간의 위상각이고,는 편차각이다. 구동 효율과 운동 방향에 대한 ψ의 효과는 제3A도 내지 제3F와 연관하여 설명할 것이다.는 선체의 전방 운동에 대해서는 0이고 선체가 회전하기 위해서는 바람직하기로는 ±10° 범위의 각도로 변동될 수 있다. 제3G도는 단일 포일에 있어서의 포일 위치에 대한 +10° 편차 각의 효과를 나타내는 것이고 이러한 효과에 대해서는 제3G도와 관련하여 설명할 것이다.

제3A도를 참조하면, 기복 운동 위치와 피치각 사이의 관계를 ψ=90°에 대해서 도시되어 있다. 이러한 상황하에서, 최대 범위의 기복 운동 또는 진동 운동에서의 피치는 0이고, 진동의 중간 위치에서의 피치는 최대이다. 그러나, 포일 선도와 그리고 기복 운동 위치에 대한 상대적 피치각을 나타내는 사인 곡선을 모두 참조하면, 최대 피치각은 포일이 그 중간 위치로부터 양의 방향 또는 음의 방향으로 움직이는지 여부에 따라 반대 방향에 있게 된다는 것을 알 수 있다.

전방 추진할 때 위상각 ψ가 대략 +70°와 +120°사이에 있게 되면 양호한 결과가 얻어지는 반면, 최적의 결과는 b/c인 비의 값으로 변동하는 특정의 위상각에 대해서 얻어진다는 것이 밝혀졌다. b = 0.3c인 경우, 최적의 위상각은 약 +75° 이다. 제3B도는 +75°인 위상각에서의 상태를 나타내는 것이다. 이 위상각에 대해서 최대 피치는 각 방향의 진동에 대한 중앙 위치 또는 0인 위치 보다 약간 위에서 발생하고 피치각은 기복 운동의 극단에서 0에 정확하게 도달하지 않는데, 0인 피치 각은 포일이 그 중심 위치를 향하여서 되돌아 이동하기 시작할 때에 발생한다.

제3C도는 위상각 ψ가 +120°인 경우의 상태를 나타내고 있는 것이다. 이 상태에서, 최대 피치각은 각 방향에서의 각각의 기복 운동 또는 진동 사이클의 중심점 이전에서 발생하고 0인 피치각은 포일이 진동의 극단에 도달하기 전에 발생한다. 따라서, 최대 기복 운동 위치에서, 포일은 대응하는 기복 운동의 대부분의 과정에서 움직이는 방향과 반대되는 방향으로 이미 움직이기 시작한다.

제3A도 내지 제3C도에 도시된 위상각으로써 선체는 전반 방향으로 이동하는 포일에 의하여 구동된다. 제3D도 내지 제3F도에 도시된 음의 위상각으로써 선체는 후방으로 이동하게 된다. 이들 각각의 경우에 있어서, 음인 위상각이 존재하고 있으므로 기복 운동과 피칭 운동 간의 관계는 제3A도 내지 제3C도 각각에서 대응하는 위상각에 대하여 도시한 것과는 반대가 된다. 따라서, 제3D도를 참조하면, 포일에서의 기복 운동 또는 진동의 양 극단에서의 피치각은 제3A도와 같이, 즉 0° 이지만, 기복 익스커젼의 중간 지점에서 최대 피치각 위치는 반대라는 것을 알 수 있다. 이와 유사하게, 상기와 같은 진폭에서의 여러가지 위치에서 피치각이 상반되는 양태는 +75° 와 -75° 인 위상각을 나타내는 제3B도와 제3E도 그리고 +120°와 -120°인 위상각을 나타내는 제3C도와 제3F도 각각에 도시되었다.

제3G도는 +10°인 편차각이 ψ = 75° 인 형상에 중첩되는 경우를 나타내는 것으로, 이것이 이루어지면 선체는 양의 방향으로 회전(즉, 도면에 도시된 바와 같이 왼쪽으로 회전)하게 된다. 따라서, 기복 운동 사이클 중에 포일의 각 위치에서 피치 각은 비교 위상각 및 편차각이 없는 기복 운동 위치보다 10°크다. 이에 따르면 포일의 평균 위치가 양의 위치에서 10° 편차를 가지게 되는 결과가 되고 또한 선체의 운동 방향에 대해서는 +10° 의 각도로 위치된 선체의 후미에 방향타가 있는 것과 같은 효과가 생기게 된다. 음의 방향으로의 회전(즉, 우측으로 회전)은 포일에 일례로 -10° 까지의 편차각을 부과함으로써 발생하게 된다. 실제의 편차각은선체가 얼마나 급격하게 회전해야 하는지에 따라서 달라지는데, 편차각이 보다 커지면 회전도 급격해진다. 따라서, 포일 추진 시스템이 설치되면 선체는 이러한 시스템에 의하여 추진되어서 전방이나 후방으로 움직일 수 있게 되고 어느 방향으로 이동하고 있든지 간에 원하는 방향으로 회전할 수 있게 된다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 포일 구동 추진 시스템의 작동을 향상시키기 위해서는 많은 상관 관계가 중요하다는 것을 발견해 냈다. 이러한 상관 관계들 중 어느 하나를 이용하여도 성능의 향상을 꾀할 수 있지만, 시스템의 최적 성능을 상관 관계 모두가 동시에 이용되는 경우에 달성된다.

특히, 포일 효율에 대한 소용돌이(vortex)의 악영향을 최소화하기 위해, 그러한 기구는 스트로할 수 St = fA/U = 0.20 내지 0.40이고, 양호하게는 약 0.35이도록 설계되어야 한다. 제6A도는 제1A도에 도시된 것과 같은 일반적인 형태를 갖는 포일의 스트로할 수와 효율 사이의 관계를 도시한다. 곡선들은 마지막 두개가 90°의 위상각인 경우를 제외하고는 모두 다양한 공칭 입사각 α 인 경우이다. 마지막 두 곡선들은 20°의 공칭 입사각으로 표시되는 위상각들이다. a/c = 1.5에 대해 데이타를 수집하였다.

포일 추진 시스템의 효율을 최적화하는 데 있어서의 다른 관련 변수들은 대략 하기 식으로 주어지는 공칭 입사각 α이다:

대략 양호한 값은 20° 이고;

bc의 10% 내지 40%이고, 양호한 값은 c의 약 33 1/3%이고;

a/c (포일 익현으로 나눈 진동의 진폭) > 1이고, 양호한 값은 대략 1.5이고(a 와 c의 성질이 이 값을 대략 3보다 작도록 제한함을 주목해야 함);

ψ70° 내지 110° (전방 추진시) 및 -70° 내지 -110° (역 추진시)이고, 양호한 값은 이미 기술된 바와 같음.

제4A도 및 제4B도 및 제5A도 내지 제5C도는 본 발명의 개시 내용에 따른 포일 추진 시스템에 가능한 실시 양태를 도시한 것이다. 이 실시예는 선체(30), 꼬리 단부가 도면에 개략도 식으로 도시된 부분들이 한 쌍의 포일[10(1), 10(2)]에 의해 구동되는 선박 추진용에 관해 도시되어 있다. 각각의 포일은 대응 축[34(1), 34(2)]들에 의해 선체(32)로부터 현수된다. 각각의 축(34)은 선체(32)내의 대응 슬릿[(36(1), 36(2)]을 관통하고, 제4A도에서 볼 수 있고 화살표 38로 표시된 슬롯(36)들의 크기는 포일들의 총 최대 기복 진폭보다 크다. 각각의 축(34)은 대응 테이블[40(1), 40(2)]에 고정된다. 제4B도에 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 각각의 테이블(40)은 전방 하부측 및 후방 하부측에 장착된 두개 이상의 휠 또는 롤러(42)들을 갖고 있고, 휠 또는 롤러들은 선체(32)에 장착된 대응 트랙(44)들에 걸쳐져 있다. 따라서, 테이블(40) 및 그에 부착된 포일(10)들은 화살표(38) 방향으로는 자유롭게 이동하지만 다른 어떤 방향으로도 자유롭게 이동하지 못한다.

제5A도 내지 제5C도는 제4A도 및 제4B도에 도시된 포일들 중의 하나를 구동하기 위한 기구를 도시하고 있고, 제5A도 내지 제5C도의 기구는 각각의 포일들에 반복되게 됨을 이해해야 한다. 제5A도 내지 제5C도로부터, 테이블(40)에 부착되는외에, 축(34)은 아암(46)의 일단부에도 강성 부착되고, 아암(46)의 타단부는 아암(50)의 일단부에 핀(48)에 의해 부착되어 있음을 알 수 있다. 아암(50)의 타단부는 아암(54)의 일단부에 핀(52)에 의해 부착되고, 아암(54)의 타단부는 축(56)에 강성 부착된다. 또한, 축(56)에는 휠 또는 디스크(58) 및 휠(60)이 부착된다. 휠(58)은 모터 축에 장착된 휠(64)을 경유하여 모터(65)에 의해 회전되는 벨트(62)에 의해 부착된다. 휠(60)은 그 위의 소정 지점으로부터 연장하는 핀(66)을 갖고 있고, 이 핀은 테이블(40)에 형성된 슬롯(68)들 내에 걸쳐 있고, 슬롯(68)은 화살표(38) 방향에 대체로 수직인 방향으로 연장한다.

작동시에, 모터(65)가 휠(58) 및 축(56)을 추진 방향으로(시계방향 또는 반시계방향이나 같은 효과임) 회전시킴에 따라, 축(56)에 부착된 휠(60) 역시 360° 회전으로 회전한다. 휠(60)이 회전함에 따라, 핀(66) 역시 회전한다. 슬롯(68) 내에서의 핀(66)의 이동은 테이블(40)이 화살표(38) 방향으로 통상 사인 곡선 이동을 하게 한다. 포일(10)이 장착된 축(34)이 테이블(40)과 함께 이동하도록 부착되기 때문에, 포일(10) 역시 포일에 바람직한 기복 운동을 전달하는 대체로 사인 곡선 이동으로 화살표(38) 방향으로 이동한다.

또한, 축(56)의 회전은 그 곳에 고정된 아암(54)이 360°경로에 걸쳐 회전하게 한다. 이러한 운동은 아암(50)을 통해 아암(46)에 전달되어, 아암(46) 방향으로의 각 변화들을 야기시켜, 축(34)의 각 회전을 야기시킨다. 축(34)의 회전은 그 곳에 부착된 포일(10)에 전달되어, 그 기복 운동 중에 포일의 바람직한 피치 변화를 야기시킨다. 그 결과, 모터(65)의 회전은 제5A도 내지 제5C도에 도시된 기구에 의해 포일의 바람직한 기복 및 피치 운동으로 전환된다.

포일[(10(1), 10(2)]들의 각각이 별도의 모터(65)에 의해 구동되기 때문에, 이들 모터들은 최적 추진을 달성하고 측면 추력들을 피하도록 동시에 유지되는 것이 바람직하다. 모터들은 예컨대, 모터들 중의 하나인 주 모터로부터의 피드백 출력을 이용하여 다른 모터인 종속 모터를 동시에 유지하는 등의 표준 모터 동시화 기술을 이용하여 동시에 유지될 수 있다. 다른 형태의 구동 장치들에 의해, 또는 적절한 방위설정 부품들에 의해, 구동 시스템은 양 포일들이 단일 모터로부터 구동되게 하여 동시화 요구를 제거하도록 설계될 수 있다. 단일 모터로부터 두개 이상의 포일들을 작동시키는 데 필요한 구동 결합시의 부가적인 복잡성이, 각각의 포일에 별도의 모터를 제공하고 그러한 모터들에 적절한 동시화 회로를 제공하는 것에 비해 유리한지의 여부를 결정하기 위해 다양한 고려를 해야 한다.

또한, 제5A도는 일단부가 테이블(40)에 부착되고, 타단부가 선체(32) 또는 선체에 고정된 어떤 부재에 부착된 스프링(71)을 도시한다. 스프링(71)은, 테이블(40)이 제5A도에 도시된 것처럼 그 중심점의 우측에 있을 때는 신장되고 테이블이 중심점의 좌측에 있을 때는 압축되도록, 테이블(40)이 그 이동 경로의 중간에 있을 때 그 중간 위치에 있게 설치되는 것이 바람직하다. 그 결과, 스프링은 테이블이 그 중심 위치로부터 멀리 이동 중일 때는 에너지를 저장하고, 테이블이 다시 그 중심 위치를 향해 이동 중일 때는 에너지를 반환한다. 이러한 에너지의 저장 및 반환은 시스템의 전체 효율을 증진시킨다.

스프링, 및 테이블의 질량(및 모든 다른 이동 장비)이 시스템의 작동주파수(f)에 가까운 자연 주파수를 가질 때, 스프링의 최적 사용이 달성된다. 주파수(f)가 선체가 이동하는 속도에 따라 변하기 때문에, 통상 스프링은 시스템이 가장 자주 작동되는 주파수인 선체의 정상 순항 속도에서의 주파수에서 최적 작동을 달성하도록 설계된다. 제5A도에는 단지 하나의 스프링만이 도시되어 있지만, 보다 균형잡인 힘을 제공하기 위해 스프링(71)으로부터 테이블(40)의 대향측 상에 부가적인 스프링이 제공될 수 있고, 부가적인 스프링(71)들 역시 제공될 수 있음을 이해해야 한다. 본 기술분야에 공지된 에너지를 저장하거나 반환할 수 있는 다른 기구가 이러한 기능을 달성하도록 스프링(71)의 위치에 또한 사용될 수 있다. 그러한 기구의 사용이 비공명 주파수에서 이롭지 않을 가능성이 있는 경우, 그러한 기구의 사용이 가장 효율적으로 이용되도록 선체가 정상 순항 속도에 도달할 때까지 에너지 저장 기구를 무력화시키는 적절한 기구가 제공될 수 있다.

기복 운동의 진폭(a)은 축(56)과 핀(66) 사이의 거리와 대략 동일하므로, 그 거리를 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 이는 간격이 바람직한 기복 진폭을 제공하기에 적절할 때까지, 수동 제어 또는 컴퓨터 제어 하에서, 축(56)을 향해 또는 그로부터 멀리 휠(60)의 반경 라인을 따라 핀(66)을 이동시킴으로써 달성할 수 있다. 예컨대, 핀(66)은 폭 기복 운동 조정을 허용하도록 제5C도에 도시된 바와 같이 휠(60)의 반경방향 슬롯(69)에 위치될 수 있다.

최대 피치각(θ_o)은 아암(46)의 길이에 대한 아암(54)의 길이의 비에 의해 결정된다. 따라서, 상기 비는 아암의 길이를 변경하기 위해 수동 또는 컴퓨터 제어하에 이용될 수 있는 아암(54) 내의 공압식 또는 유압식 조인트(70)에 의해 제5C도에 도시된 바와 같이 아암(46) 또는 아암(54)의 길이를 변경함으로써 제어될 수도 있다. 선택적으로, 유사한 조인트가 아암(46) 내에 위치될 수도 있다.

위상각은 아암(54)의 각위치에 대해 핀(66)의 휠(60) 상의 각위치를 변경시킴으로써 변화될 수 있다. 다른 방법으로 언급된 바와 같이, 이는 축(56) 상의 아암(54)의 각위치를 변경시킴으로써 달성될 수 있다. 이러한 조절은 예컨대 아암(54)이 핀 결합되거나 아니면 휠(60)이 연결되는 상기 축의 하부에 연결되는 축 상부의 상대 각위치를 허용하도록 제5A도에 도시된 바와 같이 축(56) 내에 작은 스테핑 모터(72)를 제공함으로써 달성될 수도 있다. 스테핑 모터(72)는 수동으로 또는 컴퓨터에 의해 제어될 수도 있다. 다른 적절한 수단은 축(56) 상의 아암(54)의 제어된 회전을 허용하도록 제공될 수도 있다. 전술한 바와 같이, 선체(30)는 양의 위상각의 경우 전방으로 이동하고, 음의 위상각의 경우에 후방으로 이동한다.

최종적으로, 아암(46)의 방향에 대해 포일(10)의 축을 회전시킴으로써 편향각이 본 시스템에 가해지게 한다. 다시 제5A도를 참조하면, 이러한 목적은 포일(10)이 회동 지점(12)에서 연결되는 축의 하부로부터 아암(46)이 연결되는 축 상부의 제어된 회전을 발생시키도록 축(34) 내에 작은 스테핑 모터(74)를 제공함으로써 달성된다. 이러한 변화량과 변화 방향은 소정의 편향각에 대응된다. 이러한 변화는 본 시스템 내로 입력되는 소정의 회전량에 따른 컴퓨터 제어 하에 통상 수행되나, 수동 입력에 따라 달성될 수 있다. 축(34) 및/또는 다른 요소에 대한 아암(46) 또는 포일(10)의 제어된 회전을 허용하기 위한 다른 기술은 상기 편향 제어를 수행하기 위해 사용될 수 있다.

선체(30)의 선미에 장착된 2개의 포일이 도면들에 도시되어 있으나, 이는 본 발명에 대한 제한 사항이 아니며 포일의 개수 및 위치는 크기, 중량 및 소정의 속도를 포함한 선체의 형태와, 가용 홀수, 침수 면적 및 속도 요구 조건 등을 포함하는 선체의 사용 조건과, 그리고 상기 포일의 가용 위치에 달려 있다. 따라서, 절반의 포일에 대한 기복이 나머지 포일의 기복과 180° 위상 변화가 되게 함으로써 측면 추력의 평형이 가능하게 된다는 점에서 짝수 개의 포일이 바람직하지만, 이러한 목적은 다른 방법으로도 달성될 수 있다. 예컨대, 3개의 포일인 경우, 각 포일은 각각의 포일이 소정의 평형 작용력을 제공하도록 120° 의 위상각 차이가 있게 된다. 하나의 포일이 선체에 작용되는 횡방향 작용력을 초래하지만, 선체의 중량이 충분하고 상기 포일의 진동 주파수가 충분히 크다면 선체의 관성은 상기 측면 추력을 감쇠하여 상기 힘들이 상기 선체 상의 "테일-왜깅(tail-wagging)" 효과를 발생시키는 것을 방지하기에 충분하게 된다. 더욱이, 상기 포일들이 이제까지의 설명과 동일한 것으로 가정되고 상기 포일들이 대부분의 적용예의 경우 통상 동일하지만, 동일하지 않은 포일의 사용이 바람직하게 되는 특정 상황이 있을 수도 있다. 예컨대, 이러한 상황은 홀수 개의 포일을 갖는 선체의 경우, 또는 포일 크기 및 형태의 차이에 의해 가장 효과적으로 보상될 수 있는 포일의 배치 또는 선체의 비대칭성이 있는 경우에 발생할 수도 있다.

본 발명의 개시 내용을 실시하기 위해 사용되는 포일(10)을 설계함에 있어서, 선박의 속도(U)에 대한 저항값(R)의 곡선은 다음의 관계식으로 결정된다.

여기서, p는 물의 밀도이고, C_r은 그 크기 및 형태에 따라 특정 선체의 경우 평가되거나 실험적으로 결정될 수 있는 선체의 저항 계수이고, A_w는 부하에 따라 변할 수 있는 상기 선체의 침수 면적이다.

저항력(R)은 상기 포일의 추력에 의해 계수된다. 각 포일의 추력이 T인 2개의 포일이 있다고 가정하면, T = ½(pC_tA_oU²)인 경우 R = 2T이다.

전술한 방정식에 있어서, C_t는 단일 포일의 추력 계수이고, 그 계수는 포일의 형태 및 다른 인자의 함수이고 상기 포일에 대한 시험으로부터 얻거나 유사한 종래 기술에 사용된 포일로부터 평가될 수 있다. 공통의 포일 형태에 대한 C_t를 제공하기 위해 표가 개발되었다. 제6B도는 제1C도에 도시된 형태의 한 포일에 대한 입사각(α)의 공칭 각도에 대한 스트로할 수의 함수로서 추력 계수를 도시하고 있다. 제6B도의 데이타는 a/c = 1.5로써 취해졌다. 유사한 도표는 다른 포일 형태에 대한 추력 계수를 결정하기 위해 개발되었다.

A_o는 단일 포일의 면적이다. 따라서, A_o는 Ao = Sc로써 정의된다. 그러므로, 2개의 포일인 경우, C_rA_w= C_t2A_o이다. C_r및 A_w가 선체의 설계치로부터 주어지고 C_t가 포일에 대해 개발된 도표로부터 선택 또는 평가되므로, A_o는 전술한 방정식으로부터 소정의 선체 및 포일 형태에 대해 알 수 있게 된다. 통상 최소의 홀수(H)는 선체에 특정되고, 경간(S)은 상기 홀수보다 다소 작게(예컨대, S0.8H) 설정될 수도 있다. 다른 기준은 H가 상대적으로 큰 경우 S를 선택하도록 사용될 수도 있다. 상기 경간이 한 포일에 대해 결정되면, 익현 또는 평균 익현은 관계식, c = A_o/S로부터 용이하게 결정될 수도 있다.

일단 상기 포일에 대한 익현(c)이 상기와 같이 결정되면, (제1A도, 제1B도 및 제1C도의) 회동 지점에 대한 옵셋 거리(b)는 상기의 특정 범위(통상 b/c0.3) 내에 있도록 결정될 수도 있다.

다음으로, 진동의 진폭(a)은 2a=3c의 관계식에 의해 익현(c)으로부터 결정된다. 이 방정식은 진폭의 최대값을 제공하는데, 이는 포일과 진폭 사이의 상호 작용이 전술한 값보다 작을 수 있는 진폭을 벗어나서도 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다.

위상각(ψ)은 소정의 범위, 즉 b/c0.3인 경우 소정의 값으로 +75°가 되는 범위 내에 있도록 선택될 수 있다. 유사하게는, 입사각(α)은 양호하게는 대략 20° 의 소정의 범위 내에 있도록 선택된다. 위에서 결정된 다른 값과 함께 상기 값은 다음의 관계식으로부터 상기 포일에 대한 최대 피치각(θ_o)을 결정하도록 사용될 수도 있다.

마지막으로, 주파수(f)는 관계

로부터 권장 범위 내의, 양호하게는 약 0.35의 스트로할 수를 선택함으로써 찾아낸다.

상기 설명 중, 포일은 선박 추진 시스템의 일부로서 사용되는 것으로 가정되었으며, 이는 본 발명의 양호한 예에서 명백하지만, 물이 아닌 유체(즉, 액체 또는 가스)에서 수송 수단을 추진하는데 있어서 프로펠러 대신에 본 발명을 사용하는 것이 가능하다. 또한, 양호한 실시예에서는 모터 또는 엔진 구동 수송 수단으로 가정되었지만, 본 발명은 본 발명에 따른 하나 이상의 포일에 대해 수영하는 사람의 다리의 운동이 적절한 기계적인 기구에 의해 기복 및 피치 운동으로 전환되는 인력 시스템에서 사용되는 것도 유리하다. 이러한 장치는 구동 모터 없이 스위머 또는 드라이버를 추진하기 위해 현재 가능한 것 보다 적은 노력으로 보다 빠른 운동을 제공할 수 있다.

따라서, 선박 추진에서의 예를 포함한 다양한 예에 대해 사용될 수 있는 상대적으로 단순하며, 높은 효율성을 갖고, 융통성이 있으며, 상대적으로 정숙한 추진 시스템이 제공된다. 본 발명을 수행하기 위한 특정 기구가 도시되었지만, 이는 예시적인 것이며 본 발명에 따른 다른 수행 기구가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 기복 및 피치 운동을 위해 별도의 구동부가 제공될 수도 있으며, 사용된 모터 또는 엔진에 따라, 포일을 위한 기복 및 피치로 모터의 운동을 전환하기 위해서 다른 기계적인 기구가 양호할 수도 있다. 따라서, 양호한 실시예를 참조하여 본 발명이 특히 도시되고 상술되었지만, 본 기술 분야에서 숙련된 자들은 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 형태 및 상세부를 상술된 바와 같이 또는 달리 변경 시킬 수도 있다.

Claims

속도(U)로 추진 방향으로 유체속에서 추진시키기 위한 장치에 있어서,

평균 익현(c)과, 평균 경간(S)과, 평균적으로 볼 때 추진 방향으로 향해 있는 선단 엣지와, 상기 선단 엣지의 반대 방향으로 향해 있는 미부 엣지와, 상기 선단 엣지로부터 거리(b)만큼 이격된 피봇점을 갖는 적어도 하나의 포일과,

상기 추진 방향에 대체로 횡방향으로 진폭(a)으로 그리고 주파수(f)에서 적어도 하나의 상기 포일을 진동시키기 위한 기복 기구와,

각도 +θ。에서 -θ。까지 대체로 상기 주파수(f)에서 매끄러운 주기 운동으로 상기 추진 방향으로 피치각을 변경시키도록 피봇점에 대해 상기 적어도 하나의 포일을 플래핑하기 위한 피치 기구를 포함하며,

포일의 피치각과 횡방향 진동 사이에는 위상각(ψ)이 있으며,

포일의 미부 엣지의 전체 익스커젼(A)은

상기 장치는,

여기서, α 는 공칭 입사각이며,

의 관계 중 적어도 하나를 충족시키는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,

St = fA/U0.20 내지 0.45

여기서, St는 스트로할 수

ψ70° 내지 110° (전방 추진) 및 -70° 내지 -110° (역 추진) 의 관계식 중 적어도 하나를 만족시키는 것을 특징으로 하는 장치.
제2항에 있어서, 상기 (1) 내지 (3)의 관계식 중 적어도 두 개를 충족시키는 것을 특징으로 하는 장치.
제2항에 있어서, 제1항의 상기 (1) 내지 (3)의 관계식 및 제2항의 모든 관계식을 충족시키는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 (1) 내지 (3)의 관계식 중 적어도 두 개를 충족시키는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 (1) 내지 (3)의 모든 관계식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 포일이 다수개 있고, 상기 진동 수단은 상기 추진 방향에 횡방향으로 상기 포일의 평균 추력이 0이 되도록 위상을 벗어나서 상기 포일을 진동시키는 것을 특징으로 하는 장치.
제7항에 있어서, 짝수의 상기 포일을 포함하며, 상기 진동 수단은 상기 포일 중 다른 절반의 포일로부터 180° 벗어난 위상으로 상기 포일 중 절반의 포일을 진동시키는 것을 특징으로 하는 장치.
제7항에 있어서, 각 쌍의 인접 포일은 약 3c의 최소 거리 만큼 이격되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 시간 t에서의 포일의 직선 위치 Y(t) 및 시간 t에서의 포일의 피치각θ (t)은

이고, 여기서는 선택 방향으로의 추진력이 0인 편향각인 것을 특징으로 하는 장치.
제10항에 있어서, 편향각는 ±10°의 각도 사이에서 가변하는 것을 특징으로 하는 장치.
제2항에 있어서, (추진 방향으로의 전방 이동에 대하여) St0.35, α22°, bc의 33⅓%, a/c1.5 및 ψ75° 인 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 장치는 수중에서 선박을 추진하는 데 이용되며, 선박은 최소 홀수(H)를 가지며, 포일 경간(S)은 H 미만인 것을 특징으로 하는 장치.
제13항에 있어서, S0.8H인 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 포일의 각각의 진동 사이클의 일부분 동안 에너지를 저장하고 사이클의 다른 부분 동안 저장된 에너지를 이용하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 구동 요소와, 상기 구동 요소로부터 기복 기구 및 피치 기구를 작동시키는 기계식 링크 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제16항에 있어서, 상기 피치 기구는 추진 방향을 변경하기 위하여 적어도 하나의 포일에 편향각을 선택적으로 부과하는 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제16항에 있어서, 상기 기계식 링크 기구는 추진 방향을 제어하기 위하여 위상각(ψ)의 부호를 변경시키는 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제16항에 있어서, 기복 기구는 기복 진폭(a)을 선택적으로 제어하는 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제16항에 있어서, 피치 기구는 최대 피치 각도(θ。)를 선택적으로 제어하는 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
평균 익현(c)과, 평균 경간(S)과, 추진 방향으로 향해 있는 선단 엣지와, 상기 선단 엣지의 반대 방향으로 향해 있는 미부 엣지와, 상기 선단 엣지로부터 거리(b)만큼 이격된 피봇점을 갖는 적어도 하나의 포일을 이용하여, 추진 방향으로 속도(U)로 유체 내에서 추진력을 제공하는 방법이며,

상기 추진 방향에 대해 횡방향으로 진동수(f) 및 진폭(a)으로 적어도 하나의 상기 포일을 진동시키는 단계와,

+θ。내지 -θ。의 각도에 걸친 상기 진동수(f)에서의 원활한 주기 운동에 의해 상기 추진 방향에 대한 피치각을 변경하도록 적어도 하나의 포일을 피봇점을중심으로 플래핑하는 단계를 포함하며,

포일의 피치각과 횡방향 진동 사이에 위상각(ψ)이 있고,

포일의 미부 엣지의 전체 익스커젼(A)은

이 되도록 되어 있으며,

상기 방법은 다음 관계식들,

여기서, α는 공칭 입사각,

중 적어도 하나에 따르는 것을 특징으로 하는 방법.
제21항에 있어서, 다음 관계식들,

St = fA/U0.20 내지 0.45, 여기서 St는 스트로할 수,

ψ70° 내지 110° (전방 추진) 및 -70° 내지 -110° (역 추진) 중 적어도 하나에 따르는 것을 특징으로 하는 방법.
제22항에 있어서, 제21항의 (1) 내지 (3)의 모든 관계식과, 제22항의 2개의관계식에 따르는 것을 특징으로 하는 방법.
제23항에 있어서, 포일에 의해 추진되는 선박의 최소 홀수 미만인 소정의 경간 S를 갖는 소정의 하나 이상의 포일에 대하여, 상기 방법은,

적어도 하나의 포일의 각각의 면적(A_o)을 관계식 A_o= C_rA_w/NC_t(여기서 A_w는 선박의 물에 닿는 면적이고, C_r및 C_t는 선박의 저항 계수 및 적어도 하나의 포일의 추력 계수이며, N은 포일의 개수)로부터 결정하는 단계와,

각각의 포일의 평균 익현(c)을 관계식 c = A_o/S 로부터 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.