KR100439003B1 - 마찰저항 감소방법 및 마찰저항 감소선 - Google Patents

마찰저항 감소방법 및 마찰저항 감소선 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선체의 마찰저항 감소방법 및 마찰저항 감소선에 관한 것으로서, 수중으로의 기체의 송출에 요하는 동력을 적게 하여 선박의 항해시에 있어서의 동력을 효과적으로 절감하고, 선체의 제조비용을 감소하는 것을 목적으로 한다. 선체의 항해에 따라 기체공간에 대하여 저압인 부압개소(21)를 수중에 형성하고, 기체공간으로부터 수중의 부압개소(21)에 기체를 이끌어내어 수중으로 기포(22)를 방출한다.

Description

마찰저항 감소방법 및 마찰저항 감소선{Frictional resistance reducing method, and ship with reduced frictional resistance}
일본특허공개 소50- 83992호 공보, 일본특허공개 소53- 136289호 공보, 일본특허공개 소60- l39586호 공보, 일본특허공개 소61- 71290호 공보, 일본실용신안공개 소61- 39691호 공보, 및 일본실용신안공개 소6l- 128185호 공보 등에 마찰저항 감소선에 관한 기술이 개시되어 있다. 이러한 마찰저항 감소선은, 항해상태에 있어서 선체 표면(선체 외판)으로부터 공기 등의 기체를 수중으로 송출하여 선체 외판상에 다수의 미소기포(마이크로 버블)를 개재시키고, 이러한 마이크로 버블의 개재에 의해 물과 선체와의 사이에 작용하는 마찰저항을 감소시키는 것이다.
본 출원인은, 이와 같은 마찰저항 감소선에 관한 기술로서, 선수(船首) 근방으로부터 수중으로 기체(예컨대, 공기)를 송출하여 선체 외판상에 마이크로 버블을 개재시키는 기술을 제안한 바 있다. 이러한 기술은, 선수 근방으로부터 기체를 송출함으로써 발생한 마이크로 버블을 선체 외판상의 물의 흐름선을 따라 확산시키고, 선체 외판을 마이크로 버블로 덮는 것을 의도한 것이다. 종래, 수중으로 기체를 송출함에 있어서는, 송출을 위한 동력원으로서 블로어 등의 기체공급장치가 이용되어 왔다.
그러나, 블로어 등의 기체공급장치를 이용하여 기체의 송출을 행하면, 기체공급장치를 가동시키기 위하여 새로이 동력을 요하기 때문에, 마이크로 버블에 의해 감소된 항해동력의 절약분을 줄이게 된다. 특히, 배바닥 부근으로부터 마이크로 버블을 송출하는 경우에는, 배바닥 부근의 정압을 이겨내어 기체를 송출할 필요가 있어, 기체의 송출에 큰 동력을 요하는 경우가 많다. 또한, 기체공급장치를 설치함에 있어서는, 장치비용이나 시공비용 등 과대한 비용이 발생하게 된다.
본 발명은 선체의 마찰을 감소하는 방법 및 마찰저항 감소선에 관한 것으로서, 특히, 수중으로의 기체의 송출에 요하는 동력을 적게 하고, 선박의 항해시에 있어서의 동력을 효과적으로 절감하는 것이다.
또한, 본 출원은 일본국으로의 특허출원(특허출원 2000-067649호 공보)에 기초한 것으로서, 상기 일본출원의 기재내용은 본 명세서의 일부로서 반영되는 것으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 선체의 마찰 감소방법 및 마찰저항 감소선의 개요를 설명하기 위한 모식도이고,
도 2는 도 1의 마찰저항 감소선에 있어서의 기체를 송출하는 부분의 일례를 확대하여 나타낸 모식도이고,
도 3은 기체통로내에 물 또는 기체가 채워진 상태를 모식적으로 나타낸 도면으로서, 도 3a는 기체통로내에 물이 들어 있는 상태, 도 3b는 본 발명에 따른 부압방식에 의해 기체가 채워진 상태, 도 3c는 종래의 가압방식에 의해 기체가 채워진 상태를 나타낸 것이고,
도 4는 본 발명에 따른 마찰저항 감소선의 제1 실시형태를 나타낸 주요부분 측면도 및 확대단면도이고,
도 5는 도 4에 나타낸 화살표 A에 따른 단면도이고,
도 6은 도 4에 나타낸 화살표 B에 따른 도면이고,
도 7은 도 4에 나타낸 화살표 C에 따른 도면이고,
도 8은 기체 통로가 복수개 나란히 마련된 모양을 나타낸 주요부분 단면도이고,
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 제3 실시형태를 나타낸 주요부분 측면도 및 정면도이고,
도 10은 본 발명의 제4 실시형태에 따른 마찰저항 감소선의 주요부분 측면도 및 확대단면도이고,
도 l1은 도 10에 나타낸 화살표 A에 따른 도면이고,
도 12는 도 10에 나타낸 화살표 B에 따른 단면도이고,
도 l3은 기체통로용 파이프의 다른 실시형태를 나타낸 단면도이고,
도 14는 선체측에 분사외판을 설치한 모양을 나타낸 주요부분 측면도이고,
도 15는 본 발명의 제5 실시형태를 나타낸 주요부분 저면도이고,
도 16은 도 l5에 나타낸 화살표 C에 따른 단면도이고,
도 17은 본 발명의 제6 실시형태를 나타낸 주요부분 측면도이고,
도 18은 도 l7에 나타낸 화살표 D에 따른 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10…마찰저항 감소선
11…선체 외판
12…부압형성부
13…기체통로
14…수면(흘수선)
21…부압개소
22…기포
본 발명은 상술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 이하의 점을 목적으로 하는 것이다.
(1) 수중으로의 기체의 송출에 요하는 동력을 적게 하여, 선박의 항해시에 있어서의 동력을 효과적으로 절감하는 것.
(2) 선체의 제조비용를 감소하는 것.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 선체 외판의 표면 근방에 기포를 개재시켜 선체와 물과의 마찰저항을 감소시키는 방법에 있어서, 선체의 항해에 따라 기체공간에 대하여 저압인 부압개소를 수중에 형성하고, 기체공간으로부터 수중의 부압개소로 기체를 이끌어내어 수중으로 기포를 방출하는 기술이 채용된다.
또한, 본 발명은, 선체 외판의 표면 근방에 기포를 개재시켜 선체와 물과의 마찰저항을 감소시키는 마찰저항 감소선으로서, 기체공간에 대하여 저압인 부압개소를 수중에 형성하기 위하여 선체 외판에 마련되는 부압형성부와, 기체공간으로부터 수중의 부압개소로 기체를 이끌어내기 위한 기체통로를 구비하는 기술이 채용된다.
여기서, 상술한 기술에 의해 선체의 마찰저항을 감소하는 작용에 대하여 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명에 따른 마찰저항 감소선(10)을 모식적으로 나타낸 도면이다. 상기 도 1에 있어서, 부호 1l은 선체 외판, 12는 부압형성부, 13은 기체 통로, 14는 수면(흘수선)을 나타내고 있다. 또한, 선체가 도면에 있어서 화살표 Xa의 방향으로 소정의 선속(Vh)으로 항해함에 따라, 선체에 대하여 상대적인 물의 흐름(20)이 형성된다.
이러한 마찰저항 감소선(10)은, 항해시에 있어서, 기체공간(대기)에 대하여 저압(부압, 진공압)인 부압개소(21)를 수중에 형성한다. 즉, 선체 외판(1l)에 마련된 부압형성부(12)에 의해 물의 유동상태를 원하는 상태로 변화시키고, 이에 따라 수중에 부압개소(21)을 형성한다(부압방식).
수중에 부압개소(21)를 형성하는 수단으로서, 예컨대, 도 2에 나타낸 바와 같이, 부압형성부(12)에 의해 선체 외판(11)을 따라 흐르는 물의 유로를 좁힘으로써 그 개소에 있어서의 물의 유속을 크게 할 수 있다(베르누이의 정리). 이 때, 물의 유속을 V1, 기체공간의 압력(대기압)을 P0, 물의 밀도를 ρ, 중력가속도를 g, 수심을 h라 하면, 그 개소에 있어서의 압력(P)은,
P= Po+ ρ·g·h- ρ·(V1 2- Vh2)/2 …(1)
로 나타내어진다. 상기 식(1)로부터 알 수 있는 바와 같이, 선속(Vh)에 비하여 특정개소에서의 물의 유속(V1)을 충분히 크게 함으로써, 수중에 부압개소(2l)을 형성하는 것이 가능하다.
또한, 유체중에 놓여진 물체의 후방에서는, 물체에 의한 유동상태의 변화에 의해 유체의 경계층의 박리가 일어나 저압개소(박리역)가 생기기 쉽다는 것이 알려져 있다. 즉, 상술한 부압형성부(12)에 의해 수중에 박리역을 발생시킴으로써도 수중에 부압개소(21)을 형성하는 것이 가능하다.
여기서, 균일한 흐름속에 흐름의 저항을 증가시키는 둔한 물체가 놓이면, 일반적으로, 그 물체 직후의 하류역에 불규칙적인 와류를 동반하는 박리역이 생긴다. 예컨대, 어느 균일한 흐름속에 원기둥이 놓인 경우, 유체는 압력 최저점에 도달할 때까지 압력이 강하하면서 원기둥을 따라 흐르고, 그런 다음 바로 원기둥 표면으로부터 박리되어 박리역을 형성한다. 이러한 예의 경우, 압력최저점에 있어서의 압력은 예컨대,
(P- Po)/(ρV2/2)≒―2.2 …(2)
로 나타내어지는 것이 실험에 의해 확인되었다(P:정압, PO:기준압력, ρ: 유체밀도, V:유속). 이 때, 유속 V= 7m/s(약 14노트), 기준압력 PO= lkgf/cm2(대기압)이라 한 경우, 정압(P)(절대압)은 약 0.45kgf/cm2가 되고, 대기압에 대하여 부압인 것을 알 수 있다. 이는, 수심 약 5.5m까지의 깊이라면, 원기둥을 속도 V= 7m/s로 수중으로 흘림으로써 원기둥 표면상에 부압인 박리역을 발생시키는 것이 가능하다는 것을 나타내고 있다.
본 발명에 따른 마찰저항 감소선(10)에서는, 예컨대, 상술한 바와 같이 하여 수중에 부압개소(21)을 형성하고, 고압측의 기체공간으로부터 저압측인 수중의 부압개소(21)로, 기체통로(13)를 통해 수중으로 기체를 이끌어내고, 수중으로 기포(22)를 방출한다. 이에 따라, 선체 외판(11)이 기포(22)로 덮혀 선체와 물과의 마찰저항이 감소된다.
그런데, 도 3a에 나타낸 바와 같은 밀도(ρ)의 정지액체중에 있어서는, 일반적으로, 그 액면으로부터 깊이(h)의 위치에 체적(Av)의 기포(기포의 밀도는 0으로 한다)을 송출할 때, 그 송출에 요하는 에너지(E)는,
E=(P- Po)·Av …(3)
로 나타내어진다. 여기서, P는 기체의 송출위치에 있어서의 압력(= ρ·g·h)이다. 상기식(3)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 기체의 송출 위치에 있어서의 압력(P)이 대기압(P0)에 비하여 낮은 압력이 되는(P<P0) 경우, 에너지는 마이너스(E<0)가 되고, 기체의 송출 그 자체에 요하는 에너지가 이론상 불필요하게 된다.
즉, 도 3b에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 기술에 의해, 수중에 부압개소(21)을 형성하여 수중으로 기체를 송출하는 경우, 기체 송출에 요하는 동력으로서 주로 필요한 것은, 기체의 송출위치(수심h)까지 기체를 운반하는 에너지뿐이다. 이러한 에너지는, 부압형성부에 의해 물의 유동상태를 변화시킴으로써 얻어지는 것으로서, 선체의 추진동력(항해동력)에 포함되는 것이다.
이에 대하여, 종래의 마찰저항 감소방법에서는, 수중으로 기체를 송출할 때, 도 3c에 나타낸 바와 같이, 블로어나 펌프 등의 가압수단으로서의 기체공급장치(30)를 이용하여 기체를 가압하였다(가압방식). 이러한 경우, 기체 송출에 요하는 동력으로서, 기체의 송출위치(수심h)로 기체를 운반하는 에너지에 더하여, 수압(Pl)을 초과하여 기체를 가압하는 에너지(즉, 식(3)에서 나타내어지는 에너지= 기체의 내부 에너지를 증대시키는 에너지)가 필요하게 된다.
즉, 선체의 마찰저항을 감소함에 있어서, 본 발명에 따른 기술을 채용함으로써 수중으로의 기체의 송출에 요하는 동력을 적게 할 수 있다. 특히, 대형선의 배 바닥 등 수심이 깊은 개소로 기체를 송출하는 경우, 종래의 방법에서는 큰 정압(수압)을 이겨 내도록 기체를 가압할 필요가 있기 때문에 많은 에너지를 소비하는데, 본 발명에서는 수중으로 부압개소를 형성하는 것만으로 용이하게 기체를 수중으로 송출하는 것이 가능하다. 부압개소의 형성에는, 부압형성부의 형상이나 레이놀즈수가 주요한 지배인자가 되고, 수심에 의한 불리가 발생하기 어렵다고 생각되기 때문에, 본 발명에 따른 기술은 대형선에의 적용도 유리하다.
또한, 상술한 본 발명에 따른 부압방식과 종래의 가압방식에서는, 수중에 발생하는 기포의 움직임에 차이가 있다. 이는, 수중에 발생한 직후의 기포의 내압이양자에서 다른 것을 주요한 요인으로 하고 있다.
즉, 종래의 가압방식에 있어서는, 수심에 따른 정압과는 거의 동일한 내압으로 기포가 형성되기 때문에, 일정한 수심에서 기포가 이동할 때에는 기포의 크기는 거의 변화하지 않는다.
이에 대하여, 본 발명의 부압방식에 있어서는, 수심에 따른 정압보다 낮은 내압으로 기포가 형성되기 때문에, 일정한 수심에서 기포가 이동할 때(예컨대, 배 바닥을 따라 기포가 이동할 때), 부압개소로부터 이격됨에 따라 기포에 큰 수압이 작용하여 기포의 크기가 점점 작아진다.
본 출원인들의 지금까지의 연구에 의하면, 비교적 작은 기포가 선체의 마찰 저항을 감소하는 데 유리하다고 되어 있다. 즉, 부압방식에 의해 기체를 송출함으로써, 마찰저항의 감소에 유리한 작은 기포를 용이하게 발생시킬 수 있다는 이점이 있다. 또한, 기포는 압력이 높은 곳으로부터 낮은 곳으로 흐르려고 하기 때문에, 기포에 대하여 부압개소의 방향으로 힘이 작용하여 기포가 선체 외판으로부터 비교적 이격되기 어렵고, 기포를 효과적으로 마찰저항의 감소에 이용하는 것이 가능하게 된다. 또한, 부압개소(21)에 있어서 발생하는 기포의 양은, 그 부근의 환경조건으로부터 정해지는 포화증기압에 영향을 받는다. 즉, 유수에 용해하는 양보다 많은 것이 기포로서 수중에 존재하게 된다.
이하, 본 발명의 제1 실시형태에 대하여 도4 ∼ 도7을 참조하여 설명하기로 한다.
본 실시형태에 따른 마찰저항 감소선(X)은, 본 발명을 탱커 등과 같이 바닥이 평평한 배에 적용한 것이다. 도 4는, 이러한 마찰저항 감소선(X)에 있어서의 선수 근방의 주요부분 구성을 나타낸 개략단면도로서, 부호 10l은 선체 외판, L은 흘수선을 나타내고 있다.
선체 외판(1Ol)에는, 선수(1Ola) 근방의 배바닥(1Olb)에 있어서, 선폭방향으로 긴 장공(BH1)이 마련되어 있다. 이러한 장공(BH1)은 배바닥(10lb)측이 하방으로부터 유수안내부(l02)로 둘러싸여지고, 선체 내부측이 챔버격리벽(103)에 의해 덮혀져 있다.
유수안내부(l02)는 배바닥(10lb)에 대하여 소정의 간격으로 대략 평행하게 배치되는 안내핀(120)과, 안내핀(120)을 지지하기 위하여 안내핀(120)과 배바닥 (101b)과의 사이에 배치되는 측벽(121)으로 구성되어 있다.
안내핀(120)은, 충분한 강성을 갖도록 소정의 두께(Z1)로 형성되며, 또한, 선수(101a)측의 끝가장자리(120a) 부근 및 선미측의 끝가장자리(120b)부근에 있어서 차차 그 두께가 작아지도록 형성되어 있다. 또한, 안내핀(120)은, 상면(120c)과 선체 외판(101)과의 간격(높이 T)이 끝가장자리(120a, 120b)에 있어서 가장 넓고(=높이 T1), 중앙부근에서 가장 좁아(=높이 T2)지도록, 선수(101a)측 및 선미측이 하방으로 기울어진 상태로 형성되어 있다. 또한, 안내핀(120)은, 선체 외판(101)과의 간격이 가장 좁아지는 중앙부근에서의 배길이방향의 길이(L1)가 장공(BH1)의 배길이방향 길이(L2)에 비하여 거의 동일하거나 또는 약간 길어지도록 형성되어 있다. 또한, 안내핀(120)은, 도 5에 나타낸 바와 같이, 선폭방향으로 폭 H1으로 형성되어 있어, 그 양 가장자리부가 측벽(121)에 각각 지지되어 있다.
측벽(l21)은, 도 6에 나타낸 바와 같이, 안내핀(120)을 지지한 상태가 충분히 강도를 가지도록 소정의 두께(Z2)로 형성되고, 또한 안내핀(120)과 마찬가지로, 선수(l0la)의 끝가장자리(121a) 부근 및 선미측의 끝가장자리(12lb) 부근에 있어서 두께가 차차 작아지도록 형성되어 있다.
유수안내부(102)에 의해 선체 외판(101)상에는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 선수(10la)방향 및 선미방향으로 개구를 갖는 유로(WR)가 형성되어 있다. 유로(WR)의 유로단면적(S)은 유로높이(T)와 유로폭(H)과의 곱으로부터 구해지므로, 유로높이(T)의 변화에 따라 그 크기가 변화한다. 따라서 유로(WR)는, 유로단면적(S)이 선미를 향해 점점 좁아지는 영역(도입부(WRl))과, 가장 좁은 유로단면적(S)을 가지는 중앙부근의 영역(슬릿부(WR2))과, 유로단면적(S)이 선미를 향해 점점 넓어지는 영역(배출부(WR3))으로 나눌 수 있다. 또한 유로(WR)는, 도입부(WR1)에서의 입구의 유로단면적(개구면적(S1))과 슬릿부(WR2)의 유로단면적(슬릿면적(S2))이 수심이나 표준항해속도 등으로부터 소정의 비율이 되도록 미리 정해져 있다. 또한, 이러한 비율에 대하여는 후술하기로 한다.
챔버격리벽(103)은, 예컨대, 일면이 개방된 상자형으로 형성되어 있고, 개방단을 선체 외판(101)에 용접함으로써 내부에 직사각형의 챔버공간(AR1)이 형성되도록 되어 있다. 챔버격리벽(103)의 소정부분에는 관형상 부재로 이루어지는 기체통로용 파이프(130)가 용접되고, 이에 따라, 기체통로용 파이프(l30)내의 파이프공간 (AR2)과 챔버공간(AR1)이 연통하도록 되어 있다.
또한, 기체통로용 파이프(130)는, 챔버격리벽(103)으로부터 상방을 향해 선체 내부를 관통하여 설치되어 있다. 또한, 갑판상에 있어서 공기도입구(BH2)가 마련되고, 파이프공간(AR2)이 대기중에 개방되도록 되어 있다.
챔버공간(AR1) 및 파이프공간(AR2)은 연통되어 마련되어 있고, 선체에는 일단이 갑판상의 공기도입구(BH2)에 있어서 대기중에 개방되고 또한 타단이 장공(BH1)에서 유로(WR)에 개방되는 기체통로(l3l)가 형성되어 있다. 또한, 장공(BH1)은 슬릿부(WR2)에 면하여 형성되어 있으며, 이에 따라, 기체통로(l31)는 유로단면적의 가장 좁은 영역에서 일단이 수중에 개방되어 있게 된다.
기체통로(l3l)를 형성하고 있는 챔버격리벽(103) 및 기체통로용 파이프(130)는 적어도 기체통로(131)측의 벽면이 해수로 부식되지 않도록 내식처리가 각각 실시되며, 또한, 통로내를 흐르는 공기에 가능한 한 필요이상의 압력손실을 주지 않도록 각 단면적 및 형상이 설계되어 있다.
상기 구성의 마찰저항 감소선(X)은, 정선(停船)상태에 있어서는, 기체통로 (13l)내에 선체주위의 수면높이와 같은 높이까지 해수가 들어가 있다. 그리고 항해상태가 되면, 선체 외판(l01)상을 따라 흐르는 해수가 유로(WR)내에 흘러 들어가게 된다.
도입부(WR1)를 흐르는 해수는, 유로 단면적(S)이 좁아짐에 따라 그 유속(Vs)이 차차 커진다. 그리고 슬릿부(WR2)에 있어서, 유속(Vs)이 가장 커지며, 이에 따라 슬릿부(WR2)에 있어서의 정압이 낮아진다.
본 실시형태에 있어서는, 표준항해속도(Vh)에서의 선체의 항해시에 슬릿부(WR2)가 진공압(대기압에 비해 낮은 압력치)이 되도록 개구면적(S1)과 슬릿면적(S2)과의 비율이 정해지고, 그 비율에 따라 유로(WR)가 형성되어 있다. 즉,유로(WR)의 수심을 h라 하면, 그곳에서의 정압(P)은 베르누이의 정리로부터, P= ρgh+Vs2/2로 나타내어지고(ρ:유체밀도, g:중력가속도), 또한 슬릿부(WR2)에 있어서의 유속(Vs)은 Vs= Vh·(S1/ S2)로 구해지므로, 상기식2에 의해, 정압(P)이 대기압에 비해 낮아지도록 면적비율(S1/ S2)이 정해져 있다. 이에 따라, 선체가 표준항해속도(Vh)에 도달하면, 슬릿부(WR2)의 정압이 진공압이 된다.
슬릿부(WR2)가 진공압이 되면, 일단(공기도입구(BH2))이 대기중에 개방되어 있는 기체통로(131)내의 해수가 장공(BH1)으로부터 유로(WR)내로 배출된다. 그리고 공기도입구(BH2)로부터 기체통로(131)내로 공기가 더 유입되어 장공(BH1)으로부터 이 공기가 유로(WR)내(수중)로 송출된다.
이와 같은 유로(WR)내로 송출된 공기에 의해 배출부(WR3) 부근에서 마이크로 버블(미소기포)이 발생하고, 이러한 마이크로 버블이 선미방향으로 흘러 배바닥 (10lb)상을 덮게 되어 선체와 물과의 마찰저항이 감소된다.
이 때, 유로(WR)내로 송출되는 단위시간당 공기의 양은, 기체통로용 파이프 (130)의 유로단면적이 넓을수록 많아진다. 또한, 본 출원인들의 지금까지의 연구에 의해, 단위시간당 공기의 송출량을 알면, 마이크로 버블에 의한 마찰저항 감소능력을 도출하는 것이 가능하다. 따라서, 본 실시형태에서는, 마이크로 버블에 의한 마찰저항의 감소능력이, 유수안내부(102)에 의한 저항의 증가분을 보충하여 항해동력을 더 절약할 수 있도록, 기체통로용 파이프(130)의 유로단면적 및 유수안내부(102)의 크기나 형상이 해석에 의해 정해져 있다.
즉, 본 실시형태의 마찰저항 감소선(X)에 의하면, 유수안내부(102)에 의해 선미를 향해 유로단면적(S)이 차차 좁아지는 유로(WR)가 형성되어 있으므로, 항해시에 이 유로(WR)내로 해수가 흐름으로써 유로단면적(S)의 좁은 슬릿부(WR2)를 진공압으로 할 수 있다. 따라서, 대기중으로부터 기체통로(l31)를 통해 슬릿부(WR2)로 기체가 송출되게 되어, 항해동력 이외의 새로운 동력을 요하지 않고 수중으로 기체를 송출할 수 있다. 또한, 유수안내부(102)가 배바닥(10lb)에 선폭방향으로 연장된 상태로 마련되어 있으므로, 공기가 배바닥(10lb)의 선폭방향에 걸쳐 송출되고, 배바닥을 미소기포가 넓게 덮게 된다. 따라서, 마이크로 버블에 의한 마찰저항 감소에 의해 효과적으로 선박의 항해동력을 절감할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제2 실시형태를 나타내고 있다.
본 실시형태의 마찰저항 감소선(Y)에서는, 상술한 제l 실시형태와 달리, 기체통로(150)가 선폭방향으로 3개소 나란히 마련되어 있다. 또한, 각 기체통로(150)에 유수안내부(151)가 하나씩 마련되어 있다. 본 실시형태에서는, 복수의 유수안내부((151)가 마련되어 있으므로 1개소당 기체통로(150)의 소요공간이 작아지고, 선체내에서 기체통로(l50)를 효율적으로 배치하기 쉬워진다. 또한, 공기의 송출장소가 복수개소로 분산되므로, 1개소당 필요한 공기의 송출량을 작게 하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 각 송출장소로부터 필요량의 공기를 확실히 송출할 수 있게 되어, 배바닥에 개재하는 선폭방향에서의 미소기포의 양을 보다 균일하게 할 수 있다.
또한, 도 9a 및 도 9b는 본 발명의 제3 실시형태를 나타내고 있으며, 본 실시형태는 본 발명을 고속선에 적용한 것이다. 즉, 본 실시형태의 마찰저항 감소선(Z)은 배바닥 (135b)이 선측(135c)에 비하여 비교적 작으므로, 유수안내부(160)를 배 바닥(l35b)이 아니라 선수(135a) 근방의 선측(135c)(우현 및 좌현)에 배치하여 기체통로(161)를 통해 공기를 송출하도록 구성되어 있다. 고속선(Z)에서는, 도 9a에 나타낸 바와 같이, 선수(135a)로부터 배바닥(135b)을 향해 해수가 흐르기 쉽다. 즉, 선측(135b)에 유수안내부(160)을 배치함으로써, 고속선(Z)에 있어서도 제1 실시형태에서 나타낸 바닥이 평평한 배와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이와 같이, 본 발명은, 유수안내부의 배치위치나 수량 등을 적절하게 정함으로써 다양한 선체의 형상이나 표준항해속도에 유연하게 대응할 수 있다.
계속하여, 본 발명의 제4 실시형태에 대하여 도 10 ∼도 12를 참조하여 설명하기로 한다.
본 실시형태에 따른 마찰저항 감소선(X2)은, 본 발명을 탱커 등과 같이 바닥이 평평한 배에 적용한 것이다. 도 10은, 이러한 마찰저항 감소선(X2)의 선수근방의 주요부분구성을 나타낸 개략 단면도로서, 상기 도면에 있어서, 부호 201은 선체외판, L은 흘수선을 나타내고 있다.
선체 외판(201)에는, 선수(20la) 근방의 배바닥(20lb)에 있어서, 도 11에 나타낸 바와 같이 선폭방향으로 긴 장공(BHl1)이 형성되어 있다. 또한, 도 10에 나타낸 바와 같이, 상기 장공(BH11)을 배바닥(20lb)의 하방으로부터 덮도록 분사외판 (202)이 마련되고, 또한, 선체 내측으로부터 장공(BHl1)을 덮도록 챔버격리벽(203)이 마련되어 있다.
분사외판(202)은, 도 10 및 도 12에 나타낸 바와 같이, 선수(20la)측의 가장자리부(202a) 및 선폭방향 양 가장자리부(202b)가 선체외판(201)에 용접되고, 선체외판(201)과의 간격이 선미를 향해 차차 커지도록 형성되어 있다. 이에 따라, 분사외판(202)의 내측에는 분사공간(ARl1)이 형성되고, 이 분사공간(ARl1)은 선미방향으로 개방되고 선폭방향으로 긴 슬릿형상의 분사구(BH12)를 가지고 있다. 또한, 도 10에 나타낸 바와 같이, 분사외판(202)은 선미측의 가장자리부(202c)가 대략 직각의 모서리를 가지는 급격하게 닫힌 형상으로 되어 있으며, 가장자리부(202c) 부근의 공간에 대하여 뾰족한 모서리를 형성하도록 되어 있다.
챔버격리벽(203)은, 예컨대, 일면이 개방된 상자형으로 형성되어 있고, 개방단이 선체외판(201)에 용접됨으로써 내부에 직사각형의 챔버공간(AR12)이 형성되도록 되어 있다. 챔버격리벽(203)의 소정부분에는, 관형상 부재로 이루어지는 기체통로용 파이프(204)가 용접되며, 이에 따라, 기체통로용 파이프(204)내의 파이프공간 (ARl3)과 챔버공간(ARl2)이 연통하도록 되어 있다.
기체통로용 파이프(204)는, 챔버격리벽(203)으로부터 상방을 향해 선체 내부를 관통하여 설치되어 있다. 또한, 갑판상으로 돌출된 상단부를 대략 U자형상으로 만곡하여 형성되며, 하방을 향해 마련된 공기도입구(BHl3)에 있어서 파이프공간 (AR13)이 대기중에 개방되어 있다.
상술한 분사공간(ARl1), 챔버공간(AR12) 및 파이프공간(AR13)은 연통되어 마련되어 있으며, 이들 공간에 의해 선체에 일단이 갑판상의 공기도입구(BH13)에 있어서 대기중에 개방되고 타단이 배바닥(20lb)의 분사구(BHl2)에 있어서 수중에 개방되는 기체통로(205)가 형성되어 있다. 또한, 기체통로(205)를 형성하고 있는 분사외판(202), 챔버격리벽(203) 및 기체통로용 파이프(204)는 적어도 기체통로(205)측의 벽면이 해수로 부식되지 않도록 내식처리가 각각 실시되며, 또한, 통로내를 흐르는 유체에 가능한 한 필요이상의 압력손실을 주지 않도록 각 단면적 및 형상이 정해져 있다.
상기 구성의 마찰저항 감소선(X2)은, 정선상태에 있어서는, 기체통로(205)내에 선체주위의 수면높이와 같은 높이까지 해수가 들어가 있다. 항해상태가 되면, 선체 외판(201)상을 따라 해수가 흐르고, 배바닥(201b)의 선수(201a) 근방에 있어서, 분사외판(202)의 외표면상을 따라 해수가 흐르게 된다. 선체외판(201)과의 간격이 선미를 향해 차차 커지도록 분사외판(202)이 형성되어 있으므로, 분사외판 (202)의 외표면상을 흐르는 해수는 차차 유속이 커지고 그 정압이 낮아진다. 그리고, 분사외판(202)의 선미측 가장자리부(202c)의 모서리부근에 있어서, 해수가 모서리로 돌아서 들어가거나 하여 해수의 속도가 최대로 되고, 이 부근에 깊은 저압부가 생기게 된다. 유체가 뾰족한 모서리를 돌므로서 발생하는 압력의 골이 매우 깊으므로, 단부직후의 하류역에 강한 불규칙적인 와류를 동반하는 박리역(Wa)이 생기게 된다.
박리역(Wa)에서의 압력은 수심이나 항해속도, 혹은 분사외판(202)의 형상 등에 의해 크게 변화한다. 본 실시형태에 있어서는, 분사외판(202)은, 박리역(Wa)에 개방되어 있는 분사구(BHl2) 부근이 표준항해속도시에 있어서 부압이 되도록 실험이나 해석 등에 의해 그 형상이 설계되어 있다.
따라서, 표준항해속도에서의 항해중에는 박리역(Wa)의 압력이 저하되어 분사구(BH12) 부근이 부압이 되고, 일단이 대기중에 개방되어 있는 기체통로(205)내의 해수가 분사구(BH12)로부터 배출된다. 그런 다음, 연속적으로 공기도입구(BH13)로부터 기체통로(205)내에 공기가 유입하게 되고, 이 공기가 기체통로(205)내를 통과하여 분사구(BH12)로부터 수중으로 송출된다.
그리고, 분사구(BHl2)로부터 송출된 공기에 의해 박리역(Wa) 부근에서 마이크로 버블(미소기포)이 발생하고, 이 마이크로 버블이 선미방향으로 흘러 배바닥 (20lb)상을 덮음으로써 선체 외판(201)과 물과의 마찰저항이 감소되게 된다.
즉, 본 실시형태의 마찰저항 감소선(X2)에 의하면, 분사외판(202)의 선미측의 가장자리부(202c)의 모서리부근에 있어서, 부압인 박리역(Wa)이 생기므로 대기중으로부터 기체통로(205)를 통과하여 수중으로 기체가 송출되게 되고, 항해동력 이외에 새로운 동력을 요하지 않고 수중으로 기체를 송출할 수 있다. 따라서, 마이크로 버블에 의한 마찰저항의 감소에 의해 효과적으로 선박의 항해동력을 절감할 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 분사외판(202)의 선미측 가장자리부(202c)의 모서리를 유체가 돌므로서 박리역(Wa)이 형성되어 있으므로, 박리역(Wa)에 있어서의 압력의 골이 매우 좁아, 분사구(BH12)의 정압을 용이하게 부압으로 할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서는, 분사외판(202) 및 기체통로(205)는 본 실시형태에서 나타낸 것에 한정되지 않으며, 각종 형상의 것이 적용가능하다. 예컨대, 도 13에 나타낸 바와 같이, 분사공간(ARl1)내에서 기체통로용 파이프(250)를 대략 직각으로 구부려 개방단부를 분사구(BHl2)의 근방에 배치하고, 기체통로용 파이프 (250)내의 파이프공간(ARl3)으로부터 하류(선미쪽)를 향해 직접 기체를 송출하는 구성으로 하여도 좋다. 이러한 구성으로 함으로써, 기체통로(205)내에서의 압력손실을 경감하여 효율적으로 기체를 수중으로 송출하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 실시형태에서는 선체를 바닥이 평평한 배로 하였으나, 선체가 예컨대 고속선 등과 같이 배바닥(20lb)이 비교적 좁은 경우에는, 도 14에 나타낸 바와 같이, 선수(20la) 근방의 선체측(20lc)에 장공(BHl1) 및 분사외판(25l)을 마련하고, 이로부터 기체를 송출하도록 구성함으로써 상술한 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이와 같이 본 발명은, 분사구의 배치위치나 분사외판의 형상 등을 적절히 정함으로써, 각종 선체의 형상이나 표준항해속도에 유연하게 대응할 수 있다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 제5 실시형태를 나타내고 있다.
본 실시형태의 마찰저항 감소선(Y2)에서는, 배바닥(20lb)에 둥근구멍형상의 분사구(260)가 다수 마련되어 있고, 곡면을 가지는 분사외판(261)이 각 분사구 (260)의 선수(20la)측을 둘러싸도록 각각 배치되어 있다. 본 실시형태에서는, 각 분사외판(261)은 배바닥에 마련된 복수의 분사구(260) 각각의 크기에 대응하는 크기로 설치되어 있으므로, 저항을 크게 증가시키지 않고 배바닥(201b)의 넓은 영역으로부터 기체를 송출하는 것이 가능하게 된다.
또한, 도 17 및 도 l8은, 본 발명의 제6 실시형태를 나타내고 있다.
본 실시형태의 마찰저항 감소선(Z2)에서는, 선수(20la) 근방의 선체측(20lc)에 기체분사부(262)가 마련되어 있다. 기체분사부(262)는, 액적형상의 윤곽을 가지며 선체외판(201)으로부터 돌출된 곡면(262a)를 가지는 형상으로 형성되고, 꼭대기부근에는 오목한 형상의 기체배출구(263)를 덮도록 분사외판(264)이 마련되어 있다. 이에 따라, 선체외판(201)을 흐르는 해수는 기체분사부(262)의 돌출된 곡면(262a)을 따라 흐름으로써 그 유속이 커지고, 유속이 큰 흐름에 의해 분사구 (BH13)에 박리역(Wa)이 생기도록 되어 있다. 즉, 본 실시형태에서는, 항해속도가 작은 경우라도 분사외판(264)을 흐르는 해수의 유속이 커지므로, 부압인 박리역 (Wa)을 용이하게 발생시키는 것이 가능하게 된다.
〔마찰감소효과의 검증〕
상술한 제 4 실시형태(도 1O 참조)에 나타낸 바와 같은 부압형성부로서의 분사외판(202) 및 기체통로용 파이프(204)를 하기 치수의 어선에 마련하고, 항해시에 있어서의 선체의 마찰저항 감소효과의 검증을 행하였다.
Lpp:11.2m
Bmld:2.94m
Dmld:0.74m
여기서는, 기체통로용 파이프(AIP:Air Induction Pipe)를 선체의 5개소에 관통하여 마련하고, 그 중 3개는 선폭방향 중앙부근의 배바닥에, 다른 2개는 중앙부근을 사이에 두고 선폭방향 외측의 배바닥에 있어서 내부공간이 개방되도록 배치하였다. 그리고, (A) 기체통로용 파이프의 내부 공간을 개방하여 수중으로 기체를 송출하는 경우(opened AIP)와, (B) 기체통로용 파이프의 일단을 막아 수중으로 기체를 공급하지 않는 경우(closed AIP)의 2가지의 경우에 대하여, 소정의 기관회전수 로 항해하였을 때의 선속(Vh)을 측정하였다. 그 측정결과는 다음과 같다.회전수가 1800rpm일 때에는, (A)경우의 선속은 15.1노트이고 (B)경우의 선속은 14.8노트로서, 그 (A)경우와 (B)경우의 선속차는 0.3노트이었다. 그리고, 회전수가 2000rpm일 때에는, (A)경우의 선속은 18.0노트이고 (B)경우의 선속은 17.3노트로서, 그 (A)경우와 (B)경우의 선속차는 0.7노트이었다. 그리고, 회전수가 2300rpm일 때에는, (A)경우의 선속은 20.7노트이고 (B)경우의 선속은 20.4노트로서, 그 (A)경우와 (B)경우의 선속차는 0.3노트이었다.
상기 측정결과를 보면, 회전수가 200Orpm일 때, 선속차가 가장 커지므로, 부압방식에 의해 기체통로용 파이프를 통하여 충분한 양의 기체가 수중으로 공급되어, 선체의 마찰저항이 효과적으로 감소되었다고 생각된다. 이에 대하여, 회전수가 1800rpm일 때에는, 선체의 마찰저항은 감소되지만, 수중으로 도출되는 기체의 양이 충분하지 않았다고 추정된다. 또한, 회전수가 2300rpm일 때에는 배바닥에 마련한 분사외판에 의한 항력이 커져 마찰저항 감소에 의한 효과가 줄어들었다고 추정된다. 또한, 회전수가 2000rpm일 때에는 모든 기체통로용 파이프내를 기체가 흐른 것에 대하여, 회전수가 2000rpm을 초과하였을 때에는 외측의 2개의 기체통로용 파이프내에 있어서 기체가 흐르기 어려워졌다는 것이 확인되었다.
상술한 결과는, 소정의 선속(Vh)에 대하여 분사외판 등의 부압형성부에 의한 항력증가를 작게 억제하면서 기체가 충분히 공급되도록 수중에 부압개소를 형성함으로써, 기포를 사용하여 효과적으로 선체의 마찰저항을 감소하는 것이 가능하다는것을 나타내고 있다. 즉, 기체공급장치 등의 가압장치를 이용하지 않고도, 수중에 부압개소를 형성하는 것만으로 수중으로 기체를 송출하고, 선박의 항해시에 있어서의 동력을 효과적으로 절감하는 것이 가능하다는 것을 나타내고 있다.
본 발명에 따른 선체의 마찰저항 감소방법 및 마찰저항 감소선에 있어서는,부압개소를 수중에 형성하고, 기체공간으로부터 수중의 부압개소로 기체를 이끌어내어 수중으로 기포를 방출함으로써 기포를 이용하여 선체의 마찰저항을 효과적으로 감소할 수 있다. 또한, 수중으로 기체를 송출함에 있어, 기체를 가압할 필요가 없기 때문에, 기체의 송출에 요하는 동력을 적게 하여 선박의 항해시에 있어서의 동력을 효과적으로 절감할 수 있다. 또한, 수중으로 기체를 송출하기 위한 기체공급장치가 불필요하게 되어 장치비용이나 시공비용을 경감하며, 선체의 제조비용을 용이하게 감소하는 것이 가능하다.

Claims (14)

  1. 선체 외판의 표면 근방에 기포를 개재시켜 선체와 물과의 마찰저항을 감소시키는 방법에 있어서,
    선체 외판에 대하여 이격되게 배치되는 핀과 선체 외판과의 사이에 물의 유로를 형성하고, 선체의 항해에 따라 기체공간에 대하여 저압이 되는 부압개소를 상기 유로에 형성하며, 기체공간으로부터 상기 부압개소로 기체를 이끌어내어 수중으로 기포를 방출하는 것을 특징으로 하는 선체의 마찰저항 감소방법.
  2. 선체 외판의 표면 근방에 기포를 개재시켜 선체와 물과의 마찰저항을 감소시키는 방법에 있어서,
    선체 외판에는, 상기 선체 외판으로부터 돌출되는 곡면이 형성되어 있고,
    선체의 항해에 따라 기체공간에 대하여 저압이 되는 부압개소를 상기 곡면의 꼭대기부근에 형성하고, 기체공간으로부터 상기 부압개소로 기체를 이끌어내어 수중으로 기포를 방출하는 것을 특징으로 하는 선체의 마찰저항 감소방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    선체에 대한 물의 상대속도를 특정 개소에서 크게 함으로써 수중에 부압개소를 형성하는 것을 특징으로 하는 선체의 마찰저항 감소방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    수중에 박리역을 발생시킴으로써 부압개소를 형성하는 것을 특징으로 하는 선체의 마찰저항 감소방법.
  5. 선체 외판의 표면 근방에 기포를 개재시켜 선체와 물과의 마찰저항을 감소시키는 마찰저항 감소선에 있어서, 기체공간에 대하여 저압인 부압개소를 수중에 형성하기 위하여 선체 외판에 마련되는 부압형성부와, 기체공간으로부터 수중의 부압개소로 기체를 이끌어내기 위한 기체통로를 구비하며,
    상기 부압형성부는, 상기 선체 외판에 대하여 이격되게 배치되는 핀을 포함하고,
    상기 핀과 상기 선체 외판과의 사이에는 상기 부압개소가 형성되는 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰저항 감소선.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 유로는, 선미를 향해 단면적이 차차 좁아지도록 형성되고, 상기 기체통로는, 일단이 대기중에 개방되고 타단이 상기 유로에서의 단면적의 좁은 영역에 개방되는 것을 특징으로 하는 마찰저항 감소선.
  7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 유로는, 선수근방의 배바닥에서 선폭방향으로 연장된 상태로 마련되어있는 것을 특징으로 하는 마찰저항 감소선.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 유로는, 선수 근방의 배바닥에서 선폭방향으로 나란히 복수로 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰저항 감소선.
  9. 선체 외판의 표면 근방에 기포를 개재시켜 선체와 물과의 마찰저항을 감소시키는 마찰저항 감소선에 있어서, 기체공간에 대하여 저압인 부압개소를 수중에 형성하기 위하여 선체 외판에 마련되는 부압형성부와, 기체공간으로부터 수중의 부압개소로 기체를 이끌어내기 위한 기체통로를 구비하며,
    상기 선체 외판에는 상기 선체 외판으로부터 돌출되는 곡면이 형성되고,
    상기 부압형성부는 상기 곡면의 꼭대기부근에 상기 부압개소를 형성하도록 마련되며,
    상기 기체통로는, 일단이 대기중에 개방되고 타단이 상기 기체분사부의 꼭대기 부근에 개방되는 것을 특징으로 하는 마찰저항 감소선.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 부압형성부는 상기 선체 외판에 마련되고, 항해시의 수중에 박리역을 발생시키는 돌기부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰저항 감소선.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 돌기부에는, 상기 돌기부로 흐르는 물을 돌아 들어가게 하여 박리역을 발생시키는 모서리가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰저항 감소선.
  12. 제 9항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 선체 외판은, 상기 선체 외판을 따라 흐르는 물의 유속을 상기 돌기부에서 크게 하는 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰저항 감소선.
  13. 제 5항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 부압형성부는, 항해중의 선체에 대한 물의 상대속도가 특정 개소에서 커지도록 마련되는 것을 특징으로 하는 마찰저항 감소선.
  14. 제 5항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 부압형성부는, 선체의 항해에 따라 수중에 박리역이 발생하도록 마련되는 것을 특징으로 하는 마찰저항 감소선.
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