KR100751846B1 - 소형 워터 제트 추진 및 조향 복합 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조선업에 관한 것으로, 고속 선박, 기선 및 모터보트에 사용할 수 있다. 본 발명의 목적은 중량과 치수 특징이 감소한 소형 워터제트 추진 엔진(compact water-jet propulsion engine)을 개발하는 것이다. 상기 발명은 또한 추진 엔진의 효율을 개선하고, 그 생산성을 높이며, 환경 문제를 해결할 수 있게 한다. 이러한 목적은 슬롯형 출구부를 갖는 노즐의 크기를 줄이고, 물 윤활 억제 플레이트(water-lubricated restraint plate)와 베어링(bearing)을 사용해서 이루어진다. 본 발명의 워터제트 추진과 조향 시스템은, 유동관(flow conduit)과, 페어링(fairing)을 구비하고 베어링을 구비한 샤프트 위에 배열된 수압 장치와, 작동 휠의 페어링을 노즐에 고정시키기 위한 프로파일 지주를 갖는 직선화 장치(straightening device)와, 회전 디플렉터를 구비한 역진 조향 장치(reverse steering device)를 포함한다. 상기 워터제트 추진과 조향 시스템은, 앞으로 진행하는 도중 배가 서로 다른 속도로 이동할 수 있게 하는 반면, 상기 배는 역진하고 "멈춤" 위치에 놓이며, 또한 모든 운동 모드 중에 기동할 수 있게 한다. 모형 시험에 따르면, 상기 발명은 워터제트 추진과 조향 시스템의 추진 특징을 5 내지 10% 증가시킬 수 있게 하고, 역진 조향 유닛의 전체 치수는 50 내지 60% 감소되고, 워터제트 엔진의 중량은 10 내지 20% 감소된다.

Description

소형 워터 제트 추진 및 조향 복합 장치{SMALL SIZE WATER JET PROPULSION AND STEERING COMPLEX}

본 발명은 조선(造船) 분야에 관한 것으로, 고속 배수 선박(fast displacement ships), 론치(launch) 및 모터 보트에 사용하도록 의도된다.

워터제트(water jet) 이론을 사용하는 워터제트 추진체(waterjet propulsor)는 최근 주로 고속정에서 광범위하게 사용된다. 덕트(duct)에서 강력한 워터 제트를 발생시키기 위해, 이러한 시스템은 수압식 수두 발생 장치(hydraulic head-generating device), 예를 들어, 샤프트와 날개(vane)(유동 직선화 장치)를 갖는 임펠러 펌프(impeller pump)를 사용한다. 선박을 기동시키기 위하여, 워터제트는 대체로 특별한 디플렉터(deflector)를 포함하는 역전과 조향 기어(reversing-&-steering gear)가 장착된다.

미국 특허 번호 제 5,871,381호에 알려져 있는 워터제트는 임펠러에 의해 형성된 와류 유동을 직선화하기 위한 특별한 디자인의 고정자(stator)(유동 직선화 장치)를 갖는다. 이러한 장치의 일 단부에는 임펠러가 위치한 반면, 다른 단부에는 깔때기 모양의 노즐이 위치한다. 고정자의 원통형 몸체는 많은 유동 안내 날개(flow-guiding vane)를 갖는다.

본 발명에 대한 원형으로 사용된 다른 공지된 워터제트는 영국 특허 번호 제 1 332 787호에 기재되어 있다. 이 특허의 역전과 조향 기어의 디자인은 노즐에서 빠져 나가는 제트를 방해하지 않는 한 위치로부터, 디플렉터(deflector)와 함께 전용 채널이 점차적으로 휘어진 물의 유동을 생성하는 다른 위치로 움직이는 디플렉터를 포함한다. 이러한 유동은 상이한 제트 출구 방향을 형성하여서, 선박의 방향을 돌린다. 디플렉터 힌지 축은 노즐 축과 오프셋되고, 이는 유동 방향의 매끄러운 변화를 보장할 뿐만 아니라, 힌지에 가해지는 굽힘 하중을 감소시킨다.

본 발명의 핵심은 9개의 도면을 참조하여 설명된다.

도 1은 워터제트 추진과 조향 복합장치(waterjet propulsion-&-steering complex)의 측면도.

도 2는 'A' 방향에서 도시한 도면.
도 3은 노즐 말단부를 도시하는 사시도.
도 4는 방향타를 도시하는 사시도.
도 5는 디플렉터를 도시하는 사시도.
도 6은 디플렉터의 일 실시예를 도시하는 사시도.
도 7은 도 6의 디플렉터가 아래로 내려갈 때를 도시하는 사시도.
도 8은 도 6의 디플렉터의 상부를 도시하는 사시도.
도 9는 워터제트 추진과 조향 복합장치를 아래에서 도시하는 사시도.

본 발명의 주 목적은, 중량과 크기 파라미터가 감소된 소형 워터제트 추진체(small-size waterjet propulsor)를 제조하는 것이다. 게다가, 본 발명은 상기 추진체의 효율을 개선시켜, 보다 제조가 용이하고 환경 보호 문제를 해결할 수 있도록 한다.

명기(明記)한 목적을 달성할 수 있게 하는 공학적인 결과는, 리미터 플레이트(limiter plate)와 물-윤활 베어링을 사용해서, 노즐을 슬롯으로 성형하여 노즐의 치수를 감소시키는 것이다.

이러한 구조를 실현하기 위하여 제안된 추진과 조향 복합장치(propulsion-&-steering complex)는, 덕트(duct)와, 베어링을 가진 샤프트 상에 장착된 페어링(fairing)을 가진 수압 펌프와, 페어링을 노즐에 고정시키는 프로파일 지주(profile strut)를 가진 유동 직선화 장치와, 회전 디플렉터(turning deflector)를 가진 역전과 조향 장치(reversion-&-steering)로 이루어진다.

이러한 장치의 독특한 특징은 그 원형(circular)의 점차 좁아지는 노즐로, 유동을 따른 개별부에서 그 단면은 수평 방향에서 점진적으로 연장된 모양을 갖는다. 노즐의 높이 대 너비의 비율은 2 내지 10의 범위에 있을 것이다. 페어링의 외부 단부는 개별 단부에서 노즐의 내부 윤곽과 유사한 모양이다. 노즐과 페어링의 벽은, 페어링을 노즐 벽에 고정시키는 프로파일 지주와 함께, 유동 직선화 구조를 형성하고, 이는 전체 추진체의 크기와 중량을 줄일 수 있도록 한다. 게다가, 편평한 제트는 디플렉터의 크기와, 이에 따라 역전과 조향 기어 전체의 크기를 줄일 수 있게 한다.

이러한 추진체의 역전과 조향 기어에는 노즐의 상부 벽과 동일한 높이에 노즐의 바로 뒤에 수평으로 배열된 리미터 플레이트가 설치된다. 회전 디플렉터의 내면은 이 플레이트에 인접한다. 게다가, 상기 기어에는, 전술한 플레이트 아래 위치하고 작동 구동부(actuating drive)를 갖는 적어도 두 개의 수직 대칭 배열된 방향타(rudder)가 제공된다. 수평 리미터 플레이트가 존재함으로써, 노즐의 뒤에 위치하는 방향타 상부에서 압력 손실을 방지하고, 이에 따라 특정한 방향타 각도에 의해 발생하는 측면 힘을 증가시키는 것을 용이하게 한다. 이 결과, 필요한 측면 힘을 생성하는 것은 더 작은 방향타 각도 변화를 필요로 하고, 이에 따라 추력(thrust)의 손실이 줄어들고 방향타는 직선 코스의 항해에 보다 효율적이게 된다. 리미터 플레이트가 회전 디플렉터와 접한다는 사실은 역전과 관련된 유체역학적 손실을 감소시키는데 도움이 된다.

제안된 디자인 형태의 특별한 경우, 노즐 측벽은 전체 길이를 따라 하나의 동일한 원통형 표면을 가지는 반면, 상부와 하부 벽의 각 단면은 절단된 부분의 현(chord)이다. 노즐 입구(nozzle intake)의 원형 모양으로부터 출구 단부의 가늘고 긴 모양으로의 점진적인 변화는 절단된 부분의 처짐(sag)을 출구부로 증가시켜 달성된다. 이러한 배열은, 상부와 하부 벽이 간단한 용접으로 부착될 수 있기 때문에, 원통 모양 블랭크의 노즐을 제조하는 방법에 관한 제조상의 문제를 해결한다.

이러한 디자인의 특별한 경우, 유동 직선화 장치가 네 개 이하의 프로파일 지주를 가질 때, 구성은 중량과 크기 파라미터의 감소뿐만 아니라, 추친체 효율을 감소시키는 유체 역학적 손실의 감소도 제공한다. 후자의 특징은 노즐 + 유동 직선화 장치 시스템의 감소된 젖은 표면(wetted surface)에 의해 이용 가능하고, 이에 따라 이 디자인은 추진체 효율을 높일 수 있게 한다.

이러한 디자인의 특별한 경우, 디플렉터의 측벽이 관통 구멍을 가질 때, 이 구성은 또한 추진체 중량과 크기를 줄일 수 있게 하고, 추가로 속도 후진 조건 (speed-astern condition) 하에서 배의 기동성을 개선할 수 있다. 게다가, 디플렉터 측벽의 구멍은 디플렉터가 그 역진 또는 '멈춤' 위치에 있는 동안 방향타를 기울여서 제트를 옆으로 향하게 한다. 제트 방향은 수평면에서 360° 변할 수 있고, 이는 매우 다양한 가동 조건 하에서 선박에 매우 높은 기동 품질(manoeuvring quality)을 제공한다.

이러한 디자인의 특별한 경우, 방향타가 직벽 쐐기(straight-wall wedge)로 분할될 때, 상기 구성은 보다 나은 제조 용이성을 얻도록 하고 중량과 크기 특징을 감소시키도록 한다. 게다가, 방향타를 직벽 쐐기로 성형한 다음 리미터 플레이트의 윤곽선 내에, 즉 노즐 뒤 제트의 너비 내에 위치시키는 것은, 종래의 유선형 부(section)를 가지는 방향타 특유의 방향타 각도의 비효율적인 '사(死)' 영역을 제거할 수 있도록 한다.

이 디자인의 특별한 경우, 임펠러 샤프트의 꼬리 단부 베어링이 페어링(fairing) 내부에 위치하는 반면에, 꼬리 단부 샤프트 베어링 중 하나는 플러머 블록(plummer block)으로 작용하고 다른 하나는 스러스트 블록(thrust block)으로 작용할 때, 상기 구성은 중량과 크기 특성을 감소시킬 수 있게 한다.

이러한 디자인의 특별한 경우, 임펠러 샤프트의 꼬리 단부의 베어링이 배 밖의 물로 윤활되면, 상기 구성은 배를 보다 환경 친화적이게 한다.

도 1 및 도 2에 도시된 워터제트 추진과 조향 복합장치(waterjet propulsion-&-steering complex)는, 덕트(1)와, 페어링(3)과 허브(4)로 완성되고 베어링(6)을 가진 샤프트(5) 상에 장착된 임펠러(2)로 디자인된 수압식 수두 발생 장치와, 노즐(7)로 이루어진다. 노즐 측벽(8)은 노즐의 입구 단면과 동일한 직경을 가진 원통형 모양을 갖는다. 상부 및 하부 벽은 측면에 곡면을 갖고, 이 곡면은, 길이 방향 축은 정면 평면에 있는 반면 노즐 축은 수평면 상에 있는 두 개의 원통 표면에 의해 형성된다. 임펠러(2) 페어링(3)은 네 개의 프로파일 지주(9)의 도움으로 노즐(7)의 벽에 고정되는데, 상기 지주(9)는 이와 동시에 유동 안내 날개(flow-guiding vane)로 작용한다. 페어링(3) 외부 윤곽의 단면은 동일 단면에서 노즐(7)의 내부 윤곽의 부분과 유사하고, 페어링(3)과 프로파일 지주(9)는 유동 직선화 장치로 작용한다. 샤프트(5)의 꼬리 단부 상의 두 개의 베어링(6)은 페어링(3)의 내부에 위치하고, 이 중 하나는 스러스트 블록으로 디자인된 반면 다른 하나는 플러머 블록으로 디자인된다. 양 베어링은 물로 윤활된다.

역전과 조향 기어(reversing-&-steering gear)는, 수평으로 위치하고 흐름을 따라 노즐 상부 벽의 연장부를 형성하는 리미터 플레이트(10)와, 리미터 플레이트(10)에 인접한 디플렉터(11)와, 액츄에이터(도면에 미도시)를 가진 두 개의 대칭 배열된 방향타(12)로 이루어진다. 이러한 방향타(12)는 리미터 플레이트(10) 아래에 놓인다. 디플렉터(11)의 측벽은 관통 구멍(13)을 갖는 반면에, 방향타(12)의 단면은 직벽 쐐기로 성형된다.

워터제트 추진과 조향 복합장치는, 선박의 모든 가동 방식 하에서의 기동뿐만 아니라, 전진 항해, 역진 및 '멈춤' 위치를 제공한다. 상기 시스템은 다음과 같이 기능한다. 덕트(1) 내로 유입된 물의 유동은 샤프트(5)에 의해 구동되는 임펠러(2)를 통과한다. 유동은 노즐(7)의 프로파일 지주(9) 옆을 지나면서 곧게 되고, 편평한 제트 형태로 노즐의 슬롯형 덕트로부터 빠져나가는 동시에 수직 방향타(12)와 리미터 플레이트(10)의 옆을 지나 흐른다.

전진 조건 (speed-ahead condition) 하에서, 회전 임펠러(2)를 통한 물 흐름의 통과는, 추진체에 효율적인 전진 추력과 임펠러 추력을 만들고, 임펠러(2) 페어링(3) 내부에 장착된 스러스트 및 플러머 블록(6)은 임펠러 추력을 받는다. 작은 각도만큼 기울어진 방향타(12)를 지난 유동은 선박이 직선 코스로 나아가게 하는 반면, 방향타(12)의 각도가 크면, 선박은 방향타 경사 방향에 따라 이측 또는 다른 측으로 회전한다.

선박의 항로를 반대로 하기 위하여, 디플렉터(11)는 그 회전 축을 중심으로 아래쪽으로 회전한다. 그 결과, 디플렉터의 안내면은 노즐 밖으로 나오는 제트로 들어와서 그를 차단하고 선박이 반대 방향으로 이동하게 한다. 이용할 수 있는 디플렉터의 세팅 중 하나는 '멈춤' 위치에 해당한다.

역진 및 '멈춤' 조건 하에서, 방향타(12)를 기울이는 것은, 제트가 관통 구멍(13)을 통과해서 선박을 회전시키는 디플렉터(11)의 측벽으로 제트를 향하게 한다.

모형 시험 결과에 따라, 제안된 워터제트 추진과 조향 복합장치의 기술적인 효과는 추진 특징을 향상시키는 점에서 5~10%를 차지한다. 이와 동시에, 역전과 조향 기어의 수치는 50~60% 작게되는 반면, 추진체의 중량은 10~20% 작아졌다.

앞서 기술한 바와 같이, 본 발명은, 매우 다양한 선박 종류, 주로 고속 배수 선박(fast displacement ships), 론치(launch) 및 보트에 대한 선박 애플리케이션(shipping application)을 위해 의도된다.

Claims (8)

1. 소형 워터제트 추진과 조향 복합장치(small-size waterjet propulsion-&-steering complex)로서,

   유동 덕트(flow duct)(1)와, 페어링(fairing)(3)이 장착되고 베어링(6) 지지 샤프트(5) 상에 장착된 임펠러(impeller)(2)와, 상기 페어링(3)을 노즐(7)에 고정시키는 프로파일 지주(profiled strut)(9)를 구비한 유동 직선화 장치(flow straightening arrangement)와, 상기 노즐 뒤에 위치한 회전 디플렉터(turning deflector)(11)를 구비한 역전과 조향 기어(reversing-&-steering gear)로 이루어진 소형 워터제트 추진과 조향 복합장치에 있어서,

   상기 디플렉터는, 상기 노즐 측벽(8), 상기 페어링(3) 및 상기 프로파일 지주(9)가 상기 유동 직선화 장치를 형성하고, 개별부에서 상기 노즐(7)의 축을 따른 상기 노즐 측벽(8)의 단면은 수평 방향으로 점진적으로 연장되고, 상기 노즐(7)의 출구 단부에서 너비 대 높이의 비는 2 내지 10이며, 상기 페어링(3)의 외부 윤곽부는 동일 지점에서 상기 노즐(7)의 내부 윤곽부와 유사하고, 상기 역전과 조향 기어는 상기 노즐(7)의 상부 벽의 높이에서 상기 노즐(7) 바로 뒤에 위치한 리미터 플레이트(limiter plate)(10)가 장착되며, 상기 회전 디플렉터(11)는 상기 리미터 플레이트(10)에 인접하게 배치되고, 상기 역전과 조향 기어는 상기 리미터 플레이트(10) 아래 설치되고 작동 구동부(actuating drive)가 장착된 주로 두 개의 대칭으로 위치한 수직 방향타(rudder)(12)를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는, 소형 워터제트 추진과 조향 복합장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐 측벽(8)은 상기 노즐(7) 입구 직경과 동일한 직경의 원통 표면을 갖는 반면, 상기 상부 및 하부 벽의 모든 단면은 절단된 부분의 현(chord)이고, 상기 노즐(7)의 원형 모양으로부터 출구부에서 타원형 형태로의 점진적인 변화는 상기 출구부를 향해 상기 절단된 부분의 처짐(cut off segment sag)을 증가시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는, 소형 워터제트 추진과 조향 복합장치.
3. 제 1 항에 있어서, 유동 직선화 장치는 네 개 이하의 프로파일 지주(profiled strut)(9)를 갖는 것을 특징으로 하는, 소형 워터제트 추진과 조향 복합장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디플렉터(11) 측벽에 구멍(13)이 있는 것을 특징으로 하는, 소형 워터제트 추진과 조향 복합장치.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 방향타(12) 단면은 직벽 쐐기(straight-wall wedge)를 형성하는 것을 특징으로 하는, 소형 워터제트 추진과 조향 복합장치.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임펠러(2) 샤프트(2) 꼬리 단부(impeller shaft tail end)의 베어링(6)은 상기 페어링(fairing)(3) 안에 위치하는 것을 특징으로 하는, 소형 워터제트 추진과 조향 복합장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 임펠러(2) 샤프트(5) 꼬리 단부 베어링(6) 중 하나는 플러머 블록(plummer block)으로 디자인된 반면, 다른 하나는 스러스트 블록(thrust block)으로 디자인된 것을 특징으로 하는, 소형 워터제트 추진과 조향 복합장치.
8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임펠러(2) 샤프트(5) 꼬리 단부의 베어링(6)은 배 밖의 물로 윤활되는 것을 특징으로 하는, 소형 워터제트 추진과 조향 복합장치.

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