KR100915041B1 - 선박용 스트럿 단면 형상 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박용 스트럿 단면 형상에 관한 것으로서, 두께(Thickness)의 시위(Chord) 방향 분포가 시위의 앞전(Leading Edge)으로부터 20% 이하의 구간에서 EPH 단면의 두께에 비하여 0% 초과 10% 이하 얇게 형성된다. 또한, 두께의 시위 방향 분포가 시위의 뒷전(Trailing Edge)으로부터 20% 이내의 구간에서 EPH 단면의 두께에 비하여 -4% 이상 0% 미만 또는 0% 초과 6% 이하에서 변하도록 형성된다.

이로써, 본 발명은 프로펠러의 베어링부, 구조체, 또는 날개 등을 지지하는 최적의 스트럿 단면을 제시함으로써, 일정한 구조강도를 유지하여 선박용 스트럿의 지지성능을 유지하고, 스트럿에 의하여 선박에 발생하는 유체 저항을 줄이면서도 해수가 스트럿을 지나면서 발생하는 공동 현상 개시 각도(CIA, Cavitation Inception Angle)를 증가시킴으로써, 공동 현상을 최소화하는 효과가 있다.

Description

선박용 스트럿 단면 형상{CROSS-SECTIONAL SHAPE OF STRUT FOR A SHIP}

본 발명은 선박의 스트럿(strut)의 단면 형상에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 공동 현상 개시 각도(CIA, Cavitation Inception Angle)를 개선하여 스트럿의 유체저항을 억제함과 동시에 구조강도 및 유체 저항 성능을 유지할 수 있는 스트럿의 단면 형상에 관한 것이다.

선박에는 다양한 형태로 축계가 선체 밖으로 노출될 수 밖에 없는데, 예를 들어 터빈이나 모터 등에서 발생되는 회전력으로 선체를 운항시키기 위한 프로펠러는, 그 회전으로 인하여 발생하는 열을 식히기 위해 해수를 이용한 냉각방식을 사용하는 것이 일반적이며, 이를 위하여 프로펠러축과 함께 선박의 후미에 노출된다. 이 때, 선박의 소정부위에서 연장된 스트럿이 프로펠러축에 결합되어 있는 베어링부를 지지하게 된다.

또한, 선박의 저면에 와류를 감소시키기 위한 별도의 구조체를 노출시키거나 수중익선의 날개가 노출되는 경우에는 상기 구조체 또는 날개를 지지하기 위한 스트럿이 형성되어야 한다.

이러한 선박용 스트럿은 선박의 운항시 선박의 저항요인이 되므로, 그 저항을 감소시키기 위하여 그 단면적이 작게 형성되면서도 베어링부를 지지할 수 있도록 구조강도를 유지하여야 한다.

더욱이, 해수가 스트럿을 지나면서 공동 현상(cavitation)이 발생하게 되는데, 공동 현상이란, 해수가 스트럿을 지나면서 해수의 속도가 증가하게 되고, 이로써, 스트럿 주위에서 해수의 압력이 낮은 곳이 생기게 되어, 해수에 포함되어 있는 기체가 물에서 빠져나와 압력이 낮은 곳에 모여 빈공간이 생기는 현상을 의미하며, 이러한 공동 현상으로 인하여 스트럿이 부식되는 등의 문제가 발생하게 된다.

따라서, 스트럿의 단면을 작게 하면서도 일정한 구조강도를 유지함과 동시에 공동 현상 개시 각도(CIA, Cavitation Inception Angle)가 크게 형성되어 공동 현상을 최소화시키는 스트럿 단면 형상의 개발이 필요하게 되었다.

이와 관련하여, 유체역학적 성능이 우수한 스트럿 단면과 관련된 연구가 1940년대부터 미국 NASA에서 많은 실험을 통해 체계적으로 수행된 바 있으며, 지금도 보다 성능이 우수한 날개 단면을 개발하기 위하여 여러 나라에서 관심을 가지고 연구 및 개발 중에 있다. 더욱이, 최근 계산유체역학(CFD, Computational Fluid Dynamics)의 발달로 이러한 개발 연구는 더욱 활발해지고 있으며, 정도 높은 CFD의 사용으로 스트럿 단면의 개발에 필요한 모형실험의 회수를 크게 줄일 수 있게 됨에 따라 세계 각국의 연구소에서 다양한 개발에 더욱 박차를 가하고 있는 상황이다.

종래의 스트럿 단면으로는 NACA 단면, MANDEL 단면, MARIN 단면, EPH 단면이 제시되어 있다.

NACA 단면은 기존의 재래식 단면으로서, 미 항공자문 위원회(NACA, National Advisory Committee for Aeronautics) 계열 단면을 의미하며, 일반적으로 4자리 숫자를 구비하여 표시(NACA 4-digit)된다. 여기서, 첫 번째 숫자는 최대 평균캠버(max mean camber)의 크기를 시위의 백분율로 표시한 값이고, 두 번째 숫자는 최대 평균 캠버의 위치를 앞전으로부터 시위(chord)의 십분율로 표시한 값이며, 세 번째와 네 번째 숫자는 최대 두께(max thickness)의 크기를 시위의 백분율로 표시한 것이다.

여기서, 단면의 윗 캠버와 아랫 캠버가 동일할 때의 단면을 대칭익이라 한다. 대칭익의 경우 윗 캠버와 아랫 캠버가 동일하므로 평균 캠버선이 시위선과 동일하게 된다. 즉, 캠버 및 최대 평균캠버가 없어지고 최대 두께의 개념만이 존재하게 된다. 따라서 대칭익의 호칭은 NACA 00XX로 표시되며, 이를 NACA 00계열이라 부른다.

MANDEL 단면은 1953년 경 개발된 단면으로, 기존의 NACA 단면 및 EPH 단면에 비하여 단면적이 크게 증가된 단면으로, 유체 저항성능의 저하가 과도하여 실제로 적용되지 못하였다.

또한, 1999년 경에는 네덜란드의 MARIN 연구소의 Hackett 등에 의하여 개발된 단면으로, EPH 대비 단면의 전면을 얇게하고, 그 중간부분의 두께를 크게 증가시킴으로써, 단면의 구조강도 및 공동 현상 개선성능이 크게 향상되었으나, 단면의 단면적 증가로 인한 유체 저항성능이 저하되는 단점이 있었다.

이어서, EPH 단면은 2차 세계대전 중에 미국 해군 주도로 개발된 단면으로, 기존의 NACA 단면과 대비하여 구조강도 및 공동 현상 개선성능이 향상되었다는 평가를 받는다. EPH 단면은 수학적으로 정의되는 단면으로서, 스트럿의 가장 대표적인 단면이며, 또한 선박의 스트럿으로서 가장 일반적으로 사용되는 단면이다. EPH 단면을 결정하는 수학식은 아래 수학식 1과 같다.

(0 < x/c <= 0.43613)

(0.43613 < x/c <= 0.87226)

(0.87226 < x/c <= 1)

여기서, c는 시위의 길이(length of chord)이고, t는 최대 두께(maximum thickness)이다.

일반적으로, 선박용 스트럿 단면의 형상을 표현하는 경우, 유체 유동을 받는 단면의 앞부분 끝을 의미하는 앞전(Leading Edge)과 단면의 뒷부분 끝을 의미하는 뒷전(Trailing Edge)을 서로 이은 선인 시위(Chord)와, 단면의 상측과 하측의 수직거리인 두께(Thickness)를 주로 이용하며, 시위를 X 축으로 하고, 두께를 Y 축으로 하여 스트럿 단면의 형상을 나타내는 것이 일반적이다.

또한, 선박용 스트럿 단면의 공동 현상의 정도를 표시하는 경우, 공동 현상 개시 각도의 지표가 되는 받음각(α, angle of attack)과 압력계수(Cp)를 주로 사용하는데, 받음각을 X축으로 하고, 압력계수를 Y축으로 하여 나타내는 것이 일반적이다. 여기서, 압력계수는 관성력에 대한 압력힘의 비를 의미하는 것으로, 다음과 같이 정의된다.

Cp는 압력계수, P0는 유속 V0에 대한 압력, Pv는 물의 증기압을 의미한다.

도 1은 시위를 X축으로 하고, 두께를 Y축으로 하여 EPH 단면을 도시한 도면이다.

최근에 이르러서는 선박의 내구성을 향상시키기 위한 노력의 일환으로, 공동 현상으로 인한 선박 스트럿의 부식 문제가 다시 대두되게 되었으며, 가장 일반적으로 사용되는 EPH 단면을 기초로 EPH 단면의 공동 현상 개시 각도를 크게 형성하기 위한 노력이 지속적으로 이루어지고 있으나, 공동 현상 개시 각도를 크게 하기 위하여 스트럿 단면의 두께비(두께/시위, Thickness/Chord)를 작게 하는 경우에는, 스트럿이 선박의 프로펠러 등을 적정강도로 지지하지 못하게 되는 문제점이 발생하여 스트럿의 기본적인 기능을 수행하는데 어려움이 발생하게 되었다.

상기한 바와 같이 가장 일반적으로 쓰이는 EPH 단면을 기초로 한 연구에 있어서도, 선박의 스트럿의 구조강도를 유지하면서 공동 현상을 최소화하는 단면을 개발하지 못하여 선박의 스트럿이 해수의 유동에 의한 공동 현상으로 인하여 발생하는 스트럿의 부식문제를 해결하지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명은 구조강도 및 유체 저항을 최소화하면서도 공동 현상 개선성능을 모두 향상시키는 새로운 스트럿 단면을 제시하여, 베어링부, 구조체, 또는 날개 등을 지지하는 최적의 스트럿 단면을 완성함으로써, 일정한 구조강도를 유지하여 지지성능을 유지하고, 스트럿에 의하여 선박에 발생하는 유체 저항을 줄이면서도 해수가 스트럿을 지나면서 발생하는 공동 현상을 최소화하여 공동 현상을 개선하는 것이 가능하다.

본 발명은 선박용 스트럿 단면 형상의 EPH 단면 형상에 있어서, 두께의 시위(Chord) 방향 분포가 시위의 앞전(Leading Edge)으로부터 20% 이하의 구간에서 EPH 단면의 두께에 비하여 0% 초과 10% 이하 얇게 형성된 선박용 스트럿 단면 형상을 갖는다.

본 발명은 선박용 스트럿 단면 형상에 있어서, 선박용 스트럿 단면의 앞전으로부터 20% 이하의 구간에서의 EPH 단면을 수정하여 얇게 형성하되, 그 범위를 10% 이하로 한정함으로써, EPH 대비 두께비(시위/두께, Chord/Thickness)를 감소시키지 않아, 스트럿 단면의 구조강도를 유지하였다. 참고로, EPH 단면은 MARIN 단면에 비하여 두께비가 약 40% 증가되어 스트럿 단면의 구조강도가 향상되었을 뿐만 아니라, MARIN 단면에 비하여 유체 저항이 현격히 감소된 단면으로서, 본 발명에 따른 선박용 스트럿 단면 형상도 이러한 EPH 단면의 유용성을 그대로 유지하는 것이다.

더욱이, EPH 단면을 상기와 같이 수정함으로써, 공동 현상 개시 각도를 EPH 단면에 비하여 30% 이상 향상시킴으로써, 공동 현상에 의한 스트럿 단면의 부식 문제도 현저히 개선하게 된 것이다.

여기서, 두께의 상기 시위 방향 분포가 시위의 뒷전(Trailing Edge)으로부터 7% 이하의 구간에서 EPH 단면의 두께에 비하여 0% 초과 6% 미만 두껍게 형성될 수 있으며, 또한, 두께의 시위 방향 분포가 시위의 뒷전으로부터 7% 초과 20% 이하의 구간에서 EPH 단면의 두께에 비하여 0% 초과 4% 미만 얇게 형성될 수 있다. 이 경우, EPH 단면에 비하여 공동 현상 개시 각도를 35% 이상 향상시킴으로써, 공동 현상에 의한 스트럿 단면의 부식 문제를 더욱 개선시킬 수 있다.

또한, 두께의 시위 방향 분포가 시위의 뒷전으로부터 20% 이내의 구간에서 EPH 단면의 두께에 비하여 -4% 이상 0% 미만 또는 0% 초과 6% 이하에서 변하는 선박용 스트럿 단면 형상을 갖을 수 있으며, 이로써, EPH 단면에 비하여 공동 현상에 의한 스트럿 단면의 부식 문제를 개선시킬 수 있다.

여기서 물론, 두께의 시위 방향 분포가 시위의 뒷전으로부터 7% 이내의 구간에서 EPH 단면에 비하여 0% 초과 6% 미만 두껍게 형성되고, 시위의 뒷전으로부터 7% 초과 20% 이하의 구간에서 EPH 단면의 두께에 비하여 0% 초과 4% 미만 얇게 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 선박용 스트럿 단면 형상은, 프로펠러의 베어링부, 구조체, 또는 날개 등을 지지하는 최적의 스트럿 단면을 제시함으로써, 일정한 구조강도를 유지하여 선박용 스트럿의 지지성능을 유지하고, 스트럿에 의하여 선박에 발생하는 유체 저항을 줄이면서도 해수가 스트럿을 지나면서 발생하는 공동 현상 개시 각도를 증가시킴으로써, 공동 현상을 최소화하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 EPH 단면을 시위(Chord)를 X축으로 하고 두께(Thickness)를 Y축으로 하여 도시한 도면이고,

도 2(a)는 EPH 단면, MARIN 단면, NACA0020 단면, 및 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 스트럿 단면의 형상을 시위(Chord)를 X축으로 하고 두께(Thickness)를 Y축으로 하여 도시한 도면이고,

도 2(b)는 도 2(a)의 L 부분의 확대도이고,

도 2(c)는 도 2(a)의 T 부분의 확대도이고,

도 3은 본 발명의 일 실시예의 공동 현상 개선 정도를 받음각을 X축으로 하고 압력계수를 Y축으로 하여 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 시위(Chord) 12: 앞전(Leading Edge)

14: 뒷전(Trailing Edge)

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.

도 2(a)는 EPH 단면, MARIN 단면, NACA0020 단면, 및 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 스트럿 단면(이하, "SHI 단면"이라 함)의 형상을 시위(Chord)를 X축으로 하고 두께(Thickness)를 Y축으로 하여 도시한 도면이고, 도 2(b)는 도 2(a)의 L 부분의 확대도이고, 도 2(c)는 도 2(a)의 T 부분의 확대도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예의 공동 현상 개선 정도를 받음각(α, angle of attack)을 X축으로 하고 압력계수를 Y축으로 하여 도시한 도면이다.

도 2(a) 내지 도 2(c)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 SHI 단면은 두께의 시위(Chord, 10) 방향 분포가 시위의 앞전(Leading Edge, 12)으로부터 20% 이하의 구간(A)에서 EPH 단면의 두께에 비하여 0% 초과 10% 이하 얇게 형성하되, 앞전(12) 및 시위(10)의 20% 지점에서는 EPH 단면의 두께와 동일하고, 앞전(12)으로부터 시위(10)의 20% 지점으로 감에 따라, EPH 단면의 두께와의 차이가 EPH 단면의 두께에 대하여 10% 얇아졌다가 다시 두꺼워지도록 형성하였다.

또한, EPH 단면과 그 중간부분은 거의 일치하지만, 뒷전(14)으로부터 7% 이하의 구간(B)에서 EPH 단면의 두께에 비하여 0% 초과 6% 이하 두껍게 형성하되, 뒷전(14) 및 시위의 뒷전(14)으로부터 7% 지점에서는 EPH 단면의 두께와 동일하고, 시위(10)의 뒷전(14)으로부터 7% 지점으로 감에 따라, EPH 단면의 두께와의 차이가 EPH 단면의 두께에 대하여 6% 두꺼워졌다가 다시 얇아지도록 형성하였다.

마지막으로, 뒷전(14)으로부터 7% 초과 20% 이하의 구간(C)에서 EPH 단면의 두께에 비하여 0% 초과 4% 이하 얇게 형성하되, 시위(10)의 뒷전(14)으로부터 7% 초과 지점 및 뒷전(14)으로부터 20% 지점의 구간에서는 EPH 단면의 두께와 동일하고, 시위(10)의 뒷전(14)으로부터 7% 초과 지점으로부터 뒷전(14)으로부터 20% 지점으로 감에 따라, EPH 단면의 두께와의 차이가 EPH 단면의 두께에 대하여 4% 얇아졌다가 다시 두꺼워지도록 형성하였다.

이와 같이 형성된 SHI 단면과 종래의 EPH 단면 및 MARIN 단면의 두께비, 단위면적, 종방향 단면계수, 및 공동 현상 개시 각도를 비교하여보면 다음 표 1과 같다.

스트럿 단면	SHI	EPH	MARIN
두께비	5	5	4.3
단위면적	0.1491	0.1494	0.1648
종방향 단면계수	0.01673	0.01684	0.01717
공동 현상 개시 각도(공동현상 수=1.55)	5.4	4.0	5.1

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 받음각을 X축으로 하고 압력계수를 Y축으로 하여, 본 발명에 따른 SHI 단면과 종래의 EPH 단면, NACA0020단면, MARIN 단면의 동작성능을 살펴보면, 소정 선박의 속도에 따른 공동 현상 수(Cp = σ)가 1.55일 때에 받음각을 비교하여 보면, 본 발명에 따른 SHI 단면이 가장 높은 받음각을 갖는다는 것을 확인할 수 있으며, 이는 전반적인 공동 현상 수에 대하여(도 3에 도시된 Cp 0.0 ~ 3.0)도 EPH 단면 및 NASA0020 단면에 비하여 높은 받음각을 갖는 것을 확인할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 SHI 단면은 공동 현상 수 1.15이상에서는 받음각의 변화가 미소한 MARIN 단면과 달리 지속적으로 받음각이 증가하는 것을 확인할 수 있다.

받음각은 곧 공동 현상 개시 각도에 대한 지표를 제공해 주게 되며, 상기 표 1에서 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 SHI 단면은 5.4도의 공동 현상 개시 각도를 가짐으로써, 종래의 EPH 단면의 4.0도에 비하여 35%의 향상된 높은 공동 현상 개시 각도를 갖는다는 것을 알 수 있다.

Claims (5)

1. 선박용 스트럿 단면 형상의 EPH 단면 형상에 있어서,

   두께의 시위(Chord) 방향 분포가 상기 시위의 앞전(Leading Edge)으로부터 20% 이하의 구간에서 상기 EPH 단면의 두께에 비하여 0% 초과 10% 이하 얇게 형성된

   선박용 스트럿 단면 형상.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 두께의 상기 시위 방향 분포가 상기 시위의 뒷전(Trailing Edge)으로부터 7% 이하의 구간에서 상기 EPH 단면의 두께에 비하여 0% 초과 6% 이하 두껍게 형성된

   선박용 스트럿 단면 형상.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 두께의 상기 시위 방향 분포가 상기 시위의 뒷전으로부터 7% 초과 20% 이하의 구간에서 상기 EPH 단면의 두께에 비하여 0% 초과 4% 이하 얇게 형성된

   선박용 스트럿 단면 형상.
4. 선박용 스트럿 단면 형상의 EPH 단면 형상에 있어서,

   두께의 시위 방향 분포가 상기 시위의 뒷전으로부터 20% 이내의 구간에서 상기 EPH 단면의 두께에 비하여 -4% 이상 0% 미만 또는 0% 초과 6% 이하에서 변하는

   선박용 스트럿 단면 형상.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 두께의 상기 시위 방향 분포가 상기 시위의 뒷전으로부터 7% 이내의 구간에서 상기 EPH 단면에 비하여 0% 초과 6% 이하 두껍게 형성되고, 상기 시위의 뒷전으로부터 7% 초과 20% 이하의 구간에서 상기 EPH 단면의 두께에 비하여 0% 초과 4% 이하 얇게 형성된

   선박용 스트럿 단면 형상.