KR101026178B1 - 선박용 저기진력 프로펠러 추진기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프로펠러 날개를 허브와 분리시켜 축 기진력을 감소시키는 프로펠러 추진기에 관한 것이다.본 발명의 일 측면에 따른 선박의 프로펠러 추진기는, 회전 가능한 추진축에 고정된 허브와, 상기 허브에 상기 추진축과 수직한 방향으로 삽입되어 상기 허브 내에서 회전 가능한 하나 이상의 모멘트 전달축과, 상기 하나 이상의 모멘트 전달축의 양단에 고정 연결되어 상기 허브의 외부에 상기 허브와 고정되지 않고 상기 추진축을 사이에 두고 대칭으로 형성되어 한 쌍의 프로펠러 날개를 포함하여 구성되며, 상기 프로펠러 날개 주변의 유동 변화에 따라 상기 프로펠러 날개와 상기 모멘트 전달축이 일체로 회전하게 된다.

프로펠러, 추진기, 기진력

Description

선박용 저기진력 프로펠러 추진기 {Fluctuation Reduction Propeller for a Vessel}

본 발명은 선박에 사용하는 프로펠러 추진기, 좀더 자세히는 프로펠러 날개를 허브와 분리시켜 축 기진력을 감소시키는 프로펠러 추진기에 관한 것이다.

일반적으로 프로펠러는 선박이나 항공기 등에 장착되어 그 회전력에 의해 추진하는 장치를 말하는 것으로, 엔진과 연결되어 회전되는 추진축과, 추진축이 삽입되는 허브와, 상기 허브에 연결되어 설치되는 다수개의 날개로 구성되어 있다.

프로펠러에 의해 선미에 발생하는 변동압력은 프로펠러 회전 시 유체력 변화에 의해 또는, 프로펠러 날개에서 발생하는 캐비테이션에 의해 발생되고 있으며, 고속선박에서 변동압력의 진폭이 크면 선박의 기진력이 커져 선체진동을 유발하게 되는 문제점이 있다. 즉, 선박의 프로펠러가 회전하게 되면, 주위의 유체흐름에 따른 압력변동으로 캐비테이션(Cavitation, 공동현상)이 생기게 되고, 이때 생긴 기포가 선미부의 프로펠러 상부에 부딪혀 소음, 부식, 프로펠러의 추진력 감소 등을 초래하게 된다.

일반적으로, 캐비테이션은 흐르는 유체 중에 공동부가 형성되는 것을 말한 다. 이와 같은 캐비테이션은 선박의 추진장치인 프로펠러가 수중에서 구동할 때 발생하는데, 이러한 캐비테이션은 프로펠러 블레이드를 침식으로 손상시키는 작용을 할 뿐만 아니라 선박의 추진효율을 감소시키고 선체의 진동이나 소음을 증가시키는 요인이 된다. 더욱이, 최근 프로펠러는 선박들의 대형화 및 고속화 경향에 발맞춰 점차적으로 그 하중이 증대되고 있어, 프로펠러 캐비테이션의 발생량과 이에 따른 선체에서의 변동압력 또한 증가하는 경향이 있다.

이와 같은 현상을 방지하기 위하여 여러 가지 방안이 제시되고 있으며, 공개번호 JP-1984-216789 의 경우, 주기관에서 유출되는 가스를 블로워(Blower)의 노즐을 통해 프로펠러 상방에 흘려보내서 프로펠러 상방에 버블영역을 만들어 프로펠러 상방근처의 유속을 증가시켜 반류 피크값을 개선하여 프로펠러 진동력을 감소시키도록 구성되어 있으며, 공개번호 WO 2003/010045에 공지된 공기도입에 의한 구조는 공기유출개구와 선체에 다공성 함몰부를 설치하여 공기유출개구에서 공기를 유출시켜 함몰부에 공기층을 형성케 하여 압력변동을 감소시키도록 되어 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 선박 변동압력 억제방법은 프로펠러와 선미부 사이에 공기방울을 강제로 불어 넣어서 프로펠러에서 발생되는 기포가 프로펠러 상부에 위치하는 선박 선미부에 충격을 주는 것을 방지하도록 한 것이나, 강제로 공기를 불어넣기 위하여 노즐 또는 홀을 이용하고 있으므로 쿠션역할을 하게 되는 버블영역이 부분적으로만 발생되고, 이로 인해 그 효과가 미비하였다. 또한, 종래의 선박 변동압력 억제방법은 그 구조가 복잡하고, 선박의 구조를 변경하여야 하는 등 여러 가지 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 프로펠러 날개를 허브와 분리시켜 축 기진력을 감소시키는 프로펠러 추진기를 제공하고자 함에 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 추진축의 회전력을 이용한 선박의 프로펠러 추진기에 있어서, 회전 가능한 추진축에 고정된 허브와, 상기 허브에 상기 추진축과 수직한 방향으로 삽입되며, 상기 허브 내에서 회전 가능한 하나 이상의 모멘트 전달축과, 상기 모멘트 전달축의 양단에 고정되며, 상기 모멘트 전달축과 일체로 회전하는 한 쌍의 프로펠러 날개를 포함하고, 상기 한 쌍의 프로펠러 날개 중 어느 하나에 발생되는 모멘트는 상기 모멘트 전달축을 통해 상기 한 쌍의 프로펠러 날개 중 다른 하나로 전달되는 것을 특징으로 하는 선박의 프로펠러 추진기를 제공할 수 있다.
또한, 상기 하나 이상의 모멘트 전달축 중 하나는 다른 모멘트 전달축의 중심에 삽입되어 서로 간섭되지 않고 회전 가능한 것을 특징으로 하는 선박의 프로펠러 추진기를 제공할 수 있다.
또한, 상기 하나 이상의 모멘트 전달축은 소정의 각도만큼 구부러져 있어 다른 모멘트 전달축과 서로 간섭되지 않고 회전 가능한 것을 특징으로 하는 선박의 프로펠러 추진기를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 추진축의 회전력을 이용한 선박의 프로펠러 추진기에 있어서, 회전 가능한 추진축에 고정된 허브와, 상기 허브에 상기 추진축과 수직한 방향으로 설치되며, 상기 허브에 대해 회전 가능하게 설치되는 복수개의 프로펠러 날개와, 상기 허브 내부에 설치되며, 상기 프로펠러 날개 중 두 개 이상을 서로 연결하는 모멘트 전달 수단을 포함하고, 상기 모멘트 전달 수단에 의해 연결된 두 개 이상의 상기 프로펠러 날개 중 어느 하나의 상기 프로펠러 날개에서 발생한 모멘트는 상기 모멘트 전달 수단을 통해 두 개 이상의 상기 프로펠러 날개 중 다른 하나로 전달되는 것을 특징으로 하는 선박의 프로펠러 추진기를 제공할 수 있다.
또한, 상기 모멘트 전달수단은, 각각의 상기 프로펠러 날개에서 연장되는 모멘트 전달축과, 각각의 상기 모멘트 전달축과 결합된 제1기어와, 상기 제1기어를 서로 연결하여 모멘트를 전달하는 제2기어를 포함하는 선박의 프로펠러 추진기를 제공할 수 있다.
또한, 상기 제1기어 및 제2기어는 베벨기어인 것을 특징으로 하는 선박의 프로펠러 추진기를 제공할 수 있다.

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서로 대칭인 프로펠러 날개를 허브에 고정시키지 않고 모멘트 전달축 또는 모멘트 전달수단을 이용하여 고정시키면, 프로펠러 날개에 상이하게 발생되는 모멘트가 자연적으로 평형이 되도록 모멘트 전달축과 프로펠러 날개가 회전하게 된다. 프로펠러 날개가 회전하여 대칭인 프로펠러 날개 사이에 발생하는 유체와의 받음각 및 유체력의 차이가 감소하고, 그에 따라 프로펠러 추진기에 의한 축 기진력과 캐비테이션 현상을 감소시키는 동시에 추진 효율을 개선할 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 일반적인 콘테이너 운반선의 반류 분포를 나타낸 것이고, 도 2는 추진기가 회전할 때 각 위치에 따라 나타나는 유동의 받음각을 나타내는 것이다.

도 1의 수치는 선속 대비 유속의 비를 나타낸 것이며, 도 1에서 보이는 바와 같이 상부에서의 유속과 하부에서의 유속은 균일하지 않게 나타나고 있다. 상부의 유속은 선속 대비 약 45%이고 하부의 선속은 약 90%로 각각의 위치에서 추진기 프로펠러 날개 면에서 유동의 받음각의 차이는 매우 상이하다. 또한 접선방향 속도(tangential velocity)를 살펴보면 프로펠러 날개가 좌우로 위치할 경우에 좌현(port) 측은 상부로 향하고 있고 우현(starboard) 측은 하향하고 있기 때문에 유동의 받음각이 상이하다. 좌측면과 우측면에서 모두 유동이 상향하고 있으므로 추진기 날개가 좌우로 위치하고 있는 경우에도 시계방향으로 회전하는 추진기 날개가 상이한 받음각을 가지게 되는 것이다. 도 2는 시계방향으로 추진기가 1 회전할 때 각 위치에 따라 나타나는 유동의 받음각을 나타낸 것으로, 회전각에 따라 받음각이 10도 이상 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.

이하, 이와 같은 현상을 억제하기 위해 고안된 본 발명의 구조와 작동 원리를 첨부 도면을 참조하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러 추진기의 구조를 도시한 도면 이며, 도 3에서 화살표는 비대칭 유동에 의하여 발생되는 프로펠러 날개(20)의 서로 다른 모멘트를 나타내고 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러 추진기는, 회전 가능한 추진축(45)에 고정된 허브(40)와, 허브(40)에 추진축(45)과 수직한 방향으로 삽입되어 허브(40) 내에서 회전 가능한 하나 이상의 모멘트 전달축(30)과, 모멘트 전달축(30)의 양단에 고정 연결되고 상기 추진축(45)을 사이에 두고 대칭으로 형성되어 한 쌍의 프로펠러 날개(20)를 포함하여 구성되며, 상기 프로펠러 날개(20) 주변의 유동 변화에 따라 상기 프로펠러 날개(20)와 모멘트 전달축(30)이 일체로 회전하게 된다.

이와 같이 서로 대칭인 프로펠러 날개(20)를 허브(40)와 분리시켜 모멘트 전달축(30)을 이용하여 고정시키면, 프로펠러 날개(20)에 상이하게 발생되는 모멘트가 자연적으로 평형이 되도록 모멘트 전달축(30)과 프로펠러 날개(20)가 회전하게 된다. 프로펠러 날개(20)가 회전하여 대칭인 프로펠러 날개(20) 사이에 발생하는 유체와의 받음각 및 유체력의 차이가 감소하고, 그에 따라 프로펠러 추진기에 의한 축 기진력과 캐비테이션 현상을 감소시키는 동시에 추진 효율을 개선할 수 있게 된다.

도 4는 모멘트 전달축이 2개인 경우의 각 모멘트 전달축(30a, 30b)이 교차되는 구성을 도시한 도면이다. 프로펠러 날개(20a, 20b)가 2 쌍 이상인 경우에 각 모멘트 전달축(30a, 30b)은 서로에게 간섭받지 않는 구조로 되어 있다. 즉, 하나의 모멘트 전달축(30a)은 다른 모멘트 전달축(30b)의 중심에 삽입되어 서로 간섭되지 않고 회전 가능하게 된다. 예를 들어 하나 이상의 서로 수직한 제1모멘트 전달 축(30a)과 제2모멘트 전달축(30b)으로 구성되며, 제2모멘트 전달축(30b)은 제1모멘트 전달축(30a)의 중심에 형성된 전달개구(31)에 삽입되어 회전 가능하다.

또는 도 4와 달리, 각 모멘트 전달축(30a, 30b)이 살짝 구부러져 있도록 구성될 수도 있다. 하나 이상의 모멘트 전달축(30a, 30b)은 소정의 각도만큼 구부러져 있어 서로 간섭받지 않고 일정 범위 내에서 자유롭게 회전할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 프로펠러 추진기의 구조를 도시한 도면이며 기어를 포함하는 모멘트 전달수단을 도시한다. 본 발명의 다른 측면에 따른 선박의 프로펠러 추진기는, 회전 가능한 추진축(45)에 고정된 허브(40)와, 추진축(45)과 수직한 방향으로 허브(40) 외부에 허브(40)와 고정되지 않고 형성되어 있는 복수의 프로펠러 날개(20)와, 허브(40) 내부에 설치되어 프로펠러 날개(20) 중 일부를 서로 연결하여 한 프로펠러 날개(20)에 발생하는 모멘트가 연결된 다른 프로펠러 날개(20)로 전달되는 모멘트 전달수단을 포함하여 구성된다.

상기 모멘트 전달수단은 복수의 프로펠러 날개(20)에서 연장된 복수의 모멘트 전달축(30c)과, 각 모멘트 전달축(30c)과 결합된 각 제1기어(33)와, 제1기어(33)를 서로 연결하여 모멘트를 전달하는 제2기어(34)를 포함하며, 제1기어(33) 및 제2기어(34)는 베벨기어로 구성된다. 도 5에 도시된 것과 같이, 제2기어(34)를 하나 설치하여 모멘트 전달수단이 모든 프로펠러 날개(20)를 서로 연결시킬 수도 있다. 하지만 프로펠러 날개(20)를 한 쌍씩 연결시키는 제2기어(34)를 여러 개 설치할 수도 있으며, 홀수개의 프로펠러 날개(20)를 서로 연결시키는 것도 가능하다.

어느 한 프로펠러 날개(20)가 모멘트를 받는 경우 모멘트 전달축(30c)과 그 에 결합된 제1기어(33)는 회전하려는 힘을 받고, 제1기어(33)의 회전에 의해 그에 맞물린 제2기어(34)가 연동되어 회전하게 되며, 그에 따라 제2기어(34)는 다른 제1기어(33)로 그 회전력을 전달하여 모멘트를 분산하게 된다. 마찬가지로 다른 연동된 제1기어(33) 각각은 다른 제1기어(33)로 회전력을 전달하여 모멘트를 분산하게 된다. 따라서 연동된 프로펠러 날개는 서로 모멘트의 차이를 상쇄할 수 있는 것이다. 모든 프로펠러 날개를 서로 연결시켜 구속하는 경우 구조적으로 안정화되면서도, 각 프로펠러 날개의 모멘트 차이를 상쇄하는 효과가 있다.

지금까지 본 발명의 일 실시예에 국한하여 설명하였으나 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 수 있다. 이러한 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.

도 1은 일반적인 콘테이너 운반선의 반류 분포를 나타낸 것이다.

도 2는 추진기가 회전할 때 각 위치에 따라 나타나는 유동의 받음각을 타나내는 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러 추진기의 구조를 도시한 도면으로 모멘트 전달축을 나타낸다.

도 4는 모멘트 전달축이 2개인 경우에 모멘트 전달축이 교차되는 구성을 도시한 도면이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 프로펠러 추진기의 구조를 도시한 도면이며 기어를 포함하는 모멘트 전달수단을 도시한다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

20 : 프로펠러 날개 30 : 모멘트 전달축

31 : 전달개구 33 : 제1기어

34 : 제2기어 40 : 허브

Claims (6)

1. 추진축의 회전력을 이용한 선박의 프로펠러 추진기에 있어서,

   회전 가능한 추진축에 고정된 허브와,

   상기 허브에 상기 추진축과 수직한 방향으로 삽입되며 상기 허브 내에서 회전 가능한 하나 이상의 모멘트 전달축과,

   상기 모멘트 전달축의 양단에 고정되며, 상기 모멘트 전달축과 일체로 회전하는 한 쌍의 프로펠러 날개를 포함하고,

   상기 한 쌍의 프로펠러 날개 중 어느 하나에 발생되는 모멘트는 상기 모멘트 전달축을 통해 상기 한 쌍의 프로펠러 날개 중 다른 하나로 전달되는 것을 특징으로 하는 선박의 프로펠러 추진기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 하나 이상의 모멘트 전달축 중 하나는 다른 모멘트 전달축의 중심에 삽입되어 서로 간섭되지 않고 회전 가능한 것을 특징으로 하는 선박의 프로펠러 추진기.
3. 제1항에 있어서,

   상기 하나 이상의 모멘트 전달축은 소정의 각도만큼 구부러져 있어 다른 모멘트 전달축과 서로 간섭되지 않고 회전 가능한 것을 특징으로 하는 선박의 프로펠 러 추진기.
4. 추진축의 회전력을 이용한 선박의 프로펠러 추진기에 있어서,

   회전 가능한 추진축에 고정된 허브와,

   상기 허브에 상기 추진축과 수직한 방향으로 설치되며, 상기 허브에 대해 회전 가능하게 설치되는 복수개의 프로펠러 날개와,

   상기 허브 내부에 설치되며, 상기 프로펠러 날개 중 두 개 이상을 서로 연결하는 모멘트 전달수단을 포함하고,

   상기 모멘트 전달 수단에 의해 연결된 두 개 이상의 상기 프로펠러 날개 중 어느 하나의 상기 프로펠러 날개에서 발생한 모멘트는 상기 모멘트 전달 수단을 통해 두 개 이상의 상기 프로펠러 날개 중 다른 하나로 전달되는 것을 특징으로 하는 선박의 프로펠러 추진기.
5. 제4항에 있어서,

   상기 모멘트 전달수단은,

   각각의 상기 프로펠러 날개에서 연장되는 모멘트 전달축과,

   각각의 상기 모멘트 전달축과 결합된 제1기어와,

   상기 제1기어를 서로 연결하여 모멘트를 전달하는 제2기어를 포함하는 선박의 프로펠러 추진기.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제1기어 및 제2기어는 베벨기어인 것을 특징으로 하는 선박의 프로펠러 추진기.

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