KR101049308B1

KR101049308B1 - 가변핀을 구비하는 선박

Info

Publication number: KR101049308B1
Application number: KR1020090104545A
Authority: KR
Inventors: 정두진; 유병석; 유용완; 허재경
Original assignee: 주식회사 한진중공업
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2011-07-13
Also published as: KR20110047782A

Abstract

선박의 선미 부분에 구비되는 핀을 최적화하고, 선박의 운항조건에 따라 핀의 폭이나 길이 또는 피치각을 조절함으로써 선박의 운항 시 진동을 감소시키고 선박의 추진력을 향상시킬 수 있는 가변핀(variable fin)을 구비하는 선박이 개시된다. 가변핀을 구비하는 선박은, 선체에서 선미 일 측 부분에 적어도 하나 이상의 가변핀이 구비되며, 가변핀은 선체에서 외측으로 소정 길이 돌출 형성되며, 가변핀의 길이를 조절할 수 있는 핀길이 가변부 또는 폭을 조절할 수 있는 핀폭 가변부가 구비될 수 있다. 또한, 가변핀은 선체 길이의 0.1 내지 10%의 핀길이를 갖고, 선체 길이의 0.1 내지 1%의 핀폭을 가지며, 가변핀의 위치는 선체의 길이 방향을 따라 2.5 내지 3.5 스테이션(station)에 구비되고, 선체의 높이 방향을 따라 선저에서 0.05 내지 0.1 드래프트(draft)에 구비되고, 피치각이 10 내지 50°으로 구비될 수 있다.

선박(vessel), 가변핀(variable fin)

Description

가변핀을 구비하는 선박{VESSEL HAVING VARIABLE FIN}

본 발명은 선박의 핀(fin)에 관한 것으로, 선박의 선미 부분에 구비되는 핀을 최적화하고 선박의 운항조건에 따라 핀의 폭이나 길이 또는 피치각을 조절함으로써 선박의 운항 시 진동을 감소시키고 선박의 추진력을 향상시킬 수 있는 가변핀을 구비하는 선박에 관한 것이다.

현대에는 차량이나 선박, 항공기 등의 운송수단의 발달로 화물이 전 세계 곳곳으로 신속하게 운송되고 있다. 석유나 천연가스, 자동차, 컨테이너 등과 같이 화물의 부피가 크고 무거운 화물의 경우, 또한, 한 번에 많은 양의 화물을 운송하고자 하는 경우에는 선박을 이용하는 것이 일반적이다.

그러나 선박은 속도가 느리므로, 선박을 이용하여 좀더 많은 양의 화물을 동시에 이송하고 안정적이고 신속하게 화물을 운송하기 위해서 선박의 대형화 및 고속화가 추진되고 있다.

그런데, 선박의 대형화 및 고속화를 위해서는 선박의 추진기 효율을 증가시키는 것이 중요한데, 추진기의 출력이 증가하면 선박 운항 시 추진기의 진동으로 인해 선박의 진동이 증가하는 문제점이 있다. 또한, 이러한 진동으로 인해 선박 운항 시 연료 소모량이 증가하고, 선박의 운항 속도가 저하되는 문제점이 있었다.

이러한 문제점들로 인해 선박의 대형화 및 고속화를 위해서 추진기 효율 및 선박의 운항 속도를 향상시킬 수 있으며 운항 시 진동과 연료를 절감할 수 있는 방법으로 선박에 부착되는 에너지 저감 장치(Energy Saving Device)에 관한 연구결과를 실선에 적용하고 있으며, 그 중 프로펠러 전방의 선미부분에 부착되는 고정핀(Fixed Fin)이 대표적인 선박의 에너지 저감 장치의 예라 할 것이다.

그러나 고정핀은 선박설계 단계에서 미리 결정된 선형 및 설계조건(만재흘수, 최대속도 등)에 맞추어 해당 위치에 일정한 크기와 각도로 용접 고정되므로 다양한 형태의 선박 운항조건(선박적재량, 속도, 트림 변화 등)에 능동적으로 대처할 수 없다는 문제점이 있다. 특히 선박의 운항 시 화물적재량 또는 선속에 따라 유선이 변경되고 이에 따라 유체의 유입 각도(inflow angle)가 달라지는데, 이러한 유입 각도 변경에 따라 오히려 고정핀에서 저항이 증가되어 추진 효율을 감소시킴으로써 연료 소모량이 증가될 수 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 실시예들은 선박의 선미 부분에 구비되는 핀을 최적화하고, 선박의 운항조건에 따라 핀의 폭이나 길이 또는 피치각을 가변시킴으로써 선박의 운항 시 진동을 감소시키고 선박의 추진력을 향상시킬 수 있는 가변핀을 구비하는 선박을 제공하기 위한 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따르면, 선박 운항 조건에 따라 핀의 길이나 폭 또는 피치각을 조절할 수 있는 가변핀을 구비하는 선박은, 선체의 선미 부분에 구비되며, 상기 선체에서 소정 길이 외측으로 돌출된 적어도 하나 이상의 가변핀이 구비되며, 상기 가변핀의 일 측에는 상기 가변핀의 폭을 조절할 수 있는 핀폭 가변부 또는 길이를 조절할 수 있는 핀길이 가변부가 구비될 수 있다.

한편, 다른 실시예에 따르면, 가변핀의 피치각을 조절할 수 있는 피치각 가변부가 선체 내부에 구비될 수 있다.

또한, 다른 실시예에 따르면, 가변핀을 구비하는 선박은 적어도 하나 이상의 전방가변핀과 상기 전방가변핀보다 선미 쪽 후방에 적어도 하나 이상의 후방가변핀이 구비되며, 상기 전방가변핀 또는 상기 후방가변핀의 폭을 조절할 수 있는 핀폭 가변부, 길이를 조절할 수 있는 핀길이 가변부, 가변핀의 피치각을 조절하는 피치각 가변부 중 적어도 어느 하나가 구비될 수 있다. 여기서, 상기 전방가변핀과 상 기 후방가변핀은 서로 동일한 형태를 갖고 동일한 가변부가 구비될 수 있다. 또는, 상기 전방가변핀과 상기 후방가변핀은 서로 다른 형태를 갖고 서로 다른 가변부를 갖고 서로 독립적으로 각각의 핀길이나 핀폭 또는 피치각이 조절될 수 있다.

상술한 실시예들에서, 상기 가변핀은 다각형 단면적을 갖는 각뿔 또는 유선형 형태를 가질 수 있다. 또한, 상기 전방가변핀은 선체의 길이 방향을 따라 2.5 내지 3.5 스테이션(station)에 구비되고, 선체의 높이 방향을 따라 선저에서 0.05 내지 0.1 드래프트(draft)에 구비되고, 상기 선저에 대해 10 내지 50°의 피치각을 갖도록 구비될 수 있다. 그리고 상기 후방가변핀은 1 내지 2 스테이션 사이에 구비되고, 0.1 내지 0.2 드래프트에 구비되고, 상기 선저에 대해 10 내지 50°의 피치각을 갖도록 구비될 수 있다. 또한, 상기 전방가변핀 또는 상기 후방가변핀은 선체 길이의 0.1 내지 10%의 핀길이를 갖고, 선체 길이의 0.1 내지 1%의 핀폭을 갖도록 형성될 수 있다.

실시예에서, 상기 핀길이 가변부는 상기 전방가변핀 또는 상기 후방가변핀의 핀꼬리 부분에서 후방으로 연장 가능한 형태를 가질 수 있으며, 상기 선체 내부에는 상기 핀길이 가변부의 구동을 위한 구동부가 구비될 수 있다. 그리고 상기 핀폭 가변부는 상기 전방가변핀 또는 상기 후방가변핀의 핀폭 방향(즉, 상기 선체에 대해서 외측 방향)으로 연장 가능한 형태를 갖고, 상기 선체 내부에는 상기 핀폭 가변부의 구동을 위한 구동부가 구비될 수 있다. 그리고 상기 피치각 가변부는 상기 전방가변핀 또는 상기 후방가변핀의 선수 쪽 핀머리 부분을 스윙 축으로 하여 상기 전방가변핀 또는 상기 후방가변핀을 스윙 회전시킬 수 있도록 형성되며, 상기 피치각 가변부는 상기 선체 내부에 구비될 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 선박의 선미 부분에 구비되는 핀을 최적화하고, 특히, 선박 운항 시 운항 조건에 따라 핀을 가변시킴으로써 압력저항과 진동을 저감시킬 수 있고 연료 소모량을 최소화할 수 있다.

또한, 종래의 선박에 부착되는 고정핀은 정해진 설계목표치(흘수, 최대속도 등)에 따라 일정한 위치에 용접 고정되는데 반해, 본 발명에 따른 가변핀은 공선/만선, 저속/중속/고속 등의 다양한 선박의 적재 운항 상태 또는 속도에 따라 가변핀의 피치각, 길이 또는 폭을 조절할 수 있으므로 선박의 어떠한 운항 상태에서도 반류(wake) 개선이 가능하여 추진효율을 향상시킬 수 있다.

여기서, 선박의 운항 시 화물적재량 또는 선속에 따라 유선이 변경되고 선박에 대한 유체의 유입 각도(inflow angle)가 달라지는데, 이러한 유입 각도 변경에 따라 본 발명에 따른 가변핀의 피치각, 길이, 폭을 조절함으로써 선미 반류를 개선하고, 캐비테이션 성능 향상, 변동 압력 개선 및 진동 저감을 구현할 수 있으며 궁극적으로 추진 효율 향상을 달성할 수 있다.

특히, 선박은 공선 상태와 선수 또는 선미 트림 상태에서 저항이 심한데, 이와 같은 상태에서도 가변핀의 피치각, 길이, 폭 조절을 통해 저항 성능을 개선하고 이로 인해 추진 효율을 향상시킬 수 있다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략될 수 있다.

이하, 도 1과 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 운항 시 압력저항 및 진동을 저감할 수 있는 가변핀(100)을 구비하는 선박에 대해 상세하게 설명한다. 참고적으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변핀(100)이 구비된 선박의 요부를 간략하게 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 가변핀(100)이 구비된 선박의 측면도이다.

도면을 참조하면, 선박에서 선미 일 측에는 선체(10)에서 외측으로 소정 높이 돌출 형성된 다수의 가변핀(100)이 구비된다. 여기서, 가변핀(100)은 선체(10) 표면에서 외측으로 소정 높이 돌출 형성되며, 선체(10)가 물에 잠기는 부분에 형성될 수 있다. 여기서, 선체(10)의 상세한 기술구성은 공지의 기술로부터 이해 가능하며 본 발명의 요지가 아니므로 자세한 설명 및 도시를 생략한다.

본 실시예에서는 도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 선체(10)의 일 측부에서 외측으로 돌출되며 서로 소정 거리 이격된 2개 위치에 가변핀(100)이 구비된다. 여기서, 가변핀(100)은 선체(10)의 중심선을 기준으로 선체(10)의 양측에서 서로 대응되는 위치에 구비될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의 상 선체(10)의 일 측면에 구비된 가변핀(100)에 대해서 도시 및 설명하며, 도시되지 않은 선체(10)의 타 측면에도 상술한 가변핀(100)과 대응되는 위치에 가변핀(100)이 구비된다.

도면에 도시한 바와 같이, 선체(10)의 선미 쪽에서 일 측에는 전방가변핀(110)과 후방가변핀(120)이 구비된다. 여기서, 전방가변핀(110)과 후방가변핀(120)은 선박의 운항 시 저항을 감소시키고 유속을 향상시킬 수 있도록 대략적으로 유선 형태를 가지며, 선체(10)의 길이 방향을 따라 길게 배치된다.

참고적으로, 도 2에 선체(10)에서 가변핀(100)의 위치를 나타내기 위한 기준 좌표축을 나타내었으며, A.P로 도시한 좌표축의 원점은 선미수선(After Perpendicular, A.P)을 나타낸다. 또한, '스테이션(station)'이란 선체(10)의 길이(즉, 선수수선(Fore Perpendicular, F.P)과 선미수선(A.P) 사이의 수평 거리인 수선간장(Length Between Perpendiculars, LBP)을 20개의 동일한 구간으로 구분하였을 때 각 구간의 경계를 의미하며, 선미가 0 스테이션이 되고 선수가 20 스테이션이 된다. 또한, '선수수선'은 설계수선(design load water line, DLWL)과 선수재 앞면과의 교점을 지나며 설계수선(DLWL)에 수직한 연직선을 말하고, '선미수선(A.P)'은 명확한 타주(rudder post)를 갖는 선박에서는 타주의 뒷면과 설계수선(DLWL)의 교점을 지나는 연직선을 말하고, 나머지 선박에서는 타두재(rudder stock)의 중심선과 설계수선(DLWL)의 교점을 지나는 연직선을 말한다. 그리고 '드래프트(draft)(T)'는 선저(11)에서 설계수선(DLWL)까지의 거리를 말한다.

후방가변핀(120)은 전방가변핀(110)에 비해 선저(11)에서 보다 높은 위치에 구비되며 선박의 운항 방향에 대해 후방인 선미 쪽에 구비된다. 여기서, 후방가변핀(120)을 전방가변핀(110)보다 상부에 구비함으로써 선박의 운항 시 선체(10) 측면에 유체가 유입되어 형성되는 유선이, 도 7에 도시한 바와 같이, 후방으로 갈수 록 선체(10)의 상부를 향하는 방향으로 형성되며, 최종적으로 선체(10)의 선미에서는 추진기보다 상부로 형성된다. 따라서, 선체(10)에 유입된 유체가 선체(10) 표면에서 발생하는 와류(vortex)가 추진기보다 상부로 안내되므로 와류가 추진기로 유입될 때 발생하는 진동 및 소음 발생과 저항 증가를 방지할 수 있다.

상세하게는, 전방가변핀(110)은 x축 위치(S1)가 선체(10)의 길이 방향을 따라 2.5 내지 3.5 스테이션에 구비되고, z 축 위치(H1)는 선체의 높이 방향을 따라 선저(11)로부터 0.05 내지 0.1 드래프트에 구비될 수 있다. 그리고 전방가변핀(110)은 선수 방향의 핀머리에서 선미 방향의 핀꼬리로 갈수록 상부로 경사지게 형성되도록 선체(10)의 선저(11), 또는, x 축에 대해 15 내지 35°의 각도(이하, '피치각(θ1)'이라 한다)로 경사지게 구비된다.

또한, 후방가변핀(120)은 x축 위치(S2)가 선체(10)의 길이 방향을 따라 1 내지 2 스테이션에 구비되고, z 축 위치(H2)는 선체의 높이 방향을 따라 선저(11)로부터 0.1 내지 0.2 드래프트에 구비될 수 있다. 그리고 후방가변핀(120)은 핀머리에서 핀꼬리로 갈수록 상부 방향으로 경사지도록 x 축에 대해 15 내지 35°의 각도(이하, '피치각(θ2)'이라 한다)로 경사지게 구비될 수 있다.

여기서, 후방가변핀(120)은 전방가변핀(110)과 동일한 크기와 형상을 가질 수 있다. 또한, 전방가변핀(110)과 후방가변핀(120)은 서로 동일한 피치각(θ1, θ2)을 갖도록 구비될 수 있다.

그러나 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 가변핀(100)의 형상과 크기는 실질적으로 다양하게 변경 가능하며, 전방가변핀(110)과 후방가변핀(120)은 서로 다른 형상을 가질 수 있으며, 또한, 서로 다른 피치각을 갖도록 구비될 수 있다. 그리고 가변핀(100)의 수나 위치뿐만 아니라 가변핀(100)의 피치각이나 핀길이 및 핀폭 등의 가변핀(100)의 사양도 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다.

또한, 가변핀(100)은 전방 및 후방 2개의 가변핀(110, 120)이 아니라 전방가변핀(110) 또는 후방가변핀(120) 중 일 위치에만 가변핀(100)이 구비될 수 있다. 물론, 이 경우 가변핀(100)은 선체(10)의 양 측면에서 서로 대칭되는 위치에 구비된다. 또는, 가변핀(100)의 수 역시 실질적으로 다양하게 변경될 수 있으며, 전방가변핀(110)과 후방가변핀(120) 외에 추가적으로 하나 이상의 가변핀(100)이 전방가변핀(110)보다 선수 쪽, 또는 후방가변핀(120) 보다 선미 쪽, 또는 전방가변핀(110)과 후방가변핀(120) 사이 위치를 포함하여 실질적으로 다양한 위치에 더 구비될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 전방가변핀(110)과 후방가변핀(120)은 선체(10)의 길이 방향을 따라 길게 배치되므로 전방 및 후방가변핀(110, 120)에서 추진기로 유입되는 유체의 종방향 흐름을 더욱 가속시키며 선체(10)의 측면을 따르는 유선을 더욱 직선화시킴으로써 선체(10)의 저항 성능을 개선하는 데 도움을 준다. 즉, 가변핀(100)에 의해 선체(10)의 유체 정류 효과가 우수하며 유체 흐름 가속이 증가된다.

이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여, 가변핀의 실시예들에 대해 설명한다. 이하에서 설명하는 실시예들은 상술한 전방가변핀(110)과 후방가변핀(120)에 모두 적 용 가능하며, 가변핀을 제외한 나머지 구성요소는 상술한 실시예와 동일하므로 가변핀(100)의 형태 및 구성에 대해서만 설명하며 중복되는 설명은 생략한다.

도 3을 참조하면, 가변핀(100)은 선체(10)의 측면에서 외측으로 소정 높이 돌출 형성된 삼각뿔 형태를 가질 수 있다. 또한, 가변핀(100)은 선체(10)의 길이 방향을 따라 길게 배치되며, 가변핀(100)의 표면은 대략적으로 유선형으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 가변핀(100)은 가변핀(100)의 길이 방향을 따라 후방으로 갈수록 단면적 및 핀폭(W_f)이 증가하는 형태를 가질 수 있다.

상세하게는, 가변핀(100)은 핀길이(L_f)가 수선간장(LBP)의 0.1 내지 10%의 길이를 갖고, 핀폭(W_f)은 수선간장(LBP)의 0.1 내지 1%의 길이를 갖도록 형성될 수 있다.

참고적으로, 핀길이(L_f)는 가변핀(100)의 길이를 의미하며, 핀폭(W_f)은 가변핀(100)이 선체(10) 표면에서 외측으로 돌출되는 높이를 의미한다. 또한, 가변핀(100)의 형태에 따라 핀길이(L_f)와 핀폭(W_f)이 일정하지 않을 경우 평균값을 의미할 수 있다.

여기서, 가변핀(100)의 형태는 도면에 의해 한정되는 것은 아니며 가변핀(100)은 핀길이(L_f) 방향을 따라 소정의 곡선 형태로 연장 형성될 수 있으며, 또한 핀폭(W_f) 역시 평면 형태가 아니라 소정의 곡면 형태로 형성될 수 있다.

한편, 가변핀이 선박의 운항 시 저항에 영향을 줄 수 있는 요인은 가변핀의 위치와 수, 피치각, 형태, 크기 등이 있다. 본 실시예에서는 가변핀(100)의 위치 및 수는 선체(10)의 설계 단계에서 결정되는데, 선박의 운항 조건에 따라 가변핀의 피치각이나 형태, 크기 등을 변경함으로써 다양한 선박의 운항 조건에 대해 적절하게 저항을 감소시킬 수 있다.

이하에서는 이러한 가변핀의 변형 실시 형태에 대한 몇 가지 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

도 4는 피치각을 가변시킬 수 있는 가변핀(200)의 사시도이다. 가변핀(200)은 선박의 운항 조건에 따라 가변핀(200)의 피치각을 조절할 수 있도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 피치각 가변부(211)의 피치각 가변 범위(θv)는 가변핀(200)의 피치각(θ)을 20 내지 40° 사이에서 조절할 수 있다. 또한, 도 9를 참조하면 피치각 가변부(211)는 가변핀(200)의 피치각을 20 내지 32° 사이에서 조절할 수 있다.

여기서, 피치각 가변부(211)는 선박의 적재 또는 하중에 따른 흘수 조건에 따라 가변핀(200)의 피치각을 적절하게 조절할 수 있다. 도 9를 참조하면, 피치각 가변부(211)는 선체(10)의 흘수가 8 내지 12m 일 때 가변핀(200)의 피치각을 20 내지 32° 범위에서 조절할 수 있다. 여기서, 가변핀(200)의 피치각이 작을수록 선체(10)의 저항이 감소된다.

도 4를 참조하면, 가변핀(200)은 선체(10)에 구비된 위치에서 가변핀(200)의 일 위치를 축으로 하는 스윙 가능하도록 구비되며, 선체(10) 내부에는 가변핀(200)의 피치각을 가변시키기 위한 피치각 가변부(211)가 구비된다. 예를 들어, 가변 핀(200)은 핀머리(210a) 부분이 선체(10)에 대해 고정되어 스윙 축이 되고, 핀꼬리(210b)가 핀머리(210a)를 축으로 하여 소정 각도 스윙 회전함에 따라 가변핀(200)의 피치각이 변경된다. 그리고 피치각 가변부(211)는 가변핀(200)의 일 측에 연결되어 가변핀(200)의 스윙 회전을 위한 구동력을 전달하며, 예를 들어, 가변핀(200)을 소정 각도 회전시킬 수 있도록 정역 회전 가능한 모터일 수 있다.

그러나 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 가변핀(200)은 핀꼬리(210b)를 스윙 축으로 하여 핀머리(210a)가 회전하거나, 스윙 축이 가변핀(200)의 길이 방향을 따라 일 위치에 구비될 수 있으며, 실질적으로 다양한 위치에 스윙 축이 구비되어 가변핀(200)의 피치각을 가변시킬 수 있다.

가변핀의 변형 실시예로써, 선박의 운항 조건에 따라 가변핀(300)의 핀폭을 조절할 수 있다. 도 5는 가변핀(300)의 핀폭을 조절할 수 있는 가변핀(300)의 측면도이다. 예를 들어, 핀폭 가변부(311)의 핀폭 가변 범위(W_fv)는 가변핀(300)의 핀폭(W_f)을 수선간장(LBP)의 0.1 내지 0.5%의 범위 내에서 조절할 수 있다.

도 5를 참조하면, 가변핀(300)의 핀폭을 가변시킬 수 있도록 가변핀(300)이 핀폭 방향(즉, 선체(10)에 대해 외측 방향)으로 연장 가능하게 형성된 핀폭 가변부(311)가 구비된다. 예를 들어, 가변핀(300)은 가변핀(300)의 외관을 형성하는 쉘(shell)(310)과 쉘(310)에서 외측으로 연장 가능하게 쉘(310) 내부에 수용되는 핀폭 가변부(311)를 포함하여 구성될 수 있다. 핀폭 가변부(311)는 쉘(310) 내부에 수용 가능한 형태를 가지며 쉘(310)에서 외측으로 연장되어 가변핀(300)의 핀폭 을 증가시킬 수 있도록 형성된다. 여기서, 가변핀(300)은 핀폭 가변부(311)가 연장된 상태에서 핀폭 가변부(311)와 쉘(310)의 경계 부분에서 와류 발생 및 저항 증가를 억제할 수 있도록 핀폭 가변부(311)가 쉘(310)에서 연속된 표면을 형성하도록 연장되는 형태를 갖는다.

그리고 선체(10) 내부에는 가변핀(300) 또는 핀폭 가변부(311)와 연결되어 핀폭 가변부(311)를 쉘(310)에서 연장시키거나 쉘(310) 내부로 수용하도록 핀폭 가변부(311)를 구동시키는 구동부(312)가 구비된다. 예를 들어, 구동부(312)는 선체(10) 내부에 구비되며, 모터 또는 유압 장치와 같이 핀폭 가변부(311)에 구동력을 전달할 수 있는 장치가 핀폭 가변부(311) 또는 가변핀(300) 일 측에 연결되어 핀폭 가변부(311)를 구동시킴에 따라 가변핀(300)의 핀폭을 선택적으로 조절할 수 있다.

그러나 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며 핀폭 가변부(311)의 형상과 위치 및 핀폭 가변부(311)에서 가변 시킬 수 있는 핀폭의 범위는 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다. 또한, 핀폭 가변부(311)는 핀폭을 감소시키도록 가변핀(300) 내부로 수용되는 형태를 가질 수 있다.

또한, 핀폭 가변부(311)는 가변핀(300)의 핀길이 전체에 대해 구비되어 가변핀(300) 전체에 대해 핀폭을 가변시킬 수 있도록 형성되거나, 가변핀(300) 중 일부 위치에만 구비되어 가변핀(300)의 일부에 대해서만 핀폭을 변경시킬 수 있도록 형성되는 것도 가능하다. 예를 들어, 가변핀(300)은 핀꼬리 부분의 일부 영역 또는 핀머리 부분의 일부 영역에 핀폭 가변부(311)가 구비되어 해당 부분의 가변핀(300) 의 핀폭을 조절함으로써 선체(10)의 저항을 감소시킬 수 있다. 여기서, 가변핀(300)의 일부에 핀폭 가변부(311)가 구비되는 경우에는 선박의 운항 방향을 따라 가변핀(300)의 형상을 변경시킬 수 있는 효과가 있다.

다음으로, 가변핀의 다른 실시예로써, 가변핀(400)의 핀길이를 조절할 수 있는 가변핀(400)이 도 6에 도시되어 있다. 예를 들어, 핀길이 조절부(411)의 핀길이 가변 범위(L_fv)는 가변핀(400)의 핀길이(L_f)를 수선간장(LBP)의 0.1 내지 1%의 범위 내에서 조절할 수 있다.

도 6을 참조하면, 가변핀(400)의 핀꼬리(410b) 부분에서 후방으로 연장 가능한 핀길이 가변부(411)가 구비될 수 있다. 예를 들어, 가변핀(400)은 외관을 형성하는 쉘(410)과 쉘(410) 내부에 출입 가능하게 수용된 핀길이 가변부(411)로 구성될 수 있다. 여기서, 핀길이 가변부(411)는 연장되었을 때, 핀길이 가변부(411)와 쉘(410)의 경계 부분에서 와류 또는 저항이 발생하는 것을 억제할 수 있도록 쉘(410)과 연속된 표면을 형성하도록 연장될 수 있는 형태를 갖는다.

그리고 선체(10) 내부에는 핀길이 가변부(411)의 구동을 위한 구동부(미도시)가 구비될 수 있다. 예를 들어, 핀길이 가변부(411)의 구동부는 모터 또는 유압장치일 수 있으며, 가변핀(400) 또는 핀길이 가변부(411) 일 측에 연결되어 핀길이 가변부(411)를 쉘(410)에서 출입시킴에 따라 가변핀(400)의 핀길이를 조절할 수 있다.

그러나 가변핀(400) 및 핀길이 가변부(411)가 도면에 의해 한정되는 것은 아 니며, 가변핀(400)의 핀길이를 가변시킬 수 있는 실질적으로 다양한 형상을 가질 수 있다. 일 예로, 핀길이 가변부(411)은 가변핀(400)의 핀머리(410a) 부분에서 가변핀(400)의 전방으로 연장 가능하게 형성되는 것도 가능하다.

한편, 전방가변핀(110)과 후방가변핀(120)은 상술한 피치각 가변부(211), 핀폭 가변부(311) 및 핀길이 가변부(411)(이하, 통칭하여 '가변부(211, 311, 411)'라 한다) 중 적어도 하나의 가변부(211, 311, 411)가 구비될 수 있다. 그리고 전방가변핀(110)과 후방가변핀(120)은 서로 동일한 형태를 갖고 동일한 가변부(211, 311, 411)가 구비될 수 있다. 여기서 전방가변핀(110)과 후방가변핀(120)은 동일하게 핀길이나 핀폭 또는 피치각이 조절되거나 선박의 운항 조건에 따라 적절하게 서로 다르게 조절되는 것도 가능하다.

이와는 다르게, 전방가변핀(110)과 후방가변핀(120)은 서로 다른 형태를 갖는 것도 가능하다. 그리고 전방가변핀(110)과 후방가변핀(120)이 서로 다른 가변부(211, 311, 411)가 구비되어 서로 독립적으로 핀길이나 핀폭 또는 피치각이 조절되는 것도 가능하다.

이하에서는 도 7 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방가변핀(110)과 후방가변핀(120)이 구비된 선체(10)에 대한 수치해석 결과에 대해 설명한다. 여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방가변핀(110)과 후방가변핀(120)이 구비된 선박을 '실시예'라 하고, 핀이 구비되지 않은 선박(bare hull)을 'bare hull'이라 한다.

도 7은 실시예와 bare hull의 CFD(computation fluid dynamics) 분석 결과를 도시한 그래프이다. 도 7의 그래프에서 bare hull의 분석결과는 검은색 실선으로 도시하였고, 실시예의 분석결과는 붉은색 실선으로 도시하였다. 또한, 도 7에서 선박의 상부에서 하부로 향하는 다수의 곡선은 등압력선을 나타내고, 등압력선은 선미 방향으로 갈수록 큰 압력 값을 갖는다. 그리고 도 7에서 선수에서 선미 방향으로 가로지르는 화살표는 유선을 나타낸다.

우선, 등압력선 분포를 살펴보면, 실시예가 bare hull에 비해 선수 쪽에 등압력선이 나타나므로, 선박의 같은 위치에서 bare hull에 비해 압력이 작은 것을 알 수 있으며, 특히, 점선 동그라미로 표시한 부분을 보면 실시예가 bare hull에 비해 압력저항이 개선된 것을 알 수 있다.

또한, 실시예는 등압력선의 분포가 선수보다 선미에서 조밀하게 형성되어 있는데, 이는 선미에서 압력의 분포가 선수보다 조밀할수록 선박을 선수 방향으로 미는 힘이 증가하는 것을 의미하며, 이로 인해 선박 운항 시 압력저항이 감소하는 효과가 있으며, 선박의 운항 속도와 추진 효율을 향상시킬 수 있다.

다음으로, 유선을 살펴보면, 실시예가 bare hull에 비해 유선이 더 직선에 가까운 것을 알 수 있다. 참고적으로, 유선이 직선에 가까울수록 선박의 압력저항을 저감시키는 데 효과적이다.

또한, 실시예는 선수에서 선미로 갈수록 유선이 선박의 상부 쪽으로 형성되며, 특히, 선미 부분에서 유선이 추진기 상부로 유출되도록 형성되는 데 반해, bare hull의 경우에는 유선이 선저(11) 쪽으로 형성되는 것을 알 수 있다. 즉, 실 시예는 유선이 선박 상부 쪽으로 형성되므로 선체(10) 표면에서 발생하는 와류(vortex)가 추진기보다 상부로 흐르게 되어 추진기로 와류가 유입되는 것을 방지하고, 와류로 인한 추진기의 진동 발생을 억제하여 진동을 억제하는 효과가 있다.

도 8은 실시예와 bare hull에서 추진기로 유입되는 유체의 속도를 도시한 그래프이다. 도 8에의 그래프에서 좌측 반원 내부는 bare hull에서의 유체 속도 분포를 도시하였고 우측 반원 내부는 실시예의 유체 속도 분포를 도시하였다.

도 8에 도시한 바와 같이, bare hull은 0.35 내지 0.45의 유속을 나타내는 데 반해, 실시예는 0.4 내지 0.5의 유속을 나타내므로 bare hull에 비해 유속이 더 빠른 것을 알 수 있다. 참고적으로, 추진기로 유입되는 유속이 증가할수록 추진기에서 캐비테이션(cavitation)을 감소시킬 수 있으며 캐비테이션으로 인한 진동 발생을 억제할 수 있다. 즉, 실시예가 bare hull에 비해 유속이 더 빠르므로 캐비테이션 및 캐비테이션으로 인한 진동을 효과적으로 억제할 수 있음을 알 수 있다.

또한, 도 8에서 유속선의 분포 형태를 통해 추진기 상부의 유속이 하부의 유속에 비해 빠르며, 또한, bare hull에 비해 실시예가 하부와 상부의 유속 차가 크게 발생하는 것을 알 수 있다. 이와 같은 결과를 통해 bare hull에 비해 실시예의 반류분포가 향상된 것을 알 수 있다.

도 9는 가변핀(100)의 피치각을 조절하였을 때 흘수에 따른 선체(10)의 저항 감소율을 나타내는 그래프로서, 흘수가 만선, 12m, 10m, 8m 조건에서 가변핀(100)의 피치각을 25°, 32°, 40°로 변경하였을 때의 저항 감소율(%)을 나타내는 그래프이다.

도 9를 참조하면, 제일 좌측 막대 그래프가 만선일 때의 저항 감소율을 나타내는 그래프로써, 흘수가 16m이고 가변핀(100)의 피치각이 32°일 때 저항 감소율은 3.27%이다.

다음으로, 흘수가 12m일 때의 그래프를 살펴보면, 가변핀(100)의 피치각이 32°일 때 저항 감소율은 2.94%이다. 가변핀(100)의 피치각을 40°로 변경하면 저항 감소율이 2.93%로 32°에서의 저항 감소율과 차이가 없는 데 반해, 피치각을 25°로 변경하는 경우에는 저항 감소율이 4.65%로 크게 증가됨을 알 수 있다.

다음으로, 흘수가 10m일 때의 그래프를 살펴보면, 가변핀(100)의 피치각이 32°일 때 저항 감소율은 3.52%이고, 피치각이 40°일 때는 저항 감소율이 2.82%로 32°일 때에 비해 저항 감소율이 감소되고, 피치각을 25°로 변경하는 경우에는 저항 감소율이 4.62%로 크게 증가됨을 알 수 있다.

그리고 흘수가 8m일 때의 그래프를 살펴보면, 가변핀(100)의 피치각이 32°일 때 저항 감소율은 2.94%이고, 피치각이 40°일 때는 저항 감소율이 2.78%로 32°일 때에 비해 저항 감소율이 소폭 감소되는데 반해, 피치각을 25°로 변경하는 경우에는 저항 감소율이 4.53%로 크게 증가됨을 알 수 있다.

도 9를 통해서 알 수 있는 바와 같이, 가변핀(100)을 설치함으로써 선박의 저항을 줄일 수 있는데, 가변핀(100)의 피치각을 조절함에 따라 선체(10)의 저항이 달라지는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 피치각을 40°에서 25°로 변경하는 경우(즉, 가변핀(100)의 피치각을 줄이는 경우) 선박의 저항 감소율이 크게 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서, 피치각 가변부는 선박의 흘수가 만선일 때 보다 낮아지 면 만선일 때의 흘수보다 20 내지 25% 만큼 상기 가변핀의 선저에 대한 피치각을 감소시키도록 설정되는 것이 바람직하다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변핀이 구비된 선박의 요부를 도시한 사시도;

도 2는 도 1의 가변핀이 구비된 선박의 측면도;

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변핀의 사시도;

도 4는 가변핀의 변형 실시예로서 피치각 조절이 가능한 가변핀의 사시도;

도 5는 가변핀의 다른 변형 실시예로서 핀폭 조절이 가능한 가변핀의 측면도;

도 6은 가변핀의 또 다른 변형 실시예로서 핀길이 조절이 가능한 가변핀의 사시도;

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변핀이 구비된 선박과 핀이 구비되지 않은 선박(bare hull)의 CFD(computation fluid dynamics) 분석 결과를 도시한 그래프;

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변핀이 구비된 선박과 bare hull에서 추진기로 유입되는 유체의 속도 분포를 도시한 그래프;

도 9는 가변핀의 피치각을 조절하였을 때 선박의 흘수에 따른 선박의 저항 감소율(%)을 해석한 결과 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 선체 11: 선저

100, 200, 300, 400: 가변핀 110: 전방가변핀

120: 후방가변핀 210a, 410a: 핀머리

210b, 410b: 핀꼬리 310, 410: 쉘(shell)

211: 피치각 가변부 212: 구동부

311: 핀폭 가변부 312: 구동부

411: 핀길이 가변부

Claims

선체에서 선미 부분 일 측에 구비되며, 상기 선체 외측으로 돌출 형성되어 상기 선체의 운항 방향을 따라 적어도 하나 이상의 가변핀(variable fin)이 구비되고,

상기 가변핀의 일 측에는 상기 가변핀의 핀폭을 조절할 수 있는 핀폭 가변부, 상기 가변핀의 핀길이를 조절할 수 있는 핀길이 가변부, 및 상기 가변핀이 상기 선체의 선저에 대한 피치각을 조절하는 피치각 가변부 중 어느 하나 이상이 구비되며,

상기 피치각 가변부는 상기 가변핀의 선수 쪽 핀머리 부분 또는 선미 쪽의 핀꼬리 부분을 축으로 하여 상기 가변핀을 스윙하도록 구비되며,

상기 피치각 가변부는 상기 선박의 흘수가 만선일 때 보다 낮아지면 상기 가변핀의 선저에 대한 피치각을 20 내지 25% 만큼 감소되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 가변핀을 구비하는 선박.
제1항에 있어서,

상기 가변핀은 상기 선체의 운항 방향을 따라 선두 쪽에 구비된 적어도 하나 이상의 전방가변핀과 상기 전방가변핀보다 후방인 선미 쪽에 구비된 적어도 하나 이상의 후방가변핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변핀을 구비하는 선박.
제2항에 있어서,

상기 전방가변핀은 상기 선체의 길이 방향을 따라 2.5 내지 3.5 스테이션(station)에 구비되고, 상기 선체의 높이 방향을 따라 선저에서 0.05 내지 0.1 드래프트(draft)에 구비되고, 상기 선저에 대해 15 내지 35°의 피치각으로 구비되고,

상기 후방가변핀은 상기 선체의 길이 방향을 따라 1 내지 2 스테이션 사이에 구비되고, 상기 선체의 높이 방향을 따라 선저에서 0.1 내지 0.2 드래프트에 구비되고, 상기 선저에 대해 15 내지 35°의 피치각으로 구비된 것을 특징으로 하는 가변핀을 구비하는 선박.
제2항에 있어서,

상기 가변핀은 각뿔 또는 유선형 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 가변핀을 구비하는 선박.
제2항에 있어서,

상기 전방가변핀 및 상기 후방가변핀은 동일한 크기와 형상을 갖고,

상기 전방가변핀 및 상기 후방가변핀은 핀길이가 선체 길이의 0.1 내지 10%의 길이를 갖고, 핀폭이 선체 길이의 0.1 내지 1%의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 가변핀을 구비하는 선박.
제2항에 있어서,

상기 핀길이 가변부는 상기 선체의 수선간장(LBP)의 0.1 내지 1%의 범위 내에서 상기 가변핀의 핀길이를 연장 가능하게 형성된 것을 특징으로 하는 가변핀을 구비하는 선박.
제2항에 있어서,

상기 핀폭 가변부는 상기 선체의 수선간장(LBP)의 0.1 내지 0.5%의 범위 내에서 상기 가변핀의 핀폭을 연장 가능하게 형성된 것을 특징으로 하는 가변핀을 구비하는 선박.