KR101225147B1 - 보스 캡 및 이를 구비한 선박 - Google Patents

Abstract

보스 캡 및 이를 구비한 선박이 개시된다.　 개시된 보스 캡은 허브 및 허브의 원주상에 복수개의 날개가 형성된 프로펠러가 보스의 축상에 설치된 상태에서 보스의 단부에 결합되는 보스 캡에 있어서, 중앙부에 홀이 형성되며, 홀에 삽입되어 보스의 단부에 체결되는 체결부재에 의해 보스에 회전 가능하게 결합되는 캡 몸체와, 캡 몸체와 보스 사이에 설치된 베어링과, 캡 몸체의 원주상에 설치된 핀날개를 포함한다.

Description

보스 캡 및 이를 구비한 선박 {BOSS CAP AND SHIP HAVING THE SAME}

본 발명은 보스 캡 및 이를 구비한 선박에 관한 것이다.

일반적으로 선박에는 추진력을 얻기 위해 설치되는 추진기로서 프로펠러(propeller)가 사용되고 있다.　 이 프로펠러는 선체의 외측으로 돌출된 보스축의 둘레에 복수의 날개가 설치되며, 이들을 회전시킴에 따라 발생하는 압력차에 의해 추진력을 얻고 있다.

그런데, 이러한 프로펠러의 회전시 프로펠러의 후방 중앙부에 허브 와류(hub vortex)가 집중 발생된다.　 이러한 허브 와류는 선박 추진기의 효율을 감소시키고, 추진기 자체의 진동 및 소음을 발생시키는 요인이 되며, 이러한 허브 와류에 의해 발생된 캐비테이션(cavitation)에 의해 프로펠러의 후방측에 설치된 러더(rudder)에 침식을 발생시키는 요인이 되고 있다.

이에 따라 종래에는 보스의 단부에 보스 캡(boss cap)을 설치하여 프로펠러에서 발생하는 허브 와류를 저감시키고 있다.

이러한 보스 캡(20)의 일례로 도 1에 도시된 바와 같이, 핀들이 들어있는 스크루우 프로펠러 보스 캡이 일본특개소62-175769호(특내특허공보 10-1997-00169호)로 개시되었다.　 여기서, 보스 캡(20)은 프로펠러(10)의 후방에서 보스 상에 장착된 캡 몸체(22)와, 캡 몸체(22)에 장착된 복수의 핀날개(24)를 포함한다.

그러나, 종래의 보스 캡(20)은 캡 몸체(22)가 보스에 고정 설치되어 있으며, 프로펠러(10)의 주날개(12)와 보스 캡(20)의 핀날개(24)가 동일한 속도로 회전한다.　 이에 따라 종래에는 프로펠러(10)의 주날개(12)에 의해 발생된 수류로 인해 오히려 보스 캡(20)의 핀날개(24)를 통과하는 과정에서 저항이 발생되어 추진력을 떨어뜨리는 요인이 되고 있다.

또한, 종래의 보스 캡(20)은 캡 몸체(22)에 설치된 핀날개(24)의 각도에 따라 캐비테이션의 감쇠효율에 차이가 발생한다.　 이에 따라 종래의 보스 캡(20)은 선형과 프로펠러(10)의 크기, 형상 등에 따라 매번 설계를 수행하고 모형시험 등을 통하여 성능을 검증해야 하는 문제가 있고, 보스 캡(20)의 설계변경에 따라 성능을 검증하기 위한 과정을 되풀이해야 하므로 실질적으로 적용이 어려운 문제가 있다.　 또한, 이러한 보스 캡(20)은 캡 몸체(22) 및 핀날개(24)가 주조공정에 의해 일체로 제조되고 있으며, 높은 정도의 치수 관리가 어려운 문제가 있다.

본 실시예는 프로펠러의 회전시 발생되는 허브 와류의 집중을 효과적으로 방지하며, 프로펠러의 회전으로 인한 진동 및 소음을 감소시키고, 캐비테이션의 발생을 방지하며, 설계 및 적용이 용이한 보스 캡 및 이를 구비한 선박을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 보스 캡은 허브 및 허브의 원주상에 복수개의 날개가 형성된 프로펠러가 보스의 축상에 설치된 상태에서 보스의 단부에 결합되는 보스 캡에 있어서, 중앙부에 홀이 형성되며, 홀에 삽입되어 보스의 단부에 체결되는 체결부재에 의해 보스에 회전 가능하게 결합되는 캡 몸체와, 캡 몸체와 보스 사이에 설치된 베어링과, 캡 몸체의 원주상에 설치된 핀날개를 포함한다.

핀날개의 반경은 프로펠러의 날개 반경의 20% 이하일 수 있다.

핀날개의 개수는 프로펠러의 날개 수의 1배수 초과 2배수 이하이고, 핀날개의 개수 또는 프로펠러 날개의 개수 중 어느 하나는 소수일 수 있다.

핀날개는 선체의 진행방향에 대해 전연의 전면 및 후면이 볼록한 캠버각을 갖는 수중익 날개형상을 할 수 있다.

핀날개는 선체의 진행방향에 대해 전연의 후면이 볼록한 캠버각을 갖는 수중익 날개형상을 포함할 수 있다.

베어링은 레이디얼 베어링 또는 엥글러 베어링일 수 있다.

캡 몸체는 전연부의 직경이 프로펠러의 허브 직경과 동일하게 형성되고, 후단으로 갈수록 단면적이 작게 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 보스 캡을 구비한 선박은 선체와, 선체의 추진축에 연결된 보스와, 보스에 결합된 프로펠러와, 프로펠러가 개재된 보스의 후단에 회전 가능하게 설치되어 중앙부에 홀이 형성되며, 홀에 삽입되어 보스의 단부에 체결되는 체결부재에 의해 보스에 회전 가능하게 결합되는 캡 몸체와, 캡 몸체와 보스 사이에 설치된 베어링과, 캡 몸체의 원주상에 설치된 핀날개를 포함하는 보스 캡을 포함할 수 있다.

따라서, 프로펠러의 회전시 발생되는 허브 와류의 집중을 효과적으로 분산시킬 수 있고, 진동 및 소음을 감소시킬 수 있으며, 캐비테이션의 발생을 방지할 수 있다.　 이에 따라 프로펠러에 의해 발생된 유류에 대한 항력을 최소화시킬 수 있고, 추진효율을 향상시킬 수 있다.　 또한, 보스 캡이 자유롭게 회전할 수 있으므로 설계오차 또는 제작오차 등에 대한 민감도가 낮아 적용이 쉽고, 선박의 종류, 형태 또는 크기 등에 따라 표준화가 가능하다.

도 1은 종래 기술에 따른 핀들이 들어있는 스크루우 프로펠러 보스 캡을 도시한 정면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보스 캡을 구비한 선박의 측면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보스 캡의 정면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 보스 캡의 측면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 보스 캡의 단면도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 보스 캡의 정면도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 보스 캡의 측면도.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.　

이하, 본 발명에 따른 보스 캡 및 이를 구비한 선박의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보스 캡을 구비한 선박의 측면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보스 캡의 정면도이다.　 또한, 도 4와 도 5는 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 보스 캡의 측면도 및 단면도이다.

도 2 내지 도 5를 참고하면, 본 실시예에 따른 선박(50)은 선체(52)와, 러더(56)와, 프로펠러(60)와, 보스 캡(70)을 포함할 수 있다.

본 실시예에서 선박(50)은 선체(52)를 포함하며, 이 선체(52)의 선미부에는 추진축에 연결된 보스(54)가 연장 설치된다.

그리고, 보스(54)에는 수류에 항력을 발생시켜 추진력을 얻기 위한 프로펠러(60)가 설치된다.

프로펠러(60)는 허브(62)와, 이 허브(62)의 원주상에 설치되는 복수개의 날개(64)로 이루어진다.　 각 프로펠러(60)의 날개(64)는 허브(62)의 반경방향으로 소정의 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.　

이러한 프로펠러(60)는 선체(52)측에서 돌출된 보스(54) 상에 허브(62)가 결합되어 설치되며, 보스(54)와 함께 회전이 이루어진다.

프로펠러(60)의 후방측에는 러더(56)가 배치된다.　 러더(56)는 선체(52)의 선미부에 회전 가능하게 설치되며, 프로펠러(60)에 의해 발생하는 수류의 이동을 안내하여 선체(52)의 진행방향을 조정할 수 있다.

프로펠러(60)의 날개(64)는 선체(52)의 진행방향에 대해 앞부분을 전연이라 하며, 뒷부분은 후연으로 구분된다.

이때, 프로펠러(60)의 날개(64)는 선체(52)의 진행방향에 대해 전연의 전면이 볼록한 캠버각을 갖도록 형성될 수 있다. 이에 따라 비스듬하게 입사하는 입사류(L1)에 대해 선체(52)에 전방으로 작용하는 양력(Y1)을 발생시킬 수 있다.

그리고, 프로펠러(60)가 보스(54) 상에 끼워진 상태에서 보스(54)의 후단에는 보스 캡(70)이 설치된다.

본 실시예에서 보스 캡(70)은 보스(54)의 후단부에 회전 가능하게 결합되며, 프로펠러(60)의 회전시 발생된 수류에 의해 회전하며 허브 와류를 상쇄시킨다.

일례로, 보스 캡(70)은 보스(54)의 후단부에 회전 가능하게 결합되는 캡 몸체(72)와, 이 캡 몸체(72)의 원주상에 설치된 복수의 핀날개(74)를 포함할 수 있다.

또한, 캡 몸체(72)의 중앙부에는 볼트(78)와 같은 체결부재를 삽입하기 위한 홀(76)이 형성된다.　 그리고, 이 홀(76)을 통해 삽입되는 볼트(78)는 보스(54)의 후단부에 체결되며 캡 몸체(72)를 지지하게 된다.

여기서, 홀(76)에는 단차부(76a)가 형성되며, 볼트(78)의 머리부가 이 단차부에 걸리며 캡 몸체(72)를 지지할 수 있다.

한편, 보스(54)는 프로펠러(60)의 허브(62) 단부에서 더 돌출될 수 있고, 캡 몸체(72)는 돌출된 보스(54)의 단부를 감싸도록 전연부(72a)가 단차지게 돌출될 수 있다.

그리고, 보스(54)와 캡 몸체(72)의 전연부(72a) 사이에는 원활한 회전을 위해 베어링(bearing)(73)이 설치될 수 있다.

일례로 베어링(73)은 축에 대하여 직각방향의 하중을 받는 레이디얼 베어링(Radial bearing)일 수 있다.

한편, 캡 몸체(72)는 체결부재에 의해 보스축에 가압되는바, 베어링(73)은 축방향 및 축의 직각방향에 대한 합성하중을 받는 엥글러 베어링(Angular bearing)으로 이루어지는 것도 가능하다.　 여기서, 엥글러 베어링은 합성하중을 받는 베어링(73)의 일례로, 원추 베어링 또는 테이퍼 베어링 등이 사용되는 것도 가능하다.

또한, 캡 몸체(72)는 전연부의 직경이 프로펠러(60)의 허브(62) 직경과 동일하게 형성될 수 있으며, 후단으로 갈수록 단면적이 작게 형성될 수 있다.　 일례로 캡 몸체(72)는 전체적인 형상이 절두 원추형으로 형성되며, 이에 따라 후방으로 발생되는 허브 와류를 감소시킬 수 있다.

본 실시예에서, 핀날개(74)의 반경은 허브 와류가 집중적으로 분포하는 영역에 위치되며, 일례로 핀날개(74)의 반경은 프로펠러(60) 반경의 20% 이하로 형성될 수 있다.

또한, 핀날개(74)는 선체(62)의 진행방향에 대해 앞부분을 전연이라 하며, 뒷부분은 후연으로 구분된다.

또한, 핀날개(74)는 프로펠러(60)에 의해 발생된 허브 와류(L2)와 먼저 닿게 되는 전연의 전면 및 후면이 볼록한 캠버각을 갖도록 형성될 수 있다.

이에 따라 보스 캡(70)은 프로펠러(60)의 회전시 발생하는 수류에 의해 자유롭게 회전하게 되며, 이 과정에서 항력이 최소화되는 윈드밀 효과(wind milling effect)를 높일 수 있다.

즉, 프로펠러(60)를 지나는 허브 와류(L2)는 핀날개(74)에 입사각을 가지고 유입되며, 이 허브 와류(L2)에 의해 양력(Y2)이 발생한다. 이 양력은 회전방향 부분이 핀 날개를 회전시키는 토오크(torque)로 작용한다. 이에 따라 보스 캡(70)이 회전하게 되는데, 이에 보스 캡(70)이 자유롭게 회전하게 되면 구속되어 회전하지 않는 상태에 비하여 핀날개(74)에 작용하는 항력이 감소하게 된다.

또한, 프로펠러(60)의 회전에 의해 발생된 허브 와류가 보스 캡(70)을 통과하는 과정에서 흩어져 버리게 되며, 이에 따라 허브 와류에 의한 항력을 최소화시킬 수 있다. 즉 핀날개(74)를 지나는 와류는 프로펠러(60)에서의 와류의 방향과 반대로 생성된다. 따라서, 캡몸체(72)의 후방 부근의 와류 세기가 감소하며, 이에 따라 프로펠러 와류에 의해 손실되는 회전에너지를 감소시킴으로써 추진효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 실시예에서 핀날개(74)는 캡몸체(72)의 중심축을 통과하는 선(C)에 대해 소정의 각도로 어긋나게 설치될 수 있으며, 이에 따라 핀날개(74)에 의해 와류 분산효과를 더욱 크게 할 수 있다.

또한 본 실시예에서 보스 캡(70)의 핀날개(74) 개수는 5개가 형성된 것으로 설명하고 있으나, 핀날개(74)의 개수는 한정되지 않으며 선박(50)의 종류 또는 프로펠러(60)의 크기 등에 의해 다양하게 변형될 수 있다.

일례로, 보스 캡(70)은 프로펠러(60)의 후방에서 회전하므로 프로펠러(60)의 날개(64)수와 보스 캡(70)의 핀날개(74)수가 같을 경우, 공조 현상이 발생할 수 있다.

따라서, 보스 캡(70)의 핀날개(74) 수를 프로펠러(60) 날개(64)수와 다르게 형성할 수 있다.　 이때, 보스 캡(70)의 핀날개(74) 수는 프로펠러(60)의 날개(64)수와 겹쳐지는 것을 최소화하며 보스(54)의 단부로 집중되는 허브 와류를 효과적 분산시키기 위해 프로펠러(60)의 날개(64)수 보다 많게 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 보스 캡(70)의 핀날개(74) 수가 프로펠러(60)의 날개(64) 수에 비해 필요이상 많게 되면, 핀날개(74)에 의해 저항이 증가되어 선박(50)의 추력을 떨어뜨리므로 프로펠러(60)의 날개(64)수에 대해 적정한 개수의 핀날개(74) 수를 갖도록 하는 것이 바람직하다.

일례로 보스 캡(70)의 핀날개(74) 수는 프로펠러(60)의 날개(64)수의 1배수를 초과하며 2배수 이하로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 보스 캡(70)의 핀날개(74) 수 또는 프로펠러(60) 날개(64)수 중 어느 하나는 소수로 형성될 수 있다. 이와 같이 프로펠러(60)의 날개(64)수 또는 보스 캡(70)의 핀날개(74)수 중 어느 하나가 소수로 이루어질 경우, 보스 캡(70)의 핀날개(74)와 프로펠러(60)의 날개(64)는 서로 하나 이상 겹치지 않게 되며, 이에 따라 캐비테이션의 감쇠효과를 증가시킬 수 있다.

일례로, 프로펠러(60)의 날개(64)수가 4개로 형성될 경우, 보스 캡(70)의 핀날개(74)는 5 또는 7개로 형성될 수 있다.　 또한, 프로펠러(60)의 날개(64)수가 5개로 형성될 경우, 보스 캡(70)의 핀날개(74)는 6, 7, 8 및 9 중 어느 하나로 형성될 수 있다.　 또한, 프로펠러(60)의 날개(64)수가 6개로 형성될 경우, 보스 캡(70)의 핀날개(74)는 7 또는 11개로 형성될 수 있다.

본 실시예에서 보스 캡(70)은 프로펠러(60)에 의해 발생된 수류에 의해 자연스럽게 회전하므로, 핀날개(74)의 형상이나 수치, 설계오차 등에 대해 허브 와류를 분산시키는 효율이 크게 변하지 않는다.　 또한, 본 실시예의 보스 캡(70)은 정밀한 설계를 필요로 하지 않고, 선박(50)의 종류에 따라 표준화가 가능하다.

한편, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 보스 캡의 정면도이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 보스 캡의 측면도이다.

도 6과 도 7을 참고하면, 보스 캡(170)은 캡몸체(172)와 이 캡몸체(172)에 설치된 복수의 핀날개(174)를 포함할 수 있다.

보스캡(170)은 보스축의 단부에 자유 회전이 가능하도록 설치될 수 있다.

또한, 핀날개(174)는 와류 분산효과를 더욱 크게하기 위해 캡몸체(172)의 중심축을 통과하는 선(C)에 대해 소정의 각도로 어긋나게 설치될 수 있다.

또한, 보스캡(170)은 핀날개(174)의 형상이 캠버를 갖도록 형성될 수 있다. 일례로, 프로펠러(60)는 선체(52)의 진행방향에 대해 전연의 전면이 볼록한 캠버각을 갖도록 형성될 수 있고, 핀날개(174)는 선체(52)의 진행방향에 대한 전연의 전면은 평평하며 그 반대면인 후면은 볼록한 캠버각을 갖도록 형성될 수 있다.

이와 같이 핀날개(174)는 프로펠러(60)의 날개(64)와 반대 형상의 캠버각을 갖도록 형성되며, 이에 따라 입사류(L2)에 대해 후방으로 양력(Y2)이 발생하게 된다.

또한, 본 실시예와 같이 캠버를 갖는 핀날개(174)는 캠버가 없는 핀날개에 비해 입사류(L2)에 대한 양력이 더욱 증가하게 되며, 따라서 보스캡(170)의 회전속도가 증가하게 된다. 이와 같이 보스캡(170)의 회전 속도가 증가하게 되면 프로펠러 허브 와류를 상쇄시키는 효과도 더욱 커지게 되어, 추진효율을 향상시키는 작용을 하게 된다.

전술된 바와 같이 구성된 보스 캡(70) 및 이를 구비한 선박(50)의 작용을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 선박(50)의 엔진이 작동하면, 이와 연결되어 선체(52)의 외측으로 돌출된 추진축이 회전하게 된다.　 그리고, 이 추진축과 함께 프로펠러(60)가 회전함에 따라 수류가 발생된다.

이때, 프로펠러(60)의 후방 중앙부에는 허브 와류(hub vortex)가 집중 발생하게 된다.　

한편, 프로펠러(60)의 회전에 의해 발생한 수류는 보스 캡(70)으로 흐르게 되고, 보스 캡(70)의 원주상에 설치된 핀날개(74)가 수류에 닿게 됨에 따라 캡 몸체(72)와 함께 회전한다.

캡 몸체(72)는 베어링(73)에 의해 보스(54)에 지지되어 원활한 회전이 가능하며, 중앙부에 설치된 홀(76)을 통해 보스(54)에 체결된 체결부재인 볼트(78)에 의해 결합상태를 유지할 수 있다.

이와 같이 보스 캡(70)이 회전하면 핀날개(74)에 의해 프로펠러(60)의 후방 중앙부에 발생하는 허브 와류를 주변으로 분산시킬 수 있으며, 이에 따라 프로펠러(60)의 후방으로 발생하는 캐비테이션 현상을 억제할 수 있다.

이와 같이 본 실시예의 보스 캡이 구비된 선박은 추력에 대한 모형 시험 결과, 보스 캡의 항력 감소효과가 약 1 내지 3% 정도 발생할 수 있고, 프로펠러의 추진효율에 의해 2 내지 4% 정도의 추력 증가 효과를 얻을 수 있다.　 따라서, 보스 캡이 구비된 선박은 전체적으로 약 3 내지 5% 정도의 추력 증가 효과를 얻을 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

50 : 선박　　　　 52 : 선체
54 : 보스　　　　 56 : 러더
60 : 프로펠러　　　　 62 : 허브
64 : 날개　　　　 70 : 보스 캡
72 : 캡 몸체　　　　 73 : 베어링
74 : 핀날개　　　　 76 : 홀

Claims (8)

1. 허브 및 상기 허브의 원주상에 복수개의 날개가 형성된 프로펠러가 보스의 축상에 설치된 상태에서 상기 보스의 단부에 결합되는 보스 캡에 있어서,
   중앙부에 홀이 형성되며, 상기 홀에 삽입되어 상기 보스의 단부에 체결되는 체결부재에 의해 상기 보스에 회전 가능하게 결합되는 캡 몸체와,
   상기 캡 몸체와 상기 보스 사이에 설치된 베어링과,
   상기 캡 몸체의 원주상에 설치된 핀날개를 포함하며,
   상기 보스 캡은 상기 프로펠러의 회전시 발생하는 수류에 의해 자유롭게 회전하는 것을 특징으로 하는 보스 캡.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 핀날개의 반경은 상기 프로펠러의 날개 반경의 20% 이하인 것을 특징으로 하는 보스 캡.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 핀날개의 개수는 상기 프로펠러의 날개 수의 1배수 초과 2배수 이하이고, 상기 핀날개의 개수 또는 상기 프로펠러 날개의 개수 중 어느 하나는 소수인 것을 특징으로 하는 보스 캡.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 핀날개는 선체의 진행방향에 대해 전연의 전면 및 후면이 볼록한 캠버각을 갖는 수중익 날개형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 보스 캡.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 핀날개는 선체의 진행방향에 대해 전연의 후면이 볼록한 캠버각을 갖는 수중익 날개형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 보스 캡.
   
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 베어링은 레이디얼 베어링 또는 엥글러 베어링인 것을 특징으로 하는 보스 캡.
   
7. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 캡 몸체는 전연부의 직경이 상기 프로펠러의 허브 직경과 동일하게 형성되고, 후단으로 갈수록 단면적이 작게 형성된 것을 특징으로 하는 보스 캡.
   
8. 선체와,
   상기 선체의 추진축에 연결된 보스와,
   상기 보스에 결합된 프로펠러와,
   상기 프로펠러가 개재된 보스의 후단에 회전 가능하게 설치되는 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 따른 보스 캡을 포함하는 선박.
   

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