KR101225683B1 - 선박용 프로펠러 및 선박용 프로펠러의 피치 조정방법 - Google Patents

선박용 프로펠러 및 선박용 프로펠러의 피치 조정방법 Download PDF

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Abstract

선박용 프로펠러(100)가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 선박용 프로펠러(100)는 프로펠러축(110); 상기 프로펠러축(110)의 외면상에 결합되는 다수의 블레이드(120); 및 회전에 의해 상기 블레이드(120)의 피치를 조정가능하도록 상기 프로펠러축(110)과 상기 블레이드(120) 각각의 연결부상에 축결합되는 회전핀(131)과, 상기 회전핀(131) 각각을 개별적으로 회전시키는 작동력을 제공하는 동력전달수단(132)이 구비되는 개별 피치조정장치(130);를 포함한다.

Description

선박용 프로펠러 및 선박용 프로펠러의 피치 조정방법{propeller for ship and method to adjust pitch of propeller}
본 발명은 선박용 프로펠러에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 선박에 추진력을 제공하는 프로펠러와 프로펠러측으로의 유입유속을 고려하여 선박용 프로펠러의 피치를 조정하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 선박의 선미에 위치하는 프로펠러측으로 물이 유입되는 유속은 도 1에 도시된 바와 같이 불균일하나, 프로펠러의 블레이드는 모두 평균 유속을 기준으로 설정된 피치(pitch)가 동일하게 적용되고 있다.
이에 따라, 유입유속에 비해 프로펠러의 블레이드의 피치가 큰 영역(도 1에서는 프로펠러 프로펠러축의 상측부)에서는, 도 2에 도시된 바와 같이 주위압력이 증기압(vapor pressure)이하로 강하되어 액체의 상태에서 기체의 상태로 바뀌는 캐비테이션(cavitation)이 발생하게 되고, 이는 선체 진동 및 키(rudder) 마모의 주원인이 되고 있다.
종래에 프로펠러를 구성하는 다수의 블레이드의 피치를 선박의 운행상태 등을 고려하여 가변시킬 수 있는 구조를 가지는 가변 피치 프로펠러가 제시되어 있으나, 기존의 가변 파치 프로펠러는 다수의 블레이드 전부의 피치가 동시에 같은 각으로 변하게 되므로, 추진효율을 극대화시키는 것이 불가능하다는 한계가 있었다.
본 발명의 실시예들은 프로펠러측으로 유입되는 유속의 위치별 차이를 고려하여 프로펠러를 구성하는 블레이드의 피치 조절이 이루어지도록 함으로써 추진효율을 극대화시키고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 프로펠러축(110); 상기 프로펠러축(110)의 외면상에 결합되는 다수의 블레이드(120); 및 회전에 의해 상기 블레이드(120)의 피치를 조정가능하도록 상기 프로펠러축(110)과 상기 블레이드(120) 각각의 연결부상에 축결합되는 회전핀(131)과, 상기 회전핀(131) 각각을 개별적으로 회전시키는 작동력을 제공하는 동력전달수단(132)이 구비되는 개별 피치조정장치(130);를 포함하여 구성되는 선박용 프로펠러(100)가 제공될 수 있다.
또한, 상기 개별 피치조정장치(130)는, 상기 프로펠러축(110)의 회전방향을 따라 임의의 지점상에 교대로 위치하게 되는 상기 각 블레이드(120)가 각 해당 지점상에서 동일한 피치를 가지도록 상기 회전핀(131)과 동력전달수단(132)의 구동을 제어하는 제어수단(미도시);을 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 개별 피치조정장치(130)의 제어수단은, 상기 블레이드(120)의 피치가, 상기 프로펠러축(110)의 1회전 주기와 동일한 주기로, 지정 거리의 범위에서 증가 및 감소되도록 상기 회전핀(131)의 구동을 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 선박용 프로펠러(100)를 구성하는 다수의 블레이드(120)의 피치를 조정함에 있어서, 상기 프로펠러(100)측으로 물이 유입되는 유속을 상기 프로펠러(100)의 회전방향을 따라 구분하는 위치별 유속구분단계(S1); 상기 위치별 유속구분단계(S1)에서 구분된 각각의 범위마다 상기 블레이드(120)의 최적 피치 내지 블레이드(120)의 피치 변동 특성을 다르게 설정하는 위치별 피치설정단계(S2); 및 프로펠러축(110)을 중심으로 회동되며 각 범위에 교대로 위치하게 되는 상기 블레이드(120) 각각이 상기 위치별 피치설정단계(S2)에서 설정된 해당 피치를 가지도록 상기 각 블레이드(120)의 피치를 연속적으로 조정하는 위치별 피치조정단계(S3);를 포함하여 구성되는 선박용 프로펠러(100)의 피치 조정방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 위치별 유속구분단계(S1)에서는, 상기 프로펠러(100)의 회전방향을 따라 최대로 빠른 범위, 점차 느려지는 범위, 최대로 느린 범위, 점차 빨라지는 범위로 구분할 수 있다.
또한, 유입유속이 최대로 빠른 범위는 상기 프로펠러축(110)을 기준으로 하측, 최대로 느린 범위는 상측, 점차 느려지는 범위는 회전방향이 하측에서 상측으로의 위상 변화를 가지는 일측측면, 점차 빨라지는 범위는 회전방향이 상측에서 하측으로의 위상변화를 가지는 타측측면으로 구분할 수 있다.
또한, 상기 위치별 피치설정단계(S2)는, 상기 위치별 유속구분단계(S1)에서 구분되는 각 범위의 유입유속이 클수록 상기 블레이드(120)의 최적 피치를 상대적으로 크게 설정할 수 있다.
또한, 상기 위치별 피치설정단계(S2)는, 유입유속이 상기 프로펠러(100)의 회전방향을 따라 증가하게 되는 범위에서는 상기 블레이드(120)의 피치가 점차적으로 커지며, 상기 프로펠러(100)의 회전방향을 따라 감소하게 되는 범위에서는 상기 블레이드(120)의 피치가 점차적으로 작아지도록 설정할 수 있다.
또한, 상기 위치별 피치조정단계(S3)는, 상기 각 블레이드(120)의 피치가, 상기 프로펠러(100)의 1회전 주기와 동일한 주기로, 지정 거리의 범위내에서 증가 및 감소되는 변화를 반복하도록 할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 프로펠러측으로 유입되는 유속의 위치별 차이, 프로펠러축의 회전속도 등에 따라 블레이드 각각의 피치 조절이 개별적으로 이루어지도록 함으로써 선박의 추진효율을 극대화시킬 수 있다.
또한, 프로펠러측으로의 유입유속의 위치별 차에 따른 블레이드의 최적 피치를 구현함으로써 캐비테이션 발생을 효율적으로 감소시킬 수 있으며, 캐비테이션 발생에 따른 선체 진동 및 키 파손 또한 최소화시킬 수 있다.
또한, 선박용 프로펠러축의 협소한 중공부상에 유압 실린더, 유압전달라인 등을 공간효율적으로 배치함으로써, 기존의 선박용 프로펠러에 적용함에 있어서도 무리한 구조변형 없이 블레이드별 피치 조절 기능을 구현할 수 있다.
도 1 - 프로펠러축을 중심으로 프로펠러로의 유입유속의 분포를 도시한 일예
도 2 - 공동수조에서 도 1에 따른 캐비테이션의 발생을 실험한 결과를 도시한 일예
도 3 - 본 발명에 따른 블레이드의 피치 조정방법의 개념을 설명하고자 도시한 개념도
도 4 - 본 발명에 따른 선박용 프로펠러의 일실시예를 도시한 정단면도
도 5의 (a) - 도 4의 A-A단면도, 도 5의 (b) - 도 5의 (a)의 B-B 단면도
도 6 - 본 발명에 따른 선박용 프로펠러의 피치 조정방법의 일실시예를 도시한 흐름도
도 7 - 날개의 단면에 작용하는 힘들을 표시한 그림
도 4, 5에 도시된 본 발명에 따른 선박용 프로펠러(100)의 일실시예에 따르면, 프로펠러축(110), 다수의 블레이드(120), 개별 피치조정장치(130)로 이루어지며, 상기 개별 피치조정장치(130)가 상기 프로펠러축(110)의 외면상에 결합되는 다수의 블레이드(120)의 피치를 개별적으로 조정, 제어하는 구조를 가진다.
상기 개별 피치조정장치(130)는, 회전핀(131), 동력전달수단(132)을 구비하며, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 프로펠러축(110)을 중심으로 회동되는 상기 각 블레이드(120)가 위치에 따라 정해진 피치를 가지도록 상기 회전핀(131)과 동력전달수단(132)의 구동을 제어하는 제어수단(미도시)을 이용한다.
상기 회전핀(131)은 회전에 의해 상기 블레이드(120)의 피치를 조정가능하도록 상기 프로펠러축(110)과 상기 블레이드(120) 각각의 연결부상에 축결합되고, 상기 동력전달수단(132)은 상기 회전핀(131) 각각을 개별적으로 회전시키는 작동력을 제공한다.
상기 동력전달수단(132)은, 전기 모터, 유압 모터, 전자석 등 전기 에너지를 기계적 힘으로 바꾸는 액츄에이터(actuator) 중 하나일 수 있다. 예를 들어, 도 4, 5에 도시된 바와 같이, 상기 프로펠러축(110)의 중공부상에 상기 회전핀(131)에 회전력을 가하는 유압 실린더(132a)와, 상기 유압 실린더(132a)에 유압을 공급하는 유압전달라인(132b) 등을 설치할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 제어수단은, 상기 회전핀(131)과 동력전달수단(132)의 구동을 제어함에 있어서, 상기 프로펠러축(110)의 회전방향을 따라 임의의 지점상에 교대로 위치하게 되는 상기 각 블레이드(120)가 각 해당 지점상에서 동일한 피치를 가지도록 한다.
상기 각 블레이드(120)가 각 해당 지점상에서 동일한 피치를 가지도록 함에 있어서는, 상기 블레이드(120)의 피치가, 상기 프로펠러축(110)의 1회전 주기와 동일한 주기로, 지정 거리의 범위(또는 각도)에서 연속하여 증가 및 감소되는 것을 반복하도록 상기 회전핀(131)의 회전구동을 일정한 패턴으로 제어함으로써 구현가능하다.
도 6에 도시된 본 발명에 따른 선박용 프로펠러(100)의 피치 조정방법의 일실시예에 따르면, 위치별 유속구분단계(S1), 위치별 피치설정단계(S2), 위치별 피치조정단계(S3)를 순차적으로 거쳐 상기 다수의 블레이드(120)의 피치를 상호 연계적으로 개별 조정한다.
상기 위치별 유속구분단계(S1)에서는, 상기 프로펠러(100)측으로 물이 유입되는 유속을 상기 프로펠러(100)의 회전방향을 따라 구분하며, 상기 위치별 피치설정단계(S2)에서는 상기 위치별 유속구분단계(S1)에서 구분된 각각의 범위마다 상기 블레이드(120)의 최적 피치 내지 블레이드(120)의 피치 변동 특성을 다르게 설정한다.
상기 위치별 피치조정단계(S3)에서는, 상기 프로펠러축(110)을 중심으로 회동되며 각 범위에 교대로 위치하게 되는 상기 블레이드(120) 각각이 상기 위치별 피치설정단계(S2)에서 설정된 해당 피치를 가지도록 상기 각 블레이드(120)의 피치를 연속적으로 조정한다.
상기 위치별 유속구분단계(S1)에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 프로펠러(100)의 회전방향을 따라 최대로 빠른 범위, 점차 느려지는 범위, 최대로 느린 범위, 점차 빨라지는 범위로, 위치에 따라 4의 범위로 구분하는 일예를 들어 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같은 유속분포를 참조하면, 유입유속이 최대로 빠른 범위는 상기 프로펠러축(110)을 기준으로 하측, 최대로 느린 범위는 상측, 점차 느려지는 범위는 회전방향이 하측에서 상측으로의 위상 변화를 가지는 일측측면, 점차 빨라지는 범위는 회전방향이 상측에서 하측으로의 위상변화를 가지는 타측측면이 된다.
도 1에 도시된 유입유속의 분포에 따르면, 유입유속은 상기 프로펠러축(110)의 회전방향 내지 상기 블레이드(120)의 이동방향을 따라 점차적으로 증가되다가 감소되는 것을 위치별로 연속하여 반복하게 된다.
즉, 상기 위치별 유속구분단계(S1)에서는, 유입유속을 기준으로 하여, 위치에 따라, 각각 속도비 0.9의 범위, 속도비 0.45의 범위, 속도비 0.9에서 0.45로 변화하는 범위, 속도비 0.45에서 0.9로 변화하는 범위로 구분할 수 있다.
상기 위치별 피치설정단계(S2)에서는, 상기 위치별 유속구분단계(S1)에서 구분되는 각 범위의 유입유속이 클수록 상기 블레이드(120)의 최적 피치를 상대적으로 크게 설정하며, 도 1에 도시된 유입유속의 분포는 상기 프로펠러축(110)의 상측의 속도와 하측의 속도가 45~50% 정도의 속도비를 가지므로, 이를 고려하여 최대 피치와 최소 피치의 적정 범위를 설정한다.
상기 위치별 피치설정단계(S2)에서는, 유입유속이 상기 프로펠러(100)의 회전방향을 따라 증가하게 되는 범위에서는 상기 블레이드(120)의 피치가 점차적으로 커지며, 상기 프로펠러(100)의 회전방향을 따라 감소하게 되는 범위에서는 상기 블레이드(120)의 피치가 점차적으로 작아지도록 설정한다.
실질적으로 선박의 운행과정에서는 프로펠러의 회전선속도, 배의 진행속도, 선체의 규모, 외각형상 등에 따라, 상기 블레이드(120)의 날개면에 대한 상대적인 유체의 유입각 및 유입유속의 속도비의 형태가 달라지게 되므로, 이를 종합적으로 고려하여 위치별 최적 피치를 설정한다.
선박의 속도가 25 knots(12.86 m/s), 상기 프로펠러축(110)의 회전속도가 90 rpm (1.5 rps), 상기 프로펠러(100)의 반경(R)이 4 m 일 때, 최대 피치각 Pmax(0.7R에서의 유입속도가 선박 속도의 95%일 때)과, 최소 피치각 Pmin(0.7R에서의 유입속도가 선박 속도의 45%일 때)은 다음과 같이 구할 수 있다.
단, 여기서, 상기 블레이드(120)의 단면형상은 도 7에 도시된 바와 같은 특성을 갖도록 설계되었다고 가정하고, 최적 피치는 항력에 대한 양력의 비가 최대인 α=3 deg 인 때로 설정한다.
도 7에서,
Figure 112010041443865-pat00001
는 양력 계수,
Figure 112010041443865-pat00002
는 항력 계수, ρ는 유체의 질량 밀도, A는 날개의 평면 면적, V는 입사류의 속도,
Figure 112010041443865-pat00003
, r은 날개의 반경 위치(일반적으로 r=0.7R), R은 프로펠러 반경, VA는 전진 방향의 유체 유입 속도, rω는 날개의 반경r에서의 회전선속,
Figure 112010041443865-pat00004
,
Figure 112010041443865-pat00005
(반경방향유속을 0으로 가정할 때)이며, 피치각 P는α+θ로 한다.
Pmax=
Figure 112010041443865-pat00006
Pmin=
Figure 112010041443865-pat00007
상기 프로펠러축(110)의 1회전에 대해, 위치에 따라 일정하게 증가 및 감소되는 변화를 가지도록 상기 블레이드(120)의 피치가 설정되면, 상기 위치별 피치조정단계(S3)에서는, 상기 각 블레이드(120)의 피치가, 상기 프로펠러(100)의 1회전 주기와 동일한 주기로, 지정 거리의 범위내에서 증가 및 감소되는 변화를 반복하도록 상기 개별 피치조정장치(130)를 이용해 상기 블레이드(120)를 조정시킨다.
본 발명의 실시예들은, 상기 프로펠러(100)측으로 유입되는 유속의 위치별 차이, 상기 프로펠러축(110)의 회전속도 등에 따라 블레이드 각각의 최적 피치 조절이 개별적으로 이루어질 수 있도록 함으로써, 캐비테이션 발생 및 캐비테이션 발생에 따른 선체 진동 및 키 파손 또한 최소화시킬 수 있으며, 선박의 추진효율을 극대화시킬 수 있다.
또한, 상기 프로펠러축(110)의 협소한 중공부상에 상기 유압 실린더(132a), 유압전달라인(132b) 등을 공간효율적으로 배치함으로써, 기존의 선박용 프로펠러에 적용함에 있어서도 무리한 구조변형 없이 본 발명의 실시예에 따른 블레이드별 피치 조정의 작동원리를 적용할 수 있다.
지금까지 본 발명의 실시예 중 선박용 프로펠러(100)의 일실시예, 선박용 프로펠러(100)의 피치 조정방법의 일실시예를 들어 설명하였다. 그러나, 이는 본 발명의 이해와 설명의 편의를 도모하기 위한 실시예에 불과하며, 본 발명은 이에 한정되지 아니한다.
100 : 프로펠러 110 : 프로펠러축
120 : 블레이드 130 : 개별 피치조정장치
131 : 회전핀 132 : 동력전달수단
132a : 유압 실린더 132b : 유압전달라인
S1 : 위치별 유속구분단계 S2 : 위치별 피치설정단계
S3 : 위치별 피치조정단계

Claims (9)

  1. 프로펠러축(110);
    상기 프로펠러축(110)의 외면상에 결합되는 다수의 블레이드(120); 및
    회전에 의해 상기 블레이드(120)의 피치를 조정가능하도록 상기 프로펠러축(110)과 상기 블레이드(120) 각각의 연결부상에 축결합되는 회전핀(131)과, 상기 블레이드(120) 각각이 상호 독립적으로 피치 조정이 가능하도록 상기 회전핀(131) 각각을 개별적으로 회전시키는 작동력을 제공하는 동력전달수단(132)이 구비되는 개별 피치조정장치(130);를 포함하고,
    상기 개별 피치조정장치(130)는,
    상기 프로펠러축(110)의 회전방향을 따라 임의의 지점상에 교대로 위치하게 되는 상기 각 블레이드(120)가 각 해당 지점상에서 동일한 피치를 가지도록 상기 회전핀(131)과 동력전달수단(132)의 구동을 제어하는 제어수단;을 더 포함하고,
    상기 개별 피치조정장치(130)의 제어수단은,
    상기 블레이드(120)의 피치가, 상기 프로펠러축(110)의 1회전 주기와 동일한 주기로, 지정 거리의 범위에서 증가 및 감소되도록 상기 회전핀(131)과 동력전달수단(132)의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 선박용 프로펠러(100).
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 선박용 프로펠러(100)를 구성하는 다수의 블레이드(120)의 피치를 조정함에 있어서,
    상기 프로펠러(100)측으로 물이 유입되는 유속을 상기 프로펠러(100)의 회전방향을 따라 구분하는 위치별 유속구분단계(S1);
    상기 위치별 유속구분단계(S1)에서 구분된 각각의 범위마다 상기 블레이드(120)의 최적 피치 내지 블레이드(120)의 피치 변동 특성을 다르게 설정하는 위치별 피치설정단계(S2); 및
    프로펠러축(110)을 중심으로 회동되며 각 범위에 교대로 위치하게 되는 상기 블레이드(120) 각각이 상기 위치별 피치설정단계(S2)에서 설정된 해당 피치를 가지도록 상기 블레이드 각각의 피치를 독립적으로 조정하는 위치별 피치조정단계(S3);를 포함하고,
    상기 위치별 피치조정단계(S3)는,
    상기 각 블레이드(120)의 피치가, 상기 프로펠러(100)의 1회전 주기와 동일한 주기로, 지정 거리의 범위내에서 증가 및 감소되는 변화를 반복하도록 하는 것을 특징으로 하는 선박용 프로펠러(100)의 피치 조정방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 위치별 유속구분단계(S1)는,
    상기 프로펠러(100)의 회전방향을 따라 최대로 빠른 범위, 점차 느려지는 범위, 최대로 느린 범위, 점차 빨라지는 범위로 구분하는 것을 특징으로 하는 선박용 프로펠러(100)의 피치 조정방법.
  6. 제5항에 있어서,
    유입유속이 최대로 빠른 범위는 상기 프로펠러축(110)을 기준으로 하측, 최대로 느린 범위는 상측, 점차 느려지는 범위는 회전방향이 하측에서 상측으로의 위상 변화를 가지는 일측측면, 점차 빨라지는 범위는 회전방향이 상측에서 하측으로의 위상변화를 가지는 타측측면인 것을 특징으로 하는 선박용 프로펠러(100)의 피치 조정방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 위치별 피치설정단계(S2)는,
    상기 위치별 유속구분단계(S1)에서 구분되는 각 범위의 유입유속이 클수록 상기 블레이드(120)의 최적 피치를 상대적으로 크게 설정하는 것을 특징으로 하는 선박용 프로펠러(100)의 피치 조정방법.
  8. 제4항에 있어서, 상기 위치별 피치설정단계(S2)는,
    유입유속이 상기 프로펠러(100)의 회전방향을 따라 증가하게 되는 범위에서는 상기 블레이드(120)의 피치가 점차적으로 커지며, 상기 프로펠러(100)의 회전방향을 따라 감소하게 되는 범위에서는 상기 블레이드(120)의 피치가 점차적으로 작아지도록 설정하는 것을 특징으로 하는 선박용 프로펠러(100)의 피치 조정방법.
  9. 삭제
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