KR101226248B1 - 날개 끝 부근에서 날개 두께가 두꺼운 선박 프로펠러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 날개 끝 부근에서 날개 두께가 두꺼운 선박 프로펠러, 보다 구체적으로는 0.85R~1.0R 사이의 날개단면 최대두께가 0.85R 위치에서의 날개단면 두께보다 2배 큰 것을 특징으로 하는 날개 끝 부근에서 날개 두께가 두꺼운 선박 프로펠러를 제공한다. 본 발명에 따른 프로펠러는 종래의 날카로운 끝을 갖는 프로펠러와 대비하여 볼 때 다음과 같은 유리한 효과를 갖는다. 첫째, 선박 프로펠러의 캐비테이션 초기발생 선속(cavitation inception speed, CIS)을 높여주어 프로펠러 날개 끝 부근에서의 캐비테이션 초기발생을 지연시키고 정숙(silence) 운항이 가능하도록 한다. 둘째, 프로펠러 캐비테이션에 의하여 발생하는 선체표면 변동압력 성분 중 특히 고차성분(high order component)을 현격히 감소시켜 선체구조물의 안전성을 높여준다.

Description

날개 끝 부근에서 날개 두께가 두꺼운 선박 프로펠러{ship propeller with thick thickness around blade tip}

본 발명은 선박 프로펠러에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 날개 끝 부근에서 날개 두께가 두꺼운 선박 프로펠러에 관한 것이다.

선박이 대형화 및 고속화 되면서 엔진용량 및 추진장치의 부하가 증가함에 따라 대부분의 선박용 프로펠러에서 캐비테이션(cavitation)이 발생하고 있으며, 프로펠러 날개에 작용하는 부하에 따라 캐비테이션 발생량도 함께 증가하고 있다. 캐비테이션 발생량 증가는 선체표면에 작용하는 변동압력 수준을 증가시키고 선체 기진력을 크게 하여 선체구조강도를 약하게 하며 때로는 선체구조물 균열을 동반하여 선박의 안전성을 위협한다. 또한 이렇게 유발된 선체 진동과 소음은 승선자에게 불쾌감을 주며 선내 거주 안락성을 저하시킨다.

특히 프로펠러 날개 끝(propeller blade tip) 부분에서는 원주방향 회전속도가 가장 크고 수심에 의한 정압(static pressure)도 낮아서 선체 반류가 큰 영역에서는 날개 끝 보오텍스 캐비테이션(blade tip vortex cavitation, 도 5)이 쉽게 발생한다(날개 끝에 하얗게 보이는 부분).

기존 프로펠러의 날개두께 분포는 도 4의 빨간색 그래프에서 보는 바와 같이 날개 뿌리(root)에서 날개 끝(tip) 방향, 즉 스팬(span)방향으로 가면서 두께가 점점 얇아지며 증가하지는 않는다(sharp tip). 따라서 기존 프로펠러의 경우 날개 끝 부분은 날카롭게(sharp)(도 2, 도 4) 되어 있어서 날개 끝 보오텍스 강도(vortex strength)가 크게 형성된다.

날개 끝 보오텍스 캐비테이션 발생은 고차성분의 선체표면 변동압력(pressure fluctuation on hull surface)을 유발하며 소음 수준을 급격히 증가시킨다. 특히 날개 끝 보오텍스 캐비테이션 발생 전후의 수중소음 수준은 현격한 차이가 나기 때문에 전쟁 시 적함에 의한 피탐율이 높아져 해상 군사활동에 치명적인 영향을 준다.

상술한 캐비테이션은 일반 유체기계에서 생기는 물리적 현상으로, 물속에서 회전하는 프로펠러 날개표면에서 압력이 낮아지는 영역에 발생하는 현상이다. 프로펠러 날개에 발생하는 캐비테이션은 날개표면에 접하여 체적을 가지며 그 내부의 압력은 증기압(vapour pressure, 약 3 kPa) 수준으로 매우 낮은 압력을 갖는다. 이러한 캐비테이션 현상은 공기 중에서는 생기지 않고 물속에서 생기는 현상이다. 캐비테이션 발생량이 증가하면 추진력 감소, 선체표면 변동압력 증가, 날개표면 침식 유발 및 수중방사소음 증가를 초래한다. 따라서 이런 캐비테이션 발생량을 줄이고자 하는 노력이 계속되어 오고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 프로펠러 날개 끝에서 발생하는 캐비테이션 발생을 지연시켜서 정숙(silence) 운항이 가능하도록 캐비테이션 초기발생 선속(cavitation inception ship speed, CIS)을 높여주는 한편, 선체표면 변동압력의 고차성분을 감소시켜 선체구조물의 진동을 감소시키고 승선자의 안락성을 증대시킬 수 있는 프로펠러를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 0.85R~1.0R 사이의 날개단면 최대두께가 0.85R 위치에서의 날개단면 두께보다 2배 큰 것을 특징으로 하는 날개 끝 부근에서 날개 두께가 두꺼운 선박 프로펠러를 제공한다.

본 발명에 따른 프로펠러는 종래의 날카로운 끝을 갖는 프로펠러와 대비하여 볼 때 다음과 같은 유리한 효과를 갖는다.

첫째, 선박 프로펠러의 캐비테이션 초기발생 선속(cavitation inception speed, CIS)을 높여주어 프로펠러 날개 끝 부근에서의 캐비테이션 초기발생을 지연시키고 정숙(silence) 운항이 가능하도록 한다.

둘째, 프로펠러 캐비테이션에 의하여 발생하는 선체표면 변동압력 성분 중 특히 고차성분(high order component)을 현격히 감소시켜 선체구조물의 안전성을 높여준다.

도 1은 본 발명에 따른 프로펠러에서 날개단면의 두께가 두꺼워지는 부분을 표시한 것(분홍색 부분).
도 2는 종래의 날카로운 끝을 갖는 프로펠러의 날개 끝 형상.
도 3은 본 발명에 따른 프로펠러의 날개 끝 형상.
도 4는 종래의 날카로운 끝을 갖는 프로펠러 및 본 발명에 따른 프로펠러의 스팬방향으로의 날개두께 분포 비교.
도 5는 회전하는 프로펠러 날개 끝에서 발생한 캐비테이션을 보여주는 사진.
도 6은 종래의 날카로운 끝을 갖는 프로펠러의 날개 끝 보오텍스 강도 계측결과.
도 7은 본 발명에 따른 프로펠러의 날개 끝 보오텍스 강도 계측결과.
도 8은 종래의 날카로운 끝을 갖는 프로펠러 및 본 발명에 따른 프로펠러에 대한 캐비테이션 변동압력 계측결과 비교.
도 9는 종래의 날카로운 끝을 갖는 프로펠러 및 본 발명에 따른 프로펠러의 날개 끝 보오텍스 캐비테이션에 의하여 선체표면에 전달되는 변동압력특성을 캐비테이션 터널에서 계측한 결과 비교.
도 10은 종래의 날카로운 끝을 갖는 프로펠러 및 본 발명에 따른 프로펠러의 날개 끝 보오텍스 캐비테이션 관찰시험 결과 비교.

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

본 발명은 프로펠러 날개 끝에서 발생하는 캐비테이션 발생을 지연시켜서 정숙(silence) 운항이 가능하도록 캐비테이션 초기발생 선속(cavitation inception ship speed, CIS)을 높여주는 한편, 선체표면 변동압력의 고차성분을 감소시켜 선체구조물의 진동을 감소시키고 승선자의 안락성을 증대시킬 수 있는 프로펠러를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 0.85R~1.0R 사이의 날개단면 최대두께가 0.85R 위치에서의 날개단면 두께보다 2배 큰 것을 특징으로 하는 날개 끝 부근에서 날개 두께가 두꺼운 선박 프로펠러를 제공한다. 이하, 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 프로펠러에서 날개단면의 두께가 두꺼워지는 부분을 표시한 것(분홍색 부분)이다. 도 1에서 초록색 영역은 기존의 두께 분포와 동일한 영역을 표시한다.

도 4는 종래의 날카로운 끝을 갖는 프로펠러 및 본 발명에 따른 프로펠러의 스팬방향으로의 날개두께 분포를 비교한 것이다. 도 4에서 D = 프로펠러 직경(m), R = 프로펠러 반경(Radius, D/2), r = 프로펠러 날개에서 임의의 반경, t = 프로펠러 날개 임의의 반경에 있는 날개단면의 최대두께를 나타낸다. 따라서 도 4에서 r/R=0.2 위치가 허브(hub) 위치이며 r/R=1.0이 날개 끝(blade tip) 위치에 해당한다. t/D는 날개단면의 최대두께를 프로펠러 직경으로 무차원화 한 값이다. 도 4에서 붉은색은 종래의 날카로운 끝을 갖는 프로펠러의 날개두께 분포를 보여주며, 초록색은 본 발명에 따른 프로펠러의 날개두께 분포를 보여준다.

도 2는 종래의 날카로운 끝을 갖는 프로펠러의 날개 끝 형상을, 도 3은 본 발명에 따른 프로펠러의 날개 끝 형상을 보여준다. 도 2와 도 3에서 노란색 점선 타원 내 부분의 날개 두께가 서로 다르며 도 3의 경우에 날개두께가 보다 두꺼운(blunt) 것을 알 수 있다.

본 발명은 도 1 및 도 4에서 보는 바와 같이 프로펠러 날개의 0.85R~1.0R 범위를 두껍게(blunt) 하여 프로펠러 날개 끝 유동이 휘말리는(roll up) 과정에서 날개 끝 보오텍스(vortex) 강도를 약화시켜 날개 끝 캐비테이션 발생을 지연시킨다. 이때 0.85R~1.0R(날개 끝 위치) 사이에서 날개단면의 최대두께는 0.85R 위치에서 날개단면 두께보다 2배 정도가 크게 되도록 한다.

도 6은 종래의 날카로운 끝을 갖는 프로펠러의 날개 끝 보오텍스 강도 계측결과를, 도 7은 본 발명에 따른 프로펠러의 날개 끝 보오텍스 강도 계측결과를 보여준다. 도 6과 도 7에서 종래의 프로펠러 및 본 발명에 따른 프로펠러의 시험조건은 Kt=0.19로 동일하며, X/D=0은 프로펠러 면을 뜻하는데 하류로 갈수록 X/D가 증가하는 방향이다.

도 6과 도 7 각각에서 날개 끝 보오텍스 위치는 파란색 동그라미 위치에 해당하며, 보오텍스 강도(vorticity strength)는 파란색의 색이 짙을수록 크고 옅을수록 약함을 의미한다. 도 6과 도 7에 따르면 본 발명에 따른 프로펠러의 날개 끝 보오텍스(blade tip vortex) 강도가 roll-up 과정에서 종래의 날카로운 끝을 갖는 프로펠러의 경우보다 약하게 발생한다는 것을 간접적으로 확인할 수 있다. 날개 끝 보오텍스 강도가 약하다는 것은 캐비테이션 발생이 지연되는 것을 의미하며 이것은 보다 높은 선속에서 캐비테이션 초기발생이 생긴다는 것을 의미한다. 즉, 도 6과 도 7에 따르면 본 발명에 따른 프로펠러가 보다 높은 선속에서 캐비테이션이 초기발생 한다는 사실을 알 수 있는 것이다. 이는 본 발명에 따른 프로펠러에 의하면 선박 프로펠러의 캐비테이션 초기발생 선속(cavitation inception speed, CIS)이 높아져 프로펠러 날개 끝 부근에서의 캐비테이션 초기발생이 지연되고 따라서 정숙(silence) 운항이 가능해짐을 보여준다.

도 8은 종래의 날카로운 끝을 갖는 프로펠러 및 본 발명에 따른 프로펠러에 대한 캐비테이션 변동압력 계측결과(캐비테이션터널에서 캐비테이션 초기발생 성능시험을 통하여 얻어진 결과)를 비교한 것이다. 도 8에서 KT는 프로펠러 추력 계수를 의미한다. 그리고 도 8에서 붉은색은 종래의 날카로운 끝을 갖는 프로펠러의 캐비테이션 변동압력 계측결과를 보여주며, 초록색은 본 발명에 따른 프로펠러의 캐비테이션 변동압력 계측결과를 보여준다.

도 8은 캐비테이션터널에서 선체반류 중에 작동하는 프로펠러 추력계수를 변화시키면서 프로펠러 날개 끝 캐비테이션 초기발생 시험을 수행한 결과인데, 본 발명에 따른 프로펠러의 경우가 종래의 날카로운 끝을 갖는 프로펠러의 경우보다 더 낮은 캐비테이션 수에서 날개 끝 캐비테이션이 발생하는 것을 보여준다. 이는 본 발명에 따른 프로펠러의 경우 보다 높은 선속에서 캐비테이션 발생이 시작함을 의미하며 이는 곧 선박의 정숙 운항 속도 영역이 넓어졌음을 보여준다. 따라서 도 8에서 보더라도 본 발명에 따른 프로펠러가 종래의 프로펠러보다 우수함을 알 수 있다. 이것은 도 6과 도 7에 따른 날개 끝 보오텍스 계측결과와 물리적으로 동일한 결과를 보여준다.

도 9는 종래의 날카로운 끝을 갖는 프로펠러 및 본 발명에 따른 프로펠러의 날개 끝 보오텍스 캐비테이션에 의하여 선체표면에 전달되는 변동압력특성을 캐비테이션 터널에서 계측한 결과를 보여준다. 도 9에서 PF = Pressure Fluctuation(변동압력, kPa), Blade Frequency(Hz) = 프로펠러 날개수와 회전수에 따라 생기는 변동압력 발생 주파수를 나타낸다. 그리고 도 9에서 붉은색은 종래의 날카로운 끝을 갖는 프로펠러에 의한 캐비테이션 변동압력특성을 보여주며, 초록색은 본 발명에 따른 프로펠러에 의한 캐비테이션 변동압력특성을 보여준다.

도 9에서 변동압력 1차성분(1st)은 본 발명에 따른 프로펠러의 경우가 종래의 날카로운 끝을 갖는 프로펠러의 경우보다 조금 작게 나타나는 수준이지만, 고차성분(2차, 3차, 4차)은 본 발명에 따른 프로펠러의 경우가 종래의 날카로운 끝을 갖는 프로펠러의 경우보다 훨씬 작게 나타나는 것을 알 수 있다. 이처럼 본 발명에 따르면 프로펠러 캐비테이션에 의하여 발생하는 선체표면 변동압력 성분 중 특히 고차성분(high order component)이 현격히 감소하여 선체구조물의 안전성이 높아짐을 알 수 있다.

도 10은 종래의 프로펠러(a) 및 본 발명에 따른 프로펠러(b)의 날개 끝 보오텍스 캐비테이션 관찰시험 결과를 비교한 것이다.

도 10에서는 종래의 프로펠러(a) 및 본 발명에 따른 프로펠러(b)에 대하여 캐비테이션터널에서 동일한 시험조건 상태(Kt=0.19, 캐비테이션 수=2.525)에서 발생하는 캐비테이션을 관찰하였다. 도 10은 본 발명에 따른 프로펠러의 캐비테이션 발생량이 더 적은 것을 보여주며, 이것은 도 8에서 본 발명에 따른 프로펠러의 캐비테이션 초기발생 선속이 상대적으로 증가하는 것을 뒷받침한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1. 프로펠러 날개
2. 프로펠러 날개 앞날(leading edge)
3. 프로펠러 날개 뒷날(trailing edge)
4. 프로펠러 반경(radius, R)
5. 프로펠러 반경별 위치표시
6. 프로펠러 날개 끝(blade tip)
7. 프로펠러 날개단면의 두께가 두꺼워지는 영역
8. 프로펠러 축 중심
9. 프로펠러 허브(hub)

Claims (1)

1. 0.85R~1.0R 사이의 날개단면 최대두께가 0.85R 위치에서의 날개단면 두께보다 2배 큰 것을 특징으로 하는 날개 끝 부근에서 날개 두께가 두꺼운 선박 프로펠러.

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