KR101229138B1 - 공동침식 최소화를 위한 선박용 방향타구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공동침식 최소화를 위한 선박용 방향타구조에 관한 것으로 특히, 선박의 후류(31)에 위치하면서 선체에 고정된 혼(10)과, 선박의 진행방향을 조절하기 위한 조정용 날개(20)로 구성된 선박용 방향타에 있어서, 프로펠러(30)의 축(32)을 중심으로 하는 중심선으로부터 선체에 고정된 혼(10)의 하단면(12) 까지의 거리(Rr)가 프로펠러 반경(Rp)×0.75 보다는 높거나 같고, 프로펠러 반경(Rp)×1.1 보다는 낮거나 같도록 혼(10)의 길이를 짧게 형성한 것을 특징으로 한다.

따라서, 구조적으로 안정된 혼-타의 장점을 살리면서도 전가동타에서와 같이 침식현상을 최소화할 수 있고, 방향타의 수명을 대폭 연장할 수 있음은 물론 선박의 조타 성능을 대폭 향상시킬 수 있는 것이다.

선박, 방향타, 선체, 혼, 날개, 프로펠러, 캐비테이션

Description

공동침식 최소화를 위한 선박용 방향타구조{Rudder structure to minimize the cavitation erosion}

도 1은 종래의 일반적인 선박용 방향타의 구성도.

도 2는 선박용 방향타에 발생하는 공동침식 사례를 보인 사진.

도 3은 종래의 선박용 전가동타의 구성도.

도 4는 본 발명에 의한 방향타의 구성도.

도 5는 프로펠러 부하에 따른 후류 수축 및 효율 변화를 나타낸 그래프

도 6은 선체 트림 각도 변화에 따른 유선 위치 변화를 나타낸 그래프.

도 7은 본 발명에 의한 방향타에 대한 모형시험 장면을 보인 사진.

도 8a 및 도 8b는 본 발명과 종래 방향타의 모형시험 결과를 보인 사진.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 혼 11 : 상단면

12 : 하단면 20 : 날개

30 : 프로펠러 31 : 후류

32 : 프로펠러 중심선

33 : 프로펠러 중심선에서 하단면까지의 거리(Rr)

34 : 후류 반경(Rw)

본 발명은 공동침식 최소화를 위한 선박용 방향타구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 선박용 방향타에서 심각히 발생하고 있는 공동 침식(Cavitation Erosion)을 최소화하여 방향타의 수명을 대폭 연장할 수 있음은 물론 선방의 조타성능을 대폭 향상시킬 수 있도록 발명한 것이다.

대형 선박을 조종하기 위한 일반적인 방향타는 도 1에 도시한 바와 같이, 구조적 안정성 등을 목적으로 선체에 고정된 혼(10)과, 선박 진행방향을 조절하기 위한 조정용 날개(20)로 구성되어 있으며, 이들은 상대적으로 작은 면적으로도 높은 조정성을 얻기 위하여 유속이 빠른 프로펠러(30)의 후류(31)에 위치하고 있는 구성으로 되어 있다.

즉, 도 1은 혼(10)과 조정용 날개(20)로 구성된 일반적인 혼타가 프로펠러(30)의 후류(31)에 위치한 모습을 보여주고 있는데, 이때 프로펠러(30) 후류(31)는 프로펠러(30)에 의하여 유체가 가속되기 때문에 수축을 하게 된다.

상기 후류(31)의 수축 정도는 프로펠러(30)가 발생하는 추력에 따라 달라지지만 일반적인 상선용 프로펠러에서는 반경 대비 80~95% 수준 정도이며, 이 수축된 후류 내부는 유속이 매우 빠르지만, 외부는 일반적으로 선박의 진행속도보다도 느 린 특성을 가지고 있다.

또한, 도 5는 프로펠러(30)가 발생하는 추력 즉, 부하 크기 정도에 따른 효율 변화와 유선 수축의 상관관계를 보여주고 있다.

그러나, 이와 같은 구성을 갖는 방향타 표면에서는 높은 유속으로 인하여, 압력이 일정수준 이하로 낮아져서 캐비테이션이 발생하게 되며, 또한 축에 의해 설정된 중심선(31)을 중심으로 회동하는 프로펠러(30)의 날개에서 발생한 캐비테이션이 방향타 주위를 지나가게 되고, 이들 캐비테이션은 소멸시 높은 충격(Impact)으로 방향타 표면을 심각히 침식(Erosion)시켜 방향타를 손상시키게 되는 문제점이 있다.

이와 같이 방향타에 발생하는 캐비테이션 침식은 방향타의 형상 및 프로펠러 후류의 복잡성으로 인하여 다양한 위치에서 발생하며, 일반적인 혼-타(Horn Rudder)에서 빈번히 발생되는 부위들을 도 2의 사진에서 보여주고 있다.

특히, 도시 생략된 회동축을 통해 혼(10)과 방향타 조정용 날개(20)를 연결하는 핀틀(Pintle)의 상단면(11)과 하단면(12)에서는 날개(20)와 혼(10) 사이에 존재하는 갭(Gap) 주위에서 강한 압력 구배로 인하여 침식 현상이 심각하게 발생하게 된다.

따라서, 최근에 특수선 및 군함을 비롯한 소형 선박에 사용되어 오던 전가동타(Full Spade Rudder)가 도 3과 같은 형태로 개발되어 대형 상선용으로 사용되고 있다.

그러나, 이와 같은 전가동타는 상기 조정용 날개(20)와 혼(10) 사이에 갭(Gap)이 없기 때문에, 침식은 많이 개선되나, 선박이 고속 대형화되는 경우, 전가동타에 작용하는 힘이 과도하게 되어 조정용 날개의 두께를 크게 하여야 하는 단점이 있어 아직 대형 고속 상선에서의 적용사례가 많지 않은 상황이다.

즉, 종래에는 일반적으로 선박용 방향타로는 도 1에 예시한 혼타(Horn Rudder)와 도 3에 예시한 전가동타(Full Spade Rudder)가 보편적으로 사용되고 있는데, 혼타의 경우에서는 혼과 조정용 날개 사이의 갭 부근에서 강한 압력 구배가 존재하여 침식의 발생 가능성이 매우 높고, 실제로 대형 콘테이너 운반선에서 침식 사례가 많이 보고되고 있으며, 이와 반면에 갭이 없는 전가동타에서는 상대적으로 침식의 가능성이 줄어들게 되나 선박이 고속 대형화되는 경우 하나의 축에 타력이 집중되기 때문에 타축을 굵게 하여야 하는 문제가 있다.

본 발명은 이와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로, 구조적으로 안정된 혼-타의 장점을 살리면서도 전가동타에서와 같이 침식현상을 최소화할 수 있도록 하기 위하여 혼의 길이를 짧게 하여 유속이 느린 프로펠러 후류 영역 밖에 갭이 위치하게 함으로서 방향타의 수명을 대폭 연장할 수 있음은 물론 선방의 조타성능을 대폭 향상시킬 수 있는 공동침식 최소화를 위한 선박용 방향타구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 선박의 후류에 위치하면서 선체에 고정된 혼과, 선박의 진행방향을 조절하기 위한 조정용 날개로 구성된 선박용 방향 타에 있어서, 선체에 고정된 혼의 하단면과 프로펠러의 축을 중심으로 하는 중심선과의 거리(Rr)가 프로펠러 반경(Rp)×0.75 보다는 높거나 같고, 프로펠러 반경(Rp)×1.1 보다는 낮거나 같도록 혼의 길이를 짧게 형성하여 줌으로써 달성할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 의한 방향타의 구성도를 나타낸 것이고, 도 5는 프로펠러 부하에 따른 후류 수축 및 효율 변화를 나타낸 그래프를 나타낸 것이며, 도 6은 선체 트림 각도 변화에 따른 유선 위치 변화를 나타낸 그래프를 나타낸 것이고, 도 7은 본 발명에 의한 방향타에 대한 모형시험 장면을 보인 사진을 나타낸 것이며, 도 8a 및 도 8b는 본 발명과 종래 방향타의 모형시험 결과를 보인 사진을 나타낸 것이다.

이에 따르면 본 발명 장치의 선박용 방향타구조는, 선박의 후류(31)에 위치하면서 선체에 고정된 혼(10)과, 선박의 진행방향을 조절하기 위한 조정용 날개(20)로 구성된 선박용 방향타에 있어서,

프로펠러(30)의 축(32)을 중심으로 하는 중심선으로부터 선체에 고정된 혼(10)의 하단면(12) 까지의 거리(Rr)가 프로펠러 반경(Rp)×0.75 보다는 높거나 같고, 프로펠러 반경(Rp)×1.1 보다는 낮거나 같도록 혼(10)의 길이를 짧게 형성한 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본 발명 장치의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명은 선박의 후류(31)에 위치하면서 선체에 고정되는 혼(10)에 선박의 진행방향을 조절하기 위해 설치되는 조정용 날개(20)를 설치할 때, 상기 혼(10)의 하단면(12)으로부터 프로펠러(30)의 축(32)을 중심으로 하는 중심선까지의 거리(Rr)가 프로펠러 반경(Rp)×0.75 보다는 높거나 같고, 프로펠러 반경(Rp)×1.1 보다는 낮거나 같도록(즉, 0.75×Rp ≤ Rr ≤ 1.1×Rp) 혼(10)의 길이를 종래보다 짧게 형성한 것을 주요 기술 구성의 요지로 한다.

한편, 상기 프로펠러(30)의 후류(31)은 상술에서 언급한 바와 같이 추력 발생을 위하여 불가피하게 수축하게 되고, 그 후류(31)의 반경(Rw; 34)은 프로펠러(30) 반경(Rp)의 80~95% 수준이 된다.

따라서, 상기 혼(10)의 하부면(12)의 위치를 프로펠러(30)의 축을 중심으로 하여 후류(31)의 반경(Rw; 34)보다 조금만 커도 갭의 캐비테이션을 크게 줄일 수 있다.

즉, 상기 혼(10)의 하단면(12)으로부터 프로펠러(30)의 축(32)을 중심으로 하는 중심선까지의 거리(Rr)가 프로펠러 반경(Rp)×0.75 보다는 높거나 같고, 프로펠러 반경(Rp)×1.1 보다는 낮거나 같도록(즉, 0.75×Rp ≤ Rr ≤ 1.1×Rp) 혼(10)의 길이를 종래보다 짧게 형성하여 줌으로써 프로펠러(30)의 후류(31)가 도 4의 점선과 같이 상기 혼(10)의 하단면(12) 이하에서 형성되어 상기 혼(10)의 상단면(11)과 하단면(12) 및 조정용 날개(20) 사이에 존재하는 갭(Gap)에 의한 캐비테이션을 크게 줄일 수 있는 것이다.

그러나, 선체가 진행하면서 수평을 유지하지 않고 경사지게 되어 트림을 가지게 되므로 이에 따라 선체 트림 변화에 따른 프로펠러(30) 후류(31)의 유선이 도 6과 같이 변화하게 되며, 최적의 혼(10) 하단부(12) 단면 위치 즉, 프로펠러(30)의 축(32)을 중심으로 하는 중심선에서 혼(10)의 하단부(12)까지의 거리(Rr; 33)를 결정하기 위하여는 이를 반드시 고려하여야 함을 알 수 있다.

또한, 이와 함께 파도 등으로 인하여 선체의 트림은 일정하게 유지되는 것이 아니라 상,하로 변화함으로써 이에 따라 프로펠러(30) 후류(31)의 위치가 상,하로 움직일 수도 있다.

이러한 선체 운동 특성을 고려하면 프로펠러(30) 반경의 20% 범위 내에서 후류(31)의 위치가 상,하로 움직일 수 있음을 알게 되었다.

따라서, 본 발명에서는 전술한 바와 같이 혼(10)의 하단면(12)으로부터 프로펠러(30)의 축(32)을 중심으로 하는 중심선까지의 거리(Rr)가 프로펠러 반경(Rp)×0.75 보다는 높거나 같고, 프로펠러 반경(Rp)×1.1 보다는 낮거나 같도록(즉, 0.75×Rp ≤ Rr ≤ 1.1×Rp) 혼(10)의 하단부(12) 위치를 설정하였다.

이러한 연구 결과를 바탕으로, 본 발명의 실시 예를 도 7과 같이 7,800 TEU C/C에 대한 모형시험을 실시한 결과 도 8b에 사진으로 개재한 종래의 방향타에 비하여 도 8a 사진에 개재한 바와 같이 캐비테이션이 크게 개선된 모습을 보여주게 되었다.

상술한 실시 예는 본 발명의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만, 상기 실시 예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범 위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 구조적으로 안정된 혼-타의 장점을 살리면서도 전가동타에서와 같이 침식현상을 최소화할 수 있도록 하기 위하여 혼의 길이를 짧게 하여 줌으로써 유속이 느린 프로펠러 후류 영역 밖에 갭이 위치하게 되어 방향타의 수명을 대폭 연장할 수 있음은 물론 선방의 조타 성능을 대폭 향상시킬 수 있는 등 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (2)

1. 선박의 후류에 위치하면서 선체에 고정된 혼과, 선박의 진행방향을 조절하기 위한 조정용 날개로 구성된 선박용 방향타에 있어서,

   선체에 고정된 혼의 하단면과 조정용 날개의 결합부 사이에 형성되는 갭이 프로펠러 후류 영역 밖에 형성되도록 혼의 길이를 짧게 형성하되,

   상기 혼의 하단면과 프로펠러 중심선과의 거리(Rr)가 프로펠러 반경(Rp)×0.75 보다는 높거나 같고, 프로펠러 반경(Rp)×1.1 보다는 낮거나 같도록 혼의 길이를 짧게 형성한 것을 특징으로 하는 공동침식 최소화를 위한 선박용 방향타구조.
2. 삭제

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