KR101283674B1

KR101283674B1 - 에어버블 쇄빙선 및 이에 의한 쇄빙방법

Info

Publication number: KR101283674B1
Application number: KR1020120015356A
Authority: KR
Inventors: 이춘주; 최걸기
Original assignee: 한국해양과학기술원
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2013-07-08
Also published as: WO2013122403A1

Abstract

본 발명에 따른 얼음이 덮여 있는 결빙해역에서 얼음을 부수는 에어버블 쇄빙선은 선수부의 양측면에 형성된 복수개의 홀; 복수개의 상기 홀에 연결된 복수개의 제1노즐; 상기 제1노즐과 연결가능한 제2노즐; 상기 제2노즐을 상하이동시키는 가이드부재; 및 상기 제2노즐에 고압의 에어를 분사하는 압축기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

에어버블 쇄빙선 및 이에 의한 쇄빙방법{Ice braker with air bubble and ice braking method in using the same}

본 발명은 쇄빙선에 관한 것으로서, 특히 에어버블 분사 노즐에 의해 쇄빙능력을 향상시킨 에어버블 쇄빙선에 관한 것이다.

일반적으로, 선박이 얼음이 있는 해역을 지나갈 때는 선박과 얼음의 충돌 또는 마찰에 의한 저항이 증가하기 때문에 이를 최소화하기 위해서 저속으로 운행한다. 하지만 이렇게 운행하는 가운데서도 얼음에 의한 마찰저항이나 직접 부딪히는 충격하중은 매우 크기 때문에 통상적으로 쇄빙선의 선수부 형상은 측면에서 볼 때 많이 기울어져 있는 형상이다.

이것은 일정한 두께의 얼음이 존재하는 구간을 지나갈 때 빙판을 선박의 수직 전단력에 의해 쇄빙하도록 하는 선수부가 가장 효과적인 형상인 것이다. 따라서 대부분의 선박은 그 기울기가 일정하게 정해져 있으며 통상적으로 기울기가 작을수록 즉, 다시 말해서 기울기가 수평에 가까울수록 쇄빙능력은 커지게 된다. 그렇지만 선수부기울기 역시 너무 작으면 선박의 쇄빙능력보다는 일반 대양 항해시 내파성능이 급격히 나빠지기 때문에 적절한 기울기를 가지도록 선급에서 요구하고 있다.

일반상선은 일반해역에서 조파저항 성능 개선 목적으로 도 1과 같은 구상선수(Bulbous Bow, Open Water Bulb)를 적용하며, 이는 선체가 전진하면서 발생하는 파를 상쇄시킴으로써 조파저항을 감소시키는 역할을 하게 된다.

도 2의 쇄빙선수(Ice Breaking Bow)는 선체의 자중으로 쇄빙 기능을 수행하기 위해 선수가 얼음 위로 올라갈 수 있도록 완만한 경사를 갖는 특징이 있다. 일반적으로 쇄빙선수는 수선면 아래에서부터 선수바닥까지 일정한 각도로 경사져 있으며, 빙해 지역에서 전진속도 3 ~ 12 노트시의 쇄빙 성능에 초점을 맞춰 설계된다.

이러한 쇄빙선은 바다 얼음을 깨며 나아가기 위해 일반선박에 비해 매우 무겁고 엔진출력이 크며 얼음을 깨기 쉬운 완만한 경사의 뱃머리 구조를 갖추고 있다.

얼음을 깰 때엔 배와 얼음 사이의 마찰 저항을 최소화해야 하는데, 최근 개발된 쇄빙선은 뱃머리의 폭이 평균선폭보다 더 넓고 배꼬리의 폭은 더 좁으며 뱃머리가 완만한 곡선을 이뤄‘수저’모양을 하고 있다. 이러한 모양은 쇄빙선의 뱃머리가 얼음 위로 쉽게 올라타도록 하고, 큰 뱃머리로 얼음을 깨며 나아가면 뒷부분(선미)은 쉽게 빠져나오게 한 설계이다.

쇄빙선은 두께 1m 가량의 얼음을 잇따라 깨야 하기 때문에 저속에서도 매우 큰 추진력이 필요하며, 배가 얼음에 갇혔을 때 스스로 빠져나오는 추진력은 쇄빙선의 필수 요소라 할 수 있다. 최근에 건조된 핀란드의 쇄빙선은 제자리에서 맴도는 프로펠러를 갖춰 전방위 쇄빙을 하는 기술을 갖추기도 했다.

이와 같이 쇄빙선의 큰 추진력을 이용하여 얼음을 깨는 방식은 뱃머리가 얼음 위를 올라타 배의 무게로 얼음을 깨부수는 방식인데, 이 때 배를 일부러 좌우로 흔들어 더 빨리 얼음을 깨기도 한다.

그러나 이와 같이 단순히 쇄빙선의 자중을 이용하는 방식은 쇄빙선의 큰 추진력을 위한 엔진의 에너지 소모량이 크기 때문에 쇄빙을 위한 연료비가 상당히 많이 드는 문제점이 있었으며, 단순히 중력과 같은 물리적인 방법에만 의존하기 때문에 그 효율성이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 엔진의 에너지 소모량을 줄여 작은 추진력으로 결빙해역의 쇄빙작업을 효율적으로 할 수 있도록 쇄빙선의 자중시 얼음에 쉽게 크랙이 발생되도록 공기층을 얼음층 하부에 형성시켜 부력에 의한 영향을 감소시키는데 그 목적이 있다.

이를 위해 쇄빙선의 선수부에 에어버블이 용이하게 형성되도록 복수개의 미세홀이 형성된 노즐이 선수부 내부에 내장되고, 이를 이용하여 쇄빙이 용이하도록 하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명에 따르면, 복수개의 상기 홀은 상기 선수부에 수직방향으로 일정간격 이격되어 배열되고, 흘수선에 인접하여 형성된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 제1노즐은 복수개의 상기 홀에 대응되는 복수개가 상기 선수부에 내장되어 고정된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 제1노즐의 일단은 상기 홀까지 연장되고, 상기 제1노즐의 타단은 상기 제2노즐과 연결가능한 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 제1노즐은 상기 홀보다 직경이 작고, 상기 제1노즐의 외주면에는 복수개의 미세홀이 형성되어 에어가 상기 제1노즐의 상기 미세홀을 통과하면서 버블이 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 제2노즐은 상기 가이드 부재를 따라 상기 선수부의 내부에서 상하이동가능한 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 흘수선을 측정가능한 감지센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 감지센서에서 측정된 흘수선의 위치에 따라, 복수개의 상기 홀중에서 상기 흘수선의 위치보다 하부에 위치한 홀과 연결된 상기 제1노즐의 타단에 상기 제2노즐을 상기 가이드 부재를 따라 이동시켜 연결하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 압축기에서 고압의 에어를 상기 제2노즐에 공급하여 상기 흘수선에 위치한 상기 얼음의 하단부에 공기층을 형성시키는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 제1노즐과 상기 제2노즐의 연결시 고압의 에어가 누출되는 것을 방지하기 위해, 상기 제1노즐과 상기 제2노즐의 외주면에 탈착가능한 밀폐연결부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 압축기는 배기가스를 압축하여 상기 제2노즐에 공급하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 얼음이 덮여 있는 결빙해역에서 얼음을 부수는 에어버블 쇄빙선에 의한 쇄빙방법은 선수부의 양측면에 형성된 복수개의 홀; 복수개의 상기 홀에 연결된 복수개의 제1노즐; 상기 제1노즐과 연결가능한 제2노즐; 상기 제2노즐을 상하이동시키는 가이드부재; 및 상기 제2노즐에 고압의 에어를 제공하는 압축기; 및 흘수선을 감지하는 감지센서를 포함하는 에어버블 쇄빙선이 상기 결빙해역을 항해할 때, 상기 감지센서가 상기 흘수선을 감지하는 흘수선 감지단계; 상기 흘수선 감지단계에서 흘수선을 감지하고, 상기 흘수선에 위치한 얼음의 하부에 공기층을 형성시키기 위해, 상기 제2노즐을 상기 가이드부재를 따라 이동시키는 노즐이동단계;

상기 노즐이동단계에서 상기 제2노즐이 상기 흘수선과 인접한 하부에 위치할 때, 상기 제1노즐과 상기 제2노즐을 연결하는 노즐연결단계; 및 상기 노즐연결단계에서 상기 제1노즐과 상기 제2노즐이 연결되면, 상기 압축기를 통해 고압의 에어를 상기 얼음의 하부에 분사하여 공기층을 형성하는 에어버블 분사단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 에어버블 분사단계에 사용되는 에어는 배기가스인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 에어버블 쇄빙선은 선수부에 구비된 에어버블 분사 노즐에 의해 분사된 에어버블에 의해 쇄빙선의 진행방향의 얼음층 하부에 공기층을 형성시켜 얼음층을 상부로 부양시키고, 부양된 얼음층에 선수부가 올라타면서 자중을 가하게 되면, 얼음이 부력에 의한 영향 감소로 용이하게 쇄빙가능하도록 하는 효과가 있다.

이와 같이, 부양된 얼음은 얼음 강도가 낮아지거나, 부력차로 인해 얼음에 미리 균열이 발생되어 쇄빙선의 선수부가 실질적으로 얼음을 쇄빙할 때, 낮은 추진력으로도 효율적인 쇄빙작업이 가능하도록 하는 효과가 있다.

또한, 이를 통해, 엔진의 에너지 소모량을 크게 줄여 엔진에 사용되는 연료비를 대폭 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 일반선의 구상선수(Bulbous Bow, Open Water Bulb)를 나타낸다.
도 2는 종래의 쇄빙선의 쇄빙선수부를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 에어버블 쇄빙선의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 에어버블 쇄빙선의 확대도이다.
도 5는 본 발명에 따른 에어버블 쇄빙선에 의한 쇄빙방법의 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.

도 3은 본 발명에 따른 에어버블 쇄빙선의 개략도이고, 도 4는 확대도다.

도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 에어버블 쇄빙선은 선수부에 형성된 복수개의 홀(100), 제1노즐(200), 제2노즐(300), 가이드부재(400), 압축기(500)를 포함한다.

복수개의 홀(100)은 선수부의 양측면에 형성되고, 흘수선 부근에 형성된다.

즉, 흘수선에 대해 수직선상에 복수개의 홀(100)이 나란히 일정간격 이격되어 배열된다. 이는 에어버블 쇄빙선이 운항에 따라 흘수선이 변동하게 되고, 이에 따라 얼음과 접촉하는 선수부의 위치도 변화하게 되므로 이후 설명될 고압의 에어 분사 위치가 얼음 바로 아래에서 이루어지도록 하여 얼음 하단부에 공기층이 용이하게 형성되도록 하기 위한 것으로서, 고압의 에어가 분사될 홀(100)이 수직으로 배열되어 고압의 에어 분사 높이를 조절가능하도록 한 것이다.

제1노즐(200)은 복수개의 홀(100)의 개수와 대응되는 개수로 복수개의 홀(100)의 내부에 결합되어 연결된다.

복수개의 제1노즐(200) 및 복수개의 홀(100)이 선수부에 내장된 형태로 형성된 것은 얼음이 선수부에 충돌하므로 돌출된 형상이라면 파손의 우려가 있기 때문에 선수부 내부에 내장형으로 형성시킨 것이다.

제1노즐(200)의 일단은 홀(100)의 말단까지 연장되어 연결되고, 제1노즐(200)의 타단은 제2노즐(300)과 연결가능하다.

제1노즐(200)은 홀(100)과 동일한 직경으로 형성되어 얼음 바로 아래에서 고압의 에어를 분사하여 공기층이 쇄빙선의 진행방향을 따라 길게 형성되도록 할 수도 있고, 제1노즐(200)의 직경을 홀(100)의 직경보다 직경이 작게 하고, 제1노즐(200)의 외주면에 복수개의 미세홀(210)을 형성시켜 고압의 에어가 미세홀(210)을 관통하면서 물과 접촉하여 다량의 버블이 형성되어 쇄빙선 진행방향에 인접한 얼음 하단부에 공기층을 두껍게 형성하여 얼음에 작용하는 부력을 감소시킬 수도 있다.

제2노즐(300)은 선수부의 내부에 내장되고 제2노즐(300)을 상하이동가능하게 하는 가이드 부재(400)와 연결된다.

본 발명에 따른 에어버블 쇄빙선의 일측에는 흘수선을 감지할 수 있는 감지센서(600)가 부착되어 있다.

흘수선을 감지하는 것은 흘수선과 수평하게 얼음도 형성되어 있고, 얼음 바로 아래층에 고압의 공기를 분사하여 공기층을 용이하게 얼음 바로 아래에 형성시키기 위한 것으로서, 공기층이 형성되면, 공기층에 의해 얼음이 떠 있는 형태이고, 공기층에 부양된 얼음을 쇄빙선의 선수부가 타고올라 중력에 의해 가압하게 되면 얼음이 용이하게 쇄빙되는 효과가 있다.

따라서, 감지센서(600)에서 감지한 흘수선 위치에 인접한 하부로 제2노즐(300)을 가이드부재(400)를 따라 이동시키고, 제1노즐(200)과 제2노즐(300)을 연결한다.

제2노즐(300)과 제1노즐(200)이 연결되면, 제2노즐(300)에 고압의 에어를 압축기(500)를 이용하여 압축하여 제2노즐(300)에 공급하고 이는 제1노즐(200)을 통해 홀(100)로 분사된다.

이 때 분사되는 에어버블의 위치는 얼음의 하단부에 해당된다.

제1노즐(200)과 제2노즐(300)의 연결시 고압의 에어가 누출되는 것을 방지하기 위해 제1노즐(200)과 제2노즐(300) 외주면은 이들을 감싸 밀폐 및 연결시키는 탈착가능한 밀폐연결부재(700)가 결합될 수 있다.

압축기(500)에서 압축되는 공기는 주위의 공기를 이용하여 압축시킬 수도 있고배기가스를 압축할 수도 있으며, 배기가스를 압축하여 공급하게 되면, 배기가스에 남아 있는 잔열을 이용하여 얼음이 녹으면서 강도가 약해지는 효과도 기대할 수 있다.

배기가스를 이용하지 않더라도 주위의 에어를 가열시킨 후 압축시켜 분사함으로써, 배기가스를 이용한 효과를 거둘 수도 있다.

도 5는 본 발명에 따른 에어버블 쇄빙선에 의한 쇄빙방법의 순서도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 에어버블 쇄빙선에 의한 쇄빙방법은 선수부의 양측면에 형성된 복수개의 홀(100); 복수개의 상기 홀(100)에 연결된 복수개의 제1노즐(200); 상기 제1노즐(200)과 연결가능한 제2노즐(300); 상기 제2노즐(300)을 상하이동시키는 가이드부재(400); 및 상기 제2노즐(300)에 고압의 에어를 제공하는 압축기(500); 및 흘수선을 감지하는 감지센서(600)를 포함하는 에어버블 쇄빙선이 결빙해역을 항해할 때, 상기 감지센서(600)가 상기 흘수선을 감지하는 흘수선 감지단계(S100), 상기 흘수선 감지단계(S100)에서 흘수선을 감지하고, 상기 흘수선에 위치한 얼음의 하부에 공기층을 형성시키기 위해, 상기 제2노즐(300)을 상기 가이드부재(400)를 따라 이동시키는 노즐이동단계(S150); 상기 노즐이동단계(S150)에서 상기 제2노즐(300)이 상기 흘수선의 하부 인접한 위치에 위치할 때, 상기 제1노즐(200)과 상기 제2노즐(300)을 연결하는 노즐연결단계(S200); 및 상기 노즐연결단계(S200)에서 상기 제1노즐(200)과 상기 제2노즐(300)이 연결되면, 상기 압축기(500)를 통해 고압의 에어를 얼음의 하부에 분사하여 공기층을 형성하는 에어버블 분사단계(S300)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 에어버블 분사단계(S300)에 사용되는 에어는 배기가스일 수도 있다.

이상에서 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 변경, 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

100: 홀 200: 제1노즐 210: 미세홀 300: 제2노즐 400: 가이드부재 500: 압축기 600: 감지센서 700: 밀폐연결부재
S100: 흘수선 감지단계 S150: 노즐이동단계
S200: 노즐연결단계 S300: 에어버블 분사단계

Claims

얼음이 덮여 있는 결빙해역에서 얼음을 부수는 에어버블 쇄빙선에 있어서,
선수부의 양측면에 형성된 복수개의 홀;
복수개의 상기 홀에 연결된 복수개의 제1노즐;
상기 제1노즐과 연결가능한 제2노즐;
상기 제2노즐을 상하이동시키는 가이드부재; 및
상기 제2노즐에 고압의 에어를 분사하는 압축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어버블 쇄빙선.
제1항에 있어서,
복수개의 상기 홀은 상기 선수부에 수직방향으로 일정간격 이격되어 배열되고, 흘수선에 인접하여 형성된 것을 특징으로 하는 에어버블 쇄빙선.
제2항에 있어서,
상기 제1노즐은 복수개의 상기 홀에 대응되는 복수개가 상기 선수부에 내장되어 고정된 것을 특징으로 하는 에어버블 쇄빙선.
제3항에 있어서,
상기 제1노즐의 일단은 상기 홀까지 연장되고,
상기 제1노즐의 타단은 상기 제2노즐과 연결가능한 것을 특징으로 하는 에어버블 쇄빙선.
제4항에 있어서,
상기 제1노즐은 상기 홀보다 직경이 작고, 상기 제1노즐의 외주면에는 복수개의 미세홀이 형성되어 에어가 상기 제1노즐의 상기 미세홀을 통과하면서 버블이 형성되는 것을 특징으로 하는 에어버블 쇄빙선.
삭제
삭제
삭제
제5항에 있어서,
상기 압축기에서 고압의 에어를 상기 제2노즐에 공급하여 상기 흘수선에 위치한 상기 얼음의 하단부에 공기층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 에어버블 쇄빙선.
제9항에 있어서,
상기 제1노즐과 상기 제2노즐의 연결시 고압의 에어가 누출되는 것을 방지하기 위해, 상기 제1노즐과 상기 제2노즐의 외주면에 탈착가능한 밀폐연결부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어버블 쇄빙선.
제10항에 있어서,
상기 압축기는 배기가스를 압축하여 상기 제2노즐에 공급하는 것을 특징으로 하는 에어버블 쇄빙선.
얼음이 덮여 있는 결빙해역에서 얼음을 부수는 에어버블 쇄빙선에 의한 쇄빙방법에 있어서,
선수부의 양측면에 형성된 복수개의 홀; 복수개의 상기 홀에 연결된 복수개의 제1노즐; 상기 제1노즐과 연결가능한 제2노즐; 상기 제2노즐을 상하이동시키는 가이드부재; 및 상기 제2노즐에 고압의 에어를 제공하는 압축기; 및 흘수선을 감지하는 감지센서를 포함하는 에어버블 쇄빙선이 상기 결빙해역을 항해할 때, 상기 감지센서가 상기 흘수선을 감지하는 흘수선 감지단계;
상기 흘수선 감지단계에서 흘수선을 감지하고, 상기 흘수선에 위치한 얼음의 하부에 공기층을 형성시키기 위해, 상기 제2노즐을 상기 가이드부재를 따라 이동시키는 노즐이동단계;
상기 노즐이동단계에서 상기 제2노즐이 상기 흘수선과 인접한 하부에 위치할 때, 상기 제1노즐과 상기 제2노즐을 연결하는 노즐연결단계; 및
상기 노즐연결단계에서 상기 제1노즐과 상기 제2노즐이 연결되면, 상기 압축기를 통해 고압의 에어를 상기 얼음의 하부에 분사하여 공기층을 형성하는 에어버블 분사단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어버블 쇄빙선에 의한 쇄빙방법.
제12항에 있어서,
상기 에어버블 분사단계에 사용되는 에어는 배기가스인 것을 특징으로 하는 에어버블 쇄빙선에 의한 쇄빙방법.