KR101293004B1

KR101293004B1 - 공동현상에 의한 침식을 방지하기 위하여 침식방지판이부착되는 선박용 프로펠러

Info

Publication number: KR101293004B1
Application number: KR1020060115855A
Authority: KR
Inventors: 최길환
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2006-11-22
Publication date: 2013-08-02
Also published as: KR20080046422A

Abstract

본 발명은 공동현상에 의한 침식을 방지하기 위하여 침식방지판이 부착되는 선박용 프로펠러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 선박용 프로펠러의 공동현상에 의해 침식이 발생하는 프로펠러 날개 끝단의 공동현상 발생부에 침식에 강한 스테인레스강 등의 이종재질로 조성된 침식방지판을 볼트를 이용하여 부착함으로써 공동현상에 의한 프로펠러 팁부분의 침식을 최소화 할 수 있도록 하는 공동현상에 의한 침식을 방지하기 위하여 침식방지판이 부착되는 선박용 프로펠러에 관한 것이다.

상기 공동현상에 의한 침식을 방지하기 위하여 침식방지판이 부착되는 선박용 프로펠러는 공동현상에 의한 침식을 최소화하기 위하여 프로펠러 날개의 외측 끝단에서부터 일정거리만큼 이격된 위치에 하나 이상의 침식방지판(603)을 부착하는 것을 특징으로 하여 구성된다.

선박용 프로펠러, 날개, 공동현상, 침식현상, 침식방지판

Description

공동현상에 의한 침식을 방지하기 위하여 침식방지판이 부착되는 선박용 프로펠러{Propeller of ship attaching prevention plate of erosion to minimize erosion by cavitation }

도 1 은 종래의 프로펠러 날개형상을 나타낸 예시도,

도 2 는 도 1의 날개단면에 공동현상이 발생하는 것을 설명한 사진,

도 3 은 프로펠러에서 발생하는 공동현상들의 예시도,

도 4 는 프로펠러의 공동현상을 관찰하기 위한 모형시험 사진,

도 5 는 프로펠러 공동현상에 의한 표면의 침식을 관찰하기 위한 모형시험 사진,

도 6 은 본 발명에 따른 침식방지판을 부착한 선박용 프로펠러의 날개 정면도,

도 7 은 침식부위에 부착되는 침식방지판의 대체물 형상도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(101)(601): 날개 (102)(202): 날개 단면

(103): 선단부 (104): 끝단부

(201): 전단부 (203): 후단부

(204): 흡입면 (205): 압력면

(206)(402): 공동현상 (301): 팁보오텍스 공동

(302): 얇은막 공동 (303): 기포 공동

(304): 구름 공동 (401)(501): 흡입면 날개위

(502): 침식현상 (601a): 침식방지판 부착홈

(602): 공동현상 발생부 (603): 침식방지판

(701): 사다리꼴 (702): 직사각형

(703): 타원

일반적으로 공동현상이란 프로펠러의 날개주위에서는 국부적으로 압력이 증 기압 이하로 떨어짐으로 인하여 물이 공기화되는 현상으로 정압이 액체의 증기압보다도 낮아질 때 액체 중에 기포가 발생되는 현상이다. 그리고 공동현상 침식(Cavitation erosion)은 액체의 빠른 유속과 부식작용이 서로 복합적으로 작용해서 생기는 것으로 공동현상에 의한 기포가 금속표면에 터지면 강한 충격작용이 발생하여 부동태 산화피막이 깨지고 소지금속도 손상된다.

상기와 같은 문제점을 갖는 종래의 선박용 프로펠러에 관하여 첨부된 도면과 함께 더불어 간단히 설명하기로 한다.

도 1 은 종래의 프로펠러 날개형상을 나타낸 예시도이다. 도 1에서 보는 바와 같이 프로펠러의 날개(101)는 선단부(103) 그리고 끝단부(104)로 구성된다. 도 2 는 도 1의 날개단면(202)에 공동현상이 발생하는 것을 설명한 사진이다. 도 2를 살펴보면, 프로펠러가 회전시 전단부(201)로 유동이 유입되어 날개단면(202)의 흡입면(204)과 압력면(205)으로 흘러서 후단부(203)로 빠져 나가게 된다. 추력은 전단부(201)에 유입되는 유동에 의해 단면의 흡입면(204)과 압력면(205)의 압력 분포를 다르게 하고 이 압력의 차이가 추력으로 작용하게 된다. 이 때 흡입면의 압력이 주어진 온도에서 증기압 이하로 되면 여러 가지 공동현상(206)이 발생하게 된다.

도 3 은 프로펠러에서 발생하는 공동현상들의 예시도로 팁보오텍스 공동(Tip Vortex Cavitation)(301), 얇은막 공동(Sheet Cavitation)(302), 기포 공동(Bubble Cavitation)(303), 구름 공동(Cloud Cavitation)(304) 등으로 구분할 수 있다. 이중 팁보오텍스 공동(301)과 기포 공동(303)은 침식을 유발시키는 공동현상으로 이 로 인한 침식가능성에 대한 평가는 공동이 붕괴되는 위치, 붕괴지점과 물체 표면과의 거리 그리고 붕괴시 마이크로제트의 세기로 알 수 있다.

도 4 는 프로펠러의 공동현상을 관찰하기 위한 모형시험 사진으로, 흡입면 날개위(401)에 공동현상(402)이 발생한 것을 표시하고 있다. 도 5 는 프로펠러 공동현상에 의한 표면의 침식을 관찰하기 위한 모형시험 사진으로, 흡입면 날개위(501)에 침식현상(502)이 발생한 것을 표시하고 있다. 초기의 공동현상에 의한 공동침식면은 귤 껍질과 같이 거칠거칠한 정도이지만, 이윽고 작은 홈들이 이어져서 스펀지 모양의 침식면이 형성된다. 육안으로도 관찰할 수 있을 정도까지 침식이 발달할 때까지는 상당히 시간이 걸리므로 침식면에는 많은 수의 기포 붕괴압이 반복해서 작용한다. 이러한 스폰지 모양의 침식면이 더욱 진행되면 날개면을 관통하거나 날개이 끝단이 뜯어지는 상태로 된다. 상선의 경우 프로펠러에 공동현상이 발생하지 않도록 설계하는 것이 매우 어렵기 때문에 공동현상으로 인한 추진 성능의 저하와, 진동 및 소음의 발생은 선박의 성능에 영향을 주지 않는 범위내에서 허용된다. 진동이나 소음은 프로펠러 회전수의 증가에 따라서 더욱 위험한 상태가 되지만 침식은 특정조건에서만 발생하는 특성을 가지고 있어 발생회피나 제어가 어려운 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 날개 끝단부분의 단면모양을 일정한 형태로 연마하여 변형을 주어 공동현상과 그에 의한 침식을 감소시키는 방법이 사용되어 왔다. 그러나 이 방법은 특정한 모양으로 연마하여 가공시켜 공동현상이 감소되는 경우도 있지만 그렇지 않을 경우 연마를 통한 가공을 계속해야 하는 문제점이 있었다. 뿐만 아니라 날개의 끝단부분에 직접적인 가공을 할 경우 연마가공의 특성상 가공 중 소실된 부분이 늘어나게 되고 과도한 가공은 원래 설계의 프로펠러 모양에 변화를 주게 된다. 때문에 프로펠러의 성능과 내구성에 영향을 미치게 되고, 프로펠러의 수명을 단축시키거나 심지어 다시 제작을 해야 하는 경우가 발생하는 등 이로 인한 경제적 손실과 선박의 성능저하를 초래하는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 선박용 프로펠러 날개 끝단부분의 공동현상 발생부에 침식에 강한 스테인레스강 등의 이종재질로 조성된 침식방지판을 부착하여 공동현상에 의한 침식을 방지할 수 있도록 할 뿐만 아니라 침식에 의한 경제적 손실을 최소화하고, 프로펠러의 성능상의 손실을 방지할 수 있도록 하는 공동현상에 의한 침식을 방지하기 위하여 침식방지판이 부착되는 선박용 프로펠러를 제공하는 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 6 은 본 발명에 따른 침식방지판을 부착한 선박용 프로펠러의 날개 정면도이다. 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 공동현상에 의한 침식을 방지하기 위하여 침식방지판이 부착되는 선박용 프로펠러는 침식이 발생되거나 예상되는 공동현상 발생부(602)에, 회전하는 프로펠러의 회전 끝단(0)에서부터 회전중심점(L)을 향해 0.1%에서 30% 위치 사이에 날개 재질과는 다른 내침식성이 우수한 이종재질로 조성된 침식방지판(603)을 부착함으로써 침식량을 최소화 시킬 수 있게 된다.

상기 침식방지판(603)은 프로펠러의 날개 주조 후에 침식이 예상되는 부위에 미리 제작되어 끼워지거나, 이미 침식이 발생한 운항중인 선박의 경우 침식이 발생된 형상에 따라 제작하여 선박의 입거시 장착되는 침식방지판(603)의 형상 및 두께와 대응하는 형상 및 함몰길이를 갖도록 날개면에 침식방지판 부착홈(601a)이 형성된다. 그리고 상기 침식방지판 부착홈(601a)에 끼워진 침식방지판(603)을 관통하여 볼트 혹은 고정핀등의 고정수단을 통해 날개에 부착된다.

상기와 같은 과정을 통해 프로펠러의 침식위치에 부착되는 침식방지판의 종 류로는 세라믹, 스테인레스강, 강화 플라스틱을 사용하며 그 중 재료의 가공성이나 기계적 성질 그리고 부착의 용이성 면에서 스테인레스강을 사용하는 것이 가장 바람직하다. 한편, 부착되는 침식방지판의 두께와 형상은 대체되는 프로펠러의 뒷날 밑 끝단부의 두께 및 형상과 일치하여 두께의 차이로 인하여 발생할 수 있는 추가적인 침식을 방지할 수 있어야한다. 또한 침식방지판 설치 시 프로펠러와의 간격이 없도록 하여 틈새로 인한 공동침식의 영향도 최소화하여야 한다.

도 7 은 침식부위에 부착되는 침식방지판의 대체물 형상도이다. 도 7에서 보는 바와 같이 프로펠러 날개의 형상과 목적에 따라 사다리꼴(701), 직사각형(702) 혹은 타원(703)의 형상등이 사용되며, 그 중 사다리꼴을 사용하는 것이 가장 바람직하다. 그 이유는 사다리꼴 형상의 경우 프로펠러의 원심력과 회전방향의 힘으로부터 안전하게 침식방지판(603)이 부착될 수 있기 때문이다.
이렇게 단면 모양이 사다리꼴 형상을 하는 침식방지판(603)을 적용하는 경우에는 프로펠러 날개(601)의 침식예상부위 혹은 침식발생부위에 사다리꼴 모양의 부착홈(601a)을 형성하고, 상기 부착홈(601a)과 상응하는 단면 형상의 끼움 결합부를 갖도록 침식방지판(603)을 제작하면 된다.

그러나, 사다리꼴 형상의 부착이 어려운 곳에는 직사각형이나 타원 형상을 사용하여 침식방지판을 부착할 수 있다.

여기서, 침식방지판은 프로펠러와의 접촉부에서는 상술한 설명과 같이 사다리꼴, 직사각형 및 타원 형상을 가지지만 외곽선은 프로펠러의 형상과 일치하도록 한다.

본 발명을 구현하는 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저 공동시험이나 공동침식시험을 통하여 설계나 제작하고자 하는 프로펠러의 침식가능성을 확인한다. 상기 시험을 통해 침식가능성이 확인되면 정확한 침식발생 위치와 형상을 모형시험을 통하여 추출한다. 그리고 프로펠러 도면으로부터 침식발생 위치와 형상에 따른 정확한 모양을 작성한다. 상기와 같이 도면이 작성되면 침식방지판을 이용하여 대체물을 프로펠러의 날갯수 만큼 제작하고, 침식이 발생하였거나 예상되는 부위를 제거하여 대체물을 부착하는 단계를 거친다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

이상, 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 공동현상에 의한 침식을 방지하기 위하여 침식방지판이 부착되는 선박용 프로펠러는 침식에 강한 이종재질로 조성된 침식방지판을 공동현상 발생부에 부착하여 공동현상에 의한 침식을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 침식에 의한 경제적 손실을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.

또한 프로펠러 날개를 직접 가공할 필요없이 다양한 현상의 이종재질을 제공하여 프로펠러의 성능상의 손실을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims

다수개의 날개를 구비하고, 선박의 후미에 장착되어 추진력을 발생시키는 선박용 프로펠러에 있어서,

프로펠러 날개(601)의 외측 끝단에서부터 일정거리만큼 이격된 위치에 하나 이상의 침식방지판(603)을 결합하여 구성하되,

상기 프로펠러 날개(601)의 침식예상부위 혹은 침식발생부위에는 상기 침식방지판(603)의 결합을 위한 사다리꼴 모양의 부착홈(601a)이 형성되며,

상기 침식방지판(603)은 프로펠러 날개(601)의 형상과 일치되는 외면 형상을 가지면서, 상기 프로펠러 날개(601)의 부착홈(601a)과 상응하는 형상의 끼움 결합부를 갖도록 구성한 것을 특징으로 하는 공동현상에 의한 침식을 방지하기 위하여 침식방지판이 부착되는 선박용 프로펠러.
제 1 항에 있어서,

상기 침식방지판(603)은 회전하는 프로펠러의 끝단에서부터 회전중심점을 향해 0.1%~30% 구간에 부착되는 것을 특징으로 하는 공동현상에 의한 침식을 방지하기 위하여 침식방지판이 부착되는 선박용 프로펠러.
제 1 항에 있어서,

상기 침식방지판(603)은 주조된 프로펠러 날개(601)의 침식예상부위에 끼워지거나, 혹은 사용 중 침식이 발생된 부위에 끼워지게 되는 침식방지판(603)의 형상 및 두께와 대응하는 형상 및 함몰깊이를 갖도록 날개면에 형성되는 침식방지판 부착홈(601a)에 끼워진 채 침식방지판(603)을 관통하여 부착홈(601a)의 저면에 고정 체결되는 고정수단을 통해 고정설치되는 것을 특징으로 하는 공동현상에 의한 침식을 방지하기 위하여 침식방지판이 부착되는 선박용 프로펠러.
제 1 항에 있어서,

상기 침식방지판(603)의 재질은 세라믹, 스테인리스강, 강화 플라스틱들 중 선택된 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 공동현상에 의한 침식을 방지하기 위하여 침식방지판이 부착되는 선박용 프로펠러.