KR101293006B1 - 선속 향상 및 선미부의 유동 개선을 위한 선미 부가물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박의 선속 향상 및 추진 효율을 높이기 위하여 선미부에 설치되는 선속 향상 및 선미부의 유동 개선을 위한 선미 부가물에 관한 것으로서, 상기 선미 부가물은 프로펠러의 전방 상측부 선미 표면에 횡 방향으로 이격되어 대칭되게 하향 설치되는 일정 길이의 지지축 및 상기 지지축의 선단부에 고정되어 상기 프로펠러의 상측부에 평행하게 대향되도록 횡 방향으로 설치되는 일정 길이의 유동 조절블레이드로 구성됨으로써, 선미에 발생되는 수류의 유동 개선을 통해 저항을 감소시킴과 동시에 프로펠러의 공동형상(cavitation)을 최소화하여 추진력을 향상시킬 수 있는 선속 향상 및 선미부의 유동 개선을 위한 선미 부가물에 관한 것이다.

Description

선속 향상 및 선미부의 유동 개선을 위한 선미 부가물{The stern appendage to improve ship's speed and wake field on the stern of ships}

본 발명은 선박의 속도성능 향상 및 추진 효율을 높이기 위하여 선미에 설치되는 전진방향 추력 생성 및 선미부의 유동 개선을 위한 선미 부가물에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 프로펠러(propeller)의 전방 상측부 선미 표면에 횡 방향으로 이격 설치된 지지축에 일정 길이의 유동 조절블레이드를 프로펠러와 평행하게 대향 설치하여 전진방향 추력 생성 및 프로펠러 전방으로 유입되는 유동 분포를 개선함으로써, 선박의 속도성능 및 추진 효율을 향상시킬 수 있는 선속 향상 및 선미부의 유동 개선을 위한 선미 부가물에 관한 것이다.

일반적으로 선박은 선미에 설치된 추진 장치인 프로펠러(propeller)의 회전에 의하여 해상에서 추진력을 얻어 진행하게 되는 데, 이때 프로펠러는 선박 주위의 물을 뒤쪽으로 가속시켜 선박에 추진력을 부가함으로써 선박을 전진시키게 된다.

프로펠러는 선박이 받는 저항을 이길 수 있는 추진력을 발생시켜야 하기 때문에, 이러한 선체 저항을 감소시켜 연료비를 절감시키기 위하여 선형이나 프로펠러 형상의 개량 등 다양한 방안이 제시되고 있다.

또한 선미에는 프로펠러의 회전에 의해 프로펠러의 배후면에 부압이 발생되어 선체에 영향을 주게 됨으로써, 이러한 요소들이 추진력 감소는 물론 선체 진동의 원인이 되고 있는 것이다.

또 프로펠러의 회전시 날개 주변에서의 속도 증가로 인한 압력 저하로 인해 날개 주변에 기포가 발생되는 프로펠러 공동현상(Cavitation)이 발생되는 데, 이러한 프로펠러 공동현상은 프로펠러 주변의 유동 분포를 불안정하게 하여 프로펠러의 성능 저하는 물론 날개 침식의 원인이 되고 있다.

따라서 상기와 같은 선미에서의 불안정한 유동 분포와 흐름의 개선을 통해 추진력을 향상시키기 위하여 종래에는 도 1에 도시된 바와 같이, 프로펠러(200)와 선미 사이의 클리어런스(Clearance) 'D'가 크게 형성되도록 선미를 실선의 선형(a)보다 점선으로 표시된 선형(b)으로 개량하여 그 부위에서 압력 분포가 저압을 형성하도록 함으로써, 추진력 감소를 작게 하는 방안이 있으나, 이 경우에는 추진력 손실 감소의 효과는 있으나, 선체의 진동을 증가시키게 되는 문제점이 있었다.

한편 도 2는 프로펠러(200) 축심부 외주면에 일정 각도를 가지는 다수개의 날개(110)가 방사상으로 고정 설치된 선미 부가물(100)을 설치한 종래의 다른 예를 나타낸 것이다.

상기 도 2와 같은 경우에는 선미 부가물(100)이 유동 흐름을 프로펠러(200)로 빠르게 진입되도록 하여 유동 분포를 개선하고자 하는 것으로서, 선미 부가물(100)의 날개(110) 주변에 와류를 형성하여 마찰 저항 등을 감소시킴으로써, 프로펠러(200)의 추진력이 향상되도록 하고 있으나, 이 경우에는 구조가 복잡하고, 설치 및 해체가 복잡하여 유지 보수가 용이하지 않을 뿐 아니라, 양력 효과를 얻는 것이 용이하지 않은 문제점이 있었다.

다른 한편으로는 선미에서의 유동의 상호 간섭 현상이 추진 성능에 유리하게 작용하도록 유도하여 동력 절감 효과를 향상시키기 위한 방안으로 프로펠러의 전방 또는 후방에 덕트(duct) 형태의 부가물을 설치하거나 또는 선체 측벽에 플레이트(plate) 형태의 부가물을 설치함으로써, 프로펠러를 향해 유입되는 유동장을 개선하는 방안이 제시되고 있다.

그러나 상기와 같이 덕트 형태의 부가물의 경우에는 프로펠러 선단을 지나는 유동 가속에 의한 반류 분포를 개선시킬 수 있으나, 선체를 지나는 유동이 덕트 형 부가물에 집중되어 오히려 압력 저항의 증가를 야기시키는 문제점이 있었고, 또한 선체 외벽의 플레이트 형태의 부가물의 경우에는 와류(vortex)의 형성을 통해 선체에서의 유동 박리를 최소화하여 유동장을 개선할 수 있으나, 부가물 자체의 받음각(angle of attack)으로 인한 압력 저항은 물론 프로펠러 전방의 유동분포 개선 효과가 낮은 문제점이 있었다.

공개특허공보 10-2009-54046호(2009.05.29)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 첫째, 프로펠러 전방 공간부에 유동 조절블레이드를 설치하여 프로펠러 전방의 압력 분포를 감소시켜 전진방향 추력을 생성시키고, 또한 프로펠러로 유입되는 유동 흐름을 균일하게 집중시켜 프로펠러 전방의 유동 분포를 개선함으로써, 추진 효율 및 선속이 향상될 수 있게 하며, 둘째, 유동 조절블레이드 자체의 압력 저항이 최소화될 수 있게 하고, 셋째, 구조가 간단하여 설치 및 해체가 용이할 뿐 아니라, 유지 보수가 용이한 선미 부가물을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 선박의 선속을 개선하고 추진 효율을 높이기 위하여 선미부에 설치되는 선속 향상 및 선미부의 유동 개선을 위한 선미 부가물에 있어서,

상기 선미 부가물은 프로펠러의 전방 상측부 선미 표면에 복수로 설치하되 일단이 상기 선미에 횡 방향으로 이격되어 서로 대칭되게 결합되며, 일정 각도로 하향 경사지게 설치되는 일정 길이의 지지축, 및 상기 지지축의 선단부에 고정 설치하되 상기 프로펠러의 상측부에 평행하게 대향되도록 횡 방향으로 설치되는 일정 길이의 유동 조절블레이드로 구성된다.

여기서 상기 유동 조절블레이드는 단면이 평판, 타원형 또는 유선형 중 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한 상기 유동 조절블레이드는 중앙부에서 양단부로 진행할수록 단면이 일정하거나 점차적으로 작아지거나 커지도록 형성될 수 있다.

또 상기 유동 조절블레이드는 상기 프로펠러의 외경을 기준으로 크거나 작은 길이로 형성되는 것이 바람직하다.

한편 상기 지지축은 유동 흐름의 저항이 최소화 되도록 단면이 평판, 원형, 타원형, 또는 유선형 중 어느 하나로 형성될 수 있다.

또 상기 지지축은 유동 흐름의 저항이 최소화 되도록 평행하거나, 사다리꼴 또는 역사다리꼴 형태로 설치될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 선미 부가물 자체의 저항을 최소화할 수 있을 뿐 아니라, 프로펠러 전방의 압력 저항의 감소는 물론 유동 흐름의 균일성 향상과 유동 분포의 개선을 통해 프로펠러의 추진력 및 선속이 향상될 수 있는 효과가 있고, 또한 프로펠러의 공동현상을 제거하여 프로펠러의 성능을 향상시킴으로써, 선박 동력을 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 선미의 선형에 따른 압력분포도,
도 2는 종래의 선미 부가물이 설치된 상태의 선미 사시도,
도 3은 선체 주변의 유동 분포도,
도 4는 본 발명의 선미 부가물이 설치된 상태의 선미부 사시도,
도 5는 도 4의 측면도,
도 6은 도 4의 평면도,
도 7은 본 발명의 타원형 유동 조절블레이드 주변의 유동 분포도,
도 8은 본 발명의 유선형 유동 조절블레이드 주변의 유동 분포도,
도 9는 본 발명의 유선형 유동 조절 블레이드 주변의 전진방향 추력 생성 원리에 관한 분포도이다.

이하 본 발명에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 선체 주변의 유동 분포도를 개략적으로 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 선체(300)를 따라 선미 방향으로 흐르는 유동은 선체(300) 측면을 따라 이동하는 유동과 선체(300) 하측부를 따라 이동한 후 프로펠러 방향으로 상향 이동하는 유동이 선미 부분에서 만나면서 복잡한 형태를 가지며 진행하게 된다.

특히 선미에서는 선체(300)의 현저한 곡률 변화가 발생되기 때문에 와류나 유동 박리 현상이 발생될 수 있으며, 또한 다양한 방향에서 유입되는 유동의 상호 간섭으로 인해 유동의 불균일이 발생되는 것이다.

이러한 복잡한 유동은 프로펠러(Propeller) 주변의 유동 분포를 변화시키고 압력 저항을 발생시킬 뿐 아니라, 프로펠러 주변의 불균일한 유동 분포로 인해 프로펠러의 추진 효율에 큰 영향을 주게 되는 것이다.

특히 프로펠러의 기진력 중에서 가장 큰 성분은 프로펠러의 공동현상(cavitation)과 Propeller의 Tip Vortex(소용돌이)에 의한 수압 변동이기 때문에 이것을 방지하기 위해서는 선미 라인과 반류 분포 혹은 프로펠러의 개량이 필요하며, 또한 프로펠러 전방에 형성되는 수류의 압력 분포가 낮게 형성되도록 하는 것이 중요하다.

따라서 본 발명의 선미 부가물(50)은 프로펠러의 전방 부분에 형성되는 유동 흐름을 균일하게 함과 동시에 유동 분포를 개선하고, 또한 압력 저항을 감소시켜 유동이 효과적으로 프로펠러로 유입되도록 함으로써 추진 효율을 향상시키고자 하는 것이다.

이하 본 발명의 선속 향상 및 선미부의 유동 개선을 위한 선미 부가물을 도 4 내지 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 선미 부가물이 설치된 상태의 선미부 사시도를 나타낸 것이고, 도 5는 도 4의 측면도를 나타낸 것이며, 도 6은 도 4의 평면도를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 선미 부가물(50)은 지지축(10)과 유동 조절블레이드(30)로 구성된다.

지지축(10)은 하기에서 설명하는 유동 조절블레이드(30)가 프로펠러(propeller)(200)의 전방에 형성되는 선미 공간부(350) 특정 위치에 고정되도록 하는 것으로서, 복수로 구비될 수 있다.

즉 지지축(10)은 프로펠러(200)의 전방 상측부 선미 표면에 복수로 설치하되, 일단이 상기 선미에 횡 방향으로 이격되어 서로 대칭되도록 선미 표면에 결합되고, 타단(선단)은 유동 조절블레이드(30)의 중앙부 외주면에 결합된다.

따라서 지지축(10)은 삼각형 형태로 설치되며, 선미의 공간부(350)로 일정 각도 하향 경사지게 설치되는 것이다.

이때 지지축(10)은 타단이 유동 조절블레이드(30)의 중앙부에 모이도록 결합되는 것이 바람직하며, 또한 선미부의 유동 분포에 영향이 최소화되도록 단면 형상은 평판, 원형, 타원형 또는 유선형 중 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.

또한 지지축(10)은 도시하지는 않았지만 유동 흐름의 저항이 최소화 되도록 평행하거나, 사다리꼴 또는 역사다리꼴 형태로 설치될 수 있다.

한편 유동 조절블레이드(30)는 프로펠러(200) 전방의 선미 공간부(350)에 설치되어 프로펠러(200)로 진입되는 유동의 흐름을 균일하게 개선하는 역할을 하는 것으로서, 도 5,6에 도시된 바와 같이, 선미 공간부(350)에 횡 방향으로 설치되어 프로펠러(200)의 축심(250) 상측부와 평행하게 대향되도록 설치된다.

따라서 두 개의 지지축(10)과 유동 조절블레이드(30)는 도 5에 도시된 바와 같이, 선미 표면으로부터 공간부(350) 방향으로 하향 경사지게 형성되는 동일 평면(P) 상에 위치하게 되는 것이다.

이때 유동 조절블레이드(30)는 유동 흐름에 대한 저항이 최소화됨과 동시에 전진방향 추력 생성 및 프로펠러(200)에 유입되는 흐름이 균일하게 가속화되어 프로펠러(200)로 효과적으로 유입될 수 있도록 평판이나 타원형 또는 유선형의 단면을 가지도록 구성된다.

여기서 유동 조절블레이드(30)의 단면의 각도는 도 5에 도시되 바와 같이 수평으로 한정되는 것은 아니며, 유동 흐름이 프로펠러(200)로 효과적으로 진입될 수 있도록 선체(300)와 선미의 외형 형상을 고려하여 적절하게 조정 설치될 수 있을 것이다.

또한 유동 조절블레이드(30)는 중앙부에서 양단부로 진행할수록 단면이 일정하거나 또는 점차적으로 작아지거나 커지도록 형성되는 것이 바람직하며, 전체 길이는 프로펠러(200)의 외경을 기준으로 크거나 작게 형성되는 것이 바람직하다.

이하 도 7과 도 8을 참조하여 본 발명의 선미 부가물 주변의 유동 분포를 설명한다.

도 7은 본 발명의 타원형 유동 조절블레이드 주변의 유동 분포도를 나타낸 것이고, 도 8은 본 발명의 유선형 유동 조절블레이드 주변의 유동 분포도를 나타낸 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 선체(300) 양측벽과 하측면을 따라 선미로 흐르는 유동은 선미에서 서로 간섭되어 합쳐지게 되며, 이러한 유동은 도 7과 8에 도시된 바와 같이, 유동 조절블레이드(30,30')의 상부면을 따라 흐르는 성분과 하측면을 따라 흐르는 성분으로 분리된 후 유동 조절블레이드(30,30')의 후측부에서 다시 합쳐져 균일하게 프로펠러(200)로 진입되는 것이다.

한편 도 9를 참조하여 추력 생성 원리를 설명한다.

도 9는 본 발명의 유선형 유동 조절 블레이드 주변의 전진방향 추력 생성 원리에 관한 분포도를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 유선형의 유동 조절블레이드에 inflow가 있을 때 입사각과 블레이드의 상호작용으로 인해 양력(lift)이 발생하고 이때 압력이 낮아지며, 전진방향의 추력(T)이 생성되어 선박을 앞으로 밀어주는 효과가 발생하는 것이다.

따라서 유동 조절블레이드(30,30')는 프로펠러(200) 전방의 유동 흐름을 균일하게 함과 동시에 압력 분포를 감소시켜 전진방향 추력을 생성시키고, 또한 프로펠러(200)로 빠르고 효과적으로 진입될 수 있도록 유동 흐름을 개선하게 되는 것이다.

한편 선체(300)의 벽면과 하측면을 따라 선미로 진행하는 유동 흐름은 선체(300)와 선미의 외형 형상에 따라 다양하게 분포될 수 있으므로, 유동 조절블레이드(30,30')의 각도는 선체(300)와 선미 외형에 따른 유동 흐름을 고려하여 이에 대응되게 선정하여 설치할 수 있을 것이다.

따라서 본 발명은 유동 조절블레이드(30,30')의 단면 형상을 타원형 또는 유선형으로 형성하여 부가물 자체의 유동 흐름에 대한 저항이 최소화될 수 있을 뿐 아니라, 유동 흐름이 균일하게 효과적으로 프로펠러(200)로 유도되어 프로펠러(200)의 날개에 의해 후방으로 가속 배출됨으로써, 프로펠러(200)에 대한 유동 흐름의 압력 저항이 감소되고, 또한 프로펠러(200)의 날개에 형성되는 공동현상(cavitation)이 최소화되며, 또 구조가 간단하고 설치 및 해체가 용이하여 유지 보수 또한 용이하게 되는 것이다.

이상, 상기의 실시 예는 단지 설명의 편의를 위해 예시로서 설명한 것에 불과하므로 특허청구범위를 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술 범주 내에서 다양한 변형이 가능할 것이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 지지축
30,30' : 유동 조절블레이드
50,100 : 선미 부가물
110 : 날개 200 : 프로펠러
250 : 축심 300 : 선체
350 : 공간부

Claims (6)

1. 선박의 선속을 개선하고 추진 효율을 높이기 위하여 선미부에 설치되는 선속 향상 및 선미부의 유동 개선을 위한 선미 부가물(50)에 있어서,
   상기 선미 부가물(50)은,
   프로펠러(200)의 전방 상측부 선미 표면에 복수로 설치하되, 일단이 상기 선미에 횡 방향으로 이격되어 서로 대칭되게 결합되며, 일정 각도로 하향 경사지게 설치됨과 아울러 타단이 중앙부에 모일 수 있게 서로 대칭되어 내측으로 기울어지도록 설치되는 일정 길이의 지지축(10); 및
   상기 지지축(10)의 선단부에 고정 설치하되, 상기 지지축(10)과 동일평면 상에 위치하며, 상기 프로펠러(200)의 상측부에 평행하게 대향되도록 횡 방향으로 설치되는 일정 길이의 유동 조절블레이드(30);
   로 구성되는 것을 특징으로 하는 선속 향상 및 선미부의 유동 개선을 위한 선미 부가물.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 유동 조절블레이드(30)는 중앙부에서 양단부로 진행할수록 단면이 일정하거나 또는 점차적으로 작아지거나 커지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 선속 향상 및 선미부의 유동 개선을 위한 선미 부가물.
4. 제1항에 있어서,
   상기 유동 조절블레이드(30)의 길이는 상기 프로펠러(200)의 외경을 기준으로 크거나 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 선속 향상 및 선미부의 유동 개선을 위한 선미 부가물.
5. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 지지축(10)은 유동 흐름의 저항이 최소화 되도록 단면이 평판, 원형, 타원형, 또는 유선형 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 선속 향상 및 선미부의 유동 개선을 위한 선미 부가물.
6. 삭제

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