KR101390309B1 - 웨지 테일형 러더 - Google Patents

Abstract

웨지 테일형 러더가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 웨지 테일형 러더는, 선박의 프로펠러의 후방에 설치되며, 전면부로부터 소정 각도로 확장된 후 다시 축소되는 형태로 마련되는 리딩 에지부; 상기 리딩 에지부로부터 연장되며, 후방으로 갈수록 폭이 확장되는 형태로 마련되는 트레일링 에지부; 및 상기 트레일링 에지부에 연결되며, 상기 리딩 에지부와 상기 트레일링 에지부의 양면을 타고 흐르는 유체 흐름이 다시 합류하도록 쐐기 형태로 마련되는 웨지부를 포함한다.

Description

웨지 테일형 러더{Wedge tail type rudder}

본 발명은, 웨지 테일형 러더에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 일반 항해 시의 러더 저항이 개선된 웨지 테일형 러더에 관한 것이다.

러더(rudder)는 선박의 조종 성능을 위해 사용하는 조향장치로서, 날개 이론에 바탕을 두고 있으며, 0도에서 35도 이상에 이르는 넓은 범위에서 움직이며 선박을 조종한다.

최근 선박이 과거보다 대형화되면서 선박의 조종 성능이 보다 중요한 이슈로 부각되고 있다. 조종성능 향상을 위해 가장 쉽게 적용할 수 있는 방법은 러더의 면적을 늘리는 방법이지만, 러더의 면적을 늘리게 되면 선박의 제원이 바뀌면서 제작 원가가 상승하게 된다.

또 다른 방법으로 같은 러더 면적에서 고양력을 낼 수 있는 고양력 러더(high lift rudder) 단면을 적용하여 조종성능을 향상시키는 것이다.

도 1은 종래 고양력 러더의 한 종류인 플랩 러더(flap rudder)의 형상을 도시한다.

플랩 러더(10)는 러더 뒷편의 일부가 꺽일 수 있는 플랩(11)이 구비되어 있어, 러더의 각도에 더해서 플랩(11)이 추가적으로 꺽이게 되어, 더욱 큰 양력을 발생시킬 수 있게 된다. 또한 러더 각도가 작게 변하는 일반 항해 시에는 플랩(11)의 각도가 매우 작으므로 일반 러더에 비해 저항 증가를 최소화 시킬 수 있다. 하지만 플랩 러더(10)는 플랩 가동부(moving part, 12)에 의해 발생되는 구조적인 복잡성으로 인해 견고함이 떨어질 수 있으며, 고가라는 단점이 있다.

도 2는 종래 고 양력 러더의 다른 종류인 피쉬 테일형 러더(fish-tail rudder, 20)의 단면도이고, 도 3은 종래 피쉬 테일형 러더 단면 주위의 압력분포 및 유선을 나타내는 시뮬레이션 데이터 이미지이다.

피쉬 테일형 러더(20)는 통상적으로 같은 면적의 일반 러더 단면에 비해 타력이 20% 이상 증가하는 것으로 알려져 있다. 이러한 러더 단면은 플랩 러더와 비교하여 가동부가 없으므로 견고하며 가격이 저렴한 특징이 있다.

하지만 도 3에 도시된 바와 같이, 피쉬 테일형 러더는 종단부에서의 급격한 형상의 변화 때문에 볼텍스가 형성되며, 이로 인한 압력저하가 발생한다.

이러한 압력 저하로 인하여 피쉬 테일형 러더(20)는, 일반 항해 시 저항이 일반 러더에 비해 최대 3배 이상 증가하며, 선박의 전 저항을 5% 이상 증가시켜 선박의 성능을 나쁘게 하는 단점이 있다.

따라서 피쉬 테일형 러더(20)를 장착한 선박은 조종성능 측면에서는 좋지만 낮은 각도 범위에서 러더가 작동되는 일반 항해 시에는 저항 증가로 인하여 연료소비율이 증가하는 문제가 있다.

[특허문헌 1] KR 공개특허 10-2009-0050918 2009.05.20. 삼성중공업

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 일반 항해 시 종래와 같은 조종성능을 유지한 채, 저항 손실을 감소시킬 수 있는 웨지 테일형 러더를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 선박의 프로펠러의 후방에 설치되며, 전면부로부터 소정 각도로 확장된 후 다시 축소되는 형태로 마련되는 리딩 에지부; 상기 리딩 에지부로부터 연장되며, 후방으로 갈수록 폭이 확장되는 형태로 마련되는 트레일링 에지부; 및 상기 트레일링 에지부로부터 연장되며, 상기 리딩 에지부와 상기 트레일링 에지부의 양면을 타고 흐르는 유체 흐름이 합류하도록 상기 트레일링 에지부의 길이방향의 중심 축선을 기준으로 대칭되고 후방으로 갈수록 폭이 축소되는 쐐기 형상으로 마련된 웨지부를 포함하며, 상기 트레일링 에지부와 상기 웨지부의 연결부분은 완만한 곡선을 이루며, 상기 웨지부는, 상기 트레일링 에지부와 연결되는 부분의 최대폭인 H와 상기 트레일링 에지부로부터 연장되는 길이인 L과의 비율이 2H≤L 인 웨지 테일형 러더가 제공될 수 있다.

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상기 리딩 에지부는, 상기 전면부로부터 확장되어 최대폭을 가지는 최광폭부 및 상기 최광폭부로부터 후방으로 갈수록 축소되어 최소폭을 갖는 최협폭부를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 선박의 일반 항해 시에 있어서, 조종성능은 종래와 같이 유지하되 항력을 낮춰 저항손실을 줄일 수 러더를 제공할 수 있다.

도 1은 종래 러더의 한 종류인 플랩 러더(flap rudder)의 정면도이다.
도 2는 종래 러더의 다른 종류인 피쉬 테일형 러더(fish-tail rudder)의 단면도이다.
도 3은 종래 피쉬 테일형 러더 단면 주위의 압력분포 및 유선을 나타내는 시뮬레이션 데이터 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨지 테일형 러더의 단면도이다.
도 5는 도 4의 웨지부의 확대도이다.
도 6은 도 4의 웨지 테일형 러더 단면 주위의 압력분포 및 유선을 나타내는 시뮬레이션 테이터 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨지 테일형 러더의 양력 성능을 나타내는 실험 데이터 이미지이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨지 테일형 러더의 항력 감소 성능을 나타내는 실험 데이터 이미지이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨지 테일형 러더의 양력/항력 비를 나타내는 실험 데이터 이미지이다.
도 10 본 발명의 일 실시예에 따른 웨지 테일형 러더의 웨지부의 무차원 길이 L/H의 변화에 따른 받음각 0도에서의 항력비를 나타내는 실험 데이터 이미지이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨지 테일형 러더의 단면도이고, 도 5는 도 4의 웨지부의 확대도이며, 도 6은 도 4의 웨지 테일형 러더 단면 주위의 압력분포 및 유선을 나타내는 시뮬레이션 테이터 이미지이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨지 테일형 러더의 양력 성능을 나타내는 실험 데이터 이미지이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨지 테일형 러더의 항력 감소 성능을 나타내는 실험 데이터 이미지이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨지 테일형 러더의 양력/항력 비를 나타내는 실험 데이터 이미지이며, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨지 테일형 러더의 웨지부의 무차원 길이 L/H의 변화에 따른 받음각 0도에서의 항력비를 나타내는 실험 데이터 이미지이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 웨지 테일형 러더(30)는 선박의 추진 프로펠러(미도시)의 후방에 설치되는 것으로, 포스트(미도시)에 의해 선체에 회전 가능하게 연결되어, 선박을 조정하는 조향장치이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 웨지 테일형 러더(wedge tail rudder, 30)는, 프로펠러의 후류 방향에 대향하여 마련되는 리딩 에지부(leading edge, 31)와, 리딩 에지부(31)로부터 연장되는 트레일링 에지부(trailing edge, 32)와, 트레일링 에지부(32)의 후방에 마련되는 웨지부(wedge portion, 33)를 포함한다.

리딩 에지부(31)는 단면 첫단에서 최광폭부(31a)를 향하여 제1 플랭크 각도(α)로 확장되고, 최광폭부(31a)는 리딩 에지부(31) 단면 중 두께가 가장 두꺼운 지점을 형성한다.

리딩 에지부(31) 단면의 큰 곡률반경은 높은 받음각에서 유체의 가속화된 흐름이 안정화되어 모든 러더 작동 영역에 대해서 높은 성능을 제공한다.

최광폭부(31a)로부터 리딩 에지부(31)의 단면은 다시 최협폭부(31b)을 향하여 경사지며, 경사면의 접선과 리딩 에지부(31) 단면의 중심 축선은 제2 플랭크 각도(β)를 이룬다.

트레일링 에지부(32)는 최협폭부(31b)로부터 연장되며, 물고기 꼬리 모양으로 확장되는 부분이다. 이러한 최협폭부(31b)로부터 물고기 꼬리 모양으로 확장되는 트레일링 에지부(32)에 의하여 유체는 더욱 가속화되어 높은 양력을 발생시킨다. 이러한 특징은 일반적은 러더에 비하여 타력이 매우 커지게 되어 조종성능이 향상될 수 있다.

한편, 종래의 피쉬 테일형 러더(fish tail rudder)는 높은 양력 발생으로 조종 성능을 향상시키는 대신 전술한 바와 같이 끝단에서의 급격한 형상의 변화에 의해 볼텍스(vortex)가 형성되며, 볼텍스에 의한 흐름 가속에 의해 압력이 저하된다. 이러한 압력 저하에 의해 단면의 저항이 증가하게 된다.

본 실시예의 웨지부(33)는 이러한 볼텍스 형성을 감소시켜 트레일링 에지부(32)를 통과하는 유체에 의한 저항을 줄이기 위한 것이다.

웨지부(33)는 트레일링 에지부(32)에 연결되는 뾰족한 쐐기 형상으로 웨지 테일형 러더(30) 단면의 중심 축선을 기준으로 대칭되는 직선면으로 이루어진다. 리딩 에지부(31)와 트레이링 에지부(32)의 양면을 타고 흐르는 유체 흐름은 웨지부(33)를 지나며 다시 합류한다.

도 5를 참조하면, 웨지부(33)는, 트레일링 에지부(32)와의 연결부분에서 최대폭 H와, 트레일링 에지부(32)로부터 연장되는 길이인 L을 갖는다. 폭 H와 길이 L의 크기는 후술되는 실험 데이터로부터 결정될 수 있다.

웨지부(33)와 트레일링 에지부(32)의 연결 부분은 완만한 곡선을 이루도록 연결될 수 있다. 웨지부(33)의 부착에 의해 트레일링 에지부(32)를 통과하는 유체는 웨지부(33)로 이어지는 면을 따라 자연스러운 흐름을 유지하여 볼텍스 생성이 방지된다.

웨지부(33)의 부착에 의한 효과는 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 프로그램으로 계산된 종래 피쉬 테일형 러더(20) 단면 주위의 압력 및 유선 분포(도 3 참조)와, 본 발명의 웨지 테일형 러더(30) 단면 주위의 압력 및 유선 분포를 나타내는 시뮬레이션 데이터를 통해 확인할 수 있다.

도 6을 참조하면, 본 실시예의 트레일링 에지부(32)에 부착된 웨지부(33)로 인하여 기존 피쉬 테일형 러더(20) 단면 끝단에서 발생되는 볼텍스가 본 실시예의 단면에서는 거의 사라진 것을 확인할 수 있다.

한편, 웨지부(33)의 부가로 인한 본 실시예의 웨지 테일형 러더(30)의 양력 및 항력의 변화는 종래 피쉬 테일형 러더(20)와의 비교 데이터를 통해 확인할 수 있다.

도 7, 도 8내지 도 9 의 가로축은 받음각을 나타내며, 세로축은 도 7에서는 양력계수를, 도 8에서는 항력계수를, 도 9에서는 양력/항력 비교계수를 나타낸다.

먼저, 도 7을 참조하면, 본 실시예의 단면 형상은 조종성능 측면에서 중요한 양력이 약 15도까지의 받음각에서도 기존 단면과 거의 유사한 것을 볼 수 있다. 즉, 본 실시예의 웨지 테일형 러더(30)는 일반 항해 시에 종래 피쉬 테일형 러더(20) 단면과 같은 조종성능이 유지됨을 알 수 있다.

도 8을 참조하면, 받음각 약 10도 이내에서, 특히 일반 항해 시의 영역인 5도 이내의 받음각에서는 항력이 기존 단면 대비 대폭 감소한 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 웨지부(33)에 의한 볼텍스 감소 효과에 의해 나타나는 것이다.

이러한 결과는 도 9의 양력/항력 비교 데이터로부터 다시 확인할 수 있다.

도 9를 참조하면, 본 실시예의 웨지 테일형 러더(30)는 받음각 10도 이상에서는 양력/항력 값이 기존 단면과 유사하나, 일반 항해 시의 영역인 10도 이내의 받음각에서는 양력/항력 값이 기존 단면에 비해 현저히 높은 것을 확인할 수 있다. 즉, 일반 항해 시에는 조정성능을 유지한 채, 항력을 낮춰 저항을 줄이는 것이다.

한편, 항력을 최소화하기 위한 웨지부(33)의 폭과 길이의 비율은 받음각 0도에서의 항력측정 실험을 통해서 결정될 수 있다.

도 10을 참조하면, L/H값이 증가함에 따라 기존 형상에 비하여 항력이 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있으며, L/H값이 2 이상이 되면 항력이 더 이상 크게 감소하지 않는 것을 볼 수 있다. 이로부터 L의 길이는 2H 이상인 범위에서 최적의 항력 감소효과가 있음을 확인할 수 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

30: 웨지 테일형 러더 31: 리딩 에지부
32: 트레일링 에지부 33: 웨지부

Claims (4)

1. 선박의 프로펠러의 후방에 설치되며, 전면부로부터 소정 각도로 확장된 후 다시 축소되는 형태로 마련되는 리딩 에지부;
   상기 리딩 에지부로부터 연장되며, 후방으로 갈수록 폭이 확장되는 형태로 마련되는 트레일링 에지부; 및
   상기 트레일링 에지부로부터 연장되며, 상기 리딩 에지부와 상기 트레일링 에지부의 양면을 타고 흐르는 유체 흐름이 합류하도록 상기 트레일링 에지부의 길이방향의 중심 축선을 기준으로 대칭되고 후방으로 갈수록 폭이 축소되는 쐐기 형상으로 마련된 웨지부를 포함하며,
   상기 트레일링 에지부와 상기 웨지부의 연결부분은 완만한 곡선을 이루며,
   상기 웨지부는, 상기 트레일링 에지부와 연결되는 부분의 최대폭인 H와 상기 트레일링 에지부로부터 연장되는 길이인 L과의 비율이 2H≤L 인 웨지 테일형 러더.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서
   상기 리딩 에지부는,
   상기 전면부로부터 확장되어 최대폭을 가지는 최광폭부 및
   상기 최광폭부로부터 후방으로 갈수록 축소되어 최소폭을 갖는 최협폭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨지 테일형 러더.

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