KR101431626B1 - 활주형 선박 및 반활주형 선박의 반잠수식 프로펠러 추진 시스템 - Google Patents

활주형 선박 및 반활주형 선박의 반잠수식 프로펠러 추진 시스템 Download PDF

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Abstract

활주형 선박 및 반활주형 선박의 반잠수식 프로펠러 추진 시스템은 이동 상태와 선박의 트림에 관계없이 동일한 소비 전력, 더욱 높은 추진 효율 및 전체적으로 수평면 위에 프로펠러의 구동라인을 유지하기 위해 허용하는 유일한 바닥면 블레이드의 부분적 침수와 상부 블레이드가 나타나도록 배치된 하나 또는 그 이상의 반잠수식 프로펠러를 포함하고, 상기 반잠수식 프로펠러는 트랜섬에 배치되며, (반잠수식 프로펠러의 직경(D) 또는 직경의 합(Np×D))/수선에서의 선박 폭(L)의 비율은 0.5보다 크다.
반잠수식 프로펠러, 활주형 선박, 추진 시스템

Description

활주형 선박 및 반활주형 선박의 반잠수식 프로펠러 추진 시스템{Semi-Submerged Propeller Propulsion System of Displacement and Semi-Displacement Crafts}
본 발명은 활주형 선박 및 반활주형 선박의 추진 시스템에 관한 것이다.
활주형 선박은 수선면(Water Plane)에 수직인 축(axes)을 따라 물에서의 이동에 의해 발생 된 양력(lift)을 받지 않고 단지 부력을 받는 선박을 의미한다.
반활주형 선박들(semi-displacement crafts)은 상기 양력이 상기 부력보다 낮은 영향력을 갖고, 설계 속도에서 밑부분(bottom)이 침수된(immersed) 채로 유지되는 선박을 의미한다.
상당한 화물 선적을 위해 이용되거나 어떻게 하든지 높은 용적톤수(tonnage)를 가지려는 선박들은 중간 이하 또는 낮은 항해 속도가 특징이다.
밑부분이 완전히 나오거나 부분적으로 침수된 선박들은 트림(trim)이 변하기 쉬운 다시 말하면, 특히 수선면에서 물 이동으로 인해 발생되는 양력에 크게 영향을 받는 선박들과는 다르다.
이런 선박들은 일반적으로 적어도 중간 이상의 항해 속도(navation speeds)를 나타낸다.
현재 배의 추진수단으로는 프로펠러나 외륜(paddle wheels) 또는 제트 시스템이 사용된다.
항해시 물에 잠긴 선체(hull)를 구비하는 선박에서 가장 널리 보급된 시스템은 일반적으로 선박 선미(stern)에 배치되어 전체적으로 물에 침수된 프로펠러를 이용한다.
이는 적어도 부분적으로 침수된 샤프트 라인(Shaft Line), 선체의 돌출, 일련의 복잡한 구조의 수반, 구동 기어(driving gear) 즉, 샤프트나 샤프트 지지수단과 같은 선체 부속물(hull appendage)을 지지하기 위한 유체 역학 특성(fluid-dynamics nature)을 예상한다.
이러한 추진수단은 특히 낮은 속도의 선박에서 일반적으로 허용가능하다고 판단된 추진 효율(propulsion efficiencies)과 함께 수십년간 조선 기술에서 사용되었다.
그러나, 상기 효율은 최근 충분히 개선할 수 있는 여지가 나타나지 않기 때문에 다른 추진 시스템의 채용을 구하고 있다.
PCT 특허공개번호 WO-01/47770호에는 선박 추진수단으로 선박의 길이 방향 즉, 이동 방향에 평행한 회전 축을 갖는 외륜의 사용이 기술되었다.
덧붙여 말하면, 외륜은 전체 직경이 블레이드의 넓이에 대해 허브(hub)의 직경과 블레이드(blade) 지지 디스크의 직경으로 덮어지는 회전 장치를 의미한다.
이에 반해, 프로펠러는 전체 직경이 허브의 직경보다는 기본적으로 블레이드의 넓이로 덮어지는 회전 장치를 의미한다.
상기 PCT 발명의 장치는 중간 속도(40÷60 노트) 선박의 추진수단이고, 제한된 범위의 침수된 블레이드 머리 부분(crown sector)을 구비하기 때문에 상기 지지 디스크는 기본적으로 나타나게 된다.
고유 진동(intrinsic vibration)으로부터의 피해와 더불어 복잡한 조절 장치를 요구하는 이러한 추진수단은 40노트보다 낮은 속도 특히, 낮은 순항 속도(10÷30노트)에 적합하지 않다.
상술한 것과 유사한 다른 예가 밑부분에 형성되고 경주선(competition craft)에 적합한 반잠수식으로 이용하는 외륜의 사용과 관련된 미국 공개특허번호 제6,851,991호에 기술되어 있다.
상기 발명은 소위 반잠수식, 또는 수면 관통식이라 불리는 프로펠러의 사용을 알려주고 있다.
그런 프로펠러들은 밑부분의 절반이 거의 침수되고, 위의 절반이 기본적으로 나와 있는 상태로 움직인다.
그러므로, 부압(negative pressure) 아래에서 블레이드의 측면은 기본적으로 매우 높은 회전 속도에 특히 적합한 이런 프로펠러들과 일반적으로 높은 속도 또는 매우 높은 속도로 활주하는 특성을 나타내는 전형적인 가변 트림 선박들이 만드는 공동화(cavitation) 문제를 방지하는 대기압(atmospheric pressure)에 놓인다.
또한, 그런 동작 모드는 활주 속도에서 추진 부속물(샤프트와 지지수단)이 나타나는 다시 말해, 트랜섬에 의해 "그늘진(shaded)" 것을 유지하게 한다.
이런 프로펠러 타입은 항상 낮은 추진 효율 특성이 불가피하므로 중간 이하 속도에서 선박 항해에 적합하지 않다고 생각되어져 왔다.
특히, 그런 낮은 추진 효율은 구동 속도에서 침수된 부속물의 부재에 대해 간신히 유리하게 보상된다.
그러므로, 이런 프로펠러의 발명 범위는 항상 요트나 경주선에 제한되거나 특정한 경우 항상 일반적으로 활주 관리에서 항상 고속 또는 매우 고속 동작 속도의 특성을 나타내는 화물선박 또는 군용 선박으로 제한된다.
그들의 전형적인 발명에서, 반잠수식 프로펠러는 선박이 이동하지 않을 때에는 완전하게 침수된 상태를 유지하기 때문에 선박이 이동할 때 부분적으로 물이 나온다.
이런 종류의 발명의 예는 그들 사이에 떨어져 간격된 큰 직경 허브와 짧은 블레이드에 적합한 외륜과 수면 관통식 프로펠러 사이의 일종의 하이브리드(hybrid)를 기술하는 이탈리아 특허 제1,184,406호(Levi), PCT 공개번호 WO96/40550호(Arneson) 및 미국 공개특허 제6,332,818호(Duncan et al.)에서 찾을 수 있다.
본 발명의 근본적인 기술적 문제들은 공지된 기술을 참고하여 언급한 장애를 극복하고 부수적으로 발명의 발전에서 형성된 편견을 극복하는 추진 시스템을 제공하는 것이다.
그런 문제는 이동 상태와 선박의 트림에 관계없이 유일한 바닥면 블레이드의 부분적 침수와 상부 블레이드가 나타나도록 배치된 하나 또는 그 이상의 반잠수식 프로펠러를 포함하고, 상기 반잠수식 프로펠러는 트랜섬에 배치되고, 반잠수식 프로펠러의 직경 또는 직경의 합/수선에서의 선박 폭의 비율은 0.5보다 큰 활주형 선박 또는 반활주형 선박의 추진 시스템에 의해 해결된다.
본 발명에 따른 추진 시스템의 주요 장점은 보다 높은 전체 추진 효율을 허용하는데 있다. 또한, 반잠수식 프로펠러의 구동라인(driving line)은 전체적으로 침수된 부속물의 부재 때문에 명백한 구조적인 간소화와 유체 역학 장점을 갖는수평면(water level) 위에 놓인다.
본 발명은 예로, 주어진 몇몇 바람직한 응용을 수반한 바람직한 실시예에 따라 이하 기술될 것이고, 다음 실시예와 부가된 도면의 참조를 통해 목적이 제한되지는 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 추진 시스템의 제 1 실시예를 포함하는 선박 투시도의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 추진 시스템의 제 2 실시예를 포함하는 선박 투시도의 개략적인 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 선박 후미의 입측면도를 나타내는 도면이다.
도 4는 그들에 대해 임의의 적절한 양으로 기술하기 위한 도 1에 도시된 선박 트랜섬 정면도의 개략적인 도면이다.
도 5, 도 6 및 도 7은 전형적인 추진 시스템의 성능을 나타내는 그래프를 나타내는 도면이다.
도면들에 따르면, 활주형 선박 또는 부분 활주형 선박은 부분적이고 개략적으로 도면부호 1로 표시된다.
상기 활주형 선박 또는 부분 활주형 선박은 수선(water line)(3)이 강조된 곳에서 선박(1)의 트랜섬(2)에 배치된 추진 시스템을 포함한다. 한편, 수선(3)의 위치는 이동 상태의 변화나 선박 속도의 변화에 중요한 변수가 되지 않는다.
이는 선박의 침수 변화와 프로펠러의 침수 변화가 다른 화물 적재 조건 때문에 추진 시스템의 동작을 손상시키지는 않는다는 것을 지적하는 것은 중요하다.
사실 프로펠러 위치를 올바르게 하기 위해, 침수는 가장 중요한 선적 조건으로 고려되어질 뿐만 아니라 유동 제어 시스템에 의지된다.
본 실시예에서 추진 시스템은 트랜섬(2)에 연결된 반잠수식 타입(semi-submerged type)의 프로펠러(4) 간단히 말해, 반잠수식 프로펠러 한 쌍을 포함한다.
도 1 및 도 2에서 프로펠러(4)는 이중 반전(contra-rotating) 프로펠러이다. 트램섬(2)에서 선체 안쪽에 포함된 프로펠러(4)의 구동 라인은 전체적으로 선박의 수선면 위쪽에 놓인다.
그러므로, 깊은 봉인(depth seals)을 제공하기 위해 프로펠러 샤프트를 통한 홀은 필요 없고, 보통 단단한 봉인이 충분할 것이다.
도 1에 따르면, 프로펠러(4)는 트랜섬(2) 위에 직접적으로 설치되고, 기본적으로 수선(3) 위에 배치된 각 허브(5)를 포함한다.
트랜섬(2)과 프로펠러(4) 사이에는 선미 파동(stern wave) 다시 말해, 이동 시 선박 선미의 흐름을 따라 항적(wake) 효과를 형성하는 파동을 제어하기 위한 제어수단이 제공된다.
그런 파동은 프로펠러(4)를 물속에 가라앉힌다. 이러한 목적을 위해, 상기 제어수단은 기본적으로 일정한 위치로 수선 라인(3)을 유지하기 위해 프로펠러로 물에서 파동을 짓이겨 높이를 조절할 수 있는 평형 플랩(balancing flap)(6)을 구비한다.
그러나, 이러한 트랩을 설치하기 위해 필요 또는 부족한 것은 프로펠러(4)가 트랜섬(2)에 어떻게 고정되는 가에 달려있다는 것을 알 수 있다.
프로펠러가 선미 벽(aft wall)과 거의 접촉된다면, 상기 수단은 필요하지 않다.
도 2 및 도 3에 따르면, 제 2 실시예는 형성된 항적을 안내하기 위해 각 프로펠러(4)의 위에 배치된 도풍판(shroud)(7)의 존재를 제공한다.
또한, 이는 플랩(6)을 조절하기 위해 암(8)과 함께 선미 파동의 높이를 제어하기 위한 제어수단이 강조된다.
위에 언급한 두 실시예에서, 프로펠러는 예를 들면, 고속에서 프로펠러 블레이드의 탄성 변형에 의해 발생 되는 추력 벡터(thrust vector)의 횡단선 요소를 보상하기 위해 수직 축을 따라 회전하는 것이 가능하다.
또한, 프로펠러는 예를 들면, 물에서 블레이드의 돌입 각(plunge angle)을 변화시키기 위해 이동 축에 수직인 수평 축을 따라 회전한다.
마지막으로, 프로펠러의 피치는 다른 운전 조건에 순응하기 위해 변한다.
각 프로펠러(4)와 도 4에 따라, 다음 파라미터들이 강조된다.
Np : 반잠수식 프로펠러 수
D : 프로펠러(4)의 직경
P : 프로펠러 피치, 다시 말해 프로펠러의 단일 회전에 의한 진출
Nb : 블레이드의 수
Lb : 허브쪽으로의 연결로부터 계산된 각 블레이드의 높이
Ap : 프로펠러 영역
Ab : 전체 블레이드 영역
Ah : 허브(5)의 영역
Ai : 수선(3) 아래로 침수된 프로펠러 영역
L : 수선에서의 선박 폭
프로펠러의 수(Np)는 선박이 갖는 조건과 구조적인 요건이 양립하는 동안 1에서 N까지 범위를 갖는다.
이 예에서 선택된 수는 각 프로펠러(4)에 의해 만들어진 추력 벡터의 횡단선 요소가 보상된 이중 반전 프로펠러(4)의 채용을 허용한다.
그러나, 프로펠러의 수는 변할 수 있다. 특히 프로펠러는 개별 프로펠러의 비용에 의한 장점과 선미 램프(stern ramp)와 함께 뒷쪽으로 선적 화물의 선택권을 갖는 부수적으로 침수된 적당한 블레이드의 표면을 유지하는 개별 프로펠러의 직경을 줄이기 위해 4개 여야 한다.
이 경우, 4개의 프로펠러는 램프 아래에 배치된다.
다른 변화에 따르면, 하나의 샤프트에 한 쌍의 이중 반전 프로펠러가 설치된다.
현 실시예에서 5개의 블레이드 프로펠러가 표현되나, 블레이드의 수(Nb)는 건조 요건에 비추어 자유롭게 선택될 수 있다.
그러나, 4개와 동일하거나 그 이상의 블레이드의 수(Nb)는 블레이드 영역(Ab)으로 프로펠러 영역(Ap)을 더 많이 덮는 것을 더욱 쉽게 달성하게 된다.
개별 블레이드의 형태는 본 발명의 목적은 아니고 이는 설계 요구에 따라 선택할 수 있다.
Ai/Ap의 비율은 반잠수식 프로펠러의 올바른 동작을 보장하기 위해 0.30에서 0.55까지일 것이다.
사실, 프로펠러의 침수된 부분은 공동화 문제를 방지하는 대기압에서 이동하기 위해 침수된 블레이드의 부압(negative pressure) 하에 측면에 허용하는 다량의 공기를 물의 자유 표면 아래로 끌어내린다.
이상적으로, 각 프로펠러(4)의 허브(5)는 단지 수선(3) 위쪽에 배치될 것이다. 바람직하게, Ai/Ap의 비율은 0.35에서 0.45까지일 것이다.
Ah/Ap의 비율은 프로펠러(4)의 전체 크기에 대해 충분한 넓이의 블레이드 길이를 갖기 위해 0.3보다 낮다. 바람직하게, 상기 비율은 0.10에서 0.20까지이다.
Ab/Ap의 비율은 추진수단의 요구에 적당한 물 양을 옮기기에 충분한 블레이드 표면을 갖기 위해 0.6보다 크다. 바람직하게, 상기 비율은 0.60에서 0.80까지이다.
(수선에서 직경(D) 또는 반잠수식 프로펠러의 직경(Np×D)의 합)/선박 폭(L)의 비율은 0.50보다 크고, 따라서 전체 프로펠러들은 선박 폭에 적당한 폭의 유량을 바꿀수 있게 한다.
상기 비율은 0.70에서 0.95까지이다.
2×Np×Lb/L의 비율은 적당한 폭의 추력 유량을 항상 보장하기 위해, 0.50보다 크거나 동일한 것이 바람직하다. 바람직하게, 상기 비율은 0.70에서 0.85까지이다.
D/P의 비율은 논쟁중인 추진 시스템에 대해 제공된 속도에서 최상의 동작 조건을 달성하기 위해 0.80에서 1.20까지이다. 바람직하게, 상기 비율은 0.9에서 1.1까지일 것이다.
Example
한 쌍의 이중 반전 프로펠러와 반잠수식 프로펠러가 달려있고, 기본적으로 허브의 밑부분 끝에 접하는 수선을 갖는 활주형 선박의 축척 모형은 예인 탱크(towing tank)에서 테스트되었다.
동작 조건들은 아래와 같다.
Np = 2
Nb = 5
Ai/Ap = 0.40
Ah/Ap = 0.1786 - 280㎜ 프로펠러 직경과 50㎜ 허브 직경을 갖음
Ab/Ap = 0.70
2×Np×Lb/L = 0.75
Np×D/L = 0.913
이 모델로 테스트가 수행되었고, 그 결과들은 도 5 내지 도 7의 그래프에 표시되었다.
도 5의 그래프에서 완전 침수 상태로 동작하도록 의도된 종래 프로펠러의 최종 효율(점선)은 노트(1노트 = 0.514m/s)로 표시된 동작 속도에 따라 테스트에서 사용된 프로펠러와 비교되었다.
특히, 종래 프로펠러의 특성은 반잠수식 프로펠러에서 달성할 수 있는 특성보다 뛰어난 것은 명확하다. 이 경우 종래 프로펠러는 동일한 모델에 적당한 프로펠러의 기본에서 선택되었다.
도 5의 그래프를 그리기 위해 사용된 종래의 프로펠러와 동일한 것을 참고로 사용한 시뮬레이션은 주어진 속도에서 선박 모델을 운행하기 위해 요구되는 전력(power)을 얻기 위해 수행되었다.
도 6의 그래프로부터 자명한 바와 같이, 반잠수식 프로펠러는 15노트(일정한 속도를 얻기 위해 요구된 더 낮은 전력)보다 높은 속도에서 더 좋은 특성을 제공하나 이 도면은 반잠수식 프로펠러를 지지하는 복잡한 지지수단에 의해 영향을 받는 전력의 원래 값을 고려한다.
이런 추진 시스템의 사용이 지지수단의 구조 없이 새로운 선미 설계에 함축될 때 더욱 실질적인 시뮬레이션은 상기 지지수단의 구조를 제거하는 이전 그래프를 다른 방법으로 그릴 때 달성된다.
그런 시뮬레이션은 반잠수식 프로펠러의 추력 효율이 심지어 10노트보다 낮은 속도에서 종래 프로펠러의 추력 효율보다 개선된 도 7의 그래프를 만든다.
그런 결과들은 위에 기술된 추진 시스템 사용의 유리함을 확실하게 한다. 상기 시뮬레이션을 기초로 예를 들면, 중간 또는 높은 톤수의 컨테이너선의 연료 절약을 계산하는 것이 가능하다. 이때, 연료 절약은 약 10%이다.
위에 기술된 추진 시스템에서 더욱 안전하고 있을 수 있는 요구를 위해 당업자가 첨부된 청구항에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 보호 관점에 모두 포함된 것이라 할지라도 그 이상 여러 가지 변경과 변화를 수행해도 좋다.

Claims (18)

  1. 이동 상태와 선박의 트림에 관계없이 부분적으로 침수된 하부 위치의 블레이드 및 드러난 상부 위치의 블레이드를 갖춘 하나 또는 그 이상의 반잠수식 프로펠러를 포함하고,
    a) 상기 반잠수식 프로펠러는 선박의 트랜섬에 배치되고,
    b) (반잠수식 프로펠러의 직경(D) 또는 직경의 합(Np×D))/수선에서의 선박 폭(L)의 비율은 0.50보다 크고,
    c) 전체 블레이드 영역(Ab)/프로펠러 영역(Ap)의 비율은 0.60보다 크며,
    d) 수선 아래에 침수된 프로펠러 영역(Ai)/프로펠러 영역(Ap)의 비율은 0.30에서 0.55까지인 것을 특징으로 하는 활주형 선박 및 반활주형 선박의 반잠수식 프로펠러 추진 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    전체 블레이드 영역(Ab)/프로펠러 영역(Ap)의 비율은 0.60에서 0.80까지인 것을 특징으로 하는 활주형 선박 및 반활주형 선박의 반잠수식 프로펠러 추진 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    한 쌍의 이종 반전 반잠수식 프로펠러를 사용하는 것을 특징으로 하는 활주형 선박 및 반활주형 선박의 반잠수식 프로펠러 추진 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반잠수식 프로펠러는 4개 또는 그 이상의 블레이드 수(Nb)를 갖는 것을 특징으로 하는 활주형 선박 및 반활주형 선박의 반잠수식 프로펠러 추진 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    각 프로펠러의 허브는 수선 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 활주형 선박 및 반활주형 선박의 반잠수식 프로펠러 추진 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    수선 아래에 침수된 프로펠러의 영역(Ai)/프로펠러 영역(Ap)의 비율은 0.35에서 0.45까지인 것을 특징으로 하는 활주형 선박 및 반활주형 선박의 반잠수식 프로펠러 추진 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    허브 영역(Ah)/프로펠러 영역(Ap)의 비율은 0.30보다 낮은 것을 특징으로 하는 활주형 선박 및 반활주형 선박의 반잠수식 프로펠러 추진 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    허브 영역(Ah)/프로펠러 영역(Ap)의 비율은 0.10에서 0.20까지인 것을 특징으로 하는 활주형 선박 및 반활주형 선박의 반잠수식 프로펠러 추진 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    Np는 반잠수식 프로펠러의 수, Lb는 허브쪽으로의 연결로부터 계산된 각 블레이드의 높이, L은 수선에서의 선박 폭인 곳에서 2×Np×Lb/L의 비율은 0.50보다 크거나 동일한 것을 특징으로 하는 활주형 선박 및 반활주형 선박의 반잠수식 프로펠러 추진 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 2×Np×Lb/L의 비율은 또한 0.70에서 0.85까지인 것을 특징으로 하는 활주형 선박 및 반활주형 선박의 반잠수식 프로펠러 추진 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    프로펠러 직경(D)/프로펠러 피치(P)의 비율은 0.80에서 1.20까지인 것을 특징으로 하는 활주형 선박 및 반활주형 선박의 반잠수식 프로펠러 추진 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    프로펠러 직경(D)/프로펠러 피치(P)의 비율은 1.00에서 1.10까지인 것을 특징으로 하는 활주형 선박 및 반활주형 선박의 반잠수식 프로펠러 추진 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    (반잠수식 프로펠러의 직경(D) 또는 직경의 합(Np×D))/수선에서의 선박 폭(L)의 비율은 0.70에서 0.95까지인 것을 특징으로 하는 활주형 선박 및 반활주형 선박의 반잠수식 프로펠러 추진 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    선미 파동의 높이를 제어하기 위한 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 활주형 선박 및 반활주형 선박의 반잠수식 프로펠러 추진 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    선미 파동의 높이를 제어하기 위한 수단은 반잠수식 프로펠러와 선미 쪽 벽 사이에 배치된 균형 트랩을 포함하는 것을 특징으로 하는 활주형 선박 및 반활주형 선박의 반잠수식 프로펠러 추진 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    각 반잠수식 프로펠러는 도풍판에 의해 탑와이즈(topwise)에 넣어지는 것을 특징으로 하는 활주형 선박 및 반활주형 선박의 반잠수식 프로펠러 추진 시스템.
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