KR101453210B1 - 익형 단면을 가지는 선미 장착 덕트 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 반경이 R인 선미 프로펠러의 전방에 장착되는 원형 형상의 덕트로서, 상기 덕트는 익형 단면을 가지며, 후단부의 반경이 0.7R의 크기를 가지며, 받음각이 14도의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는, 익형 단면을 가지는 선미 장착 덕트를 제공한다. 본 발명에 의하면, 덕트 내부로 유입되어 통과하는 유동장의 흐름을 정류하고 가속시킴으로써 선미의 압력회복을 도모하고 이를 통하여 선체 저항성능을 개선하는 한편, 프로펠러에 유입되는 반류 변화를 통하여 프로펠러 추진성능을 개선할 수 있다. 또한 본 발명에 의하면, 덕트 단면의 형상을 익형으로 설계하고 유입 유동장에 대한 받음각을 적절히 설계함으로써 부가물인 덕트 자체의 항력을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 덕트 자체의 부가적인 추력까지도 기대할 수 있다. 또한 본 발명에 의하면, 덕트의 형상이 비교적 간단하고 단순히 선미에 장착하는 것만으로 설치를 완료할 수 있으므로 그 제작 및 설치가 간편하고 비용이 저렴하며 새로운 선형뿐만 아니라 기존에 운항 중인 선형에도 적용이 가능하다는 장점이 있다.

Description

익형 단면을 가지는 선미 장착 덕트{duct with hydro-foil section attached on ship stern}

본 발명은 선미 프로펠러의 전방에 장착되며 익형 단면을 가지는 원형 형상의 덕트로서, 덕트 내부로 유입되어 통과하는 유동장의 흐름을 정류하고 가속시킴으로써 선미의 압력회복을 도모하고 이를 통하여 선체 저항성능을 개선하는 한편, 프로펠러에 유입되는 반류 변화를 통하여 프로펠러 추진성능을 개선할 수 있는, 익형 단면을 가지는 선미 장착 덕트에 관한 것이다.

최근 지속적인 국제유가 상승에 기인한 선박 운항비의 급상승에 따라 에너지 절감을 위한 신 개념 선박의 개발이 요구되고 있다. 한편, 지구 온난화에 기인한 국제적인 환경 규제 움직임에 따라 국제해사기구(IMO)에서는 선박에 대한 이산화탄소 설계지표(ship design CO2 emission index)를 정하여 강제 규정 발효를 추진하고 있는데, 이 경우 특히 선박의 에너지 절감 기술(energy saving technology)은 이러한 설계지표 값에 직접적으로 영향을 줄 수 있다.

그런데, 이와 관련한 종래기술을 보면, 선형 최적화를 통한 추진성능 향상 기술은 거의 임계치에 도달한 상황이며, 선박의 에너지 절감을 위한 다양한 부가물 장치가 개발되고 있긴 하나 이들은 선박 부착비용 대비 효율성이 떨어질 뿐만 아니라 새로운 선형에만 적용할 수 있고 기존 선형에는 적용할 수 없는 한계가 있다.

따라서 선박 부착비용 대비 효율성이 높으며 새로운 선형뿐만 아니라 기존 선형에도 적용할 수 있는 새로운 개념의 에너지 절감 장치의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

에너지 절감장치를 구비한 선박(특허출원 제10-2011-0053080호)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 선미 프로펠러의 전방에 장착되며 익형 단면을 가지는 원형 형상의 덕트로서, 덕트 내부로 유입되어 통과하는 유동장의 흐름을 정류하고 가속시킴으로써 선미의 압력회복을 도모하고 이를 통하여 선체 저항성능을 개선하는 한편, 프로펠러에 유입되는 반류 변화를 통하여 프로펠러 추진성능을 개선할 수 있는, 익형 단면을 가지는 선미 장착 덕트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 반경이 R인 선미 프로펠러의 전방에 장착되는 원형 형상의 덕트로서, 상기 덕트는 익형 단면을 가지며, 후단부의 반경이 0.7R의 크기를 가지며, 받음각이 14도의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는, 익형 단면을 가지는 선미 장착 덕트를 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 덕트의 익형 단면은 앞날이 선수 방향을 향하고 뒷날이 선미 방향을 향하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 덕트의 상부 코드 길이는 하부 코드 길이와 같거나 다른 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 덕트의 중심선은 프로펠러축의 중심선과 같은 높이에 있거나 프로펠러축의 중심선보다 상부에 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 덕트 내부로 유입되어 통과하는 유동장의 흐름을 정류하고 가속시킴으로써 선미의 압력회복을 도모하고 이를 통하여 선체 저항성능을 개선하는 한편, 프로펠러에 유입되는 반류 변화를 통하여 프로펠러 추진성능을 개선할 수 있다. 또한 본 발명에 의하면, 덕트 단면의 형상을 익형으로 설계하고 유입 유동장에 대한 받음각을 적절히 설계함으로써 부가물인 덕트 자체의 항력을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 덕트 자체의 부가적인 추력까지도 기대할 수 있다. 또한 본 발명에 의하면, 덕트의 형상이 비교적 간단하고 단순히 선미에 장착하는 것만으로 설치를 완료할 수 있으므로 그 제작 및 설치가 간편하고 비용이 저렴하며 새로운 선형뿐만 아니라 기존에 운항 중인 선형에도 적용이 가능하다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 덕트가 선미에 장착된 모습을 보여주는 그림이다.
도 2는 본 발명에 따른 덕트의 형상을 정의한 그림이다.
도 3은 도 2와 연계하여 본 발명에 따른 덕트의 형상을 정의한 표이다.
도 4는 본 발명에 따른 덕트의 반경 변화에 따른 마력저감 효과를 비교한 표이다.
도 5는 본 발명에 따른 덕트의 받음각 변화에 따른 마력저감 효과를 비교한 표이다.
도 6은 본 발명에 의한 선미의 압력회복 효과를 보여주는 그림이다.
도 7은 본 발명에 따른 덕트의 장착 여부에 따른 저항계수의 크기를 비교한 표이다.
도 8은 본 발명에 따른 덕트의 장착 전후 프로펠러면에서의 반류분포를 비교한 그림이다.
도 9는 도 8과 연계하여 본 발명에 따른 덕트의 장착 전후 프로펠러면에서의 반류분포를 비교한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 예인수조 모형시험을 위해 제작된 덕트 모형을 보여주는 사진이다.
도 11은 본 발명의 예인수조 모형시험 결과를 보여주는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 익형 단면을 가지는 선미 장착 덕트(이하, ‘덕트’라고 함)(1)가 선미에 장착된 모습을 보여주는 그림이다.

본 발명은 도 1에서 보는 것과 같이 원형 형상의 덕트(1)를 선미 프로펠러(2)의 전방에 장착하여, 덕트(1) 내부로 유입되어 통과하는 유동장의 흐름을 정류하고 가속시킴으로써 선미의 압력회복을 도모하고 이를 통하여 선체 저항성능을 개선하는 한편, 프로펠러(2)에 유입되는 반류 변화를 통하여 프로펠러(2) 추진성능을 개선하고자 하였다.

이를 위하여 본 발명에서는 선체의 선미형상과 프로펠러면의 반류분포와 선체표면의 압력분포를 면밀히 검토하고 이에 근거하여 덕트(1)의 최적 형상(크기 및 위치)을 결정하였는바, 이와 관련하여, 도 2는 덕트(1)의 최적 형상을 정의한 그림을, 도 3은 도 2와 연계하여 덕트(1)의 최적 형상을 수치로 정의한 표를 보여준다. 이하, 본 발명에 따른 덕트(1)의 최적 형상에 대하여 상세히 설명한다.

우선, 덕트(1)는 도 2에서 보는 것과 같이 익형 단면(hydro-foil section)을 가지며, 이 경우 익형 단면의 앞날은 선수 방향을 향하고 뒷날은 선미 방향을 향한다. 이처럼 덕트(1)가 익형 단면을 가지고 이와 더불어 후술하는 바와 같이 유입 유동장에 대한 적절한 받음각을 가지면 부가물인 덕트(1) 자체의 항력이 최소화될 뿐만 아니라 덕트(1) 자체의 부가적인 추력까지도 기대할 수 있다.

다음으로, 덕트(1)는 도 2 및 도 3에서 보는 것과 같이 후단부(도 2의 ⓐ)의 반경(r)이 프로펠러(2) 반경(R) 대비 0.7R의 크기를 가지며 단면의 받음각(c)이 14도의 크기를 가진다. 이 경우, 덕트(1)의 상부 코드 길이(Ct)는 하부 코드 길이(Cb)와 같거나 다를 수 있으며, 덕트(1)의 중심선(도 2의 ⓒ)은 프로펠러축의 중심선(도 2의 ⓓ)과 같은 높이에 있거나 프로펠러축의 중심선(도 2의 ⓓ)보다 상부에 있을 수 있으며, 덕트(1)는 작업의 편의성을 고려하여 프로펠러면(도 2의 ⓑ)으로부터 소정의 거리(l)만큼 떨어지도록 장착한다. 참고로, 도 2의 실시 예에서는 덕트(1)의 상부 코드 길이(Ct)가 하부 코드 길이(Cb)보다 크고 덕트(1)의 중심선(도 2의 ⓒ)이 프로펠러축의 중심선(도 2의 ⓓ)보다 상부에 있는 모습을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이 도 2 및 도 3에서, R은 프로펠러(2)의 반경을, r은 덕트(1) 후단부(도 2의 ⓐ)의 반경(이하, ‘덕트(1)의 반경’이라 함)을, Ct는 덕트(1)의 상부 코드 길이를, Cb는 덕트(1)의 하부 코드 길이를, c는 덕트(1) 단면의 받음각(이하, ‘덕트(1)의 받음각’이라 함)을, d는 덕트(1)의 중심선과 프로펠러축의 중심선 간의 거리를, l은 덕트(1)가 프로펠러면(도 2의 ⓑ)으로부터 떨어진 거리를 나타내는데, 본 발명에서는 덕트(1)의 반경(r)이 0.7R이고 덕트(1)의 받음각(c)이 14도인 경우에 그 효과가 최대가 됨을 VLCC 선형에 대한 CFD(전산유체역학) 시뮬레이션을 통하여 확인하였다.

이와 관련한 도면이 도 4 및 도 5인데, 도 4는 덕트(1)의 반경(r) 변화에 따른 마력저감 효과를 비교한 표이며, 도 5는 덕트(1)의 받음각(c) 변화에 따른 마력저감 효과를 비교한 표이다.

도 4 및 도 5의 경우, 도 3에서 보는 것과 같이 프로펠러(2)의 반경(R)은 4.93미터, 덕트(1)의 상부 코드 길이(Ct)는 0.6R, 덕트(1)의 하부 코드 길이(Cb)는 0.5R, 덕트(1)의 중심선(도 2의 ⓒ)과 프로펠러축의 중심선(도 2의 ⓓ) 간의 거리(d)는 0.1R, 덕트(1)가 프로펠러면(도 2의 ⓑ)으로부터 떨어진 거리(l)는 0.2R이 되도록 설정하였으며, 이 상태에서 덕트(1)의 반경(r)과 받음각(c)을 일정 범위에서 변화시켜 가면서 이에 따른 마력저감 효과를 비교하였다.

도 4는 덕트(1)의 반경(r)을 각각 0.65R, 0.70R, 0.75R로 설정하고 받음각(c)을 12도로 설정한 후 이에 따른 마력저감 효과를 비교한 것인데, 덕트(1)의 반경(r)이 0.65R인 경우에는 자항상태(bare hull), 즉 덕트(1)가 장착되기 전에 비해 -4.79%의 마력저감 효과가, 0.70R인 경우에는 -5.24%의 마력저감 효과가, 0.75R인 경우에는 -3.80%의 마력저감 효과가 나타났다. 이는 덕트(1)의 반경(r)이 0.7R의 크기를 가지는 경우에 마력저감 효과가 최대가 됨을 의미하는 것이다.

또한, 도 5는 덕트(1)의 받음각(c)을 각각 9도, 12도, 14도, 16도로 설정하고 반경(r)을 0.7R로 설정한 후 이에 따른 마력저감 효과를 비교한 것인데, 덕트(1)의 받음각(c)이 9도인 경우에는 자항상태, 즉 덕트(1)가 장착되기 전에 비해 -5.16%의 마력저감 효과가, 12도인 경우에는 -5.24%의 마력저감 효과가, 14도인 경우에는 -5.32%의 마력저감 효과가, 16도인 경우에는 -4.99%의 마력저감 효과가 나타났다. 이는 덕트(1)의 받음각(c)이 14도의 크기를 가지는 경우에 마력저감 효과가 최대가 됨을 의미하는 것이다.

한편, 도 6 내지 도 12는 본 발명의 유리한 효과를 보여주는 또 다른 도면인데, 이 중 도 6은 본 발명에 의한 선미의 압력회복 효과를 보여주는 그림이며, 도 7은 덕트(1)의 장착 여부에 따른 저항계수의 크기를 비교한 표이다.

도 6에서 점선은 덕트(1) 장착 전 선미의 압력분포를 나타내며 실선은 덕트(1) 장착 후 선미의 압력분포를 나타내는데, 덕트(1) 장착 전후 선미의 압력분포를 비교해 보면 덕트(1)를 장착한 경우가 그렇지 아니한 경우에 비해 상대적으로 높은 압력분포를 나타냄을 알 수 있다.

그리고 도 7에서 덕트(1) 장착 전후 저항계수(전저항계수=마찰저항계수+압력저항계수)를 비교한 결과를 살펴보면, 덕트(1)를 장착한 경우의 전저항계수는 3.7300이고 덕트(1)를 장착하지 아니한 경우의 전저항계수는 3.7588이 되어 덕트(1)를 장착한 경우가 그렇지 아니한 경우에 비해 -0.77%의 저항감소 효과가 있음을 알 수 있다.

이는 선체 선미 부근에서 덕트(1)가 내부로 유입되어 통과하는 유동장의 흐름을 정류하고 가속시킴으로써 선미 부근의 압력회복(pressure recovery: 선미의 압력이 증가하고 이에 따라 선수와 선미 간에 발생하는 압력 차이가 줄어듦)을 도모하고(도 6) 이를 통하여 선체 저항성능을 개선함을 보여주는 것이다(도 7).

한편, 본 발명의 유리한 효과와 관련하여, 도 8은 덕트(1)의 장착 전후 프로펠러면에서의 반류분포를 비교한 그림이며, 도 9는 도 8과 연계하여 덕트(1)의 장착 전후 프로펠러면에서의 반류분포를 비교한 그래프이다.

도 8에서 덕트(1)의 장착 전후 프로펠러면에서의 반류분포를 비교해 보면 덕트(1)의 장착 후 프로펠러면으로 향하는 반류가 덕트(1)의 장착 전에 비해 많이 정류되어 있음을 시각적으로도 확인할 수 있다.

그리고 도 9는 프로펠러면에서 반경별 원주방향의 속도분포 평균값을 비교한 것인데, 도 9에서 Vx(bare), Vr(bare), Vt(bare)는 각각 덕트(1) 장착 전의 축방향 속도, 반경방향 속도, 접선방향 속도를 나타내며, Vx(duct), Vr(duct), Vt(duct)는 각각 덕트(1) 장착 후의 축방향 속도, 반경방향 속도, 접선방향 속도를 나타낸다. 도 9에서 보면, 덕트(1) 장착 후가 덕트(1) 장착 전에 비하여 덕트(1) 내 유동(r=0.7R 이내)에서 축방향 속도(Vx)는 그 크기가 증가(덕트(1) 부착 전보다 약 4% 정도 증가함)하였고(acceleration effect: 가속효과), 반경방향 속도(Vr)와 접선방향 속도(Vt)는 그 크기가 감소하였음(straightening effect: 정류효과)을 알 수 있는데, 이는 전체적으로 볼 때 본 발명에 따른 덕트(1)의 장착으로 인한 반류의 정류 효과에 따라 프로펠러(2) 추진성능이 개선됨을 보여주는 것이다.

즉, 본 발명에 의하면, 덕트(1) 내부로 유입되어 통과하는 유동장의 흐름을 정류하고 가속시킴으로써 프로펠러(2)에 유입되는 반류 변화(도 8)를 통하여 프로펠러(2) 추진성능을 개선할 수 있는 것이다(도 9).

한편, 본 발명에서는 예인수조에서 모형시험(저항 및 자항시험)을 통하여 본 발명에 따른 덕트(1)의 마력저감 효과를 검증하였는바, 이와 관련하여 도 10은 모형시험을 위해 제작된 덕트(1) 모형을, 도 11은 모형시험 결과를 보여준다. 도 11에서 덕트(1) 장착 전후의 속도 대비 소요마력을 계측한 결과를 보면 본 발명의 경우 모형시험을 통하여 설계속도에서 약 3%의 마력저감 효과가 있음을 확인할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 덕트 2 : 프로펠러

Claims (4)

1. 반경이 R인 선미 프로펠러(2)의 전방에 장착되는 원형 형상의 덕트(1)로서,
   상기 덕트(1)는 익형 단면을 가지며, 후단부의 반경이 0.7R의 크기를 가지며, 받음각이 14도의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는, 익형 단면을 가지는 선미 장착 덕트.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 덕트(1)의 익형 단면은 앞날이 선수 방향을 향하고 뒷날이 선미 방향을 향하는 것을 특징으로 하는, 익형 단면을 가지는 선미 장착 덕트.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 덕트(1)의 상부 코드 길이는 하부 코드 길이와 같거나 다른 것을 특징으로 하는, 익형 단면을 가지는 선미 장착 덕트.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 덕트(1)의 중심선은 프로펠러축의 중심선과 같은 높이에 있거나 프로펠러축의 중심선보다 상부에 있는 것을 특징으로 하는, 익형 단면을 가지는 선미 장착 덕트.

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