KR101566904B1 - 추력 보상을 위한 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체 - Google Patents

추력 보상을 위한 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 추력 보상을 위한 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체에 관한 것이다. 본 발명은, 나선형 블레이드 타입을 갖는 제 1 로터부(110), 제 2 로터부(120), 제 3 로터부(130) 및 제 4 로터부(140)의 블레이드 허브(HB) 각각이, 중심점(C1)을 중심으로 45˚의 각도로 이격되어 등거리로 방사형으로 배치된 구조를 갖는다.
이에 의해, 구조적 설계를 통해 종래의 추력을 감쇄하는 회전력을 추력으로 충분히 보상하여 회전력으로 손실되는 에너지를 최소화시켜 직진성의 추력을 보장할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은, 나선형 블레이드 타입을 갖는 프로펠러 구조체에 있어서, 다수개로 형성된 로터부의 회전력 감쇄에 따라 항력과 추력 중 항력은 상대적으로 감쇄시키고 추력은 상대적으로 증대시키는 효과를 제공한다.
뿐만 아니라, 본 발명은, 다수개로 형성된 로터부의 전체 회전 방향에 대한 제어만으로도 추력 직진성을 향상시키는 효과를 제공한다.

Description

추력 보상을 위한 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체{Propeller structure based on quadruplet-rotor for compensating thrust vector}
본 발명은 회전력을 추력으로 보상하는 프로펠러 구조체에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 선박에 형성되는 프로펠러 구조체에 있어서 4개의 로터부를 구비하여 회전력을 추력으로 보상하여 향상된 추력을 제공하기 위한 추력 보상을 위한 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 일반적인 추력을 보상하기 위한 고정피치(Fixed Pitch, FPP), 가변피치(Controllable Pitch, CPP), 상호반전(Contra-Rotating, CRP), 물제트(Waterjet), 보이스 슈나이더(Voith Schneider), 덕트(Ducked) 등의 프로펠러 방식이 아닌 분할된 4개의 로터부인 콰드루플렛-로터를 이용한 방식으로 고출력 전동기나, 엔진이 필요 없으며 회전력에 의한 추력을 보상하도록 하기 위한 프로펠러 구조체에 관한 것이다.
일반적인 수중 프로펠러는 물속에서 프로펠러의 회전력에 의해 추력(thrust)이 충분히 발생되지 않고 나선형으로 회전력이 생겨 추력이 상쇄된다.
이에 따라 여러 가지 추력을 보상하기 위해 나온 프로펠러의 방식은 고정피치(Fixed Pitch, FPP), 가변피치 상호반전(Controllable Pitch, CPP), 물 제트(Waterjet), 보이스 슈나이더(Voith Schneider), 덕트(Ducked) 등의 프로펠러 방식들이 개발되었으나, 제조 비용이 증가할 뿐만 아니라, 진직성의 추력 보상이 충분하지 못한 한계점이 있어 왔다.
이에 따라 해당 기술분야에 있어서는 새로운 방식의 프로펠러의 구조체 방식을 적용함으로써 회전력을 추력으로 충분히 보상하여 회전력으로 손실되는 에너지를 최소화시키도록 하기 위한 기술개발이 요구되고 있다.
[관련기술문헌]
1. 발사체의 고체모터 가동노즐 추력벡터제어용구동장치시스템의 보상제어방법 및 그 보상제어회로부(Compensated Control Method for Thrust Vector ControlActuation System of Solid Motor Mavable Nozzle and Control Loop Closure Thereof) (특허출원번호 제10-2004-0079791호)
2. 블레이드들이 연속적으로 자동 방향설정이 이루어지는 수직방향 및 횡방향유동을 가진 항해용 추진기(Vertical axis and transversal flow nautical propulsor with continuous self-orientation of the blades) (특허출원번호 제10-19997-002242호)
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 회전력을 추력으로 충분히 보상하여 회전력으로 손실되는 에너지를 최소화시켜 직진성의 추력을 보장하도록 하기 위한 추력 보상을 위한 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 나선형 블레이드 타입의 프로펠러 구조체에 있어서, 다수개로 형성된 로터부의 회전력 감쇄에 따라 항력과 추력 중 항력은 상대적으로 감쇄시키고 추력은 상대적으로 증대시키도록 하기 위한 추력 보상을 위한 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 다수개로 형성된 로터부의 전체 회전 방향에 대한 제어만으로도 추력 직진성을 향상시키는 효과를 제공하기 위한 추력 보상을 위한 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체를 제공하기 위한 것이다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 추력 보상을 위한 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체는, 나선형 블레이드 타입을 갖는 제 1 로터부(110), 제 2 로터부(120), 제 3 로터부(130) 및 제 4 로터부(140)의 블레이드 허브(HB) 각각이, 중심점(C1)을 중심으로 45˚의 각도로 이격되어 등거리로 방사형으로 배치된 구조를 갖는다.
이때, 본 발명에 따른 추력 보상을 위한 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체(100)에 있어서, 제 1 로터부(110) 내지 제 4 로터부(140)가 모두 반시계(정방향)으로 회전시, 제 1 로터부(110)에 있어서의 회전력 중 중심점(C1)으로 유입되는 제 1 회전력(T1)과, 제 2 로터부(120)에 있어서의 회전력 중 중심점(C1)으로 유입되는 제 2 회전력(T2), 제 3 로터부(130)에 있어서의 회전력 중 중심점(C1)으로 유입되는 제 3 회전력(T3), 제 4 로터부(140)에 있어서의 회전력 중 중심점(C1)으로 유입되는 제 4 회전력(T4)은 서로에 의해 상쇄되는 것이 바람직하다.
또한, 이때, 본 발명에 따른 추력 보상을 위한 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체(100)에 있어서, 제 1 내지 제 4 회전력(T1 내지 T4)의 상쇄에 따라 제 1 로터부(110) 내지 제 4 로터부(140)를 전체의 외부로 회전하는 전체 회전력(TT1, TT2, TT3, TT4)의 강도는 감쇄하여 전진 방향의 추력에 대한 간섭력이 전체적으로 감쇄하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따른 추력 보상을 위한 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체는, 구조적 설계를 통해 종래의 추력을 감쇄하는 회전력을 추력으로 충분히 보상하여 회전력으로 손실되는 에너지를 최소화시켜 직진성의 추력을 보장할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 추력 보상을 위한 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체는, 나선형 블레이드 타입을 갖는 프로펠러 구조체에 있어서, 다수개로 형성된 로터부의 회전력 감쇄에 따라 항력과 추력 중 항력은 상대적으로 감쇄시키고 추력은 상대적으로 증대시키는 효과를 제공한다.
뿐만 아니라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 추력 보상을 위한 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체는, 다수개로 형성된 로터부의 전체 회전 방향에 대한 제어만으로도 추력 직진성을 향상시키는 효과를 제공한다.
도 1은 종래의 기술에 따른 프로펠러 구조체(10)에 생성되는 회전성 추력을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 일반적인 프로펠러 구조체(10)의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 추력 보상을 위한 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체(100)에서 4개가 배치된 제 1 내지 제 4 로터부(110, 120, 130 및 140)의 관계 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 추력 보상을 위한 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체(100)에 의한 직진성 추력 생성 원리를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 1은 종래의 기술에 따른 프로펠러 구조체(10)에 생성되는 회전성 추력을 설명하기 위한 도면이다. 도 2는 종래의 기술에 따른 일반적인 프로펠러 구조체(10)의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 프로펠러 구조체(10)는 도시된 바와 같이 프로펠러 구조체(10)의 블레이드(11)는 나선형 로터(Screw rotor) 타입이 많이 사용된다.
나선형 블레디드 타입(나선형 프로펠러 타입)은 물속에서 회전시 내부 회전력에 의한 각 블레이드(11)의 주위 유동으로 각 블레이드(11)의 표면에서 압력 변화가 생긴다. 즉, 도 1b와 같이 선박에 형성되는 프로펠러 구조체(10)의 블레이드(11)에서 날개면인 흡입면(Suction Side: 11a)에서는 압력이 높아지고, 압력면(Pressure Side: 11b)에서는 압력이 낮아져 나선형 로터 타입의 프로펠러 구조체(10)의 회전반경으로 회전력이 발생하여 도 1a과 같이 전진 방향의 추력을 충분히 내지 못하는 한계점이 있다. 이에 따라 도 3 및 도 4를 참조하여 이러한 한계점을 극복하기 위한 본 발명에 따른 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체(100)에 대해서 살펴보도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 추력 보상을 위한 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체(100)에서 4개의 로터부인 콰드루플렛-로터 타입으로 배치된 제 1 내지 제 4 로터부(110, 120, 130 및 140)의 관계 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 추력 보상을 위한 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체(100)는 제 1 로터부(110), 제 2 로터부(120), 제 3 로터부(130) 및 제 4 로터부(140)의 블레이드 허브(HB) 각각은 중심점(C1)을 중심으로 45˚의 각도로 이격되어 등거리로 방사형으로 배치된 구조를 갖는다. 여기서 중심점(C1)은 제 1 로터부(110), 제 2 로터부(120), 제 3 로터부(130) 및 제 4 로터부(140)를 포함하는 추력 보상을 위한 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체(100)의 무게 중심에 해당할 수 있다.
이때, 4개로 배치된 제 1 내지 제 4 로터부(110, 120, 130 및 140)의 회전 방향을 모두 같은 방향으로 설정하면 제 1 내지 제 4 로터부(110, 120, 130, 140)의 중심점(C1)에서는 각 로터부(110, 120, 130, 140)에 의한 회전력이 상쇄되고 회전력이 만나는 4 개의 로터의 중심점(C1)을 중심으로 회전방향에 따라 전진과 후진 방향으로 추력이 생성되는 구조가 형성된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 추력 보상을 위한 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체(100)에 의한 직진성 추력 생성 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 4를 참조하면, 추력 보상을 위한 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체(100)는 전진 방향으로만 추력이 생성되도록 제 1 로터부(110), 제 2 로터부(120), 제 3 로터부(130) 및 제 4 로터부(140)의 중심점(C1)을 기준으로 45˚ 각도로 각 로터부의 허브를 등거리로 배치된다. 이에 따라, 추력 보상을 위한 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체(100)는 중심점(C1)에 상쇄되는 회전력이 전진 및 후진방향으로 간섭되는 추력 및 항력 간의 간섭을 만들지 않고, 전진방향으로만 추력을 생성하도록 한다.
보다 구체적으로 제 1 내지 제 4 로터부(110 내지 140)가 모두 반시계(정방향)으로 회전시, 제 1 로터부(110)에 있어서의 회전력 중 중심점(C1)으로 유입되는 제 1 회전력(T1)과, 제 2 로터부(120)에 있어서의 회전력 중 중심점(C1)으로 유입되는 제 2 회전력(T2), 제 3 로터부(130)에 있어서의 회전력 중 중심점(C1)으로 유입되는 제 3 회전력(T3), 제 4 로터부(140)에 있어서의 회전력 중 중심점(C1)으로 유입되는 제 4 회전력(T4) 상호 간에는 도 3과 같이 상쇄되는 효과가 발생한다.
그리고, 이러한 상쇄 효과에 의해 추력 보상을 위한 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체(100)의 전체적으로 외부로 회전하는 전체 회전력(TT1, TT2, TT3, TT4)의 강도는 도 4와 같이 약해져서 전진 방향의 추력에 대한 간섭력이 전체적으로 감쇄하는 효과를 제공한다.
여기서 추력의 방향(THRUST DIRECTION(F1))은 제 1 로터부(110) 내지 제 4 로터부(140)가 반시계 방향으로 회전시 도시된 바와 같이 배면을 향하고, 항력의 방향(Drag Direction(F2))은 전면을 향하도록 형성될 수 있다.
이에 따라, 추력 보상을 위한 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체(100)에 대한 직진력 중 항력(Drag)은 감쇄하고, 추력(Thrust)이 증대되는 효과를 제공한다.
즉, 선박에 설치되는 추력 보상을 위한 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체(100)에 있어서의 나선형 로터 타입의 블레이드를 갖는 각 로터부(110 내지 140)의 등 방향의 회전에 따른 물의 회전 방향을 직진성이 보장되는 추력으로 바꾸도록 한다.
도 5는 도 3의 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체(100)를 장착한 ROV(200)를 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, ROV(200)의 후면에는 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체(100)가 형성된다. 또한 ROV(200)는 회전기어 패널(210) 및 고정패널(220)을 포함할 수 있다.
회전기어 패널(210)은 원형의 패널 상에 제 1 로터부(110) 내지 제 4 로터부(140)에 대한 회전(RF)을 수행하기 위해 형성되며, 회전기어 패널(210)에 고정된 제 1 로터부(110) 내지 제 4 로터부(140) 사이에는 힌지부(미도시)가 형성된다.
여기서 회전기어 패널(210)은 힌지부에 대한 각도 조절을 통해 제 1 로터부(110) 내지 제 4 로터부(140)에 대한 틸팅 기능을 수행할 수 있다.
고정패널(220)은 회전기어 패널(210)의 외주면과 접착되어 회전기어 패널(210)을 고정시키고, 배면으로는 ROV(200)의 후면에 고정됨으로써, 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체(100)가 ROV(200)에 안정적으로 고정되도록 한다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10: 프로펠러 구조체
11: 블레이드
11a: 흡입면(Suction Side)
11b: 압력면(Pressure Side)
100: 추력 보상을 위한 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체
110: 제 1 로터부
120: 제 2 로터부
130: 제 3 로터부
140: 제 4 로터부
C1: 중심점

Claims (3)

  1. 나선형 블레이드 타입을 갖는 제 1 로터부(110), 제 2 로터부(120), 제 3 로터부(130) 및 제 4 로터부(140)의 블레이드 허브(HB) 각각이, 무게 중심에 해당하는 중심점(C1)을 중심으로 45˚의 각도로 이격되어 등거리로 방사형으로 배치된 구조를 갖되,
    제 1 로터부(110) 내지 제 4 로터부(140)의 나선형 블레이드는 흡입면(12a)과 압력면(12b)으로 이루어진 날개면(12)이 모두 등 방향 마련되고,
    제 1 로터부(110) 내지 제 4 로터부(140)가 모두 반시계 방향(정방향)으로 회전시, 제 1 로터부(110)에 있어서의 회전력 중 중심점(C1)으로 유입되는 제 1 회전력(T1)과, 제 2 로터부(120)에 있어서의 회전력 중 중심점(C1)으로 유입되는 제 2 회전력(T2), 제 3 로터부(130)에 있어서의 회전력 중 중심점(C1)으로 유입되는 제 3 회전력(T3), 제 4 로터부(140)에 있어서의 회전력 중 중심점(C1)으로 유입되는 제 4 회전력(T4)은 서로에 의해 상쇄되고,
    제 1 내지 제 4 회전력(T1 내지 T4)의 상쇄에 따라 제 1 로터부(110) 내지 제 4 로터부(140)를 전체의 외부로 회전하는 전체 회전력(TT1, TT2, TT3, TT4)의 강도는 감쇄하여 전진 방향의 추력에 대한 간섭력이 전체적으로 감쇄하여,
    다수개로 형성된 로터부(110, 120, 130, 140)의 전체 회전 방향에 대한 제어만으로 항력과 추력 중 항력은 상대적으로 감쇄시키고 추력은 상대적으로 증대시키도록 함으로써 제 1 로터부(110) 내지 제 4 로터부(140)의 등 방향의 회전에 따른 물의 회전 방향을 직진성이 보장되는 추력으로 바꾸도록 하는 것을 특징으로 하는 추력 보상을 위한 콰드루플렛-로터 기반의 프로펠러 구조체.
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