KR101613036B1 - 공기 윤활 시스템 및 그러한 시스템을 포함하는 선박 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박이 물을 통해 이동하면서 바닥 아래 흐르는 물 및 선박(1)의 헐(4)의 실질적으로 편평한 바닥(6) 사이에 공기 윤활 층을 제공하기 위한 시스템(16)에 관한 것이다. 상기 시스템은 편향기를 가지는 캐비티(33)를 구비한다. 편향기는 캐비티 길이(L)의 적어도 5% 이상, 바람직하게 적어도 10% 캐비티의 길이 방향으로 연장하는 연장부(29,34,34')를 구비하고, 인터페이스 평면(30) 상의 적어도 하나의 편향기 부재(24,24' - 26,26')의 돌출된 영역은 인터페이스 평면의 표면적의 적어도 25%, 적어도 50%, 가장 바람직하게 75%를 덮는다.

Description

공기 윤활 시스템 및 그러한 시스템을 포함하는 선박{AIR LUBRICATION SYSTEM AND VESSEL COMPRISING SUCH A SYSTEM}

본 발명은 선박이 물을 통해 이동하면서 선박의 헐(hull)의 실질적으로 편평한 바닥면과 바닥면 아래 흐르는 물 사이에 공기 윤활 층을 제공하기 위한 시스템에 관한 것이며, 상기 시스템은 측벽들 및 상벽을 포함하여, 실질적으로 편평한 바닥면의 높이에서, 측벽들에 횡방향인 인터페이스 평면 내에 위치된 개구를 구비하는 캐비티(cavity)를 정의하고, 상기 개구는 캐비티의 길이 방향으로 보여질 때 정단부 및 후단부를 구비하고, 공기 입구는 캐비티의 개구로부터 이격되고, 캐비티는 길이(Lc), 인터페이스 평면으로부터 상벽의 거리(Hc), 폭(W)을 구비하며, 여기서 Lc/Hc 비율은 7:1 내지 13:1 범위 내에 있고, W/H 비율은 1.3:1 내지 2.5:1 범위 내에 있고, Lc/W 비율은 3.5 내지 1 내지 7:1의 범위 내에 있고, 적어도 하나의 워터 디플렉터(water deflector)가 캐비티 내에 제공되고, 디플렉터는 실질적으로 캐비티의 폭을 가로질러 연장하고 인터페이스 평면으로부터 낮은 거리(lower distance)에 이격 배치된(spaced) 하단, 및 상벽으로부터 높은 거리에 이격 배치된 상단을 구비한다.

본 발명은 또한 그러한 공기 윤활 시스템을 포함하는 선박에 관한 것이다.

그러한 시스템 및 선박은 출원인의 이름으로 출원된, WO 2013/125951로부터 공지된다. 상기 공보에서 선박의 편평한 바닥면의 효과적인 공기 윤활은 대략적인 유체 정역학적 압력에서 캐비티 안으로 공기를 주입하고 상대적으로 작은 크기로 개방된 캐비티를 제공하는 것에 의해 달성되어, 실질적으로 편평한 물-공기 인터페이스가 바닥면의 높이에 형성되었다. 상기 인터페이스에서, 공기는 켈빈 헬름홀츠 혼합 효과(Kelvin Helmholtz mixing effect)에 의해 물 안으로 혼합되고, 기포의 스트림(stream)은 캐비티의 후방으로부터 새어 나온다. 그러한 캐비티들은 바닥면을 따라 기포 층을 제공하는 안정적이고 효율적인 방식을 제공하고, 마찰 항력을 감소시켜 추진 동안 감소된 마찰의 결과 에너지 게인(energy gain)이 캐비티 안으로 유체 정역학적 압력들에서 공기를 주입하는 데 요구되는 여분의 에너지보다 매우 우세하다.

개시 동안 캐비티의 비움을 수월하게 하기 위해, 많은 굽은 웨이브 디플렉터들이 캐비티를 횡방향으로 가로질러 연장하는 것으로 설명된다. 웨이브 디플렉터들은 캐비티 내부에 난류를 감소시키고 공기가 긴 시간 동안 캐비티 내부에 유지되게 하여 개시 동안 덜 강한 공기 주입을 위한 감소된 용량의 압축기들이 요구될 수 있다.

WO 2012/010158에서 선박은 공기층을 포함하는 실질적으로 전체 바닥면을 따라 캐비티를 구비하는 것으로 설명된다. 공지된 선박은 저항을 감소시키도록 가스층 아래 물 흐름을 매끄럽게 하고, 가스 손실을 최소화하기 위해, 선박 아래 공기층의 균일한 분포를 획득하는 것을 목적으로 한다. 제안된 해결책은 공기 챔버의 전방 영역 내에 적어도 하나의 제1 수위 측정 및 후방 영역 내에 적어도 하나의 제2 수위 측정을 수행하는 것이다. 획득된 측정 신호들은 자동으로 비교되고, 결정된 비교에 따라 적어도 하나의 트리밍 탱크(trimming tank) 내 액체 채움 높이를 초래하여 이런 방식으로 적어도 피치 축(pitch axis)에 대한 선박의 경사(inclination)가 제어된다. 대안적으로, 상대적으로 작은 크기의 수중 날개(underwater wing) 가 자동으로 위치될 수 있어 피치 축에 대한 선박의 경사가 제어된다.

US 6,145,459에서 공기 윤활 시스템은 공기가 헐의 내부 표면상에 압축된 공기를 포함하는 캐비티에 연결된 슬릿(slit)을 통해 선미를 향해 각이 지게 헐을 따라 주입되는 것으로 설명된다. 공기 부피를 깨뜨려 작은 기포들을 형성하는 난류를 유발하도록 헐 내 슬릿의 출구 지점의 상류에 와이어가 위치된다. 공지된 시스템은 공기 주입이 상대적으로 높은 압력들을 요구하고 마찰 항력의 감소 대비 윤활에 요구되는 전력의 관점에서 상대적으로 비효율적이라는 단점을 가진다. 게다가, 헐의 외부에서 와이어는 상대적으로 영향받기 쉽고, 추가적인 항력을 발생시키고, 진흙, 조개 또는 해초의 장착 지점을 형성할 수 있다.

JP 2002-2582 A는 캐비티 및 캐비티 내부에 역압(under-pressure)을 생성하기 위해 바닥면 높이 아래로 돌출하는 특별한 상류 쐐기(special upstream wedge)를 구비하는 공기 캐비티 선박을 설명한다. 공기는 압력 하에서 생성된 관점에서 압축기를 위한 요구 없이 캐비티에 공급된다. 캐비티 내에서, 하부 정면부는 물과 공기의 혼합을 야기시키는 불균일하고 험한 공기-물 인터페이스를 초래한다. 상대적으로 낮은 내부 압력을 구비하는 작은 크기의 기포들은 캐비티의 후방에서 나가고, 기포 크기는 기포들이 헐의 바닥면을 따라 이동할 때 수압에 의해 감소한다. 캐비티 내부에 생성된 비-제어된 역압들에서 작동함에 따라 공지된 윤활 시스템은 상대적으로 비효율적이고 편평한 바닥면과 높이가 같은 편평한 공기-물 인터페이스를 형성하지 못하고, 캐비티로부터 인터페이스를 따라 평온하고 잘 정의된 경계층 내 바닥면 상으로 제한되지 않은 배출 및 상기 전체 인터페이스를 따라 켈빈 헬름홀츠 효과에 의해 공기 및 물을 혼합하게 한다.

그러므로 본 발명의 목적은 개시 동안 개선된 효율을 구비하고 캐비티 내부에서 감소된 불안정성을 나타내는 공기 윤활을 위한 시스템을 제공하는 것이다. 추가적으로 본 발명의 목적은 공기가 캐비티 내에 포함되지 않는 경우 감소된 물 교란(water disturbance)을 제공하고 롤 모션들 동안 캐비티 내부에 안정적인 공기-물 인터페이스를 제공하는 선박 및 시스템을 제공하는 것이다.

다시 증가된 공기 윤활을 위해 바닥면을 따라 캐비티들의 개선된 분포를 제공하는 것을 목적으로 한다.

게다가, 본 발명은 공기 윤활 시스템의 개선된 제어 및 안정성을 제공하기 위해 힘쓴다.

본 발명의 다른 목적은 개선된 공기 흐름 특징들을 구비하는 공기 윤활 시스템을 제공하는 것이다.

여기에서 본 발명에 따른 시스템은 디플렉터가 캐비티 길이(L)의 적어도 5%보다 높게, 바람직하게 적어도 10%로 캐비티의 길이 방향으로 연장하는 연장부를 구비하고, 인터페이스 평면 상에서 적어도 하나의 디플렉터 부재의 돌출된 영역이 인터페이스 평면의 표면적의 적어도 25%, 바람직하게 적어도 50%, 가장 바람직하게 적어도 75%를 덮는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 웨이브 디플렉터는 캐비티 내에서 흐름을 안정화시킨다. 캐비티 내 웨이브 디플렉터에 캐비티 길이 방향으로 상대적으로 긴 길이를 제공하는 것에 의해, 선박이 항해하는 동안, 예를 들어 20 knots의 속도에서 캐비티가 효율적으로 공기로 채워질 수 있다. 작동 시에, 디플렉터는 선박의 롤 모션들 및 웨이브(wave)에 의한 물 유입으로부터 공기로 채워진 캐비티를 효율적으로 보호하며, 길쭉한 디플렉터 부분은 롤 모션들 동안 캐비티 내부 수면을 안정적으로 유지하여, 캐비티의 안정적인 작동이 보장될 수 있다. 또한 선박이 캐비티 내 공기 없이 항해 하는 경우, 본 발명에 따른 길쭉한 디플렉터 부분은 감소된 항력에서 평온한 물 흐름을 초래한다. 디플렉터 평면이 캐비티의 상당한 부분을 덮고 있으므로, 웨이브 유입(wave entry)이 효율적으로 방지되고 공기로 채워진 캐비티의 안정성이 개선된다.

여기에서 사용된 바와 같이, "실질적으로 편평한 바닥면(substantially flat bottom)"은 수평면에 대해 +5°와 -5° 사이의 각도로 될 수 있는 평면 내에서 연장하는 바닥면을 의미하는 것으로 의도된다.

본 발명에 따른 디플렉터는 하나 또는 그 이상의 천공된 플레이트 부재들에 의해 형성되거나, 격자 또는 뼈대 구조의 형태로 될 수 있다.

본 발명에 따른 시스템의 실시예에서, 디플렉터는 많은 디플렉터 부재들을 포함하고, 각각은 수평하게 향해지는 부분을 구비하고, 인접한 연장부 사이에서 캐비티의 길이 방향으로 간격은 캐비티 길이(L)의 1%와 10% 사이이다.

작동 동안, 공기는 헐의 바닥의 높이에서 켈빈 헬름홀츠 인터페이스(Kelvin Helmholtz interface)에 아래로 디플렉터들 사이에 균일하게 분포되는 방식으로 통과할 수 있다. 인접한 디플렉터들 사이에 개방된 영역의 상대적으로 좁은 스트립들(strips)을 두는 것에 의해, 디플렉터는 공기가 켈빈 헬름홀츠 인터페이스에 자유로이 이동하면서 롤 모션들 동안 캐비티에 물 유입 및 웨이브 유입되는 것을 효율적으로 방지한다.

효과적인 켈빈 헬름홀츠 효과가 발생하는 공기 흐름들 및 속도들은 WO 2013/125951 page 4 line 40 - page 5 line 5에서 제공되고, 참조로서 여기에 포함된다. 본 발명에 따른 공기 윤활 시스템에 의해 형성된 기포들은 크기가 0.5mm 내지 5mm 범위이다. 낮은 속도들에서, 형성된 기포들은 상기 범위의 상단(higher end) 내 크기를 구비하고 일반적으로 직경이 3mm와 5mm 사이로 측정된다. 높은 속도들에서, 기포 크기는 상기 범위의 하단 그리고 0.5mm와 약 3mm 사이에 있는 것으로 발견되었다.

본 발명의 캐비티들이 사용될 수 있는 선박들은 내륙에서 사용을 위해 더 작은 크기로 된 선박일 수 있으나, 바람직하게 외항 선박들이며, 적어도 20m의 길이 500m의 길이까지 구비하는 편평한 바닥면을 구비할 수 있다. 본 발명에 따른 공기 윤활 시스템과 사용에 적합한 선박들의 배수량은 10,000톤 또는 그 이상, 바람직하게 50,000톤 또는 그 이상일 수 있고 페리들(ferries), 유람선들(cruise ships) 및 다른 여객선들뿐만 아니라 큰 외항 탱커들(large ocean going tankers), 벌크 화물선들(bulk carriers), 컨테이너선들(container ships) 또는 다른 화물선들(cargo vessels)을 포함할 수 있다.

캐비티의 길이는 2m와 10m 사이일 수 있고, 캐비티의 높이는 0.2m와 1.5m 사이일 수 있다. 캐비티의 폭은 40cm와 2m 사이의 범위일 수 있다.

전술된 캐비티들의 치수들은 바닥면을 따라 경계층 안으로 일정한 기포 발생 및 기포들의 흐름을 위해 안정적인 켈빈 헬름홀츠 인터페이스를 생성하는 데 충분한 것으로 발견되었다.

캐비티의 크기는 안정적인 기포 윤활 층의 발생을 위해 요구되는 공기 부피를 결정하고, 붕괴 후 캐비티를 채우고 물로 보충하는 데 요구되는 공기의 부피를 결정한다. 따라서, 캐비티 크기를 최적화하는 것은 공기 윤활 시스템의 전체 효율성 및 총 공기 공급의 효율을 결정하고 시스템의 전체 에너지 효율에 결정적이다. 이러한 에너지 효율은 선박의 감소된 연료 사용을 초래하고 높은 경제적 이익을 제공한다.

캐비티는 직사각형 형상일 수 있으나, 바람직하게 공기-물 인터페이스의 개선된 안정성을 위해 그것의 정면부에서 단검-형상 또는 총알-형상으로 된다.

단검- 및 총알-형상 캐비티들은 자유 수면(free water surface) 상에 웨이브 형성을 감소시키는 것이 발견되었다. 이러한 방식으로, 공기로 채워진 캐비티는 보다 빨리 붕괴하게 될(collapse) 직사각형을 구비하는 캐비티에 비해 개선된 안정성을 보이는 것으로 발견되었다.

본 발명에 따른 시스템의 추가적인 시스템에서, 각각의 디플렉터는 인터페이스 평면에 실질적으로 평행하는 캐비티의 길이 방향으로 적어도 10cm, 바람직하게 적어도 15cm 연장하는 수평 섹션(horizontal section), 및 위로 구부러지고, 길이 방향으로 적어도 10cm 그리고 수평 디플렉터 섹션의 높이로부터 위로 적어도 5cm, 바람직하게 적어도 10cm 연장하는, 굽은 횡방향 섹션(curved transverse section)을 포함하고, 캐비티의 길이 방향으로 인접한 디플렉터 부재들 사이의 거리는 1m보다 작고, 바람직하게 30cm보다 작고, 가장 바람직하게 10cm보다 작다.

웨이브 디플렉터들의 위로 구부러진 부분들(upwardly curved parts)은 캐비티가 공기로 채워질 때 항해 동안, 아래 방향으로 위로 향해진 웨이브들을 편향시킨다.

본 발명에 따른 시스템의 실시예에서, 적어도 세 개의 디플렉터 부재들이 캐비티 내에 제공되고, 수평 디플렉터 부분들은 인터페이스 평면에 실질적으로 평행하는 디플렉터 평면 내에 위치된다. 디플렉터 부재들이 인터페이스 평면의 표면적의 적어도 25%, 바람직하게 적어도 50%, 보다 바람직하게 적어도 75% 같이, 캐비티의 상당한 부분을 함께 덮으므로, 캐비티는 웨이브 유입을 효과적으로 방지하고 공기로 채워진 캐비티의 안정성이 개선된다.

다른 실시예에서, 디플렉터 평면이 인터페이스 평면으로부터 적어도 3cm의 거리에 위치된다. 공기-물 인터페이스에 상대적으로 근접하게 디플렉터 평면을 제공하는 것에 의해, 상기 인터페이스의 위로 이동은, 예를 들어 롤 모션 동안, 감소되고 공기로 채워진 캐비티의 안정성이 개선된다. 바람직하게, 캐비티의 후단부에서 후방 캐비티 벽은 후방으로 나아갈 때 상벽으로부터 인터페이스 평면으로 경사지고, 적어도 하나의 디플렉터 요소는 경사진 후방 캐비티 벽 아래 위치된다. 　

바람직하게 공기 공급 개구는 압축기 출구 덕트에 연결을 위해 상벽 내에 위치된다. 상벽을 통해 캐비티 안에 주입되는 공기는 그 자체로 상부로부터 균일하게 분할되고 안정적인 공기-물 인터페이스를 형성하기 위해 디플렉터들을 따라 아래로 흐른다. 캐비티의 상벽 내에 공기 입구를 제공하는 것에 의해 정단부에서 공기 흐름은 상대적으로 평온한 상태로 유지되고 최적의 공기-혼합 켈빈 헬름홀츠 인터페이스가 형성된다. 이는 특히 총알- 또는 단검-형상 캐비티가 활용되는 경우에 바람직하다.

본 발명에 따른 선박의 추가적인 실시예는 중앙선의 각각의 측면 상에 선미 근처 중앙선으로부터 개별적인 측면으로 연장하는 라인을 따라 길이 방향으로 바닥면을 가로질러 분포되는 적어도 세 개의 캐비티들을 구비한다. V-형상 캐비티 분포를 구비하여 기포들의 균일한 블랭킷(blanket)은 바닥면의 전체 폭을 가로질러 퍼질 수 있다. 추가적인 실시예에 따라, 캐비티들은 선미에 가장 근접한 캐비티의 후단부가 선미를 향하는 방향으로 보여지는 인접한 캐비티의 정단부보다 선수로부터 더 멀리 위치되는 방식으로 배치될 수 있다.

날카로운 스템(sharp stem) 및 그에 따라서 형성된 편평한 바닥면을 구비하는 선박에서, 캐비티들은 바닥면의 폭을 가로질러 공기 윤활의 최적의 분포를 위해 헐 형태를 따른다. 캐비티들의 펼쳐지는 분포(fanning-out distribution)는 캐비티들이 선박의 길이 방향으로 정렬되는 경우에 비해 바닥면의 개선된 강도를 초래한다.

헐을 가로질러 기포들의 효과적인 분포를 위해, 선수에 근접한 영역에서, 두 개의 최전방 캐비티들은 중앙선으로부터 미리 결정해 거리에 위치되고, 선미에 더 근접한 두 개의 추가적인 캐비티들은 중앙선으로부터 더 작은 거리에 위치된다. V-형상 분포의 경계들 내에 포함된, 중앙 캐비티들은 선박의 중앙선을 따라 추가적인 공기 윤활을 제공한다.

횡방향으로 균일하게 펼쳐진 캐비티들은 편평한 바닥면을 따라 공기 윤활의 우수한 분포를 제공한다. 중앙선에 근접하게 가까이 이격 배치된 캐비티들은 중앙에서 흐름 라인들의 펴짐(spread)에 맞춰지고 제 위치에서 선박의 전방과 마주침(encounter) 후에 물의 안정성에 의존하는 것으로 발견되었다. 발명자들은 놀랍게도 집중적인 CFD 분석 후에 근접하게 이격 배치된 캐비티들의 중앙 지점(central location)을 발견했다.

각각의 캐비티로부터 공기 흐름의 적절한 제어를 위해, 그리고 고장의 경우 여분의 시스템을 제공하는 관점에서, 본 발명에 따른 선박은, 미리 결정된 길이 위치에서 중앙선의 반대되는 측면들 상에 각각의 캐비티 또는 쌍의 캐비티들을 위해, 각각의 캐비티 내 유체 정역학적 압력에 실질적으로 대응하는 압력에서 캐비티 안으로 공기를 주입하기 위한 대응하는 압축기를 포함한다. 각각의 캐비티를 위해 압축기를 제공하는 것에 의해, 각각의 캐비티 안으로 공기 흐름은 압축기의 출력을 설정하는 것에 의해 효과적으로 제어될 수 있다. 이는 개별적인 밸브를 통해 각각의 캐비티에 공기 흐름을 제어하고 단일의 압축기를 제공하는 것보다 훨씬 에너지 효율적이다. 또한 단일의 큰 압축기를 사용하는 대신에 각각의 캐비티를 위해 개별적인 압축기의 이용에 의해 공기 캐비티들을 구비하는 현존하는 선박을 개조하는 것이 수월해진다. 마지막으로, 복수 개의 작은 크기의 압축기들의 이용은 단일의 큰 압축기의 이용하는 것보다 비용 측면에서 바람직하다.

선박은 상부 데크(deck) 높이보다 아래에 위치된, 그것의 선수 가까이에 서포트 데크(support deck)를 포함할 수 있고, 압축기들은 서포트 데크 상에 위치된다.

캐비티의 상벽에서 공기 입구 개구는 더 작은 직경의 덕트 섹션 안으로 점진적으로 테이퍼지는(tapers) 상대적으로 넓은 직경을 구비하는 섹션을 포함할 수 있다. 공기 입구 개구의 직경은 15와 40cm 사이에 놓일 수 있다.　

넓어진 공기 입구는 입구에서 공기 속도를 감소시키는 데 효과적이어서 평온한 켈빈 헬름홀츠 인터페이스 및 결과적인 최적의 물-공기 혼합을 초래하는 것으로 발견되었다.

본 명세서 내에 포함되어 있음.

본 발명에 따른 공기 윤활 시스템의 일부 실시예들 및 그러한 시스템을 포함하는 선박은, 비-제한적인 예시에 의해, 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명될 것이다. 도면들은 다음과 같다:
도 1은 본 발명에 따른 공기 윤활 시스템을 포함하는 선박의 개략적인 측면도를 도시하고,
도 2는 본 발명에 따른 공기 윤활 시스템의 사시도를 도시하고,
도 3은 도 2의 시스템의 단면도를 도시하고,
도 4는 본 발명에 따른 길쭉한 디플렉터(deflector)를 구비하는 캐비티의 개략적인 측면도를 도시하고,
도 5a-5c는 본 발명에 따른 디플렉터의 다른 실시예들을 도시하고,
도 6은 각각의 캐비티에 대하여 선수(bow) 가까이에 서포트 데크(support deck) 상에 위치된 개별적인 압축기(compressor)를 포함하는 선박의 일부 절단도를 도시하고,
도 7은 선수 가까이에 V-형상 배치로 된 많은 캐비티들을 도시하고,
도 8은 둥근 정면부(front part)을 구비하는 총알-형상(bullet-shaped) 캐비티의 실시예를 도시한다.

도 1은 20m와 500m 사이의 길이(Lv) 및 5m와 75m 사이의 폭을 구비하는 선박(1)을 도시한다. 선박(1)은 적어도 10000톤, 바람직하게 적어도 50000톤의 배수량(water displacement)을 구비하고, 외항선(ocean going vessel)이다. 선박(1)은 선수(bow; 2), 선미(stern; 3), 측면들(sides; 5), 실질적으로 편평한 바닥면(6) 및 프로펠러(10)을 가지는 헐(4)을 구비한다. 바닥면(6)의 평면 내에 개방된 공기 윤활 캐비티들(air lubricating cavities; 7,8)은 편평한 바닥면(6)을 따라, 선미(3)를 향해 이동하는 기포층(9)을 발생시키기 위해 바닥면(6)을 따라 분포된다. 압축기(11, 12)는 선박의 지배적인 흘수 높이(prevailing draught level)에서 각각의 캐비티 내 유체 정역학적 압력(hydrostatic pressure)에서 공기를 공급하기 위해, 각각의 캐비티(7, 8)에 연결된다. 압축기들(11, 12)은 캐비티들(7, 8)에 연결된 공기 출구 덕트(air outlet duct; 14)에 있고, 대기 공기를 받아들이기 위한 공기 입구 덕트(air inlet duct; 13)를 구비한다. 압축기들(11, 12)은 개시(starting) 및 중지(stopping) 동안 그리고 해양 상태, 항해 속도에 따라 공기 공급을 조절하기 위해, 컨트롤러(controller; 15)에 의해 제어된다.

발명자들은 다음의 핵심 원리들이 도 1의 공기 윤활 시스템의 적절한 설계에 적용된다는 것을 발견하게 되었다:

도 2는 선박(1)의 헐(4)의 바닥면(6) 안에 장착될 수 있는 캐비티(33)를 형성하는 일체형 모듈(integral module)로 구조될 수 있는 공기 윤활 시스템(air lubrication system; 16)을 도시한다. 시스템(16)은 측벽들(18, 18') 및 상벽(19)을 포함한다. 측벽들(18, 18')은 선박(1)의 편평한 바닥면(6) 안에 용접될 수 있는 플랜지(17) 상에 지지된다. 측벽들(18, 18')은 선박의 편평한 바닥면 표면과 실질적으로 동일한 높이인 개구(20)의 경계를 정하고, 개구(20)는 켈빈 헬름홀츠 혼합 효과(Kelvin Helmholtz mixing effect)에 의해 공기가 물 안으로 혼합되는 매끄러운 공기-물 인터페이스 평면(air-water interface plane)을 형성한다. 인터페이스 평면에서 물과 혼합되는 기포는 후방 가장자리(rear edge; 21)를 따라 캐비티를 떠나 캐비티로부터 바닥면 상으로 매끄러운 변화(smooth transition)를 통과하고 선미(3) 방향으로 편평한 바닥면(6)을 따라 제한 없이 이동한다. 오목하게 구부러지고, 아래로 경사진 벽부(wall part; 27)는 하부 후방 가장자리(21)를 따라 위치된 출구 지점에 매끄러운 흐름 패턴(smooth flow pattern)으로 캐비티 내부에 물과 공기를 안내하도록 후방 가장자리(21)과 상벽(19)을 연결한다.

캐비티(33)의 정단부(22)는 단검-형상(dagger-shaped)이고, 상벽(19) 내에 위치된다. 공기 입구(19)는 압축기들(11, 12)의 공기 출구 덕트들(14) 중 하나에 연결될 수 있다.

캐비티(33) 내에서, 많은 굽은 웨이브 디플렉터들(curved wave deflectors; 24, 25, 26)이 캐비티의 폭(W)을 가로질러 연장하고 측벽들(18, 18')에 연결된다. 캐비티(33)의 길이(Lc)는 약 4m이고, 폭(W)은 약 75cm이고, 높이(Hc)는 약 45cm이다. 측벽들(18, 18)은 16mm의 두께를 구비할 수 있고, 플랜지(17) 및 상벽(19)은 20mm의 두께를 구비할 수 있다.

발명자들은 다음의 핵심 원리들이 적절한 공기 윤활 시스템 설계에 적용된다는 것을 발견하게 되었다:

캐비티 내 웨이브 디플렉터들은 캐티비 내부에서 물 흐름을 안정화시킨다. 이는 두 가지 이유에서 중요하다: 우선, 디플렉터들은 선박의 속도 동안 공기로 캐비티를 채우게 할 수 있다. 둘째, 디플렉터들은 시스템이 꺼진(off) 동안(공기 유입 없이) 캐비티의 저항을 최소화한다.

웨이브 디플렉터들은 선박의 속도 동안 캐비티를 지나가는 평온한 물의 흐름을 획득하기 위해 캐비티의 인터페이스 평면보다 높게 위치될 수 있다. 캐비티가 공기로 가득 찰 때, 디플렉터들은 물 표면에서 자유롭다(are free of). 그것들은 또한 선박의 롤 모션들(roll motions) 동안 물의 표면이 안정한 상태를 유지하는 데 도움이 된다.

캐비티의 후벽에서 경사는 선박의 경계층 안으로 기포들의 매끄러운 발생을 돕고, 즉각적인 선박 표면 경계층 안으로 혼합하는 켈빈 헬름홀츠에 의해 형성된 기포들을 주입하는 데 도움이 되도록 설계되어, 수직 분산(vertical dispersion)을 최소화하고 항력 감소(drag reduction)를 최적화한다.

캐비티의 전방의 형상, 즉, 쐐기-형상(wedge-shaped) 또는 총알-형상(bullet-shaped)은 물 흐름을 제어하고 공기/물 인터페이스에서 웨이브 불안정성(wave instability)을 최소화하고 켈빈 헬름홀츠 효과에 의해 경계층 안으로 일관된 공기 혼합을 개선한다.

캐비티의 길이는 일정한 기포 발생 및 경계층 안으로 기포의 흐름을 위해 안정적인 켈빈 헬름홀츠 공기 혼합 효과를 생성하기에 충분하도록 선택된 것이다.

헐 아래 캐비티들의 상대적인 포지셔닝(positioning)은 헐의 공기-윤활 표면적을 최대화하기 위해 중요하다.

캐비티의 크기는 안정적인 기포 발생을 위해 요구되는 공기의 부피 및 공기 포켓 붕괴(air pocket collapse) 후에 캐비티의 복구를 위해 요구되는 공기의 부피 모두를 결정한다. 캐비티의 크기를 최적화하는 것은 전체 윤활 효율성 및 총 공기 발생의 효율을 결정한다.

도 3에서 명확한 바와 같이, 웨이브 디플렉터들(24, 24'-26, 26')은 각각 편평한 바닥면(6)을 따라 흐르는 물과 캐비티(16) 내 물 사이에 경계층이 위치되는 개방된 인터페이스 평면(30)으로부터 약 5cm의 거리(hl)에 연장하는 수평부(horizontal part; 29)를 구비한다. 웨이브 디플렉터 수평부(29)는 약 20cm의 길이(Lwh)를 구비하고, 웨이브 디플렉터 굴곡부(wave deflector curved part; 31)는 약 20cm의 길이(Lwc)를 구비한다. 상벽(19)으로부터 수평 웨이브 디플렉터 부분들(29)의 거리(hu)는 약 30cm이다. 모든 웨이브 디플렉터들의 수평부들(29)은 실질적으로 디플렉터 평면(32) 내 동일한 높이에 놓인다. 굽은 디플렉터 부분의 높이(hc)는 약 11cm이다. 인접한 웨이브 디플렉터들(24, 24') 사이의 거리(gl)는 약 5cm이다. 인터페이스 평면(30) 상에서 웨이브 디플렉터들(24-26)의 돌출된 표면적은 인터페이스 평면의 표면적의 적어도 25%, 바람직하게 적어도 50%, 가장 바람직하게 적어도 75%를 덮는다.

공기 입구(23)에는 더 작은 직경의 압축기 출구 덕트(smaller diameter compressor outlet duct; 35)에 연결되는 상대적으로 넓은 섹션(wide section; 34)이 제공되어, 넓은 섹션이 공기 속도를 감소시키고 캐비티(3) 안으로 공기의 점진적인 유입을 제공한다.

도 4는 많은 실질적으로 수평 디플렉터 부재들(horizontal deflector members; 34, 34')을 포함하는 공기 윤활 시스템(16)의 개략적인 표현을 도시한다. 디플렉터 부재들(34, 34')은 캐비티의 폭을 가로질러 지지되는 별개의 스트립들(strips)일 수 있고, 또는 도 5a-5c에 개략적으로 도시된 바와 같은 유형의 일체형 디플렉터(unitary deflector; 28)의 일부일 수 있다.　

도 5a의 실시예에서, 디플렉터(28)는 많은 슬릿들(slits; 36, 36')을 구비하는 플레이트-형상 몸체를 포함한다. 길쭉한 디플렉터 부분들(34, 34')은 일체의 플레이트-형상 디플렉터(28)의 일부이다.

도 5b의 실시예에서, 디플렉터(28)는 천공된 플레이트의 형태로 된다. 홀들(37, 37')은 길쭉한 디플렉터 부분들(34, 34')을 정의한다.

도 5c의 실시예에서, 디플렉터(28)는 격자(lattice) 또는 뼈대(framework) 형상이고, 길쭉한 디플렉터 부재들(34, 34')은 횡방향 거더들(35, 35')에 의해 서로 연결된다.

도 6에 보여지는 바와 같이, 많은 압축기들(11)은 선박(1)의 선수(2) 가까이에서 압축기 서포트 데크(compressor supporting deck; 40) 상에 지지된다. 다른 압축기들(12)은 선수(2) 가까이에서 상부 데크(41)의 높이에 위치된다. 하나의 압축기(11, 12)는 각각의 캐비티(7, 8)를 위해 제공된다.

도 7에서는 많은 캐비티들(54, 54'- 59, 59')이 후방으로 갈 때 중앙선(50)으로부터 측면들(sides; 51, 52)로 나아가는　라인들(lines)을 따라 분포되는 것을 도시한다. 두 개의 중앙 캐비티들(53, 53')은 중앙선(50)에 근접하게 제공된다. 캐비티들(54-59')의 중앙선은 중앙선(50)에 대해 약간 각이 진다. 캐비티들(54, 55, 56 및 57 54', 55', 56' 및 57')에 대해 정면부(70)는 앞으로 캐비티의 후방부(71)보다 선수(2)에 근접하게 위치된다. 이러한 '오버랩(overlap)'은 편평한 바닥면(6)을 가로질러 기포들의 균일한 분포를 제공한다.

도 8에서 보여지는 바와 같이, 캐비티(33)는 그것의 정단부(22)에서 총알-형상 같이, 둥근 헤드를 구비한다. 단검-형상 정단부뿐만 아니라 둥근 총알-형상 정단부(22)는 모두 인터페이스 평면을 따라 웨이브 형성 없이 캐비티 내 안정적인 공기-물 인터페이스의 형성을 초래한다.

1: 선박
2: 선수
3: 선미
4: 헐
5: 측면
6: 바닥면
7, 8: 공기 윤활 캐비티
9: 기포층
10: 프로펠러
11, 12: 압축기
13: 공기 입구 덕트
14: 공기 출구 덕트
15: 컨트롤러
16: 공기 윤활 시스템
18, 18': 측벽
19: 상벽
20: 개구
21: 후단부
22: 정단부
23: 공기 입구
30: 인터페이스 평면
33: 캐비티
24, 24', 25, 25', 26, 26': 워터 디플렉터
29, 34, 34": 연장부

Claims (10)

1. 선박이 물을 통해 이동하면서 선박(1)의 헐(4)의 편평한 바닥면(6)과 상기 바닥면 아래 흐르는 물 사이에 공기 윤활 층을 제공하기 위한 시스템(16)에 관한 것으로서,
   상기 시스템은 측벽들(18, 18') 및 상벽(19)을 포함하여 상기 편평한 바닥면(6)의 높이에서, 측벽들에 횡방향인 인터페이스 평면(30) 내 위치된 개구(20)를 구비하는 캐비티(33)를 정의하고, 상기 개구는 상기 캐비티의 길이 방향으로 보여질 때 정단부(front end; 22) 및 후단부(rear end; 21)를 구비하고, 상기 캐비티의 개구(20)로부터 공기 입구(23)가 이격 배치되고, 상기 캐비티는 길이(Lc), 상기 인터페이스 평면(30)으로부터 상벽(19)의 거리(Hc) 및 폭(W)을 구비하고, Lc/Hc 비율은 7:1 내지 13:1 범위 내에 있고, W/H 비율은 1.3:1 내지 2.5:1 범위 내에 있고, Lc/W 비율은 3.5 내지 1 내지 7:1의 범위 내에 있고, 적어도 하나의 워터 디플렉터(water deflector; 24, 24', 25, 25', 26, 26')가 상기 캐비티 내에 제공되고, 상기 디플렉터는 상기 캐비티의 폭(W)을 가로질러 연장하고, 상기 인터페이스 평면(30)으로부터 낮은 거리에 이격 배치된 하단 및 상벽(19)으로부터 높은 거리에 이격 배치된 상단을 구비하고,
   상기 디플렉터가 상기 캐비티 길이(L)의 적어도 5%보다 높게, 상기 캐비티의 길이 방향으로 연장하는 연장부(elongate part; 29, 34, 34')를 구비하고, 상기 인터페이스 평면(30) 상에서 적어도 하나의 디플렉터 부재(24, 24'- 26, 26')의 돌출된 영역은 상기 인터페이스 평면의 표면적의 적어도 25% 이상 덮는 것을 특징으로 하는 시스템(16).
   
2. A system according to claim 1 wherein the length (Lc) of the cavity is between 2m and 10m, the distance (Hc) of the top wall (19) from the interface plane (30) being between 0.2 m and 1.5 m and the width W being between 0.5m and 1.5m.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 디플렉터는 복수 개의 디플렉터 부재들(deflector members)을 포함하고, 각각의 디플렉터 부재는 연장부(elongate part)를 구비하고, 인접한 연장부 사이에서 상기 캐비티의 길이 방향으로 간격은 상기 캐비티 길이(L)의 1%와 10% 사이인 시스템(16).
   
4. 제1항 또는 제2항에있어서,
   각각의 디플렉터 부재는 상기 인터페이스 평면(30)에 평행하는 상기 캐비티의 길이 방향으로 적어도 10cm 연장하는 수평 섹션(horizontal section; 29), 및 위로 구부러지고, 길이 방향으로 적어도 10cm 연장하고 상기 수평 디플렉터 섹션의 높이로부터 위로 적어도 5cm 연장하는 굽은 횡방향 섹션(curved transverse section; 31)을 포함하고, 상기 캐비티의 길이 방향으로 인접한 디플렉터 부재들 사이의 길이(gl)는 1m보다 작은 시스템(16).
   
5. 제4항에 있어서,
   적어도 세 개의 디플렉터 부재들(deflector members; 24,24'-26,26')이 제공되고, 상기 수평 디플렉터 부재 섹션들(horizontal deflector member sections; 19)은 상기 인터페이스 평면(30)에 평행하는 디플렉터 평면(32) 내에 위치되는 시스템(16).
   
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 디플렉터 평면(32)은 상기 인터페이스 평면(30)으로부터 적어도 3 cm의 거리(hl)에 위치되는 시스템(16).
   
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 캐비티(33)의 후단부(21)에서 후방 캐비티 벽(rear cavity wall; 27)은 후방으로 이동할 때 상기 상벽(19)으로부터 상기 인터페이스 평면(30)으로 경사지고, 적어도 하나의 디플렉터 부재(24)는 상기 경사지는 후방 캐비티 벽(27)보다 아래에 위치되는 시스템(16).
   
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 캐비티의 폭(W)은 40cm 및 2m 사이인 시스템(16).
   
9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   압축기 출구 덕트(compressor outlet duct; 14)에 연결을 위해 상기 상벽 내에 공기 공급 개구(23)를 포함하는 시스템(16).
   
10. 제1항 또는 제2항에 따른 시스템(16) 및 헐(4)을 포함하는 선박(1)에 있어서,
    상기 선박은 편평한 바닥면(6), 상기 선박의 항해를 위한 추진 디바이스(10), 상기 편평한 바닥면(6)의 높이에 있는 인터페이스 평면(30)을 구비하는 선박(1).

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