KR101616418B1 - 프로펠러 캐비테이션 유기 기진력 저감형 선박 - Google Patents

프로펠러 캐비테이션 유기 기진력 저감형 선박 Download PDF

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    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H1/00—Propulsive elements directly acting on water
    • B63H1/02—Propulsive elements directly acting on water of rotary type
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Abstract

프로펠러 캐비테이션 유기 기진력 저감형 선박이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러 캐비테이션 유기 기진력 저감형 선박은, 프로펠러의 회전 시 발생되는 입사파와 상쇄간섭(Destructive Interference) 현상을 일으키기 위한 반사파를 발생시키는 작업기체가 수용되는 다수의 작업기체 주머니와, 다수의 작업기체 주머니를 지지하는 패드 바디를 구비하는 작업기체 수용 멤브레인 패드; 작업기체 수용 멤브레인 패드와 연결되어 작업기체 주머니들로 상기 작업기체를 공급하는 작업기체 공급부; 및 작업기체 주머니들 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 작업기체 주머니 내로 작업기체가 공급되도록 작업기체 공급부의 동작을 컨트롤하는 컨트롤러를 포함한다.

Description

프로펠러 캐비테이션 유기 기진력 저감형 선박{A ship for reducing vibromotive force}
본 발명은, 프로펠러 캐비테이션 유기 기진력 저감형 선박에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 프로펠러의 회전수(RPM) 변화에 따른 가진 주파수(excitation frequency) 대역 변화에 대해 가변제어할 수 있을 뿐만 아니라 진동의 세기 또는 위치 변화에 따른 정밀 제어를 수행할 수 있는 프로펠러 캐비테이션 유기 기진력 저감형 선박에 관한 것이다.
선박의 후미에 마련되는 프로펠러가 수중에서 회전되면 물이 프로펠러의 날개 표면으로 흐르면서 프로펠러 날개 표면의 앞면과 뒷면에 수압 차이를 발생시키고, 그 수압 차이에 의해 추진력이 발생된다. 이와 같이 발생되는 추진력에 의해 선박이 해상에서 운항될 수 있다.
한편, 선박의 운항을 위해 프로펠러가 동작되면, 즉 프로펠러가 수중에서 회전되면 회전체로서의 프로펠러로 인해 수중에 변동압력이 발생되며, 이렇게 발생된 변동압력은 선체로의 기진력을 증가시켜 선체에 진동(소음 포함)을 발생시키는 요인으로 작용한다.
특히, 프로펠러에 의하여 수중에 공동현상(cavitation)이 발생되는 경우에는 기진력이 더더욱 증가되기 때문에 선체의 진동이 심하게 발생된다.
이는 수중에서 압력이 낮은 곳이 생기면 물에 포함되어 있는 기체가 물에서 빠져나와 압력이 낮은 곳에 모이게 됨으로써 수중에 기포가 발생되고, 이렇게 발생된 기포가 압력이 높은 부분에 이르면 급격히 부서짐으로써 수중에 강한 변동압력을 발생시키기 때문이다.
이와 같은 변동압력에 의한 기진력 증가 문제를 해결하기 위하여, 프로펠러 날개 자체의 모양이나 크기를 다르게 설계하거나, 선박 후미의 모양을 개선하거나, 소음과 진동을 차단시키기 위한 별도의 보강재를 덧대거나, 선수에서 흘러들어오는 물의 유동(flow)을 가이드하기 위한 가이드장치를 부착하거나, 프로펠러의 사이즈를 줄이거나 하는 등의 여러 방법을 적용하거나 적용을 시도해 보고 있으나 기진력을 저감시키는 데에 실질적으로 큰 효과를 얻기 어렵다.
이처럼 프로펠러의 동작 시 기진력이 증가되어 선체로 전달되는 소음을 포함한 진동 문제는 예컨대, 크루즈선처럼 유람을 목적으로 하는 선박이나 군함처럼 조용한 운항이 전제되어야 하는 선박인 경우에 있어 시급하게 해결해야 하는 사항이다.
이에, 본 출원인은 프로펠러에 이웃된 선체의 표면에 일정량의 공기방울 형태인 에어 레이어(air layer)를 형성시켜 기진력을 저감시킬 수 있도록 한 많은 기술을 대한민국특허청에 출원한 바 있다.
그런데, 지난번 출원된 기술을 비롯하여 에어 레이어를 사용하려 하는 종래기술들의 대부분은 에어 레이어의 형성을 위해 압축기를 이용하여 지속적으로 공기를 분사해야 하기 때문에 압축기를 비롯한 그 관련 부품의 설치, 그리고 운용에 따른 에너지 소모 등의 부담이 따르는 문제점이 제기되어 왔다.
따라서 압축기를 비롯한 그 관련 부품의 설치, 그리고 운용에 따른 에너지 소모 등의 부담을 근원적으로 방지하면서 프로펠러의 동작 시 기진력이 증가되어 선체에 진동이 발생되는 것을 저지할 수 있도록 하는 방안, 예컨대 작업기체가 일측에 수용되는 작업기체 수용 멤브레인 패드를 선체에 적용하는 방안을 고려해볼 수 있다.
다만, 작업기체 수용 멤브레인 패드를 선체에 적용하고자 할 경우, 작업기체 수용 멤브레인 패드 1개를 통해서는 그에 대응되는 프로펠러의 특정 회전수(RPM)에 대응되는 1개의 주파수 대역만을 컨트롤할 수밖에 없다는 점을 감안할 때, 작업기체 수용 멤브레인 패드 여러 개를 묶음 단위로 사용하여 진동의 세기 또는 위치 변화에 따른 정밀 제어를 수행하기 위한 기술 개발이 시급한 실정이다.
선행기술_1 ; 일본공개특허공보 특개평8-188192 선행기술_2 ; 일본공개특허공보 특개2009-274705
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 압축기를 비롯한 그 관련 부품의 설치, 그리고 운용에 따른 에너지 소모 등의 부담을 근원적으로 방지하면서도 프로펠러의 동작 시 기진력이 증가되어 선체에 진동이 발생되는 것을 저지할 수 있음은 물론 특히, 프로펠러의 회전수(RPM) 변화에 따른 가진 주파수 대역 변화에 대해 가변제어할 수 있을 뿐만 아니라 진동의 세기 또는 위치 변화에 따른 정밀 제어를 수행할 수 있는 프로펠러 캐비테이션 유기 기진력 저감형 선박을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 프로펠러의 회전 시 발생되는 입사파와 상쇄간섭(Destructive Interference) 현상을 일으키기 위한 반사파를 발생시키는 작업기체가 수용되는 다수의 작업기체 주머니와, 상기 다수의 작업기체 주머니를 지지하는 패드 바디를 구비하는 작업기체 수용 멤브레인 패드; 상기 작업기체 수용 멤브레인 패드와 연결되어 상기 작업기체 주머니들로 상기 작업기체를 공급하는 작업기체 공급부; 및 상기 작업기체 주머니들 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 작업기체 주머니 내로 상기 작업기체가 공급되도록 상기 작업기체 공급부의 동작을 컨트롤하는 컨트롤러를 포함하는 프로펠러 캐비테이션 유기 기진력 저감형 선박이 제공될 수 있다.
상기 프로펠러의 회전수를 감지하는 프로펠러 회전수 감지기를 더 포함할 수 있으며, 상기 컨트롤러는 상기 프로펠러 회전수 감지기로부터의 정보에 기초하여 상기 작업기체 공급부의 동작을 컨트롤할 수 있다.
상기 작업기체 공급부는, 상기 작업기체가 저장되는 작업기체 리시버(receiver); 상기 작업기체 리시버에 연결되어 상기 작업기체를 전달하는 작업기체 메인라인; 상기 작업기체 메인라인 상에 마련되며, 상기 작업기체 메인라인 상에서의 상기 작업기체의 흐름을 선택적으로 단속하는 제1 밸브(valve); 상기 작업기체 메인라인과 상기 작업기체 수용 멤브레인 패드의 작업기체 주머니들을 각각 개별적으로 연결하는 다수의 작업기체 개별 연결라인; 및 상기 작업기체 개별 연결라인들 상에 각각 마련되며, 상기 작업기체 개별 연결라인들 상에서의 상기 작업기체의 흐름을 선택적으로 단속하는 다수의 제2 밸브를 포함할 수 있다.
상기 작업기체 공급부는, 상기 작업기체 메인라인 상에 마련되며, 상기 작업기체 리시버를 통해 공급되는 작업기체에 대하여 정압을 유지시키는 정압기(regulator); 상기 정압기와 상기 제1 밸브 사이의 상기 작업기체 메인라인 상에 마련되어 상기 작업기체의 역류를 방지하는 체크 밸브; 상기 작업기체 메인라인에 대하여 분기되는 작업기체 분기라인에 마련되며, 상기 작업기체 분기라인 상에서의 상기 작업기체의 흐름을 선택적으로 단속하는 제3 밸브; 및 상기 제1 밸브와 상기 작업기체 수용 멤브레인 패드 사이의 상기 작업기체 메인라인 상에 마련되어 상기 작업기체 수용 멤브레인 패드로 공급되는 작업기체의 압력을 측정하는 압력 게이지를 더 포함할 수 있다.
상기 작업기체 수용 멤브레인 패드의 외표면에는 파울링 방지용 페인트가 도포될 수 있다.
상기 작업기체 수용 멤브레인 패드는 상기 프로펠러를 기준으로 하여 선수 방향으로 상기 프로펠러의 0.5직경(D)과, 선미 방향으로 상기 프로펠러의 0.5직경(D) 사이에 배치될 수 있으며, 상기 작업기체 수용 멤브레인 패드는 상기 프로펠러의 회전축심을 기준으로 하여 우현 방향으로 상기 프로펠러의 1직경(D)과, 좌현 방향으로 상기 프로펠러의 1직경(D) 사이에 배치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 압축기를 비롯한 그 관련 부품의 설치, 그리고 운용에 따른 에너지 소모 등의 부담을 근원적으로 방지하면서도 프로펠러의 동작 시 기진력이 증가되어 선체에 진동이 발생되는 것을 저지할 수 있음은 물론 특히, 프로펠러의 회전수(RPM) 변화에 따른 가진 주파수 대역 변화에 대해 가변제어할 수 있을 뿐만 아니라 진동의 세기 또는 위치 변화에 따른 정밀 제어를 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러 캐비테이션 유기 기진력 저감형 선박의 프로펠러 영역의 구조도이다.
도 2는 도 1의 A 영역의 확대도이다.
도 3은 도 2의 작업기체 수용 멤브레인 패드에 대한 평면 구조도이다.
도 4는 물, 고무 및 공기의 임피던스를 측정한 도표이다.
도 5는 입사파와 반사파의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 [수학식 1]을 설명하기 위한 작업기체 수용 멤브레인 패드의 도면이다.
도 7은 작업기체 수용 멤브레인 패드를 프로펠러 직상방 우현 영역에 설치한 상태의 도면으로서, 다수의 변동압력 측정지점을 나타내는 도면이다.
도 8은 프로펠러의 주파수를 기준으로 한 작업기체 수용 멤브레인 패드의 효율을 그래프로 나타낸 도면이다.
도 9는 도 7에 대응되는 작업기체 수용 멤브레인 패드에 대한 150Hz 대역의 결과를 요약하여 도시한 그래프이다.
도 10은 작업기체 공급부의 개략적인 구성도이다.
도 11은 작업기체 공급부의 제어블록도이다.
도 12는 작업기체 공급부의 작업기체의 부피 변화에 따른 진동(Vibration at transom) 계측 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러 캐비테이션 유기 기진력 저감형 선박의 프로펠러 영역의 구조도, 도 2는 도 1의 A 영역의 확대도, 그리고 도 3은 도 2의 작업기체 수용 멤브레인 패드에 대한 평면 구조도이다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 프로펠러 캐비테이션 유기 기진력 저감형 선박은 압축기를 비롯한 그 관련 부품의 설치, 그리고 운용에 따른 에너지 소모 등의 부담을 근원적으로 방지하면서도 프로펠러(120)의 동작 시 기진력이 증가되어 선체(110)에 진동이 발생되는 것을 저지할 수 있다.
특히, 본 실시예에 따른 프로펠러 캐비테이션 유기 기진력 저감형 선박은 프로펠러(120)의 회전수(RPM) 변화에 따른 가진 주파수(excitation frequency) 대역 변화에 대해 가변제어할 수 있을 뿐만 아니라 진동의 세기 또는 위치 변화에 따른 정밀 제어를 수행할 수 있도록 한 것으로서, 선체(110), 선체(110)에 결합되되 다수의 작업기체 주머니(132)를 구비하는 작업기체 수용 멤브레인 패드(130), 그리고 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)와 연결되어 작업기체 주머니(132)들로 작업기체를 공급하는 작업기체 공급부(150)와, 작업기체 공급부(150)의 동작을 컨트롤하는 컨트롤러(170)를 포함한다.
본 실시예의 경우, 작업기체 공급부(150)를 이용하여 작업기체 수용 멤브레인 패드(130) 상의 다수의 작업기체 주머니(132)들 중 선택된 적어도 어느 하나를 사용할 수 있기 때문에, 프로펠러(120)의 회전수 변화에 따른 가진 주파수 대역 변화에 대해 가변제어할 수 있다. 즉 선박의 운항 시 프로펠러(120)의 회전수가 변화되더라도 변화된 프로펠러(120)의 회전수에 대응되는 주파수 대역 모두에 대하여 진동 저감의 효과를 제공할 수 있다. 쉽게 표현하여 프로펠러(120)의 회전수가 변화되더라도 선체(110)의 진동을 저감시킬 수 있다.
이하, 본 실시예의 구성을 살펴본다. 우선, 선체(110)의 후미에는 선체(110)의 추진을 위한 프로펠러(120)가 마련된다. 프로펠러(120)에는 프로펠러 회전수 감지기(180, 도 11 참조)가 연결되어 프로펠러(120)의 회전수(RPM)를 감지한다.
그리고 프로펠러(120)의 주변에는 선박의 진행 방향을 조정하는 러더(125, rudder)가 마련된다. 러더(125)는 일반 러더일 수도 있고, 아니면 벌브 러더(bulb rudder)일 수도 있다.
참고로, 본 실시예에서 적용되는 선박은 상선, 군함, 어선, 운반선, 드릴쉽, 크루즈선 및 특수 작업선 등을 비롯하여 부유식 해상 구조물 등을 모두 포함할 수 있다. 따라서 특정 선박에 본 실시예의 권리범위가 제한될 수 없다.
한편, 앞서도 기술한 것처럼 프로펠러(120)가 동작되면, 즉 프로펠러(120)가 수중에서 회전되면 회전체로서의 프로펠러(120)로 인해 수중에 변동압력이 발생되며, 이렇게 발생된 변동압력은 선체(110)로의 기진력을 증가시켜 선체에 진동(소음 포함)을 발생시키는 요인으로 작용한다.
이처럼 선체(110)에 전달되는 진동은 예컨대, 크루즈선처럼 유람을 목적으로 하는 선박이나 군함처럼 조용한 운항이 전제되어야 하는 선박인 경우에는 큰 문제가 될 수 있기 때문에 이러한 현상을 예방시켜야 한다.
다시 말해, 프로펠러(120)의 동작 시 수중에 발생된 변동압력으로 인해 기진력이 증가되어 선체(110)에 진동이 발생되는 것을 저지시켜야 하는데, 이를 위해 본 실시예에서는 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)를 적용하고 있다.
자세히 후술하겠지만 본 실시예의 선박에 적용되는 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)는 기존의 공기방울 형태인 에어 레이어(air layer)를 형성시키던 구조들과는 전혀 다른 형태를 갖는다.
즉 본 실시예에서 적용되는 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)는 공기(air)를 가둬둔 형태의 구조물에 불과하기 때문에, 기존에 사용되어야만 했던 압축기를 비롯한 그 관련 부품을 설치하거나 운용할 필요가 없다.
따라서 압축기를 비롯한 그 관련 부품의 설치, 그리고 운용에 따른 에너지 소모 등의 부담을 근원적으로 방지할 수 있다.
이러한 역할을 담당하는 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)는 도 1에 도시된 것처럼 프로펠러(120)에 인접된 선체(110)에 결합되며, 프로펠러(120)의 회전 시 발생되어 선체(110)로 향하는 입사파를 상쇄시키기 위해 반사파를 발생시키되 일측에 작업기체가 수용되는 형태를 갖는다.
특히, 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)는 프로펠러(120)의 상부 측의 선체(110) 벽면에 결합될 수 있다. 실시예로서, 도면에는 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)가 프로펠러(120)의 직상방에 부착된 것을 도시하였다.
구체적으로 살펴보면, 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)는 도 2에 도시된 바와 같이, 선체(110)에 착탈 가능하게 결합되는 패드 바디(131)와, 패드 바디(131)의 일측에 형성되어 작업기체가 밀폐되어 수용되는 다수의 작업기체 주머니(132)를 포함한다.
특히, 본 실시예의 경우, 프로펠러(120)의 회전 시 발생되는 입사파와 상쇄간섭(Destructive Interference) 현상을 일으키기 위한 반사파를 발생시키는 작업기체가 수용되는 작업기체 주머니(132) 다수 개가 패드 바디(131)에 마련된다.
본 실시예에서 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)는 프로펠러(120)를 기준으로 하여 선수 방향으로 프로펠러(120)의 0.5직경(D)과, 선미 방향으로 프로펠러(120)의 0.5직경(D) 사이에 배치될 수 있다. 다시 말해, 프로펠러(120)의 직경이 50cm인 경우, 프로펠러(120)를 기준으로 하여 선수와 선미 방향으로 25cm 지점 사이에 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)가 배치될 수 있다.
또한 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)는 프로펠러(120)의 회전축심을 기준으로 하여 우현 방향으로 프로펠러(120)의 1직경(D)과, 좌현 방향으로 프로펠러(120)의 1직경(D) 사이에 배치될 수 있다. 다시 말해, 프로펠러(120)의 직경이 50cm인 경우, 프로펠러(120)의 회전축심을 기준으로 하여 우현과 좌현 방향으로 50cm 지점 사이에 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)가 배치될 수 있다.
이와 같은 위치에서 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)는 선체(110) 벽면에 결합되어 선체(110)에 진동이 발생되는 것을 저지시키는 역할을 수행할 수 있다.
본 실시예에서 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)의 재질은 고무(rubber)일 수 있으며, 작업기체는 공기(air)일 수 있다.
하지만, 본 실시예의 권리범위가 이에 제한되지 않는다. 즉 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)의 재질이 고무와 유사한 재질이면 그것으로 충분하며, 작업기체 역시, 액체만 아니라면 다양한 기체로 변경 적용할 수 있다.
한편, 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)를 형성하는 패드 바디(131)는 고무 재질로 된 평평한 구조물로서, 선체(110)에 착탈 가능하게 결합되는 부분으로 활용된다.
패드 바디(131)는 여러 다양한 구조와 방식을 통해 선체(110)에 결합될 수 있다. 예컨대, 패드 바디(131)는 볼트와 너트의 결합 방식, 끼움 결합 방식, 인서트 금속 플레이트를 내재시켜 용접하는 용접 결합 방식 등 다양한 방식으로 선체(110)에 결합될 수 있다. 따라서 패드 바디(131)의 결합 방식에 본 실시예의 권리범위가 제한될 수 없다.
그리고 본 실시예의 경우, 패드 바디(131)가 사각 형상으로 되어 있으나 패드 바디(131)의 형상은 사각 형상을 비롯하여 원 형상, 삼각형 형상 등 다양할 수 있다. 따라서 패드 바디(131)의 형상에 본 실시예의 권리범위가 제한될 수 없다.
작업기체 주머니(132)들은 패드 바디(131)의 일측에 형성되며, 패드 바디(131)의 일측으로 부풀어 오른 형상을 갖는다.
본 실시예에서 작업기체 주머니(132)는 원형의 형상을 갖지만 작업기체 주머니(132)의 형상 역시, 삼각 형상, 사각 형상 등 다양한 다각 형상이 될 수 있으므로 도면의 형상에 본 실시예의 권리범위가 제한될 수 없다.
앞서 기술한 것처럼 작업기체 주머니(132) 내에는 작업기체로서 공기(air)가 충전된다.
작업기체 주머니(132) 내에 충전되는 작업기체는 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)의 제조 시 일체로 들어 있게 형성된 것으로서, 작업기체 주머니(132)가 절개되지 않는 한 작업기체 주머니(132) 내에서 누설되지 않는다.
앞서 기술한 것처럼 작업기체 주머니(132)들은 하나의 패드 바디(131) 상에 다수 개 마련될 수 있는데, 작업기체 공급부(150)의 작용에 의해 작업기체 주머니(132)들 모두에 작업기체가 충전되어 사용될 수도 있고, 아니면 선택된 몇몇 혹은 하나에 작업기체가 충전되어 사용될 수 있다. 이로써, 프로펠러(120)의 회전수(RPM) 변화에 따른 가진 주파수(excitation frequency) 대역 변화에 대해 가변제어할 수 있을 뿐만 아니라 진동의 세기 또는 위치 변화에 따른 정밀 제어를 수행할 수 있게 되는 것이다.
이하, 작업기체가 밀폐되어 수용되는 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)로 인해 기진력이 저감되는 원리에 대해 도 4 내지 도 9를 참조하여 자세히 설명하도록 한다.
도 4는 물, 고무 및 공기의 임피던스를 측정한 도표, 도 5는 입사파와 반사파의 원리를 설명하기 위한 도면, 도 6은 [수학식 1]을 설명하기 위한 작업기체 수용 멤브레인 패드의 도면, 도 7은 작업기체 수용 멤브레인 패드를 프로펠러 직상방 우현 영역에 설치한 상태로서, 다수의 변동압력 측정지점을 나타내는 도면, 도 8은 프로펠러의 주파수를 기준으로 한 작업기체 수용 멤브레인 패드의 효율을 그래프로 나타낸 도면, 그리고 도 9는 도 7에 대응되는 작업기체 수용 멤브레인 패드에 대한 150Hz 대역의 결과를 요약하여 도시한 그래프이다.
이들 도면을 참조하되 먼저, 도 4를 참조하면, 본 실시예의 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)의 재질인 고무(rubber)의 음향 임피던스(Acoustic impedance, 음향학적인 저항을 의미함)가 해수(water)와는 대략적으로 유사한데 반해, 공기(air)보다는 무한히 큰 것을 알 수 있다.
통상적으로 특정 매질 내에서 음파가 진행하면서 임피던스가 다른 매질을 만나게 되면 투과 현상과 반사 현상이 발생하는데, 해수와 고무의 임피던스가 유사하므로 해수와 고무의 경계면에서는 반사 없이 투과 현상만이 발생된다.
예컨대, 도 5에 도시된 것처럼 프로펠러(120)의 동작 시 발생하는 입사파는 그대로 작업기체 주머니(132)의 벽면인 고무층을 통과한 후, 작업기체 주머니(132) 내에 충전된 작업기체, 즉 공기에 의해 입사파 대비 반대 위상으로 반사되어 즉 반사파로 형성되어 나오게 된다. 이 반사파가 입사파와 상쇄간섭(Destructive Interference) 현상을 일으키게 됨으로써 프로펠러(120)의 동작 시 발생하는 입사파가 상쇄된다. 이와 같은 현상에 의해 기진력이 저감되어 선체(110) 진동 발생을 감소시킬 수 있다.
이에 대해 다시 부연 설명한다. 프로펠러(120) 동작 시 캐비테이션에 의해 발생되는 구면 압력파, 즉 입사파는 전방위로 전파될 수 있다.
이때, 본 실시예처럼 프로펠러(120) 주변의 선체(110) 표면에 공기가 충전된 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)를 설치할 경우, 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)의 작업기체 주머니(132)로 입사하는 입사파는 그대로 작업기체 주머니(132)의 벽면인 고무층을 통과하지만 작업기체 주머니(132) 내에 충전된 작업기체, 즉 공기에 의해 입사파 대비 반대 위상으로 반사되어 즉 반사파로 형성되어 나온다.
이처럼 입사파가 공기에 부딪혀 반대 위상으로 반사되어 나오는 반사파로 형성되면 이 반사파가 작업기체 수용 멤브레인 패드(130) 쪽으로 입사되는 입사파와 만나서 입사파와 상쇄간섭(Destructive Interference) 현상을 일으키게 된다.
결국, 이러한 작용으로 인해 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)의 외측에서 선체(110)로 전달되는 변동압력이 감소하게 되며, 이처럼 변동압력이 감소하게 되면 기진력이 저감되는 형태가 되기 때문에 자연스럽게 선체(110)에서 발생하는 진동이 줄어들게 되는 것이다.
한편, 이와 같은 저감 성능은 아래의 [수학식1]처럼 프로펠러(120)의 특정 주파수 대역에만 제한된다. 다시 말해, 프로펠러(120)의 특정 회전수(RPM)에 대응되는 특정 주파수 대역에만 제한된다.
[수학식 1]
Figure 112014058856393-pat00001
여기서, f는 프로펠러의 저감 주파수 대역, ca(=340m/s)와 cw(=1500m/s)는 각각 공기 및 해수음속 ρa(=1.02 kg/m3),ρw(=1024kg/m3)는 공기 및 해수의 밀도를 의미하며, a와 b는 도 9처럼 작업기체 수용 멤브레인 패드(130a~130c)를 등가화된 구로 간주할 때 내경, 외경을 의미한다.
이와 같은 사항들의 검증을 위하여 모형시험을 수행하였다. 즉 도 7에 도시된 바와 같이, STBD 영역 쪽의 선체(110)의 벽면에 150Hz 주파수 대역에서 저감효과가 있는 작업기체 수용 멤브레인 패드(130) 1개를 설계(또는 부착)하였으며, 이후, P1, P2, P3, P4 위치에서 변동압력을 계측하였고, 뿐만 아니라 선체(110)의 선미부의 위쪽을 지지하는 강판인 트랜섬(transom) 영역에서 진동을 계측하였다.
도 8에 나타낸 계측결과를 보면 수평축(x축)은 프로펠러(120)의 회전수(RPM)에 대응되는 주파수를 의미하며, 수직축(y축)은 작업기체 수용 멤브레인 패드(130) 부착 전 대비 부착 후의 증감량을 나타내고 있는데, 공진 영역인 135Hz 근방에서는 작업기체 수용 멤브레인 패드(130) 설치 전 대비 설치 후 변동압력 및 진동이 증가하지만 설계주파수인 150Hz 대역 근방에서 현저한 감소효과가 나타나는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 150Hz 대역의 결과를 요약하여 도시하고 있는데, 도 9를 참조하면 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)의 외측에 위치된 P2, P3, P4 위치에서의 변동압력이 평균 70% 가량 감소되며, 결과적으로 진동수준 역시, 70% 이상 현저히 감소되었음을 확인할 수 있다.
한편, 앞서 기술한 [수학식 1]과 도 6을 다시 참조하면, 프로펠러(120)의 저감 주파수 대역 f는 공기부피(반지름, a)와 반비례하는 것을 알 수 있으며, 또한 작업기체 수용 멤브레인 패드(130) 1개당 1개의 주파수 대역에만 적용 가능함을 알 수 있다.
하지만, 실제 선박을 운행하다 보면 컨트롤해야 하는 주파수 대역이 2개 이상일 경우가 많다.
선박을 운항함에 있어 프로펠러(120)의 회전수(RPM)는 계속적으로 변화될 수밖에 없기 때문에 주파수 대역이 1개가 아니라 N개(N은 자연수)의 주파수 대역을 컨트롤해야 할 필요성이 높다.
이 경우, 작업기체 수용 멤브레인 패드(130) 1개만을 통해서는 1개의 특정 주파수 대역만을 컨트롤할 수밖에 없기 때문에, N개의 주파수 대역을 컨트롤하려면 본 실시예의 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)가 요구된다. 즉 하나의 패드 바디(131) 상에 다수의 작업기체 주머니(132)가 마련된 본 실시예의 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)가 요구된다.
다만, 앞서 기술한 것처럼 작업기체 주머니(132)들 모두에 작업기체가 충전되어 사용될 수도 있고, 아니면 선택된 몇몇 혹은 하나에 작업기체가 충전되어 사용될 수 있기 때문에 이에 대한 제어가 필요한데, 이를 위해 작업기체 공급부(150)와, 컨트롤러(170)가 사용된다.
본 실시예처럼 컨트롤러(170)에 의해 컨트롤되는 작업기체 공급부(150)를 적용할 경우, 프로펠러(120)의 회전수 변화에 따른 가진 주파수 대역 변화에 대해 가변제어할 수 있다. 따라서 프로펠러(120)가 어떠한 회전수로 회전되더라도 선체(110)에 형성되는 진동을 저감시킬 수 있다.
작업기체 공급부(150)의 구조와 작용에 대해 도 10 내지 도 12를 참조하여 설명한다.
도 10은 작업기체 공급부의 개략적인 구성도, 도 11은 작업기체 공급부의 제어블록도, 그리고 도 12는 작업기체 공급부의 작업기체의 부피 변화에 따른 진동(Vibration at transom) 계측 결과를 나타낸 그래프이다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시예의 선박에 적용되는 작업기체 공급부(150)는 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)와 연결되어 작업기체 주머니(132)들로 작업기체를 공급하는 역할을 한다.
이러한 작업기체 공급부(150)는 작업기체 리시버(151, receiver), 정압기(152, regulator), 체크 밸브(153), 제1 내지 제3 밸브(154,161,155, valve), 압력 게이지(158)를 포함한다.
작업기체 리시버(151, receiver)는 작업기체가 저장되고, 컨트롤러(170)의 컨트롤에 의해 저장된 작업기체를 공급하는 역할을 한다. 작업기체 리시버(151)는 도시하지 않은 컴프레서와 연결될 수 있다.
이러한 작업기체 리시버(151)와 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)의 작업기체 주머니(132)는 작업기체 메인라인(156)에 연결된다.
작업기체 메인라인(156)의 일측에는 작업기체 메인라인(156)에 교차되는 작업기체 분기라인(157)이 연결된다.
그리고 작업기체 메인라인(156)의 타측에는 다수의 작업기체 개별 연결라인(162)이 마련된다. 다수의 작업기체 개별 연결라인(162)은 작업기체 메인라인(156)과 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)의 작업기체 주머니들(132)을 각각 개별적으로 연결하는 라인이다.
정압기(152, regulator)는 작업기체 메인라인(156) 상에 마련되며, 작업기체 리시버(151)를 통해 공급되는 작업기체에 대하여 정압을 유지시키는 역할을 한다.
체크 밸브(153)는 정압기(152)와 제1 밸브(154) 사이의 작업기체 메인라인(156) 상에 마련되어 작업기체의 역류를 방지하는 역할을 한다.
제1 밸브(154)는 작업기체 메인라인(156) 상에 마련되며, 작업기체 메인라인(156) 상에서의 작업기체의 흐름을 선택적으로 단속하는 역할을 한다.
제2 밸브(161)는 작업기체 개별 연결라인(162)들 상에 각각 마련되며, 작업기체 개별 연결라인(162)들 상에서의 작업기체의 흐름을 선택적으로 단속하는 역할을 한다.
제3 밸브(155)는 작업기체 메인라인(156)에 대하여 분기되는 작업기체 분기라인(157)에 마련되며, 작업기체 분기라인(157) 상에서의 작업기체의 흐름을 선택적으로 단속하는 역할을 한다.
압력 게이지(158)는 제1 밸브(154)와 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)의 작업기체 주머니(132) 사이의 작업기체 메인라인(156) 상에 마련되어 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)의 작업기체 주머니(132)로 공급되는 작업기체의 압력을 측정하는 역할을 한다.
프로펠러 회전수 감지기(180)는 프로펠러(120)의 회전수(RPM)를 감지하는 역할을 한다. 프로펠러 회전수 감지기(180)는 무선 또는 유선일 수 있다.
마지막으로, 컨트롤러(170)는 프로펠러 회전수 감지기(180)의 정보에 기초하여 작업기체 공급부(150)의 동작을 컨트롤한다.
도 12의 그래프를 참조하면, 진동 저감의 효과가 나타나는 주파수가 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)의 작업기체 주머니(132)들이 합쳐져 사용됨에 따른 작업기체의 부피 증가에 따라 170Hz, 155Hz, 145Hz 대역으로 이동하고 있는 것을 알 수 있다. 다시 말해, 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)의 작업기체 주머니(132)가 여러 개 사용될수록 저감 성능이 나타나는 주파수가 저 주파수 대역(또는 그에 대응되는 프로펠러(120)의 회전수)으로 이동하는 것을 볼 수 있다.
따라서 본 실시예의 경우, 컨트롤러(170)가 프로펠러 회전수 감지기(180)의 정보에 기초하여 작업기체 주머니(132)들 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 작업기체 주머니(132) 내로 작업기체가 공급되도록 작업기체 공급부(150)의 동작을 컨트롤하고 있는 것이다.
이러한 역할을 수행하는 컨트롤러(170)는, 도 11에 도시된 바와 같이, 중앙처리장치(171, CPU), 메모리(172, MEMORY), 서포트 회로(173, SUPPORT CIRCUIT)를 포함할 수 있다.
중앙처리장치(171)는 본 실시예의 선박에서 프로펠러 회전수 감지기(180)의 정보에 기초하여 작업기체 주머니(132)들 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 작업기체 주머니(132) 내로 작업기체가 공급되도록 작업기체 공급부(150)의 동작을 컨트롤하기 위해서 산업적으로 적용될 수 있는 다양한 컴퓨터 프로세서들 중 하나일 수 있다.
메모리(172, MEMORY)는 중앙처리장치(171)와 연결된다. 메모리(172)는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로서 로컬 또는 원격지에 설치될 수 있으며, 예를 들면 랜덤 액세스 메모리(RAM), ROM, 플로피 디스크, 하드 디스크 또는 임의의 디지털 저장 형태와 같이 쉽게 이용가능한 적어도 하나 이상의 메모리이다.
서포트 회로(173, SUPPORT CIRCUIT)는 중앙처리장치(171)와 결합되어 프로세서의 전형적인 동작을 지원한다. 이러한 서포트 회로(173)는 캐시, 파워 서플라이, 클록 회로, 입/출력 회로, 서브시스템 등을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 선박에서 컨트롤러(170)는 프로펠러 회전수 감지기(180)의 정보에 기초하여 작업기체 주머니(132)들 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 작업기체 주머니(132) 내로 작업기체가 공급되도록 작업기체 공급부(150)의 동작을 컨트롤한다. 이때, 컨트롤러(170)가 프로펠러 회전수 감지기(180)의 정보에 기초하여 작업기체 주머니(132)들 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 작업기체 주머니(132) 내로 작업기체가 공급되도록 작업기체 공급부(150)의 동작을 컨트롤하는 일련의 프로세스 등은 메모리(172)에 저장될 수 있다. 전형적으로는 소프트웨어 루틴이 메모리(172)에 저장될 수 있다. 소프트웨어 루틴은 또한 다른 중앙처리장치(미도시)에 의해서 저장되거나 실행될 수 있다.
본 발명에 따른 프로세스는 소프트웨어 루틴에 의해 실행되는 것으로 설명하였지만, 본 발명의 프로세스들 중 적어도 일부는 하드웨어에 의해 수행되는 것도 가능하다. 이처럼, 본 발명의 프로세스들은 컴퓨터 시스템 상에서 수행되는 소프트웨어로 구현되거나 또는 집적 회로와 같은 하드웨어로 구현되거나 또는 소프트웨어와 하드웨어의 조합에 의해서 구현될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시예의에 따르면, 압축기를 비롯한 그 관련 부품의 설치, 그리고 운용에 따른 에너지 소모 등의 부담을 근원적으로 방지하면서도 프로펠러(120)의 동작 시 기진력이 증가되어 선체(110)에 진동이 발생되는 것을 저지할 수 있음은 물론 특히, 프로펠러(120)의 회전수(RPM) 변화에 따른 가진 주파수 대역 변화에 대해 가변제어할 수 있게 된다.
한편, 전술한 실시예들에서는 그 설명을 생략하였는데, 장시간 선박 운항 시 작업기체 수용 멤브레인 패드(130)에 이물질 등의 파울링(Fouling)이 부착되는 것을 방지하기 위해 작업기체 수용 멤브레인 패드(130,230)에 파울링 방지용 페인트(또는 어노드(Anode) 포함)가 도포될 수 있다.
이와 같이 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 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
110 : 선체 120 : 프로펠러
125 : 러더 130 : 작업기체 수용 멤브레인 패드
131 : 패드 바디 132 : 작업기체 주머니
150 : 작업기체 공급부 151 : 작업기체 리시버
152 : 정압기 153 : 체크 밸브
154 : 제1 밸브 155 : 제3 밸브
156 : 작업기체 메인라인 157 : 작업기체 분기라인
158 : 압력 게이지 161 : 제2 밸브
162 : 작업기체 개별 연결라인 170 : 컨트롤러
180 : 프로펠러 회전수 감지기

Claims (6)

  1. 프로펠러의 회전 시 발생되는 입사파와 상쇄간섭(Destructive Interference) 현상을 일으키기 위한 반사파를 발생시키는 작업기체가 수용되는 다수의 작업기체 주머니와, 상기 다수의 작업기체 주머니를 지지하는 패드 바디를 구비하는 작업기체 수용 멤브레인 패드;
    상기 작업기체 수용 멤브레인 패드와 연결되어 상기 작업기체 주머니들로 상기 작업기체를 공급하는 작업기체 공급부; 및
    상기 작업기체 주머니들 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 작업기체 주머니 내로 상기 작업기체가 공급되도록 상기 작업기체 공급부의 동작을 컨트롤하는 컨트롤러를 포함하며,
    상기 작업기체 공급부는,
    상기 작업기체가 저장되는 작업기체 리시버(receiver);
    상기 작업기체 리시버에 연결되어 상기 작업기체를 전달하는 작업기체 메인라인;
    상기 작업기체 메인라인 상에 마련되며, 상기 작업기체 메인라인 상에서의 상기 작업기체의 흐름을 선택적으로 단속하는 제1 밸브(valve);
    상기 작업기체 메인라인과 상기 작업기체 수용 멤브레인 패드의 작업기체 주머니들을 각각 개별적으로 연결하는 다수의 작업기체 개별 연결라인;
    상기 작업기체 개별 연결라인들 상에 각각 마련되며, 상기 작업기체 개별 연결라인들 상에서의 상기 작업기체의 흐름을 선택적으로 단속하는 다수의 제2 밸브;
    상기 작업기체 메인라인 상에 마련되며, 상기 작업기체 리시버를 통해 공급되는 작업기체에 대하여 정압을 유지시키는 정압기(regulator);
    상기 정압기와 상기 제1 밸브 사이의 상기 작업기체 메인라인 상에 마련되어 상기 작업기체의 역류를 방지하는 체크 밸브;
    상기 작업기체 메인라인에 대하여 분기되는 작업기체 분기라인에 마련되며, 상기 작업기체 분기라인 상에서의 상기 작업기체의 흐름을 선택적으로 단속하는 제3 밸브; 및
    상기 제1 밸브와 상기 작업기체 수용 멤브레인 패드 사이의 상기 작업기체 메인라인 상에 마련되어 상기 작업기체 수용 멤브레인 패드로 공급되는 작업기체의 압력을 측정하는 압력 게이지를 포함하는 프로펠러 캐비테이션 유기 기진력 저감형 선박.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프로펠러의 회전수를 감지하는 프로펠러 회전수 감지기를 더 포함하며,
    상기 컨트롤러는 상기 프로펠러 회전수 감지기로부터의 정보에 기초하여 상기 작업기체 공급부의 동작을 컨트롤하는 프로펠러 캐비테이션 유기 기진력 저감형 선박.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 작업기체 수용 멤브레인 패드의 외표면에는 파울링 방지용 페인트가 도포되는 프로펠러 캐비테이션 유기 기진력 저감형 선박.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 작업기체 수용 멤브레인 패드는 상기 프로펠러를 기준으로 하여 선수 방향으로 상기 프로펠러의 0.5직경(D)과, 선미 방향으로 상기 프로펠러의 0.5직경(D) 사이에 배치되며,
    상기 작업기체 수용 멤브레인 패드는 상기 프로펠러의 회전축심을 기준으로 하여 우현 방향으로 상기 프로펠러의 1직경(D)과, 좌현 방향으로 상기 프로펠러의 1직경(D) 사이에 배치되는 프로펠러 캐비테이션 유기 기진력 저감형 선박.
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