KR101703105B1 - 캐비테이션 실선성능 예측 향상을 위한 공기분사홀 모사 모형 프로펠러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실선의 프로펠러에 형성된 공기분사홀을 모사하여 캐비테이션 발생을 촉진시킴으로써 캐비테이션 실험시 실선과 동일한 조건을 제공할 수 있는 캐비테이션 실선성능 예측 향상을 위한 공기분사홀 모사 모형 프로펠러에 관한 것으로, 실선의 프로펠러와 동일한 형태로 제작되어 시험체의 회전축에 부착된 상태로 회전하는 프로펠러 본체; 및 상기 프로펠러 본체를 구성하는 각각의 날개의 앞날 테두리를 따라 형성되어 실선의 프로펠러에 형성된 공기분사홀을 모사하며, 상기 앞날 표면의 거칠기를 증가시키면서 상기 날개의 앞날 부근에 형성되는 압력차로 인한 유체이동을 발생시켜 캐비테이션 발생을 촉진시키는 거칠기 제공부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

캐비테이션 실선성능 예측 향상을 위한 공기분사홀 모사 모형 프로펠러{AIR-HOLE SIMULATION MODEL PROPELLER FOR GOOD PREDICTION OF FULL-SCALE CAVITATION PERFORMANCE}

본 발명은 모형 프로펠러에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실선의 프로펠러에 형성된 공기분사홀을 모사하여 캐비테이션 발생을 촉진시킴으로써 캐비테이션 실험시 실선과 동일한 조건을 제공할 수 있는 캐비테이션 실선성능 예측 향상을 위한 공기분사홀 모사 모형 프로펠러에 관한 것이다.

통상적으로, 프로펠러 캐비테이션이 발생하면 발생하지 않은 경우보다 진동 및 소음이 증가되는데, 진동 소음을 최소화하려면 캐비테이션이 발생하지 않는 선속에서 운항하는 것이 가장 좋은 방법이다.

한편, 프로펠러 캐비테이션은 발생을 완전하게 억제하기 어렵지만, 폭발적인 소멸만 피할 수 있으면, 큰 문제는 발생하지 않는다.

그런데, 캐비테이션이 폭발적으로 소멸되는 경우에는 진동 및 소음이 크게 증가하며, 프로펠러 표면 침식도 유발할 수 있다.

이의 대안으로서 캐비테이션에 의한 문제가 발생할 수 있는 선속에서 공기를 분사하게 되면 안정적인 캐비테이션이 발생하면서 폭발적 소멸을 억제하여 진동 및 소음을 감소시킬 수 있다.

이에 따라, 실선의 프로펠러는 캐비테이션 발생에 의한 소음의 제어를 위하여 도 1에 도시된 바와 같이 앞날(Leading Edge) 근처에 공기를 분사할 수 있는 공기분사구(1)를 일정한 간격으로 형성하여 공기를 분사한다.

이러한 공기분사구(1)는 통상 'prairie hole'이라 불리는 것으로, 크기는 대략 1~2mm이고 공기분사구 사이 간격은 약 30㎜ 내외이다.

구체적으로, 공기분사구(1)는 도 2에 도시된 바와 같이 프로펠러 앞날 부근 날개 내부에 가공된 공기 배출 통로(2)를 따라서 날개 앞뒷면에 가공되며, 미도시된 에어펌프에서 공기 배출 통로(2)로 공급되는 공기를 분사하여 캐비테이션을 안정적으로 발생시킨다.

상기와 같은 공기분사는 캐비테이션이 발생하여 진동과 소음이 급격히 증가하는 고속영역에서 효과적으로 사용할 수 있다. 그리고 캐비테이션이 발생하지 않는 저속영역이나, 적게 발생하는 중속영역에서는 분사밸브를 닫아서 공기가 분사되지 않도록 한다.

한편, 직경이 4~5m 정도 되는 실선의 프로펠러에서 분사구의 존재는 매우 작기 때문에 공기 분사만 되지 않는다면 무시할 수 있는 정도로 판단되어 왔으며, 이에 따라 캐비테이션의 발생시험에서 사용되는 모형프로펠러는 공기분사구의 존재를 무시하고 제작되었다.

또한, 모형프로펠러의 경우 두께가 얇아 공기분사 통로와 분사구의 가공이 불가능하기 때문에 분사구를 무시하고 가공할 수 밖에 없다.

이에 따라, 기존의 모형프로펠러 성능시험은 공기분사구 없이 수행됨으로서 실선 프로펠러 시운전 시에도 공기분사가 되지 않는 상태에서 실선시험이 수행되었다. 실선프로펠러에서 공기분사가 되지 않는다면 모형프로펠러 캐비테이션 성능시험 결과가 실선 프로펠러 캐비테이션 발생거동과 유사할 것이라 예측하였으나 실제로는 차이가 있었다.

여기서, 실선의 공기분사구에 대응하는 구성이 고려되지 않은 모형프로펠러의 캐비테이션 발생거동을 살펴보면, 도 3에 도시된 바와 같이 90도의 회전각도 근처에서 흡입면(suction side : 배에서 보이는 프로펠러 날개면)에 캐비테이션이 나타나 있고, 270도의 회전각도 근처에서는 압력면(pressure side : 프로펠러 하류에서 보이는 프로펠러 날개면)에 캐비테이션이 나타나 있다.

여기서, 흡입면에서의 캐비테이션은 날개의 앞날로부터 발생하는 것이 아니라 50% 코오드 뒤쪽부터 발생하고 있으며(Mid-chord cavitation), 압력면에서 캐비테이션은 날개 뿌리 부근에서 root 캐비테이션만 발생하고 있다.

이와 달리, 실선에서는 흡입면의 경우, 날개 앞날로부터 캐비테이션이 발생하여 날개 뿌리로부터 0.9R 근처까지 날개 전면을 덮는 캐비테이션이 발생했으며, 압력면의 경우에는 날개 뿌리 뿐만 0.8~0.9R 앞날부터 캐비테이션이 발생하였다.

이에 따라, 모형시험 단계에서 실선 프로펠러 캐비테이션의 예측정도를 높이기 위한 새로운 모형 프로펠러의 개발이 요구되고 있다.

대한민국 등록특허 제10-1105073호

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로, 실선 프로펠러와 모형 프로펠러의 캐비테이션 발생 차이는 공기분사구에 따라 나타난다고 판단하여 실선 프로펠러의 공기분사구를 모형 프로펠러에 모사하여 구현함으로써 프로펠러 캐비테이션의 예측정도를 향상시킬 수 있는 모형 프로펠러를 제공하는 것이 그 목적이다.

구체적으로, 본 발명은 실선 프로펠러의 공기분사구에 대응하는 모형 프로펠러의 부분에 표면 거칠기를 증가시키고, 흡입면과 압력면 날개 앞날 부근의 압력차로 인한 유체이동을 발생시켜 캐비테이션 발생을 촉진시킬 수 있는 모형 프로펠러를 제공하는 것이 그 목적이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 캐비테이션 실선성능 예측 향상을 위한 공기분사홀 모사 모형 프로펠러는, 수중에서의 캐비테이션 발생을 시험하기 위한 모형 프로펠러에 있어서, 실선의 프로펠러와 동일한 형태로 제작되어 시험체의 회전축에 부착된 상태로 회전하는 프로펠러 본체; 및 상기 프로펠러 본체를 구성하는 각각의 날개의 앞날 테두리를 따라 형성되어 실선의 프로펠러에 형성된 공기분사홀을 모사하며, 상기 앞날 표면의 거칠기를 증가시키면서 상기 날개의 앞날 부근에 형성되는 압력차로 인한 유체이동을 발생시켜 캐비테이션 발생을 촉진시키는 거칠기 제공부재;를 포함하여 구성될 수 있다.

예컨대, 상기 거칠기 제공부재는, 상기 날개의 시작부위(Root, 0.25~0.35r/R)에서 외곽단부(Tip, 1.0r/R)까지의 테두리 중 앞날의 일부분에 복수를 이루면서 관통형성되어 유체를 소통시키는 관통홀; 및 상기 날개의 시작부위(Root)에서 외곽단부(Tip)까지의 테두리 중 앞날의 나머지부분에 복수를 이루면서 홈형태로 함몰형성되어 표면에 거칠기를 제공하는 비관통홈;을 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기 관통홀 및 상기 비관통홈은, 상기 날개의 시작부위(Root) 중 상기 날개 반경(r/R)의 0.25 ~ 0.35 r/R 사이에서부터 형성되면서 상기 날개의 외곽단부(Tip) 중 상기 날개 반경(r/R)의 0.9 ~ 0.995 r/R 까지 등간격으로 형성될 수 있다.

구체적으로, 상기 관통홀은, 상기 날개 반경(r/R)의 0.25 ~ 0.35 r/R 사이에서부터 등간격으로 형성되어 상기 날개 반경(r/R)의 0.8 ~ 0.9 r/R 까지 관통형성되면서 상기 날개 테두리의 양면을 소통시키며, 상기 비관통홈은, 상기 날개 반경(r/R)의 0.8 ~ 0.9 r/R 사이에서부터 등간격으로 형성되어 상기 날개 반경(r/R)의 0.9 ~ 0.995 r/R 까지 형성되면서 상기 날개 테두리의 양면에 각각 홈을 이룰 수 있다.

또한, 상기 관통홀은, 0.4 ~ 0.6mm의 직경으로 관통형성되면서 1.8 ~ 2.2mm의 간격으로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 비관통홈은, 상기 날개 테두리의 양면에 각각 0.4 ~ 0.6mm의 직경으로 형성되면서 0.4 ~ 0.6mm의 깊이로 형성되고, 1.8 ~ 2.2mm의 간격으로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 캐비테이션 실선성능 예측 향상을 위한 공기분사홀 모사 모형 프로펠러에 의하면, 거칠기 제공부재가 실선 프로펠러의 공기분사구에 대응하는 위치에 구비되어 표면 거칠기를 제공하여 날개의 흡입면과 압력면에 형성된 압력차로 인한 유체이동이 발생하면서 캐비테이션 발생이 촉진되어 캐비테이션 실선성능의 예측이 향상될 수 있다.

구체적으로, 거칠기 제공부재를 구성하는 관통홀 및 비관통홈에 의해 표면에 거칠기가 제공되고, 날개의 흡입면과 압력면 사이에 형성된 압력차로 형성되면서 유체이동이 발생하므로 실선 프로펠러의 공기분사구에 의한 실험조건이 모사될 수 있다.

더욱이, 캐비테이션이 주로 발생되는 부분인 날개의 시작부위(Root)에서 날개 반경(r/R)의 0.85 r/R 부근까지는 관통홀이 형성되는 동시에, 전반적으로 캐비테이션이 작게 발생하는 날개 반경(r/R) 0.85 r/R 이상의 영역에는 비관통홈이 형성됨에 따라 실선 예측 성능이 더욱 정확하게 모사될 수 있다.

도 1은 실선 프로펠러에 형성된 공기분사구를 나타내는 정면도.
도 2는 실선 프로펠러에 형성된 공기분사구를 나타내는 종단면도.
도 3은 공기분사구에 대응하는 구성이 결여된 모형 프로펠러의 캐비테이션 발생거동을 나타내는 사진.
도 4는 본 발명에 따른 캐비테이션 실선성능 예측 향상을 위한 공기분사홀 모사 모형 프로펠러를 나타내는 사시도.
도 5는 도 4에 도시된 거칠기 제공부재를 나타내는 부분확대 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 모형 프로펠러의 캐비테이션 발생거동을 나타내는 사진.

이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대해서 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지의 범용적인 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 따른 캐비테이션 실선성능 예측 향상을 위한 공기분사홀 모사 모형 프로펠러는 실선 프로펠러를 모사하면서 수중에서의 캐비테이션 발생을 시험하기 위한 것으로, 도 4에 도시된 바와 같이 프로펠러 본체(100) 및 거칠기 제공부재(200)를 포함하여 구성될 수 있다.

프로펠러 본체(100)는 실선 프로펠러를 모사하는 것으로, 예컨대 실선 프로펠러에 대하여 1/15 에서 1/20의 비율로 제작되면서 실선 프로펠러와 동일한 날개(110)를 가지며, 미도시된 시험체의 회전축에 설치되어 수중에서 회전하면서 캐비테이션을 발생시킨다.

거칠기 제공부재(200)는 실선 프로펠러에 형성된 공기분사홀을 모사하여 실선 프로펠러와 유사한 시험조건을 제공하는 구성요소로서, 프로펠러 본체(100)를 구성하는 날개(110)의 앞날 테두리를 따라 거칠기를 증가시킴으로써 캐비테이션의 발생을 도모하는 구성요소이다.

구체적으로, 거칠기 제공부재(200)는 날개(110) 앞날 표면의 거칠기를 증가시키면서 날개(110)의 흡입면(suction side : 배에서 보이는 프로펠러 날개면)과 압력면(pressure side : 프로펠러 하류에서 보이는 프로펠러 날개면)의 사이에 형성된 압력차를 이용하여 유체이동을 발생시켜서 캐비테이션 발생을 촉진시킨다.

이러한 거칠기 제공부재(200)는 도 4에 도시된 바와 같이 복수의 관통홀(210) 및 복수의 비관통홈(220)을 포함하여 구성될 수 있다.

관통홀(210)은 날개(110)의 앞날 테두리를 따라 흡입면과 압력면에 관통형성되어 앞날의 표면에 거칠기를 제공하면서 흡입면과 압력면의 사이에 형성된 압력차로 유체를 소통시키며, 유체이동을 통해 캐비테이션 발생을 촉진시킨다.

즉, 관통홀(210)은 도 5에 도시된 바와 같이 날개(110)의 앞날 테두리에 완전히 관통형성됨에 따라 유체가 이동하는 소통로를 제공하며, 날개(100)의 흡입면과 압력면 사이에 형성되는 압력차에 의해 유체를 소통시키면서 날개(110)의 앞날 부근에 캐비테이션을 발생시킨다.

여기서, 관통홀(210)은 날개(110)의 앞날의 시작부위(Root, 대략 0.25~0.35r/R)에서 외곽단부(Tip, 1.0r/R)까지의 테두리 중 일부분에만 형성되는 것이 바람직하다. 관통홀(210)의 구체적인 형성위치 및 비율에 대해서는 후술한다.

비관통홈(220)은 날개(110)의 앞날 테두리의 나머지 부분에 형성되어 관통홀(210)과 함께 앞날 표면에 거칠기를 제공하는 구성요소로서, 도 5에 도시된 바와 같이 날개(110)의 앞날 테두리의 흡입면과 압력면에 각각 대칭상태를 이루면서 홈형태로 형성되어 거칠기를 증가시킨다.

즉, 관통홀(210)은 압력차를 통해 유체를 소통시키면서 캐비테이션을 발생시키고, 비관통홈(220)은 유체가 대면하는 거칠기를 증가시켜 캐비테이션을 발생시킨다.

이에 따라, 본 발명에 따른 모형 프로펠러는 도 6에 도시된 바와 같이 흡입면과 압력면에 캐비테이션 이 발생하게 되어 실선 프로펠러와 유사한 시험조건이 제공된다.

여기서, 모형 프로펠러는 도 6에 도시된 바와 같이 흡입면에 날개의 시작부위(Root)에서 대략 날개 반경 0.85r/R 부근까지 캐비테이션이 발생하게 되며, 압력면에 날개의 시작부위(Root)에서 대략 날개 반경 0.8r/R 부근까지 캐비테이션이 발생하게 되어 날개 반경 0.85r/R 이상의 영역에서는 캐비테이션이 발생하지 않는다.

따라서, 날개 반경 0.85r/R 이하의 영역에서는 관통홀(210)이 형성되는 것이 바람직하며, 날개 반경 0.85r/R 이상의 영역에서는 비관통홈(220)이 형성되는 것이 바람직하다.

구체적으로, 관통홀(210)은 날개의 시작부위(Root) 부근의 날개 반경(r/R) 0.2 ~ 0.4r/R 사이에서부터 복수를 이루면서 등간격으로 관통형성되면서 날개 반경(r/R) 0.8 ~0.9 r/R까지 관통형성되는 것이 바람직하다.

그리고 비관통홈(220)은 날개 반경(r/R) 0.8 ~0.9 r/R 사이에서부터 복수를 이루면서 날개 반경(r/R) 0.9 ~ 0.995r/R 사이까지 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 실선 프로펠러에 대하여 축척비 1/15 에서 1/20의 비율로 프로펠러 본체(100)를 제작할 경우, 실선 프로펠러의 공기분사구를 축척비에 맞추게 되면 약 0.1mm의 직경이 된다. 그런데, 현재의 가공 기술로서 0.1mm의 관통홀 형성은 불가능하다.

따라서, 관통홀(210)의 직경은 0.4 ~ 0.6mm로 관통형성되는 것이 바람직하며, 복수를 이루면서 1.8 ~ 2.2mm의 간격으로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 비관통홈(220) 역시 0.4 ~ 0.6mm의 직경으로 형성되면서 0.4 ~ 0.6mm의 깊이로 형성되는 것이 바람직하며, 복수를 이루면서 1.8 ~ 2.2mm의 간격으로 형성되는 것이 바람직하다.

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 발명에 따른 모형 프로펠러에 의하면, 거칠기 제공부재(200)가 실선 프로펠러의 공기분사구(1)에 대응하는 위치에 구비되어 표면 거칠기를 제공하면서 날개의 흡입면과 압력면 사이에 형성된 압력차로 인한 유체이동이 발생하면서 캐비테이션 발생이 촉진되어 실선 프로펠러의 공기분사구(1)에 의한 실험조건이 모사될 수 있으며, 궁극적으로는 캐비테이션 실선성능의 예측이 향상될 수 있다.

이상에서 본 발명의 구체적인 실시 예를 설명하였으나, 이들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명의 보호 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

1 : 실선 프로펠러의 공기분사구
2 : 실선 프로펠러의 공기 배출 통로
100 : 프로펠러 본체
110 : 날개
200 : 거칠기 제공부재
210 : 관통홀
220 : 비관통홈

Claims (6)

1. 수중에서의 캐비테이션 발생을 시험하기 위한 모형 프로펠러에 있어서,
   실선의 프로펠러와 동일한 형태로 제작되어 시험체의 회전축에 부착된 상태로 회전하는 프로펠러 본체; 및
   상기 프로펠러 본체를 구성하는 각각의 날개의 앞날 테두리를 따라 형성되어 실선의 프로펠러에 형성된 공기분사홀을 모사하며, 상기 앞날 표면의 거칠기를 증가시키면서 상기 날개의 앞날 부근에 형성되는 압력차로 인한 유체이동을 발생시켜 캐비테이션 발생을 촉진시키는 거칠기 제공부재;를 포함하고,
   상기 거칠기 제공부재는,
   상기 날개의 시작부위(Root, 0.25~0.35r/R)에서 외곽단부(Tip, 1.0r/R)까지의 테두리 중 앞날의 일부분에 복수를 이루면서 관통형성되어 유체를 소통시키는 관통홀; 및
   상기 날개의 시작부위(Root)에서 외곽단부(Tip)까지의 테두리 중 앞날의 나머지부분에 복수를 이루면서 홈형태로 함몰형성되어 표면에 거칠기를 제공하는 비관통홈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 캐비테이션 실선성능 예측 향상을 위한 공기분사홀 모사 모형 프로펠러.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 관통홀 및 상기 비관통홈은,
   상기 날개의 시작부위(Root) 중 상기 날개 반경(r/R)의 0.25 ~ 0.35 r/R 사이에서부터 형성되면서 상기 날개의 외곽단부(Tip) 중 상기 날개 반경(r/R)의 0.9 ~ 0.995 r/R 까지 등간격으로 형성되는 것을 특징으로 하는 캐비테이션 실선성능 예측 향상을 위한 공기분사홀 모사 모형 프로펠러.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 관통홀은,
   상기 날개 반경(r/R)의 0.25 ~ 0.35 r/R 사이에서부터 등간격으로 형성되어 상기 날개 반경(r/R)의 0.8 ~ 0.9 r/R 까지 관통형성되면서 상기 날개 테두리의 양면을 소통시키며,
   상기 비관통홈은,
   상기 날개 반경(r/R)의 0.8 ~ 0.9 r/R 사이에서부터 등간격으로 형성되어 상기 날개 반경(r/R)의 0.9 ~ 0.995 r/R 까지 형성되면서 상기 날개 테두리의 양면에 각각 홈을 이루는 것을 특징으로 하는 캐비테이션 실선성능 예측 향상을 위한 공기분사홀 모사 모형 프로펠러.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 관통홀은,
   0.4 ~ 0.6mm의 직경으로 관통형성되면서 1.8 ~ 2.2mm의 간격으로 형성되는 것을 특징으로 하는 캐비테이션 실선성능 예측 향상을 위한 공기분사홀 모사 모형 프로펠러.
   
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 비관통홈은,
   상기 날개 테두리의 양면에 각각 0.4 ~ 0.6mm의 직경으로 형성되면서 0.4 ~ 0.6mm의 깊이로 형성되고, 1.8 ~ 2.2mm의 간격으로 형성되는 것을 특징으로 하는 캐비테이션 실선성능 예측 향상을 위한 공기분사홀 모사 모형 프로펠러.
   

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