KR101853747B1 - 선미유동 개선 구조물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선미유동 개선 구조물에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 선미유동 개선 구조물이 선박에 구비되어 선미 프로펠러 상단으로 유입되는 유동을 개선하여 선박의 진행방향에 수평하게 흐르게 하고, 유입유동의 균일 및 가속하여 흐르게 함으로써 선박의 저항 감소 및 평균 공칭반류의 감소를 통해 선박 추진에 따른 에너지를 절감하게 하는 선미유동 개선 구조물에 관한 것이다.

Description

선미유동 개선 구조물{Structure for Improving the Ship Stern Flow}

본 발명은 선미유동 개선 구조물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 프로펠러 상단으로 유입되는 유동을 개선하여 선박의 진행방향에 수평하게 흐르고, 유입유동의 균일 및 가속하여 흐르게 함으로써 선박의 저항 감소 및 평균 공칭반류 감소를 통해 선박 추진에 따른 에너지를 절감하게 하는 선미유동 개선 구조물에 관한 것이다.

선박은 선미에 결합되는 프로펠러의 회전으로부터 추진력을 얻는다. 회전되는 프로펠러는 물을 밀어주고 이 힘에 대한 반작용으로 선박은 앞으로 나아가게 된다. 하지만 프로펠러 전후의 해수의 흐름은 완전한 직선방향의 흐름이 되지 못하고, 선미형상의 변화로 인하여 불균일한 유동이 되어 프로펠러로 유입되어 선박의 속도성능과 프로펠러의 공동성능을 저하시킨다. 그리고 프로펠러 후류의 회전유동은 에너지 유실을 발생시킨다. 이러한 문제점들로 인해 선박에 부착되는 에너지 저감 장치에 관한 연구가 진행되었으며 선미부분에 부착되는 핀이 선박추진의 에너지를 저감하는 장치의 예이다.

한국등록특허공보 제10-0718934호 한국등록특허공보 제10-1365878호 한국공개특허공보 제10-2014-0111734호

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 선미의 프로펠러 상단 유입유동을 개선하여 추진에 따른 에너지를 절감하는 데 있다.

선미유동 개선 구조물은 선미 프로펠러 상단 유입유동을 개선하기 위해, 선박의 선미 외판 상에 좌측과 우측에 구비되고, 상기 선박의 종단면의 하측 방향으로 수직되고, 선체의 길이 방향을 따라 2 내지 5 스테이션(station) 및 상기 선체의 폭 방향을 따라 0.3b 내지 0.5b에 구비되는 것을 특징으로 하되, 그 폭은 흘수의 1% 내지 15%, 두께는 5mm 내지 50mm 인 것을 포함하는 기술적 구성상의 특징으로 한다.

본 발명은, 선미 외판 상에 구조물을 구비하여 프로펠러 상단 유입유동을 선박의 진행방향에 수평하게 흐르게 하고, 균일 및 가속하게 흐르게 하여 추진부 유입의 공칭반류 감소와 전저항 감소를 통해 추진에 따른 에너지를 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한 설치되는 각도가 선박의 종류와 상관없이, 선체의 종단면의 하측 방향으로 수직되게 구비되므로 기존의 중소형 조선소의 다양한 선종에 대해 별도의 선형 변경 없이 적용에 용이할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 구비된 선미유동 개선 구조물의 저면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 구비된 선미유동 개선 구조물의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 구비된 선미유동 개선 구조물의 위치 범위를 나타낸 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선미유동 개선 구조물의 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 구비된 선미유동 개선 구조물에 따른 선박의 측면 한계 유선을 비교한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 구비된 선미유동 개선 구조물에 따른 선박의 압력 분포를 비교한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 구비된 선미유동 개선 구조물에 따른 선박의 반류 분포를 나타낸 도면이다.

첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 의한 선미유동 개선 구조물에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.

또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1구성요소는 제 2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2구성요소도 제1구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선미유동 개선 구조물에 대해 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 구비된 선미유동 개선 구조물의 저면도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 구비된 선미유동 개선 구조물의 측면도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 구비된 선미유동 개선 구조물의 위치를 나타낸 측면도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선미유동 개선 구조물의 도면이다.

도면을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 선박에 구비되는 선미유동 개선 구조물(100)은, 상기 선박의 프로펠러 상단 유입유동을 개선하기 위해 선미의 외판 상에 좌측과 우측에 구비된다. 선미형상의 급격한 변화로 인해 생긴 불균일한 흐름을 이상적인 위치에 구조물(100)을 마련하여 프로펠러 상단유입 유동을 개선한다.

바람직하게는, 상기 구조물(100)은 선박의 길이 방향으로 2 내지 5 스테이션(Station)에 위치하며, 선박에 따라 위치되는 스테이션이 정해진다. 여기서 스테이션이란 수선간장(L.B.P)을 20개의 동일 구간으로 분리한 후 각각의 구간 간 경계를 칭하는 말이다. 선미부에서부터 번호가 부여되고 첫 번째 스테이션의 번호는 0번(A.P), 마지막 스테이션의 번호는 20번이다. 상기 수선간장은 선수수선과 선미수선간의 거리를 의미한다. 설계수선과 선수재의 앞면과의 교점을 지나고 설계수선에 연직으로 그은 선을 선수수선(F.P)이라 하고, 선미수선(A.P)이란 명확한 타주(rudder post)를 가지는 선박에서는 타주의 뒷면과 설계수선과의 교점을 지나는 연직선이며, 그렇지 않은 선박에서는 타두재(rudder stock)의 중심선과 설계수선과의 교점을 지나는 연직선이다.

바람직하게는, 상기 구조물(100)은 선체 0.3b 내지 0.5b에 위치하는데 이때 b는 선폭의 절반을 의미하며 선체 중심선을 0b라 하고, 선박의 폭 방향으로 일정하게 0b부터 좌우로 각각 1b까지 구간이 정해진다.

바람직하게는, 상기 구조물(100)의 돌출 각도는 상기 선체의 종단면의 하측 방향으로 수직되게 구비된다. 상세하게 설명하면, 상기 선체의 길이 방향과 폭 방향을 각각 x축과 y축으로 하여 xy평면이라고 하였을 때 xy평면에 하측으로 수직(z축)인 각도로 구비된다.

또한 바람직한 상기 구조물(100)은 폭은 흘수(T)의 1% 내지 15%이고 두께는 5mm 내지 50mm이다. 흘수는 선체가 수중에 잠겨있는 부분의 깊이를 의미하며 선저로부터 수면까지의 연직거리를 말한다. 폭은 선체부터 돌출된 상기 구조물(100) 높이까지의 거리를 의미한다. 두께는 판 형상 구조물의 경우, 그 구조물의 두께를 의미하며, Airfoil 형상 구조물의 경우, Airfoil의 최대 두께를 의미한다.

따라서 바람직한 상기 구조물(100)의 위치 및 형상은 2 내지 5 스테이션, 0.3b 내지 0.5b이며, 선체의 종단면의 하측 방향으로 수직인 각도와 폭은 흘수의 1% 내지 15%, 두께는 5mm 내지 50mm이다. 해당 위치와 구조물의 크기에서 효율적인 전저항 감소 및 공칭 반류의 감소를 보였다.

상기 구조물(100)은 직사각형 형상, 직사각형 형상의 앞날과 뒷날이 필렛 가공된 형상, 사다리꼴 형상, 삼각형 형상, 부채꼴 형상 등 다양한 형태가 될 수 있고, 선체 하부의 양 측면에서 구비된다.

본 출원인은 본 실시예의 효과를 입증하기 위해 원유운반선을 대상으로 수치해석과 모형시험을 비교하여 구조물의 형상 및 위치 선정 분석, 이후 설정한 구조물의 위치와 형상에 따른 유동의 개선 유효성을 확인하였다.

도 5 내지 도 7은 구조물이 부착된 선미부 유동결과(측면 및 선저 한계유선(limiting streamlines), 압력, 반류분포)를 비교한 도면이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 구비된 선미유동 개선 구조물에 따른 선박의 측면 한계 유선을 비교한 도면이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 구비된 선미유동 개선 구조물에 따른 선박의 압력 분포를 비교한 도면이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 구비된 선미유동 개선 구조물에 따른 선박의 반류 분포를 비교한 도면이다.

이하, 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선미유동 개선 구조물에 대해 수치해석 결과에 대해 설명한다. 여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물이 구비된 선박(with V-plate)을 '실시예'라 하고, 구조물이 구비되지 않은 선박(w/o V-plate)을 'bare hull'이라 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 선미유동 개선 구조물의 위치 및 최종 형상에 따른 결과는, bare hull 상태에 비해 실시예가 프로펠러 상단 유입유동의 흐름이 개선된 것을 확인하였다. 도 5에서 구조물이 적용된 실시예는 St.3~4 지점의 0.45b에서 0.4b로 유동 영역이 감소되어 프로펠러 상단으로 수평하게 유입되는 것을 유선분포를 통해 확인하였다. 또한 측면유선 St.1~3 영역에서 선미벌브 만곡부로 유입되었던 bare hull의 유선과는 달리 구조물을 부착함으로써 트랜섬 방향으로 유동이 이동(프로펠러 전방 하강류 소멸)되는 것을 확인하였으며, 만곡부 와류의 형성에 의한 3차원 박리 현상이 줄어드는 것을 확인하였다. 도 6의 압력분포 변화에서 구조물을 부착했을 때 선저 압력이 커지는 것(화살표 방향으로 회복)을 확인하였다. 선수 쪽으로 압력선이 이동함에 따라 선미의 압력손실 저항 감소를 확인하였다. 도 7의 반류분포 변화에서는 구조물에 의한 선저 흐름의 변화로 3차원 박리현상이 감소되어 갈고리 모양 크기가 크게 줄어들었다. 프로펠러 상단의 유입되는 유속이 증가되어 평균 공칭반류가 감소되는 것을 확인하였다.

구조물 적용 전후의 본 실시예에 따른 선박인 원유운반선의 저항 계수비 및 평균 공칭반류를 비교는 표 1에 정리하였다.

구 분	without V-Plate	with V-Plate
저항계수비	100%	96.95%
평균 공칭반류비	100%	81.19%

본 실시예에서 대상 선박은 원유운반선으로 설명하였으나 이에 한정하지 않고, 하나 이상의 프로펠러가 있어서 선체 횡단면 형상이 급격하게 변화하는 일반 상선 또는 선미벌브 및 빌지 부착의 선박(Bulker, Tanker, Container, LNG.C 등)을 포함한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 선종의 선형 적용 및 구조물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

P : 프로펠러 100 : 구조물

Claims (3)

1. 판 형상으로 선박의 선미에 부착되어 프로펠러 상단 유입유동을 개선하는 선미유동 개선 구조물에 있어서,
   상기 선미유동 개선 구조물은 선박의 선미 외판 상의 좌측과 우측에 각각 구비되되,
   상기 선박의 종단면의 하측 수직 방향으로 선체의 길이 방향을 따라 2 내지 5 스테이션(Station) 및 선폭의 절반(0b)을 기준으로 선폭 방향을 따라 0.3b 내지 0.5b 위치에 부착되고,
   상기 선미유동 개선 구조물의 폭은 흘수의 1% 내지 15%이고, 두께는 5mm 내지 50mm인 것을 특징으로 하는 선미유동 개선 구조물.
   
   
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