KR101894019B1 - 환형 구조물을 포함하는 전류고정날개 - Google Patents

Abstract

개시된 환형 구조물을 포함하는 전류고정날개는, 선박의 선미부에서 프로펠러의 전방에 설치되는 것으로, 프로펠러의 회전중심축 둘레에 방사상으로 설치되는 다수의 전류고정날개와, 다수의 전류고정날개의 끝단부들을 둘러싸도록 설치된 환형 구조물을 포함한다. 상기 다수의 전류고정날개는 프로펠러의 회전중심축을 지나는 수직축에 대해 좌우 대칭으로 설치되고, 상기 환형 구조물은 프로펠러의 직경의 40% 내지 60%의 직경을 가지며, 상기 환형 구조물의 코드 길이는 전류고정날개의 끝단부의 코드 길이보다 크다.

Description

환형 구조물을 포함하는 전류고정날개{Pre-swirl stator including annular structure}

본 발명은 선박의 프로펠러 전방에 설치되는 전류고정날개에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전류고정날개의 끝단부에서 발생하는 와류를 방지하기 위해 다수의 전류고정날개의 끝단부를 둘러싸는 환형 구조물을 포함하는 전류고정날개에 관한 것이다.

최근 들어, 환경오염에 대한 관심이 증대되면서 온실가스 규제에 대응하는 움직임이 활발해졌으며, 이에 대한 대표사례로 2007년 해양환경 보호 위원회(MEPC) 59차 회의에서 신조선에 적용되는 에너지효율 설계지수(EEDI) 등의 지침서가 제시되었다.

일반적인 선박의 추진을 위해서 프로펠러가 사용되고 있으나 태생적인 한계로 인한 추진력 손실(회전에너지 손실, 축방향 손실, 마찰에 의한 손실)이 발생하게 된다. 이는 프로펠러의 최적화를 통하여 에너지 효율을 증대시킬 수는 있으나 그 한계가 있다는 것을 의미한다.

이에 따라, 프로펠러의 추진력 손실을 상쇄시키거나, 저항 감소를 위한 에너지 저감 장치(ESD)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이러한 연구 결과의 일 예로서, 프로펠러 전방에 전류고정날개를 설치하여 프로펠러로 유입되는 유동을 정류시킴으로써, 즉 프로펠러로 유입되는 유체의 유입각을 변경하여 회전 방향의 운동 에너지 손실을 줄임으로써 추진 효율을 향상시키는 기술이 공지된 바 있다.

또한, 선미의 형상에 의한 회전 유동은 프로펠러 구동축을 중심으로 좌우 대칭으로 유입되지만 프로펠러가 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하기 때문에, 이러한 프로펠러의 회전운동에 손실을 최소화하기 위해 비대칭 전류고정날개를 적용하는 기술도 공개된 바 있다.

그런데, 전류고정날개의 끝단부, 즉 팁(tip) 부분에서는 실속에 의한 와류(vortex)가 발생하게 되며, 이렇게 발생한 와류는 프로펠러에 불규칙한 압력을 발생시켜 프로펠러의 추력 손실뿐만 아니라 프로펠러의 진동 및 구조적 결함이 발생될 수 있는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 전류고정날개는, 프로펠러로의 유체의 유입을 원활하게 하기 위해, 그 직경을 프로펠러의 직경과 동일하거나 약간 크게 하는 경우가 일반적이다. 이 경우, 각각의 전류고정날개는 외팔보로 가정할 수 있으므로, 전류고정날개의 길이가 길수록 외력에 의한 모멘트가 커지게 되어 구조적인 문제가 빈번하게 발생하는 문제점도 있었다.

또한, 비대칭 전류고정날개의 경우에도, 다수의 전류고정날개 각각에 가해지는 압력 분포가 불균일하게 되고, 전류고정날개의 뿌리부에 가해지는 스트레스가 국부적으로 증가하여 구조적인 결함이 발생될 수 있는 문제점이 있었다.

1. 대한민국 등록특허공보 특0174768호(1998.11.06. 등록)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 다수의 전류고정날개의 끝단부를 둘러싸도록 환형 구조물을 설치하여 전류고정날개의 끝단부에서 와류가 발생하는 것을 방지하고 구조적 안정성을 향상시킨 환형 구조물을 포함하는 전류고정날개를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 환형 구조물을 포함하는 전류고정날개는,

선박의 선미부에서 프로펠러의 전방에 설치되는 것으로, 상기 프로펠러의 회전중심축 둘레에 방사상으로 설치되는 다수의 전류고정날개; 및

상기 다수의 전류고정날개의 끝단부들을 둘러싸도록 설치된 환형 구조물;을 포함하며,

상기 다수의 전류고정날개는 상기 프로펠러의 회전중심축을 지나는 수직축에 대해 좌우 대칭으로 설치되고,

상기 환형 구조물은 상기 프로펠러의 직경의 40% 내지 60%의 직경을 가지며,

상기 환형 구조물의 코드 길이는 상기 전류고정날개의 끝단부의 코드 길이보다 큰 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 다수의 전류고정날개는 서로 간에 45도 간격으로 방사상으로 설치되되, 상기 수직축의 상단에 해당하는 0도 위치와 상기 수직축의 하단에 해당하는 180도 위치는 제외되어 모두 6개가 설치될 수 있다.

또한, 상기 다수의 전류고정날개와 상기 프로펠러 사이의 간격은 상기 프로펠러의 직경의 25% 내지 35%인 것이 바람직하다.

또한, 상기 다수의 전류고정날개 각각은, 끝단부의 코드 길이보다 선체에 연결되는 뿌리부의 코드 길이가 큰 것이 바람직하다.

또한, 상기 다수의 전류고정날개 각각은 익형의 단면 형상을 가지며, 상기 다수의 전류고정날개 각각의 피치각은 서로 다를 수 있다.

또한, 상기 환형 구조물은 원형의 고리 형상으로 이루어지며, 그 중심은 상기 프로펠러의 회전중심축과 일치하고, 익형의 단면 형상을 가질 수 있다.

또한, 상기 환형 구조물의 받음각은 위치에 따라 다를 수 있다.

또한, 상기 환형 구조물의 코드 길이는 상기 전류고정날개의 끝단부의 코드 길이의 1.1배 내지 1.2배인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 환형 구조물을 포함하는 전류고정날개에 의하면, 다수의 전류고정날개가 좌,우 대칭적으로 설치되고, 다수의 전류고정날개의 끝단부들을 환형 구조물이 둘러싸서 와류의 발생을 억제하므로, 전류고정날개와 환형구조물의 구조적 안정성이 보장될 수 있는 효과가 있다.

또한, 프로펠러로 유입되는 유동의 입사각을 원활하게 조절할 수 있어서, 프로펠러의 추력 손실을 최소화할 수 있고, 이에 따라 에너지 효율이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 환형 구조물을 포함하는 전류고정날개를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 환형 구조물을 포함하는 전류고정날개와 프로펠러를 도시한 측면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 환형 구조물을 포함하는 전류고정날개의 정면도이다.
도 4는 프로펠러로 유입되는 유체의 유속 분포를 보여주는 도면이다.
도 5는 전류고정날개와 환형 구조물의 결합부를 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 환형 구조물을 포함하는 전류고정날개에 대해 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 가리킨다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 환형 구조물을 포함하는 전류고정날개를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 환형 구조물을 포함하는 전류고정날개와 프로펠러를 도시한 측면도이며, 도 3은 도 1에 도시된 환형 구조물을 포함하는 전류고정날개의 정면도이다.

도 1 내지 도 3을 함께 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 환형구조물을 포함하는 전류고정날개는, 선박의 선미부(10)에서 프로펠러(20)의 전방에 설치되는 다수의 전류고정날개(110)와, 상기 다수의 전류고정날개(110)의 끝단부들을 둘러싸도록 설치된 환형구조물(120)을 포함한다.

상기 다수의 전류고정날개(110)는, 이미 알려진 바와 같이, 프로펠러(20)로 유입되는 유동을 정류시킴으로써, 즉 프로펠러(20)로 유입되는 유체의 유입각을 변경하여 회전 방향의 운동 에너지 손실을 줄임으로써 추진 효율을 향상시키는 작용을 하는 장치이다.

상기 다수의 전류고정날개(110)는 상기 프로펠러(20)의 전방에 상기 프로펠러(20)의 회전중심축(Cp) 둘레에 방사상으로 설치된다. 또한, 상기 다수의 전류고정날개(110)는 프로펠러(20)의 회전중심축(Cp)을 지나는 수직축(Z)을 기준으로 좌우 대칭되도록 설치된다.

구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 다수의 전류고정날개(110)는 서로 간에 45도 간격으로 방사상으로 설치되되, 상기 수직축(Z)의 상단에 해당하는 0도 위치와 상기 수직축(Z)의 하단에 해당하는 180도 위치는 제외되어 모두 6개가 설치될 수 있다.

0도 위치는, 도 4에 도시된 바와 같이, 선박의 선미의 구조상의 이유로 인해 프로펠러(20)로 유입되는 유체의 유입 속도가 낮은 위치이므로, 전류고정날개(110)로 인해 유체의 유입 속도가 더 낮아지는 것을 피하기 위해 전류고정날개(110)의 설치가 제외된다. 그리고, 일반적인 선형의 선미 형상에서, 180도 위치는 0도 위치보다 더 뚱뚱한 형상을 가지므로, 180도 위치에 전류고정날개(110)를 설치할 경우 그 스팬 길이가 과도하게 작아지게 된다. 이 경우, 프로펠러(20) 전방의 유동을 효과적으로 제어할 수 없을 뿐만 아니라 전류고정날개(110)의 항력 증가 요인이 될 수 있기 때문에, 180도 위치에 전류고정날개(110)를 설치하지 않는 것이 바람직하다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 다수의 전류고정날개(110)는 상기 프로펠러(20)의 전방에 설치되는데, 이때 다수의 전류고정날개(110)와 프로펠러(20) 사이의 간격(G)은 상기 프로펠러(20)의 직경(Dp)의 25% 내지 35%인 것이 바람직하다. 이때, 상기 간격(G)은 상기 프로펠러(20)의 수직 중심선(C1)과 상기 다수의 전류고정날개(110)의 수직 중심선(C2) 사이의 수평 간격으로 측정된다.

상기 간격(G)은 컴퓨터유체역학(CFD)을 통해 도출된 것이다. 상기 전류고정날개(110)와 프로펠러(20) 사이의 간격이 프로펠러 직경(Dp)의 35%보다 넓으면, 전류고정날개(110)와 프로펠러(20)의 상호작용이 감소하게 되어 프로펠러(20)의 추력과 토크가 감소하는 경향을 보인다. 반면에, 상기 전류고정날개(110)와 프로펠러(20) 사이의 간격이 프로펠러 직경(Dp)의 25%보다 좁으면, 전류고정날개(110)가 프로펠러(20)에 유입되는 카운터 스월(Counter Swirl)을 제대로 형성하지 못할 가능성이 있다.

다시 도 1 내지 도 3을 함께 참조하면, 상기 환형 구조물(120)은 상기 다수의 전류고정날개(110)의 끝단부들, 즉 팁(tip) 부분들을 둘러싸도록 설치된다.

상기 환형 구조물(120)은 상기 다수의 전류고정날개(110)의 끝단부들에서 와류의 발생을 억제 또는 방지하는 역할을 하며, 또한 다수의 전류고정날개(110)에 가해지는 하중을 분산하여 구조적 안정성을 향상시키는 역할을 한다.

구체적으로, 상기 환형 구조물(120)은 원형의 고리 형상으로 이루어지며, 그 중심은 상기 프로펠러(20)의 회전중심축(Cp)과 일치한다. 상기 환형 구조물(120)은 항력을 최소화하기 위해 익형의 단면 형상을 가진다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 환형 구조물(120)는 상기 프로펠러(20)의 직경(Dp)의 40% 내지 60%의 직경(Ds)을 가진다. 바람직하게는, 상기 환형 구조물(120)의 직경(Ds)은 실질적으로 상기 프로펠러(20) 직경(Dp)의 50%이다. 이에 대해서는 아래에서 도 4를 참조하면서 상세하게 설명된다.

현재 조선업계에서는 저항을 줄일 수 있는 저저항 선형이 개발되고 있으며, 이러한 저저항 선형은 선미부의 형상이 날렵한 형상을 가지고 있어서 축방향 속도 성분이 크게 된다. 도 4는 이러한 저저항 선형에서 프로펠러로 유입되는 유체의 유속 분포를 보여주는 도면이다. 도 4에서 붉은색 부분이 프로펠러로 유입되는 유체의 유속이 높은 고속 구간이고, 녹색과 푸른색 부분이 유체의 유속이 상대적으로 낮은 저속 구간이다.

도 4에 볼 수 있듯이, 프로펠러 직경(Dp) 대비 대략 65% 직경에서부터 고속 구간에 걸치게 되고, 저속 구간은 프로펠러 직경(Dp) 대비 대략 65% 직경 이하에 생성된다. 만약, 상기 환형 구조물(120)과 그 내측의 전류고정날개(110)가 고속 구간에 설치되면, 속도차이가 크게 나타나는 구간의 전단 응력이 전류고정날개(110)에 과하게 작용하게 되어 구조적인 안정성에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 따라서, 상기 환형 구조물(120)은 여유를 감안하여 상기 프로펠러(20)의 직경(Dp)의 60% 이하의 직경(Ds)을 가지는 것이 구조적인 안정성에서 바람직하다고 할 수 있다.

한편, 상기 환형 구조물(120)의 직경(Ds)이 프로펠러 직경(Dp)의 40%보다 작을 경우에는, 선체에 부착 부분의 용접 시 협소 구간으로 인해 작업성이 악화되며, 또한 전류고정날개(110)의 스팬이 과도하게 작아지게 되므로, 온전한 유동 제어에 무리가 있다. 따라서, 상기 환형 구조물(120)은 상기 프로펠러(20)의 직경(Dp)의 40% 이상의 직경(Ds)을 가지는 것이 유동 제어에 있어서 바람직하다고 할 수 있다.

상기 전류고정날개(110)와 환형 구조물(120)의 구체적인 형상은 아래에서 도 5를 참조하면서 설명된다.

도 5는 전류고정날개와 환형 구조물의 결합부를 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 상기 다수의 전류고정날개(110) 각각은 끝단부(tip)(110a)의 코드(chord) 길이(Ls1)보다 선체에 연결되는 뿌리부(root)(110b)의 코드 길이(Ls2)가 큰 것이 바람직하다. 따라서, 상기 다수의 전류고정날개(110)는 구조적 안정성을 가지고 선체에 고정될 수 있다.

또한, 상기 다수의 전류고정날개(110) 각각은 유동 저항을 최소화하기 위해 익형의 단면 형상을 가질 수 있으며, 이 경우, 상기 다수의 전류고정날개(110) 각각의 피치각은 서로 다를 수 있다. 상기 다수의 전류고정날개(110) 각각의 피치각은 컴퓨터유체역학(CFD)을 통해 도출될 수 있으며, 예를 들어, 도 3에 도시된 45도 위치의 전류고정날개의 피치각은 15도, 90도 위치에서는 25도, 135도 위치에서는 20도, 225도 위치에서는 16도 270도 위치에서는 9도, 315도 위치에서는 11도 일 수 있다.

상기 환형 구조물(120)은 상기 다수의 전류고정날개(110) 각각의 끝단부(110a)에 고정되는데, 이때 용접에 의해 견고하게 고정될 수 있다.

상기 환형 구조물(120)은 저항을 줄이기 위해 익형의 단면 형상을 가진다. 이때, 상기 환형 구조물(120)의 위치에 따라 유체의 유동 각도가 다르므로, 컴퓨터유체역학(CFD)을 통해 상기 환형 구조물(120)의 받음각을 위치에 따라 다르게 하는 것이 저항을 최소화하고 환형 구조물(120)에 의한 추진 보상을 최대한 받는데 바람직하다.

또한, 상기 환형 구조물(120)의 코드(chord) 길이(La)는 상기 전류고정날개(110)의 끝단부(110a)의 코드 길이(Ls1)보다 크다. 만약, 상기 환형 구조물(120)의 코드(chord) 길이(La)가 상기 전류고정날개(110)의 끝단부(110a)의 코드 길이(Ls1)보다 작을 경우에는 와류를 효과적으로 억제할 수 없다.

바람직하게는, 상기 환형 구조물(120)의 코드(chord) 길이(La)는 상기 전류고정날개(110)의 끝단부(110a)의 코드 길이(Ls1)의 1.1배 내지 1.2배이다.

상기 다수의 전류고정날개(110) 각각의 끝단부(110a)에 상기 환형 구조물(120)을 용접에 의해 고정할 때, 용접을 하기 위한 최소한의 공간을 확보하기 위해, 상기 환형 구조물(120)의 코드(chord) 길이(La)는 상기 전류고정날개(110)의 끝단부(110a)의 코드 길이(Ls1)의 1.1배 이상이 되는 것이 바람직하다. 한편, 상기 환형 구조물(120)의 코드(chord) 길이(La)가 상기 전류고정날개(110)의 끝단부(110a)의 코드 길이(Ls1)의 1.2배보다 클 경우에는, 상기 환형 구조물(120)에 걸리는 하중을 상기 전류고정날개(110)가 지지하는데 문제가 발생할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 다수의 전류고정날개(110)가 좌,우 대칭적으로 설치되고, 다수의 전류고정날개(110)의 끝단부들을 환형 구조물이 둘러싸서 와류의 발생을 억제하므로, 전류고정날개(110)와 환형구조물(120)의 구조적 안정성이 보장될 뿐만 아니라, 프로펠러(20)로 유입되는 유동의 입사각을 원활하게 조절할 수 있어서, 프로펠러(20)의 추력 손실을 최소화할 수 있고, 이에 따라 에너지 효율이 향상될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

10...선미부 20...프로펠러
110...전류고정날개 120...환형 구조물

Claims (8)

1. 선박의 선미부에서 프로펠러의 전방에 설치되는 것으로, 상기 프로펠러의 회전중심축 둘레에 방사상으로 설치되는 다수의 전류고정날개; 및
   상기 다수의 전류고정날개의 끝단부들을 둘러싸도록 설치된 환형 구조물;을 포함하며,
   상기 다수의 전류고정날개는 상기 프로펠러의 회전중심축을 지나는 수직축에 대해 좌우 대칭으로 설치되고,
   상기 환형 구조물은 상기 프로펠러의 직경의 40% 내지 60%의 직경을 가지며,
   상기 환형 구조물의 코드 길이는 상기 전류고정날개의 끝단부의 코드 길이보다 크되, 상기 전류고정날개의 끝단부의 코드 길이의 1.1배 내지 1.2배이고,
   상기 환형 구조물은 원형의 고리 형상으로 이루어지며, 그 중심은 상기 프로펠러의 회전중심축과 일치하고, 익형의 단면 형상을 가지되, 상기 환형 구조물의 받음각은 위치에 따라 다른 것을 특징으로 하는 환형 구조물을 포함하는 전류고정날개.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 다수의 전류고정날개는 서로 간에 45도 간격으로 방사상으로 설치되되, 상기 수직축의 상단에 해당하는 0도 위치와 상기 수직축의 하단에 해당하는 180도 위치는 제외되어 모두 6개가 설치되는 것을 특징으로 하는 환형 구조물을 포함하는 전류고정날개.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 다수의 전류고정날개와 상기 프로펠러 사이의 간격은 상기 프로펠러의 직경의 25% 내지 35%인 것을 특징으로 하는 환형 구조물을 포함하는 전류고정날개.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 다수의 전류고정날개 각각은, 끝단부의 코드 길이보다 선체에 연결되는 뿌리부의 코드 길이가 큰 것을 특징으로 하는 환형 구조물을 포함하는 전류고정날개.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 다수의 전류고정날개 각각은 익형의 단면 형상을 가지며, 상기 다수의 전류고정날개 각각의 피치각은 서로 다른 것을 특징으로 하는 환형 구조물을 포함하는 전류고정날개.
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