KR101918925B1 - 선박에 마련되는 제어핀 및 선박 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박에 마련되는 제어핀에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 선체의 선미부 스케그에 마련되고 프로펠러 회전축의 중심선과 교차되도록 경사져 배치되는 선박에 마련되는 제어핀으로서, 상기 제어핀은 주위의 유속을 보다 효과적으로 가속시켜 유선제어에 의한 선체 마찰 저항을 감소시킬 수 있도록 3차원 형상을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 선박에 마련되는 제어핀에 대한 것이다.

Description

선박에 마련되는 제어핀 및 선박{Fin for mounting on a ship and ship having the fin}

본 발명은 선박에 마련되는 제어핀 및 선박에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 주위의 유속을 보다 효과적으로 가속시켜 유선제어에 의한 선체 마찰 저항을 감소시킬 수 있도록 3차원 형상을 가지고 있는 제어핀 및 그 제어핀을 구비하는 선박에 대한 것이다.

일반적으로 선박은 선미에 설치된 추진 장치인 프로펠러(propeller)의 회전에 의하여 해상에서 추진력을 얻어 진행하게 되는 데, 이때 프로펠러는 선박 주위의 해수를 선미의 후방으로 가속시켜 선박에 추진력을 부가함으로써 선박을 전진시키게 된다.

프로펠러는 선박이 받는 저항을 이길 수 있는 추진력을 발생시켜야 하기 때문에, 선박의 저항 감소 및 추진 효율 제고를 통해 연료비를 절감시키기 위하여 선형이나 프로펠러 형상의 개량 등 다양한 방안이 제시되고 있다.

또한, 프로펠러로 유입되는 불균일한 선미 유동으로 인해 프로펠러가 발생시키는 추진력은 시간 및 위치에 따라 변동하므로 추진력 감소는 물론 선체 진동의 원인이 되고 있다.

나아가, 프로펠러의 회전시 날개 주변에서의 속도 증가로 인한 압력 저하로 인해 날개 주변에 기포가 발생 되는 프로펠러 공동현상(Cavitation)이 나타나는데, 이러한 프로펠러 공동현상은 프로펠러 주변의 유동을 불안정하게 하여 프로펠러의 성능 저하는 물론 프로펠러 날개 침식의 원인이 되고 있다.

이러한 문제점을 개선하기 위해 선미에 핀(fin)을 부착하는 데, 선미에 부착되는 핀은 크게 두 가지로 나누어 볼 수 있다.

하나는 프로펠러의 회전축 아래 영역의 스케그에 1개 또는 2개의 각도를 가지는 핀을 부착하여 선저로부터 올라오는 유동의 방향을 제어하는 것이고, 나머지 하나는 프로펠러의 회전축 위쪽 영역의 스케그에 1개 또는 2개의 핀을 수평하게 부착하여 빌지로부터의 와유동을 제어하는 것으로 나눌 수 있다.

전술한 두 가지 타입의 핀은 유동 방향 또는 빌지 와유동을 제어하는 하나의 기능만을 수행하게 되는데, 이는 핀의 위치와 부착 각도에 기인한다. 따라서, 에너지 절감을 위한 종래의 핀 부착은 유동 방향이나 빌지 와유동 중 한 가지만을 제어하기 위해 부착하게 되며, 두 가지를 동시에 제어하기 위해서는 여러 핀을 조합하여 사용해야 한다.

전술한 두 가지 타입의 핀 중 하나만 부착하면 일반 상선에서의 선미 유동 특성을 효과적으로 제어하기 어려워 저항 감소, 추진 효율 제고 등의 에너지 절감 효과와 더불어 추진기 진동감소 등 복합적인 효과를 얻기 어렵다.

다른 방안으로 전술한 두 가지 타입의 핀의 조합 설치로 문제점을 해결하고자 할 때는 핀 면적 증가에 따른 저항 증가를 고려하면서 효과가 발생하는 핀 조합을 찾기 위해 많은 연구가 필요하다. 또한 시행착오를 통한 누적된 경험 및 노하우가 필요하므로 시간과 비용이 상당히 많이 소요될 수 있다.

한편, 위의 같은 문제점을 해소하고 선체의 선미부에서 유동 방향과 빌지 와유동을 하나의 핀으로 동시에 제어하여 선체의 저항을 줄이고 프로펠러의 효율을 향상시켜 선박의 에너지를 절감할 수 있도록 하기 위한 제어핀과 관련하여 본 출원인에 의하여 출원되어 등록된 대한민국 등록특허 제10-1464187호가 있다.

이러한 선행문헌에는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 선체의 선미부 스케그(S) 표면에 프로펠러 회전축의 중심선과 교차되도록 마련되는 제어핀(100)이 개시되어 있다. 프로펠러로 유입되는 빌지 와유동이 충분히 발달 되기 전 위치에 이상적인 선미 표면 유선을 따르는 제어핀(100)을 선미부 스케그 표면에 마련함으로서 선미부 유동방향 및 빌지 와유동을 동시에 제어함으로써 선미의 압력 저항을 줄이고, 빌지 와유동을 제어하여 프로펠러 유입 유동을 개선함으로써 프로펠러의 추진 효율을 높일 수 있고, 프로펠러 유기 진동을 감소시킬 수 있는 있게 된다.

그러나 위의 선행문헌에 나타난 제어핀은 다음과 같은 문제점이 있다.

먼저, 선행문헌에 나타난 제어핀은, 비교적 긴 길이와 얇은 두께의 판 형태로 구성되어 있어서 유체력이 작용시 구조적 강도면에서 불리하다는 단점이 있다. 즉, 제어핀은 그 길이방향을 따라서 동일한 두께를 가진 얇은 판 형상으로 이루어져 있어서 유체력에 견디는 힘이 부족하여 큰 유체력이 작용하는 경우에는 제어핀이 파손될 염려가 있게 된다.

또한, 선행문헌에 나타난 제어핀은 전체적으로 얇은 판형상을 가지고 있기 때문에, 선체와의 접촉면적이 작아서 외부 충격에 대하여 취약하고 이에 따라 선체로부터 제어핀이 이탈될 염려가 있게 된다.

또한, 선행문헌에 나타난 제어핀은, 구조적 강도 보강을 위해서 두께를 변경하거나 추가적인 보강을 할 수 밖에 없는데, 이 경우 유동장의 제어가 원활하지 않아 성능의 저하가 발생할 염려가 있게 된다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 더욱 상세하게는 유체력 작동시 구조적 강도면에서도 유리하고, 외부 충격에 대해서 선체로부터 이탈될 염려가 적으며 유동장 제어가 원활한 제어핀 및 그 제어핀을 가지는 선박을 제공하는 것을 기술적 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 선박에 마련되는 제어핀은, 선체의 선미부 스케그에 마련되고 프로펠러 회전축의 중심선과 교차되도록 경사져 배치되는 선박에 마련되는 제어핀으로서,

상기 제어핀은 주위의 유속을 보다 효과적으로 가속시켜 유선제어에 의한 선체 마찰 저항을 감소시킬 수 있도록 중앙부의 두께가 길이방향 양 끝단의 두께에 비하여 큰 3차원 형상을 가지고 있다.

상기 제어핀의 3차원 형상은 위글리(wigley) 형상일 수 있다.

상기 제어핀은, 위글리 형상을 가지며 외부 형상을 구성하는 외판과, 상기 외판 내부의 공간 내에 설치되고 외판의 구조적 강도를 보강하는 보강부재를 포함할 수 있다.

상기 제어핀의 보강부재는, 복수개가 상기 제어핀의 길이방향을 따라서 배치되고, 각각의 보강부재는 제어핀의 길이방향과 직각인 방향으로 외판 내부에 상기 외판의 내면과 일체화되어 결합되어 있을 수 있다.

상기 제어핀에서,

상기 보강부재는, 각각이 대략 삼각형 형상을 가지되 그 중앙에 관통공이 마련될 수 있다.

상기 제어핀에서, 상기 보강부재는 일면이 상기 선체에 결합될 수 있다.

상기 제어핀의 중앙부분의 두께는 상기 제어핀의 폭의 50 ~ 80% 일 수 있다.

상술한 기술적 목적을 달성하기 위한 선박은, 상술한 제어핀을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 제어핀은, 3차원 위글리 형상을 가지고 있어서 주위의 유속을 보다 효과적으로 가속시켜 유선제어에 의한 선체 마찰 저항을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따른 제어핀은 3차원 위글리 형상을 가지고 있기 때문에, 기존의 판형상의 제어핀과 대비하여 구조적 강도가 높아지는 장점이 있다.

본 발명에 따른 제어핀은 위글리 형상과 같은 3차원 형상을 가지고 있기 때문에, 선체와의 접착부가 넓어져서 외부 충격에 의한 파손이나 변형에 견디는 힘이 커지는 장점이 있을 뿐 아니라,

제어핀 주변의 압력차로 인해 발생하는 양력으로 추가적인 추력을 얻을 수 있게 되어 기존 제어핀보다 두께가 큰 경우에도 성능저하가 발생하지 않는 장점이 있다.

도 1은 종래의 제어핀이 선박에 마련된 상태를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 도 1의 제어핀을 비스듬하게 바라본 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어핀이 선박에 마련된 상태를 도시한 도면.
도 4는 도 3의 제어핀의 뒷부분을 비스듬하게 바라본 사시도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어핀의 사시도.

이하, 본 발명의 제어핀 및 선박을 첨부된 도면을 참조하면서 상세하게 설명하겠다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어핀이 선박의 우현에 마련된 상태를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 제어핀을 보다 자세하게 나타낸 사시도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 선박에 구비되는 제어핀(10)은, 선체의 선미부 스케그(S) 표면에 프로펠러 회전축의 중심선과 교차되도록 마련된다.

중앙평행부가 있는 일반 상선에서 선체의 중앙을 지난 유동은, 선미로 가면서 선저에서 올라오는 유동과, 선측으로부터 모이는 유동, 그리고 선체 중앙부 빌지로부터 발생되는 와유동(bilge vortex)이 만나서 스케그(S)를 지나는 특징이 있다.

또한 선체 표면의 마찰 및 선미 형상에 기인하여 스케그(S) 부근에서 하강하는 유동과 빌지에 의한 와유동이 선미에서 만나면서 매우 불균일한 유동이 프로펠러(P)로 유입된다.

이로 인해 프로펠러(P) 면에서의 속도 감소와 발달된 와유동에 기인하여 프로펠러(P) 추진 효율 저감 및 진동 등을 유발하게 된다.

본 실시예는 프로펠러(P)로 유입되는 와유동이 충분히 발달 되기 전 위치에 이상적인 선미 표면 유선(stream line)을 따르는 제어핀(10)을 마련하여 선미에서의 유동 방향과 와유동을 동시에 제어할 수 있다.

이러한 본 발명의 제어핀(10)은, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 주위의 유속을 보다 효과적으로 가속시켜 유선제어에 의한 선체 마찰 저항을 감소시킬 수 있도록 3차원 형상을 가지고 있다. 이러한 상기 제어핀(10)의 3차원 형상은, 중앙부의 두께(T_F1)가 길이방향 양 끝단의 두께(T_F2)에 비하여 큰 형상을 가질 수 있다. 구체적으로 제어핀(10)의 3차원 형상은 위글리(wigley) 형상일 수 있다. 이러한 위글리 형상의 제어핀(10)은 주위의 유속을 보다 효과적으로 가속시켜 유선제어에 의한 선체 마찰 저항을 감소시킬 수 있게 된다. 즉, 두께가 전체적으로 두꺼운 것이 아니라 양 끝단의 두께는 얇고 중앙의 두께가 두껍도록 구성되어 유동장 제어를 원활하게 하고 선체 마찰 저항을 감소시킬 수 있게 되는 것이다.

이때, 제어핀(10)의 중앙부분의 두께(T_F1)는 상기 제어핀(10)의 폭(W_F)의 50 ~ 80% 일 수 있으며, 이와 같이 제어핀(10)이 충분한 두께를 가지고 있음에 따라서 제어핀(10)이 외력에 의하여 변형되는 것을 최소화할 수 있게 된다.

이러한 제어핀(10)은, 외판(11)과 보강부재(12)를 포함하여 구성된다. 구체적으로 외판(11)은 위글리 형상을 가지며 전체적인 제어핀(10)의 외형을 구성하게 된다. 얇은 곡선판으로 구성된 외판(12)은 그 내부에는 소정의 내부공간이 마련되어 있게 된다.

상기 보강부재(12)는, 상기 외판(11) 내부의 공간 내에 설치되고 외판(11)의 구조적 강도를 보강하는 것이다. 이러한 상기 보강부재(12)는, 복수개가 상기 제어핀(10)의 길이방향을 따라서 배치되고, 각각의 보강부재(12)는 제어핀(10)의 길이방향과 직각인 방향으로 외판(11) 내부에 상기 외판(11)의 내면과 일체화되어 결합되어 있게 된다. 이러한 상기 보강부재(12)는, 각각이 대략 삼각형 형상을 가지되 그 중앙에 관통공(12a)이 마련되어 있게 된다.

또한 이러한 보강부재(12)는 용접등에 의하여 선체에 직접 결합되어 있게 되어 제어핀(10)과 선체와의 결합면적을 보다 크게 할 수 있어 선체로부터 제어핀(10)이 이탈되는 것을 최소화할 수 있다.

또한 외판(11)의 내부에 보강부재(12)가 형성되어 있음에 따라서 제어핀(10)의 구조적 강도를 전체적으로 증대시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 보강부재(12)에는 중앙에 관통공(12a)이 마련되어 있음에 따라서 좌굴과 같은 변형에 보다 효과적으로 대처할 수 있는 장점이 있게 된다.

한편, 상기 제어핀(10)은, 프로펠러 회전축 중심선과 평행한 수평선에 대해 후단부(도 3을 기준)가 갑판 방향으로 8 ~ 16도(α_F)로 경사지도록 마련될 수 있다. 이는 선저로부터 올라오는 유동 방향을 제어하여 프로펠러(P)의 면으로의 유입 유동을 개선하는 역할뿐만 아니라 선미 압력장을 변화시켜 저항을 감소시키는 역할도 한다.

제어핀(10)의 길이(L_F)는, 선체의 길이의 1 ~ 3%의 길이를 가질 수 있다. 이는 선저로부터 올라오는 유동을 원하는 방향으로 충분히 유도하여 스케그(S) 부근에서 하강하는 유동을 막기에 적합한 길이이다.

즉 제어핀(10)의 길이를 본 실시예와 같이 하면 프로펠러(P)로 유입되는 유동이 제어핀(10)을 타고 러더(R)의 상측부 방향으로 상승되므로 프로펠러(P)에서의 하강 유동이 감소 됨을 알 수 있다.

한편 본 실시예에서 선체의 길이라 함은 선체의 선수부 선단부터 선미부 후단까지의 전체 길이를 의미하며, 이는 후술하는 설명에서도 그대로 적용될 수 있다.

본 실시 예에서 제어핀(10)의 폭(W_F)은, 선체 길이의 1% 이내일 수 있고, 제어핀(10)의 폭을 본 실시예와 같이 하면 빌지 와유동(선체의 우현에서 반 시계 방향으로 회전되는 유동)을 막으면서도 제어핀(10)의 면적에 따른 마찰 저항의 증가가 작도록 할 수 있는 이점이 있다.

또한 본 실시 예에서 제어핀(10)은, 선체 횡단면의 수평축을 기준으로 갑판 방향으로 30도, 선저 방향으로 50도 범위 내에서 스케그(S)에 각도를 갖고 결합될 수 있다.

본 실시 예에서 제어핀(10)의 선체 측면에 대한 수평 방향 부착위치(X_F)는, 제어핀(10)의 선단이 프로펠러(P)의 면을 기준으로 선수 방향으로 선체 길이의 4 ~ 10%의 길이 범위 내에 있도록 위치될 수 있다.

이러한 위치는 프로펠러(P)의 면으로 유입되는 빌지 와유동이 충분히 발달 되기 이전의 위치이며, 전술한 위치에 제어핀(10)의 선단부를 배치하면 와유동을 효과적으로 억제할 수 있다.

본 실시예에서 제어핀(10)의 수직 방향 부착위치(H_F)는, 제어핀(10)의 선단이 선저면으로부터 연직 상방으로 선체 길이의 0.5 ~ 2%의 범위 내에 있도록 위치될 수 있다.

이러한 위치는 선저로부터 올라오는 유동이 빌지 와유동에 의한 교란을 적게 받는 위치이다. 따라서, 전술한 위치에 제어핀(10)의 선단부를 배치하면 선저로부터 올라오는 유동을 원하는 방향 및 위치로 흐르도록 제어할 수 있다.

한편 본 실시예에서 제어핀(10)은 선미의 스케그(S) 표면에 용접에 의하여 결합될 수도 있고, 선체의 제작 과정에서 선체와 일체로 제작될 수도 있다.

이러한 본 발명의 제어핀은 다음과 같은 장점을 가진다.

먼저, 본 발명은 선체에 부착되는 제어핀이 위글리 형상을 가짐에 따라서 충분한 두께를 가질 수 있으며 이에 따라서 구조적으로 충분한 강도를 가질 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 제어핀의 내부에 별도의 보강부재를 설치함에 따라서 보다 효과적으로 구조적 취약점을 보완할 수 있는 장점이 있게 된다.

또한, 본 발명은 제어핀의 형상이 중앙부분의 두께가 좌우측 단부의 두께보다 큰 위글리 형상을 가짐에 따라서 기존의 평판 형태의 핀보다 선체와의 접착부가 넓어져서 외부의 충격에 의한 파손이나 변형에 충분히 잘 견딜 수 있는 장점이 있다. 특히, 제어핀의 내부에 배치된 보강부재가 선체에 용접결합되는 경우에는 선체와의 접착면적을 더욱 커지게 하여 선체로부터 제어핀이 이탈되는 것도 방지할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 제어핀을 위글리 형상으로 함에 따라서 핀 주의위 유동속도차로 인해 발생하는 압력차로 양력을 발생시킬 수 있으며 이에 따라서 추가적인 추력을 얻을 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 제어핀이 위글리 형상으로 이루어져 있어 추가적인 추력을 얻을 수 있음에 따라서 기존 핀에 비해 성능 저하가 발생하지 않는 장점이 있게 된다.

이러한 본 발명의 제어핀은 위의 실시예에 한정되는 것은 아니며 다음과 같이 변형되는 것도 가능하다.

상술한 실시예에서는 위글리 형상의 외판 내부 공간 내에 보강부재가 설치되는 것을 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 도 5에 도시된 바와 같이 제어핀(20)에 보강부재가 없는 것도 가능하다.

또한, 상술한 실시예에서는 복수의 보강부재가 외판의 내부공간에 설치되는 것을 예시하였으나, 단일의 보강부재가 외판의 내부공간에 설치되는 것도 가능하다.

또한, 상술한 실시예에서는 보강부재가 대략 삼각형의 형상을 가지는 것을 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 제어핀의 외형 형상이 위글리 형상에서 다른 형상으로 변경되는 경우에는 제어핀의 형상에 맞게 형상변경이 가능함은 물론이다.

또한, 상술한 실시예에서는 각 보강부재의 중앙에 관통공이 형성되는 것을 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 별도의 관통공이 없는 구조도 가능함은 물론이다.

또한, 상술한 실시예에서는 제어핀의 3차원 형상으로 위글리 형상만을 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 NACA 등의 형상도 가능하며 기타 주위의 유속을 보다 효과적으로 가속시켜 유선제어에 의한 선체 마찰 저항을 감소시킬 수 있으며 위글리 형상보다 더 나은 효과를 가지는 3차원 형상이라면 다른 형상도 가능함은 물론이다.

이상과 같이 본 발명에 따른 제어핀의 구조를, 예시된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

10...제어핀 11...외판
12...보강부재 12a...관통공

Claims (8)

1. 선체의 선미부 스케그에 마련되고 프로펠러 회전축의 중심선과 교차되도록 경사져 배치되는 선박에 마련되는 제어핀으로서,
   상기 제어핀은 주위의 유속을 보다 효과적으로 가속시켜 유선제어에 의한 선체 마찰 저항을 감소시킬 수 있도록 중앙부의 두께가 길이방향 양 끝단의 두께에 비하여 큰 3차원 형상을 가지고 있으며
   상기 제어핀은 외부 형상을 구성하는 외판과, 상기 외판 내부의 공간 내에 설치되고 외판의 구조적 강도를 보강하는 보강부재를 포함하고,
   상기 보강부재는 각각이 삼각형 형상을 가지되 그 중앙에 관통공이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 선박에 마련된 제어핀.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어핀의 외판은 위글리(wigley) 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 선박에 마련되는 제어핀.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 보강부재는, 복수개가 상기 제어핀의 길이방향을 따라서 배치되고, 각각의 보강부재는 제어핀의 길이방향과 직각인 방향으로 외판 내부에 상기 외판의 내면과 일체화되어 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 선박에 마련되는 제어핀.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 보강부재는 일면이 상기 선체에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 선박에 마련되는 제어핀.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제어핀의 중앙부분의 두께는 상기 제어핀의 폭의 50 ~ 80% 인 것을 특징으로 하는 선박에 마련되는 제어핀.
8. 제1항, 제2항, 제4항, 제6항 및 제7항 중 어느 하나의 항에 기재된 제어핀을 구비하는 선박.

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