KR102051651B1 - 러더팁 볼텍스에 의한 양력감소 방지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자유류(11) 상으로 유동하는 러더(20)에서 볼텍스에 의한 양력감소를 방지하는 장치에 있어서: 상기 러더(20)의 저면에 복수의 분사구(30)를 설치하고, 분사구(30) 상으로 워터젯(35)을 분사하여 박리(13)가 발생하는 시점을 지연시키는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 러더팁 볼텍스와 자유류의 상호작용 약화로 러더팁에서 박리현상이 발생하는 시점을 지연시켜 러더의 형상저항 감소와 양력증가로 인한 조종성능 향상을 도모하는 효과가 있다.

Description

러더팁 볼텍스에 의한 양력감소 방지장치{Apparatus for preventing lift force reduction by rudder-tip vortex}

본 발명은 선박 러더팁의 양력감소 방지장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 러더팁에서 박리현상이 발생하는 시점을 지연시켜 러더의 형상저항 감소와 양력증가로 인한 조종성능 향상을 도모하는 러더팁 볼텍스에 의한 양력감소 방지장치에 관한 것이다.

통상적으로 받음각이 있는 경우 러더팁(Rudder tip)에서 발생한 팁볼텍스(tip-vortex)와 러더 전방에서 유입되는 자유류가 상호작용을 통해 박리현상(separation)을 심화시킨다. 이로 인해 러더의 형상저항이 증가하고 양력이 감소하여 조종성능에 악영향을 준다. 이와 관련되는 선행특허로서, 한국 등록특허공보 제1024550호, 한국 공개특허공보 제2013-0036968호 등이 알려져 있다.

전자의 선행특허는 선박의 선미부에 설치되는 키로서, 익형의 단면을 갖는 몸체부; 및 상기 몸체부의 표면을 따라 이동하는 유체의 흐름에 대해 비스듬한 방향으로 상기 몸체부의 표면에 설치되는 돌기부를 포함하는 선박용키는 몸체부 표면에 돌기부를 설치하여 몸체부의 표면을 따라 이동하는 유체에 에너지를 공급하는 와류를 발생시킨다. 이에 따라, 높은 받음각을 갖는 경우에도 이동 유체가 키의 표면으로부터 박리되는 것을 방지하여 양력을 유지하는 효과를 기대한다.

후자의 선행특허는 선체; 상기 선체의 진행 방향을 제어하도록 상기 선체에 회동 가능하게 결합되며, 내부의 적어도 일 영역에 배관이 형성되는 러더; 상기 배관과 연통되도록 상기 러더에 마련되어 외부로 워터젯(waterjet)을 분사하는 노즐부; 및 상기 배관을 통해 상기 노즐부에 물을 공급하는 물공급부를 포함한다. 이에 따라, 피쉬테일 러더와 같이 러더의 양력을 증가시키고 피쉬테일 러더의 단면 형상에 기인한 저항 증가를 제거하는 효과를 기대한다.

그러나, 전자의 선행특허에 의한 돌기부는 선박의 운항 과정에서 변형이나 마모에 의하여 기능적 약화가 급속하게 진행되고, 후자의 선행특허에 의한 워터젯은 러더의 측면으로 분사되어 자유류의 방향이나 러더의 각도 변화에 기인한 기능 변동이 심하다.

1. 한국 등록특허공보 제1024550호 "선박용 키"(공개일자 : 2010. 03. 15.) 2. 한국 공개특허공보 제2013-0036968호 "러더 워터젯 장치를 구비한 선박"(공개일자 : 2013. 04. 15.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 러더팁 볼텍스와 자유류의 상호작용 약화로 러더팁에서 박리현상이 발생하는 시점을 지연시켜 러더의 형상저항 감소와 양력증가로 인한 조종성능 향상을 도모하는 러더팁 볼텍스에 의한 양력감소 방지장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 자유류(11) 상으로 유동하는 러더(20)에서 볼텍스에 의한 양력감소를 방지하는 장치에 있어서: 상기 러더(20)의 저면에 복수의 분사구(30)를 설치하고, 분사구(30)에서 수직한 방향으로 워터젯(35)을 분사하여 박리(13)가 발생하는 시점을 지연시키는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 분사구(30)는 일자형 또는 V자형으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 분사구(30)는 자유류(11)의 흐름 방향을 기준으로 상류측과 하류측에서 워터젯(35)의 분사압을 다르게 유지하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 러더팁 볼텍스와 자유류의 상호작용 약화로 러더팁에서 박리현상이 발생하는 시점을 지연시켜 러더의 형상저항 감소와 양력증가로 인한 조종성능 향상을 도모하는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 러더에서 유동의 박리 상태를 나타내는 모식도
도 2는 본 발명에 따른 러더에서 유동의 박리 상태를 나타내는 모식도
도 3은 종래와 본 발명의 러더를 종단하여 비교하는 모식도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 자유류(11) 상으로 유동하는 러더(20)에서 볼텍스에 의한 양력감소를 방지하는 장치에 관련된다. 선박의 러더(20)는 설정된 각도 범위 내에서 좌우로 회전하는 구조로서 일정 각도 이상으로 회전되면 볼텍스에 의한 저항이 급격하게 증가하기 시작한다.

도 1을 참고하면, 선박이 추진되는 동안 자유류(11)가 유선형의 러더(20)에 충돌한 후 표면을 따라 유동하고, 이와 동시에 러더(20)의 하단(저면)에서 팁볼텍스(15)가 형성되어 상호작용을 일으킨다. 이에 따라 표면을 흐르는 자유류(11)가 떨어져 나가 박리(13) 현상을 유발하면 조종성능이 저하되고 불필요한 에너지소모도 증가하게 된다.

본 발명에 따르면 상기 러더(20)의 저면에 복수의 분사구(30)를 설치하고, 분사구(30) 상으로 워터젯(35)을 분사하여 박리(13)가 발생하는 시점을 지연시키는 구조를 요지로 한다. 분사구(30)는 러더(20)와 헤드박스(22)의 내부에 설치되는 배관(도시 생략)을 통하여 외부의 물분사장치(도시 생략)와 연결된다. 자유류(11)가 유동하는 방향을 기준으로 상류와 하류로 구분할 때, 분사구(30)의 위치는 러더(20)의 저면에서 하류측으로 편중되도록 한다.

도 2를 참고하면, 분사구(30)가 형성된 부분에서 워터젯(35)이 분사되어 팁볼텍스(25)를 약화시키므로 상호작용이 감소하여 자유류(11)의 박리(13)가 발생하는 개시점이 러더(20)의 하류측으로 이동한다. 이와 같이 박리(13)의 시점이 지연된 위치에서 발생하면 러더(20)의 형상저항이 감소하고 양력이 증가하여 조정성능의 향상을 기대할 수 있다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 분사구(30)는 일자형 또는 V자형으로 배치되는 것을 특징으로 한다. 선박의 종류와 크기에 따라서 러더(20)의 단면 형상이 달라진다. 러더(20)의 두께가 얇은 경우라면 분사구(30)를 일자형으로 배치하지만 두께가 증가할수록 V자형의 배치를 적용하는 것이 선호된다. 어느 경우에나 분사구(30)는 모두 동일한 직경으로 형성할 수도 있고, 순차적으로 변동되는 직경으로 형성할 수도 있다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 분사구(30)는 자유류(11)의 흐름 방향으로 워터젯(35)의 분사압을 다르게 유지하는 것을 특징으로 한다. 각각의 분사구(30) 상에 전기로 구동되는 유량조절밸브를 설치하여 개도를 변동하면 분사압이 순차적으로 변동된다. 러더(20)의 저면에서 상류측의 분사구(30)는 분사압을 높게 하류측의 분사구(30)는 상대적으로 분사압을 낮게 유지한다.

이와 같이 각각의 분사구(30)에 대한 분사압을 개별적으로 제어하는 경우 러더(20)의 회전각도, 자유류(11)의 속도와 물성(온도, 밀도) 등의 조건에 대응하여 최적의 조건으로 박리(13) 시점을 유지할 수 있다.

도 3(a)는 도 1에 의한 팁볼텍스(15)를 나타내고 도 3(b)는 도 2에 의한 팁볼텍스(15)(25)를 나타낸다. 도시에서 H는 고압이 작용하는 부분이고 L은 저압이 작용하는 부분이다. 도 3(b)처럼 고압측(H)에서 저압측(L)으로 팁볼텍스(15)가 발생하지만 러더(20)의 저면에서 워터젯(35)이 분사되면 팁볼텍스(25)가 하향 이동되어 상호작용을 감소시킨다.

본 발명의 분사구(30)를 러더(20)의 측면에 설치하는 것에 비하여 저면에 설치하는 것이 러더(20)의 회전각도와 무관하게 안정적인 팁볼텍스(25)를 유지하여 상호작용을 감소하는 측면에서 유리하다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

11: 자유류 13: 박리
15: 팁볼텍스 20: 러더
22: 헤드박스 25: 팁볼텍스
30: 분사구 35: 워터제트

Claims (3)

1. 자유류(11) 상으로 유동하는 러더(20)에서 볼텍스에 의한 양력감소를 방지하는 장치에 있어서:
   상기 러더(20)의 저면에 복수의 분사구(30)를 설치하고, 분사구(30)에서 워터젯(35)을 자유류(11)에 수직한 방향으로 분사하여 박리(13)가 발생하는 시점을 지연시키는 것을 특징으로 하는 러더팁 볼텍스에 의한 양력감소 방지장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 분사구(30)는 일자형 또는 V자형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 러더팁 볼텍스에 의한 양력감소 방지장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 분사구(30)는 자유류(11)의 흐름 방향을 기준으로 상류측과 하류측에서 워터젯(35)의 분사압을 다르게 유지하는 것을 특징으로 하는 러더팁 볼텍스에 의한 양력감소 방지장치.

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