KR102150102B1 - 선박용 프로펠러 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 선박용 프로펠러는, 허브; 상기 허브로부터 반지름 방향(radial direction)으로 돌출된 블레이드; 상기 블레이드의 가장자리에서 돌출된 핀(fin);을 포함한다.

Description

선박용 프로펠러{Ship propeller}
본 발명의 실시 예는 선박에서 사용되는 프로펠러에 관한 것이다.
일반적으로 선박에는 엔진으로부터 발생하는 구동력을 전달받는 프로펠러가 설치된다. 프로펠러가 회전하면, 프로펠러의 블레이드 전후에서 발생되는 압력 차이로 인해 선박을 추진하는데 필요한 추력이 발생한다.
이때, 프로펠러의 회전시 프로펠러 블레이드의 가장자리 부분에서는 와류(vortex)가 발생한다. 이러한 와류는 프로펠러의 추력을 감소시키는 원인이 된다.
이에 따라 종래에는 프로펠러의 추진 효율을 향상하기 위해 프로펠러 블레이드의 팁에 추가로 핀을 연장 형성하여 와류 발생을 억제하는 구성이 제시되었으나, 프로펠러 블레이드의 팁으로부터 각각의 핀이 연장됨으로 인해 전체 프로펠러 블레이드의 길이 변화로 인한 전진비의 이동으로 효율이 감소하는 문제가 있다. 한편 프로펠러 팁 부분에서 압력면과 흡입면을 동시에 감싸는 판을 부착하는 구성이 제시되었으나, 흡입면에서 캐비테이션(cavitation)이 발생하는 문제가 있음이 알려져 있다.
특허공개공보 제10-2016-0135522호 (공개일 2016.11.28.)
본 발명의 일 목적은 프로펠러에 연결/부착되는 핀에 의한 저항 증가를 최소로 하면서, 프로펠러의 단독효율을 증가시키는 선박용 프로펠러 및 프로펠러의 설계 방법을 제공하는 것이다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 선박용 프로펠러는, 허브; 상기 허브로부터 반지름 방향(radial direction)으로 돌출된 블레이드; 상기 블레이드의 가장자리에서 돌출된 핀(fin);을 포함한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 핀은 상기 블레이드의 압력면 또는 흡입면 중 어느 한 면을 향해 돌출될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 블레이드는, 상기 블레이드의 앞전에서 기울기가 꺾이는 뾰족점을 가지고, 상기 핀은, 상기 블레이드의 팁(tip)에서부터 상기 뾰족점까지 연장될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 핀은, 상기 블레이드의 팁에서부터 상기 블레이드와 상기 허브가 만나는 지점까지 연장될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 핀은, 상기 블레이드에 상기 핀이 배치되기 전에, 상기 블레이드가 설계 속도로 기동하는 선박에서 작동함을 가정하여 상기 블레이드 주위를 흐르는 유체의 유동장을 시뮬레이션할 때, 상기 가장자리에서 상기 허브의 중심축에 평행한 방향으로의 상기 유체의 유속이 0 (또는 0에 충분히 가까운)인 영역에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 선박용 프로펠러의 설계 방법은, i) 설계 속도로 기동하는 선박에서 프로펠러가 작동함을 가정하여, 블레이드 주위를 흐르는 유체의 유동장을 제1 시뮬레이션하는 단계, ii) 시뮬레이션된 유동장에서, 블레이드 가장자리의 유체의 x 방향 속도가 0인 최적 영역을 산출하는 단계, iii) 상기 최적 영역에 핀을 위치시킨 후, 핀이 부착된 블레이드 주위를 흐르는 유체의 유동장을 제2 시뮬레이션하여 제1 시뮬레이션의 결과와 비교하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 주어진 회전수에서 핀에 의한 저항 및 토크의 증가에 의한 손해 및 추력의 증가에 의한 이득 간의 상충(trade-off) 관계에서, 프로펠러의 단독효율을 증가시킬 수 있는 핀의 최적 위치, 폭 및 길이를 도출할 수 있다. 더 상세하게는, 블레이드에서 와류가 생성되는 원인이 되는 영역에만 핀을 부착/연결/배치함으로써 핀 자체 저항을 최소화하면서 프로펠러의 단독효율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 선박용 프로펠러를 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 프로펠러를 II-II' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 3 및 도 4는 각각 다른 형상을 가지는 블레이드를 포함하는 프로펠러의 정면도이다.
도 5는 핀을 블레이드에 부착하기 전의 프로펠러에서의 유속 및 스트림라인을 도시한 그림이다.
도 6은 핀을 블레이드에 부착한 후의 프로펠러에서의 유속 및 스트림라인을 도시한 그림이다.
도 7은 핀을 블레이드에 부착하기 전후 블레이드 주위의 유동장을 나타낸 그림이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 선박용 프로펠러를 나타낸 사시도이고, 도 9는 도 8의 프로펠러의 정면도, 상면도, 우측면도를 나타낸 그림이다.
도 10은 핀이 부착되기 전 프로펠러 및 x축에 수직인 여러 개의 평면으로 프로펠러를 자른 단면을 나타낸 그림이다.
도 11은 도 10의 P1~P5 평면에서의 유체의 속도를 시뮬레이션한 그림이다.
도 12는 핀이 부착된 후의 프로펠러를 나타낸 그림이다.
도 13은 핀을 블레이드에 부착하기 전후 블레이드 주위의 스트림라인을 시뮬레이션한 그림이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하의 실시 예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용된다.
이하의 실시 예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시 예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
어떤 실시 예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 단계는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 단계는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 수행될 수도 있다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
본 명세서에서, x축은 선박의 선수와 선미를 지나는 축이고, y축은 선박의 좌현(port)과 우현(starboard)을 지나는 축이며, z축은 선박의 선저와 상갑판을 지나는 축이다.
본 명세서에서, 설계 속도란 선박에 장착되는 주 엔진(main engine)의 최대 출력의 85% 또는 90%에서 낼 수 있는 속도로, 선박 건조계약에서의 계약조건으로 조선소가 만족시켜야 하는　속도를 의미한다.
본 명세서에서 '시뮬레이션'이란, 전산유체역학(CFD)을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션 또는 모형 선박을 이용한 모형 시뮬레이션을 포함할 수 있다. 이때 시뮬레이션을 통해 도출되는 유체의 속도 및 스트림라인의 모양은 프로펠러의 모양 및 설계 속도(또는 선박 주위를 지나는 유체의 속도)마다 다를 수 있다. 그러나 프로펠러의 모양 및 설계 속도가 고정되는 경우, 프로펠러 주위의 유체의 속도 및 스트림라인의 모양은 시뮬레이션을 통해 명확하게 정의될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 선박용 프로펠러(10)를 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 프로펠러(10)를 II-II' 선을 따라 자른 단면도이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 선박용 프로펠러(10)는, 허브(110), 블레이드(120), 핀(130)을 포함한다. 도 1을 참조하면, 프로펠러(10)의 중심에는 허브(110)가 배치된다. 허브(110)는 엔진의 운동에너지를 전달하는 구동축(미도시)과 연결되어 x축을 중심으로 회전할 수 있다.
허브(110)에는 복수 개의 블레이드(120)가 연결될 수 있다. 블레이드(120)는 허브(110)로부터 반지름 방향(radial direction)으로 돌출된다. 허브(110)가 회전할 때, 블레이드(120) 역시 같이 x축을 중심으로 회전할 수 있다. 블레이드(120)의 z축 수직 단면은 유선형을 이룰 수 있다. 블레이드(120)는 얇게 형성된 가장자리를 경계로 압력면(120PS)과 흡입면(120SS)으로 나뉠 수 있다. 블레이드(120)의 가장자리는 허브(110)에서 가장 멀리 떨어진 팁(120T)을 경계로 앞전(120LE)(leading edge)과 뒷전(120TE)(trailing edge)으로 나뉠 수 있다. 블레이드(120)의 압력면(120PS)을 통과하는 유체와, 흡입면(120SS)을 통과하는 유체의 압력 차이로 인하여 블레이드(120)는 압력면(120PS)에서 흡입면(120SS)을 향하는 방향(-x 방향)으로 힘을 받게 된다.
프로펠러(10)의 바깥에서, 프로펠러(10)를 향해 x 방향으로 흐르던 유체는 프로펠러(10)의 회전으로 인해 회전류로 전환된다. 이와 같은 회전류는 와류(vortex)를 발생시킨다. 와류는 프로펠러(10)에 의한 추력을 감소시키는 원인이 된다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 선박용 프로펠러(10)는 블레이드(120)의 가장자리에서 돌출된 핀(130)을 포함한다. 핀(130)은 블레이드(120)의 압력면(120PS) 또는 흡입면(120SS) 중 어느 한 면을 향해 돌출될 수 있으나 이하에서는 핀(130)이 블레이드(120)의 압력면(120PS)을 향해 돌출된 것을 위주로 설명한다. 도 2의 확대된 그림을 참조하면, 핀(130)의 단면은 삼각형일 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 단면에서, 핀(130)과 블레이드(120) 가장자리가 이루는 각도는 90도 이상일 수 있다.
핀(130)은 블레이드(120)의 가장자리에서 근처에서 발생하는 와류(vortex)를 감소시키는 역할을 수행한다. 이에 따라 프로펠러(10)는 더 높은 추력을 낼 수 있게 된다. 그러나 핀(130)은 그 자체로 저항으로 작용하는바, 크기 및 길이를 지나치게 키우거나 위치를 잘못 선정하는 경우 저항 및 토크(torque)를 증가시켜 프로펠러(10)의 효율을 감소시킨다. 따라서 프로펠러(10)의 효율을 증가시키기 위해서는, 핀(130)을 블레이드(120) 가장자리 전체에 부착하기보다는 위치 및 길이를 적절히 설계하여 부착하는 것이 중요하다.
도 3 및 도 4는 각각 다른 형상을 가지는 블레이드(120)를 포함하는 프로펠러(10)의 정면도이다.
일 실시 예에 따르면, 핀(130)은 블레이드(120)의 앞전(120LE)에 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 블레이드(120)는 앞전(120LE)에서 기울기가 꺾이는 뾰족점(120SP)을 가지고, 핀(130)은 블레이드(120)의 팁(120T)에서부터 뾰족점(120SP)까지 연장될 수 있다. 팁(120T)은 블레이드(120)에서 허브(110)로부터 가장 거리가 먼 지점을 의미한다. 한편 도 3을 참조하면, 고속회전용 프로펠러(10)에서는 블레이드(120)의 앞전(120LE)의 기울기가 급격하게 꺾이는 뾰족점(120SP)이 있을 수 있는데, 이 경우 핀(130)은 팁(120T)에서부터 뾰족점(120SP)까지 연장될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 핀(130)은 팁(120T)에서부터 블레이드(120)와 허브(110)가 만나는 지점까지 연장될 수 있다. 도 4를 참조하면, 블레이드(120)는 급격히 꺾이는 지점 없이 부드러운(smooth) 형상을 가질 수 있는데, 이 경우 핀(130)은 팁(120T)에서부터 허브(110)의 외면까지 연장될 수 있다.
본 발명자는 수많은 실험 끝에 상술한 것과 같이 핀(130)을 위치시키는 경우 1000rpm 이상에서 사용되는 다양한 종류의 고속회전용 프로펠러(10)의 효율을 평균적으로 증가시킬 수 있음을 발견하였다. 나아가, 본 발명자는 각기 다른 모양과 크기를 가지는 고속회전용 프로펠러(10)마다 최적의 효율을 내도록 핀(130)의 위치를 결정하는 방법을 발견하였는데, 이하 이에 관해 서술한다.
핀(130)의 위치는, 블레이드(120)에 핀(130)이 부착/연결되기 전의 블레이드(120) 주위의 유동장을 시뮬레이션한 후에 설계/결정될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 핀(130)은, 프로펠러(10)가 핀(130)이 없는 상태의 설계 속도로 기동하는 선박에서 작동함을 가정하여 블레이드(120) 주위를 흐르는 유체의 유동장을 시뮬레이션할 때, 블레이드(120)의 가장자리에서 허브(110)의 중심축에 평행한 방향으로의 유체의 유속이 0인 지점을 따라 배치될 수 있다.
도 5는 핀(130)을 블레이드(120)에 부착하기 전의 프로펠러(10')에서의 유속 및 스트림라인을 도시한 그림이다. 이하의 도면에서, 빨간색으로 표시된 곳은 유체의 상대 속도가 1인 기준 영역(reference)이다. 색깔을 구분하는 각각의 선은 상기 기준 속도에서 10%씩 감소하는 속도 지점을 이은 등유속선이다. 파란색으로 표시된 곳은 상대 속도가 0인 곳으로, 유체가 정체되는 곳을 의미한다.
도 5의 왼쪽 그림을 참조하면, 블레이드(120)의 앞전(120LE) 쪽에 유속이 0인 영역이 존재한다. 이 영역은 유체가 정체되어 있거나 와류(vortex)가 발생하는 영역으로, 프로펠러(10)의 추력을 감소시키는 원인이 된다. 도 5의 오른쪽 그림을 참조하면, 핀(130)을 부착하기 전 블레이드(120)의 가장자리 중 앞전(120LE)에서 특히 스트림라인이 복잡하게 꼬여 있는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서는, 핀(130)이 없는 상태에서의 프로펠러(10') 주위의 유동장을 시뮬레이션한 후, 블레이드(120)의 가장자리에서 유체의 x 방향 속도가 0인 영역에 핀(130)을 배치한다. 즉 도 5의 프로펠러(10')에서는 블레이드(120)의 파란색으로 표시된 영역에 해당하는 위치의 압력면(120PS)에 핀(130)이 배치될 수 있다.
한편 유체의 x 방향 속도가 0인 영역은, 속도가 완벽히 0인 영역을 의미하는 것은 아니며 0에 충분히 가까운 영역으로 이해되는 것이 바람직하다. 예컨대, 유체의 x 방향 속도가 0인 영역은 유체의 상대 속도가 1인 기준 영역에서의 속도를 기준으로 약 0~10%의 속도를 가지는 영역을 의미할 수 있다.
도 6은 핀(130)을 블레이드(120)에 부착한 후의 프로펠러(10)에서의 유속 및 스트림라인을 도시한 그림이다.
도 6의 왼쪽 그림을 참조하면, 도 5의 왼쪽 그림과 비교할 때 핀(130)을 부착한 후 유속이 0인 영역이 눈에 띄게 감소하였음을 확인할 수 있다. 또한 도 6의 오른쪽 그림을 참조하면, 도 5의 오른쪽 그림과 비교할 때 핀(130)을 부착한 후 앞전(120LE)에서의 스트림라인이 단순화되었음을 확인할 수 있다.
도 7은 핀(130)을 블레이드(120)에 부착하기 전후 블레이드(120) 주위의 유동장을 나타낸 그림이다. 도 7의 (a) 열에 위치한 그림은, 핀(130)을 블레이드(120)에 부착하기 전 x축에 수직인 여러 개의 단면에서의 유속을 나타낸다. 이때 각 그림의 네모 박스(box) 영역을 참조하면, 각 단면과 블레이드(120)가 만나는 점 부근에 유속이 0인 파란색 영역이 형성됨을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서는, 블레이드(120)와 x축에 수직인 단면이 만나는 지점에서 유체의 x축 방향 속도가 0인 지점을 산출한다. 이후, x축에 수직인 단면의 위치를 바꿔가면서 블레이드(120)의 가장자리에서 유체의 x축 방향 속도가 0인 '구간'을 산출한다. 이후 상기 '구간'은 핀(130)이 위치할 영역으로 결정된다.
도 7의 (b) 열에 위치한 그림은, 핀(130)을 블레이드(120)에 부착한 후 x축에 수직인 여러 개의 단면에서의 유속을 나타낸다. 각 그림의 네모 박스(box) 영역을 참조하면, 각 단면과 블레이드(120)가 만나는 지점 부근에 형성되었던 파란색 영역의 크기가 (a) 열에 비해 작아졌음을 확인할 수 있다.
아래 [표 1]은 핀(130) 부착 전후 일 실시 예에 따른 프로펠러(10)의 추력, 토크 및 효율의 차이를 나타낸다. 일 실험예에서, 시뮬레이션 상에서의 프로펠러(10)의 rpm은 3000이었고 프루드수(Froude number)를 맞추기 위한 유체의 속도는 10m/s이었다. 프로펠러(80)의 직경은 0.38m 이었다.
추력(Thrust) 토크(torque) 단독효율(ηo)
핀 없음 13869.3[N] 차이(%) 968.4[Nm] 차이(%) 0.456 차이(%)
핀 부착 13512.5[N] -2.6 906.3[Nm] -6.4 0.475 4.2
위 [표 1]을 참조하면, 고속회전용 프로펠러에서는 핀(130)을 부착한 후에 추력과 토크가 모두 감소하였다. 그러나 토크의 감소 비율이 추력의 감소 비율보다 커, 핀(130) 부착 이후 프로펠러(10)의 단독효율(ηo)이 부착 전 프로펠러(10')에 비해 4.2% 증가하였음을 확인할 수 있다. 즉 상술한 것과 같은 방법으로 도출한 위치에 핀(130)을 부착하게 되면, 저항의 증가를 최소화하면서 유동장을 변화시켜 프로펠러(10)의 전체적인 효율을 향상시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 선박용 프로펠러(80)를 나타낸 사시도이고, 도 9는 도 8의 프로펠러(80)의 정면도, 상면도, 우측면도를 나타낸 그림이다.
일 실시 예에 따르면, 블레이드(820)는 앞전(820LE)과 뒷전(820TE) 사이에 비교적 평평한 영역을 가질 수 있다. 핀(830)은 이러한 평평한 영역의 전부 또는 일부에 배치될 수 있다.
본 발명자는 수많은 실험 끝에 상술한 것과 같이 핀(830)을 위치시키는 경우 1000rpm 이하에서 사용되는 다양한 저속회전용 프로펠러(80)의 효율을 평균적으로 증가시킬 수 있음을 발견하였다. 나아가, 본 발명자는 각기 다른 모양과 크기를 가지는 저속회전용 프로펠러(80)마다 최적의 효율을 내도록 핀(830)의 위치를 결정하는 방법을 발견하였는데, 이하 이에 관해 서술한다.
핀(830)의 위치는, 블레이드(820)에 핀(830)이 부착/연결되기 전의 블레이드(820) 주위의 유동장을 시뮬레이션한 후에 설계/결정될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 핀(830)은, 프로펠러(80)가 핀(830)이 없는 상태의 설계 속도로 기동하는 선박에서 작동함을 가정하여 블레이드(820) 주위를 흐르는 유체의 유동장을 시뮬레이션할 때, 블레이드(820)의 가장자리에서 허브(810)의 중심축에 평행한 방향으로의 유체의 유속이 0인 지점을 따라 배치될 수 있다.
도 10은 핀(830)이 부착되기 전 프로펠러(80) 및 x축에 수직인 여러 개의 평면으로 프로펠러(80)를 자른 단면을 나타낸 그림이다.
도 10을 참조하면, 프로펠러(80)를 둘러싸는 가상의 덕트(D)에 x축에 수직인 여러 개의 평면(P1~P5)이 나타나 있고, 각 평면(P1~P5)이 블레이드(820)의 가장자리와 만나는 지점은 각각 820P1~820P5로 표시되어 있다.
본 발명의 일 실시 예에서는, x축에 수직인 평면을 x 방향을 따라 움직여가면서, 각 평면에서의 유체의 속도를 시뮬레이션하여 산출한 후 유체의 x 방향 속도가 0인 지점 또는 영역을 찾는다.
도 11은 도 10의 P1~P5 평면에서의 유체의 속도를 시뮬레이션한 그림이다.
도 11을 참조하면, 블레이드(820)와 P1 평면의 교점(820P1) 및 블레이드(820)와 P2 평면의 교점(820P2) 부근에는 x축 속도가 0인 파란색 영역이 관찰되지 않는다. 그러나 P3 평면에서, 블레이드(820)와 P3 평면의 교점(820P3) 부근의 네모 박스 영역에서 유속이 0인 파란색 영역이 관찰되기 시작한다. P4, P5 평면에서는 블레이드(820)와 P4, P5 평면의 교점(820P4, 820P5) 부근의 네모 박스 영역에서 유속이 0인 파란색 영역이 뚜렷하게 나타난다. 즉 점 820P1, 820P2는 유체의 x 방향 속도가 0이 아니므로 와류가 생성되기 시작하는 점이 아니며, 점 820P3, 820P4, 820P5는 유체의 x 방향 속도가 0이므로 와류가 생성되기 시작하는 점이다. 즉 도 10의 모양을 가지는 블레이드(820)에서는, 점 820P3에서부터 점 820P5까지의 구간이 x축 유속이 0인 구간으로 와류가 생성되는 영역임을 확인할 수 있다. 위에서는 단면을 5개로 예시하였으나, 단면의 간격을 충분히 작게 하여 단면의 개수를 늘리는 경우, 블레이드(820)의 경계에서 유속이 0인 영역의 범위를 정확하게 파악할 수 있게 된다.
도 12는 핀(830)이 부착된 후의 프로펠러(80)를 나타낸 그림이다.
도 10 내지 도 12를 비교하면, 평면과 블레이드(820)의 가장자리가 만나는 지점 중 x축 유속이 0인 지점에만 핀(830)이 배치된다. 즉 핀(830)은 블레이드(820)의 가장자리 전체에 걸쳐 부착되는 것이 아니라, 시뮬레이션한 결과를 토대로 블레이드(820) 가장자리의 일부, 특히 x축 유속이 0인 구간에 부착될 수 있다.
도 13은 핀(830)을 블레이드(820)에 부착하기 전후 블레이드(820) 주위의 스트림라인을 시뮬레이션한 그림이다. 도 13의 (a) 열에 위치한 그림은, 핀(830)을 블레이드(820)에 부착하기 전 블레이드(820)의 팁(820T) 부근에서의 스트림라인을 나타내며, (b) 열에 위치한 그림은 핀(830)을 블레이드(820)에 부착한 후 블레이드(820)의 팁(820T) 부근에서의 스트림라인을 나타낸다. (a)와 (b)를 비교하면, 핀(830)에 의해 유체의 속도가 0인 영역의 크기가 줄어든 것을 확인할 수 있다.
아래 [표 2]은 본 발명의 일 실시 예에 따른 프로펠러(80)의 핀(830) 부착 전후의 추력, 토크 및 효율의 차이를 나타낸다. 일 실험예에서, 시뮬레이션 상에서의 프로펠러(80)의 rpm은 500이었고 프루드수(Froude number)를 맞추기 위한 유체의 속도는 2m/s이었다. 프로펠러(80)의 직경은 0.26m이었다.
추력(Thrust) 토크(torque) 단독효율(ηo)
핀 없음 22.4443[N] 차이(%) 0.8844[Nm] 차이(%) 0.5048 차이(%)
핀 부착 23.4999[N] 4.70 0.9135[Nm] 3.28 0.5112 1.38
위 [표 2]를 참조하면, 저속회전용 프로펠러에서는 핀(830)을 부착한 후에 추력과 토크가 모두 증가하였다. 그러나 토크의 증가 비율이 추력의 증가 비율보다 작아, 핀(830) 부착 이후 프로펠러(80)의 단독효율(ηo)이 부착 전 프로펠러(10')에 비해 1.38% 증가하였음을 확인할 수 있다. 즉 상술한 것과 같은 방법으로 도출한 위치에 핀(830)을 부착하게 되면, 저항의 증가를 최소화하면서 유동장을 변화시켜 프로펠러(80)의 전체적인 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예와 달리 핀을 불필요하게 길고 크게 설계하면, 추력은 증가하지만 토크 역시 더 크게 증가하여 프로펠러의 단독효율이 낮아지게 된다.
상술한 핀의 최적 위치 선정 방법은, 이미 제조된 프로펠러에 핀을 부착하여 효율을 향상시키거나 새로운 프로펠러를 설계할 때 이용될 수 있다.
일 실시 예에 따른 선박용 프로펠러의 설계 방법은, i) 설계 속도로 기동하는 선박에서 프로펠러가 작동함을 가정하여, 블레이드 주위를 흐르는 유체의 유동장을 제1 시뮬레이션하는 단계, ii) 시뮬레이션된 유동장에서, 블레이드 가장자리의 유체의 x 방향 속도가 0인 최적 영역을 산출하는 단계, iii) 상기 최적 영역에 핀을 위치시킨 후, 핀이 부착된 블레이드 주위를 흐르는 유체의 유동장을 제2 시뮬레이션하여 제1 시뮬레이션의 결과와 비교하는 단계를 포함한다.
상술한 것과 같은 방법으로 프로펠러를 설계하면, 핀에 의한 저항 및 토크의 증가에 의한 손해 및 추력의 증가에 의한 이득 간의 상충(trade-off) 관계에서, 프로펠러의 단독효율을 증가시킬 수 있는 핀의 최적 위치 및 길이를 도출할 수 있다. 더 상세하게, 본 발명에 따르면 블레이드에서 와류가 생성되는 원인이 되는 영역에만 핀을 부착/연결/배치함으로써 핀 자체 저항을 최소화하면서 프로펠러의 단독효율을 증가시킬 수 있다.
한편, 상술한 실시 예에서는 핀이 블레이드에 한 개 배치된 것을 예시하였으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 블레이드의 가장자리에서 유체의 x방향 속도가 0인 영역이 복수 개 있는 경우, 핀 역시 복수 개 배치될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 프로펠러 110: 허브
120: 블레이드 120PS: 압력면
120SS: 흡입면 120LE: 앞전
120TE: 뒷전 120T: 팁
130: 핀

Claims (6)

  1. 엔진의 구동축과 연결되어 회전 가능하도록 구비된 허브;
    상기 허브로부터 반지름 방향(radial direction)으로 돌출된 것으로, 상기 허브의 회전에 따라 회전하고, 상기 허브에서 가장 멀리 떨어진 팁을 경계로 앞전과 뒷전으로 나뉘도록 구비된 블레이드;
    상기 블레이드의 가장자리에서 돌출된 핀(fin);을 포함하고,
    상기 핀은 그 자체로 인한 저항을 줄이고 상기 블레이드의 가장자리 부근에서 발행하는 와류를 감소시킬 수 있는 길이 및 위치를 갖도록 상기 블레이드에 결합되고,
    상기 핀이 상기 블레이드에 결합되는 길이 및 위치는, 상기 블레이드에 상기 핀이 배치되기 전을 기준으로 블레이드 주위에 유체가 정체되는 영역에 대응되는 길이 및 위치인, 선박용 프로펠러.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 핀은 상기 블레이드의 압력면 또는 흡입면 중 어느 한 면을 향해 돌출된, 선박용 프로펠러.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드는,
    상기 블레이드의 앞전에서 기울기가 꺾이는 뾰족점을 가지고,
    상기 핀은,
    상기 블레이드의 팁(tip)에서부터 상기 뾰족점까지 연장되는, 선박용 프로펠러.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 핀은,
    상기 블레이드의 팁에서부터 상기 블레이드와 상기 허브가 만나는 지점까지 연장되는, 선박용 프로펠러.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드는 앞전과 뒷전 사이에 평평한 영역을 가지고,
    상기 핀은 상기 평평한 영역의 전부 또는 일부에 배치되는, 선박용 프로펠러.
  6. 엔진의 구동축과 연결되어 회전 가능하도록 구비된 허브;
    상기 허브로부터 반지름 방향(radial direction)으로 돌출된 것으로, 상기 허브의 회전에 따라 회전하고, 상기 허브에서 가장 멀리 떨어진 팁을 경계로 앞전과 뒷전으로 나뉘도록 구비된 블레이드;
    상기 블레이드의 가장자리에서 돌출된 핀(fin);을 포함하고,
    상기 핀은 그 자체로 인한 저항을 줄이고 상기 블레이드의 가장자리 부근에서 발행하는 와류를 감소시킬 수 있는 길이 및 위치를 갖도록 상기 블레이드에 결합되고,
    상기 핀이 상기 블레이드에 결합되는 길이 및 위치는,
    상기 블레이드에 상기 핀이 배치되기 전에, 상기 블레이드가 설계 속도로 기동하는 선박에서 작동함을 가정하여 상기 블레이드 주위를 흐르는 유체의 유동장을 시뮬레이션할 때,
    상기 유체의, 상기 허브의 중심축에 평행한 x축 방향의 속도가 0인 영역을 따라 배치되는, 선박용 프로펠러.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113716004A (zh) * 2021-09-10 2021-11-30 哈尔滨工程大学 一种新型仿生螺旋桨

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010505679A (ja) * 2006-10-02 2010-02-25 デイビッド チェンバレン、コリン 安全プロペラ

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58194689A (ja) * 1982-05-08 1983-11-12 Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd 船舶用プロペラの製造方法
KR20100003903U (ko) * 2008-10-06 2010-04-15 임주상 스크루프로펠러 구조
KR101225177B1 (ko) * 2010-07-16 2013-01-22 삼성중공업 주식회사 프로펠러 및 이를 포함하는 선박
KR20120105228A (ko) * 2011-03-15 2012-09-25 현대중공업 주식회사 핀을 구비한 프로펠러 보스캡
KR101259704B1 (ko) * 2011-03-28 2013-05-06 현대중공업 주식회사 선박용 프로펠러 블레이드
KR20160135522A (ko) 2015-05-18 2016-11-28 필드지 주식회사 선박용 프로펠러
KR102400063B1 (ko) * 2015-08-19 2022-05-23 대우조선해양 주식회사 공동현상으로 인한 침식 방지용 선박용 프로펠러 형상

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010505679A (ja) * 2006-10-02 2010-02-25 デイビッド チェンバレン、コリン 安全プロペラ

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