KR102229543B1 - 선박용 러더 - Google Patents

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KR102229543B1 KR1020160081689A KR20160081689A KR102229543B1 KR 102229543 B1 KR102229543 B1 KR 102229543B1 KR 1020160081689 A KR1020160081689 A KR 1020160081689A KR 20160081689 A KR20160081689 A KR 20160081689A KR 102229543 B1 KR102229543 B1 KR 102229543B1
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한국조선해양 주식회사
현대중공업 주식회사
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    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H25/00—Steering; Slowing-down otherwise than by use of propulsive elements; Dynamic anchoring, i.e. positioning vessels by means of main or auxiliary propulsive elements
    • B63H25/06—Steering by rudders
    • B63H25/38—Rudders
    • B63B2718/00—

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 러더는, 선박용 러더에 있어서, 프로펠러의 후류를 받아 선박을 조종하는 러더 몸체를 포함하고, 상기 러더 몸체의 하측 단부가 측면에서 볼 때, 하방으로 볼록한 곡선 형태를 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

선박용 러더{A rudder for ship}
본 발명은 선박용 러더에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 한국산업기술평가관리원의 산업융합원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제고유번호:10040060, 과제명: 저항추진성능 향상 선종별 에너지절감 부가장치 개발 및 실선 적용]
일반적으로 대형 선박의 경우, 선체의 후미에 부착되어 있는 프로펠러가 회전할 때 발생하는 유체의 흐름을 이용하여 전진하는 방식을 사용한다. 이때 프로펠러의 후방에는 러더가 부착되며, 러더가 좌우로 회전함에 따라 유체의 흐름 방향을 조절함으로써 항해 방향을 변경한다.
이와 같이 프로펠러의 회전을 통해 일정 속도를 내기 위해서는 디젤 등의 오일을 사용하여 엔진을 구동하여야 하는데, 이 경우 많은 양의 오일이 소모되고 온실가스가 배출됨에 따라, 환경 파괴 등의 문제를 야기하게 된다.
따라서 최근에는 선박의 추진 시 소비되는 에너지를 절감하여 연료 사용량을 감축할 수 있는 다양한 노력들이 이루어지고 있다. 특히 IMO는 2010년에 선박 운항시 온실가스 감축 방안에 대해 논의한 바 있으며, 연비규제에 대한 기준 및 방향을 확정하는 것과 관련한 논의를 진행 중에 있다.
이러한 움직임에 해운선사들도 합류함에 따라, 해운선사들은 유류비에 대한 부담을 덜 수 있는 연료절감형 선박에 관심을 가지기 시작하였다. 이와 같은 해운 선사들의 니즈에 의해, 조선사들은 연료 소비량을 줄이고 온실가스 배출을 줄일 수 있는 연료절감형 기술에 대해서 지속적인 연구 및 개발을 해오고 있다.
연료절감형 기술의 일례로, 선박의 후미, 프로펠러, 러더 등의 형상을 개량하거나 별도의 부가물을 부착함으로써 추진 효율을 높이는 동시에 연료를 절감하는 에너지 절감 부가 장치(ESD: Energy Saving Device)가 큰 관심을 받고 있으며, 이러한 에너지 절감 부가 장치는 상당수의 선박에 이미 적용되어 사용 중이다.
종래의 선박용 러더는 특허문헌 1의 도 1에 개시된 바와 같이 프로펠러(2)의 최하단 팁부분에 가깝게 러더(1)가 연장형성되어 있는 것을 알 수 있다. 이 경우 프로펠러(2)의 후류 유동에 의해 종래의 러더(1)는 양력 손실과 캐비테이션이 발생되어 선박의 추진성능이 저하되는 문제점이 있었다.
이를 해결하기 위해 특허문헌 1의 러더(5)는, 프로펠러 축을 기준으로 프로펠러 축의 상방의 일측에만 러더(5)를 적용하여 상기 문제점을 일부나마 해결하고 있으며, 특허문헌 2의 러더(6)도 프로펠러 캡 하단의 상방에만 러더(6)를 구비함으로써 상기 문제점을 일부나마 해결하려하고 있다.
그러나 특허문헌 1 및 2에서는 단지 러더의 후류 유동에만 초점을 맞추어 러더를 제작하다보니 러더의 하단부에 형성되는 캐비테이션 발생 저감 문제는 여전히 숙제로 남아있는 상황이다.
이에 따라 러더 하단부에 형성되는 캐비테이션 발생 문제점을 해결하기 위해서 특허문헌 3 및 4에서는 여러 해법을 제시하고 있다.
그 중 특허문헌 3에서는 캐비테이션에 의한 침식 및 손상을 막기위해, 전체적으로는 러더의 단면을 그대로 유지하고 러더 하부의 경사를 줄여 러더 하부 단면두께를 줄이고 있다. 이때, 특허문헌 3의 러더를 정면에서 보았을 때 러더 하부의 하측 단면이 눕혀진 사다리꼴의 형상으로 최하단이 평평하게 형성되어 있고, 러더를 측면에서 보았을 때에도 러더 하부의 하측 단부가 적어도 일부가 평평하게 형성되어 있다.
또한, 특허문헌 4에서도 하부 러더(30)의 숄더부(50)가 양측면(52)이 바닥면(54) 방향으로 45도 내지 55도 범위의 각도로 기울어지도록 형성되어, 숄더부(50)에서의 캐비테이션의 영향을 감소시킴으로서, 러더 하부에서 생성된 캐비테이션이 바닥면(54)에는 영향을 거의 미치지 않고 하류로 빠져나가도록 하고 있다. 이때에도, 특허문헌 4의 러더를 정면에서 보았을 때, 러더 하부의 하측단면이 특허문헌 3과 같이 눕혀진 사다리꼴의 형상으로, 최하단이 평평하게 형성되어 있고, 러더를 측면에서 보았을 때, 러더 하부의 하측 단부가 특허문헌 3과 같이 적어도 일부가 평평하게 형성되어 있다.
상기와 같이 특허문헌 3 및 4의 러더는 그 하부 형상으로 상기 캐비테이션 발생 문제점을 일부나마 해결하려하고 있으나, 러더의 하측 단부의 측면 유동해석만 고찰하고 있을 뿐, 러더의 하측 단부 아래의 유동에 대한 연구가 진행되지 않아 캐비테이션 저감을 효과적으로 해결하지 못하는 문제점이 있다.
국내 공개특허공보 제10-2011-0109306호 일본 공개특허공보 특개평 10-138998호 국내 등록실용신안공보 제20-0446855호 국내 등록특허공보 제10-1010998호 국내 등록특허공보 제10-1580404호 일본 공개실용신안공보 평04-029495호 국내 공개특허공보 제10-2010-0086385호
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 프로펠러 후류 유동에 최적화되어 조향 성능 및 선박의 추진성능을 향상시키는 선박용 러더를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 러더는, 선박용 러더에 있어서, 프로펠러의 후류를 받아 선박을 조종하는 러더 몸체를 포함하고, 상기 러더 몸체의 하측 단부가 측면에서 볼 때, 하방으로 볼록한 곡선 형태를 가지는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 러더 몸체의 하측 단부가 정면에서 볼 때, 하방으로 볼록한 곡선 형태를 가질수 있다.
구체적으로, 상기 러더 몸체는, 상단면; 하단면; 및 상기 상단면에서 상기 하단면으로 연장형성되는 측면을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 하측 단부는, 상기 러더 몸체의 상기 하단면으로부터 하방으로 연장형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 하측 단부는, 하방 최대돌출길이가 상기 프로펠러 반경의 0.02 내지 0.07일 수 있다.
구체적으로, 상기 하측 단부는, 하방 최대돌출길이가 상기 프로펠러 축 직경의 0.05 내지 0.35일 수 있다.
구체적으로, 상기 하측 단부는, 하방 최대돌출길이가 최대인 지점이 상기 러더 몸체의 하단면 전단에서 전후방향으로 20 내지 40% 내에 위치할 수 있다.
구체적으로, 상기 러더 몸체는, 상기 하단면이 상기 프로펠러의 축의 하측단 라인까지만 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 러더 몸체는, 상기 하단면이 상기 프로펠러의 축의 하측단 라인과 상기 프로펠러의 최하단 라인 사이에 위치하되, 상기 프로펠러의 축의 하측단 라인에 더 근접하게 마련될 수 있다.
구체적으로, 상기 러더 몸체는, 상기 하단면이 상기 프로펠러 축의 하측단 라인에서부터 상기 프로펠러 반경의0.5 수직길이 이내에 위치할 수 있다.
구체적으로, 상기 러더 몸체는, 수직 길이가 상기 러더 몸체의 상단면에서 상기 프로펠러의 축 하측단 라인까지의 수직길이의 1.3이내인 길이를 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 러더 몸체는, 상기 하단면이 상기 프로펠러 반경의 중간위치를 기준으로 상기 프로펠러의 팁보다 상기 프로펠러 축에 더 가까운 영역에 마련될 수 있다.
구체적으로, 상기 하단면은, 후방이 곡률을 가지도록 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 곡률은, 반지름이 8m 내지 12m 일 수 있다.
구체적으로, 상기 러더 몸체의 후연부는, 상기 상단면에서부터 상기 하측 단부의 하방 최대 돌출 지점에서 상측으로 45mm 내지 55mm 만큼의 상측 위치까지 연장 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 하단면은, 전방이 곡률을 가지도록 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 곡률은, 반지름이 0.5m 내지 1m 일 수 있다.
구체적으로, 상기 러더 몸체의 전연(Leading Edge)부 상에서 상기 프로펠러 축과 동일 축 선상에 중심축이 형성되는 러더 벌브를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 러더 벌브는, 최대 횡단면이 상기 프로펠러 축의 최대 횡단면보다 작도록 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 러더 벌브는, 하측단이 상기 프로펠러의 축의 하측단 라인에 위치하도록 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 러더의 좌측 또는 우측의 일측에 형성되는 전류(Pre-swirl) 핀을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 선박용 러더는, 프로펠러 축 하단 라인으로 일정간격 연장되도록 하여 선박의 조향성능을 최대한으로 확보함과 동시에, 프로펠러 후류 유동에 최적화되어 러더에서 발생하는 항력을 줄이고 양력을 향상시키는 효과가 있어 선박의 추진성능이 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박용 러더는, 프로펠러 축 하단 라인으로 일정간격 연장되도록 하여 프로펠러 후류 유동에 최적화되므로 러더의 캐비테이션 발생에 적극적으로 대처가능하고 이로 인해 러더의 내구성이 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박용 러더는, 러더 하단 및 러더 하단 전면부를 라운드 형상으로 제작함으로써, 러더에서 발생하는 캐비테이션을 최소화하는 효과가 있고, 이로 인해 소음공해가 최소화되고 선박의 추진성능이 극대화되는 효과가 있다.
도 1a는 본 발명의 선박용 러더의 하부 사시도이다.
도 1b는 본 발명의 선박용 러더의 저면도이다.
도 1c는 본 발명의 선박용 러더의 정면도이다.
도 1d는 본 발명의 선박용 러더의 측면도이다.
도 1e는 본 발명의 선박용 러더의 하단 정단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 러더의 측면도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 러더의 횡단면도이다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 러더의 하부 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박용 러더의 측면도이다.
도 4는 종래의 선박용 러더와 본 발명의 선박용 러더의 비교도이다.
도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박용 러더의 측면도이다.
도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박용 러더의 하측 전연부(A) 상세도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박용 러더의 측면도이다.
도 7은 하측 단부에 라운드 형상이 없는 종래의 선박용 러더의 프로펠러 후류에 대한 캐비테이션 실험도이다.
도 8은 하측 단부에 라운드 형상이 구비되는 본 발명의 선박용 러더의 프로펠러 후류에 대한 캐비테이션 실험도이다.
도 9a는 본 발명의 선박용 러더의 하측 단부 라운드 형태가 러더의 하단면으로부터 이격된 길이의 변화량에 따른 캐비태이션 발생 여부 실험도이다.
도 9b는 본 발명의 선박용 러더의 하측 단부 라운드 형태가 러더의 하단면으로부터 이격된 길이의 변화량 실시예들을 나타낸 도이다.
도 9c는 본 발명의 선박용 러더의 하측 단부 라운드 형태가 러더의 하단면으로부터 이격된 길이의 변화량에 따른 에너지 저감 결과표이다.
도 9d는 본 발명의 선박용 러더의 하측 단부 라운드 형태가 러더의 하단면으로부터 이격된 길이의 변화량에 따른 캐비태이션 발생 여부를 나타난 CFD 제1 도이다.
도 9e는 본 발명의 선박용 러더의 하측 단부 라운드 형태가 러더의 하단면으로부터 이격된 길이의 변화량에 따른 캐비태이션 발생 여부를 나타난 CFD 제2 도이다.
도 10a는 본 발명의 선박용 러더의 하측 단부 라운드 형태의 최대돌출된 위치가 러더 하단면의 길이방향위치 중 어느 하나에 따른 러더 비틀림 모멘트 실험도이다.
도 10b는 본 발명의 선박용 러더의 하측 단부 라운드 형태의 최대돌출된 위치가 러더 하단면의 길이방향위치들 중 어느 하나의 실시예들을 나타낸 도이다.
도 10c는 본 발명의 선박용 러더의 하측 단부 라운드 형태의 최대돌출된 위치가 러더 하단면의 길이방향위치 중 어느 하나에 따른 러더 비틀림 모멘트 결과표이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1a는 본 발명의 선박용 러더의 하부 사시도, 도 1b는 본 발명의 선박용 러더의 저면도, 도 1c는 본 발명의 선박용 러더의 정면도, 도 1d는 본 발명의 선박용 러더의 측면도, 도 1e는 본 발명의 선박용 러더의 하단 정단면도, 도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 러더의 측면도, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 러더의 횡단면도, 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 러더의 하부 사시도, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박용 러더의 측면도, 도 4는 종래의 선박용 러더와 본 발명의 선박용 러더의 비교도, 도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박용 러더의 측면도, 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박용 러더의 하측 전연부(A) 상세도 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박용 러더의 측면도이다.
도 1 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 선박용 러더(1)는, 러더 몸체(10), 하측 단부(20), 러더 스케그(30), 프로펠러, 러더 벌브(50)를 포함한다. 이하에서는 상기 구성들을 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
러더 몸체(10)는, 프로펠러의 후방에 위치되고 선체(도시하지않음)의 선미부(2)에 형성된 러더 스케그(30)에서 하방으로 연장형성되며, 프로펠러의 후류를 받아 선박(도시하지 않음)의 항해 방향을 조종한다.
구체적으로, 러더 몸체(10)는, 러더 좌측면(11), 러더 우측면(12), 상단면(15) 및 하단면(16)으로 둘러싸여 형성되며, 프로펠러의 후류를 최초로 받는 러더 몸체 전연부(13)와 프로펠러의 후류를 최후로 흘려보내는 러더 몸체 후연부(14)를 포함할 수 있다.
러더 좌측면(11) 및 러더 우측면(12)은, 러더 몸체(10)의 좌측 및 우측에 형성된 면으로써, 러더 스케그(30)와 맞닿는 상단면(15)에서부터 하단면(16)까지 각각 좌측 하방 또는 우측 하방 연장됨으로써 형성될 수 있다.
러더 몸체 전연부(13; Leading edge) 및 러더 몸체 후연부(14; trailing edge)는, 러더 몸체(10)의 전측 및 후측에 형성된 부분으로써, 러더 몸체 전연부(13)는 프로펠러의 후류를 최초로 받으며, 러더 몸체 후연부(14)는 프로펠러 후류를 러더 몸체(10)로부터 최후로 흘려보낼 수 있다.
도 2a를 살펴보면 러더 몸체 전연부(13) 및 러더 몸체 후연부(14)는 프로펠러 축 하측단 라인(L1)까지만 형성되어 있으나(이 경우 러더 하단면 라인(L2)은 프로펠러 축 하측단 라인(L1)과 동일), 도 3을 살펴보면 프로펠러 축 하측단 라인(L1)을 지나 일정길이만큼 더 연장되어 형성될 수 있다. (이 경우 러더 몸체 전연부(13) 및 러더 몸체 후연부(14)는, 러더 하단면 라인(L2)까지 형성될 수 있다.)
도 3에서 개시된 본 발명의 선박용 러더(1)는 러더 몸체 하측 전연부(131) 및 러더 몸체 하측 후연부(141)가 추가로 구성되며 이에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.
상단면(15)과 하단면(16)은, 러더 몸체(10)의 상측과 하측에 형성된 면으로써, 상단면(15)은 러더 스케그(30)와 맞닿고, 하단면(16)은 후술할 하측 단부(20)와 맞닿도록 형성될 수 있다.
하단면(16)은, 전방 곡률(R1)을 적어도 일부 가질 수 있으며, 여기서 전방 곡률(R1)은 러더 몸체 하측 전연부 곡률로서 러더 몸체 하측 전연부(131) 및 하측 단부(20)의 적어도 일부 포함할 수 있다. 러더 몸체 하측 전연부 곡률(R1)은 바람직하게 반지름이 0.5m 내지 1m일 수 있다.(도 5a 및 도 5b 참조)
이를 통해서 본 발명의 선박용 러더(1)는 하측 단부(20)와 하단면(16)이 연결형성되는 전방을 유선형으로 부드럽게 연결가능하므로, 캐비테이션의 발생원인이 되는 단차의 발생을 방지하여 선박용 러더(1)의 하부에서 발생되는 캐비테이션을 더욱 효과적으로 저감할 수 있다.
또한 하단면(16)은 후방 곡률(R2)을 적어도 일부 가질 수 있으며, 여기서 후방 곡률(R2)은 러더 몸체 하측 후연부 곡률로서 러더 몸체 하측 후연부(141) 및 하측 단부(20)의 후방을 적어도 일부 포함할 수 있다.(도 6 참조)
러더 몸체 하측 후연부 곡률(R2)은 반지름이 8m 내지 12m 일 수 있으며, 상단면(15)에서부터 하측 단부(20)의 하방최대돌출지점(DLS)으로부터 45mm 내지 55mm 만큼의 상측위치까지 연장 형성될 수 있다.
이를 통해서 본 발명의 선박용 러더(1)는 하측 단부(20)와 하단면(16)이 연결형성되는 후방을 유선형으로 부드럽게 연결가능하므로, 캐비테이션의 발생원인 이 되는 단차의 발생을 방지하여 선박용 러더(1)의 하부에서 발생되는 캐비테이션을 더욱 효과적으로 저감할 수 있다.
러더 몸체(10)는, 하단면(16)이 프로펠러 축 하측단 라인(L1)까지 형성될 수 있다. 이때, 러더 몸체(10)에는 러더 몸체 하측 전연부(131) 및 러더 몸체 하측 후연부(141)가 형성되지 않는다.(도 2a 참조)
이를 통해서 본 발명의 선박용 러더(1)는, 프로펠러 후류의 하방유동 중 추진력 감소를 일으키는 후류를 받지 않아 추진력의 증대를 구현할 수 있는 효과가 있다.
또한, 이와 달리 러더 몸체(10)는, 하단면(16)이 프로펠러 축 하측단 라인(L1)을 지나 일정길이만큼 더 연장되어 러더 하단면 라인(L2)까지 형성될 수 있다.(도 3 참조)
구체적으로, 러더 몸체(10)는, 하단면(16)이 프로펠러 축 하측단 라인(L1)과 프로펠러의 최하단 라인 사이 즉, 프로펠러 축 하측단 라인(L1)과 프로펠러 팁(411) 사이에 위치하되, 프로펠러 축 하측단 라인(L1)에 더 근접하게 마련될 수 있다. 즉, 러더 몸체(10)는 하단면(16)이 프로펠러 반경(PR)의 중간위치를 기준으로 프로펠러 팁(411)보다 프로펠러 축(44)에 더 가까운 영역에 마련될 수 있다.
이러한 결과는, 프로펠러 후류의 유동 중 프로펠러 축 하측단 라인(L1)에서부터 프로펠러 반경(PR)의 0.5 수직길이보다 하방의 유동이 오히려 선박의 추진성능을 저하시키는 원인을 가져오게되는 연구를 통하여 도출되었다.
즉 프로펠러의 후류 유동 중 프로펠러 축 하측단 라인(L1) 이후의 유동 모두가 선박의 추진성능을 저하시키는 것이 아니므로, 프로펠러 축 하측단 라인(L1) 이후로부터 좀 더 하측 연장할 여지가 있다는 것을 알아내었다.
따라서, 본 발명의 선박용 러더(1)는 수치적으로 바람직하게 러더 몸체(10)의 하단면(16)이 프로펠러 축 하측단 라인(L1)에서부터 프로펠러 반경(PR)의 0.5 수직길이 이내에 위치할 수 있다. 일반적인 러더의 경우 러더몸체(10)의 하단면(16)이 프로펠러 축 하측단 라인(L1)에서부터 프로펠러 반경(PR)의 0.9 수직길이 이상에 위치하는 것과 비교하면 본 발명의 러더 몸체(10)는 하단면(16)이 프로펠러 축 하측단 라인(L1)에 훨씬 더 근접하게 마련된다.
또한, 수치적으로 바람직하게 러더 몸체(10)는 수직 길이가 러더 몸체(10)의 상단면(15)에서 프로펠러 축 하측단 라인(L1)까지의 수직길이의 1.3이내인 길이를 가질 수 있다.
이때, 러더 몸체(10)에는 러더 몸체 하측 전연부(131) 및 러더 몸체 하측 후연부(141)가 형성될 수 있으며, 각각의 러더 몸체 하측 전연부(131) 및 러더 몸체 하측 후연부(141)의 하방길이는 프로펠러 축 하측단 라인(L1)에서 러더 하단면 라인(L2)까지의 길이이다.
상기 설명한 바와 같은 도 3에 도시된 선박용 러더(1)의 추가 하측 연장으로, 도 3에서의 선박용 러더(1)는 도 2a에서의 선박용 러더(1)보다 측면의 면적이 더 넓어질 수 있다. 이러한 차이점은 도 3에서의 선박용 러더(1)가 도 2a에서의 선박용 러더(1)와 같이 선박의 추진성능 향상 효과를 가져갈 수 있는 반면에 도 2a에서의 선박용 러더(1)의 조타성능보다 향상되는 추가적인 효과가 있다.
이를 통해서 본 발명의 선박용 러더(1; 도 3에 도시된 러더)는, 러더 몸체(10)의 하단면(16)이 프로펠러 축 하측단 라인(L1)까지 형성되는 러더(도 2a에 도시된 러더)와 동일하게 프로펠러 후류의 하방유동 중 추진력 감소를 일으키는 후류를 받지 않아 추진력의 증대를 구현하게되는 효과를 가짐과 동시에 선박용 러더(1)의 측면적이 증가함으로써 선박의 조타능력을 충분히 확보할 수 있는 효과가 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 선박용 러더들 및 종래의 선박용 러더는 도 4를 살펴보면 한 눈에 비교하기 쉽다.
도 4에서 (a)는 종래의 선박용 러더로써, 러더 몸체의 하단면이 프로펠러 축 하측단 라인과 프로펠러 팁 사이에 위치하되, 프로펠러 팁에 더 근접하게 마련되고 있다.
그에 반해 (c)는 본 발명의 일 실시예의 선박용 러더(1)로써, 하단면(16)이 프로펠러 축 하측단 라인(L1)까지 형성되어 있다.
그리고, (d)는 본 발명의 다른 실시예의 선박용 러더(1)로써, 하단면(16)이 프로펠러 축 하측단 라인(L1)과 프로펠러 팁(411) 사이에 위치하되, 프로펠러 축 하측단 라인(L1)에 더 근접하게 마련되어 있다.
하측 단부(20)는, 하단면(16)으로부터 하방으로 연장형성되며, 측면에서 볼 때 하방으로 볼록한 곡선의 형태를 가지고 정면에서 볼 때 하방으로 볼록한 곡선의 형태를 가질 수 있다. 일례로 하측 단부(20)는, 러더 몸체(10)의 하단면(16)으로부터 하방돌출된 형태로 보일 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 상기와 같은 하측 단부(20)의 기하학적 형상의 특징으로 인해서 선박용 러더(1)의 하부에서 발생되는 캐비테이션을 매우 효과적으로 감소시킬 수 있어, 선박용 러더(1)에서 발생되는 진동 소음을 매우 효과적으로 감소시킬 수 있다.
이는 도 7 및 도 8을 보면 시각적으로 쉽게 알 수 있으므로, 도 7 및 도 8을 살펴보면서 이를 기술하도록 한다.
도 7은 하측 단부에 라운드 형상이 없는 종래의 선박용 러더의 프로펠러 후류에 대한 캐비테이션 실험도이다. 구체적으로, 도 7의 (a) 및 (c)는 하측 단부에 라운드 형상이 없는 종래의 선박용 러더에 프로펠러 후류를 발생시켜 실험한 결과를 전면에서 바라보는 도이고, 도 7(b)는 하측 단부에 라운드 형상이 없는 종래의 선박용 러더에 프로펠러 후류를 발생시켜 실험한 결과를 저면에서 바라보는 도이다.
도 7(a) 내지 (c)를 살펴보면 하측 단부에 라운드 형상이 없어 양측면으로 캐비테이션이 발생하는 것을 확연하게 볼 수 있다. 이로 인해 종래의 선박용 러더에서는 캐비테이션으로 인해 진동 소음이 크게 발생하고 러더의 손상 및 선박의 추진성능이 저하되는 문제점이 있었다.
도 8은 하측 단부에 라운드 형상이 구비되는 본 발명의 선박용 러더의 프로펠러 후류에 대한 캐비테이션 실험도이다. 구체적으로, 도 8의 (a)는 하측 단부에 라운드 형상이 있는 본 발명의 선박용 러더에 프로펠러 후류를 발생시켜 실험한 결과를 우측 전면에서 바라보는 도이고, 도 8의 (b)는 하측 단부에 라운드 형상이 있는 본 발명의 선박용 러더에 프로펠러 후류를 발생시켜 실험한 결과를 좌측 전면에서 바라보는 도이다.
도 8(a) 내지 (b)를 살펴보면 하측 단부에 라운드 형상이 존재하여, 양측면으로 캐비테이션이 전혀 발생하지 않는 것을 확연하게 볼 수 있다. 이로 인해 본 발명의 선박용 러더(1)에서는 캐비테이션 발생이 극적으로 최소화되어 이로 인한 진동 소음발생이 일어나지 않으며, 선박의 추진성능이 극대화되는 효과가 있다.
또한, 본 출원인은 상기 기술된 선박용 러더(1)의 하측 단부(20)의 기하학적 특성을 더욱 구체적으로 연구하여 하기와 같은 수치적 특성을 얻어내었다.
즉 본 발명의 실시예에서 하측 단부(20)는, 하방 최대돌출길이(DRS)가 프로펠러 축 직경(D)의 0.05 내지 0.35 이거나 또는 하방 최대돌출길이(DRS)가 프로펠러 반경(PR)의 0.02 내지 0.07일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 하측 단부(20)는, 하방 돌출 길이가 최대인 지점(DLS)이 러더 몸체(10)의 하단면(16) 전단에서 전후방향으로 20% 내지 40% 내에 위치할 수 있다.
이러한 수치적 한정으로 인한 효과를 도출해내는 시험결과에 대해서는 도 9 내지 도 10c를 참고로 하여 설명하도록 한다.
먼저, 본 발명의 실시예에서 하측 단부(20)의 하방 최대돌출길이(DRS)가 프로펠러 축 직경(D)의 0.05 내지 0.35 수치가 도출된 결과를 상세히 설명하기 위해서 도 9a 내지 도 9e를 살펴보도록 한다.
도 9a 내지 도 9e는 본 발명의 선박용 러더의 하측 단부의 라운드 형태가 하단면으로부터 이격된 길이의 변화량에 따른 캐비태이션 발생 여부 실험도, 실시예들을 나타낸 도, 에너지 저감 결과표, 캐비태이션 발생 여부를 나타난 CFD 제1 도 및 제2 도이다.
도 9a 내지 도 9e를 보면, 실험의 기준이 되는 선박용 러더(1)가 도 9a에 개시되어 있으며, 하측 단부(20)의 라운드 형태가 하단면(16)으로부터 이격된 길이(DRS)를 0.1D, 0.2D, 0.3D, 0.4D, 0.5D, 0.7D, 1.0D로 각각 분류하였다(도 9b 참조; 여기서 D는 프로펠러 축 직경이고, DRS는 러더 하측단 라인(L2)에서 하측 단부 최대돌출지점 라인(L3)까지의 수평 길이이다.)
하측 단부(20)의 라운드 형태가 하단면(16)으로부터 이격된 길이(DRS) 각각에 대해서 실험한 결과는 도 9c에 도시되어 있으며, 도 9d 및 도 9e에서는 CFD 도를 살펴볼 수 있다.
도 9c를 살펴보면 0.1D 내지 0.3D에서 출력 저감효과가 최고로 산출(약 4.80% 내지 약 4.83%)된 것을 볼 수 있고, 이는 도 9d 및 도 9e에서도 CFD로 확연히 드러나는 것을 알 수 있다.
즉, 도 9a 내지 도 9e를 통해서, 본 발명의 선박용 러더(1)의 하측 단부(20)의 하방 최대돌출길이(DRS)가 프로펠러 축 직경(D)의 0.05 내지 0.35 수치에서 최적의 출력 저감효과가 발생하여 캐비테이션 발생이 최소화됨이 도출된다.
이를 프로펠러 반경(PR)에 대해서 수치적으로 변환하면, 하방 최대돌출길이(DRS)가 프로펠러 반경(PR)의 0.02 내지 0.07이게 된다. 이에 상기 실험결과는 프로펠러 반경(PR)을 기준으로 한 수치적 한정과 공유될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 하측 단부(20)의 하방 돌출 길이가 최대인 지점(DLS)이 러더 몸체(10)의 하단면(16) 전단에서 전후방향으로 20% 내지 40% 내에 위치하는 수치가 도출된 결과를 상세히 설명하기 위해서 도 10a 내지 도 10c를 살펴보도록 한다.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 선박용 러더의 하측 단부 라운드 형태의 최대돌출된 위치가 러더 하단면 길이방향위치 중 어느 하나에 따른 러더 비틀림 모멘트 실험도, 실시예들을 나타낸 도 및 러더 비틀림 모멘트 결과표이다.
도 10a 내지 도 10c를 보면, 실험의 기준이 되는 선박용 러더(1)가 도 10a에 개시되어 있으며, 하측 단부(20)의 하방 돌출 길이가 최대인 지점(DLS)을 0.125C, 0.250C, A.P., 0.375C, 0.500C, 0.625C, 0.750C, 0.875C로 각각 분류하였다(도 10b 참조; 여기서 C는 러더 몸체(10)의 하단면(16)의 전후길이(C)임)
하측 단부(20)의 하방 돌출 길이가 최대인 지점(DLS) 각각에 대해서 실험한 결과는 도 10c에 도시되어 있으며, 이를 살펴보면 0.20C 내지 0.40C에서 러더 비틀림 모멘트 비교 정도가 최저로 산출(약 2% 내지 약 9%)된 것을 볼 수 있다.
즉, 도 10a 내지 도 10c를 통해서, 본 발명의 선박용 러더(1)의 하측 단부(20)의 하방 돌출 길이가 최대인 지점(DLS)이 러더 몸체(10)의 하단면(16) 전단에서 전후방향으로 20% 내지 40% 내에 위치에서 최소의 러더 비틀림 모멘트 발생하여, 캐비테이션 발생이 최소화됨이 도출된는 것을 알 수 있다.
상기와 같은 실험결과를 통해 본 발명의 실시예에서 하측 단부(20)는, 하방 최대돌출길이(DRS)가 프로펠러 축 직경(D)의 0.05 내지 0.35(하방 최대돌출길이(DRS)가 프로펠러 반경(PR)의 0.02 내지 0.07)일 수 있고, 하방 돌출 길이가 최대인 지점(DLS)이 러더 몸체(10)의 하단면(16) 전단에서 전후방향으로 20% 내지 40% 내에 위치하도록 설계할 수 있다.
이를 통해서 본 발명의 선박용 러더(1)는 하측 단부(20)로 인해 하부에 캐비테이션이 전혀 발생하지 않아 이로 인한 진동 소음발생이 전혀 일어나지 않으며, 선박의 추진성능이 극대화되는 효과가 있다.
이러한 본 발명의 선박용 러더(1)는 조선업에서 전혀 생산이 이루어지지 않았고 문헌상으로도 찾아볼 수 없는 형태를 가지고 있어 신규성이 매우 강하고 캐비테이션을 매우 효과적으로 저감할 수 있다.
러더 스케그(30)는, 선미(2)에 하방 돌출되어 선미(2)와 일체형으로 형성될 수 있으며, 선미(2)와 러더 몸체(10) 사이에 구비되어 선박용 러더(1)를 선미(2)에 직접 또는 간접적으로 고정시키는 역할을 하고, 선미(2)에 적어도 하나 이상 구비되어(바람직하게는 한 개(단축선) 또는 두 개(쌍축선) 설치) 선박의 직진성을 확보하는데 도움을 줄 수 있다.
러더 스케그(30)는 러더 축(도시하지 않음)이 삽입되어 러더 몸체(10)와 연결될 수 있으며, 단면은 전단이 곡면이며 후단이 뾰족한 형태일 수 있다.
여기서 러더 스케그(30)의 단면은 러더 몸체(10)의 단면과 동일 또는 유사하게 형성되어 러더 스케그(30)의 형상과 러더 몸체(10)의 형상을 연속적으로 일치되도록 형성함으로써, 러더 스케그(30)와 러더 몸체(10)의 불연속면을 부드럽게 연결시켜주어 불연속면에 의한 저항을 최소화하는 효과를 발현할 수 있다.
프로펠러는, 선체의 후미에 구비되며 선박에 추진력을 발생시키고 복수 개 구비될 수 있다.(예를 들어, 쌍축선에서의 프로펠러는 2개)
구체적으로, 프로펠러는, 회전력으로 유체를 밀어내어 이에 대한 반작용으로 추진력을 발생시키는 프로펠러 날개(41), 프로펠러 축(44)의 후미에 구비되는 프로펠러 캡(42), 프로펠러 축(44)과 체결되어 프로펠러 축(44)으로부터 전달받은 동력을 프로펠러 날개(41)로 전달하는 프로펠러 허브(43), 및 추진엔진(도시하지 않음)에서 발생되는 동력을 추진엔진의 구동축으로부터 전달받는 프로펠러 축(44)을 포함한다.
여기서 프로펠러는, 일레로 일반적으로 널리 사용되는 스크류 프로펠러일 수 있며, 프로펠러 날개(41)는 일례로 3엽 또는 4엽의 날개가 마련될 수 있다.
러더 벌브(50)는, 러더 몸체 전연부(13) 상에 프로펠러 축(44)의 중심선(L4)과 동일한 축 선상에 중심축이 형성되어 프로펠러 후류를 적절하게 정류함으로써, 선박의 추진력을 항샹시키고, 직진성을 극대화시키며, 에너지 효율을 증가시킬 수 있다.
여기서 러더 벌브(50)는, 최대 횡단면(해수면을 기준으로 수직한 단면적)이 프로펠러 축(44)의 최대 횡단면(일례로 프로펠러 캡(42)의 해수면을 기준으로 수직한 단면적)보다 작도록 형성될 수 있다.
이를 통해서 본 발명에서는 러더 벌브(50)가 선박용 러더(1)에 장착됨으로써 발생하는 항력을 효과적으로 줄여줌과 동시에 프로펠러 후류를 적절하게 정류할 수 있어 프로펠러 효율이 1.0% 내지 2.0%의 효율 상승을 가져올 수 있다.
물론, 본 발명의 러더 벌브(50)는, 최대 횡단면이 프로펠러 축(44)의 최대 횡단면보다 크도록 형성될 수 있음은 물론이다.
또한 러더 벌브(50)는, 러더 벌브 하측단이 프로펠러 축(44)의 하측단 라인(L1) 상에 위치하도록 형성될 수 있다. 이를 통해서 러더 벌브(50)는 기존의 러더 벌브보다 조타성능은 확보함과 동시에, 프로펠러 후류를 매우 적절하게 정류할 수 있어 선박의 추진성능이 극대화되는 효과가 있다.
추력(Trust)핀(60)은, 러더 벌브(50)의 일측 또는 타측에 구비될 수 있으며, 프로펠러 후류를 정류하여 양력을 발생시킴으로써 선박의 추진력을 향상시킬 수 있다. 여기서 추력핀(60)은 러더 벌브(50)뿐만 아니라 러더 좌측면(11) 또는 러더 우측면(12)에도 구비될 수 있다.
구체적으로, 추력핀(60)은, 러더 벌브(50)에 부착된 일단은 전면 고정될 수 있으며, 일단에서 타단으로 갈수록 상방 또는 하방으로 휘어진 형태일 수 있다. 이로 인해 추력핀(60)은 프로펠러에 의해 발생하는 후류의 압력을 적절히 이용하여 프로펠러의 후류를 정류함으로써, 선박의 추진효율을 극대화할 수 있다. 즉, 추력핀(60)은 프로펠러 후류 유동을 이용하여 이로 인해 발생하는 양력(lifting force)과 항력(drag force)의 반작용에 대한 분력으로, 선박에 대한 직진성을 극대화하고 선박의 추진력을 향상시킬 수 있다.
또한, 추력핀(60)은 러더 벌브(50)로부터 멀어질수록 전후 폭이 동일하거나 또는 가변하는 형태를 가질 수 있으며, 추력핀(60)의 전연부(부호 도시하지 않음)의 받음 각이 프로펠러의 후류 유동에 적합하도록 구성될 수 있다.
이와 같이 상기의 구성들을 통한 본 발명의 선박용 러더(1)에 대한 효과를 하기 정리하여 보면, 본 발명에 따른 선박용 러더(1)는, 프로펠러 축(44) 하측단 라인(L1)으로부터 일정간격 하방 연장되도록 하여 선박의 조향성능을 최대한으로 확보함과 동시에, 프로펠러 후류 유동에 최적화되어 러더(1)에서 발생하는 항력을 줄이고 양력을 향상시키는 효과가 있어 선박의 추진성능이 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박용 러더(1)는, 프로펠러 축(44) 하측단 라인(L1)으로부터 일정간격 연장되도록 하여 프로펠러 후류 유동에 최적화되므로 러더(1)의 캐비테이션 발생에 적극적으로 대처가능하고 이로 인해 러더(1)의 내구성이 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박용 러더(1)는, 러더 하측 단부(20)를 라운드 형상으로 제작함으로써, 러더(1)에서 발생하는 캐비테이션을 최소화하는 효과가 있고, 이로 인해 진동소음이 최소화되고 선박의 추진성능이 극대화되는 효과가 있다.
또한, 이러한 본 발명의 선박용 러더(1)는 조선업에서 전혀 생산이 이루어지지 않았고 문헌상으로도 찾아볼 수 없는 형태를 가지고 있어 신규성이 매우 강하고 캐비테이션을 매우 효과적으로 저감할 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1: 선박용 러더 2: 선미부
10: 러더 몸체 11: 러더 좌측면
12: 러더 우측면 13: 러더 몸체 전연부
131: 러더 몸체 하측 전연부 14: 러더 몸체 후연부
141: 러더 몸체 하측 후연부 15: 상단면
16: 하단면 20: 하측 단부
30: 러더 스케그 41: 프로펠러 날개
411: 프로펠러 팁 412: 프로펠러 팁
42: 프로펠러 캡 43: 프로펠러 허브
44: 프로펠러 축 50: 러더 벌브
60: 추력핀
L1: 프로펠러 축 하측단 라인 L2: 러더 하단면 라인
L3: 하측 단부 최대돌출지점 라인 L4: 프로펠러 축 중심라인
C: 러더 하단면 전후 길이 D: 프로펠러 축 직경
PR: 프로펠러 반경 DRS: 하측 단부 최대돌출길이
DLS: 하측 단부 최대지점위치 R1: 러더 몸체 하측 전연부 곡률
R2: 러더 몸체 하측 후연부 곡률

Claims (6)

  1. 쌍축선에 설치되는 선박용 러더에 있어서,
    프로펠러의 후류를 받아 선박을 조종하는 러더 몸체; 및
    상기 러더 몸체 상에서 상기 프로펠러의 축의 중심선과 동일한 축 선상에 중심축이 형성되는 러더 벌브를 포함하고,
    상기 러더 몸체는,
    하측 단부가 측면에서 볼 때, 바닥면이 전체적으로 볼 때 하방으로 볼록한 곡선 형태를 가지며,
    하측 단부가 상기 프로펠러의 축 하측단에 평행한 라인에서 상기 프로펠러의 팁 사이 범위까지 형성되되, 상기 하측 단부가 상기 프로펠러의 팁보다 상기 프로펠러의 축 하측단에 평행한 라인에 더 가까운 위치로 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 선박용 러더.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 러더 몸체는,
    상기 하측 단부가 상기 프로펠러의 축 하측단에 평행한 라인에서부터 수직하방으로 상기 프로펠러의 반경의 50% 이내의 범위에 형성되는 것을 특징으로 하는 선박용 러더.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 러더 몸체는,
    수직 길이가, 상단면에서 상기 프로펠러의 축 하측단에 평행한 라인까지의 수직길이의 1.3배 이내로 형성되는 것을 특징으로 하는 선박용 러더.
  6. 삭제
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