KR102400063B1 - 공동현상으로 인한 침식 방지용 선박용 프로펠러 형상 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 내부에 중공이 형성된 원기둥 형상으로, 선박 동력부의 구동축에 고정 결합되어 상기 구동축과 일체로 회전하는 허브 및 상기 허브의 외주면의 둘레를 따라 형성되는 적어도 하나 이상의 블레이드를 포함하는 선박용 프로펠러에 있어서, 상기 블레이드는, 흡입면(suction side), 압력면(pressure side), 앞전(leading edge) 및 뒷전(trailing edge)으로 이루어지며, 상기 앞전으로부터 돌출이 시작되어 상기 흡입면에 돌출이 형성되고, 상기 앞전과 흡입면이 이루는 기울기보다 상기 압전과 돌출된 부분이 이루는 기울기가 크도록 돌출된 돌출부를 포함하는 선박용 프로펠러이다.
본 발명에 따르면, 프로펠러 형상의 앞전으로부터 발생한 기포는 돌출부를 따라 이동하여 프로펠러 형상으로부터 떨어져 나가게 된다. 따라서 기포가 폭발하더라도 프로펠러 흡입면으로부터 떨어진 상태이기 때문에, 충격파로 인한 프로펠러 피해를 줄일 수 있다.

Description

공동현상으로 인한 침식 방지용 선박용 프로펠러 형상{Ship propeller for preventing erosion caused by cavitation}

본 발명은 선박용 프로펠러에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공동현상으로 인한 침식을 방지하기 위한 프로펠러 형상에 관한 것이다.

공동현상(Cavitation)이란 압력의 감소에 의해 액체 중에 기포가 생기는 현상을 말한다. 배의 스크루와 수력 터빈의 날개 등과 같이 물체가 수중을 고속도로 운동할 때 혹은 수중에 강한 음파를 낼 때에 이 현상을 볼 수 있다. 캐비테이션이 일어나면 스크루와 터빈 날개의 수력적 성능이 저하할 뿐 아니라 그 표면이 침식된다. 또한 캐비테이션에 의해 소음이 생기는데 이것은 기포의 소멸에 의한 것이다. 음파를 낼 때에 캐비테이션이 일어나면 나오는 소리의 강도가 줄어든다.

일반적으로 액체의 압력이 충분히 내려가면 액체 중에 존재하거나 혹은 미소한 계면 입자에 부착해 있는 수증기 또는 기체의 핵이 성장하여 캐비테이션이 일어나는 것이라고 생각하고 있다. 증기압 정도의 압력에서 캐비테이션이 일어나기 위해서는 이와 같은 핵의 존재가 필요하다. 핵의 성장은 점성도와 표면 장력의 영향을 받는다. 세척제와 같은 표면 활성 물질이 존재하면 표면 장력이 바뀌고 따라서 캐비테이션이 시작되는 압력이 영향을 받는다. 캐비테이션이 일어나는 외적 조건에는 평균 압력 외에 압력의 변동(fluctuation) 크기와 경계층도 관계하고, 캐비테이션이 생기는 기포는 성장하거나 소멸하거나 한다.

기포가 깨져 소멸할 때는 그 가까이에 수천 기압의 압력이 생기는 것이 알려져 있는데 그것은 1 마이크로초 정도의 단시간밖에 계속되지 않으므로 정확한 측정이 곤란하다.

특허문헌 1에 나타난 선박용 프로펠러의 형상은 일반적으로 사용되는 형상으로서, 공동현상이 발생하게 되어 프로펠러에 침식이 일어나고 내구성이 떨어진다는 문제점이 있다. 따라서 본 발명은 공동현상으로 인한 프로펠러 침식을 방지할 수 있는 형상을 제시한다.

한국공개특허 제2015-0081160호(2015.7.13 공개)

본 발명은, 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 공동현상으로 인한 프로펠러 침식을 방지할 수 있는 선박용 프로펠러 형상을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 내부에 중공이 형성된 원기둥 형상으로, 선박 동력부의 구동축에 고정 결합되어 상기 구동축과 일체로 회전하는 허브 및 상기 허브의 외주면의 둘레를 따라 형성되는 적어도 하나 이상의 블레이드를 포함하는 선박용 프로펠러에 있어서, 상기 블레이드는, 흡입면(suction side), 압력면(pressure side), 앞전(leading edge) 및 뒷전(trailing edge)으로 이루어지며, 상기 앞전으로부터 돌출이 시작되어 상기 흡입면에 돌출이 형성되고, 상기 앞전과 흡입면이 이루는 기울기보다 상기 압전과 돌출된 부분이 이루는 기울기가 크도록 돌출된 돌출부를 포함하는 선박용 프로펠러이다.

상기 돌출부가 상기 블레이드의 코드(chord)길이 방향으로 차지하는 길이는, 상기 블레이드의 코드길이의 5% 이하가 될 수 있고,

상기 돌출부가 상기 허브의 중심으로부터 상기 블레이드의 반경길이 R에 대해 차지하는 길이는, 상기 허브의 중심으로부터 0.5R을 초과하고, 1R 이하일 수 있다.

또한, 상기 돌출부가 상기 허브의 중심으로부터 상기 블레이드의 반경길이 R에 대해 차지하는 길이는, 상기 허브의 중심으로부터 0.6R을 초과하고, 0.9R 이하일 수 있다.

본 발명에 따르면, 프로펠러 형상의 앞전으로부터 발생한 기포는 돌출부를 따라 이동하여 프로펠러 형상으로부터 떨어져 나가게 된다. 따라서 기포가 폭발하더라도 프로펠러 흡입면으로부터 떨어진 상태이기 때문에, 충격파로 인한 프로펠러 피해를 줄일 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 프로펠러 블레이드 에어포일의 단면을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러의 형상을 나타낸 것이다.
도 3은 도 2에 나타난 프로펠러 형상의 단면을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러의 형상을 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 종래기술에 따른 프로펠러 블레이드 에어포일(1)의 단면을 나타낸 것이다. 도 1의 (a)를 참조하여 설명하면, 도 1의 (a)에는 에어포일의 흡입면과 압력면을 지나가는 유선(2)이 나타나 있다. 에어포일(1)의 흡입면을 지나가는 유선(2)은 유속이 증가하게 된다. 이를 유선(2)의 간격이 좁아지는 것으로 A부분으로 나타내었다. 유속이 증가하게 되면 베르누이의 원리에 따라 압력이 낮아진다.

도 1의 (b)에 도시된 것과 같이, 유속의 압력이 저하되면, 물의 증기압이 떨어짐에 따라 물에 용해되어 있던 공기가 기포(3)로 발생하게 된다. 이때 발생한 기포(3)는 에어포일(1)을 따라 이동하다가 폭발하게 되고 이로 인한 충격파로 블레이드면이 침식되는 손상을 입게 된다.

기포(3)가 발생하더라도 기포(3)가 이동하는 방향을 블레이드로부터 멀어지게 유도할 수 있다면, 프로펠러의 내구성이 높아질 수 있다. 이하 본 발명은 기포(3)를 블레이드로부터 멀어지도록 유도할 수 있는 프로펠러 형상을 제시한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 프로펠러의 형상을 나타낸 것이다. 도 3은 도 2에 나타난 프로펠러 형상의 단면 에어포일을 나타낸 것이다. 도 2와 도 3을 참조하여 설명하면, 도 2에는 프로펠러 허브(10), 블레이드(20), 돌출부(30)가 도시되어 있다. 허브(10)는 내부에 중공이 형성된 원기둥 형상으로, 선박 동력부의 구동축에 고정 결합되어 상기 구동축과 일체로 회전 운동하는 구성이다.

허브(10)의 외주면에는 둘레를 따라 적어도 하나 이상의 블레이드(20)가 형성된다. 블레이드(20)의 개수는 제한되지 않으며, 도면에서는 하나의 블레이드(20)만을 나타내었다. 블레이드(20)는, 흡입면(suction side), 압력면(pressure side), 앞전(leading edge) 및 뒷전(trailing edge)으로 이루어지며, 도면에 나타난 블레이드(20)면은 압력면에 해당한다. 흡입면을 지나가는 유선은 속도가 증가하고 압력이 내려가고, 흡입면의 반대면인 압력면을 지나가는 유선은 큰 변화없이 지나간다. 앞전은 흡입면과 압력면이 만나는 경계선으로, 허브(10)의 회전에 따라 물의 유속 증가가 일어나는 곳이다. 뒷전은 흡입면과 압력면이 만나는 경계선으로 앞전이 아닌 경계선이다. 허브(10)의 회전에 따라 흡입면과 압력면을 타고 흐른 물이 뒷전을 지나며 빠져나가게 된다.

돌출부(30)는 앞전으로부터 돌출이 시작되어 흡입면에 돌출이 형성되고, 앞전과 흡입면이 이루는 기울기보다 상기 압전과 돌출된 부분이 이루는 기울기가 크도록 돌출된다. 구체적으로 기울기란 블레이드(20) 단면의 에어포일에서 바라보았을 때, 앞전과 뒷전을 잇는 코드(chord)를 기준선으로 볼 때, 코드와 앞전이 만나는 지점에 대하여, 앞전의 접선과 코드가 이루는 기울기(tangent)를 의미한다. 따라서 돌출부(30)로 인해 코드와 앞전이 만나는 지점의 기울기가 더욱 큰 양수 값을 갖게 된다.

이로 인하여, 앞전에서부터 발생한 기포는 돌출부(30)를 따라 이동하다가 블레이드(20)로부터 떨어져 나가게 된다. 떨어져 나간 기포가 폭발하더라도 블레이드(20)가 받는 충격은 감소하게 되고 이는 내구성의 증가로 이어지게 된다.

그러나, 돌출부(30)로 인해 공동현상으로 인한 피해는 줄일 수 있으나, 물의 유선이 달라지게 됨으로써, 프로펠러 추진 효율이 떨어지는 반대급부가 발생한다. 따라서 프로펠러의 추진 효율 감소와 공동현상으로 인한 피해 감소를 고려하여 돌출부(30)를 얼마나 넓고 길게 형성할지 적절한 설계가 필요하다. 돌출부(30)는 기포가 집중적으로 발생하는 앞전 구간에 형성하고, 기포가 상대적으로 적게 발생하는 부분은 생략하는 것이 바람직할 것이다.

따라서, 첫째로 돌출부(30)가 형성되는 구간이 앞전을 따라 어느 정도의 구간 길이로 설정해야하는지와 둘째로, 흡입면상에서 앞전으로부터 어느 정도의 너비를 설정해야하는 지가 문제된다. 첫번째에 관해서 다음과 같이 설정한다. 허브(10) 중심에서 반경방향으로 블레이드(20) 끝의 거리를 R이라 정의하고, 도면에는 반지름이 R인 원과 반지름이 0.5R인 원을 점선으로 도시하였다. 돌출부(30)의 형성 구간길이는 0.5R을 초과하는 구간부터 1.0R까지 형성하는 것이 바람직하다. 두번째에 관해서 다음과 같이 설정한다. 흡입면에서 돌출부(30)가 차지하는 너비는, 에어포일 단면에서 코드 길이의 5% 이하의 길이의 폭을 갖는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 돌출부(30)의 구간길이는 보다 바람직하게, 도 4에 나타낸 것과 같이 0.6R을 초과하는 구간부터 0.9R까지 형성할 수 있다.

이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 종래기술에 따른 에어포일
2 : 유선
3 : 기포
10 : 허브
20 : 프로펠러 블레이드
30 : 돌출부

Claims (5)

1. 내부에 중공이 형성된 원기둥 형상으로, 선박 동력부의 구동축에 고정 결합되어 상기 구동축과 일체로 회전하는 허브; 및
   상기 허브의 외주면의 둘레를 따라 형성되는 적어도 하나 이상의 블레이드;
   를 포함하는 선박용 프로펠러에 있어서,
   상기 블레이드는,
   흡입면(suction side), 압력면(pressure side), 앞전(leading edge) 및 뒷전(trailing edge)으로 이루어지며,
   상기 앞전으로부터 돌출이 시작되어 상기 흡입면에 돌출이 형성되고, 상기 앞전과 흡입면이 이루는 기울기보다 상기 앞전과 돌출된 부분이 이루는 기울기가 크도록 돌출된 돌출부;
   를 포함하고,
   상기 돌출부가 상기 블레이드의 코드(chord)길이 방향으로 차지하는 길이는, 상기 블레이드의 코드길이의 5% 이하가 되며,
   상기 돌출부가 상기 허브의 중심으로부터 상기 블레이드의 반경길이 R에 대해 차지하는 길이는, 상기 허브의 중심으로부터 0.5R을 초과하고, 1R 이하인 것을 특징으로 하는 선박용 프로펠러.
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