KR102456858B1 - Ship propulsion system equipped with flow control module - Google Patents
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Abstract
본 발명은 프로펠러로 유입되는 유체의 흐름을 코안다 효과로 제어시키는 수단이 구비되는 선박 추진 시스템에 관한 것으로서, 프로펠러와, 구동 모듈과, 방향타와, 상기 프로펠러의 전방에 설치되되 프로펠러로 유입되는 유체 흐름을 제어시키는 유동 제어 모듈을 포함하며, 상기 유동 제어 모듈에는 상기 프로펠러의 전방에서 선박 양 측에 측면으로 돌출되는 유동 제어 날개가 구비되고, 상기 유동 제어 날개 내부에는 길이방향을 따라 유로가 형성되어 유동 제어 날개의 표면까지 이어지며, 상기 유로에 고압 유체를 공급하는 고압 펌프가 마련되어, 상기 고압 펌프로 압축된 유체가 상기 유로를 거쳐 유동 제어 날개의 표면을 통하여 상기 프로펠러를 향하여 제트 분사 흐름의 형태로 분사됨으로써 프로펠러의 전방 유체 저항이 감소되는 유동 제어 모듈이 구비된 선박 추진 시스템을 제공하고자 한다.The present invention relates to a ship propulsion system provided with means for controlling the flow of fluid flowing into a propeller by the Coanda effect, and relates to a propeller, a driving module, a rudder, and a fluid installed in front of the propeller and introduced into the propeller a flow control module for controlling the flow, wherein the flow control module is provided with flow control blades protruding laterally from the front of the propeller to both sides of the vessel, and a flow path is formed in the flow control blade along the longitudinal direction, A high-pressure pump extending to the surface of the flow control vane and supplying a high-pressure fluid to the flow path is provided, so that the fluid compressed by the high-pressure pump passes through the flow path and through the surface of the flow control vane toward the propeller. An object of the present invention is to provide a ship propulsion system equipped with a flow control module in which the forward fluid resistance of the propeller is reduced by being injected into the
Description
본 발명은 프로펠러로 유입되는 유체의 흐름을 코안다 효과로 제어시키는 수단이 구비되는 선박 추진 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a ship propulsion system provided with means for controlling the flow of fluid flowing into a propeller by the Coanda effect.
이산화탄소는 대표적인 온실가스로서 지구 온난화 주범으로 꼽힌다. 또 선박 등의 엔진에서 석유계 연료를 태운 뒤 배기가스로 배출되는 황산화물과 질소산화물은 특정 호흡기 질환과 연관이 있다.Carbon dioxide is a representative greenhouse gas and is considered the main cause of global warming. In addition, sulfur oxides and nitrogen oxides emitted as exhaust gases after burning petroleum-based fuels in engines such as ships are associated with certain respiratory diseases.
이와 관련하여 유럽 환경단체와 비영리기구들로 구성된 '위험에 처한 바다'(Seas at Risk), '교통과 환경'(Transport & Environment) 등은 선박의 속도를 20% 줄이면 이산화탄소 배출량이 24% 줄어들뿐더러 질소산화물과 황산화물 배출량 역시 감소한다는 등의 내용이 담긴 연구보고서를 발표했다. 이 보고서에서는 "자동차 엔진이 최적 속도에서 최대 연비를 얻듯, 선박도 더 느리게 이동하면 연료 소모를 줄이고 대기로 나가는 가스 배출량도 줄일 수 있다"고 한다.In this regard, 'Seas at Risk' and 'Transport & Environment', which are composed of European environmental groups and non-profit organizations, reduce the speed of ships by 20% to reduce carbon dioxide emissions by 24% and nitrogen A research report was published that included a reduction in the emission of oxides and sulfur oxides. “Just as a car engine achieves maximum fuel economy at its optimum speed, slower moving ships can reduce fuel consumption and reduce gas emissions to the atmosphere,” the report said.
현재 전 세계 온실가스 배출량에서 선박이 차지하는 비중은 3% 정도로서 이는 전체 연간 배출량 55 기가톤 중에서 1.7기가톤에 해당되어 막대한 양임을 알 수 있다.Currently, ships account for 3% of global greenhouse gas emissions, which is equivalent to 1.7 gigatons out of 55 gigatons of total annual emissions, which is a huge amount.
국제해사기구(IMO)는 온실가스 배출 저감 조치 등을 시행하지 않을 경우 국제해운을 통해 발생하는 향후 수십년 간 50%~250%가량 증가할 수 있다고 보고 있다. 이 경우 선박의 탄소 배출량은 오는 2050년이면 전 세계 배출량의 17%를 차지할 전망이다.The International Maritime Organization (IMO) estimates that, if measures to reduce greenhouse gas emissions are not implemented, the amount generated by international shipping could increase by 50% to 250% over the next several decades. In this case, carbon emissions from ships are expected to account for 17% of global emissions by 2050.
이와 관련하여 일부 대형 해운사들은 '2050년까지 가스 배출량을 최소 50% 감축하자'는 IMO의 목표에 맞춰 선박 운항 속도를 늦추기 시작했다고 한다.In this regard, some large shipping companies are said to have begun to slow down ship operations in line with the IMO's goal of reducing gas emissions by at least 50% by 2050.
그러나 이런 속도 제한은 선박의 이동시간이 더 길어지는 요인이 될 수밖에 없다. 이 때문에 대부분의 전문가들은 선박들의 보다 장기적인 온실가스 배출량 감소를 위해선 대체연료나 새로운 엔진ㅇ선박 등의 개발이 병행돼야 한다고 한다.However, this speed limit inevitably becomes a factor that makes the travel time of the vessel longer. For this reason, most experts say that in order to reduce greenhouse gas emissions for a longer period of time, the development of alternative fuels or new engines and ships should be done in parallel.
이러한 연료 효율의 대폭적인 향상이나 친환경 연료의 병행 사용을 위해 LNG선에서는 이중연료가 사용되기도 한다.In order to significantly improve fuel efficiency or to use eco-friendly fuels in parallel, dual fuels are sometimes used in LNG carriers.
하지만 완전한 탈탄소화를 달성하기 위해서는 상당한 운영 및 기술적 개선이 필요하다. IMO GHG 초기 전략의 목표를 달성하기 위한 시나리오에 의하면 운송효율화(디지털화)가 약 20% 미만, 선형개발 및 효율개선이 약 10~15%, 기계장치에 의하여 약 5~20% 수준의 선박의 온실가스 감축이 가능하며, 2035년 이후에는 대체연료에 의한 온실가스 감축이 필수적이다.However, significant operational and technical improvements are required to achieve complete decarbonization. According to the scenario to achieve the goals of the IMO GHG initial strategy, transportation efficiency (digitization) is less than about 20%, linear development and efficiency improvement are about 10-15%, and the greenhouse of ships is about 5-20% by machinery. It is possible to reduce gas, and after 2035, it is essential to reduce greenhouse gas by using alternative fuels.
또한 LNG선과 같이 천연가스의 통상적인 누출량이 연료로 사용될 수 있는 경우를 제외한다면, 일반 선박에서는 LNG선처럼 천연가스를 이용한 이중연료 엔진으로 대체되기엔 한계가 있다.In addition, there is a limit to being replaced by a dual fuel engine using natural gas in a general ship, like an LNG carrier, except for cases in which a normal leakage of natural gas can be used as fuel, such as an LNG carrier.
따라서 선박 엔진의 효율을 현저하게 상승시킬 수 있는 기술이 시급하게 요청되나, 현재로서는 기술 개선으로 효율을 상승시키는 폭은 미비한 상황이다.Therefore, a technology capable of remarkably increasing the efficiency of a marine engine is urgently requested, but at present, the extent to which the efficiency can be increased by improving the technology is insufficient.
공개특허공보 제10-2020-0059846호(공개일자: 2020. 05. 29)Publication No. 10-2020-0059846 (published date: May 29, 2020)
이에 본 발명은 프로펠러로 유입되는 유체의 흐름에 코안다 효과가 이용되어 프로펠러로 제트 분사 흐름이 유입됨으로써 유체의 회전 저항이 최소화 되면서 캐비테이션 또한 억제되는 유동 제어 모듈이 구비되는 선박 추진 시스템을 제공하고자 한다.Accordingly, the present invention is to provide a ship propulsion system equipped with a flow control module that minimizes the rotational resistance of the fluid and also suppresses cavitation by using the Coanda effect for the flow of fluid flowing into the propeller and introducing the jet jet flow into the propeller. .
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유동 제어 모듈이 구비된 선박 추진 시스템은 선박의 후미에 설치되는 프로펠러와, 상기 프로펠러를 구동시키는 구동 모듈과, 상기 프로펠러의 배후에 설치되는 방향타와, 상기 프로펠러의 전방에 설치되되 프로펠러로 유입되는 유체 흐름을 제어시키는 유동 제어 모듈;을 포함하며, 상기 유동 제어 모듈에는 상기 프로펠러의 전방에서 선박 양 측에 측면으로 돌출되는 유동 제어 날개가 구비되고, 상기 유동 제어 날개 내부에는 길이방향을 따라 유로가 형성되어 유동 제어 날개의 표면까지 이어지며, 상기 유로에 고압 유체를 공급하는 고압 펌프가 마련되어, 상기 고압 펌프로 압축된 유체가 상기 유로를 거쳐 유동 제어 날개의 표면을 통하여 상기 프로펠러를 향하여 제트 분사 흐름의 형태로 분사됨으로써 프로펠러의 전방 유체 저항이 감소된다.A ship propulsion system equipped with a flow control module according to the present invention for achieving this object includes a propeller installed at the rear of the ship, a driving module for driving the propeller, a rudder installed behind the propeller, and the propeller It includes; a flow control module installed in the front for controlling the flow of fluid flowing into the propeller, wherein the flow control module is provided with flow control blades protruding from the front of the propeller to both sides of the vessel to the side, the flow control blades A flow path is formed in the longitudinal direction and extends to the surface of the flow control blade, and a high-pressure pump for supplying a high-pressure fluid to the flow path is provided. The forward fluid resistance of the propeller is reduced by spraying in the form of a jet jet stream through the propeller.
여기서 상기 유로는 바람직하게는 상기 유동 제어 날개의 길이방향을 따라 길게 형성되는 터널과, 터널로부터 유동 제어 날개의 표면까지 형성되는 슬릿으로 구성될 수 있다.Here, the flow path may preferably be composed of a tunnel formed elongated in the longitudinal direction of the flow control blade, and a slit formed from the tunnel to the surface of the flow control blade.
이 경우 상기 슬릿은 곡면 형태로 형성되며, 상기 곡면 형태의 곡률 중심은 바람직하게는 상기 선박의 전진 방향을 기준으로 슬릿의 전방에 위치한다.In this case, the slit is formed in a curved shape, and the center of curvature of the curved shape is preferably located in front of the slit with respect to the forward direction of the ship.
이때 상기 슬릿의 입구에 인접한 상기 유동 제어 날개의 표면 부위는 바람직하게는 슬릿을 통하여 분사되는 상기 제트 분사 흐름과 유동 제어 날개의 표면이 이루는 각도가 감소되는 방향으로 일부가 절개되어 형성되는 근접 유도면이 형성될 수 있다.In this case, the surface portion of the flow control blade adjacent to the inlet of the slit is preferably a proximity guide surface formed by cutting a portion in a direction in which the angle between the jet jet flow injected through the slit and the surface of the flow control blade decreases. can be formed.
또한 상기 슬릿의 단면적은 바람직하게는 상기 터널의 단면적 보다 작다.Also, the cross-sectional area of the slit is preferably smaller than the cross-sectional area of the tunnel.
특히 상기 슬릿은 바람직하게는 유동 제어 날개의 상면으로 분사되며, 상기 유동 날개는 상기 상면이 상기 선박의 전방 측을 향하는 방향으로 경사가 형성될 수 있다.In particular, the slit is preferably sprayed onto the upper surface of the flow control blade, and the flow blade may be inclined in a direction in which the upper surface faces the front side of the vessel.
한편 상기 고압 펌프는 바람직하게는 상기 선박의 내부에 설치되고, 상기 유동 제어 모듈은 주위 유체가 상기 고압 펌프로 흡입되도록 상기 선박 외부와 고압 펌프를 연결시키는 유체 유입관과, 고압 펌프에서 압축된 고압의 유체를 상기 터널로 주입시키는 고압수 공급관을 더 포함하며, 상기 유체 유입관이 선박의 표면에 노출되는 부위에 형성되는 유체 유입구는 유동 제어 날개의 전방에 설치될 수 있다.Meanwhile, the high-pressure pump is preferably installed inside the ship, and the flow control module includes a fluid inlet pipe connecting the outside of the ship and the high-pressure pump so that the surrounding fluid is sucked into the high-pressure pump, and the high pressure compressed by the high-pressure pump. Further comprising a high-pressure water supply pipe for injecting the fluid of the tunnel, the fluid inlet formed in a portion where the fluid inlet pipe is exposed on the surface of the ship may be installed in front of the flow control wing.
또는 상기 고압 펌프는 상기 선박의 내부에 설치되고, 상기 유동 제어 모듈은 주위 유체가 상기 고압 펌프로 흡입되도록 상기 선박 외부와 고압 펌프를 연결시키는 유체 유입관과, 고압 펌프에서 압축된 고압의 유체를 상기 터널로 주입시키는 고압수 공급관을 더 포함하며, 바람직하게는 상기 유체 유입관이 선박의 표면에 노출되는 부위에 형성되는 유체 유입구는 상기 프로펠러의 전방에 설치될 수 있다.Alternatively, the high-pressure pump is installed inside the ship, and the flow control module includes a fluid inlet pipe connecting the outside of the ship and the high-pressure pump so that the surrounding fluid is sucked into the high-pressure pump, and the high-pressure fluid compressed in the high-pressure pump. It further includes a high-pressure water supply pipe for injecting into the tunnel, preferably, the fluid inlet formed in a portion where the fluid inlet pipe is exposed to the surface of the ship may be installed in front of the propeller.
본 발명에 따른 유동 제어 모듈이 구비된 선박 추진 시스템은 프로펠러로 유입되는 유체의 흐름에 코안다 효과가 이용되어 프로펠러로 제트 분사 흐름이 유입됨으로써 유체의 회전 저항이 최소화 되면서 캐비테이션 또한 억제되는 효과가 있다.The ship propulsion system equipped with the flow control module according to the present invention uses the Coanda effect for the flow of fluid flowing into the propeller, so that the jet jet flow is introduced into the propeller, thereby minimizing the rotational resistance of the fluid and also suppressing cavitation. .
도 1은 코안다 효과의 원리에 대한 개념도,
도 2는 본 발명에 따른 선박 추진 시스템의 개략도,
도 3은 도 2의 수평 단면도,
도 4는 도 2의 변형 실시예를 나타내는 개략도,
도 5는 도 4의 수평 단면도,
도 6은 유동 제어 날개의 사시도,
도 7은 도 6에 표시된 절개선 부위의 단면도,
도 8은 도 7의 부분 확대도,
도 9의 (a)(b)(c)는 도 7의 변형 실시예의 단면도,1 is a conceptual diagram of the principle of the Coanda effect;
2 is a schematic diagram of a ship propulsion system according to the present invention;
3 is a horizontal cross-sectional view of FIG. 2 ;
Fig. 4 is a schematic diagram showing a modified embodiment of Fig. 2;
Fig. 5 is a horizontal cross-sectional view of Fig. 4;
6 is a perspective view of a flow control vane;
7 is a cross-sectional view of the incision line shown in FIG. 6;
8 is a partially enlarged view of FIG. 7;
9 (a) (b) (c) is a cross-sectional view of the modified embodiment of FIG.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The specific structural or functional descriptions presented in the embodiments of the present invention are merely exemplified for the purpose of describing the embodiments according to the concept of the present invention, and the embodiments according to the concept of the present invention may be implemented in various forms. In addition, it should not be construed as being limited to the embodiments described herein, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동 제어 모듈이 구비된 선박 추진 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이 선박(1)의 후미에 설치되는 프로펠러(4)와, 프로펠러(4)를 회전 구동시키는 구동 모듈(도시되지 않음)과, 방향타(3)와, 유동 제어 모듈(10,20)로 구성된다.A ship propulsion system equipped with a flow control module according to an embodiment of the present invention includes a
프로펠러(4)는 통상의 선박(1)의 추진 기구로서의 프로펠러라면 어떤 것이든 채택 가능하므로 재질이나 형상에 특별한 제한은 없다.Since the
구동 모듈(도시되지 않음)은 프로펠러(4)를 회전 구동시키는 장치이다. 선박(1)의 프로펠러(4)를 회전시키는 장치라면 어떤 것이든 채택 가능하므로 종래의 디젤 엔진이나 또는 최신 LNG 선에 사용되는 이중연료 엔진도 해당되며, 전기모터도 해당될 수 있다.The driving module (not shown) is a device for rotationally driving the
방향타(3)는 러더 라는 명칭으로도 불리우며, 선박(1)의 조향 장치에 해당된다. 방향타(3)는 원활한 조향 작용을 위해 유선형태로 제작될 수 있고, 또한 방향타(3)로 인해 추가적인 추력이 발휘될 수 있도록 내부에 별도의 소형 프로펠러가 내장되기도 한다. 또한 도 2나 도 4에 도시된 방향타 형태 외에도 프로펠러가 하단에 장착되어 프로펠러와 함께 조향되는 형태의 방향타가 채택되는 것도 가능하다.(도시되지 않음) 이 경우에는 아지무스 조절 내지 조향 작용으로 프로펠러의 추진 방향도 함께 가변될 수 있다.(도시되지 않음) 그리고 도 2에 도시된 방향타(3)는 트랜섬(2) 하부에 설치되는 것으로 되어 있으나, 방향타(3)의 설치 위치가 반드시 트랜섬(2) 하부로 한정되는 것은 아니다.The rudder (3) is also called a rudder and corresponds to the steering device of the ship (1). The
유동 제어 모듈(10,20)은 프로펠러(4)의 전방에 설치되어, 선박(1)이 전진할 때 프로펠러(4) 측으로 유입되는 유체의 흐름을 제어시키는 작용을 한다. 유동 제어 모듈(10,20)에는 도 2에 도시된 바와 같이 프로펠러(4)의 전방 양 측에 측면으로 돌출되는 형태의 날개 형상으로 제작되는 유동 제어 날개(20)가 한 측에 하나씩 설치된다.The
특히 유동 제어 날개(20)는 내부에 길이방향을 따라 유로(21,22)가 형성되어 유동 제어 날개(20)의 표면까지 이어지고, 고압 펌프(11)가 선박(1)의 선미 내부에 설치되어, 주변의 유체가 고압 펌프(11)로 압축된 후에 상기 유로(21,22)를 따라 이송되어 유동 제어 날개(20)의 표면으로부터 제트 분사 흐름(HW)의 형태로 분출된다.In particular, the
제트 분사 흐름(HW)이 분사되는 방향은 프로펠러(4)를 향하도록 유동 제어 날개(20)가 배치된다. 이로써 유동 제어 날개(20)로부터 분사되어 제트 분사 흐름(HW)의 형태로 프로펠러(4) 측을 향하는 유체 흐름이 프로펠러(4)의 전방을 향해 유입되므로, 통상의 프로펠러가 주변의 유체를 흡수하여 후방으로 밀어내는 과정에서 유체의 회전흐름을 형성시키는 데에 상당한 추진력이 소모되는 현상이 방지되어, 프로펠러(4)를 구동시키는데 필요한 회전 구동력의 절감이 가능하므로 구동 효율이 향상된다.The
또한 제트 분사 흐름(HW)이 유동 제어 날개(20)로부터 분출되는 방향이 선박(1)의 후방을 향하므로 제트 분사 흐름(HW)의 분출이 그 자체로서 독자적인 추력을 생성시켜 선박(1)의 추진 효율이 더욱 향상되며, 제트 분사 흐름(HW)으로 이루어지는 흐름이 프로펠러(4)로 유입되면서 프로펠러(4) 표면에 생성되는 캐비테이션을 분산시켜 프로펠러(4)의 건전성과 내구성이 더욱 향상되고 불의의 사고가 방지될 수 있다.In addition, since the direction in which the jet jet stream HW is ejected from the
유동 제어 날개(20)에 형성되는 상기 유로(21,22)는 보다 구체적으로 도 6에 도시된 바와 같이 유동 제어 날개(20)의 길이방향을 따라 길게 형성되는 터널(21)과, 터널(21)로부터 유동 제어 날개(20)의 표면까지 형성되는 슬릿(22)으로 구성된다. 고압 펌프(11)에서 압축된 고압 유체는 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이 터널(21)로 이송되고, 터널(21)로 유입된 고압 유체는 터널(21)을 거쳐 슬릿(22)을 통과하는 과정에서 통과되는 단면적이 감소되면서 유속이 급격하게 커져, 유동 제어 날개(20)의 표면에서 슬릿(22)의 말단을 통하여 분출되는 유체는 제트 분사 흐름(HW)의 형태로 분출된다.The
이때 슬릿(22)의 형태는 도 7에 도시된 단면도에서 볼 수 있는 것처럼 끝단이 최대한 유동 제어 날개(20)의 표면에 근접하는 방향을 향한다. 특히 슬릿(22)은 곡면 형태로 형성되며, 상기 곡면 형태의 곡률 중심은 선박(1)의 전진 방향을 기준으로 슬릿(22)의 전방에 위치한다. 즉 도 7을 기준으로 보면, 선박(1)의 전진 방향은 왼쪽이므로, 슬릿(22)의 형상을 이루는 곡선은 선박(1)의 전진 방향을 향하여 팽만되는 형태로 형성된다.At this time, the shape of the
이처럼 슬릿(22)이 어느 하나의 곡률 중심을 기준으로 회전하는 형태로 형성되면, 슬릿(22)을 통과하여 분출되는 제트 분사 흐름(HW)은 가속도로 인해 원심력을 가지게 되며, 따라서 제트 분사 흐름(HW)은 유동 제어 날개의 표면에 밀착되어 진행된다.As such, when the
특히 이 경우 코안다 효과로 인해 제트 분사 흐름(HW)은 유동 제어 날개(20)를 벗어날 때 까지 층류의 형태로 유지된다. 여기서 코안다 효과로 인해 제트 분사 흐름(HW)이 유동 제어 날개(20)의 표면에서 그 흐름의 형태가 유지되는 구간을 코안다 유동 구간(C)이라 칭하기로 한다.In particular, in this case, due to the Coanda effect, the jet jet stream HW is maintained in a laminar form until it leaves the
코안다 효과는 유체가 곡면과 접촉하면서 흐를 때, 유체가 직선으로 흐르는 대신 곡면의 곡률을 따라서 유체가 흐르는 현상을 말한다. 헤어드라이기가 수직 상방으로 온풍을 분사하도록 배치된 상태에서 탁구공이 헤어드라이기의 노즐 상부에 놓인 경우에, 헤어드라이기가 가동되면 탁구공이 튕겨나가지 않고 노즐의 수직 상방에서 머무는 현상이 바로 코안다 효과로 인한 것이다.The Coanda effect refers to a phenomenon in which a fluid flows along the curvature of a curved surface instead of in a straight line when a fluid flows in contact with a curved surface. If the ping-pong ball is placed on the top of the nozzle of the hair dryer in a state where the hair dryer is arranged to spray warm air vertically upward, the phenomenon that the ping-pong ball does not bounce off and stays in the vertical upper part of the nozzle is caused by the Coanda effect when the hair dryer is operated. will be.
코안다 효과가 발생되는 원리가 도 1에 도시되어 있다. 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 제트 분사 흐름(HW)이 오른쪽을 향하여 발생되면 베르누이 원리로 인해 주변의 공기는 제트 분사 흐름(HW)의 주위가 고속 유동으로 인하여 압력이 낮아지는 결과 제트 분사 흐름(HW)을 향해 모이므로 제트 분사 흐름(HW)은 곧게 뻗는 층류 상태가 유지된다.The principle by which the Coanda effect occurs is illustrated in FIG. 1 . As shown in (a) of FIG. 1, when the jet jet flow (HW) is generated toward the right, the surrounding air due to the Bernoulli principle is the result of lowering the pressure around the jet jet flow (HW) due to the high-speed flow. As they gather toward the jet stream HW, the jet jet stream HW maintains a straight and laminar flow state.
그런데 도 1의 (b)와 같이 제트 분사 흐름(HW) 주변에 벽면이 있을 경우에는 주위 공기로부터의 압력은 벽면의 반대 방향으로부터만 작용되므로 제트 분사 흐름(HW)은 벽면에 밀착되어 진행된다. 이와 같이 코안다 효과는 제트 분사 흐름(HW)이 주위 공기의 압력으로 인해 벽면에 밀착되는 흐름이 벽면으로부터 박리되거나 와류로 변하지 않고 지속되는 현상을 말한다.However, when there is a wall around the jet jet flow (HW) as shown in FIG. 1 (b), the pressure from the ambient air is applied only from the opposite direction of the wall surface, so the jet jet flow (HW) proceeds in close contact with the wall surface. As such, the Coanda effect refers to a phenomenon in which the jet jet stream (HW) adheres to the wall surface due to the pressure of the surrounding air continues without being separated from the wall surface or turning into a vortex.
유동 제어 날개(20)는 도 2에 도시된 바와 같이 상면이 비스듬하게 선박(1)의 전방을 향하도록 경사가 형성되게 설치될 수 있다. 슬릿(22)에서 분출되는 제트 분사 흐름(HW)은 코안다 효과로 인하여 유동 제어 날개(20)의 상면을 따라 고속으로 진행되므로, 유동 제어 날개(20)에는 상면을 향하는 방향으로 양력이 형성된다. 따라서 선박(1)은 제트 분사 흐름(HW) 자체의 작용 반작용 법칙에 따른 추력 증가 이외에도 양력 증가로 인하여 전방으로 향하는 힘을 받으므로 추력이 더욱 증가될 수 있다.As shown in FIG. 2 , the
도 6에서 AA' 선으로 표시된 부위의 단면이 도 7에 도시되어 있다. 도 7에서 제트 분사 흐름(HW)이 향하는 방향은 선박(1)의 후방을 향하는 방향이 된다. 슬릿(22)의 말단에서 제트 분사 흐름(HW)이 분출되는 지점에는 도 8에 빗금으로 표시된 부분이 절개되어 제트 분사 흐름(HW)이 유동 제어 날개(20)의 표면에 보다 밀착되도록 근접시키는 코안다 유도면(23)이 형성됨으로써, 제트 분사 흐름(HW)의 분사 방향이 더욱 유동 제어 날개(20)의 표면을 향해 밀착되어 코안다 효과가 더욱 원활하게 발생될 수 있다.A cross-section of a portion indicated by line AA′ in FIG. 6 is shown in FIG. 7 . In FIG. 7 , the direction in which the jet jet flow HW is directed is a direction toward the rear of the
슬릿(22)의 단면적은 앞서 설명된 바와 같이 터널(21)의 단면적보다 작게 형성되므로, 터널(21)로 공급된 고압 유체는 슬릿(22)에 진입되면서 베르뉴이 법칙에 따라 압력은 감소하고 유속이 급격히 증가되어 슬릿(22)의 말단에서 분출될 때에는 제트 분사 흐름(HW)의 형태로 분출된다. 이 제트 분사 흐름(HW)은 도 1의 개념도에서 알 수 있듯이 주변 유체 압력으로 인해 유동 제어 날개(20)를 벗어날 때 까지 유동 제어 날개(20)의 표면에 밀착되어 빠른 속도로 흐르므로 코안다 유동 구간(C)으로 형성된다.Since the cross-sectional area of the
한편, 고압 펌프(11)는 선박(1) 하부의 유체를 흡입하여 압축시킨다. 보다 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이 고압 펌프(11)는 선박(1)의 내부에 설치될 수 있다. 다만 경우에 따라 선박(1)의 선미 외부나 또는 선미의 표면에 설치될 수도 있다.On the other hand, the high-
이때 유동 제어 모듈(10,20)은 유동 제어 날개(20) 뿐만아니라, 주위 유체가 고압 펌프(11)로 흡입되도록 선박(1) 외부와 고압 펌프(11)를 연결시키는 유체 유입관(12)과, 고압 펌프(11)에서 압축된 고압의 유체를 터널(22)로 주입시키는 고압수 공급관(13)을 더 포함한다.At this time, the
여기서 주위 유체가 고압 펌프(11)로 흡수되는 경로에 대해 도 2와 도 4에 각각 도시된 두 가지 실시예가 예시되어 있다.Here, two embodiments shown in Figs. 2 and 4, respectively, are exemplified for the path through which the ambient fluid is absorbed into the high-
도 2 및 도 3의 실시예에서는 유체 유입관(12)이 선박의 표면에 노출되는 부위에 접하면서 형성되는 유체 유입구(121)는 유동 제어 날개(20)의 전방에 설치되는 것으로 도시되어 있다. 참고로 유체 유입구(121)에는 유체의 유입이 보다 원활하게 이루어질 수 있도록 나팔 형태와 유사한 벨 마우스가 설치될 수도 있다.In the embodiment of FIGS. 2 and 3 , the
유체 유입구(121)가 유동 제어 날개(20)의 전방에 형성되면, 선박(1)이 전진함으로 인해 수압이 낮아진 유체 유입구(121) 주변으로 유동 제어 날개(20)가 이동하므로 선박(1)이 전진하는 동안 유동 제어 날개(20)의 전방은 유동 제어 날개(20)의 후방에 비해 압력이 낮아지므로, 양력이 증가되면서 추가적인 추력을 얻을 수 있다.When the
또는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 유체 유입관(12)은 프로펠러(4)의 주변, 특히 프로펠러(4) 전방의 유체를 흡입하여 고압 펌프(11)로 보내는 실시예도 있을 수 있다. 이때 유체의 흡입은 프로펠러(4)의 전방 상부 또는 하부에서 흡입하거나, 프로펠러(4)의 상부와 하부에서 동시에 흡입하는 형태도 가능하며, 도 4의 실시예에서는 프로펠러(4)의 상부와 하부 주변 유체를 모두 동시에 고압펌프(11)가 흡입하는 형태로 도시되어 있다.Alternatively, as shown in FIGS. 4 and 5 , the
프로펠러(4)의 바로 앞 전방에서 주변 유체가 흡입되면 첫째로는 프로펠러(4)의 전방 압력은 감소하므로 상대적으로 프로펠러(4)의 후방 압력이 증가되면서 추력이 증가된다. 둘째로는 도 5에 도시된 바와 같이 프로펠러(4)의 전방 압력이 감소되면 유동 제어 날개(20)로부터 형성된 코안다 유동에 따른 제트 분사 흐름(HW)이 선미를 따라 일정정도 코안다 유동 형태로 유지되면서 프로펠러(4)의 전방으로 제트 분사 흐름(HW)이 유입된다.When the surrounding fluid is sucked in from the front of the
왜냐하면 도 5에 도시된 바와 같이 유동 제어 날개(20)를 벗어난 제트 분사 흐름(HW)은 제트 분사 흐름(HW)이 속도가 빠른 만큼 압력이 감소됨으로 인해 제트 분사 흐름(HW)에 대해 주변 유체 압력이 가해지므로 코안다 유동으로 계속 유지될 수 있기 때문이다.Because the jet jet stream HW leaving the
프로펠러(4)로 유입되는 유체 흐름은 제트 분사 흐름(HW)으로 인해 흐름이 균일하게 변한다. 종래 선박(1)의 프로펠러(4)는 프로펠러(4)로 유입되는 물의 흐름이 균일하지 못하여 프로펠러(4)의 후방으로 빠져나가는 물이 회전운동을 일으킨다. 이처럼 종래의 프로펠러(4)는 프로펠러(4)를 통해 빠져나가는 물이 회전운동을 일으키는데에 회전 구동력이 낭비되므로 그만큼 효율이 저하된다.The fluid flow entering the
이에 비해 도 4의 실시예에 따른 선박 추진 시스템에서는 프로펠러(4)로 유입되는 유체의 흐름이 균일해져, 프로펠러(4)를 빠져나가는 물의 회전운동에너지를 최소화시킴으로써 프로펠러(4)에 대한 저항이 최소화되어 프로펠러(4)의 회전 구동 효율이 증가된다.In contrast, in the ship propulsion system according to the embodiment of FIG. 4, the flow of fluid flowing into the
또한 도 2 또는 도 4의 실시예에 따른 선박 추진 시스템에서는 유동 제어 날개(20)로부터 분출되는 제트 분사 흐름(HW)이 프로펠러(4)의 전방으로 유입되므로 프로펠러(4)의 회전 과정에서 발생되는 공기방울이 분산되어 캐비테이션의 발생이 억제되는 효과 또한 있다. 프로펠러(4)의 회전으로 발생되는 공기방울은 일정한 간격만큼 프로펠러(4) 표면을 타고 이동하다가 공기방울이 파괴될 때 프로펠러(4)의 표면에 손상을 입힌다. 이때 제트 분사 흐름(HW)은 공기방울의 형성 과정을 억제시키면서 또한 생성되는 공기방울은 프로펠러(4)로부터 이탈시켜 주므로 캐비테이션의 발생이 효과적으로 억제될 수 있다.In addition, in the ship propulsion system according to the embodiment of FIG. 2 or FIG. 4, since the jet jet flow (HW) ejected from the
다만 이러한 회전 구동 효율의 증가와 캐비테이션의 억제는 도 2 내지 도 5에서 제시되는 유체 유입구(121,1121)의 위치가 아니라 유체 유입구(121,1121)가 다른 부위에 형성되더라도 발휘될 수 있다.However, such an increase in rotational driving efficiency and suppression of cavitation may be exhibited even if the
한편, 유동 제어 날개(20)에 형성되는 터널(21)과 슬릿(22)의 형상 및 배치는 앞서 도 7에 도시된 형태로 설명되었으나, 반드시 도 7의 형태로 한정되는 것은 아니며, 도 9의 (a)(b)(c)에 도시된 바와 같이 여러 가지 형태로 실시될 수 있다. On the other hand, although the shape and arrangement of the
도 9의 (a)는 도 7의 형태와 거의 유사한 형상으로 제작된 실시예이지만, 도 9의 (b)에서는 터널(121)과 슬릿(122)이 각각 두 군데 형성되어 이중으로 제트 분사 흐름(HW)이 분출될 수 있으며, 도 9의 (c)에 도시된 바와 같이 하나의 터널(221)로부터 둘 이상의 슬릿(222)이 형성될 수도 있다.9 (a) is an embodiment manufactured in a shape almost similar to that of FIG. 7, but in FIG. HW) may be ejected, and two or
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.The present invention described above is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings, and it is common in the technical field to which the present invention pertains that various substitutions, modifications and changes are possible within the scope without departing from the technical spirit of the present invention. It will be clear to those who have the knowledge of
AP : 주변 유체 압력 C : 코안다 유동 구간
SS : 흡입면 PS : 압력면
HW : 제트 분사 흐름 FD : 선박의 전진 방향
1 : 선박 2 : 트랜섬
3 : 방향타 4 : 프로펠러
10 : 고압수 공급부 11 : 고압 펌프
12,112 : 유체 유입관 13 : 고압수 공급관
20 : 유동 제어 날개 21,121,221 : 터널
22,122,222 : 슬릿 23,123,223 : 코안다 유도면
121,1121 : 유체 유입구AP: Ambient fluid pressure C: Coanda flow section
SS : Suction side PS : Pressure side
HW: Jet jet flow FD: Forward direction of the vessel
1: ship 2: transom
3: rudder 4: propeller
10: high-pressure water supply part 11: high-pressure pump
12,112: fluid inlet pipe 13: high pressure water supply pipe
20: flow control wing 21,121,221: tunnel
22,122,222: slit 23,123,223: Coanda induction surface
121,1121: fluid inlet
Claims (8)
상기 프로펠러(4)를 구동시키는 구동 모듈과;
상기 프로펠러(4)의 배후에 설치되는 방향타(3)와;
상기 프로펠러(4)의 전방에 설치되되 프로펠러(4)로 유입되는 유체 흐름을 제어시키는 유동 제어 모듈;을 포함하며,
상기 유동 제어 모듈에는 상기 프로펠러(4)의 전방에서 선박(1) 양 측에 측면으로 돌출되는 유동 제어 날개(20)가 구비되고,
상기 유동 제어 날개(20) 내부에는 길이방향을 따라 유로가 형성되어 유동 제어날개(20)의 표면까지 이어지며,
상기 유로에 고압 유체를 공급하는 고압 펌프(11)가 마련되어,
상기 고압 펌프(11)로 압축된 유체가 상기 유로를 거쳐 유동 제어 날개(20)의 표면을 통하여 상기 프로펠러(4)를 향하여 제트 분사 흐름(HW)의 형태로 분사됨으로써 프로펠러(4)의 전방의 유체 저항이 감소되고,
상기 유로는 상기 유동 제어 날개(20)의 길이방향을 따라 길게 형성되는 터널(21)과, 상기 터널(21)로부터 유동 제어 날개(20)의 표면까지 형성되는 슬릿(22)으로 구성되며,
상기 슬릿(22)은 곡면 형태로 형성되고,
상기 곡면 형태의 곡률 중심은 상기 선박(1)의 전진 방향을 기준으로 슬릿(22)의 전방에 위치하는 것을 특징으로 하는 유동 제어 모듈이 구비된 선박 추진 시스템.A propeller (4) installed at the aft of the vessel (1) and;
a driving module for driving the propeller (4);
a rudder (3) installed behind the propeller (4);
It includes; a flow control module installed in front of the propeller (4) to control the flow of fluid flowing into the propeller (4);
The flow control module is provided with flow control blades 20 protruding laterally on both sides of the vessel 1 from the front of the propeller 4,
A flow path is formed in the flow control blade 20 in the longitudinal direction and extends to the surface of the flow control blade 20,
A high-pressure pump 11 for supplying a high-pressure fluid to the flow path is provided,
The fluid compressed by the high-pressure pump 11 is sprayed in the form of a jet jet stream HW toward the propeller 4 through the surface of the flow control vane 20 through the flow path. fluid resistance is reduced,
The flow path is composed of a tunnel 21 elongated along the longitudinal direction of the flow control vane 20, and a slit 22 formed from the tunnel 21 to the surface of the flow control vane 20,
The slit 22 is formed in a curved shape,
A ship propulsion system with a flow control module, characterized in that the center of curvature of the curved surface is located in front of the slit (22) with respect to the forward direction of the ship (1).
상기 슬릿(22)의 입구에 인접한 상기 유동 제어 날개(20)의 표면 부위는 슬릿(22)을 통하여 분사되는 상기 제트 분사 흐름(HW)과 유동 제어 날개(20)의 표면이 이루는 각도가 감소되는 방향으로 일부가 절개되어 형성되는 근접 유도면이 형성되는 것을 특징으로 하는 유동 제어 모듈이 구비된 선박 추진 시스템.According to claim 1,
The surface portion of the flow control blade 20 adjacent to the inlet of the slit 22 has a reduced angle between the jet jet flow HW injected through the slit 22 and the surface of the flow control blade 20 . A ship propulsion system equipped with a flow control module, characterized in that a proximity guide surface formed by cutting a portion in the direction is formed.
상기 슬릿(22)의 단면적은 상기 터널(21)의 단면적보다 작은 것을 특징으로 하는 유동 제어 모듈이 구비된 선박 추진 시스템.5. The method of claim 4,
A vessel propulsion system with a flow control module, characterized in that the cross-sectional area of the slit (22) is smaller than the cross-sectional area of the tunnel (21).
상기 슬릿(22)은 유동 제어 날개(20)의 상면으로 분사되며, 상기 유동 제어 날개(20)는 상기 상면이 상기 선박(1)의 전방 측을 향하는 방향으로 경사가 형성되는 것을 특징으로 하는 유동 제어 모듈이 구비된 선박 추진 시스템.According to claim 1,
The slit 22 is sprayed onto the upper surface of the flow control vane 20, and the flow control vane 20 is inclined in a direction in which the upper surface faces the front side of the vessel (1). Vessel propulsion system with control module.
상기 고압 펌프(11)는 상기 선박(1)의 내부에 설치되고,
상기 유동 제어 모듈은 주위 유체가 상기 고압 펌프(11)로 흡입되도록 상기 선박(1)의 외부와 고압 펌프(11)를 연결하는 유체 유입관(12)과, 고압 펌프(11)에서 압축된 고압의 유체를 상기 터널(21)로 주입시키는 고압수 공급관(13)을 더 포함하며,
상기 유체 유입관(12)이 선박(1)의 표면에 노출되는 부위에 형성되는 유체 유입구(121)는 유동 제어 날개(20)의 전방에 설치되는 것을 특징으로 하는 유동 제어 모듈이 구비된 선박 추진 시스템.According to claim 1,
The high-pressure pump 11 is installed inside the ship 1,
The flow control module includes a fluid inlet pipe 12 connecting the outside of the vessel 1 and the high pressure pump 11 so that the surrounding fluid is sucked into the high pressure pump 11 , and the high pressure compressed by the high pressure pump 11 . Further comprising a high-pressure water supply pipe (13) for injecting the fluid of the tunnel (21),
The fluid inlet 121 formed in the portion where the fluid inlet pipe 12 is exposed to the surface of the vessel 1 is installed in front of the flow control wing 20. system.
상기 고압 펌프(11)는 상기 선박(1)의 내부에 설치되고,
상기 유동 제어 모듈은 주위 유체가 상기 고압 펌프(11)로 흡입되도록 상기 선박(1)의 외부와 고압 펌프(11)를 연결하는 유체 유입관(12)과, 고압 펌프(11)에서 압축된 고압의 유체를 상기 터널(21)로 주입시키는 고압수 공급관(13)을 더 포함하며,
상기 유체 유입관(12)이 선박(1)의 표면에 노출되는 부위에 형성되는 유체 유입구(1121)는 상기 프로펠러(4)의 전방에 설치되는 것을 특징으로 하는 유동 제어 모듈이 구비된 선박 추진 시스템.According to claim 1,
The high-pressure pump 11 is installed inside the ship 1,
The flow control module includes a fluid inlet pipe 12 connecting the outside of the vessel 1 and the high pressure pump 11 so that the surrounding fluid is sucked into the high pressure pump 11 , and the high pressure compressed by the high pressure pump 11 . Further comprising a high-pressure water supply pipe (13) for injecting the fluid of the tunnel (21),
A vessel propulsion system with a flow control module, characterized in that the fluid inlet 1121 formed in a portion where the fluid inlet pipe 12 is exposed to the surface of the vessel 1 is installed in front of the propeller 4 .
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