KR20000032070A - Propeller for ship, underwater blade for underwater ship and cross section profile of blade in air propeller - Google Patents

Propeller for ship, underwater blade for underwater ship and cross section profile of blade in air propeller Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A propeller is provided to have good cavitation in the water with an air propeller by making upward force to resisting force very large. CONSTITUTION: A code directional distribution of a two dimensional blade thickness of a propeller is +/-5% of maximum blade thickness from the blade thickness distribution in a section more than 50% of a code section illustrating thickness distribution. Also the code directional distribution of a two dimensional blade camber is +/-5% of blade camber distribution in a section more than 50% of camber distribution.

Description

선박용 프로펠러, 수중익선의 수중익 그리고 공기 프로펠러의 날개 단면형상.Marine propeller, hydrofoil hydrofoil and wing propeller profile of air propeller.

본 발명은 추력 또는 양력의 방생을 목적으로 하는 선박용 프로펠러, 수중익선의 수중익 그리고 공기 프로펠러(Air Propeller)의 날개 단면형상에 관한 것으로 특히, 2차원 단면형상에 의해 항력에 대한 양력의 비가 매우 커 공기 프로펠러에 유용하게 사용될 수 있을 뿐 아니라, 수중에서의 캐비테이션의 특성이 양호하다는 장점도 함께 가지고 있어 선박용 프로펠러, 수중익선의 수중익 그리고 공기 프로펠러의 날개에 효과적으로 사용될 수 있도록 한 것이다.The present invention relates to a ship propeller, a hydrofoil of a hydrofoil and a wing cross section of an air propeller for the purpose of generating thrust or lift. In addition to being able to be usefully used in the water, the characteristics of the cavitation in the water also has the advantage that it can be effectively used for ship propellers, hydrofoils of hydrofoils and wings of air propellers.

유체역학적 성능이 우수한 2차원 날개단명에 관한 개발은 1940년대부터 미국 NASA에서 많은 실험을 통하여 체계적으로 수행된 바 있으며, 지금도 보다 성능이 우수한 날개단면을 개발하기 위하여 여러 나라에서 많은 관심을 가지고 연구·개발중에 있다.The development of two-dimensional wing life with excellent hydrodynamic performance has been systematically carried out through many experiments at NASA in the US since the 1940's. It is under development.

최근 계산유체역학(Computational Fluid Dynamic)의 발달로 이러한 개발 연구는 더욱 활발해지고 있으며, 정도 높은 CFD의 사용으로 2차원 날개단면의 개발에 필요한 모형실험의 횟수를 크게 줄일 수 있는 특징에 따라 선진국의 연구소와 국내의 연구진에서 보다 나은 조건으로 연구되고 있다.Recent developments in computational fluid dynamics have made these developments more active. Researchers in developed countries have been able to significantly reduce the number of model experiments required for the development of two-dimensional wing sections with high CFD. It is being studied under better conditions by researchers in Korea and in Korea.

본 발명은 유체역학적 성능이 우수한 2차원 날개단면에 관한 것으로 그 개발은 1940년대부터 미국 NASA에서 많은 실험을 통하여 체계적으로 수행된 바 있으며, 지금도 보다 성능이 우수한 날개단면을 개발하기 위하여 여러 나라에서 많은 관심을 가지고 연구·개발중에 있다.The present invention relates to a two-dimensional wing section with excellent hydrodynamic performance, and its development has been systematically carried out through many experiments in the United States NASA since the 1940's, and is still in many countries in order to develop a better wing section. We are researching and developing with interest.

이에 본 발명은 추력 또는 양력의 발생을 목적으로 하는 선박용 프로펠러와, 수중익선의 수중익 그리고 공기 프로펠러 날개의 2차원 단면형상을 개선하여 특히 항력에 대한 양력 비가 매우 크게 함으로서 공기 프로펠러와 함께 수중에서의 캐비테이션의 특성이 양호하도록 구성된 프로펠러을 제공함을 목적으로 한 발명이다.Accordingly, the present invention is to improve the two-dimensional cross-sectional shape of the ship propeller, the hydrofoil of the hydrofoil and the air propeller wing for the purpose of generating the thrust or lift force, in particular to increase the lift ratio to the drag is very large in the water with the air propeller An object of the present invention is to provide a propeller configured to have good characteristics.

도 1은 본 발명의 2차원 날개두께의 코오드 방향 분포도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a distribution diagram of a code direction in the two-dimensional wing thickness of the present invention.

도 2은 본 발명의 2차원 날개캠버의 코오드 방향 분포도.Figure 2 is a cord direction distribution of the two-dimensional wing cam of the present invention.

도 3은 본 발명의 날개단면 형상의 측면도.Figure 3 is a side view of the wing cross-sectional shape of the present invention.

도 4는 본 발명의 날개단면 형상의 용어설명도.Figure 4 is a glossary of the cross-sectional shape of the wing of the present invention.

도 5는 본 발명의 날개단면에 대한 양력/항력의 특성 비교도.Figure 5 is a comparison of the characteristics of lift / drag for the wing cross section of the present invention.

도 6은 본 발명과 기하형상을 바꾸었을 경우의 운항점 부근 KT/J2에서의 비교도.Fig. 6 is a comparison diagram at K T / J 2 near a navigation point when the present invention and the geometry are changed.

도 7은 본 발명의 단면과 기존의 NACA66 단면에서 동일한 양력을 발생할때의 받음각에서 캐비테이션의 초기 발생 속도7 shows the initial velocity of cavitation at the angle of attack when the same lifting force is generated in the cross section of the present invention and the existing NACA66 cross section.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

본 발명은 상기 계산유체역학(CFD)의 사용으로 보다 광범위한 날개군들에 대한 계산을 수행하였으며, 이중 우수한 후보 날개들은 모형 제작 및 모형 실험을 통해 그 성능을 검증하고 또한 2차원 날개형상의 모형 프로펠러에 적용, 모형 실험을 통하여 종래 보다 양·항력 특성이 우수하며 캐비테이션 특성도 양호한 것으로 알려진 기존의 재래식 단면인 NACA66을 사용하였을 경우 보다 프로펠러 단독효율이 약3％정도 우수하다는 사실이 입증되었다.According to the present invention, computation of a wider wing group was performed by using the computational fluid dynamics (CFD). Among the excellent candidate wings, the performance was verified through model fabrication and model experiment, and the two-dimensional wing propeller model was also used. It is proved that propeller alone efficiency is about 3% better than the conventional NACA66, which is known to have better drag and drag characteristics and better cavitation characteristics than before.

이러한 효율의 상승은 대단히 획기적인 것이다. 예를 들어 선박의 경우 대단히 복잡한 선박의 선형 설계 수정을 통하여 개선되는 추진효율의 예상치가 보통 약2∼4％뿐이며, 더욱이 선박의 선형 설계 수정을 통한 추진효율의 상승은 대상 특정 선박에 국한 된 것이기 때문에 거의 모든 선박에 적용 가능한 프로펠러 단독효율에서의 효율 향상은 그 기대효과가 대단히 크다.This increase in efficiency is very dramatic. For example, in the case of ships, the estimated propulsion efficiency improved through the linear design modification of a very complex ship is usually only about 2 to 4%. Moreover, the increase in propulsion efficiency through the linear design modification of the ship is limited to the specific vessel. Therefore, the expected improvement in efficiency of propeller alone efficiency that can be applied to almost all ships is very large.

이하 본 발명을 보다 상세히 개진한다. 도 3 은 본 발명의 날개단면 형상의 측면도이다.The present invention is described in more detail below. 3 is a side view of a wing cross-sectional shape of the present invention.

이에 도시된 바와같이 프로펠러 또는 3차원 날개의 단면에 사용되는 용어는 도 4에 보이는 바와 같다.As shown here, the term used in the cross section of the propeller or the three-dimensional wing is as shown in FIG.

실제로 제품 설계시 산출되는 2차원 날개의 옵셋(section offset)은 도 4에 보인 날개두께 분포 및 날개캠버 분포에 최대 두께 및 최대 캠버 수치를 설계사항에 맞도록 함으로써 비로소 정의된다.In fact, the section offset of the two-dimensional wing calculated during product design is defined by matching the maximum thickness and the maximum camber value to the design matter in the wing thickness distribution and the wing camber distribution shown in FIG. 4.

따라서 최대 두께 및 최대 캠버의 양(量)은 임의의 수로 보아야 무방하기 때문에 여기서 날개두께의 분포 및 날개 캠버의 분포로 한정한다.Therefore, since the maximum thickness and the maximum amount of cambers should be viewed in any number, it is limited to the distribution of the wing thickness and the distribution of the wing camber here.

본 발명의 2차원 날개두께의 코오드 방향 분포는, 도 1에 보이는 바와 같이 두께 분포가 도시된 코오드 구간의 50％이상의 구간에서 도 1에 도시된 날개두께 분포로부터 최대 날개두께의 ±5％이내에 변할 수 있도록 하였다.The code direction distribution of the two-dimensional wing thickness of the present invention may vary within ± 5% of the maximum wing thickness from the wing thickness distribution shown in FIG. 1 in a section of 50% or more of the code section in which the thickness distribution is shown as shown in FIG. 1. To make it possible.

또한 2차원 날개캠버의 코오드 방향 분포는, 도 2에 보이는 바와 같이 캠버 분포가 도시된 코오드 구간의 50％이상의 구간에서 도 2에 도시된 날개캠버 분포로부터 ±5％이내에 변할 수 있도록 한다.In addition, the code direction distribution of the two-dimensional wing camber allows the camber distribution to vary within ± 5% from the wing camber distribution shown in FIG. 2 in a section of 50% or more of the coded section shown in FIG. 2.

최종적으로 3차원 날개의 단면 옵셋(section offset)에서는 전 스팬의 50％이상에서, 그리고 프로펠러 날개의 단면 옵셋에서는 순수 날개단면이 사용된 반경 구간(전 반경에서 허브 부분을 제외함)의 50％이상에서 상기 형상이 사용되는 것이 바람직하다.Finally, at the section offset of the three-dimensional wing, at least 50% of the total span, and at the section of the propeller wing, at least 50% of the radius section (excluding the hub part) in which the pure blade section is used. It is preferred that the above shapes be used.

도 3 에서는 본 발명의 날개단면 형상 및 현재 사용되고 있는 날개단면 중 가장 우수하다고 알려진 NACA66 두께 및 0.8 평균선 분포(a = 0.8 mean line)(이하 NACA66으로 표시)를 보인 것이다.3 shows the NACA66 thickness and 0.8 average line distribution (a = 0.8 mean line) (hereinafter referred to as NACA66), which are known to be the best among the wing cross-sectional shapes and the wing cross sections currently used.

이상의 본 발명 날개단면은 첫째로 도 5의 실험 결과에서 알 수 있듯이 양력/항력이 매우 큰 특성을 갖는다. 특히 받음각이 2∼7°의 영역에서 동일 추력 계수에서 기존 날개단면에 비하여 양항력비(양력/항력)가 약 10％크며, 모형 실험이 수행되지 않은 7°이상에서도 동일한 결과가 예상된다.Above the wing section of the present invention has a very large lift / drag characteristic as can be seen from the experimental results of FIG. In particular, in the range of angle of attack of 2-7 °, the drag force ratio (lift / drag) is about 10% larger than that of the existing wing section at the same thrust coefficient, and the same result is expected at 7 ° or more when no model test is performed.

이러한 2차원 날개의 양·항력 특성의 개선은 수중익선 또는 항공기에서는 동일 부양력에서 낮은 항력을 갖기 때문에 연료 절감을 꾀할 수 있다.The improvement of the drag and drag characteristics of the two-dimensional wing can save fuel because the hydrofoil or the aircraft has low drag at the same flotation.

날개단면 및 기존 단면을 각각 프로펠러에 적용하여(2차원 단면을 제외한 3차원 기하형상은 동일함)모형실험을 수행한 결과를 도 6의 기하형상을 바꾸었을 경우의 운항점 부근 KT/J2에서의 비교 변화를 알수 있다.Wing cross-section and near the route points in the case changed the the results of the previous section by applying to each propeller (3-D geometric shape other than the two-dimensional cross-section is the same) model test geometry of Fig. 6 K T / J 2 The change in comparison can be seen.

상기 도 6는 운항점 부근의 KT/J2에서 약3.2％정도 프로펠러 단독효율이 향상되고 있음을 보여준다.6 shows that the propeller alone efficiency is improved by about 3.2% at K T / J 2 near the operating point.

또한 약간의 기하형상을 바꾸었을 경우(도 1, 도 2, 개발단면 2로 표시)도 조사되었는데 약 2.7％정도의 효율 향상을 가져왔다. 이렇게 향상된 프로펠러 단독효율은 주어진 엔진마력에서 선박의 속도를 높이거나, 반대로 동일한 선박속도를 내는 데 필요한 소요 엔진마력이 감소되며, 연료비도 절감되는 경제적 효과를 기대할 수 있다.In addition, a slight change in geometry (shown in Figures 1, 2, and development section 2) was also investigated, resulting in an efficiency improvement of about 2.7%. This improved propeller efficiency alone can increase the speed of a ship at a given engine horsepower, or, conversely, the required engine horsepower required to achieve the same ship speed, and can reduce the cost of fuel.

또한 본 발명은 2차원 날개 혹은 2차원 날개를 부착한 프로펠러가 수중에서 고속으로 작동할 때 발생할 수 있는 캐비테이션(공동현상)의 발생을 크게 감소시킬 수 있다.In addition, the present invention can greatly reduce the occurrence of cavitation (cavitation) that can occur when a two-dimensional wing or a propeller attached to a two-dimensional wing is operated at high speed in water.

선박용 추진기로 사용되고 있는 프로펠러에서는 거의 대부분의 경우 캐비테이션이 발생하며, 이로 인해 추력의 감소, 진동 및 소음이 발생, 날개 침식 등 선박 또는 프로펠러 날개에 매우 해로운 영향을 끼친다.In propellers used as propellers for ships, cavitation occurs in almost all cases, which has a very detrimental effect on ships or propeller blades such as thrust reduction, vibration and noise, and wing erosion.

따라서 수중에서 고속으로 전진하는 수중익 및 고속으로 회전하는 프로펠러 날개는 동일한 설계 요구조건 속에서 캐비테이션이 최소로 발생하도록 하는 것이 최선이다.Therefore, it is best to have a hydrofoil advancing at high speed underwater and a propeller blade rotating at high speed to minimize cavitation within the same design requirements.

이러한 캐비테이션 성능의 개선책은 여러 가지 방법이 있을 수 있으나, 2차원 날개단면의 형상을 개선함으로써 날개 각 단면에서의 캐비테이션에 관한 연구결과들은 거의 대부분의 경우 불행히도 양·항력 성능의 저하를 초래하고 있어 실제 실용화에 이르는 개발단면은 극소수에 불과하다.There are many ways to improve the cavitation performance, but the results of cavitation in each wing section have been unfortunately in most cases unfavorably deteriorating the drag and drag performance by improving the shape of the two-dimensional wing section. There are only a few development stages leading to commercialization.

이렇게 캐비테이션 성능과 양·항력 성능을 동시에 개선하는 것이 쉽지 않다는 것은 프로펠러의 일반 설계기법에서도 볼 수 있다.It is not easy to improve the cavitation performance and the drag and drag performance at the same time in the propeller general design technique.

흔히 캐비테이션 성능을 향상시키는 방법으로는 캐비테이션이 발생하는 부분의 피치 또는 캠버를 감소시키거나, 해당부위의 날개면적을 키우는 것인데, 이러한 방법을 사용하면 날개의 양력을 감소시키거나 항력을 증가시켜 결국 프로펠러에 의한 추진 효율을 감소시키게 되는 폐단이 일어난다.Often, methods to improve cavitation performance are to reduce the pitch or camber of the area where cavitation occurs, or to increase the wing area of the area, which reduces the lift of the wing or increases drag and eventually propellers. The closure occurs which reduces the propulsion efficiency.

따라서 본 발명에서와 같이 캐비테이션 성능 및 양·항력 성능을 동시에 개선하는 경우는 드물 뿐 아니라, 날개단면에서의 양·항력 성능을 크게 개선시켰을 뿐 아니라 동시에 캐비테이션 성능도 크게 향상시킨 경우는 대단히 어려운 기술에 있고 고도의 기술에 속한다.Therefore, as in the present invention, the cavitation performance and the drag and drag performance are rarely improved at the same time, and the lift and drag performance at the wing section is greatly improved and at the same time, the cavitation performance is greatly improved. And belongs to high technology.

캐비테이션 성능이 개선된 것은 캐비테이션 실험결과에서 밝혀졌는 데, 도 7에 보이는 바와 같다.The improvement in cavitation performance was found in the cavitation test results, as shown in FIG. 7.

도 7에서는 본 발명의 단면에서는 기존 NACA66 단면에서 보다 동일한 양력을 발생할 때 즉, 거의 동일한 받음각(angle of attack)에서 캐비테이션의 초기 발생 속도가 증가한다.In FIG. 7, the initial velocity of cavitation increases when the same lift force is generated in the cross section of the present invention than in the existing NACA66 cross section, that is, at about the same angle of attack.

예를 들어 5°받음각에서 캐비테이션 초생수가 25％증가함을 볼 수 있는데, 이때 캐비테이션 초기 발생속도는 약12％증가한다. 프로펠러 날개의 옵셋은 전술한 바와 같이 날개두께의 분포 및 날개캠버의 분포로 구성되며, 이러한 분포들은 약간씩 수정하면 성능의 차이를 유발한다.For example, we see a 25% increase in the number of cavitation vegetation at the 5 ° angle of attack, with an initial rate of about 12% increase in cavitation. The offset of the propeller blade is composed of the distribution of the wing thickness and the distribution of the wing camber as described above, and these distributions cause a difference in performance when modified slightly.

따라서 본 발명의 특성상 특정한 분포로만 한정할 수는 없기 때문에 특정한 분포로 제시되어 도 1, 및 도 2를 기준으로 약간의 허용치를 본 발명의 특징적 기술범위로 하고 있다.Therefore, the present invention cannot be limited only to a specific distribution because of the characteristics of the present invention, and the present invention is presented in a specific distribution and has a slight tolerance based on FIGS. 1 and 2 as a characteristic technical range of the present invention.

본 발명은 추력 또는 양력의 발생을 목적으로 하는 선박용 프로펠러와, 수중익선의 수중익 그리고 공기 프로펠러 날개의 2차원 단면형상을 개선하여 특히 항력에 대한 양력 비가 매우 크게 함으로서 공기 프로펠러와 함께 수중에서의 캐비테이션의 특성이 양호하도록 구성된 프로펠러을 제공함으로 캐비테이션 성능 및 양·항력 성능을 동시에 개선하여 동시에 캐비테이션 성능도 크게 향상시켜 각종 프로펠러에 매우 유용하게 이용될수 있으며 특히 연료절감 및 속도의 증가를 이룰 수 있는 특징을 가진 발명이다.The present invention improves the two-dimensional cross-sectional shape of marine propellers, hydrofoils and air propeller blades for the purpose of generating thrust or lift, so that the lift ratio against drag is very large, and thus the characteristics of cavitation in water with air propellers. By providing this well-formed propeller, it simultaneously improves cavitation performance and drag and drag performance, and at the same time greatly improves cavitation performance, which can be very useful for various propellers. .

Claims (3)

프로펠러 2차원 날개두께의 코오드 방향 분포가 코오드 구간의 50％이상의 구간에서 날개두께 분포로부터 최대 날개두께의 ±5％이내에 변할 수 있도록 된 선박용 프로펠러, 수중익선의 수중익 그리고 공기 프로펠러(Air Propeller)의 날개 단면형상.The wing cross section of ship propeller, hydrofoil of hydrofoil and air propeller so that the code direction distribution of the propeller two-dimensional wing thickness can be changed within ± 5% of the maximum wing thickness from the wing thickness distribution over 50% of the code section. shape. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 프로펠러 2차원 날개캠버의 코오드 방향 분포가 캠버 분포 코오드 구간의 50％이상의 구간에서 날개캠버 분포로부터 ±5％이내에 변할 수 있도록 함을 특징으로 하는 선박용 프로펠러, 수중익선의 수중익 그리고 공기 프로펠러(Air Propeller)의 날개 단면형상.The ship propeller, the hydrofoil of the hydrofoil and the air propeller of the propeller two-dimensional wing camber can be changed within ± 5% of the wing camber distribution in a section of 50% or more of the camber distribution code section. Wing cross section shape. 제 1항 및 제 2항에 있어서,The method according to claim 1 and 2, 프로펠러 3차원 날개의 단면 옵셋(section offset)에서는 전 스팬의 50％이상에서, 그리고 프로펠러 날개의 단면 옵셋에서는 순수 날개단면이 사용된 반경 구간에서 상기 제 1항 또는 제 2항의 형상이 사용된 선박용 프로펠러, 수중익선의 수중익 그리고 공기 프로펠러(Air Propeller)의 날개 단면형상.Ship propellers in which the shape of claim 1 or 2 is used in a radial section in which a pure blade section is used in a section offset of the propeller three-dimensional blades at a section offset of 50% or more of all spans. , Hydrofoil of hydrofoil and wing section of air propeller.
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