KR20010051173A - 선박용 물분사 추진장치를 위한 임펠러 - Google Patents

선박용 물분사 추진장치를 위한 임펠러 Download PDF

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Abstract

선박용 물분사 추진 시스템을 위한 임펠러(22)는 주 선박의 설비 또는 추진 시스템의 주요 구성요소에 대한 물리적 손상, 소음, 진동 및 캐비테이션을 감소시키도록 구성된 블레이드(44)를 구비한다. 임펠러의 각 블레이드의 전연(52)은 적어도 그것의 스팬의 외부 70% 이상을 따라 전방으로 스큐되어 있으며, 전방 스큐는 팁(56)에서 최대이고 35°이상이며, 바람직하게는 50°이상이다. 임펠러는 1.5 이상의 블레이드 면적 비율을 갖는다. 각 블레이드의 현의 길이가 최소 스큐 지점으로부터 팁에 이르기까지 점진적으로 증가하여 캐비테이션 임계 영역에서의 하중이 감소된다. 부분 또는 전체 팁 밴드가 블레이드 팁에 부착될 수 있다.

Description

선박용 물분사 추진장치를 위한 임펠러{IMPELLER FOR MARINE PROPULSION APPARATUS}
보편적으로, 선박용 물분사 추진 시스템은 회전 및 고정 블레이드 열을 포함한다. 회전 블레이드 열은 임펠러로 불린다. 회전 블레이드 열의 목적은 추진 시스템을 통과하는 물의 전체 에너지를 높이는 것이며, 이는 주 선박(host vessel)이 물을 가르며 추진하도록 하는 유용한 추진력을 생성하는 데 사용될 수 있다. 고정 블레이드 열은 디퓨저 또는 안내 날개(guide vane)라고 불린다. 고정 블레이드 열의 하나의 목적은 고정 블레이드 열이 회전 블레이드 열의 하류에 위치되는 경우, 주 선박이 물을 가르며 추진하게 하는 유용한 추진력을 생성함에 있어 추진 시스템의 기능을 강화하는 데 사용될 수 있는 임펠러에 의해 생성된 회전 흐름 에너지를 회복시키는 것이다. 만일 고정 블레이드 열이 회전 블레이드 열의 상류에 위치된다면, 그것의 목적 중의 하나는 회전 블레이드 열에 의해 나타나는 흐름 속도의 크기 및 방향의 대규모 변동을 완화시키려는 데 있다.
흐름 속도의 크기 및 방향이 변동하면 추진 시스템의 성능에 해로운 결과를 초래할 수 있다. 특히, 이들 변동은 상기 변동의 영향을 받은 임의의 회전 또는 고정 블레이드 열 상에 변동하는 압력이 발생하게 한다. 일반적으로 이러한 변동은 추진 시스템의 효율 감소, 진동 증가 및 소음 증가를 유발한다. 변동이 심할 경우에는 블레이드 열 상의 표면 압력이 증기압보다 낮은 정도로 감소되어 물이 끓게 할 수도 있다. 이러한 현상을 캐비테이션(cavitation)이라고 한다. 블레이드의 표면 상에 수증기 기포가 생성되어, 상기 기포가 블레이드에 부착되는 거대한 캐비티로 통합되거나 블레이드 열 표면으로부터 흘러 하류로 이동할 수 있다. 캐비티와 기포는 여러가지로 추진 시스템의 성능에 손실을 입힌다.
만일 추진 시스템에서의 캐비테이션의 정도가 너무 커지면, 시스템을 통한 물의 흐름이 차단되어 캐비테이션 붕괴 또는 추진 중단 사태가 일어나고, 시스템의 유용한 추진력이 현격히 감소된다.
캐비티 또는 수증기의 기포가 흐름 필드의 압력이 물의 증기압보다 큰 시스템의 영역에 도달하면, 기포가 내폭(implosion)하여 액체 상태로 되면서 수증기가 급속히 액화된다. 이러한 내폭의 작용은 격렬하여 추진 시스템의 구성요소의 구조에 물리적인 손상을 입힐 만큼 강력하고도 과도한 일시적 압력 변동을 유발한다.
수증기 기포의 내폭은 적어도 소음을 일으킬 만큼의 체적 및 압력 변동을 초래한다. 게다가, 이러한 변동은 추진 시스템의 구조뿐만 아니라 연계된 주 선박의 구조를 진동하게 한다. 이러한 진동은 주 선박 내 및 물속으로 부가적인 소음을 발산할 뿐만 아니라 상기 구조의 피로 파괴를 유발할 수 있다.
기존의 물분사 추진 시스템은 보편적으로 캐비테이션 문제를 안고 있다. 일반적인 물분사 추진 시스템의 설치로는 주 선박의 작동 영역을 엄격히 제한하지 않으면서 임의의 실제적인 수단을 사용하여 흐름 속도의 크기 및 방향에서의 변동을 충분히 완화시킬 수 없다. 선박의 작동 영역을 넘는 어떤 상황이 되면, 캐비테이션은 추진 시스템에 물리적 손상을 입히거나 또는 최소한 진동 및 소음을 심하게 증가시킬 만큼 심각하다.
본 발명의 목적은 하나의 회전 블레이드와 하나의 고정 블레이드로 이루어진 두 개의 블레이드 열을 구비하며, 임의의 소정 크기에 대하여도 기존의 물분사 추진 시스템보다 흐름 속도의 크기 및 방향에서의 시간적 공간적 변동으로부터 초래되는 캐비테이션의 개시에 대한 더 큰 저항력을 나타내는 물분사 추신 시스템을 제공하는 것이다. 또 다른 목적은 특히, 해양 탐사선, 유람선 및 함선에 있어서, 캐비테이션에 의해 야기되는 소음 및 진동이 없는 선박 작동 범위를 확장시키는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 각 블레이드의 전연에 적용된 전방 스큐를 갖는 임펠러의 실시예를 포함하는 선박용 물분사 추진 시스템 조립체의 개략 분해 회화도;
도 2는 도 3의 선 2-2를 따라 자른 도 1의 선박용 물분사 시스템 조립체의 조립된 측단면도;
도 3은 도 1 및 도 2의 조립체의 정면도;
도 4는 도 1 내지 도 3의 조립체의 임펠러의 회화도;
도 5는 도 4의 임펠러의 정면도;
도 6은 도 4 및 도 5의 임펠러의 측면도;
도 7은 블레이드 섹션이 임펠러의 회전축에 수직인 평면 위로 돌출된 도 4 내지 도 6의 임펠러의 블레이드 중 하나의 다이어그램;
도 8은 임펠러의 회전축에 수직인 평면 위로 돌출된 단일 블레이드의 외주 등고선을 나타내는 다이어그램;
도 9는 임펠러의 회전축에 수직인 평면 위로 돌출된 모든 블레이드의 팁(tip) 및 루트(root)의 합성 등고선을 나타내는 다이어그램.
본 발명에 따르면, 블레이드에 고정되며 브레이드와 함께 좌표 시스템에 대하여 측정되었을 때, 각 블레이드가 전방 즉, 상류측 수류와 부딪치는 방향의 반대 방향으로 매우 휘어져 있거나 굽어있는 복수의 블레이드를 구비하는 물분사 추진장치용 임펠러에 의해 상기 목적이 달성된다. 이러한 방식에서 블레이드 팁은 회전방향에서 전연의 더 내부에 이른다. 전방으로 휘어진 영역이 블레이드의 전연 스팬의 70% 이상을 따라 바깥쪽 팁으로부터 안쪽으로 뻗는다. 회전 중심과 최소 스큐의 전연 지점을 잇는 선과 최소 스큐의 전연 지점과 (블레이드 팁에서의) 최대 스큐의 전연 지점을 잇는 선이 이루는 돌출된 스큐 각도는 35°이상이며, 바람직하게는 50°이상이다.
팁 부근 블레이드의 전연은 입사와 관련된 상류 흐름 속도에서의 변동때문에 일반적으로 초기 캐비테이션이 발생하는 위치이다. 팁에서의 최대 전방 스큐의 영향은 캐비테이션 발생의 원인인 피크 블레이드면 압력 변동을 감소시키는 3차원 흐름 효과로 나타난다. 또한 피크 블레이드면 압력의 변동이 감소되면 블레이드 하중 변동 및 합성 진동이 감소되어, 피로로 인한 추진 시스템의 구성요소의 구조적 손상 원인을 감소시킨다.
대응하는 후연의 모양을 변형시킴 없이 전연의 블레이드에 전방 스큐(forward skew)를 도입하는 것이 바람직하다. 이러한 방법에 있어서, 블레이드의 현(chord) 길이를 적어도 블레이드 스팬의 외부로 70% 증가시켜, 돌출된 블레이드 면적 비율이 증가하게 한다. 특정의 블레이드 하중에 대한 블레이드 면적의 증가는 블레이드 한 쪽에 유도되는 압력의 크기를 감소시킨다. 따라서 변동이 부가되는 캐비테이션의 우려가 감소된다. 특히, 회전축에 수직인 평면 상으로 돌출된 블레이드 면적을 블레이드의 개수로 곱한 다음 회전 축에 수직인 평면 위로 돌출된 모든 블레이드의 외형의 면적으로 나눈 값으로 정의되는, 돌출된 블레이드 면적 비율은 1.5를 초과한다. 상대적으로 큰 돌출된 블레이드 면적 비율은 흐름 속도 크기 및 방향의 변동이 없이 블레이드면 압력 크기를 낮추어 준다. 이러한 변동이 존재하면 피크 블레이드면 압력 변동이 증기압에 도달하여 캐비테이션을 발생시키는 경향이 적당하게 감소된다.
흐름 속도 입사 변동에 의해 초래되는 블레이드의 전연 부근의 캐비테이션-유도 압력 감소는 블레이드 섹션의 증가된 노우즈 반경 및 블레이드 팁을 향하는 전연의 전방 스큐 또는 스위프에 의해 완화되는 것을 알 수 있다. 하지만, 블레이드 섹션 노우즈 반경의 이득은 섹션 노우즈의 "어깨(shoulder)"의 중간 흐름에서 증가된 압력 감소에 의해 제한된다. 또한, 블레이드 섹션의 기하학적 원형(parent form)이 주어지면, 노우즈 반경의 증가는, 블레이드들 간의 중간 흐름에서 허용될 수 없는 차단 및 캐비테이션을 양산할 수 있는 블레이드 섹션 두께의 증가를 의미한다.
입사하는 속도의 변동의 변화에 대응하여 압력을 감소시킴으로써, 외부 전방으로 보다 많이 휘어진 블레이드 전연은 설계자가 이용가능한 보다 작은 소정 노우즈 반경을 보상한다. 소정의 입사 변동, 주위 압력 및 속도에 대하여, 전연 스큐 각도의 보상은 섹션 노우즈 반경의 제곱근에 반비례함을 알 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는 임펠러 블레이드의 팁에 고정되어 둘러싸고 있는 원주 팁 밴드 구조를 포함하며, 이는 팁 갭 틈새에서의 캐비테이션을 방지하고 블레이드 임펠러 조립체에 구조적 완결성을 개선하는 기능을 한다. 팁 밴드는 부분적일 수도 또는 전체적일 수도 있다. 즉, 그것은 블레이드의 연장축의 전체 또는 일부를 따라 연장될 수 있다.
본 발명 및 그 장점을 더욱 완벽히 이해하기 위해서, 첨부된 도면과 관련지어 후술하는 예시적 실시예가 참고될 것이다.
하나의 고정 블레이드 열 및 하나의 회전 블레이드 열을 사용한 선박용 물분사 추진 시스템(20)이 도 1 내지 도 3에 개략적으로 도시된다. 회전 블레이드 열 또는 임펠러(22)는 추진 시스템을 거치는 물의 흐름에 유용한 추진력을 발생시키는 데 사용될 수 있는 에너지를 주도록, 고정 블레이드 열 또는 디퓨저(24)에 결합되어 사용된다. 임펠러 하우징(26), 디퓨저 허브 콘(28) 및 출구 노즐(30)을 포함한 도시된 선박용 물분사 추진 시스템의 나머지 구성요소는 추진 시스템을 거치는 물의 흐름을 방향짓고 수용하는 데 사용된다.
수류는 임펠러 하우징(25)으로 들어가고 임펠러(22)에 의한 작용을 받는다. 임펠러(22)는 유용한 추진력을 발생시키는 데 사용될 수 있는, 추진 시스템을 거치는 수류의 에너지를 증가시킨다. 또한, 임펠러(22)는 수류에 유용한 추진력을 발생시키는 데 사용될 수 없는 회전 에너지를 가한다. 추진 시스템을 거쳐 임펠러(22)에 의해 부여된 회전 에너지가 유용한 추진력을 발생시키는 데 사용될 수 있는 에너지로 변형될 수 있는 디퓨저로 흐름이 계속된다. 콘(28) 및 출구 노즐(30)이 협력하여 임펠러 및 디퓨져에 의해 추진 시스템을 거치는 수류에 가해진 에너지를 유용한 추진력으로 변형시킨다.
임펠러(22)는, 다소 럭비공 반쪽같은 형상이며 임펠러가 끼워질 구동축(도시되지 않음)을 수용하는 축 구멍(42)을 가진 허브(40)를 구비한다. 6개의 동일한, 원주를 따라 같은 간격으로 이격된 임펠러 블레이드(44)가 허브(40) 둘레를 따라 배열되어 뻗어있다. 블레이드 팁은 임펠러 하우징(26)의 내면과 틈새를 두고 인접하여 운동한다. 상술한 바와 같이, 전방 스큐는 임펠러(22)의 6개의 블레이드(44) 각각의 전연에 적용된다.
비록 여기에 도시되고 서술된 임펠러(22)의 실시예는 혼류형의 임펠러이지만, 본 발명은 유도형, 축형 및 원심형을 포함한 다양하게 설계된 임펠러 및 다양한 수의 블레이드를 가진 임펠러에 응용될 수 있다.
도 7은 단일 임펠러 블레이드(44)를 도해적으로 나타낸다. 20개의 이중선(C1, C2, 등)은 각각 축(A) 주위의 임펠러 하우징(26)의 내면과 허브(40)의 외면 사이의 통로를 지나는 물의 흐름 통로의 유선을 회전시킴으로써 발생되는, 20개의 동일하게 이격된 이중으로 휘어진 가상의 절단면에 의한 블레이드의 교선에 의해 형성된 블레이드 섹션의 임펠러(22)의 축(A)에 수직인 평면 위의 돌출부이다. 루트 블레이드 섹션(C1) 및 팁 블레이드 섹션(C20)은 스팬 와이즈(span wise) 방향으로의 블레이드의 범위를 나타내며, 한편 전연 외주(52) 및 후연 외주(54)는 현 와이즈(chord wise) 방향으로의 블레이드의 범위를 나타낸다. 최소로 돌출된 스큐 라인(SLmin)은 임펠러의 회전축(A)과 최소로 돌출된 스큐 지점(SPmin)을 따라 그려진다. 최대로 돌출된 스큐 라인(SLmax)은 최소로 돌출된 스큐 지점(SPmin)과 팁 전연 지점(56)을 따라 그려진다. 최대로 돌출된 스큐 라인(SLmax)과 최소로 돌출된 스큐 라인(SLmin)이 이루는 돌출된 스큐 각도(α)는 35°이상이며, 바람직하게는 50°이상이다. 전방 스큐는 팁 전연 지점(56)과 최소로 돌출된 스큐 지점(SPmin) 사이의 블레이드 전연 부분을 따라 유지되고, 그 부분을 따라 지점(56)으로부터 점진적으로 스큐의 양이 감소된다. 최소로 돌출된 스큐 지점(SPmin)은 블레이드의 돌출된 스팬의 70% 이상 팁으로부터 거리를 두고 있다.
도 8은 회전축(A)에 수직인 평면 위에서 단일 임펠러 블레이드(44)의 외주로 둘러싸인 영역의 실제 직교 돌출부를 나타낸다. 도 9는 회전축(A)에 수직인 평면 위에서 임펠러(26)의 6개의 블레이드(44)의 합성된 외주로 둘러싸인 영역의 실제 직교 돌출부를 나타낸다. 임펠러의 블레이드 개수와 단일 블레이드의 돌출된 면적(도 8)을 곱한 다음 6개의 모든 블레이드의 합성된 외주로 둘러싸인 면적(도 9)을 나누어 계산되는, 돌출된 블레이드 면적 비율은 1.5보다 크다.
본 발명은 하나의 회전 블레이드와 하나의 고정 블레이드로 이루어진 두 개의 블레이드 열을 구비하여, 임의의 소정 크기에 대하여도 캐비테이션의 영향에 의한 흐름 속도의 크기 및 방향에서의 시간적 공간적 변동에 대한 저항력이 기존의 물분사 추진 시스템보다 월등하며, 소음 및 진동을 유발하는 캐비테이션이 없도록 하여 선박의 작동 영역을 확장시킴으로써, 해양 탐사선, 유람선 및 함선과 같이 특정 용도에 부합하는 물분사 추진 시스템을 제공할 수 있다.

Claims (10)

  1. 각각 전연부를 갖는 복수의 블레이드(44)를 구비하는 선박용 물분사 추진장치를 위한 임펠러에 있어서,
    상기 각 블레이드의 전연부는 상기 블레이드(44)의 전연(52)의 스팬의 70% 이상을 따라 바깥쪽 팁(56)으로부터 안쪽으로 연장되며 전방으로 스큐된 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 선박용 물분사 추진장치를 위한 임펠러.
  2. 제 1항에 있어서,
    각 블레이드(44)의 전방으로 스큐된 영역의 스큐는 바깥쪽 팁(56)에서 가장 크며, 35°이상의 스큐를 갖는 것을 특징으로 하는 선박용 물분사 추진장치를 위한 임펠러.
  3. 제 1항에 있어서,
    각 블레이드(44)의 전방으로 스큐된 영역의 스큐는 바깥쪽 팁(56)에서 가장 크며, 50°이상의 스큐를 갖는 것을 특징으로 하는 선박용 물분사 추진장치를 위한 임펠러.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 항에 있어서,
    각 블레이드(44)의 현 길이가 상기 블레이드(44) 섹션이 전연 스큐를 수용하도록 연장된 전방으로 스큐된 영역에 대응하는 스팬의 일부에서 루트로부터 팁으로 향하는 방향으로 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 선박용 물분사 추진장치를 위한 임펠러.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 항에 있어서,
    돌출된 블레이드 면적 비율이 1.5 이상인 것을 특징으로 하는 선박용 물분사 추진장치를 위한 임펠러.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 항에 있어서,
    상기 블레이드 섹션의 최대 두께 및 각 블레이드의 상기 전연의 반경은 모두 전방으로 스큐된 영역에 대응하는 스팬의 일부에서 루트로부터 팁으로 향하는 방향으로 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 선박용 물분사 추진장치를 위한 임펠러.
  7. 제 1항 내지 제 5항에 중 어느 항에 있어서,
    각 블레이드의 상기 블레이드 섹션의 최대 두께 및 각 블레이드의 상기 전연의 반경은 모두 루트로부터 팁으로 향하는 방향으로 스팬의 외부 70% 이상을 따라 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 선박용 물분사 추진장치를 위한 임펠러.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 항에 있어서,
    외주 팁 밴드가 상기 블레이드의 팁의 적어도 일부분에 부착되는 것을 특징으로 하는 선박용 물분사 추진장치를 위한 임펠러.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 팁 밴드가 블레이드의 축방향 연장의 일부만을 따라 뻗어있는 것을 특징으로 하는 선박용 물분사 추진장치를 위한 임펠러.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 팁 밴드가 블레이드의 축방향 연장의 전체를 따라 뻗어있는 것을 특징으로 하는 선박용 물분사 추진장치를 위한 임펠러.
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