KR20010095242A - 마찰저항 저감선 및 선체의 마찰저항 저감방법 - Google Patents

Abstract

공기(A)를 선체 외판(1)에서 수중에 분출함으로써 선체 외판(1)의 표면 근방에 미세기포(b)를 개재시켜 선체 외판(1)과 물(W)의 마찰저항을 저감시키는 마찰저항 저감선에 있어서, 특징적인 구성으로서 침수선(沈水線, WL) 아래의 뱃머리(1a)에 설치된 물 도입구(2a)에서 도입한 물(W)에 대해 부압(負壓) 상태를 만듦으로써 물 위의 공기를 수중에 분출하여 미세기포(b)를 생성하고 이 미세기포(b)를 물과 함께 배바닥(1b)의 물 배출구(2b)로 배출하는 것이다.

Description

마찰저항 저감선 및 선체의 마찰저항 저감방법{Friction-reducing ship and method for reducing skin friction}

본 발명은 선체의 침수(沈水) 표면에 기포를 방출하여 선체의 마찰저항을 저감시키는 것이다.

일본의 공개공보인 특개소50-83992호, 특개소53-136289호, 특개소60-139586호, 특개소61-71290호, 실개소61-39691호 및 실개소61-128185호 등에는 상기 마찰저항 저감선에 관한 기술이 개시되어 있다. 마찰저항 저감선은 항해중의 선박의 선체 외판에서 공기 등의 기체를 수중에 내뿜어 선체 외판의 표면에 다수의 미세한 기포(마이크로버블)를 개재시켜 이 마이크로버블의 개재에 의해 물과 선체 사이에 작용하는 마찰저항을 저감시키는 것이다. 이러한 마찰저항의 저감에 의해 선박의 항해 동력의 삭감(연료절약)이 실현되어 궁극적으로 선박의 운행에 관한 비용저감을 실현할 수 있다.

본 출원인은, 이러한 마찰저항 저감선에 관한 기술로서, 뱃머리 근방에 있어서 배바닥에 비해 수압(정압)이 작은 배쪽에서 공기를 내뿜어 이 기체분출에 의해 수중에 생성되는 마이크로버블을 유선(流線)을 따라 이동시킴으로써 배바닥의 넓은 범위를 마이크로버블로 덮는 기술을 그동안 제안하고 있다. 이 기술은 뱃머리 근방의 유선이 배쪽에서 배바닥으로 돌아서 들어가도록 형성되는 점에 착안하여 배바닥보다도 정압이 낮은 배쪽에서 기체를 내뿜음으로써 기체 분출에 필요한 동력의 삭감을 꾀하여 마찰저항의 저감에 따른 연료절약의 감소를 억제하는 것이다.

그런데 본 출원인에 따른 상기 종래 기술에서는, 배바닥의 넓은 범위를 마이크로버블로 덮을 수 있지만 충분하지는 않았다. 즉, 뱃머리 근방에서의 좌현선측 및 우현선측의 각 유선은 각각에 좌현측 및 우현측에서 배바닥으로 돌아 들어가 배바닥에 마이크로버블을 확산시키는데, 배바닥의 좌현측 영역과 우현측 영역을 마이크로버블로 덮을 뿐이며, 배바닥 중앙부까지 마이크로버블로 덮을 수 없다는 문제점이 있다.

또한 이와 같은 종래 기술에서는 수중에 기포를 발생시키는 방법으로서 ,펌프나 블로어 등의 장치에 의해 가압한 기체를 선체에 설치한 복수의 구멍이나 다공판에서 수중에 분출하고 있다. 그러나 가압한 기체를 수중에 분출하는 방법이면 가압중의 장치를 가동시키는 에너지가 필요해져 마찰저항의 저감에 의해 감소된 에너지의 절약분이 자연감소되어 버리는 문제점이 있다. 특히 대형 선박의 바닥 등 비교적 수심이 깊은 개소에 있어서 수중에 기체를 분출할 때에는 수압(정수압)에 대응하여 고압력으로 기체를 가압할 필요가 있으며 큰 에너지를 소비해 버린다. 또한 가압용 장치를 선체에 설치함에 있어서 설비비용이나 시공비용 등 막대한 비용이 발생하게 된다.

나아가 상기 종래 기술에서는 기체 공간에서 수중으로 기체를 인도하는 구조로서, 가압용 장치나 배출구에 대해 파이프나 덕트 등의 배관을 선체 내부에 두르게 하는 것이 일반적이다. 그러나 상술한 마찰저항 저감선에서는 수중으로 기체를 인도하는 구조로 하여 선체 내부에 배관을 두르게 하고 있기 때문에 다른 장치와의 간섭을 피해 배관을 부설해야만 하며 건설작업에 많은 노력이 필요하거나 그 구조에 많은 부재를 필요로 하는 등, 건조비용의 증가를 초래하기 쉽다.

본 발명은 상술하는 사정을 감안하여 이루어진 것으로서 이하의 점을 목적으로 하는 것이다.

(a) 마이크로버블의 발생에 필요한 동력을 절약한다.

(b) 배바닥의 보다 넓은 범위를 마이크로버블로 덮는다.

(c) 마찰저항의 저감에 따른 연료절약의 향상을 꾀한다.

(d) 적은 에너지 소비로 마찰저항을 저감시켜 항해시의 에너지 소비를 효율적으로 절감한다.

(e) 수중에 기포를 효율적으로 혼입시켜 효과적인 마찰저항 저감을 실시한다.

(f) 선체의 건조비용을 저감한다.

그리고 이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 가장 포괄적인 수단으로서 선체의 침수(沒水) 표면에 기포를 방출하여 선체의 마찰저항을 저감시키는 마찰저항 저감선 및 선체의 마찰저항 저감방법으로서, 선체의 항해에 따라 기체공간에 대해 저압이 되는 부압 부분을 수중에 형성하여 기체 공간에서 수중의 부압 부분에 기체를 인도함으로써 상기 침수 표면에 기포를 발생시킨다는 수단을 채용한다.

이와 같은 구성에 따르면, 특별한 동력을 필요로 하지 않고 또한 매우 간단한 수단에 의해 기체를 기체 공간에서 부합 개소에 공급하여 침수 표면에 기포를 발생시킬 수 있다. 따라서 이러한 본 발명에 따르면 상기 각 목적을 달성할 수 있다.

또한 상기 각 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는, 선체의 침수 표면에 기포를 방출하여 선체의 마찰저항을 저감시키는 마찰저항 저감선에 있어서, 뱃머리의 침수선(沈水線-배가 물에 가라앉는 깊이) 아래에 설치된 물 도입구에서 도입된 물에 대해 부압상태를 만듦으로써 물위의 공기를 수중에 분출하여 미세기포를 생성하고 이 미세기포를 물과 함께 배바닥의 물 배출구로 배출하는 기포발생수단을 구비한다는 구성을 채용한다.

또한 한편, 선체의 침수 표면에 기포를 방출하여 선체의 마찰저항을 저감시키는 마찰저항 저감선에 있어서, 선체 외판에 있어서 침수선 아래의 뱃머리에 설치된 물 도입구와 배바닥에 설치된 물 배출구에 걸쳐 경사지게 설치됨과 동시에 그 도중부위에 공기 배출구가 설치된 송수 통로와, 물 위에서 상기 공기 배출구에 걸쳐 설치된 공기 통로와, 상기 송수 통로의 내측에 돌출된 상태에서 상기 공기 배출구를 덮도록 설치됨과 동시에 그 돌출 꼭대기 근방에 공기 배출구가 설치된 기체 분출부재를 구비하여, 상기 공기 분출구의 위치를 그 정압이 물 위의 대기압에 대해 부압 상태가 되도록 설정한다는 구성을 채용한다.

나아가 선체의 침수 표면에 기포를 방출하여 선체의 마찰저항을 저감시키는 방법에 있어서, 뱃머리의 침수선 하에 설치된 물 도입구에서 도입된 물에 대해 부압상태를 만듦으로써 물 위의 공기를 수중에 분출하여 미세기포를 생성하고 이 미세기포를 물과 함께 배바닥의 물 배출구에 배출한다는 방법을 채용한다.

이러한 마찰저항 저감선 또는 마찰저항 저감방법에 따르면, 침수선 아래의 뱃머리 물 도입구에서 도입된 물에 부압상태를 만들어 물 위의 공기를 분출하여 배바닥의 물 배출구에 배출하기 때문에 공기를 수중에 분출하기 위한 가압기 등의 부가적인 동력 없이 수중에 미세기포를 발생시킬 수 있다. 또한 물 도입구가 뱃머리에, 물 배출구가 배바닥에 설치되어 있기 때문에 마찰저항 저감선이 항해함으로써 물 도입구에서 무리없이 도입되어 물 배출구로 배출된다. 따라서 물 도입에 관한 항력의 발생을 억제하면서 미세기포를 발생시킬 수 있다. 또한 물 배출구가 배바닥에 설치되어 있기 때문에 배바닥을 효과적으로 미세기포로 덮어 마찰저항을 효과적으로 저감할 수 있으며 따라서 마찰저항의 저감에 따른 연료절약의 향상을 실현할 수 있다. 나아가 상기 송수 통로와 공기 통로와 기체 분출부재를 구비하여 공기 분출구의 위치를 그 정압이 물 위의 대기압에 대해 부압상태가 되도록 설정하기 때문에, 매우 간단한 구성으로 공기를 수중에 분출하기 위한 가압기 등의 부가적인 동력 없이 수중에 미세기포를 발생시킬 수 있다. 따라서 이로서도 마찰저항을 효과적으로 저감할 수 있다.

또한 상기 각 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는, 선체의 침수 표면에 기체를 방출하여 선체의 마찰저항을 저감하는 마찰저항 저감방법에 있어서, 선체의 항해에 따라 기체공간에 대해 저압이 되는 부압 부분을 수중에 형성하여 기체공간에서 수중의 부압 부분으로 기체를 인도함과 동시에 국소적으로 소용돌이가 큰 물의 흐름을 형성한다는 방법을 채용한다.

또한 선체의 침수 표면에 기포를 방출하여 선체의 마찰저항을 저감하는 마찰저항 저감선에 있어서, 기체공간에 대해 저압이 되는 부압 부분을 수중에 형성하기 위한 부압 형성부와, 기체 공간에서 수중의 부압 부분에 기체를 인도하기 위한 유체 통로와, 국소적으로 소용돌이가 큰 물의 흐름을 형성하는 이탈촉진부를 구비한다는 구성을 채용한다.

이러한 본원발명의 기본 원리에 대해 이하에 설명한다.

일반적으로 유체는, 그 주위에 압력구배가 발생하면 고압측에서 저압측을 향한 힘(압력구배력)을 받아 유동이 유발된다. 따라서 기체 공간에 대해 저압이 되는부압 부분을 수중에 형성하여 기체 공간의 기체를 수중의 부압 부분으로 인도함으로써 압력구배력을 이용하여 소정 깊이의 수중으로 기체를 보낼 수 있게 된다.

도 4는, 수중에 부압 부분을 형성하기 위한 부압 형성부를 구비한 마찰저항 저감선을 모식적으로 도시하고 있다. 선체(1)가 소정의 선속(Vs)으로 항해하면 선체(1)에 대해 상대적인 물의 흐름(2)이 형성된다. 이 때 예컨대 부압 형성부(3)에 의해 물의 유로가 좁혀지면 물의 유속이 커지고 국소적으로 정수압(Pwa)이 낮아진다(베르누이의 정리). 이 때 물의 유속을 Vwa, 기체공간의 압력(대기압)을 Pa, 물의 밀도를 ρ, 중력 가속도를 g, 수심을 Hwa로 하면 정수압 Pwa은 하기 식(1)에 의해 표시된다.

Pwa=Pa+ρ·g·Hwa-ρ·(Vwa2-Vs2)/2 ...(1)

이 식 (1)에서 알 수 있듯이 물의 유속(Vwa)이 다음 식을 만족함으로써 하기 식 (2)에 도시된 바와 같이 수중에 대기압(Pa)에 비해 저압이 되는 부압 부분(4)이 형성된다.

ρ·g·Hwa-(Vwa2-Vs2)/2<0 ...(2)

이 부압 부분(4)이 수중에 형성되면 상술한 압력 구배력에 의해 기체가 유체통로(5) 내를 유동하여 수중에 보내진다. 이렇게 하여 부압 부분(4)을 형성하여 수중에 기체를 보내는 경우(부압방식), 기체를 가압할 필요가 없기 때문에 종래의 가압방식에 비해 수중에 기체를 보낼 때에 소비되는 에너지가 적다. 또한 수중에 보내진 기체를 기포(6)로서 물에 침입시켜 다수의 기포(6)를 선체(1)의 침수 표면에 개재시킴으로써 선체의 마찰저항이 저감된다.

그런데 수중의 기포(6)에는 물의 흐름에 따라 다양한 힘이 작용한다. 그 힘의 일례를 도 5의 표 1에 도시한다. 예컨대 도 4에 도시한 바와 같이 부압 형성부(3)가 배바닥에서 돌출되어 형성되어 있는 경우, 유체 통로(5) 내를 유동한 기체는 기체와 액체(물)의 경계면(7)(기액계면)에 도달한 후 부압 부분(4)에 따른 압력구배력과, 다음에 설명하는 양력(揚力)의 작용을 받아 기포(6)로서 수중으로 이동하고 그 후 항력(점성력)에 의해 물을 타고 흐르는 것으로 생각된다. 양력 (Lift Force)은, 기포(6) 주위의 물의 흐름(2)이 소용돌이를 가질 때에 발생하는 것으로서, 그 힘의 방향은 소용돌이 벡터(Vorticity Vector of Liquid)(ω)와 기액 상대속도 벡터(Relative Velocity Vector)(us)의 외적(外積)에 의해 얻어지는 벡터의 역방향이다. 또한 그 크기는 기포의 체적(Av)과 액체의 밀도(ρ)에 비례한다. 즉 양력(Lf)은 다음 식 3에 의해 표시된다.

Lf= -ρ·Av·(us×ω) ...(3)

단, 이 양력(Lf)은 Auton의 관성양력이다. 저(低)레이놀즈(Reynolds)수(數) 시에는 Saffman의 양력이 작용하여 소용돌이의 1/2승에 비례하게 된다. 더욱이 양자 모두 작용방향은 같다.

배바닥의 경계층에는 일반적으로 소용돌이를 갖는 흐름이 선체 외판의 표면 근방에 집중되어 있으며 상술한 각 벡터는 도 6에 도시한 방향이 된다. 도 6에서 알 수 있듯이 배바닥에 있어서 양력(Lf)은 선체 외판에서 떨어진 방향, 즉 기액계면(7)에서 수중으로 기포(6)가 이탈하는 방향으로 작용한다.

그런데 부압 형성부의 형상에 의해서는, 기포에 대해 기액계면으로 되미는방향으로 비교적 큰 힘(저항력)이 작용하는 경우가 있다. 예컨대 도 4에 도시한 부압 형성부(3)를 따라 물이 흐르는 경우, 수중의 기포(6)에 대한 저항력으로서 다음에 설명하는 부가관성력과 압력구배력이 작용한다. 부가관성력은 액체(물) 중에 놓인 기포의 부가질량에 의한 관성력으로서 기액의 밀도차를 1/800로 하면 기포 내의 기체질량 자체에 작용하는 관성력에 비해 400배의 크기가 된다. 또한 물의 관성력과 비교했을 때 기포의 관성력+부가관성력은 1/2의 크기이다. 이로써 같은 외력이 작용했을 때 기포는 물의 1+1/(1/2)=3배의 가속도를 발생시키게 된다(단 항력을 무시했을 때의 최대치).

즉 도 7에 도시한 바와 같이 만곡된 물체 표면(8)을 따라 물 및 기포(6)가 흐르는 경우, 오목부인 개소(PA1)에서 물의 흐름(2)이 아래쪽으로 변했을 때 기포(6)는 물의 3배의 가속도로 하강한다. 또한 볼록부인 개소(PA2)에서 물의 흐름(2)이 위쪽으로 변할 때 기포(6)는 물의 3배의 가속도로 상승한다. 따라서 상술한 도 4의 부압형성부(3)를 따라 물이 흐르는 경우, 부압형성부(3)의 꼭대기 곡률(볼록부)에 의해 부압 부분(4)에 있어서 물의 흐름(2)이 위쪽으로 변함에 따라 기포(6)에 대해 기액계면(7)으로 되미는 방향으로 부가관성력이 작용한다.

또한 도 4의 경우, 부압 부분(4)이 수중의 다른 개소에 비해 저압이므로 부압 부분(4)에 위치하는 기포(6)에 대해 기액계면(7)으로 되미는 방향으로 압력구배력이 작용한다. 그리고 이와 같은 기액계면으로 되미는 방향의 힘(저항력)이 기포에 대해 크게 작용하면 기액계면에서 수중으로 기포가 잘 이탈하지 않게 되고 물에 혼입되는 기포의 양이 억제되어 선체의 마찰저항이 효과적으로 저감되지 않을 우려가 있다.

그래서 기액계면에서 수중으로 기포가 이동하도록 물의 흐름을 형성하여 기포의 이탈에 대해 저항이 되는 힘을 작게 함으로써 기액계면에서 기포가 용이하게 이탈하여 물에 혼입되는 기포의 양이 늘어난다. 즉 국소적으로 소용돌이가 큰 물의 흐름을 형성함으로써 기포에 대해 양력이 이탈방향으로 작용하게 되어 기액계면으로부터의 기포의 이탈이 촉진된다.

이러한 기본원리에 근거한 본원의 마찰저항 저감방법에 따르면 수중에 부압 부분을 형성함으로써, 압력구배력을 이용하여 기체를 가압하는 경우에 비해 적은 에너지소비로 수중에 기체를 보내어 마찰저항을 저감시킬 수 있다. 또한 국소적으로 소용돌이가 큰 물의 흐름을 형성함으로써 양력을 이용하여 경계면으로부터의 기포의 이탈을 촉진시켜 물에 혼입되는 기포의 양을 늘릴 수 있다. 따라서 효과적인 마찰저항을 실시하여 항해시의 에너지소비를 절감할 수 있다.

또한 본원의 마찰저항 저감선에 따르면 부압형성부를 구비함으로써 수중에 부압 부분을 형성하고 압력구배력을 이용하여 기체를 가압하는 경우에 비해 적은 에너지 소비로 수중에 기체를 보내어 마찰저항을 저감시킬 수 있다. 또한 이탈촉진부에 의해 형성되는 물의 흐름에 의해 양력을 이용하여 경계면으로부터의 기포의 이탈을 촉진시켜 물에 혼입되는 기포의 양을 늘릴 수 있다. 따라서 효과적인 마찰저항 저감을 실시하여 항해시의 에너지 소비를 절감할 수 있다. 나아가 기체를 가압하는 장치가 필요 없어 선체의 건조비용을 용이하게 저감시킬 수 있다.

더욱이 상기 목적(d)∼(f)를 달성하기 위해 선체의 침수 표면에 기포를 방출하여 선체의 마찰저항을 저감시키는 마찰저항 저감선에 있어서, 기체 공간에 대해 저압이 되는 부압 부분을 수중에 형성하기 위해 선체의 침수 표면에서 돌출되어 설치되는 부압형성부와, 수중의 부압 부분을 향해 기포를 방출하기 위한 배출구와, 기체공간에서 수중으로 기체를 인도하기 위해 일단이 기체 공간에 개방됨과 동시에 타단이 상기 배출구를 통해 수중에 개방되는 유체통로를 구비하여 상기 배출구를 선체의 침수 표면에 대해 비스듬히 설치된 경사면에 설치한다는 구성을 채용한다.

이와 같은 마찰저항 저감선에 따르면, 부압 형성부에 의해 기체공간에 대해 저압이 되는 부압 부분이 수중에 형성되기 때문에 압력구배력에 의해 유체통로를 통해 기체공간에서 수중으로 기체가 인도되어 배출구를 통해 수중으로 기포가 방출된다. 배출구는 선체의 침수 표면에 대해 비스듬히 설치된 경사면에 설치되어 있기 때문에 침수 표면의 소정 영역 내에 있어서 배출구의 개구면적을 용이하게 넓힐 수 있다. 나아가 이 배출구가 설치된 경사면은 선체의 침수 표면에 설치된 움푹 팬 내부에서 외부에 걸쳐 설치되어 있기 때문에 움푹 팬 내부에 배출구의 적어도 일부를 배치함으로써 개구면적이 넓은 배출구를 설치하는 경우에도 선체의 침수 표면으로부터의 경사면의 돌출 높이를 억제할 수 있게 된다. 따라서 물의 흐름에 대한 항력증가를 억제하면서 개구면적이 넓은 배출구에서 다량의 기포를 방출할 수 있게 된다.

그리고 이 결과로서, 압력구배력을 이용함으로써 기체를 가압하는 경우에 비해 적은 에너지 소비로 수중에 기체를 보내어 선체의 마찰저항을 저감시킬 수 있다. 또한 기포를 방출하기 위한 배출구가 선체의 침수 표면에 대해 비스듬히 설치된 경사면에 설치되어 이 경사면이 선체의 침수 표면에 설치되는 움푹 팬 내부에서 외부에 걸쳐 배치되어 있기 때문에 선체의 침수 표면에서 물체가 돌출됨으로써 발생하는 물의 흐름에 대한 항력 증가를 억제하면서 개구 면적이 넓은 배출구에서 다량의 기포를 수중에 배출할 수 있다. 따라서 다량의 기포에 의해 효과적인 마찰저항 저감을 실시하여 항해시의 에너지 소비를 절감할 수 있다. 또한 기체를 가압하는 장치가 불필요해져 선체의 건조비용을 용이하게 저감할 수 있다.

나아가 본 발명은 상기 목적(d, e)를 달성하기 위해 선체의 침수 표면에 기포를 방출하여 선체의 마찰저항을 저감하는 마찰저항 저감선에 있어서, 기체 공간에 대해 저압이 되는 부압 부분을 수중에 형성하기 위해 선체의 침수 표면에서 돌출되어 설치되는 부압 형성부와, 수중의 부압 부분을 향해 기포를 방출하기 위해 상기 부압 형성부의 후방에 설치되는 배출구와, 기체공간에서 수중으로 기체를 인도하기 위해 일단이 기체 공간에 개방됨과 동시에 타단이 상기 배출구를 통해 수중에 개방되는 유체 통로와, 상기 부압 부분을 향해 기체를 공급하는 기체 공급장치를 구비하는 구성을 채용한다.

또한 선체의 침수 표면에 기포를 방출하여 선체의 마찰저항을 저감하는 마찰저항 저감방법에 있어서, 선체의 항해을 따라 기체공간에 대해 저압이 되는 부압 부분을 수중에 형성하여 기체공간에서 수중의 부압 부분으로 기체를 인도하여 수중에 기포를 방출함과 동시에 소정의 장치에 의해 부압 부분을 향해 기체를 공급한다는 방법을 채용한다.

이와 같은 마찰저항 저감선 또는 마찰저항 저감방법에 따르면, 부압 형성부에 의해 기체공간에 대해 저압이 되는 부압 부분이 수중에 형성되기 때문에 압력 구배력에 의해 유체통로를 통해 기체공간에서 수중으로 기체가 인도된다. 또한 기체공급장치에 의해 유체통로 내에 기체를 공급함으로써 유체 통로 내를 흐르는 기체의 양이 증가되어 배출구에서 다량의 기포가 방출된다. 이 결과로서 부압 형성체의 일부를 선체의 침수 표면에서 방출하여 배치함으로써 압력 구배력을 이용하여 적은 에너지 소비로 수중에 기체를 보내어 선체의 마찰저항을 저감할 수 있다. 또한 기체공급장치에 의해 유체통로 내에 기체를 공급함으로써 적은 에너지로 유치통로 내를 흐르는 기체의 양을 증가시켜 배출구에서 다량의 기포를 방출시킬 수 있다. 따라서 다량의 기포에 의해 효과적인 마찰저항 저감을 실시하여 항해시의 에너지 소비를 절감할 수 있다.

또한 본 발명에서는 상기 목적(d)∼(f)를 달성하기 위해 선체의 침수 표면에 기포를 방출하여 선체의 마찰저항을 저감하는 마찰저항 저감방법에 있어서, 선체의 항해을 따라 기체 공간에 대해 저압이 되는 부압 부분을 수중에 형성하여 기체 공간에서 수중의 부압 부분으로 기체를 인도함과 동시에 상기 부압 부분을 발달시키는 순환흐름을 날개에 의해 수중에 생성시킨다는 방법을 채용한다.

선체의 침수 표면에 기포를 방출하여 선체의 마찰저항을 저감하는 마찰저항 저감선에 있어서는, 선체의 침수 표면에 설치되어 기체 공간에 대해 저압이 되는 부압 부분을 수중에 형성하는 부압 형성부와, 상기 부압 형성부의 후방에 설치되어 수중의 부압 부분을 향해 기포를 방출하는 배출구와, 일단이 기체 공간에 개방됨과 동시에 타단이 상기 배출구를 통해 수중에 개방되는 유체통로를 구비하여 상기 부압 형성부에 날개 모양의 단면 형상으로 형성된 날개형 부재를 설치한다는 구성을 채용한다.

이와 같은 마찰저항 저감선 또는 마찰저항 저감방법에 따르면, 선체의 항해에 따라 기체공간에 대해 저압이 되는 부압 부분이 수중에 형성되기 때문에 압력구배력에 의해 기체공간에서 수중으로 기체가 인도되어 수중에 기포가 방출된다. 이 때 날개에 의해 수중에 순환흐름을 발생시켜 부압 부분을 발달시킴으로써 압력구배력이 증가하여 다량의 기체가 수중으로 인도된다. 또한 이 순환흐름에 의해 선체에 위쪽으로의 양력을 작용시킴으로써 선체의 침수면적을 감소시킬 수 있게 된다. 그리고 이 결과로서 수중에 부압 부분을 형성함으로써 압력 구배력을 이용하여, 기체를 가압하는 경우에 비해 적은 에너지 소비로 수중에 기체를 보내어 마찰저항 저감을 수행할 수 있다. 또한 수중에 날개에 의해 순환흐름을 발생시켜 부압 부분을 발달시킴으로써 물에 혼입되는 기포의 양을 늘릴 수 있다. 나아가 순환흐름에 의해 선체에 양력을 작용시킴으로써 선체의 침수면적을 감소시킬 수 있다. 따라서 효과적인 마찰저항 감소를 실시하여 항해시의 에너지 소비를 절감할 수 있다.

나아가 본 발명에서는 상기 목적(f)을 달성하기 위해 선체의 침수 표면에 기포를 방출하여 선체의 마찰저항을 저감하는 마찰저항 저감선에 있어서, 수중에 기포를 방출하기 위해 선체의 침수 표면에 설치되는 배출구와, 일단이 기체 공간에 개방됨과 동시에 타단이 상기 배출구를 통해 수중에 개방되는 유체통로를 구비하여 상기 유체통로의 적어도 일부를 선체의 겉을 구성하는 부재에 의해 유체통로를 형성한다는 구성을 채용한다.

이와 같은 마찰저항 저감선에 따르면, 선체의 겉을 구성하는 부재에 의해 유체통로를 형성하기 때문에 수중에 기체를 인도하기 위한 배관을 새롭게 부설할 필요가 없어 부재나 건조작업에 필요한 노력을 경감하여 건조비용의 저감화를 꾀할 수 있게 된다. 또한 유체통로를 형성하는 덕트를 선체의 보강용 부재로 함으로써 덕트를 선체의 임의의 위치에 설치하거나 다수 설치하는 등 설계의 자유도를 높이 유지할 수 있다. 나아가 유체 통로를 나누어 형성함으로써 복수의 유체통로를 선택적으로 이용하는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 제1실시형태에 따른 마찰저항 저감선의 주요부의 측면도 및 해당 주요부의 확대단면도이고,

도 2는 상기 제1실시형태에 따른 마찰저항 저감선의 저면도이고,

도 3a는, 상기 제1실시형태에 따른 마찰저항 저감선을 뱃머리 전방에서 본 제1평면도이고,

도 3b는, 상기 제1실시형태에 따른 마찰저항 저감선을 뱃머리 전방에서 본 제2평면도이고,

도 4는, 본 발명의 제2실시형태에 따른 기포 발생방법을 도시한 개념도이고,

도 5는, 상기 제2실시형태에 있어서, 물의 흐름에 따라 수중의 기포에 작용하는 힘의 일례를 도시한 표(표 1)이고,

도 6은, 상기 제2실시형태에 있어서, 배바닥의 기포에 작용하는 힘을 도시한 모식도이고,

도 7은, 상기 제2실시형태에 있어서, 곡면을 따라 물과 기포가 흐르는 모양을 도시한 모식도이고,

도 8a은, 상기 제2실시형태에 따른 마찰저항 저감선의 개략적 구성도이고,

도 8b는, 상기 도 8a에 있어서 기포 발생장치의 상세 구성도이고,

도 9는, 상기 도 8b에 도시한 부압 형성부의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이고,

도 10a는, 상기 제2실시형태에 있어서 선체의 마찰저항 저감방법을 도시한 제1개념도이고,

도 10b는, 상기 제2실시형태에 있어서 선체의 마찰저항 저감방법을 도시한 제2개념도이고,

도 11은, 상기 제2실시형태에 있어서 마찰저항 저감선의 개략적 구성도이고,

도 12는, 상기 도 11에 도시한 부압 형성부의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이고,

도 13a는, 상기 도 11에 도시한 부압 형성부의 배치위치와 물의 흐름의 관계를 도시한 제1상태도이고,

도 13b는, 상기 도 11에 도시한 부압 형성부의 배치위치와 물의 흐름의 관계를 도시한 제2상태도이고,

도 13c는, 상기 도 11에 도시한 부압 형성부의 배치위치와 물의 흐름의 관계를 도시한 제3상태도이고,

도 14a는, 본 발명의 제3실시형태에 관한 마찰저항 저감선의 개략적 구성도이고,

도 14b는, 상기 도 14a에 있어서 기포 발생장치(11)의 확대도이고,

도 15는, 상기 도 14b의 부압 형성부(23)의 전체 구성을 도시한 사시도이고,

도 16은, 상기 제3실시형태에 관한 선체의 마찰저항 저감방법을 도시한 개념도이고,

도 17a는, 본 발명의 제4실시형태에 따른 마찰저항 저감선의 개략적 구성도이고,

도 17b는, 상기 도 17a에 있어서 기포 발생장치(11)의 확대도이고,

도 18은, 상기 제4실시형태에 따른 선체의 마찰저항 저감방법을 도시한 개념도이고,

도 19a는, 본 발명의 제5실시형태에 따른 마찰저항 저감선의 개략적 구성도이고,

도 19b는, 상기 도 19a에 있어서 기포 발생장치(11)의 확대도이고,

도 20은, 상기 제5실시형태에 있어서 유체 안내체의 일부를 도시한 사시도이고,

도 21은, 도 19b에 도시한 화살표 A방향에서 본 도면이고,

도 22a는, 상기 제5실시형태에 따른 선체의 마찰저항 저감방법을 도시한 제1개념도이고,

도 22b는, 상기 제5실시형태에 따른 선체의 마찰저항 저감방법을 도시한 제2개념도이고,

도 23a는, 본 발명의 제6실시형태에 따른 마찰저항 저감선의 구성도이고,

도 23b는, 상기 도 23a에 있어서 기포 발생장치(11)의 확대도이고,

도 24a는, 상기 제6실시형태에 있어서 마찰저항 저감선에 있어서, 덕트의 설치 상태를 개략적으로 도시한 도면으로서, 정면에서 본 선체의 종단면도이고,

도 24b는, 상기 제6실시형태에 있어서 마찰저항 저감선에 있어서 덕트의 단면을 도시한 확대도이고,

도 24c는, 상기 제6실시형태에 있어서 마찰저항 저감선에 있어서, 뱃머리 근방의 덕트의 설치 상태를 갑판측에서 본 평면도이고,

도 25는, 상기 제6실시형태에 있어서 마찰저항 저감선의 변형예를 도시한 도면으로서, 해당 마찰저항 저감선을 배바닥측에서 본 평면도이다.

더욱이 상기 각 도면에서는 제1실시형태에서 제6실시형태까지의 각 실시형태에 있어서, 동일한 참조부호를 중복하여 사용하고 있다. 그러나 이들 중복 사용되고 있는 참조부호는 각 실시형태간에 있어서 아무런 관련이 없다. 예컨대, 제1실시형태를 설명하기 위한 상기 도 1, 도 2, 도 3a 및 도 3b에 사용되고 있는 참조부호 중에는 다른 실시형태에서도 사용되고 있는 것은 있으나, 해당 참조부호는 다른 실시형태에서 사용되고 있는 동일한 참조부호와는 아무런 관련이 없다.

<제1실시형태>

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 관한 마찰저항 저감선 및 선체의 마찰저항 저감방법의 일실시형태에 대해 설명한다.

도 1은, 본 실시형태에 있어서 마찰저항 저감선(S)의 주요부 측면도(우현측)와 일부 확대도, 또 도 2는 저면도이다. 이들 도면에 있어서 부호 1은 선체 외판, 2는 물 도입관(송수 통로), 3은 공기 흡입관(공기 통로), 4는 갑판, 5는 분출부재, A는 공기, b는 마이크로버블, F는 유선, W는 해수(물), WL은 침수선이다. 더욱이 이들 구성요소 중 물 도입관(2)과 공기 흡입관(3)과 분출부재(5)는 기포발생수단 (BP)을 구성하는 것이다.

본 마찰저항 저감선(S)에는, 도 1에 도시한 바와 같이 선체 외판(1)에 있어서 침수선(WL)아래의 뱃머리(1a)에서 배바닥(1b)에 걸쳐 소정 각도로 경사진 물 도입관(2)이 설치됨과 동시에 갑판(4)에서 해당 물 도입관(2)의 도중 부위에 걸쳐 공기 흡입관(3)이 설치되어 있다. 이 물 도입관(2)은, 도 2에 도시한 바와 같이 뱃머리(1a)의 선체 폭방향 중앙부에서 갑판(4)에서 소정 거리(h1)의 부위에 설치된 원형의 물 도입구(2a)와 뱃머리(1a) 근방의 배바닥(1b)의 선체 폭방향 중앙부에 설치된 타원형의 물 배출구(2b)를 접속하는 것으로서 그 도중부위에는 공기 배출구(2c)가 설치되어 있다.

여기에서 침수선(WL)의 위치는 본 마찰저항 저감선(S)의 적하물 탑재량에 따라 변화한다. 본 실시형태에 있어서, 상기 거리(h1)는 예컨대 항해 동력의 부하가 가장 무거운 상태에 있어서 마이크로버블(B)에 의한 마찰저항 저감효과를 얻을 수 있도록 본 마찰저항 저감선(S)이 적하물을 탑재한 상태에서 물 도입구(2a)의 수직위치가 침수선(WL)보다도 아래쪽이 되도록 설정되어 있다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며 본 마찰저항 저감선(S)이 공하(空荷)상태에서도 물 도입구(2a)가 침수선(WL) 아래에 위치하도록 거리(h1)를 설계해도 좋다.

도 1에서는, 물 도입관(2)이 일정 직경의 직관(直管)형으로 묘사되어 있는데 물 도입관(2)을 설치함으로써 해당 마찰저항 저감선(S)의 조파(造波)저항의 증대를 최대한 억제하기 위해 그 긴 모양은 물 도입구(2a)에 물(예컨대 해수(W))이 저항없이 용이하게 유입되도록, 즉 해수(W)의 유입저항이 최소가 되도록, 그리고 물 배출구(2b)에서 해수(W)가 저항없이 용이하게 유출되도록, 즉 해수(W)의 유출저항이 최소가 되도록 설정되는 것이 바람직하다.

공기흡입관(3)은 갑판(4)에 설치된 공기 흡입구(3a)와 상기 공기 배출구(2c)를 접속하는 것이다. 도 1에서는, 공기 흡입관(3)의 길이 형상을 굴절형으로 묘사하고 있는데 이 길이 형상은 공기(A)의 통과저항이 최소가 되도록 직관으로 하는 것이 바람직하다.

상기 공기 배출구(2c)의 바깥쪽, 즉 물 도입관(2)의 바깥쪽에는 도 1의 확대도에 도시한 바와 같이 돔형의 분출부재(5)가 공기 배출구(2c)를 덮음과 동시에 물 도입관(2)의 중심을 향해 돌출되도록 형성되어 있다. 이 분출부재(5)의 꼭대기에는 공기 분출구(5a)가 설치되어 있으며 상기 공기 흡입구(3a)에서 공기 흡입관(3)에 흡입된 공기(A)는 공기 분출구(5a)에서 물 도입관(2) 내로 분출하도록 되어 있다.

여기에서 분출부재(5)의 3차원 형상은, 물 도입관(2) 내를 흐르는 해수(W)에 대한 항력이 아주 작아지도록, 즉 항력계수가 최소가 되도록 설정되어 있다. 이 분출부재(5)의 높이 칫수(H)는 후술하는 바와 같이 해당 공기분출구(5a)의 위치에 있어서 물 도입관(2)의 횡단면적을 원하는 값으로 설정함으로써 공기 분출구(5a)에서의 수압(정압)이 공기 흡입구(3a)의 압력(대기압)에 대해 부압상태가 되도록, 즉 공기(A)가 공기 분출구(5a)에서 해수(W) 중에 분출되도록 설정된다. 또한 갑판(4)(공기 흡입구(3a))에서 공기 분출구(5a)까지의 거리(h2)도 후술하는 바와 같이 공기 분출구(5a)에서의 해수(W)의 정압이 부압상태가 되도록 적절히 설정되어 있다.

이와 같이 본 실시형태의 기포 발생수단(bP)은 물 도입관(2)과 공기 흡입관 (3)과 분출부재(5)로 매우 단순하게 구성되는 것으로서, 기공이 매우 용이함과 동시에 비용이 들지 않는다. 따라서 기존 선박에 대해 추가시공하는 것도 비교적 용이하다.

다음에 이와 같이 구성된 마찰저항 저감선(S)의 작용에 대해 상기 각 도면을참조하여 상세히 설명한다.

이 마찰저항 저감선(S)이 순항속도(v1)로 항해하는 상태에서는 뱃머리(1a)의 물 도입구(2a)에서 물 도입관(2) 내로 해수(W)가 유입되어 물 배출구(2b)에서 배바닥(1b)으로 송출된다. 지금 물 도입관(2) 내를 흐르는 해수(W)의 유속을 근사적으로 순항속도(v1)와 같다고 가정하면, 또 물 도입관(2) 내를 흐르는 해수(W)는 밀도(ρ)가 일정한, 소위 '비압축성 유체'로 간주할 수 있기 때문에 물 도입관(2)의 단면적(횡단면적)을 S1, 공기분출구(5a)의 위치에 있어서 물 도입관(2)의 단면적을 S2 그리고 유속을 v2로 한 경우 주지의 비압축성 유체의 「연속식」에 근거하여 하기 식 (4)가 성립된다.

v1·S1=v2·S2 ...(4)

즉 공기 분출구(5a)의 위치에서의 해수(W)의 유속(v2)은, 순항속도(v1)(=물 도입관(2) 내를 흐르는 해수(W)의 유속)에 대해 면적비율 S1/S2만큼 증대시킬 수 있다.

또한 공기 분출구(5a) 위의 해수(W)(단위질량의 해수(W))에 대해서는, 위치에너지의 기준위치(수직위치)를 침수선(WL)의 높이로 한 경우에 근사적으로 박리 등이 발생하지 않는다고 하면 베르누이의 정리에 근거하여 하기 식 (5)의 에너지 보존법칙이 성립한다.

v2²/2+p/ρ+g·h3=c(일정) ...(5)

여기에서 'p'는 공기 분출구(5a)에서의 해수(W)의 정압, 'g'는 중력 가속도, h3는 공기 분출구(5a)의 침수선(WL)으로부터의 높이(도 1 참조)이다. 더욱이 이 높이(h3)는 침수선(WL)(기준위치)에 대해 아래쪽 높이를 도시하고 있기 때문에 음의 값이다.

이 식 (5)에 해수(W)의 정압(p)에 대해 풀어 상기 식 (4)의 관계를 대입하면 하기 식 (6)을 얻을 수 있다.

p=ρ·(c-v2²/2-g·h3)

=ρ·{c-(S1/S2)2·v1²/2-g·h3) ...(6)

이 식 (6)으로부터 용이하게 이해할 수 있도록 마찰저항 저감선(S)의 순항속도(v1), 공기 분출구(5a)의 침수선(WL)으로부터의 높이(h3), 또는 물 도입관(2)의 단면적(S2)과 공기 분출구(5a)에서의 물 도입관(2)의 단면적(S2)의 면적비율 S1/S2에 의해 공기 분출구(5a)에서의 해수(W)의 정압(p)이 설정된다. 이 중에서 순항속도(v1)에 대해서는 마찰저항 저감선(S)에 관한 다른 각종 요인에 의해 결정되는 것으로서 정압(p)을 설정하기 위해 조절하는 것은 현실적이지 않다.

따라서 마찰저항 저감선(S)의 설계 파라미터로서 상기 높이(h3)의 절대값을 크게 할 것, 즉 공기 분출구(5a)의 수심을 얕게 할 것, 또는 물 도입관(2)의 단면적(S2)을 작게(분출부재(5)의 돌출면적을 크게)하여 면적비율 S1/S2를 크게 함으로써 상기 정압(p)을 대기압에 대해 부압상태로 하는 것이 현실적이다. 단 이들 설계 파라미터는 상기 순항속도(v1), 마찰저항 저감선(S)의 형태나 크기 등에 따라 적절히 설정되어야 한다.

본 실시형태에서는 뱃머리(1a)에서 배바닥(1b)에 걸쳐 경사지게 설치한 물도입관(2) 내에 해수(W)를 도입하도록 하고 있기 때문에 해당 물 도입관(2)에 설치한 공기 배출구(2c)의 위치를 적절히 설계함으로써 상기 공기분출구(5a)의 침수선 (WL)으로부터의 높이(h3)를 용이하게 설정할 수 있다.

또한 본 실시형태에서는 물 도입관(2)에 대한 분출부재(5)의 돌출면적에 의해 상기 면적비율 S1/S2이 설정된다. 이 분출부재(5)의 존재에 의해 물 도입관(2)내를 흐르는 해수(W)에 항력이 발생하는데 상술한 바와 같이 분출부재(5)의 3차원 형태를 항력계수가 최소가 되도록 설계함으로써 돌출면적에 상관없이 항력의 발생을 억제할 수 있다. 그러나 이와 같은 분출부재(5)에 의한 효력 발생을 고려하면 분출부재(5)의 돌출면적을 최대한 억제하여 공기 분출구(5a)의 침수선(WL)으로부터의 높이(h3), 즉 물 도입관(2) 위의 공기 배출구(2c)의 위치를 최대한 수심의 얕은 부분에 설정하여 공기 분출구(5a)의 부압상태를 실현시키는 것이 바람직하다.

이와 같이 공기 분출구(5a)에서의 해수(W)의 정압(p)을 대기압에 대해 부압상태로 함으로써 공기 흡입구(3a)에서 공기 흡입관(3) 내로 공기(A)가 차례로 흡입되어 공기 분출구(5a)에서 해수 중에 분출된다. 이 결과 물 도입관(2) 내의 해수 중에는 다수의 마이크로버블(B)이 생성된다.

그리고 이와 같이 생성된 마이크로버블(B)은 해수(W)의 유선(F)에 의해 이송되어 물 배출구(2b)에서 배바닥(1b)으로 방출된다. 본 실시형태에서는 도 2에 도시한 바와 같이 물 배출구(2b)가 배바닥(1b)에 있어서 뱃머리(1a) 근방의 선체 폭방향 중앙부에 설치되어 있기 때문에 해당 물 배출구(2b)에서 방출된 마이크로버블 (B)은 배바닥(1b)에서의 해수(W)의 유선을 따라 배후미 방향으로 확산되어 배바닥(1b)의 넓은 범위를 덮는다. 이 결과 마이크로버블(B)에 의해 덮힌 배바닥(1b)의 선체 외판(1)의 마찰저항이 저감되기 때문에 마찰저항 저감선(S)의 항해 동력이 저감되어 해당 항해 동력의 발생에 필요한 연료가 절약된다.

어쨌든 본 실시형태에서는 물 도입관(2)의 길이 방향의 형상을 최적 설계함으로써 물 도입관(2)을 설치함에 따라 발생하는 항력을 최소한으로 억제하고 또한 해당 물 도입관(2) 내에 분출부재(5)를 설치함에 따라 발생하는 항력을 분출부재 (5)의 3차원 형상을 최적 설계함으로써 최소한으로 억제하여 마이크로버블(B)에 의한 마찰저항의 저감효과가 상기 각 항력의 발생에 의해 자연 감소되지 않도록 배려할 필요가 있다.

더욱이 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않으며, 예컨대 아래와 같은 변형을 생각할 수 있다.

(a) 상기 실시형태에서는 도 3a에 도시한 바와 같이 뱃머리(1a)의 선체 폭방향 중앙부에 1개 설치한 물 도입구(2a)에서 해수(W)를 도입하도록 했는데, 도 3b에 도시한 바와 같이 뱃머리(1a)의 우현측에 물 도입구(2a1)를 설치함과 동시에 좌현측에 물 도입구(2a2)를 설치하도록 해도 좋다.

(b) 상기 실시형태에서는, 물 배출구(2b)를 배바닥(1b)에 있어서 뱃머리(1a) 근방의 선체 폭방향 중앙부에 설치하여 마이크로버블(B)의 확산에 의해 배바닥(1b)의 보다 넓은 범위를 마이크로버블(B)로 덮도록 했는데, 물 배출구(2b)의 위치는 이에 한정되지는 않는다. 예컨대 배바닥(1b)에 점점이 흩어지게 여러개의 물 배출구를 설치함과 동시에 물 도입관(2)을 여러개 또는 도중에 분기시킴으로써 각 물배출관에서 마이크로버블(B)을 배바닥(1b)에 방출하도록 해도 좋다.

(c) 상기 실시형태에서는 공기 흡입구(3a)를 갑판(4) 위에 설치했는데 공기 흡입구(3a)의 위치는 이에 한정되지는 않는다. 다른 제약조건에 의해 갑판(4) 위에 설치할 수 없는 경우에는, 예컨대 침수선(WL)보다 위쪽의 선체 외판(1)의 공기 흡입구를 설치하도록 해도 좋다.

<제2실시형태>

이하, 본 발명에 관한 선체의 마찰저항 저감방법 및 마찰저항 저감선을 탱커나 컨테이너선 등의 대형선에 적용한 일 실시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 도 8a에 있어서, 부호(M)은 마찰저항 저감선, 10은 선체, 11은 기포 발생장치, 12는 선체 외판(침수 표면), 13은 추진기, 14는 키, 15는 수면(침수선)을 나타내고 있다.

상기 마찰저항 저감선(M)으로서의 대형선은, 예컨대 VLCC(Very Large Crude Oil Carrier)가 여기에 해당하며 다른 종류의 선박에 비해 침수선(15) 아래의 선체 외판(12)(침수 표면)에 있어서 배바닥의 면적이 배측면에 비해 비교적 크게 형성되어 있다. 나아가 선체(10)의 앞쪽에 기포발생장치(11)가 배치되어 있다. 이 기포발생장치(11)는 도 8b에 도시한 바와 같이 선체(10)의 침수 표면(12)에 배치되는 부압형성부(20)와, 선체(10)를 관통하고 또 침수선(15)의 상하에 내부 공간이 개방되는 유체통로(21)를 구비하고 있다.

부압 형성부(20)는 항해시의 선체(10)에 대한 상대적인 물의 흐름을 이용하여 소정의 선속(Vs)에 있어서 기체공간(대기)에 대해 저압이 되는 부압 부분을 수중에 형성하기 위한 것이다. 여기에서는 부압 형성부(20)는, 후술하는 바와 같이 기액계면으로부터의 이탈을 촉진하는 이탈촉진부로서의 기능을 가지고 있으며 배바닥의 물의 상대속도를 특정부분에서 크게 함과 동시에 연직방향 위쪽으로 돌출되는 굴곡된 물의 흐름을 형성하도록 구성되어 있다.

이 부압 형성부(20)의 상세에 대해 설명하면 부압 형성부(20)는, 도 9에 도시한 바와 같이 선체의 침수 표면에서 수중을 향해 돌출되어 배치됨과 동시에 침수 표면(12)에 대해 소정 간격으로 대략 평행하게 배치되는 날개(30)와, 날개(30)를 지지하기 위해 날개(30)와 선체 외판(12) 사이에 배치되는 버팀목(strut)(31, 32)과, 날개(30)에 대해 선체측(본 실시형태에서는 선체 안쪽)에 배치되는 유체 안내체(33)를 구비하고 있다.

상기 날개(30)의 형상은 NACa날개형 등의 다양한 날개형을 적용할 수 있으며 선체의 형상 및 선속에 따라 정해진다. 여기에서는 날개(30)는 선체측으로 볼록하게 되도록 형성된다. 또한 날개(30)는 앞테두리(30a) 및 뒷테두리(30b)를 선체의 진행방향(Dve)을 향하게 하고 날개면(30c, 30d)을 상하방향으로 향하게 하며, 나아가 항해시에 날개(30)에 대해 양력이 위로 작용(항해시에 위쪽을 향하는 날개면 (30c)쪽의 유속이 아래쪽을 향하는 날개면(30d)쪽의 유속에 비해 커진다)하도록 배치되어 있다.

버팀목(31, 32)은 수평단면형상이 물의 흐름에 대해 저항이 적은, 예컨대 날개형 등의 형상으로서, 상기 날개(30)와 침수 표면(12)의 간격을 규정하기 위해 소정의 높이(Hst)로 형성되어 있다. 나아가 한쪽 단면이 선체 외판(12)에 접촉하고다른쪽 단면이 날개(30)에 접촉하여 장착된다.

유체 안내체(33)는 항해중에 물의 흐름을 곡선형(만곡형)으로 안내하기 위한 것으로서, 일면이 개방된 박스형으로 형성되어 선체 외판(12)에 설치된 개구(12a)를 선체(10)의 안쪽에서 덮도록 개방단(33a)을 선체 외판(12)에 접촉상태로 고정시킨다. 또한 유체 안내체(33)는 날개(30)의 형상을 따르도록 형성되어 있으며 선체(10)의 폭방향(수평면 내에서 선체(10)의 진행방향(Dve) 대략 수직 방향)에 평행하며 또한 선체 외판(12)으로부터의 높이가 선체(10)의 진행방향(Dve)을 따라 볼록하게 변화하는(즉 연직방향 위쪽으로 볼록하게 만곡한다) 만곡면(33b)을 구비하고 있다. 나아가 이 만곡면(33b)의 중앙 부근에 관통공으로 이루어진 배출구(33c)가 설치되어 있다.

이로써 부압 형성부(20)에는 도 8b에 도시한 바와 같이 선체의 진행방향 (Dve)을 따라 이탈 촉진부로서 연직방향 위쪽으로 볼록하게 되는 만곡된 수로(34)가 형성된다.

또한 부압 형성부(20)의 각 구성부재의 형상이나 배치위치는 항해시에 부압 형성부(20)에서의 물의 흐름이 원하는 상태가 되도록 수치유체역학(CFD: Computational Fluid Dynamics)에 따른 유장(流場)해석에 의해 설계되어 있다. 여기에서는 소정의 선속(Vs)에서의 항해시에 있어서, 부압 형성부(20) 부근에서의 물의 흐름이 다음의 a∼d의 조건을 만족하도록 정해진다.

조건 a: 수로(34)에서의 물의 유속(절대치)이 선속(Vs)에 비해 커지고 또한 수로(34)의 중앙부(34b)(도 8b 참조)에서의 평균 유속(Vwa)이 상술한 식 2를 만족할 것. 이 때 식 (2)에서 ρ는 해수의 밀도, Hwa는 침수선에서 수로(34)까지의 거리(수심)로 한다.

조건 b: 유수 안내체(33)의 배출구(33c) 근방에 비해 날개면(30c) 근방의 물의 유속이 커질 것.

조건 c: 배출구(33c)에서 하강하는 물의 흐름을 가질 것.

조건 d: 수로에서의 물의 흐름에 국소적으로 큰 소용돌이를 가질 것.

상술한 조건 a를 만족하기 위해 부압 형성부(20)의 각 구성부재의 형상이나 배치위치는, 예컨대 수로(34)의 입구에서의 유로 단면적에 비해 내부(앞부(34a), 중앙부(34b), 뒷부(34c))의 유로단면적이 좁고 또한 앞부(34a) 및 뒷부(34c)에 비해 중앙부(34b)의 유로 단면적이 좁아지도록 정해진다. 또한 상술한 조건 b를 만족하기 위해, 예컨대 유수 안내체(33)의 만곡면(33b)에 비해 날개면(30c)의 전체적인 곡률이 작아지도록(곡률 반경이 커지도록) 정해진다. 또한 상술한 조건 c를 만족하기 위해, 예컨대 배출구(33c) 근방의 만곡면(33b)에 위쪽으로 볼록한 곡면을 갖도록 정해진다. 나아가 상술한 조건 d를 만족하기 위해, 예컨대 수로(34)의 유로단면적이나 형상이 국소적으로 변화하도록 정해진다.

한편 상기 유체통로(21)는 상기 부압형성부(20)에서의 유체 안내체(33)에 접속되는 기체 도입관(35)의 내부 공간(36)으로 이루어져 있다. 즉 유체통로(21)는 일단이 기체 도입관(35)의 공기 도입구(37)를 통해 기체 공간(대기중)에 개방됨과 동시에 타단이 상기 유체안내체(33)의 배출구(33c)를 통해 수중에 개방되도록 되어 있다.

기체 도입관(AIP:Air Induction Pipe)(35)은 선체(10)에 관통상태로 또한 부압 형성부(20)에서의 유체 안내체(33)에 접속상태로 부설되어 적은 압력손실로 원하는 유량의 유체가 유동하도록 그 내부의 단면적이나 형상이 정해져 있다. 또한 공기 도입구(37)는 선체(10)에서의 갑판의 앞부에 배치된다.

더욱이 부압 형성부(20) 및 기체 도입관(35)의 재질로서는, 예컨대 내식처리된 금속, 또는 수지 등 주로 표면이 해수에 대해 내식성을 가지며 나아가 해성(海成)생물이 표면에 잘 부착되지 않는 것이 바람직하게 사용된다.

또한 부압 형성부(20)는 배바닥의 넓이에 따라 1개 또는 여러개 배치되며 이에 따라 기체 도입관(35)의 설치 상태가 정해진다.

다음에 이와 같이 구성되는 마찰저항 저감선(M)에 따른 선체의 마찰저항 저감방법에 대해 도 10a 및 도 10b를 참조하여 이하 설명한다.

정박 상태에서는, 유체통로(21) 내에 선체(10)의 주위와 거의 같은 수위까지 물(해수)가 들어와 있다. 추진기(13)(도 8a 및 도 8b 참조)의 추진력에 의해 선체(10)가 항해 상태가 되면 도 10a에 도시한 바와 같이 선체(10)에 대해 상대적인 물의 흐름(40)이 형성된다. 항해 상태에 있어서 배바닥에서는 부압 형성부(20)의 날개(30)를 따라 물이 흐르고, 만곡된 수로(34)에 있어서 그 유로가 좁혀짐으로써 수로(34)를 흐르는 물의 유속이 커져 정수압이 국소적으로 저하된다. 그리고 선체(10)의 항해속도가 소정의 선속(Vs)(예컨대 표준항해속도)에 달하면 수로(34)의 중앙부(34b)에 있어서 대기에 대해 저압이 되는 부압 부분(41)이 형성된다(상기 조건 a에서).

이 경우에 있어서, 공기 도입구(37)에서의 압력에 비해 부압 부분(41)에 면한 배출구(33c) 부근의 압력이 낮기 때문에 유체통로(21) 내의 유체(해수 및 공기)에 대해 압력구배력(Pf1)이 작용하여, 유체통로(21)에서 해수가 배출된 후 공기 도입구(37)에서 유입한 공기가 유체통로(21)를 유동하여 수중으로 보내진다. 그리고 수중에 보내진 기체가 기포(42)로서 물에 혼입되고 선체(10)의 침수 표면(12)의 근방에 다수의 기포(42)가 개재됨으로써 선체(10)의 마찰저항이 저감된다.

수중에 공기를 보내기 위해 필요한 에너지는 주로 기체의 위치를 변화시키기 위한 에너지이다. 이 에너지는 부압 형성부(20)에 의해 물의 유동상태를 변화시킴으로써 얻어지는 것으로서, 기체를 가압하여 수중에 분출하는 경우에 소비되는 에너지에 비해 적다. 그 때문에 선체(10)의 마찰저항 저감에 의해 항해시의 에너지소비가 효과적으로 저감된다.

나아가 부압 부분(41)의 형성에는 부압 형성부(20)의 형상이나 레이놀즈수가 주된 지배인자가 되며, 수심에 따른 불이익이 거의 발생하지 않는다고 생각되기 때문에 본 발명에 따른 기술은 대형선에 적용하기에도 유리하다. 또한 기포 발생장치(11)는 간소한 구성으로서, 기체를 가압하기 위한 장치가 불필요하므로 선체(10)의 건조비용이 적게 드는 것은 물론이다.

이 경우에 있어서, 도 10b에 도시한 바와 같이 수로(34)에 의해 위쪽으로 돌출되는 만곡된 흐름이 형성되기 때문에 배출구(33c)를 통과한 물은 기액계면(43)에서 떨어진 방향으로 흐름의 방향을 바꾸어 하강한다(상기 조건 c에서). 이 때 기포(42)는 물보다도 큰 가속도로 배출구(33c)에서 떨어지는 운동을 한다. 즉 기액계면(43)에서 기포(42)가 이탈하는 방향(이탈방향)으로 기포(42)에 대해 부가질량에 따른 관성력(부가 관성력)이 작용한다.

나아가 수로(34)에 있어서 날개면(30c) 근방을 흐르는 물의 유속이 유수 안내체(33)의 배출구(33c) 근방의 물의 유속에 비해 크기 때문에(상기 조건 b에서) 수중의 부압 부분(41)에서의 압력이 기액계면(43)에서 수중을 향해 낮아진다. 그 때문에 기포(42)에 대해 이탈방향으로 압력구배력(Pf2)이 작용한다.

또한 수로(34)의 유로 단면적(및 그 형상)이 국부마다 변화하기 때문에 수로(34)의 물의 흐름(40)은 국소적으로 큰 소용돌이를 갖는다(상기 조건 d에서). 이 때 물의 흐름(40)은 유선의 흐름이 큰 수로(34)의 중앙부(34b)에 있어서 큰 소용돌이를 갖는다. 그 때문에 기포(42)에 대해 유선이 구부러진 쪽과 반대방향인 아래쪽(이탈방향)으로 기포(42)에 대해 양력(Lf1)이 작용한다. 그리고 이러한 이탈방향의 힘(부가 관성력(Af), 압력구배력(Pf2), 양력(Lf1))에 의해 기포(42)에 대해 저항이 되는 힘이 적어지고 기액계면(43)으로부터의 기포(42)의 이탈이 촉진됨과 동시에 수중에 공기를 보내기 위한 에너지가 적어도 된다.

즉 날개(30)와 유수 안내체(33)에 의해 이탈촉진부로서의 수로(34)가 형성되어 이 수로(34)에 의해 국소적인 소용돌이를 가지며 또한 만곡된 물의 흐름이 형성됨으로써 양력(Lf1)에 더해 압력구배력(Pf2), 부가관성력(Af)이 작용하고 기액계면(43)으로부터의 기포(42)의 이탈이 촉진되어 물이 혼입되는 기포의 양이 늘어난다.

또한 물의 흐름(40)에 따라 날개(30)에 대해 위쪽의 양력이 작용하기 때문에예컨대 선체(10)에서의 뱃머리측이 상승하고 선체(10)의 침수면적이 감소되어 마찰저항이 쉽게 감소된다.

부압 형성부(20)의 버팀목(31, 32)은 수로(34)의 유로 단면적을 좁힘과 동시에 유선을 변화시키기 위해 부압 부분(41)이 형성되는 수로(34)의 중앙부(34b)에 있어서 상술한 이탈방향의 힘을 증가시키도록 유리하게 작용한다.

부압 부분(41)에서 발생하는 기포(42)의 양은 그 부근의 환경 조건으로 정해지는 포화증기압에 영향을 받는다. 즉 물에 녹는 기체의 양보다 많은 것이 기포(42)로서 수중에 존재하게 된다. 따라서 기액계면(43)으로부터의 기포(42)의 이탈이 촉진됨으로써 기액계면(43)의 근처에 정체되는 기포(2)가 적어져 원하는 양의 기포(42)가 안정적으로 수중에 혼입되어 효과적인 마찰저항 저감이 확실하게 실시된다.

더욱이 수중에 혼입된 기포(42)는 수심에 따른 정수압보다 낮은 내압으로 형성되기 때문에 일정한 수심으로 기포(42)가 이동할 때(예컨대 배바닥을 따라 기포가 이동할 때) 부압 부분(41)에서 떨어짐에 따라 기포(42)에 커다란 수압이 작용하여 서서히 기포(42)의 크기가 작아진다. 본 출원인들의 지금까지의 연구에 따르면, 비교적 작은 기포가 선체의 마찰저항을 저감시키는데 바람직하다고 되어 있다. 따라서 부압에 의해 발생한 기포는 이 점에서도 마찰저항의 저감에 유리하게 작용한다.

도 11은 상기 마찰저항 저감선의 변형예를 도시하고 있다.

이 마찰저항 저감선(M2)은, 상술한 실시형태와 달리 기포발생장치에 있어서부압 형성부가 상하방향으로 이동하도록 구성되어 있다. 기포 발생장치(50)는 선체에 고정상태로 부설되는 외통(外筒)(51)과, 해당 외통(51) 내에 착탈 가능하게 그리고 축방향(상하 방향)으로 이동 가능하게 수용되는 기체 도입관(AIP)으로서의 내통(內筒)(52)과, 외통(51)에 대한 내통(52)의 축방향의 위치(높이)를 조절하기 위한 위치 조절부(53)를 구비하고 있다. 내통(52)은 일단에 설치된 부압 형성부(54)를 아래쪽을 향하게 한 상태에서 외통(51)의 상단부의 개구에서 삽입된다.

부압 형성부(54)는 도 12에 도시한 바와 같이 관형 부재(60)의 단부를 막도록 설치되는 판형 부재(61)와, 이 판형 부재(61)에 대해 소정 간격으로 대략 평행하게 배치되는 날개(62)와, 날개(62)를 지지하는 버팀목(63, 64)과, 상기 판형 부재(61)에 설치된 배출구로서의 개구(65)를 관형 부재(60)의 안쪽에서 덮도록 설치된 만곡판(66)을 구비하고 있다. 이에 의해 부압 형성부(20)에는 선체의 진행 방향을 따라 연직방향 위쪽으로 볼록하게 만곡된 이탈촉진부로서의 수로(67)가 형성된다. 또한 유체통로(68)로서 내통(52)의 내부 공간은 만곡판(66)과 판형 부재(61)의 간격(69)과 상기 배출구(65)를 통해 아래쪽으로 개방된다.

도 11로 돌아가면, 위치조절부(53)는 항해 상태에 따라 부압 형성부(54)의 배바닥으로부터의 돌출 상태(돌출 높이)를 조절하기 위한 것으로서, 내통(52)을 소정의 위치로 이동시키기 위한 모터 등의 미도시된 구동부, 소정의 위치에 내통(52)을 고정하기 위한 미도시된 고정부 등을 포함하여 구성되어 있다.

이러한 구성의 기포 발생장치(50)를 구비한 마찰저항 저감선(M2)은 항해상태에 따라 위치 조절부(53)에 의해 부압 형성부(54)의 돌출 높이를 변화시킴으로써부압 형성부(54)에 의한 항력의 증가를 적절히 조절함과 동시에 부압 형성부(54) 근방의 물의 흐름을 원하는 상태로 조절한다.

예컨대 기포에 의한 마찰저항의 저감효과가 작은 정박중이나 저속항해시에는 도 13a에 도시한 바와 같이 부압 형성부(54)를 선체의 안쪽(침수 표면의 안쪽)에 배치함으로써 부압 형성부(54)에 의한 항력의 증가를 억제한다. 한편 소정의 선속에서의 항해시에는 도 13b 및 도 13c에 도시한 바와 같이 부압 형성부(54)를 배바닥에서 수중에(아래쪽으로) 돌출시켜 수중에 기포(70)를 발생시켜 선체의 마찰저항을 저감시킨다. 부압 형성부(54)의 돌출 높이가 변화되면 부압 형성부(54)의 수로(67)로 유입하는 시간당 수량이 변화하여 수로(67)에서의 물의 유속이 변화된다. 이로써 부압 부분(71)의 상태(정수압 등)나 기액계면으로부터의 이탈방향의 힘의 크기가 변화되어 물에 혼입되는 기포(70)의 양이 변화된다.

즉, 부압 형성부(54)의 돌출 높이를 변화시킴으로써 부압 부분(71)의 압력이나 부압 부분(71) 근방의 물의 흐름(72)을 제어하여 기포(70)의 발생량을 조절한다. 그리고 선속에 따른 적절한 양의 기포(70)에 의해 마찰저항 저감이 효과적으로 실시된다.

나아가 기포발생장치(50)는 유지 보수시에 내통(52)을 외통(51)에서 분해하여 청소설비가 구비된 환경하에서 내통(52)을 청소함과 동시에 외통(51)의 내벽면을 청소한다. 그 때문에 기포발생장치(50)의 유지 보수에 따른 수고가 적다.

더욱이 본 실시형태에 있어서 도시한 각 구성부재의 모든 형상이나 조합 등은 일례로서, 본 발명의 주지에서 벗어나지 않는 범위에서 설계 요구 등에 근거한각종 변경이 가능하다. 예컨대 하기와 같은 변경도 포함된다.

본 실시형태에서는 부압 형성부(20)는 부압 부분을 수중에 형성함과 동시에 이탈방향의 힘을 발생시키는 물의 흐름을 형성한다는 2개의 기능을 가지며 적은 공간에서 효율적으로 기포를 물에 혼입시킬 수 있다는 이점이 있다. 그러나 부압 부분을 형성하는 기능(부압 형성부)과 이탈을 촉진시키는 물의 흐름을 형성하는 기능(이탈 촉진부)을 별도의 수단으로 나누어도 좋다. 기능별로 수단을 나눔으로써 수중에 혼입되는 기포의 양을 쉽게 제어할 수 있게 된다.

또한 부압 형성부의 날개의 형상은 수중에 대한 항력의 증가를 가능한 한 억제하도록 설계된다. 따라서 상술한 실시형태에서 도시한 날개는 날개면의 평면형상이 직사각형에 한정되지 않으며 예컨대 삼각형의 날개면 등 다른 형상도 가능하다. 또한 본 실시형태에서는 본 발명을 대형선에 적용한 예를 도시했는데 여기에 한정되지 않으며 고속선 등 기타 선박에도 적용할 수 있다. 더욱이 고압 형성부의 크기나 수, 그 배치장소는 선체의 형상에 따라 적절히 설정된다.

<제3실시형태>

이하, 본 발명의 제3실시형태에 관한 선체의 마찰저항 저감선을 탱커나 컨테이너선 등의 대형선에 적용한 일실시형태에 대해 설명한다.

도 14a에 있어서 부호 M은 마찰저항 저감선, 10은 선체, 11은 기포 발생장치, 12는 선체 외판(침수 표면), 13은 추진기, 14는 키, 15는 수면(침수선)을 도시하고 있다. 마찰저항 저감선(M)으로서의 대형선은, 예컨대 VLCC(Very Large Crude Oil Carrier)가 여기에 해당하며 다른 종류의 선박에 비해 침수선(15) 아래의 선체외판(12)(침수 표면)에 있어서 배바닥의 면적이 배측면에 비해 비교적 크게 형성되어 있다. 나아가 선체(10)의 전방(뱃머리쪽)에는 상기 기포 발생장치(11)가 설치되어 있다.

기포 발생장치(11)는 도 14b에 도시한 바와 같이 배바닥에 설치된 개구(12a)에 설치되는 유체 안내체(20)와 이 유체 안내체(20)에 접속되는 기체 도입관(AIP: Air Induction Pipe)(21)을 구비하여 구성되어 있다. 유체 안내체(20)는 내부에 공동이 있는 대략 관형의 부재로서 전체가 구성되어 있으며 그 축방향의 양단부에는 상기 기체 도입관(21) 내지 선체 외판(12)과의 접속용 플랜지(22, 23)가 설치되어 있다. 또한 선체 외판(12)에 접속되는 한쪽(아래쪽)의 단부에는, 도 15에 도시한 바와 같이 축방향에 대해 비스듬히 연장되어 진행방향 전방(뱃머리쪽)을 향하는 부압 형성부로서의 전방 경사면(24)과, 그 배면쪽에 배치되고 또 진행방향 후방(배후미쪽)을 향하는 후방 경사면(25)이 설치되어 있으며 이들 경사면(24, 25)의 테두리부의 일부가 서로 맞추어져 대략 뾰족한 모양의 돌기가 형성되도록 되어 있다. 더욱이 후방 경사면(25)에는 유체 안내체(20)의 공동의 개구로서 관통공으로 이루어진 배출구(26)가 설치되어 있다.

도 14a로 돌아가면, 기체 도입관(21)은 주로 관형 부재로 구성되어 선체가 거의 관통 상태로 부설됨과 동시에 플랜지(27)를 통해 상기 유체 안내체(20)에 접속되어 있다. 이 기체 도입관(21)과 유체 안내체(20)가 접속됨으로써 그 내부 공간으로서 유체 통로(30)가 형성된다. 이 유체 통로(30)는 기체 도입관(21)의 공기 도입구(21a)를 통해 일단이 기체 공간(대기)에 개방됨과 동시에 타단이 상기배출구(26)를 통해 수중에 개방된다. 더욱이 유체 통로(30)(유체 안내체(20) 및 기체 도입관(21)의 내부공간)는 적은 압력손실로 원하는 유량의 유체가 유동하도록 그 단면적이나 형상이 정해져 있다.

여기에서 기포발생장치(11)의 각 구성부재의 형상이나 배치위치는, 항해시에 유체 안내체(20)의 후방측에서의 물의 흐름이 원하는 상태가 되도록 수치유체역학(CFD: Computational Fluid Dynamics)에 의한 유장해석이나 항주(航走)시험 등의 결과에 근거하여 설계되어 있다.

여기에서는 소정의 항속(Vs)에서의 항해시에 유체 안내체(20)의 후방쪽 수중에 선체에 대한 상대적인 물의 흐름에 따라 기체공간(대기)에 대해 저압이 되는 부압 부분이 형성되도록 유체 안내체(20)의 전방 경사면(24)이 선체의 침수 표면(12)에서 소정의 높이(H)를 돌출시킨 상태로 설치되어 있다.

또한 유체 안내체(20)가 선체 외판(12)에 접속됨으로써 선체의 침수 표면 (12)에 웅덩이(31)가 형성되어 유체 안내체(20)의 후방 경사면(25)이 이 웅덩이 (31) 내부에서 외부에 걸쳐 선체의 침수 표면(12)에 대해 비스듬히 설치되고, 후방 경사면(25)에 설치된 배출구(26)가 후방을 향하고 또 그 일부가 웅덩이(31)의 내부에 배치됨과 동시에 타부가 선체의 침수 표면(12)에서 돌출된 상태로 배치되도록 되어 있다.

더욱이 유체 안내체(20)나 기체 도입관(21)의 재질로는, 예컨대 내식처리된 금속 또는 수지 등 주로 표면이 해수에 대해 내식성을 가지며 나아가 해성생물이 표면에 잘 부착되지 않는 것이 바람직하게 사용된다. 또한 기포발생장치(11)는 배바닥의 넓이에 따라 1개 또는 여러개 배치된다. 더욱이 도 14b에 도시한 부호(28, 29)는 플랜지 접속용 패킹이다.

다음에 상술한 바와 같이 구성되는 마찰저항 저감선(M)에 따른 선체의 마찰저항 저감방법에 대해 도 16을 참조하여 이하에 설명한다.

정박 상태에서는 유체 통로(30)(도 14b에 도시한 유체 안내체(20) 및 기체 도입(21)의 내부 공간)에 선체(10)의 주위와 거의 같은 수위까지 물(해수)이 들어가고 있다. 추진기(13)(도 14a 참조)의 추진력에 의해 선체(10)가 항해 상태가 되면 선체(10)에 대해 상대적인 물의 흐름(40)이 형성된다. 항해 상태에 있어서 배바닥에서는 유체 안내체의 전방 경사면(24)에 의해 물의 유로가 좁혀짐으로써 배바닥을 따라 흐르는 물의 유속이 커짐과 동시에 그 돌출단의 날카로운 각에 의해 수중에 박리영역이 형성되고, 이로써 전방 경사면(24)의 배면쪽, 즉 후방 경사면(25) 쪽의 수중에서의 정수압이 국소적으로 저하된다. 그리고 선체(10)의 항해 속도가 소정 선속(Vs)(예컨대 표준항해속도)에 달하면 후방 경사면(25)쪽의 수중에서 대기에 대해 저압이 되는 부압 부분(41)이 형성된다.

이 때 공기 도입구(21a)에서의 압력에 비해 부압 부분(41)에 면한 배출구(26)의 압력이 낮기 때문에 유체 통로(30) 내의 유체(해수 및 공기)에 대해 압력구배력이 작용하여 유체 통로(30)에서 해수가 배출됨과 동시에 공기 도입구(21a)에서 유입한 공기가 유체 통로(30)를 유동하여 수중에 보내진다. 그리고 수중에 보내진 기체가 기포(42)로서 물에 혼입되어 선체(10)의 침수 표면(12) 근방에 다수의 기포(42)가 개재됨으로써 선체(10)의 마찰저항이 저감된다.

수중에 공기를 보내기 위해 필요한 에너지는 주로 기체의 위치를 변화시키기 위한 에너지이다. 이 에너지는 유체 안내체의 전방 경사면(24)에 의해 물의 유동 상태를 변화시킴으로써 얻어지는 것으로서, 기체를 가압하여 수중에 분출하는 경우에 소비되는 에너지에 비해 적다. 그 때문에 선체(10)의 마찰저항 저감에 의해 항해시의 에너지 소비가 효과적으로 저감된다.

여기에서 본 실시형태에서는 수중에 기체를 방출하기 위한 배출구(26)가 선체의 침수 표면(12)에 대해 비스듬히 설치된 후방 경사면(25)에 설치되어 있기 때문에 침수 표면(12)에 평행한 면내에 배출구를 설치한 경우에 비해 선체의 침수 표면(12)에서의 소정 영역 내에 배출구(26)의 개구면적을 넓게 할 수 있다. 나아가 이 후방 경사면(25)은 웅덩이(31)의 내부에서 외부에 걸쳐 선체의 침수 표면(12)을 좁힌 양측에 설치되어 있으며 웅덩이(31)의 내부에 배출구(26)의 일부가 배치되기 때문에 개구면적이 넓은 배출구(26)를 설치하는 경우에도 선체의 침수 표면(12)으로부터의 전방 경사면(24)(및 후방 경사면(25))의 돌출 높이가 억제되어 물의 흐름(40)에 대해 잘 저항이 되지 않는다.

따라서 본 실시형태에서는 물의 흐름(40)에 대한 항력 증가를 억제하면서 개구 면적이 넓은 배출구(26)에서 다량의 기포(42)를 방출할 수 있게 되며 이로써 효과적인 마찰저항 저감을 실시할 수 있다.

나아가 부압 부분(41)의 형성에는 전방 경사면(25) 및 후방 경사면(26)의 형상이나 레이놀즈수가 주된 지배인자가 되어 수심에 따른 불이익이 거의 발생하지 않는다고 생각되기 때문에 본 발명에 따른 기술은 대형선박에 적용하기에도 유리하다.

더욱이 수중에 혼입된 기포(42)는 수심에 따른 정수압보다 낮은 수압으로 형성되기 때문에 일정한 수심에서 기포(42)가 이동할 때(예컨대 배바닥을 따라 기포가 이동할 때)에 부압 부분(41)에서 떨어짐에 따라 기포(42)에 커다란 수압이 작용하여 서서히 기포(42)의 크기가 작아진다. 본 출원인들의 지금까지의 연구에 따르면 비교적 작은 기포가 선체의 마찰저항을 저감시키기에 바람직한 것으로 되어 있다. 따라서 부압 부분(41)에서 발생한 기포는 이 점에서도 마찰저항의 저감에 유리하게 작용한다.

또한 기포발생장치(11)는 간소한 구성으로서 기체를 가압하기 위한 장치가 불필요하므로 선체(10)의 건조비용이 적게 드는 것은 물론이다.

더욱이 상술한 실시형태에 있어서 도시한 각 구성부재의 모든 형상이나 조합 등은 일례로서, 본 발명의 주지에서 벗어나지 않는 범위에서 설계 요구 등에 근거하여 각종 변경이 가능하다. 예컨대 상술한 실시형태에서는 본 발명을 대형선에 적용한 예를 도시했는데 이에 한정되지 않으며 고속선 등 다른 선박에도 적용할 수 있다. 더욱이 기포발생장치(11)의 크기나 수, 그 배치장소 등은 선체의 형상에 따라 적절히 설정된다.

<제4실시형태>

이하, 본 발명에 관한 선체의 마찰저항 저감선을 탱커이나 컨테이너선 등의 대형선에 적용한 일시시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

도 17a에 있어서, 부호(M)은 마찰저항 저감선, 10은 선체, 11은 기포 발생장치, 12는 선체 외판(침수 표면), 13은 추진기, 14는 키, 15는 수면(침수선)을 도시하고 있다. 마찰저항 저감선(M)으로서의 대형선은, 예컨대 VLCC(Very Large Crude Oil Carrier)가 이에 해당하며 다른 종류의 선박에 비해 침수선(15) 아래의 선체 외판(12)(침수 표면)에 있어서 배바닥의 면적이 배측면에 비해 비교적 크게 형성되어 있다. 나아가 선체(10)의 전방(뱃머리쪽)에는 상기 기포발생장치(11)가 설치되어 있다.

기포발생장치(11)는 도 17b에 도시한 바와 같이 배바닥에 설치된 개구(12a)에 설치되는 유체 안내체(20)와, 이 유체 안내체(20)에 접속되는 기체 도입관(AIP: Air Induction Pipe)(21)을 구비하여 형성되어 있다. 유체 안내체(20)는 내부에 공동이 있는 통형(예컨대 원통형) 부재로서 전체가 구성되어 있으며 그 축방향의 양단부에는 상기 기체 도입관(21) 내지는 선체 외판(12)과의 접속용 플랜지(22, 23)가 설치되어 있다. 또한 선체 외판(12)으로의 접속측(아래쪽)의 단면은 축방향에 대해 비스듬히 형성되고(경사면(24)), 그 경사면(24)에는 유체 안내체(20) 내의 공동의 개구로서 관통공으로 이루어진 배출구(25)가 설치되어 있으며 이 배출구(25)(경사면(24))는 후방(배후미쪽)을 향해 배치되어 있다. 나아가 유체 안내체(20)는 경사면(24)의 일부가 선체의 침수 표면(12)에서 돌출되어 배치됨과 동시에 부압 형성부로서 측면(26)의 일부가 침수 표면(12)에 대해 수직으로 돌출된 상태로 배치되어 있다.

기체 도입관(21)은 주로 통형의 부재로 구성되어 선체(10)가 거의 관통상태로 부설됨과 동시에 플랜지(27)를 통해 상기 유체 안내체(20)에 접속되어 있다. 기체 도입관(21)과 유체 안내체(20)가 접속됨으로써 그 내부 공간으로서 유체 통로(30)가 형성된다. 이 유체 통로(30)는 기체 도입관(21)의 공기 도입구(21a)를 통해 일단이 기체 공간(대기)에 개방됨과 동시에 단이 상기 배출구(25)를 통해 수중에 개방되도록 되어 있다. 더욱이 유체통로(30)(유체 안내체(20) 및 기체 도입관(21)의 내부 공간)는 적은 압력손실로 원하는 유량의 유체가 유동되도록 그 단면적이나 형상이 정해져 있다.

기포 발생장치(11)의 각 구성부재의 형상이나 배치위치는 항해시에 유체 안내체(20)의 후방에서의 물의 흐름이 원하는 상태가 되도록 수치유체역학(CFD: Computational Fluid Dynamics)에 의한 유장해석이나 항주시험 등의 결과에 근거하여 설계되어 있다.

즉 소정의 항속(Vs)에서의 항해시에, 선체(10)에 대한 상대적인 물의 흐름에 따라 기체공간(대기)에 대해 저압이 되는 부압 부분이 유체 안내체(20)의 후방측의 수중에 형성되도록 선체의 침수 표면(12)으로부터의 유체 안내체(20)의 측면(26)의 돌출 높이 등이 정해져 있다.

또한 이 기포 발생장치(11)는 소정의 타이밍으로 유체통로(30) 내에 기체를 공급하는 기체 공급장치(35)를 구비하고 있다. 이 기체 공급장치(35)는 블로어(송풍기)나 펌프 등 기체 공간에서 도입한 기체(공기)의 운동상태를 변화시킴으로써 그 공기를 공급배관(36)을 통해 유체 안내체(20) 내에 유동시키는 것이다. 공기에 공급하는 타이밍은 기체 도입관(21)의 공기 도입구(21a)에 설치되는 계측장치(37)의 계측결과에 근거하여 미도시된 제어장치나 작업에 의해 정해진다. 여기에서는예컨대 기체 도입관(21)내로의 공기의 유입량이 소정량 이상이 되면 상기 제어장치에 의해 기체 공급장치(35)에 대해 공기 공급의 개시가 지시되도록 되어 있다. 계측장치(37)로서는 유량계나 유속계 등 기체의 흐름을 계측할 수 있는 것이 이용된다.

더욱이 유체 안내체(20)나 기체 도입관(21)의 재질로는, 예컨대 내식처리된 금속, 또는 수지 등 주로 표면이 해수에 대해 내식성을 가지며 나아가 해성생물이 표면이 잘 부착되지 않는 것이 바람직하게 이용된다. 또한 기포 발생장치(11)는 배바닥의 넓이에 따라 1개 또는 여러개 배치되어 있다. 더욱이 도 17b에 도시한 부호(28, 29)는 플랜지 접속용 패킹이다.

다음에 상술한 바와 같이 구성되는 마찰저항 저감선(M)에 의한 선체의 마찰저항 저감방법에 대해 도 18을 참조하여 이하 설명한다.

정박 상태에서는 유체통로(30)(도 17b에 도시한 유체 안내체(20) 및 기체 도입관(21)의 내부 공간)에 선체(10)의 주위와 거의 같은 수위까지 물(해수)이 들어와 있다. 추진기(13)(도 17a 참조)의 추진력에 의해 선체(10)가 항해 상태가 되면 선체(10)에 대해 상대적인 물의 흐름(40)이 형성된다.

항해 상태에서, 배바닥에서는 유체 안내체(20)의 측면(26)에 의해 물의 유로가 좁혀짐으로서 배바닥을 따라 흐르는 물의 유속이 커짐과 동시에 측면(26)의 그 돌출단의 날카로운 각에 의해 수중에 박리영역이 형성된다. 이들에 의해 측면(26)의 배면측, 즉 경사면(24)쪽의 수중에 있어서 정수압이 국소적으로 저하된다. 그리고 선체(10)의 항해 속도가 소정의 선속(Vs)(예컨대 표준항해속도)에 달하면 경사면(24)쪽의 수중에 있어서 대기에 대해 저압이 되는 부압 부분(41)이 형성된다.

이 때 공기 도입구(21a)에서의 압력에 비해 부압 부분(41)에 면한 배출구 (25)의 압력이 낮기 때문에 유체 통로(30) 내의 유체(해수 및 공기)에 대해 압력구배력이 작용하여 유체통로(30)에서 해수가 배출됨과 동시에 공기 도입구(21a)에서 유입한 공기가 유체 통로(30)를 유동하여 수중에 보내진다. 그리고 수중에 보내진 기체가 기포(42)로서 물에 혼입되어 선체(10)의 침수 표면(12)의 근방에 다수의 기포(42)가 개재됨으로써 선체(10)의 마찰저항이 저감된다.

수중에 공기를 보내기 위해 필요한 에너지는 주로 기체의 위치를 변화시키기 위한 에너지이다. 이 에너지는 선체의 침수 표면(12)에서 돌출되는 유체 안내체의 측면(26)에 의해 물의 유동상태를 변화시킴으로써 얻어지는 것으로서 기체를 가압하여 수중에 분출하는 경우에 소비되는 에너지에 비해 적다. 그 때문에 선체(10)의 마찰저항 저감에 의해 항해시의 에너지 소비가 효과적으로 저감된다.

그런데 이 마찰저항 저감선(M)에서는 소정의 선속(Vs)으로 항해하는 경우, 부압 부분(41)에 의해 발생하는 압력구배력이 거의 일정해지기 때문에 그 압력구배력의 작용에 의해 수중에 방출되는 기포(42)의 양도 거의 일정하다. 그래서 본 실시형태에서는 항해시의 에너지 소비를 더욱 효과적으로 저감하는 것을 목적으로 하여 기체공급장치(35)에 의해 소정의 타이밍으로 유체 통로(30) 내에 기체(공기)를 공급한다. 즉 계측장치(37)에 의해 계측되는 기체도입관(21) 내로의 공기의 유입량이 소정량 이상이 되면 미도시된 제어장치 또는 작업자(원격조작 포함)에 의해 기체공급장치(35)가 제어되어 유체 통로(30) 내에 공기가 공급된다. 이로써 유체통로(30) 내를 흐르는 공기의 양이 증가하여 배출구(25)에서 다량의 기포(40)가 방출된다. 따라서 선체(10)의 마찰저항이 더욱 저감된다.

이 때 유체통로(30) 내는 대기압에 대해 부압이 되어 있기 때문에 유체통로 (30) 내에 공기를 공급하는데 필요한 에너지가 얼마 안된다. 즉 공급배선(36) 내의 공기에도 압력 구배력이 작용하기 때문에 그 공기의 운동을 기체공급장치(35)에 의해 촉진시키는 것만으로도 다량의 공기가 유체통로(30) 내에 유입하게 된다. 따라서 이 마찰저항 저감선(M)에서는 부압 부분(41)에 의해 발생하는 압력 구배력에 더해 기체 공급장치(35)에 의해 유체통로(30) 내의 공기의 유동을 지원함으로써 적은 에너지 소비로 다량의 기포(40)를 수중에 방출할 수 있다.

또한 본 실시형태에서는 수중에 기체를 방출하기 위한 배출구(25)가 선체의 침수 표면(12)에 대해 비스듬하게 설치된 경사면(24)에 설치되어 있다. 그 때문에 침수 표면(12)에 평행한 면내에 배출구를 설치한 경우에 비해 선체의 침수 표면(12)의 소정 영역 내에서의 배출구의 개구면적이 넓어 다량의 기포를 방출하는데 적합하다.

나아가 부압 부분(42)의 형성에는 부압 형성부(유체 안내체의 측면(26))의 형상이나 레이놀즈수가 주된 지배인자가 되어 수심에 의한 불이익이 거의 발생하지 않는다고 생각되기 때문에 본 발명에 관한 기술은 대형선에 적용하기에도 유리하다.

더욱이 상술한 실시형태에 있어서 도시한 각 구성부재의 모든 형상이나 조합 등은 일례로서, 본 발명의 주지에서 벗어나지 않는 범위에서 설계 요구 등에 근거한 각종 변경이 가능하다. 또한 상술한 실시형태에서는 본 발명을 대형선에 적용한 예를 도시하였는데 이에 한정되지 않으며 고속선 등 다른 선박에도 적용할 수 있다. 또한 기포 발생장치(11)의 크기나 수, 그 배치 장소 등은 선체의 형상에 따라 적절히 설정된다. 또한 유체 안내체(20)(또는 기체 도입관(21))의 단면형상은 원통, 각통 등 내부를 흐르는 유체에 대한 저항이 가능한 한 적게 되도록 임의로 정해진다.

<제5실시형태>

이하 본 발명에 관한 마찰저항 저감선을 탱커나 컨테이너선 등의 대형선에 적용한 일실시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 도 19a에 있어서 부호(M)은 마찰저항 저감선, 10은 선체, 11은 기포 발생장치, 12는 선체 외판(침수 표면), 13은 추진기, 14는 키, 15는 수면(침수선)을 도시하고 있다. 마찰저항 저감선(M)으로서의 대형선은, 예컨대 VLCC(Very Large Crude Oil Carrier)가 이에 해당하며 다른 종류의 선박에 비해 침수선(15) 아래의 선체 외판(12)(침수 표면)에 있어서 배바닥의 면적이 배측면에 비해 비교적 크게 형성되어 있다. 나아가 선체(10)의 전방(뱃머리쪽)에는 상기 기포 발생장치(11)가 배치되어 있다.

기포 발생장치(11)는 도 19b에 도시한 바와 같이 배바닥에 설치된 개구(12a)에 설치된 유체 안내체(20)와 이 유체 안내체(20)에 접속되는 기체 도입관(AIP: Air Induction Pipe)(21)을 구비하여 구성되어 있다. 유체 안내체(20)는 내부에 공동이 있는 통형 부재로서 전체가 구성되어 있으며 그 축방향의 양단부에는 상기 기체 도입관(21) 내지 선체 외판(12)과의 접속용 플랜지(22, 23)가 설치되어 있다.또한 선체 외판(12)으로의 접속측(아래쪽) 단부에는 선체의 침수 표면(12)에서 돌출되고 또 선체의 전방(뱃머리쪽)을 향해 축방향에 대해 비스듬히 배치되는 경사면(24)(또는 곡면)이 설치되어 있다. 경사면(24)은 배후미 방향을 향해 서서히 선체의 침수 표면(12)으로부터의 높이가 증가하도록 설치되어 있다. 또한 경사면(24) 후방의 측면(25)에는 유체 안내체(20) 내의 공동의 개구로서 선체의 후방(배후미쪽)을 향하는 관통공으로 이루어진 배출구(26)가 설치되어 있다. 나아가 경사면(24)의 전방에는 날개형 단면형상으로 형성되는 날개형 부재(날개(30, 31, 32))가 설치되어 있다.

즉 도 20 및 도 21에 도시한 바와 같이 유체 안내체(20)의 앞부분에 있어서 선체의 침수 표면(12)(도 19a 및 도 19b 참조)에 대해 소정 간격으로 대략 평행하게 배치되는 제1날개(30), 제1날개(30)와 선체 외판(12) 사이에 배치되어 제1날개 (30)를 지지하는 제2날개(31, 32)가 설치되어 있다. 날개(30, 31, 32)의 형상은 NACA날개형 등 다양한 날개형이 적용 가능하며 선체의 형상 및 선속에 따라 정해진다. 또한 제1날개(30)는 앞테두리(30a) 및 뒤테두리(30b)를 선체의 진행방향(Dve)을 향하게 함과 동시에 날개면(30c(도 19b 참조), 30d)를 상하 방향으로 향하게 하고 나아가 항해시에 위쪽 양력이 작용(항해시에, 아래쪽을 향하는 날개면(30d)에 비해 위쪽을 향하는 날개면(30c)쪽의 유속이 커진다)하도록 설치되어 있다. 더욱이 날개(30, 31, 32)에 의해 선체의 진행방향(Dve)을 따라 연직방향 위쪽으로 볼록하게 되는 만곡된 수로(35)가 형성된다.

도 19b로 돌아가면 기체 도입관(AIP: Air Induction Pipe)(21)은 주로 관형부재로 구성되어 선체(10)를 거의 관통상태로 부설함과 동시에 플랜지(27)를 통해 유체 안내체(20)에 접속되어 있다. 기체 도입관(21)과 유체 안내체(20)가 접속됨으로써 그 내부 공간으로서 유체 통로(36)가 형성된다. 이 유체 통로(36)는 기체 도입관(21)의 공기 도입구(21a)를 통해 일단이 기체공간(대기)에 개방됨과 동시에 타단이 상기 배출구(26)를 통해 수중에 개방되도록 되어 있다. 더욱이 유체통로(36)(유체 안내체(20) 및 기체 도입관(21)의 내부 공간)는 적은 압력손실로 원하는 유량의 유체가 유동하도록 그 단면적이나 형상이 정해져 있다.

또한 유체 안내체(20)의 각 구성부재의 형상이나 배치위치는 항해시에 유체 안내체(20)에 있어서 물의 흐름이 원하는 상태가 되도록 수치유체역학(CFD: Computational Fluid Dynamics)에 의한 유장해석에 의해 설계되어 있다.

즉 예컨대 소정의 선속(Vs)에서의 항해시에, 선체(10)에 대한 상대적인 물의 흐름에 따라 기체공간(대기)에 대해 저압이 되는 부압 부분이 유체 안내체(20)의 후방측 수중에 형성되도록 선체의 침수 표면(12)으로부터의 유체 안내체(20)의 경사면(24)의 돌출 높이 등이 정해져 있다. 나아가 날개(30, 31, 32)에 의해 그 날개(30, 31, 32)의 주위를 순환하는 흐름이 발생하여 그 순환 흐름에 의해 수로(35) 및 유체 안내체(20)의 경사면(24)을 따라 흐르는 물의 유속이 증대되도록 정해져 있다.

더욱이 유체 안내체(20)나 기체 도입관(21)의 재질로는, 예컨대 내식처리된 금속, 또는 수지 등 주로 표면이 해수에 대해 내식성을 지닌, 나아가 해성생물이 표면에 잘 부착되지 않는 것이 바람직하게 사용된다. 더욱이 도 19b에 도시한 부호28은 플랜지 접속용 패킹이다.

다음에 상술한 바와 같이 구성되는 마찰저항 저감선(M)에 의한 선체의 마찰저항 저감방법에 대해 도 22a 및 도 22b를 참조하여 이하에 설명한다.

정박 상태에서는 유체통로(36)(도 19b에 도시한 유체 안내체(20) 및 기체 도입관(21)의 내부 공간)에 선체(10)의 주위와 거의 같은 수위까지 물(해수)이 들어와 있다. 추진기(13)(도 19a 참조)의 추진력에 의해 선체(10)가 항해상태가 되면 선체(10)에 대해 상대적인 물의 흐름(40)이 형성된다.

항해 상태에 있어서 배바닥에서는 유체 안내체(20)의 경사면(24)에 의해 물의 유로가 좁혀짐으로써 배바닥을 따라 흐르는 물의 유속이 증대됨과 동시에 경사면(24)의 그 돌출단의 날카로운 각에 의해 수중에 박리영역이 형성된다. 이에 의해 경사면(24)의 배면측의 수중에 있어서 정수압이 국소적으로 저하된다. 그리고 선체 (10)의 항해 속도가 소정의 선속(Vs)(예컨대 표준항해속도)에 도달하면 경사면(24)의 후방의 수중에 있어서 대기에 대해 저압이 되는 부압 부분(41)이 형성된다.

이 때 공기 도입구(21a)에서의 압력에 비해 부압 부분(41)에 면한 배출구 (26)의 압력이 낮기 때문에 유체 통로(36) 내의 유체(해수 및 공기)에 대해 압력구배력이 작용하여 유체 통로(36)에서 해수가 배출됨과 동시에 공기 도입구(21a)에서 유입한 공기가 유체통로(36)를 유동하여 수중에 보내진다. 그리고 수중에 보내진 공기가 기포(42)로서 물에 혼입되어 선체(10)의 침수 표면(12)의 근방에 다수의 기포(42)가 개재됨으로써 선체(10)의 마찰저항이 저감된다.

이 때 수중에 공기를 보내기 위해 필요한 에너지는 주로 기체의 위치를 변화시키기 위한 에너지이다. 이 에너지는 선체의 침수 표면(12)에서 돌출되는 유체 안내체(2)의 경사면(24)에 의해 물의 유동상태를 변화시킴으로써 얻어지는 것으로서, 가압한 기체를 수중에 분출하는 경우에 소비되는 에너지에 비해 적다. 그 때문에 선체(10)의 마찰저항 저감에 의해 항해시의 에너지 소비가 효율적으로 저감된다.

또한 본 실시형태에서는 측면(25)의 돌출단의 날카로운 각에 의해 박리영역과 함께 캐비테이션이 발생한다. 그 때문에 박리영역이나 캐비테이션에 의한 교반작용에 의해 기체와 물의 경계면에서 기체와 물이 적극적으로 혼합되어 기액계면으로부터의 기포(42)의 이탈이 촉진된다.

나아가 본 실시형태에서는 유체 안내체(20)의 앞부에 날개(30, 31, 32)가 설치되어 있으며 이 날개(30, 31, 32) 주위에 순환 흐름(Γ)이 발생한다. 즉 도 22b에 도시한 바와 같이 제1날개(30) 주위에 있어서, 수로(35)쪽의 날개면(30c)을 따라 배후미 방향으로, 반대쪽 날개면(30d)을 따라 뱃머리 방향으로 흐르는 순환 흐름(Γ)이 발생한다. 이 때 수로(35) 쪽의 날개면(30c)에서는 침수 표면(12)을 따라 흐르는 물의 흐름(40)과 순환 흐름(Γ)의 속도가 더해져 유속이 증대되고 이로써 경사면(24)을 따라 흐르는 물의 유속이 증대되어 부압 부분(41)의 정수압이 더욱 저하된다. 그 때문에 유체 통로(36) 내의 유체에 대한 압력구배력이 증대되어 다량의 공기(기포)가 수중에 방출된다.

더욱이 도 22a 및 도 22b에 도시되지는 않았으나 제2날개(31, 32)에서도 마찬가지로 순환 흐름이 발생하기 때문에 수로(35) 및 경사면(24)을 따라 흐르는 물의 유속이 더욱 증대된다. 즉 날개(30, 31, 32) 주위에 발생하는 순환 흐름(Γ)에의해 경사면(24)의 돌출단(P)에서의 유속이 증대되고 부압 부분(41)이 발달하여 기포(42)에 대한 수중으로의 흡인력이 증대된다. 이로써 수중에 방출된 다량의 기포(42)가 침수 표면(12)에 개재되어 마찰저항이 효과적으로 저감된다. 또한 순환 흐름(Γ)은 저속항해시(예컨대 10노트 정도)에도 발생하기 때문에 광범위한 항해속도에 대해서 마찰저항의 저감효과를 향상시킬 수 있다.

또한 본 실시형태에서는 제1날개(30)의 주위의 순환 흐름(Γ)에 의해 제1날개(30) 상하로 압력차가 발생하여 제1날개(30)를 통해 선체(10)에 대해 위쪽의 양력(Lf)이 작용한다. 그리고 이 양력(Lf)에 의해 선체(10)의 특히 뱃머리쪽이 부상하여 선체(10)의 침수면적이 감소되어 선체(10)의 마찰저항이 더욱 저감된다.

더욱이 부압 부분(41)의 형성에는 유체 안내체(20)(날개(30, 31, 32)나 경사면(24) 등)의 형상이나 레이놀즈수가 주된 지배인자가 되어 수심에 의한 불이익이 거의 발생되지 않는다고 생각되기 때문에 본 발명에 따른 기술은 대형선에 적용하기 유리하다.

그런데 수중에 혼입된 기포(42)는 수심에 따른 정수압보다 낮은 내압으로 형성된다. 그 때문에 일정한 수심으로 기포(42)가 이동할 때(예컨대 배바닥을 따라 기포가 이동할 때), 부압 부분(41)에서 떨어짐에 따라 기포(42)에 커다란 수압이 작용하여 서서히 기포(42)의 크기가 작아진다. 본 출원인들의 지금까지의 연구에 따르면 비교적 작은 기포가 선체의 마찰저항을 저감하기에 바람직한 것으로 되어 있다.

또한 부압 부분(41)에서 떨어짐에 따라 기포(42)에 커다란 수압이 작용함으로써 부압 작용에 따라 발생한 기포(42)는 종래의 가압방식에 비해 확산되어 가는 경향이 있다. 그 때문에 선체의 침수 표면(12)에서 기포(42)가 비교적 잘 떨어지지 않아 배바닥 부근의 소정 영역내에 자리잡은 기포(42)의 양이 많아진다. 본 출원인들의 지금까지의 연구에 따르면 소정 영역 내의 기포의 양이 많을수록 선체의 마찰저항을 저감시키기에 바람직하며 더구나 침수 표면(12)에 가까운 기포일수록 그 효과가 높다. 이로써 상술한 부압작용에 의해 발생한 기포는 이 점에서도 마찰저항의 저감에 유리하게 작용한다. 따라서 상술한 유체 안내체(20)를 배바닥의 넓이에 따라 여러개 배치하여 배바닥의 여러 부분에서 기포를 방출함으로써 마찰저항의 저감효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

또한 기포 발생장치(11)는 간소한 구성으로서 기체를 가압하기 위한 장치가 불필요하므로 선체(10)의 건조비용이 적게 드는 것은 물론이다.

더욱이 상술한 실시형태에 있어서 도시한 각 구성부재의 모든 형상이나 조합 등은 일례로서, 본 발명의 주지에서 벗어나지 않는 범위에서 설계 요구 등에 근거하여 여러 가지로 변경 가능하다. 예컨대 상술한 실시형태에서는 본 발명을 대형선에 적용한 예를 도시하였는데 이에 한정되지 않으며 고속선이나 어선 등 기타 선박에도 적용 가능하다. 또한 기포 발생장치(11)의 크기나 수, 그 배치장소 등은 선체의 형상을 따라 적절히 설정된다.

<제6실시형태>

이하, 본 발명에 관한 마찰저항 저감선을 탱커나 컨테이너선의 대형선에 적용한 일실시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 도 23a 및 도 23b에 있어서 부호 M은 마찰저항 저감선, 10은 선체, 11은 기포 발생장치, 12는 선체 외판(침수 표면), 13은 추진기, 14는 키, 15는 수면(침수선)을 도시하고 있다. 마찰저항 저감선 (M)으로서의 대형선은, 예컨대 VLCC(Very Large Crude Oil Carrier)가 이에 해당하며 다른 종류의 선박에 비해 침수선(15)아래의 선체 외판(12)(침수 표면)에 있어서 배바닥의 면적이 배측면에 비해 비교적 크게 형성되어 있다.

기포 발생장치(11)는 도 23b에 도시한 바와 같이 선체의 침수 표면(12)(여기에서는 배바닥)에 설치되는 배출구(20)와, 일단이 공기 도입구(21a)를 통해 기체 공간에 개방됨과 동시에 타단이 배출구(20)를 통해 수중에 개방되는 유체통로(21)와, 항해시의 상대적인 물의 흐름에 따라 기체 공간(대기)에 대해 저압이 되는 부압 부분을 배출구(20) 근방의 수중에 형성하는 부압 형성부(22)를 구비하고 있다.

부압 형성부(22)는 여기에서는 선체의 침수 표면(12)에서 돌출되어 설치되어 있으며 항해시에 선체의 침수 표면(12)을 따라 흐르는 물의 흐름을 변화시켜 박리나 캐비테이션, 또는 유속의 증대에 따른 정수압의 저하 등의 작용에 의해 자체 후방의 수중에 부압 부분을 형성하는 것이다.

상기 구성의 마찰저항 저감선(M)에서는 항해상태에 있어서 수중에 부압 부분(31)(도 23b 참조)이 형성되면, 유체 통로(21)의 공기 도입구(21a)에 대해 수중의 부압 부분(31)에 면한 배출구(2)의 압력이 낮아지고 유체통로(21a) 내의 유체에 압력구배력이 작용하여 공기 도입구(21a)에서 유입한 공기가 배출구(20)에서 수중에 방출된다. 그리고 수중에 보내진 공기가 기포(32)로서 물에 혼입되어 선체 (10)의 침수 표면(12)의 근방에 개재됨으로써 선체(10)의 마찰저항이 저감된다.

그런데 이 마찰저항 저감선(M)에서는 선체(10)의 겉을 구성하는 부재에 의해 유체통로(21)가 형성되어 있다. 구체적으로는 도 24a∼도 24c에 도시한 바와 같이 유체통로(21)는 갑판 부근에서 배바닥(10d)에 걸쳐 선체 외판(12)을 따라 부설되는 덕트(40, 41)의 내부 공간으로서 형성되어 있다. 덕트(40, 41)는 선체(10)의 보강용 부재, 여기에서는 선체 외판(12)을 보강하는 부재로서 이용되고 있다.

도 24b는 덕트(40, 41)의 단면구조를 도시한 도면이다. 즉 덕트(40, 41)는 소정의 단면적을 갖는 유로(유체통로(21))를 내부에 형성하도록 선체 외판(12)에 접합되어 있다. 더욱이 도 24b에서는 덕트(40, 41)는 직사각형 단면을 갖는 유로를 형성하고 있는데 이에 한정되지 않으며 직사각형 이외의 단면을 갖는 유로를 형성해도 좋다. 덕트(40, 41)의 형상이나 그 내부 공간인 유체통로(21)의 형상은 적은 압력손실로 유체가 이동하도록 선체(10)의 형상 등에 따라 적절히 정해진다.

또한 도 24c는 덕트(40, 41)의 설치상태를 도시한 선체 위에서 본 평면도이다. 본 실시형태에서는 덕트(40, 41)는 우현(10b) 및 좌현(10c)으로 나뉘어 여러개(여기에서는 2개) 설치되어 있으며 이에 따라 유체통로(21)도 좌우로 나뉘어 형성되어 있다. 더욱이 덕트(40, 41)의 재질로는, 예컨대 내식처리된 금속, 주로 표면이 해수에 대해 내식성을 가지며 나아가 해성생물이 표면에 잘 부착되지 않는 것이 바람직하게 이용된다.

본 실시형태의 마찰저항 저감선(M)에서는 선체(1)의 겉을 구성하는 부재인 덕트(40, 41)에 의해 유체통로(21)가 형성되기 때문에 수중에 기체를 인도하기 위한 배관을 새롭게 부설할 필요가 없으며 부재나 건조작업에 필요한 수고를 경감하여 건조비용의 저감화를 쉽게 꾀할 수 있다. 특히 본 실시형태가 구비하는 기포 발생장치(11)는 수중에 부압 부분을 형성하고 압력구배력을 이용하여 수중에 기체를 인도하는 방식을 채용하고 있기 때문에 기체를 가압하기 위한 장치가 필요없는 등, 가압장치를 구비하는 종래의 방식에 비해 매우 간소한 구성으로서 건조비용의 저감화에 유리하다.

또한 이 마찰저항 저감선(M)에서는 덕트(40, 41)가 선체 외판(12)을 따라 설치되기 때문에 선체(1) 내부의 공간을 유효하게 활용할 수 있게 된다. 나아가 본 실시형태에서는 덕트(40, 41)가 우현(10b) 및 좌현(10c)으로 나누어 설치되어 있으며 이에 따라 유체통로(21)가 나뉘어 형성되어 있기 때문에, 예컨대 여러개의 유체통로(21)의 각 공기 도입구(21a)를 선택적으로 개방함으로써 기포의 방출량을 용이하게 조절할 수 있다.

도 25는 본 실시형태의 변형예를 도시하고 있다.

이 변형예에서는 우현(10b)에서 좌현(10c)에 걸쳐 선체 외판(12)을 따라 설치된 덕트(50, 51, 52)에 의해 유체통로(21)가 형성되어 있다. 또한 덕트(50, 51, 52)는 뱃머리(10a)에서 배후미를 향해 간격을 두고 여러개 설치되어 있으며 각 덕트(50, 51, 52)의 내부 공간으로서 형성되는 유체통로(21)를 따라 복수의 배출구 (20) 및 부압 형성부(22)가 배바닥(10c)에 설치되어 있다. 더욱이 본 실시예에서의 덕트(50, 51, 52)도 상기 실시형태와 마찬가지로 선체(10)의 겉을 구성하며 또한 선체(10)를 보강하는 부재이다.

본 변형예에서는 우현(10b)에서 좌현(10c)에 걸쳐 설치된 덕트(50, 51, 52)에 의해 유체통로(21)가 변형되므로 선폭 방향의 임의의 위치에 배출구(20)를 설치할 수 있는 등, 배출구(20)나 부압형성부(22)의 설치위치에 제약이 적다. 더구나 뱃머리(10a)에서 배후미를 향해 유체통로(21)가 소정 간격으로 여러개 형성됨으로써 배길이 방향으로도 배출구(20)를 나누어 설치할 수 있다. 즉 배출구(20)를 배바닥(10c)에 여러개 설치하여 기포를 넓게 침수 표면에 개재시켜 마찰저항 저감효과의 향상을 도모할 수 있게 된다. 더욱이 유체통로(21)를 형성하는 덕트(50, 51, 52)가 선체(10)의 보강용 부재이므로 덕트를 선체(10)에 여러개 설치하거나 임의의 위치에 배치하는 것을 용이하게 실시할 수 있는 등 설계의 자유도가 높다. 또한 유체통로(21)가 되는 공간을 미리 선체에 여러개 설치해 둠으로써 선체(10)가 건조된 후에도 기포를 방출하기 위한 배출구(20)를 필요에 따라 설치할 수 있다.

더욱이 상술한 각 구성부재의 모든 형상이나 조합 등은 일례로서, 본 발명의 주지에서 벗어나지 않는 범위에서 설계 요구 등에 근거하여 각종 변경이 가능하다. 예컨대 상기 실시형태에서는 본 발명을 대형선에 적용한 예를 도시하였는데 이에 한정되지 않으며 고속선이나 어선 등 다른 선박에도 적용 가능하다. 또한 기포발생장치(11)의 크기나 수, 그 배치장소 등은 선체의 형상에 따라 적절히 설정된다.

이러한 마찰저항 저감선 또는 마찰저항 저감방법에 따르면, 침수선 아래의 뱃머리 물 도입구에서 도입된 물에 부압상태를 만들어 물 위의 공기를 분출하여 배바닥의 물 배출구에 배출하기 때문에 공기를 수중에 분출하기 위한 가압기 등의 부가적인 동력 없이 수중에 미세기포를 발생시킬 수 있다.

또한 물 도입구가 뱃머리에, 물 배출구가 배바닥에 설치되어 있기 때문에 마찰저항 저감선이 항해함으로써 물 도입구에서 무리없이 도입되어 물 배출구로 배출된다. 따라서 물 도입에 관한 항력의 발생을 억제하면서 미세기포를 발생시킬 수 있다. 또한 물 배출구가 배바닥에 설치되어 있기 때문에 배바닥을 효과적으로 미세기포로 덮어 마찰저항을 효과적으로 저감할 수 있으며 따라서 마찰저항의 저감에 따른 연료절약의 향상을 실현할 수 있다.

나아가 상기 송수 통로와 공기 통로와 기체 분출부재를 구비하여 공기 분출구의 위치를 그 정압이 물 위의 대기압에 대해 부압상태가 되도록 설정하기 때문에, 매우 간단한 구성으로 공기를 수중에 분출하기 위한 가압기 등의 부가적인 동력 없이 수중에 미세기포를 발생시킬 수 있다. 따라서 이로서도 마찰저항을 효과적으로 저감할 수 있다.

Claims (21)

1. 선체의 침수 표면에 기포를 방출하여 선체의 마찰저항을 저감시키는 마찰저항 저감선으로서, 선체의 항해에 따라 기체공간에 대해 저압이 되는 부압 부분을 수중에 형성하고, 기체 공간에서 수중의 부압 부분에 기체를 인도함으로써 상기 침수 표면에 기포를 발생시키는 마찰저항 저감선.
2. 선체의 침수 표면에 기포를 방출하여 선체의 마찰저항을 저감시키는 방법으로서, 선체의 항해에 따라 기체공간에 대해 저압이 되는 부압 부분을 수중에 형성하고, 기체 공간에서 수중의 부압 부분으로 기체를 인도함으로써 상기 침수 표면에 기포를 발생시키는, 선체의 마찰저항 저감방법.
3. 선체의 침수 표면에 기포를 방출하여 선체의 마찰저항을 저감시키는 마찰저항 저감선으로서,

   뱃머리의 침수선 아래에 설치된 물 도입구에서 도입된 물에 대해 부압상태를 만듦으로써 물위의 공기를 수중에 분출하여 미세기포를 생성하고 이 미세기포를 물과 함께 배바닥의 물 배출구로 배출하는 기포발생수단을 구비하는 마찰저항 저감선.
4. 선체의 침수 표면에 기포를 방출하여 선체의 마찰저항을 저감시키는 마찰저항 저감선으로서,

   선체 외판에 있어서 침수선 아래의 뱃머리에 설치된 물 도입구와 배바닥에 설치된 물 배출구에 걸쳐 경사지게 설치됨과 동시에 그 도중부위에 공기 배출구가 설치된 송수 통로와,

   물 위에서 상기 공기 배출구에 걸쳐 설치된 공기 통로와,

   상기 송수 통로의 내측에 돌출된 상태에서 상기 공기 배출구를 덮도록 설치됨과 동시에 그 돌출 꼭대기 근방에 공기 분출구가 설치된 기체 분출부재를 구비하고,

   상기 공기 분출구의 위치는 그 정압이 물 위의 대기압에 대해 부압 상태가 되도록 설정되는 마찰저항 저감선.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,

   물 배출구의 배바닥에서의 위치는 뱃머리 근방의 선체 폭방향의 중앙에 설정되는 마찰저항 저감선.
6. 선체의 침수 표면에 기포를 방출하여 선체의 마찰저항을 저감시키는 방법으로서,

   뱃머리의 침수선 하에 설치된 물 도입구에서 도입된 물에 대해 부압상태를 만듦으로써 물 위의 공기를 수중에 분출하여 미세기포를 생성하고 이 미세기포를 물과 함께 배바닥의 물 배출구에 배출하는, 선체의 마찰저항 저감방법.
7. 제6항에 있어서,

   물 배출구의 배바닥에서의 위치를 뱃머리 근방의 선체 폭방향의 중앙에 설정하는, 선체의 마찰저항 저감방법.
8. 선체의 침수 표면에 기체를 방출하여 선체의 마찰저항을 저감하는 방법으로서,

   선체의 항해에 따라 기체공간에 대해 저압이 되는 부압 부분을 수중에 형성하고, 기체공간에서 수중의 부압 부분으로 기체를 인도함과 동시에 국소적으로 소용돌이가 큰 물의 흐름을 형성하는, 선체의 마찰저항 저감방법.
9. 선체의 침수 표면에 기포를 방출하여 선체의 마찰저항을 저감하는 마찰저항 저감선으로서,

   기체공간에 대해 저압이 되는 부압 부분을 수중에 형성하기 위한 부압 형성부와,

   기체 공간에서 수중의 부압 부분으로 기체를 인도하기 위한 유체 통로와,

   국소적으로 소용돌이가 큰 물의 흐름을 형성하는 이탈촉진부를 구비하는 마찰저항 저감선.
10. 제9항에 있어서,

    상기 부압 형성부는 선체의 침수 표면에서 수중을 향해 돌출되어 배치되는 날개와, 해당 날개를 지지하는 버팀목과, 상기 날개에 대해 선체측에 배치되는 유수 안내체를 구비한 마찰저항 저감선.
11. 제10항에 있어서,

    상기 이탈촉진부는, 선체측에 볼록하게 형성된 상기 날개와, 해당 날개 모양을 따라 형성된 상기 유수 안내체에 의해 형성되는 마찰저항 저감선.
12. 선체의 침수 표면에 기포를 방출하여 선체의 마찰저항을 저감시키는 마찰저항 저감선에 있어서,

    기체 공간에 대해 저압이 되는 부압 부분을 수중에 형성하기 위해 선체의 침수 표면에서 돌출되어 설치되는 부압형성부와,

    수중의 부압 부분을 향해 기포를 방출하기 위한 배출구와,

    기체공간에서 수중으로 기체를 인도하기 위해 일단이 기체 공간에 개방됨과 동시에 타단이 상기 배출구를 통해 수중에 개방되는 유체통로를 구비하고,

    상기 배출구는 선체의 침수 표면에 대해 비스듬히 설치된 경사면에 설치되어 있는 마찰저항 저감선.
13. 제12항에 있어서,

    상기 경사면은 선체의 침수 표면에 설치되는 웅덩이의 내부에서 외부에 걸쳐설치되어 있는 마찰저항 저감선.
14. 선체의 침수 표면에 기포를 방출하여 선체의 마찰저항을 저감하는 마찰저항 저감선에 있어서,

    기체 공간에 대해 저압이 되는 부압 부분을 수중에 형성하기 위해 선체의 침수 표면에서 돌출되어 설치되는 부압 형성부와,

    수중의 부압 부분을 향해 기포를 방출하기 위해 상기 부압 형성부의 후방에 설치되는 배출구와,

    기체공간에서 수중으로 기체를 인도하기 위해 일단이 기체 공간에 개방됨과 동시에 타단이 상기 배출구를 통해 수중에 개방되는 유체 통로와,

    상기 부압 부분을 향해 기체를 공급하는 기체 공급장치를 구비한 마찰저항 저감선.
15. 선체의 침수 표면에 기포를 방출하여 선체의 마찰저항을 저감하는 마찰저항 저감방법에 있어서,

    선체의 항해에 따라 기체공간에 대해 저압이 되는 부압 부분을 수중에 형성하여 기체공간에서 수중의 부압 부분으로 기체를 인도하여 수중에 기포를 방출함과 동시에 소정의 장치에 의해 부압 부분을 향해 기체를 공급하는, 선체의 마찰저항 저감방법.
16. 선체의 침수 표면에 기포를 방출하여 선체의 마찰저항을 저감하는 마찰저항 저감방법에 있어서,

    선체의 항해에 따라 기체 공간에 대해 저압이 되는 부압 부분을 수중에 형성하여 기체 공간에서 수중의 부압 부분으로 기체를 인도함과 동시에 상기 부압 부분을 발달시키는 순환흐름을 날개에 의해 수중에 생성시키는, 선체의 마찰저항 저감방법.
17. 선체의 침수 표면에 기포를 방출하여 선체의 마찰저항을 저감하는 마찰저항 저감선에 있어서,

    선체의 침수 표면에 설치되어 기체 공간에 대해 저압이 되는 부압 부분을 수중에 형성하는 부압 형성부와,

    상기 부압 형성부의 후방에 설치되며 수중의 부압 부분을 향해 기포를 방출하는 배출구와,

    일단이 기체 공간에 개방됨과 동시에 타단이 상기 배출구를 통해 수중에 개방되는 유체통로를 구비하고,

    상기 부압 형성부에는 날개 모양의 단면 형상으로 형성된 날개형 부재가 설치되는 마찰저항 저감선.
18. 제17항에 있어서,

    상기 날개형 부재는 위쪽으로의 양력이 발생하도록 설치된 마찰저항 저감선.
19. 선체의 침수 표면에 기포를 방출하여 선체의 마찰저항을 저감하는 마찰저항 저감선에 있어서,

    수중에 기포를 방출하기 위해 선체의 침수 표면에 설치되는 배출구와,

    일단이 기체 공간에 개방됨과 동시에 타단이 상기 배출구를 통해 수중에 개방되는 유체통로를 구비하며,

    상기 유체통로의 적어도 일부는 선체의 겉을 구성하는 부재에 의해 형성되는 마찰저항 저감선.
20. 제19항에 있어서,

    상기 유체통로를 형성하는 부재의 적어도 일부는 선체의 보강용 부재인 마찰저항 저감선.
21. 제19항 또는 제20항에 있어서,

    상기 유체통로는 여러개로 나뉘어 형성되는 마찰저항 저감선.