KR20010100001A - 선박용 포일 시스템 장치 - Google Patents

Abstract

수중익 선박용 포일 시스템이 기술되고, 포일 시스템은 일정 속도에서 선박의 전중량을 들어올리고 지지하며, 다수의 조절가능한 제어핀/제어면(3-5), 선박 선체 및 포일 시스템 사이의 지지 레그(7-9)와 제어핀/제어면을 조절하는 수단으로 구성된다. 포일 시스템은 2개의 거울대칭 포일 아암(1,2)으로 구성되는 하나의 단일 수평 포일 몸체에 의해 형성되고, 상기 포일 아암(1,2)은 동일한 각도로 선미를 각 측면으로 연장시키며, 각의 전방 코너는 선박의 중심선(11)에 형성되고, 포일 아암은 선박의 종방향 중심선(11)과 동일한 각(12)으로 선미를 각 측면으로 연장시킨다.

Description

선박용 포일 시스템 장치{FOIL SYSTEM DEVICE FOR VESSELS}

종래의 해상 선박에 있어서 고속을 얻기 위한 관련 문제들 중의 하나는 이들 선박을 둘러싸는 파도 패턴이다. 선박이 훌륭한 형태를 가지더라도 속력 증가에 따라 저항이 급격히 증가한다. 이러한 문제를 감소시키기 위하여 동적 상승력(dynamic lift)이 있는 표면을 수용하는 기술이 잘 알려져 있다. 이렇게 하여 선박은 물에서 상당히 혹은 약간 떠서 파도로 인한 저항은 감소된다.

이러한 표면들이 선박의 하부(편평한 선박)로 구성된 경우에, 표면은 매우 넓어서 전단력(점성에 의한 힘)은 커지고, 저항은 결과적으로 고속에서 커질 것이다. 최소한의 가능한 저항을 가지는 상승력을 만드는 가장 효과적인 표면은 날개 형상(포일)이다. 이러한 날개 형상은 완전히 잠기거나 물 표면을 꿰뚫는 형태일 수 있다. 그러한 해상 선박은, 포일 시스템이 운행중의 선박 전체 중량을 들어올려 운반시키며, 이는 하이드로포일 선박으로 알려져 있고, 미국특허 제2,749,871호, 3,092,062호 그리고 3,137,260호를 참조하면 된다.

물 표면에 의하여 포일이나 선박의 하부에 의해 동적 상승력을 제공함으로써, 수직방향의 힘 변화가 커지게 된다. 이것은 선박에 큰 가속도를 제공하고 갑판에 있는 이에게 불편함을 느끼게 한다(ISO 2631참조). 이는 상승 표면을 완전히 물 표면 아래로 이동시켜 상당히 혹은 어느 정도 피할 수 있으며, 상태는 보다 평온해 진다. 이는 여러 면에서 우월한 방법으로 증명되었고, 몇몇의 하이드로포일 선박에서 사용되어 왔으나, 또한 많은 단점을 갖는다.

날개로부터의 상승력은 날개의 기하학적 형상, 물의 밀도, 수직방향으로의 날개의 투사면적 그리고 날개와 주위 물과의 상대속도에 달려있다. 상승력은 선박의 전체 중량과 동일한 크기가 되어야 하므로, 또한 중략과 속도는 변할 수 있으므로 날개의 형상을 변화시킬 수 있어야 하고, 하이드로포일 선박이 표면을 가르는 날개의 면적을 변화시켜야 한다. 날개의 기하학적 형상 변화는 보통 날개의 후단에 몇 개의 플랩(flap)을 장착하여 가능하다.

본 발명은 수중익선인 하이드로포일(hydrofoil) 선박을 위한 포일 시스템(foil system)의 배열에 관련되며, 포일 시스템은 다수의 조정가능한 제어 핀/표면들, 포일 시스템과 상기 선박의 선체 사이의 스트럿들 그리고 상기 제어 핀/표면들을 조정하기 위한 수단을 포함하며, 운행 중 선박의 중량의 전체 무게를 들어올리고 운반한다.

도 1 은 본 발명의 포일윙이 장착되어 있는 아래에서 본 선체 설계의 사시도.

도 2A 는 위에서 본 포일 구조의 사시도.

도 2B 는 포일의 단면도.

도 3 은 본 발명의 포일 설계가 장착되어 있는 선박의 측면도.

* 부호 설명

1,2...포일 아암 3,4,5,6...제어핀

7,8,9...스트럿 10...코너

20...선체 22...핀

26...중앙핀 28,30...프로펠러

40...선박 42...상부구조

본 발명은 물 위의 일정거리를 가지는 선박의 피치(pitch)와 롤링(rolling)을 제어할 수 있는 장치에 의해 제어 표면을 가지는 단지 하나의 포일 요소를 포함하는 포일 시스템과 관련된다.

현재 존재하거나 공개된 하이드로포일 선박의 움직임은 모니터되고 측정될 수 있으며, 따라서 이러한 측정들은 다른 날개들의 플랩 각의 연속적인 조절을 위한 제어장치에 사용될 수 있다. 따라서, 어떤 때라도 상승력은 선박의 무게, 중력 중심의 위치 질량에 의한 힘에 따라 조정될 수 있다. 이것은 험한 바다에서도 편안한 항해를 보장하며, 몇몇의 하이드로포일 선박에 채용되었다. 모든 알려진 하이드로포일 선박은 종과 횡방향의 안정성을 유지하기 위하여 하나 이상의 잠겨진 선체로부터의 부력이 조합된 하나 이상의 날개로부터 발생하는 동적 상승력의 조합이나 몇몇의 날개를 사용한다.

그러나, 몇 개의 날개로부터 혹은 날개와 선체를 조합하여 동적 상승력을 얻는 것은 다른 어려움과 단점이 발생한다. 본 발명에서의 특별한 중요성은 다음 다섯 가지 문제에 대해 언급될 수 있다;

i) 이륙 단계에서, 날개의 저항은 완전 이륙 후 보다 불균형하게 보다 더 클 것이다. 이것은 저 속력에서 필요한 고 상승 계수와 관련되며, 이는 부분적으로 저 속력에 의해 발생하지만, 그러한 날개들에서 보통 발견되는 낮은 애스펙트 비(aspect ratio)에 의해서도 일어날 수 있고, 이는 보통 높은 유도 저항을 발생시킨다. 동시에, 선체의 저항도 증가하며, 이는 고속에서 저항을 감소시키기 위한 선체 자체로부터의 동적 상승력을 얻는 것과도 관련되어, 저속에서 높은 저항을 발생시키게 된다. 하이드로포일 선박에서의 이러한 저항곡선 형태는 이러한 속도 영역에서 엔진에 과부하를 주는 피크(봉우리)를 종종 가져오는 결과가 나타난다.

애스펙트비는 날개의 길이와 익현의 비율을 의미하며, 통상적인 단면에서 날개길이는 선박의 횡방향으로 날개가 확장하는 길이이며, 익현은 선박의 가로방향으로 날개가 확장하는 길이를 의미한다.

ii) 선체 자체의 바닥 하부는 비교적 편평하게 만들어져야 하므로, 바다표면과 하부 사이의 상당한 간극은 파도의 높은 충돌 하중을 피하기 위해 필요할 것이다. 그러한 충격하중은 편평한 하부에 손상을 일으키거나, 심하지 않다면 선체의 움직임이 불균형을 이루어 탑승자들에게 불쾌감을 줄 것이다.

iii) 이러한 큰 간극은 또한 추진기(구동수단)에 문제점을 유발하며, 만약 이것이 어떤 종류의 프로펠러로 구성되어 있다면, 이들은 긴 스트럿에 고정되어야 하고, 동력축은 길어져서 프로펠러들은 해류에 대하여 급격한 경사를 가지게 된다. 만약 추진기가 물 분사 제트라면, 선체의 내부에 위치 해야하는 입구(물 표면과 펌프 아래에 일정거리에 위치해야한다)사이의 긴 거리는, 흡입 길이와 펌프가 위치한 선체까지 물을 가져오는 데에 필요한 급격한 속도변화로 인하여 입력에 있어서 큰 손실을 가져올 것이다.

iv)날개와 선체 사이에 유지하기 위한 큰 간극은 정지상태에서 허용할 수 없는 큰 흘수(draught)와 연관된다. 이것은 날개가 한가지나 다른 방법으로 상승되거나 접힐 수 있는 스트럿에 의해 지지되어야 하는 결과를 가져온다. 그러한 적응 구조물은 접을 수 있는 메카니즘의 채용과 관련되나, 그러한 메카니즘은 또한 날개에 힘과 모멘텀(momentum)을 아래로 전달한다. 따라서, 이 시스템은 좀 더 복잡해 질 것이며 고정 시스템보다 더욱 관리, 유지가 요구될 것이다.

v) 선체 그 자체는 물 표면으로부터 영향을 받지 않는 적절한 거리로 유지되어야 하므로, 이는 하나 이상의 스트럿이나 날개의 파괴나 제어장치의 고장을 일으킬 가능성이 있으며, 이는 측정기에 충격을 가져와 선박이 다시 균형을 유지하여부력을 회복하기 전에 물 표면에 대한 추락의 결과를 가져온다. 그러한 선박이 높이 있음으로 인한 위치에너지는, 그러한 추락이 매우 과격하며 속도의 제어되지 않은 방해가 될 것이라는 것을 의미한다. 고정되지 않은 탑승객은 그러한 경우에 매우 위험할 수 있다.

상기 다섯 가지 점에 있어서, 다른 형상의 선체를 사용하고 이전에 사용되었던 것과는 다른 날개를 사용하여 상당히 감소될 수 있다. 강조된 모든 관점들은 선체의 모양과 관련이 있으며, 따라서 본 발명의 새로운 구조에 있어서 잠겨져 제어되는 날개에 의한 상승력을 제공하는 원리가 아니라, 운행 중 물 표면 위로 선박을 들어 올리는 날개의 부분 형상이며, 날개의 설계와 제어 표면 사이의 협동을 이용하는 것이 새로운 발명이 된다.

본 발명에 따른 포일 시스템은 피치제어를 위하여 단 하나의 단일 날개를 사용하여 모든 상승력을 제공하며, 전방점(즉, 전방점의 선미방향)과 두 개의 선미의 각을 가진 레그 모두에 제어 핀과 고정되며, 롤링 제어를 위하여 두 개의 선미의 각을 가진 레그에 대칭으로 위치한 제어핀에 또한 고정된다. 부가적으로, 이러한 날개는 비통상적인 넓은 선박에 사용되며, 필수적이지는 않으나 주로 이러한 이유로 인하여 몇몇의 연결된 선체로 구성되어, 이들의 사용은 중심 선체보다 훨씬 날씬한 외부 선체형상을 가지는 장점이 있다. 이렇게 하여, 상승을 위한 날개의 상당히 개선된 애스펙트 비율을 얻을 수 있고, 종래의 하이드로포일 선박에 비하여 낮은 저항을 가지게 한다. 세 개보다 작은 제어 핀을 사용하여 피치와 롤링 모두에 제어를 제공함으로써, 보다 많은 제어 핀을 사용하는 것 보다 선박 운동의 보다정확한 조정이 가능하다.

아래에 도면을 참조하여 본 발명은 보다 자세히 기술될 것이다.

우선 본 발명은 도 1 및 도 2 를 참고로 기술될 것이고, 도 1 에 본 발명의 새로운 포일 시스템이 장착된 선체(20)의 저면이 도시되어 있으며, 도 2 에 위에서 본 포일 시스템이 도시되어 있다. 선체(20)는 종래의 평하단 선체로 구성될 수 있으나, 본 실시예에서는 선체의 양면에서 각각 후방의 하향 돌출 종방향 핀(fin)(22)을 구성하고, 또한 각 스트럿(strut)(7,8,9)을 통해 포일을 장착하기위한 전방의 중앙핀(26)을 구성한다. 일정 속도에서 상기 핀은 수면 위에 구성될 것이다. 도 1 및 도 3 에 예로서 도시되어 있고, 선박은 선미 스트럿(7,9)의 전연(leading edge)에 구성된 프로펠러(28,30)에 의해 구동된다.

도 2 에 도시된 바와 같이, 포일 시스템은 2개의 포일 아암(1,2)으로 제작된 수평 또는 평면 포일 몸체로 구성되고, 제어핀(또는 제어 플랩)(3,4,5) 및 상응 수직 스트럿(7,8,9)은 상부에 구성된 선체(20)에 포일을 부착시킨다. 포일은 일정 속도에서 선박의 전중량을 들어올리고 지지하도록 구성된다.

2개의 포일 아암(1,2)은 선체의 중심선(또는 종축)(11)에 대해 평면 거울대칭이고, 동일 각도에서 함께 결합되며, 각(23)의 정점은 선박의 중심선(11)에 형성되고, 2개의 포일 아암은 선박의 중심선(11)과 대칭 형태로 각 면에서 동일한 각(12)을 이루며 선미로 돌출된다. 따라서 선체는 3개의 수직 스트럿(7,8,9)에 의하여 포일 시스템에 의해 지지되고, 상기 수직 스트럿(7,8,9)은 하부 단부에서 포일 아암에 부착되며, 상부 단부에서 예를 들어 도 1 에 도시된 핀과 같은 선박의 선체에 부착된다.

해양에서 양력을 제공하도록 도 2B 에 도시된 바와 같이 포일은 비행기 날개와 유사한 단면을 가진다. 포일 시스템으로부터의 수직력은 수평으로 힌지식으로 작동되는(도 2B 에서 포일의 후연에 인접한 축(25)으로 도시됨) 3개의 독립 제어면(3,4,5)에 의해 조절되고, 상기 제어면(3,4,5) 중 제 1 전방 제어면(3)은 포일 시스템의 정점(10)에서 선박의 중심선에, 즉 포일 표면의 후연에 구성되며, 제 2 제어면(4)은 포트 포일 아암의 후방 단부(아암(1)의 말단)에 구성되고, 제 3 제어면(5)은 선박의 종방향 중심 평면(11)에 대하여 다른 아암과 거울 대칭인 우형 포일 아암(2)에 구성된다. 외측 스트럿(7,9)은 각각 포일 아암의 후방 단부에 구성되거나, 또는 상기 단부로부터 일정 거리에 구성된다.

전향 스트럿(8)은 선박의 선체 및 포일 시스템 사이에서 수직 제어핀(6)으로 구성되고, 상기 수직 제어핀(6)은 스트럿의 후연(원리적으로 수평의 제어명과 동일)을 따라 상응하게 힌지식으로 구성되어, 핀은 2개의 포일 아암(1,2) 사이의 코너(10)에서 수직축에 대해 회전될 수 있다.

선미 제어면(4,5)과 결합된 중심에 구성된 제 1 제어핀(3)이 선박의 피치(pitch)를 제어할 수 있고(선박이 초동파(head wave)에 대해 이동될 때), 후방 제어핀(4,5)과 결합된 수직으로 힌지구성된 전향 제어핀(6)은 선박의 롤(roll)운동을 제어할 수 있다(파는 측면으로부터 접근한다).

포일 아암(1,2)은 연장부를 따라 일정 또는 가변 코드(chord) 길이를 가지고 성형될 수 있다. 상기 경우에 코드 길이는 선박의 종방향으로 단면 길이를 의미하도록 형성된다. 포일 아암(1,2)은 수평면에 대하여 일정한 또는 유사하지 않은 영각을 가질 수 있다. 본 발명에 따르면 수직력을 제어하기 위한 제어면의 수는 3개 이상일 수 있으나, 항상 선박의 중심면(11)에 대해 거울대칭을 형성하는 수량 및 위치이어야 한다.

또한 포일 시스템의 제어핀은 상호 프로그램된 관계로 조절되고, 항해를 위한 요구사항 또는 파도에 의한 요구사항에 적용되어, 포일 시스템은 소요 수직력 및/또는 수평력을 형성할 것이다.

선체 및 포일 시스템 사이에서 수직 스트럿(3)의 수는 3(본 경우에서와 같이) 또는 임의의 다른 홀수 수량이고, 선박의 중심선에 대해 거울대칭을 형성하는 위치이다.

선체의 길이에 대한 포일의 연장

본 발명의 포일윙은 무게중심 및 선박 길이에 관련된 정확한 계산과 일치하게 선체에 장착된다. 선박이 평형상태에 도달되도록 포일의 종방향 연장은 선박의 길이에 적용되어야 한다. 포일 시스템의 종방향 길이(L_E) 및 선박 길이(L_S) 사이의 적합한 비율은 1/3 내지 4/5의 범위에 형성되나, 상기 비율이 4/5보다 큰 상황이 형성될 수 있다. 특히 바람직한 것은 1/2 내지 3/4 사이의 길이 비율이다.

도 1 의 선체 구조(20)에 장착된 상부구조(42)를 가진 수중익(hydrofoil) 선박(40)의 측면도가 도 3 에 도시되어 있다. 본 발명의 포일 설계는 선박에 실시된다. 포일은 각각 스트럿(8,9) 사이의 또한 스트럿(8,7) 사이의 각 포일 아암에서 여분의 중앙 스트럿(21)으로 구성된다. 선박이 정지되어 있을 때, 선박의 중량은 수선(waterline)(44) 아래에 구성된 선체로부터의 유체정력학적 힘에 의해 지지된다. 선박이 일정 속도로 작동될 때, 선체는 수면 위로 부상된다. 스트럿 및 수평 포일만이 물속에 잠겨지고, 선박의 중량은 단일 포일로부터의 동적힘에 의해 전적으로 지지된다. 상기 상황에 대한 수선(46)이 도시되어 있다.

Claims (12)

1. 포일 시스템은 일정 속도에서 선박의 전중량을 들어올리고 지지하며, 다수의 조절가능한 제어핀/제어면(3-5), 선박 선체 및 포일 시스템 사이의 스트럿(7-9)과 제어핀/제어면을 조절하는 수단으로 구성되는, 수중익 선박용 포일 시스템 장치에 있어서,

   포일 시스템은 2개의 거울대칭 포일 아암(1,2)으로 구성되는 하나의 단일 수평 포일 몸체에 의해 형성되고, 상기 포일 아암(1,2)은 동일한 각도로 선미를 각 측면으로 연장시키며, 각의 전방 코너는 선박의 중심선(11)에 형성되고, 포일 아암은 선박의 종방향 중심선(11)과 동일한 각(12)으로 선미를 각 측면으로 연장시키는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 스트럿은 하나의 전향 스트럿(8)과 외측 스트럿(7,9)으로 구성되고, 상기 전향 스트럿(8)은 2개의 포일 아암(1,2) 사이의 코너(10)에서 선박의 중심선(11)에 구성되며, 상기 외측 스트럿(7,9)은 각 포일 아암의 선미 단부 또는 각 단부로부터의 일정 거리에 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 수평의 조절가능한 제어핀/제어면은 포일 시스템의 수직력을 조절하고, 상기 제어핀은 포일 시스템의 정점(10)에서 선박의 중심선에 중심설정되어 구성된 제 1 제어핀(3), 각 포일 아암(1,2)에서 측면에 구성된 제 2 제어면(4) 및 제 3 제어면(5)으로 구성되며, 2개의 제어핀은 선박의 종방향 중심선(11)에 대하여 상호 거울대칭되어 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 전향 스트럿(8)은 스트럿(8)에 수직으로 힌지식구성되는 제어핀(6)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 포일 아암은 연장부를 따라 일정 또는 가변 코드 길이를 가지고 성형되는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 포일 아암(1)은 수평면에 대하여 일정 또는 가변 영각을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 수직력을 조절하기 위한 다수의 제어면이 구성되고, 상기 제어면은 선박의 중심선에 대해 거울대칭인 것을 특징으로 하는 장치.
8. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 포일 시스템 및 선체 사이의 수직 스트럿의 수는 3 또는 임의의 다른 홀수 수량이고, 스트럿은 선박의 중심선에 대해 대칭구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 수직 제어핀이 구성되고, 상기 제어면은 선박의 중심선에 대해 대칭으로 임의의 스트럿에 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 날개의 종방향 연장부(L_E) 및 선박 길이(L_S) 사이의 비율은 1/3 내지 4/5의 범위, 특히 1/2 내지 3/4에 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 상기 항들 중 어느 한 항에 따른 포일 시스템의 이용에 있어서,

    선미 제어면(4,5)과 함께 전향 제어핀(3)은 선박의 피치를 제어하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 이용.
12. 상기 항들 중 어느 한 항에 따른 포일 시스템의 이용에 있어서,

    상응 수평 제어핀과 함께 수직으로 힌지구성된 제어면(6)은 선박의 수평력을 조절하도록 사용되는 것을 특징으로 하는 이용.