KR200390914Y1 - 선박용 추력 날개 - Google Patents

Abstract

본 고안은 프로펠러 후방의 회전류로 인한 에너지 손실을 회수하여 추력으로 변환시키는 선박용 추력 날개(thrust fin)에 관한 것으로, 그 목적은 간단한 형상을 구비하고, 이를 통해 높은 추진 효율 향상을 가져오며, 설치가 편리하여 실선 적용이 용이함과 동시에, 이로 인해 추력 날개에 의해 추진력을 극대화시킬 수 있는 선박용 추력 날개를 제공하는 것이다.

본 고안은 선박의 추진 효율을 향상시키기 위하여 방향타에 부착되는 추력 날개에 있어서, 추력날개는 좌우 날개가 비대칭이고, 좌우 일체형으로 형성되어 선박의 방향타 전방에 부착되며, 상하 부착위치는 방향타의 형상과 유체역학적 특성을 고려하여 임의의 최적인 점을 선정하도록 되어 있다.

Description

선박용 추력 날개 {The Thrust Fin for Ships}

본 고안은 프로펠러 후방의 회전류로 인한 에너지 손실을 회수하여 추력으로 변환시키는 선박용 추력 날개(thrust fin)에 관한 것이다.

주지의 사실인 바와 같이 프로펠러는 회전함에 의하여 추력(thrust)을 발생하나 도 1 에서 볼 수 있는 바와 같이 프로펠러의 회전으로 인한 프로펠러 후방에는 회전류가 발생하게 된다. 그런데 이 회전류는 추력 발생과는 아무런 관련이 없고 단지 에너지 손실이 되므로 프로펠러 후방에서 야기되는 회전류로 인한 에너지 손실 중 상당량을 회수함으로써 추진효율을 현저히 향상시킬 수 있으며 추력 날개는 바로 이러한 장치중의 하나라고 할 수 있다.

선박용 추력 날개는 비행기 날개와 같은 양력(lift)을 선박의 진행 방향으로 발생시켜 선박의 추진효율을 향상시키는 장치를 말하며 프로펠러로 인하여 축방향 유속은 가속되는 동시에 회전류가 발생하는 프로펠러 후류에서 큰 양력, 즉 큰 추력을 발생할 수 있다. 따라서 추력 날개는 프로펠러 후방에 위치한 선박의 방향타(rudder)에 설치되는 것이 바람직하다.

그러나, 이 영역은 다른 영역에 비하여 프로펠러 회전으로 인한 복잡한 유동 특성을 가지고 있어 날개와 유체 흐름 사이의 각도, 즉 받음각(angle of attack)을 최적화시키는 것이 매우 어렵다.

선박 추진을 위하여 회전하는 프로펠러는 주위 유체를 가속시킨다. 이러한 가속 성분들 중에서 축 방향 성분은 추진력을 발생하지만, 회전 방향 성분은 추진력 발생에 아무런 도움을 주지 못할 뿐만 아니라 에너지의 손실만 가져오게 된다.

따라서 이러한 회전 방향 가속 성분의 손실 에너지를 회수하기 위하여 다양한 형상의 선미 부가물(additional device)들이 개발되어 오고 있으나, 대부분의 부가물들이 특정 선박 및 운항조건에서만 효율 개선이 있으며, 또한 복잡한 형상 등으로 설치 비용이 크게 증가하여 실선 적용 가능성이 희박한 상황이다.

그러나, 본 고안에서와 같이 선박의 방향타에 설치되는 선박용 추력날개는 간단한 형상으로도 높은 추진 효율 향상을 가져오고, 설치가 편리하여 실선에 적용하기가 용이하다. 이에 따라, 추력날개에 의해 추진력을 극대화시킬 수 있는 받음각의 최적화 방법은 본 고안자에 의하여 출원되었다.(특허 1988-0018041).

일반적으로 추력 날개는 프로펠러로 인하여 유체가 가속된 프로펠러 후류에서 큰 추력을 기대할 수 있기 때문에 도 2 에서와 같이, 선박의 방향타에 좌우로 별개의 날개를 가지는 형상으로 설치된다. 또한 프로펠러 후류는 선체의 영향으로 인하여 비대칭의 유동 특성을 가지며, 비대칭 유동 특성에 적합하게 날개의 좌우 형상을 비대칭으로 설계히야 발생 추력을 증대시킬 수 있다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 그 목적은 간단한 형상을 구비하고, 이를 통해 높은 추진 효율 향상을 가져오며, 설치가 편리하여 실선 적용이 용이함과 동시에, 이로 인해 추력 날개에 의해 추진력을 극대화시킬 수 있는 선박용 추력 날개를 제공하는 것이다.

도 3 은 본 고안에 의한 추력 날개의 형상을 보인 예시도를, 도 4 는 본 고안에 의한 추력 날개의 구조 강도 해석 예시도를, 도 5 는 본 고안에 의한 추력 날개 모형 형상 및 수치해석 모델링을, 도 6 은 본 고안에 의한 추력 날개를 부착한 모형선의 자항시험 광경을 보인 예시도를, 도 7 은 본 고안에서 개발된 추력 날개에 의한 추진 효율 변화 예시도를 도시한 것으로, 본 고안은 선박의 추진 효율을 향상시키기 위하여 방향타에 부착되는 추력 날개에 있어서, 좌우 날개는 비대칭이며, 좌우 일체형으로 제작되어 선박의 방향타 전방에 부착되고, 상하 부착위치는 방향타의 형상과 유체역학적 특성을 고려하여 임의의 최적인 점을 선정하도록 되어 있다.

즉, 본 고안은 실선 적용화를 위한 많은 실험과 연구를 통해서 얻어진 결과로서, 추진효율을 현저히 향상시킴은 물론, 제작 및 설치의 용이, 구조적 강도의 안정성 확보가 용이한 선박용 추력 날개의 형상과 부착위치에 대한 것이다.

프로펠러(30)의 회전으로 인하여 프로펠러 후방에서 발생하는 회전류(40)는 도 1 에서 볼 수 있는 바와 같이 프로펠러 중심을 지나는 수평면에서 볼 때 방향이 서로 반대가 되며 또한 선체에 의한 유동특성의 영향으로 인하여 방향타 좌우에서의 유동 특성은 비대칭이 된다. 따라서 추력 날개가 보다 많은 추력을 발생할 수 있도록 추력 날개도 좌우 비대칭 형상을 가지게 된다. 도 3 은 이와 같이 비대칭 특성을 갖고 있으며 방향타에 부착되어 추력을 발생하는 본 고안에 의한 추력 날개(20)의 형상을 보여주고 있다.

그러나 일반적으로 날개가 좌우로 각각 분리되어 부착되는 경우 외팔보 이론(cantilever theory)에서 알 수 있듯이 방향타(10)와의 연결 부위에서 가장 큰 응력(stress)이 발생하게 되며 이로 인하여 부착 위치 부근에 많은 보강을 필요로 하게 된다. 이에 따라, 본 고안에서는 날개를 일체형으로 제작함으로써 제작의 용이와 보다 튼튼한 구조 강도를 갖도록 하였으며, 도 4 에서와 같이 구조적 강도에 관한 수치 해석을 통하여 안정성을 확인하였다.

추력 날개는 프로펠러 후류에서 큰 추력을 발생시킬 수 있도록 방향타 전방에 위치하고, 선박의 방향타에 구비된 일정 홈에 삽입 설치함으로써 초기 설치뿐만 아니라, 예상치 못한 사고에 의한 날개 파손시에도 탈 부착이 매우 용이하도록 설계할 수 있다.

이하 본 고안을 실시예에 의해 설명하면 다음과 같다.

도 5 는 아래 실시 예에 따라 설계된 추력 날개가 방향타에 부착된 모습을 보여주고 있으며 도 6 은 추력 날개에 의한 효율향상을 확인하기 위한 모형선의 자항시험 광경을 보여주고 있다.

실시예

길이 (프로펠러 대비) 좌 : 우 = 약 0.5R_p : 0.4R_p (R_p : 프로펠러 반경)

최대폭 (프로펠러 대비) : 0.15R_p 를 구비하는 추력날개를 선박의 방향타에 적용하였으며(도 5 참조), 수직방향으로의 날개 부착위치에 다른 추진효율 향상율을 실험하였다.(도 6 참조)

본 연구를 통하여 개발된 추력 날개는, 도 7 에서와 같이, 중심축에 부착될 때 약 6%, 중심축에서 상방향으로 0.15R_p 의 위치에 부착될 때 약 4%, 그리고 중심축에서 상방향으로 0.3R_p 의 위치에 부착될 때 약 3%의 추진효율을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.

본 고안은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 고안의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

이와 같이, 본 고안에 의한 선박용 추력 날개는 제작 및 설치가 용이하고 선박의 추진효율을 향상시키므로 선박의 운항 경제성을 크게 향상시키는 효과가 있다.

도 1 은 시계방향으로 회전하는 프로펠러 반류안의 회전류 분포도

도 2 는 종래 기술에 의한 추력 날개의 예시도

도 3 은 본 고안에 의한 추력 날개의 형상을 보인 예시도

도 4 는 본 고안에 의한 추력 날개의 구조 강도 해석 예시도

도 5 는 본 고안에 의한 추력 날개 모형 형상 및 수치해석 모델링

도 6 은 본 고안에 의한 추력 날개를 부착한 모형선의 자항시험 광경을 보인 예시도

도 7 은 본 고안에서 개발된 추력 날개에 의한 추진 효율 변화 예시도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(10) : 선박 방향타 (20) : 추력날개

(30) : 프로펠러 (40) : 프로펠러 후방의 회전류

(50) : 프로펠러 반류 영역 (100) : 종래 부가물

Claims (2)

1. 선박의 추진 효율을 향상시키기 위하여 방향타에 부착되는 추력 날개에 있어서,

   상기 추력날개는 좌우 날개가 비대칭이고, 좌우 일체형으로 형성되어 선박의 방향타 전방에 부착되는 것을 특징으로 하는 선박용 추력 날개.
2. 제 1 항에 있어서;

   상기 추력날개의 상하 부착위치는 방향타의 형상과 유체역학적 특성을 고려하여 임의의 최적인 점을 선정하는 것을 특징으로하는 선박용 추력 날개.