KR200399867Y1 - 선박 냉각수 배출수의 유동 제어 기구 - Google Patents

선박 냉각수 배출수의 유동 제어 기구 Download PDF

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Abstract

본 고안은 증기기관을 사용하는 LNG운반선의 기관실부 좌현 측면에 설치된 냉각수 배출구를 통해 배출되는 냉각수로 인해 발생되는 냉각수 배출구 후방의 유장 교란을 방지하여 선체의 진동을 줄이기 위한 것으로, 선박의 냉각수 배출구로부터 배출되는 냉각수에 의해 교란된 선미 유장을 제어하는 기구로서, 상기 기구는 상기 냉각수 배출구를 지나는 유선을 따라 상기 냉각수 배출구 전방 1스테이션 이내에 위치하는 삼각뿔의 형상이며, 상기 삼각뿔의 밑면인 이등변 삼각형의 밑변의 길이는 상기 냉각수 배출구 직경의 0.2 내지 0.3배, 밑면의 높이는 1.5 내지 1.7배, 삼각뿔의 꼭지점에서 밑면에 그은 수선의 길이는 0.6 내지 0.8배이고, 상기 밑면의 높이와 상기 유선이 이루는 각도는 10도 내지 15도인 것을 특징으로 하는 선미 유동 제어 기구를 제공한다.
본 고안에 의하면 프로펠러로 유입되는 반류의 분포를 선체 중심축에 대하여 대칭으로 회복시켜주고, 캐비티의 발생을 감소시켜 준다. 따라서, 선박의 진동성능이 향상되며, 추진효율 또한 향상된다.

Description

선박 냉각수 배출수의 유동 제어 기구{Flow control device of cooling water for ship}
본 고안은 증기기관을 사용하는 LNG운반선의 기관실부 좌현 측면에 설치된 냉각수 배출구를 통해 배출되는 냉각수로 인해 발생되는 냉각수 배출구 후방의 유장 교란을 방지하여 선체의 진동을 줄이기 위한 것이다.
종래의 LNG운반선은 화물창내의 액화천연가스가 기화하여 BOG(Boil off Gas)가 발생하게 된다. 이 BOG를 다시 액화시키기 위해서는 많은 비용이 요구되므로, 주기관으로 증기기관(Steam Turbine)을 사용하는 LNG운반선 화물창내에서 발생된 BOG를 연료로 사용한다. 터빈(Turbine)은 증기를 이용하는 것인데, 이 증기를 냉각시키기 위한 장치로 콘덴서 등이 필요하게 된다. 이 콘덴서를 냉각시키는 시스템으로 스쿠프 냉각방식(Scoop Cooling System)과 펌프 냉각방식(Pump cooling system)이 적용되고, 이 시스템 중 해수를 받아들이는 인렛부(냉각수 흡입구)와 아웃렛부(냉각수 배출구)가 각각 선체표면에 설치된다. 스쿠프 냉각방식은 립(lip)의 형태로 아웃렛부가 돌출되어 있으며, 펌프 냉각방식은 아웃렛부에 립이 형성되어 있지 않다.
이러한 냉각수 배출구는 LNG운반선의 기관실부 좌현 측면, 즉, 선체 후미에서 바라보았을 때 좌측에 그리고 선체 후미쪽에 위치한다. 상기 냉각수 배출구를 통해 냉각수가 배출되면 냉각수 배출구 후미의 유장은 교란되고, 상기와 같은 선체 후미 유장의 교란은 프로펠러로 유입되는 반류의 분포를 선체 중심축에 대하여 비대칭으로 변화시킨다. 프로펠러가 모형선이나 실선 뒤쪽에 위치하여 놓인 경우 프로펠러는 선체를 지나면서 교란되어진 유체 속에서 작동하게 되며 일반적으로 선미 주위의 유체는 배와 같은 방향인 앞쪽으로 흐르게 된다. 이와 같이 앞쪽으로 움직이는 유동을 반류라 한다.
이와 같은 불규칙한 반류의 분포는 프로펠러가 작동할 때 날개에 걸리는 하중을 불균일하게 해 주어 주기적인 힘과 모멘트를 주게 되며 나아가 선체진동의 원인이 된다. 배출수가 없는 경우와 비교하여 프로펠러 캐비테이션 발생을 크게하며 약 2배의 선체변동압력 증가로 나타난다. 캐비테이션(공동현상)이란 일정 온도에서 주위압력이 증기압 이하로 강하되어 액체의 상태에서 기체의 상태로 바뀌는 현상을 말한다.
이러한 선체변동압력의 증가는 선체 진동을 크게할 뿐만 아니라 선박의 추진성능을 저하시킨다.
본 고안은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 냉각수 배출구 전방에 위치하여 선미 유장의 교란을 방지함으로써 선체 진동을 감소시키고 선박의 추진 성능을 향상시키는 선미 유동 제어 기구를 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위해 본 고안은 선박의 냉각수 배출구로부터 배출되는 냉각수에 의해 교란된 선미 유장을 제어하는 기구로서, 상기 기구는 상기 냉각수 배출구를 지나는 유선을 따라 상기 냉각수 배출구 전방 1스테이션 이내에 위치하는 삼각뿔의 형상이며, 상기 삼각뿔의 밑면인 이등변 삼각형의 밑변의 길이는 상기 냉각수 배출구 직경의 0.2 내지 0.3배, 밑면의 높이는 1.5 내지 1.7배, 삼각뿔의 꼭지점에서 밑면에 그은 수선의 길이는 0.6 내지 0.8배이고, 상기 밑면의 높이와 상기 유선이 이루는 각도는 10도 내지 15도인 것을 특징으로 하는 선미 유동 제어 기구를 제공한다. 상기 기구는 스쿠프 냉각방식 및 펌프 냉각방식 모두에 적용이 가능하며, 냉각수 배출구 전방에서 와류를 일으켜 배출된 냉각수가 선미 유장에 도달하지 않게 한다.
바람직하게는 상기 선미 유동 제어 기구는 냉각수 배출구를 지나는 유선을 따라 상기 냉각수 배출구 전방 0.8스테이션의 거리에 위치한다.
이하 본 발명의 실시예들이 도면을 참조하여 상세하게 설명될 것이다.
본 고안에 따른 냉각수 배출수의 유동제어 기구는 선박의 크기 및 냉각수 배출구의 직경에 따라 그 크기, 두께, 부착위치 등이 달라진다. 본 실시예가 부착된 선박의 길이는 270m이고, 상기 선박의 선미부에 형성된 냉각수 배출구의 직경은 1.8m이다. 여기서의 길이는 선수수선과 선미수선간의 거리(LBP)이다. 설계수선과 선수재의 앞면과의 교점을 지나고 설계수선에 연직으로 그은 선을 선수수선이라 하고, 선미수선이란 명확한 타주(rudder post)를 가지는 선박에서는 타주의 뒷면과 설계수선과의 교점을 지나는 연직선이며, 그렇지 않은 선박에서는 타두재(rudder stock)의 중심선과 설계수선과의 교점을 지나는 연직선이다.
도 1은 본 고안에 따른 선미 유동 제어 기구의 일 실시예가 부착된 선박의 사시도이다. 도 1에서 알 수 있듯이, 선미부 뒤쪽에는 선박을 추진시키는 프로펠러(200)가 있다. 상기 프로펠러의 앞쪽에는 냉각수 배출구(202)가 있고, 상기 냉각수 배출구(202)의 앞쪽 반원부위에는 립 형상의 부가물(204)이 부착되어 있으며, 상기 냉각수 배출구(202)의 전방에는 본 고안에 따른 선미 유동 제어 기구(206)가 부착되어 있다.
상기 선미 유동 제어 기구(206)는 유선(stresmline)(208)을 따라 상기 냉각수 배출구(202)로부터 0.8스테이션(station)의 거리만큼 상기 냉각수 배출구(202)전방에 부착된다. 스테이션이란 상기 LBP를 20개의 동일 구간으로 분리한 후 각각의 구간간의 경계를 칭하는 말이다. 선수부에서부터 번호가 부여되고 첫번째 스테이션의 번호는 0번, 마지막 스테이션의 번호는 20번이다. 본 실시예에서는 스테이션간의 거리가 13.5m에 해당되므로 0.8스테이션은 10.8m(13.5*0.8)가 된다. 상기 선미 유동 제어 기구(206)는 용접 등의 방법을 통해 냉각수 배출구(202) 전방에 부착된다.
도 2는 도 1에 도시된 실시예를 도시한 사시도이다.
상기 선미 유동 제어 기구(206)는 삼각뿔의 형상이다. 상기 삼각뿔의 밑면은 이등변 삼각형인데, 상기 밑면의 밑변(L)의 길이는 0.46m, 상기 밑면의 높이(H1)는 2.87m이다. 상기 밑면과 마주보는 삼각뿔의 꼭지점(이하 '삼각뿔의 꼭지점')에서 밑면에 그은 수선(이하 '삼각뿔의 높이')(H2)의 길이는 1.26m이다. 상기 선미 유동 제어 기구(206)는 상기 이등변 삼각형의 밑변(L)과 마주보는 꼭지점과 상기 삼각뿔의 꼭지점을 이은 변(S)이 유선을 가르도록 위치한다. 즉 이등변 삼각형의 밑변(L)과 마주보는 꼭지점이 선수부쪽에, 상기 밑변(L)이 선미부쪽에 위치한다. 상기 삼각뿔의 밑면의 높이(H1)와 상기 유선이 이루는 각도는 14도이다.
상기 선미 유동 제어 기구(206)는 상기 냉각수 배출구(202) 전방에서 와류를 일으킨다. 그리고, 상기 와류는 상기 선미 유동 제어 기구(206)를 달기 전 상기 냉각수의 이동로로부터 상기 냉각수를 이탈시킨다. 즉, 상기 선미 유동 제어 기구(206)는 냉각수가 선미 유장에 도달하지 못하게 하여 프로펠러로 유입되는 반류의 분포를 선체 중심축에 대하여 대칭으로 변화시킨다.
도 3은 냉각수 배출이 없을 때 선미에서 바라본 프로펠러면 유속분포를 도시한 것이다. 이 경우에는 프로펠러로 유입되는 반류의 분포가 선체 중심축에 대하여 대칭인 것을 알 수 있다. 도 4는 냉각수 배출이 있을 때 선미에서 바라본 프로펠러면 유속분포를 도시한 것이다. 이 경우에는 프로펠러로 유입되는 반류의 분포가 선체 중심축에 대하여 비대칭인 것을 알 수 있다. 도 5는 도 1에 도시된 실시예가 부착되었을 경우 선미에서 바라본 프로펠러면 유속분포를 도시한 것이다. 이 경우에는 다시 프로펠러로 유입되는 반류의 분포가 선체 중심축에 대하여 대칭으로 회복된 것을 알 수 있다.
도 6은 냉각수 배출이 있을 경우와 없을 경우, 그리고 도 1에 도시된 실시예가 부착되었을 경우 각각에 대하여 캐비티의 단위부피를 도시한 것이다. 도 6에서 알 수 있듯이 캐비티의 단위부피는 상기 선미 유동 제어 기구(206)가 부착되지 않은 경우보다 최대 30%가 감소되었다.
본 실시예에서는 상기 선미 유동 제어 기구(206)가 스쿠프 냉각방식이 적용된 선박의 선미부에 설치되는 것으로 하였으나, 다른 실시예에서는 펌프 냉각방식(Pump cooling system)이 적용된 선박의 선미부에 설치되는 것으로 할 수 있다.
본 실시예에서 상기 선미 유동 제어 기구(206)는 냉각수 배출구(202)로부터 0.8스테이션의 거리 만큼 전방에 위치한다고 하였으나 다른 실시예에서 0.8스테이션 이내 또는 0.8스테이션 이상 1스테이션 이하에 위치시킬 수 있다. 이는 1스테이션보다 먼 거리에 위치하는 경우에는 선미 유동 제어의 효과가 감소되기 때문이다.
본 실시예에서 선미 유동 제어 기구(206)의 밑면의 밑변(L)의 길이를 0.46m, 밑면의 높이(H1)를 2.87m, 삼각뿔의 높이(H2)를 1.26m, 상기 밑면의 높이(H1)와 유선이 이루는 각도를 14도로 하였으나, 다른 실시예에서 밑변의 길이는 상기 냉각수 배출구 직경의 0.2 내지 0.3배의 범위 내에서, 밑면의 높이는 1.5 내지 1.7배의 범위 내에서, 삼각뿔의 높이(H2)는 0.6 내지 0.8배의 범위 내에서, 상기 밑면의 높이(H1)와 상기 유선이 이루는 각도는 10도 내지 15도의 범위 내에서 다르게 할 수 있다.
상기 밑면의 밑변(L)의 길이가 냉각수 배출구 직경의 0.3배를 초과하거나, 밑면의 높이(H1)가 1.5배 미만이거나, 삼각뿔의 높이(H2)가 0.8배를 초과하거나, 밑면의 높이(H1)와 유선이 이루는 각도가 15도를 초과하는 경우, 상기 선미 유동 제어 기구(206)에 걸리는 압력 저항(pressure drag)이 매우 커지게 되고, 밑면의 밑변(L)의 길이가 0.2배 미만이거나, 삼각뿔의 높이(H2)가 0.6배 미만이거나 밑면의 높이(H1)와 유선이 이루는 각도가 10도 미만인 경우, 와류 형성이 충분하지 않아 선미 유동 제어 효과가 감소하고, 밑면의 높이(H1)가 1.7배를 초과하는 경우, 선미 유동 제어 기구(206)의 표면과 유체가 접하는 면이 많아 마찰저항이 커지게 된다.
본 실시예에서는 상기 선미 유동 제어 기구(206)를 삼각뿔의 형상으로 하였으나, 다른 실시예에서는 사각뿔 또는 원뿔 등의 다른 형상으로 할 수 있다.
본 고안에 의하면 프로펠러로 유입되는 반류의 분포를 선체 중심축에 대하여 대칭으로 회복시켜주고, 캐비티의 발생을 감소시켜 준다. 따라서, 선박의 진동성능이 향상되며, 추진효율 또한 향상된다.
도 1은 본 고안에 따른 선미 유동 제어 기구의 일 실시예가 부착된 선박의 사시도이다
도 2는 도 1에 도시된 실시예를 도시한 사시도이다.
도 3은 냉각수 배출이 없을 때 선미에서 바라본 프로펠러면 유속분포를 도시한 것이다.
도 4는 냉각수 배출이 있을 때 선미에서 바라본 프로펠러면 유속분포를 도시한 것이다.
도 5는 도 1에 도시된 실시예가 부착되었을 경우 선미에서 바라본 프로펠러면 유속분포를 도시한 것이다.
도 6은 냉각수 배출이 있을 경우와 없을 경우, 그리고 도 1에 도시된 실시예가 부착되었을 경우 각각에 대하여 캐비티의 단위부피를 도시한 것이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
200 : 프로펠러 202 : 냉각수 배출구
204 : 립 형상의 부가물 206 : 선미 유동 제어 기구
208 : 유선(stream line)

Claims (2)

  1. 선박의 냉각수 배출구로부터 배출되는 냉각수에 의해 교란된 선미 유장을 제어하는 기구로서, 상기 기구는 상기 냉각수 배출구를 지나는 유선을 따라 상기 냉각수 배출구 전방 1스테이션 이내에 위치하는 삼각뿔의 형상이며, 상기 삼각뿔의 밑면인 이등변 삼각형의 밑변의 길이는 상기 냉각수 배출구 직경의 0.2 내지 0.3배, 밑면의 높이는 1.5 내지 1.7배, 삼각뿔의 꼭지점에서 밑면에 그은 수선의 길이는 0.6 내지 0.8배이고, 상기 밑면의 높이와 상기 유선이 이루는 각도는 10도 내지 15도인 것을 특징으로 하는 선미 유동 제어 기구.
  2. 제 1항에 있어서,
    냉각수 배출구를 지나는 유선을 따라 상기 냉각수 배출구 전방 0.8스테이션의 거리에 위치하는 것을 특징으로 하는 선미 유동 제어 기구.
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