KR200470109Y1 - 프로펠러 팁 보오텍스 캐비테이션 초생 속도 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 프로펠러 날개의 흡입면 상에서 프로펠러 회전방향으로 복수 개가 나열되며 흡입면 팁 보오텍스의 중심으로 질량물을 분출하는 흡입면 질량분출공; 프로펠러 날개의 압력면 상에서 프로펠러 회전방향으로 복수 개가 나열되며 압력면 팁 보오텍스의 중심으로 질량물을 분출하는 압력면 질량분출공; 상기 흡입면 질량분출공을 통한 질량물 분출을 제어하는 흡입면 질량분출공 제어밸브; 상기 압력면 질량분출공을 통한 질량물 분출을 제어하는 압력면 질량분출공 제어밸브; 공기보다 무거운 질량을 가지며 상기 흡입면 질량분출공 및 상기 압력면 질량분출공을 통하여 분출되는 질량물을 저장하는 질량저장탱크 및; 상기 흡입면 질량분출공 및 상기 압력면 질량분출공과 상기 질량저장탱크를 연결하며 상기 질량물의 이동통로가 되는 질량이동관;을 포함하는 프로펠러 팁 보오텍스 캐비테이션 초생 속도 제어 장치를 제공한다. 본 고안에 따르면 프로펠러 날개의 흡입면에 발생하는 흡입면 팁 보오텍스와 프로펠러 날개의 압력면에 발생하는 압력면 팁 보오텍스를 동시에 제어함으로써 팁 보오텍스 캐비테이션의 발생을 효과적으로 지연시키고 이에 따라 선박의 소음 및 진동을 최소한으로 낮출 수 있다.

Description

프로펠러 팁 보오텍스 캐비테이션 초생 속도 제어 장치{propeller tip vortex cavitation inception speed control device}

본 고안은 프로펠러 팁 보오텍스 캐비테이션 초생 속도 제어 장치에 관한 것이다.

물이 액체의 상태에서 기체의 상태로 바뀌는 과정은 두 가지 경로가 있다. 첫째는 물이 일정한 압력에서 온도의 상승으로 끓어 수증기가 되는 현상으로 이를 '비등(boiling)'이라고 하며, 둘째는 상온에서 주위압력이 포화증기압 이하로 강하되어 액체의 상태에서 기체의 상태로 바뀌는 현상으로 이를 '캐비테이션(공동현상, cavitation)'이라고 한다. 캐비테이션이란 문자 그대로 이해하면 물 속에 빈 공간(공동, cavity)이 생긴다는 뜻이다. 이렇게 부르는 것은 물과 수증기의 밀도의 비가 약 1000 : 1인 것을 감안할 때 공동의 내부는 역학적 관점에서 볼 때 상대적으로 빈 공간이라고 부를 수 있기 때문이다.

베르누이 방정식에 따라, 선박의 프로펠러 표면에서는 속도가 증가하면 압력이 감소하게 되며, 속도가 계속 증가하면 압력이 포화증기압 이하로 내려가게 되고 캐비테이션이 발생하게 된다. 현재 대부분의 선박은 그 추진 장치로 스크류 프로펠러를 사용하고 있다. 그러나 이러한 스크류 프로펠러가 고속으로 회전할 경우 프로펠러에 캐비테이션 즉, 선박 프로펠러 날개 주위의 압력이 증기압보다 낮아져서 날개 표면에 거품이 생기는 현상이 발생하게 된다.

선박 프로펠러에서는 날개 끝의 보오텍스에 의한 캐비테이션(팁 보오텍스 캐비테이션)이 가장 먼저 발생하게 되며, 상기 팁 보오텍스 캐비테이션에 의해 발생한 캐비티가 후류로 이동할 경우 점차 압력이 상승하여 캐비티가 붕괴되는 현상이 발생한다. 이와 같이 캐비티가 붕괴되는 경우 높은 소음 및 진동이 수반되기 때문에 선박의 표면이 침식되고 성능이 저하되며 승선감이 떨어지는 문제가 발생한다. 따라서 이를 방지하기 위한 수단을 개발할 필요가 있다.

홈이 형성된 날개를 갖는 프로펠러(특허출원 제10-2004-0042102호)

본 고안은 프로펠러 날개의 흡입면에 발생하는 흡입면 팁 보오텍스와 프로펠러 날개의 압력면에 발생하는 압력면 팁 보오텍스를 동시에 제어할 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 고안은,

프로펠러 날개의 흡입면 상에서 프로펠러 회전방향으로 복수 개가 나열되며 흡입면 팁 보오텍스의 중심으로 질량물을 분출하는 흡입면 질량분출공;
프로펠러 날개의 압력면 상에서 프로펠러 회전방향으로 복수 개가 나열되며 압력면 팁 보오텍스의 중심으로 질량물을 분출하는 압력면 질량분출공;
공기보다 무거운 질량을 가지며 상기 흡입면 질량분출공 및 상기 압력면 질량분출공을 통하여 분출되는 질량물을 저장하는 질량저장탱크;
상기 흡입면 질량분출공 및 상기 압력면 질량분출공과 상기 질량저장탱크를 연결하여 상기 질량저장탱크에 저장된 질량물이 상기 흡입면 질량분출공 및 상기 압력면 질량분출공으로 향하는 이동통로가 되되, 두 갈래로 나뉘어져 상기 흡입면 질량분출공 및 상기 압력면 질량분출공과 각각 연결되는 질량이동관;
상기 흡입면 질량분출공과 연결되는 상기 질량이동관 상에 설치되며 상기 흡입면 질량분출공을 통한 질량물 분출을 제어하는 흡입면 질량분출공 제어밸브; 및
상기 압력면 질량분출공과 연결되는 상기 질량이동관 상에 설치되며 상기 압력면 질량분출공을 통한 질량물 분출을 제어하는 압력면 질량분출공 제어밸브;
를 포함하되,
상기 흡입면 질량분출공 제어밸브 및 상기 압력면 질량분출공 제어밸브는 각각 개별적으로 작동하여, 두 개의 서로 다른 위치에 있는 상기 흡입면 질량분출공 및 상기 압력면 질량분출공이 서로 같거나 다른 속도 또는 서로 같거나 다른 시각에 작동하도록 함으로써, 프로펠러 날개의 흡입면 팁 보오텍스와 압력면 팁 보오텍스를 동시다발적으로 모두 제어하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 팁 보오텍스 캐비테이션 초생 속도 제어 장치를 제공한다.

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본 고안에 따르면 프로펠러 날개의 흡입면에 발생하는 흡입면 팁 보오텍스와 프로펠러 날개의 압력면에 발생하는 압력면 팁 보오텍스를 동시에 제어함으로써 팁 보오텍스 캐비테이션의 발생을 효과적으로 지연시키고 이에 따라 선박의 소음 및 진동을 최소한으로 낮출 수 있다.

도 1은 본 고안의 바람직한 실시 예에 따른 프로펠러 팁 보오텍스 캐비테이션 초생 속도 제어 장치의 개요도.
도 2는 도 1의 “A”를 확대한 도면.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 고안에 대하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 고안을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 고안의 바람직한 실시 예에 따른 프로펠러 팁 보오텍스 캐비테이션 초생 속도 제어 장치의 개요도이며, 도 2는 도 1의 “A”를 확대한 도면이다.

고속으로 회전하는 프로펠러의 날개 끝에서 발생하는 팁 보오텍스 캐비테이션(tip vortex cavitation, TVC)을 제어하기 위해 선박 내에 설치된 파이프 라인을 통하여 공기보다 무거운 질량을 갖는 물 또는 혼합물 등(이하 '질량물'이라 함)을 팁 보오텍스 중심에 분사하는 방법이 사용되고 있다.

팁 보오텍스 주위에 새로운 회전 운동에너지가 공급되지 않는 한 보오텍스의 각운동량은 변화하지 않는다. 그러나 분사된 질량물이 팁 보오텍스와 합쳐지면 각운동량 보존법칙에 의해 질량물 공급을 받은 보오텍스의 회전속도가 감소하게 된다. 캐비테이션이 초기 발생하는 시점에 질량물이 보오텍스의 중심부에 공급되면 캐비테이션의 초기 발생을 지연시킬 수 있다.

팁 보오텍스 캐비테이션이라 하면 언뜻 한 개의 보오텍스를 생각하기 쉽다. 그러나 프로펠러 날개의 흡입면(suction side)과 압력면(pressure side)에는 팁 보오텍스 캐비테이션이 따로 나타나며, 프로펠러 날개의 흡입면에 발생하는 보오텍스 캐비테이션을 흡입면 팁 보오텍스(suction-side tip vortex, SSTV)라고 하며, 프로펠러 날개의 압력면에 발생하는 보오텍스 캐비테이션을 압력면 팁 보오텍스(pressure-side tip vortex, PSTV)라고 부른다.

흡입면 팁 보오텍스와 압력면 팁 보오텍스는 각각 다른 위치에서 서로 다른 시간에 발생하므로, 흡입면 팁 보오텍스와 압력면 팁 보오텍스를 모두 효과적으로 제어하기 위해서는 보오텍스에 질량물을 공급하기 위한 수단을 흡입면과 압력면에 각각 따로 구비하는 것이 바람직하다.

이에 본 고안은 프로펠러 날개(2)의 흡입면에 발생하는 흡입면 팁 보오텍스와 프로펠러 날개(2)의 압력면에 발생하는 압력면 팁 보오텍스를 동시에 제어함으로써 팁 보오텍스 캐비테이션의 발생을 효과적으로 지연시키고 이에 따라 선박의 소음 및 진동을 최소한으로 낮출 수 있는 장치를 제공하고자 하는바, 이러한 목적으로 달성하기 위한 본 고안은 도 1에서 보는 바와 같이 흡입면 질량분출공(4), 압력면 질량분출공(5), 흡입면 질량분출공 제어밸브(6), 압력면 질량분출공 제어밸브(7), 질량저장탱크(8) 및 질량이동관(9)을 포함하여 이루어진다.

흡입면 질량분출공(4)은 프로펠러 날개(2)의 흡입면 상에서 프로펠러 회전방향으로 복수 개가 나열된 일종의 배출구로서, 질량저장탱크(8)로부터 공급받은 질량물을 흡입면 팁 보오텍스의 중심으로 분사한다. 이때 흡입면 질량분출공(4)은 도 1에서 보는 바와 같이 프로펠러 날개(2)의 끝단 0.95R~1.0R 사이에 위치하는 것이 바람직하다. 이 경우 도 2에서 보는 바와 같이 흡입면 질량분출공(4)과 연결되는 질량이동관(9) 상에 설치된 흡입면 질량분출공 제어밸브(6)가 흡입면 질량분출공(4)을 통한 질량물 분출을 제어하는 역할을 한다.

압력면 질량분출공(5)은 프로펠러 날개(2)의 압력면 상에서 프로펠러 회전방향으로 복수 개가 나열된 일종의 배출구로서, 질량저장탱크(8)로부터 공급받은 질량물을 압력면 팁 보오텍스의 중심으로 분사한다. 이때 압력면 질량분출공(5)은 상술한 흡입면 질량분출공(4)의 경우와 마찬가지로 프로펠러 날개(2)의 끝단 0.95R~1.0R 사이에 위치하는 것이 바람직하다. 이 경우 도 2에서 보는 바와 같이 압력면 질량분출공(5)과 연결되는 질량이동관(9) 상에 설치된 압력면 질량분출공 제어밸브(7)가 압력면 질량분출공(5)을 통한 질량물 분출을 제어하는 역할을 한다.

질량저장탱크(8)는 흡입면 질량분출공(4) 및 압력면 질량분출공(5)을 통하여 분출되는 질량물을 저장한다. 질량이동관(9)은 흡입면 질량분출공(4) 및 압력면 질량분출공(5)과 질량저장탱크(8)를 연결하며 질량물의 이동통로로서의 역할을 한다. 이 경우 질량이동관(9)은 도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이 두 갈래로 나뉘어져 흡입면 질량분출공(4) 및 압력면 질량분출공(5)과 각각 연결된다. 그리고 질량이동관(9)의 임의의 지점에 위치한 펌프가 질량물을 질량저장탱크(8)로부터 흡입면 질량분출공(4) 및 압력면 질량분출공(5) 쪽으로 펌핑하게 된다. 한편 본 고안의 경우 질량이동관(9)은 도 1에서 보는 바와 같이 프로펠러 축(3) 및 프로펠러 날개(2) 내에 포함되는 것이 바람직하다.

상술한 흡입면 질량분출공 제어밸브(6) 및 압력면 질량분출공 제어밸브(7)는 각각 개별적으로 작동하므로, 본 고안에 따르면 두 개의 서로 다른 위치에서 서로 같거나 다른 속도 또는 서로 같거나 다른 시각에 작동하는 흡입면 질량분출공(4) 및 압력면 질량분출공(5)을 통하여 두 개의 서로 다른 팁 보오텍스, 즉 흡입면 팁 보오텍스와 압력면 팁 보오텍스를 동시다발적으로 모두 제어할 수 있다. 이에 따라 팁 보오텍스 캐비테이션의 발생이 효과적으로 지연되고 선박의 소음 및 진동 또한 최소한으로 감소하게 된다.

이상의 설명은 본 고안의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 고안이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 고안의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 고안에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 고안의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 고안의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 고안의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 고안의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 허브 2 : 프로펠러 날개
3 : 프로펠러 축 4 : 흡입면 질량분출공
5 : 압력면 질량분출공 6 : 흡입면 질량분출공 제어밸브
7 : 압력면 질량분출공 제어밸브 8 : 질량저장탱크
9 : 질량이동관

Claims (4)

1. 프로펠러 날개(2)의 흡입면 상에서 프로펠러 회전방향으로 복수 개가 나열되며 흡입면 팁 보오텍스의 중심으로 질량물을 분출하는 흡입면 질량분출공(4);
   프로펠러 날개(2)의 압력면 상에서 프로펠러 회전방향으로 복수 개가 나열되며 압력면 팁 보오텍스의 중심으로 질량물을 분출하는 압력면 질량분출공(5);
   공기보다 무거운 질량을 가지며 상기 흡입면 질량분출공(4) 및 상기 압력면 질량분출공(5)을 통하여 분출되는 질량물을 저장하는 질량저장탱크(8);
   상기 흡입면 질량분출공(4) 및 상기 압력면 질량분출공(5)과 상기 질량저장탱크(8)를 연결하여 상기 질량저장탱크(8)에 저장된 질량물이 상기 흡입면 질량분출공(4) 및 상기 압력면 질량분출공(5)으로 향하는 이동통로가 되되, 두 갈래로 나뉘어져 상기 흡입면 질량분출공(4) 및 상기 압력면 질량분출공(5)과 각각 연결되는 질량이동관(9);
   상기 흡입면 질량분출공(4)과 연결되는 상기 질량이동관(9) 상에 설치되며 상기 흡입면 질량분출공(4)을 통한 질량물 분출을 제어하는 흡입면 질량분출공 제어밸브(6); 및
   상기 압력면 질량분출공(5)과 연결되는 상기 질량이동관(9) 상에 설치되며 상기 압력면 질량분출공(5)을 통한 질량물 분출을 제어하는 압력면 질량분출공 제어밸브(7);
   를 포함하되,
   상기 흡입면 질량분출공 제어밸브(6) 및 상기 압력면 질량분출공 제어밸브(7)는 각각 개별적으로 작동하여, 두 개의 서로 다른 위치에 있는 상기 흡입면 질량분출공(4) 및 상기 압력면 질량분출공(5)이 서로 같거나 다른 속도 또는 서로 같거나 다른 시각에 작동하도록 함으로써, 프로펠러 날개(2)의 흡입면 팁 보오텍스와 압력면 팁 보오텍스를 동시다발적으로 모두 제어하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 팁 보오텍스 캐비테이션 초생 속도 제어 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 흡입면 질량분출공(4)은 프로펠러 날개(2)의 끝단 0.95R~1.0R 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 팁 보오텍스 캐비테이션 초생 속도 제어 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 압력면 질량분출공(5)은 프로펠러 날개(2)의 끝단 0.95R~1.0R 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 팁 보오텍스 캐비테이션 초생 속도 제어 장치.
4. 삭제

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