KR200475639Y1 - 선외 모듈형 액티브 러더 - Google Patents

Abstract

본 고안은 선외 모듈형 액티브 러더에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 워터 젯 선박의 선외 트랜섬에 모듈형으로 용이하게 설치할 수 있는 액티브 러더에 관한 것이다. 본 고안에 따르면, 액티브 러더가 선박의 외측에 설치되므로 그 설치 및 유지 보수 작업이 쉬우며, 러더 스톡의 설치를 위한 용접 작업이 유도관과 멀리 떨어진 위치에서 진행되므로 유도관의 열변형 현상을 줄일 수 있으며, 선저와 러더 블레이드 간의 간격이 커 공동현상이 발생할 위험이 적으며, 로프 및 와이어 등이 축계에 감겨 고착될 위험이 낮다. 또한, 워터 젯 선박의 해상 시운전에서 보침 성능이 부족한 것으로 판단되면, 추가적으로 선외 모듈형 액티브 러더를 장착함으로써 문제를 간단하게 해결할 수 있으며, 워터 젯과 같은 다른 장비나 선체에 변경 및 변형을 가해야 할 필요가 없다.

Description

선외 모듈형 액티브 러더{ACTIVE RUDDER}

본 고안은 선외 모듈형 액티브 러더에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 워터 젯 선박의 선외 트랜섬에 모듈형으로 용이하게 설치할 수 있는 액티브 러더에 관한 것이다.

일반적인 스크류 프로펠러(SCREW PROPELLER)는 고속운항 시 날개면에 캐비테이션이 과다하게 발생하여 추력이 감소하고 선체진동과 수중소음이 증가하므로 이를 해결하기 위한 차세대 추진장치로써 워터 젯(WATER-JET)이 등장하게 되었다.

이러한 워터 젯은 엔진과 연결된 펌프를 가동하여 선박 밑바닥에 있는 흡입구로부터 물을 빨아들인 후에 선박 내부에 설치된 유도관을 거쳐 노즐을 통해 가속된 물을 선박 뒤쪽으로 분사하면서 선박을 앞으로 밀어주는 힘(추력)을 발생시키게 된다.

워터 젯은 크게 임펠러(4), 주축(5), 유도관(6), 노즐(3), 디플렉터(2), 리버서(1)로 구성된다(도 1). 여기서 임펠러(4)는 물에 에너지를 주기 위한 날개를 가진 회전체, 주축(5)은 임펠러(4)에 동력을 전달하는 축, 유도관(6)은 흡입구에서 흡입한 물을 임펠러(4) 입구까지 유도하는 부분, 노즐(3)은 임펠러(4)에 의하여 추력이 생긴 물을 분출시키는 부분, 디플렉터(2)는 노즐(3)에서 분출된 물의 방향을 좌우로 전향시킴으로써 선박의 진행방향을 조절하는 조향장치, 리버서(1)는 노즐(3)에서 분출된 물의 방향을 선박의 전진과 반대방향으로 전향시킴으로써 선박을 후진시키는 장치를 말한다.

그런데, 워터 젯은 상기와 같은 장점이 있는 반면에 다음과 같은 단점 또한 있어 문제가 된다. 즉, 워터 젯 선박의 경우 노즐(3)과 디플렉터(2) 사이의 기구적인 간극이 있어 디플렉터(2)를 편향시키더라도 임계각도 이전까지는 조타력이 발생하지 않기 때문에 조타력 발생의 시간 지연의 문제가 있어 보침(COURSE KEEPING) 성능이 떨어지며, 선회 시에는 디플렉터(2)를 임계각도 이상으로 편향시킴에 따라 워터 젯의 선박 전진방향 추력이 편향된 각도 성분만큼 감소되어 선회속도가 급격히 떨어지는 문제가 있는 것이다. 이러한 문제점들은 고속의 경우에 더욱 심각한 문제로 대두된다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 종래에는 선박의 선미 선저부에 고정핀(FIXED FIN)을 설치하거나, 선미부 내측(내부 공간)에 액티브 러더(ACTIVE RUDDER)를 설치(이하, 이를 ‘선내 액티브 러더’라고 함)하였다.

고정핀이 선미 선저부에 설치되면 선저 하부의 유체 유동흐름이 정류되므로 선박의 직진 성능이 개선되는 면은 있지만, 고정핀의 각도가 고정되어 있으므로 고정핀에 작용하는 양력(LIFT)을 이용한 보다 효과적인 선박의 보침 성능 개선은 불가능하다.

선내 액티브 러더는 도 2에서 보는 것처럼 러더 블레이드가 선박의 선미부 선저에 돌출하여 나오고 기타 러더 블레이드를 구동시키기 위한 구동부는 선박 내부에 설치되어 있는 것을 말한다. 선내 액티브 러더의 러더 블레이드는 선박의 좌현 및 우현에 각각 1개씩 설치되며 상호간의 각도 조절을 통하여 선박의 보침 성능을 일정하게 유지하고 선회 시 선박이 워터 젯을 사용하면서도 선회속도가 급격히 떨어지지 않도록 제어한다.

그런데, 이러한 선내 액티브 러더는 선박의 추진기 실 내부에 설치되어 유지 보수가 쉽고, 구동부가 해수와 접촉되지 않으므로 부식 우려가 적다는 장점이 있는 반면에 다음과 같은 단점 또한 있어 문제가 된다.

즉, 선내 액티브 러더는 워터 젯 사이의 좁은 공간에 설치되므로 그 설치 및 유지 보수 작업이 어려우며, 러더 스톡의 관통을 위해 헐 어댑터(HULL ADAPTOR)를 선저에 용접하는 경우 인근 유도관에 열변형을 줄 수 있으며(도 3), 선저와 러더 블레이드 간의 간격이 좁아 공동현상이 발생할 위험이 크며(도 4), 로프 및 와이어 등이 축계에 감겨 고착될 위험이 높다(도 5).

또한, 선내 액티브 러더는 러더 블레이드가 선박의 선미 선저부에 장착되고 유압 장치를 포함한 구동부가 선미측 선내에 설치되어 구동부 링크시스템이 선미 선저부를 관통하는 복잡한 구조로 되어 있어 장비의 최초 설치나 유지보수 및 철거가 용이하지 않은 문제점이 있다.

한편, 선박의 보침 성능은 설계단계에서 이론적으로 판단하기가 어렵고 모형을 만들어 시험기관에서 조종시험을 수행해야 정확한 평가가 가능하다. 그러나 워터 젯 선박의 제작 시 모형을 이용한 조종시험 수행이 생략되는 경우도 있고 모형시험을 실시했다고 하더라도 모형시험의 결과와 실선의 결과가 상이하여 모형시험에서는 보침 성능에 문제가 없는 것으로 추정되더라도 실물 스케일의 선박에서는 보침 성능이 확보되지 않는 경우도 있다. 따라서 선박 해상 시운전에서 보침 성능이 부족한 것으로 판단되면 추가적으로 액티브 러더를 장착할 필요가 발생하지만, 종래의 선내 액티브 러더는 추가 장착이 용이하지 않아 워터 젯과 같은 다른 장비나 선체에 변경 및 변형을 가하여야 하는 번거로움이 생긴다.

보트의 워터 젯 추진 장치(특허출원 제10-2004-7006566호)

본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 워터 젯 선박의 선외 트랜섬에 모듈형으로 간편하게 설치할 수 있는 액티브 러더를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 고안은,

워터 젯 선박의 트랜섬에 모듈형으로 설치되는 것으로,

선외 트랜섬 상부의 좌현 및 우현에 각각 1개씩 설치되는 박스형의 구동부 블록;

상기 구동부 블록의 내부에 설치되며, 유압에 의하여 작동하면서 하부에 연결된 러더 스톡을 회전 구동시키는 구동부;

선외 트랜섬에 설치되며, 상부 끝단은 상기 구동부와 연결되고 상부 끝단으로부터 수직 하방으로 연장된 하부 끝단은 러더 블레이드와 연결되며, 상기 구동부에 의하여 회전하면서 상기 러더 블레이드를 동일한 각도로 회전시키는 러더 스톡;

선외 트랜섬에 설치되며, 상기 러더 스톡의 상하 둘 이상의 지점에 설치되어 상기 러더 스톡을 트랜섬에 대하여 지지하는 스트럿;

상기 러더 스톡의 하부 끝단에 연결되어 상기 러더 스톡과 동일한 각도로 회전하되, 워터 젯 선박의 최대 속도 운항 시에도 직진 안정성을 확보할 수 있는 최소 면적을 갖는 한편, 워터 젯의 디플렉터를 중립위치에 두어 자체의 회전으로도 조타가 가능하도록 하는 면적을 갖는 러더 블레이드; 및

선내 트랜섬에 설치되며, 상기 구동부와 전기적으로 연결되어 상기 구동부의 작동을 제어하는 제어판넬;

을 포함하는 선외 모듈형 액티브 러더를 제공한다.

본 고안에 따르면, 액티브 러더가 선박의 외측에 설치되므로 그 설치 및 유지 보수 작업이 쉬우며, 러더 스톡의 설치를 위한 용접 작업이 유도관과 멀리 떨어진 위치에서 진행되므로 유도관의 열변형 현상을 줄일 수 있으며, 선저와 러더 블레이드 간의 간격이 커 공동현상이 발생할 위험이 적으며, 로프 및 와이어 등이 축계에 감겨 고착될 위험이 낮다.

도 1은 일반적인 워터 젯의 전체적인 구성.
도 2는 종래의 선내 액티브 러더와 본 고안에 따른 선외 모듈형 액티브 러더의 설치 위치 비교.
도 3은 종래의 선내 액티브 러더에서 발생하는 열변형의 문제.
도 4는 종래의 선내 액티브 러더에서 발생하는 공동현상의 문제.
도 5는 종래의 선내 액티브 러더에서 발생하는 로프 걸림 현상의 문제.
도 6은 본 고안에 따른 선외 모듈형 액티브 러더의 전체적인 설치 모습 및 구성(사시도).
도 7은 본 고안에 따른 선외 모듈형 액티브 러더의 전체적인 설치 모습 및 구성(측면도).

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 고안에 대하여 상세히 설명한다. 본 고안을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 고안의 상세한 설명에 앞서, 본 고안의 핵심은 액티브 러더를 모듈형으로 구성함으로써 워터 젯 선박이 건조되고 난 이후에 사후적으로 선박의 외측에 액티브 러더를 설치하는 것이 매우 용이하게 되도록 하였다는 점에 있음을 우선 밝혀 둔다.

여기서, ‘모듈형’이라 함은 액티브 러더를 구동하기 위한 여러 장치요소들, 즉 구동부 블록(10), 구동부(20), 러더 스톡(30), 스트럿(40), 러더 블레이드(50) 및 제어판넬(60)을 하나의 분할된 집합 개념으로 묶어 이를 워터 젯 선박의 외측에 설치할 수 있도록 구성한 것을 의미한다.

도 2는 종래의 선내 액티브 러더와 본 고안에 따른 선외 모듈형 액티브 러더의 설치 위치를 비교한 도면이며, 도 6은 본 고안에 따른 선외 모듈형 액티브 러더의 전체적인 설치 모습 및 구성을 보여주는 도면이다.

본 고안은 워터 젯 선박의 최대 속도 운항 시에도 직진 안정성을 확보할 수 있고, 워터 젯의 디플렉터를 중립위치에 두어 좌현 및 우현의 러더 블레이드의 회전으로도 조타가 가능하도록 하는 최적의 액티브 러더를 선외 트랜섬에 모듈형으로 용이하게 설치하는 것을 설계의 목표로 한다. 이 경우, 기 설치된 워터 젯을 변경하거나 기타 장비를 추가로 장착하는 것은 고려하지 않는다.

이러한 목표를 달성하기 위한 본 고안은, 구동부 블록(DRIVE UNIT BLOCK)(10), 구동부(DRIVE UNIT)(20), 러더 스톡(RUDDER STOCK)(30), 스트럿(STRUT)(40), 러더 블레이드(RUDDER BLADE)(50) 및 제어판넬(CONTROL PANEL)(60)을 포함하여 이루어지는 선외 모듈형 액티브 러더를 제공하는바, 이 경우 제어판넬(60)을 제외한 나머지는 모두 워터 젯 선박의 선외 트랜섬(70)에 설치된다. 이하, 본 고안의 구성요소 별 기능 및 작용에 대하여 설명한다.

구동부 블록(10)은 모듈형으로 구성되어 선외 트랜섬(70) 상부의 좌현 및 우현에 각각 1개씩 설치되며 박스형의 내부 공간으로는 구동부(20)가 설치된다. 구동부(20)는 구동부 블록(10)의 내부에 설치되며, 유압에 의하여 작동하면서 하부에 연결된 러더 스톡(30)을 회전 구동시킨다. 이 경우, 구동부(20)에는 EHA(ELECTRIC HYDRAULIC ACTUATOR)(90)를 적용하여 최소 부피 및 중량이 되도록 하는 것이 바람직하다.

러더 스톡(30)은 선외 트랜섬(70)에 설치되며, 상부 끝단은 구동부(20)와 연결되고 상부 끝단으로부터 수직 하방으로 연장된 하부 끝단은 러더 블레이드(50)와 연결되며, 구동부(20)에 의하여 회전하면서 러더 블레이드(50)를 동일한 각도로 회전시키는 역할을 한다. 스트럿(40)은 선외 트랜섬(70)에 설치되며, 러더 스톡(30)의 상하 둘 이상의 지점에 설치되어 러더 스톡(30)을 트랜섬(70)에 대하여 지지한다.

러더 블레이드(50)는 러더 스톡(30)의 하부 끝단에 연결되어 러더 스톡(30)과 동일한 각도로 회전한다. 이 경우, 러더 블레이드(50)는 워터 젯 선박의 최대 속도 운항 시에도 직진 안정성을 확보할 수 있는 최소 면적을 갖는 한편, 워터 젯의 디플렉터를 중립위치에 두어 좌현 및 우현의 러더 블레이드의 회전으로도 조타가 가능하도록 하는 면적을 갖는다. 또한 러더 블레이드(50)는 해수 중의 로프 및 와이어 등이 러더 블레이드(50)에 걸려 감기지 않도록 트랜섬(70)에서 적합한 거리(도 7의 “L”)를 두어 배치한다. 만약, 선박의 좌우현에 고정핀이 기 설치되어 있는 경우에는 고정핀을 제거하고 러더 블레이드(50)를 설치하되, 이 경우 러더 블레이드(50)의 면적은 고정핀의 면적과 유사하게 설계하는 것이 바람직하다.

제어판넬(60)은 선내 트랜섬(70)에 설치되며, 구동부(20)와 전기적으로 연결되어 구동부(20)의 작동을 제어하는 작용을 한다. 제어판넬(60)을 선내 트랜섬(70)에 설치한 것은 제어판넬(60)이 전기적 작용에 따라 미세하게 작동하여야 하는 만큼 이를 선내에 설치함으로써 외부의 간섭이나 충격을 배제하고 조작, 유지 및 보수가 용이하도록 하기 위함이다.

이하에서는, 본 고안에 따른 선외 모듈형 액티브 러더의 제어 개념에 대하여 상세히 설명한다.

조타 모드( FOLLOWING STEERING MODE )

제어판넬(60)은 자이로콤파스(GYROCOMPASS)로부터는 헤딩(HEADING) 각도를 전달 받고, 오토 파일럿(AUTO PILOT)으로부터는 핸드 스티어링 온(HAND STEERING ON) 신호, 스티어링 커맨드(STEERING COMMAND) 그리고 선속(SHIP SPEED) 신호를 전달 받아 보침조건(조타 중립 위치에서 좌현 또는 우현 쪽으로 일정 각도를 벗어나지 않으면서 일정 시간 동안 조타 중립위치가 유지되는 경우)인지를 판단하여 조건이 만족되지 않으면 본 고안에 따른 선외 모듈형 액티브 러더를 조타 모드로 구동한다.

이 경우 제어판넬(60)은 오토 파일럿으로부터 전달받은 스티어링 커맨드(4mA~20mA) 값을 그대로 추종하여 본 고안에 따른 선외 모듈형 액티브 러더를 제어한다.

보침 모드( COURSE KEEPING MODE )

제어판넬(60)은 자이로콤파스로부터는 헤딩 각도를 전달 받고, 오토 파일럿으로부터는 핸드 스티어링 온 신호, 스티어링 커맨드 그리고 선속 신호를 전달 받아 보침조건(조타 중립 위치에서 좌현 또는 우현 쪽으로 일정 각도를 벗어나지 않으면서 일정 시간 동안 조타 중립위치가 유지되는 경우)인지를 판단하여 조건이 만족되면 본 고안에 따른 선외 모듈형 액티브 러더를 보침 모드로 구동한다.

이 경우 제어판넬(60)은 오토 파일럿으로부터 전달받은 스티어링 커맨드(4mA~20mA) 값은 무시하고 제어판넬(60)에서 모든 제어를 관장한다. 즉, 제어판넬(60)은 자이로콤파스로부터 받은 헤딩 각도와 피드백 센서로부터 전달받은 러더 블레이드(50) 각도를 비교 연산하여 헤딩 각도가 중립 위치를 유지하도록 지속적으로 러더 블레이드(50) 각도를 제어하여 안정적인 운항이 되도록 한다. 만약 보침 모드로 운항 중에 보침조건을 벗어나면 즉시 본 고안에 따른 선외 모듈형 액티브 러더를 조타 모드로 변환하며, 마찬가지로 조타 모드로 운항 중에도 보침조건이 성립되면 즉시 본 고안에 따른 선외 모듈형 액티브 러더를 보침 모드로 변환한다.

본 고안에 따른 선외 모듈형 액티브 러더는 러더 블레이드(50)와 유압 장치를 포함한 구동부(20)가 선미측 선외에 설치되어 구동부(20) 링크시스템이 선미 트랜섬부를 관통할 필요가 없는 간단한 구조로 되어 있어, 최초 설치나 유지보수 및 철거가 매우 용이하다. 따라서 본 고안은 특히 최초 액티브 러더가 없이 제작된 워터 젯 선박에 사후적으로 액티브 러더를 설치하는 경우에 그 유용성이 보다 현저하게 드러난다.

또한, 본 고안에 따르면, 러더 스톡(30)의 설치를 위한 용접 작업이 유도관과 멀리 떨어진 위치에서 진행되므로 유도관의 열변형 현상을 줄일 수 있으며, 선저와 러더 블레이드(50) 간의 간격이 커 공동현상이 발생할 위험이 적으며, 로프 및 와이어 등이 축계에 감겨 고착될 위험이 낮다.

한편, 선박의 보침 성능은 설계단계에서 이론적으로 판단하기가 어렵고 모형을 만들어 시험기관에서 조종시험을 수행해야 정확한 평가가 가능하다. 그러나 워터 젯 선박의 제작 시 모형을 이용한 조종시험 수행이 생략되는 경우도 있고 모형시험을 실시했다고 하더라도 모형시험의 결과와 실선의 결과가 상이하여 모형시험에서는 보침 성능에 문제가 없는 것으로 추정되더라도 실물 스케일의 선박에서는 보침 성능이 확보되지 않는 경우도 있다. 따라서 선박 해상 시운전에서 보침 성능이 부족한 것으로 판단되면, 본 고안의 경우 추가적으로 선외 모듈형 액티브 러더를 장착함으로써 문제를 간단하게 해결할 수 있으며, 워터 젯과 같은 다른 장비나 선체에 변경 및 변형을 가해야 할 필요가 없다.

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.

10 : 구동부 블록 20 : 구동부
30 : 러더 스톡 40 : 스트럿
50 : 러더 블레이드 60 : 제어판넬
70 : 트랜섬 80 : 워터 젯
90 : EHA

Claims (3)

1. 액티브 러더를 구동하기 위한 구동부 블록(10), 구동부(20), 러더 스톡(30), 스트럿(40), 러더 블레이드(50) 및 제어판넬(60)을 하나의 분할된 집합 개념으로 묶어 이를 워터 젯 선박의 트랜섬(70)에 모듈형으로 설치할 수 있도록 한, 선외 모듈형 액티브 러더로서,
   선외 트랜섬(70) 상부의 좌현 및 우현에 각각 1개씩 설치되는 박스형의 구동부 블록(10);
   상기 구동부 블록(10)의 내부에 설치되며, 유압에 의하여 작동하면서 하부에 연결된 러더 스톡(30)을 회전 구동시키는 구동부(20);
   선외 트랜섬(70)에 설치되며, 상부 끝단은 상기 구동부(20)와 연결되고 상부 끝단으로부터 수직 하방으로 연장된 하부 끝단은 러더 블레이드(50)와 연결되며, 상기 구동부(20)에 의하여 회전하면서 상기 러더 블레이드(50)를 동일한 각도로 회전시키는 러더 스톡(30);
   선외 트랜섬(70)에 설치되며, 상기 러더 스톡(30)의 상하 둘 이상의 지점에 설치되어 상기 러더 스톡(30)을 트랜섬(70)에 대하여 지지하는 스트럿(40);
   상기 러더 스톡(30)의 하부 끝단에 연결되어 상기 러더 스톡(30)과 동일한 각도로 회전하되, 워터 젯 선박의 최대 속도 운항 시에도 직진 안정성을 확보할 수 있는 최소 면적을 갖는 한편, 워터 젯의 디플렉터를 중립위치에 두어 자체의 회전으로도 조타가 가능하도록 하는 면적을 갖는 러더 블레이드(50); 및
   선내 트랜섬(70)에 설치되며, 상기 구동부(20)와 전기적으로 연결되어 상기 구동부(20)의 작동을 제어하는 제어판넬(60);
   을 포함하는, 선외 모듈형 액티브 러더.
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