KR200493217Y1 - 공진 회피 타입 전류고정날개 - Google Patents

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Abstract

본 고안은 전류고정날개에서 발생하는 캐비테이션을 감소시켜 추진효율을 증대시키며 전류고정날개 끝단에서 발생하는 캐비테이션으로부터 프로펠러의 손상을 방지할 수 있는 전류고정날개에 관한 것으로, 전류고정날개의 표면에 홈(dimple) 또는 혹(bump) 형상중 어느 하나의 형상이 형성되어 전류고정날개의 단면에서 발생하는 보오텍스 쉐딩을 교란시켜서 구조적인 공진에 의한 피로손상을 효과적으로 회피할 수 있다.

Description

공진 회피 타입 전류고정날개{RESONANCE AVOIDANCE TYPE PRE-SWIRL STATOR}
본 고안은 전류고정날개에서 발생하는 캐비테이션을 감소시켜 추진효율을 증대시키며 전류고정날개 끝단에서 발생하는 캐비테이션으로부터 프로펠러의 손상을 방지할 수 있는 전류고정날개에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 전류고정날개의 표면에 홈(dimple) 또는 혹(bump) 형상중 어느 하나의 형상이 형성되어 구조적인 공진(共振)에 의한 피로 손상을 효과적으로 회피할 수 있는 공진 회피 타입 전류고정날개에 관한 것이다.
일반적으로 선박의 프로펠러는 회전하면서 추진력을 발생하기 때문에 프로펠러의 후류에서 프로펠러의 회전방향에 대한 접선방향의 속도성분(tangential velocity)이 불가피하게 생성되고, 이러한 접선방향의 속도성분은 선체의 좌현(port)과 우현(starboard)에서 각각 상부를 향하게 된다. 이 결과, 프로펠러의 회전방향에 대한 접선방향의 속도성분은 선박의 추진 효율을 떨어뜨리는 원인으로 작용하게 된다.
이에 따라, 프로펠러의 후류에서 소실되는 프로펠러의 운동 에너지를 회수하기 위한 다양한 형태의 개선 방안이 제시되었는바, 그 중에서 프로펠러의 전방에서 프로펠러의 축 방향 중심선에 대해 방사상으로 전류고정날개(pre-swirl stator)를 설치하는 방안이 제시되었다.
전류고정날개는 주로 저속 비대선에 적용되어 선박의 속도 성능을 향상시키고자 적용하였는데, 전류고정날개는 프로펠러에 의해 유기되는 접선방향의 속도와 반대되는 방향의 접선방향 속도를 주기 위하여 프로펠러의 전방에서 고정날개의 형태로 설치됨으로써, 프로펠러의 후류에서 회전방향 운동에너지의 손실을 최소화하고, 이를 통해 선박의 추진효율을 향상시킬 수 있다.
도 1a는 전류고정날개에서 발생하는 보오텍스를 보인 것이고, 도 1b는 전류고정날개에서의 박리를 보인 도면으로서, 전류고정날개 후류에서 보오텍스가 발생하고, 그 보오텍스에 의해 전류고정날개의 박리를 유발하는 문제가 있다.
이는, 전류고정날개에서 발생하는 보오텍스의 주파수와 전류고정날개의 고유주파수의 영역이 일치하는 공진(共振)과 관련이 있다. 공진이 일어나면, 전류고정날개에 걸리는 하중이 수십 배에 이르며, 이는 전류고정날개의 크랙이 발생할 수 있는 큰 원인이 된다. 전류고정날개의 크랙(crack)이 심해지면, 전류고정날개가 절단되기도 하며, 이는 단순 마력 저감 효과를 잃는 것뿐 아니라 프로펠러 및 선체에 큰 손상을 입힐 수도 있다.
도 2는 종래 선박의 선미에 설치된 전류고정날개를 도시한 사시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 프로펠러(1)의 전방에 다수 개의 전류고정날개(3)가 설치되는바, 종래 전류고정날개(3)는 프로펠러(1)의 축 방향 중심선을 기준으로 선미에 방사상으로 배치된다.
그러나 종래에는 전류고정날개(3)의 구조 및 형상에 대하여 고려가 없어 저속 비대선에 적용시에는 큰 문제가 발생하지 않았으나, 액화천연가스 운반선이나 컨테이너선과 같이 저속 비대선에 비해 선속이 상대적으로 빠른 중/고속 선박에 전류고정날개(3)를 적용할 경우는, 선박의 속도 증가에 의해서 전류고정날개의 단면을 따라 흐르는 유체의 유체 역학적인 부하 증가로 인하여 전류고정날개(3)의 끝단 부에서 발생하는 보오텍스에 의해 캐비테이션(5)이 발생한다.
전류고정날개(3)의 끝단 부에서 발생한 캐비테이션에 의해서, 후류에서 회전하고 있는 프로펠러(1)의 날개 표면에 직접적인 영향을 주게 되어 프로펠러(1)의 표면 침식을 초래한다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여 국내 특허공개 공보 제10-2015-0145982호에는 선미부 전류고정날개가 개시되어 있다.
특허공개 공보 제10-2015-0145982호에 개시된 선미부 전류고정날개는, 프로펠러의 전방에 위치하며, 일단이 선미부에 고정되는 구성으로, 전류고정날개의 타단에 익형 구조의 복수 핀들이 전류고정날개의 선단에서 후단방향으로 간격을 두고 고정된다.
또한, 특허공개 공보 제10-2015-0132922호에 개시된 선미부 전류고정날개는, 프로펠러의 전방에 위치하며 일단이 선미부에 고정되는 구성으로, 전류고정날개의 타단에 전류고정날개의 양 측면을 관통하는 홀들이 간격을 두고 형성된다.
또한, 특허공개 공보 제2002-0066040호에 개시된 저속 비대선용 연직형 전류고정날개는, 상부 날개와 하부 날개로 각각 구분된다. 상부 날개의 외주 연에는 후미 하향으로 경사지게 상부 스트레이크가 돌출 설치되고, 하부 날개의 외주 연에는 후미 상향으로 경사지게 하부 스트레이크가 돌출 설치되어 구성된다.
그러나 특허공개 공보 제10-2015-0145982호 및 특허공개 공보 제10-2015-0132922호에 개시된 선미부 전류고정날개는, 전류고정날개 끝단에 부가물 또는 관통하는 홀을 설치하여 날개의 단부 효과에 의해 발생하는 보오텍스를 저감하는 구성이지만, 전류고정날개의 단면에서 발생하는 보오텍스 쉐딩(vortex shedding)에 의한 진동이 전류고정날개의 구조적 고유진동수와 공진을 일으켜서 피로손상을 초래하는 문제가 있다.
또한, 특허공개 공보 제2002-0066040호에 개시된 저속 비대선용 연직형 전류고정날개는, 전류고정날개 중간에 스트레이크를 설치하여 프로펠러 후류 회전에너지 손실을 회수하는 구성이지만, 전류고정날개의 단면에서 발생하는 보오텍스 쉐딩(vortex shedding)에 의한 진동이 전류고정날개의 구조적 고유진동수와 공진을 일으켜서 피로손상을 초래하는 문제가 있다.
국내 공개특허 제10-2015-0145982 국내 공개특허 제10-2015-0132922호 국내 공개특허 제10-2002-0066040호
선박 연료절감장치로 사용되고 있는 전류고정날개(pre-swirl stator)는 일부 선종(船種)에서 손상을 일으키는 문제가 있는바, 손상 원인 중 전류고정날개의 단면에서 발생하는 보오텍스 쉐딩(vortex shedding)에 의한 진동이 전류고정날개의 구조적 고유진동수와 공진(共振)을 일으켜서 피로손상을 초래하는 것으로 알려져 있다.
따라서 본 고안은 전류고정날개의 표면에 홈(dimple) 또는 혹(bump) 형상중 어느 하나의 형상이 형성되어 전류고정날개의 단면에서 발생하는 보오텍스 쉐딩을 교란시켜서 구조적 공진에 의한 피로손상을 회피할 수 있는 공진 회피 타입 전류고정날개를 제공함에 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 고안은 프로펠러의 전방에 위치하고, 프로펠러의 축 방향 중심선을 기준으로 선미(船尾)에 방사상으로 배치되는 전류고정날개로서, 상기 전류고정날개의 표면에 홈(dimple)(110) 또는 혹(bump)(210) 형상중 어느 하나의 형상이 형성된다.
상기 홈(dimple) 또는 혹(bump) 형상은 상기 전류고정날개의 단면에서 발생하는 보오텍스 쉐딩(vortex shedding)에 의한 진동이 상기 전류고정날개의 구조적 고유진동수와 공진(共振)을 일으키는 것을 방지한다.
상기 홈(dimple) 또는 혹(bump) 형상은 상기 전류고정날개의 길이방향으로 형성될 수 있다.
상기 홈(dimple) 또는 혹(bump) 형상은 상기 전류고정날개의 길이방향으로 따라 2열로 배치될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 고안은 전류고정날개의 표면에 홈(dimple) 또는 혹(bump) 형상중 어느 하나의 형상이 형성되어 전류고정날개의 단면에서 발생하는 보오텍스 쉐딩을 교란시켜서 구조적인 공진에 의한 피로손상을 효과적으로 회피할 수 있다.
도 1a는 전류고정날개에서 발생하는 보오텍스를 보인 도면
도 1b는 전류고정날개에서의 박리를 보인 도면
도 2는 종래 선박의 선미에 설치된 전류고정날개를 도시한 사시도
도 3은 본 고안의 제1 실시 예에 따른 공진 회피 타입 전류고정날개를 도시한 사시도
도 4는 본 고안의 제2 실시 예에 따른 공진 회피 타입 전류고정날개를 도시한 사시도
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 고안의 공진 회피 타입전류고정날개에 대하여 상세하게 설명한다.
종래의 전류고정날개는 끝단 부의 보오텍스 발생 제어 또는 프로펠러 후류 회전에너지 손실을 회수하는 역할을 하는 것이나, 본 고안의 전류고정날개는 기존 전류고정날개의 제원 및 설치 각도의 변화를 최소화하면서, 보오텍스를 변화시킬 수 있도록 전류고정날개의 표면에 홈(dimple) 또는 혹(bump)을 형성하여서, 기존 전류고정날개의 효율을 얻으면서, 공진을 회피할 수 있는 기술이다.
주지하는 바와 같이, 전류고정날개는 마력 저감을 위한 에너지 저감장치의 일종으로 널리 이용되고 있는데, 프로펠러 앞쪽에 설치되어 프로펠러로 들어오는 유입류에 변화를 주어 추진 효율을 높여주는 효과를 가져 온다.
하지만, 유동장 속에 있는 부가물의 특성상 전류고정날개 단면을 따라 유동의 박리가 일어나고, 이는 강한 보오텍스를 일으키게 된다(도 1a 및 도 1b 참조).
이러한 보오텍스의 주파수와 전류고정날개의 고유 진동수가 유사할 때 공진이 일어나게 되는데, 이러한 공진은 전류고정날개에 걸리는 하중을 수십 배에 이르게 한다. 이러한 비정상적인 하중에 대비하여 전류고정날개의 설계가 이루어지지는 않기 때문에, 이는 전류고정날개에 크랙을 발생시키게 된다.
이러한 문제를 회피하기 위해서는 보오텍스의 주파수와 전류고정날개의 고유 진동수를 어긋나게 하여야 한다.
전류고정날개의 고유 진동수는 전류고정날개의 전체적인 형상에 크게 의존하기 때문에, 큰 형상 및 재질 변화 없이는 바꿀 수가 없다. 각 전류고정날개 역시 추진 효율을 극대화하는 각도로 설치되기 때문에 움직임을 최소화하여야 한다.
본 고안에서는, 전류고정날개의 표면에서 박리가 일어나기 시작하는 부분에 홈(dimple: 110) 이나, 혹(bump: 210) 등을 형성할 수 있다.
이러한 홈( dimple: 110) 이나, 혹(bump: 210) 형상은 골프공의 홈(dimple) 이 난류를 촉진시켜서 유동장을 교란시키는 것처럼 기존의 보오텍스와는 전혀 다른 보오텍스를 일으키게 되고, 종전에 문제되었던 공진 주파수를 회피할 수 있게 되는 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 고안의 실시 예를 설명한다.
도 3은 본 고안의 제1 실시 예에 따른 전류고정날개를 도시한 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 고안의 제1 실시 예에 따른 전류고정날개(100)는, 프로펠러(1: 도 2 참조)의 전방에 위치하고, 프로펠러(1)의 축 방향 중심선을 기준으로 선미에 방사상으로 배치된다.
전류고정날개(100)의 표면에 홈(dimple)이 적어도 한 개 이상 형성된다. 홈(dimple)은 전류고정날개(100)의 길이방향으로 배치되고, 적어도 한 줄 이상으로 배열될 수 있다. 전류고정날개(100)의 표면에 홈(dimple)은 전류고정날개(100)의 단면에서 발생하는 보오텍스 쉐딩(vortex shedding)에 의한 진동이 전류고정날개(100)의 구조적 고유진동수와 공진(共振)을 일으키는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 본 고안의 제2 실시 예에 따른 전류고정날개를 도시한 사시도이다.
도 4를 참조하면, 본 고안의 제2 실시 예에 따른 전류고정날개(200)는, 표면에 혹(bump)이 적어도 한 개 이상 형성된다. 혹(bump)은 전류고정날개(100)의 길이방향으로 배치되고, 적어도 한 줄 이상으로 배열될 수 있다.
전류고정날개(100)의 표면에 혹(bump)은 전류고정날개(100)의 단면에서 발생하는 보오텍스 쉐딩(vortex shedding)에 의한 진동이 전류고정날개(100)의 구조적 고유진동수와 공진(共振)을 일으키는 것을 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 고안은 전류고정날개의 표면에 홈(dimple) 또는 혹(bump) 형상중 어느 하나의 형상이 형성되어 전류고정날개의 단면에서 발생하는 보오텍스 쉐딩을 교란시켜서 구조적인 공진에 의한 피로손상을 효과적으로 회피할 수 있다.
본 고안은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 고안의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 가능하다는 것이 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100,200: 전류고정날개
110: 홈(dimple)
210: 혹(bump)

Claims (4)

  1. 프로펠러(1)의 전방에 위치하고, 프로펠러(1)의 축 방향 중심선을 기준으로 선미에 방사상으로 배치되는 전류고정날개로서,
    상기 전류고정날개의 표면에 홈(dimple)(110) 또는 혹(bump)(210) 형상중 어느 하나의 형상이 적어도 한 개 이상으로 형성되고,
    상기 홈(dimple)(110) 또는 상기 혹(bump)(210) 형상은 상기 전류고정날개의 길이방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 공진 회피 타입 전류고정날개.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 홈(dimple)(110) 또는 혹(bump)(210) 형상은 상기 전류고정날개의 단면에서 발생하는 보오텍스 쉐딩(vortex shedding)에 의한 진동이 상기 전류고정날개의 구조적 고유진동수와 공진(共振)을 일으키는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 공진 회피 타입 전류고정날개.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 홈(dimple)(110) 또는 상기 혹(bump)(210) 형상은 상기 전류고정날개의 길이방향으로 따라 2열로 배치되는 것을 특징으로 하는 공진 회피 타입 전류고정날개.
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