KR20050018673A - 소형 워터제트 추진 및 조향 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조선업계에 관한 것이고 고속 선박, 기선 및 모터보트에 사용할 수 있다. 본 발명의 목적은 감소된 중량과 감소된 차원적 특성을 가지는 컴팩트한 워터제트 추진 엔진을 개발하는 것이다. 상기 발명은 또한 추진 엔진의 효율을 개선할 수 있게 하고, 그 제조가 용이하며 환경 문제를 해결할 수 있게 한다. 상기 목적은 슬롯형 출력부를 가진 노즐의 사이즈를 줄이고 물로 윤활하는 제한 플레이트와 베어링을 사용함으로써 달성된다. 본 발명의 워터제트 추진 및 조향 시스템은 유동 전달부, 허브 덮개가 제공되고 베어링을 가진 샤프트 상에 배열되는 수압 디바이스, 작동 휠의 허브 덮개를 노즐에 고정시키기 위한 프로파일형 지주를 가지는 직선화 디바이스 및 회전 디플렉터가 제공된 역진 디바이스를 포함한다. 상기 워터제트 추진 및 조향 시스템은 정진하는 중에 배가 상이한 속도로 이동할 수 있게 하는 반면에, 상기 배는 역진하게 되고 "멈춤" 위치에 놓이게 되며, 또한 모든 이동 형태 동안에 기동할 수 있다. 모형 시험에 따르면, 상기 발명은 워터제트 추진 및조향 시스템의 추진 특성을 5-10% 증가시킬 수 있게 하고, 역진 조향 유닛의 차원은 50-60% 감소되게 하고 워터제트 엔진의 중량은 10-20% 감소되게 할 수 있다.

Description

소형 워터제트 추진 및 조향 시스템{COMPACT WATER-JET PROPULSION AND STEERING SYSTEM}

본 발명은 조선 분야에 관한 것이며, 고속 배수량형선, 기정(汽艇) 및 모터 보트에 사용될 수 있는 것이다.

워터제트 이론을 실현하는 워터제트 추진체(waterjet propulsor)는 요즘 들어 광범위하게 사용되고 있는데, 특히 고속 정에서 더욱 그러하다. 덕트에서 물의 추진 제트를 발생시키기 위하여, 이러한 시스템은 수압 수두-발생 디바이스, 예를 들어, 샤프트와 날개판(vane)을 가지는 임펠러 펌프(유동-직선화 디바이스)를 사용한다. 선박의 기동을 위하여, 워터제트는 대체로 특별한 디플렉터(deflector)를 포함하는 역전-및-조향 기어(reversing-&-steering gear)로 끼워 맞추어진다.

미국 특허 번호 제 5,871,381호가 개시하는 워터제트는 임펠러에 의해 형성된 와류 유동을 직선화하기 위한 특별한 구성의 고정자(유동-직선화 디바이스)를 가진다. 이러한 디바이스의 일 단부에는 임펠러가 위치하는 반면에, 다른 단부에는 깔때기-형상 노즐이 위치한다. 상기 고정자의 실린더형 바디는 많은 유동 안내 날개판을 가진다.

본 발명에 대한 원형으로서 사용된 알려진 워터제트는 영국 특허 번호 제 1 332 787호에 개시되어 있다. 상기 특허의 역전-및-조향 기어의 구성은 일 위치로부터 이동하는 디플렉터를 포함하는데, 상기 일 위치에서 상기 디플렉터는 노즐로부터 분사된 제트가 이러한 디플렉터와 전용 채널이 점차 곡선화된 물의 유동을 생성하는 다른 위치로 향하는 것을 차단하지 않는다. 이러한 유동은 상이한 제트 출구 방향을 형성하여서, 선박의 기수를 돌리게 한다. 디플렉터 힌지 축은, 유동 방향이 매끄럽게 변하게 할 뿐만 아니라 상기 힌지 축에 가해지는 굽힘 하중도 감소시키는, 노즐 축으로부터 오프셋된다.

본 발명의 핵심은 두 개의 도면을 참조하여 설명된다.

도 1은 워터제트 추진-및-조향 복합 장치의 측면도를 나타내는 반면에,

도 2는 'A' 방향에서의 도시를 나타낸다.

본 발명의 주된 목적은 감소된 중량 및 사이즈 파라미터를 가지는 소형 워터제트 추진체를 제조하는 것이다. 게다가, 본 발명은 상기 추진체의 효율을 개선할 수 있고, 보다 제조가 용이하고 환경 보호 문제를 해결할 수 있다.

명기한 목적을 달성할 수 있게 하는 공학적인 결과는, 리미터 플레이트(limiter plate)를 사용하고 물-윤활 베어링을 사용함으로써, 노즐을 슬롯으로서 형성하여 노즐의 차원(dimension)을 감소시키는 것이다.

이러한 구조를 실현하기 위하여 제안된 추진-및-조향 복합 장치는, 턱트, 베어링을 가진 샤프트 상에 장착되는 허브 덮개(hub fairing)을 가진 수압 펌프, 임펠러 허브 덮개를 노즐과 회전 디플렉터를 가진 역전-및-조향 장치에 고정하는 프로파일 지주(profile strut)를 가진 유동-직선화 디바이스로 이루어진다.

이러한 디바이스의 독창적인 특징은 그 원형으로서 점차 좁아지는 노즐일 것이며 유동을 따라는 개별 부분에서의 그 단면은 수평방향에서 크게 연장된 형상을 가진다. 노즐의 높이 대 너비의 비율은 2 내지 10의 범위에 머물 것이다. 상기 덮개의 외부 단면은 개별 단면에서의 노즐의 내부 윤곽에 유사한 형상이다. 노즐 및 덮개의 벽은, 상기 덮개를 노즐 벽에 고정시키는 프로파일형 지주와 함께, 전체 추진체의 사이즈와 중량을 줄일 수 있는 유동-직선화 구조를 형성한다. 게다가, 평탄화된 제트는 디플렉터의 사이즈를 줄이고, 그에 따라서 역전-및-조향 기어 전체의 사이즈도 줄일 수 있다.

이러한 추진체의 역전-및-조향 기어에는 노즐의 상부 벽과 동일한 레벌에서 노즐의 바로 뒤에 수평방향으로 배열되는 리미터 플레이트가 설치된다. 회전 디플렉터의 내면은 이러한 플레이트와 하나가 된다. 게다가, 상기 기어에는, 전술한 플레이트 아래에 위치하고 작동 구동부를 가지는 적어도 두 개의 수직방향으로 대치 배열된 방향타가 제공된다. 수평방향 리미터 플레이트가 존재함으로써, 노즐의 뒤에 위치하는 방향타의 상부에서의 압력 손실을 방지하고, 그에 따라 특정 방향 각도에 따라 발생하는 측면 힘을 용이하게 증가시킬 수 있게 한다. 그 결과로서, 필요한 측면 힘을 생성하는 것은 더 작은 방향 각도 변화로도 가능하고, 그에 따라 추력의 손실이 줄어들고 방향타는 직선 코스 행진에 대해 보다 효과적이게 된다. 리미터 플레이트가 회전 디플렉터와 하나가 된다는 사실은 역전과 관련한 유체역학적 손실을 감소시키게 한다.

제안된 구성의 형태에 있어서 특정 사안에서는, 노즐 측벽은 전체 길이를 따라서 동일한 두 개의 실린더형 표면을 가지는 반면에, 상부 및 하부 벽의 각 단면은 달단 단편의 익형이다. 노즐 인입부의 원형 형상으로부터 출력 단부의 연장된 형상으로의 점진적인 변화는 출력부를 향한 절단 단부의 강하를 증가시킴으로써 달성된다. 이러한 구성은, 상부 및 하부 벽이 간단한 용접으로 부착될 수 있을 것이므로, 실린더형 블랭크의 노즐을 어떻게 만드느냐 하는 제조상의 문제를 해결한다.

본 구성의 특정 사안에서, 유동-직선화 디바이스가 오직 네 개의 프로파일형 지주를 가질 때, 상기 구성은 중량과 사이즈 파라미터에서의 감소뿐만 아니라 추친 효율을 감소시키는 유체역학적인 손실에 있어서의 감소도 제공한다. 후자의 특징은 노즐의 감소된 젖은 표면(wetted surface)과 유동-직선화 디바이스 시스템에 기한 것이고, 그에 따라 상기 구성은 추진 효율을 높일 수 있게 한다.

이러한 구성의 특정 사안에서, 디플렉터의 측벽이 관통 홀을 가질 때, 상기 구성은 또한 추진 중량 및 사이즈를 줄일 수 있게 하고 추가적으로 후진 조건 하에서 배의 기동성을 개선할 수 있다. 게다가, 디플렉터 측벽의 홀은 디플렉터가 그 역진 또는 '멈춤' 위치에 있는 동안에 방향타를 기울임으로써 제트를 측부로 지향시킬 수 있다. 제트 방향은 수평면에서 360°에 걸쳐서 변할 수 있고, 이로써 배는 광범위한 동작 조건 하에서 매우 높은 기동의 질을 갖게 된다.

이러한 구성의 특정 사안에서, 방향타가 바른-벽 쐐기로서 절개될 때, 상기 구성은 보다 나은 제조 용이성 및 중량 및 사이즈 특성의 감소를 달성할 수 있게 한다. 게다가, 방향타를 바른-벽 쐐기로서 형성하고 그에 따라 리미터 플레이트의 윤곽선 내에, 즉 노즐 뒤의 제트의 너비 내에 위치시킴으로써, 전형적인 유선부를 가지는 방향타의 타입인, 방향타 각도의 비효율적인 '사(死)' 구역을 제거할 수 있다.

이러한 구성의 특정 사안에서, 임펠러 샤프트의 꼬리 단부 베어링은 덮개 내부에 위치하는 반면에, 꼬리 단부 샤프트 베어링 중 하나는 축받이 블록으로 작용하고 다른 하나는 추력 블록으로 작용하는데, 상기 구성은 중량과 사이즈 특성을 감소시킬 수 있게 한다.

이러한 구성의 특정 사안에서, 임펠러 샤프트의 꼬리 단부의 베어링이 배 밖의 물로 윤활되고, 상기 구성은 배가 보다 환경 친화적이게 한다.

도 1 및 도 2에 도시된 워터제트 추진-및-조향 복합 장치는, 덕트(1), 덮개(3)와 허브(4)를 갖추고서 베어링(6)을 가진 샤프트(5) 상에 장착된 임펠러(2)로 구성된 수압 수두-발생 디바이스, 및 노즐(7)로서 이루어진다. 노즐 측벽(8)은 노즐의 인입부 단면과 동일한 직경을 가진 실린더 형상을 갖는다. 상부 및 하부 벽은 측면 상에 볼 때 곡면을 가지는데, 상기 곡면은, 노즐 축이 수평면 상에 있을 때 전면에 놓이는 길이방향 축을 가지는 두 개의 실린더의 면들에 의해 형성된다. 임펠러(2) 덮개(3)는 네 개의 프로파일형 지주(9)의 도움으로 노즐(7)의 벽에 고정되는데, 상기 지주(9)는 동시에 유동 안내 날개판으로도 작용한다. 덮개(3) 외부 윤곽의 단면은 동일한 단면에서의 노즐(7)의 내부 윤곽의 부분과 유사하고, 덮개(3) 및 프로파일형 지주(9)는 유동-직선화 디바이스로서 기능한다. 샤프트(5)의 꼬리 단부 상의 두 개의 베어링(6)은 덮개(3)의 내부에 위치하고 그 둘 중 하나는 추력 블록으로 구성되는 반면에 다른 하는 축받이 블록으로 구성된다. 양 베어링은 물로 윤활된다.

역전-및-조향 기어는, 수평 방향으로 위치하고 스트림을 따라 노즐 상부 벽의 일부를 형성하는 리미터 플레이트(10), 상기 리미터 플레이트(10)에 인접한 디플렉터(11) 및 액츄에이터(도면상으로는 미도시)를 가진 두 개의 대칭 배열된 방향타(12)로 이루어진다. 이러한 방향타(12)는 리미터 플레이트(10) 아래에 놓인다. 디플렉터(11)의 측벽은 관통공(13)을 가지는 반면에, 방향타(12)의 단면은 직선-벽 쐐기의 형상을 가진다.

워터제트 추진-및-조향 복합 장치는, 선박의 모든 작동 형태 하에서의 기동뿐만 아니라, 앞으로 나아가게 하고, 역진하게 하고, '멈춤' 위치를 제공한다. 상기 시스템은 다음과 같이 기능한다. 덕트(1)내로 유입된 물의 유동은 임펠러(2)를 통해 지나가는데, 상기 임펠러(2)는 샤프트(5)에 의해 구동된다. 유동은 노즐(7)의 프로파일형 지주(9)를 지나서 흐르는 동안에는 직선형이며, 평탄한 제트의 형태로서 노즐의 슬롯형 덕트로부터 분출되고, 동시에 수직 방향타(12) 및 리미터 플레이트(10)를 지나서 흐른다.

정진 조건 하에서, 회전 임펠러(2)를 통한 물 스트림의 통과는, 임펠러(2) 덮개(3) 내부에 장착되는 추력 및 축받이 블록(6)에 이해 취해지는, 추진체의 효율적인 정진 추력 및 임펠러 추력을 만들어 낸다. 작은 각도만큼 기울어진 방향타(12)를 거친 유동은 선박이 직선 코스로 나아가게 하는 반면에, 방향타(12)의 큰 각도에서는, 선박은 방향타 경사 방향에 따라 이측 또는 다른 측으로 회전한다.

선박의 항로를 반대로 하기 위하여, 디플렉터(11)는 아래 방향의 회전 축을 중심으로 회전한다. 그 결과로서, 디플렉터의 안내면은 노즐에서 나오는 제트를 점유하여 그를 차단하고 선박이 반대 방향으로 이동하게 한다. 이용할 수 있는 디플렉터의 세팅 중 하나는 '멈춤' 위치에 일치한다.

역진 및 '멈춤' 조건 하에서, 방향타(12)를 기울이는 것은, 제트가 관통홀(13)을 통과하여서 선박을 회전시키는 디플렉터(11)의 측벽을 향하여 제트를 지향시키게 한다.

모형 시험 결과에 따르면, 제안된 워터제트 추진-및-조향 복합 장치의 기술적 효과에 있어서 추진 특성의 향상의 정도는 5~10%이다. 동시에, 역전-및-조향 기어의 차원은 50~60% 감소한 반면에, 추진체의 중량은 10~20% 낮아졌다.

앞서 기술한 바와 같이, 본 발명은 다양한 선박 분류들에 대한 선적 애플리케이션으로 의도된 것이고, 특히 고속 배수량형선, 기정 및 보트를 위한 것이다.

Claims (8)

1. 유동 덕트, 허브 덮개로 끼워 맞추어지고 베어링으로 지지되는 샤프트 상에 장착되는 임펠러, 상기 덮개를 상기 노즐에 고정하는 프로파일형 지주를 가지는 유동-직선화 장치, 및 상기 노즐의 뒤에 위치하는 회전 디플렉터를 가지는 역전-및-조향 기어로 이루어는 소형 워터제트 추진-및-조향 복합 장치로서,

   상기 디플렉터는 상기 노즐 벽, 상기 덮개 및 상기 프로파일형 지주가 상기 유동-직선화 장치를 형성하고, 상기 노즐의 축을 따르는 개별 부분에서 상기 노즐 벽의 단면은 수평방향에서 크게 연장되고, 상기 노즐의 출력 단부에서의 너비 대 높이 비율은 2 내지 10의 범위 내이며, 상기 덮개의 외부 윤곽부는 동일한 지점에서의 상기 노즐의 내부 윤곽부와 유사하고, 상기 역전-및-조향 기어는 상부 벽의 레벨에서 상기 노즐의 바로 뒤에 위치하는 리미터 플레이트로 끼워 맞추어지며, 상기 회전 디플렉터는 상기 리미터 플레이트에 인접하게 배치되고, 상기 역전-및-조향 기어는 상기 리미터 플레이트 밑에 설치되고 작동 구동부가 갖추어진 적어도 두 개의 대칭 배치된 수직 방향타를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 소형 워터제트 추진-및-조향 복합 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐 측벽은 상기 노즐 인입부 직경과 동일한 직경의 실린더형 표면을 가지는 반면에 상기 상부 및 하부 벽의 모든 단면은 절단 분편의 익현(chord)이고, 상기 노즐의 원형 형상으로부터의 출력 단부에서의 장방형 구조로의 점진적인 변화는 상기 출력부를 향한 상기 절단 단편의 강하를 증가시킴으로써 달성되는 것을 특징으로 하는, 소형 워터제트 추진-및-조향 복합 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 유동-직선화 장치는 네 개 이하의 프로파일형 지주를 가지는 것을 특징으로 하는, 소형 워터제트 추진-및-조향 복합 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디플렉터 측벽에는 구멍이 형성된 것을 특징으로 하는, 소형 워터제트 추진-및-조향 복합 장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 방향타의 단면은 곧은 벽의 쐐기를 형성하는 것을 특징으로 하는, 소형 워터제트 추진-및-조향 복합 장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임펠러 샤프트 꼬리 단부의 베어링은 상기 덮개 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는, 소형 워터제트 추진-및-조향 복합 장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 임펠러 샤프트 꼬리 단부 베어링 중 하나는 축받이 블록으로 구성되는 반면에 다른 하나는 추력 블록으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 소형 워터제트 추진-및-조향 복합 장치.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임펠러 샤프트 꼬리 단부의 베어링은 배 밖의 물로 윤활되는 것을 특징으로 하는, 소형 워터제트 추진-및-조향 복합 장치.