KR20090047973A - 선박용 고양력 러더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박용 고양력 러더에 관한 것으로서, 특히 러더몸체부의 상, 하부에 각각의 위치에 적합한 최적 형상의 상, 하부 플레이트를 적용하여 저항 증가 현상 및 스티어링 기어의 과다 토크 발생 문제를 해결할 수 있는 선박용 고양력 러더에 관한 것이다.

본 발명은 프로펠러를 추진장치로 하는 선박용 고양력 러더(Rudder)에 있어서, 상기 프로펠러의 후방에서 상기 프로펠러 중심축을 경계로 대칭의 유선형 단면을 갖는 러더몸체부; 상기 러더몸체부의 상부에 형성되며, 상기 러더몸체부의 상부단면의 폭에 대응하는 폭 크기 형상을 갖는 상부플레이트; 및 상기 러더몸체부의 하부에 형성되며, 전단부를 제외한 형상은 상기 러더몸체부의 하부단면과 동일 폭을 갖되, 상기 전단부의 폭은 상기 러더몸체부의 하부단면 보다 더 크게 양측으로 돌출되어 연장 형성된 하부플레이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 고양력 러더를 제공한다.

본 발명에 따르면, 종래 쉴링 러더(Schilling Rudder)에서 채택하고 있는 물고기 형상의 러더 단면을 일반 유선형 단면으로 하고, 러더몸체부의 상, 하부에 최적 형상의 플레이트를 적용함으로써, 종래 러더 단면 형상 또는 플레이트 형상으로부터 기인된 저항 증가 현상 및 스티어링 기어의 과다 토크 발생 문제를 해결할 수 있는 기술적 효과가 있다.

선박용 러더(Rudder), 러더몸체부, 상부플레이트, 하부플레이트, 저항 및 토크 감소

Description

선박용 고양력 러더{High lift rudder for vessel}

본 발명은 일반 유선형 단면 형상을 러더몸체부의 상, 하부에 최적 형상의 플레이트를 적용하여 종래 러더 단면 형상 또는 플레이트 형상으로부터 기인된 저항 증가 현상 및 스티어링 기어의 과다 토크 발생 문제를 해결할 수 있는 선박용 고양력 러더에 관한 것이다.

일반적으로 선박이 파도나 바람 등 각종 교란력에 대항하여 계속해서 일정한 침로를 유지하기 위함은 물론 선박을 선회 또는 정지 또는 후진시키기 위해서는, 이에 대응된 기능을 발휘할 각종 선박용 장치가 필수적으로 요구된다.

이러한 선박용 장치 중 러더(Rudder, 이를 '키' 또는 '방향타'라고도 한다)는 프로펠러를 추진장치로 하는 선박(해양구조물 포함)에 장착되어 이용되는 것으로, 도 1에 도시된 바와 같이 일반적인 러더(20)는 선박(1)의 프로펠러(10) 후방에서 프로펠러(10)의 중심축을 경계로 하여 대칭되는 유선형 단면 형상을 가지며, 스티어링기어(Steering Gear)에 연결된 러더스톡(Rudder Stock)을 내장하고 있는 러 더혼(30, Rudder Horn)에 의해 상기 선박(1) 상에 회동 가능하게 연결되어 있다.

이러한 러더(20)는 프로펠러에서 발생된 회전류를 정류하여 저항 증가를 최소화시키고, 러더의 회전으로 발생된 힘을 이용하여 선박의 진행 방향을 조정하는 역할을 하는데, 이러한 러더의 회전으로 발생된 힘은 러더의 단면 형상 및 크기에 의해 결정된다.

그런데, 이러한 일반적인 러더 중에는 도 2에 도시된 바와 같이, 물고기형 단면 형상의 러더몸체부(52)와, 상기 러더몸체부(52)의 상, 하부에서 상기 러더몸체부(52)의 단면 형상보다 큰 폭으로 형성된 상, 하부 플레이트(54, 56)를 포함하는 구성을 갖는 쉴링 러더(50, Schilling Rudder)가 존재한다.

이러한 쉴링 러더(50)는 회전 시 더 큰 힘을 얻을 수 있는 반면에, 저항 및 토크(Torque)의 증가를 초래하였다.

이러한 쉴링 러더(50)에 의해 증가된 저항은 운항 소요 마력을 증가시켰으며, 결국 이는 운항 비용을 상승시키는 문제점으로 작용하였고, 쉴링 러더(50)에 의해 증가된 토크는 상기 쉴링 러더(50)를 제어하는 스티어링 기어(Steering Gear)의 용량 등을 불필요하게 증대시킴으로써, 설비 비용을 불필요하게 증가시키는 문제점으로 작용하였다.

따라서 이러한 종래의 쉴링 러더(50)에서 유발되는 저항 및 토크 증가 문제를 해결하여, 보다 향상된 성능을 발휘할 수 있는 선박용 고양력 러더의 개발이 시급한 실정이다.

상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은 러더의 회전 시 큰 힘을 발휘할 수 있으되, 저항 및 토크의 증가는 배제할 수 있는 향상된 선박용 고양력 러더를 제공하는 것을 기술적 과제로 삼는다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 사상에 따르면, 프로펠러를 추진장치로 하는 선박용 고양력 러더(Rudder)에 있어서, 상기 프로펠러의 후방에서 상기 프로펠러 중심축을 경계로 대칭의 유선형 단면을 갖는 러더몸체부; 상기 러더몸체부의 상부에 형성되며, 상기 러더몸체부의 상부단면의 폭에 대응하는 폭 크기 형상을 갖는 상부플레이트; 및 상기 러더몸체부의 하부에 형성되며, 전단부를 제외한 형상은 상기 러더몸체부의 하부단면과 동일 폭을 갖되, 상기 전단부의 폭은 상기 러더몸체부의 하부단면 보다 더 크게 양측으로 돌출되어 연장 형성된 하부플레이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 고양력 러더를 제공한다.

이때, 상기 하부플레이트의 상기 전단부는, 길이는 상기 러더몸체부의 하부단면 전단으로부터 상기 하부단면 전체 길이의 25% 내지 70%이며, 폭은 상기 러더몸체부의 하부단면 최대 폭의 130% 내지 170% 형상인 것이 바람직하다.

상기와 같이, 본 발명인 선박용 고양력 러더에 따르면, 유선형 단면 형상의 러더몸체부와, 상기 러더몸체부의 하부면 전단부에 상기 러더몸체부의 하부단면보다 양측으로 더 연장 형성된 전후 비대칭적인 하부플레이트를 부분적으로 적용함으로써, 러더의 회전 시 더 큰 힘을 얻을 수 있으되, 종래의 러더에서 발생되었던 저항 및 토크의 증가를 억제할 수 있어, 보다 고효율적이고 경제성이 높은 선박용 고양력 러더를 제공하여 제품 경쟁력을 향상시킬 수 있는 기술적 효과가 있다.

본 발명과 본 발명의 이점 및 본 발명에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예가 예시된 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다.

도면에서, 도 3은 본 발명에 따른 선박용 고양력 러더의 일실시예를 도시한 개념도이고, 도 4는 도 3에 도시된 실시예에서 적용될 수 있는 하부플레이트를 예시 설명하기 위해 도시한 평면예시도이며, 도 5는 도 3에 도시된 실시예가 선박에 적용된 개념도이고, 도 6은 도 3에 도시된 실시예를 적용한 선박의 보침성능을 확인하기 위하여10/10°Zig-Zag 테스트를 수행한 결과그래프이며, 도 7은 도 6의 테스트를 통해 도출한 결과표이다.

도 3 내지 도 6을 병행 참조하여, 본 발명에 따른 선박용 고양력 러더의 실시예(100)를 설명하면, 본 실시예(100)는 프로펠러(미도시) 중심축을 경계로 대칭의 유선형 단면을 갖는 러더몸체부(110)와, 상기 러더몸체부(110)의 상부에 형성된 상부플레이트(120) 및 상기 러더몸체부(110)의 하부에 형성된 하부플레이트(130)를 포함한다.

본 실시예(100)는 프로펠러(미도시)를 추진장치로 하는 선박에 적용 가능한 데, 본 실시예(100)에 의한 선박의 선회모멘트를 최대로 하기 위해서 선박 자체의 선회 중심으로부터 가장 먼 위치에 설치되는 것이 바람직하다. 이에 따라 선박의 선미, 즉 프로펠러(미도시)의 후방에 설치된 경우에 대해서 설명한다.

상기 러더몸체부(110)는 프로펠러(미도시)의 후방에서 프로펠러(미도시)의 중심축을 경계로 대칭의 유선형 단면을 갖는다. 이는 도 2에서 설명되었던 종래의 물고기형 단면 형상을 갖는 러더몸체부(50)와 다르며, 종래에 비해 보다 용이 제작이 가능한 형상이다.

상기 러더몸체부(110)의 상부에는 상부플레이트(120)가 형성된다. 이러한 상부플레이트(120)는 상기 러더몸체부(110)의 상부단면의 폭에 비해 적어도 동일 폭 이상의 폭 크기 형상을 가질 수 있는데, 길이는 상기 러더몸체부(110)가 러더스톡(Rudder Stock) 및 러더혼(Rudder Horn)에 의한 회동에 간섭되지 않는 범위 내에서 적정한 길이로 형성될 수 있다. 특히, 상기 상부플레이트(120)의 후단부는 상기 러더몸체부(110)의 상부단면 후단부에서 일정 폭만큼 양측으로 더 크게 연장되어 형성될 수 있다.

그리고 상기 러더몸체부(110)의 하부에는 하부플레이트(130)가 형성된다. 이러한 하부플레이트(130)는 폭이 상기 러더몸체부의 하부단면보다 더 크게 양측으로 돌출되어 연장 형성된 전단부와, 상기 러더몸체부의 하부단면과 동일 폭을 가지는 후단부로 구별 형성된다. 즉, 상기 하부플레이트(130)의 전단부와 후단부는 전후 비대칭적으로 형성된다.

이러한 전, 후 구분된 형상을 갖는 상기 하부플레이트(130)에 의해 본 실시예(100)는 상기 하부플레이트(130)의 전단부 형상에 기인하여 회전 시 더 큰 힘을 발생시킬 수 있으며, 후단부 형상에 기인하여 저항의 증가를 억제함은 물론 스티어링 기어(Steering Gear)에 큰 토크가 소요되는 것을 방지할 수 있다.

도 4는 이러한 하부플레이트(130)의 형상을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다. 본 실시예에서는 도 4에 도시된 (a), (b), (c) 및 (d)와 같은 형상의 하부플레이트(130)를 이용할 수 있는데, 이러한 형상은 본 실시예에 따른 하부플레이트(130)를 보다 상세히 설명하기 위해 다양하게 예시한 것으로, 본 발명에 따른 선박용 고양력 러더가 상기 도 4의 (a), (b), (c), (d)에 의해 한정될 필요가 없음은 자명하다.

도 4의 (a), (b), (c), (d)에 예시된 하부플레이트(130)의 전단부(130a)에는 상기 전단부(130a)의 전체 또는 일부 길이 상에서 러더몸체부의 하부단면보다 더 크게 양측으로 돌출되어 연장 형성된 연장부(130b)가 형성되어 있다.

이러한 연장부(130b)가 형성된 상기 전단부(130a)의 폭은 러더몸체부의 하부단면보다 더 큰 폭(W)을 가지는 데, 이러한 연장부(130b)를 포함한 상기 전단 부(130a)의 폭(W)과, 상기 전단부(130a) 내에서 상기 연장부(130b)가 형성된 길이(L) 범위(즉, 상기 연장부(130b)의 시작점의 위치 및 끝점의 위치) 및 상기 연장부(130b)의 외형(여기서, '연장부의 외형'이란 연장부의 외형적 각도, 길이 등이 포함될 수 있다)을 적절히 선박의 목적에 따라 조절함으로써, 상기 도 4의 (a), (b), (c), (d)에 예시된 다양한 형태의 하부플레이트(130)를 본 실시예 상에 적용할 수 있다.

바람직하게는 상기 전단부(130a)의 길이가 상기 러더몸체부(110)의 하부단면 전체 길이의 25%~70% 사이인 것이 좋으며, 상기 연장부(130b)를 포함한 상기 전단부(130a)의 폭은 상기 러더몸체부(110)의 하부단면 최대 폭의 130%~170%인 것이 좋다.

이러한 전단부(130a)의 길이 및 연장부(130b)를 포함한 전단부(130a)의 폭 범위는 본 실시예를 선박에 적용할 경우, 본 실시예의 회전 시보다 큰 힘을 얻을 수 있음은 물론 저항 및 토크의 증가를 방지할 수 있는 범위로서, 주지의 유체해석관련 상용코드를 이용한 각종 실험을 토대로 정해진 것이다.

만일 상기 전단부(130a)의 길이가 상기 러더몸체부(110)의 하부단면 전체 길이의 25% 미만일 경우, 본 실시예에 따른 러더의 회전 시 큰 힘을 발휘하지 못하며, 상기 전단부(130a)의 길이가 상기 러더몸체부(110)의 하부단면 전체 길이의 70%를 초과할 경우, 본 실시예는 러더의 회전으로 인한 큰 힘을 발휘할 수 있으나, 저항 및 토크가 증가될 수 있다.

또한, 만일 상기 연장부(130b)를 포함한 상기 전단부(130a)의 폭이 상기 러 더몸체부(110)의 하부단면 최대 폭의 130% 미만일 경우, 본 실시예에 따른 러더의 회전 시 큰 힘을 발휘하지 못하며, 상기 연장부(130b)를 포함한 상기 전단부(130a)의 폭이 상기 러더몸체부(110)의 하부단면 최대 폭의 170% 이상일 경우, 본 실시예에 따른 러더에 작용하는 저항 및 토크가 심하게 증가하거나 또는 프로펠러 후류에 의한 각종 유체역학적인 문제점이 발생할 수 있다.

도 5는 본 실시예를 선박에 적용한 개념도이다. 본 실시예(100)는 선박(1)의 프로펠러(10) 후방에서 프로펠러(10)의 중심축을 경계로 하여 대칭되는 유선형 단면 형상을 가진다. 조타실에서 전달된 신호에 의해 작동 가능한 스티어링 기어(미도시, Steering Gear)는 러더스톡(40, Rudder Stock)을 회전시키며, 이로 인하여, 상기 선박(1)으로부터 러더혼(30, Rudder Horn)에 연결된 본 실시예(100)는 지령된 신호만큼의 각도로 회전된다. 이렇게 회전된 본 실시예(100)는 프로펠러(10)에 의한 가속된 후류에 대응하여 큰 힘을 발생시키며, 아울러 전단부만 러더몸체부(110)의 하부단면 보다 더 크게 양측으로 연장 형성된 하부플레이트(130)에 의하여 저항 및 토크 증가를 배제시킴으로써, 운항 소요 마력 증가 및 스티어링 기어의 토크 증가를 방지할 수 있게 된다.

도 6은 본 실시예를 적용한 선박의 조종성능을 확인하기 위하여 10/10° Zig-Zag 테스트를 수행한 결과그래프이다.

도 6에 도시된 10/10° Zig-Zag 테스트 결과그래프를 설명하기에 앞서, Zig-Zag 테스트에 대해 간략히 설명하면, 본 테스트는 선박이 일정 속도(일반적으로, '설계속도'를 말한다)로 직진하다가, 러더 각을 10도 회전시켜 선회하는 선박의 선 수각이 10도에 도달할 때까지 기다리고, 다시 러더 각을 반대방향으로 10도 회전시키는 과정 중에 선박의 조종성능(특히, 변침성능)을 파악할 수 있는 테스트이다.

Zig-Zag 테스트는 테스트 목적에 따라 러더 각과 러더를 작동시키는 기준이 되는 선수각을 바꿀 수 있는데, 본 실시예를 적용한 선박의 조종 성능을 알아보기 위해서 하나의 실험예로서, 러더 각이 10°이고, 선수각이 10°인 10/10° Zig-Zag 테스트를 수행한다.

도 6을 참조하면, 본 결과그래프는 세로축이 ψ° 또는 δ°로 표기된 러더 각에 관한 것이며, 가로축이 초(s) 단위의 시간에 관한 그래프이다. 여기서, 점선으로 표현된 그래프는 일반 러더에 관한 것이며, 실선으로 표현된 그래프는 본 실시예에 관한 것이다.

이러한 점선 또는 실선으로 표현된 그래프는 각각 두 가지 성분을 가지고 있는데, 하나는 러더 각 0°를 중심으로 상하 지그재그로 꺾인 그래프로서 러더 각 변위를 나타내는 그래프이며, 또 다른 하나는 파동형 그래프로서 선박의 선수각 변위를 나타내는 그래프이다.

상기 도 6에서 최초 선회하고 있는 선박에 반대 방향의 러더 각 10°을 가하면 선박은 즉시 반대 방향으로 움직이지 않고, 얼마간 더 최초의 선회 방향으로 돌게 되는데, 이때, 러더 각 10°를 가한 후에도 더 선회하는 각도를 1차 오버슈트각도(1^st Overshoot Angle)라고 하며, 이후 다시 최초의 선회 반대 방향으로 움직이게 된 선박에 러더 각 -10°를 다시 가한 후, 선박이 더 선회하는 각도를 2차 오버슈 트각도(2^nd Overshoot Angle)라 한다.

도 6의 본 결과그래프 상에 도시된 바와 같이, 본 실시예를 적용한 선박이 일반 러더를 적용한 선박에 비해 2차 오버슈트각이 눈에 띄게 향상되었음을 알 수 있다.

도 7은 상기 도 6의 10/10°Zig-Zag 테스트 결과그래프를 토대로 작성한 결과표이다.

[일반 러더 대 본 실시예를 비교한 10/10 ° Zig - Zag 테스트 결과표]

이러한 [일반 러더 대 본 실시예를 비교한 10/10° Zig-Zag 테스트 결과표]를 참조하여, 본 실시예가 적용된 선박과 일반 러더가 적용된 선박에서 각각의 스타보드(Stbd)측 2차 오버슈트각을 서로 비교해보면, 일반 러더가 적용된 선박에서의 스타보드측 2차 오버슈트각이 47.8°인 것에 비하여, 본 실시예가 적용된 선박에서의 스타보드측 2차 오버슈트각은 38.3°로서, 대략 20% 정도의 2차 오버슈트각이 개선되었음을 알 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양 한 변형 또는 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 일반적인 선박용 러더를 도시한 개념도이다.

도 2는 종래의 쉴링 러더를 도시한 개념도이다.

도 3은 본 발명에 따른 선박용 고양력 러더의 일실시예를 도시한 개념도이다.

도 4는 도 3에 도시된 실시예에서 적용될 수 있는 하부플레이트를 예시 설명하기 위해 도시한 평면예시도이다.

도 5는 도 3에 도시된 실시예가 선박에 적용된 개념도이다.

도 6은 도 3에 도시된 실시예를 적용한 선박의 보침성능을 확인하기 위하여10/10° Zig-Zag 테스트를 수행한 결과그래프이다.

도 7은 도 6의 테스트를 통해 도출된 결과표이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 본 실시예 110: 러더몸체부

120: 상부플레이트 130: 하부플레이트

Claims (2)

1. 프로펠러를 추진장치로 하는 선박용 고양력 러더(Rudder)에 있어서,

   상기 프로펠러의 후방에서 상기 프로펠러 중심축을 경계로 대칭의 유선형 단면을 갖는 러더몸체부;

   상기 러더몸체부의 상부에 형성되며, 상기 러더몸체부의 상부단면의 폭에 대응하는 폭 크기 형상을 갖는 상부플레이트; 및

   상기 러더몸체부의 하부에 형성되며, 전단부를 제외한 형상은 상기 러더몸체부의 하부단면과 동일 폭을 갖되, 상기 전단부의 폭은 상기 러더몸체부의 하부단면 보다 더 크게 양측으로 돌출되어 연장 형성된 하부플레이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는,

   선박용 고양력 러더.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 하부플레이트의 상기 전단부는,

   길이는 상기 러더몸체부의 하부단면 전단으로부터 상기 하부단면 전체 길이의 25% 내지 70%이며, 폭은 상기 러더몸체부의 하부단면 최대 폭의 130% 내지 170% 형상인 것을 특징으로 하는,

   선박용 고양력 러더.

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