KR20100065826A - 비대칭 단면형상을 구비하는 선박용 러더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비대칭 단면형상을 구비하는 선박용 러더에 관한 것으로, 그 목적은 러더가 비대칭 단면형상을 구비하되, 러더앞날을 선형으로 형성하여, 선박성능의 향상과 러더의 공동현상을 개선하고, 러더 제작 및 유지보수를 용이하게 할 수 있는 비대칭 단면형상을 구비하는 선박용 러더를 제공하는 것이다.

본 발명은 선박의 후미에 설치되는 러더에 있어서; 러더 앞날의 상단이 러더 회전축 또는 프로펠러 세로축 중심라인을 기준으로 왼쪽(Port)으로, 러더 앞날의 하단이 러더 회전축 또는 프로펠러 세로축 중심라인을 기준으로 오른쪽(Starboard)으로 각각 5.0±1.5 도 기울어져 위치하고, 러더앞날 상단과 러더앞날 중단 및 러더앞날 하부끝단을 연결하는 연결라인 상에 러더앞날이 위치하도록 형성되어 있다.

선박, 러더, 비대칭, 캐비테이션, 러더단면

Description

비대칭 단면형상을 구비하는 선박용 러더{Asymmetrical ship rudder form and section}

본 발명은 비대칭 단면형상을 구비하는 선박용 러더에 관한 것으로, 러더 앞날의 상단과 하단이 회전축을 기준으로 각각 왼쪽(Port)과 오른쪽(Starboard)으로 서로 엇갈리도록 휘어져 형성되고, 러더앞날이 러더앞날 상단과 하단의 연결라인 상에 위치하도록 형성된 비대칭 단면형상을 구비하는 선박용 러더에 관한 것이다.

최근 선박의 조종성능에 대한 관심이 증대되면서 조종성능을 고려한 최적 타 설계 및 조타기 용량 산정에 대한 관심이 점차 커지고 있다. 또한 이와 함께 캐비테이션에 의한 타의 침식발생을 최소화할 수 있는 방안에 대한 관심도 증가되고 있는 추세이다.

일반적으로 타에 발생하는 손상은 프로펠러에 의해 발생되는 팁 보오텍스(tip vortex) 캐비테이션과 허브 보오텍스(hub vortex) 캐비테이션에 의한 영향과 입사류의 유속증가 또는 입사각의 증가에 의해 타에서 발생하는 타 자체 캐비테이션의 영향 등으로 구분할 수 있다. 타의 상부는 주로 팁 보오텍스(tip vortex) 캐비테이션에 의해 손상되어지며 프로펠러 축 중심부위는 주로 허브 보오텍스(hub vortex) 캐비테이션에 의해 손상이 되고 있다. 또한 특별한 경우 타 자체 캐비테이션 등에 의한 타의 상하부손상 및 소울(sole) 캐비테이션에 의한 타하부 끝 앞단 부분에서 손상이 발생하기도 한다. 이와 같이 캐비테이션에 의한 손상은 캐비테이션 발생원과 형태에 따라 변화되므로 각각의 캐비테이션 거동에 대한 규명과 함께 발생 메커니즘에 대한 연구가 선행되어야 한다.

최근의 연구를 보면 캐비테이션 거동에 대한 기초연구가 다각도에서 수행되어지고 신뢰할 만한 정도의 결과를 제공하고 있지만 캐비테이션 발생 영역이나 크기에 국한된 것이어서 프로펠러 후방에 위치한 타와 같이 복잡한 유동 조건 하에서 거동을 정확히 예측하기는 매우 힘든 상황이다.

또한 최근 선박의 고속화 대형화로 인해 조종성능의 만족 여부 및 타 토오크 증가에 따른 조타기(Rudder Steering Gear)의 용량산정에 대한 관심이 점차 커지고 있다. 하지만 타가 작동하는 영역은 프로펠러의 회전에 의하여 매우 복잡한 유동장을 형성하므로 대각도 운동을 하는 타에 대한 정확한 수치해석의 수행은 쉽지 않다. 따라서 최적의 조타기 용량의 산정 또한 쉽지 않으므로 기존 실적선의 결과를 참조하여 용량을 결정하고 있는 실정이다.

이러한 문제로 인하여 타 토크를 추정하기 위한 여러 가지 방법들이 제시되어 왔지만 척도 효과 및 선체와 프로펠러 그리고 타의 상호간섭 효과 등으로 인하여 실선 시운전 결과와 비교할 때 상당한 오차를 보이고 있는 것이 현실이다.

프로펠러로 추진되는 선박의 경우 러더는 선박의 속도성능을 증가시키고 조 종성을 좋게 하기 위하여 러더를 프로펠러 후류에 놓이게 한다. 이는 오른쪽으로 회전하는 프로펠러의 경우 회전성분에 의해서 프로펠러 축 중심 위쪽에서는 왼쪽에서 오른쪽으로의 회전성분과 선박속도의 합으로 도 3 의 (가)와 같이 후류가 러더에 입사 하게 되며, 프로펠러 축 중심 아래쪽에서는 오른쪽에서 왼쪽으로의 회전성분과 선박속도의 합으로 도 3 의 (나)와 같이 후류가 러더에 입사 하게 된다. 후류의 입사각은 선박의 종류, 엔진마력 그리고 프로펠러 형상에 따라 변하며, 프로펠러 반경에 따라서도 입사각이 변한다. 입사각에 따라 러더에서 발생되는 선박의 보조추력과 러더 단면의 공동현상이 변하게 된다.

통상의 선박용 러더는 도 4 의 (가)와 같이 대칭인 단면을 사용하나, 선박성능의 향상과 러더의 공동현상의 개선을 위해서 (나) 또는 (다)와 같은 비대칭 단면을 사용한다. 그러나 (다)와 같은 단면의 경우 프로펠러 축 중심에서 불연속면이 발생되고 이 불연속면에서 유동박리와 공동현상으로 인한 침식과 부식이 발생하게 되어 선박의 운항에 지장을 주거나 일정기간마다 보수를 해 주어야 하며, (나)의 경우는 앞날의 연결선이 선형적이 아니기 때문에 러더의 제작이 매우 복잡해지는 문제점이 있었다.

이때, 선수방향에서 보았을때 러더의 중심선과 러더의 앞날 연결선이 겹친 (61)은 일반러더의 앞날연결선, (62)는 반류적응형 앞날연결선, (63)은 각도고정형 앞날연결선이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 그 목적은 러더가 비대칭 단면형상을 구비하되, 러더 앞날을 선형으로 형성하여, 선박속도성능의 향상과 러더의 공동현상을 개선하고, 러더 제작 및 유지보수를 용이하게 할 수 있는 비대칭 단면형상을 구비하는 선박용 러더를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 러더의 기본 성능은 향상 및 유지하고, 러더 토오크 성능의 개선 및 캐비테이션으로 인한 손상을 최소하며, 실선 설계에 적용하기 적합한 최적형상의 비대칭 단면형상을 구비하는 선박용 러더를 제공하는 것이다.

본 발명은 선박의 후미에 설치되는 러더에 있어서; 상기 러더는 러더 앞날에서 러더 뒷날까지의 길이를 X축 좌표 0 에서 1 로 설정하고, 러더 회전축에서의 러더 두께비율를 1 로 설정하여 X축 좌표에 대한 러더 두께비율 수치를 무차원으로 표기한 하기의 [표1]의 수치에 대하여 ±5.0% 이내의 단면형상을 구비하되,

원형단면에서 두께분포가 가장 두꺼운 X축 좌표에서의 중심점을 기준으로 위에서 프로펠러 회전방향과 프로펠러 축 중심에서 떨어진 거리에 비례해서 정해지는 방향과 각도에 따라 X축 거리의 1~5제곱에 비례하도록 앞날부터 회전중심까지의 비대칭 단면형상이 결정되고, 회전중심부터 뒷날까지는 대칭의 원형단면을 구비하며,

프로펠러 축중심 라인 상에 위치하는 러더앞날 중단을 기준으로, 러더앞날의 하부끝단은 회전축으로부터 프로펠러가 우회전하는 경우 선박 오른쪽(Starboard)으로 5.0±1.5 도 프로펠러가 좌회전하는 경우는 왼쪽(Port)으로 5.0±1.5 도 기울어져 위치하고, 러더앞날 중단을 기준으로 러더앞날 하부끝단에 대칭되는 위치의 러더앞날 상단은 회전축으로부터 프로펠러가 우회전하는 경우 선박 왼쪽(Port)으로 5.0±1.5 도 프로펠러가 좌회전하는 경우 오른쪽(Starboard)으로 5.0±1.5 도 기울어져 위치하며, 러더앞날의 상단과 러더앞날의 중단 및 러더앞날의 하부끝단을 직선으로 연결하는 선상에 러더앞날이 위치하여 러더앞날의 연결선이 선형을 구비하도록 형성되어 있다.

[표1]

이와 같이 본 발명은 러더앞날이 직선 상에 위치하도록 되어 있어, 종래의 러더에 비해 도 5와 같이 선박의 추진성능을 향상시키고, 제작이 용이하고, 비용이 절감되며, 유지보수를 용이하게 할 수 있다.

또한, 본 발명은 본 발명 적용 시 러더에 입사되는 후류에 적합한 비대칭 단 면이 적용되므로 선박의 속도성능 향상과 공동 및 유동박리로 인한 침식 및 부식을 없앨 수 있고, 러더의 단면과 단면사이의 관계가 선형으로 변하므로 제작 및 설계관점에서도 매우 유리하다.

또한, 본 발명은 우수한 조종성능을 구비함과 동시에, 선박의 속도성능을 향상시키고, 캐비테이션의 발생을 줄여 캐비테이션으로 인한 타손상을 최소화하였으며, 조타기 용량을 감소시킬 수 있고, 캐비테이션 성능, 타 토오크 성능을 동시에 만족시킬 수 있는 등 많은 효과가 있다.

본 발명은 선박의 후미에 설치되는 러더(100)에 있어서; 상기 러더는 러더 앞날(10)에서 러더 뒷날(20)까지의 길이를 X축 좌표 0 에서 1 로 설정하고, 러더 회전축(200)에서의 러더 두께비율를 1 로 설정하여 X축 좌표에 대한 러더 두께비율 수치를 무차원으로 표기한 하기의 [표1]의 수치에 대하여 ±5.0% 이내의 단면형상을 구비하되,

원형단면에서 두께분포가 가장 두꺼운 X축 좌표에서의 중심점을 기준으로 위에서 프로펠러 회전방향과 프로펠러 축 중심에서 떨어진 거리에 비례해서 정해지는 방향과 각도에 따라 X축 거리의 1~5제곱에 비례하도록 앞날부터 회전중심까지의 비대칭 단면형상이 결정되고, 회전중심부터 뒷날까지는 대칭의 원형단면을 구비하며,

프로펠러 가로축 중심라인(300) 상에 위치하는 러더앞날 중단(11)을 기준으로, 러더앞날의 하부끝단(12)은 러더 회전축(130)으로부터 우회전하는 프로펠러의 경우 선박 오른쪽(500)으로 B와 같이 5.0±1.5 도 좌회전하는 프로펠러의 경우 선박 왼쪽으로 5.0±1.5 도 기울어져 위치하고, 러더앞날 중단(11)을 기준으로 러더앞날 하부끝단(12)에 대칭되는 위치의 러더앞날 상단(13)은 러더 회전축(200)으로부터 우회전하는 프로펠러의 경우 선박 왼쪽(600)으로 5.0±1.5 도 좌회전하는 프로펠러의 경우 오른쪽으로 5.0±1.5 도 기울어져 위치하며, 러더앞날 상단(13)과 러더앞날 중단(11) 및 러더앞날 하부끝단(12)을 직선으로 연결하는 선상에 러더앞날(10)이 위치하여 러더앞날의 연결라인(14)이 선형을 구비하도록 형성되어 있다.

[표1]

이하 본 발명을 첨부된 도면에 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2 은 본 발명의 비대칭 러더단면의 원형을 보여주는 예시도를 도시한 것이다. 이 원형단면에서 두께분포가 가장 두꺼운 X축 좌표에서의 중심점을 기준으로 위에서 예시한 대로 프로펠러 회전방향과 축중심에서 떨어진 거리에 따라 정해진 방향과 각도로 회전을 시킨다. 앞날부터 회전중심까지의 회전성분은 X축 거리의 1승, 2승, 3승, 4승에 비례하도록 결정한다. 앞날부터 회전축까지 회전된 분포를 구 하기 전에 원형 단면의 형상을 먼저 구하여야 하고 그 형상을 구하는 방법은 다음과 같다. 본 발명은 러더의 단면형상에 대하여 러더앞날을 X축 좌표의 '0' 으로 하고, 러더뒷날을 X축 좌표의 '1'로 하며, 러더앞날의 러더두께를 Y축 좌표의 '0'으로 하고, 최대두께를 구비하는 회전축에서의 러더두께를 Y축 좌표의 '1'로 할 경우, X축 좌표상의 임의의 점에서 러더의 두께비율은 X축 좌표가 0.1 일 경우 러더의 두께비율은 약 0.612124 ∼ 0.676558, X축 좌표가 0.5 일 경우 러더의 두께비율은 약 0.877628 ∼ 0.970009, X축 좌표가 0.7 일 경우 러더의 두께비율은 약 0.593043 ∼ 0.655468, X축 좌표가 0.95 일 경우 러더의 두께비율은 약 0.132932 ∼ 0.146925 의 단면 형상을 구비한다.

도 2 는 본 발명에 따른 러더단면 형상을 보인 예시도를 도시한 것으로, 본 발명은 프로펠러 가로축 중심라인(300) 상에 위치하는 러더앞날을 러더앞날 중단(11)으로 하고, 러더(100)의 최하단에 위치하는 러더앞날을 러더앞날 하부끝단(12)으로 하며, 상기 러더앞날 중단(11)에서 러더앞날 하부끝단(12)까지의 길이에 대하여, 러더앞날 중단(11)에서 상부방향으로 대칭되는 거리에 위치한 러더앞날을 러더앞날 상단(13)으로 하였을 때,

상기 러더앞날 상단(13)은 오른쪽으로 회전하는 프로펠러의 경우 러더 회전축(200)으로부터 선박 왼쪽(600)방향으로 소정각도(A)로 기울어져 위치하고, 상기 러더앞날 하부끝단(12)은 러더 회전축(200)으로부터 선박 오른쪽(500)방향으로 소정각도(B)로 기울어져 위치하며, 상기 러더앞날 상단(13)과 러더앞날 중단(11) 및 러더앞날 하부끝단(12)을 연결하는 연결라인(14) 상에 러더의 러더앞날이 위치하도 록 되어 있다. 이때, 상기 소정각도(A,B)는 5.0±1.5 도를 구비한다.

즉, 본 발명에 따른 러더(100)는 프로펠러 가로 축중심 라인(300)을 기준으로, 상측에 위치하는 러더앞날은 프로펠러 세로축 중심라인(400)을 기준으로 선박 왼쪽(600)방향에 위치하고, 하측에 위치하는 러더앞날은 프로펠러 세로축 중심라인(400)을 기준으로 산박 오른쪽(500)방향에 위치하게 된다.

상기 도 2 에는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 상기 러더앞날 상단(13), 러더앞날 하부끝단(12) 및 러더앞날 중단(11)을 모두 점으로 표기하였으나, 실제 러더에는 점 형상으로 형성되어 있지는 않다.

상기에서와 같이, 본 발명의 러더 형상은 프로펠러 가로축 중심라인에 위치하는 러더앞날 중단을 기준으로 아래쪽 끝단의 러더앞날(러더앞날의 하부끝단)은 선박의 오른쪽(Starboard)으로 러더 회전축을 기준으로 3.5∼6.5도가 휘어지도록 되어 있고, 이와 동일한 거리의 프로펠러 축 중심 위쪽의 러더앞날(러더앞날 상단)은 선박의 왼쪽(Port)으로 러더 회전축을 기준으로 3.5∼6.5 도 휘어지도록 되어 있다.

또한, 러더앞날의 나머지 부분은 위의 3점(러더앞날의 하부끝단, 러더앞날 중단 및, 러더앞날 상단)이 직선으로 이어지게 되는 단면을 가지도록 선형으로 형성되어 있다.

상기 러더단면을 러더 회전축을 중심으로 오른쪽 및 왼쪽으로 3.5∼6.5도로 휘는 이유는 선종에 따라 선속증가가 최대로 되는 각도가 존재하며 벌크운반선이나 탱커처럼 프로펠러에 작용되는 부하가 적은 선박은 3.5도이고 고속 컨테이너선처럼 프로펠러에 작용되는 부하가 매우 큰 선박의 경우는 6.5도가 가장 많은 선속향상을 이룰 수 있는 각도로 모형시험을 통하여 검증되었기 때문이다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

이하 본 발명을 도면 및 실시예에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예 1

7,800 TEU 컨테이너 운반선에 대한 조종성 모형시험을 실시하여 단면이 조종성능에 미치는 영향을 살펴보았으며, 조종성능은 스캔틀링(scantling) 흘수 상태에서 전진속도 24.67노트(knot)에 대하여 해석하였다. 이와 같은 모형시험 결과로부터 얻어진 유체력 미계수를 사용하여 초기 선회시험, 선회시험, 지그재그시험, 나선형시험 등을 수치적으로 해석하였다. 이때, 상기 러더 1(10)과 Ｒ353 의 제원은 [표 2]과 같고, 그 결과는 [표 3]와 같다.

[표 2]

[표 3]

또한 7,800 TEU 컨테이너 운반선에 일반 반가동타를 장착하는 경우와 비대칭 전가동타를 적용하는 경우에 대하여 속도성능의 차이를 확인하기 위하여 예인수조에서 자항시험을 실시하였으며 그 결과는 도 5과 같다. 일반 반가동타를 이용하는 경우보다 타력의 손실 없이 속도성능이 운항가능한 모든 구역에서 2% 이상 향상되는 것으로 나타났다.

도 1 은 본 발명의 비대칭 러더와 러더단면을 보여주는 예시도

도 2 는 본 발명에 따른 러더단면 형상을 보인 예시도

도 3 은 프로펠러 축중심에 따른 러더와 후류관계를 보인 예시도

도 4 는 기존의 비대칭 러더의 앞날의 형상을 보여주는 예시도

도 5 는 기존의 러더와 본 발명에 따른 러더의 속도성능을 예인수조 시험을 통하여 비교한 예시도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(10) : 러더앞날(Leading Edge) (11) : 러더앞날 중단

(12) : 러더앞날 하부끝단 (13) : 러더앞날 상단

(14) : 러더 앞날 연결라인 (20) : 러더뒷날

(31) : 러더앞날 중단에서의 러더단면 형상

(32) : 러더앞날 하부끝단에서의 러더단면 형상

(33) : 러더앞날 상단에서의 러더단면 형상

(100) : 러더 (200) : 러더 회전축

(300) : 프로펠러 가로축 중심라인

(400) : 프로펠러 세로축 중심라인

(500) : 러더의 오른쪽(Starboard) (600) : 러더의 왼쪽(Port)

Claims (1)

1. 선박의 후미에 설치되는 러더에 있어서;

   상기 러더는 러더 앞날에서 러더 뒷날까지의 길이를 X축 좌표 0 에서 1 로 설정하고, 러더 회전축에서의 러더 두께비율를 1 로 설정하여 X축 좌표에 대한 러더 두께비율 수치를 무차원으로 표기한 하기의 [표1]의 수치에 대하여 ±5.0% 이내의 원형단면형상을 구비하되,

   원형단면에서 두께분포가 가장 두꺼운 X축 좌표에서의 중심점을 기준으로 위에서 프로펠러 회전방향과 프로펠러 축 중심에서 떨어진 거리에 비례해서 정해지는 방향과 각도에 따라 X축 거리의 1~5제곱에 비례하도록 앞날부터 회전중심까지의 비대칭 단면형상이 결정되고, 회전중심부터 뒷날까지는 대칭의 원형단면을 구비하며,

   프로펠러 가로축 중심라인 상에 위치하는 러더 앞날 중단을 기준으로,

   러더앞날의 하부끝단은 러더 회전축으로부터 오른쪽으로 회전하는 프로펠러의 경우 선박 오른쪽(Starboard)으로 5.0±1.5 도 왼쪽으로 회전하는 프로펠러의 경우 선박 왼쪽(Port)으로 5.0±1.5 도 기울어져 위치하고,

   러더앞날 중단을 기준으로 러더앞날 하부끝단에 대칭되는 위치의 러더앞날 상단은 러더 회전축으로부터 오른쪽으로 회전하는 프로펠러의 경우 선박 왼쪽(Port)으로 5.0±1.5 도 왼쪽으로 회전하는 프로펠러의 경우 선박 오른쪽(Starboard)으로 5.0±1.5 도 기울어져 위치하며,

   러더앞날의 상단과 러더앞날의 중단 및 러더앞날의 하부끝단을 연결하는 선 상에 러더앞날이 위치하도록 하여 러더앞날의 연결선이 선형을 구비하도록 형성된 것을 특징으로 하는 비대칭 단면형상을 구비하는 선박용 러더.

   [표1]

   

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