KR20100112276A - 양력 손실 및 캐비테이션을 저감시키는 분리형 방향타 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양력 손실을 감소시키고 표면에서 발생하는 캐비테이션을 저감시킬 수 있는 방향타의 작동원리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상부와 하부 몸체로 나누어 각각의 타각으로 회전할 수 있게 함으로써 적절한 타각을 이용하여 방향타의 양력 손실을 줄이고 캐비테이션을 저감시킬 수 있는 분리형 방향타에 관한 것이다.

방향타(rudder), 프로펠러(propeller), 양력(lift), 캐비테이션(cavitation)

Description

양력 손실 및 캐비테이션을 저감시키는 분리형 방향타{Divided rudder reducing lift loss and cavitation}

본 발명은 양력 손실을 감소시키고 표면에서 발생하는 캐비테이션을 저감시킬 수 있는 방향타의 작동원리에 관한 것이다.

선박에 조종성과 제어성능을 제공하는 방향타는 추진력을 양산하는 프로펠러에 비해 많은 관심을 받지 못하여 왔다. 그러나 최근 들어 선박이 대형화되고 고속화됨에 따라 프로펠러에서 발생하는 후류(wake)는 매우 높은 하류방향 속도를 갖게 되었고, 이러한 프로펠러 후류에 의해 직접적으로 영향을 받게 되는 방향타는 양력이나 항력뿐만 아니라 캐비테이션 관점에서도 많은 관심을 불러일으키고 있다.

도 1은 선박의 선미 모습을 보여주고 있다. 프로펠러의 회전은 도 2와 같이 방향타 좌현과 우현에 유입되는 유동의 방향과 유입각을 서로 다르게 하여 방향타의 양력 형성에 좋지 않은 영향을 미친다. 또한 방향타의 표면에서 과도하게 발생하는 캐비테이션은 방향타의 표면에 침식을 일으켜 유지보수 비용을 증가시키거나 심각한 수중 소음을 발생시킬 수 있다.

비록 많은 연구기관과 조선소 등에서 혼-타나 전가동타와 같은 방향타에서 나타나는 양력 손실이나 캐비테이션을 저감시키기 위하여 관심을 가지고 있으나 실제 선박에 대한 적용이 쉽지 않은 실정이다. 특히 많은 선주들이 선박에 대한 관습 등으로 인하여 고정부와 가동부로 구성된 혼-타의 이용을 고집하고 있지만 양력 손실에 대한 문제를 극복할 수 없고 수직 및 수평 간극에서 심각한 캐비테이션이 나타나고 있어 전가동타에 대한 선호도가 점차 높아지고 있다. 그러나 전가동타의 경우라도 간극 캐비테이션 요소는 제거할 수 있지만 몸체에서 나타나는 캐비테이션을 막을 수 없으며 조종(양력)성능을 높이는 데에도 한계가 있어 이에 대한 자세한 연구가 필요한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 상부와 하부 몸체로 나누어 각각의 타각으로 회전할 수 있게 함으로써 적절한 타각을 이용하여 방향타의 양력 손실을 줄이고 캐비테이션을 저감시킬 수 있는 분리형 방향타를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 기타 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 이는 본 발명의 청구범위에 기재된 사항 및 그 실시예의 개시 내용뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내의 수단 및 조합에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 프로펠러 축을 중심으로 하여 상부와 하부로 몸체를 나누고 상부와 하부의 각 부분이 임의의 타각으로 회전이 가능하도록 하여, 유입되는 프로펠러 후류의 방향과 받음각에 따라 상부와 하부의 타각을 적응형(adaptive)으로 조절하여 운용함으로써 양력 손실 및 캐비테이션을 저감시키는 분리형 방향타를 제시한다.

선박에 있어서 방향타는 선박의 조종성을 위해 매우 중요한 장치이다. 본 발명에 따른 분리형 방향타는 상, 하부의 타각을 조절하여 양력 손실을 최소화할 수 있으며 방향타의 몸체에서 나타나는 캐비테이션을 감소시킬 수 있다. 양력 손실은 선박의 에너지 소비와 밀접한 연관이 있으므로 본 발명에 따른 분리형 방향타의 운용을 통하여 선박의 에너지 소비를 절감하는 효과를 얻을 수 있다. 또한 방향타의 표면에서 발생하는 캐비테이션을 저감하여 캐비테이션 침식을 방지하므로 방향타의 보수 및 수리비용을 절감할 수 있다. 이러한 효과는 국내 조선 산업에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대된다.

본 발명의 다른 효과는, 이상에서 설명한 실시예 및 본 발명의 청구범위에 기재된 사항뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내에서 발생할 수 있는 효과 및 산업 발전에 기여하는 잠정적 장점의 가능성들에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 3은 일반적인 혼-타의 형상을, 도 4는 일반적인 혼-타의 상, 하부 핀틀에서의 단면 형상을 보여주고 있다. 도 5는 일반적인 전가동타의 형상을, 도 6은 일반적인 전가동타의 단면 형상을 보여주고 있다.

선박의 추진체인 프로펠러는 선박의 후방에서 바라보았을 때 일반적으로 시계방향으로 회전하면서 추진력을 얻게 된다. 이러한 프로펠러 회전의 방향성으로 인하여 프로펠러 후방에 위치하는 방향타에는 도 2와 같이 타의 좌현(port) 상부, 우현(starboard) 하부로 프로펠러 후류가 일정한 받음각(angle of attack)을 가지고 유입된다. 프로펠러 후류의 특성으로 인하여 선박의 타각을 0도로 할지라도 선박의 조종성에 직접 영향을 주는 양력이 ‘0’이 아닌 다른 값이 발생하여 선박이 직선으로 운항을 할 수 없게 된다. 또한 선박의 타각을 조절하여 좌현 또는 우현으로 운항을 할 경우에도 방향타의 상부 또는 하부에 큰 받음각이 나타나 양력 손실을 초래할 수 있다.

이에 본 발명은 상기 문제를 해결하기 위하여 도 7과 같은 분리형 방향타를 제공하고자 한다. 본 발명에 따른 분리형 방향타는 프로펠러 축을 중심으로 하여 상부와 하부로 몸체가 나뉘고 각 부분은 임의의 타각으로 회전 가능하다. 따라서 본 발명에 따른 분리형 방향타는 유입되는 프로펠러 후류의 방향과 받음각에 따라 상부와 하부의 타각을 적응형(adaptive)으로 조절하여 운용함으로써 양력 손실 및 캐비테이션을 저감시킬 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 분리형 방향타의 경우 몸체의 상부와 하부 사이 간극의 크기는 1cm 내지 10cm인 것이 바람직하다. 만약 몸체의 상부와 하부 사이 간극의 크기가 1cm보다 작다면 몸체의 상부와 하부가 회전하는 과정에서 서로 간섭을 일으킬 우려가 있으므로 바람직하지 못하다. 또한 몸체의 상부와 하부 사이 간극의 크기가 10cm보다 크다면 간극 부분에서 발생하는 양력 손실 및 캐비테이션이 크게 부담으로 작용할 수 있으므로 역시 바람직하지 못하다.

도 8은 선박이 직선으로 운항할 경우 프로펠러 후류와 방향타의 평면도(top view)를 나타낸다. 일반적인 방향타의 경우 비록 타각은 0도이나 프로펠러 후류가 특정 받음각으로 유입되므로 양력을 완전히 제거할 수 없다. 그러나 본 발명에 따른 분리형 방향타의 경우 상부와 하부의 타각을 적절히 조절하여 받음각이 0도가 되게 할 수 있으며 양력을 최소화 할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 분리형 방향타의 경우 받음각을 최소화하였으므로 방향타의 몸체에서 발생하는 캐비테이션을 감소시킬 수 있다.

도 9는 선박이 우현으로 회전할 경우 프로펠러 후류와 방향타의 평면도(top view)를 나타낸다. 일반적인 방향타의 경우 상부에서 많은 양력 손실이 나타나므로 원하는 조종성 또는 양력을 얻기 위해서 타각을 더 크게 해야 한다. 그런데 타각이 커지면 양력을 증가시킬 수는 있으나 방향타의 하부 흡입면(좌현)에서 강한 캐비테이션이 발생하여 방향타 표면에 심각한 침식을 초래할 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 분리형 방향타의 경우 상부의 타각을 더 크게 하고 하부의 타각을 더 작게 하여 원하는 양력을 효율적으로 얻을 수 있으며 받음각이 크지 않아 캐비테이션에 의한 손상을 방지할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상 을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 선박의 선미에 부착된 프로펠러와 방향타를 보여주고 있다.

도 2는 프로펠러 후류와 방향타를 보여주고 있다.

도 3은 일반적인 혼-타의 형상을 보여주고 있다.

도 4는 일반적인 혼-타의 단면 형상을 보여주고 있다.

도 5는 일반적인 전가동타의 형상을 보여주고 있다.

도 6은 일반적인 전가동타의 단면 형상을 보여주고 있다.

도 7은 프로펠러와 본 발명에 따른 분리형 방향타를 보여주고 있다.

도 8은 선박의 직진 운항 시 프로펠러 유입류와 본 발명에 따른 분리형 방향타의 배치를 보여주고 있다.

도 9는 선박의 우현 회전 시 프로펠러 유입류와 본 발명에 따른 분리형 방향타의 배치를 보여주고 있다.

<도면의 주요부분에 대한 설명>

1 : 방향타

2 : 프로펠러

3 : 혼-타

4 : 전가동타

5 : 본 발명에 따른 분리형 방향타

Claims (2)

1. 프로펠러 축을 중심으로 하여 상부와 하부로 몸체를 나누고 상부와 하부의 각 부분이 임의의 타각으로 회전이 가능하도록 하여, 유입되는 프로펠러 후류의 방향과 받음각에 따라 상부와 하부의 타각을 적응형(adaptive)으로 조절하여 운용함으로써 양력 손실 및 캐비테이션을 저감시키는 분리형 방향타.
2. 제 1 항에 있어서, 몸체의 상부와 하부 사이 간극의 크기가 1cm 내지 10cm인 것을 특징으로 하는 양력 손실 및 캐비테이션을 저감시키는 분리형 방향타.

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