KR20100125405A - 마찰저항 저감선 및 운전방법 - Google Patents

Abstract

마찰저항이 저감하고 연비가 향상하는 마찰저항 저감선을 제공한다.
항행속도가 빨라지면 윙(33)에 의해 형성되는 부압이 커지게 되고 그 결과 기액경계면이 창부분(34)의 근방까지 눌러내리는 상태에서 공기와 물이 상기 부분에서는 달라지는 속도로 운동하고 있다.
공기와 물은 밀도가 다르기 때문에 미세기포 발생부재(3)의 창부분(34)의 내측 공간에 있어서 켈빈-헬름홀츠-불안정현상에 의해 미세기포가 발생하고 발생한 미세기포는 상기 부압에 의해 선체에 결합된 것과 같이 선체표면에 이어져서 하류측으로 흐른다.

Description

마찰저항 저감선 및 운전방법{FRICTIONAL-RESISTANCE REDUCED SHIP, AND METHOD FOR STEERING THE SAME}

본 발명은 미세기포(마이크로버블)을 선체의 외표면에 공급하여 선체와 물의 사이에 마차저항을 저감한 마찰저항 저감선 및 그의 운전방법에 관한 것이다.

항행 중의 선체의 표면에 기포를 공급하는 것으로 물에 대해 선체의 마찰저항이 작게하는 것이 종래기술로 알려져 있다.

선저(외측면)에 설치된 기포발생부까지 공기를 보내는 수단으로 특허문헌1에는 블로어로부터 공기탱크에 공기를 보내고 공기를 압축상태로 저류하고 저류한 공기를 선체의 외측면에 이어서 결합한 파이프를 통해 기포발생부에 공급하는 내용이 개시되어 있다.

특허문헌2에는 갑판에 설치된 기체공급수단으로부터 선체의 외측면에 이어서 결한된 파이프를 통해 기포발생부에 공기를 공급하는 내용이 개시되어 있다.

마찰저항을 효과적으로 저감하는 것에는 장기산 기포가 선체표면에 머무는 것이 바람직하고 이를 위해 기포의 직경은 작은 것이 요구된다. 이와 같은 미소기포(마이크로 버블)은 켈빈-헬름홀츠-불안정성 현상(Kelvin-Helmholtz-Instability)에 의해 발생하는 것이 특허문헌3에 기재되어 있다.

즉, 특허문헌3에서는 선저의 외판(침수표면)에 요부(凹部)를 설치하고 상기 요부에 공기를 공급하는 기체도입관을 접속함과 동시에 요부의 상류측에 쐐기모양의 부압형성부를 결합하고 요부내에 켈빈-헬름홀츠-불안정현상을 발생시키는 미소기포를 생성하도록 하고 있다.

또한 특허문헌4에서는 미소기포를 생성하는 수단으로서 특허문헌3의 쐐기모양의 부압형성 대신에 윙을 이용하는 기술이 개시되어 있다.

특히 특허문헌4의 도17a, 도17b 에는 블로어(35)가 개시되고 상기 블로어(35)로부터 유체통로 내에 공기가 공급되는 것이 컬럼 23,24에 기재되어 있다.

[특허문헌 1] 특개평 11-180380 호 공보

[특허문헌 2] 특개 2000-296796 호 공보

[특허문헌 3] 특개 2002-2582 호 공보

[특허문헌 4] 미국 특허 제 6,789,491 호 공보

특허문헌1에 있어서 블로어로부터 공기를 공기탱크에 보내서 압축상태로 저류하기 위해 장치가 큰 규모로 이루어진다. 또한 특허문헌1,2의 어느 것에도 기포발생부 자신이 미세한 공기의 발생에 적절한 구조로 이루어지지 않았다.

특허문헌3,4에 개시된 기술에 의하면 마찰저항의 저감에 바람직한 미소기포를 보내는 것이 가능하다. 그러나 특허문헌3 및 특허문헌4에 의하면 부압형성부로 형성한 부압에 의해 공기를 인입하도록 하고 부압이 소정치 보다도 크지 않으면 기포가 발생하지 않는다. 특히 특허문헌4에 있어서는 블로어에 의해 공기를 유체통로 내에 보내도록 하고 있지만 유체통로는 개방형으로 이루어져 있기 때문에 블로어에 의해 유체통로 내에 공기를 보내도 상방으로 배기되어 버리고 기액경계면을 눌러내는 것이 가능하지 않다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은 선체에 형성한 개구부에 미세기포 발생부재를 결합한 마찰저항 저감선에 있어서, 상기 미세기포 발생부재는 상기 개구부에 끼워결합한 플레이트와, 상기 플레이트에 결합된 부압발생용 윙으로 구성되고, 상기 플레이트의 윙과 대향하는 부분에 상기 개구부 내와 선체외부와를 연통하는 창부분이 형성되고, 상기 개구부의 선내측에 개구부에 공기를 공급하는 배관이 접속되고 상기 배관에 배관내의 기액경계면을 미세기포 발생부까지 눌러내리는 압축기의 압기원이 접속되는 것을 특징으로 한다.

상기 창부분은 소정의 용적을 갖고 상기 창부분은 켈빈-헬름홀츠-불안정현상(Kelvin-Helmholtz-Instability)에 의한 미세기포 발생공간으로 기능한다. 상기 창부분으로 안정적으로 공기를 공급하기 위해서는 창부분의 상류부에 쳄버를 설치되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 의한 마찰저항 저감선의 운전방법은 상기 마찰저항 저감선을 이용하는 것을 전제하고 먼저 압축기 등의 압기원에 의해 상기 배관 내의 기액경계면을 미세기포 발생부까지 눌러내림과 동시에 배의 항행에 따라 상기 윙에 의해 발생하는 부압에 의해 상기 배관으로부터 공급되는 공기를 미세 기포로하여 선체 표면에서 이어져 배출하고 상기 상태를 유지하면서 항행하도록 한다. 여기서 미세기포로서는 수 mm 이하, 바람직하게는 1mm 이하의 직경을 갖는 기포를 의미한다.

본 발명에 관한 마찰저항 저감선에 의하면 선체의 저면 및 측면을 미소 기포로 덮는 것이 가능하기 때문에 마찰저항이 다시 저감되고 연비가 향상된다.

본 발명에 의하면 미세기포 발생부재 자신이 배의 주행에 따라 부압을 발생하고 상기 부압을 다시 압축기 등의 압기원에 의해 보조하도록 했기 때문에 항행속도가 늦은 경우에도 미세기포의 발생에 필요한 공기를 미세기포 발생부까지 보내는 것이 가능하다.

또한 배가 출발하기 시작하면 배관 내의 기액경계면은 출발에 따라 낮아지기 때문에 낮아진 경계면으로부터 미세기포 발생부의 상부까지의 물기둥을 밀어넣을 만큼 공기의 압력이 있으면 충분하기 때문에 그 정도 크기의 용량의 압축기가 필요하지 않으며, 예를 들면 주기관의 출력이 10,000kw 배의 경우 압축기의 용량은 10~20 kw로 충분하다.

도1의 (a) 및 (b)는 본 발명에 의한 마찰저항 저감선의 측면을 도시한 것이고,
도2는 추진장치실 내의 종단면을 도시한 것이고,
도3는 도2의 A - A 화살표방향에서 도시한 것이고,
도4는 도2의 B - B 화살표방향에서 도시한 것이고,
도5는 본 발명에 의한 미세기포 발생부재의 전체를 도시한 것이고,
도6은 본 발명에 의한 미세기포 발생부재의 선체에 설치한 상태의 단면도로서 기포발생전의 상태를 도시한 것이고,
도7은 본 발명에 의한 미세기포 발생부재를 선체에 설치한 상태의 단면도로서 기포발생 상태를 도시한 것이고,
도8은 본 발명에 의한 다른 실시예를 도6과 같이 도시한 것이고,
도9는 본 발명에 의한 또 다른 실시예를 도6과 같이 도시한 것이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 목적, 작용, 효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 작동상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.

도1의 (a) 및 (b)는 본 발명에 의한 마찰저항 저감선의 측면을 도시한 것이고, 도2는 추진장치실 내의 종단면을 도시한 것이고, 도3는 도2의 A - A 화살표방향에서 도시한 것이고, 도4는 도2의 B - B 화살표방향에서 도시한 것이고, 도5는 본 발명에 의한 미세기포 발생부재의 전체를 도시한 것이고, 도6은 본 발명에 의한 미세기포 발생부재의 선체에 설치한 상태의 단면도로서 기포발생전의 상태를 도시한 것이고, 도7은 본 발명에 의한 미세기포 발생부재를 선체에 설치한 상태의 단면도로서 기포발생 상태를 도시한 것이다.

본 발명에 관한 마찰저항 저감선은 선체의 외측면(1)의 끽수선(喫水線,L.W.L) 보다도 낮은 부분으로부터 선저(2)에 걸쳐 미세기포 발생부재(3)를 선체에 결합하고 있다. 상기 미세기포 발생부재(3)로의 공기 공급은 도1(a)에 도시한 실시예에 있어서는 선체의 추진장치실 내에 배치한 보조 압축기(4)로부터 실시하게 되고 도1(b)에 도시한 실시예에 있어서는 갑판에 배치한 보조압축기(4)로부터 덕트(5)를 통해 실시하게 된다.

추진장치실 내에 배치한 보조압축기(4)로부터 미세기포 발생부재(3)로의 공기의 공급의 구체적인 내용을 도2 내지 도4에 도시하고 있다.

즉 보조압축기(4)로부터 배관(11)을 통해 메인 헤더(12)에 공기가 보내진다. 상기 메인 헤더(12)에는 좌우 3개씩 배관(13)이 접속되고 각 배관(13)은 좌우의 밸브(14)에 접속된다.

상기 밸브(14)로부터 상기 배관(13)에 연결되는 배관(15)이 도출되고 상기 배관(15)의 중간에는 서브 헤더(16)가 설치되고 상기 서브 헤더(16)로부터 배관(17)이 분기되고 상기 분기한 배관(17)은 상기 미세기포 발생부재(3)에 연결된다.

도시된 실시예에서 다수의 미세기포 발생부재(3)는 배의 진행방향을 기준으로 평면에서 말단 부분이 넓어지는 형상으로 이루어지도록 배치되지만 배의 진행방향을 기준으로 중첩되도록 배치하는 것도 바람직하다. 또한 서브 헤더(16)로부터 분기하는 배관(17)의 갯수는 2 개 또는 3개에 한정되는 것이 아니라 임의적일 수 있다.

상기 미세기포 발생부재(3)는 긴원형상의 플레이트(31)와 상기 플레이트(31)에 연결부(32)를 통해 결합되는 측면도에서 돌핀형 윙(33)으로 이루어진다. 그리고 상기 플레이트(31)의 윙(33)에 대향하는 위치에는 상기 윙(33)의 창부분(34)에 대향하는 면(33a)은 창부분(34)으로 향해 팽출하는 철(凸)형상으로 이루어진다.

상기 윙(33)은 선체의 외측면(저면)과 평행하도록 결합되고 윙(33)의 전단연과 플레이트(31)와의 간격(g31) 보다도 윙(33)의 후단부와 플레이트(31)와의 간격(g2)를 크게 한다. 상기와 같은 구성으로 배가 항해할 때 윙(33)과 창부분(34)의 사이에 부압이 발생한다.

한편 선체에는 개구부(18)가 관통하여 형성된다. 상기 개구부(18)의 선외측이 되는 부분에는 얕은 요부(凹部,19)가 개구부(18)의 일부로 형성되고 상기 요부(19)에 상기 미세기포 발생부재(3)의 플레이트(31)가 볼트(35)에 의해 고착된다.

또한 개구부(18)의 선채측 단부는 지지판(36)이 결합되고 상기 지지판(36)에 상기 배관(17)의 선단이 유지된다. 상기 배관(17)의 기판은 상기와 같이 서브 헤더(16)에 접속되고 상기 서브 헤더(16)는 배관(15), 배관(13), 메인 헤더(12), 배관(11)을 통해 보조 압축기(4)에 접속된다.

즉 상기 보조 압축기(4), 배관(11), 메인 헤더(12), 배관(13), 밸브(14), 배관(15), 보조 헤더(16) 및 배관(17)으로부터 구성되는 공기공급계는 배관(17)의 개구부(18)로 향하는 선단부를 제외하고 폐쇄계를 형성한다. 상기 결과 보조 압축기(4)를 구동하고 있지 않은 경우에는 끽수선까지 기액계면은 상승하려고 하지만 폐쇄계이기 때문에 배관(17) 내의 공기가 압축되는 기액계면이 배관(17)의 중간까지 끌어 올려진다. 상기 상태를 도6에서 설명한다.

이상에 있어서 배가 항행을 개시하면 윙(33)에 의해 형성되는 부압에 의해 개구부(18) 내의 해수가 낮아지고 기액경계면도 낮아진다. 상기 창부분(34)의 근방까지 기액경계면을 다시 낮추기 위해 보조 압축기(3)에 의해 기액경계면을 눌러내린다.

다시 항행속도가 빨라지면 윙(33)에 의해 형성되는 부압이 커지게 된다. 그 결과로 기액경계면이 창부분(34)의 근방까지 눌러내려지고 상기 상태는 공기와 물이 기액경계면에서 다른 속도로 운동하고 있는 것이다. 공기와 물은 밀도가 다르기 때문에 도7에 도시된 바와 같이 미세기포 발생부재(3)의 창부분(34)의 내측 공간에 있어서 켈빈-헬름홀츠-불안정현상에 의해 미세기포가 발생하고 발생한 미세기포는 상기 부압에 의해 선체에 결합된 것과 같이 선체표면에 이어져서 하류측으로 흐른다.

상기 실시예는 선체의 강판의 두께가 두껍고 강판에 개구부(18)를 형성하는 것이 가능하고 상기 개구부(18)가 창부분(34)으로의 공기의 안정공급의 역할을 담당하고 있는지 강판의 두께와 케이스(31)의 두께가 거의 비슷한 경우에는 도8 또는 도9에 도시된 바와 같이 별도 쳄버를 설치하는 것이 바람직하다.

도8에 도시된 실시예에서는 선체에 형성한 개구부(18)에 상면이 패쇄된 하면이 개방되는 원통형 쳄버(20)를 용접하고 상기 원통형 쳄버(20)의 패쇄된 상면에 상기 배관(17)을 접속하고 상기 원통형 쳄버(20)의 하면 근방에 설치된 브라켓(21)에 미세기포 발생부재(3)의 케이스(31)를 볼트로 고착하고 상기 쳄버(20)에 의해 미세기포 발생부재(3)의 창부분(34)에 공기가 안정되게 공급되도록 한다.

도9에 도시된 실시예에서 기능은 도8과 동일하지만 쳄버(20)의 형상을 돔 형상으로 한다. 상기와 다른 형상으로는 말구유형상(桶狀), 통형상(筒狀) 등이 될 수 있다.

참고로 본 발명의 구체적인 실시예는 여러가지 실시 가능한 예 중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 본 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시예가 가능함을 밝혀 둔다.

1 ... 선체의 외측면 2 ... 선저
3 ... 미세기포 발생부재 4 ... 보조압축기
5 ... 덕트 11 ... 배관
12 ... 메인 헤더 13 ... 배관
14 ... 밸브 15 ... 배관
16 ... 서브 헤더 17 ... 배관
18 ... 개구부 19 ... 리세스
20 ... 챔버 21 ... 브라켓
31 ... 플레이트 32 ... 연결부
33 ... 윙 33a ... 윙의 창부분에 대항하는 면
34 ... 창부분 35 ... 볼트
36 ... 지지판 g1 ... 윙의 전단연과 플레이트와의 간격
g2 ... 윙의 후단연과 플레이트와의 간격

Claims (3)

1. 선체에 형성한 개구부에 미세기포 발생부재를 결합한 마찰저항 저감선에 있어서,
   상기 미세기포 발생부재는 상기 개구부에 끼워결합한 플레이트와, 상기 플레이트에 결합된 부압발생용 윙으로 구성되고,
   상기 플레이트의 윙과 대향하는 부분에 상기 개구부 내와 선체외부와를 연통하는 창부분이 형성되고,
   상기 개구부의 선내측에 개구부에 공기를 공급하는 배관이 접속되고 상기 배관에 배관내의 기액경계면(氣液境界面)을 미세기포 발생부까지 눌러내리는 압축기의 압기원(壓氣源)이 접속되는 것을 특징으로 하는 마찰저항 저감선.
2. 제1항에 있어서,
   상기 창부분은 켈빈-헬름홀츠-불안정현상(Kelvin-Helmholtz-Instability)에 의한 미세기포 발생공간으로 기능하는 것을 특징으로 하는 마찰저항 저감선.
3. 제1항 또는 제2항에 기재된 마찰저항 저감선의 운전방법에 있어서, 압축기 등의 압기원에 의해 상기 배관 내의 기액경계면을 미세기포 발생부까지 눌러내림과 동시에 배의 항행에 따라 상기 윙에 의해 발생하는 부압에 의해 상기 배관으로부터 공급되는 공기를 미세 기포로하여 선체에 붙어있는 것과 같이 선체 표면에서 이어져 배출하고 상기 상태를 유지하면서 항행하는 것을 특징으로 하는 마찰저항 저감선의 운행방법.

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